WO2015037525A1 - 送電装置及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

送電装置及びワイヤレス電力伝送システム Download PDF

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WO2015037525A1
WO2015037525A1 PCT/JP2014/073445 JP2014073445W WO2015037525A1 WO 2015037525 A1 WO2015037525 A1 WO 2015037525A1 JP 2014073445 W JP2014073445 W JP 2014073445W WO 2015037525 A1 WO2015037525 A1 WO 2015037525A1
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voltage
power transmission
electrode
acv
power
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PCT/JP2014/073445
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English (en)
French (fr)
Inventor
加藤数矢
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission device that wirelessly transmits power to a power receiving device by an electric field coupling method, and a wireless power transmission system.
  • Patent Document 1 proposes a wireless power transmission system that can detect that a foreign object has approached an electrode.
  • a power transmission device is provided with an electrode for detecting foreign matter isolated from an electrode for electric field coupling.
  • the voltage generated between the electric field coupling electrode and the foreign object detection electrode is monitored, and when the voltage changes more than a certain level, the foreign object approaches between the electric field coupling electrodes of the power transmitting device and the power receiving device. It is determined that the power transmission is stopped and power transmission is stopped.
  • Patent Document 1 it is necessary to provide an electrode for detecting foreign matter, and it is necessary to provide the electrode for detecting foreign matter so as to surround an electrode for electric field coupling. There is a problem that is restricted.
  • a foreign object detection electrode has a partially cut shape, there is a problem that the foreign object cannot be detected when the foreign object approaches the missing part. For this reason, in patent document 1, a foreign material may not be detected correctly, the foreign material cannot be detected reliably, and a malfunction may occur when the user touches the foreign material.
  • an object of the present invention is to provide a power transmission device and a wireless power transmission system that can reliably prevent problems caused by foreign matter when the foreign matter is inserted between electrodes.
  • the present invention provides AC to the power transmission side first electrode facing the power reception side first electrode of the power reception device with a gap and the power transmission side second electrode facing the power reception side second electrode of the power reception device with a gap.
  • the first voltage monitoring unit that monitors the voltage of the first electrode on the power transmission side and the first voltage monitoring unit monitor A first change amount detection unit that detects a change amount of the voltage every predetermined time; a second voltage monitoring unit that monitors a voltage of the second electrode on the power transmission side; and a voltage that is monitored by the second voltage monitoring unit. Based on the change amount detected by the second change amount detection unit that detects the change amount per fixed time, and each of the first change amount detection unit and the second change amount detection unit, power transmission to the power receiving device is performed. And a power transmission stop unit that stops.
  • one of the change amount detected by the first change amount detection unit and the change amount detected by the second change amount detection unit increases with time, and the other decreases with time. If it is, it is preferable to stop power transmission to the power receiving apparatus.
  • both the voltages applied to the power transmission side first electrode and the power transmission side second electrode increase or decrease over time. Therefore, when one of the voltages applied to the power transmission side first electrode and the power transmission side second electrode increases with time and the other decreases, it is determined that a person has touched the metal foreign object sandwiched between the electrodes. Thus, it is possible to more accurately prevent problems caused by foreign matter inserted between the electrodes.
  • the power transmission stopping unit transmits power to the power receiving device when an absolute value of a difference between the voltage of the power transmission side first electrode and the voltage of the power transmission side second electrode exceeds a predetermined value. It is preferable to stop.
  • Circuit diagram of wireless power transmission system according to an embodiment
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a wireless power transmission system 1 according to the present embodiment.
  • a wireless power transmission system 1 includes a power transmission device 101 and a power reception device 201.
  • the power receiving apparatus 201 includes a load circuit RL.
  • the load circuit RL includes a secondary battery and a charging circuit.
  • the power receiving device 201 is, for example, a portable electronic device. Examples of portable electronic devices include cellular phones, PDAs (Personal Digital Assistants), portable music players, notebook PCs, and digital cameras.
  • a power receiving apparatus 201 is placed on the power transmitting apparatus 101. And the power transmission apparatus 101 charges the secondary battery of the power receiving apparatus 201 mounted.
  • the load circuit RL is provided in the power receiving device 201, but the load circuit RL may be provided outside the power receiving device 201, for example, or a circuit that is detachable from the power receiving device 201. It may be.
  • the DC voltage Vin is connected to the input terminals IN1, IN2 of the power transmission apparatus 101.
  • the DC voltage Vin is a DC voltage converted by the AC adapter.
  • the power transmission apparatus 101 operates with this DC voltage Vin.
  • the AC adapter is connected to a commercial power source and converts AC 100V to 230V into DC 19V. However, it is not necessary to convert to DC 19V, and may be converted to DC 5V or 12V.
  • a DC-AC inverter circuit 10 composed of switch elements Q1, Q2, Q3, and Q4 is connected to input terminals IN1 and IN2 of the power transmission apparatus 101.
  • the DC-AC inverter circuit 10 corresponds to a DC / AC converter circuit according to the present invention.
  • the switch elements Q1, Q2, Q3 and Q4 are n-type MOS-FETs. Switch elements Q1 and Q2 are connected in series, and switch elements Q3 and Q4 are connected in series.
  • a primary coil of the step-up transformer T1 is connected to a connection point between the switch elements Q1 and Q2 and a connection point between the switch elements Q3 and Q4.
  • the step-up transformer T1 boosts the AC voltage converted from the DC voltage Vin.
  • the switch elements Q1, Q2, Q3, and Q4 are PWM controlled by the driver 11.
  • the driver 11 turns on and off the switch elements Q1 and Q4 and the switch elements Q2 and Q3 alternately in response to a control signal from the controller 12.
  • the DC-AC inverter circuit 10 converts the DC voltage Vin into an AC voltage by alternately switching on and off the switch elements Q1, Q4 and the switch elements Q2, Q3.
  • the active electrode 13 and the passive electrode 14 are connected to the secondary coil of the step-up transformer T1.
  • the active electrode 13 is a power transmission side first electrode according to the present invention
  • the passive electrode 14 is a power transmission side second electrode according to the present invention.
  • the active electrode 13 and the passive electrode 14 are both flat, and the active electrode 13 has a smaller area than the passive electrode 14.
  • the AC voltage boosted by the step-up transformer T1 is applied to the active electrode 13 and the passive electrode 14.
  • a series circuit of capacitors C11 and C12 is connected in parallel to the secondary coil of the step-up transformer T1, and the capacitors C11 and C12 form a parallel resonance circuit with the inductance of the step-up transformer T1.
  • Capacitors C11 and C12 form a series resonance circuit together with the leakage inductance of the secondary coil of step-up transformer T1 or the inductor of the actual part.
  • An A_ACV detection circuit 15 that detects the voltage A_ACV of the active electrode 13 is connected to the active electrode 13.
  • the passive electrode 14 is connected to a P_ACV detection circuit 16 that detects the voltage P_ACV of the passive electrode 14.
  • the A_ACV detection circuit 15 and the P_ACV detection circuit 16 have the same circuit configuration. Note that the voltage A_ACV of the active electrode 13 and the voltage P_ACV of the passive electrode 14 are the magnitudes of the potential difference between the potential of the active electrode 13 and the potential of the passive electrode 14 and the reference potential, respectively.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit of the A_ACV detection circuit 15. Note that the P_ACV detection circuit 16 has the same circuit configuration as the A_ACV detection circuit 15, and thus description thereof is omitted.
  • a voltage dividing circuit including capacitors C 41 and C 42 is connected to a connection line connected to the active electrode 13.
  • a resistor R11 having one end grounded is connected to a connection point between the capacitors C41 and C42.
  • the resistor R11 is an element for consuming a low frequency component.
  • rectifying diodes D11 and D12 and a capacitor C44 are connected to a connection point between the capacitors C41 and C42 via a DC cut capacitor C43.
  • resistors R12 and R13 for voltage control are connected and connected to the controller 12.
  • the controller 12 controls the driver 11 so that the voltage A_ACV detected at any time by the A_ACV detection circuit 15 maintains a predetermined voltage, so that the switch elements Q1 and Q4 and the switch elements Q2 and Q3 are turned on and off alternately.
  • the controller 12 monitors a change with time of the voltage A_ACV and the voltage P_ACV detected at regular intervals by the A_ACV detection circuit 15 and the P_ACV detection circuit 16, respectively, and performs a power transmission stop determination process.
  • the stop determination process is to prevent a user's electric shock when a metal foreign object is sandwiched between the passive electrode 14 and the passive electrode 24 of the power receiving device 201 facing the passive electrode 14 and the user touches the metal foreign object.
  • the process of determining whether or not to stop power transmission Details of the stop determination process performed by the controller 12 will be described later.
  • the power receiving apparatus 201 includes an active electrode 23 and a passive electrode 24.
  • the active electrode 23 is a power receiving side first electrode according to the present invention
  • the passive electrode 24 is a power receiving side second electrode according to the present invention.
  • Each of the active electrode 23 and the passive electrode 24 has substantially the same area as each of the active electrode 13 and the passive electrode 14, and when the power receiving device 201 is placed on the power transmitting device 101, the active electrode 13 and the passive electrode of the power transmitting device 101. 14 and facing through a gap.
  • an AC voltage is applied between the active electrode 13 and the passive electrode 14
  • an electric field is generated in the active electrodes 13 and 23 and the passive electrodes 14 and 24 that are arranged to face each other, and power is received from the power transmission device 101 via this electric field. Power is transmitted to the device 201.
  • the primary coil of the step-down transformer T2 is connected to the active electrode 23 and the passive electrode 24 of the power receiving apparatus 201.
  • a series circuit of capacitors C21 and C22 is connected in parallel to the primary coil.
  • the capacitors C21 and C22 form a parallel resonance circuit with the inductance of the step-down transformer T2. Note that this parallel resonant circuit is set to substantially the same resonant frequency as the series resonant circuit of the power transmission device 101 in order to efficiently transmit power.
  • a diode bridge composed of diodes D1, D2, D3, and D4 is connected to the secondary coil of the step-down transformer T2.
  • One output of the diode bridge is connected to the output terminal OUT1 via the smoothing capacitor C3 and the DC-DC converter 20.
  • the other output of the diode bridge is connected to the output terminal OUT2.
  • a load circuit RL which is a secondary battery, a charging circuit, and other load circuits, is connected to the output terminals OUT1 and OUT2.
  • the diode bridge and the smoothing capacitor C3 correspond to the rectifying and smoothing circuit according to the present invention, and rectify and smooth the AC voltage stepped down by the step-down transformer T2.
  • the rectified and smoothed DC voltage is converted into a predetermined voltage stabilized by the DC-DC converter 20.
  • the controller 12 of the power transmission apparatus 101 monitors the voltage A_ACV and the voltage P_ACV, and stops power transmission from changes over time in the voltage A_ACV and the voltage P_ACV.
  • a stop determination process is performed to determine whether or not. By performing the stop determination process, even if the user touches a metal foreign object sandwiched between the passive electrodes 14 and 24, the user's electric shock can be prevented.
  • the stop determination process will be described in detail.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the controller 12.
  • the controller 12 is a microcomputer, and each function of the A_ACV detection unit 121, the ⁇ A_ACV calculation unit 122, the P_ACV detection unit 123, the ⁇ P_ACV calculation unit 124, the foreign matter determination unit 125, and the power transmission stop unit 126 is executed by executing a program. Is provided.
  • the A_ACV detection unit 121 detects the voltage A_ACV by the A_ACV detection circuit 15 every time period ( ⁇ t).
  • the A_ACV detection unit 121 corresponds to the first voltage monitoring unit according to the present invention.
  • the ⁇ A_ACV calculation unit 122 calculates the difference of the voltage A_ACV that changes over time. Specifically, the ⁇ A_ACV calculation unit 122 calculates a difference ⁇ A_ACV between the voltage A_ACV detected at the timing t by the A_ACV detection unit 121 and the voltage A_ACV detected at the timing t + ⁇ t.
  • the ⁇ A_ACV calculation unit 122 corresponds to a first change amount detection unit according to the present invention.
  • the P_ACV detection unit 123 detects the voltage P_ACV for each time period ( ⁇ t) by the P_ACV detection circuit 16.
  • the P_ACV detection unit 123 corresponds to the second voltage monitoring unit according to the present invention.
  • the ⁇ P_ACV calculation unit 124 calculates the difference of the voltage P_ACV that changes over time. Specifically, the ⁇ P_ACV calculation unit 124 calculates a difference ⁇ P_ACV between the voltage P_ACV detected by the P_ACV detection unit 123 at timing t and the voltage P_ACV detected at timing t + ⁇ t.
  • the ⁇ P_ACV calculation unit 124 corresponds to a second change amount detection unit according to the present invention.
  • the foreign object determination unit 125 determines that a metal foreign object is sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 and the user touches the metal foreign object. . Specifically, the foreign matter determination unit 125 multiplies the difference ⁇ A_ACV and the difference ⁇ P_ACV and determines whether or not the result is a negative value.
  • the active electrode 13 depends on the state of the power receiving device 201 (for example, when fully charged or the resonance circuit constant is displaced).
  • the voltage applied to the passive electrode 14 is displaced.
  • each of the voltages applied to the active electrode 13 and the passive electrode 14 increases or decreases. Therefore, when the result of multiplication of the difference ⁇ A_ACV and the difference ⁇ P_ACV is a negative value, the foreign matter determination unit 125 increases one of the voltages applied to the active electrode 13 and the passive electrode 14 and decreases the other. In this case, it is determined that a metal foreign object is sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 and the user touches the metal foreign object.
  • the foreign matter determination unit 125 determines whether or not the difference ⁇ A_ACV calculated by the ⁇ A_ACV calculation unit 122 and the ⁇ P_ACV calculation unit 124 and the absolute value
  • of the difference ⁇ P_ACV are equal to or greater than a predetermined value. If it is equal to or greater than the predetermined value, it is determined that a metal foreign object has been sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 and the user has touched the metal foreign object.
  • the power transmission stop unit 126 controls the driver 11 to stop the driving of the DC-AC inverter circuit 10 when the foreign matter determination unit 125 determines that the user has touched the metal foreign matter sandwiched between the passive electrodes 14 and 24. Power transmission to the power receiving apparatus 201 is stopped. For example, power transmission may be stopped by turning off the switch elements Q1 to Q4, or a switch element is provided in a power supply line connected to the input terminal IN1, and the switch element is turned off, and the direct current is turned off. The power supply from the voltage Vin to the DC-AC inverter circuit 10 may be cut off.
  • the controller 12 monitors the voltage A_ACV and the voltage P_ACV, and determines whether or not to stop the power transmission according to the temporal change of the voltage A_ACV and the voltage P_ACV.
  • the reason why the voltage A_ACV and the voltage P_ACV are displaced when the controller 12 touches the user with a metal foreign object sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 will be described.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an equivalent circuit when the user touches a metal foreign object sandwiched between the passive electrodes 14 and 24.
  • the upper part of FIG. 4 is a partial circuit of the wireless power transmission system 1 in a normal state.
  • the capacitors C11 and C12 are voltage dividing circuits that are connected between the active electrode 13 and the passive electrode 14 with the connection point P as a reference potential.
  • the passive electrodes 14 and 24 have a larger area and a larger capacity than the active electrodes 13 and 23.
  • the capacitors C11, C12 and The capacitance ratio of the capacitors C21 and C22 is the same as the capacitance ratio of the capacitance formed by the active electrodes 13 and 23 and the capacitance formed by the passive electrodes 14 and 24.
  • the charging voltage of the capacitor C11 corresponds to the voltage A_ACV
  • the charging voltage of the capacitor C12 corresponds to the voltage P_ACV.
  • FIG. 4 is a circuit in the case where a metal foreign object (for example, a clip or the like) 50 is sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 and the user touches the metal foreign object 50.
  • FIG. Capacitance C ⁇ b> 51 is generated between the passive electrode 14 and the metal foreign object 50 when the metal foreign object 50 is sandwiched between the passive electrodes 14 and 24. Further, the metal foreign object 50 is grounded to the ground via a resistance component R51 by a human body (user) who has touched the metal foreign object 50.
  • connection point P connected to the reference potential of the power transmission apparatus 101 can be regarded as a circuit grounded to the ground via the stray capacitance Cs1.
  • the connection point P that is, the reference potential is displaced with respect to the ground potential. Therefore, the voltage division ratio between the active electrode 13 and the passive electrode 14 varies due to the capacitance C51, the resistor R51, and the stray capacitance Cs1, and the variation of the reference potential occurs, and the influence when the voltages A_ACV and P_ACV are detected respectively. Appears in each detection result.
  • FIG. 5 is a diagram showing the detection result of the voltage A_ACV sampled at discrete time.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a detection result of the voltage P_ACV sampled at discrete times.
  • Timings t1, t2, t3, t4, t5, and t6 shown in FIGS. 5 and 6 are timings when the metal foreign object 50 sandwiched between the electrodes is touched by the user. At these timings, the voltage A_ACV and the voltage P_ACV vary.
  • the voltage A_ACV increases at timings t1 to t6 when the user touches the metal foreign object 50. Therefore, the difference ⁇ A_ACV between the voltage A_ACV detected at each timing t1 to t6 and the voltage A_ACV detected ⁇ t before each timing t1 to t6 is a positive value. Further, as shown in FIG. 6, the voltage P_ACV decreases at timings t1 to t6. Therefore, the difference ⁇ P_ACV between the voltage P_ACV detected at each timing t1 to t6 and the voltage P_ACV detected ⁇ t before each timing t1 to t6 is a negative value.
  • the foreign matter determination unit 125 can determine whether or not the user has touched the metal foreign matter 50 sandwiched between the electrodes from the multiplication result of the difference ⁇ A_ACV and the difference ⁇ P_ACV.
  • FIG. 7 is a diagram showing the result of the voltage difference between the voltage A_ACV and the voltage P_ACV sampled at discrete times.
  • the difference voltage ⁇ (A_ACV ⁇ P_ACV) between the voltage A_ACV and the voltage P_ACV increases at timings t 1 to t 6 when the user touches the metal foreign object 50. Therefore, the foreign matter determination unit 125 can determine whether or not the user has touched the metal foreign matter 50 sandwiched between the electrodes depending on whether or not the voltage has increased by a predetermined value or more. When the voltage increases by a predetermined value or more, the foreign matter determination unit 125 stops power transmission at timings t1 to t6.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an equivalent circuit when the user touches a metal foreign object sandwiched between the active electrodes 13 and 23.
  • the upper part of FIG. 8 is a partial circuit of the wireless power transmission system 1 in a normal state.
  • the lower part of FIG. 8 is a circuit when a metal foreign object (for example, a clip) 51 is sandwiched between the active electrodes 13 and 23 and the user touches the metal foreign object 51.
  • Capacitance C52 is generated between the active electrode 13 and the metal foreign object 51 by the metal foreign object 51 being sandwiched between the active electrodes 13 and 23.
  • the metal foreign object 51 is grounded to the ground via a resistance component R52 by a human body (user) touching the metal foreign object 51.
  • connection point P connected to the reference potential of the power transmission device 101 can be regarded as a circuit grounded to the ground via the stray capacitance Cs2.
  • the connection point P that is, the reference potential is displaced with respect to the ground potential. Therefore, the capacitance C52, the resistance component R52, and the stray capacitance Cs2 cause fluctuations in the voltage division ratio between the active electrode 13 and the passive electrode 14 and displacement of the reference potential. For this reason, when the voltages A_ACV and P_ACV are detected, respectively. The influence of the reference potential displacement appears in each detection result.
  • FIG. 9 is a diagram showing the detection result of the voltage A_ACV sampled at discrete time.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a detection result of the voltage P_ACV sampled at discrete times.
  • Timing t1, t2, t3, t4, t5, and t6 shown in FIGS. 9 and 10 are timings when the metal foreign object 51 sandwiched between the electrodes is touched by the user. At these timings, the voltage A_ACV and the voltage P_ACV vary.
  • the multiplication result of the difference ⁇ A_ACV and the difference ⁇ P_ACV is a negative value or the difference ⁇ A_ACV and the difference ⁇ P_ACV. If the absolute value of the difference
  • the areas of the passive electrodes 14 and 24 are made larger than the areas of the active electrodes 13 and 23, but the areas of the active electrodes 13 and 23 and the passive electrodes 14.24 are made substantially the same. Also good.
  • a system in which the area of the passive electrode 14 is larger than the area of the active electrode 13 is referred to as an asymmetric type, and a system in which the areas of the active electrode 13 and the passive electrode 14 are the same is symmetrical. Say type.
  • an active electrode and a passive electrode there is no distinction between an active electrode and a passive electrode, and one of two electrodes (hereinafter referred to as a first electrode and a second electrode) of the power transmission device 101 facing each of the two electrodes of the power receiving device 201. Is the active electrode, the other is the passive electrode.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a detection result obtained by sampling the voltage ACV1 at a discrete time.
  • FIG. 12 is a diagram showing the detection result of the voltage ACV2 sampled at discrete times.
  • the timings t1, t2, t3, t4, t5, and t6 shown in FIGS. 11 and 12 are timings when the metal foreign object sandwiched between the electrodes is touched by the user. At these timings, the voltage ACV1 and the voltage ACV2 vary.
  • the voltage ACV1 increases at timings t1 to t6 when the user touches the metal foreign object.
  • the voltage ACV2 decreases at timings t1 to t6. That is, the voltage ACV1 applied to the first electrode in which no metal foreign matter is sandwiched increases, and the voltage ACV2 applied to the second electrode in which the metal foreign matter is sandwiched decreases. Therefore, as in the case of the asymmetric type, it is possible to determine whether or not the user has touched the metal foreign object sandwiched between the electrodes from the result of multiplying the change amounts of the time periods ( ⁇ t) of the voltages ACV1 and ACV2.
  • FIG. 13 is a diagram showing the result of the voltage difference between the voltage ACV1 and the voltage ACV2 sampled at discrete times.
  • the difference voltage ⁇ ACV1-ACV2
  • the difference voltage ⁇ ACV1-ACV2
  • FIG. 14 is a flowchart of the stop determination process executed by the controller 12.
  • the controller 12 calculates the difference ⁇ P_ACV between the voltages P_ACV detected at the timing t and the timing t + ⁇ t and the difference ⁇ A_ACV between the voltages A_ACV (S6). Thereafter, the timing t + ⁇ t is newly set as the timing t (S7). Then, the controller 12 determines whether or not the multiplication result of the calculated ⁇ P_ACV and ⁇ A_ACV is less than 0, that is, a negative value (S8). When it is not a negative value (S8: NO), the controller 12 determines that the metallic foreign object 50 is not sandwiched between the passive electrodes 14, 24 or the active electrodes 13, 23, or that the user is not touching the sandwiched metallic foreign object 50. , The process returns to S4.
  • the controller 12 calculates a difference ⁇ ACV between ⁇ P_ACV and ⁇ A_ACV (S9). Then, the controller 12 determines whether or not the absolute value
  • a predetermined value for example, 20V
  • the controller 12 determines that the metal foreign object 50 is not sandwiched between the passive electrodes 14 and 24 or that the user does not touch the sandwiched metal foreign object 50. , The process returns to S4.
  • ⁇ ACV is calculated as a difference between ⁇ P_ACV and ⁇ A_ACV, but not limited to this, ⁇ ACV is a change in voltage between the active electrode 13 and the passive electrode 14 for each time period ( ⁇ t). Any amount is sufficient. That is, the difference ⁇ ACV (t) between the voltage P_ACV (t) and the voltage A_ACV (t) detected at the timing t, and the difference ⁇ ACV (t) between the voltage P_ACV (t + ⁇ t) and the voltage A_ACV (t + ⁇ t) detected at the timing t + ⁇ t. The difference from (t + ⁇ t) may be calculated.
  • the passive electrode 14, 24 or the active electrode 13 is monitored by monitoring the change with time of the voltage A_ACV of the active electrode 13 and the change with time of the voltage P_ACV of the passive electrode 14. , 23, it is determined whether or not the metal foreign object 50 is sandwiched and touched by the user. Thereby, problems, such as an electric shock by a user touching the metal foreign object 50, can be prevented.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

　受電装置（２０１）のアクティブ電極（２３）と間隙をおいて対向するアクティブ電極（１３）と、受電装置（２０１）のパッシブ電極（２４）と間隙をおいて対向するパッシブ電極（１４）とに交流電圧を印加して、電界結合により受電装置（２０１）へ電力を伝送する送電装置（１０１）において、コントローラ（１２）は、アクティブ電極（１３）に印加される電圧を監視し、監視している電圧の単位時間毎の変化量を検知する。また、パッシブ電極（１４）に印加される電圧を監視し、監視している電圧の単位時間毎の変化量を検知する。そして、それぞれ検知した変化量から、アクティブ電極（１３，２３）に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定した場合、受電装置（２０１）への電力伝送を停止する。これにより、電極間に異物が挿入された場合に、その異物による不具合を確実に防止できる送電装置及びワイヤレス電力伝送システムを提供する。

Description

送電装置及びワイヤレス電力伝送システム
　本発明は、電界結合方式により受電装置へワイヤレスで電力を伝送する送電装置、及びワイヤレス電力伝送システムに関する。
　送電装置から受電装置へワイヤレスで電力伝送するシステムとして、電界結合方式を用いたものがある。このシステムでは、送電装置の電極と受電装置の電極とが電界結合して、電力が伝送される。そして、この電界結合方式では、送電電力が比較的大きく、電極間に異物が挟まっていると、不具合が生じる場合がある。そこで、特許文献１では、電極に異物が接近したことを検出できるワイヤレス電力伝送システムが提案されている。
　特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置に、電界結合用の電極に隔離して異物検出用の電極を設けている。そして、この電界結合用の電極と異物検出用の電極との間に生じる電圧を監視し、その電圧が一定以上変化した場合、送電装置及び受電装置の電界結合用の電極間に異物が接近していると判定し、電力伝送を停止するように構成されている。
国際公開２０１２／０７０４７９号パンフレット
　しかしながら、特許文献１の場合、異物検出用の電極を設ける必要があり、また、その異物検出用の電極を、電界結合用の電極を囲うようにして設ける必要があり、送電装置での電極形成が制約されるという問題がある。また、異物検出用の電極が一部欠けた形状である場合、その欠けた部分に異物が近づくと、その異物を検出できないといった問題もある。このため、特許文献１では、異物を的確に検出できない場合があり、その異物を確実に検出できず、その異物にユーザが触れることで不具合が生じるおそれがある。
　そこで、本発明の目的は、電極間に異物が挿入された場合に、その異物による不具合を確実に防止できる送電装置及びワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。
　本発明は、受電装置の受電側第１電極と間隙をおいて対向する送電側第１電極と、前記受電装置の受電側第２電極と間隙をおいて対向する送電側第２電極とに交流電圧を印加して、電界結合により前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、前記送電側第１電極の電圧を監視する第１電圧監視部と、前記第１電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第１変化量検知部と、前記送電側第２電極の電圧を監視する第２電圧監視部と、前記第２電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第２変化量検知部と、前記第１変化量検知部及び前記第２変化量検知部それぞれが検知した変化量に基づいて、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部とを備えることを特徴とする。
　受電装置の電極と送電装置の電極との間に金属異物が挟まっていて、その金属異物に人が触れた場合、送電側第１電極及び送電側第２電極の電位が変動する。このため、送電側第１電極及び送電側第２電極に印加される電圧を監視して、その電圧の経時的変化によって電力伝送を停止させることで、電極間に挟まった金属異物に人が触れることによる不具合を防止できる。
　前記電力伝送停止部は、前記第１変化量検知部が検知した変化量、及び前記第２変化量検知部が検知した変化量の一方が、経時的に増加し、他方が経時的に減少している場合、前記受電装置への電力伝送を停止することが好ましい。
　受電装置側の負荷が変化すると、送電側第１電極、及び送電側第２電極に印加される電圧は共に、経時的に増加、又は減少する。したがって、送電側第１電極、及び送電側第２電極に印加される電圧の一方が経時的に増加し、他方が減少する場合に、電極間に挟まった金属異物に人が触れたと判定することで、電極間に挿入された異物による不具合をより的確に防止できる。
　前記電力伝送停止部は、前記送電側第１電極の前記電圧と前記送電側第２電極の前記電圧との差の変化量の絶対値が所定値を超える場合、前記受電装置への電力伝送を停止する、ことが好ましい。
　この構成では、変化量が小さい場合は、例えば、受電装置側の負荷が変化した等、電極間に挟まった金属異物に人が触れられた場合ではない判定することで、電極間に挿入された異物による不具合をより的確に防止できる。
　本発明によれば、電極間に挟まった金属異物に人が触れることによる不具合を防止できる。
実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 Ａ_ＡＣＶ検出回路の回路を示す図 コントローラの構成を示すブロック図 パッシブ電極の間に挟まった金属異物をユーザが触れたときの等価回路を説明するための図 離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図 離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図 離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶと電圧Ｐ_ＡＣＶとの電圧差の結果を示す図 アクティブ電極の間に挟まった金属異物をユーザが触れる場合の等価回路を説明するための図 離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図 離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図 電圧ＡＣＶ１の離散時間でサンプリングした検出結果を示す図 離散時間でサンプリングした電圧ＡＣＶ２の検出結果を示す図 離散時間でサンプリングした電圧ＡＣＶ１と電圧ＡＣＶ２との電圧差の結果を示す図 コントローラが実行する停止判定処理のフローチャート
　図１は本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１の回路図である。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは、二次電池及び充電回路を含む。受電装置２０１は、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１には受電装置２０１が載置される。そして、送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電する。
　なお、図１では、負荷回路ＲＬは受電装置２０１内に設けられているが、負荷回路ＲＬは、例えば受電装置２０１の外部に設けられていてもよいし、受電装置２０１に対し着脱可能な回路であってもよい。
　送電装置１０１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、直流電圧Ｖｉｎが接続されている。直流電圧Ｖｉｎは、ＡＣアダプタにより変換される直流電圧である。送電装置１０１はこの直流電圧Ｖｉｎで動作する。ＡＣアダプタは、商用電源に接続されていて、ＡＣ１００Ｖ～２３０ＶをＤＣ１９Ｖへ変換する。ただし、ＤＣ１９Ｖに変換する必要はなく、ＤＣ５Ｖ又は１２Ｖへ変換してもよい。
　送電装置１０１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４からなるＤＣ－ＡＣインバータ回路１０が接続されている。このＤＣ－ＡＣインバータ回路１０は、本発明に係る直流交流変換回路に相当する。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４はｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴである。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とには、昇圧トランスＴ１の１次コイルが接続されている。昇圧トランスＴ１は、直流電圧Ｖｉｎから変換された交流電圧を昇圧する。
　スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４はドライバ１１によりＰＷＭ制御される。ドライバ１１は、コントローラ１２からの制御信号に応じて、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。ＤＣ－ＡＣインバータ回路１０は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にオンオフされることで、直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換する。
　昇圧トランスＴ１の２次コイルにはアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４が接続されている。アクティブ電極１３は、本発明に係る送電側第１電極であり、パッシブ電極１４は、本発明に係る送電側第２電極である。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４はいずれも平板状であり、アクティブ電極１３はパッシブ電極１４よりも面積が小さい。これらアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４には、昇圧トランスＴ１により昇圧された交流電圧が印加される。
　昇圧トランスＴ１の２次コイルにはキャパシタＣ１１，Ｃ１２の直列回路が並列に接続されていて、キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、昇圧トランスＴ１のインダクタンスと並列共振回路を形成している。また、キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、昇圧トランスＴ１の２次コイルの漏れインダクタンス又は実部品のインダクタと共に直列共振回路を形成している。
　アクティブ電極１３には、アクティブ電極１３の電圧Ａ_ＡＣＶを検出するＡ_ＡＣＶ検出回路１５が接続されている。また、パッシブ電極１４には、パッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶを検出するＰ_ＡＣＶ検出回路１６が接続されている。Ａ_ＡＣＶ検出回路１５、及びＰ_ＡＣＶ検出回路１６はそれぞれ同じ回路構成である。なお、アクティブ電極１３の電圧Ａ_ＡＣＶ及びパッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶは、それぞれアクティブ電極１３の電位及びパッシブ電極１４の電位と基準電位との電位差の大きさとしている。
　図２は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５の回路を示す図である。なお、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５と同じ回路構成であるため、説明は省略する。
　Ａ_ＡＣＶ検出回路１５は、アクティブ電極１３に接続される接続ラインに、キャパシタＣ４１，Ｃ４２からなる分圧回路が接続されている。キャパシタＣ４１，Ｃ４２の接続点には、一端が接地された、抵抗Ｒ１１が接続されている。抵抗Ｒ１１は、低周波成分を消費させるための素子である。また、キャパシタＣ４１，Ｃ４２の接続点には、ＤＣカット用のキャパシタＣ４３を介して、整流用のダイオードＤ１１，Ｄ１２及びキャパシタＣ４４が接続されている。さらに、電圧制御用の抵抗Ｒ１２，Ｒ１３が接続され、コントローラ１２に接続されている。
　コントローラ１２は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５により随時検出される電圧Ａ_ＡＣＶが所定の電圧を維持するように、ドライバ１１を制御して、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフさせる。
　また、コントローラ１２は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５、及びＰ_ＡＣＶ検出回路１６それぞれにより一定時間毎に検出される電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的な変化を監視し、電力伝送の停止判定処理を行う。停止判定処理とは、パッシブ電極１４と、これに対向する受電装置２０１が有するパッシブ電極２４との間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたときのユーザの感電を防止するために、電力伝送を停止するか否かを判定する処理を言う。コントローラ１２が行う停止判定処理の詳細は後述する。
　受電装置２０１はアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４を備えている。アクティブ電極２３は、本発明に係る受電側第１電極であり、パッシブ電極２４は、本発明に係る受電側第２電極である。アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４それぞれは、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４それぞれと略同面積を有し、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合に、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４と間隙を介して対向する。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４間に交流電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１３，２３、及びパッシブ電極１４，２４に電界が生じ、この電界を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。
　受電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４には、降圧トランスＴ２の１次コイルが接続されている。この１次コイルにはキャパシタＣ２１，Ｃ２２の直列回路が並列接続されている。キャパシタＣ２１，Ｃ２２は、降圧トランスＴ２のインダクタンスと並列共振回路を形成している。なお、この並列共振回路は、効率よく電力伝送を行えるために、送電装置１０１の直列共振回路と、ほぼ同じ共振周波数に設定されている。
　降圧トランスＴ２の２次コイルには、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から構成されたダイオードブリッジが接続されている。ダイオードブリッジの一方の出力は、平滑キャパシタＣ３及びＤＣ－ＤＣコンバータ２０を介して出力端子ＯＵＴ１に接続されている。ダイオードブリッジの他方の出力は、出力端子ＯＵＴ２に接続されている。出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２には、二次電池、充電回路及びその他の負荷回路である負荷回路ＲＬが接続されている。ダイオードブリッジ及び平滑キャパシタＣ３は、本発明に係る整流平滑回路に相当し、降圧トランスＴ２で降圧された交流電圧を整流及び平滑する。整流及び平滑された直流電圧は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０で安定化された所定電圧に変換される。
　以上のように構成されるワイヤレス電力伝送システム１において、送電装置１０１のコントローラ１２は、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶを監視し、これら電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化から電力伝送を停止するか否かを判定する停止判定処理を行う。この停止判定処理を行うことで、パッシブ電極１４，２４の間に挟まった金属異物にユーザが触れでも、ユーザの感電を防止できる。以下、停止判定処理について詳述する。
　図３は、コントローラ１２の構成を示すブロック図である。コントローラ１２は、マイコンであって、プログラムを実行することで、Ａ_ＡＣＶ検出部１２１、ΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２、Ｐ_ＡＣＶ検出部１２３、ΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４、異物判定部１２５、及び電力伝送停止部１２６の各機能を備える。
　Ａ_ＡＣＶ検出部１２１は、Ａ_ＡＣＶ検出回路１５により電圧Ａ_ＡＣＶを時間周期（Δｔ）毎に検出する。Ａ_ＡＣＶ検出部１２１は、本発明に係る第１電圧監視部に相当する。
　ΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２は、経時的に変化する電圧Ａ_ＡＣＶの差分を算出する。詳しくは、ΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２は、Ａ_ＡＣＶ検出部１２１がタイミングｔで検出した電圧Ａ_ＡＣＶと、タイミングｔ+Δｔで検出した電圧Ａ_ＡＣＶとの差分ΔＡ_ＡＣＶを算出する。このΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２は、本発明に係る第１変化量検知部に相当する。
　Ｐ_ＡＣＶ検出部１２３は、Ｐ_ＡＣＶ検出回路１６により電圧Ｐ_ＡＣＶを時間周期（Δｔ）毎に検出する。Ｐ_ＡＣＶ検出部１２３は、本発明に係る第２電圧監視部に相当する。
　ΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４は、経時的に変化する電圧Ｐ_ＡＣＶの差分を算出する。詳しくは、ΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４は、Ｐ_ＡＣＶ検出部１２３がタイミングｔで検出した電圧Ｐ_ＡＣＶと、タイミングｔ+Δｔで検出した電圧Ｐ_ＡＣＶとの差分ΔＰ_ＡＣＶを算出する。このΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４は、本発明に係る第２変化量検知部に相当する。
　異物判定部１２５は、ΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２、及びΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４が算出した差分ΔＡ_ＡＣＶ、及び差分ΔＰ_ＡＣＶに基づいて、パッシブ電極１４，２４に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定する。詳しくは、異物判定部１２５は、差分ΔＡ_ＡＣＶ、及び差分ΔＰ_ＡＣＶの乗算を行い、その結果がマイナス値であるか否かを判定する。正常時、すなわち、パッシブ電極１４，２４に金属異物が挟まっていない場合、受電装置２０１側の状態（例えば、満充電であったり、共振回路の定数が変位したりしたとき）によって、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧が変位する。このような場合、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧それぞれは共に増大し、又は減少する。そこで、異物判定部１２５は、差分ΔＡ_ＡＣＶ、及び差分ΔＰ_ＡＣＶの乗算結果がマイナス値である場合、換言すれば、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧の一方が増大し、他方が減少する場合には、パッシブ電極１４，２４に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定する。
　また、異物判定部１２５は、ΔＡ_ＡＣＶ算出部１２２、及びΔＰ_ＡＣＶ算出部１２４が算出した差分ΔＡ_ＡＣＶと、差分ΔＰ_ＡＣＶの差分の絶対値｜ΔＡＣＶ｜が所定値以上であるか否かを判定する。そして、所定値以上である場合には、パッシブ電極１４，２４に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定する。
　電力伝送停止部１２６は、異物判定部１２５により、パッシブ電極１４，２４に挟まった金属異物にユーザが触れたと判定した場合、ドライバ１１を制御してＤＣ－ＡＣインバータ回路１０の駆動を停止させ、受電装置２０１への電力伝送を停止する。なお、例えば、スイッチ素子Ｑ１～Ｑ４をオフにすることで、電力伝送を停止してもよいし、入力端子ＩＮ１に接続される電源ラインにスイッチ素子を設け、そのスイッチ素子をオフして、直流電圧ＶｉｎからＤＣ－ＡＣインバータ回路１０への電力供給を遮断するようにしてもよい。
　このように、コントローラ１２は、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶを監視し、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化により、電力伝送を停止するか否かの判定を行う。以下に、コントローラ１２が、パッシブ電極１４，２４の間に挟まった金属異物がユーザに触れられることで、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶが変位する理由について説明する。
　図４は、パッシブ電極１４，２４の間に挟まった金属異物をユーザが触れたときの等価回路を説明するための図である。
　図４の上部は、正常時におけるワイヤレス電力伝送システム１の一部分の回路である。キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、その接続点Ｐを基準電位とし、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の間に接続された分圧回路である。本実施形態では、パッシブ電極１４，２４は、アクティブ電極１３，２３より面積が大きく、容量も大きい。そして、送電装置１０１の基準電位であるキャパシタＣ１１，Ｃ１２の接続点Ｐの電位と受電装置２０１の基準電位であるキャパシタＣ２１，Ｃ２２の接続点の電位を等しく安定させるために、キャパシタＣ１１，Ｃ１２及びキャパシタＣ２１，Ｃ２２の容量比は、アクティブ電極１３，２３により形成される容量とパッシブ電極１４，２４により形成される容量との容量比と同じとしてある。キャパシタＣ１１の充電電圧は電圧Ａ_ＡＣＶに対応し、キャパシタＣ１２の充電電圧は電圧Ｐ_ＡＣＶに対応する。
　図４の下部は、パッシブ電極１４，２４の間に金属異物（例えばクリップ等）５０が挟まり、その金属異物５０にユーザが触れた場合の回路である。パッシブ電極１４，２４の間に金属異物５０が挟まることで、パッシブ電極１４と金属異物５０との間に容量Ｃ５１が生じる。また、その金属異物５０は、金属異物５０に触れた人体（ユーザ）による抵抗成分Ｒ５１を介して、大地に接地される。
　また、送電装置１０１の基準電位に接続されている接続点Ｐは、浮遊容量Ｃｓ１を介して大地に接地された回路と同視できる。この場合、金属異物５０にユーザが触れると、接続点Ｐ、すなわち、基準電位は大地の電位に対して変位する。よって、容量Ｃ５１と抵抗Ｒ５１、及び浮遊容量Ｃｓ１により、アクティブ電極１３とパッシブ電極１４との分圧比が変動し、また基準電位の変動が生じ、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶそれぞれを検出した場合の影響が各検出結果に現れる。
　図５は離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図である。図６は離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図ある。図５及び図６に示すタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６はそれぞれ、電極間に挟まった金属異物５０がユーザに触れられたタイミングである。これらのタイミングでは、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶはそれぞれ変動している。
　図５に示すように、ユーザが金属異物５０に触れるタイミングｔ１～ｔ６で、電圧Ａ_ＡＣＶは増加している。このため、各タイミングｔ１～ｔ６で検出された電圧Ａ_ＡＣＶと、各タイミングｔ１～ｔ６からΔｔ前に検出された電圧Ａ_ＡＣＶとの差分ΔＡ_ＡＣＶはプラス値となる。また、図６に示すように、タイミングｔ１～ｔ６で、電圧Ｐ_ＡＣＶは減少している。このため、各タイミングｔ１～ｔ６で検出された電圧Ｐ_ＡＣＶと、各タイミングｔ１～ｔ６からΔｔ前に検出された電圧Ｐ_ＡＣＶとの差分ΔＰ_ＡＣＶはマイナス値となる。したがって、電極間に挟まった金属異物５０をユーザが触れた場合、ΔＡ_ＡＣＶとΔＰ_ＡＣＶとの乗算結果は、マイナス値となる。このため、前記したように異物判定部１２５は、差分ΔＡ_ＡＣＶ、及び差分ΔＰ_ＡＣＶの乗算結果から、電極間に挟まった金属異物５０をユーザが触れたか否かを判定できる。
　図７は、離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶと電圧Ｐ_ＡＣＶとの電圧差の結果を示す図である。図７に示すように、電圧Ａ_ＡＣＶと電圧Ｐ_ＡＣＶとを差分電圧Δ（Ａ_ＡＣＶ－Ｐ_ＡＣＶ）は、ユーザが金属異物５０に触れるタイミングｔ１～ｔ６で増大している。このため、異物判定部１２５は、所定値以上電圧が増大しているか否かにより、電極間に挟まった金属異物５０をユーザが触れたか否かを判定できる。所定値以上電圧が増大している場合には、異物判定部１２５は、タイミングｔ１～ｔ６で電力伝送を停止する。なお、本実施形態でパッシブ電極１４,２４に金属異物が挟まった場合を想定したが、これに限らない。アクティブ電極１３,２３に金属異物が挟まりそれに触れた場合も同様に検出できる。
　図８は、アクティブ電極１３，２３の間に挟まった金属異物をユーザが触れる場合の等価回路を説明するための図である。
　図４と同様、図８の上部は、正常時におけるワイヤレス電力伝送システム１の一部分の回路である。図８の下部は、アクティブ電極１３，２３の間に金属異物（例えばクリップ等）５１が挟まり、その金属異物５１にユーザが触れた場合の回路である。アクティブ電極１３，２３の間に金属異物５１が挟まることで、アクティブ電極１３と金属異物５１との間に容量Ｃ５２が生じる。また、その金属異物５１は、金属異物５１に触れた人体（ユーザ）による抵抗成分Ｒ５２を介して、大地に接地される。
　また、送電装置１０１の基準電位に接続されている接続点Ｐは、浮遊容量Ｃｓ２を介して大地に接地された回路と同視できる。この場合、金属異物５１にユーザが触れると、接続点Ｐ、すなわち、基準電位は大地の電位に対して変位する。よって、容量Ｃ５２と抵抗成分Ｒ５２、及び浮遊容量Ｃｓ２により、アクティブ電極１３とパッシブ電極１４の分圧比の変動や、基準電位の変位が生じ、このため、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶそれぞれを検出した場合、基準電位の変位の影響が各検出結果に現れる。
　図９は離散時間でサンプリングした電圧Ａ_ＡＣＶの検出結果を示す図である。図１０は離散時間でサンプリングした電圧Ｐ_ＡＣＶの検出結果を示す図である。図９及び図１０に示すタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６はそれぞれ、電極間に挟まった金属異物５１がユーザに触れられたタイミングである。これらのタイミングでは、電圧Ａ_ＡＣＶ、及び電圧Ｐ_ＡＣＶはそれぞれ変動している。
　ここで、図９及び図１０に示すように、アクティブ電極１３，２３間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定した場合においても、電圧Ａ_ＡＣＶと電圧Ｐ_ＡＣＶは電圧の一方は増大し、他方は減少する。言い換えると、図９に示すように、各タイミングｔ１～ｔ６で検出された電圧Ａ_ＡＣＶと、各タイミングｔ１～ｔ６からΔｔ前に検出された電圧Ａ_ＡＣＶとの差分ΔＡ_ＡＣＶはマイナス値となり、図１０に示すように、各タイミングｔ１～ｔ６で検出された電圧Ｐ_ＡＣＶと、各タイミングｔ１～ｔ６からΔｔ前に検出された電圧Ｐ_ＡＣＶとの差分ΔＰ_ＡＣＶはプラス値となる。よって、前述のパッシブ電極１４，２４間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと判定した場合と同様に、差分ΔＡ_ＡＣＶと差分ΔＰ_ＡＣＶの乗算結果がマイナス値や、差分ΔＡ_ＡＣＶと差分ΔＰ_ＡＣＶの差分の絶対値｜ΔＡＣＶ｜が所定値以上なら、アクティブ電極１３，２３間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたと検出できる。
　なお、正確には差分ΔＡ_ＡＣＶと差分ΔＰ_ＡＣＶの差分の絶対値｜ΔＡＣＶ｜の変化を見ただけでは、金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れたかのが、アクティブ電極１３，２３間及びパッシブ電極１４，２４間なのかを判別することは困難であるが、ΔＡＣＶの符号を見ることにより可能である。差分ΔＡ_ＡＣＶと差分ΔＰ_ＡＣＶとの差分をΔＡＣＶ＝ΔＡ_ＡＣＶ－ΔＰ_ＡＣＶで定義した場合において、図７からわかるように、ΔＡＣＶがプラス値である場合はパッシブ電極１４，２４間に金属異物が挟まり、図９、１０から導けるように、ΔＡＣＶがマイナス値である場合はアクティブ電極１３，２３間に金属異物が挟まり、挟まった金属異物にユーザが触れたと判別できる。
　なお、本実施形態では、アクティブ電極１３，２３の面積より、パッシブ電極１４，２４の面積を大きくしているが、アクティブ電極１３，２３及びパッシブ電極１４．２４の面積を略同じとする構成としてもよい。以下では、本実施形態のように、アクティブ電極１３の面積より、パッシブ電極１４の面積を大きくしたシステムを、非対称型と言い、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４の面積を同じにしたシステムを、対称型と言う。
　対称型の場合、アクティブ電極及びパッシブ電極の区別がなく、受電装置２０１が有する二つの電極それぞれと対向する送電装置１０１が有する二つの電極（以下、第１電極及び第２電極と言う）の一方がアクティブ電極となる場合、他方がパッシブ電極となる。
　以下に、第２電極と、これに対向する受電装置２０１の電極との間に金属異物が挟まり、その金属異物にユーザが触れた場合における、第１電極に印加される電圧ＡＣＶ１と、第２電極に印加される電圧ＡＣＶ２との波形を示す。図１１は電圧ＡＣＶ１の離散時間でサンプリングした検出結果を示す図である。図１２は離散時間でサンプリングした電圧ＡＣＶ２の検出結果を示す図である。図１１及び図１２に示すタイミングｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６はそれぞれ、電極間に挟まった金属異物がユーザに触れられたタイミングである。これらのタイミングでは、電圧ＡＣＶ１、及び電圧ＡＣＶ２はそれぞれ変動している。
　図１１に示すように、ユーザが金属異物に触れるタイミングｔ１～ｔ６で、電圧ＡＣＶ１は増加している。また、図１２に示すように、タイミングｔ１～ｔ６で、電圧ＡＣＶ２は減少している。すなわち、金属異物が挟まっていない第１電極に印加される電圧ＡＣＶ１が増大し、金属異物が挟まっている第２電極に印加される電圧ＡＣＶ２が減少している。したがって、非対称型の場合と同様に、電圧ＡＣＶ１及び電圧ＡＣＶ２それぞれの時間周期（Δｔ）の変化量の乗算結果から、電極間に挟まった金属異物をユーザが触れたか否かを判定できる。
　図１３は、離散時間でサンプリングした電圧ＡＣＶ１と電圧ＡＣＶ２との電圧差の結果を示す図である。図１３に示すように、電圧ＡＣＶ１と電圧ＡＣＶ２とを差分電圧Δ（ＡＣＶ１－ＡＣＶ２）は、ユーザが金属異物に触れるタイミングｔ１～ｔ６で増大している。このため、このタイミングｔ１～ｔ６で所定値以上、電圧が増大しているか否かにより、電極間に挟まった金属異物をユーザが触れたか否かが判定できる。
　図１４は、コントローラ１２が実行する停止判定処理のフローチャートである。
　コントローラ１２は、ドライバ１１を制御して電力伝送を開始する（Ｓ１）。次に、コントローラ１２は、タイマーをリセット（ｔ＝０）する（Ｓ２）。次に、タイミングｔにおける電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ）及び電圧Ａ_ＡＣＶ（ｔ）を検出する（Ｓ３）。そして、コントローラ１２は時間Δｔ待機する（Ｓ４）。その後、タイミングｔ＋Δｔにおける電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）及び電圧Ａ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）を検出する（Ｓ５）。
　コントローラ１２は、タイミングｔとタイミングｔ＋Δｔにおいて検出した電圧Ｐ_ＡＣＶの差分ΔＰ_ＡＣＶと、電圧Ａ_ＡＣＶの差分ΔＡ_ＡＣＶを算出する（Ｓ６）。その後、タイミングｔ+Δｔを新たにタイミングｔとして再設定する（Ｓ７）。そして、コントローラ１２は、算出したΔＰ_ＡＣＶとΔＡ_ＡＣＶとの乗算結果が０未満、すなわち、マイナス値であるか否かを判定する（Ｓ８）。マイナス値でない場合（Ｓ８：ＮＯ）、コントローラ１２は、パッシブ電極１４，２４又はアクディブ電極１３，２３に金属異物５０が挟まっていない、又は、挟まった金属異物５０にユーザが触れていないと判定し、Ｓ４の処理に戻る。
　ΔＰ_ＡＣＶとΔＡ_ＡＣＶとの乗算結果がマイナス値の場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、ΔＰ_ＡＣＶとΔＡ_ＡＣＶとの差分ΔＡＣＶを算出する（Ｓ９）。そして、コントローラ１２は、算出した差分ΔＡＣＶの絶対値｜ΔＡＣＶ｜が所定値（例えば２０Ｖ）以上であるか否かを判定する（Ｓ１０）。所定値以上である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、コントローラ１２は、パッシブ電極１４，２４に挟まった金属異物５０がユーザに触れられたと判定し、電力伝送を停止する（Ｓ１１）。
　算出した差分ΔＡＣＶが所定値以上でない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、コントローラ１２は、パッシブ電極１４，２４に金属異物５０が挟まっていない、又は、挟まった金属異物５０にユーザが触れていないと判定し、Ｓ４の処理に戻る。
　なお、上記ではΔＡＣＶとして、ΔＰ_ＡＣＶとΔＡ_ＡＣＶとの差分として算出しているが、これに限らず、ΔＡＣＶは、アクティブ電極１３とパッシブ電極１４との間の電圧の、時間周期（Δｔ）毎の変化量であればよい。すなわち、タイミングｔにおいて検出した、電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ）と電圧Ａ_ＡＣＶ（ｔ）との差分ΔＡＣＶ（ｔ）と、タイミングｔ＋Δｔにおいて検出した、電圧Ｐ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）と電圧Ａ_ＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）との差分ΔＡＣＶ（ｔ＋Δｔ）との差分を算出してもよい。
　以上説明したように、本実施形態では、アクティブ電極１３の電圧Ａ_ＡＣＶの経時的変化、及び、パッシブ電極１４の電圧Ｐ_ＡＣＶの経時的変化それぞれを監視することで、パッシブ電極１４，２４又はアクディブ電極１３，２３に金属異物５０が挟まれ、その金属異物５０がユーザに触れられたか否かを判定する。これにより、ユーザが金属異物５０を触れることで感電するなどの問題を防止できる。
１…ワイヤレス電力伝送システム
１０…ＤＣ－ＡＣインバータ回路
１１…ドライバ
１２…コントローラ
１３，２３…アクティブ電極
１４，２４…パッシブ電極
１５…Ａ_ＡＣＶ検出回路
１６…Ｐ_ＡＣＶ検出回路
２０…ＤＣ－ＤＣコンバータ
５０，５１…金属異物
１０１…送電装置
１２１…Ａ_ＡＣＶ検出部
１２２…ΔＡ_ＡＣＶ算出部
１２３…Ｐ_ＡＣＶ検出部
１２４…ΔＰ_ＡＣＶ算出部
１２５…異物判定部
１２６…電力伝送停止部
２０１…受電装置
Ｃ１１，Ｃ１２…キャパシタ
Ｃ２１，Ｃ２２…キャパシタ
Ｃ３…平滑キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４…キャパシタ
Ｃ５１，Ｃ５２…容量
Ｃｓ１，Ｃｓ２…浮遊容量
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
Ｄ１１，Ｄ１２…ダイオード
ＯＵＴ１，ＯＵＴ２…出力端子
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３…抵抗
Ｒ５１，Ｒ５２…抵抗成分
ＲＬ…負荷回路（電圧供給回路）
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス
Ｖｉｎ…直流電圧

Claims (4)

  1. 　受電装置の受電側第１電極と間隙をおいて対向する送電側第１電極と、前記受電装置の受電側第２電極と間隙をおいて対向する送電側第２電極とに交流電圧を印加して、電界結合により前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、
    　前記送電側第１電極の電圧を監視する第１電圧監視部と、
    　前記第１電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第１変化量検知部と、
    　前記送電側第２電極の電圧を監視する第２電圧監視部と、
    　前記第２電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第２変化量検知部と、
    　前記第１変化量検知部及び前記第２変化量検知部それぞれが検知した変化量に基づいて、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部と、
    　を備える送電装置。
  2. 　前記電力伝送停止部は、
    　前記第１変化量検知部が検知した変化量、及び前記第２変化量検知部が検知した変化量の一方が、経時的に増加し、他方が経時的に減少している場合、前記受電装置への電力伝送を停止する、
    　請求項１に記載の送電装置。
  3. 　前記電力伝送停止部は、
    　前記送電側第１電極の前記電圧と前記送電側第２電極の前記電圧との差の変化量の絶対値が所定値を超える場合、前記受電装置への電力伝送を停止する、
    　請求項１又は２に記載の送電装置。
  4. 　送電側第１電極と、送電側第２電極と、直流電圧を交流電圧に変換し、前記送電側第１電極、及び前記送電側第２電極間に電圧を印加する直流交流変換回路とを有する送電装置と、
    　前記送電側第１電極と間隙をおいて対向する受電側第１電極と、前記送電側第２電極と間隙をおいて対向する受電側第２電極と、前記受電側第１電極、及び前記受電側第２電極間に誘起される電圧を負荷へ供給する電圧供給回路とを有する受電装置と、
    　を備え、
    　前記送電装置は、
    　前記送電側第１電極の電圧を監視する第１電圧監視部と、
    　前記第１電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第１変化量検知部と、
    　前記送電側第２電極の電圧を監視する第２電圧監視部と、
    　前記第２電圧監視部が監視している電圧の一定時間毎の変化量を検知する第２変化量検知部と、
    　前記第１変化量検知部及び前記第２変化量検知部それぞれが検知した変化量に基づいて、前記受電装置への電力伝送を停止する電力伝送停止部と、
    　を有するワイヤレス電力伝送システム。
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