WO2016208402A1

WO2016208402A1 - 送電装置、受電装置及び電力伝送システム

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Publication number: WO2016208402A1
Application number: PCT/JP2016/067163
Authority: WO
Inventors: 市川敬一; 三川賢太郎
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2016-12-29
Also published as: CN107534318A

Abstract

送電装置（１０１）は、交流電力を供給するインバータ回路（１１０）と、インバータ回路（１１０）から交流電力が供給され、受電装置（２０１）が有するコイル（Ｌ２）と磁界結合するコイル（Ｌ１）と、コイル（Ｌ１）に流れる電流を検出する電流検出部（１１２）とを備える。コイル（Ｌ１）は、コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）が直列接続されて構成されている。電流検出部（１１２）は、コイル（Ｌ１１，Ｌ１２）との間に直列に設けられている。これにより、高電圧耐性の検出装置を用いずに電流検出を行う送電装置、受電装置及びそれを備えた電力伝送システムを提供する。

Description

送電装置、受電装置及び電力伝送システム

　本発明は、磁界結合を介して受電装置へ電力を伝送する送電装置、磁界結合を介して送電装置から電力を伝送される受電装置、及びそれを備えた電力伝送システムに関する。

　特許文献１には、送電装置から、負荷が接続された受電装置へ、非接触の状態で共振を用いて電力を伝送する電力伝送システムが記載されている。この電力伝送システムにおいて、負荷のインピーダンスが増大した場合、高周波電源の出力電流を減少させ、高周波電源等の回路の破壊を未然に防いでいる。特許文献１では、負荷のインピーダンスを測定するために、高周波電源の出力電流を検出している。

特開２０１４－２１７１２０号公報

　しかしながら、非接触での電力伝送は高電圧で行われるため、電流検出装置には高電圧耐性が求められる。その結果、電流検出装置は大型化し、送電装置自体も大型化するといった問題がある。

　そこで、本発明の目的は、高電圧耐性の検出装置を用いずに電流検出を行う送電装置、受電装置及びそれを備えた電力伝送システムを提供することにある。

　本発明に係る送電装置は、交流電力を供給する給電回路と、前記給電回路から交流電力が供給され、受電装置が有する受電側コイルと磁界結合する送電側コイルと、前記送電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、を備え、前記送電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられていることを特徴とする。

　この構成では、送電側コイルに流れる電流の検出を、送電側コイルを構成する第１のコイルと第２のコイルとの間で行う。送電側コイルの両端に差動電圧が印加される場合、第１のコイル及び第２のコイルの接続点の電位変動は小さい。このため、電流検出部に加わる電圧を低くすることができる。そのため、電流検出部の耐圧に余裕が生まれ、また、コモンモード電圧の重畳を抑えることができノイズを低減することができる。また、電流検出部を小型化でき、その結果、これを備える送電装置も小型化できる。

　前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、同じインダクタンスを有していてもよい。

　この構成では、送電側コイルの両端に差動電圧が印加される場合、第１のコイルと第２のコイルの接続点の電圧変動は小さい。このため、電流検出部のグランドとの電圧耐性を高くする必要がない。

　前記第１のコイル及び前記第２のコイルの構造は合同であってもよい。

　この構成では、送電側コイルの両端に対称な差動電圧が印加される場合、第１のコイルと第２のコイルの接続点の電圧変動は小さい。このため、電流検出部のグランドに対する電圧耐性を高くする必要がない。

　前記第１のコイル及び前記第２のコイルの接続点と、グランドとの間に設けられたキャパシタを備えていてもよい。

　この構成では、第１のコイルと第２のコイルの接続点の電位変動を小さくできる。

　前記キャパシタは、前記第１のコイル及び前記第２のコイルそれぞれとグランドとの間に生じる容量よりも大きい容量を有していてもよい。

　この構成では、第１のコイル及び第２のコイルそれぞれの対接地容量のバランスが崩れた場合、第１のコイル及び第２のコイルの接続点での電位変動に及ぶ影響を小さくすることができる。したがって、この接続点に電流検出部を設けた場合、電流検出部のグランドとの電圧耐性を過剰に高くする必要がなく、電流検出部の大型化を抑制できる。

　本発明に係る受電装置は、送電装置が有する送電側コイルと磁界結合する受電側コイルと、前記受電側コイルに誘起された電圧を負荷へ供給する受電回路と、前記受電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、を備え、前記受電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられていることを特徴とする。

　この構成では、受電側コイルに流れる電流の検出を、受電側コイルを構成する第１のコイルと第２のコイルとの間で行う。受電側コイルの両端に差動電圧が印加される場合、第１のコイル及び第２のコイル間の電位変動は小さい。このため、電流検出部の電圧耐性を過剰に高くする必要がない。そのため、電流検出部を小型化でき、その結果、これを備える受電装置も小型化できる。

　本発明は、受電側コイルを有する受電装置と、送電側コイルと、前記送電側コイルに交流電力を供給する給電回路とを有する送電装置とを備え、前記送電側コイルと前記受電側コイルとが磁界結合して、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、前記送電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部、を備え、前記送電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられていることを特徴とする。

　この構成では、送電側コイルに流れる電流の検出を、送電側コイルを構成する第１のコイルと第２のコイルとの間で行う。送電側コイルの両端に差動電圧が印加される場合、第１のコイル及び第２のコイル間の電位変動は小さい。このため、電流検出部の電圧耐性を過剰に高くする必要がない。そのため、電流検出部を小型化でき、その結果、これを備える送電装置も小型化できる。

　本発明によれば、電圧変動が小さい第１のコイルと第２のコイルとの間に電流検出部を設けて、送電側コイルに流れる電流を検出することで、電流検出部の電圧耐性を過剰に高くする必要がない。そのため、電流検出部を小型化でき、その結果、これを備える送電装置も小型化できる。

図１は、本実施形態に係る電力伝送システムの回路図である。図２は、電流検出部の構成を説明するための図である。図３は、コイルの構成を説明するための図である。図４は、コイルの電圧分布を示す図である。図５は、コイルの接続部の構成を説明するための図である。図６は、コイルの電圧分布を示す図である。図７は、コイルの構成の別の例を示す図である。図８は、コイルの構成の別の例を示す図である。図９は、受電装置のコイルに電流検出部を設けた電力伝送システムの回路図である。

（実施形態１）
　図１は、本実施形態に係る電力伝送システム１の回路図である。電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とを備えている。電力伝送システム１では、送電装置１０１と受電装置２０１とが磁界結合し、送電装置１０１から受電装置２０１とへ電力が磁界結合（電磁誘導）方式によりワイヤレスで伝送される。また、電力伝送システム１では、送電装置１０１と受電装置２０１それぞれにおいて、共振することで伝送効率を高めており、電力伝送システム１は、いわゆる磁界共鳴方式でもある。

　送電装置１０１は、インバータ回路１１０と、共振回路１１１と、電流検出部１１２と、電圧検出部１１３とを備えている。

　インバータ回路１１０は、直流電源Ｖｉｎから入力される直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を出力する。インバータ回路１１０から出力される交流電圧はグランドレベルに対して対称な差動電圧である。インバータ回路１１０は、本発明に係る「給電回路」の一例である。

　共振回路１１１は、キャパシタＣ１１，Ｃ１２及びコイルＬ１から構成される。コイルＬ１は、本発明に係る「送電側コイル」の一例である。共振回路１１１には、インバータ回路１１０から出力される交流電圧（差動電圧）が印加される。コイルＬ１は、コイルＬ１１，Ｌ１２が直列接続されて構成される。コイルＬ１１，Ｌ１２は、本発明に係る「第１のコイル」及び「第２のコイル」の一例である。

　電流検出部１１２は、共振回路１１１において、コイルＬ１１，Ｌ１２の間に直列に設けられ、コイルＬ１に流れる電流を検出する。コイルＬ１に流れる電流は、インバータ回路１１０から共振回路１１１へ流れる電流である。

　図２は、電流検出部１１２の構成を説明するための図である。

　電流検出部１１２は、インダクタＬ３１、インダクタＬ３２、キャパシタＣ３及び負荷Ｒを有している。インダクタＬ３１は、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続線路のインダクタンス成分である、インダクタＬ３２は、インダクタＬ３１と磁界結合する。キャパシタＣ３及び負荷Ｒは、インダクタＬ３２に並列接続されている。通常、インダクタＬ３１のインダクタンスは、コイルＬ１のインダクタンスに対して低く設定する。インダクタＬ３１のインダクタンスがコイルＬ１のインダクタンスよりも低いことにより、電力伝送相手である受電装置２０１との結合係数を高めることができ、送電装置１０１と受電装置２０１との間の伝送効率が高まる。

　コイルＬ１に電流が流れた場合、インダクタＬ３１にも電流が流れ、磁界を介して結合するインダクタＬ３２に誘導起電力が生じる。インダクタＬ３２に誘導起電力が生じることで、インダクタＬ３２及び負荷Ｒに誘導電流が流れ、負荷Ｒに電圧降下による電圧が生じる。そして、負荷Ｒの電圧を検出することで、インダクタＬ３１（コイルＬ１）に流れる電流を検出できる。

　電圧検出部１１３は、例えば分圧抵抗回路を有し、共振回路１１１に印加される電圧を検出する。

　受電装置２０１は、受電回路２１０、共振回路２１１及び負荷ＲＬを備えている。

　送電装置１０１のコイルＬ１と受電装置２０１のコイルＬ２とが磁界結合することで、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。コイルＬ２は、本発明に係る「受電側コイル」の一例である。また、共振回路２１１は、コイルＬ２及びキャパシタＣ２を有している。送電装置１０１の共振回路１１１と受電装置２０１の共振回路２１１とを有することにより、効率良く電力伝送を行うことができる。受電回路２１０は、コイルＬ２に誘起された電圧に起因した電圧及び電流を整流及び平滑し、負荷ＲＬへ供給する。負荷ＲＬは、例えば、二次電池等である。

　この電力伝送システム１において、送電装置１０１で、電流検出部１１２及び電圧検出部１１３により、共振回路１１１に印加される電流及び電圧を検出することで、インバータ回路１１０から受電装置２０１側を見たインピーダンスを検出できる。インピーダンスを検出することで、例えば、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されたか否かを判定できる。送電装置１０１に受電装置２０１を載置した場合、送電装置１０１と受電装置２０１との共振回路が結合して、複合共振による周波数ピークが現れる。そして、インピーダンスの周波数特性を検出し、周波数ピークの有無を検出することで、受電装置２０１の載置の有無を判定できる。

　以下に、送電装置１０１のコイルＬ１の構成について説明する。

　図３は、コイルＬ１の構成を説明するための図である。

　コイルＬ１は、コイルＬ１１，Ｌ１２が直列に接続されて形成される。コイルＬ１１の一端は、キャパシタＣ１１に接続されている。コイルＬ１１の他端は、コイルＬ１２の一端に接続されている。より詳しくは、コイルＬ１１の他端は、電流検出部１１２を介して、コイルＬ１２に接続されている。また、コイルＬ１２の他端は、キャパシタＣ１２に接続されている。

　コイルＬ１１，Ｌ１２は、巻回軸を一致させて配置され、かつ、巻回方向が同じに形成されている。また、コイルＬ１１，Ｌ１２は、コイル長、コイル開口及び巻回数が同じに形成され、同じインダクタンスを有している。すなわち、コイルＬ１１，Ｌ１２の構造は合同である。ここで、コイルＬ１１，Ｌ１２に流れる電流の周回方向が同じ向きとなるように接続されていれば、コイルＬ１１，Ｌ１２から生じる磁束は巻回軸方向に同相となる。コイルＬ１１，Ｌ１２の巻回軸が一致、かつ、電流の周回方向が同じ向きであれば、コイルＬ１１，Ｌ１２から生じる磁束は互いに強めあい、合成インダクタンスが強め合う様に互いに磁界結合する。よって、コイルＬ１１とコイルＬ１２が近接すれば、コイルＬ１１とコイルＬ１２は実質的に巻回数がコイルＬ１１とコイルＬ１２の巻回数を合わせた１つのコイルと同等のインダクタンスを有するコイルとして扱うことができる。

　なお、コイルＬ１は、巻回方向が一致するコイルＬ１１とコイルＬ１２が接続されているが、これに限定されない。コイルに電流が流れることで発生する磁束の向きは、コイルに電流が流れる方向によって決まるため、コイルＬ１１とコイルＬ１２の巻回方向と接続方向を適時選択すれば、所望の特性を有するコイルＬ１を形成することができる。

　また、コイルＬ１１，Ｌ１２は必ずしも互いに結合する必要は無い。

　キャパシタＣ１１，Ｃ１２及びコイルＬ１１，Ｌ１２は、共振回路１１１を構成している。そして。コイルＬ１１，Ｌ１２のインダクタンスは同じである。したがって、キャパシタＣ１１，Ｃ１２のキャパシタンスは同じである。すなわち、共振回路１１１は、キャパシタＣ１１及びコイルＬ１１と、キャパシタＣ１２及びコイルＬ１２との平衡回路である。この共振回路１１１には、インバータ回路１１０より差動電圧が印加される。

　図４は、コイルＬ１の電圧分布を示す図である。

　前記のように、共振回路１１１は、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続点Ａを中心とした平衡回路である。この共振回路１１１に差動電圧が印加された場合、印加電圧の振幅は、接続点Ａで極小となる。すなわち、接続点Ａでの電位変動は、共振回路１１１への入力電圧に対して小さい。したがって、この接続点Ａに電流検出部１１２を設けた場合、電流検出部１１２のグランドに対する電圧耐性を高くする必要がなく、電流検出部１１２の大型化を抑制できる。なお、ここでいう差動電圧とは、一の点と二の点のそれぞれの電位の正負が異なるときの、一の点と二の点との電位差をさす。

　また、共振回路１１１は平衡回路であり、回路の平衡性を保つことができるため、コモンモードノイズの侵入又は発生を防ぐことができる。また、共振回路１１１は平衡回路である場合は、コイルＬ１１，Ｌ１２のインダクンスが同じであり、電流検出部１１２がコイルＬ１１，Ｌ１２の間に配置されていることから、共振回路の平衡を崩すことなく構成できる。さらに、電流検出部１１２の電位変動が小さいことから、電流検出部１１２による寄生容量の影響、例えば、寄生容量による無効電力に起因する伝送ライン上での損失や周波数変動を抑えることができる。

　なお、コイルＬ１１，Ｌ１２のインダクンス、コイル長、コイル開口、及び巻線数がそれぞれ同じである必要はなく、また、キャパシタＣ１１，Ｃ１２のキャパシタンスがそれぞれ同じである必要もない。しかし、コイルＬ１１，Ｌ１２のインダクンス（コイル長及び巻線数）及びキャパシタＣ１１，Ｃ１２のキャパシタンスが同じであれば、コイルＬ１１，Ｌ１２に印加される電圧が平衡（差動かつ大きさが同じ）であった場合には、コイルＬ１１とコイルＬ１２との接続点に電位変動が極小となる箇所が存在するため、さらに電流検出部１１２のグランドに対する電圧耐性を過度に高くする必要がない。

（実施形態２）
　以下に、実施形態２に係る電力伝送システムについて説明する。本実施形態に係る電力伝送システムは、実施形態１と同様に、磁界結合により送電装置から受電装置へ電力を伝送する。本実施形態に係る送電装置は、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続点をグランドに接続している点で、実施形態１と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、他の構成は、実施形態１と同じである。

　図５は、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続部の構成を説明するための図である。図５に示すＣｇ１，Ｃｇ２は、コイルＬ１１，Ｌ１２の対接地容量である。コイルＬ１１，Ｌ１２は構造が合同であり、対接地容量Ｃｇ１，Ｃｇ２の大きさは略同じである。

　実施形態１と同様に、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続部には電流検出部１１２が設けられている。この電流検出部１１２の両端は、キャパシタＣ４１，Ｃ４２を介して、送電装置の基準電位に接続されている。キャパシタＣ４１，Ｃ４２は、コイルＬ１１，Ｌ１２の対接地容量Ｃｇ１，Ｃｇ２よりも大きい容量に設定する。この共振回路１１１には、インバータ回路１１０より差動電圧が印加される。

　図６は、コイルＬ１の電圧分布を示す図である。図６に示すキャパシタＣｚは、図５のキャパシタＣ４１，Ｃ４２の合成容量である。

　実施形態１で説明したように、共振回路１１１は、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続点Ａを中心とした平衡回路である。この共振回路１１１に差動電圧が印加された場合、印加電圧の振幅は、接続点Ａで極小となる。しかしながら、共振回路１１１の平衡が崩れて不平衡となった場合（対接地容量Ｃｇ１，Ｃｇ２のバランスが崩れた場合）、接続点Ａでの電位変動に影響が及ぶ。そこで、接続点Ａをグランドに接続することで、接続点Ａの電位変動を、共振回路１１１への入力電圧に対して小さくでき、平衡の崩れによる影響を小さくできる。したがって、この接続部に電流検出部１１２を設けた場合、電流検出部１１２のグランドとの電圧耐性を過度に高くする必要がなく、電流検出部１１２の大型化を抑制できる。

　本実施形態では、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のリアクタンスは、コイルＬ１１，Ｌ１２の接続線路のリアクタンス成分（図２に示すインダクタＬ３１）よりも大きく設定されている。これにより、コイルＬ１に流れる電流が、キャパシタＣ４１，Ｃ４２からグランドに流れ、電流検出部１１２に流れなくなることを防止できる。

　なお、実施形態１，２では、コイルＬ１は、巻回軸が一致するコイルＬ１１とコイルＬ１２との間を対称面にして、コイルＬ１１とコイルＬ１２とが対称に配置されているが、これに限定されない。

　図７及び図８は、コイルの構成の別の例を示す図である。

　例えば、巻回軸を互いに平行となるように配置されていてもよい。さらに、コイルの巻回軸は並行でなくてもよい（直交又は角度をつけて配置されていてもよい）。

　図７に示すコイルＬ１３，Ｌ１４は、巻回軸が互いに平行であって、平面視でコイル開口が重ならないように配置されている。また、コイルＬ１３，Ｌ１４は、平面視で、同方向に電流が流れ、発生する磁束の向きが、同じ向き（例えば、図中矢印方向）となるよう形成され、接続されている。この場合、コイルＬ１３，Ｌ１４を、コイル開口が大きい一のコイルとして扱うことができるため、送電装置１０１と受電装置２０１との位置ずれに強くなる。

　図８に示すコイルＬ１５，Ｌ１６は、図７に示すコイルＬ１３，Ｌ１４と同様、巻回軸が互いに平行であって、平面視でコイル開口が重ならないように配置されている。また、コイルＬ１５，Ｌ１６は、平面視で、逆方向に電流が流れ、発生する磁束の向きが、反対向き（例えば、図中矢印方向）となるよう形成され、接続されている。この場合、コイルＬ１５，Ｌ１６が互いに磁界結合するため、合成インダクタンスは大きくなる。また、コイルＬ１５，Ｌ１６の間の横方向（巻回軸方向の直交方向）に磁束が生じるため、送電装置１０１及び受電装置２０１のコイルの巻回軸が直交する場合であっても、二つのコイルは結合する。

　なお、実施形態１，２では、電流検出部１１２は送電装置１０１のコイルＬ１が有する２つのコイルＬ１１，Ｌ１２の間に配置されているが、電流検出部１１２を受電装置１０２のコイルＬ２に配置してもよい。

　図９は、受電装置のコイルＬ２に電流検出部を設けた電力伝送システム１Ａの回路図である。この場合、コイルＬ２は、２つのコイルＬ２１，Ｌ２２が直列接続されて構成されている。そして、コイルＬ２１，Ｌ２２の間に電流検出部２１２を設けている。これにより、受電装置１０２のコイルＬ２に流れる電流を検出することにより、例えば、負荷ＲＬである二次電池の状態を検出することができる。

　なお、実施形態１，２では、電流検出部１１２は、コイルＬ１１，Ｌ１２の間に直列に設けられているが、これは等価回路上においては直列に接続されているという意味である。例えば、線路に流れる電流により線路の周囲に発生する磁界（磁束）を検出するトランスやホール素子を用いた電流検出部などにおいては、電流検出部が必ずしも線路に直接的に接続する必要はなく、線路に電流検出部が近接することで電流を検出できる。しかし、これらの場合においても、等価回路上では線路の電流検出箇所を含めた電流検出部が検出対象回路に直列接続されているとみなすことができる。

Ａ…接続点
Ｃ１１，Ｃ１２…キャパシタ
Ｃ２…キャパシタ
Ｃ３…キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２…キャパシタ
Ｃｇ１，Ｃｇ２…対接地容量
Ｃｚ…キャパシタ
Ｌ１…コイル（送電側コイル）
Ｌ１１，Ｌ１２…コイル（第１のコイル、第２のコイル）
Ｌ２…コイル（受電側コイル）
Ｌ３１，Ｌ３２…インダクタ
Ｒ…負荷
ＲＬ…負荷
Ｖｉｎ…直流電源
１，１Ａ…電力伝送システム
１０１…送電装置
１１０…インバータ回路
１１１…共振回路
１１２，２１２…電流検出部
１１３…電圧検出部
２０１…受電装置
２１０…受電回路
２１１…共振回路

Claims

　交流電力を供給する給電回路と、
　前記給電回路から交流電力が供給され、受電装置が有する受電側コイルと磁界結合する送電側コイルと、
　前記送電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、
　を備え、
　前記送電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、
　前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられている、
　送電装置。
　前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、同じインダクタンスを有する、
　請求項１に記載の送電装置。
　前記第１のコイル及び前記第２のコイルの構造は合同である、
　請求項１又は２に記載の送電装置。
　前記第１のコイル及び前記第２のコイルの接続点と、グランドとの間に設けられたキャパシタ、
　を備える請求項１から３のいずれかに記載の送電装置。
　前記キャパシタは、
　前記第１のコイル及び前記第２のコイルそれぞれとグランドとの間に生じる容量よりも大きい容量を有する、
　請求項４に記載の送電装置。
　送電装置が有する送電側コイルと磁界結合する受電側コイルと、
　前記受電側コイルに誘起された電圧を負荷へ供給する受電回路と、
　前記受電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、
　を備え、
　前記受電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、
　前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられている、
　受電装置。
　受電側コイルを有する受電装置と、送電側コイルと、前記送電側コイルに交流電力を供給する給電回路とを有する送電装置とを備え、前記送電側コイルと前記受電側コイルとが磁界結合して、前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
　前記送電装置は、
　前記送電側コイルに流れる電流を検出する電流検出部、
　を備え、
　前記送電側コイルは、第１のコイルと第２のコイルとが直列接続されて構成され、
　前記電流検出部は、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に直列に設けられている、
　電力伝送システム。