JP2010104159A - 受電端末、および無接点電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】動作周波数の変動に対する出力電圧や電力伝送効率の安定性を高めることが容易な無接点受電端末および無接点電力電送システムの提供を図る。
【解決手段】受電端末１は浮遊回路１０１と負荷出力回路１０２とを備える。浮遊回路１０１は受電コイル１４とコンデンサＣ_０とを備え、出力ラインから浮遊する。受電コイル１４は、送電コイル２３の給電電磁界から給電を受ける。コンデンサＣ_０は受電コイル１４を含む閉ループに接続される。負荷出力回路１０２は、受電コイル１５を備え、受電コイル１５の出力電圧を負荷出力電圧に変換し出力ラインから出力する。受電コイル１５は、前記給電電磁界から給電を受ける。
【選択図】図３

Description

この発明は、給電電磁界に結合して無接点で給電を受ける受電端末、および送電端末と受電端末とを備える無接点電力伝送システムに関するものである。

固定電話の子機、電気シェーバーなどでは、電力線を接続すること無く充電を行うために、送電端末と受電端末とをコイルアンテナで結合させ、無接点での電力伝送を行うことがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、従来の無接点電力伝送システムの構成例の概略の回路図である。

送電装置１１０は送電コイル１１１と昇圧回路１１２とを備え、直流入力を昇圧回路１１２で昇圧し交流出力を送電コイル１１１に印加する。受電装置１２０は受電コイル１２１と降圧回路１２２とを備え、受電コイル１２１に励起する交流入力を整流平滑回路で整流・平滑して降圧回路１２２で降圧し直流出力として出力する。この従来例では、送電コイル１１１の送電電圧と受電コイル１２１の受電電圧とを高電圧にすることで、コイル電流を小さくして電力伝送効率を改善している。
特開２００８−１０４３１９号公報

一般に、受電コイルの受電電圧が高電圧であれば受電コイルの後段で生じるリップルが大きくなり易く、リップル成分に基づく温度上昇が増える虞がある。また、リチウムイオンバッテリ・１セルなどを充電する場合には低電圧の直流出力が必要になるが、高電圧な受電電圧に基づいて低電圧の負荷出力を得る場合、降圧用の回路素子、例えばチョークコイルや平滑用コンデンサ、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの素子に大容量なものを採用する必要があり回路モジュールの大型化を招来する。巻数比などの調整により送電コイルの送電電圧に比べて受電コイルの受電電圧を低電圧化すればこれらの問題は解決できるが、その場合、受電コイルの巻数が適正範囲から外れて電力伝送効率が著しく低下する虞がある。このため、電力伝送効率を損なわずに受電電圧を低電圧化することは困難である。

また、一般に無接点電力伝送システムでは、商用電源の５０−６０Ｈｚよりも高い数十〜百数十ｋＨｚの動作周波数が採用される。このように比較的高い動作周波数では、動作周波数の微少な変化であっても回路素子の持つインピーダンスが変動することがあり、出力電圧や電力伝送効率が周波数特性を持つに至る。したがって、回路素子のインピーダンス公差により製品毎の動作周波数に差が生じれば、各製品の出力電圧や電力伝送効率が偏差を持つに至る。この偏差が大きいと、出力電圧や電力伝送効率に対する要求性能を満足することができない製品が増え、製造良品率が低下して問題となる。

そこで、この発明は、電力伝送効率をあまり損なわずに送電電圧に比べて受電電圧を低電圧化でき、動作周波数の変動に対する出力電圧や電力伝送効率の安定性を高めることが容易な無接点受電端末および無接点電力電送システムの提供を目的とする。

この発明の受電端末は浮遊回路と負荷出力回路とを備える。浮遊回路は第1の受電コイルとコンデンサとを備え、出力ラインから浮遊する。第1の受電コイルは、送電コイルからの磁束に鎖交して給電を受ける。コンデンサは第1の受電コイルを含む閉ループに接続される。負荷出力回路は、第２の受電コイルを備え、第２の受電コイルの出力電圧を負荷出力電圧に変換し出力ラインから出力する。第２の受電コイルは、浮遊回路からの磁束に鎖交して給電を受ける。

この構成では、浮遊回路に設けるコンデンサにより、他の回路素子のインピーダンスを変更しなくても、送電端末および受電端末からなる電力伝送回路全体のインピーダンスを変更でき、出力電圧や電力伝送効率の持つ周波数特性に影響を与えることができる。このため、共振コンデンサのインピーダンスを適切に設定すれば、周波数変動に対する出力電圧や電力伝送効率の安定性を高められる。

また、浮遊回路を介して負荷出力回路が給電を受けるので、送電コイルの送電電圧を高電圧にして電力損を抑制しても、第２の受電コイルの巻数比によらずに、第２の受電コイルの受電電圧を低電圧にできる。このため、電力伝送効率をあまり損なわずに低電圧な受電電圧を得られる。

第２の受電コイルは、送電コイルに粗結合し、第１の受電コイルに密結合すると好適である。これにより、コンデンサによる出力電圧や電力伝送効率の調整効果を高められる。また、電力伝送効率をさらに改善できる。

負荷出力回路は整流平滑回路を備えると好適である。整流平滑回路は第２の受電コイルの出力を整流・平滑する。第２の受電コイルの出力を整流・平滑すればリップルが生じることがあるが、受電電圧を低電圧にすればこのリップルは小さくなり、後段での温度上昇などのリップルに基づく悪影響を抑制できる。

負荷出力回路は降圧回路を備えると好適である。降圧回路は整流平滑回路の出力を降圧する。リチウムイオンバッテリ・１セルなどを充電する場合に必要な低電圧の直流出力を、低電圧な受電電圧の変換により得れば、降圧用の回路素子、例えばチョークコイルや平滑用コンデンサなどの素子に小容量なものを採用でき、回路モジュールを小型化できる。

受電端末は、出力ラインの出力端に接続される充電池を備えてもよい。

この発明の無接点電力伝送システムは上述の受電端末と送電端末、または送電回路と浮遊回路と負荷出力回路とを備えてもよい。

この発明によれば、浮遊回路に設けるコンデンサのインピーダンスを設計段階で適切に設定することにより、出力電圧や電力伝送効率の周波数特性を動作周波数付近でなだらかにできる。これにより、インピーダンス公差が大きな回路素子を採用しても、周波数変動に対する出力電圧や電力伝送効率の安定性を高められる。また、浮遊回路を介して負荷出力回路が給電を受けるので、電力伝送効率をあまり損なわずに低電圧な受電電圧を得られる。

以下、無接点電力伝送システムの具体例として、携帯電話機やモバイルＰＣなどの充電に利用する二次側充電回路および一次側充電アダプタからなる無接点充電システムを想定して本発明の実施形態を説明する。

図２は本発明の実施形態に係る無接点電力伝送システムの概略構成例を示す断面図である。

無接点電力伝送システムは、二次側の受電端末１と一次側の送電端末２とを備える。充電時に受電端末１が送電端末２上に装着された状態で、送電端末２から受電端末１に無接点電力伝送を行い、受電端末１で充電池１３の充電を行う。

送電端末２は非磁性体の筐体２１を備え、筐体２１に回路モジュール２２と送電コイル２３と磁性体シート２４とを内装する。回路モジュール２２は、後述する送電回路２００の回路パターンと回路素子とを回路基板に設けたものである。送電コイル２３は空芯コイルとして形成され、磁性体シート２４の上方に配置されている。磁性体シート２４は回路モジュール２２と送電コイル２３との間に配置され、送電コイル２３の鎖交磁束が回路モジュール２２側に漏れるのを規制して、送電コイル−受電コイル間を結合し易くしている。

受電端末１は非磁性体の筐体１１を備え、筐体１１に回路モジュール１２と充電池１３と受電コイル１４，１５と磁性体シート１６とを内装する。回路モジュール１２は、後述する受電回路１００や受電端末１の制御回路（不図示）の回路パターンや回路素子（例えばＤＣ−ＤＣコンバータ１０４やコンデンサＣ_０）を回路基板に設けたものである。受電コイル１４，１５はそれぞれ空芯コイルとして形成され、第１の受電コイルである受電コイル１４の鎖交磁束の大部分が第２の受電コイルである受電コイル１５の鎖交磁束と共通するように、受電コイル１４が受電コイル１５の下方で同軸に配置されている。磁性体シート１６は受電コイル１４，１５の上方に配置され、回路モジュール１２と受電コイル１４，１５との間を隔てている。この磁性体シート１６は、受電コイル１４，１５の鎖交磁束が回路モジュール１２側に漏れるのを規制して、受電コイル−送電コイル間を結合し易くしている。

図３は無接点電力伝送システムの概略回路例を示す回路図である。受電端末１は受電回路１００を備え、送電端末２は送電回路２００を備える。

送電回路２００は、送電コイル２３とドライバ回路２０１と一次側信号処理部２０２とを備える。ドライバ回路２０１は、商用電源などから入力ラインに供給される交流入力を百数十ｋＨｚの周波数に変換するとともに、充電時に１００Ｖ超の送電電圧に昇圧して送電コイル２３に給電する。一次側信号処理部は、送電コイル２３の電圧変化に基づいて受電端末１の装着状態を判定し、ドライバ回路２０１を制御する。送電コイル２３はドライバ回路２０１からの交流出力が印加されて給電電磁界を励起する。

受電回路１００は、浮遊回路１０１と負荷出力回路１０２とを備える。浮遊回路１０１は、受電コイル１４とコンデンサＣ_０とを直列に接続してなるＬＣ直列共振ループ回路である。受電コイル１４は、受電端末１が送電端末２の充電可能位置に配置された際に、一次側の送電コイル２３に励起する給電電磁界が鎖交し、これにより一次側の送電コイル２３に結合する。コンデンサＣ_０は、インピーダンス設定用に設けられていて、電力伝送効率や出力電圧の周波数特性の調整に寄与する。

負荷出力回路１０２は受電コイル１５の交流出力を変換して直流出力を出力する回路であり、受電コイル１５と整流回路１０３と平滑コンデンサＣ_１とＤＣ−ＤＣコンバータ１０４と二次側信号処理部１０５と負荷変調回路１０６とを備える。

受電コイル１５は、受電端末１が送電端末２の充電可能位置に配置された際に、受電コイル１４に鎖交した磁束の大部分と鎖交し、これにより、一次側の送電コイル２３と浮遊回路１０１の受電コイル１４とに結合する。

整流回路１０３は受電コイル１５の交流出力を整流する。平滑コンデンサＣ_１は整流回路１０３の出力を平滑する。整流回路１０３と平滑コンデンサＣ_１とが本発明の整流平滑回路を構成する。ダイオードＤ_１は平滑コンデンサＣ_１からの電荷の逆流を防止するために、整流回路１０３と平滑コンデンサＣ_１との間に直列に接続している。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は本発明の降圧回路であり、平滑コンデンサＣ_１の出力を降圧して負荷出力電圧の直流出力に変換する。受電負荷Ｒ_Ｌは充電池１３とその保護回路とを含み、負荷出力回路１０２の出力ラインに接続される。充電池１３はＤＣ−ＤＣコンバータ１０４の直流出力により充電される。負荷変調回路１０６は負荷変調抵抗Ｒ_１と負荷変調スイッチＱ_１とを備える。抵抗Ｒ_１は、整流回路１０３とダイオードＤ_１との接続点に第一端が接続される。スイッチＱ_１は、抵抗Ｒ_１の第二端とグランドとの間に接続される。二次側信号処理部１０５は端末識別子を含む送信信号を生成し、この送信信号に応じてスイッチＱ_１を制御する。

スイッチＱ_１のオンオフにより抵抗Ｒ_１に流れる電流は変調され、負荷変調回路１０６のインピーダンスが変化し、これにより一次側の送電コイル２３から見た二次側の負荷インピーダンスが変化する。そのため送電回路２００の一次側信号処理部２０２では送電コイル２３の電圧変化から負荷変調通信の信号を検出できる。

図４は、無接点電力伝送システムの動作フロー例を示す図であり、図４（Ａ）が受電回路１００の動作フローを、図４（Ｂ）が送電回路２００の動作フローを示す。

この無接点電力伝送システムは、負荷変調通信モードと電力伝送モードとを切り替え動作する。

受電回路１００では、二次側信号処理部１０５が整流回路１０３の出力電圧からモードの判定を行い、電圧レベルが規定値よりも低ければ、負荷変調通信モードとして動作制御を行う（Ｓ１１）。

負荷変調通信モードでは、二次側信号処理部１０５がスイッチＱ_１を制御し、端末固有の端末識別子を送信信号として負荷変調通信を行う（Ｓ１２）。これによりスイッチＱ_１のオンオフが送信信号に応じて切り替わり、一次側の送電コイル２３から見た二次側の負荷インピーダンスが変化し、送電コイル２３の電圧レベルが変化する。これにより、一次側信号処理部２０２はモードを電力伝送モードに切り替え、一次側の送電電圧を高める。

二次側信号処理部１０５は負荷変調通信後に、整流回路１０３の出力を一定時間モニタし、電圧レベルが規定値よりも高い約２０Ｖになれば電力伝送モードとして動作制御を行い、そうならなければ再び負荷変調通信モードでの動作制御を行う（Ｓ１３）。

電力伝送モードでは、受電コイル１５の出力を整流・平滑してＤＣ−ＤＣコンバータ１０４で降圧し、直流出力として受電負荷Ｒ_Ｌに印加する。これにより、充電池１３の充電が進展する（Ｓ１４）。

一方、送電回路２００では、一次側信号処理部２０２が待機状態では負荷変調通信モードの動作制御を行い、送電電圧を低電圧に設定する。（Ｓ２１）。これにより、二次側の受電コイル１５に低い電圧レベルで受電電圧が励起して、二次側信号処理部１０５に２０Ｖよりも低い電圧レベルが検知され、負荷変調通信の送信動作が実施される。

次に、一次側信号処理部２０２は、二次側からの送信信号を検出する（Ｓ２２）。送信信号を検出した一次側信号処理部２０２は、端末識別子の認証を行う（Ｓ２３）。照合が取れれば、送電電圧を高電圧に設定する（Ｓ２４）。これにより、送電コイル２３に励起する給電電磁界が強まり、二次側の受電コイル１５に高い電圧レベルで受電電圧が励起し、整流回路１０３の出力電圧が既定値よりも高い約２０Ｖになって電力伝送モードになり、充電池１３の充電が進展する。

その後、一定の時間が経過して定期認証タイミングとなると、一次側信号処理部２０２は、再び負荷変調通信モードでの動作制御を実施する（Ｓ２５）。

以上の無接点電力電送システムでは、浮遊回路１０１に設けるコンデンサＣ_０の設定により、他の回路素子のインピーダンスを変更しなくても、送電回路２００および受電回路１００からなる回路全体のインピーダンスを変更できる。このため、出力電圧や電力伝送効率の持つ周波数特性を調整して、周波数変動に対する出力電圧や電力伝送効率の安定性を高めルことが可能になる。

また、浮遊回路１０１を介して負荷出力回路１０２が給電を受けるので、電力伝送効率をあまり損なわずに送電電圧に比べて低電圧の受電電圧を得られる。これにより整流回路１０３の出力に生じるリップルは小さくなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４での温度上昇などのリップルに基づく悪影響を抑制できる。また、降圧用の回路素子、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４や平滑コンデンサＣ_１に小容量なものを採用でき、回路モジュールを小型化できる。

なお、受電コイル１５が送電コイル２３に粗結合し、受電コイル１４に密結合すると、浮遊回路１０１のコンデンサＣ_０による出力電圧や電力伝送効率の調整効果を高められた、電力伝送効率をさらに改善できる。

ここで、本実施形態の受電回路の構成で電力伝送効率を最適化した実施例に対して、浮遊回路１０１の構成を省き電力伝送効率を最適化した比較例との性能差を確認した結果を説明する。

図５は、比較例の無接点電力伝送システムの回路を示す図である。

比較例の受電回路３００は、受電コイル３５と、平滑コンデンサＣ_２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０４とを備える。受電コイル３５は、電力伝送効率を最適化するために巻数を変更していて、受電電圧を約１００Ｖとしている。平滑コンデンサＣ_２は整流回路１０３の出力、約１００Ｖを平滑するため大容量品を採用している。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０４は、平滑コンデンサＣ_２の約１００Ｖの出力を降圧して１２Ｖの直流出力とするため大容量品を採用している。この受電回路３００を採用した場合、全負荷時の電力伝送効率は約６０％、モジュール温度は約５５℃、動作周波数±１０ｋＨｚでの伝送電力変動は約１０％、回路モジュール１２のサイズは約４０ｍｍ×４０ｍｍ、筐体１１のサイズは約１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍとして、受電回路３００を構成する必要があった。

一方、本構成例の受電回路１００では、電力伝送効率を約６０％に維持しながら第２の受電コイル１５の受電電圧を約２０Ｖまで抑制できた。その上、１２Ｖの直流出力を得る場合に、モジュール温度を約５０℃、動作周波数±１０ｋＨｚでの伝送電力変動を約３％、回路モジュール１２のサイズを約２０ｍｍ×２０ｍｍ、筐体１１のサイズを約８０ｍｍ×５０ｍｍ×１５ｍｍとして、受電回路１００を構成することができた。また、受電コイル１４のサイズは外形φ４０ｍｍ、厚み１ｍｍであった。

このように、本構成例によれば、低電圧の直流出力を得る場合であっても、受電電圧を抑制できるために、降圧用の回路素子であるＤＣ−ＤＣコンバータ１０４や平滑コンデンサＣ_１に小容量なものを採用でき、回路モジュールを小型化できた。また、リップルが小さくなってＤＣ−ＤＣコンバータ１０４での電力損を抑制できることもあり、モジュール温度を抑制できた。そして、浮遊回路１０１のコンデンサＣ_０の容量値を適切に設定して、動作周波数近傍での周波数変動に対する電力伝送効率の変動を抑制できた。

次に、本発明の実施形態の他の構成例を説明する。

図６は、他の構成例での断面図である。
上述の受電端末１では受電コイル１４と受電コイル１５とをそれぞれ上下方向の別層に配置したが、本構成の受電端末３では、第１の受電コイル３４と第２の受電コイル３５とを、それぞれ単一の層内で内外方向に交互に配置したパラ巻き構造を採用している。このように受電コイル３４，３５を配置しても本発明は好適に実施できる。

他にも、浮遊回路を受電端末ではなく送電端末に設けるような構成を採用してもよい。この場合にも、やはり浮遊回路により電力伝送効率や出力電圧の周波数特性を調整でき、製造良品率の改善に有効である。

また、浮遊回路には、１次側からの受電用のコイルと、負荷出力回路への送電用のコイルとを別々に設けるようにしてもよい。また、浮遊回路のコンデンサは受電コイルと並列共振が生じるように配置してもよい。その場合にも、やはり浮遊回路により電力伝送効率や出力電圧の周波数特性を調整でき、製造良品率の改善に有効である。

以上の実施形態で示したように本発明は実施できるが、本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、本発明の範囲には特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

従来の無接点電力伝送システムの構成例を説明する回路図である。 本発明の実施形態に係る無接点電力伝送システムの概略断面図である。の回路図である。 図２に示す無接点電力伝送システムの概略の回路図である。 図２に示す無接点電力伝送システムの動作フローを説明する図である。 比較例とする構成の無接点電力伝送システムの概略の回路図である。 本発明の他の実施形態に係る無接点電力伝送システムの概略断面図である。

符号の説明

１…受電端末
２…送電端末
１１，２１…筐体
１２，２２…回路モジュール
１３…充電池
１４，１５…受電コイル
２３…送電コイル
１６，２４…磁性体シート
１００…受電回路
２００…送電回路
１０１…浮遊回路
１０２…負荷出力回路
１０３…整流回路
１０４…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０５…二次側信号処理部
１０６…負荷変調回路
２０１…ドライバ回路
２０２…一次側信号処理部
Ｃ_０…コンデンサ
Ｒ_Ｌ…受電負荷

Claims (7)

1. 送電コイルからの磁束に鎖交して給電を受ける第１の受電コイル、および、前記第１の受電コイルを含む閉ループに接続されたコンデンサ、を備え、出力ラインから浮遊する浮遊回路と、
   前記浮遊回路からの磁束に鎖交して給電を受ける第２の受電コイルを備え、前記第２の受電コイルの出力電圧を負荷出力電圧に変換し前記出力ラインから出力する負荷出力回路と、
   を備える受電端末。
2. 前記第２の受電コイルは、前記送電コイルに粗結合し、前記第１の受電コイルに密結合する、請求項１に記載の受電端末。
3. 前記負荷出力回路は、前記第２の受電コイルの出力を整流・平滑する整流平滑回路を備える、請求項１または２に記載の受電端末。
4. 前記負荷出力回路は、前記整流平滑回路の出力を降圧する降圧回路を備える、請求項３に記載の受電端末。
5. 前記出力ラインの出力端に接続される充電池を備える、請求項４に記載の受電端末。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の受電端末と、
   前記送電コイルを備える送電端末と、を備える無接点電力伝送システム。
7. 入力ラインからの入力により励起する送電コイルを備える、第１の筐体に内装された送電回路と、
   前記送電コイルからの磁束に鎖交して給電を受ける第1の受電コイル、および、前記第１の受電コイルを含む閉ループに接続されたコンデンサ、を備え、前記入力ラインおよび出力ラインから浮遊する浮遊回路と、
   前記浮遊回路からの磁束に鎖交して給電を受ける第２の受電コイルを備え、前記第２の受電コイルの出力電圧を負荷出力電圧に変換し前記出力ラインから出力する、第２の筐体に内装された負荷出力回路と、
   を備える無接点電力伝送システム。

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