JP2014187784A - 無線給電システム、受電制御装置、および、送電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電周波数に基づいて異物を検出することが可能な無線給電システムを提供する。
【解決手段】無線給電システムは、電力を送電する送電ユニットと、送電ユニットから出力された電力を受電する受電ユニットと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無線給電システムに関する。

従来、熱センサによる測定結果、送電側のインピーダンスの測定結果、又は、システムの全体効率の測定結果に基づいて、異物の付着を検出する無線給電システムがある。

特開２００９−１２４８８９ 特開２０１２−１６１７１

送電周波数に基づいて異物を検出することが可能な無線給電システムを提供する。

実施例に従った無線給電システムは、電力を送電する送電ユニットを備える。無線給電システムは、前記送電ユニットから出力された電力を受電する受電ユニットを備える。

前記送電ユニットは、送電用コイルと、前記送電用コイルと直列に接続され、前記送電用コイルと第１のＬＣ共振回路を構成する第１のコンデンサと、前記送電用コイルに交流電圧を供給して送電用コイルに一次電流を流すことにより、前記送電用コイルを駆動するドライバと、受信したメッセージを解読し、前記メッセージに含まれる情報を出力するメッセージ解読器と、前記メッセージ解読器から出力された前記情報に応じて、前記ドライバが前記送電用コイルに供給する交流電圧の周波数を、制御する周波数変調器と、を有する。

前記受電ユニットは、受電用コイルと、前記受電用コイルと直列に接続され、前記受電用コイルと第２のＬＣ共振回路を構成する第２のコンデンサと、前記受電用コイルに流れる二次電流を整流して出力する整流器と、前記二次電流の周波数をカウントするカウンタと、前記整流器から出力され且つ出力端子を介して負荷に供給される出力電流を、検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された電流検出値と、前記カウンタによりカウントされた周波数のカウント値と、前記整流器が出力する出力電圧と、に基づいた判定結果を出力する判定回路と、前記判定回路の判定結果の情報を含むメッセージを、前記メッセージ解読器に送信するメッセージ送信器と、を有する。

図１は、実施例１に係る無線給電システム１００の構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示す送電ユニットＴＸが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数と送電される電力Ｅとの関係の一例を示す図である。

以下、各実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、実施例１に係る無線給電システム１００の構成の一例を示す図である。また、図２は、図１に示す送電ユニットＴＸが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数と送電される電力Ｅとの関係の一例を示す図である。

図１に示すように、無線給電システム１００は、送電ユニットＴＸと、受電ユニットＲＸと、を備える。
そして、送電ユニットＴＸは、電力を送電するようになっている。

受電ユニットＲＸは、送電ユニットＴＸから出力された電力を受電するようになっている。

ここで、送電ユニットＴＸから受電ユニットＲＸへの電力伝送は、送電ユニットＴＸに設けられた送電用コイル（一次コイル）Ｃ１と、受電ユニットＲＸに設けられた受電用コイル（二次コイル）Ｃ２と、を電磁的に結合させて電力伝送トランスを形成することで実現される。これにより、非接触で電力伝送が可能になる。

そして、送電ユニットＴＸは、例えば、図１に示すように、送電用コイルＬ１と、第１のコンデンサＣ１と、ドライバＤＲと、メッセージ解読器ＭＲと、周波数変調器ＦＭと、を有する。ここで、ドライバＤＲと、メッセージ解読器ＭＲと、周波数変調器ＦＭとは、半導体集積回路である送電制御装置を構成する。なお、この送電制御装置には、送電用コイルＬ１と、第１のコンデンサＣ１とが含まれていてもよい。

送電用コイルＬ１は、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１を構成する。

第１のコンデンサＣ１は、ドライバＤＲの２つの出力間で送電用コイルＬ１と直列に接続され、送電用コイルＬ１と第１のＬＣ共振回路ＬＣ１を構成する。

ドライバＤＲは、送電用コイルＬ１に交流電圧を供給して送電用コイルＬ１に一次電流を流すことにより、送電用コイルＬ１を駆動するようになっている。

メッセージ解読器ＭＲは、受信したメッセージを解読し、このメッセージに含まれる情報を出力するようになっている。例えば、メッセージ解読器ＭＲは、メッセージ送信器ＭＳから送信されたメッセージを、送電用コイルＬ１を介して、受信する。そして、メッセージ解読器ＭＲは、包絡線検波によりメッセージを解読する。

周波数変調器ＦＭは、メッセージ解読器ＭＲから出力された情報に応じて、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、制御するようになっている。

受電ユニットＲＸは、受電用コイルＬ２と、第２のコンデンサＣ２と、整流器ＲＥＣと、カウンタＴＣと、電流検出回路ＩＤと、判定回路ＤＣと、メッセージ送信器ＭＳと、を有する。ここで、整流器ＲＥＣと、カウンタＴＣと、電流検出回路ＩＤと、判定回路ＤＣと、メッセージ送信器ＭＳとは、半導体集積回路である受電制御装置を構成する。なお、この受電制御装置には、受電用コイルＬ２と、第２のコンデンサＣ２とが含まれていてもよい。

受電用コイルＬ２は、第２のＬＣ共振回路ＬＣ２を構成し、送電用コイルＬ１と電磁結合が可能になっている。

第２のコンデンサＣ２は、整流器ＲＥＣの２つの入力間で受電用コイルＬ２と直列に接続され、受電用コイルＬ２と第２のＬＣ共振回路ＬＣ２を構成する。

なお、電力の伝送効率が高くなるように、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数と第２のＬＣ共振回路ＬＣ２の共振周波数とは、等しくなるように設定されている。

整流器ＲＥＣは、受電用コイルＬ２に流れる二次電流を整流して出力するようになっている。

カウンタＴＣは、二次電流の周波数をカウントするようになっている。

電流検出回路ＩＤは、整流器ＲＥＣから出力され且つ出力端子Ｔｏｕｔを介して負荷Ｒに供給される出力電流（整流された二次電流）を、検出するようになっている。

判定回路ＤＣは、電流検出回路ＩＤにより検出された電流検出値と、カウンタＴＣによりカウントされた周波数のカウント値と、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧と、に基づいた判定結果を出力するようになっている。

例えば、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧からずれた場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、出力電圧が目標電圧に近づくように、変化させることを規定する判定結果を出力する。

また、例えば、判定回路ＤＣは、電流検出値が一定（安定した値）であるにも拘わらず、カウント値が変化した場合には、ドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動を停止させることを規定する判定結果を出力する。より詳しくは、判定回路ＤＣは、カウンタＴＣによりカウントされた周波数のカウント値が、カウント値の変化量が予め設定された閾値以上になった場合に、ドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動を停止させることを規定する判定結果を出力する。

また、メッセージ送信器ＭＳは、判定回路ＤＣの判定結果の情報を含むメッセージを、受電用コイルＬ２および送電用コイルＬ１を介して、送電用コイルメッセージ解読器ＭＲに送信するようになっている。例えば、メッセージ送信器ＭＳは、受電用コイルＬ２および送電用コイルＬ１で構成される電力伝送トランスにより伝搬する信号の包絡線として、メッセージを送信する。

ここで、例えば、メッセージ送信器ＭＳから送電ユニットＴＸのメッセージ解読器ＭＲにドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動を停止させることを規定する判定結果を含むメッセージが送信されると、送電ユニットＴＸのメッセージ解読器ＭＲは、ドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動を停止させることを規定する判定結果を含むメッセージを解読して、この判定結果を含む情報を周波数変調器ＦＭに出力する。

そして、周波数変調器ＦＭは、メッセージ解読器ＭＲから出力された情報に応じて、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１への交流電圧の供給を停止するように制御する。

これにより、ドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動が停止される。

ここで、図１に示す無線給電システム１００の動作の例について説明する。

先ず、無線給電システム１００に異物が電磁結合に影響を与えるほど近づいていない場合で、負荷Ｒの変動等により、出力電圧（整流器ＲＥＣが出力端子Ｔｏｕｔに出力する電圧）が変動するときの動作について説明する。

既述のように、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧からずれた場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、出力電圧が目標電圧に近づくように、変化させることを規定する判定結果を出力する。

例えば、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧より低くなった場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数に近づくように変化させる（図２の周波数ｆ２から周波数ｆ１へ変化、又は、周波数ｆ４から周波数ｆ３へ変化させる）ことを規定する判定結果を出力する。

ここで、既述のように、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数と第２のＬＣ共振回路ＬＣ２の共振周波数とが等しく設定されている。したがって、言い換えれば、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧より低くなった場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、カウント値が第２のＬＣ共振回路ＬＣ２の共振周波数に近づくように、変化させることを規定する判定結果を出力する。

そして、メッセージ送信器ＭＳは、判定回路ＤＣの判定結果の情報を含むメッセージを、受電用コイルＬ２および送電用コイルＬ１を介して、送電用コイルメッセージ解読器ＭＲに送信する。

そして、メッセージ解読器ＭＲは、受信したメッセージを解読し、このメッセージに含まれる情報（すなわち、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数に近づくように変化させることを規定する情報）を出力する。

そして、周波数変調器ＦＭは、メッセージ解読器ＭＲから出力された情報に応じて、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数に近づくように制御する。

これにより、伝送される電力が増加し（図２）、結果として、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が上昇して目標電圧に近づくこととなる。

一方、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧より高くなった場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１の共振回路ＬＣ１の共振周波数から離れるように変化させる（図２の周波数ｆ１から周波数ｆ２へ変化、又は、周波数ｆ３から周波数ｆ４へ変化させる）ことを規定する判定結果を出力する。

ここで、既述のように、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数と第２のＬＣ共振回路ＬＣ２の共振周波数とが等しく設定されている。したがって、言い換えれば、判定回路ＤＣは、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が目標電圧より高くなった場合には、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、カウント値が第２の共振回路の共振周波数から離れるように、変化させることを規定する判定結果を出力する。

そして、メッセージ送信器ＭＳは、判定回路ＤＣの判定結果の情報を含むメッセージを、受電用コイルＬ２および送電用コイルＬ１を介して、送電用コイルメッセージ解読器ＭＲに送信する。

そして、メッセージ解読器ＭＲは、受信したメッセージを解読し、このメッセージに含まれる情報（すなわち、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数から離れるように変化させることを規定する情報）を出力する。

そして、周波数変調器ＦＭは、メッセージ解読器ＭＲから出力された情報に応じて、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数から離れるように制御する。

これにより、伝送される電力が減少し（図２）、結果として、整流器ＲＥＣが出力する出力電圧が降下して目標電圧に近づくこととなる。

次に、無線給電システム１００に異物が電磁結合に影響を与えるほど近づいた場合の動作の例について説明する。

例えば、無線給電システム１００に異物が電磁結合に影響を与えるほど近づくと、伝送された電力の一部が異物に奪われてしまい、電力の伝送効率が低下する。このため、整流器ＲＥＣから出力される出力電圧が低下しないように、判定回路ＤＣは、カウント値が第２のＬＣ共振回路の共振周波数に近づく方向に変化（図２の周波数ｆ２から周波数ｆ１へ変化、又は、周波数ｆ４から周波数ｆ３へ変化）させることを規定する判定結果を出力する。

これにより、周波数変調器ＦＭは、カウント値が第２のＬＣ共振回路の共振周波数に近づく方向に変化させるように、ドライバＤＲが送電用コイルＬ１に供給する交流電圧の周波数を、第１のＬＣ共振回路ＬＣ１の共振周波数に近づくように制御する。

結果として、カウント値が第１のＬＣ共振回路の共振周波数に近づく方向に、異物に電力を奪われた分だけ変化することになる。

このとき、整流器ＲＥＣから出力される出力電圧は目標電圧を保つように制御されることから、整流器ＲＥＣから出力され且つ出力端子Ｔｏｕｔを介して負荷Ｒに供給される出力電流（整流された電流）については、すなわち電流検出回路ＩＤにより検出される電流検出値については、ほぼ安定した値（負荷Ｒの動作に基づき収束する値）に保たれ続ける。

そこで、判定回路ＤＣは、電流検出値が安定した値に保たれ続けている状態であるにも拘わらず、カウント値が第１のＬＣ共振回路の共振周波数に近づく方向に、負荷Ｒによる出力電圧の変動の影響を除外できる程度に予め設定された所定の閾値を超えて変化した場合には、無線給電システム１００に異物が近づいたと判断し、ドライバＤＲによる送電用コイルＬ１の駆動を停止させることを規定する判定結果を出力する。

これにより、例えば、無線給電システム１００に異物が近づいたときに、負荷Ｒへの電流の供給を停止することができる。

このような構成によれば、無線給電システムにおける送電周波数の変化に基づいて異物の検出を行い、送信ユニットからの過剰な送電、また異物への不要な送電が行われ続けることを回避し、システムの安全性に寄与することが出来る。

このとき、メッセージ送信器ＭＳは、無線給電システム１００に異物が近づいている（付着している）ことを示す情報を外部に出力または表示するようにしてもよい。さらに、その場合におけるユーザの対応を指示する情報を出力または表示するようにしてもよい。これらの出力または表示のための出力装置を無線給電システム１００がさらに備えるようにしてもよい。

以上のように、本実施例１に係る無線給電システムによれば、送電周波数に基づいて異物を検出することができる。

なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。

１００ 無線給電システム
ＴＸ 送電ユニット
ＲＸ 受電ユニット
Ｌ１ 送電用コイル
Ｃ１ 第１のコンデンサ
ＤＲ ドライバ
ＭＲ メッセージ解読器
ＦＭ 周波数変調器
Ｌ２ 受電用コイル
Ｃ２ 第２のコンデンサ
ＲＥＣ 整流器
ＴＣ カウンタ
ＩＤ 電流検出回路
ＤＣ 判定回路
ＭＳ メッセージ送信器
ＳＣ 停止回路

Claims (8)

1. 電力を送電する送電ユニットと、
   前記送電ユニットから出力された電力を受電する受電ユニットと、を備え、
   前記送電ユニットは、
   送電用コイルと、
   前記送電用コイルと直列に接続され、前記送電用コイルと第１のＬＣ共振回路を構成する第１のコンデンサと、
   前記送電用コイルに交流電圧を供給して送電用コイルに一次電流を流すことにより、前記送電用コイルを駆動するドライバと、
   受信したメッセージを解読し、前記メッセージに含まれる情報を出力するメッセージ解読器と、
   前記メッセージ解読器から出力された前記情報に応じて、前記ドライバが前記送電用コイルに供給する交流電圧の周波数を、制御する周波数変調器と、を有し、
   前記受電ユニットは、
   受電用コイルと、
   前記受電用コイルと直列に接続され、前記受電用コイルと第２のＬＣ共振回路を構成する第２のコンデンサと、
   前記受電用コイルに流れる二次電流を整流して出力する整流器と、
   前記二次電流の周波数をカウントするカウンタと、
   前記整流器から出力され且つ出力端子を介して負荷に供給される出力電流を、検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路により検出された電流検出値と、前記カウンタによりカウントされた周波数のカウント値と、前記整流器が出力する出力電圧と、に基づいた判定結果を出力する判定回路と、
   前記判定回路の判定結果の情報を含むメッセージを、前記メッセージ解読器に送信するメッセージ送信器と、を有する
   ことを特徴とする無線給電システム。
2. 前記判定回路は、
   前記電流検出値が安定した値であるにも拘わらず、前記カウント値が所定の閾値を超えて変化した場合には、前記ドライバによる送電用コイルの駆動を停止させることを規定する判定結果を出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線給電システム。
3. 前記判定回路は、
   前記電流検出値が安定した値であるにも拘わらず、前記カウント値が所定の閾値を超えて前記第２のＬＣ共振回路の共振周波数に近づく方向に変化した場合には、前記ドライバによる送電用コイルの駆動を停止させることを規定する判定結果を出力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線給電システム。
4. 送電用コイルからの送電を受けて無線給電を実現するための受電用コイルと、前記受電用コイルと直列に接続され、前記受電用コイルとＬＣ共振回路を構成するコンデンサとを有する受電ユニットに適用される受電制御装置であって、
   前記受電用コイルに流れる二次電流を整流して出力する整流器と、
   前記二次電流の周波数をカウントするカウンタと、
   前記整流器から出力され且つ出力端子を介して負荷に供給される出力電流を、検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路により検出された電流検出値と、前記カウンタによりカウントされた周波数のカウント値と、前記整流器が出力する出力電圧と、に基づいた判定結果を出力する判定回路と、
   前記判定回路の判定結果の情報を含むメッセージを、前記メッセージ解読器に送信するメッセージ送信器と、を備える
   ことを特徴とする受電制御装置。
5. 前記受電用コイルと、
   前記コンデンサと、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の受電制御装置。
6. 前記判定回路は、
   前記電流検出値が安定した値であるにも拘わらず、前記カウント値が所定の閾値を超えて変化した場合には、前記送電用コイルからの送電を停止させることを規定する判定結果を出力する
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の受電制御装置。
7. 受電用コイルと、前記受電用コイルと直列に接続され、前記受電用コイルとＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、前記受電用コイルに流れる二次電流を整流して出力する整流器と、前記二次電流の周波数をカウントするカウンタと、前記整流器から出力され且つ出力端子を介して負荷に供給される出力電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された電流検出値と前記カウンタによりカウントされた周波数のカウント値と前記整流器が出力する出力電圧とに基づいた判定結果を出力する判定回路と、前記判定回路の判定結果の情報を含むメッセージを前記メッセージ解読器に送信するメッセージ送信器と、を有する受電ユニットに対して、電力を送電するための送電用コイルを備えた送電ユニットに適用される送電制御装置であって、
   前記送電用コイルに交流電圧を供給して送電用コイルに一次電流を流すことにより、前記送電用コイルを駆動するドライバと、
   受信したメッセージを解読し、前記メッセージに含まれる情報を出力するメッセージ解読器と、
   前記メッセージ解読器から出力された前記情報に応じて、前記ドライバが前記送電用コイルに供給する交流電圧の周波数を、制御する周波数変調器と、を備え、
   前記周波数変調器は前記情報に応じて、前記電流検出値が安定した値であるにも拘わらず、前記カウント値が所定の閾値を超えて変化した場合には、前記ドライバによる送電用コイルの駆動を停止させる
   ことを特徴とする送電制御装置。
8. 前記送電用コイルと、
   前記送電用コイルと直列に接続され、前記送電用コイルとＬＣ共振回路を構成するコンデンサと、をさらに備える
   ことを特徴とする請求項７に記載の送電制御装置。

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