JP2017028780A - ワイヤレス伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡を検知することができるワイヤレス伝送装置を提供することを目的とする。【解決手段】ワイヤレス伝送装置は、コイルと電気的に接続され電力を蓄電可能でありコイルを介して電力を伝送する際に当該コイルと共に電力伝送周波数に応じた共振回路を構成する共振蓄電素子モジュール５、２２、３４とを備え、共振蓄電素子モジュール５、２２、３４は、複数の蓄電素子Ｃが並列接続されることで並列群５１を構成し、複数の並列群５１が直列接続されることで並列直列群５２を構成し、複数の並列直列群５２が並列接続されることで構成されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス伝送装置に関する。

従来のワイヤレス給電システムとして、例えば、特許文献１には、乗物本体に設けられた電源と、乗物本体のパネルに設けられ且つ電源に接続された電力供給手段と、電力供給手段からの電力を受け取る電力受取手段と、電力受取手段からの電力で動作する補助電子装置を備える乗物用補助電子装置への電力供給装置が開示されている。そして、この電力供給装置において、電力供給手段は、電源からの電力を高周波に変換する変換手段と、変換手段からの高周波が供給される一次コイルを備え、電力受取手段は、一次コイルからの高周波を受け取る二次コイルを備え、補助電子装置の電源は二次コイルの高周波による電力を受けて動作可能に設けられている。

特開平９−１８２３２４号公報

ところで、上述の特許文献１に記載の電力供給装置は、例えば、コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサ群を備える場合があるが、コンデンサ素子の短絡検知の点で更なる改善の余地がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡を検知することができるワイヤレス伝送装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス伝送装置は、磁界を発生させるコイルと、前記コイルと電気的に接続され電力を蓄電可能であり前記コイルを介して電力を伝送する際に当該コイルと共に電力伝送周波数に応じた共振回路を構成する共振蓄電素子モジュールとを備え、前記共振蓄電素子モジュールは、複数の蓄電素子が並列接続されることで並列群を構成し、複数の前記並列群が直列接続されることで並列直列群を構成し、複数の前記並列直列群が並列接続されることで構成されることを特徴とする。

また、上記ワイヤレス伝送装置は、前記共振回路のリアクタンスの変化に基づいて、前記蓄電素子の短絡が検知されるものとすることができる。

本発明に係るワイヤレス伝送装置は、共振蓄電素子モジュールを構成する複数の蓄電素子のうちのいずれかが短絡した場合、システム上の電気特性の変化を十分に大きくすることができ、当該蓄電素子の短絡を確実に検知することができる一方、短絡した蓄電素子に流れる電流を相対的に小さく抑えることができるので、当該蓄電素子での発熱量を抑制することができる。この結果、ワイヤレス伝送装置は、素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡を検知することができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表すブロック図である。 図２は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの共振コンデンサモジュールの概略構成を表す模式的なブロック図である。 図３は、比較例に係るワイヤレス給電システムの共振コンデンサモジュールの概略構成を表す模式的なブロック図である。 図４は、比較例に係るワイヤレス給電システムの共振コンデンサモジュールの概略構成を表す模式的なブロック図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態］
図１は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表すブロック図である。図２は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの共振コンデンサモジュールの概略構成を表す模式的なブロック図である。

図１に示す本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、電源２１からの電力を種々の電気負荷３５に伝送する際に、少なくとも一部分をワイヤレスで伝送する非接触給電システムである。本実施形態のワイヤレス給電システム１は、例えば、車両等に搭載され、当該車両の車内に配置される種々の電気負荷３５との間の電気的な接続をワイヤレス化し、非接触電力伝送とするものである。

具体的には、ワイヤレス給電システム１は、ワイヤレス伝送装置としての送電装置２と、ワイヤレス伝送装置としての受電装置３とを備える。

送電装置２は、電源２１と、共振蓄電素子モジュールとしての共振コンデンサモジュール２２と、送電コイル２５と、電力計２６とを含んで構成される。電源２１は、例えば、車両に搭載されたバッテリを電源として高周波電力を生成して、共振コンデンサモジュール２２、送電コイル２５に供給する。共振コンデンサモジュール２２、送電コイル２５は、電源２１に対して直列で電気的に接続される。共振コンデンサモジュール２２は、一方の端子が電源２１の陽極（＋）と電気的に接続され、他方の端子が送電コイル２５の一方の端子と電気的に接続される。なおここで、抵抗２３、２４は、回路の抵抗成分（例えば、送電コイル２５のなかの抵抗成分）を模式的に表したものであり、典型的には、抵抗２３は、ＤＣ抵抗成分（Ｒｄｃ）を表し、抵抗２４は、高周波による抵抗成分（Ｒａｃ）を表している。送電コイル２５は、他方の端子が電源２１の陰極（−）と電気的に接続される。電源２１は、陰極（−）が接地される。送電コイル２５は、磁界を発生させるものである。共振コンデンサモジュール２２は、送電コイル２５と電気的に接続され電力を蓄電可能である。共振コンデンサモジュール２２は、送電コイル２５を介して電力を伝送する際に当該送電コイル２５と共に予め定められた電力伝送周波数（共振周波数）に応じた共振回路（ＬＣ共振回路）２７を構成する。共振回路２７は、電力伝送周波数で振動する電力を蓄えることができる。ここでは、共振コンデンサモジュール２２は、送電コイル２５に対して直列接続されているが、並列接続であってもよい。電力計２６は、共振コンデンサモジュール２２、送電コイル２５に対して直列と並列とで電気的に接続され、共振回路２７における電力（電流、電圧）を計測する。なお、共振コンデンサモジュール２２の構成については、後で詳細に説明する。

受電装置３は、受電コイル３１と、共振蓄電素子モジュールとしての共振コンデンサモジュール３４と、電気負荷３５と、電力計３６とを含んで構成される。受電コイル３１、共振コンデンサモジュール３４、電気負荷３５は、直列で電気的に接続される。受電コイル３１は、一方の端子が共振コンデンサモジュール３４の一方の端子と電気的に接続される。なおここで、抵抗３２、３３は、回路の抵抗成分（例えば、受電コイル３１のなかの抵抗成分）を模式的に表したものであり、典型的には、抵抗３２は、ＤＣ抵抗成分（Ｒｄｃ）を表し、抵抗３３は、高周波による抵抗成分（Ｒａｃ）を表している。共振コンデンサモジュール３４は、他方の端子が電気負荷３５の一方の端子と電気的に接続される。電気負荷３５は、他方の端子が受電コイル３１の他方の端子と電気的に接続される。電気負荷３５は、ワイヤレス給電システム１から供給された電力を消費して駆動する種々の電気機器であり、複数が直列、あるいは、並列で接続されてもよい。受電コイル３１は、他方の端子が接地される。受電コイル３１は、磁界を発生させるものである。共振コンデンサモジュール３４は、受電コイル３１と電気的に接続され電力を蓄電可能である。共振コンデンサモジュール３４は、受電コイル３１を介して電力を伝送する際に当該受電コイル３１と共に予め定められた電力伝送周波数（共振周波数）に応じた共振回路（ＬＣ共振回路）３７を構成する。共振回路３７は、電力伝送周波数で振動する電力を蓄えることができる。ここでは、共振コンデンサモジュール３４は、受電コイル３１に対して直列接続されているが、並列接続であってもよい。電力計３６は、受電コイル３１、共振コンデンサモジュール３４に対して直列と並列とで電気的に接続され、共振回路３７における電力（電流、電圧）を計測する。なお、共振コンデンサモジュール３４の構成については、後で詳細に説明する。

送電装置２の送電コイル２５は、電源２１から供給された電力を受電コイル３１に伝送する。受電装置３の受電コイル３１は、送電コイル２５からの電力を非接触で受電する。一対の送電コイル２５と受電コイル３１とは、例えば、ともに渦巻き状、あるいは、螺旋状に巻かれた導体コイルによって構成され、軸方向に互いに対向することで、１組の非接触給電用トランス４を構成する。非接触給電用トランス４は、例えば、電磁界共鳴方式（磁界結合方式）によって送電コイル２５から受電コイル３１に非接触で電力を伝送することができる。ここで、電磁界共鳴方式とは、送電コイル２５に交流電流を流すことで送電コイル２５と受電コイル３１とを特定の電力伝送周波数で共鳴させ、当該電磁界の共鳴現象を用いて送電コイル２５から受電コイル３１に電力を伝送する方式である。

より詳細には、非接触給電用トランス４は、送電コイル２５から受電コイル３１に電力を伝送する場合、送電コイル２５と受電コイル３１とが軸方向に互いに間隔をあけて対向した状態で、電源２１から電力伝送周波数に応じた高周波数の交流電流が送電コイル２５に供給される。非接触給電用トランス４は、送電コイル２５に交流電流が供給されると、例えば、送電コイル２５と受電コイル３１とが電磁結合し、送電コイル２５からの電力が電磁界共鳴により非接触で受電コイル３１に受電される。受電コイル３１が受電した電力は、電気負荷３５で利用される。なお、ワイヤレス給電システム１は、受電コイル３１と電気負荷３５との間に整流平滑回路等が介在していてもよい。

そして、本実施形態の共振コンデンサモジュール２２、３４は、図２に示すように、当該共振コンデンサモジュール２２、３４を構成する蓄電素子としての複数のコンデンサ素子Ｃを、所定の配列で電気的に接続することで、素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡（ショート）を検知することができる構成としている。本実施形態の共振コンデンサモジュール２２、３４は、大電流、大電圧に耐えるべく、複数のコンデンサ素子Ｃが直列と並列とで相互に接続された素子アレイを構成して実装される。

なお、共振コンデンサモジュール２２と共振コンデンサモジュール３４とは、厳密に言えば、コンデンサ素子Ｃの数や容量が異なる場合があるが、ほぼ同等の構成であるので以下では共通の構成として説明する。以下の説明では、共振コンデンサモジュール２２、共振コンデンサモジュール３４を特に区別して説明する必要がない場合には、単に共振コンデンサモジュール５という。

本実施形態の共振コンデンサモジュール５は、複数のコンデンサ素子Ｃが並列接続されることで並列群５１を構成し、複数の並列群５１が直列接続されることで並列直列群５２を構成し、当該複数の並列直列群５２が並列接続されることで構成される。ここでは、共振コンデンサモジュール５は、複数のコンデンサ素子Ｃとして、コンデンサ素子Ｃｓ１〜Ｃｓ２０の合計２０個を含んで構成され、これらによって素子アレイが構成される。なお、以下の説明では、コンデンサ素子Ｃｓ１〜Ｃｓ２０を特に区別して説明する必要がない場合には、単にコンデンサ素子Ｃという。

具体的には、共振コンデンサモジュール５は、コンデンサ素子Ｃｓ１とコンデンサ素子Ｃｓ１０とが並列接続され並列群５１ａを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ２とコンデンサ素子Ｃｓ９とが並列接続され並列群５１ｂを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ３とコンデンサ素子Ｃｓ８とが並列接続され並列群５１ｃを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ４とコンデンサ素子Ｃｓ７とが並列接続され並列群５１ｄを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ５とコンデンサ素子Ｃｓ６とが並列接続され並列群５１ｅを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１１とコンデンサ素子Ｃｓ２０とが並列接続され並列群５１ｆを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１２とコンデンサ素子Ｃｓ１９とが並列接続され並列群５１ｇを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１３とコンデンサ素子Ｃｓ１８とが並列接続され並列群５１ｈを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１４とコンデンサ素子Ｃｓ１７とが並列接続され並列群５１ｉを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１５とコンデンサ素子Ｃｓ１６とが並列接続され並列群５１ｊを構成する。

そして、共振コンデンサモジュール５は、並列群５１ａ、並列群５１ｂ、並列群５１ｃ、並列群５１ｄ、及び、並列群５１ｅが直列接続されることで並列直列群５２ａを構成し、並列群５１ｆ、並列群５１ｇ、並列群５１ｈ、並列群５１ｉ、及び、並列群５１ｊが直列接続されることで並列直列群５２ｂを構成する。

そして、共振コンデンサモジュール５は、上記のように構成される並列直列群５２ａと並列直列群５２ｂとが並列接続されることで素子アレイが構成される。

共振コンデンサモジュール５は、上記のように構成されることで、素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡を検知することができる構成となる。

ここで、図３、図４は、比較例に係る共振コンデンサモジュールの概略構成を表す模式的なブロック図である。

図３に示す比較例に係る共振コンデンサモジュール２０５は、複数のコンデンサ素子Ｃが直列接続されることで直列群２５１を構成し、複数の直列群２５１が並列接続されることで構成される。ここでは、共振コンデンサモジュール２０５は、コンデンサ素子Ｃｓ１〜Ｃｓ５が直列接続されることで直列群２５１ａを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１０〜Ｃｓ６が直列接続されることで直列群２５１ｂを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ１１〜Ｃｓ１５が直列接続されることで直列群２５１ｃを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ２０〜Ｃｓ１６が直列接続されることで直列群２５１ｄを構成する。そして、共振コンデンサモジュール２０５は、直列群２５１ａ、直列群２５１ｂ、直列群２５１ｃ、及び、直列群２５１ｄが並列接続されることで素子アレイが構成される。

図４に示す比較例に係る共振コンデンサモジュール３０５は、複数のコンデンサ素子Ｃが並列接続されることで並列群３５１を構成し、複数の並列群３５１が直列接続されることで構成される。ここでは、共振コンデンサモジュール３０５は、コンデンサ素子Ｃｓ１、コンデンサ素子Ｃｓ１０、コンデンサ素子Ｃｓ１１、及び、コンデンサ素子Ｃｓ２０が並列接続されることで並列群３５１ａを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ２、コンデンサ素子Ｃｓ９、コンデンサ素子Ｃｓ１２、及び、コンデンサ素子Ｃｓ１９が並列接続されることで並列群３５１ｂを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ３、コンデンサ素子Ｃｓ８、コンデンサ素子Ｃｓ１３、及び、コンデンサ素子Ｃｓ１８が並列接続されることで並列群３５１ｃを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ４、コンデンサ素子Ｃｓ７、コンデンサ素子Ｃｓ１４、及び、コンデンサ素子Ｃｓ１７が並列接続されることで並列群３５１ｄを構成し、コンデンサ素子Ｃｓ５、コンデンサ素子Ｃｓ６、コンデンサ素子Ｃｓ１５、及び、コンデンサ素子Ｃｓ１６が並列接続されることで並列群３５１ｅを構成する。そして、共振コンデンサモジュール３０５は、並列群３５１ａ、並列群３５１ｂ、並列群３５１ｃ、及び、並列群３５１ｄ、及び、並列群３５１ｅが直列接続されることで素子アレイが構成される。

以下では、複数のコンデンサ素子Ｃのうちコンデンサ素子Ｃｓ２０が短絡した場合を例にして作用の違いを説明する。

比較例に係る共振コンデンサモジュール２０５は、コンデンサ素子Ｃｓ２０が短絡した場合、電気特性の変化（容量、電流と電圧）が相対的に小さいことから、当該コンデンサ素子Ｃｓ２０の短絡を検知しにくい傾向にある。一方、比較例に係る共振コンデンサモジュール３０５は、コンデンサ素子Ｃｓ２０が短絡した場合、電気特性の変化（容量、電流と電圧）が相対的に大きいことから、当該コンデンサ素子Ｃｓ２０の短絡を検知しやすい傾向にあるが、その反面、故障素子であるコンデンサ素子Ｃｓ２０に流れる電流が相対的に大きくなり、当該コンデンサ素子Ｃｓ２０での発熱量が相対的に大きくなる傾向にある。

これに対して、本実施形態に係る共振コンデンサモジュール５は、コンデンサ素子Ｃｓ２０が短絡した場合、共振コンデンサモジュール２０５等と比較して、電気特性の変化（容量、電流と電圧）を十分に大きくすることができるので、当該コンデンサ素子Ｃｓ２０の短絡を確実に検知することができる。一例として、共振コンデンサモジュール５は、共振回路２７、３７のリアクタンスの変化に基づいて、コンデンサ素子Ｃの短絡が検知される。例えば、共振コンデンサモジュール５は、不図示の制御装置によって電力計２６、３６の計測値が監視され、当該電力計２６、３６の計測値に基づいて、コンデンサ素子Ｃの短絡が検知される。ワイヤレス給電システム１は、コンデンサ素子Ｃの短絡が検知されると、例えば、不図示の制御装置によって電力伝送が停止される。その上で、共振コンデンサモジュール５は、コンデンサ素子Ｃｓ２０が短絡した場合、共振コンデンサモジュール３０５等と比較して、故障素子であるコンデンサ素子Ｃｓ２０に流れる電流を相対的に小さく抑えることができるので、当該コンデンサ素子Ｃｓ２０での発熱量を抑制することができる。ここでは、共振コンデンサモジュール５は、共振コンデンサモジュール５を構成する並列直列群５２の数、各並列直列群５２を構成する並列群５１の数、各並列群５１を構成するコンデンサ素子Ｃの数、各コンデンサ素子Ｃの容量が複数のコンデンサ素子Ｃのいずれかが短絡した際に１つのコンデンサ素子Ｃに流れる電流が許容電流以上にならないように設定されることが好ましい。

以上で説明した送電装置２、受電装置３によれば、磁界を発生させる送電コイル２５、受電コイル３１と、送電コイル２５、受電コイル３１と電気的に接続され電力を蓄電可能であり送電コイル２５、受電コイル３１を介して電力を伝送する際に当該送電コイル２５、受電コイル３１と共に電力伝送周波数に応じた共振回路２７、３７を構成する共振蓄電素子モジュール２２、３４とを備え、共振蓄電素子モジュール２２、３４は、複数のコンデンサ素子Ｃが並列接続されることで並列群５１を構成し、複数の並列群５１が直列接続されることで並列直列群５２を構成し、複数の並列直列群５２が並列接続されることで構成される。

したがって、送電装置２、受電装置３は、共振蓄電素子モジュール２２、３４を構成する複数のコンデンサ素子Ｃのうちのいずれかが短絡した場合、システム上の電気特性の変化（容量、電流と電圧）を十分に大きくすることができ、当該コンデンサ素子Ｃの短絡を確実に検知することができる一方、短絡したコンデンサ素子Ｃに流れる電流を相対的に小さく抑えることができるので、当該コンデンサ素子Ｃでの発熱量を抑制することができる。この結果、共振コンデンサモジュール５は、素子の発熱を抑制しつつ適正に短絡を検知することができ、例えば、素子の許容電流の範囲内で適正に短絡を検知することができる。

さらに、以上で説明した送電装置２、受電装置３によれば、共振回路２７、３７のリアクタンスの変化に基づいて、コンデンサ素子Ｃの短絡が検知されることから、複数のコンデンサ素子Ｃのうちのいずれかが短絡した場合に簡易な構成で早期に当該短絡を検知することができ、例えば、確実に電力伝送の停止等の処置を施すことができる。

なお、上述した本発明の実施形態に係るワイヤレス伝送装置は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。

以上で説明したワイヤレス伝送装置を含むワイヤレス給電システム１は、車両に搭載されるものとして説明したがこれに限らない。

以上で説明した共振コンデンサモジュール（共振蓄電素子モジュール）５、２２、３４は、共振コンデンサモジュール５、２２、３４を構成する並列直列群５２の数、各並列直列群５２を構成する並列群５１の数、各並列群５１を構成するコンデンサ素子Ｃの数が上記の数には限られない。また、複数の並列群５１は、各並列群５１を構成するコンデンサ素子Ｃの数が相互に異なっていてもよい。同様に、複数の並列直列群５２は、各並列直列群５２を構成する並列群５１の数が相互に異なっていてもよい。また、各コンデンサ素子Ｃの容量は、全てが同等でなくてもよい。

以上の説明では、上記のような配列の共振コンデンサモジュール５を、送電装置２と受電装置３との両方に適用するものとして説明したがこれに限らず、いずれか一方だけであってもよい。

１ ワイヤレス給電システム
２ 送電装置（ワイヤレス伝送装置）
３ 受電装置（ワイヤレス伝送装置）
５、２２、３４ 共振コンデンサモジュール（共振蓄電素子モジュール）
２５ 送電コイル（コイル）
２７、３７ 共振回路
３１ 受電コイル（コイル）
５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ、５１ｉ、５１ｊ 並列群
５２、５２ａ、５２ｂ 並列直列群
Ｃ、Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｓ３、Ｃｓ４、Ｃｓ５、Ｃｓ６、Ｃｓ７、Ｃｓ８、Ｃｓ９、Ｃｓ１０、Ｃｓ１１、Ｃｓ１２、Ｃｓ１３、Ｃｓ１４、Ｃｓ１５、Ｃｓ１６、Ｃｓ１７、Ｃｓ１８、Ｃｓ１９、Ｃｓ２０ コンデンサ素子（蓄電素子）

Claims (2)

1. 磁界を発生させるコイルと、
   前記コイルと電気的に接続され電力を蓄電可能であり前記コイルを介して電力を伝送する際に当該コイルと共に電力伝送周波数に応じた共振回路を構成する共振蓄電素子モジュールとを備え、
   前記共振蓄電素子モジュールは、複数の蓄電素子が並列接続されることで並列群を構成し、複数の前記並列群が直列接続されることで並列直列群を構成し、複数の前記並列直列群が並列接続されることで構成されることを特徴とする、
   ワイヤレス伝送装置。
2. 前記共振回路のリアクタンスの変化に基づいて、前記蓄電素子の短絡が検知される、
   請求項１に記載のワイヤレス伝送装置。

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