JP2017135789A - 磁気共鳴式給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器等の給電対象機器に対して磁気共鳴により非接触に電力供給を行うとともに、従来よりも小型化が図れる磁気共鳴式給電システムを提供する。
【解決手段】磁気共鳴によって給電装置１の給電コイルＬ１から受電装置２の受電コイルＬ２に非接触で給電を行う磁気共鳴式給電システム１であって、受電コイルＬ２はソレノイドコイルからなり、給電装置１は、給電コイルＬ１に交流電力を供給するＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を使用した共振型スイッチング電源回路からなる電源回路２１を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器等の給電対象機器に対して磁気共鳴により非接触に電力供給を行う
磁気共鳴式給電システムに関する。

近年、ケーブルを介さないで電力を供給する「ワイヤレス給電」によるシステムが注目されている。スマートフォンなどの携帯機器や一般の電子・電気家電製品の進歩において、ケーブルを介さない充電システムも現在実用化されてきている。

現在においてワイヤレス給電の技術は、モバイル機器や一般家電製品のみならず、電気自動車（ＥＶ）の分野おいても著しく進歩しており、その給電方法も実用化されていくことが見込まれる。現在、ワイヤレス給電技術は大きく分けて、１．電磁誘導方式（短距離用）、２．電波方式（長距離用）、３．電磁共振（共鳴）方式（中距離用）の３方式に大別される。

１．の電磁誘導方式の原理としては、送電側コイルから磁束を媒体として、受電側コイルに送電する方式で、身近な家電製品には一般的に実用化されているが、数センチメートル程度の短距離しか使用できないという問題を持っている。また、給電効率を上げる場合は、コイルの大きさ、素材や装置の大型化、高コスト化の課題がある。

２．の電波方式は、電波を利用する方式で、数キロ以上の遠距離で使用することが可能とされているが、電力をマイクロ波に交換する時の電力ロスが多いため、送伝電力が小さくなることから送電量の面においても課題が多いく、使用できる電波の周波数は、通信、無線システムで用いられるものとなり、ワイヤレス電力伝送システムを行う環境においては、周波数帯への悪影響への対策にも課題を持っている。また、伝送力の効率を上げるためには大きな電力とその電力を受け止めるアレーも大型化してしまう。そして、電波を電気に変換するときの不要な電波・高調波による無線システムへの影響を制御するフィルタ対策も必要となることも、小型化、高効率化が進まない課題でもある。

３．の磁気共振方式は、近年になり注目されている比較的新しい技術であり、送電装置と受電装置への２組の共振用コイルと、別に設けた電力供給用のコイルと、電力取り出し用コイルをそれぞれ共振装置に近づけて配置し、電力の給電を行う方式で、数十センチメートルから数メートル程度の中距離おいて、高い効率で電力送電が行えるという利点を持つことから、今後のワイヤレス給電方式として期待されている方式である。近年実用化されつつある、電気（ＥＶ）自動車への二次電池の充電方式としても注目されているが、進歩・普及が著しい、携帯型の電子機器等広く使用されているリチウムイオンなどの二次電池へのワイヤレス充電にも期待されている。リチウムイオンなどの二次電池は、過充電により発熱するという特性を持っており、ワイレス充電装置においては、安全性と充電時間を制御する必要性がある。

このような電気共振方式を利用した非接触給電装置として、例えば、特許文献１に記載の非接触給電装置がある。この非接触給電装置は、給電先が共鳴周波数を離散的又は連続的に可変する可変機構を有する共鳴素子３５と、共鳴素子３５と電磁誘導結合する励振素子３２と、励振素子３２に共鳴周波数と同じ周波数の交流電流を印加する交流電源３１とを備える。そして、給電先が可変機構により共鳴周波数を変え、それぞれ異なる固有の共鳴周波数を有する給電先に対して選択的に給電するように構成されている。

特開２０１０−６３２４５号公報

しかしながら、給電元においては、励振素子１２と共鳴素子１３を電磁誘導によって結合させることによって共鳴素子１３に電流を流すとしており、同様に、給電先においても励振素子２２と共鳴素子２３を電磁誘導によって結合させることによって電流を出力するように構成されていることから、装置全体が大型化してしまうといった問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、磁気共鳴方式による電力伝送能力を維持しながら、全体を小型・軽量化することができる磁気共鳴式給電システムを提供することある。

前記の目的を達成するため、本発明の磁気共鳴式給電システムは、磁気共鳴によって給電装置の給電コイルから受電装置の受電コイルに非接触で給電を行う磁気共鳴式給電システムであって、受電コイルはソレノイドコイルからなり、給電装置は、給電コイルに交流電力を供給するＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を使用した共振型スイッチング電源回路を備えていることを特徴とする。

また、前記受電装置は、充電対象機器と接続するためのコネクタを有していてもよい。

また、前記受電装置は、共振周波数を切り替え可能なスイッチと、充電対象機器が備える充電検知部と通信可能な電圧・電流検知回路と、充電完了検知信号を充電検知部から電圧・電流検知回路が受信するとスイッチを切り替えて共振周波数を変更する制御回路とを有していてもよい。

また、給電装置は、給電コイルに流れる電流を検知する電流検知回路を有しており、給電装置は、共振周波数が変更されると電流検知回路によって給電コイルに流れる電流の変化を検知し受電装置への給電を停止するようにしてもよい。

本発明によれば、磁気共鳴によって給電装置の給電コイルから受電装置の受電コイルに非接触で給電を行う磁気共鳴式給電システムであって、受電コイルはソレノイドコイルからなり、給電装置は、給電コイルに交流電力を供給するＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を使用した共振型スイッチング電源回路を備えるように構成した。これにより、従来よりも小型化が図れるといった効果を奏することができる。

本発明の一実施の形態に係る磁気共鳴式給電システムの模式図。 本発明の一実施の形態に係る磁気共鳴式給電システムの構成例を示すブロック図。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る磁気共鳴式システム１を使用してスマートフォン４に充電を行っている状態を示しており、磁気共鳴式給電システム１は、給電装置１と受電装置２とからなり、双方の共振周波数を一致させワイヤレスに給電を行うシステムである。本実施形態においては、受電装置２はマイクロＵＳＢコネクタ３１を備えたポータブルタイプの受電装置として構成されている。図１に示すように、充電対象であるスマートフォン４の充電ポート４１にマイクロＵＳＢコネクタ３１を接続することにより充電可能状態となり、このように受電装置２が装着されたスマートフォン４が給電装置１の給電可能範囲（例えば、１ｍ〜２ｍ）に入ると、給電装置１からの給電が開始され受電装置２を介してスマートフォン４は充電される。

次に、図２を参照して給電装置１及び受電装置２の構成について説明する。

給電装置１は、給電コイルＬ１、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１からなる送信部と、電源回路２１、制御回路２２、電流検知回路２３からなる。

給電コイルＬ１は、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は給電コイルＬ１に直列接続されている。そして、この給電コイルＬ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１からなる送信部の共振周波数ｆ１は後述する共振周波数ｆ２と一致するように予め設定されている。

電源回路２１は、図示しない外部電源から供給される電力を用いて、送電を行うための高周波電力を発生する回路であり、共振型のインバータを応用したＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を使用した共振型スイッチング電源回路である。

制御回路２２は、給電装置１全体の種々の制御動作を行うものであるが、特に、本実施形態においては電流検知回路２３からの検知信号に基づいて電源回路２１を制御するように構成されている。具体的には、本実施形態においては後述するように、スマートフォン４の充電が完了すると、給電装置１と受電装置２との間の磁気共鳴を停止させるように構成されていることから、この停止した状態における電流の変化が電流検知回路２３によって検知されると、制御回路２２は電源回路２１に対し伝送停止信号を送信する。このように構成したことにより、無駄な電力消費を抑えられる。

電流検知回路２３は、給電コイルＬ１に流れる電流を検知し、検知信号を制御回路２２に送信するように構成されている。

受電装置２は、切り替え可能な２つの共振周波数を有する受電コイルＬ２、抵抗２ａ、２ｂ、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂ等からなる受電部と、充電部３２、電圧・電流検知回路３３、制御回路３４とからなる。また、充電部３２は、整流回路３２１、電圧安定化回路３２２及び充電回路３２３からなる。

受電コイルＬ２はソレノイドコイルからなり、二次電池４２への充電中はトランジスタ等からなるスイッチＳはＯＦＦ状態となっており、抵抗Ｒ２ａ及びコンデンサＣ２ａは受電コイルＬ２と電気的に直列接続されている。そして、この状態からなる受電部、すなわち、受電コイルＬ２、抵抗Ｒ２ａ、コンデンサＣ２ａからなる受電部における共振周波数ｆ２は上記共振周波数ｆ１と一致するように予め設定されている。

整流回路３２１は、受電部から供給された送電電力（交流電力）を整流し、直流電力を生成する回路である。

電圧安定化回路３２２は、整流回路３２１から供給される直流電力に基づいて、所定の電圧安定化動作を行う回路である。具体的には、送電電力に基づいて得られる入力電圧の安定化を行い、安定化後の出力電圧を充電回路３２３へ供給する。

充電回路３２３は、電圧安定化回路３２２から供給される電圧安定化後の直流電力に基づいて、二次電池（スマートフォン４のバッテリー）への充電を行うための回路である。

電圧・電流検知回路３３は、スマートフォン４において二次電池４２の充電状態を検知している充電検知部４３と通信可能に構成されており、充電検知部４３を介して二次電池４２の充電状態を電圧値・電流値等から検知するように構成されている。また、電圧・電流検知回路３３は、該検知した電圧値・電流値等からなる検知信号を制御回路３４に送信するように構成されている。

制御回路３４は、受電装置２全体の種々の制御動作を行うものであるが、特に、本実施形態においては電圧・電流検知回路３３からの検知信号に基づいて受電部の共振周波数を切り替えるように構成されている。具体的には、充電検知部４３、電圧・電流検知回路３３を介して二次電池４２の充電が完了したことを検知すると、制御回路３４はスイッチＳをＯＮする。すると、抵抗Ｒ２ｂ及びＣ２ｂが導通し共振周波数が切り替わる。その結果、給電装置１と受電装置２との磁気共鳴は停止されて、充電部３２から二次電池４２への給電が停止される。このように構成したことにより、二次電池４２への過充電を防止することができる。

１ 磁気共鳴式給電システム
２ 給電装置
２１ 電源回路
２２ 制御回路
２３ 電流検知回路
３ 受電装置
３１ マイクロＵＳＢコネクタ
３２ 充電部
３２１ 整流回路
３２２ 電圧安定化回路
３２３ 充電回路
３３ 電圧・電流検知回路
３４ 制御回路
４ スマートフォン
４１ 充電ポート
４２ 二次電池
４３ 充電検知部
Ｌ１ 給電コイル
Ｌ２ 受電コイル
Ｃ１，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂ コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ 抵抗

Claims (4)

1. 磁気共鳴によって給電装置の給電コイルから受電装置の受電コイルに非接触で給電を行う磁気共鳴式給電システムであって、
   受電コイルはソレノイドコイルからなり、
   給電装置は、給電コイルに交流電力を供給するＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を使用した共振型スイッチング電源回路を備えていること
   を特徴とする磁気共鳴式給電システム。
2. 受電装置は、充電対象機器と接続するためのコネクタを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴式給電システム。
3. 受電装置は、共振周波数を切り替え可能なスイッチと、充電対象機器が備える充電検知部と通信可能な電圧・電流検知回路と、充電完了検知信号を充電検知部から電圧・電流検知回路が受信するとスイッチを切り替えて共振周波数を変更する制御回路とを有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の磁気共鳴式給電システム。
4. 給電装置は、給電コイルに流れる電流を検知する電流検知回路を有しており、給電装置は、共振周波数が変更されると電流検知回路によって給電コイルに流れる電流の変化を検知し受電装置への給電を停止するようにすることを特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴式給電システム。