JP5696681B2 - 電力伝送システム並びにその送電装置及び受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力伝送システム並びにその送電装置及び受電装置に関する。

従来から非接触給電方式として、電磁誘導方式、電波受信方式、電界結合方式及び磁界共鳴方式等が知られている。これらの方式の内、磁界共鳴方式とは、送電装置側と受電装置側に、コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を設け、両回路間で磁界を共鳴させてワイヤレスで電力を伝送する技術である（下記特許文献１参照）。
この磁界共鳴方式は、広く実用化されている電磁誘導方式と比べて、弱い磁界で高効率且つ長距離の電力伝送を実現できるという特徴があり、携帯端末や電気自動車等の充電に利用可能な次世代のワイヤレス電力伝送技術として注目されている。

特開２０１１−１４７２７１号公報

非接触給電方式（特に磁界共鳴方式）の電力伝送システムは、交流電源から供給される交流電力をアンプにて増幅した後、送電側共鳴コイルによって無線送電する送電装置と、受電側共鳴コイルによって受電した交流電力を整流器によって直流電力に変換し、さらに直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）によって所望の直流電力（例えばバッテリの充電用電力）に変換する受電装置とから構成される。なお、受電装置側において、整流器と直流変換器とが一体的に組み込まれて充電器（ＡＣ／ＤＣ変換器）を構成している場合もある。

送電装置から受電装置への電力伝送開始時において、インピーダンスのマッチングがとれていない状態（直流変換器が動作していない状態）で、送電装置側のアンプ出力電圧を上げると、受電装置側の整流器出力電圧は、ＬＣ共振回路のＱ値の影響を受けてアンプ出力電圧より高くなる。そのような高電圧が比較的急に（数秒以下）、整流器後段の直流変換器に印加されるため、直流変換器の耐圧を越えて破損する可能性がある。

また、直流変換器を制御するマイコン等の制御装置の電源（制御電源）が入っていない状態、或いは制御装置のスタートアップが不安定な状態で、直流変換器に高電圧が印加されることになり、直流変換器の暴走などの予期せぬトラブルが発生する可能性がある。このような直流変換器の暴走を回避するためには、制御電源供給用のバッテリやコンデンサ等の蓄電デバイスを別に用意する必要があり、コストの上昇を招く要因となる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、蓄電デバイスを別に用意することなく、受電装置側の整流器後段に設けられた直流変換器の破損を防止することの可能な電力伝送システム並びにその送電装置及び受電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、本発明では、電力伝送システムに係る第１の解決手段として、供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換して伝送路を介して送電する送電装置と、前記伝送路を介して前記交流電力を受電する受電装置とを備えた電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、前記供給される交流電力或いは直流電力の交流変換を行う交流変換器と、前記交流変換器から得られる交流電力を磁界共鳴方式により無線送電するための送電側共鳴コイルと、前記交流変換器を制御する送電側制御装置と、を備え、前記受電装置は、前記送電側共鳴コイルから前記交流電力を無線受電するための受電側共鳴コイルと、前記受電側共鳴コイルにて受電した前記交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記整流器から出力される直流電力の直流変換を行う直流変換器と、前記直流変換器を制御する受電側制御装置と、前記整流器の出力電圧から制御電源電圧を生成して前記受電側制御装置へ出力する電源回路と、を備え、前記受電側制御装置は、前記制御電源電圧が入力されて起動した後、前記整流器の出力電圧を測定してその測定結果を前記送電側制御装置へ送信し、前記送電側制御装置は、前記交流電力の伝送開始時点から前記整流器の出力電圧の測定結果を受信するまでの期間、前記整流器の出力電圧が徐々に上昇するように前記交流変換器を制御し、前記測定結果を受信した後、当該測定結果に基づいて前記整流器の出力電圧が前記直流変換器の入力電圧として適した値となるように前記交流変換器を制御する、という手段を採用する。

また、本発明では、電力伝送システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記受電側制御装置は、前記整流器の出力電圧が前記直流変換器の入力電圧として適した値となった場合に前記直流変換器の制御を開始する、という手段を採用する。

本発明によれば、電力伝送開始時において、インピーダンスのマッチングがとれていない状態（電力変換器が動作していない状態）では、整流器の出力電圧を徐々に上昇させることにより、電力変換器の破損を防止することができる。また、受電側制御装置が確実に起動してから、整流器の出力電圧を直流変換器の入力電圧として適した値とすることにより、直流変換器の暴走などの予期せぬトラブルを防ぐことができる。さらに、この直流変換器の暴走を防ぐための蓄電デバイスを別に用意する必要はなく、コストの上昇も抑制できる。

本実施形態に係る電力伝送システムＡの概略構成図である。 整流器２２の出力電圧Ｖｒ（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧）と、制御電源電圧Ｖｃ（レギュレータ２３ｃの出力電圧）と、受電側制御装置２３ｄの動作状態との時間的な対応関係を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る電力伝送システムＡの概略構成図である。この図に示すように、本実施形態に係る電力伝送システムＡは、例えば駐車場等の所定位置に設置された充電設備１００から電気自動車２００へ充電用電力（交流電力）を空間伝送路３００を介して無線伝送する非接触給電方式の電力伝送システムであり、充電設備１００側に搭載された送電装置１０と、電気自動車２００側に搭載された受電装置２０とから構成されている。

送電装置１０は、同じく充電設備１００側に設けられた交流電源３０（例えば単相２００Ｖ、周波数５０或いは６０Ｈｚの商用電源）から供給される交流電力を空間伝送路３００を介して無線送電するものであり、アンプ１１及び送電側共鳴コイル１２を備えている。

アンプ１１は、交流電源３０から供給される交流電力の交流／交流変換を行い、これによって得られた交流電力を送電側共鳴コイル１２へ出力する交流変換器である。詳細には、このアンプ１１は、交流電源３０から供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路１１ａと、この整流回路１１ａから出力される直流電力を所定電圧及び所定周波数を有する交流電力に変換して送電側共鳴コイル１２へ出力するインバータ１１ｂと、このインバータ１１ｂを構成するＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御する送電側制御装置１１ｃを備えている。

送電側制御装置１１ｃは、上記インバータ１１ｂを構成するスイッチング素子をＰＷＭ制御する（つまり、スイッチング素子のデューティ比を制御する）ことで、上記インバータ１１ｂから出力される交流電力の電圧及び周波数を制御する。また、この送電側制御装置１１ｃは、アンテナ１１ｄを介して、Bluetooth（登録商標）等の近距離無線通信規格を用いて後述の受電側制御装置２３ｄと無線通信を行う機能を有している。

送電側共鳴コイル１２は、アンプ１１から入力される交流電力を空間伝送路３００を介して磁界共鳴方式により無線送電するための螺旋状に巻かれたヘリカルコイルである。この送電側共鳴コイル１２は、不図示のコンデンサとともにＬＣ共振回路を構成している。なお、ＬＣ共振回路を構成するためのコンデンサとして、ヘリカルコイルの寄生容量を利用しても良いし、或いはコンデンサ素子を別に設けても良い。

受電装置２０は、空間伝送路２００を介して送電装置１０から無線送電された交流電力を無線受電し、その受電した交流電力を充電用の直流電力に変換して電気自動車２００側に搭載された例えばリチウムイオン電池等のバッテリ４０へ供給するものであり、受電側共鳴コイル２１、整流器２２及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３を備えている。

受電側共鳴コイル２１は、空間伝送路３００を介して送電側共鳴コイル１２から交流電力を無線受電するための螺旋状に巻かれたヘリカルコイルである。この受電側共鳴コイル２１も、不図示のコンデンサとともにＬＣ共振回路を構成している。送電装置１０と受電装置２０の両方のＬＣ共振回路が等しくなるように回路定数を設定すれば、送電側共鳴コイル１２と受電側共鳴コイル２１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

磁界共鳴が発生すると、アンプ１１から出力される交流電力は送電側共鳴コイル１２によって磁気エネルギーに変換されて無線送電され、その磁気エネルギーは受電側共鳴コイル２１によって交流電力に再変換される。受電側共鳴コイル２１から得られた交流電力は、後段に設けられた整流器２２へ出力される。整流器２２は、受電側共鳴コイル２１から入力される交流電力を整流して直流電力に変換し、その得られた直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２３へ出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、整流器２２から入力される直流電力の直流／直流変換を行い、得られた直流電力を充電用直流電力としてバッテリ４０へ出力する。詳細には、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、整流器２２から入力される直流電力をＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子のオンオフ動作によって降圧する降圧スイッチング回路２３ａと、上記スイッチング素子をオンオフさせるためのゲート信号を生成するゲート駆動回路２３ｂと、整流器２２の出力電圧Ｖｒから制御電源電圧Ｖｃを生成して受電側制御装置２３ｄへ出力するレギュレータ（電源回路）２３ｃと、ゲート駆動回路２３ｂを介して降圧スイッチング回路２３ａのスイッチング素子をＰＷＭ制御する受電側制御装置２３ｄとを備えている。

この受電側制御装置２３ｄは、アンテナ２３ｅを備えており、Bluetooth等の近距離無線通信規格を用いて上記の送電側制御装置１１ｃと無線通信を行う機能を有している。受電側制御装置２３ｄは、レギュレータ２３ｃから制御電源電圧Ｖｃが入力されて起動した後、整流器２２の出力電圧Ｖｒを測定してその測定結果を送電側制御装置１１ｃへ送信する。一方、送電側制御装置１１ｃは、交流電力の伝送開始時点から整流器２２の出力電圧Ｖｒの測定結果を受信するまでの期間、整流器２２の出力電圧が徐々に上昇するようにアンプ１１（インバータ１１ｂ）を制御し、前記測定結果を受信した後、当該測定結果に基づいて整流器２２の出力電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧として適した値となるようにアンプ１１を制御する。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る電力伝送システムＡの動作について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、整流器２２の出力電圧Ｖｒ（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧）と、制御電源電圧Ｖｃ（レギュレータ２３ｃの出力電圧）と、受電側制御装置２３ｄの動作状態との時間的な対応関係を示すタイミングチャートである。

まず、充電設備１００の設置位置の近くに電気自動車２００が停車すると、送電装置１０の送電側制御装置１１ｃは、図２に示す交流電力の伝送開始時点ｔ１から、整流器２２の出力電圧Ｖｒが徐々に上昇するようにアンプ１１のＰＷＭ制御を開始する。これにより、送電装置１０側において、送電側制御装置１１ｃによるＰＷＭ制御に応じた交流電力がアンプ１１から送電側共鳴コイル１２に出力され、送電側共鳴コイル１２と受電側共鳴コイル２１との間で磁界共鳴が発生する。

磁界共鳴が発生すると、アンプ１１から出力された交流電力は送電側共鳴コイル１２から受電側共鳴コイル２１へ伝送（無線送電）される。そして、受電装置２０側において、受電側共鳴コイル２１にて受電された交流電力は、整流器２２によって直流電力に変換されてＤＣ／ＤＣコンバータ２３へ入力される。ここで、図２に示すように、整流器２２の出力電圧Ｖｒは、伝送開始時点ｔ１から時間経過に伴って徐々に上昇する。

なお、図２において、伝送開始時点ｔ１から整流器２２の出力電圧Ｖｒがレギュレータ２３ｃの動作可能電圧Ｖｒ１まで上昇する時刻ｔ２までの期間、レギュレータ２３から出力される制御電源電圧Ｖｃは０Ｖ（グランドレベル）となり、受電側制御装置２３ｄは動作停止状態となっている。そして、整流器２２の出力電圧Ｖｒが、時刻ｔ２にレギュレータ２３ｃの動作可能電圧Ｖｒ１まで上昇すると、この時刻ｔ２にレギュレータ２３が動作を開始し、制御電源電圧Ｖｃが受電側制御装置２３ｄの電源電圧として必要な５Ｖまで立ち上がる。

時刻ｔ２に５Ｖの制御電源電圧Ｖｃがレギュレータ２３から受電側制御装置２３ｄに出力されると、受電側制御装置２３ｄは動作停止状態から起動し、時刻ｔ２以降、一定の制御周期で、整流器２２の出力電圧Ｖｒを測定してその測定結果を送電側制御装置１１ｃへ送信する。一方、送電側制御装置１１ｃは、受電側制御装置２３ｄから整流器２２の出力電圧Ｖｒの測定結果を受信すると、その測定結果に基づいて整流器２２の出力電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧として適した値（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作可能電圧Ｖｒ２）となるようにアンプ１１をＰＷＭ制御する。

これにより、図２に示すように、整流器２２の出力電圧Ｖｒは、時刻ｔ２からＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作可能電圧Ｖｒ２に向かって上昇する。そして、時刻ｔ３に整流器２２の出力電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作可能電圧Ｖｒ２に到達すると、受電側制御装置２３ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の制御、つまりバッテリ４０の充電制御を行うと共に、送電側制御装置１１ｃに対して整流器２２の出力電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作可能電圧Ｖｒ２に到達した旨を送信する。送電側制御装置１１ｃは、この通知を受信すると、整流器２２の出力電圧ＶｒがＶｒ２一定となるようにアンプ１１をＰＷＭ制御する。

以上のように、本実施形態によれば、電力伝送開始時において、インピーダンスのマッチングがとれていない状態（ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が動作していない状態）では、整流器２２の出力電圧Ｖｒを徐々に上昇させることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を含めたシステム全体の装置、部品などの破損を防止することができる。また、受電側制御装置２３ｄが確実に起動してから、整流器２２の出力電圧ＶｒをＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作可能電圧Ｖｒ２まで上昇させることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の暴走などの予期せぬトラブルを防ぐことができる。さらに、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３の暴走を防ぐための蓄電デバイスを別に用意する必要はなく、コストの上昇も抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
例えば、上記実施形態では、充電設備１００から電気自動車２００へ充電用電力（交流電力）を空間伝送路３００を介して無線伝送する非接触給電方式の電力伝送システムＡを例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、携帯端末に対し非接触給電方式で電力伝送して、携帯端末のバッテリを充電するような電力伝送システムにも本発明を適用することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に限らず、その他の２次側装置にも適用可能である。また、アンプ１１には必要に応じてＰＦＣを設けても良い。
また、上記実施形態では、充電設備１００側に設けられた電源が交流電源３０である場合を例示したが、この電源が直流電源である場合、つまり電源から送電装置１０に直流電力が供給される場合には、アンプ１１から整流回路１１ａを削除すれば良い。また、電源以外から交流電力或いは直流電力が供給されるシステム構成としても良い。

Ａ…電力伝送システム、１０…送電装置、１１…アンプ（交流変換器）、１１ｃ…送電側制御装置、１２…送電側共鳴コイル、２０…受電装置、２１…受電側共鳴コイル、２２…整流器、２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流変換器）、２３ｃ…レギュレータ（電源回路）、２３ｄ…受電側制御装置、３０…交流電源、４０…バッテリ、１００…充電設備、２００…電気自動車、３００…空間伝送路

Claims (10)

1. 供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換して伝送路を介して送電する送電装置と、前記伝送路を介して前記交流電力を受電する受電装置とを備えた電力伝送システムにおいて、
   前記送電装置は、
   前記供給される交流電力或いは直流電力の交流変換を行う交流変換器と、
   前記交流変換器から得られる交流電力を磁界共鳴方式により無線送電するための送電側共鳴コイルと、
   前記交流変換器を制御する送電側制御装置と、を備え、
   前記受電装置は、
   前記送電側共鳴コイルから前記交流電力を無線受電するための受電側共鳴コイルと、
   前記受電側共鳴コイルにて受電した前記交流電力を直流電力に変換する整流器と、
   前記整流器から出力される直流電力の直流変換を行う直流変換器と、
   前記直流変換器を制御する受電側制御装置と、
   前記整流器の出力電圧から制御電源電圧を生成して前記受電側制御装置へ出力する電源回路と、を備え、
   前記受電側制御装置は、前記制御電源電圧が入力されて起動した後、前記整流器の出力電圧を測定してその測定結果を前記送電側制御装置へ送信し、
   前記送電側制御装置は、前記交流電力の伝送開始時点から前記整流器の出力電圧の測定結果を受信するまでの期間、前記整流器の出力電圧が、前記直流変換器の入力電圧として適した値を超えることなく徐々に上昇するように前記交流変換器を制御し、前記測定結果を受信した後、当該測定結果に基づいて前記整流器の出力電圧が前記適した値となるように前記交流変換器を制御することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記受電側制御装置は、前記整流器の出力電圧が前記直流変換器の入力電圧として適した値となった場合に、前記直流変換器の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 電源に接続されるべき交流変換器と、
   前記交流変換器に接続され、前記交流変換器から入力される交流電力を受電装置に向かって非接触方式で伝送する共鳴コイルと、
   を有し、
   前記交流変換器は、第１の時刻から第２の時刻までにおいては、前記受電装置に設けられた整流器の出力電圧を第１の電圧まで増加させ、前記第２の時刻より後から第３の時刻においては、前記受電装置から受け取る前記出力電圧の測定結果に基づき前記出力電圧を前記第１の電圧から第２の電圧まで増加させ、前記第３の時刻より後においては、前記出力電圧が前記第２の電圧であるよう前記出力電圧を制御する、電力伝送システムの送電装置。
4. 前記交流変換器は、前記受電装置から前記出力電圧が前記第２の電圧に到達した旨を示す信号を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システムの送電装置。
5. 前記整流器の前記出力電圧は、前記受電装置に設けられ、前記受電装置の制御装置に電圧を出力するレギュレータに入力され、
   前記第１の電圧は、前記レギュレータが動作可能となる電圧であることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システムの送電装置。
6. 前記整流器の前記出力電圧は、前記受電装置に設けられた直流変換器に入力され、
   前記第２の電圧は、前記直流変換器が動作可能となる電圧であることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システムの送電装置。
7. 送電装置から非接触方式で伝送された交流電力を受信する共鳴コイルと、
   前記共鳴コイルと接続され、前記交流電力を直流電力に変換する整流器と、
   前記整流器及びバッテリに接続されると共に、前記整流器の出力電圧が第１の電圧まで増加した後に電源電圧を出力するレギュレータ、前記電源電圧が入力され、前記出力電圧の測定結果を前記送電装置に送信し、さらに前記出力電圧が前記第１の電圧から第２の電圧まで増加した際に前記出力電圧が前記第２の電圧に到達した旨を前記送電装置に送信する制御装置、を含む直流変換器と、
   を有する電力伝送システムの受電装置。
8. 前記第１の電圧は、前記レギュレータが動作可能となる電圧であることを特徴とする請求項７に記載の電力伝送システムの受電装置。
9. 前記第２の電圧は、前記直流変換器が動作可能となる電圧であることを特徴とする請求項７に記載の電力伝送システムの受電装置。
10. 前記直流変換器は、前記バッテリと接続されるべき降圧スイッチング回路、前記降圧スイッチング回路及び前記制御装置と接続されたゲート駆動回路、をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の電力伝送システムの受電装置。

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