JP6160880B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents
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Description
本開示は、送電装置から空間を介して電力エネルギーを供給される送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置に関する。
近年、携帯電話のバッテリーなどの充電手段として、無線電力伝送技術の活用が検討されている。このような無線電力伝送装置においては、送電装置と受電装置の共振コイルを対向させることにより電力を伝送させる技術が知られており、この種の無線電力伝送装置として、例えば特許文献1で知られている。
特許文献1によると、送電電力が規定電力値W1a未満の状態で受電装置の整合部に対して受信アンテナと整流部とをインピーダンス整合させる整合調整が行われ、この後に規定電力値W1aの送電電力を受電する受電装置であって、整合調整時にバッテリーに代えて受電装置の整合部の後段側の規定位置に接続されて、規定位置からバッテリー側を見たときのインピーダンスを、規定電力値W1aの送電電力の受電状態で整流部がバッテリーに直流電圧Voを供給しているときに規定位置からバッテリー側を見たときのインピーダンスに一致させる調整用負荷を有することで、伝送効率の低下を防ぐ。
しかしながら、上述した従来の無線電力伝送装置においては、異なるインピーダンスを有したバッテリーに対して使用する場合には、異なるインピーダンスの調整用負荷を用意する必要があるので、コストアップになるという課題があった。また、送電装置の電力や電圧の変動が発生した場合、バッテリーに与えられる出力電圧が異常な値となるなどの過渡現象が発生してバッテリーが破損してしまうという課題があった。
さらに、バッテリーのインピーダンス変動が大きい場合、受電装置の出力電圧の変化も大きくなるため、電力伝送開始時のバッテリーのインピーダンスが分からない場合は、バッテリーに接続したときの出力電圧の変化が大きくなり、バッテリーに対して安定した電圧にて電力を供給できない課題があった。
本開示の目的は以上の課題を解決し、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止し、かつ、安定した電圧を負荷に供給することができる送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置を提供することにある。
第1の開示に係る送電装置は、
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の送電装置であって、
前記送電装置共振コイルの両端間電圧の電圧変化に基づく制御信号を発生して送信する制御信号検出部と、
前記制御信号に基づいて、前記送電装置共振コイルを共振させるスイッチング回路とを備えた。
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の送電装置であって、
前記送電装置共振コイルの両端間電圧の電圧変化に基づく制御信号を発生して送信する制御信号検出部と、
前記制御信号に基づいて、前記送電装置共振コイルを共振させるスイッチング回路とを備えた。
また、第2の開示に係る受電装置は、
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の受電装置であって、
前記受電装置共振コイルから受電された所定の交流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する整流回路と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続する第1のスイッチング手段と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続し、前記所定の直流電圧が前記所定の電圧範囲外にある場合は前記整流回路と実負荷とを遮断するスイッチング手段とを備えた。
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の受電装置であって、
前記受電装置共振コイルから受電された所定の交流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する整流回路と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続する第1のスイッチング手段と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続し、前記所定の直流電圧が前記所定の電圧範囲外にある場合は前記整流回路と実負荷とを遮断するスイッチング手段とを備えた。
本開示に係る送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置によれば、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止することができ、かつ、安定した電圧を負荷に供給することが可能となる。
以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。さらに、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。
第1の実施形態.
図1は、本開示の第1の実施形態に係る無線電力伝送装置100及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図1において、無線電力伝送装置100は、送電装置1と、受電装置2に接続された実負荷31に対して電力を供給する受電装置2とを備えて構成される。また、送電装置1は、例えばAC/DCコンバータなどで構成された入力電源11と、例えばFET(電界効果トランジスタ)などで構成されたスイッチング回路12と、送電側制御部13と、例えば放電回路を含んだピークホールド回路とコンパレータ回路で構成されたパケット信号検出部14と、共振回路80とを備えて構成される。また、共振回路80は、送電装置共振コンデンサ15と、送電装置共振コイル16とを備えて構成される。
図1は、本開示の第1の実施形態に係る無線電力伝送装置100及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図1において、無線電力伝送装置100は、送電装置1と、受電装置2に接続された実負荷31に対して電力を供給する受電装置2とを備えて構成される。また、送電装置1は、例えばAC/DCコンバータなどで構成された入力電源11と、例えばFET(電界効果トランジスタ)などで構成されたスイッチング回路12と、送電側制御部13と、例えば放電回路を含んだピークホールド回路とコンパレータ回路で構成されたパケット信号検出部14と、共振回路80とを備えて構成される。また、共振回路80は、送電装置共振コンデンサ15と、送電装置共振コイル16とを備えて構成される。
図1において、受電装置2は、共振回路90と、受電側制御部22と、例えばダイオードとコンデンサとから構成され、受電装置共振コイル29から受電された電力を整流及び平滑化する整流回路23と、当該整流回路23の後段に接続され、整流回路から出力される直流電圧の電圧値を調整する例えば抵抗などの電圧調整負荷25と、電圧及び電流検出回路24と、受電装置2と実負荷31とを接続する実負荷接続スイッチ26とを備えて構成される。また、共振回路90は、インピーダンス変換回路21と、受電装置共振コイル29と、受電装置共振コイル29と直列接続した受電装置共振コンデンサ28とを備えて構成される。ここで、送電装置1から受電装置2へ電磁誘導によって送電装置1と受電装置2とが非接触で電力を伝送し、受電装置2に接続された実負荷31に対して電力を供給する構成となっている。本開示の送電装置1によれば、あらかじめ設定した電圧で受電装置2に接続された実負荷31である機器に電力供給できるだけでなく、無線電力伝送特有の過渡現象、例えば、起動時や入力電力の変動などによる過渡現象が完了した後、受電装置2に接続された機器に電力を供給することができるため、当該機器の安全性を更に高めることができる。
図2は、図1のインピーダンス変換回路21の具体的な構成要素を示すブロック図である。インピーダンス変換回路21は、スイッチ41、42とコンデンサ43とを備えて構成される。
図1の送電装置1において、入力電源11は、例えば100Vなどの交流電圧を任意の電圧の直流電圧V1に変換し、直流電圧V1をスイッチング回路12に出力する。また、送電側制御部13はある周波数成分を有するスイッチングタイミング信号S1を発生してスイッチング回路12に出力する。さらに、スイッチング回路12は、送電側制御部13から入力されるスイッチングタイミング信号S1に基づいて、入力される直流電圧V1をスイッチングタイミング信号S1のデューティ比でオン/オフを切り替えることによって交流電圧V2に変換し、当該交流電圧V2を送電装置共振コンデサ15及び送電装置共振コイル16に出力する。なお、スイッチングタイミング信号S1の周波数、及びデューティ比は送電制御部13により任意に変更することができる。
送電装置共振コイル16は、受電装置共振コイル29と対向して位置し、受電装置2の受電装置共振コイル29と電磁的に結合し、電磁誘導によって受電装置共振コイル29に交流電圧V3を伝送する。また、整流回路23は、交流電圧V3の電圧値を直流電圧V4に変換し、変換された直流電圧V4を電圧調整負荷25及び実負荷31に供給する。なお、整流回路23は、例えばAC/DCコンバータに置き換えることも可能である。
電圧及び電流検出回路24は、整流回路23から直流電圧V4を入力し、当該直流電圧V4の電圧値V41及び電流値I41を検出し、当該電圧値V41及び電流値I41を受電側制御部22に送信する。
受電側制御部22は、電圧及び電流検出回路24から入力された電圧値V41もしくは電流値I41に基づいて、当該電圧値V41が実負荷31の許容できる電圧範囲内にあれば実負荷接続スイッチ26をオンすると同時にインピーダンス変換回路21を構成するスイッチ41及びスイッチ42を同時にオフし、当該電圧値V41が実負荷31の許容できる電圧範囲外にあれば実負荷接続スイッチ26をオフすると同時にインピーダンス変換回路21を構成するスイッチ41及びスイッチ42を同時にオンする。すなわち、実負荷接続スイッチ26は、所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に整流回路23と実負荷31とを接続し、所定の直流電圧が所定の電圧範囲外にある場合は整流回路23と実負荷31とを遮断するスイッチング手段である。
インピーダンス変換回路21は、共振回路90のインピーダンスを変更する。詳細には、図2において、スイッチ41及びスイッチ42を同時にオンしコンデンサ43を受電装置共振コンデンサ28と受電装置共振コイル29とに接続させることによって共振回路90のインピーダンスを変更する。すなわち、インピーダンス変換回路21を構成するコンデンサ43と、受電装置共振コイル29と受電装置共振コンデンサ28とが直列接続されることによって、送電装置共振コイル16の両端間電圧を変化させ、この変化に基づいてパケット信号P1を発生させる。つまり、インピーダンス変換回路21のスイッチ41、42のオン/オフを繰り返すことで送電装置共振コイル16の電圧変動が繰り返されて、その変動がパケット信号P1として送電装置1に伝送される。なお、図2で示した回路はインピーダンス変換回路21の一例であり、その他にも例えば抵抗やコイルなどを使用する様々な回路で構成することができる。
パケット信号検出部14は、受電装置共振コイル29と電磁的に結合された送電装置共振コイル16の両端間電圧の変化にともなう送電装置共振コイル16の両端間電圧の変化を検出することによって、パケット信号P1を復調して、当該パケット信号P1を送電側制御部13に送信する。すなわち、パケット信号検出部14は、送電装置共振コイルの両端間電圧の電圧変化に基づいて制御信号を発生して送信する制御信号検出部である。
送電側制御部13は、パケット信号検出部14からパケット信号P1を受信して、当該パケット信号P1に基づいて電圧調整負荷25に発生する電圧値V41を取得し、当該電圧値V41からスイッチング回路12を制御するスイッチング信号S1を生成し、当該スイッチング信号S1をスイッチング回路12に出力する。すなわち、送電側制御部13は、パケット信号検出部14から制御信号を受信して、所定の周波数成分を有するスイッチングタイミング信号S1を発生してスイッチング回路12のスイッチング周波数を制御する。ここで、送電側制御部13は、例えば受電装置2の直流電圧V4とスイッチング回路12のスイッチング周波数とからなるテーブルを有し、当該テーブルに基づいて、パケット信号P1から取得された電圧値V41が実負荷31の許容できる電圧範囲内に含まれるようにスイッチング周波数を変更し、当該変更されたスイッチング周波数に基づいて、スイッチング回路12のスイッチング動作を制御する。
次に、本開示の第1の実施形態に係る無線電力伝送装置100の動作について、図3を参照して説明する。
図3は、図1の無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、入力電源11が起動してから実負荷31に電力が供給されるまでの処理フローを示すものである。
図3において、まず、送電装置1の起動前には、必ず実負荷接続スイッチ26はオフとする(ステップS10)。例えば実負荷接続スイッチ26として、FETやホトカプラなどの半導体素子やメカニカルリレーなどを適用することができる。
次に、送電側制御部13において所定の周波数を有するスイッチングタイミング信号S1を発生させ、スイッチング回路12を動作させる(ステップS11)。スイッチング回路12のオン/オフを切り替えることで入力電源11から供給される直流電圧V1から交流電圧V2が生成され、交流電圧V2は送電装置共振コンデンサ15と送電装置共振コイル16とに出力される。送電装置共振コイル16は受電装置2の受電装置共振コイル29と電磁的に結合し、電磁誘導によって受電装置共振コイル29に交流電圧V3が伝送され、交流電圧V3は整流回路23により直流電圧V4に変換される。ここで、変換された直流電圧V4の値は電圧調整負荷25に発生する電圧の値と等しい。このときゲートに与えるスイッチングタイミング信号S1の周波数を変更することでスイッチング回路12のオン/オフのタイミングを変更することによって、オン/オフのタイミングを変更し、受電装置2の交流電圧V3、直流電圧V4の電圧値を調整する。
次に、電圧及び電流検出回路24により電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41を検出する(ステップS12)。検出された電圧値V41は受電側制御部24に送信される。ここで、本実施形態で使用される電圧調整負荷25のインピーダンスは、実負荷31のインピーダンスに一致させる必要は無い。実負荷31としてモバイル端末等を想定し、モバイル端末等へ給電する場合は、モバイル端末の消費電力が大きければモバイル端末のインピーンダスは数Ωとなる。仮に、直流電圧V4の電圧値V41を12V、モバイル端末のインピーダンスを3Ωとし、電圧調整負荷25のインピーダンスをモバイル端末に合わせて3Ωとした場合、電圧調整負荷25の消費電力は48Wとなるが、48Wの消費電力に耐えうる電圧調整負荷25を実装することは現実的ではない。従って、本実施形態では、例えば電圧調整負荷25のインピーダンスを300Ωとする。これによって、電圧調整負荷25の消費電力を0.48Wとすることができ、容易に実現可能となる。なお、本実施形態では直流電圧V4の電圧値V41を直接受電側制御部22に送信することを想定しているが、これ以外の方法として、例えば電圧及び電流検出回路24に備えたADコンバータなどにより電圧値V41をディジタルデータなどに変換し、本ディジタルデータを受電側制御部22に送信する方法などによっても実現することが可能となる。
次に、直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内でなければ、受電側制御部24により実負荷接続スイッチ26はオフの状態を継続し、受電装置共振コイル29でパケット信号P1を生成する(ステップS13のNOとステップS14)。本パケット信号P1には、電圧値V41に関する情報が含まれるが、それ以外にも他の制御に使用される情報を含むことも可能である。ここで、規程電圧範囲とは実負荷31の許容できる電圧範囲のことで、例えば実負荷31の入力電圧範囲が12V±10%の場合は、10.8Vから13.2Vが規程電圧範囲となる。
次に、受電側制御部22は、電圧及び電流検出回路24から入力された電圧値V41に基づいて、インピーダンス変換回路21を動作させる(ステップS15)。次に、送電装置1のパケット信号検出部14にてパケット信号P1を復調する(ステップS16)。パケット信号P1を復調するまでの処理は、例えば次のとおりである。送電装置1において、受電装置2のインピーダンス変換回路21が動作すると、例えば送電装置共振コイル16の交流電圧V2が変化する。ここで、パケット信号検出部14は、送電装置共振コイル16の両端間電圧の変化を検出すると、パケット信号P1を復調し、当該パケット信号P1を送電側制御部13に送信する。また、パケット信号検出部は、例えば放電回路を含んだピークホールド回路とコンパレータ回路で構成され、交流電圧V2のピーク値をホールド、放電することで検出し、当該ピーク値をコンパレータで比較することによってパケット信号P1を復調することができる。なお、パケット信号検出部14の位置は、図1における送電装置共振コイル16のみならず、受電装置2のインピーダンス変換回路21が動作することによる送電装置1の送電装置共振コイル16から見た受電装置2のインピーダンス変動を検出できる位置であればよい。また、直流電圧及び電流の変化に基づいてパケット信号P1を復調する場合には、前記ピークホールド回路を削除することができる。
次に、送電装置1の送電側制御部13においてパケット信号P1に含まれる電圧調整負荷31の直流電圧V4の電圧値V41の値を取り込む(ステップS17)。次に、送電側制御部13にパケット信号P1の情報に含まれる直流電圧V4の電圧値V41及び電流値I41が送信されると、各々の値に基づいて、スイッチング回路12を制御する(ステップS18)。ここで、スイッチング回路12は、FETのゲートに送電側制御部13から出力されるスイッチングタイミング信号S1が与えられ、FETのゲート容量が充電されるとFETはオンとなりFETのゲート容量が放電されるとFETはオフとなる。このときゲートに与えるスイッチングタイミング信号S1の周波数を変更することでスイッチング回路12のオン/オフのタイミングを変更することができ、オン/オフのタイミングを変更することで、例えば受電装置2の交流電圧V3、直流電圧V4を調整することができる。
ステップS18においてスイッチング周波数が変更されることで、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が変化する。このときの電圧値V41が規程電圧範囲内でなければ、再びステップS14からステップS18の処理を繰り返すことになる。
次に、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内であるとき(ステップS13のYES)の処理について説明する。
電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内であれば(ステップS13のYES)、受電装置2の受電側制御部22により実負荷接続スイッチ26をオンにする制御信号が出力される。
実負荷接続スイッチ26がオフからオンとなると、実負荷31に出力電圧VOUTが供給される(ステップS20)。このとき、直流電圧V4が規程電圧範囲内であることから、出力電圧VOUTは実負荷31に対して安定した電源として供給される。更には、直流電圧V4が規程電圧範囲内になるまで実負荷接続スイッチ26はオフ状態を継続することによって、実負荷31に対して、送電装置1が起動し始めるときの入力電源11の電力変動及びスイッチング回路12の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響を受けることを防止することができる。ここで、入力電源11の電力変動に基づく出力電圧VOUTの過渡応答特性をシミュレーションにより以下に検証を行った。
図5は、入力電源11の電力変動に基づく過渡応答特性をシミュレーションにより検証する時に用いた無線電力伝送装置100A及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図5の無線電力伝送装置100Aは、図1の無線電力伝送装置100に比較して、共振回路90の代わりに共振回路90Aを備えて構成される。また、共振回路90Aは、共振回路90と比較して、受電装置共振コイル29と直列接続した受電装置共振コンデンサ28の代わりに、受電装置共振コイル29と並列接続した受電装置共振コンデンサ28Aを備えて構成される。
図6は、図5の無線電力伝送装置100Aの出力電圧VOUTの過渡応答特性を示す時間軸波形図である。例えば、入力電源11の電力が1Wから100Wに急変したときの過渡応答をシミュレーションにより検証した結果を示す。このシミュレーションで使用した無線電力伝送装置100Aの構成を図5に示しているが、整流回路23と実負荷31とは接続された状態となっている。図5では実負荷接続スイッチ26を介して受電装置2と実負荷31が接続されているが、実負荷接続スイッチ26を介さない構成でも同様である。図6の縦軸は無線電力伝送装置100Aの出力電圧VOUTであって、横軸は時間tである。ここで、入力電源11の電力の急激な変動により出力電圧VOUTの過渡現象が発生していることが分かる。この入力電源11の電源の急激な変動が意図的であれば、この変動の遷移を遅くすることにより過渡現象の危険性を下げることはできるが、例えば入力電源11の電力変動などが無線電力伝送装置100Aに対して非意図的に発生した場合には、図6のような過渡現象の発生を防ぐことは困難となる。
更には、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ26をオンにすることで、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)の大きい実負荷に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
次に、実負荷31に出力電圧VOUTが供給された後に受電装置共振コイル29でパケット信号P2を生成する(ステップS21)。図3におけるステップS21からステップS24までの処理は、図3におけるステップS14からステップS17までの処理と同様である。すなわち、受電側制御部24により実負荷接続スイッチ26はオンの状態を継続し、受電装置共振コイル29でパケット信号P2が生成されて(ステップS21)、受電側制御部22は、電圧及び電流検出回路24から入力された電圧値V41に基づいて、インピーダンス変換回路21を動作させる(ステップS22)。次に、送電装置1のパケット信号検出部14にてパケット信号P2を復調し(ステップS23)、送電装置1の送電側制御部13でパケット信号P2に含まれる電圧調整負荷31の直流電圧V4の電圧値V41の値を取り込む(ステップS24)。さらに、実負荷31に電力が供給された後も定期的にステップS21からステップS24までの処理を繰り返すことで、実負荷31のインピーダンス変動(例えば、消費電力の増減)により出力電圧VOUTの電圧値VOUT1が変化するようなことがあっても、スイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することにより、電圧値VOUT1を一定に保つことでき、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならずインピーダンスが変動する実負荷に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
以上の実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、送電装置1が起動し始めるときの入力電源11の変動や、スイッチング回路12の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響が直接的に実負荷31に与えられるのを防止することができる。
また、本実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ26をオンにするので、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)が大きい実負荷に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
さらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、送電装置1のスイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することができるので、出力電圧VOUTを実負荷31に供給を開始した後に(例えば、消費電力の増減などで)実負荷31のインピーダンスが変動し、出力電圧VOUTの値が変化しても電圧値VOUTの値を一定に保つことできる。従って、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)が大きい実負荷31に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
またさらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、受電装置2の調整用負荷31を取り替える必要なしに送電装置1と受電装置2とのインピーダンスを整合することができるのでコストを削減することができる。
第2の実施形態.
次に、本開示の第2の実施形態の無線電力伝送装置100の動作について、図4を参照して説明する。第2の実施形態に係る、無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理は、第1の実施形態に係る無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理と比較すると、実負荷31へ電力供給した後に実負荷31のインピーダンス変動があっても出力電圧VOUTを一定に保つことができることを特徴とする。
次に、本開示の第2の実施形態の無線電力伝送装置100の動作について、図4を参照して説明する。第2の実施形態に係る、無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理は、第1の実施形態に係る無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理と比較すると、実負荷31へ電力供給した後に実負荷31のインピーダンス変動があっても出力電圧VOUTを一定に保つことができることを特徴とする。
図4は、本開示の第2の実施形態に係る、図1の無線電力伝送装置100の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。本実施形態は、実負荷31に電力を供給した後に出力電圧VOUTの値が規程電圧範囲外となったときの無線電力伝送装置100に関するものである。
本実施形態では、入力電源11が起動してから実負荷31に電力が供給された図3のステップS20は、図4のステップS31に相当する。
まずは、電圧及び電流検出回路24により電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41を検出する(ステップS32)。ここで、電圧調整負荷25により発生する直流電圧V4の電圧値V41は、実負荷接続スイッチ26を経由して出力電圧VOUTの電圧値VOUT1となる。従って、実負荷接続スイッチ26の抵抗値は電圧調整負荷25や実負荷31のインピーダンスと比較して非常に小さく、電圧値V41と電圧値VOUT1とはほとんど同じ値となるため、電圧値V41を使用しても動作上問題ない。また、実負荷接続スイッチ26のオン抵抗値が既知であれば、電圧値V41から電圧値VOUT1を算出することができるため、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規定電圧範囲内であるか判断するときには、算出した電圧値VOUT1を使用することも可能である。電圧値V41の検出結果が規程電圧範囲内の場合、ステップS51からステップS54までの処理を行う。図4におけるステップS51からステップS54までの処理は、図3におけるステップS21からステップS24までの処理と同様である。実負荷31に電力が供給された後も定期的にステップS51からステップS54までの処理を繰り返すことで、実負荷31のインピーダンス変動(例えば、消費電力の増減)により電圧値VOUT1が変化するようなことがあっても、スイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することにより、出力電圧VOUTの電圧値VOUT1を一定に保つことでき、バッテリーのみならず状態が変動する実負荷31に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
次に、電圧調整負荷25の電圧値V41が規程電圧範囲外の場合(ステップS33のNO)、実負荷接続スイッチ26をオフとする(ステップS34)。電圧値V41が規程電圧範囲外となる要因として、入力電源11の電力の異常変動、送電部共振コイル16と受電部共振コイル29との結合状態の急激な変動などが挙げられる。このときに実負荷接続スイッチ26をオフにすることで、実負荷31に過電圧などの異常電圧が与えられなくなり、実負荷31の破損を防ぐことができる。また、このときに受電装置2にある電力エネルギーは、電圧調整負荷25により消費させることができ、電力エネルギーの共振による受電装置2の破損を防ぐことができる。
次に、受電装置共振コイル29でパケット信号P1を生成する(ステップS35)。図4におけるステップS35からステップS39までの処理は、図3におけるステップS14からステップS18までの処理と同様である。ステップS39においてスイッチング回路12のスイッチング周波数が変更されることで、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が変化する。
次に、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41を検出する(ステップS40)。検出された電圧値V41は受電側制御部24に伝えられる。なお、本実施形態では直流電圧値V41を直接受電側制御部24に送信することを想定しているが、これ以外の方法として、例えば電圧及び電流検出回路24に備えたADコンバータなどにより電圧値V41をディジタルデータなどに変換し、本ディジタルデータを受電側制御部24に送信する方法などによっても実現することが可能となる。
次に、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内でなければ、受電側制御部24により実負荷接続スイッチ26はオフの状態を継続し、受電装置共振コイル29でパケット信号P1が生成される(ステップS41のNOとステップS35)。本パケット信号P1には、電圧値V41に関する情報が含まれるが、それ以外にも他の制御に使用される情報を含むことも可能である。ここで、電圧値V41が規程電圧範囲内となるまで、ステップS35からステップS41のNOまでの処理を繰り返すことになる。
次に、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内となったとき(ステップS41のYES)の処理について説明する。このとき、受電装置2の受電側制御部22により実負荷接続スイッチ26をオンにする制御信号が出力され、実負荷接続スイッチ26がオフからオンとなると、実負荷31に直流電圧VOUTが供給される(ステップS42)。このとき、電圧値V41が規程電圧範囲内であることから、出力電圧VOUTは実負荷31に対して安定した電力として供給される。更には、電圧値V41が規程電圧範囲内になるまで実負荷接続スイッチ26はオフ状態を継続することから、送電装置1が起動し始めるときの入力電源11の変動や、スイッチング回路12の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響が、直接負荷に与えられることを防ぐことができる。
更には、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ26をオンにすることで、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)の大きい実負荷31に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
次に、実負荷31に出力電圧VOUTが供給された後に受電装置共振コイル29でパケット信号P2を生成する(S51)。図4におけるステップS51からステップS54までの処理は、図1におけるステップS21からステップS24までの処理と同様である。実負荷に電力が供給された後も定期的にステップS51からステップS54までの処理を繰り返すことで、実負荷のインピーダンス変動(例えば、消費電力の増減)により出力電圧VOUTの電圧値VOUT1が変動するようなことがあっても、スイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することにより、出力電圧VOUTの電圧値VOUT1を一定に保つことでき、バッテリーのみならず状態が変動する実負荷に対しても安定した電圧を供給することができる。
以上の実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、入力電源11の電力の異常変動や送電装置共振コイル16、受電装置共振コイル29の結合状態の変化などによる出力電圧VOUTの電圧値VOUT1が規定電圧範囲外となったときでも、規定電圧範囲外の電圧が直接負荷に与えられることを防ぐことができる。
また、本実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、電圧調整負荷25に発生する直流電圧V4の電圧値V41が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ26をオンにするので、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)が大きい実負荷に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。更には、実負荷31に接続して出力電圧VOUTの供給を開始した後に実負荷のインピーダンス変動(例えば、消費電力の増減)により出力電圧VOUTの電圧値VOUT1が変化するようなことがあっても、スイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することにより、電圧値VOUT1を一定に保つことでき、インピーダンス変動の小さい機器(例えばバッテリーなど)のみならずインピーダンス変動の大きい機器(実負荷31)対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
さらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置100によれば、送電装置1のスイッチング回路12のスイッチング周波数を制御することができるので、出力電圧VOUTを実負荷31に供給を開始した後に(例えば、消費電力の増減などで)実負荷31のインピーダンスが変動し、出力電圧VOUTの値が変化しても電圧値VOUTの値を一定に保つことできる。従って、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動(例えば消費電力の変動)が大きい実負荷31に対しても安定した出力電圧VOUTを供給することができる。
変形例1.
本開示は上記の実施形態に示した構成に限定されず、例えば図7に図示したような無線電力伝送装置100Bを用いてもよい。
本開示は上記の実施形態に示した構成に限定されず、例えば図7に図示したような無線電力伝送装置100Bを用いてもよい。
図7は、本開示の第1の実施形態の変形例に係る無線電力伝送装置100B及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図7の無線電力伝送装置100Bは、図1の無線電力伝送装置100と比較して、受電装置2の代わりに受電装置2Bを備えてことを特徴とする。また、受電装置2Bは、受電装置2と比較して、電圧調整負荷25と整流回路23との接続をオン/オフする電圧調整負荷接続スイッチ27をさらに備えたことを特徴とする。
以上の変形例に係る無線電力伝送装置100Bによれば、上述した無線電力伝送装置100と同様の効果を得ることができるとともに、実負荷接続スイッチ26をオンとした後、電圧調整負荷接続スイッチ27をオフにすることができるので、電圧調整負荷25における電力消費をさらに減少させることが可能となる。
さらに、本開示の実施形態及び変形例では、受電装置2と実負荷31とを別々に構成された場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば受電装置2と実負荷31とが一体となっている構成にも適用できる。この場合においても本開示の実施形態と同様の効果を得ることができる。またさらに、本開示は、無線で電力を伝送する様々な電子機器(携帯電話やタブレットなどのモバイル端末、カメラ、有機ELディスプレイや照明など)に適用することができる。
以上詳述したように、本開示に係る送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置によれば、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止することができ、かつ、安定した電圧を負荷に供給することが可能となる。
11…入力電源、
12…スイッチング回路、
13…送電側制御部、
14…パケット信号検出部、
15…送電装置共振コンデンサ、
16…送電装置共振コイル、
21…インピーダンス変換回路、
22…受電側制御部、
23…整流回路、
24…電圧及び電流検出回路、
25…電圧調整負荷、
26…実負荷接続スイッチ、
27…電圧調整負荷接続スイッチ、
28,28A…受電装置共振コンデンサ、
29…受電装置共振コイル、
2,2A,2B…受電装置、
31…実負荷、
80,90,90A…共振回路、
100,100A,100B…無線電力伝送装置、
41,42…スイッチ、
43…コンデンサ。
12…スイッチング回路、
13…送電側制御部、
14…パケット信号検出部、
15…送電装置共振コンデンサ、
16…送電装置共振コイル、
21…インピーダンス変換回路、
22…受電側制御部、
23…整流回路、
24…電圧及び電流検出回路、
25…電圧調整負荷、
26…実負荷接続スイッチ、
27…電圧調整負荷接続スイッチ、
28,28A…受電装置共振コンデンサ、
29…受電装置共振コイル、
2,2A,2B…受電装置、
31…実負荷、
80,90,90A…共振回路、
100,100A,100B…無線電力伝送装置、
41,42…スイッチ、
43…コンデンサ。
Claims (5)
- 送電装置共振コイルに交流電圧を供給するスイッチング回路を備えた送電装置から非接触方式で前記交流電圧を伝送される受電装置であって、
前記送電装置共振コイルと電磁的に結合し、前記送電装置共振コイルから前記交流電圧が伝送される受電装置共振コイルと、
前記受電装置共振コイルにより伝送された前記交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から前記直流電圧が供給される実負荷と、
前記整流回路と前記実負荷との間で、前記整流回路と並列に接続され、前記実負荷よりインピーダンスが大きい電圧調整負荷と、
前記整流回路と前記実負荷との電気的接続の導通と非導通とを切替える実負荷接続スイッチと、
前記電圧調整負荷に掛かる前記直流電圧を測定する検出回路と、
前記整流回路と前記実負荷との電気的接続の導通と非導通とを切替える前記実負荷接続スイッチを制御する受電側制御部と、を備え、
前記受電側制御部は、
前記送電装置の起動前に、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通とし、
前記送電装置が起動されると、前記実負荷接続スイッチを用いて非導通を維持し、前記送電装置から伝送された前記交流電圧を前記整流回路に供給させ、前記整流回路を用いて前記供給された交流電圧を前記直流電圧に変換し、前記電圧調整負荷に前記直流電圧を供給し、
前記検出回路により測定した前記電圧調整負荷に掛かる前記直流電圧が規定電圧範囲内に到達するまで、前記直流電圧を上昇させ、
前記測定した前記直流電圧が前記規定電圧範囲内に到達すると、
前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給する、
受電装置。 - 前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続の導通と非導通とを切替える電圧調整負荷接続スイッチをさらに備え、
前記受電側制御部は、
前記送電装置の起動前に、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通とし、前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続を非導通とし、
前記送電装置が起動されると、前記実負荷接続スイッチを用いて非導通を維持し、前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて、前記整流回路と前記電圧調整負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、
前記送電装置から伝送された前記交流電圧を前記整流回路に供給させ、前記整流回路を用いて前記供給された交流電圧を前記直流電圧に変換させ、前記電圧調整負荷に前記直流電圧を供給し、
前記検出回路により測定した前記電圧調整負荷に掛かる直流電圧が規定電圧範囲内に到達するまで、前記直流電圧を上昇させ、
前記測定した前記直流電圧が前記規定電圧範囲内に到達すると、
前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給し、
前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続を導通から非導通に切替える、
請求項1に記載の受電装置。 - 前記受電側制御部は、
前記電圧調整負荷に掛かる直流電圧が規定電圧範囲内に到達し、前記直流電圧が安定して前記規定電圧範囲内になるのを確認すると、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給する、
請求項1または請求項2記載の受電装置。 - 前記電圧調整負荷のインピーダンス値は、前記実負荷のインピーダンス値より100倍以上大きい、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の受電装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の前記受電装置と、前記送電装置とを備えた、
無線電力伝送装置。
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