JP6471970B2 - 無線電力伝送システム及び無線電力伝送システムの送電装置 - Google Patents
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Description
第1交流電力を受電する第1共振器と、前記第1共振器が受電した前記第1交流電力を第1直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第1交流電力を送電する送電装置であって、
前記第1共振器と電磁的に結合して前記第1交流電力を前記第1共振器に送電する第2共振器と、
前記第1共振器と電磁的に結合して第2交流電力を前記第1共振器に送電する第3共振器と、
前記第1共振器と前記第2共振器との間の第1共振周波数f0より低い周波数f11又は前記第1共振周波数f0より高い周波数f21を用いて前記第1交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第1共振器と前記第3共振器との間の第2共振周波数frより低い周波数f10又は前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて前記第1交流電力より小さい前記第2交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数f10又は前記周波数f20のいずれか一方の前記第2交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量に基づき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数f11又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第1交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第2共振器から前記第1共振器へ前記第1交流電力を送電する第1送電期間と前記第1送電期間の次の第2送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第1送電期間において、前記周波数f11及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数f11または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる。
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムに関し、以下の課題が生じることを見いだした。
第1交流電力を受電する第1共振器と、前記第1共振器が受電した前記第1交流電力を第1直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第1交流電力を送電する送電装置であって、
前記第1共振器と電磁的に結合して前記第1交流電力を前記第1共振器に送電する第2共振器と、
前記第1共振器と電磁的に結合して第2交流電力を前記第1共振器に送電する第3共振器と、
前記第1共振器と前記第2共振器との間の第1共振周波数f0より低い周波数f11又は前記第1共振周波数f0より高い周波数f21を用いて前記第1交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第1共振器と前記第3共振器との間の第2共振周波数frより低い周波数f10又は前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて前記第1交流電力より小さい前記第2交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数f10又は前記周波数f20のいずれか一方の前記第2交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量に基づき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数f11又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第1交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第2共振器から前記第1共振器へ前記第1交流電力を送電する第1送電期間と前記第1送電期間の次の第2送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第1送電期間において、前記周波数f11及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数f11または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる。
図1は、本開示の実施の形態1における無線電力伝送システムの構成の概略を示す図である。この無線電力伝送システムは、送電回路1と、受電回路4と、負荷5と、第2共振器2と、第1共振器3と、第3共振器11とを備える。送電回路1、第2共振器2、および第3共振器11は、送電装置に搭載され得る。第1共振器3、受電回路4、および負荷5は、受電装置に搭載され得る。受電装置は、例えばスマートホン、タブレット端末、携帯端末などの電子機器、または電気自動車などの電動機械であり得る。送電装置は、受電装置に無線で電力を供給する充電器であり得る。負荷5は、例えば二次電池を備えた機器であり得る。負荷5は、無線電力伝送システムの外部の要素であってもよい。図1には、送電回路1に直流エネルギ(以後、エネルギを電力と言い換えてもよい)を供給する電源0も描かれている。電源0は、本システムに含まれていてもよいし、本システムの外部の要素であってもよい。
図11は、本開示の実施の形態2における異物検知判定回路13の構成を示す図である。本実施形態では、異物検出判定回路13が、第3共振器11と第1共振器3との間の結合係数に基づいて異物を検知する点が実施の形態1と異なっている。以下、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
Lin(f)=L3{1−k2/(1−(fr/f)2)} ・・・式1
Lin(f10)≒L3
Lin(f20)≒L3(1−k2)
k2≒1−Lin(f20)/Lin(f10) ・・・式2
Lin_open(f10)=Lin_open(f20) ・・・式3
Lin_short(f10)=Lin_short(f20) ・・・式4
k2≒1−f102/f202 ・・・式5
図14は、本開示の実施の形態3における無線電力伝送システムの構成を示す図である。本実施の形態では、第2共振器2が第3共振器11の機能を兼ねている点で、実施の形態1、2とは異なっている。本実施形態のように、第2共振器2と第3共振器11とが1つの共振器によって実現されるシステムも、第2共振器2と第3共振器11とを備えていると言える。以下、実施の形態1または2と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
k≒1−f102/(f202ーf302)・・・式6
図16は、本開示の実施の形態4における無線電力伝送システムの構成を示す図である。本実施形態は、異物を検出するための構成要素が送電回路1ではなく受電回路4に搭載されている点で、実施の形態1、2、3とは異なっている。以下、実施の形態1、2、3とは異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
第1交流電力を受電する第1共振器と、前記第1共振器が受電した前記第1交流電力を第1直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第1交流電力を送電する送電装置であって、
前記第1共振器と電磁的に結合して前記第1交流電力を前記第1共振器に送電する第2共振器と、
前記第1共振器と電磁的に結合して第2交流電力を前記第1共振器に送電する第3共振器と、
前記第1共振器と前記第2共振器との間の第1共振周波数f0より低い周波数f11又は前記第1共振周波数f0より高い周波数f21を用いて前記第1交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第1共振器と前記第3共振器との間の第2共振周波数frより低い周波数f10又は前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて前記第1交流電力より小さい前記第2交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数f10又は前記周波数f20のいずれか一方の前記第2交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量に基づき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数f11又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第1交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第2共振器から前記第1共振器へ前記第1交流電力を送電する第1送電期間と前記第1送電期間の次の第2送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第1送電期間において、前記周波数f11及び前記周波数f21のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数f11または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる、
送電装置。
上記態様によると、
前記第1送電期間において、前記周波数f11及び前記周波数f21のいずれか一方を用いる。
前記第1送電期間において前記周波数f11で送電している場合、図5Aに示すように、前記第1共振器のコイルと前記第2共振器のコイルとの間の中央部Aの磁界は密となり、周辺部Bの磁界が疎となる。よって、中央部Aの磁界が密で、周辺部Bの磁界が疎の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、中央部Aの磁界で送電を行っている。
前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用いる。
前記異物検知期間において、前記周波数f10で発振している場合は、図5Aに示すように、前記第2共振器のコイルと前記第3共振器のコイルとの間の中央部Aの磁界は密となり、周辺部Bの磁界が疎となる。
よって、前記周波数f10で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Aに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、中央部Aの磁界が疎で、周辺部Bの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。
一方、前記第1送電期間において前記周波数f21で送電している場合、図5Bに示すように、前記第1共振器のコイルと前記第2共振器のコイルとの間の中央部Aの磁界は疎となり、周辺部Bの磁界が密となる。よって、中央部Aの磁界が疎で、周辺部Bの磁界が密の状態で送電している。言い換えれば、ほとんど、周辺部Bの磁界で送電を行っている。
よって、前記周波数f20で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Bに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、前記中央部Aの磁界が密で、前記周辺部Bの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数f11で送電することにより、異物の発熱を抑制しながら、高い効率で送電できる。
以上まとめると、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数であるf11または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示する。そして、前記第1交流電力の送電を開始させることにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
また、送電装置には、1つの送電コイルのみで実現できるので、スマートホンのような受電コイルが1つの受電装置でも送電でき、設置台の面積が小さい送電装置を実現できる。
前記送電制御回路は、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf11または前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる、
項目1に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf11または前記周波数f21を使用する。
このことにより、前記第1送電期間と同じ周波数を前記第2送電期間においても用いるので、周波数を変更する必要がない。よって、前記第2送電期間の送電の開始を早く行うことができる。
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f11を用い、前記異物検知期間において前記周波数f10を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記周波数f21を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
項目1に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記周波数f10で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Aに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、例えば、図5Bの中央部Aの磁界が疎で、周辺部Bの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f11を用い、前記異物検知期間において前記周波数f10を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f11を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f11を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
項目2に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf11を使用する。
このことにより、前記第1送電期間と同じ周波数を前記第2送電期間においても用いるので、周波数を変更する処理が不要となる。よって、前記第2送電期間の送電の開始を早く行うことができる。
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f21を用い、前記異物検知期間において前記周波数f20を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f11を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f11を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
項目1に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記周波数f20で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Bに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、例えば、図5Aの中央部Aの磁界が密で、周辺部Bの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数f11で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f21を用い、前記異物検知期間において前記周波数f20を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f21を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
項目2に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf21を使用する。
このことにより、前記第1送電期間と同じ周波数を前記第2送電期間においても用いるので、周波数を変更する処理が不要となる。よって、前記第2送電期間の送電の開始を早く行うことができる。
前記異物検知判定回路は、
前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断する、
項目1〜6のいずれか1項に記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第3共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が大きくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の上限を超えると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断できる。一方、前記差分が小さくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の下限を下回ると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断できる。
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
項目1〜7のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第3共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する。
例えば、前記異物が存在するか否かを判断は、前記異物を高精度で判定できる式に基づいて算出される。
例えば、前記判断する方法は、前記算出した値と基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断する。前記差分が大きくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の上限を超えると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断できる。一方、前記差分が小さくなる場合は、前記差分が前記所定の範囲の下限を下回ると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断できる。
よって、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを高精度で判断できる。
前記第3共振器における物理量は、前記第3共振器に印加される電圧、前記第3共振器に流れる電流、前記第3共振器に印加される周波数、前記第3共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第3共振器の入力インダクタンス値である、
項目1〜8のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記物理量を測定することで、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目1〜9のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する。
Lin(f20)に、前記コイルの両端が短絡している状態の時の前記第3共振器の入力インダクタンス値を用い、Lin(f10)に前記コイルの両端が開放している状態の時の前記第3共振器の入力インダクタンス値を用いると高精度の結合係数kを算出でき、高精度で異物が存在するか否かを判断することができる。
前記コイル及前記コイルの両端に設けたキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第2共振周波数frよりも低い前記周波数f10で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記第2共振周波数frよりも高い前記周波数f20で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。
よって、前記コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、通常行われているように、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設け、設けた前記短絡用スイッチを制御する制御回路を前記受電装置に設ける必要はない。よって、通常行われているような、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御するという煩わしさをなくすことができる。その結果、精度の高い前記結合係数を用いて異物検知を行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で異物検知を行うことができる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
前記Lin(f10)と前記Lin(f20)との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目1〜10のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
測定した前記Lin(f10)と前記Lin(f20)との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する。
「前記入力インダクタンス値Lin(f10)と前記入力インダクタンス値Lin(f20)の比に基づいて」の意味について説明する。
前記結合係数kを算出する式2[k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)]は、式[Lin(f20)/Lin(f10)=1−k2]に変形できる。よって、Lin(f20)/Lin(f10)が決まると、結合係数kを一意的に決めることができる。従って、前記入力インダクタンス値Lin(f10)と前記入力インダクタンス値Lin(f20)の比に基づいて、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断できる。
式1による結合係数kを算出するには、四則演算以外の平方根の算出処理が求められる。一方、前記入力インダクタンス値Lin(f1)と前記入力インダクタンス値Lin(f2)の比は単純な除算であるので、処理の負荷も軽減でき、算出スピ−ドを速くすることができる。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記発振回路は、
自励式の発振回路であり、かつ、前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の2乗は前記第3共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
前記異物検知判定回路は、
前記発振回路が発振している前記周波数f10及び前記周波数f20を測定し、k2=1−f102/f202の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目1〜11のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、前記発振回路が自励式の発振回路の場合、前記入力インダクタンス値をLとし、前記キャパシタの容量をCとすると、前記自励式の発振回路の周波数fはLC共振原理に基づく発振回路である場合、f=1/(2π×(LC)^(1/2))の式で表すことができる。容量Cは回路定数で既知であるから、前記入力インダクタンス値Lが前記発振回路の周波数の2乗に反比例するので、前記結合係数の式であるk2=1−Lin(f20)/Lin(f10)をk2=1−f102/f202の式に置き換えることができる。このことにより、前記異物検知判定回路で前記入力インダクタンスを測定する工程は不要となり、前記発振回路が発振する周波数f10及びf20の値を用いればよい。よって、前記異物検知判定回路で前記入力インダクタンスを測定する必要がなくなるので、前記結合係数を高精度で算出することができる。なお、前記周波数f1及び前記周波数f2の値は、前記第1共振器の前記周波数f1及び前記周波数f2を前記異物検知判定回路が測定してもよい。また、他の発振回路でも同様の考え方が適用でき当業者では容易に類推可能である。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。
前記第1共振器および前記第3共振器は、同一の共振器であり、
前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
前記異物検知期間から前記第2送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替える、
項目1〜12のいずれかに記載の送電装置。
上記態様によると、
前記第2共振器および前記第3共振器を同一の共振器とすることで、前記第2共振器に前記第1交流電力を送電する共振器と、前記第2共振器に前記第2交流電力を送電する共振器とが同じ共振器となり、部品点数の削減することができる。そして、送電装置の小型化を図ることができる。
項目1〜13のいずれかに記載の送電装置と、
受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
第1交流電力を受電する第1共振器と、前記第1共振器が受電した前記第1交流電力を第1直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第1交流電力を送電する送電装置であって、
前記第1共振器と電磁的に結合させて前記第1交流電力を前記第1共振器に送電する第2共振器と、
前記第1共振器と電磁的に結合させて第2交流電力を前記第1共振器に送電する第3共振器と、
前記第1共振器と前記第2共振器との間の第1共振周波数f0より低い周波数f11又は前記第1共振周波数f0より高い周波数f21を用いて前記第1交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第1共振器と前記第3共振器との間の第2共振周波数frより低い周波数f10又は前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて前記第1交流電力より小さい前記第2交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数f10又は前記周波数f20のいずれか一方の前記第2交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量に基づき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数f11又は前記周波数f21のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第1交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第1交流電力の送電を行う前に、前記異物検知判定回路に異物が存在するか否かを判断させる異物検知期間を設け、
前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用い、
前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第1共振周波数f0より低い周波数f11を使用することを前記インバータ回路に指示し、または、
前記第2共振周波数frより低い周波数f10を用いて、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第1共振周波数f0より高い周波数f21を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる、
送電装置。
上記項目によると、
上記第1の態様では、前記第2共振器から前記第1共振器へ前記第1交流電力を送電する第1送電期間と前記第1送電期間の次の第2送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間を設けたが、前記第1送電期間を設けず、最初に前記異物検知期間後に、前記第1送電期間を設けた場合でも、本開示の発明を適用できる。
前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用いる。
前記異物検知期間において、前記周波数f10で発振している場合は、図5Aに示すように、前記第2共振器のコイルと前記第3共振器のコイルとの間の中央部Aの磁界は密となり、周辺部Bの磁界が疎となる。
よって、前記周波数f20で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は周辺部Bに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、前記中央部Aの磁界が密で、前記周辺部Bの磁界が疎となる磁界分布を有する前記周波数f11で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
前記異物検知期間において、前記周波数f20で発振している場合は、図5Bに示すように、前記第2共振器のコイルと前記第3共振器のコイルとの間の周辺部Bの磁界は密となり、中央部Aの磁界が疎となる。
よって、前記周波数f10で発振している時、異物が存在すると判断された場合は、異物は中央部Aに存在していることが分かる。よって、前記第2送電期間では、中央部Aの磁界が疎で、周辺部Bの磁界が密となる磁界分布を有する前記周波数f21で送電することにより、異物の過熱を防止しつつ、高い効率で継続して送電できる。
また、送電装置には、1つの送電コイルのみで実現できるので、スマートホンのような受電コイルが1つの受電装置でも送電でき、設置台の面積が小さい送電装置を実現できる。
前記異物検知判定回路は、
前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、予め設定された閾値よりも大きいとき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断する、
項目15に記載の送電装置。
上記項目によると、
前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、予め設定された閾値よりも大きいとき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断する。
このことにより、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
項目15〜16のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する。前記算出した値は、異物を高精度で判定できる式に基づいて算出される。よって、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを高精度で判断できる。
前記第3共振器における物理量は、前記第3共振器に印加される電圧、前記第3共振器に流れる電流、前記第3共振器に印加される周波数、前記第3共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第3共振器の入力インダクタンス値である、
項目15〜17のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記物理量を測定することで、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを容易に判断できる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目15〜18のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する。
Lin(f20)に、前記コイルの両端が短絡している状態の時の前記第3共振器の入力インダクタンス値を用い、Lin(f10)に前記コイルの両端が開放している状態の時の前記第3共振器の入力インダクタンス値を用いると高精度の結合係数kを算出でき、高精度で異物が存在するか否かを判断することができる。
前記コイル及前記コイルの両端に設けたキャパシタを含む並列共振回路を前記受電装置に設ける。このことにより、前記発振回路で前記第2共振周波数frよりも低い前記周波数f10で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れないので、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態を作り出せる。また、前記第2共振周波数frよりも高い前記周波数f20で駆動すると、前記キャパシタに電流が流れるので、前記コイルの両端が短絡している状態を作り出せる。
よって、前記コイルの両端にキャパシタを設けるだけで、前記コイルの両端が実質的に開放されている状態と前記コイルの両端が短絡している状態とを作り出すことができる。そのため、通常行われているように、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設け、設けた前記短絡用スイッチを制御する制御回路を前記受電装置に設ける必要はない。よって、通常行われているような、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御するという煩わしさをなくすことができる。その結果、精度の高い前記結合係数を用いて異物検知を行うので、コスト増を招くことなく、簡易な構成で前記負荷が変動しても高精度で異物検知を行うことができる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
前記Lin(f10)と前記Lin(f20)との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目15〜19のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
測定した前記Lin(f10)と前記Lin(f20)との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する。
「前記入力インダクタンス値Lin(f10)と前記入力インダクタンス値Lin(f20)の比に基づいて」の意味について説明する。
前記結合係数kを算出する式2[k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)]は、式2[Lin(f20)/Lin(f10)=1−k2]に変形できる。よって、Lin(f20)/Lin(f10)が決まると、結合係数kを一意的に決めることができる。従って、前記入力インダクタンス値Lin(f10)と前記入力インダクタンス値Lin(f20)の比に基づいて、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断できる。
式2による結合係数kを算出するには、四則演算以外の平方根の算出処理が求められる。一方、前記入力インダクタンス値Lin(f10)と前記入力インダクタンス値Lin(f20)の比は単純な除算であるので、処理の負荷も軽減でき、算出スピ−ドを速くすることができる。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。
前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記発振回路は、
自励式の発振回路であり、かつ、前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の2乗は前記第3共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
前記異物検知判定回路は、
前記発振回路が発振している前記周波数f10及び前記周波数f20を測定し、k2=1−f102/f202の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
項目15〜20のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記発振回路が自励式の発振回路の場合、前記入力インダクタンス値をLとし、前記キャパシタの容量をCとすると、前記自励式の発振回路の周波数fはLC共振原理に基づく発振回路である場合、f=1/(2π×(LC)^(1/2))の式で表すことができる。容量Cは回路定数で既知であるから、前記入力インダクタンス値Lが前記発振回路の周波数の2乗に反比例するので、前記結合係数の式であるk2=1−Lin(f20)/Lin(f10)をk2=1−f102/f202の式に置き換えることができる。このことにより、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定する工程は不要となり、前記発振回路が発振する周波数f10及びf20の値を用いればよい。よって、前記測定回路で前記入力インダクタンスを測定する必要がなくなるので、前記結合係数を高精度で算出することができる。なお、前記周波数f10及び前記周波数f20の値は、前記第1共振器の前記周波数f10及び前記周波数f20を前記測定回路が測定してもよい。また、他の発振回路でも同様の考え方が適用でき当業者では容易に類推可能である。
また、前記コイルの両端に短絡用スイッチを設ける必要はなく、前記送電装置から信号を送って前記短絡用スイッチを制御する煩わしさをなくすことができる。
前記第2共振器および前記第3共振器は、同一の共振器であり、
前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
前記異物検知期間から前記第2送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替る、
項目15〜21のいずれかに記載の送電装置。
上記項目によると、
前記第2共振器および前記第3共振器を同一の共振器とすることで、前記第2共振器に前記第1交流電力を送電する共振器と、前記第2共振器に前記第2交流電力を送電する共振器とが同じ共振器となり、部品点数の削減することができる。そして、送電装置の小型化を図ることができる。
項目15〜22のいずれかに記載の送電装置と、上記受電装置と、を備えた
無線電力伝送システム。
n(f10)の式または前記式に基づく補正式によって算出される結合係数kに基づいて異物の有無を判定するように構成されている。
1 送電回路
2 第2共振器(送電コイル、含共振コンデンサ)
3 第1共振器(受電コイル、含共振コンデンサ)
4 受電回路
5 負荷
10 インバータ回路
11 第3共振器(異物検知用コイル、含共振コデンサ)
12 発振回路
13 異物検知判定回路
14 送電パラメータ保持部
15 送電制御回路
21〜24 スイッチング素子
41 電圧測定回路
42 周波数カウンタ
43 インダクタンス測定回路
44 判定回路
61 結合係数算出部
91 スイッチ手段
101 接続スイッチ
111 受電出力回路
112 受電制御回路
113 通信回路
L1〜L3、Lm インダクタ
C1、C21、C22、C3 共振コンデンサ
Claims (14)
- 第1交流電力を受電する第1共振器と、前記第1共振器が受電した前記第1交流電力を第1直流電力に変換して負荷に供給する受電回路とを備えた受電装置に対して非接触方式で前記第1交流電力を送電する送電装置であって、
前記第1共振器と電磁的に結合して前記第1交流電力を前記第1共振器に送電する第2共振器と、
前記第1共振器と電磁的に結合して第2交流電力を前記第1共振器に送電する第3共振器と、
前記第1共振器と前記第2共振器との間の第1共振周波数f0より低い周波数f11又は前記第1共振周波数f0より高い周波数f12を用いて前記第1交流電力を生成するインバータ回路と、
前記第1共振器と前記第3共振器との間の第2共振周波数frより低い周波数f10又は前記第2共振周波数frより高い周波数f20を用いて前記第1交流電力より小さい前記第2交流電力を生成する発振回路と、
前記発振回路に指示して前記周波数f10又は前記周波数f20のいずれか一方の前記第2交流電力を前記発振回路から生成させ、前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量に基づき、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知判定回路と、
前記周波数f11又は前記周波数f12のいずれか一方を前記インバータ回路に指示して前記インバータ回路に前記第1交流電力を生成させる送電制御回路と、を備え、
前記送電制御回路は、
前記第2共振器から前記第1共振器へ前記第1交流電力を送電する第1送電期間と前記第1送電期間の次の第2送電期間との間に前記異物検知判定回路による異物検知期間とを設け、
前記第1送電期間において、前記周波数f11及び前記周波数f12のいずれか一方を用い、前記異物検知期間において、前記周波数f10及び前記周波数f20のいずれか一方を用い、
前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数とは別の前記周波数f11または前記周波数f12を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる、
送電装置。 - 前記送電制御回路は、
前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合は、前記第2送電期間において、前記第1送電期間で用いた周波数と同じ前記周波数であるf11または前記周波数f12を使用することを前記インバータ回路に指示して前記第1交流電力の送電を開始させる、
請求項1に記載の送電装置。 - 前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f11を用い、前記異物検知期間において前記周波数f10を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f12を使用することを前記インバータ回路に指示して前記周波数f12を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
請求項1に記載の送電装置。 - 前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f11を用い、前記異物検知期間において前記周波数f10を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f11を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f11を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
請求項2に記載の送電装置。 - 前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f12を用い、前記異物検知期間において前記周波数f20を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在すると判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f11を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f11を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
請求項1に記載の送電装置。 - 前記送電制御回路は、
前記第1送電期間において前記周波数f12を用い、前記異物検知期間において前記周波数f20を用いた場合において、前記異物検知期間において異物が存在しないと判断された場合、前記第2送電期間において前記周波数f12を使用することを前記インバータ回路に指示し、前記周波数f12を用いた前記第1交流電力の送電を開始させる、
請求項2に記載の送電装置。 - 前記異物検知判定回路は、
前記第2交流電力に応じて変化する前記第3共振器における物理量を測定し、前記変化後の物理量と所定の基準値との差分が、所定の範囲を超えると、前記第1共振器と前記第3共振器との間に異物が存在すると判断する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量を測定し、前記測定された物理量から算出した値に基づき、前記異物が存在するか否かを判断する、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記第3共振器における物理量は、前記第3共振器に印加される電圧、前記第3共振器に流れる電流、前記第3共振器に印加される周波数、前記第3共振器の入力インピ−ダンス値、又は、前記第3共振器の入力インダクタンス値である、
請求項8に記載の送電装置。 - 前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
k2=1−Lin(f20)/Lin(f10)の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記異物検知判定回路は、
前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、
前記発振回路が前記周波数f10で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f10)と、前記周波数f20で発振しているときの前記第3共振器の入力インダクタンス値Lin(f20)とを測定し、
前記Lin(f10)と前記Lin(f20)との比を算出し、前記算出した比に基づいて異物が存在するか否かを判断する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記第1共振器は、コイル及びキャパシタを含む並列共振回路を有し、
前記発振回路は、
自励式の発振回路であり、かつ、前記第3共振器における物理量が前記第3共振器の入力インダクタンス値である場合、前記発振回路の発振周波数の2乗は前記第3共振器の入力インダクタンス値に反比例し、
前記異物検知判定回路は、
前記発振回路が発振している前記周波数f10及び前記周波数f20を測定し、k2=1−f102/f202の式によって結合係数kを算出し、前記算出した結合係数kに基づいて異物が存在するか否かを判断する、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記第2共振器および前記第3共振器は、同一の共振器であり、
前記送電制御回路の制御により、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続と、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続とを切り替えるスイッチを備え、
前記送電制御回路は、
前記第1送電期間から前記異物検知期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替え、
前記異物検知期間から前記第2送電期間に変更するとき、前記スイッチを制御して、前記発振回路と前記同一の共振器との電気的接続から前記インバータ回路と前記同一の共振器との電気的接続に切り替える、
請求項1〜12のいずれか1項に記載の送電装置。 - 請求項1〜13のいずれかに記載の送電装置と、
受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
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