(57)【要約】      （修正有）【課題】電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくして各々を安定的に両立させるワイヤレス電力伝送装置を提供する。【解決手段】ワイヤレス電力伝送装置１は、入力直流電圧を交流変換する送電回路１１０と、交流電圧により交流磁束を発生させる送電コイル６と、交流磁束を受けて交流電圧を発生する受電コイル７と、受電コイルに発生した交流電圧を直流変換する受電回路１２０と、受電回路の出力の大きさを示す交流信号を生成する信号生成回路１４０と、信号生成回路が生成した交流信号を送信する送信コイル８と、送信コイルが送信した交流信号を受信する受信コイル９と、受信コイルが受信した交流信号に基づき送電回路から出力される交流電圧を制御する制御回路１５０とを備える。交流信号の周波数は送電回路から出力される交流電圧の周波数よりも１０倍以上高く、信号生成回路は受電回路の出力の大きさを交流信号の振幅の大きさに変換する。【選択図】図１
2018064333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力直流電圧を交流電圧に変換して出力する送電回路と、
前記交流電圧により交流磁束を発生させる送電コイルと、
前記交流磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生する受電コイルと、
前記受電コイルに発生した交流電圧を直流電圧に変換する受電回路と、
前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさを示す交流信号を生成する信号生成回路と、
前記信号生成回路が生成した前記交流信号を送電側に送信する送信コイルと、
前記送信コイルから送信された前記交流信号を受信する受信コイルと、
前記受信コイルが受信した前記交流信号に基づき、前記送電回路から出力される交流電圧を制御する制御回路と、を備え、
前記交流信号の周波数は、前記送電回路から出力される交流電圧の周波数よりも１０倍以上高く、
前記信号生成回路は、前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさを前記交流信号の振幅の大きさに変換することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
【請求項２】
前記信号生成回路は、
前記交流信号を出力する発振回路と、
前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさに応じて、前記発振回路の電源電圧を生成する電源電圧生成回路と、を有し、
前記電源電圧生成回路は、前記受電回路の出力電圧又は出力電流と目標値との差に基づき、前記電源電圧を制御する、請求項１に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項３】
前記送電回路は、
前記入力直流電圧を所定の直流電圧に変換する電源回路と、
前記電源回路が出力する前記所定の直流電圧を前記交流電圧に変換する電圧変換回路と、を有し、
前記制御回路は、前記受信コイルが受信した前記交流信号に基づき、前記電源回路から出力される前記所定の直流電圧を制御することによって、前記送電回路から出力される前記交流電圧を制御する、請求項１又は２に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項４】
前記電源回路は、非絶縁型の降圧コンバータから構成される、請求項３に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードや電源ケーブルを用いずに電力を供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。ワイヤレス電力伝送技術は、給電側から受電側にワイヤレスで電力を供給できることから、電車、電気自動車等の輸送機器、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、産業機器といった様々な製品への応用が期待されている。
【０００３】
このようなワイヤレス電力伝送技術において、受電側の出力状態を安定させるためには、受電側の出力情報を給電側に伝え、この出力情報に基づき、給電コイルに供給する交流電力を制御する必要がある。ここで、給電側に受電側の出力情報を伝達する手段としては、受電側に送信コイル、給電側に受信コイルを設け、送受信コイルの誘導結合を利用して情報を伝達することが知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ロード回路の一部に印加される出力電圧を信号周波数により示す出力信号を生成する信号生成回路と、信号生成回路が生成した出力信号を給電側に送信する送信コイルと、送信コイルより送信された出力信号を受信する受信コイルと、受信コイルにより受信された出力信号を信号周波数に応じて直流変換する信号調整回路とを備えるワイヤレス電力伝送システムが提案されている。
【０００５】
また特許文献２では、ロード回路の一部に印加される出力電圧をデューティ比により示す出力信号を生成する信号生成回路と、信号生成回路が生成した出力信号を給電側に送信する送信コイルと、送信コイルより送信された出力信号を受信する受信コイルと、受信コイルにより受信された出力信号をデューティ比に応じて直流変換する信号調整回路とを備えるワイヤレス電力伝送システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２２３８６０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１７５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示される技術では、信号周波数の大きさの変化に伴い、送信コイルから送信する出力信号の周波数も変化するため、出力信号の周波数が電力伝送の駆動周波数のノイズ周波数成分と一致してしまうと、出力信号波形が歪み、電力制御の誤動作が生じる虞があり、改善の余地があった。
【０００８】
特許文献２に開示される技術では、送信コイルから送信する出力信号のデューティ比を変化させるため、出力信号の周波数を変化させるものではないが、デューティ比を高精度に制御するための回路構成が複雑であり、部品点数の増加によるコスト増や信頼性の面で改善の余地がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくし、電力伝送と信号伝送を安定的に両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、入力直流電圧を交流電圧に変換して出力する送電回路と、前記交流電圧により交流磁束を発生させる送電コイルと、前記交流磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生する受電コイルと、前記受電コイルに発生した交流電圧を直流電圧に変換する受電回路と、前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさを示す交流信号を生成する信号生成回路と、前記信号生成回路が生成した前記交流信号を送電側に送信する送信コイルと、前記送信コイルから送信された前記交流信号を受信する受信コイルと、前記受信コイルが受信した前記交流信号に基づき、前記送電回路から出力される交流電圧を制御する制御回路と、を備え、前記交流信号の周波数は、前記送電回路から出力される交流電圧の周波数よりも１０倍以上高く、前記信号生成回路は、前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさを前記交流信号の振幅の大きさに変換することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、電力伝送及び信号伝送の一方が他方に与える影響を小さくすることができる。また、受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさに応じて振幅変調された交流信号を用いるので、交流信号の周波数と一致する電力伝送の周波数（送電回路から出力される交流電圧の周波数）のノイズ周波数成分の影響を抑えることができる。したがって、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくすることができ、電力伝送と信号伝送との安定的な両立を実現することができる。
【００１２】
本発明において、前記信号生成回路は、前記交流信号を出力する発振回路と、前記受電回路の出力電圧又は出力電流の大きさに応じて、前記発振回路の電源電圧を生成する電源電圧生成回路と、を有し、前記電源電圧生成回路は、前記受電回路の出力電圧又は出力電流と目標値との差に基づき、前記電源電圧を制御することが好ましい。この構成によれば、信号生成回路から出力される交流信号の周波数が変化せず、信号伝送用の交流信号の周波数を特定の周波数に固定することができるので、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくすることができる。したがって、電力伝送と信号伝送との安定的な両立を簡単な回路構成で実現することができる。
【００１３】
本発明において、前記送電回路は、前記入力直流電圧を所定の直流電圧に変換する電源回路と、前記電源回路が出力する前記所定の直流電圧を前記交流電圧に変換する電圧変換回路と、を有し、前記制御回路は、前記受信コイルが受信した前記交流信号に基づき、前記電源回路から出力される前記所定の直流電圧を制御することによって、前記送電回路から出力される前記交流電圧を制御することが好ましい。この構成によれば、電圧変換回路が出力する交流電圧の周波数が変化せず、電力伝送の周波数（送電回路から出力される交流電圧の周波数）を特定の周波数を固定することができるので、電力伝送と信号伝送の互いの影響をより一層小さくすることができる。
【００１４】
本発明において、前記電源回路は、非絶縁型の降圧コンバータから構成されることが好ましい。この構成によれば、安価で高効率な電源回路を構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくし、安定的な電力伝送と信号伝送を両立させることが可能なワイヤレス電力伝送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、送電ユニット１Ａの回路構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【図３】図３は、受電ユニット１Ｂの回路構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【図４】図４は、受電ユニット１Ｂの回路構成の他の例を詳細に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、ワイヤレス電力伝送装置１は、送電ユニット１Ａと受電ユニット１Ｂとの組み合わせからなり、送電ユニット１Ａから受電ユニット１Ｂに電力をワイヤレスで伝送するものである。
【００２０】
送電ユニット１Ａは、入力直流電圧を例えば１００ｋＨｚの交流電圧に変換して出力する送電回路１１０と、交流電圧により交流磁束を発生させる送電コイル６と、受電ユニット１Ｂ側から送信される交流信号を受信する受信コイル９と、受信コイル９が受信した交流信号に基づき、送電回路１１０から出力される交流電圧を制御する制御回路１５０とを備えている。
【００２１】
受電ユニット１Ｂは、送電コイル６が発生させる交流磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生する受電コイル７と、受電コイル７に発生した交流電圧を例えばＤＣ２４Ｖの直流電圧に変換する受電回路１２０と、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさを示す交流信号を生成する信号生成回路１４０と、受信コイル９に交流信号を送信する送信コイル８とを備えている。受電回路１２０の出力電圧は例えば負荷１３０に供給される。
【００２２】
送電回路１１０は、入力直流電圧を所定の直流電圧に変換する電源回路１１１と、電源回路１１１が出力する所定の直流電圧を例えば１００ｋＨｚの交流電圧に変換する電圧変換回路１１２と有している。制御回路１５０は、受信コイル９が受信した交流信号に基づき、電源回路１１１から出力される所定の直流電圧の大きさを制御し、これにより送電回路１１０から出力される交流電圧を制御する。したがって、電圧変換回路１１２が出力する交流電圧の周波数が変化せず、電力伝送の周波数（送電回路１１０から出力される交流電圧の周波数）を特定の周波数に固定することができる。
【００２３】
信号生成回路１４０は、例えば１０ＭＨｚの交流信号を出力する発振回路１４１と、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさに応じて発振回路１４１の電源電圧を生成する電源電圧生成回路１４２とを有しており、電源電圧生成回路１４２は、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流と目標値との差に基づき、発振回路１４１の電源電圧を制御する。
【００２４】
このように、受電ユニット１Ｂの出力が送信コイル８及び受信コイル９を介して送電ユニット１Ａにフィードバックされることにより、受電ユニット１Ｂの出力を一定に制御することができる。
【００２５】
送電コイル６と受電コイル７との組み合わせは、電力伝送用トランスＴＰを構成しており、送信コイル８と受信コイル９との組み合わせは信号伝送用トランスＴＳを構成している。ワイヤレス電力伝送装置１の小型化及び高性能化のため、信号伝送用トランスＴＳが電力伝送用トランスＴＰと同じケース内で同軸配置されたり、或いは非常に近接して配置されるような場合には、電力伝送用トランスＴＰが発生させる磁束及び信号伝送用トランスＴＳが発生させる磁束の一方が他方に影響を与え、信号伝送品質又は電力伝送品質が低下するおそれがある。そのため本実施形態においては、信号伝送周波数を電力伝送周波数の１０倍以上とすることで電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくしている。
【００２６】
図２は、送電ユニット１Ａの回路構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【００２７】
図２に示すように、送電ユニット１Ａ側の電源回路１１１は非絶縁型の降圧コンバータであって、直流電圧源１００から延びる一対の平衡ラインの一方に直列接続された第１スイッチング素子ＳＷ１と、平衡ラインに並列接続された第２スイッチング素子ＳＷ２と、第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオンオフを制御する電源回路スイッチング素子コントロール部１１３と、第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の前段に並列接続されたバイパスコンデンサＣ１と、第１及び第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の後段に設けられた直列インダクタＬ１及び並列キャパシタＣ２からなるローパスフィルタとを備えている。電源回路スイッチング素子コントロール部１１３は、制御回路１５０からの制御電圧に基づいてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をオンオフする周期を制御することにより、後段の電圧変換回路１１２に供給する直流電圧レベルを制御する。
【００２８】
電圧変換回路１１２は、第３〜第６スイッチング素子ＳＷ３〜ＳＷ６のブリッジ回路と、第３〜第６スイッチング素子ＳＷ３〜ＳＷ６のオンオフを制御する電圧変換回路スイッチング素子コントロール部１１４とを備えており、電源回路１１１から供給される所定の直流電圧は例えば１００ｋＨｚの交流電圧に変換された後、送電コイル６に入力される。
【００２９】
制御回路１５０は、フィルタ１５１と、整流平滑回路１５２と、可変分圧回路１５３とを備えている。受信コイル９が受信した交流信号はフィルタ１５１によってノイズが除去された後、整流平滑回路１５２によって整流及び平滑され、可変分圧回路１５３に入力される。可変分圧回路１５３は平衡ラインに並列接続された抵抗Ｒ１及び可変抵抗Ｒ２の直列回路からなり、可変抵抗Ｒ２の大きさは整流平滑回路１５２の出力電圧レベルに応じて変化する。整流平滑回路１５２からの出力電圧レベルが大きい場合には、可変抵抗Ｒ２の抵抗値も大きくなるので、電源回路スイッチング素子コントロール部１１３には大きな制御電圧が供給される。また、整流平滑回路１５２からの出力電圧レベルが小さい場合には、可変抵抗Ｒ２の抵抗値も小さくなるので、電源回路スイッチング素子コントロール部１１３には小さな制御電圧が供給される。電源回路スイッチング素子コントロール部１１３は、制御電圧レベルに応じてスイッチングを制御することにより、電圧変換回路１１２に供給する所定の直流電圧の大きさを制御する。
【００３０】
図３は、受電ユニット１Ｂの回路構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【００３１】
図３に示すように、受電ユニット１Ｂの受電回路１２０は、整流ダイオードＤ１〜Ｄ４を含むブリッジ型全波整流回路１２１と平滑コンデンサＣ３との組み合わせからなり、受電コイル７からの交流電圧を平滑及び整流して例えばＤＣ２４Ｖの直流電圧を生成し、この直流電圧を負荷１３０に供給する。
【００３２】
信号生成回路１４０は、例えば１０ＭＨｚの交流信号を出力する発振回路１４１と、受電回路１２０の出力電圧の大きさに応じて発振回路１４１の電源電圧を生成する電源電圧生成回路１４２とを有している。電源電圧生成回路１４２は、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４、オペアンプＯＰ、抵抗Ｒ５、スイッチング素子ＳＷ７を含み、受電回路１２０の出力電圧（抵抗Ｒ４による分圧値）と目標値Ｖ０との差に基づき、発振回路１４１の電源電圧Ｖ１を制御する。詳細には、受電回路１２０の出力電圧の分圧値が目標値Ｖ０よりも高い場合にはスイッチング素子ＳＷ７のオン抵抗が低くなる。これにより、発振回路１４１に供給される電源電圧Ｖ１が低下することから、発振回路１４１から出力される交流信号の振幅が小さくなる。逆に、受電回路１２０の出力電圧の分圧値が目標値Ｖ０よりも低い場合にはスイッチング素子ＳＷ７のオン抵抗が高くなる。これにより、発振回路１４１に供給される電源電圧Ｖ１が上昇することから、発振回路１４１から出力される交流信号の振幅が大きくなる。このようにして、発振回路１４１からは受電回路１２０の出力電圧レベルに応じて振幅変調された１０ＭＨｚの交流信号が出力される。
【００３３】
上述の通り、受電回路１２０の出力電圧が２４Ｖよりも大きければ、発振回路１４１が生成する搬送波信号の波高値が低下する。そうすると、受信コイル９側でも搬送波信号の波高値が低下し、整流・平滑後の直流電圧も小さくなるので、制御回路１５０は電源回路１１１の出力電圧を下げる制御指令を出す。これにより送電回路１１０からの出力電圧は小さくなるので、受電回路１２０の出力電圧を小さくすることができる。
【００３４】
一方、受電回路１２０の出力電圧が２４Ｖよりも小さければ、発振回路１４１が生成する搬送波信号の波高値が増大する。そうすると、受信コイル９側でも搬送波信号の波高値が増大し、整流・平滑後の直流電圧も大きくなるので、制御回路１５０は電源回路１１１の出力電圧を上げる制御指令を出す。これにより送電回路１１０からの出力電圧は大きくなるので、受電回路１２０の出力電圧を大きくすることができる。
【００３５】
図４は、受電ユニット１Ｂの回路構成の他の例を詳細に示すブロック図である。
【００３６】
図４の受電ユニット１Ｂが図３の受電ユニット１Ｂと異なる点は、電源電圧生成回路１４２がトランスＴを介して受電回路１２０の出力ラインに接続されており、受電回路１２０の出力電流の大きさに応じて発振回路１４１の電源電圧を生成する点にある。受電回路１２０の出力電流の大きさに比例した電圧はトランスＴに接続された抵抗Ｒ６の端子間電圧から得られ、電源電圧生成回路１４２は、受電回路１２０の出力電流の大きさに比例した電圧と目標値Ｖ０との差に基づき、発振回路１４１の電源電圧Ｖ１を制御する。これにより、発振回路１４１からは受電回路１２０の出力電流レベルに応じて振幅変調された１０ＭＨｚの交流信号が出力される。
【００３７】
本実施形態において電力伝送用の交流電圧の周波数が１００ｋＨｚであるのに対し、信号伝送用の交流信号の周波数は１０ＭＨｚであり、電力伝送用の交流電圧の周波数の１００倍である。信号伝送用の交流信号の周波数は、電力伝送用の交流電圧の周波数の１０倍以上であることが好ましい。信号伝送用の交流信号の周波数が電力伝送用の交流電圧の周波数の１０倍以上であれば、電力伝送用の交流電圧の高調波が交流信号に対するノイズとなって出力信号波形が歪むことがないので、電力伝送側との混信を避けることができ、交流信号の伝送品質を確保ことができる。
【００３８】
発振回路１４１は一定の周波数でただ発振するだけであり、発振回路１４１の電源電圧Ｖ１を昇降することで、発振回路１４１の出力信号を振幅変調している。すなわち、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさを示す制御情報は、発振回路１４１が生成する搬送波信号を振幅変調することにより重畳される。この構成によれば、発振回路１４１の電源電圧自体を変えることによって簡単に振幅変調が可能となると共に、部品点数が少なくて安価且つ信頼性が高い構成により信号伝送を実現することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１は、交流信号の周波数が交流電圧の周波数よりも１０倍以上高いので、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくすることができる。また、受電回路１２０の出力電圧又は出力電流の大きさが交流信号の振幅の大きさに変換されるので、交流信号の周波数と一致する電力伝送の周波数（送電回路から出力される交流電圧の周波数）のノイズ周波数成分の影響を抑えることができ、電力制御の誤動作を防止することができる。したがって、電力伝送と信号伝送の互いの影響を小さくすることができ、電力伝送と信号伝送との安定的な両立を実現することができる。しかも、交流信号を受信した送電ユニット１Ａは、電源回路１１１の出力電圧を昇降させることによって受電ユニット１Ｂに伝送する電力を調整していることから、電圧変換回路１１２に対する複雑な制御を行う必要がないという利点も有している。また、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１においては、信号伝送用の交流信号の周波数ならびに電力伝送用の交流電圧の周波数をともに特定の周波数に固定することができることから、電力伝送と信号伝送の互いの影響をより一層小さくすることができる。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上記実施形態においては、電源回路として非絶縁型の降圧コンバータを用いたが、本発明はこのような構成に限定されず、種々の電源回路を用いることができる。ただし、非絶縁型の降圧コンバータを用いた場合には安価で高効率な電源回路を構成することが可能である。
【００４２】
また上記実施形態においては、電力伝送用の周波数を１００ｋＨｚ、信号伝送用の周波数を１０ＭＨｚとしたが、本発明はそのような組み合わせに限定されず、信号伝送用の周波数が電力伝送用の周波数の１０倍以上であれば種々の周波数の組合せが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１    ワイヤレス電力伝送装置
１Ａ    送電ユニット
１Ｂ    受電ユニット
６    送電コイル
７    受電コイル
８    送信コイル
９    受信コイル
１００    直流電圧源
１１０    送電回路
１１１    電源回路
１１２    電圧変換回路
１１３    電源回路スイッチング素子コントロール部
１１４    電圧変換回路スイッチング素子コントロール部
１２０    受電回路
１２１    ブリッジ型全波整流回路
１３０    負荷
１４０    信号生成回路
１４１    発振回路
１４２    電源電圧生成回路
１５０    制御回路
１５１    フィルタ
１５２    整流平滑回路
１５３    可変分圧回路
Ｃ１    バイパスコンデンサ
Ｃ２    並列キャパシタ
Ｃ３    平滑コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４    整流ダイオード
Ｌ１    直列インダクタ
ＯＰ    オペアンプ
Ｒ１，Ｒ３〜Ｒ６    抵抗
Ｒ２    可変抵抗
ＳＷ１〜ＳＷ７    スイッチング素子
Ｔ    トランス
ＴＰ    電力伝送用トランス
ＴＳ    信号伝送用トランス
【図１】
2018064333.tif 000003
【図２】
2018064333.tif 000004
【図３】
2018064333.tif 000005
【図４】
2018064333.tif 000006