(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置から受ける交流電力により動作する第1負荷回路を接続可能な受電装置であって、
前記送電装置から磁気結合を介して交流電力を受信する受電部と、
前記受電部で受信した交流電力の電圧又は電流の少なくとも一方を変換可能なインピーダンス調整部と、
前記送電装置の出力電圧の上昇を制御する制御部と、
を備え、
前記第1負荷回路が前記受電装置と接続された場合、前記インピーダンス調整部を介して交流電力が前記第1負荷回路へ供給されるものであって、
前記制御部は、前記送電装置の出力電圧を上昇させている間、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスが、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスの目標値よりも低くなるように前記インピーダンス調整部を制御する
受電装置。
【請求項２】
前記送電装置から受電する交流電力により動作する第2負荷回路を接続可能な受電装置であって、
前記インピーダンス調整部と前記第2負荷回路間の接続を切り換えるスイッチとを備え、
前記制御部は、前記送電装置の出力電圧を上昇させている間、前記スイッチをオンにする
請求項1に記載の受電装置。
【請求項３】
前記インピーダンス調整部は、複数のスイッチを含むスイッチングコンバータを有し、
前記制御部は、前記スイッチのスイッチングのデューティサイクルを制御することによって、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスを調整する
請求項1または2に記載の受電装置。
【請求項４】
前記インピーダンス調整部は、複数のスイッチと複数の容量素子とを含むスイッチングコンバータを有し、
前記制御部は、前記容量素子の容量値を変更することによって、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスを調整する
請求項1または2に記載の受電装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスが初期値から第1目標値の任意の割合に遷移するのに要する時間が、前記送電装置の出力電圧が初期値から第2目標値の前記任意の割合と同じ割合に遷移するのに要する時間より長くなるように制御する
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の受電装置。
【請求項６】
前記受電装置は、前記第1負荷回路をさらに備えるものであって、
前記第1負荷回路は、2次電池である
請求項1ないし5のいずれか一項に記載の受電装置。
【請求項７】
交流電力を受ける受電部と、前記受電部で受けた交流電力を伝送するインピーダンス調整部とを有し、かつ前記インピーダンス調整部を介して受ける交流電力により動作する負荷回路を接続可能な受電装置へ電力を送る送電装置であって、
交流電力を生成する交流電力生成器と、
前記受電部との磁気結合を介して前記受電装置に交流電力を送信する送電部と、
前記交流電力生成器の出力電圧の上昇を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流電力生成器の出力電力を上昇させている間、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスが、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスの目標値よりも低くなるように前記インピーダンス調整部を制御する
送電装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスが初期値から第1目標値の任意の割合に遷移するのに要する時間が、前記交流電力生成器の出力電圧が初期値から第2目標値の前記任意の割合と同じ割合に遷移するのに要する時間より長くなるように制御する
請求項7に記載の送電装置。
【請求項９】
送電装置と、前記送電装置から受ける交流電力をインピーダンス調整部を介して負荷回路へ供給可能な受電装置とを制御する制御装置であって、
前記送電装置の出力電圧の上昇を制御し、
前記送電装置の出力電力を上昇させている間、前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスが前記インピーダンス調整部の入力インピーダンスの目標値よりも低くなるように前記インピーダンス調整部を制御する、制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、電力伝送に関する。
【背景技術】
【０００２】
送電装置と、送電装置から電力を受信する受電装置とからなる無線電力伝送装置において、負荷変動等により過大な突入電流が発生し、受電側トランジスタ等の能動デバイスが破壊される問題がある。この問題に対し、従来は受電側回路を短絡して共振回路を切り離すことで、突入電流を防止する方法を取っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2005-168246公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の方法は受電側素子の保護には有効であったが、負荷インピーダンスが高い(軽負荷)状態で送電電圧を徐々に立ち上げると、送電側装置内に過大な電流が発生し、送電側素子が破壊される可能性がある。更に、送電装置に実際の電力伝送状態より高い電流値に耐えるデバイスを用いる必要があるため、装置のコストが高まる。
【０００５】
本発明の一側面は、負荷回路のインピーダンスが実際の送電状態より高い状態で送電装置を起動しても、送電側素子の破壊される可能性を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態としての受電装置は、送電装置から受ける交流電力により動作する第1負荷回路を接続可能な受電装置であって、受電部と、インピーダンス調整部と、制御部とを備える。
【０００７】
前記受電部は、前記送電装置から磁気結合を介して交流電力を受信する。
【０００８】
前記インピーダンス調整部は、前記受電部で受信した交流電力の電圧又は電流の少なくとも一方を変換可能である。
【０００９】
前記制御部は、前記送電装置の出力電圧の上昇を制御する。
【００１０】
前記第1負荷回路が前記受電装置と接続されて、前記インピーダンス調整部を介して交流電力が前記第1負荷回路へ供給される場合に、前記制御部は、前記送電装置の出力電圧を上昇させる期間の少なくとも一部、前記インピーダンス調整回路の入力インピーダンスが前記第1負荷回路の入力インピーダンスよりも低くなるように前記インピーダンス調整部を制御する
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第1の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図。
【図２】図1の無線電力伝送装置における送電装置と受電装置を示す図。
【図３】第2の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図。
【図４】第3の実施形態に係るインピーダンス調整部の構成例を示す図。
【図５】第4の実施形態に係るインピーダンス調整部の構成例を示す図。
【図６】電圧上昇速度とインピーダンス上昇速度との関係を示す図。
【図７】第6の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す図。
【図８】第7の実施形態に係るインピーダンス調整部の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【第１の実施形態】
【００１３】
図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る無線電力伝送装置のブロック図である。
【００１４】
本無線電力伝送装置は、交流電力を発生する交流電力生成器11、2つ以上の誘導性素子と1つ以上の容量素子を含む非接触電力伝送部12、入出力の電圧・電流関係を変換しインピーダンス変換を行うインピーダンス調整部13、交流電圧発生器11とインピーダンス調整部13を制御する制御部15、及び受電電力を消費する負荷回路14とを備える。
【００１５】
本無線電力伝送装置は、実際には、図2に示すように、送電装置21と受電装置22との2つの装置を含む。図1に示した電力伝送部12は、送電装置21側の送電部16と、受電装置22側の受電部17とを含む。
【００１６】
送電装置21は、交流電力生成器11と送電部16とを含み、受電装置22は受電部17と、インピーダンス調整部13と、負荷回路14と、制御部15とを含む。負荷回路14は、受電装置22に含めずに、独立した装置であってもよいし、別の装置に組み込まれても良い。
【００１７】
制御部15は、インピーダンス調整部13と交流電力生成器11を制御する。制御部15から出力される制御信号は、無線通信手段または有線通信手段を用いて相手側の送電装置21に伝達される。制御部15は、受電装置22でなく送電装置21に含まれていても良いし、受信装置22および送電装置21から分離して制御装置として独立して存在してもよい。あるいは、制御部15は、送電装置および受電装置の双方に分散的に組み込まれていても良い。この場合、分散的に組み込まれた際の制御部15間の信号は無線通信手段または有線通信手段を用いて伝達される。同様に、上記制御装置も、複数の装置として分散的に存在してもよい。
【００１８】
図1(b)は、交流電力生成器11をインバータ回路により実現した際の実施例を示す。
【００１９】
上下のスイッチ21、22を相補的に動作させることで出力端に交流電圧・電流（交流電力）を発生させる。発生させられた電力は、非接触電力伝送部12、より具体的には送電部16に入力される。
【００２０】
図1(c)は、非接触電力伝送部12の一実施例を示す。
【００２１】
この非接触電力伝送部12は、2つのLC共振器からなる。送電側のLC共振器は、互いに直列に接続された容量素子31と誘導性素子32とを含む。受電側のLC共振器は、互いに直列に接続された誘導性素子42と容量素子41とを含む。送電側のLC共振器は、図2の送電部16に対応し、受電側のLC共振器は、図2の受電部17に対応する。
【００２２】
図1(c)の構成において、対向する2つの誘導性素子32、42間の磁界結合を利用し、それぞれに直列接続された容量素子31、41を、送電周波数付近で誘導性素子32、42と共に共振させることで、送電装置21から受電装置22への高効率な無線電力伝送が実現される。
【００２３】
誘導性素子32、42間の結合係数kは、誘導性素子の大きさ、伝送距離などにより1以下の任意の値を取る。なお、本例では、容量素子は、送電側および受電側の両方に設けられているが、たとえば受電側のみ容量素子31が設けられ、送電側には容量素子41が設けられていない構成も可能である。
【００２４】
図1における負荷回路14は、2次電池など蓄電機能を持ったものでも、蓄電機能を持たないものでも良い。
【００２５】
ここで、負荷回路14の入力インピーダンス、即ち入力電圧を入力電流で除したものをZLとする。同様に、インピーダンス調整部13の入力インピーダンスをZ2、電力伝送部12の入力インピーダンスをZ1とする。
【００２６】
本実施の形態において、交流電力生成器11を起動、或いは伝送電力を上昇させるため、送電電圧Vsを上昇させると、交流電力生成器11には送電電圧VsをインピーダンスZ1で除した電流が発生する。
【００２７】
仮にインピーダンス調整部13の状態を固定すると、共振周波数付近においてはZLの値が高くなるほど、インピーダンスZ1の値は低くなる。従って負荷回路14が、供給される電圧が動作電圧に達せずに、電流を消費しない状態、或いは軽負荷で消費電流が低い状態であると、インピーダンスZLは無限大ないし大きな値を取り、一方インピーダンスZ1は低い値を取る。このために、交流電力生成器11には過電流が生じ、スイッチ素子の破損等を招く（電流の経路は、図1(c)の送電側までであり、受電側まで流れない）。この問題を解決するため、例えば耐電流値の高いスイッチ素子を用いると、交流電力生成器の実装コスト増加に繋がる。
【００２８】
そこで本実施の形態では、電力伝送部12と負荷回路14間にインピーダンス調整部13を設け、更にインピーダンス調整部13と交流電力生成器11を制御するための制御部15を設けている。制御部15によるインピーダンス調整部13の制御は、少なくともインピーダンス調整部13によるインピーダンスの調整（インピーダンスの低下）を開始するトリガを与えられれば良く、さらに、インピーダンスの調整の速度、調整の期間、一時停止等の処理を含んでも良い。制御部15による交流電力生成器11の制御は、少なくとも交流電力生成器11（送電装置）の出力電圧の上昇を開始するトリガを与えられれば良く、さらに、出力電圧の上昇の速度、上昇の期間、一時停止等の処理を含んでもよい。インピーダンス調整部13は、受電部17で受信した交流電力の電圧又は電流の少なくとも一方を変換可能である。
【００２９】
制御部15は、負荷回路14が受電装置と接続されてインピーダンス調整部13を介して交流電力を負荷回路に供給される場合に、送電電圧Vsが目標値（負荷回路の動作電圧）に達するまで徐々に上昇するように交流電力生成器11を制御し、この上昇の間、さらに、Z2<ZLとなるようにインピーダンス調整部13を制御する。具体的には、Z2＜ZLを満たしつつ、Z2を適度に上昇させ、最終的に送電電圧Vsが目標値に達するのに合わせて、Z2=ZLとなるようにする。ただし、最終的にZ2=ZLになることは必須ではなく、どちらが高くても良い。このように制御することで、送電電圧Vsが目標値に達する前も、電流は、送電側のみならず、受電側にも流れ、交流電力生成器11における過電流は阻止される。なお、インピーダンスZ2を徐々に上昇させるのは、Z2が低い一定値のまま送電電圧Vsを上昇させると、送電装置に電流が流れず、受電側にも電力が伝わらないままになってしまうためである。
【００３０】
ここで、制御部15は、Z2およびZLの値を、たとえばインピーダンス調整回路13および負荷回路14のそれぞれの、入力電圧または入力電流またはこれらの両方から計算できる。これにより、Z2＜ZLを満たしつつ、Z2を適度に上昇させる。または、送電装置Vsの送電電圧の上昇パターン（上昇速度）および第1目標値を事前に固定し、インピーダンス調整部13のZ2の上昇パターン（上昇速度）および第2目標値も事前に固定し、制御部15は、これらに基づき交流電力生成器11およびインピーダンス調整部を制御してもよい。
【００３１】
なお、送電電圧Vsが目標値（すなわち負荷回路14の動作電圧）に達した段階では、負荷回路14に電流が流れ、負荷回路14は高負荷状態となる（入力インピーダンスは低くなる）。
【００３２】
以上により、送電電圧Vs上昇の際、インピーダンスZ1が増加させられるため、交流電力生成器11に過電流が発生することを防止する。
【００３３】
なお、本実施の形態では、インピーダンス調整部13内部での電力消費を除き、全ての受電電力は負荷回路14に入力される。
【００３４】
上記説明では送電電圧を徐々に上昇させる場合を示したが、負荷回路の電源を突然に落とした場合にも、本実施形態は有効である。電源を落とした場合は、負荷回路14の入力が瞬時に高インピーダンスになるため、制御部15は、電源が落ちたのを検出したときは、インピーダンス調整部13の入力インピーダンスZ2をZLよりも低くなるようにインピーダンス調整部13を制御する。これにより、電源が落ちた場合に、交流電力生成器11に過電流が流れて素子が破壊される問題を阻止できる。
【００３５】
以上、本実施形態によれば、負荷回路のインピーダンスが実際の送電状態より高い状態で送電装置を起動しても、送電側素子に過大な電流が発生しない。このため、耐電流・電圧値の低い素子を利用しても、送電装置の起動時に素子が破壊されることを阻止できる。つまり、送電装置の電流容量を小さく設計することができる。
【第２の実施形態】
【００３６】
図3は本発明の第2の実施形態に係る無線電力伝送装置のブロック図である。
【００３７】
本実施の形態では、インピーダンス調整部13に2つ以上の負荷回路（負荷回路1、2）が接続されている。インピーダンス調整部13は、負荷回路1、2への電流経路を設定する役割を果たす。
【００３８】
負荷回路1の入力インピーダンスをZL1、負荷回路2の入力インピーダンスをZL2とする。例えばインピーダンスZL1が非常に高い値又は開放状態である場合、比較的低い入力インピーダンスZL2を持つ負荷回路2にも電流が流入するよう、インピーダンス調整部13が電流経路を設定する。これによりZ2=(ZL1×ZL2)/(ZL1+ZL2)≒ZL2の関係が成り立ち、インピーダンスZ1は高い値を示す。この結果、交流電力生成器11の起動や送電電力の増加に伴って送電電圧Vsを上昇させても、交流電力生成器11に過電流が発生することを防止できる。
【００３９】
このように負荷回路1が動作するまでは負荷回路2のスイッチをオンにすることで、送電電圧の立ち上がりまでの電力を負荷回路2で有効活用できる。つまり、インピーダンス調整に伴う余剰電力を有効に利用することができる。負荷回路2は、たとえば電圧の低い蓄電池、低い電力で動く任意のデバイスを用いることができる。あるいは、負荷回路2は、電力を捨てるための抵抗でもよい。
【第３の実施形態】
【００４０】
図4(a)は本発明の第3の実施形態に係る無線電力伝送装置の全体構成図を、図4(b)はインピーダンス調整部13の回路図を示す。図4(a)の無線電力伝送装置のブロック図は図1(a)と同じである。
【００４１】
本実施の形態では、インピーダンス調整部13が電圧昇圧機能と整流機能を併せ持つ。
【００４２】
インピーダンス調整部13内の2つのスイッチSW1,SW2は同時に導通することはなく、スイッチング周波数は、交流電力生成器11の出力電圧・電流の周波数と同等か、それより高い値に設定される。
【００４３】
本構成では、スイッチSW1が導通している期間に、入力部の誘導性素子53に電流エネルギーが蓄えられる。スイッチSW 1が開放されると、誘導性素子53両端に高電圧が発生し、この電圧が入力信号に加算されることで、昇圧（高いDC）効果が得られる。つまりインピーダンス変換が行われる。
【００４４】
またスイッチSW 1,SW2と2つのダイオード51、52が全波整流器を構成することにより整流機能が実現される。
【００４５】
制御部15がスイッチSW1,SW2のデューティサイクルを調整（デューティー比を調整）することにより、昇圧の度合いを変更し、例えばZLの値が高い場合には、Z2の値が低下するように昇圧を制御する。高い昇圧（インピーダンス調整回路の低い入力インピーダンス）を得るときは、SW1のオン周期を短く、SW2のオン周期を長くする。昇圧の度合いを下げる（インピーダンス調整回路の入力インピーダンスを高くする）ときは、これと反対方向に周期を変更する。昇圧の度合いを徐々に下げることで、インピーダンスZ2を徐々に上昇させることができる。
【第４の実施形態】
【００４６】
図5(a)は本発明の第4の実施形態に係る無線電力伝送装置の全体構成図を、図5(b)はインピーダンス調整部13の回路図を示す。図5(a)の無線電力伝送装置のブロック図は図1(a)と同じである。
【００４７】
本実施の形態では、インピーダンス調整部13が全波整流回路71とスイッチトキャパシタ型昇圧回路72からなる。
【００４８】
φ1、φ2は各スイッチの制御信号の位相を示す。本実施の形態において、通常時（昇圧しないとき）は、φ1のスイッチをオン、φ2のスイッチをオフに固定するよう、制御部15がインピーダンス調整部13を制御する。このとき容量素子C1とC2が並列接続した回路となり、平滑コンデンサとして機能する。全波整流回路におけるダイオード素子61、62、63、64が理想的な特性を持っているとすると、インピーダンス調整部13の入力インピーダンスZ2は、理論式Z2=（π2/8）・ZLで与えられる。
【００４９】
一方、送電電圧Vsの上昇に伴って、インピーダンスZ2を低下させる必要がある場合には、φ1とφ2のスイッチを相補的にスイッチング動作させるように制御部15がインピーダンス調整部13を制御する。このとき、φ1のスイッチがオンのとき容量素子C1、C2の充電が行われ、φ2のスイッチがオンのときに、容量素子C1,C2の直列接続による昇圧が達成される。この結果、インピーダンスZ2は前記理論式よりも低下し、交流電力生成器11に過電流が発生することを防止できる。スイッチング信号の周波数およびデューティーは任意の値であって良い。昇圧量を大きくするときは、図示のように、容量変更指令を発してスイッチをオンにすることで、容量素子C2に容量素子C2’を並列接続すればよい。
【００５０】
以上、本実施形態によれば、インピーダンス変換に低損失なスイッチングコンバータ（スイッチトキャパシタ型昇圧回路）を用いることで、伝送装置全体の電力効率を高めることができる。
【第５の実施形態】
【００５１】
図6(a)は本発明の第5の実施形態に係る無線電力伝送装置の全体構成図を、図6(b)は制御部15の制御指令値の時間波形を示す。図6(a)の無線電力伝送装置のブロック図は図1(a)と同じである。
【００５２】
本実施形態では、送電電圧Vsを上昇させる際、送電電圧Vsの変化速度よりもインピーダンスZ2の変化速度が遅くなるよう、制御部15が指令値を出力する。
【００５３】
例えば送電電圧Vsが最終値（第1目標値）の80%に達する時間をt1、インピーダンスZ2が最終値（第2目標値）の80%に達する時間をt2とする。このとき、t1<t2と設定して、それぞれを単調増加させれば、送電電圧Vsの上昇中に、インピーダンスZLの変動や、結合係数kの変動があっても、交流電力生成器11の電流値が大幅に上昇し過電流となることを防止することができる。
【００５４】
以上、本実施形態によれば、交流電力生成器の電圧上昇に比べ、電力伝送部12の入力インピーダンスの降下が十分遅くなるため、電圧上昇中に急な負荷変動や伝送距離の変化など伝送条件の変動があっても、十分に過電流を防止することができる。
【第６の実施形態】
【００５５】
図7は本発明の第6の実施形態に係る無線電力伝送装置のブロック図である。図1(a)の負荷回路14が2次電池19となっており、無線電力伝送装置が2次電池の充電に利用される。
【００５６】
電池の充電時には電流逆流を防止するため、無線電力伝送装置からの出力電圧が2次電池の電圧値を下回る状況では電流路が遮断され、インピーダンスZLは非常に高い状態となる。この状態で、交流電圧Vsを上昇させると交流電力生成器11に過電流を生じる。
【００５７】
そこで、本実施の形態ではインピーダンス調整部13の出力電圧が2次電池19の電圧を上回るまでの期間において、インピーダンス調整部13のインピーダンスZ2が十分低くなるよう、制御部15が制御を行う。これにより交流電力生成器11の故障を防ぐことができる。
【００５８】
電池の充電電流・電圧を制御するコンディショナは2次電池ブロックに組み込まれていても、インピーダンス調整部13に組み込まれていても良い。
【００５９】
以上、本実施形態によれば、2次電池19の電圧値が高く、電力伝送部12の出力電圧が十分高まらなければ負荷電流が流れない状況でも、交流電力生成器に発生する過電流を防止することができる。
【第７の実施形態】
【００６０】
図8は、本発明の第7の実施形態に係る無線電力伝送装置におけるインピーダンス調整回路を示したブロック図である。
【００６１】
図4および図5に示したインピーダンス調整回路は、整流と昇圧を行う構成であったが、本実施形態では、これらとは別の例を示す。
【００６２】
図8に示すように、この例では、インピーダンス調整を、交流部にてコイル81と容量素子82を用いて行い、その後、回路83で整流を行う。これにより、負荷回路のインピーダンスが、電力伝送部から見て等価的に低くなるようにしている。インピーダンス変換時は、スイッチSW1はオン、スイッチSW2はオフにする。通常時は、スイッチSW1はオフ、スイッチSW2はオンにする。
【００６３】
この例ではコイルおよび容量素子は1個ずつのみであるため、インピーダンスZ2を徐々に変化させることはできないが、コイル、容量素子およびスイッチの回路を複数段組み合わせることで、インピーダンスZ2を徐々に変化させることが可能である。
【００６４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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