(57)【要約】【課題】磁界共鳴に基づく非接触電力伝送装置において、負荷の変動により共振状態が変化し、送電共振系の共振電圧が送電共振系を構成する部品の耐圧を超え、送電共振系が破損してしまう。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、受電装置側が必要とされる電力を監視し、受電電力の増減と負荷の増減に応じて受電電力が乱高下しないように制御する。また、送電装置側は送電電圧の増減を監視し、負荷変動に対して適切な電力を供給する。この結果、負荷変動による共振回路のコンデンサの破損を防止できる。また、送受電共振系への異物の混入や送電共振系と受電共振系との距離変化等、または受電側に接続された負荷の変動に対応可能な非接触電力伝送装置を提供することができる。【選択図】図１
2016067122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイル及び送電容量により構成された送電共振系を有する送電装置と、
受電コイル及び受電容量により構成された受電共振系を有する受電装置とを備え、
前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電装置は、更に、送電共振系に供給する電力量を制御する駆動制御回路を備え、
前記受電装置は、更に、
前記受電装置から電力を出力する出力部と、
前記受電共振系が受電した交流電力を検波する検波手段と、
前記検波手段と前記出力部の間に配置されたカットオフ回路と、
前記カットオフ回路を制御する受電側制御手段を備え、
前記受電側制御手段は、前記検波手段の出力電圧が所定の値を超えた時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオフにし、前記検波手段の出力電圧が所定の値を下回った時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオンにし、
前記駆動制御回路は、前記送電共振系の共振電圧を検出し、該検出された共振電圧に基づいて、送電共振系に供給する電力量を調節することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記受電装置は電力補充手段を備え、
前記カットオフ回路によるオン／オフにより、カットオフ回路の出力電力に一時的な電力の低下が生じた場合に、前記電力補充手段が前記カットオフ回路の出力電力を補充することを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触（ワイヤレス）で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。
【０００３】
そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。
【０００４】
一般的に、磁界共鳴型の非接触電力伝送装置は、送電装置と受電装置を備える。送電装置は少なくとも送電コイルと共振容量で構成される送電共振系と、送電共振器に電力を供給する送電部を有する。受電装置は少なくとも受電コイルと共振容量で構成される受電共振系を有する。磁界共鳴型の非接触電力伝送装置は、送電共振系と受電共振系が磁界的に共鳴することを利用して、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する。
【０００５】
このような非接触電力伝送装置において、負荷インピーダンスが高い（軽負荷）状態で送電電圧を立ち上げると、送電装置内に過大な電流が発生し、送電素子が破壊されるという問題がある。この問題に対処するためには、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り、装置のコストが高くなる問題がある。
【０００６】
特許文献１には、非接触電力伝送装置において、受電装置側にインピーダンス調整部を設けて、受電装置の入力インピーダンスを適宜調整することにより、送電側装置内に過大な電流が発生することを防止する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１４６１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非接触電力伝送装置において、負荷で要求される電力の大小によって負荷変動が生じた場合、共振系の共振状態を変化させてしまう。共振系のＱ値が負荷変動によって変化してしまうからである。
【０００９】
一般的に負荷変動によって軽負荷になると共振系のＱ値が高くなってしまうので、負荷変動が生じた場合、一定の駆動電圧と一定の駆動波形で送電系を駆動していると、共振系の共振電圧が異常に上昇してしまう。従来技術の課題であった、負荷インピーダンスが高い（軽負荷）状態で送電電圧を立ち上げた場合と同様に、負荷変動が生じた場合でも、共振電圧が共振回路を構成するコンデンサの耐圧を超えてしまい、コンデンサが破損してしまうという問題があった。
【００１０】
特許文献１に示されている従来の技術では、可変な入力インピーダンスを実現するための複雑な構成が必須で、送電装置と受電装置の間で通信を必要とする場合もあり、従来に比べて構成が複雑になるといった問題があった。
【００１１】
本発明は、送電装置と受電装置の間で通信を行うことなく、比較的簡易な構成で上記の負荷変動に対応でき、共振回路を構成するコンデンサの破損を防止できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び送電容量により構成された送電共振系を有する送電装置と、受電コイル及び受電容量により構成された受電共振系を有する受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記送電装置は、更に、送電共振系に供給する電力量を制御する駆動制御回路を備え、前記受電装置は、更に、前記受電装置から電力を出力する出力部と、前記受電共振系が受電した交流電力を検波する検波手段と、前記検波手段と前記出力部の間に配置されたカットオフ回路と、前記カットオフ回路を制御する受電側制御手段を備え、前記受電側制御手段は、前記検波手段の出力電圧が所定の値を超えた時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオフにし、前記検波手段の出力電圧が所定の値を下回った時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオンにし、前記駆動制御回路は、前記送電共振系の共振電圧を検出し、該検出された共振電圧に基づいて、送電共振系に供給する電力量を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、受電装置側が必要とされる電圧を監視し、受電電力の増減と負荷の増減に応じて受電電圧が乱高下しないように制御する。また、送電装置側は送電電圧の増減を監視し、負荷変動に対して適切な電力を供給する。
【００１４】
この結果、負荷変動による共振回路のコンデンサの破損を防止できる。また、送受電共振系への異物の混入や送電共振系と受電共振系との距離変化等、または受電側に接続された負荷の変動に対応可能な非接触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】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図
【図２Ａ】本発明の実施の形態１におけるカットオフ回路と受電側制御手段の第１の回路図
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１におけるカットオフ回路と受電側制御手段の第２の回路図
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１におけるカットオフ回路と受電側制御手段の第３の回路図
【図３】本発明の実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明における実施の形態１の非接触電力伝送装置１００の概略構成を示す。非接触電力伝送装置１００は、送電装置１０と受電装置２０により構成される。送電装置１０は、高周波電力を非接触伝送するための送電共振系５０を備える。受電装置２０は、送電装置１０の送電共振系５０が送電する高周波電力を受電するための受電共振系６０を備える。本発明の非接触電力伝送装置１００は、送電共振系５０と受電共振系６０を磁気的に結合させて、送電装置１０から受電装置２０に非接触で電力を伝送する。
【００１７】
送電装置１０は、更に、送電共振系５０を駆動する駆動回路３０と、送電共振系５０の共振電圧を検出して駆動回路３０の駆動電力を制御する駆動制御回路４０を備える。
【００１８】
受電装置２０は、更に、受電共振系６０の出力を検波する検波手段７１、検波手段７１の出力電力を受電装置２０から出力するか否かをオン／オフするカットオフ回路７２、受電電力が不足する場合は電力を補充する電力補充手段７３、電力を加算する加算器７４、カットオフ回路７２を制御する受電側制御手段８０、電力を出力する出力部９０を備える。
【００１９】
出力部９０には不図示の負荷が接続される。負荷が軽く出力部９０からの出力電力がさほど必要でない場合は、送電装置からの供給電力より受電装置の消費電力が小さくなり、受電電圧が上昇してしまう。その場合、受電側制御手段８０は、カットオフ回路７２で検波手段７１の出力電力を遮断して、負荷９０側の電圧の上昇を回避する。一方、負荷が重く出力部９０からの出力電力が不足している場合は、受電側制御手段８０は、電力補充手段７３により電力を補充する制御を行う。
【００２０】
前記公知文献に開示の従来技術のように、送電装置１０と受電装置２０に別途通信手段を設け、受電装置２０に接続された負荷が小さくなった情報を受電装置２０が送電装置１０に送信し、その情報を受信した送電装置１０は駆動回路の電力を低下させるように制御しても負荷変動に対応できる。
【００２１】
これに対し、本発明の非接触電力伝送装置では、負荷変動に対して、まずは受電共振系の挙動を制御する。これにより、受電装置側で負荷変動による変化を吸収する。同時に送電装置側では受電側と独立して送電電力を調節する。すなわち、非接触電力伝送装置では、負荷変動に対応するにあたって、送電装置１０と受電装置２０に別途通信手段を設ける必要がない。以下、負荷変動に対して受電共振系を制御する手段について説明する。
（受電共振系の電圧監視に基づく電力制御）
図１の送電共振系５０と受電共振系６０からなる送受電共振系は、送電共振系５０と受電共振系６０の相対的な位置関係に依存して結合係数が変動した場合や、負荷が変動すると、送電共振系５０と受電共振系６０の共振電圧や共振周波数が変動する。
【００２２】
図１において、例えば、電気機器等の消費電力が低下した場合には負荷が軽くなる。出力部９０に接続される負荷が軽くなると、受電共振系６０の負荷が減少するので、受電共振系の共振電圧が上昇し、検波手段７１の出力電圧が上昇しようとする。
【００２３】
受電側制御手段８０は、出力部９０の電圧を監視する。受電側制御手段８０は、出力部９０の電圧が所定の値を超えること検知すると、カットオフ回路７２をオフして検波手段７１から出力部９０への電力の供給を切断する。これにより、検波手段７１から出力される電力により引き起こされる出力部９０の電圧の上昇を抑制できる。
【００２４】
受電側制御手段８０は、出力部９０の電圧が再び所定の値以下となったことを検知すると、カットオフ回路７２をオンして検波手段７１の出力を出力部９０に供給する。
【００２５】
ただし、検波手段７１の出力を切断すると、送受電共振系から外部に出力される電力が減少し、送受電共振系に電力が蓄積されてしまう。すなわち、送電共振系５０の共振電圧も上昇する。
【００２６】
そこで、駆動制御回路４０は送電共振系５０の共振電圧を検出し、駆動回路３０からの出力電力を低下させる。その結果、送電共振系５０と受電共振系６０の共振電圧の上昇を抑えることができ、出力部９０の負荷の減少に対応するとともに、送電共振系５０と受電共振系６０のコンデンサの破損も防止できる。
【００２７】
図２Ａ〜図２Ｃに、カットオフ回路７２と受電側制御手段８０の回路図を示す。受電装置２０には、カットオフ回路７２と受電側制御手段８０以外にも構成要素がある。但し、図２Ａ〜図２Ｃでは、カットオフ回路７２と受電側制御手段８０の説明を簡単にするために、受電装置２０におけるカットオフ回路７２と受電側制御手段８０以外の構成要素を省略した。
【００２８】
図２Ａにカットオフ回路７２と受電側制御手段８０の第１の回路図を示す。図２Ａの第１の回路では、受電側制御手段８０がコンパレータ８０１で構成されるため、別途ＤＣ電力がコンパレータ８０１に供給される。コンパレータ８０１への電力は、検波手段７１の出力電力を所定の電圧に変換して供給しても良いし、別途電源を用意してもよい。図１に示したように、カットオフ回路７２には検波手段７１から電力が入力される。
【００２９】
図２Ａにおいて負荷が軽くなり、Ａ点の電圧が上昇して抵抗分圧したＢ点がコンパレータ８０１の基準電圧を超えると、コンパレータ８０１の出力がＨｉｇｈからＬｏｗになる。その結果トランジスタ７２１がオフとなり、ＦＥＴ７２３もオフとなる。
【００３０】
その後、Ａ点の電圧が下がり、Ｂ点の電圧が、ヒステリシスを持ったコンパレータ８０１の基準電圧を下回ると、コンパレータ８０１の出力がＬｏｗからＨｉｇｈになり、ＦＥＴ７２３がオンとなるので、出力部９０への電力の供給が再開される。
【００３１】
図２Ｂはカットオフ回路７２と受電側制御手段８０の第２の回路図を示す。図２Ｂの第２の回路は図２Ａの第１の回路に比べて簡略化されている。
【００３２】
図２Ｂにおいては、Ｂ点の電圧が上がるとトランジスタ８０２がオンになり、トランジスタ７２２もオンとなるので、ＦＥＴ７２３がオフとなる。ただし、この場合、トランジスタ８０２のスイッチ速度にも依存するが、一般に、図２Ａの場合よりもかなり応答が遅く、トランジスタ８０２がオフからオンになる際にＦＥＴ７２３がかなり発熱してしまう。
【００３３】
図２Ｃはカットオフ回路７２と受電側制御手段８０の第３の回路図を示す。受電側制御手段８０をカレントスイッチで構成することにより、図２Ｂの課題である応答速度を向上することができる。
【００３４】
次に、図１に示した出力部９０に接続される負荷が重くなる場合について説明する。例えば、出力部９０に接続された電気機器等の消費電力が増加した場合、負荷が重くなる。出力部９０に接続される負荷が重くなると、出力部９０の電圧が基準より低下する。
【００３５】
そこで、受電側制御手段８０は、出力部９０の電圧が基準より低下したことを検出すると、電力補充手段７３の手段により加算器７４を通じて電力を供給する。これにより、出力電圧の低下を防止でき、安定した電力供給が可能となる。
【００３６】
この負荷が重くなった場合の出力部９０の出力電圧の低下は、送受電系の電力供給の挙動から必ず発生する。先ず、負荷が増加すると検波手段７１を通じて受電共振系６０から出力される電力が増大する。その増大する電力は送電共振系５０が作る共振している磁界からエネルギーを受け取って負荷に供給することにより賄われる。
【００３７】
すなわち、駆動回路３０から出力される電力は、負荷を含めた送受電系のインピーダンスに応じて検波手段７１から出力される。ここで、送電共振系５０と受電共振系６０は送受電共振系を構成しているが、電力はこの送受電共振系という時定数を持ったフィルタを経由して送電装置１０から受電装置２０へ伝送される。そのため、負荷に要求される電力が変化した場合、その変化に追従するまでに所定の時間が必要となってしまう。本発明の電力補充手段７３は、この一時的な電圧の低下を補償する。
【００３８】
なお、コンデンサ等で構成している電力補充手段７３は、負荷が軽い場合は充電しておき、負荷が重くなった場合は放電することにより負荷変動を調整する。
＜実施の形態２＞
図３は、本発明における実施の形態２の非接触電力伝送装置１０１の概略構成を示す。図１に示した実施の形態１と比べると、受電装置２１が異なっている。以下、受電装置２１について詳しく説明する。
【００３９】
受電共振系６０で受電された電力は、両波整流器７１１で直流電力に変換したのち、出力部９０に接続された不図示の負荷等に給電される。過小電圧検出器８１２は、出力部９０の負荷が重くなり伝送電力だけでは電力が不足すると判断すると、スイッチ７３４を導通状態にして、蓄電手段７３２に蓄えられた電力を出力部９０に供給する。
【００４０】
一方、出力部９０からの電力出力が減少した場合、すなわち、出力部９０からの電力供給が過剰になる場合、余った電力がダイオード７３１を介して蓄電手段７３２に蓄えられる。
【００４１】
但し、出力部９０からの電力供給が過剰になる場合であって、かつ、蓄電手段７３２が満充電の場合には、出力部９０の電圧が上昇しようとする。この時、過剰電圧検出器８１１は、出力部９０の電圧の上昇を検出し、スイッチ７１２を開放する。これにより両波整流器７１１から出力される電力が出力部９０に供給されなくなり、出力部９０の異常な電圧上昇を防止できる。
【００４２】
スイッチ７１２が開放され、両波整流器７１１からの出力が消費されない場合は、送受電共振系に電力が蓄積されてしまう。すなわち、送電共振系５０の共振電圧も上昇する。
【００４３】
そこで、駆動制御回路４０は送電共振系５０の共振電圧を検出し、共振電圧が所定の値を超えている場合は、駆動回路３０からの出力電力を低下させる。その結果、送電共振系５０と受電共振系６０の共振電圧の上昇を抑えることができ、出力部９０の負荷の減少に対応するとともに、コンデンサの破損も防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の非接触電力伝送装置は、負荷の変動に応じて伝送する電力量を調整しつつ、電力伝送回路の破損を防止できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  送電装置
２０、２１  受電装置
３０  駆動回路
４０  駆動制御回路
５０  送電共振系
６０  受電共振系
７１  検波手段
７１１  両波整流器
７１２  スイッチ
７２  カットオフ回路
７２１、７２２  トランジスタ
７２３  ＦＥＴ
７３  電力補充手段
７３１  ダイオード
７３２  蓄電手段
７３４  スイッチ
７４  加算器
８０  受電側制御手段
８０１  コンパレータ
８０２  トランジスタ
８１１  過剰電圧検出器
８１２  過小電圧検出器
９０  出力部
１００、１０１  非接触電力伝送装置
【図１】
2016067122.tif 000003
【図２Ａ】
2016067122.tif 000004
【図２Ｂ】
2016067122.tif 000005
【図２Ｃ】
2016067122.tif 000006
【図３】
2016067122.tif 000007