(57)【要約】【課題】簡易な手段および制御によって、高調波を抑制できる無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】非接触で配置された送電コイル１２ａと受電コイル２０ａを用いて電力を伝送する電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置２であって、送電コイル１２ａと非接触で配置され、送電コイル１２ａに発生した磁界により電力を発生する受電コイル２０ａと、高調波をカットするフィルタ２０ｃと、受電コイル２０ａに発生した電力を整流する整流回路２１と、整流回路２１により整流された電力を充電するバッテリ２３と、を有し、フィルタ２０ｃは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。【選択図】図１
2016197931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、
前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する前記受電コイルと、
高調波をカットするフィルタと、
前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、
前記フィルタは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有することを特徴とする無線電力伝送装置の受電装置。
【請求項２】
非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の送電装置であって、
所定の周波数の電力を出力するインバータと、
高調波をカットするフィルタと、
前記インバータからの電力で発生した磁界により、前記受電コイルに電力を発生させる前記送電コイルと、を有し、
前記フィルタは、前記フィルタの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有することを特徴とする無線電力伝送装置の送電装置。
【請求項３】
非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、
前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する受電コイルと、
高調波をカットするフィルタと、
前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、
前記フィルタは、セラミックコンデンサを含むことを特徴とする無線電力伝送装置の受電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の受電装置と請求項２に記載の送電装置、または請求項２に記載の送電装置と請求項３に記載の受電装置を備える無線電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無線で電力を伝送する無線電力伝送装置および無線電力伝送装置の受電装置および送電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線電力伝送装置は、送電コイルと受電コイルとを非接触で使用し、無線により電力を伝送することができる。この無線電力伝送装置は、電極の露出がなく摩耗による性能劣化がないこと、水分の多い環境でも安全に伝送できることなど、多くの利便性を有する。そのため、近年では、ＩＣカード、携帯電話、電動歯ブラシ、電気シェーバーなど多くの機器に採用されている。
【０００３】
特に、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）などに応用して、数ｋＷオーダーの電力を伝送することで、コネクタを接続せずに充電できるシステムの実現を目指して、開発が行われている。
【０００４】
このような充電用の無線電力伝送装置においては、電力を伝送する側の送電コイルと充電する側の受電コイルとが、対向して配置される。送電コイルには、インバータによる高周波電源が接続され、高周波電力が送電コイルに入力される。送電コイルは、入力された高周波電力により高周波磁界を発生させる。発生した高周波磁界は受電側コイルに鎖交して、受電コイルに高周波の電圧を発生させる。
【０００５】
受電コイルで発生した高周波は、受電コイルに接続された受電回路により直流に変換され、バッテリの充電などに用いられる。このように、送電コイル及び受電コイルを介して、非接触で電力を伝送することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１０６１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような無線電力伝送装置に用いられているインバータの出力波形は、矩形波電圧であり、正弦波ではない。したがって、インバータの出力には、電力伝送に必要となる基本波だけでなく、高調波成分も含まれている。特に、基本周波数に対して奇数倍の周波数である３次、５次、７次などの高調波電流が、送電側コイルに流れてしまう。すると、高周波の磁界が送電側コイル近傍に発生し、周辺の機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がある。
【０００８】
また、受電コイル側のバッテリの充電が進むと、バッテリの電圧が変化する。この場合、バッテリ充電回路において電圧比を調整するが、受電側の電圧値にあわせて、送電側から送る電力を変更する。従って、例えば受電側と送電側で通信を行って、必要電力量を決定する等の複雑な制御を行う必要が生じ、回路も複雑化する。また、通信を用いた場合、回線が切断されることが想定され、装置が不安定となることが考えられる。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡易な手段および制御によって、高調波を抑制できる無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の受電装置および送電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は、非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、送電コイルと非接触で配置され、前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する受電コイルと、高調波をカットするフィルタと、前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、前記フィルタは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の構成図である。
【図２】第１の実施形態のフィルタの特性を示すグラフである。
【図３】従来の無線電力伝送装置の構成図である。
【図４】第１の実施形態の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態の構成図である。
【図６】第３の実施形態の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
［構成］
第１の実施形態を、図１を参照して説明する。本実施形態の無線電力伝送装置は、電源からの電力を無線で伝送する送電装置１と、送電装置１から伝送される電力により、バッテリへの充電等を行う受電装置２を有する。例えば、ＥＶの場合、送電装置１は駐車スペース等に設置され、受電装置２は車体側に設置される。そして、駐車スペースの所定位置に車両が停車することにより、送電装置１に対して受電装置２が位置決めされる。
【００１３】
（送電装置）
送電装置１は、離隔配置された受電装置２に無線で電力を伝送する装置である。ここで、離隔配置とは、後述する送電コイル１２ａと受電コイル２０ａが非接触で電力を伝送可能な距離に接近した状態を意味し、筐体等の外装が接触しているか否かは問わない。
【００１４】
送電装置１は、直流電源１０、インバータ１１、送電用共振子１２を有する。直流電源１０は、直流電力の供給源である。インバータ１１は、所定の周波数により電力を出力する回路である。つまり、インバータ１１は、複数のスイッチング素子１１ａのオンオフを切り換えることにより、直流電源からの直流を交流に変換する。特に、本実施形態のインバータ１１は、基本波として８５ｋＨ程度の高周波電力を出力することができる。但し、周波数はこの値には限定されない。
【００１５】
インバータ１１は、例えば、電圧形の単相交流用のインバータ回路である。その具体的な構成例は、図１に示すように、一対のスイッチング素子１１ａを直列に接続したものを１組のアームとして、２組のアームを並列に接続したＨブリッジ回路である。スイッチング素子１１ａとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯなどを用いることができる。
【００１６】
各スイッチング素子１１ａには、ダイオード１１ｂが並列に接続されている。このダイオード１１ｂは、各スイッチング素子１１ａのオンオフの切り換え時に印加電圧と逆方向の電流を流す還流ダイオードである。なお、インバータ１１は、交流電力を出力するものであればよく、このような構成には限定されない。
【００１７】
送電用共振子１２は、送電コイル１２ａとコンデンサ１２ｂを有する共振子である。送電コイル１２ａは、インバータ１１からの電力により磁界を発生させるコイルである。送電コイル１２ａは、この磁界により、後述する受電コイル２０ａに電力を発生させる。
【００１８】
送電コイル１２ａの両端は、それぞれコンデンサ１２ｂを介して、インバータ１１のアームにおける一対のスイッチング素子１１ａの間に接続されている。これらのコンデンサ１２ｂは、送電コイル１２ａとの共振用に挿入される。
【００１９】
（受電装置）
受電装置２は、離隔配置された送電装置１から伝送された電力を受電する装置である。この受電装置２は、受電用共振子２０、フィルタ２０ｃ、整流回路２１、充電回路２２、バッテリ２３を有する。
【００２０】
受電用共振子２０は、受電コイル２０ａとコンデンサ２０ｂを有する共振子である。受電コイル２０ａは、非接触の送電コイル１２ａに発生した磁界により、電力を発生するコイルである。本実施形態では、受電コイル２０ａには高周波電流が発生する。受電コイル２０ａの両端は、それぞれコンデンサ２０ｂを介して、後述する整流回路２１に接続されている。コンデンサ２０ｂは、受電コイル２０ａとの共振用に挿入される。
【００２１】
受電用共振子２０は、フィルタ２０ｃを介して整流回路２１に接続されている。フィルタ２０ｃは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。例えば、整流回路２１以降の構成が負荷インピーダンスとした場合に、負荷インピーダンスに対して、フィルタ２０ｃへの入力インピーダンスが反転する特性を有する。反転する特性とは、例えば負荷インピーダンスが増加傾向にあるとき、入力インピーダンスが減少傾向にある特性を意味する。従って、図２に示す通り、負荷インピーダンスの増加に伴い、入力インピーダンスが減少するフィルタを用いることができる。
【００２２】
また、フィルタ２０ｃは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を整流回路２１に流入させないようにすることが可能である。フィルタ２０ｃは、例えば、コイルやリアクトルおよびコンデンサを含む回路により構成できる。
【００２３】
整流回路２１は、受電用共振子２０からの交流電力を、直流電力に変換する回路である。本実施形態では、整流回路２１は、受電コイル２０ａに発生した高周波電流を直流に変換する。この整流回路２１は、一対のダイオード２１ａを直列に接続したものを１組として、並列に２組接続した回路であり、各組の一対のダイオード２１ａの間に、受電用共振子２０の両端がそれぞれ接続されている。なお、整流回路２１に並列に挿入されたコンデンサ２１ｂは、リプル抑制用の平滑コンデンサである。
【００２４】
充電回路２２は、整流回路２１とバッテリ２３との間に接続され、整流回路２１から入力される直流電流によるバッテリ２３への充電を制御する回路である。なお、充電回路２２は、バッテリ２３への満充電を検知して、充電を停止する機能を有している。バッテリ２３は、充電回路２２に接続され、充電回路２２からの充電電流により充電される２次電池である。
【００２５】
［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用を、図３に示す従来例と比較して説明する。まず、図３に示す従来の直列共振を用いた無線電力伝送装置における、バッテリ充電時のインピーダンスの変化について説明する。直列共振を用いた無線電力伝送装置では、インバータ１１が見る負荷インピーダンスは、コイルの位置ズレ等で決まる定数を負荷抵抗で除算することにより得られる。負荷抵抗は、整流回路２１以降の構成を全て抵抗とみなした時の抵抗値である。
【００２６】
充電時において、バッテリ２３の充電が進むと、低電圧大電流の状態から高電圧低電流の状態となる。よって、負荷抵抗は徐々に大きくなる。一方、インバータ１１から見た負荷インピーダンスは負荷抵抗の逆数に比例する。そのため、負荷抵抗値が大きくなると、インバータ１１から見た負荷インピーダンスは徐々に小さくなる。そのため、電圧を一定とすると、送電装置１側が供給する電力はどんどん増えていくことになる。
【００２７】
このような場合、送電装置１側において直流電圧を下げる必要があるが、インバータ１１には直流電力安定化のためのバッファとなるコンデンサが設けられており、即座に直流電圧を下げることは難しい。よって、バッテリ２３に設定した容量以上の電力が流れる可能性がある。これを防ぐためには、送電装置１と受電装置２間で通信を行い、充電回路２２で負荷抵抗を一定値とするような制御を行う必要があり、回路や制御が複雑化していた。
【００２８】
一方、フィルタ２０ｃを有する本実施形態の無線電力伝送装置の作用を、以下に説明する。本実施形態のフィルタ２０ｃは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。従って、バッテリ２３の充電が進み、負荷インピーダンスが徐々に大きくなった場合、フィルタ２０ｃを介して見える入力インピーダンスは低下して見える。受電用共振子２０でインピーダンスが反転するため、インバータ１１から見ると、バッテリ２３の充電に伴い、負荷インピーダンスが徐々に増加するように見える。すなわち、バッテリの充電が進むと、送電装置１側で自然と電力が低下していくことになる。
【００２９】
以上のような本実施形態では、図４に示すフローにてバッテリ２３の充電が行われる。ここでは、送電装置１が３Ｋｗの電力を送電するものとして説明する。まず所定の電力を充電する旨の運転指令が受電装置２側から出力される（ステップＳ０１）。すると、送電装置１の直流電源１０が直流電圧を上昇させ、送電を開始する（ステップＳ０２、０３）。送電装置１の電力が３ｋｗ未満の場合（ステップＳ０４のＮｏ）、ステップＳ０２に戻り直流電圧を上昇させる。送電装置１の電力が３Ｋｗに到達した場合（ステップＳ０４のＹＥＳ）、それ以上直流電圧を上昇させることなく、バッテリ２３の充電を続ける。
【００３０】
以上のような送電装置１からの送電は、送電用共振子１２及び受電用共振子２０、およびフィルタ２０ｃを介して伝送され、整流回路２１により直流に変換された電力により、充電回路２２がバッテリ２３への充電が行われる。本実施形態では、フィルタ２０ｃが設けられているため、インバータ１１からフィルタ２０ｃを介して見た負荷インピーダンスは、バッテリの充電に伴い徐々に増加する。そのため、送電装置１側で電力が増加する現象が生じず、指定値である３Ｋｗを超えて電力を送電することはない。そして、充電回路２２がバッテリ２３の満充電を検知しない場合（ステップ０５のＮＯ）、充電を続ける。充電回路２２がバッテリ２３の満充電を検知すると（ステップ０５のＹＥＳ）、充電を停止する（ステップ０６）。
【００３１】
［効果］
以上のような本実施形態によれば、高調波をカットするフィルタ２０ｃにより高調波を抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、フィルタ２０ｃは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。従って、バッテリ２３の充電が進んでも、インバータ１１から見る負荷インピーダンスが大きくなるため、送電装置１側で自然と電力が低下していくこととなる。よって、この電力を確認しながら、送電装置１側の出力電圧を上げることにより、所定の電力を受電側へ送電することが可能となる。すなわち、送電装置１側で電力の制御を行うことが可能となるため、回路および制御を簡易化することができる。
【００３２】
［第２の実施形態］
［構成］
次に、第２の実施形態を、図５を参照して説明する。図５は本実施形態の構成図である。本実施形態は、基本的には上記の第１の実施形態と同様の構成である。ただし、本実施形態は、受電装置２側ではなく、送電装置１側にフィルタ１２ｃが設けられている。具体的には、インバータ１１は、フィルタ１２ｃを介して送電用共振子１２に接続されている。
【００３３】
フィルタ１２ｃは、フィルタ１２ｃの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有する。フィルタ１２ｃの出力側が短絡された時とは、受電装置２側のケーブルに切断が生じた場合、バッテリ２３内部のスイッチが保護動作により開放となった場合、受電装置２が検出できない場合などがある。このような状態が生じた場合、インバータ１１から見ると短絡に見える。
【００３４】
以上のようにフィルタ１２ｃの出力側が短絡されたような状態となる時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有している。負荷インピーダンスの最小値とは、バッテリ２３が空の場合の負荷インピーダンスや、送電装置１と受電装置２の位置ズレが大きく送電装置１が受電装置２を検出できない場合の負荷インピーダンス等の中から、インバータ１１の素子などの特性を考慮の上、最も小さい値を用いれば良い。すなわち、フィルタ１２ｃとしては、短絡が発生した場合に受電装置２側で想定されるインピーダンスの最小値以上の特性を有するフィルタを用いることができる。
【００３５】
また、フィルタ１２ｃは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を送電用共振子１２に流入させないようにすることが可能である。フィルタ１２ｃは、例えば、コイルやリアクトルおよびコンデンサを含む回路により構成できる。
【００３６】
［作用効果］
以上のような本実施形態は、高調波をカットするフィルタ１２ｃにより高調波を抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、フィルタ１２ｃは、フィルタ１２ｃの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有する。従って、受電装置２側が存在しないような事態が生じても、インバータ１１から見たインピーダンスが過小となることがなく、インバータ１１の破壊を防止することが可能となる。
【００３７】
［第３の実施形態］
［構成］
次に、第３の実施形態を、図６を参照して説明する。図６は本実施形態の構成図である。本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、受電装置２において、受電用共振子２０は、３次のローパスフィルタ２０ｄを介して整流回路２１に接続されている。
【００３８】
ローパスフィルタ２０ｄは、例えば、一対のリアクトルＬを直列に接続したものが、受電コイル２０ａの両端に接続されたコンデンサ２０ｂにそれぞれ接続され、一対のリアクトルＬの間であり、整流回路２１に並列に接続されるコンデンサＣを有する。なお、このようなローパスフィルタ２０ｄは多段に設けることもできる。コンデンサＣとしては、セラミックコンデンサを用いることができる。セラミックコンデンサは、一般的な故障形態が短絡モードである。また、ローパスフィルタ２０ｄは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を整流回路２１に流入させないようにすることが可能である。
【００３９】
［作用効果］
以上のような本実施形態は、高調波をカットするローパスフィルタ２０ｄにより高調波が抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、ローパスフィルタ２０ｄは、故障形態が短絡モードであるセラミックコンデンサが用いられている。上述の通り、インバータ１１から見た負荷インピーダンスは、負荷抵抗の逆数に比例する。そのため、例えば、受電装置２側で断線が起きる等の故障が生じた場合、負荷抵抗が無限大となるため、インバータ１１から見たインピーダンスは０となる。このため、インバータ１１の保護動作を短絡とすることで、インバータ１１を遮断することができる。セラミックコンデンサは短絡モードで故障するため、セラミックコンデンサの故障時においては、インバータ１１から見て開放となる。従って、インバータ１１の破壊が防止され、システムの安定性が向上する。
【００４０】
［他の実施形態］
上記第１の実施形態と第２の実施形態、または第２の実施形態と第３の実施形態は組み合わせることができる。上記の送電装置１および受電装置２を組み合わせることで、送電側および受電側のそれぞれで高調波をカットすることが可能となり、また組み合わせた実施形態の作用効果を得ることが出来る。
【００４１】
上記の実施形態における電力の伝送のための構成は、高周波の電力を高効率で伝送するための電磁界結合又は磁気共鳴と呼ばれる伝送方式によるものの一例である。但し、本実施形態は、一般的に電磁誘導と呼ばれる伝送方式を広く含むものである。従って、非接触の送電コイル及び受電コイルにより電力を伝送できる構成であれば、公知のあらゆる装置を適用可能である。
【００４２】
実施形態に用いられる情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。実施形態において、情報が示す値に対する過不足、大小判断、一致不一致の判断等において、以上、以下、として値を含めるように判断するか、より大きい、より小さい、超える、超えない、上回る、下回る、足りない、未満として値を含めないように判断するかも自由である。従って、「より大きい」を「以上」に、「以下」を「未満」に読み替えても、実質的には同じである。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…送電装置
２…受電装置
１０…直流電源
１１…インバータ
１１ａ…スイッチング素子
１１ｂ…ダイオード
１２…送電用共振子
１２ａ…送電コイル
１２ｂ…コンデンサ
１２ｃ…フィルタ
２０…受電用共振子
２０ａ…受電コイル
２０ｂ…コンデンサ
２０ｃ…フィルタ
２０ｄ…ローパスフィルタ
２１…整流回路
２１ａ…ダイオード
２１ｂ…コンデンサ
２２…充電回路
２３…バッテリ
【図１】
2016197931.tif 000003
【図３】
2016197931.tif 000004
【図４】
2016197931.tif 000005
【図５】
2016197931.tif 000006
【図６】
2016197931.tif 000007
【図２】
2016197931.tif 000008