JP6160880B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本開示は、送電装置から空間を介して電力エネルギーを供給される送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置に関する。

近年、携帯電話のバッテリーなどの充電手段として、無線電力伝送技術の活用が検討されている。このような無線電力伝送装置においては、送電装置と受電装置の共振コイルを対向させることにより電力を伝送させる技術が知られており、この種の無線電力伝送装置として、例えば特許文献１で知られている。

特許文献１によると、送電電力が規定電力値Ｗ１ａ未満の状態で受電装置の整合部に対して受信アンテナと整流部とをインピーダンス整合させる整合調整が行われ、この後に規定電力値Ｗ１ａの送電電力を受電する受電装置であって、整合調整時にバッテリーに代えて受電装置の整合部の後段側の規定位置に接続されて、規定位置からバッテリー側を見たときのインピーダンスを、規定電力値Ｗ１ａの送電電力の受電状態で整流部がバッテリーに直流電圧Ｖｏを供給しているときに規定位置からバッテリー側を見たときのインピーダンスに一致させる調整用負荷を有することで、伝送効率の低下を防ぐ。

特開２０１２−１９５９９３号公報

しかしながら、上述した従来の無線電力伝送装置においては、異なるインピーダンスを有したバッテリーに対して使用する場合には、異なるインピーダンスの調整用負荷を用意する必要があるので、コストアップになるという課題があった。また、送電装置の電力や電圧の変動が発生した場合、バッテリーに与えられる出力電圧が異常な値となるなどの過渡現象が発生してバッテリーが破損してしまうという課題があった。

さらに、バッテリーのインピーダンス変動が大きい場合、受電装置の出力電圧の変化も大きくなるため、電力伝送開始時のバッテリーのインピーダンスが分からない場合は、バッテリーに接続したときの出力電圧の変化が大きくなり、バッテリーに対して安定した電圧にて電力を供給できない課題があった。

本開示の目的は以上の課題を解決し、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止し、かつ、安定した電圧を負荷に供給することができる送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置を提供することにある。

第１の開示に係る送電装置は、
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の送電装置であって、
前記送電装置共振コイルの両端間電圧の電圧変化に基づく制御信号を発生して送信する制御信号検出部と、
前記制御信号に基づいて、前記送電装置共振コイルを共振させるスイッチング回路とを備えた。

また、第２の開示に係る受電装置は、
送電装置共振コイルと受電装置共振コイルとを電磁的に結合させて送電装置から受電装置に対して電力を送電する無線電力伝送装置の受電装置であって、
前記受電装置共振コイルから受電された所定の交流電圧を所定の直流電圧に変換して出力する整流回路と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続する第１のスイッチング手段と、
前記所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に前記整流回路と実負荷とを接続し、前記所定の直流電圧が前記所定の電圧範囲外にある場合は前記整流回路と実負荷とを遮断するスイッチング手段とを備えた。

本開示に係る送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置によれば、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止することができ、かつ、安定した電圧を負荷に供給することが可能となる。

本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１００及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図１のインピーダンス変換回路２１の具体的な構成要素を示すブロック図である。 図１の無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。 本開示の第２の実施形態に係る、図１の無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。 入力電源１１の電力変動に基づく過渡応答特性をシミュレーションにより検証する時に用いた無線電力伝送装置１００Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。 図５の無線電力伝送装置１００Ａの出力電圧ＶＯＵＴの過渡応答特性を示す時間軸波形図である。 本開示の第１の実施形態の変形例に係る無線電力伝送装置１００Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。さらに、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。

第１の実施形態．
図１は、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１００及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１において、無線電力伝送装置１００は、送電装置１と、受電装置２に接続された実負荷３１に対して電力を供給する受電装置２とを備えて構成される。また、送電装置１は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータなどで構成された入力電源１１と、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などで構成されたスイッチング回路１２と、送電側制御部１３と、例えば放電回路を含んだピークホールド回路とコンパレータ回路で構成されたパケット信号検出部１４と、共振回路８０とを備えて構成される。また、共振回路８０は、送電装置共振コンデンサ１５と、送電装置共振コイル１６とを備えて構成される。

図１において、受電装置２は、共振回路９０と、受電側制御部２２と、例えばダイオードとコンデンサとから構成され、受電装置共振コイル２９から受電された電力を整流及び平滑化する整流回路２３と、当該整流回路２３の後段に接続され、整流回路から出力される直流電圧の電圧値を調整する例えば抵抗などの電圧調整負荷２５と、電圧及び電流検出回路２４と、受電装置２と実負荷３１とを接続する実負荷接続スイッチ２６とを備えて構成される。また、共振回路９０は、インピーダンス変換回路２１と、受電装置共振コイル２９と、受電装置共振コイル２９と直列接続した受電装置共振コンデンサ２８とを備えて構成される。ここで、送電装置１から受電装置２へ電磁誘導によって送電装置１と受電装置２とが非接触で電力を伝送し、受電装置２に接続された実負荷３１に対して電力を供給する構成となっている。本開示の送電装置１によれば、あらかじめ設定した電圧で受電装置２に接続された実負荷３１である機器に電力供給できるだけでなく、無線電力伝送特有の過渡現象、例えば、起動時や入力電力の変動などによる過渡現象が完了した後、受電装置２に接続された機器に電力を供給することができるため、当該機器の安全性を更に高めることができる。

図２は、図１のインピーダンス変換回路２１の具体的な構成要素を示すブロック図である。インピーダンス変換回路２１は、スイッチ４１、４２とコンデンサ４３とを備えて構成される。

図１の送電装置１において、入力電源１１は、例えば１００Ｖなどの交流電圧を任意の電圧の直流電圧Ｖ１に変換し、直流電圧Ｖ１をスイッチング回路１２に出力する。また、送電側制御部１３はある周波数成分を有するスイッチングタイミング信号Ｓ１を発生してスイッチング回路１２に出力する。さらに、スイッチング回路１２は、送電側制御部１３から入力されるスイッチングタイミング信号Ｓ１に基づいて、入力される直流電圧Ｖ１をスイッチングタイミング信号Ｓ１のデューティ比でオン／オフを切り替えることによって交流電圧Ｖ２に変換し、当該交流電圧Ｖ２を送電装置共振コンデサ１５及び送電装置共振コイル１６に出力する。なお、スイッチングタイミング信号Ｓ１の周波数、及びデューティ比は送電制御部１３により任意に変更することができる。

送電装置共振コイル１６は、受電装置共振コイル２９と対向して位置し、受電装置２の受電装置共振コイル２９と電磁的に結合し、電磁誘導によって受電装置共振コイル２９に交流電圧Ｖ３を伝送する。また、整流回路２３は、交流電圧Ｖ３の電圧値を直流電圧Ｖ４に変換し、変換された直流電圧Ｖ４を電圧調整負荷２５及び実負荷３１に供給する。なお、整流回路２３は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータに置き換えることも可能である。

電圧及び電流検出回路２４は、整流回路２３から直流電圧Ｖ４を入力し、当該直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１及び電流値Ｉ４１を検出し、当該電圧値Ｖ４１及び電流値Ｉ４１を受電側制御部２２に送信する。

受電側制御部２２は、電圧及び電流検出回路２４から入力された電圧値Ｖ４１もしくは電流値Ｉ４１に基づいて、当該電圧値Ｖ４１が実負荷３１の許容できる電圧範囲内にあれば実負荷接続スイッチ２６をオンすると同時にインピーダンス変換回路２１を構成するスイッチ４１及びスイッチ４２を同時にオフし、当該電圧値Ｖ４１が実負荷３１の許容できる電圧範囲外にあれば実負荷接続スイッチ２６をオフすると同時にインピーダンス変換回路２１を構成するスイッチ４１及びスイッチ４２を同時にオンする。すなわち、実負荷接続スイッチ２６は、所定の直流電圧が所定の電圧範囲内に含まれる場合に整流回路２３と実負荷３１とを接続し、所定の直流電圧が所定の電圧範囲外にある場合は整流回路２３と実負荷３１とを遮断するスイッチング手段である。

インピーダンス変換回路２１は、共振回路９０のインピーダンスを変更する。詳細には、図２において、スイッチ４１及びスイッチ４２を同時にオンしコンデンサ４３を受電装置共振コンデンサ２８と受電装置共振コイル２９とに接続させることによって共振回路９０のインピーダンスを変更する。すなわち、インピーダンス変換回路２１を構成するコンデンサ４３と、受電装置共振コイル２９と受電装置共振コンデンサ２８とが直列接続されることによって、送電装置共振コイル１６の両端間電圧を変化させ、この変化に基づいてパケット信号Ｐ１を発生させる。つまり、インピーダンス変換回路２１のスイッチ４１、４２のオン／オフを繰り返すことで送電装置共振コイル１６の電圧変動が繰り返されて、その変動がパケット信号Ｐ１として送電装置１に伝送される。なお、図２で示した回路はインピーダンス変換回路２１の一例であり、その他にも例えば抵抗やコイルなどを使用する様々な回路で構成することができる。

パケット信号検出部１４は、受電装置共振コイル２９と電磁的に結合された送電装置共振コイル１６の両端間電圧の変化にともなう送電装置共振コイル１６の両端間電圧の変化を検出することによって、パケット信号Ｐ１を復調して、当該パケット信号Ｐ１を送電側制御部１３に送信する。すなわち、パケット信号検出部１４は、送電装置共振コイルの両端間電圧の電圧変化に基づいて制御信号を発生して送信する制御信号検出部である。

送電側制御部１３は、パケット信号検出部１４からパケット信号Ｐ１を受信して、当該パケット信号Ｐ１に基づいて電圧調整負荷２５に発生する電圧値Ｖ４１を取得し、当該電圧値Ｖ４１からスイッチング回路１２を制御するスイッチング信号Ｓ１を生成し、当該スイッチング信号Ｓ１をスイッチング回路１２に出力する。すなわち、送電側制御部１３は、パケット信号検出部１４から制御信号を受信して、所定の周波数成分を有するスイッチングタイミング信号Ｓ１を発生してスイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御する。ここで、送電側制御部１３は、例えば受電装置２の直流電圧Ｖ４とスイッチング回路１２のスイッチング周波数とからなるテーブルを有し、当該テーブルに基づいて、パケット信号Ｐ１から取得された電圧値Ｖ４１が実負荷３１の許容できる電圧範囲内に含まれるようにスイッチング周波数を変更し、当該変更されたスイッチング周波数に基づいて、スイッチング回路１２のスイッチング動作を制御する。

次に、本開示の第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１００の動作について、図３を参照して説明する。

図３は、図１の無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、入力電源１１が起動してから実負荷３１に電力が供給されるまでの処理フローを示すものである。

図３において、まず、送電装置１の起動前には、必ず実負荷接続スイッチ２６はオフとする（ステップＳ１０）。例えば実負荷接続スイッチ２６として、ＦＥＴやホトカプラなどの半導体素子やメカニカルリレーなどを適用することができる。

次に、送電側制御部１３において所定の周波数を有するスイッチングタイミング信号Ｓ１を発生させ、スイッチング回路１２を動作させる（ステップＳ１１）。スイッチング回路１２のオン／オフを切り替えることで入力電源１１から供給される直流電圧Ｖ１から交流電圧Ｖ２が生成され、交流電圧Ｖ２は送電装置共振コンデンサ１５と送電装置共振コイル１６とに出力される。送電装置共振コイル１６は受電装置２の受電装置共振コイル２９と電磁的に結合し、電磁誘導によって受電装置共振コイル２９に交流電圧Ｖ３が伝送され、交流電圧Ｖ３は整流回路２３により直流電圧Ｖ４に変換される。ここで、変換された直流電圧Ｖ４の値は電圧調整負荷２５に発生する電圧の値と等しい。このときゲートに与えるスイッチングタイミング信号Ｓ１の周波数を変更することでスイッチング回路１２のオン／オフのタイミングを変更することによって、オン／オフのタイミングを変更し、受電装置２の交流電圧Ｖ３、直流電圧Ｖ４の電圧値を調整する。

次に、電圧及び電流検出回路２４により電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１を検出する（ステップＳ１２）。検出された電圧値Ｖ４１は受電側制御部２４に送信される。ここで、本実施形態で使用される電圧調整負荷２５のインピーダンスは、実負荷３１のインピーダンスに一致させる必要は無い。実負荷３１としてモバイル端末等を想定し、モバイル端末等へ給電する場合は、モバイル端末の消費電力が大きければモバイル端末のインピーンダスは数Ωとなる。仮に、直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１を１２Ｖ、モバイル端末のインピーダンスを３Ωとし、電圧調整負荷２５のインピーダンスをモバイル端末に合わせて３Ωとした場合、電圧調整負荷２５の消費電力は４８Ｗとなるが、４８Ｗの消費電力に耐えうる電圧調整負荷２５を実装することは現実的ではない。従って、本実施形態では、例えば電圧調整負荷２５のインピーダンスを３００Ωとする。これによって、電圧調整負荷２５の消費電力を０．４８Ｗとすることができ、容易に実現可能となる。なお、本実施形態では直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１を直接受電側制御部２２に送信することを想定しているが、これ以外の方法として、例えば電圧及び電流検出回路２４に備えたＡＤコンバータなどにより電圧値Ｖ４１をディジタルデータなどに変換し、本ディジタルデータを受電側制御部２２に送信する方法などによっても実現することが可能となる。

次に、直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内でなければ、受電側制御部２４により実負荷接続スイッチ２６はオフの状態を継続し、受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ１を生成する（ステップＳ１３のＮＯとステップＳ１４）。本パケット信号Ｐ１には、電圧値Ｖ４１に関する情報が含まれるが、それ以外にも他の制御に使用される情報を含むことも可能である。ここで、規程電圧範囲とは実負荷３１の許容できる電圧範囲のことで、例えば実負荷３１の入力電圧範囲が１２Ｖ±１０％の場合は、１０．８Ｖから１３．２Ｖが規程電圧範囲となる。

次に、受電側制御部２２は、電圧及び電流検出回路２４から入力された電圧値Ｖ４１に基づいて、インピーダンス変換回路２１を動作させる（ステップＳ１５）。次に、送電装置１のパケット信号検出部１４にてパケット信号Ｐ１を復調する（ステップＳ１６）。パケット信号Ｐ１を復調するまでの処理は、例えば次のとおりである。送電装置１において、受電装置２のインピーダンス変換回路２１が動作すると、例えば送電装置共振コイル１６の交流電圧Ｖ２が変化する。ここで、パケット信号検出部１４は、送電装置共振コイル１６の両端間電圧の変化を検出すると、パケット信号Ｐ１を復調し、当該パケット信号Ｐ１を送電側制御部１３に送信する。また、パケット信号検出部は、例えば放電回路を含んだピークホールド回路とコンパレータ回路で構成され、交流電圧Ｖ２のピーク値をホールド、放電することで検出し、当該ピーク値をコンパレータで比較することによってパケット信号Ｐ１を復調することができる。なお、パケット信号検出部１４の位置は、図１における送電装置共振コイル１６のみならず、受電装置２のインピーダンス変換回路２１が動作することによる送電装置１の送電装置共振コイル１６から見た受電装置２のインピーダンス変動を検出できる位置であればよい。また、直流電圧及び電流の変化に基づいてパケット信号Ｐ１を復調する場合には、前記ピークホールド回路を削除することができる。

次に、送電装置１の送電側制御部１３においてパケット信号Ｐ１に含まれる電圧調整負荷３１の直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１の値を取り込む（ステップＳ１７）。次に、送電側制御部１３にパケット信号Ｐ１の情報に含まれる直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１及び電流値Ｉ４１が送信されると、各々の値に基づいて、スイッチング回路１２を制御する（ステップＳ１８）。ここで、スイッチング回路１２は、ＦＥＴのゲートに送電側制御部１３から出力されるスイッチングタイミング信号Ｓ１が与えられ、ＦＥＴのゲート容量が充電されるとＦＥＴはオンとなりＦＥＴのゲート容量が放電されるとＦＥＴはオフとなる。このときゲートに与えるスイッチングタイミング信号Ｓ１の周波数を変更することでスイッチング回路１２のオン／オフのタイミングを変更することができ、オン／オフのタイミングを変更することで、例えば受電装置２の交流電圧Ｖ３、直流電圧Ｖ４を調整することができる。

ステップＳ１８においてスイッチング周波数が変更されることで、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が変化する。このときの電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内でなければ、再びステップＳ１４からステップＳ１８の処理を繰り返すことになる。

次に、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内であるとき（ステップＳ１３のＹＥＳ）の処理について説明する。

電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内であれば（ステップＳ１３のＹＥＳ）、受電装置２の受電側制御部２２により実負荷接続スイッチ２６をオンにする制御信号が出力される。

実負荷接続スイッチ２６がオフからオンとなると、実負荷３１に出力電圧ＶＯＵＴが供給される（ステップＳ２０）。このとき、直流電圧Ｖ４が規程電圧範囲内であることから、出力電圧ＶＯＵＴは実負荷３１に対して安定した電源として供給される。更には、直流電圧Ｖ４が規程電圧範囲内になるまで実負荷接続スイッチ２６はオフ状態を継続することによって、実負荷３１に対して、送電装置１が起動し始めるときの入力電源１１の電力変動及びスイッチング回路１２の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響を受けることを防止することができる。ここで、入力電源１１の電力変動に基づく出力電圧ＶＯＵＴの過渡応答特性をシミュレーションにより以下に検証を行った。

図５は、入力電源１１の電力変動に基づく過渡応答特性をシミュレーションにより検証する時に用いた無線電力伝送装置１００Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図５の無線電力伝送装置１００Ａは、図１の無線電力伝送装置１００に比較して、共振回路９０の代わりに共振回路９０Ａを備えて構成される。また、共振回路９０Ａは、共振回路９０と比較して、受電装置共振コイル２９と直列接続した受電装置共振コンデンサ２８の代わりに、受電装置共振コイル２９と並列接続した受電装置共振コンデンサ２８Ａを備えて構成される。

図６は、図５の無線電力伝送装置１００Ａの出力電圧ＶＯＵＴの過渡応答特性を示す時間軸波形図である。例えば、入力電源１１の電力が１Ｗから１００Ｗに急変したときの過渡応答をシミュレーションにより検証した結果を示す。このシミュレーションで使用した無線電力伝送装置１００Ａの構成を図５に示しているが、整流回路２３と実負荷３１とは接続された状態となっている。図５では実負荷接続スイッチ２６を介して受電装置２と実負荷３１が接続されているが、実負荷接続スイッチ２６を介さない構成でも同様である。図６の縦軸は無線電力伝送装置１００Ａの出力電圧ＶＯＵＴであって、横軸は時間ｔである。ここで、入力電源１１の電力の急激な変動により出力電圧ＶＯＵＴの過渡現象が発生していることが分かる。この入力電源１１の電源の急激な変動が意図的であれば、この変動の遷移を遅くすることにより過渡現象の危険性を下げることはできるが、例えば入力電源１１の電力変動などが無線電力伝送装置１００Ａに対して非意図的に発生した場合には、図６のような過渡現象の発生を防ぐことは困難となる。

更には、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ２６をオンにすることで、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）の大きい実負荷に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

次に、実負荷３１に出力電圧ＶＯＵＴが供給された後に受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ２を生成する（ステップＳ２１）。図３におけるステップＳ２１からステップＳ２４までの処理は、図３におけるステップＳ１４からステップＳ１７までの処理と同様である。すなわち、受電側制御部２４により実負荷接続スイッチ２６はオンの状態を継続し、受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ２が生成されて（ステップＳ２１）、受電側制御部２２は、電圧及び電流検出回路２４から入力された電圧値Ｖ４１に基づいて、インピーダンス変換回路２１を動作させる（ステップＳ２２）。次に、送電装置１のパケット信号検出部１４にてパケット信号Ｐ２を復調し（ステップＳ２３）、送電装置１の送電側制御部１３でパケット信号Ｐ２に含まれる電圧調整負荷３１の直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１の値を取り込む（ステップＳ２４）。さらに、実負荷３１に電力が供給された後も定期的にステップＳ２１からステップＳ２４までの処理を繰り返すことで、実負荷３１のインピーダンス変動（例えば、消費電力の増減）により出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１が変化するようなことがあっても、スイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することにより、電圧値ＶＯＵＴ１を一定に保つことでき、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならずインピーダンスが変動する実負荷に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

以上の実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、送電装置１が起動し始めるときの入力電源１１の変動や、スイッチング回路１２の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響が直接的に実負荷３１に与えられるのを防止することができる。

また、本実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ２６をオンにするので、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）が大きい実負荷に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

さらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、送電装置１のスイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することができるので、出力電圧ＶＯＵＴを実負荷３１に供給を開始した後に（例えば、消費電力の増減などで）実負荷３１のインピーダンスが変動し、出力電圧ＶＯＵＴの値が変化しても電圧値ＶＯＵＴの値を一定に保つことできる。従って、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）が大きい実負荷３１に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

またさらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、受電装置２の調整用負荷３１を取り替える必要なしに送電装置１と受電装置２とのインピーダンスを整合することができるのでコストを削減することができる。

第２の実施形態．
次に、本開示の第２の実施形態の無線電力伝送装置１００の動作について、図４を参照して説明する。第２の実施形態に係る、無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理は、第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理と比較すると、実負荷３１へ電力供給した後に実負荷３１のインピーダンス変動があっても出力電圧ＶＯＵＴを一定に保つことができることを特徴とする。

図４は、本開示の第２の実施形態に係る、図１の無線電力伝送装置１００の無線電力伝送処理手順を示すフローチャートである。本実施形態は、実負荷３１に電力を供給した後に出力電圧ＶＯＵＴの値が規程電圧範囲外となったときの無線電力伝送装置１００に関するものである。

本実施形態では、入力電源１１が起動してから実負荷３１に電力が供給された図３のステップＳ２０は、図４のステップＳ３１に相当する。

まずは、電圧及び電流検出回路２４により電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１を検出する（ステップＳ３２）。ここで、電圧調整負荷２５により発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１は、実負荷接続スイッチ２６を経由して出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１となる。従って、実負荷接続スイッチ２６の抵抗値は電圧調整負荷２５や実負荷３１のインピーダンスと比較して非常に小さく、電圧値Ｖ４１と電圧値ＶＯＵＴ１とはほとんど同じ値となるため、電圧値Ｖ４１を使用しても動作上問題ない。また、実負荷接続スイッチ２６のオン抵抗値が既知であれば、電圧値Ｖ４１から電圧値ＶＯＵＴ１を算出することができるため、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規定電圧範囲内であるか判断するときには、算出した電圧値ＶＯＵＴ１を使用することも可能である。電圧値Ｖ４１の検出結果が規程電圧範囲内の場合、ステップＳ５１からステップＳ５４までの処理を行う。図４におけるステップＳ５１からステップＳ５４までの処理は、図３におけるステップＳ２１からステップＳ２４までの処理と同様である。実負荷３１に電力が供給された後も定期的にステップＳ５１からステップＳ５４までの処理を繰り返すことで、実負荷３１のインピーダンス変動（例えば、消費電力の増減）により電圧値ＶＯＵＴ１が変化するようなことがあっても、スイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することにより、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１を一定に保つことでき、バッテリーのみならず状態が変動する実負荷３１に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

次に、電圧調整負荷２５の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲外の場合（ステップＳ３３のＮＯ）、実負荷接続スイッチ２６をオフとする（ステップＳ３４）。電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲外となる要因として、入力電源１１の電力の異常変動、送電部共振コイル１６と受電部共振コイル２９との結合状態の急激な変動などが挙げられる。このときに実負荷接続スイッチ２６をオフにすることで、実負荷３１に過電圧などの異常電圧が与えられなくなり、実負荷３１の破損を防ぐことができる。また、このときに受電装置２にある電力エネルギーは、電圧調整負荷２５により消費させることができ、電力エネルギーの共振による受電装置２の破損を防ぐことができる。

次に、受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ１を生成する（ステップＳ３５）。図４におけるステップＳ３５からステップＳ３９までの処理は、図３におけるステップＳ１４からステップＳ１８までの処理と同様である。ステップＳ３９においてスイッチング回路１２のスイッチング周波数が変更されることで、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が変化する。

次に、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１を検出する（ステップＳ４０）。検出された電圧値Ｖ４１は受電側制御部２４に伝えられる。なお、本実施形態では直流電圧値Ｖ４１を直接受電側制御部２４に送信することを想定しているが、これ以外の方法として、例えば電圧及び電流検出回路２４に備えたＡＤコンバータなどにより電圧値Ｖ４１をディジタルデータなどに変換し、本ディジタルデータを受電側制御部２４に送信する方法などによっても実現することが可能となる。

次に、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内でなければ、受電側制御部２４により実負荷接続スイッチ２６はオフの状態を継続し、受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ１が生成される（ステップＳ４１のＮＯとステップＳ３５）。本パケット信号Ｐ１には、電圧値Ｖ４１に関する情報が含まれるが、それ以外にも他の制御に使用される情報を含むことも可能である。ここで、電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内となるまで、ステップＳ３５からステップＳ４１のＮＯまでの処理を繰り返すことになる。

次に、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内となったとき（ステップＳ４１のＹＥＳ）の処理について説明する。このとき、受電装置２の受電側制御部２２により実負荷接続スイッチ２６をオンにする制御信号が出力され、実負荷接続スイッチ２６がオフからオンとなると、実負荷３１に直流電圧ＶＯＵＴが供給される（ステップＳ４２）。このとき、電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内であることから、出力電圧ＶＯＵＴは実負荷３１に対して安定した電力として供給される。更には、電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内になるまで実負荷接続スイッチ２６はオフ状態を継続することから、送電装置１が起動し始めるときの入力電源１１の変動や、スイッチング回路１２の動作開始時などの状態の急変による過渡応答の影響が、直接負荷に与えられることを防ぐことができる。

更には、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ２６をオンにすることで、インピーダンスがほとんど変動しないバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）の大きい実負荷３１に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

次に、実負荷３１に出力電圧ＶＯＵＴが供給された後に受電装置共振コイル２９でパケット信号Ｐ２を生成する（Ｓ５１）。図４におけるステップＳ５１からステップＳ５４までの処理は、図１におけるステップＳ２１からステップＳ２４までの処理と同様である。実負荷に電力が供給された後も定期的にステップＳ５１からステップＳ５４までの処理を繰り返すことで、実負荷のインピーダンス変動（例えば、消費電力の増減）により出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１が変動するようなことがあっても、スイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することにより、出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１を一定に保つことでき、バッテリーのみならず状態が変動する実負荷に対しても安定した電圧を供給することができる。

以上の実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、入力電源１１の電力の異常変動や送電装置共振コイル１６、受電装置共振コイル２９の結合状態の変化などによる出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１が規定電圧範囲外となったときでも、規定電圧範囲外の電圧が直接負荷に与えられることを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、電圧調整負荷２５に発生する直流電圧Ｖ４の電圧値Ｖ４１が規程電圧範囲内にあることを確認してから実負荷接続スイッチ２６をオンにするので、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）が大きい実負荷に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。更には、実負荷３１に接続して出力電圧ＶＯＵＴの供給を開始した後に実負荷のインピーダンス変動（例えば、消費電力の増減）により出力電圧ＶＯＵＴの電圧値ＶＯＵＴ１が変化するようなことがあっても、スイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することにより、電圧値ＶＯＵＴ１を一定に保つことでき、インピーダンス変動の小さい機器（例えばバッテリーなど）のみならずインピーダンス変動の大きい機器（実負荷３１）対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

さらに、本実施形態に係る無線電力伝送装置１００によれば、送電装置１のスイッチング回路１２のスイッチング周波数を制御することができるので、出力電圧ＶＯＵＴを実負荷３１に供給を開始した後に（例えば、消費電力の増減などで）実負荷３１のインピーダンスが変動し、出力電圧ＶＯＵＴの値が変化しても電圧値ＶＯＵＴの値を一定に保つことできる。従って、インピーダンス変動がほとんど無いバッテリーのみならず、インピーダンス変動（例えば消費電力の変動）が大きい実負荷３１に対しても安定した出力電圧ＶＯＵＴを供給することができる。

変形例１．
本開示は上記の実施形態に示した構成に限定されず、例えば図７に図示したような無線電力伝送装置１００Ｂを用いてもよい。

図７は、本開示の第１の実施形態の変形例に係る無線電力伝送装置１００Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図７の無線電力伝送装置１００Ｂは、図１の無線電力伝送装置１００と比較して、受電装置２の代わりに受電装置２Ｂを備えてことを特徴とする。また、受電装置２Ｂは、受電装置２と比較して、電圧調整負荷２５と整流回路２３との接続をオン／オフする電圧調整負荷接続スイッチ２７をさらに備えたことを特徴とする。

以上の変形例に係る無線電力伝送装置１００Ｂによれば、上述した無線電力伝送装置１００と同様の効果を得ることができるとともに、実負荷接続スイッチ２６をオンとした後、電圧調整負荷接続スイッチ２７をオフにすることができるので、電圧調整負荷２５における電力消費をさらに減少させることが可能となる。

さらに、本開示の実施形態及び変形例では、受電装置２と実負荷３１とを別々に構成された場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば受電装置２と実負荷３１とが一体となっている構成にも適用できる。この場合においても本開示の実施形態と同様の効果を得ることができる。またさらに、本開示は、無線で電力を伝送する様々な電子機器（携帯電話やタブレットなどのモバイル端末、カメラ、有機ＥＬディスプレイや照明など）に適用することができる。

以上詳述したように、本開示に係る送電装置、受電装置及び無線電力伝送装置によれば、過渡現象による異常電圧などが負荷に与えられることを防止することができ、かつ、安定した電圧を負荷に供給することが可能となる。

１１…入力電源、
１２…スイッチング回路、
１３…送電側制御部、
１４…パケット信号検出部、
１５…送電装置共振コンデンサ、
１６…送電装置共振コイル、
２１…インピーダンス変換回路、
２２…受電側制御部、
２３…整流回路、
２４…電圧及び電流検出回路、
２５…電圧調整負荷、
２６…実負荷接続スイッチ、
２７…電圧調整負荷接続スイッチ、
２８，２８Ａ…受電装置共振コンデンサ、
２９…受電装置共振コイル、
２，２Ａ，２Ｂ…受電装置、
３１…実負荷、
８０，９０，９０Ａ…共振回路、
１００，１００Ａ，１００Ｂ…無線電力伝送装置、
４１，４２…スイッチ、
４３…コンデンサ。

Claims (5)

1. 送電装置共振コイルに交流電圧を供給するスイッチング回路を備えた送電装置から非接触方式で前記交流電圧を伝送される受電装置であって、
   前記送電装置共振コイルと電磁的に結合し、前記送電装置共振コイルから前記交流電圧が伝送される受電装置共振コイルと、
   前記受電装置共振コイルにより伝送された前記交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から前記直流電圧が供給される実負荷と、
   前記整流回路と前記実負荷との間で、前記整流回路と並列に接続され、前記実負荷よりインピーダンスが大きい電圧調整負荷と、
   前記整流回路と前記実負荷との電気的接続の導通と非導通とを切替える実負荷接続スイッチと、
   前記電圧調整負荷に掛かる前記直流電圧を測定する検出回路と、
   前記整流回路と前記実負荷との電気的接続の導通と非導通とを切替える前記実負荷接続スイッチを制御する受電側制御部と、を備え、
   前記受電側制御部は、
   前記送電装置の起動前に、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通とし、
   前記送電装置が起動されると、前記実負荷接続スイッチを用いて非導通を維持し、前記送電装置から伝送された前記交流電圧を前記整流回路に供給させ、前記整流回路を用いて前記供給された交流電圧を前記直流電圧に変換し、前記電圧調整負荷に前記直流電圧を供給し、
   前記検出回路により測定した前記電圧調整負荷に掛かる前記直流電圧が規定電圧範囲内に到達するまで、前記直流電圧を上昇させ、
   前記測定した前記直流電圧が前記規定電圧範囲内に到達すると、
   前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給する、
   受電装置。
2. 前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続の導通と非導通とを切替える電圧調整負荷接続スイッチをさらに備え、
   前記受電側制御部は、
   前記送電装置の起動前に、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通とし、前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続を非導通とし、
   前記送電装置が起動されると、前記実負荷接続スイッチを用いて非導通を維持し、前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて、前記整流回路と前記電圧調整負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、
   前記送電装置から伝送された前記交流電圧を前記整流回路に供給させ、前記整流回路を用いて前記供給された交流電圧を前記直流電圧に変換させ、前記電圧調整負荷に前記直流電圧を供給し、
   前記検出回路により測定した前記電圧調整負荷に掛かる直流電圧が規定電圧範囲内に到達するまで、前記直流電圧を上昇させ、
   前記測定した前記直流電圧が前記規定電圧範囲内に到達すると、
   前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給し、
   前記電圧調整負荷接続スイッチを用いて前記電圧調整負荷と前記整流回路との電気的接続を導通から非導通に切替える、
   請求項１に記載の受電装置。
3. 前記受電側制御部は、
   前記電圧調整負荷に掛かる直流電圧が規定電圧範囲内に到達し、前記直流電圧が安定して前記規定電圧範囲内になるのを確認すると、前記実負荷接続スイッチを用いて前記整流回路と前記実負荷との電気的接続を非導通から導通に切替え、前記直流電圧を前記実負荷に供給する、
   請求項１または請求項２記載の受電装置。
4. 前記電圧調整負荷のインピーダンス値は、前記実負荷のインピーダンス値より１００倍以上大きい、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の受電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記受電装置と、前記送電装置とを備えた、
   無線電力伝送装置。

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