JP7283864B2

JP7283864B2 - 受電装置及び受電制御方法

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Publication number: JP7283864B2
Application number: JP2018053354A
Authority: JP
Inventors: 大輔築山
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: US11139691B2; JP2019165594A; US20190296584A1; EP3544148B1; EP3544148A1

Description

本発明は、受電装置及び受電制御方法に関する。

従来、送電装置の送電コイルから、受電装置の受電コイルへ電力を伝送するワイヤレス給電システムが用いられている。ワイヤレス給電システムの受電装置は、ワイヤレス給電された電力をバッテリ等の負荷に供給する。

ワイヤレス給電システムに関し、下記特許文献１には、車両に設けられた電源に接続された送電側コイルから受電側コイルに電力を伝送し、受電側コイルで受電した電力を蓄電装置に蓄電するワイヤレス給電システムが記載されている。このワイヤレス給電システムでは、蓄電装置の蓄電量に関する情報を受電側から送電側に送信し、送電側コイルから受電側コイルへ伝送する電力を蓄電装置の蓄電量に基づいて制御している。

より具体的には、蓄電装置の蓄電量を受電装置により測定し、蓄電量が設定値に到達した場合に、受電装置と負荷の間の接続を切断し、受電装置から送電装置に対して無線通信により停止命令を送信して、送電装置からの送電を停止させるように制御している。

特開２０１５－１０４２５３号公報

しかしながら、送電装置と受電装置の間の通信速度が低速であったり、送電装置での信号処理に遅延が生じたりすると、受電装置と負荷の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合があり、受電装置に瞬間的に過大な電圧が印加されてしまうことがある。

そこで、本発明は、受電装置と負荷の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる受電装置及び受電制御方法を提供する。

本発明の一態様に係る受電装置は、送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、受電コイルで受電した交流電力を整流する整流回路と、整流回路及び整流回路から出力される直流電力が供給される負荷の間に接続される制御回路と、を備え、制御回路は、負荷の正極と負極の間に接続され、負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に、送電コイルから送電される電力が受電コイルにより受電されている間に、非導通状態から導通状態に切り替えられるスイッチと、正極又は負極とスイッチの間に接続され、正極からスイッチを通り負極へ電流が流れることを防止する整流素子と、を含む。

この態様によれば、負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合にスイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられ、制御回路の正極と負極が短絡されることで、受電装置と負荷の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる。また、制御回路が整流素子を含むことで、スイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられても負荷の正極と負極が短絡しない状態に保たれる。このため、例えば負荷がバッテリである場合に、バッテリの放電が防止される。

上記態様において、負荷は、直流電力が供給される時間の経過に応じて電圧が変化し、制御回路は、負荷を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御してもよい。

この態様によれば、負荷に直流電力を供給する際に過大な電流が流れることを抑制し、受電装置と負荷の間の接続を切断する際に過大な電圧が印加されることを抑制できる。また、制御回路によって、負荷を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御することで、過電流対策のために受電装置を構成する材料や部品を特別に選定せずともよく、耐電圧対策のみ行えばよいため、受電装置を低コストかつ小型にすることができる。

上記態様において、整流素子は、正極に流れ込む電流を通過させ、正極から流れ出す電流を遮蔽する一つの半導体ダイオードであってよい。

この態様によれば、制御回路が整流素子として一つの半導体ダイオードを含むことで、安価な構成により、スイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられた場合に負荷の正極と負極が短絡しないように保つことができる。

上記態様において、整流素子は、負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に導通状態から非導通状態に切り替えられる第２スイッチであり、スイッチと導通状態及び非導通状態が互いに逆となるように制御されてよい。

この態様によれば、制御回路が整流素子として第２スイッチを含むことで、スイッチの制御信号を反転した単純な制御信号により、スイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられた場合に負荷の正極と負極が短絡しないように保つことができる。

本発明他の態様に係る受電制御方法は、送電コイルから送電される電力を受電コイルにより受電することと、受電コイルで受電した交流電力を整流回路により整流することと、整流回路及び整流回路から出力される直流電力が供給される負荷の間に接続される制御回路により、負荷に印加される電圧が所定値以上となったことを検出することと、負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に、送電コイルから送電される電力が受電コイルにより受電されている間に、負荷の正極と負極の間に接続されるスイッチを非導通状態から導通状態に切り替えることと、正極又は負極とスイッチの間に接続される整流素子により、正極からスイッチを通り負極へ電流が流れることを防止することと、を含む。

この態様によれば、負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合にスイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられ、制御回路の正極と負極が短絡されることで、受電装置と負荷の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる。また、整流素子により、スイッチが非導通状態から導通状態に切り替えられても負荷の正極と負極が短絡しない状態に保たれる。このため、例えば負荷がバッテリである場合に、バッテリの放電が防止される。

本発明によれば、受電装置と負荷の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる受電装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る受電装置の回路図である。本発明の実施形態に係る受電装置の負荷に流れる電流と、負荷に印加される電圧とを示すグラフである。本発明の実施形態の第１変形例に係る受電装置の回路図である。本発明の実施形態の第２変形例に係る受電装置の回路図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明の実施形態に係る受電装置１０の回路図である。受電装置１０は、受電コイル１１、整流回路１２、平滑回路１３、制御回路１４及び負荷１５を備える。

受電コイル１１は、受電装置１０と別体の送電装置が備える送電コイルから送電される電力を受電する。受電コイル１１は、送電コイルとの磁界結合によって交流電力を受電するコイルであってよい。

整流回路１２は、受電コイル１１で受電した交流電力を整流し、直流電力を出力する。整流回路１２は、複数のダイオードを含んで、受電コイル１１で受電した交流電力を全波整流する回路であってよい。

平滑回路１３は、整流回路１２から出力される直流電力を平滑化する。平滑回路１３は、コイル及びコンデンサを含み、整流回路１２から出力される直流電力の変動を低減し、平滑化する回路であってよい。本実施形態に係る受電装置１０において、平滑回路１３は、整流回路１２と制御回路１４の間に接続される。

負荷１５は、整流回路１２から出力され、平滑回路１３で平滑化された直流電力が供給される。負荷１５は、直流電力が供給される場合に、時間の経過に応じて電圧が変化するものであってよい。負荷１５は、例えばリチウムイオンキャパシタや鉛蓄電池等のバッテリであったり、モータ等のアクチュエータであったりしてよい。

制御回路１４は、整流回路１２と負荷１５との間に接続され、整流回路１２から出力される直流電力により負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御する。本実施形態に係る受電装置１０において、制御回路１４は、平滑回路１３と負荷１５の間に接続される。制御回路１４は、負荷１５の正極＋と負極－の間に接続され、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に、送電コイルから送電される電力が受電コイル１１により受電されている間に、非導通状態から導通状態に切り替えられる第１スイッチ１４ａと、正極＋又は負極－と第１スイッチ１４ａの間に接続され、正極＋から第１スイッチ１４ａを通り負極－へ電流が流れることを防止するダイオード１４ｂと、を含む。ここで、所定の条件は、負荷１５に印加される電圧が所定の電圧以上となることであってよい。

制御回路１４によって、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられ、制御回路１４の正極と負極が短絡されることで、受電装置１０と負荷１５の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる。また、制御回路１４がダイオード１４ｂを含むことで、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられても負荷１５の正極＋と負極－が短絡しない状態に保たれる。

本実施形態に係る受電装置１０において、ダイオード１４ｂは、負荷１５の正極＋に流れ込む電流を通過させ、正極＋から流れ出す電流を遮蔽する一つの半導体ダイオードであってよい。制御回路１４がダイオード１４ｂとして一つの半導体ダイオードを含むことで、安価な構成により、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられた場合に負荷１５の正極＋と負極－が短絡しないように保つことができる。

また、第１スイッチ１４ａは、半導体トランジスタであってよい。半導体トランジスタのゲート電極には、制御信号が入力されてよく、制御信号は、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に半導体トランジスタのソース電極とドレイン電極を導通させる信号であり、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たさない場合に半導体トランジスタのソース電極とドレイン電極を導通させない信号であってよい。

図２は、本発明の実施形態に係る受電装置１０の負荷１５に流れる電流Ｉと、負荷１５に印加される電圧Ｖとを示すグラフである。同図において、負荷１５に流れる電流Ｉは、実線で示され、その単位は右側の縦軸にＡ（アンペア）で示されている。また、負荷１５に印加される電圧Ｖは破線で示され、その単位は左側の縦軸にＶ（ボルト）で示されている。横軸には、経過時間をｍｓ（ミリ秒）の単位で示している。本例では、負荷１５はバッテリである。

図２では、０ｍｓに受電コイル１１による電力の受電を開始して、負荷１５（バッテリ）に直流電力を供給して充電を行った場合を示している。本例において、制御回路１４は、受電コイル１１による電力の受電が開始されると、負荷１５に流れる電流Ｉが一定又は所定値以下となるように制御する。本例の場合、制御回路１４は、電流Ｉの時間平均が一定となるように制御する。これにより、負荷１５に直流電力を供給する際に過大な電流が流れることを抑制することができる。また、本例の場合、負荷１５は、直流電力が供給される時間の経過に応じて電圧が変化する。より具体的には、負荷１５は、リチウムイオンキャパシタ等であってよく、直流電力が供給されて蓄電量が増加していくと、電圧が上昇するものであってよい。本例において、制御回路１４の第１スイッチ１４ａを非導通状態から導通状態とする所定の条件は、負荷１５に印加される電圧が１０Ｖ以上であることである。そのため、受電開始から５０ｍｓ経過して負荷１５に印加される電圧が１０Ｖとなった時点で、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられている。第１スイッチ１４ａが非導通状態の場合、すなわち０ｍｓから５０ｍｓまでの場合、負荷１５に流れる電流Ｉは、２．６Ａ～４．０Ａ程度である。一方、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられた５０ｍｓより後、負荷１５に流れる電流Ｉは０Ａとなっており、負荷１５に電力が供給されていないことが確認できる。また、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられた５０ｍｓより後、負荷１５に印加される電圧が１０Ｖのまま一定に保たれ、ダイオード１４ｂにより負荷１５の正極＋と負極－が短絡しないように保たれていることが確認できる。

仮に、負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下に制御されない場合、すなわち受電装置１０に定格以上の電流（過電流）が流れ得る場合、過電流に耐え得る材料や部品を選定して受電装置１０を構成する必要がある。例えば、受電コイル１１としてコイル巻線がより多いものを選定する必要が生じて、受電コイル１１が大型化する。また、平滑回路１３に含まれるキャパシタとして並列数がより多いものを選定する必要が生じて、平滑回路１３が大型化する。また、第１スイッチ１４ａをＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成する場合、ヒートシンクがより大きいＦＥＴを選定する必要が生じて、制御回路１４が大型化する。このようにして、負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下に制御されない場合、定格以上の電流に耐える必要から受電装置１０が大型化してしまう。

一方、負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下に制御される場合、過電圧に耐え得る材料や部品を選定して受電装置１０を構成する必要があるが、一般的に、過電流に耐え得る材料や部品よりも、過電圧に耐え得る材料や部品の方が小型であり、種類も豊富で安価である。そして、負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下であれば、受電コイル１１としてコイル巻線がより多いものを選定する必要がなく、受電コイル１１を小型にすることができる。また、平滑回路１３に含まれるキャパシタとして並列数がより多いものを選定する必要がなく、平滑回路１３を小型にすることができる。また、第１スイッチ１４ａをＦＥＴで構成する場合に、より大きなヒートシンクを有するＦＥＴを選定する必要がなく、制御回路１４を小型にすることができる。このように、制御回路１４によって、負荷１５を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御することで、過電流対策のために受電装置１０を構成する材料や部品を特別に選定せずともよく、耐電圧対策のみ行えばよいため、受電装置１０を低コストかつ小型にすることができる。

本実施形態に係る受電装置１０により、以下の受電制御方法が実行される。はじめに、本実施形態に係る受電制御方法では、送電コイルから送電される電力を受電コイル１１により受電することが行われ、続いて、受電コイル１１で受電した交流電力を整流回路１２により整流することが行われる。そして、制御回路１４により、負荷１５に印加される電圧が所定値以上となったことを検出することが行われて、負荷１５に印加される電圧が所定値以上となった場合に、送電コイルから送電される電力が受電コイル１１により受電されている間に、負荷１５の正極＋と負極－の間に接続される第１スイッチ１４ａを非導通状態から導通状態に切り替えることと、整流素子１４ｂにより、正極＋から第１スイッチ１４ａを通り負極－へ電流が流れることを防止することと、が行われる。

本実施形態に係る受電制御方法によれば、負荷１５に印加される電圧が所定値以上となった場合に第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられ、制御回路１４の正極と負極が短絡されることで、受電装置１０と負荷１５の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、過大な電圧が印加されることを抑制できる。また、整流素子１４ｂにより、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられても負荷１５の正極＋と負極－が短絡しない状態に保たれる。このため、例えば負荷１５がバッテリである場合に、バッテリの放電が防止される。

図３は、本発明の実施形態の第１変形例に係る受電装置１０ａの回路図である。第１変形例に係る受電装置１０ａは、制御回路１４に第２スイッチ１４ｃを含み、ダイオード１４ｂを含まない点で、本実施形態に係る受電装置１０と相違する。その他の構成について、第１変形例に係る受電装置１０ａは、本実施形態に係る受電装置１０と同様の構成を有する。

第２スイッチ１４ｃは、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に導通状態から非導通状態に切り替えられるスイッチであり、第１スイッチ１４ａと導通状態及び非導通状態が互いに逆となるように制御される。第２スイッチ１４ｃは、半導体トランジスタであってよく、第２スイッチ１４ｃのゲート電極には、制御信号が入力されてよい。第２スイッチ１４ｃのゲート電極に入力される制御信号は、第１スイッチ１４ａのゲート電極に入力される制御信号を反転した信号であってよい。すなわち、第２スイッチ１４ｃのゲート電極に入力される制御信号は、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に第２スイッチ１４ｃのソース電極とドレイン電極を導通させない信号であり、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たさない場合に第２スイッチ１４ｃのソース電極とドレイン電極を導通させる信号であってよい。

制御回路１４が整流素子として第２スイッチ１４ｃを含むことで、第１スイッチ１４ａの制御信号を反転した単純な制御信号により、第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられた場合に負荷１５の正極＋と負極－が短絡しないように保つことができる。

図４は、本発明の実施形態の第２変形例に係る受電装置１０ｂの回路図である。第２変形例に係る受電装置１０ｂは、平滑回路１３が、制御回路１４と負荷１５の間に接続されている点で、本実施形態に係る受電装置１０と相違する。その他の構成について、第２変形例に係る受電装置１０ｂは、本実施形態に係る受電装置１０と同様の構成を有する。

第２変形例に係る受電装置１０ｂにおいて、平滑回路１３は、制御回路１４の後段に設けられ、直流電力を平滑化して負荷１５に供給する。なお、制御回路１４及び平滑回路１３の構成は本実施形態に係る受電装置１０のものと同様であってよいが、第２変形例に係る受電装置１０ｂでは、制御回路１４及び平滑回路１３の接続順序が逆である。このような構成により、負荷１５に印加される電圧が所定の条件を満たした場合に第１スイッチ１４ａが非導通状態から導通状態に切り替えられ、制御回路１４の正極＋と負極－が短絡されることで、受電装置１０と負荷１５の間の接続を切断してから送電装置による送電が停止されるまでにタイムラグが生じる場合であっても、平滑回路１３に過大な電圧が印加されることを抑制できる。そのため、平滑回路１３の損傷を防止することができ、受電装置１０の寿命を延ばすことができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１０…受電装置、１０ａ…第１変形例に係る受電装置、１０ｂ…第２変形例に係る受電装置、１１…受電コイル、1２…整流回路、１３…平滑回路、１４…制御回路、１４ａ…第１スイッチ、１４ｂ…ダイオード、１４ｃ…第２スイッチ、１５…負荷

Claims

送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルで受電した交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路と、前記整流回路から出力される直流電力が供給される負荷の前段で前記直流電力を平滑化する平滑回路との間に接続される制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記負荷の正極と負極の間に接続され、前記負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に、前記送電コイルから送電される電力が前記受電コイルにより受電されている間に、非導通状態から導通状態に切り替えることにより当該制御回路を短絡させるスイッチと、前記正極又は前記負極と前記スイッチの間に接続され、前記正極から前記スイッチを通り前記負極へ電流が流れることを防止する整流素子と、を含み、
前記負荷は、前記直流電力が供給される時間の経過に応じて電圧が変化し、
前記制御回路は、前記負荷を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御する、
受電装置。
前記整流素子は、前記正極に流れ込む電流を通過させ、前記正極から流れ出す電流を遮蔽する一つの半導体ダイオードである、
請求項１に記載の受電装置。
前記整流素子は、前記負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に導通状態から非導通状態に切り替えられる第２スイッチであり、前記スイッチと導通状態及び非導通状態が互いに逆となるように制御される、
請求項１に記載の受電装置。
送電コイルから送電される電力を受電コイルにより受電することと、
前記受電コイルで受電した交流電力を整流回路により整流することと、
前記整流回路と、前記整流回路から出力される直流電力が供給される負荷の前段で前記直流電力を平滑化する平滑回路との間に接続される制御回路により、前記負荷に印加される電圧が所定値以上となったことを検出することと、
前記負荷に印加される電圧が所定値以上となった場合に、前記送電コイルから送電される電力が前記受電コイルにより受電されている間に、前記負荷の正極と負極の間に接続されるスイッチを非導通状態から導通状態に切り替えることにより前記制御回路を短絡させることと、
前記正極又は前記負極と前記スイッチの間に接続される整流素子により、前記正極から前記スイッチを通り前記負極へ電流が流れることを防止することと、
を含み、
前記負荷は、前記直流電力が供給される時間の経過に応じて電圧が変化し、
前記制御回路は、前記負荷を流れる直流電流が一定又は所定値以下となるように制御する、
受電制御方法。