JP2010119251A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異物等の金属が置かれても発熱しない、安全で、不要な電力損失を低減した無接点電力伝送装置を提供することを目的とする。
【解決手段】送電コイルＬ１から受電コイルＬ２に電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、送電側ユニット１０は、送電コイルＬ１と、電力伝送回路１と、電流検出回路３と、位置検出手段４とを備え、前記各回路を制御する制御回路を備えた第１のマイコン２を備える一方、前記受電側ユニット３０は、受電コイルＬ２と、整流平滑回路３１と、シリーズレギュレータ３４と、充電池を備えた充電池ユニット４０と、パルス充電を行うためのスイッチング素子３３と、該シリーズレギュレータとスイッチング素子とを制御するための制御回路を備えた第２のマイコン３２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受電側ユニットが携帯機器等の電子機器に内蔵された二次電池を無接点で充電するための非接触電力伝送装置に関する。

非接触電力伝送装置において、図６に示すように、送電用の送電コイルＬ１を内蔵した送電側ユニット本体１０と、受電用の受電コイルＬ２を内蔵した受電側ユニット３０を着脱自在に搭載するための本体の一部に形成された支持台２０において、送電側ユニット１０は受電側ユニット３０が支持台２０の所定の位置に搭載されたことをを認識したのち電力伝送を開始しないと安全上好ましくない。例えば、図６に示すようにコイン等の金属片ｘが送電コイルＬ１上の近傍にある場合、常に電力を伝送していると、電磁誘導の原理で金属片が発熱して危険である。

このような金属片ｘによる発熱を回避するため特許文献１では、携帯機器である受電側ユニットの据置用送電側ユニットにおける支持台の形状を工夫して、受電側ユニットを斜めに搭載するようにした。そして、送電コイルを支持台の傾斜部分に配置し、受電コイルを受電側ユニットの背面に設置し、送電コイルと対向するように設ける。このように、受電側ユニットを斜めに搭載することによって回避するようにしていた。しかしながら、金属片ｘが載ったことにより送電コイルと受電コイルの位置ずれにより充電効率が悪くなると共に充電時間が長くなると言う問題がある、また、送電側ユニットの設計上の制約が増えて、設計が困難となる問題があった。

また、特許文献２には 送電側より抑制された（間欠動作等）電力伝送により受電側ユニットである受電コイルで電力を得て、それにより認証信号を送電側ユニットへ戻し認証回路により認証し、合致したならば正規の充電電力の送電を開始し、受電側ユニットの二次電池等に充電する方法が開示されている。この場合、抑制された（間欠動作等）電力伝送が常時行われており異物等の金属が置かれても発熱はしないが、抑制された（間欠動作等）電力と言えども無駄な電力を常時発生させていて好ましくなかった。また、電力伝送している限り不要な電磁波を空中に放散させ好ましくなかった。

特開２０００−３７０４７号公報 特開平６―３１１６５８号公報

このように、引用文献１では受電側ユニットを斜めに搭載するだけであり、金属片が送電コイル近辺に付着した場合、やはり、金属片が発熱して危険である。また、引用文献２では、抑制された（間欠動作等）電力伝送が常時行われており異物等の金属が置かれても発熱はしないが、抑制された（間欠動作等）電力と言えども無駄な電力である無駄なエネルギーを消費し、不要な電磁波を空中に放散させ好ましくないといった課題がある。

本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、異物等の金属が置かれても発熱しない、安全で、不要な電力損失を低減した無接点電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明に係る非接触電力伝送装置は、送電コイルを内蔵した送電側ユニット本体と、受電コイルを内蔵した受電側ユニットと、該受電側ユニットを着脱自在に搭載するための該本体の一部に形成された支持台とを具え、該送電コイルから該受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、
前記送電側ユニットは、前記送電コイルと直列に接続した共振コンデンサと、電力伝送回路と、入力電源側の直流電流を検出する電流検出回路と、位置検出手段とを備え、該電力伝送回路、該電流検出回路、該位置検出手段を制御する制御回路を備えた第１のマイコンを備える一方、前記受電側ユニットは、前記受電コイルと並列接続した共振コンデンサと、整流平滑回路と、シリーズレギュレータと、充電池を備えた充電池ユニットと、パルス充電を行うためのスイッチング素子と、該シリーズレギュレータとスイッチング素子とを制御するための制御回路を備えた第２のマイコンとを備え、該第２のマイコンと該スイッチング素子のオンオフにより複数のパルスパターンを生成することを特徴とする。
第１のマイコン、第２のマイコンは、互いに、受電側ユニットの負荷（充電池ユニット）の状態に応じて予め設定された所定のパルスパターンを備え、受電側ユニットをモニタすることにより適正な負荷に応じた電力伝送を行うことを特徴とする。

さらにまた、前記送電側ユニットは位置検出手段となる光電発光素子と受光素子、磁気検出素子または近接センサ等のいずれかを備え、前記受電側ユニットには光反射部、永久磁石等のいずれかを備えたことを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送装置によれば、送電側ユニット本体の支持台にコイン等の金属片が付着したとき、即ち、受電側ユニットが正常な状態で支持台に載置していない状態では、送電側ユニットに設けた位置検出手段により、送電コイルから受電コイルに電力伝送が行われない。
また、位置検出手段で受電ユニットが正常な状態で支持台に載置されたと認識された状態においても、初期動作における電力伝送で第２のマイコンで設定されたパルスパターンが送電ユニットの電流検出回路で認識できなければ電力伝送は行われない。このように、発熱の危険を防止できる。そして、位置ズレ等を修正することにより再起動できる。
さらにまた、受電側ユニットが正常な状態で載置されていたとしても特定する受電側ユニットでない場合、即ち、第１のマイコンで設定された認証パターンと第２のマイコンで設定された認証パターンとが異なる場合、電力伝送は行われない。

図１から図３を用いて本発明の非接触電力伝送装置について、詳細に説明する。

図１は送電側ユニットと充電池ユニットを含む受電側ユニットからなる非接触電力伝送装置の一実施形態を示すブロック図である。
図１において、送電側ユニット１０は、電力伝送回路１と、送電コイルＬ１と、直列共振コンデンサＣ１と、電流検出回路３と、第１のマイコン２と、位置検出手段４とを備えた構成である。
一方、受電側ユニット３０は、受電コイルＬ２と、並列共振コンデンサＣ２と、整流平滑回路３１と、シリーズレギュレータ３４と、スイッチング素子３３と、第２のマイコン３２と、永久磁石Ｍｇとを備え、充電池ユニット４０を含む構成である。

まず、充電側ユニット１０について具体的に説明する。
充電側ユニット１０は、電力伝送回路１と直列に直列共振コンデンサＣ１と送電コイルＬ１が接続されており、入力側電源ＧＮＤと電力伝送回路１との間に電流検出用抵抗が接続された電流検出回路３が形成されている。電流検出回路３は、充電側ユニット１０からみた受電側ユニット３０の負荷（充電池ユニット）に応じた直流電流を検出する。位置検出手段４は、例えば、受電側ユニット３０の筐体の一部に永久磁石を設け、それと対向する送電側１０にホール素子を設けて位置検出を行う。そして、第１のマイコン２は、位置検出手段４で受電ユニット３０が支持台に載置されたことを検出すると、電力伝送回路１を介して送電コイルＬ１から電力を供給する。さらに、受電側ユニット３０の負荷の状態を電流検出回路３で監視し、検出された負荷のパターンに応じて、電力伝送回路１の電力供給を制御する。なお、図示しないが表示装置、例えば、ＬＥＤ、ランプ等の表示素子とその表示素子を駆動する駆動回路を設けてもよい。

次に、受電側ユニット３０について具体的に説明する。
受電側ユニット３０は、充電側ユニット１０の送電コイルＬ１からの電力を受電コイルＬ２で受電し、整流平滑回路３１を用いて直流電圧に変換し、シリーズレギュレータ３４を用いて安定化した所定の電圧を生成する。シリーズレギュレータ３４に接続されたスイッチング素子３３は所定の間隔でオンオフして充電池ユニット４０に対しパルス充電を行う。第２のマイコン３２は、シリーズレギュレータ３４の制御と充電池ユニット４０からの情報を入手して、予め設定された所定のパルスパターンをスイッチング素子３３に供給してパルス充電を行う。なお、ここでは、シリーズレギュレータ３１を用いているが降圧コンバータを用いてもよい。

このような構成において、充電側ユニット１０の第１のマイコン２と受電側ユニット３０の第２のマイコン３２は、内部に予め設定された所定のパターン、例えば、認証パターン、予備充電パターン、主充電パターン、満充電パターン、およびエラー検出パターン等が記憶されている。最近のマイコンはこのような動作（制御）を低電力でなおかつ他の機能を簡単に付加することができる。

次に、本発明の非接触電力伝送装置の動作例を図１のブロック図と図２の動作を説明するフローチャートを用いて説明する。（）内数字は、図２のフローチャートの工程を示す。

まず、送電側ユニット１０に入力電源Ｖｉｎが印加されている。
（１）送電側ユニット１０本体に形成された支持台２０（図３参照）に受電側ユニット３０が正しい状態で載置されたとき、充電台ユニット１０の位置検出手段４（実施例はホール素子）に受電側ユニット３０の永久磁石Ｍｇが近接すると、位置検出手段４から第１のマイコン２に信号が流れ、第１のマイコン２は予め設定された短期間（例えば、２００ｍｓｅｃ）の間、電力伝送回路１を動作させて送電コイルＬ１から電力を伝送する。
（２）受電側ユニット３０は、受電コイルＬ２に電力が受電され、整流平滑回路３１、シリーズレギュレータ３４を介して設定された電圧が供給される。と、同時にその電圧によって第２のマイコン３２を起動させ、初期リセット、ＩＤ認識パターンとなるパルスパターン（図３（ａ）のパターン）をスイッチング素子３３に印加し、充電池ユニット４０に対しパルス充電を開始する。
（３）と、同時に、このパルスパターン（ＩＤ認識パターン）が受電コイルＬ２から送電コイルＬ１を介して充電側ユニット１０の電流検出回路３で検出される。これがＩＤ認識パターンとなり、第１のマイコン２に記憶されたＩＤ認識パターンと比較し、合致したとき、電力伝送回路１から送電コイルＬ１を介して送電を開始する。
（４）そして、送電開始された電力は第２のマイコン３２で予備充電を開始するパルスパターン（図３（ｂ）のパターン）によりスイッチング素子３３をオンオフすることにより予備のパルス充電を開始する。
（５）このパルスパターンが受電コイルＬ２を介して送電コイルＬ１に伝達され、電流検出回路３で予備充電パターンとなるパルスパターンが検出されると、第１のマイコン２において記憶された正規のパルスパターンと比較され、合致すると電力伝送回路１から送電コイルＬ１を介して送電を継続する。
（６）受電側ユニット３０は送電の継続により、予備充電を継続する。そして、予備充電から主充電に移行するフィードバック情報を充電池ユニット４０から受信すると、第２のマイコン３２は予め設定された主充電パターンを行うパルスパターン（図３（ｃ）のパターン）によりスイッチング素子３３を動作させて、主充電を開始する。
（７）主充電に移行したパルスパターンが電流検出回路３で検出され、第１のマイコン２に記憶された正規の主充電パターンと比較され、合致すると電力伝送回路１から送電コイルＬ１を介して送電を継続する。
（８）主充電が継続し、充電池ユニット４０において、満充電の情報が第２のマイコン３２にフィードバックされると第２のマイコン３２は予め設定された満充電のパルスパターン（図３（ｄ）のパターン）をスイッチング素子３３に印加する。
（９）満充電のパルスパターンが電流検出回路３で検出されると、第１のマイコン２で予め設定されたパルスパターンと比較され、合致すると、電力伝送回路１の動作を停止する。
（１０）と、同時に、電力伝送が停止すると受電コイルＬ２に電力が発生しなくなり、受電側ユニット３０の動作が停止する。

このように、送電側ユニット１０の第１のマイコン２と受電側ユニット３０の第２のマイコン３２のパルスパターンを比較認証することにより正規の動作状態を監視する構成である。また、パルスパターンにより充電池ユニット４０のパルス充電を行うことにより、充電池ユニット４０、受電側ユニット３０の状態を送電コイルＬ１から受電コイルＬ２を介して電流検出回路３でパルスパターンを監視することによって受電側ユニット３０を安全な状態に維持することができる。受電側ユニット３０は、一般的な充電回路であり、充電池ユニット４０の充電動作に影響を与えない程度のパルスパターンを第２のマイコンを用いて動作させている。従って、受電側ユニットに電力が無い状態（不足した状態）でも送電側ユニットに載置するだけで充電池ユニットに備えた充電池を安全に充電することができる。

次に、上記で用いた各種パルスパターンの実施例を図３に示す。なお、このパルスパターンは一実施例であり、このパルスパターンに限定されるものではない。
図３（ａ）はＩＤ認証パターン。
図３（ｂ）は予備充電パターン。
図３（ｃ）は主充電パターン。
図３（ｄ）は満充電パターン（充電終了）。
図３（ｅ）はエラー検出パターン。

上記動作における電流検出回路の検出方法を図４および図５を用いて詳細を説明する。
図４（ａ）は、充電池ユニット４０の充電池をパルス充電している電流波形Ｉ１である。
図４（ｂ）は、受電側ユニット３０の第２のマイコン等で常時消費される電流Ｉ２と充電池にパルス充電する充電電流Ｉ１を合成した電流Ｉ１+Ｉ２である。
図４（ｃ）は、送電側ユニット１０の電流検出回路３で検出される電流波形である。
図４（ｄ）は、図４（ｃ）の送電側ユニット１０の電流検出回路３で検出される電流波形を閾値電流Ｉｔｈで補正することにより、図４（ａ）に示した波形と相似形の電流波形が得られる。なお、閾値電流Ｉｔｈは第２のマイコン等で常時消費される電流Ｉ２を加味した電流値（充電池ユニット４０に電力を与えないときの値）よりやや大きい電流値とする。
図４（ｅ）は、送電側ユニットと受電側ユニットの間に金属の異物が付着した場合、または、送電側ユニットと受電側ユニットの互いに対向するコイルが離れた場合、消費される電流値Ｉ２が大きくなり、閾値電流Ｉｔｈより大きくなり、検出された電流波形が正常なパルス波形とならない。この状態を異常時と判断し、第１のマイコンにより電力伝送回路を停止する。

このように、受電側ユニットで消費される電流波形が受電コイルＬ２ー送電コイルＬ１を介して入力電源の入力電流に影響する電流変化の電流波形とほぼ同じ波形となることから、入力電流を検出・監視することにより、受電側ユニットの負荷状態を監視することができる。
そして、図５に示す非接触電力伝送における負荷曲線では、フィードバック操作を行っていないので、軽負荷時の第２のマイコンに消費される電流Ｉ２は電圧Ｖｏが上昇する傾向があるが、充電状態における電圧Ｖｏは充電電流Ｉ１と電流Ｉ２の合成電流Ｉ１+Ｉ２となり、安定した状態となる。

上記の通り、送電側ユニット１０と受電側ユニット３０の間に金属の異物が付着した場合、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離が離れるとともに金属による渦電流が増加するため、図４（ｅ）に示すように、受電側ユニット３０全体の消費電流値Ｉ２が増加するように見える。
さらに、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２に偏平な空芯コイルを用いた場合、空芯コイルの相対向する面と反対側の面に空芯コイルと同じ大きさかそれ以上の磁性シートを貼り付けることにより、位置ズレ、距離間の変化を容易に検出することができる。即ち、位置ズレ、距離間が増すことは、結合係数が小さくなりインダクタンス値の低下となる。そのため、より多くの電流を流そうとする。このことから、磁性シートは比透磁率μの高いものを用いることにより検出力の向上に繋がる。

以上説明したように本発明によれば、送電側ユニット本体の支持台にコイン等の金属片が付着したとき、即ち、受電側ユニットが正常な状態で支持台に載置していない状態では、送電側ユニットに設けた位置検出手段により、送電コイルから受電コイルに電力を供給されない。そのため発熱の危険を防止できる。また、受電側ユニットが載置されていたとしても特定する受電側ユニットでない場合は、認証手段により電力が供給されない。さらに、ちょっとした位置ズレによる誤動作も修正することにより再起動できる。このように、位置検出手段において、磁界検出素子や近接センサー等の駆動に必要な微弱な電力であるから経済的であるとともに受電側ユニットの電力を消費しない。また、充電池が完全に放電した状態であっても位置検出が可能であり、発熱等を考慮する必要がない。さらに、受電側ユニット側においては微小で軽い永久磁石や反射板等を用いることから受電側ユニットの軽量化を図ることができる。

また、上記説明では、磁界検出素子と永久磁石を用いたが、近接センサや光の反射を利用した光センサ、赤外ＬＥＤとフォトトランジスタの組み合わせ等を用いてもい。そして、電力伝送回路はフルブリッジ回路またはハーフブリッジ回路でもよく他の電力伝送回路を用いてもよい。

本発明に係る非接触電力伝送装置の一実施形態を示すブロック図 本発明に係る非接触電力伝送装置の動作を示すフローチャート 本発明に係る非接触電力伝送装置の一実施例であるパルスパターン 本発明に係る非接触電力伝送装置の動作例を示す電流検出波形 非接触電力伝送装置の負荷曲線 非接触電力伝送装置の送電ユニットと受電ユニットの構成図

符号の説明

１０ 送電側ユニット
１ 電力伝送回路
２ 第１のマイコン
３ 電流検出回路
４ 位置検出手段
Ｌ１ 送電コイル
Ｃ１、Ｃ２ 共振コンデンサ
２０ 支持台
３０ 受電側ユニット
Ｌ２ 受電コイル
３１ 整流平滑回路
３２ 第２のマイコン
３３ スイッチング素子（パルス負荷変調）
４０ 充電池ユニット
Ｍｇ 永久磁石

Claims (6)

1. 送電コイルを内蔵した送電側ユニット本体と、受電コイルを内蔵した受電側ユニットと、該受電側ユニットを着脱自在に搭載するための該本体の一部に形成された支持台とを具え、該送電コイルから該受電コイルに電磁誘導を用いて非接触で電力伝送する非接触電力伝送装置であって、
   前記送電側ユニットは、前記送電コイルと直列に接続した共振コンデンサと、電力伝送回路と、入力電源側の直流電流を検出する電流検出回路と、位置検出手段とを備え、該電力伝送回路、該電流検出回路、該位置検出手段を制御する制御回路を備えた第１のマイコンを備える一方、
   前記受電側ユニットは、前記受電コイルと並列接続した共振コンデンサと、整流平滑回路と、シリーズレギュレータと、充電池を備えた充電池ユニットと、パルス充電を行うためのスイッチング素子と、該シリーズレギュレータと該スイッチング素子とを制御するための制御回路を備えた第２のマイコンとを備え、該第２のマイコンと該スイッチング素子のオンオフにより複数のパルスパターンを生成することを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記第１のマイコンは、前記位置検出手段で前記受電側ユニットが前記支持台に載置されたことを検出すると前記電力伝送回路を介して送電コイルから電力を伝送し、さらに、前記電流検出回路で検出した直流電流の変化を認識し、予め設定された所定のパターンと比較し、該電力伝送回路を制御することを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記第２のマイコンは、前記受電コイルで受電した電力を整流平滑回路、シリーズレギュレータを介して得た直流電圧を予め設定された所定のパターンで前記スイッチング素子をオンオフし、前記充電池ユニットにパルス充電することを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記第１のマイコンおよび前記第２のマイコンは予め設定された前記ＩＤ認識パターン、予備充電パターン、主充電パターン、満充電パターン、エラー検出パターンを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記送電側ユニットの位置検出手段は光電発光素子と受光素子、磁気検出素子または近接センサ等のいずれかを備え、前記受電側ユニットには光反射部、永久磁石等のいずれかを備えたことを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記送電コイルと受電コイルは、偏平な空芯コイルの相対向する面の反対側の面に各々磁性シートを備えたことを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。

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