JP2024065609A - 送電装置及び非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】優れた通信性能を実現できる送電装置及び非接触電力伝送システムを提供する。【解決手段】送電装置は、電力波を振幅変調した被変調波により、受電装置への給電及び受電装置との間の情報の送受信を可能に構成された、非接触電力伝送システムの送電装置であって、受電装置に対して電力を非接触で送電する送電回路と、電源電圧を高周波の交流電圧に変換して送電回路に出力する電源回路と、交流電圧に生じうるスパイク状のノイズを抑制するスナバ回路と、を備える。スナバ回路は、電源回路から送電回路への給電線路と入力電圧点との間に配置される第１スナバ回路と、給電線路とグランドとの間に配置される第２スナバ回路と、を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、送電装置及び非接触電力伝送システムに関する。

従来、二次側の受電装置に対して、一次側の送電装置から非接触で給電可能な非接触電力伝送システム（ＷＰＴ：Wireless Power Transfer）が知られている。また、受電装置に接続された負荷（例えば、センサー類）に関する情報（以下、「負荷情報」と称する）を、電力波を搬送波（キャリア）として使用して送受信するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のシステムによれば、ワイヤレス給電とワイヤレス情報通信を共通の伝送経路で同時に行うことができ、回路構成の簡素化を図ることができる。

特開２０１６－１９７９６５号公報

上述した非接触電力伝送システムでは、例えば、送電側負荷情報Ｓ１及び受電側負荷情報Ｓ２を含む変調信号で、電力波を振幅変調することにより、送電装置５０から受電装置６０への給電、及び、両者間での負荷情報の送受信が行われる（図１参照）。この場合、送電装置５０において、電源回路５６は、高周波（例えば、８ＭＨｚ）の電力波を発生させる発振回路（ロジックＩＣ）を含む。そのため、ＥＭＩが発生しやすい上、ＥＭＩ強度も高く、通信性能が低下する虞がある。

本開示の目的は、優れた通信性能を実現できる送電装置及び非接触電力伝送システムを提供することである。

本開示に係る送電装置は、
電力波を振幅変調した被変調波により、受電装置への給電及び前記受電装置との間の情報の送受信を可能に構成された、非接触電力伝送システムの送電装置であって、
前記受電装置に対して電力を非接触で送電する送電回路と、
電源電圧を高周波の交流電圧に変換して前記送電回路に出力する電源回路と、
前記交流電圧に生じうるスパイク状のノイズを抑制するスナバ回路と、を備え、
前記スナバ回路は、
前記電源回路から前記送電回路への給電線路と入力電圧点との間に配置される第１スナバ回路と、
前記給電線路とグランドとの間に配置される第２スナバ回路と、を有する。

本開示に係る非接触電力伝送システムは、
上記の送電装置と、
前記送電装置からの給電及び前記送電装置との情報の送受信を可能な受電装置と、を備える。

本開示によれば、優れた通信性能を実現できる送電装置及び非接触電力伝送システムを提供することができる。

図１は、従来の非接触電力伝送システムの概略構成を示す図である。 図２は、実施の形態に係る非接触電力伝送システムの概略構成を示す図である。 図３は、実施の形態に係る被変調波の波形の一例を示す図である。 図４は、送電回路及び一次側変調回路の回路構成の一例を示す図である。 図５は、受電回路及び二次側変調回路の回路構成の一例を示す図である。 図６は、送電装置で得られる電力波形の一例を示す図である。 図７は、スナバ回路の他の一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本開示の一実施の形態に係る非接触電力伝送システム１の概略構成を示す図である。

図２に示すように、非接触電力伝送システム１は、一次側の送電装置１０及び二次側の受電装置２０を備える。非接触電力伝送システム１は、磁気共鳴・共振方式により、非接触で送電装置１０から受電装置２０への給電を行うとともに、両者間で情報の送受信を行うことができるように構成されている。

非接触電力伝送システム１は、例えば、電動自転車のペダルの回転状態を検出するのに使用される。この場合、送電装置１０は、バッテリーが搭載されている自転車本体に設置され、受電装置２０は、自転車本体に対して回転するペダル側の可動部分に設置される。

受電装置２０は、負荷の一例としてセンサー２８を有する。センサー２８は、受電装置２０の基板に実装されてもよいし、受電装置２０の基板にケーブル等を介して接続されてもよい。センサー２８は、例えば、物体の変形を検出可能な歪センサーである。センサー２８は、例えば、ペダルを踏み込んだときのシャフトの瞬間的な変形を検出し、電気信号として出力する。センサー２８には、送電装置１０から受電装置２０に非接触で給電された電力が供給される。

送電装置１０と受電装置２０との間では、電力波（搬送波）を変調信号で振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）した被変調波ＨＦにより、非接触で、給電及び負荷情報Ｓの送受信が行われる。被変調波ＨＦは、負荷情報Ｓとして、送電装置１０から受電装置２０に送信される送電側負荷情報Ｓ１及び受電装置２０から送電装置１０に送信される受電側負荷情報Ｓ２を含む（図３参照）。送電側負荷情報Ｓ１は、例えば、センサー２８に対して検出情報の送信を指示する呼出情報である。受電側負荷情報Ｓ２は、センサー２８で検出された検出情報である。

図３に示すように、被変調波ＨＦは、電力波を、周波数ｆの変調信号で振幅変調した波であり、変調周期１／ｆで信号強度（振幅）の強弱を繰り返す。被変調波ＨＦにおいて、例えば、信号強度の強い部分が負荷情報Ｓを示す通信信号として用いられる。ここでは、通信信号の前半部分を送電側負荷情報Ｓ１の送受信に用い、後半部分を受電側負荷情報Ｓ２の送受信に用いている。例えば、送電側負荷情報Ｓ１を示すデータ（二進数の「０」「１」）は、基準レベルからの凹みにより表され、受電側負荷情報Ｓ２を示すデータは、基準レベルからの凸により表される。

送電装置１０は、送電回路１１、一次側制御回路１２、一次側変調回路１３、一次側ローパスフィルター１４、一次側復調回路１５、電源回路１６及びスナバ回路３０等を有する。

送電回路１１は、例えば、送電コイル１１１及び共振コンデンサー１１２を有する共振回路である（図４参照）。共振コンデンサー１１２は、電源回路１６から送電コイル１１１への給電線路Ｆに直列に接続されている。送電コイル１１１の出力端は、グランドに接続されている。

一次側制御回路１２は、送電側負荷情報Ｓ１を含む低周波の変調信号で電力波が変調されるように、一次側変調回路１３を制御する。また、一次側制御回路１２は、被変調波ＨＦに重畳されている受電側負荷情報Ｓ２が抽出されるように、一次側復調回路１５を制御する。

一次側変調回路１３は、送電側負荷情報Ｓ１を含む変調信号で、電力波を変調する。一次側変調回路１３は、給電線路Ｆとグランドとの間に接続される。一次側変調回路１３は、例えば、スイッチング素子１３１、変調コンデンサー１３２、及び抵抗１３３等を有する（図４参照）。スイッチング素子１３１、変調コンデンサー１３２及び抵抗１３３は、グランド側から順に、直列に接続されている。例えば、一次側制御回路１２によりスイッチング素子１３１がオンされた場合に、送電コイル１１１に対して並列に変調コンデンサー１３２が挿入され、被変調波ＨＦの波形が収縮する（基準波形より凹む）ように、磁気共鳴条件が設定される。

一次側ローパスフィルター１４は、被変調波ＨＦに含まれる電力波の高周波成分を除去し、通信信号の低周波成分のみを通過させる。一次側ローパスフィルター１４は、例えば、全波整流回路で構成される。一次側復調回路１５は、一次側ローパスフィルター１４を通過した通信信号を復調して受電側負荷情報Ｓ２を取り出し、一次側制御回路１２に出力する。

電源回路１６は、電力波を発生させる発振回路１６１（ロジックＩＣ）を含む。発信回路１６１は、例えば、バッテリーから供給される電圧を、高周波（例えば、８ＭＨｚ）の交流電圧に変換して出力する。

スナバ回路３０は、電源回路１６から出力される交流電圧に生じうるスパイク状のノイズを抑制する。スナバ回路３０により、交流電圧に含まれるノイズが低減されるので、ＥＭＩ特性が向上する。

スナバ回路３０は、給電線路Ｆと入力電圧点Ｖｃｃとの間に接続される第１スナバ回路３１と、給電線路Ｆとグランドとの間に接続される第２スナバ回路３２と、を有する。

第１スナバ回路３１は、交流電圧の立ち上がり直後のノイズ成分Ｎ１を吸収する（図６参照）。第１スナバ回路３１は、直列に接続された抵抗３１１及びコンデンサー３１２を有するＲＣ回路である。

第２スナバ回路３２は、交流電圧の立ち下がり直後のノイズ成分Ｎ２を吸収する（図６参照）。第２スナバ回路３２は、直列に接続された抵抗３２１及びコンデンサー３２２を有するＲＣ回路である。

第１スナバ回路３１及び第２スナバ回路３２では、ノイズ成分Ｎ１、Ｎ２は、コンデンサー３１２、３２２に蓄電され、抵抗によって熱に変換される。

なお、第１スナバ回路３１及び第２スナバ回路３２の回路構成は一例であって、これに限定されない。例えば、図７に示すように、スナバ回路３０としてアクティブクランプ回路を適用してもよい。

第１スナバ回路３１Ａは、直列に接続されたスイッチング素子３１３及びコンデンサー３１４を有する。また、第１スナバ回路３１Ａは、スイッチング素子３１３の動作を制御する駆動回路３１５を有する。駆動回路３１５は、発振回路１６１の入力側に接続される。

第２スナバ回路３２Ａは、直列に接続されたスイッチング素子３２３及びコンデンサー３２４を有する。また、第２スナバ回路３２Ａは、スイッチング素子３２３の動作を制御する駆動回路３２５を有する。駆動回路３２５は、発振回路１６１の入力側に接続される。

第１スナバ回路３１Ａ及び第２スナバ回路３２Ａでは、ノイズ成分Ｎ１、Ｎ２は、コンデンサー３１４、３２４に蓄電され、スイッチング素子３１３、３２３を介して電源に回生される。

受電装置２０は、受電回路２１、二次側制御回路２２、二次側変調回路３０、二次側ローパスフィルター２４、二次側復調回路２５、整流回路２６及びレギュレーター２７等を有する。

受電回路２１は、例えば、受電コイル２１１、共振コンデンサー２１２、２１３を有する（図５参照）。共振コンデンサー２１２は、受電コイル２１１と整流回路２６との間の第１給電線路Ｆ１上に、受電コイル２１１と直列に接続されている。共振コンデンサー２１３は、受電コイル２１１と整流回路２６との間に、受電コイル２１１と並列に接続されている。

二次側制御回路２２は、受電側負荷情報Ｓ２を含む低周波の変調信号で電力波が変調されるように、二次側変調回路３０を制御する。また、二次側制御回路２２は、被変調波ＨＦに重畳されている送電側負荷情報Ｓ１が抽出されるように、二次側復調回路２５を制御する。二次側制御回路２２は、受電装置２０の基板に実装されてもよいし、センサー２８に搭載されているマイクロコントローラーであってもよい。

二次側変調回路２３は、受電側負荷情報Ｓ２を含む変調信号で、電力波を変調する。二次側変調回路２３は、例えば、スイッチング素子２３１、変調コンデンサー２３２、及び抵抗２３３等を有する（図４参照）。スイッチング素子２３１、変調コンデンサー２３２及び抵抗２３３は、グランド側から順に、直列に接続されている。例えば、二次側制御回路２２によりスイッチング素子２３１がオンされた場合に、受電コイル２１１に対して並列に変調コンデンサー２３２が挿入され、被変調波ＨＦの波形が拡張する（基準波形より突出する）ように、磁気共鳴条件が設定される。

二次側ローパスフィルター２４は、被変調波ＨＦに含まれる電力波の高周波成分を除去し、通信信号の低周波成分のみを通過させる。二次側ローパスフィルター２４は、例えば、半波整流回路で構成される。二次側復調回路２５は、二次側ローパスフィルター２４を通過した通信信号を復調して送電側負荷情報Ｓ１を取り出し、二次側制御回路２２に出力する。

整流回路２６は、受電コイル２１１に誘起された交流電圧を整流、平滑化し、直流電圧に変換してレギュレーター２７に出力する。レギュレーター２７は、整流回路２６から供給された電力を、出力電圧を一定にしてセンサー２８に供給する。

非接触電力伝送システム１において、送電コイル１１１に交流電流が流れると、送電コイル１１１の周囲に磁界が発生し、送電コイル１１１及び受電コイル２１１の双方と鎖交する磁束により、受電コイル２１１に電位差（電圧）が生じる。そして、受電コイル２１１に誘導電流が流れ、整流回路２６及びレギュレーター２７を介してセンサー２８に電力が供給される。

センサー２８は、供給された電力を駆動源として動作する。また、センサー２８は、被変調波ＨＦに重畳して送信された送電側負荷情報Ｓ１に基づいて動作し、検出結果を受電側負荷情報Ｓ２として送電装置１０に送信する。

このように、実施の形態に係る送電装置１０及び非接触電力伝送システム１は、以下の特徴事項を単独で、又は、適宜組み合わせて備えている。

すなわち、送電装置１０は、電力波を振幅変調した被変調波ＨＦにより、受電装置２０への給電及び受電装置２０との間の情報の送受信を可能に構成された、非接触電力伝送システム１の送電装置である。送電装置１０は、受電装置２０に対して電力を非接触で送電する送電回路１１と、電源電圧を高周波の交流電圧に変換して送電回路１１に出力する電源回路１６と、交流電圧に生じうるスパイク状のノイズを抑制するスナバ回路３０と、を備える。スナバ回路３０は、電源回路１６から送電回路１１への給電線路Ｆと入力電圧点Ｖｃｃとの間に配置される第１スナバ回路３１と、給電線路Ｆとグランドとの間に配置される第２スナバ回路３２と、を有する。

送電装置１０によれば、第１スナバ回路３１及び第２スナバ回路３２により、交流電圧に含まれる立ち上がり直後のノイズＮ１及び立ち下がり直後のノイズＮ２が効果的に低減されるので、ＥＭＩ特性が向上する。したがって、非接触電力伝送システム１における通信品質を格段に向上することができる。

また、送電装置１０において、第１スナバ回路３１及び第２スナバ回路３２は、抵抗３１１、３２１及びコンデンサー３１２、３２２を有するＲＣ回路である。これにより、簡易な回路構成でノイズＮ１、Ｎ２を吸収し、ＥＭＩ特性を向上することができる。

また、送電装置１０において、第１スナバ回路３１Ａ及び第２スナバ回路３２Ａは、スイッチング素子３１３、３２３及びコンデンサー３１４、３２４を有するアクティブクランプ回路である。これにより、ノイズ成分Ｎ１、Ｎ２は、コンデンサー３１４、３２４に蓄電され、スイッチング素子３１３、３２３を介して電源に回生されるので、ＲＣ回路に比較して効率よくＥＭＩ特性を向上することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本開示は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、非接触電力伝送システム１における、それぞれの回路の構成は、実施の形態で示した構成に制限されない。例えば、送電装置１０及び受電装置２０に、インピーダンスを整合させるための部品等を適宜設けてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 非接触電力伝送システム
１０ 送電装置
２０ 受電装置
１１ 送電回路
１６ 電源回路
３０ スナバ回路
３１ 第１スナバ回路
３２ 第２スナバ回路

Claims (4)

1. 電力波を振幅変調した被変調波により、受電装置への給電及び前記受電装置との間の情報の送受信を可能に構成された、非接触電力伝送システムの送電装置であって、
   前記受電装置に対して電力を非接触で送電する送電回路と、
   電源電圧を高周波の交流電圧に変換して前記送電回路に出力する電源回路と、
   前記交流電圧に生じうるスパイク状のノイズを抑制するスナバ回路と、を備え、
   前記スナバ回路は、
   前記電源回路から前記送電回路への給電線路と入力電圧点との間に配置される第１スナバ回路と、
   前記給電線路とグランドとの間に配置される第２スナバ回路と、を有する、
   送電装置。
2. 前記第１スナバ回路及び前記第２スナバ回路は、抵抗及びコンデンサーを有するＲＣ回路である、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記第１スナバ回路及び前記第２スナバ回路は、スイッチング素子及びコンデンサーを有するアクティブクランプ回路である、
   請求項１に記載の送電装置。
4. 請求項１に記載の送電装置と、
   前記送電装置からの給電及び前記送電装置との情報の送受信を可能な受電装置と、
   を備える非接触電力伝送システム。