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公開番号2020025457
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2019186831
出願日20191010
発明の名称受電装置
出願人株式会社半導体エネルギー研究所
代理人
主分類H02J 50/80 20160101AFI20200121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可能な給電システム及び給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電システムを提供する。
【解決手段】給電システムにおいて、交流電源、第1の電磁誘導コイル、第1の共鳴コイル及び第1のコンデンサを有する送電装置100と、第2の共鳴コイル、第2のコンデンサ及び第2の電磁誘導コイルを有するアンテナ部114と、整流回路115、蓄電装置119、蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出回路117及び蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路118とを有する充電回路部130と、検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路121と、選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチ124_n及び、複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子125_nを有する通信制御部を有する受電装置120とを有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電磁誘導コイルと、共鳴コイルと、を有するアンテナ部と、
前記アンテナ部により受電した交流電力が入力される充電回路部と、
前記アンテナ部と前記充電回路部の間に設けられた通信制御部と、を有し、
前記充電回路部は、
前記交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
変換された前記直流電力により充電される蓄電装置と、を有し、
前記通信制御部は、
複数の受動素子と、
前記受動素子と直列に接続されたスイッチと、を有し、
前記複数の受動素子は、前記電磁誘導コイルに電気的に接続され、
前記蓄電装置に流れる充電電流の情報及び前記蓄電装置の電圧値の情報を基に、前記スイッチのオンまたはオフを制御する受電装置。
続きを表示(約 130 文字)【請求項2】
請求項1において、
前記受動素子は、コンデンサ、コイル、及び抵抗のいずれか一である受電装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2において、
前記複数のスイッチは、それぞれトランジスタである受電装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
開示される発明の一態様は、受電装置及び給電システムに関する。
続きを表示(約 8,900 文字)【背景技術】
【0002】
様々な電子機器の普及が進み、多種多様な製品が市場に出荷されている。近年では、携帯
電話及びデジタルビデオカメラ等の携帯型の電子機器の普及が顕著である。また電力を基
に動力を得る電気自動車等の電気推進移動体も製品として市場に登場しつつある。
【0003】
携帯電話、デジタルビデオカメラまたは電気推進移動体には、蓄電手段である蓄電装置(
バッテリ、蓄電池ともいう)が内蔵されている。当該蓄電装置の給電は、殆どが給電手段
である家庭用交流電源より直接的に接触させて行われているのが現状である。また蓄電装
置を具備しない構成または蓄電装置に給電された電力を用いない構成では、家庭用交流電
源より配線等を介して直接給電し動作させているのが現状である。
【0004】
一方で非接触により蓄電装置の給電または負荷への給電を行う方式についての研究開発も
進んでおり、代表的な方式として、電磁結合方式(電磁誘導方式ともいう)(特許文献1
参照)、電波方式(マイクロ波方式ともいう)、磁界共鳴方式(共振方式ともいう)(特
許文献2及び特許文献3参照)が挙げられる。
【0005】
特許文献2に示されるように、磁界共鳴方式の非接触給電技術においては、電力を受ける
側の装置(以下、受電装置という)及び電力を供給する側の装置(以下、送電装置という
)のそれぞれが、共鳴コイルを有している。また受電装置及び送電装置には、それぞれ電
磁誘導コイルが設けられている。送電装置における電源から共鳴コイルへの給電、及び、
受電装置における共鳴コイルから負荷への給電は、電磁誘導コイルを介して行われる。
【0006】
送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルは、特定の周波数で磁界共鳴現象が発現
するよう、それぞれの共振周波数(LC共振)が一致するよう設定されている。
【0007】
これら送電装置の共鳴コイル及び受電装置の共鳴コイルが対向し、磁界共鳴現象を起こす
ことにより、当該共鳴コイル間距離が離れている状態でも、効率の良い電力伝送が実現で
きる(非特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
特開2011−223716号公報
特開2011−29799号公報
特開2011−166883号公報
【非特許文献】
【0009】
「ワイヤレス給電2010 非接触充電と無線電力伝送のすべて」日経エレクトロニクス、2010年3月、pp.66−81
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ところが、蓄電装置への充電が進行すると、蓄電装置への充電電流が減少し、受電装置の
抵抗値が増大するという問題が生じる。
【0011】
受電装置の抵抗値が増大することは、磁界共鳴現象にて電力伝送を行う共鳴コイル同士の
結合に多大な影響を与え、その結果、電力伝送効率が減少する恐れが生じる。例えば、受
電装置の抵抗値が増大することで、共鳴コイルのLC共振が維持できず、発現していた磁
界共鳴現象が起こらなくなる。
【0012】
また非接触給電システムにおいて、電磁誘導コイル及び共鳴コイルを用いて、給電と同時
に送電装置及び受電装置間で通信を行うと、送電装置及び受電装置それぞれの情報が交換
できるので好適である。例えば、蓄電装置への充電完了した場合、蓄電装置への充電完了
という情報を受電装置から送電装置へ送信し、送電装置から受電装置への電力伝送を停止
させる。これにより、蓄電装置への過充電を防ぐことが可能である。
【0013】
しかしながら受電装置の抵抗値が増大すると、受電装置及び送電装置間で送信される変調
信号の変調度に影響が生じる。変調信号の変調度に影響が生じると、送電装置又は受電装
置の一方、又はその両方が受信した変調信号を読み取ることができず、その結果、送電装
置及び受電装置間で通信の安定性を確保できなくなるという恐れが生じる。
【0014】
以上を鑑みて、開示される発明の一様態は、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減
少を抑制可能な給電システムを得ることを課題の一とする。
【0015】
また開示される発明の一様態は、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給電シ
ステムを得ることを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
開示される発明の一様態は、共鳴コイルと、コンデンサと、電磁誘導コイルとを有するア
ンテナ部と、整流回路と、蓄電装置と、当該蓄電装置に流れる電流値を検出する電流検出
回路と、当該蓄電装置にかかる電圧値を検出する電圧検出回路とを有する充電回路部と、
当該検出された電流値及び電圧値を基に選択信号を生成する制御回路と、当該選択信号に
よりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチと、当該複数のスイッチのそれぞれに電
気的に接続された受動素子とを有する通信制御部と、を有することを特徴とする受電装置
に関する。
【0017】
開示される発明の一様態は、交流電源と、第1の電磁誘導コイルと、第1の共鳴コイルと
、及び第1のコンデンサとを有する送電装置と、第2の共鳴コイルと、第2のコンデンサ
と、第2の電磁誘導コイルとを有するアンテナ部と、整流回路と、蓄電装置と、当該蓄電
装置に流れる電流値を検出する電流検出回路と、当該蓄電装置にかかる電圧値を検出する
電圧検出回路とを有する充電回路部と、当該検出された電流値及び電圧値を基に選択信号
を生成する制御回路と、当該選択信号によりオン状態又はオフ状態となる複数のスイッチ
と、当該複数のスイッチのそれぞれに電気的に接続された受動素子とを有する通信制御部
と、を有する受電装置とを有することを特徴とする給電システムに関する。
【0018】
蓄電装置への充電が進行すると、蓄電装置の抵抗値が増大し、受電装置全体の抵抗値が増
大する。これにより、電力伝送効率が減少してしまう。しかしながら、蓄電装置に流れる
電流値及び蓄電装置にかかる電圧値に基づき、通信制御部に設けられた受動素子のうち最
適なものを接続する。これにより、磁界共鳴現象にて電力伝送を行う共鳴コイル同士の結
合への影響を抑制し、送電装置及び受電装置間の電力伝送効率が常に最良の状態を維持す
ることができる。
【0019】
また、蓄電装置への充電が進行して蓄電装置さらには受電装置の抵抗値が増大すると、給
電と同時に行われる送電装置及び受電装置間での通信において、通信に用いられる変調信
号の変調度が変化する。変調信号の変調度が変化し、信号として読み取り不可能な状態に
なった場合、送電装置及び受電装置間での通信は不可能となる。よって、蓄電装置への充
電が進行して受電装置の抵抗値が増大すると、通信の不安定さが増大してしまう。しかし
ながら、蓄電装置に流れる電流値及び蓄電装置にかかる電圧値に基づき、通信制御部に設
けられた受動素子のうち最適なものを接続することにより、送電装置及び受電装置間の変
調信号の変調度が常に最良の状態を維持することができる。これにより、送電装置及び受
電装置間での通信を安定化させることが可能である。
【0020】
開示される発明の一様態において、当該受動素子は、コンデンサ、コイル、及び抵抗のい
ずれか一であることを特徴とする。
【0021】
開示される発明の一様態において、当該複数のスイッチは、それぞれトランジスタである
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
開示される発明の一様態により、蓄電装置への給電における電力伝送効率の減少を抑制可
能な給電システムを得ることができる。
【0023】
また開示される発明の一様態により、給電と同時に行われる通信の安定性を確保可能な給
電システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
給電システムの回路図。
給電システムの動作を示すフローチャート。
給電システムの回路図。
電圧振幅を説明する図。
負荷を変化させた場合の周波数及び電力伝送効率との関係を示す図。
負荷の抵抗値と通信成功確率との関係を示す図。
負荷の抵抗値と電力伝送効率との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し
、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書
に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限
定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機
能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0026】
なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくす
るために、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示す
る発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
【0027】
なお、本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの序数は、構成要素の混同
を避けるために付すものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
【0028】
<給電システムの構成>
図1は、無線通信機能を組み込んだ給電システムの回路図である。図1に示す給電システ
ムは、送電装置100及び受電装置110を有する。
【0029】
図1に示す給電システムでは、送電装置100で発生させる電磁波に振幅変調をかけ、当
該振幅変調をかけた電磁波(変調信号)を用いて送電装置100及び受電装置110間で
無線通信を行う。なお、送電装置100から受電装置110へ送信される変調信号を送信
信号とする。また受電装置110から送電装置100へ送信される変調信号を返信信号と
する。
【0030】
送電装置100は、交流電力を生成する交流電源101、第1の電磁誘導コイル102、
第1の共鳴コイル103、第1のコンデンサ104を有している。
【0031】
また受電装置110は、第2のコンデンサ111、第2の共鳴コイル112、及び第2の
電磁誘導コイル113を有するアンテナ部114を有している。また受電装置110は、
整流回路115、平滑化回路116、電流検出回路117、電圧検出回路118、及び蓄
電装置119を有する充電回路部130を有している。さらに受電装置110は、制御回
路121、信号受信回路122、及び調整回路126を有する通信制御部120を有して
いる。調整回路126は、第1のスイッチであるトランジスタ124_1、第1の受動素
子であるコンデンサ125_1、第2のスイッチであるトランジスタ124_2、第2の
受動素子であるコイル125_2、第n−1のスイッチであるトランジスタ124_n−
1、第n−1の受動素子である抵抗125_n−1、第nのスイッチであるトランジスタ
124_n、第nの受動素子である抵抗125_nを有している。
【0032】
なお、nは2以上の自然数である。また本実施の形態では、第1の受動素子としてコンデ
ンサ125_1、第2の受動素子としてコイル125_2、第n−1の受動素子として抵
抗125_n−1、第nの受動素子として抵抗125_nを用いたが、第1の受動素子乃
至第nの受動素子それぞれは、コンデンサ、コイル、抵抗のいずれか一を用いればよく、
図1で示す第1の受動素子、第2の受動素子、第n−1の受動素子、第nの受動素子は、
あくまで一例である。第1の受動素子乃至第nの受動素子それぞれとしてどのような受動
素子を用いるか、また受動素子の数(nの数)の決定方法の詳細については後述する。
【0033】
交流電源101は、所定の周波数の交流電力を生成する電源である。交流電源101の第
1の端子及び第2の端子は、第1の電磁誘導コイル102の一方の端子及び他方の端子に
それぞれ電気的に接続されている。
【0034】
ここで「電気的に接続」とは直接電気的に接続されることの他、間接的に電気的に接続さ
れることも含む。従って、交流電源101の第1の端子及び第2の端子は、第1の電磁誘
導コイル102の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ直接電気的に接続されることの他
、交流電源101の第1の端子及び第2の端子は、別の電極や配線を介して、第1の電磁
誘導コイル102の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されることも含む

【0035】
第1の共鳴コイル103の一方の端子及び他方の端子は、第1のコンデンサ104の一方
の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されている。
【0036】
交流電源101から第1の共鳴コイル103への給電は、第1の電磁誘導コイル102を
介して電磁結合方式を用いて行われる。
【0037】
送電装置100の第1の電磁誘導コイル102、及び後述する受電装置110の第2の電
磁誘導コイル113は、例えば1ループ程度に巻かれたコイルであり、送電装置100の
第1の共鳴コイル103、及び後述する受電装置110の第2の共鳴コイル112は、例
えば数ループ程度に巻かれたコイルである。
【0038】
送電装置100の第1の共鳴コイル103、及び後述する受電装置110の第2の共鳴コ
イル112は、両端が開放されたコイルである。当該第1の共鳴コイル103及び第2の
共鳴コイル112は、浮遊容量によるコンデンサを有する。これによって、当該第1の共
鳴コイル103及び第2の共鳴コイル112は、LC共振回路となる。なお、コンデンサ
は浮遊容量方式に限らず、コイルの両端にコンデンサを電気的に接続してLC共振回路を
実現してもよい。
【0039】
送電装置100の第1の共鳴コイル103及び受電装置110の第2の共鳴コイル112
は、特定の周波数で磁界共鳴現象が発現するよう、それぞれの共振周波数(LC共振)が
一致するよう設定されている。
【0040】
これら送電装置100の第1の共鳴コイル103及び受電装置110の第2の共鳴コイル
112が対向し、磁界共鳴現象を起こすことにより、当該共鳴コイル間距離が離れている
状態でも、効率の良い電力伝送が実現できる。
【0041】
なおコイルを用いた電力伝送技術において、高い伝送効率を示す指標となるパラメータと
してk×Qがある(kは結合係数、Qは共鳴コイルのQ値)。結合係数kは、給電側の共
鳴コイルと受電側の共鳴コイルとの結合の度合いを示す係数である。またQ値は、共振回
路の共振のピークの鋭さを表す値である。磁界共鳴方式の給電技術では、高い伝送効率を
実現するため、当該第1の共鳴コイル103及び共第2の共鳴コイル112として、Q値
が非常に高く設定された共鳴コイル(例えば、Qは100より大きい(k×Qが1より大
きい))を用いることが好ましい。
【0042】
受電装置110において、第2の共鳴コイル112の一方の端子及び他方の端子は、第2
のコンデンサ111の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ電気的に接続されている。
【0043】
なお図1において、送電装置100は、第1の電磁誘導コイル102、第1の共鳴コイル
103、及び第1のコンデンサ104(送電素子とする)、並びに、受電装置110は、
第2の電磁誘導コイル113、第2の共鳴コイル112、及び第2のコンデンサ111(
受電素子とする)を有しているが、これに限定されない。当該送電素子及び当該受電素子
は、それぞれ、ヘリカルアンテナを用いた磁界型の素子や、メアンダラインアンテナを用
いた電界型の素子を用いてもよい。
【0044】
第2の電磁誘導コイル113の一方の端子は、整流回路115の第1の端子、及び通信制
御部120の第1の端子に電気的に接続されている。第2の電磁誘導コイル113の他方
の端子は、整流回路115の第2の端子、及び通信制御部120の第2の端子に電気的に
接続されている。
【0045】
整流回路115は、交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器(AC−DCコンバ
ータ)として機能する。本実施の形態の整流回路115として、例えば、4つのダイオー
ドから構成される整流ブリッジを用いる。整流回路115の第1の端子は、第2の電磁誘
導コイル113の一方の端子、及び通信制御部120の第1の端子に電気的に接続されて
いる。整流回路115の第2の端子は、第2の電磁誘導コイル113の他方の端子、及び
通信制御部120の第2の端子に電気的に接続されている。整流回路115の第3の端子
は、平滑化回路116の第1の端子、及び電流検出回路117の第1の端子に電気的に接
続されている。整流回路115の第4の端子は、接地されている。
【0046】
平滑化回路116は、整流回路115から出力された直流電力を蓄え、かつ放出すること
により、直流電力を平滑化する機能を有する。平滑化回路116として、本実施の形態で
はコンデンサを用いる。平滑化回路116の第1の端子は、整流回路115の第3の端子
、及び電流検出回路117の第1の端子に電気的に接続されている。平滑化回路116の
第2の端子は、接地されている。なお平滑化回路116は、必要がなければ設けない構成
にすることも可能である。
【0047】
電流検出回路117は、蓄電装置119に流れる電流値を検出する回路である。電流検出
回路117の第1の端子は、整流回路115の第3の端子、及び平滑化回路116の第1
の端子に電気的に接続されている。電流検出回路117の第2の端子は、電圧検出回路1
18の第1の端子、及び蓄電装置119の正極に電気的に接続されている。電流検出回路
117の第3の端子は、通信制御部120の第3の端子に電気的に接続されており、蓄電
装置119に流れる電流値の情報(信号)を通信制御部120に入力する。
【0048】
電圧検出回路118は、蓄電装置119にかかる電圧値を検出する回路である。電圧検出
回路118の第1の端子は、電流検出回路117の第2の端子、及び蓄電装置119の正
極に電気的に接続されている。電圧検出回路118の第2の端子は、蓄電装置119の負
極に電気的に接続されており、接地されている。電圧検出回路118の第3の端子は、通
信制御部120の第4の端子に電気的に接続されており、蓄電装置119にかかる電圧値
の情報(信号)を通信制御部120に入力する。
【0049】
蓄電装置119の正極は、電流検出回路117の第2の端子、及び電圧検出回路118の
第1の端子に電気的に接続されている。蓄電装置119の負極は、電圧検出回路118の
第2の端子に電気的に接続されており、接地されている。
【0050】
上述のように、通信制御部120は、制御回路121、信号受信回路122、及び調整回
路126を有している。
(【0051】以降は省略されています)

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