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公開番号2020188682
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201119
出願番号2020132293
出願日20200804
発明の名称非接触給電装置及びプログラム
出願人東芝テック株式会社
代理人特許業務法人酒井国際特許事務所
主分類H02J 50/40 20160101AFI20201023BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニットを有する受電装置に対し、安定した給電を行う非接触給電装置及びプログラムを提供する。
【解決手段】共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニット21を有する受電側装置20に対し、非接触で給電を行う非接触給電システム1であって、受電ユニットに対して非接触で給電する複数の給電ユニット11を備える。給電ユニットの各々は、電源から供給される電力を交流電力に変換する変換部と、変換部が出力する電圧値を取得する第1取得手段と、変換部が出力する電流値を取得する第2取得手段と、を有し、電圧値と所定の基準電圧値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を変換部に行うとともに、電圧値が基準電圧値を含む所定の閾値範囲を逸脱した場合に、電流値と所定の基準電流値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を変換部に行う制御手段116を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニットを有する受電装置に対し、非接触で給電を行う非接触給電装置であって、
前記受電ユニットとそれぞれ対応し、電源から供給される電力を前記受電ユニットに対して非接触で給電する複数の給電ユニットを備え、
前記給電ユニットの各々は、
前記電源から供給される電力を交流電力に変換する変換部と、
前記交流電力に応じた電力を、対応する前記受電ユニットに非接触で給電する給電部と、
前記変換部が出力する電圧値を取得する第1取得手段と、
前記変換部が出力する電流値を取得する第2取得手段と、
前記電圧値と所定の基準電圧値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行うとともに、前記電圧値が前記基準電圧値を含む所定の閾値範囲を逸脱した場合に、前記電流値と所定の基準電流値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行う制御手段と、
を備える非接触給電装置。
続きを表示(約 820 文字)【請求項2】
前記制御手段は、前記電圧値と前記基準電圧値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための目標電流値を導出し、前記変換部が出力する電流値が、前記目標電流値となるよう前記変換部を制御する請求項1に記載の非接触給電装置。
【請求項3】
前記制御手段は、前記電流値と前記基準電流値との差分に基づいて、前記電圧値を前記閾値範囲内に戻すための補正量を導出し、前記変換部が出力する電流値が、前記補正量による補正後の前記目標電流値となるよう前記変換部を制御する請求項2に記載の非接触給電装置。
【請求項4】
前記第1取得手段は、対応する前記受電ユニットが出力する電圧値を前記変換部が出力する電圧値として、前記給電部を介した非接触の通信により取得する請求項1〜3の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項5】
前記給電ユニットの各々が備える前記変換部は、共通の電源又はそれぞれ独立した電源に接続される請求項1〜4の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項6】
電源から供給される電力を交流電力に変換する変換部と、共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニットのうち、自己の給電ユニットに対応する受電ユニットに対し前記交流電力に応じた電力を非接触で給電する給電部と、を備えた給電ユニットのコンピュータを、
前記変換部が出力する電圧値を取得する第1取得手段と、
前記変換部が出力する電流値を取得する第2取得手段と、
前記電圧値と所定の基準電圧値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行うとともに、前記電圧値が前記基準電圧値を含む所定の閾値範囲を逸脱した場合に、前記電流値と所定の基準電流値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行う制御手段と、
して機能させるためのプログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、非接触給電装置及びプログラムに関する。
続きを表示(約 8,900 文字)【背景技術】
【0002】
従来、電子機器と周辺装置とは、USB(Universal Serial Bus)ケーブル等のケーブルを介して情報の伝送が行われている。また、近年では、ワイヤレスで情報を伝送する技術により、それぞれがケーブルレスで繋がるようになってきている。それに伴い、ケーブルレスにより実現される可搬性を損なわないため、電力の伝送もワイヤレスで行うものが存在している。
【0003】
例えば、携帯電話等では、非接触(ワイヤレス)で電力伝送を行うことが可能な技術が実用化されている。係る技術では、電磁誘導方式や磁界共鳴方式等の非接触給電方式に対応する給電回路及び受電回路が用いられる。このような給電回路及び受電回路を、給電側装置及び受電側装置に搭載することで、給電側装置から受電側装置への電力伝送をケーブルレスで行う非接触の給電システムを実現できる。また、受電側装置の電気負荷が大きな場合には、複数の受電回路を電気負荷に対して直列に接続し、給電側装置が備える複数の給電回路から各受電回路にそれぞれ給電する構成とすることで対応が行われている。このような構成とした場合、給電回路(又は受電回路)間で動作負荷のアンバランスが発生する可能性がある。動作負荷のアンバランスが発生すると、動作が不安定になる可能性があるため、解消することが望まれている。
【0004】
従来、大電流を要求する電気負荷に対して電力を供給するため、共通の電圧源に複数の電力変換装置を直列接続させ、その複数の電力変換装置から電力負荷に対して電力を供給するような電力変換システムが存在する。また、各電力変換装置に生じる動作負荷のアンバランスを解消するため、電力変換装置の出力電圧と目標電圧との偏差に基づいて、電力変換装置の出力電力を設定するとともに、電力変換装置の入力電圧が電源電圧に基づき設定された基準値を下回った場合に、上記出力電圧を直接抑制する技術が提案されている。
【0005】
しかしながら、上記の従来技術は非接触の給電システムを対象としたものでないため、そのまま利用することは困難である。また、上記の従来技術では、電源電圧に応じて基準値が変化するため、制御に係る構成が複雑化する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニットを有する受電装置に対し、安定した給電を行うことが可能な非接触給電装置及びプログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態の非接触給電装置は、共通する電気負荷に直列接続された複数の受電ユニットを有する受電装置に対し、非接触で給電を行う非接触給電装置であって、前記受電ユニットとそれぞれ対応し、電源から供給される電力を前記受電ユニットに対して非接触で給電する複数の給電ユニットを備え、前記給電ユニットの各々は、前記電源から供給される電力を交流電力に変換する変換部と、前記交流電力に応じた電力を、対応する前記受電ユニットに非接触で給電する給電部と、前記変換部が出力する電圧値を取得する第1取得手段と、前記変換部が出力する電流値を取得する第2取得手段と、前記電圧値と所定の基準電圧値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行うとともに、前記電圧値が前記基準電圧値を含む所定の閾値範囲を逸脱した場合に、前記電流値と所定の基準電流値との差分に基づいて、当該差分を減少させるための制御を前記変換部に行う制御手段と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、実施形態に係る非接触給電システムの一例を模式的に示す図である。
図2は、実施形態の給電側装置が備える制御部の機能構成の一例を示す図である。
図3は、図2に示した制御信号出力部の動作を説明するための図である。
図4は、給電側装置の制御部が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態に係る非接触給電装置及びプログラムについて、図面を参照して説明する。
【0010】
図1は、実施形態に係る非接触給電システムの一例を模式的に示す図である。図1に示すように、非接触給電システム1は、非接触給電の給電側装置10と、受電側装置20とを有する。給電側装置10は、複数の給電ユニット11を有する。
【0011】
給電ユニット11は、電源111、インバータ回路112、コンデンサ113、一次側コイル114、電流センサ115及び制御部116等を備える。
【0012】
電源111は、例えば商業電源や二次電池等であり、給電ユニット11に直流電力を供給する。なお、図1の構成では、給電ユニット11の各々が電源111を個別に有する構成としているが、これに限らず、給電ユニット11の各々が共通の電源111を用いる構成としてもよい。
【0013】
インバータ回路112は、電源111に接続される。また、コンデンサ113及び一次側コイル114は、インバータ回路112に対して並列に接続される。
【0014】
インバータ回路112は、例えばフルブリッジ型やハーフブリッジ型のインバータ回路であり、交流電力の生成に係る半導体スイッチ等のスイッチングデバイスを有する。インバータ回路112は、電源111から供給される直流電力を交流電力に変換する。また、インバータ回路112は、制御部116から入力される制御信号(PWM信号)に基づき動作を行う。
【0015】
一次側コイル114は、電磁誘導方式や磁界共鳴方式等の非接触給電方式に対応した給電回路である。一次側コイル114は、図示しないコイル駆動回路等を有し、コンデンサ113とともに共振回路を形成する。一次側コイル114は、インバータ回路112から出力される交流電力に応じて電磁的に振動する。電流センサ115は、インバータ回路112とコンデンサ113とを接続する経路上に設けられており、インバータ回路112から出力される交流電力の電流値を出力電流Ioとして検出する。
【0016】
制御部116は、電流センサ115が検出する出力電流Ioと、受電側装置20で検出される後述する出力電圧Voとに基づいて、インバータ回路112の動作を制御する。なお、制御部116の詳細については後述する。
【0017】
受電側装置20は、例えば、スマートフォンやタブレット端末、ノートPC(Personal Computer)、POS(Point Of Sale system)端末等の電子機器である。受電側装置20は、複数の受電ユニット21と、DC/DC変換回路22と、電気負荷23と、充放電制御回路24と、二次電池25とを備える。
【0018】
受電ユニット21は、共通の電気負荷23に対して直列接続される。受電ユニット21は、二次側コイル211、コンデンサ212、整流回路213、コンデンサ214及び電圧センサ215等を有する。ここで、コンデンサ214は、各受電ユニット21間で直列接続される。
【0019】
二次側コイル211は、コンデンサ212とともに共振回路を形成し、一次側コイル114と電磁的に結合する。整流回路213は、二次側コイル211で発生した交流電力(高周波電力)を直流電力に変換する。コンデンサ214は、整流回路213の出力電圧を平滑化する。また、電圧センサ215は、コンデンサ214の端子間に設けられ、コンデンサ214の端子間の電圧値を出力電圧Voとして検出する。電圧センサ215で検出された出力電圧Voは、対応する給電ユニット11の制御部116に通知される。なお、通知方法は特に問わないものとするが、本実施形態では、一次側コイル114及び二次側コイル211間の結合を利用した通信により、制御部116に通知を行うものとする。また、本実施形態では、電圧センサ215が検出する出力電圧Voを、インバータ回路112が出力する電圧値に対応する値として取り扱う。
【0020】
DC/DC変換回路22は、受電ユニット21と電気負荷23との間に接続される。DC/DC変換回路22は、受電ユニット21の各々から供給される直流電力の電圧値を、電気負荷23の仕様に対応した電圧値に変換する。また、DC/DC変換回路22は、二次電池25から供給される直流電力の電圧値を、電気負荷23の仕様に対応した電圧値に変換する。電気負荷23は、例えばプロセッサやディスプレイ等の負荷部を有し、DC/DC変換回路22から供給される直流電力により動作する。
【0021】
充放電制御回路24は、受電ユニット21とDC/DC変換回路22との間に並列接続され、二次電池25の充放電を制御する。例えば、充放電制御回路24は、受電ユニット21の各々から出力される直流電力を二次電池25に供給することで、二次電池25の充電を行う。また、充放電制御回路24は、受電ユニット21の各々からの直流電力が途絶えたような場合に、二次電池25に蓄えられた電力をDC/DC変換回路22に供給することで、二次電池25の放電を行う。
【0022】
上記構成の非接触給電システム1において、給電側装置10は、受電側装置20への給電に用いられる。例えば、給電側装置10は、店舗で使用するPOS端末等の給電用に用いられ、一次側コイル114をチェックアウトカウンタに埋設した状態で設けられる。一方、受電側装置20となるPOS端末等は、チェックアウトカウンタ上の一次側コイル114が埋設された位置に載置される。これにより、給電側装置10から受電側装置20に非接触で給電することが可能となる。また、給電側装置10及び受電側装置20は、それぞれ複数の給受電ユニットを備えるため、大電力(大電流)の給電が可能となる。
【0023】
ところで、上記した構成の非接触給電システム1では、給電ユニット11(又は受電ユニット21)間で動作負荷のアンバランスが発生する可能性がある。動作負荷のアンバランスが発生すると、整流回路213を構成する半導体スイッチ等の素子に悪影響が及ぶ可能性があり、動作が不安定になることが懸念される。
【0024】
そこで、本実施形態の給電側装置10では、給電ユニット11の各々で、制御部116は、動作負荷のアンバランスを解消するための制御を行う。以下、制御部116について説明する。
【0025】
図2は、制御部116の機能構成の一例を示す図である。図2に示すように、制御部116は、目標電流導出部31と、補正量導出部32と、判定部33と、制御信号出力部34とを備える。
【0026】
目標電流導出部31は、出力電圧Voと基準電圧V1との差分に基づき、その差分を減少させるための目標電流Io_refを導出する。係る機能を実現するため、目標電流導出部31は、例えば、減算器311と、調整器312とを備える。
【0027】
減算器311は、基準電圧V1と、電圧センサ215で検出された出力電圧Voとの差分値を算出する。ここで、基準電圧V1は、予め給電ユニット11(又は受電ユニット21)が出力するよう定められた基準となる電圧値である。なお、基準電圧V1は、全ての給電ユニット11で共通の値であるとする。
【0028】
調整器312は、減算器311が算出した差分値に基づき、当該差分値を減らすための目標電流Io_refを導出する。ここで、目標電流Io_refの導出方法は特に問わず、PI制御等の種々の方法を採用することが可能である。例えば、調整器312は、減算器311が算出した差分値に比例する値と、当該差分値の時間積分値に比例する値との和を目標電流Io_refとして算出する。また、例えば、差分値と目標電流Io_refとの各組を対応付けたデータテーブルや、差分値を入力することで適切な目標電流Io_refを導出可能な演算式等を用いて、目標電流Io_refを導出してもよい。
【0029】
補正量導出部32は、出力電流Ioと基準電流I1との差分値に基づいて、当該差分値を減少させるための補正量を導出する。ここで、補正量は、後述する閾値範囲から逸脱した状態にある出力電圧Voを当該閾値範囲内に戻すための、目標電流Io_refに対する補正量となる。係る機能を実現するため、補正量導出部32は、例えば、減算器321と、調整器322とを備える。
【0030】
減算器321は、電流センサ115で検出された出力電流Ioと、基準電流I1との差分値を算出する。ここで、基準電流I1は、予め給電ユニット11が出力するよう定められた基準となる電流値である。なお、基準電流I1は、給電ユニット11の各々で共通の値であるとする。
【0031】
調整器322は、減算器321が算出した差分値に基づき、目標電流Io_refを補正するための補正量Io_offを導出する。なお、補正量Io_offの導出方法は特に問わないものとする。例えば、差分値と補正量Io_offとの各組を対応付けたデータテーブルや、差分値を入力することで適切な補正量Io_offを導出可能な演算式等を用いて、補正量Io_offを導出してもよい。
【0032】
判定部33は、電圧センサ215で検出された出力電圧Voが、予め定められた閾値範囲内にあるか否かを判定する。また、判定部33は、その閾値範囲内にあるか否かに応じて、制御信号出力部34に出力する補正量Io_offの値を切り替える。
【0033】
判定部33は、例えば、比較器やスイッチ、乗算器等により構成され、電圧センサ215で検出された出力電圧Voと、予め定められた閾値範囲とを比較し、出力電圧Voが閾値範囲内にあるか否かを判定する。ここで、閾値範囲は、給電ユニット11及び受電ユニット21が安定して動作することが可能な出力電圧Voの電圧範囲を示すものである。なお、基準電圧V1は、例えば閾値範囲の中央値等であって、当該閾値範囲に含まれるものとする。
【0034】
判定部33は、閾値範囲内にあるか否かの判定結果に応じて、補正量導出部32で算出された補正量Io_offに所定の係数を乗算する。
【0035】
本実施形態では、出力電圧Voが閾値範囲内にある場合、判定部33は、係数0を乗算することで、補正量Io_off=0を出力する。また、判定部33は、出力電圧Voが閾値範囲の上限値Vmaxを上回る場合、又は出力電圧Voが閾値範囲の下限値Vminを下回る場合、係数1を乗算することで補正量Io_offをそのまま出力する。なお、係数の値は上記例に限らず、任意の値を設定することが可能である。
【0036】
制御信号出力部34は、目標電流Io_refを補正量Io_offで補正し、その補正後の目標電流Io_refに基づいて、インバータ回路112を制御するための制御信号(PWM信号)を生成する。また、制御信号出力部34は、生成したPWM信号をインバータ回路112に出力することで、インバータ回路112の動作を制御する。係る機能を実現するため、制御信号出力部34は、例えば、減算器341と、信号生成器342と、比較器343とを備える。
【0037】
減算器341は、目標電流導出部31から入力される目標電流Io_refから、判定部33から入力される補正量Io_offを減算することで、目標電流Io_refの補正を行う。また、減算器341は、補正後の目標電流Io_refを、信号生成器342に出力する。
【0038】
例えば、出力電圧Voが閾値範囲内にある場合、補正量Io_offは0となるため、減算器341は、目標電流Io_refをそのまま出力する。一方、出力電圧Voが上限値Vmaxを上回る場合又は下限値Vminを下回る場合、減算器341は、目標電流Io_refから補正量Io_offを減算した値を、補正後の目標電流Io_refとして出力する。
【0039】
信号生成器342は、PLL回路等で構成され、減算器341から入力される目標電流Io_refに基づいて指令信号を生成する。ここで、指令信号は、後述するPWM信号を生成する際の基準となる信号であって、インバータ回路112の出力電流を目標電流Io_refにすることを指示するための情報を有する。なお、本実施形態では、指令信号は、正弦波の形態で出力されるものとする。
【0040】
比較器343は、信号生成器342で生成された指令信号と、PWM信号の生成に係る搬送信号とのクロスポイントに基づいて、インバータ回路112の動作を制御するためのPWM信号を生成し、インバータ回路112に出力する。
【0041】
図3は、制御信号出力部34の動作を説明するための図である。同図において、指令信号C1は、出力電圧Voが閾値範囲の下限値Vminを下回った場合に生成される指令信号を示している。また。指令信号C2は、出力電圧Voが閾値範囲の上限値Vmaxを上回った場合に生成される指令信号を示している。図3に示すように、信号生成器342は、目標電流Io_refに応じて正弦波のオフセット値を変えることで指令信号を生成する。なお、出力電圧Voが閾値範囲内にある場合には、例えば、指令信号C1と指令信号C2との間等で指令信号が生成される。
【0042】
また、三角波で示す搬送信号P1は、比較器343に入力される搬送信号である。なお、搬送信号P1は、三角波に限らず、他の波形であってもよい。
【0043】
上記した指令信号は、比較器343の−端子に入力される。また、搬送信号は、比較器343の+端子に入力される。比較器343は、指令信号と搬送信号とを比較し、両信号のクロスポイントに基づいてPWM信号を生成する。PWM信号CP1は、指令信号C1と搬送信号P1とに基づいて生成されたPWM信号を意味する。また、PWM信号CP2は、指令信号C2と搬送信号P1とに基づいて生成されたPWM信号を意味する。
【0044】
これらのPWM信号は、二値信号で表され、インバータ回路112を構成するスイッチングデバイスのオン/オフを指示する。インバータ回路112は、比較器343から入力されるPWM信号に応じて、自己のインバータ回路112を構成するスイッチングデバイスをオン/オフする。係るPWM信号は、生成元の指令信号に応じてオン/オフのデューティ比が変わる。これにより、インバータ回路112から出力される交流電力が変化し、所望の電流値(目標電流Io_ref)が出力される。また、受電ユニット21の各々で検出される出力電圧Vo、つまり給電ユニット11(インバータ回路112)の各々が出力する出力電圧を揃えることができ、動作負荷のアンバランスを解消することができる。
【0045】
次に、図4を参照して、給電側装置10の動作について説明する。図4は、給電側装置10の制御部116が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【0046】
まず、目標電流導出部31は、電圧センサ215で検出された出力電圧Voを取得する(ステップS11)。続いて、目標電流導出部31は、取得した出力電圧Voと基準電圧V1との差分に基づき目標電流Io_refを導出する(ステップS12)。
【0047】
続いて、判定部33は、出力電圧Voが閾値範囲内にあるか否かを判定する(ステップS13)。ここで、出力電圧Voが閾値範囲内にある場合(ステップS13;Yes)、制御信号出力部34は、ステップS12で導出された目標電流Io_refに基づいてPWM信号を生成し(ステップS14)、ステップS19に移行する。
【0048】
一方、出力電圧Voが閾値範囲外にある場合(ステップS13;No)、補正量導出部32は、電流センサ115で検出された出力電流Ioを取得する(ステップS15)。次いで、補正量導出部32は、取得した出力電流Ioと基準電流I1との差分に基づき補正量Io_offを導出する(ステップS16)。
【0049】
続いて、制御信号出力部34は、ステップS12で導出された目標電流Io_refを補正量Io_offで補正する(ステップS17)。次いで、制御信号出力部34は、補正後の目標電流Io_refに基づきPWM信号を生成し(ステップS18)、ステップS19に移行する。
【0050】
そして、制御信号出力部34は、ステップS14又はS18で生成したPWM信号をインバータ回路112に出力し(ステップS19)、本処理を終了する。
(【0051】以降は省略されています)

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