JP2013165617A - 非接触給電装置及びそれを用いた非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡素化を図るとともに、伝送効率の向上を図ることができる非接触給電装置、及びその非接触給電装置を用いた非接触給電システムを提供すること。
【解決手段】非接触給電システムＳに用いられる非接触給電装置１０は、高周波電源１１と、１次側コイル１２ａとを備えている。１次側コイル１２ａと２次側コイル２２ａとが磁場共鳴可能な位置に配置されている状況にて１次側コイル１２ａに高周波電力が入力された場合、各コイル１２ａ，２２ａが磁場共鳴して２次側コイル２２ａに高周波電力が伝送される。ここで、高周波電源１１は、Ｄ級増幅器３３を備えており、当該Ｄ級増幅器３３は１次側コイル１２ａに直接接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置及びそれを用いた非接触給電システムに関する。

従来から、給電対象機器に対して非接触で電力伝送可能な非接触給電装置として、例えば磁場共鳴を用いたものが知られている。例えば特許文献１の非接触給電装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側の共鳴コイルとを備えている。１次側の共鳴コイルは、交流電源から交流電力が入力された場合に、給電対象機器としての車両に設けられた２次側の共鳴コイルと磁場共鳴し、２次側の共鳴コイルに対して交流電力を送電する。

特開２００９−１０６１３６号公報

上記のような非接触で電力伝送を行うのに用いられる非接触給電装置の交流電源は、１次側の共鳴コイルに対して正弦波の交流電力を出力するために、フィルタ回路を備えている場合がある。この場合、フィルタ回路を備えることに起因して構成の複雑化が懸念される。また、フィルタ回路にて電力損失が発生し、伝送効率が低下することが懸念される。

なお、上記の事情は、磁場共鳴によって非接触の電力伝送を行う構成に限られず、電磁誘導によって非接触の電力伝送を行う構成についても同様である。
本発明の目的は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、構成の簡素化を図るとともに伝送効率の向上を図ることができる非接触給電装置を提供することにある。また、本発明の目的は、上記非接触給電装置を用いた非接触給電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、交流電力を出力可能な交流電源と、前記交流電力が入力されるものであって、２次側コイルに対して非接触で前記交流電力を送電することが可能に構成された１次側コイルと、を備えた非接触給電装置において、前記交流電源は、Ｄ級増幅器を備え、前記１次側コイルは、Ｄ級増幅器に対して直接接続されていることを特徴とする。

かかる発明によれば、交流電源に比較的高効率なＤ級増幅器を用いることにより、伝送効率の向上を図ることができる。ここで、通常、Ｄ級増幅器から出力される矩形波の交流電力から正弦波の交流電力を取り出すためには、フィルタ回路としてローパスフィルタを設ける必要がある。しかしながら、ローパスフィルタを設けると、当該ローパスフィルタにおける電力損失に起因する伝送効率の低下、構成の複雑化、及び実装面積の拡大に伴う交流電源の大型化が懸念される。

これに対して、本発明によれば、Ｄ級増幅器と１次側コイルとが直接接続されているため、Ｄ級増幅器から出力された矩形波の交流電力が１次側コイルに直接入力される。この場合、１次側コイルは、矩形波の交流電力に対するフィルタとして機能する。これにより、１次側コイルは正弦波の交流電力が入力されたように動作することとなる。よって、ローパスフィルタを別途設ける必要がない分、上記不都合を回避することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非接触給電装置と、前記２次側コイルとを備えた非接触給電システムであって、前記２次側コイルは車両に設けられており、前記２次側コイルが受電した交流電力は、前記車両に設けられた車両用バッテリを充電するのに用いられることを特徴とする。車両用バッテリは、携帯電話のバッテリ等と比較して、大きな蓄電容量が求められる。このため、車両用バッテリを充電するための非接触給電装置においては、大きな電力を取り扱う必要がある。よって、交流電源が出力する交流電力は、比較的大きなものとなる。この場合、フィルタ回路による電力損失及び発熱が無視できない。

これに対して、Ｄ級増幅器と１次側コイルとを直接接続させて、１次側コイルをフィルタとして機能させることにより、無視することができないフィルタ回路に係る電力損失を抑制することができる。これにより、大きな蓄電容量を有する車両用バッテリの充電に適した非接触給電システムを提供することができる。

この発明によれば、構成の簡素化を図るとともに伝送効率の向上を図ることができる。

本発明に係る非接触給電装置を用いた非接触給電システムの電気的構成を示すブロック図。 Ｄ級増幅器及び送電器の回路図。

以下、本発明に係る非接触給電装置を用いた非接触給電システムの一実施形態について図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、非接触給電システムＳは、地上に設けられた非接触給電装置１０と、車両に搭載された車両側機器２０と、から構成されている。車両側機器２０が２次側（受電側）機器に対応する。非接触給電装置１０は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な高周波電源１１（交流電源）を備えている。

高周波電源１１から出力された高周波電力は、非接触で車両側機器２０に伝送され、車両側機器２０に設けられた車両用バッテリ２１（車載蓄電装置）の充電に用いられる。具体的には、非接触給電システムＳは、非接触給電装置１０及び車両側機器２０間の電力伝送を行うものとして、非接触給電装置１０に設けられた送電器１２と、車両側機器２０に設けられた受電器２２とを備えている。送電器１２には、高周波電源１１から高周波電力が入力される。

送電器１２及び受電器２２は磁場共鳴可能に構成されている。具体的には、送電器１２は、並列に接続された１次側コイル１２ａ及び１次側コンデンサ１２ｂからなる共振回路で構成されている。受電器２２は、並列に接続された２次側コイル２２ａ及び２次側コンデンサ２２ｂからなる共振回路で構成されている。両者の共振周波数は同一に設定されている。

かかる構成によれば、送電器１２及び受電器２２が磁場共鳴可能な位置に配置されている状況において、高周波電源１１から高周波電力が送電器１２（１次側コイル１２ａ）に入力された場合、送電器１２（１次側コイル１２ａ）と受電器２２（２次側コイル２２ａ）とが磁場共鳴する。これにより、受電器２２は送電器１２のエネルギの一部を受け取る。すなわち、受電器２２は、送電器１２から高周波電力を受電する。

車両側機器２０は、受電器２２から高周波電力が入力される整流器２３と、整流器２３と車両用バッテリ２１との間に設けられた充電器としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２４とを備えている。整流器２３は、受電器２２にて受電した高周波電力を直流電力に整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、整流器２３にて整流された直流電圧を、異なる大きさの直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を車両用バッテリ２１へ出力する。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と車両用バッテリ２１との間には、車両用バッテリ２１の蓄電状況を検知する検知センサ２５が設けられている。これにより、車両側機器２０にて車両用バッテリ２１の蓄電状況を把握可能となっている。

また、受電器２２と整流器２３との間には整合器２６が設けられている。整合器２６は、Ｌ型のＬＣ回路で構成されており、固定インダクタンス及び固定キャパシタンスを有している。整合器２６は、受電器２２の出力インピーダンスと、整流器２３の入力インピーダンス（受電器２２の出力端から車両用バッテリ２１までのインピーダンス）とを整合させる。なお、整合器２６の具体的な構成は任意であり、例えばπ型、Ｔ型としてもよい。

ここで、非接触給電装置１０は、高周波電源１１の制御を行う電源側コントローラ１３を備えている。また、車両側機器２０は、充電器としてのＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する車両側コントローラ２７を備えている。車両側コントローラ２７は、検知センサ２５の検知結果が入力されるように構成されている。

各コントローラ１３，２７は無線通信可能に構成されており、両者の間での情報のやり取りが可能になっている。車両側コントローラ２７は、車両が充電可能な位置に配置された場合、詳細には送電器１２（１次側コイル１２ａ）と受電器２２（２次側コイル２２ａ）とが磁場共鳴可能な位置に車両が配置された場合、充電可能信号を電源側コントローラ１３に送信する。

電源側コントローラ１３は、充電可能信号を受信した場合に高周波電力が出力されるように高周波電源１１を制御する。これにより、車両用バッテリ２１の充電が開始される。
車両用バッテリ２１の充電が完了（終了）した場合には、車両側コントローラ２７は、電源側コントローラ１３に充電完了信号（充電終了信号）を出力する。電源側コントローラ１３は、充電完了信号を受信した場合に、高周波電力の出力を停止するよう高周波電源１１を制御する。

ここで、本非接触給電装置１０においては、高周波電源１１と、当該高周波電源１１及び送電器１２間の接続態様とに特徴がある。これらについて、図１に加えて図２を用いて、詳細に説明する。

図１に示すように、高周波電源１１は、系統電力を直流電力に整流する整流器３１と、その直流電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３２とを備えている。また、高周波電源１１は、ＤＣ／ＲＦ変換器としてのＤ級増幅器３３を備えている。

Ｄ級増幅器３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２にて変換された直流電力を用いて矩形波の高周波電力を生成する。詳細には、図２に示すように、Ｄ級増幅器３３は、直列に接続された２つのスイッチング素子３３ａ，３３ｂを備えている。各スイッチング素子３３ａ，３３ｂはｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴである。各スイッチング素子３３ａ，３３ｂのうち第１スイッチング素子３３ａのドレインは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力端子に接続されており、直流電力が入力されている。第１スイッチング素子３３ａのソースと、第２スイッチング素子３３ｂのドレインとが接続されており、第２スイッチング素子３３ｂのソースは接地されている。

また、Ｄ級増幅器３３は、各スイッチング素子３３ａ，３３ｂをオンオフ動作させるのに用いられる発振回路３３ｃを備えている。発振回路３３ｃは、各スイッチング素子３３ａ，３３ｂのゲートに対して発振信号（パルス信号）を出力する。発振回路３３ｃから出力される発振信号の周波数（発振周波数）は、送電器１２及び受電器２２の共鳴周波数（共振周波数）と同一に設定されている。

発振回路３３ｃと第１スイッチング素子３３ａのゲートとの間には、ＮＯＴ回路３３ｄが設けられている。このため、発振回路３３ｃから出力された発振信号は、反転されて第１スイッチング素子３３ａのゲートに入力される。よって、発振回路３３ｃから発振信号が出力された場合、各スイッチング素子３３ａ，３３ｂは交互にオンとなる。

ここで、Ｄ級増幅器３３は、他の素子が間に介在することなく、送電器１２に対して直接接続されている。具体的には、Ｄ級増幅器３３の各スイッチング素子３３ａ，３３ｂの接続点と、１次側コイル１２ａ及び１次側コンデンサ１２ｂからなる共振回路の一端とが直接接続されている。

ちなみに、図１に示すように、電源側コントローラ１３は、高周波電源１１のＤＣ／ＤＣコンバータ３２及びＤ級増幅器３３の制御を行う。具体的には、電源側コントローラ１３は、車両用バッテリ２１への充電を開始する前に、充電に係る高周波電力よりも小さい高周波電力が高周波電源１１から出力されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御する。また、図２に示すように、電源側コントローラ１３は、発振回路３３ｃの発振信号の出力制御や、発振信号のデューティ比制御（パルス幅変調）を行う。

次に本非接触給電装置１０の作用について説明する。
発振回路３３ｃから発振信号が出力されると、Ｄ級増幅器３３からその発振信号の発振周波数と同一周波数の矩形波の高周波電力、すなわち共鳴周波数と同一周波数の矩形波の高周波電力が出力される。そして、矩形波の高周波電力は直接送電器１２に入力される。

この場合、送電器１２は、共鳴周波数と同一周波数の矩形波の高周波電力を、共鳴周波数と同一周波数の正弦波の高周波電力にする。具体的には、送電器１２は、矩形波の高周波電力のうち共鳴周波数と同一の基本周波数成分のみを取り出し、それ以外の周波数成分、詳細には基本周波数成分に対して奇数倍の周波数成分をカットする。つまり、送電器１２は、共鳴周波数と同一の基本周波数の高周波電力と、その基本周波数に対して奇数倍の周波数の高周波電力とで構成される矩形波の高周波電力から、基本周波数の高周波電力のみを取り出すことにより、共振周波数と同一周波数の正弦波の高周波電力を生成するフィルタ（バンドパスフィルタ）として機能する。これにより、送電器１２としては、共鳴周波数と同一周波数の正弦波の高周波電力が入力されたように動作する。よって、フィルタを設けることなく、送電器１２と受電器２２とが磁場共鳴可能となっている。

なお、電源側コントローラ１３が発振信号のデューティ比制御を行うことにより、Ｄ級増幅器３３から出力される矩形波の高周波電力のパルス幅が変調される。これにより、送電器１２に入力される平均的な電力が調整される。すなわち、発振信号のデューティ比制御を行うことにより、送電器１２に入力される電力制御（送電器１２の入力インピーダンス制御）を行うことが可能となっている。

以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた効果を奏する。
（１）ＤＣ／ＲＦ変換器として、比較的高効率なＤ級増幅器３３を採用し、そのＤ級増幅器３３と送電器１２（１次側コイル１２ａ）とを直接接続する構成とした。具体的には、各スイッチング素子３３ａ，３３ｂに対して送電器１２を直接接続する構成とした。これにより、送電器１２が、Ｄ級増幅器３３から出力される矩形波の高周波電力に対するバンドパスフィルタとして機能する。よって、送電器１２としては、共鳴周波数と同一周波数の正弦波の高周波電力が入力されたように動作する。したがって、Ｄ級増幅器３３において通常用いられるローパスフィルタを設ける必要がないため、構成の簡素化を図ることができるとともに、ローパスフィルタにおける電力損失の分だけ、伝送効率の向上を図ることができる。

すなわち、通常、Ｄ級増幅器３３から出力される矩形波の高周波電力から正弦波の高周波電力を取り出すためには、Ｄ級増幅器３３に対してローパスフィルタを設けることが考えられる。しかしながら、ローパスフィルタを設けると当該ローパスフィルタにて電力を損失するとともに、構成の複雑化が懸念される。更に、ローパスフィルタを設けることによる実装面積の拡大に伴う高周波電源１１の大型化が懸念される。

これに対して、本実施形態によれば、受電器２２（２次側コイル２２ａ）に対して高周波電力を伝送するための送電器１２が、上記ローパスフィルタ（詳細には共鳴周波数をピークとするバンドパスフィルタ）として機能するため、ローパスフィルタを設けることなく、送電器１２と受電器２２との磁場共鳴を行うことができる。これにより、上記のような不都合を回避することができる。

（２）非接触給電装置１０は、車両に設けられた車両用バッテリ２１を充電するための非接触給電システムＳに用いられるものである。ここで、車両用バッテリ２１は、携帯電話のバッテリ等と比較して、大きな蓄電容量が求められる。このため、非接触給電システムＳとしては、大きな電力を扱うこととなる。よって、ローパスフィルタによる電力損失及び発熱が無視できない。

これに対して、本実施形態によれば、送電器１２がフィルタ（バンドパスフィルタ）として機能することにより、無視することができないローパスフィルタに係る電力損失を抑制することができる。これにより、大きな蓄電容量を有する車両用バッテリ２１の充電に適した非接触給電システムＳを提供することができる。

（３）高周波電源１１は、整流器２３にて整流された直流電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３２を備えており、Ｄ級増幅器３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２にて変換された直流電力を、矩形波の高周波電力に変換する構成とした。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって所望の直流電力を生成し、その直流電力を矩形波の高周波電力に変換して送電器１２（１次側コイル１２ａ）に出力することにより、電力伝送に適した高周波電力を用いた磁場共鳴を行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 整合器２６のインダクタンス及びキャパシタンスは固定値であったが、これに限られず、車両用バッテリ２１のインピーダンスの変化に追従させて、インダクタンス及びキャパシタンスの少なくとも一方を可変させてもよい。

○ 実施形態では、Ｄ級増幅器３３は、共鳴周波数と同一周波数の矩形波の高周波電力を出力する構成としたが、完全に同一である必要はなく、送電器１２の周波数特性の関係で、ある程度のばらつきは許容される。

○ 実施形態では、スイッチング素子３３ａ，３３ｂとしてパワーＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限られず、スイッチング動作するものであればよい。例えば、ＩＧＢＴ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。

○ 送電器１２に、１次側コイル１２ａ及び１次側コンデンサ１２ｂからなる共振回路と電磁誘導で結合する１次側誘導コイルを別途設けてもよい。この場合、１次側誘導コイルと高周波電源１１とを接続し、上記共振回路は、上記１次側誘導コイルから電磁誘導によって高周波電力を受ける構成とする。同様に、受電器２２に、２次側コイル２２ａ及び２次側コンデンサ２２ｂからなる共振回路と電磁誘導で結合する２次側誘導コイルを設け、２次側誘導コイルを用いて受電器２２の共振回路から電力を取り出してもよい。

○ 実施形態では、高周波電力を出力する高周波電源１１を設けたが、これに限られない。要は、所定の周波数（例えば１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ）の交流電力を出力する交流電源であればよく、交流電力の周波数は共振周波数等との関係で適宜設定すればよい。

○ 実施形態では、各コンデンサ１２ｂ，２２ｂを設けたが、これらを省略してもよい。この場合、各コイル１２ａ，２２ａの寄生容量を用いて磁場共鳴させる。
○ 実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴を用いたが、これに限られず、電磁誘導を用いてもよい。

○ 実施形態では、充電対象が車両に設けられた車両用バッテリ２１であったが、これに限られず、例えば携帯電話のバッテリ等であってもよい。
○ 実施形態では、整流器２３にて整流された直流電力は車両用バッテリ２１を充電するのに用いられたが、これに限られず、例えば、車両に設けられた他の電子機器等を駆動させるのに用いてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記１次側コイルは共振回路を構成しており、
前記Ｄ級増幅器は、直流電力を前記共振回路の共振周波数と同一周波数の矩形波の交流電力に変換して出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。

（ロ）前記交流電源は、
系統電力を直流電力に整流する整流する整流手段と、
前記整流手段により整流された直流電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
を備え、
前記Ｄ級増幅器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにて変換された直流電力を、前記矩形波の交流電力に変換するものであることを特徴とする技術思想（イ）に記載の非接触給電装置。

（ハ）交流電力を出力可能な交流電源と、
前記交流電力が入力されるものであって、２次側コイルに対して非接触で前記交流電力を送電することが可能に構成された１次側コイルと、
を備えた非接触給電装置において、
前記１次側コイルは共振回路を構成しており、
前記交流電源は、直流電力を、前記共振回路の共振周波数を含む複数周波数の交流電力が重ね合うことで形成された特定波形の交流電力に変換する変換手段を備え、
前記共振回路は、前記変換手段に対して直接接続されていることを特徴とする非接触給電装置。

１０…非接触給電装置、１１…高周波電源、１２ａ…１次側コイル、２１…車両用バッテリ、２２ａ…２次側コイル、３３…Ｄ級増幅器、Ｓ…非接触給電システム。

Claims (2)

1. 交流電力を出力可能な交流電源と、
   前記交流電力が入力されるものであって、２次側コイルに対して非接触で前記交流電力を送電することが可能に構成された１次側コイルと、
   を備えた非接触給電装置において、
   前記交流電源は、Ｄ級増幅器を備え、
   前記１次側コイルは、Ｄ級増幅器に対して直接接続されていることを特徴とする非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置と、前記２次側コイルとを備えた非接触給電システムであって、
   前記２次側コイルは車両に設けられており、
   前記２次側コイルが受電した交流電力は、前記車両に設けられた車両用バッテリを充電するのに用いられることを特徴とする非接触給電システム。