JP2015128365A - 非接触電力伝送回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】受電コイルから整流回路を介して出力される出力電圧の変動幅を狭くすることができる非接触電力伝送回路を提供すること。
【解決手段】駆動回路が出力する前記交流電圧の周期を、第1の指令値と第2の指令値のいずれか小さい方に基づいて制御する。ここで、第1の指令値は、整流回路から出力される出力電圧の検出値とその目標値との差に基づいた指令値であり、第2の指令値は、送電コイルを流れる送電電流の検出値とその目標値との差に基づいて算出された指令値である。
【選択図】図1

Description

本発明は、非接触で電力を伝送する非接触電力伝送回路に関する。
近年、送電側から受電側に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送技術が注目されている。例えば、特許文献1には、この非接触電力伝送技術を用いた電力伝送システムが開示されている。この電力伝送システムでは、送電側と受電側との位置関係が変化した場合、つまり、送電側コイル(送電側アンテナ)と受電側コイル(受電側アンテナ)との結合係数が変化したときに、整流部を介して受電側コイル(受電側アンテナ)に接続されているDCDCコンバータ(昇降圧部)の動作を制御することにより、電池の充電効率を向上させている。このように、DCDCコンバータ(昇降圧部)の動作を制御すれば、整流部から出力される電圧が変動しても、最適な充電電圧を電池に供給することができる。
特開2013−183497号公報
しかしながら、送電側コイル(送電側アンテナ)と受電側コイル(受電側アンテナ)の位置ズレなどにより整流部から出力される電圧の変動幅が大きくなると、DCDCコンバータ(昇降圧部)の入力電圧の範囲を広げる必要があり、その結果、DCDCコンバータ(昇降圧部)の効率が低下するという問題があった。また、位置ズレなどにより整流部から出力される電圧が低下したときには、送電側コイルを流れる送電電流を増加させなければならないが、その際に送電電流が所定の最大電流値を越えると、回路素子に対する負担が増加したり、コイルなどの部材が高温になったりするという問題があった。
そこで、本発明は、受電コイルに生じた交流電圧を整流することにより得られる直流電圧の変動幅を狭くすることができる非接触電力伝送回路を提供することを目的とする。さらに、位置ズレなどにより整流部から出力される電圧が低下したときには、送電コイルを流れる送電電流を所定の最大電流値に維持することができる非接触電力伝送回路を提供することも目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る非接触電力伝送回路は、送電コイルから受電コイルに、磁界を介して電力を伝送する非接触電力伝送回路であって、前記送電コイルに交流電圧を供給する駆動回路と、前記送電コイルが発生させた磁界により前記受電コイルに生じた電圧を、整流する整流回路と、前記送電コイルを流れる送電電流を検出する送電電流検出回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、駆動回路が出力する前記交流電圧の周期を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記交流電圧の周期の指令値である第1の指令値と第2の指令値を算出し、前記第1の指令値と前記第2の指令値のいずれか小さい方を前記交流電圧の周期の指令値として使用するように設定されており、前記第1の指令値は、前記出力電圧検出回路が検出した前記出力電圧の検出値と当該出力電圧の目標値との差に基づいた指令値であり、前記第2の指令値は、前記送電電流検出回路が検出した前記送電電流の検出値と当該送電電流の目標値との差に基づいて算出された指令値であることを特徴とする。
この非接触電力伝送回路では、整流回路の出力電圧を、その目標値以下の電圧値に制限することができる。また、整流回路の出力電圧を、その出力電圧の目標値まで上昇させることができないときには、送電コイルを流れる送電電流を、その送電電流の目標値に維持する送電電流の制御が行われる。なお、この送電電流の目標値は、例えば、回路素子の最大定格などを考慮して設定される。
前記送電電流の目標値を、送電コイルの最大許容電流値に設定することが好ましい。
このようにすれば、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が小さくなったときに、送電コイルLtを流れる送電電流が送電コイルLtの最大許容電流値に維持される。
前記整流回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を更に備え、前記制御回路は、前記出力電流検出回路が検出した前記出力電流の検出値に基づいて、前記出力電圧の目標値を設定し、当該目標値を用いて前記第1の指令値を算出することか好ましい。
このようにすれば、整流回路の出力電流に基づいて出力電圧の目標値を調整することができる。
前記整流回路の出力電流が所定の電流値を越えた場合に、前記整流回路の出力電力が一定値になるように、または前記整流回路の出力電流が一定値になるように前記出力電圧の目標値が設定されることが好ましい。
このようにすれば、整流回路の出力特性がより好ましい特性に設定される。
本発明に係る非接触電力伝送回路は、送電コイルから受電コイルに、磁界を介して電力を伝送する非接触電力伝送回路であって、前記送電コイルに交流電圧を供給する駆動回路と、前記送電コイルが発生させた磁界により前記受電コイルに生じた電圧を、整流する整流回路と、前記送電コイルを流れる送電電流を検出する送電電流検出回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、駆動回路が出力する前記交流電圧の周期を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記出力電圧の目標値を出力する目標電圧設定器と、前記送電電流の目標値を出力する目標電流設定器と、前記目標電圧設定器の出力から前記出力電圧検出回路の出力を減算する第1の減算器と、前記目標電流設定器の出力から前記送電電流検出回路の出力を減算する第2の減算器と、前記第1の減算器の出力に接続され、前記交流電圧の周期の指令値である第1の指令値を出力する第1のPFM制御器と、前記第2の減算器の出力に接続され、前記交流電圧の周期の指令値である第2の指令値を出力する第2のPFM制御器と、前記第1のPFM制御器の出力が反転入力に接続され、前記第2のPFM制御器の出力が非反転入力に接続された比較器と、前記第1のPFM制御器の出力と前記第2のPFM制御器の出力が入力に接続され、前記比較器の出力が選択制御入力に接続されたマルチプレクサと、を有し、前記マルチプレクサは、前記比較器の出力がハイレベルのとき、前記第1のPFM制御器の出力を選択し、前記比較器の出力がローレベルのとき、前記第2のPFM制御器の出力を選択するように設定されていることを特徴とする。
この非接触電力伝送回路では、整流回路の出力電圧を、その目標値以下の電圧値に制限することができる。また、整流回路の出力電圧を、その出力電圧の目標値まで上昇させることができないときには、送電コイルを流れる送電電流を、その送電電流の目標値に維持する送電電流の制御が行われる。なお、この送電電流の目標値は、例えば、回路素子の最大定格などを考慮して設定される。
前記目標電流設定器は、前記送電電流の目標値として、送電コイルの最大許容電流値を出力すると好ましい。このようにすれば、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が小さくなったときに、送電コイルLtを流れる送電電流が送電コイルLtの最大許容電流値に維持される。
前記整流回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を更に備え、前記目標電圧設定器は、前記出力電流検出回路が検出した出力電流の検出値に基づいて、前記出力電圧の目標値を出力すると好ましい。このようにすれば、整流回路の出力電流に基づいて出力電圧の目標値を調整することができる。
前記目標電圧設定器は、前記整流回路の出力電流が所定の電流値を越えた場合に、前記整流回路の出力電力が一定値になるように、または前記整流回路の出力電流が一定値になるように前記出力電圧の目標値を調整して出力すると好ましい。このようにすれば、整流回路の出力特性がより好ましい特性に設定される。
本発明に係る非接触電力伝送回路によれば、受電コイルに生じた交流電圧を整流することにより得られた直流電圧を出力する整流回路の出力電圧の変動幅を狭めることができる。つまり、この非接触電力伝送回路では、整流回路の出力電圧を、その目標値以下の電圧値に制限することができる。また、整流回路の出力電圧を、その出力電圧の目標値まで上昇させることができないときには、送電コイルを流れる送電電流が、所定の最大電流値に維持されるため、出力電圧が低下した場合の変動幅も抑制される。
非接触電力伝送回路の構成を示すブロック図である。 非接触電力伝送回路における制御回路の構成を示すブロック線図である。 非接触電力伝送回路における整流回路の出力電圧と出力電流の変動範囲を示すグラフである。 非接触電力伝送回路における整流回路の出力電圧と出力電流の変動範囲を示すグラフである。
発明を実施するための形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態で説明する内容により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において、同一要素または同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図1は、本発明に係る非接触電力伝送回路の実施形態の一例を示したブロックである。なお、このブロック図には、本発明の特徴を説明するために必要な非接触電力伝送回路の主要部だけが示されている。
この非接触電力伝送回路では、送電コイルLtから受電コイルLrに、送電コイルLtが発生させる磁界を介して電力が伝送される。送電コイルLtには共振用コンデンサCtが接続され、これらが共振回路を構成している。同様に、受電コイルLrには共振用コンデンサCrが接続され、これらが共振回路を構成している。なお、共振用コンデンサCtおよび共振用コンデンサCrは本発明に於ける必須の構成要素ではない。
駆動回路(インバータ回路)1は、送電コイルLtに交流電圧を与える回路であり、入力電圧Vinを交流電圧に変換する。この交流電圧に基づいて送電コイルLtに流れる電流(送電電流)により、送電コイルLtが磁界を発生させる。この駆動回路(インバータ回路)1としては、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路またはプッシュプル回路などを用いることができる。また、送電コイルLtを流れる送電電流の電流値は、送電電流検出回路3により検出される。送電電流検出回路3が検出する検出値(電流値)は、送電電流のピーク値であっても、実効値であってもよい。
送電コイルLtが発生させた磁界により受電コイルLrに生じた交流電圧は、ダイオードブリッジDrにより全波整流され、平滑用コンデンサCoに平滑化される。つまり、この例では、ダイオードブリッジDrと平滑用コンデンサCoにより整流回路が構成されている。この整流回路の出力電圧、つまり、平滑用コンデンサCoの両端子間の電圧は、出力電圧検出回路4により検出される。また、この整流回路の出力電流、つまり、この整流回路から負荷側に供給される電流は、出力電流検出回路5により検出される。
制御回路2は、駆動回路(インバータ回路)1の動作を制御する。この制御は、いわゆるパルス周波数変調(Pulse Frequency Modulation)制御であり、駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御している。この交流電圧の周期は、送電電流検出回路3、出力電圧検出回路4および出力電流検出回路5の検出値に基づいて制御される。そして、送電コイルLtに流れる送電電流がその目標値に近づくように、または整流回路の出力電圧がその目標値に近づくように、この交流電圧の周期が制御される。なお、駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期は、送電コイルLtと共振用コンデンサCtとで構成される共振回路の共振周波数に対応する周期よりも小さい範囲で制御される。つまり、この交流電圧の周波数は、送電コイルLtと共振用コンデンサCtとで構成される共振回路の共振周波数よりも高い範囲(誘導性領域)において制御される。この範囲では、周波数を小さくしていくと、つまり、周期を大きくしていくと、それにつれて、出力電圧検出回路4と出力電流検出回路5の検出値が増加していく。
次に、制御回路2の動作を、図2に示されたブロック線図を参照して説明する。目標電圧設定器10は、ダイオードブリッジDrと平滑用コンデンサCoにより構成された整流回路の出力電圧の目標値Vtgtを出力する。第1の減算器11は、出力電圧の目標値Vtgtから出力電圧の検出値Voを減算して得られた値を出力する。言い換えれば、第1の減算器11は、目標電圧設定器10の出力から出力電圧検出回路4の出力を減算する。第1のPFM制御器12は、第1の減算器11の出力に接続され、第1の減算器11が出力する値(目標値Vtgtと検出値Voの差)に基づいて、駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期に関する指令値である第1の指令値を算出する。つまり、この第1の指令値は、パルス周波数変調(Pulse Frequency Modulation)制御における制御対象である周期を指示する値である。この第1の指令値を算出においては、一般的な比例制御、積分制御及び微分制御などが用いられる。つまり、第1の指令値は、比例要素、積分要素および微分要素のうちの1つの要素または複数の要素により算出され操作量に基づいて得られた値である。なお、比例要素、積分要素および微分要素のそれぞれの要素に乗算されるゲインの値は適宜設定することができる。
目標電流設定器17は、送電電流の目標値Imaxを出力する。第2の減算器13は、送電電流の目標値Imaxから送電電流の検出値Itを減算して得られた値を出力する。言い換えれば、第2の減算器13は、目標電流設定器17の出力から出力電流検出回路5の出力を減算する。第2のPFM制御器14は、第2の減算器13の出力に接続され、第2の減算器13が出力する値(目標値Imaxと検出値Itの差)に基づいて、駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期に関する指令値である第2の指令値を算出する。つまり、この第2の指令値は、第1の指令値と同様に、パルス周波数変調(Pulse Frequency Modulation)制御における制御対象である周期を指示する値である。この第2の指令値を算出においては、第1の指令値の算出と同様に、一般的な比例制御、積分制御及び微分制御などが用いられる。なお、送電電流の目標値Imaxは、例えば、送電電流の目標値Imaxは、送電コイルLtの最大許容電流値に設定される。
第1の指令値と第2の指令値は、マルチプレクサ15に入力されると共に、比較器16にも入力される。マルチプレクサ15は、比較器16の出力信号に基づいて第1の指令値と第2の指令値のいずれか一方を選択的に出力する。本実施形態では、比較器16の反転入力に第1のPFM制御器12の出力が接続され、比較器16の非反転入力に第2のPFM制御器14の出力が接続されている。また、本実施形態では、マルチプレクサ15の入力に第1のPFM制御器12の出力と第2のPFM制御器14の出力が接続され、マルチプレクサ15の選択制御入力に比較器16の出力が接続されている。比較器16は、第1の指令値が第2の指令値より小さいときにはハイレベルの信号を出力し、第1の指令値が第2の指令値より大きいときにはローレベルの信号を出力するように設定されている。また、マルチプレクサ15は、比較器16の出力信号がハイレベルのときに第1の指令値を出力し、比較器16の出力信号がローレベルのときに第2の指令値を出力するように設定されている。言い換えれば、マルチプレクサ15は、比較器16の出力がハイレベルのときに第1のPFM制御器12の出力を選択し、比較器16の出力がローレベルのときに第2のPFM制御器14を選択するように設定されている。従って、マルチプレクサ15は、第1の指令値が第2の指令値より小さいときには第1の指令値を出力し、第2の指令値が第1の指令値より小さいときには第2の指令値を出力する。
制御回路2は、マルチプレクサ15から出力される指令値(第1の指令値または第2の指令値)に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御する。従って、マルチプレクサ15から第1の指令値が出力されているとき、制御回路2は、整流回路の出力電圧をその目標値Vtgtに一致させるように交流電圧の周期を制御する。また、マルチプレクサ15から第2の指令値が出力されているとき、制御回路2は、送電電流をその目標値Imaxに一致させるように交流電圧の周期を制御する。このとき、送電電流の目標値Imaxが送電コイルLtの最大許容電流値に設定されていれば、送電電流はこの最大許容電流値に維持される。
次に、図3および図4を参照して、ダイオードブリッジDrと平滑用コンデンサCoにより構成された整流回路の出力電圧と出力電流の変動範囲を説明する。なお、送電電流の目標値Imaxは、送電コイルLtの最大許容電流値に設定されている。つまり、目標電流設定器17は、送電電流の目標値Imaxとして、送電コイルLtの最大許容電流値を出力する。
まず、図3の例を参照して、整流回路の出力電圧と出力電流の変動範囲を説明する。送電コイルLtと受電コイルLrの位置ズレが小さく、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が比較的大きいとき、整流回路の出力電圧はその目標値VtgtであるVrefに維持される。従って、整流回路の出力電圧と出力電流で決まる点Pは、点P1から点P2までの直線上で変化する。このとき、制御回路2は、第1の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御している。つまり、第1の指令値に従って交流電圧の周期が制御されることにより、整流回路の出力電圧の最大値がVrefとなり、整流回路の出力電圧がVrefを越えることはない。
送電コイルLtと受電コイルLrの位置ズレが大きく、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が比較的小さいとき、整流回路の出力電圧はその目標値VtgtであるVrefより低くなる。従って、整流回路の出力電圧と出力電流で決まる点Pは、点P1から点P2までの直線と点P2から点P3までの直線で囲まれた範囲S1(斜線部)内で変化する。このとき、制御回路2は、第2の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御している。このとき、送電コイルLtを流れる送電電流が目標値Imaxに維持されため、整流回路の出力電圧の低下は最小限に抑えられる。
整流回路の出力電流が電流値Irefに達したとき、整流回路の出力電圧が点P2から点P3までの直線上で変化するように出力電圧の目標値Vtgtが調整される。つまり目標電圧設定器は、整流回路の出力電圧と出力電流で決まる点Pがこの直線上に存在する点になるように、目標値Vtgtを設定する。そして、制御回路2は、この目標値Vtgtの設定値に基づいた第1の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御する。
次に、図4の例を参照して、整流回路の出力電圧と出力電流の変動範囲を説明する。送電コイルLtと受電コイルLrの位置ズレが小さく、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が比較的大きいとき、整流回路の出力電圧はその目標値VtgtであるVrefに維持される。従って、整流回路の出力電圧と出力電流で決まる点Pは、点P4から点P5までの直線上で変化する。このとき、制御回路2は、第1の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御している。
整流回路の出力電流が電流値Irefに達したとき、整流回路の出力電圧が点P5から点P6までの曲線上で変化するように出力電圧の目標値Vtgtが設定される。点P5から点P6までの曲線上で変化すとき、整流回路から出力される電力が一定値に維持されるように出力電圧の目標値Vtgtが調整される。さらに、整流回路の出力電流が電流値Imaxに達したとき、整流回路の出力電圧が点P6から点P7までの直線上で変化するように出力電圧の目標値Vtgtが設定される。点P6から点P7までの直線上で変化するとき、整流回路の出力電流が電流値Imaxに維持されるように出力電圧の目標値Vtgtが調整される。そして、制御回路2は、この目標値Vtgtの設定値に基づいた第1の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御する。
送電コイルLtと受電コイルLrの位置ズレが大きく、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数が比較的小さいとき、整流回路の出力電圧と出力電流で決まる点Pは、点P4から点P5までの直線と、点P5から点P6までの曲線と、点P6から点P7までの直線で囲まれた範囲S2(斜線部)内で変化する。このとき、制御回路2は、第2の指令値に従って駆動回路(インバータ回路)1が出力する交流電圧の周期を制御している。
以上、本発明に係る非接触電力伝送回路の実施形態を説明したが、本発明は、上記で説明した実施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において様々な変更を加えることができる。
1…駆動回路(インバータ)、2…制御回路、3…送電電流検出回路、4…出力電圧検出回路、5…出力電流検出回路、10…目標電圧設定器、11…減算器、12…第1のPFM制御器、13…減算器、14…第2のPFM制御器、15…マルチプレクサ、16…比較器、17…目標電流設定器。

Claims (8)

  1. 送電コイルから受電コイルに、磁界を介して電力を伝送する非接触電力伝送回路であって、
    前記送電コイルに交流電圧を供給する駆動回路と、
    前記送電コイルが発生させた磁界により前記受電コイルに生じた電圧を、整流する整流回路と、
    前記送電コイルを流れる送電電流を検出する送電電流検出回路と、
    前記整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
    駆動回路が出力する前記交流電圧の周期を制御する制御回路とを備え、
    前記制御回路は、前記交流電圧の周期の指令値である第1の指令値と第2の指令値を算出し、前記第1の指令値と前記第2の指令値のいずれか小さい方を前記交流電圧の周期の指令値として使用するように設定されており、
    前記第1の指令値は、前記出力電圧検出回路が検出した前記出力電圧の検出値と当該出力電圧の目標値との差に基づいた指令値であり、前記第2の指令値は、前記送電電流検出回路が検出した前記送電電流の検出値と当該送電電流の目標値との差に基づいて算出された指令値であることを特徴とする非接触電力伝送回路。
  2. 前記送電電流の目標値を、送電コイルの最大許容電流値に設定したことを特徴とする請求項1に記載の非接触電力伝送回路。
  3. 前記整流回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を更に備え、
    前記制御回路は、前記出力電流検出回路が検出した前記出力電流の検出値に基づいて、前記出力電圧の目標値を設定し、当該目標値を用いて前記第1の指令値を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の非接触電力伝送回路。
  4. 前記整流回路の出力電流が所定の電流値を越えた場合に、前記整流回路の出力電力が一定値になるように、または前記整流回路の出力電流が一定値になるように前記出力電圧の目標値が設定されることを特徴とする請求項3に記載の非接触電力伝送回路。
  5. 送電コイルから受電コイルに、磁界を介して電力を伝送する非接触電力伝送回路であって、
    前記送電コイルに交流電圧を供給する駆動回路と、
    前記送電コイルが発生させた磁界により前記受電コイルに生じた電圧を、整流する整流回路と、
    前記送電コイルを流れる送電電流を検出する送電電流検出回路と、
    前記整流回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
    駆動回路が出力する前記交流電圧の周期を制御する制御回路とを備え、
    前記制御回路は、
    前記出力電圧の目標値を出力する目標電圧設定器と、
    前記送電電流の目標値を出力する目標電流設定器と、
    前記目標電圧設定器の出力から前記出力電圧検出回路の出力を減算する第1の減算器と、
    前記目標電流設定器の出力から前記送電電流検出回路の出力を減算する第2の減算器と、
    前記第1の減算器の出力に接続され、前記交流電圧の周期の指令値である第1の指令値を出力する第1のPFM制御器と、
    前記第2の減算器の出力に接続され、前記交流電圧の周期の指令値である第2の指令値を出力する第2のPFM制御器と、
    前記第1のPFM制御器の出力が反転入力に接続され、前記第2のPFM制御器の出力が非反転入力に接続された比較器と、
    前記第1のPFM制御器の出力と前記第2のPFM制御器の出力が入力に接続され、前記比較器の出力が選択制御入力に接続されたマルチプレクサと、を有し、
    前記マルチプレクサは、前記比較器の出力がハイレベルのとき、前記第1のPFM制御器の出力を選択し、前記比較器の出力がローレベルのとき、前記第2のPFM制御器の出力を選択するように設定されていることを特徴とする非接触電力伝送回路。
  6. 前記目標電流設定器は、前記送電電流の目標値として、送電コイルの最大許容電流値を出力することを特徴とする請求項5に記載の非接触電力伝送回路。
  7. 前記整流回路の出力電流を検出する出力電流検出回路を更に備え、
    前記目標電圧設定器は、前記出力電流検出回路が検出した出力電流の検出値に基づいて、前記出力電圧の目標値を出力することを特徴とする請求項5または6に記載の非接触電力伝送回路。
  8. 前記目標電圧設定器は、前記整流回路の出力電流が所定の電流値を越えた場合に、前記整流回路の出力電力が一定値になるように、または前記整流回路の出力電流が一定値になるように前記出力電圧の目標値を調整して出力することを特徴とする請求項7に記載の非接触電力伝送回路。
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