JP2016021786A - 非接触給電装置および非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率が低下するのを抑制することが可能な非接触給電装置および非接触給電システムを提供する。
【解決手段】この非接触給電システム100は、AC/DC電源部13と、給電コイル11と、給電する電圧値Vtを検出する給電電圧検出部17と、給電する電流値Itを検出する給電電流検出部18と、電圧値Vtと電流値Itとに基づいて、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成されている。
【選択図】図2
【解決手段】この非接触給電システム100は、AC/DC電源部13と、給電コイル11と、給電する電圧値Vtを検出する給電電圧検出部17と、給電する電流値Itを検出する給電電流検出部18と、電圧値Vtと電流値Itとに基づいて、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成されている。
【選択図】図2
Description
この発明は、非接触給電装置および非接触給電システムに関し、特に、給電コイルを備えた非接触給電装置および非接触給電システムに関する。
従来、給電コイルを備えた非接触給電装置および非接触給電システムが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、1次導線(給電コイル)を備えた非接触給電装置が開示されている。この非接触給電装置には、給電回路と、受電回路とが設けられている。そして、給電回路は、1次導線と、1次導線に供給する高周波電力の周波数を制御する周波数制御部と、受電回路と通信可能な無線通信部とを含む。また、受電回路は、1次導線からの高周波電力を受電して、負荷に高周波電力を供給する受電コイルと、負荷の抵抗成分を検出する抵抗検出回路と、検出した負荷の抵抗成分を給電回路に伝送する無線通信部とを含む。そして、この非接触給電装置では、給電回路は、無線通信部を介して、受電回路から負荷の抵抗成分を取得して、負荷の抵抗成分に基づいて、高周波電力の周波数を制御するように構成されている。これにより、給電回路から受電回路に伝送される高周波電力の力率が低下するのを抑制して、高周波電力の電力伝送効率が低下するのを抑制するように構成されている。
しかしながら、上記特許文献1の非接触給電装置では、受電回路(受電装置)から負荷の抵抗成分(負荷抵抗値)を取得するために、給電回路(給電装置)および受電回路(受電装置)には、それぞれ無線通信部を設ける必要がある。このため、非接触給電装置および非接触給電システム(給電装置および受電装置)の構成が複雑化するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率が低下するのを抑制することが可能な非接触給電装置および非接触給電システムを提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による非接触給電装置は、給電する電圧値を変化させることが可能である電源部と、電源部により供給される電力により給電磁界を発生させて、外部に設けられた外部受電装置に電力を供給することが可能な給電コイルと、電源部により供給される電力の電圧値を検出する給電電圧検出部と、電源部により供給される電力の電流値を検出する給電電流検出部と、電源部の給電する電圧値を制御する制御部とを備え、制御部は、給電電圧検出部により検出された電圧値と、給電電流検出部により検出された電流値とに基づいて、外部受電装置の負荷抵抗値を推定するとともに、推定した負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成されている。
上記第1の局面による非接触給電装置では、上記のように、制御部を、給電電圧検出部により検出された電圧値と、給電電流検出部により検出された電流値とに基づいて、外部受電装置の負荷抵抗値を推定する。また、制御部を、推定した負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成する。これにより、外部受電装置から負荷抵抗値を取得するために給電装置および外部受電装置にそれぞれ無線通信部を設けることなく、負荷抵抗値を推定することができる。その結果、非接触給電装置の構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率が低下するのを抑制することができる。
上記第1の局面による非接触給電装置では、好ましくは、制御部は、電圧値Vtと電流値Itとを乗算し、外部受電装置の負荷電力値PLを算出して、電圧値Vtに比例する外部受電装置の負荷電圧値VLの2乗を外部受電装置の負荷電力値PLにより除算する、以下の式(1)〜(3)を用いて、外部受電装置の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した負荷抵抗値RLが所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成されている。
Vt×It=PL・・・(1)
Vt=α×VL・・・(α:定数)・・・(2)
VL 2/PL=RL・・・(3)
このように構成すれば、上記の式(1)〜(3)を用いることにより、容易に、外部受電装置の負荷抵抗値RLを推定することができる。
Vt×It=PL・・・(1)
Vt=α×VL・・・(α:定数)・・・(2)
VL 2/PL=RL・・・(3)
このように構成すれば、上記の式(1)〜(3)を用いることにより、容易に、外部受電装置の負荷抵抗値RLを推定することができる。
この場合、好ましくは、制御部は、外部受電装置の負荷電力値が所定の電力値以上で、かつ、推定した負荷抵抗値が所定の最低抵抗値以下の場合に、外部受電装置の負荷が異常状態であると判断する制御を行うように構成されている。ここで、外部受電装置の負荷が異常状態である場合(負荷の短絡などの場合)には、負荷電力値が比較的大きくなるとともに、負荷抵抗値が比較的小さくなる。そこで、上記のように構成すれば、容易に外部受電装置の負荷の異常を検知することができる。
上記第1の局面による非接触給電装置では、好ましくは、制御部は、予め設定された電源部から外部受電装置までの電力の伝送効率値を考慮して、外部受電装置の負荷抵抗値が、所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成されている。このように構成すれば、より正確に、外部受電装置の負荷抵抗値(負荷電力値)を推定することができるので、より確実に、電力伝送効率が低下するのを抑制することができる。
上記第1の局面による非接触給電装置では、好ましくは、給電コイルに直列に接続された共振コンデンサと、給電コイルおよび共振コンデンサに流れる電流の電流値であるコイル電流値を検出することが可能なコイル電流検出部とをさらに備え、制御部は、電圧値と電流値とを乗算することにより外部受電装置の負荷電力値を推定して、推定した負荷電力値が所定の電力値以下で、かつ、コイル電流値が所定の電流値以上の場合に、外部受電装置の負荷抵抗値の推定は行わずに、外部受電装置が所定の配置位置に配置されていないと判断する制御を行うように構成されている。ここで、外部受電装置が所定の配置位置に配置されていない場合には、負荷電力値が比較的小さくなるとともに、コイル電流値が比較的大きくなる。そこで、上記のように構成すれば、外部受電装置が所定の配置位置に配置されていないことを、容易に検知することができる。
上記第1の局面による非接触給電装置では、好ましくは、所定の負荷抵抗値は、電源部から外部受電装置までの電力の伝送効率値が最大近傍となるような抵抗値である。このように構成すれば、推定した負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御することによって、電力伝送効率を最大近傍にすることができる。
この発明の第2の局面による非接触給電システムは、給電する電圧値を変化させることが可能である電源部と、電源部により供給される電力により給電磁界を発生させる給電コイルと、電源部により供給される電力の電圧値を検出する給電電圧検出部と、電源部により供給される電力の電流値を検出する給電電流検出部と、電源部の給電する電圧値を制御する給電装置側制御部とを含む、給電装置と、給電磁界により電力を受電する受電コイルと、受電コイルが受電した電力の電圧値を所定の電圧に変換することが可能に構成された電力変換部とを含む、受電装置と、給電装置側制御部は、給電電圧検出部により検出された電圧値と、給電電流検出部により検出された電流値とに基づいて、受電装置の電力変換部の負荷抵抗値を推定するとともに、推定した負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成されている。
この発明の第2の局面による非接触給電システムでは、上記のように、給電装置側制御部を、給電電圧検出部により検出された電圧値と、給電電流検出部により検出された電流値とに基づいて、受電装置の負荷抵抗値を推定するとともに、推定した負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、給電する電圧値を制御するように構成する。これにより、第2の局面による非接触給電システムにおいても、構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率が低下するのを抑制することができる。
本発明によれば、上記のように、構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率が低下するのを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態による非接触給電システム100の構成について説明する。
図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態による非接触給電システム100の構成について説明する。
本発明の第1実施形態による非接触給電システム100には、図1に示すように、給電装置1が設けられている。給電装置1は、地面などに配置されている。また、給電装置1は、給電コイル11を含み、給電コイル11は、給電装置1の後述する受電装置2側(上方側)に配置されている。なお、給電装置1は、本発明の「非接触給電装置」の一例である。
そして、非接触給電システム100には、受電装置2が設けられている。受電装置2は、電気自動車2aの内部に配置されている。電気自動車2aは、給電装置1が配置されている近傍(上方)に停車されている。また、受電コイル21は、受電装置2の給電装置1側(地面側)に設けられている。そして、電気自動車2aが給電装置1の近傍(上方)に停車されている状態で、給電コイル11と受電コイル21とは、対向するように設けられている。
そして、図2に示すように、給電装置1には、制御部12が設けられている。制御部12は、CPU(Central Processing Unit)および発振回路などを含む。CPUは、後述するように給電装置1の全体の制御を行うように構成されている。また、発振回路は、CPUの指令に基づいて、高周波(たとえば、6.78MHz)の駆動信号を出力するように構成されている。
そして、給電装置1には、AC/DC(交流/直流)電源部13が設けられている。AC/DC電源部13は、外部に設けられた商用電源3から交流の電力を取得するとともに、取得した電力を直流に整流するように構成されている。そして、AC/DC電源部13は、制御部12からの指令に基づいて、受電装置2に給電する電圧値Vtを変化させることが可能に構成されている。なお、AC/DC電源部13は、本発明の「電源部」の一例である。
そして、給電装置1には、ゲートドライブ回路14が設けられている。ゲートドライブ回路14は、AC/DC電源部13からの直流電圧をオンオフさせることが可能なN型のFET(Field Effect Transistor)15aおよび15bに接続されている。ゲートドライブ回路14は、制御部12の発振回路から、後述する共振コンデンサ16および給電コイル11の共振周波数(たとえば、6.78MHz)の駆動信号を取得するとともに、取得した駆動信号に応じて、FET15aとFET15bとのうちの一方がオンの状態になり、他方がオフの状態になるように、オンオフするように構成されている。なお、ゲートドライブ回路14は、本発明の「電源部」の一例である。また、FET15aおよび15bは、本発明の「電源部」の一例である。
すなわち、FET15aがオンの場合には、FET15bは、オフすることにより給電コイル11側にAC/DC電源部13からの電圧を印加するように構成されている。また、FET15aがオフの場合には、FET15bは、オンすることにより、給電コイル11に印加される電圧を0にするように構成されている。すなわち、ゲートドライブ回路14は、いわゆるハーフブリッジ回路として構成されており、AC/DC電源部13からの直流の電圧を、共振周波数を有する交流の電圧(電圧値+Vtと電圧値0を有する矩形波)に変換して、共振コンデンサ16および給電コイル11に出力するように構成されている。
また、給電装置1には、共振コンデンサ16が設けられている。共振コンデンサ16は、給電コイル11に対して直列に接続されており、共振周波数を有する交流の電圧が印加された場合には、直列共振する(インピーダンスが最小となる)ように構成されている。
そして、給電コイル11は、共振周波数を有する交流の電圧が印加されることにより交流電流が流れることによって、給電磁界を発生させるように構成されている。
ここで、第1実施形態では、図2に示すように、給電装置1には、給電電圧検出部17が設けられている。給電電圧検出部17は、AC/DC電源部13の出力側で、かつ、FET15aのドレイン側の電圧値Vtを検出することが可能に構成されている。そして、給電電圧検出部17は、検出した電圧値Vtの情報を制御部12に伝達するように構成されている。
また、第1実施形態では、給電装置1には、給電電流検出部18が設けられている。給電電流検出部18は、AC/DC電源部13の出力側から、FET15aのドレイン側に流れる電流値Itを検出することが可能に構成されている。そして、給電電流検出部18は、検出した電流値Itの情報を制御部12に伝達するように構成されている。
また、第1実施形態では、給電装置1には、コイル電流検出部19が設けられている。コイル電流検出部19は、給電コイル11および共振コンデンサ16に流れる電流値ICを検出することが可能に構成されている。そして、コイル電流検出部19は、検出した電流値ICの情報を制御部12に伝達するように構成されている。
そして、図3に示すように、受電装置2には、上記したように受電コイル21が設けられている。受電コイル21は、給電コイル11により発生された給電磁界により電力を受電するように構成されている。
また、受電装置2には、共振コンデンサ22aおよび22bが設けられている。共振コンデンサ22aは、受電コイル21に対して直列に接続されている。また、共振コンデンサ22bは、受電コイル21に対して並列に接続されている。そして、共振コンデンサ22aおよび22bの容量は、受電装置2の負荷抵抗値RLが、後述する最適負荷抵抗値ROとなった場合に、電力伝送効率値ηが最大となるような値に定められている。また、受電コイル21と、共振コンデンサ22aおよび22bとの共振周波数は、給電コイル11と共振コンデンサ16との共振周波数と略同一の値を有するように構成されている。すなわち、給電装置1と受電装置2とは、いわゆる磁気共鳴方式による給電を行うことが可能に構成されている。
また、受電装置2には、整流回路23が設けられている。整流回路23は、複数のダイオードなどを含み、受電コイル21により受電した電力の交流電流を直流電流に整流するように構成されている。
ここで、第1実施形態では、受電装置2には、DC/DCコンバータ24が設けられている。DC/DCコンバータ24は、整流された直流の電圧値を後述する2次電池25が充電するのに適した一定の直流の電圧値へ変換するように構成されている。なお、DC/DCコンバータ24は、本発明の「電力変換部」の一例である。
そして、受電装置2には、2次電池25が設けられている。2次電池25は、DC/DCコンバータ24から供給された電力を充電するように構成されている。
ここで、第1実施形態では、制御部12は、給電電圧検出部17により検出された電圧値Vtと、給電電流検出部により検出された電流値Itとに基づいて、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成されている。なお、最適負荷抵抗値ROは、AC/DC電源部13から受電装置2までの電力伝送効率値ηが最大近傍(電力伝送効率値ηO)となるような抵抗値である。なお、負荷抵抗値RLは、受電装置2のDC/DCコンバータ24の入力側の抵抗値を意味する。また、最適負荷抵抗値ROは、本発明の「所定の負荷抵抗値」の一例である。
具体的には、図4に示すように、負荷抵抗値RLと電力伝送効率値ηとは、最適負荷抵抗値ROにおいて、最も電力伝送効率値ηが大きい電力伝送効率値ηOとなる関係を有する。
たとえば、図4に示す例では、給電する電圧値Vtを一定とした場合に、駆動周波数(共振周波数)が6.78MHz、給電コイル11および受電コイル21のインダクタンスをともに1μH、給電コイル11および受電コイル21のQ値をともに100、結合係数を0.1とした場合の計算結果を表している。この例の場合、最適負荷抵抗値ROは、410Ωとなり、電力伝送効率値ηOは、0.82となる。
そして、制御部12は、給電する電圧値Vtと給電する電流値Itとを乗算することにより給電する電力値Ptを算出するように構成されている。そして、給電する電力値Ptと受電電力値(負荷電力値PL)とが等しい値である(損失がない)と仮定した場合、制御部12は、以下の式(4)を用いて、給電する電圧値Vtと給電する電流値Itとに基づいて、負荷電力値PLを推定(算出)するように構成されている。
Vt×It=Pt=PL・・・(4)
Vt×It=Pt=PL・・・(4)
また、図5に示すように、給電する電圧値Vtと負荷電圧値VLとは、比例関係を有する。すなわち、以下の式(5)の関係を有する。なお、αは、定数であり、給電装置1および受電装置2の構成(または組み合わせなど)により異なる値を有する。
Vt=α×VL・・・(α:定数)・・・(5)
Vt=α×VL・・・(α:定数)・・・(5)
たとえば、図5に示す例では、αを1として、給電する電圧値Vtが10Vの場合には、負荷電圧値VLは、10Vとなるように構成されている。
また、図6に示すように、負荷電力値PLが比較的小さな場合には、負荷電圧値VLは、負荷電力値PLが大きくなるにつれ、大きくなる。また、負荷電力値PLが比較的大きな場合には、負荷電圧値VLは、負荷電力値PLの大きさによらず、略一定となる。そして、非接触給電システム100では、負荷電圧値VLが負荷電力値PLの大きさによらず略一定となるような負荷電力値PLとなるように(負荷電力値PLを比較的大きく)構成されている。この関係により、制御部12は、負荷抵抗値RLを、負荷電圧値VLの2乗を負荷電力値PLにより除算することにより推定することが可能になる。すなわち、以下の式(6)の関係を有する。
VL 2/PL=RL・・・(6)
VL 2/PL=RL・・・(6)
また、上記の式(4)〜(6)から以下の式(7)を導くことが可能になる。
RL=(1/α2)×(Vt/It)・・・(7)
RL=(1/α2)×(Vt/It)・・・(7)
そして、制御部12は、推定した負荷抵抗値RLと、上記した最適負荷抵抗値RO(410Ω)とを比較する制御を行うように構成されている。そして、制御部12は、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROに対して小さい場合には、給電する電圧値Vtを大きくする制御を行うように構成されている。一方、制御部12は、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROに対して大きい場合には、給電する電圧値Vtを小さくする制御を行うように構成されている。これにより、制御部12は、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成されている。
次に、図7を参照して、第1実施形態による非接触給電システム100の給電する電圧値の制御処理フローについて説明する。給電装置1における処理は、CPU12により行われる。
まず、図7に示すように、ステップS1において、給電する電圧値Vtの初期値の設定が行われる。その後、ステップS2に進む。
そして、ステップS2において、給電が開始される。すなわち、ステップS1において給電する電圧値Vtの初期値が5Vに設定された場合には、給電する電圧値Vtを5Vとして給電が行われる。その後、ステップS3に進む。
そして、ステップS3において、給電する電圧値Vtと、給電する電流値Itと、コイル電流値ICとが測定される。その後、ステップS4に進む。
そして、ステップS4において、負荷電力値PLが推定される。すなわち、上記した式(4)を用いて、負荷電力値PLの推定(算出)が行われる。その後、ステップS5に進む。
そして、ステップS5において、ステップS4において推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下か否かが判断される。推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下の場合には、ステップS11に進み、推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下でない場合には、ステップS6に進む。なお、最低電力値PAは、本発明の「所定の電力値」の一例である。
そして、ステップS6において、負荷抵抗値RLの推定が行われる。すなわち、上記した式(4)〜(7)を用いて、負荷抵抗値RLの推定が行われる。その後、ステップS7に進む。
そして、ステップS7において、推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下か否かが判断される。推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下の場合には、ステップS13に進み、推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下でない場合には、ステップS8に進む。
そして、ステップS8において、推定した負荷抵抗値RLが最適抵抗値RO以下か否かが判断される。推定した負荷抵抗値RLが最適抵抗値RO以下の場合には、ステップS10に進み、推定した負荷抵抗値RLが最適抵抗値RO以下でない場合には、ステップS9に進む。
そして、ステップS9において、給電する電圧値Vtが小さくされる。たとえば、給電する電圧値Vtが5.0Vの場合には、4.9Vに変更され、給電する電圧値Vtが4.9Vの場合には、4.8Vに変更される。その後、ステップS3に戻る。
そして、ステップS8において推定した負荷抵抗値RLが最適抵抗値RO以下、または、後述するステップS14の処理の後に進むステップS10において、給電する電圧値Vtが大きくされる。たとえば、給電する電圧値Vtが5.0Vの場合には、5.1Vに変更され、給電する電圧値Vtが5.1Vの場合には、5.2Vに変更される。その後、ステップS3に戻る。
ここで、第1実施形態では、推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下で、かつ、コイル電流値ICが最大電流値IA以上の場合に、負荷抵抗値RLの推定は行わずに、受電装置2が所定の配置位置に配置(電気自動車2aが所定の停車位置に停車)されていないと判断される。なお、最大電流値IAは、本発明の「所定の電流値」の一例である。以下、具体的に説明する。
ステップS5において推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下の場合に進むステップS11において、コイル電流値ICが最大電流値IA以上か否かが判断される。給電コイル11と共振コンデンサ16とは直列共振しているので、受電装置2が所定の配置位置に配置されていない場合には、給電コイル11と共振コンデンサ16とを有する回路のインピーダンスは略0となるので、コイル電流値ICは、最大電流値IA以上になる。一方、受電装置2が所定の配置位置に配置されている場合は、給電コイル11と共振コンデンサ16とを有する回路のインピーダンスは比較的大きくなるので、コイル電流値ICは、最大電流値IA未満となる。そして、コイル電流値ICが最大電流値IA以上の場合には、ステップS12に進み、コイル電流値ICが最大電流値IA以上でない場合には、ステップS14に進む。
そして、ステップS12において、受電装置が所定の配置位置に配置(電気自動車2aが所定の停車位置に停車)されていないと判断される。その後、非接触給電システム100の給電する電圧値の制御処理は終了される。すなわち、負荷抵抗値RLの推定は行われずに、給電装置1から受電装置2への給電が終了される。
そして、ステップS11においてコイル電流値ICが最大電流値IA以上でない場合に進むステップS14において、給電する電力が不足していると判断される。すなわち、給電する電力が不足している場合には、推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下であっても、受電装置2が所定の配置位置に配置されている場合は、コイル電流値ICは、最大電流値IA未満となる。その後、ステップS10に進む。すなわち、ステップS10において給電する電圧を大きくすることにより、不足している電力を補うように処理が行われる。
ここで、第1実施形態では、推定した負荷電力値PAが最低電力値PA以上で、かつ、推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下の場合に、受電装置2の負荷(2次電池25など)が異常状態であると判断される。以下、具体的に説明する。
ステップS7において推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下の場合に進むステップS13において、受電装置2の負荷が異常状態であると判断される。たとえば、受電装置2の負荷が短絡している場合、負荷の抵抗値は、略0となるので、推定した負荷抵抗値RLも略0の値となる。その後、非接触給電システム100の給電する電圧値の制御処理は終了される。すなわち、給電装置1から受電装置2への給電が終了される。
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、上記のように、給電装置1の制御部12を、給電電圧検出部17により検出された電圧値Vtと、給電電流検出部18により検出された電流値Itとに基づいて、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定する。また、制御部12を、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成する。これにより、受電装置2から負荷抵抗値RLを取得するために給電装置1および受電装置2にそれぞれ無線通信部を設けることなく、負荷抵抗値RLを推定することができる。その結果、非接触給電システム100(給電装置1および受電装置2)の構成が複雑化するのを抑制しながら、電力伝送効率値ηが低下するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、給電装置1の制御部12を、給電する電圧値Vtと給電する電流値Itとを乗算し、受電装置2の負荷電力値PLを算出して、給電する電圧値Vtに比例する受電装置2の負荷電圧値VLの2乗を受電装置2の負荷電力値PLにより除算する、上記の式(4)〜(7)を用いて、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成する。これにより、上記の式(4)〜(7)を用いることにより、容易に、受電装置2の負荷抵抗値RLを推定することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、給電装置1の制御部12を、受電装置2の負荷電力値PLが最低電力値PA以上で、かつ、推定した負荷抵抗値RLが最低抵抗値RA以下の場合に、受電装置2の負荷(2次電池25など)が異常状態であると判断する制御を行うように構成する。ここで、受電装置2の負荷が異常状態である場合(負荷の短絡などの場合)には、負荷電力値PLが比較的大きくなるとともに、負荷抵抗値RAが比較的小さくなる。そこで、上記のように構成することにより、容易に受電装置2の負荷の異常を検知することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、給電装置1に、給電コイル11に直列に接続された共振コンデンサ16と、給電コイル11および共振コンデンサ16に流れる電流の電流値であるコイル電流値Icを検出することが可能なコイル電流検出部19とを設ける。また、給電装置1の制御部12を、電圧値Vtと電流値Itとを乗算することにより受電装置2の負荷電力値PLを推定して、推定した負荷電力値PLが最低電力値PA以下で、かつ、コイル電流値Icが最大電流値IA以上の場合に、受電装置2の負荷抵抗値RLの推定は行わずに、受電装置が所定の配置位置に配置されていないと判断する制御を行うように構成する。ここで、受電装置2が所定の配置位置に配置されていない場合には、負荷電力値PLが比較的小さくなるとともに、コイル電流値Icが比較的大きくなる。そこで、上記のように構成することにより、受電装置2が所定の配置位置に配置されていないことを、容易に検知することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、最適負荷抵抗値ROは、AC/DC電源部13から受電装置2までの電力伝送効率値ηが最大近傍(電力伝送効率値ηO)となるような抵抗値である。これにより、推定した負荷抵抗値RLが最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値を制御することによって、電力伝送効率値ηを最大近傍(電力伝送効率値ηO)にすることができる。
(第2実施形態)
次に、図1および図2を参照して、第2実施形態による非接触給電システム200の構成について説明する。第2実施形態では、給電する電力値Ptと負荷電力値PLとが等しい値である(損失がない)と仮定して、負荷電力値PLを推定するように構成されていた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、予め設定されたAC/DC電源部から受電装置までの電力伝送効率値ηを考慮して、負荷電力値PLを推定するように構成されている。
次に、図1および図2を参照して、第2実施形態による非接触給電システム200の構成について説明する。第2実施形態では、給電する電力値Ptと負荷電力値PLとが等しい値である(損失がない)と仮定して、負荷電力値PLを推定するように構成されていた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、予め設定されたAC/DC電源部から受電装置までの電力伝送効率値ηを考慮して、負荷電力値PLを推定するように構成されている。
図1に示すように、第2実施形態による非接触給電システム200には、給電装置201が設けられている。そして、図2に示すように、給電装置201は、制御部212を含む。
ここで、給電装置201の制御部212は、予め設定されたAC/DC電源部13から受電装置2までの電力伝送効率値η(図4参照)を考慮して、受電装置2の負荷抵抗値RLが、最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成されている。
制御部212は、給電する電圧値Vtと給電する電流値Itとが乗算することにより給電する電力値Ptを算出するように構成されている。そして、制御部212は、予め設定されたAC/DC電源部13から受電装置2までの電力伝送効率値η分、受電装置2が受電したとして、負荷電力値PLを推定するように構成されている。すなわち、以下の式(8)を用いて、給電する電圧値Vtと給電する電流値Itとに基づいて、負荷電力値PLを推定するように構成されている。
Vt×It=Pt=PL/η・・(8)
Vt×It=Pt=PL/η・・(8)
また、給電する電圧値Vtと負荷電圧値VLとは、以下の式(9)の関係を有する。なお、βは、定数であり、給電装置201および受電装置2の構成により異なる値を有する。
Vt=β×VL・・・(β:定数)・・・(9)
Vt=β×VL・・・(β:定数)・・・(9)
そして、第1実施形態による非接触給電システム100と同様に、負荷電圧値VLは、負荷電力値PLの大きさによらず、略一定となる。この関係により、制御部212は、負荷抵抗値RLを、負荷電圧値VLの2乗を負荷電力値PLにより除算することにより推定することが可能になる。すなわち、以下の式(10)の関係を有する。
VL 2/PL=RL・・・(10)
VL 2/PL=RL・・・(10)
すなわち、上記の式(8)〜(10)から以下の式(11)を導くことが可能になる。
RL=(1/(η・α2))×(Vt/It)・・・(11)
RL=(1/(η・α2))×(Vt/It)・・・(11)
なお、第2実施形態による制御部212の推定した負荷抵抗値RLを用いた給電する電圧値Vtの制御方法は、第1実施形態による制御部12の推定した負荷抵抗値RLを用いた給電する電圧値Vtの制御方法(図7参照)と同様に処理される。また、第2実施形態による非接触給電システム200のその他の構成は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、上記のように、給電装置201の制御部212を、予め設定されたAC/DC電源部13から受電装置2までの電力伝送効率値ηを考慮して、受電装置2の負荷抵抗値RLが、最適負荷抵抗値ROになるように、給電する電圧値Vtを制御するように構成する。これにより、より正確に、受電装置2の負荷抵抗値RL(負荷電力値PL)を推定することができるので、より確実に、電力伝送効率値ηが低下するのを抑制することができる。また、第2実施形態による非接触給電システム200のその他の効果は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
(第3実施形態)
次に、図1および図8を参照して、第3実施形態による非接触給電システム300の構成について説明する。第3実施形態では、ゲートドライブ回路および2つのFETによって構成される、いわゆる、ハーフブリッジ型のスイッチング回路が設けられた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、ゲートドライブ回路および4つのFETによって構成される、いわゆる、Hブリッジ型のスイッチング回路が設けられている。
次に、図1および図8を参照して、第3実施形態による非接触給電システム300の構成について説明する。第3実施形態では、ゲートドライブ回路および2つのFETによって構成される、いわゆる、ハーフブリッジ型のスイッチング回路が設けられた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、ゲートドライブ回路および4つのFETによって構成される、いわゆる、Hブリッジ型のスイッチング回路が設けられている。
図1に示すように、第3実施形態による非接触給電システム300には、給電装置301が設けられている。そして、図8に示すように給電装置301は、制御部312と、ゲートドライブ回路314と、N型のFET315a〜315dとを含む。
そして、FET315aのドレインは、AC/DC電源部13の出力側に接続されている。また、FET315aのソースおよびFET315bのドレインは、共振コンデンサ16に接続されている。また、FET315bのソースは、接地されている。
そして、FET315cのドレインは、AC/DC電源部13の出力側に接続されている。また、FET315cのソースおよびFET315dのドレインは、給電コイル11に接続されている。また、FET315dのソースは、接地されている。
そして、FET315a〜315dのゲートは、ゲートドライブ回路314に接続されている。そして、FET315a〜315dのゲートに、ゲートドライブ回路314から駆動信号を入力するように構成されている。また、ゲートドライブ回路314は、FET315aおよび315dのゲートに、FET315aおよびFET315dをオンさせる信号を入力する間は、FET315bおよび315cのゲートにFET315bおよび315cをオフさせる信号を入力するように構成されている。また、ゲートドライブ回路314は、FET315aおよび315dのゲートに、FET315aおよびFET315dをオフさせる信号を入力する間は、FET315bおよび315cのゲートにFET315bおよび315cをオンさせる信号を入力するように構成されている。
すなわち、ゲートドライブ回路314は、いわゆるHブリッジ回路として構成されており、AC/DC電源部13からの直流の電圧(電圧値Vt)を、共振周波数を有する交流の電圧(電圧値+Vtと電圧値−Vtとを有する矩形波)に変換して、共振コンデンサ16および給電コイル11に出力するように構成されている。また、第3実施形態による非接触給電システム300のその他の構成は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
第3実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第3実施形態では、上記のように、給電装置301に、ゲートドライブ回路314とFET315a〜315dとを設ける。これにより、ゲートドライブ回路314とFET315a〜315dとは、いわゆる、Hブリッジ型のスイッチング回路として駆動することができる。その結果、ハーフブリッジ型のスイッチング回路が設けられた場合と比較して、AC/DC電源部13から給電する電圧値Vtの電力が供給された場合、給電コイル11に供給される給電する電圧値の大きさを2倍(−Vt〜+Vt)にすることができる。この場合、給電コイル11に、より大きな交流電流を流すことができるので、大きな給電磁界を発生させることができる。また、第3実施形態による非接触給電システム300のその他の効果は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
(第4実施形態)
次に、図1および図9を参照して、第4実施形態による非接触給電システム400の構成について説明する。第4実施形態では、ゲートドライブ回路およびFETからなる、いわゆる、スイッチング回路が設けられていた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、正弦波の交流電流を増幅可能に構成されている可変増幅器が設けられている。
次に、図1および図9を参照して、第4実施形態による非接触給電システム400の構成について説明する。第4実施形態では、ゲートドライブ回路およびFETからなる、いわゆる、スイッチング回路が設けられていた第1実施形態の非接触給電システム100と異なり、正弦波の交流電流を増幅可能に構成されている可変増幅器が設けられている。
図1に示すように、第4実施形態による非接触給電システム400には、給電装置401が設けられている。そして、図9に示すように給電装置401は、制御部412と、AC/DC電源部413と、正弦波発生器414aと、可変増幅器414bと、給電電圧検出部417とが設けられている。なお、AC/DC電源部413と、正弦波発生器414aと、可変増幅器414bとは、本発明の「電源部」の一例である。
そして、AC/DC電源部413は、第1実施形態によるAC/DC電源部13と異なり、一定の電圧値を出力するように構成されている。そして、AC/DC電源部413は、可変増幅器414bに接続されており、可変増幅器414bに電力を供給するように構成されている。
そして、正弦波発生器414aは、制御部412から駆動信号を取得して、取得した駆動信号と同一の周波数(共振周波数)を有する正弦波を出力するように構成されている。そして、正弦波発生器414aの出力側は、可変増幅器414bの入力側に接続されている。
そして、可変増幅器414bは、正弦波発生器414aから共振周波数を有する正弦波を取得するように構成されている。また、可変増幅器414bは、制御部412からの指令に基づいて、取得した正弦波を、AC/DC電源部413から供給された電力を用いて、給電する電圧値Vtを有する電力に増幅するように構成されている。そして、可変増幅器414bの出力側は、共振コンデンサ16に接続されており、共振コンデンサ16および給電コイル11に電力を供給するように構成されている。
そして、給電電圧検出部417は、可変増幅器414bの出力側に接続されており、気給電する電圧値Vtを取得するように構成されている。そして、給電電圧検出部417は、制御部412に取得した給電する電圧値Vtを伝達するように構成されている。
なお、第4実施形態による制御部412の給電する電圧値Vtの制御方法は、第1実施形態による制御部12の給電する電圧値Vtの制御方法(図7参照)と同様に処理される。また、第4実施形態による非接触給電システム400のその他の構成は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
第4実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第4実施形態では、上記のように、給電装置401に、AC/DC電源部413と、正弦波発生器414aと、可変増幅器414bとを設ける。これにより、正弦波の交流電圧を給電コイル11に与えることができる。その結果、スイッチング回路を用いる場合と異なり、高周波ノイズが発生されにくくなるので、高周波ノイズによる周囲の機器への電磁干渉が増加するのを抑制することができる。また、第4実施形態による非接触給電システム400のその他の効果は、第1実施形態における非接触給電システム100と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、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。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
たとえば、上記第1〜第4実施形態では、本発明の受電装置を、電気自動車に適用する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、受電装置を電気自動車以外に適用してもよい。たとえば、スマートフォン等の携帯電話機器に適用してもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、上記の式(4)〜(11)を用いて、負荷抵抗値の推定を行うように構成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、上記の式(4)〜(11)を用いずに、負荷抵抗値の推定を行ってもよい。たとえば、取得した給電する電圧値および電流値に対応する負荷抵抗値を含むテーブルを予め設けて、テーブルを用いて負荷抵抗値の推定を行ってもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、負荷抵抗値の推定を、負荷電力値の推定とともに行い、推定した負荷抵抗値が、最適負荷抵抗値(所定の負荷抵抗値)になるように、給電する電圧値を制御する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、負荷電力値の推定を行わずに、負荷抵抗値の推定を行い、推定した負荷抵抗値が、最適負荷抵抗値(所定の負荷抵抗値)になるように、給電する電圧値を制御してもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、負荷抵抗値の推定を、負荷電力値を推定した後に、行う例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、負荷抵抗値の推定を、負荷電力値を推定する前に、行うように構成してもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、本発明の給電装置に、1つの給電コイルを含む例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、複数の給電コイルを含む給電装置を用いてもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、本発明の受電装置の電力変換部としてDC/DCコンバータを用いる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、受電装置の電力変換部としてDC/DCコンバータ以外の電力変換器を用いてもよい。たとえば、負荷が交流の電力により駆動するように構成されている場合には、受電装置の電力変換部としてDC/ACインバータを用いてもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、本発明の受電装置に、2つの共振コンデンサを受電コイルに対して並列および直列に接続して配置する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、受電装置の2つ以外の共振コンデンサを受電コイルに対して接続してもよい。たとえば、負荷のインピーダンスに応じて、1つの共振コンデンサを受電コイルに対して並列に接続するように構成してもよいし、1つの共振コンデンサを受電コイルに対して直列に接続するように構成してもよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、本発明の所定の負荷抵抗値等(たとえば、410Ω等)に関して、数値の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、推定した負荷抵抗値が、装置の構成に応じて設定された所定の負荷抵抗値(410Ω以外の値)になるように、給電する電圧値を制御するように構成されておればよい。
また、上記第1〜第4実施形態では、説明の便宜上、本発明の制御部の処理を処理フローに沿って順番に処理を行うフロー駆動型のフローチャートを用いて説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、制御部の処理動作を、イベントごとに処理を実行するイベント駆動型(イベントドリブン型)の処理により行ってもよい。この場合、完全なイベント駆動型で行ってもよいし、イベント駆動およびフロー駆動を組み合わせて行ってもよい。
1、201、301、401 給電装置(非接触給電装置)
2 受電装置
11 給電コイル
12、212、312、412 制御部(給電装置側制御部)
13、413 AC/DC電源部(電源部)
14、314 ゲートドライブ回路(電源部)
15a、15b、315a〜315d FET(電源部)
16 共振コンデンサ
17、417 給電電圧検出部
18 給電電流検出部
19 コイル電流検出部
21 受電コイル
24 DC/DCコンバータ(電力変換部)
100、200、300、400 非接触給電システム
414a 正弦波発生器(電源部)
414b 可変増幅器(電源部)
2 受電装置
11 給電コイル
12、212、312、412 制御部(給電装置側制御部)
13、413 AC/DC電源部(電源部)
14、314 ゲートドライブ回路(電源部)
15a、15b、315a〜315d FET(電源部)
16 共振コンデンサ
17、417 給電電圧検出部
18 給電電流検出部
19 コイル電流検出部
21 受電コイル
24 DC/DCコンバータ(電力変換部)
100、200、300、400 非接触給電システム
414a 正弦波発生器(電源部)
414b 可変増幅器(電源部)
Claims (7)
- 給電する電圧値を変化させることが可能である電源部と、
前記電源部により供給される電力により給電磁界を発生させて、外部に設けられた外部受電装置に前記電力を供給することが可能な給電コイルと、
前記電源部により供給される電力の電圧値を検出する給電電圧検出部と、
前記電源部により供給される電力の電流値を検出する給電電流検出部と、
前記電源部の前記給電する電圧値を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記給電電圧検出部により検出された前記電圧値と、前記給電電流検出部により検出された前記電流値とに基づいて、前記外部受電装置の負荷抵抗値を推定するとともに、推定した前記負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、前記給電する電圧値を制御するように構成されている、非接触給電装置。 - 前記制御部は、前記電圧値Vtと前記電流値Itとを乗算し、前記外部受電装置の負荷電力値PLを算出して、前記電圧値Vtに比例する前記外部受電装置の負荷電圧値VLの2乗を前記外部受電装置の負荷電力値PLにより除算する、以下の式(1)〜(3)を用いて、前記外部受電装置の負荷抵抗値RLを推定するとともに、推定した前記負荷抵抗値RLが前記所定の負荷抵抗値になるように、前記給電する電圧値を制御するように構成されている、請求項1に記載の非接触給電装置。
Vt×It=PL・・・(1)
Vt=α×VL・・・(α:定数)・・・(2)
VL 2/PL=RL・・・(3) - 前記制御部は、前記外部受電装置の負荷電力値が所定の電力値以上で、かつ、推定した前記負荷抵抗値が所定の最低抵抗値以下の場合に、前記外部受電装置の負荷が異常状態であると判断する制御を行うように構成されている、請求項2に記載の非接触給電装置。
- 前記制御部は、予め設定された前記電源部から前記外部受電装置までの前記電力の伝送効率値を考慮して、前記外部受電装置の負荷抵抗値が、前記所定の負荷抵抗値になるように、前記給電する電圧値を制御するように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
- 前記給電コイルに直列に接続された共振コンデンサと、
前記給電コイルおよび前記共振コンデンサに流れる電流の電流値であるコイル電流値を検出することが可能なコイル電流検出部とをさらに備え、
前記制御部は、前記電圧値と前記電流値とを乗算することにより前記外部受電装置の負荷電力値を推定して、推定した前記負荷電力値が所定の電力値以下で、かつ、前記コイル電流値が所定の電流値以上の場合に、前記外部受電装置の負荷抵抗値の推定は行わずに、前記外部受電装置が所定の配置位置に配置されていないと判断する制御を行うように構成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非接触給電装置。 - 前記所定の負荷抵抗値は、前記電源部から前記外部受電装置までの前記電力の伝送効率値が最大近傍となるような抵抗値である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
- 給電する電圧値を変化させることが可能である電源部と、前記電源部により供給される電力により給電磁界を発生させる給電コイルと、前記電源部により供給される電力の電圧値を検出する給電電圧検出部と、前記電源部により供給される電力の電流値を検出する給電電流検出部と、前記電源部の前記給電する電圧値を制御する給電装置側制御部とを含む、給電装置と、
前記給電磁界により前記電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルが受電した前記電力の電圧値を所定の電圧に変換することが可能に構成された電力変換部とを含む、受電装置と、
前記給電装置側制御部は、前記給電電圧検出部により検出された前記電圧値と、前記給電電流検出部により検出された前記電流値とに基づいて、前記受電装置の前記電力変換部の負荷抵抗値を推定するとともに、推定した前記負荷抵抗値が所定の負荷抵抗値になるように、前記給電する電圧値を制御するように構成されている、非接触給電システム。
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