JP2017112787A - 非接触給電装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が変化しても、エネルギー伝送電力量の低下を抑制できる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から非接触で電力伝送される受信コイル２１を有する受電装置３とを有する。送電装置２は、共振回路１３と電力供給回路１０とを有する。共振回路１３は、受信コイル２１との間で電力伝送可能な送信コイル１５を有する。また電力供給回路１０は、共振回路１３に対して調節可能な動作周波数を持つ交流電力を供給する。更に、送電装置２は、送信コイル１５に印加される交流電圧を検出する電圧検出回路１６と、交流電力の動作周波数を調節する制御回路１８とを有する。制御回路１８は、インダクタンス領域に位置する初期周波数から動作周波数を低い方向に変化させ、交流電圧が規定値に達したと判定されたときに、動作周波数を変化させる処理を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置、及びその制御方法に関する。

従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。

非接触給電技術の一つとして、磁界共鳴（磁界共振結合、あるいは磁気共鳴とも呼ばれる）方式が知られている（例えば、特許文献１を参照）。磁界共鳴方式では、送電側と受電側のそれぞれにコイルを含む共振回路が設けられ、それら共振回路の共振周波数を同調させることで、送電側のコイルと受電側のコイルとの間に磁界共鳴によるエネルギー伝送可能な磁界の結合状態が生じる。これにより、送電側のコイルから受電側のコイルへと、空間を介して電力が伝送される。磁界共鳴方式による非接触給電では、数10％程度のエネルギー伝送効率を達成することが可能であり、かつ、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を比較的大きくすることが可能である。例えば、各コイルが数10cm程度のサイズを有する場合、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を、数10cm〜1m以上とすることができる。

一方、磁界共鳴方式では、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が最適な距離よりも近づくと、エネルギー伝送電力量が低下することが知られている（例えば、特許文献２を参照）。これは、二つのコイル間の距離に応じてその二つのコイル間の結合度が変化し、二つのコイル間の共振周波数が変化することによる。二つのコイル間の距離が適切な場合、二つのコイル間の共振周波数は一つであり、その共振周波数は、コイルのインダクタンスとコンデンサの静電容量で決定される、送電側及び受電側の共振回路の共振周波数と等しい。しかし、二つのコイル間の距離が近くなり、結合度が高くなると、その二つのコイル間の共振周波数は二つ表れる。その一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも高い周波数となり、他の一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも低い周波数となる。このように、結合度が高くなると、二つのコイル間の共振周波数と、各共振回路自身の共振周波数とが一致しなくなるために、その共振回路の共振周波数を持つ交流電力を送電側の共振回路に供給しても、コイル間の共振がうまく生じないため、エネルギー伝送電力量が低下する。

そこで、特許文献２に開示された送電装置は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する受電共振コイルと共振点が異なる送電コイルを有する。これにより、この送電装置は、磁界共鳴を利用せずに、送電コイルと受電共振コイル間での電力の送受信を可能としている。

また、非特許文献１には、動作周波数を共振周波数よりも高くして送電装置を動作させてソフトスイッチングを実現することが記載される。共振周波数も高い周波数領域は、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）モード又はインダクタンス領域とも称される。

特表２００９−５０１５１０号公報 国際公開第２０１１／０６４８７９号

「LLC共振コンバータに関する研究」冨久 義浩他、オリジンテクニカルジャーナル（７６） ２０１３年１０月

磁界共鳴方式では、送電側のコイルと受電側のコイル間の共振周波数を同一とすることで、エネルギー伝送電力量を向上することが図られる。しかしながら、特許文献２に開示された技術では、送電コイルの共振点と受電共振コイルの共振点とが異なり且つソフトスイッチング動作が実現されないために、エネルギー伝送電力量が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が変化しても、エネルギー伝送電力量の低下を抑制できる非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受信コイルを含む受信共振回路を有する受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、送電装置は、共振回路と電力供給回路とを有する。共振回路は、コンデンサと、コンデンサの一端と接続され、受信コイルとの間で電力伝送可能な送信コイルとを有する。また電力供給回路は、共振回路に対して調節可能な動作周波数を持つ交流電力を供給する。更に、送電装置は、送信コイルに印加される交流電圧を検出する電圧検出回路と、電力供給回路から供給される交流電力の動作周波数を調節する制御回路とを有する。制御回路は、送電共振回路及び受電共振回路を含む送電回路のインピーダンスが極小値になる何れの共振周波数よりも高い初期周波数を記憶する記憶部と、初期周波数設定部と、動作周波数変更部と、交流電圧判定部とを有する。初期周波数設定部は、受電装置への非接触給電を開始するときに動作周波数を初期周波数とする。動作周波数変更部は動作周波数を低い方向に変化させ、交流電圧判定部は交流電圧が規定値に達したか否かを判定する。動作周波数変更部は、交流電圧が規定値に達したと判定されたときに、動作周波数を変化させる処理を終了する。

この非接触給電装置において、送電装置の制御回路は、交流電圧が規定値に達したと判定されてから所定の時間が経過した後に、動作周波数を低い方に更に変化させる動作周波数補正部と、変化後の交流電圧が変化前の交流電圧よりも高いか否かを判定する変化電圧判定部と、変化後の交流電圧が変化前の交流電圧よりも高いと判定されたときに、共振周波数の何れよりも高く且つ初期周波数以下である変更周波数に前記動作周波数を移動する動作周波数再設定部とを更に有することが好ましい。

この場合において、変更周波数は、前記初期周波数であることが好ましい。

また、この場合において、記憶部は、交流電圧と変更周波数との関係を示す変更周波数テーブルを更に記憶し、動作周波数再設定部は、変更周波数テーブルを参照して、動作周波数を変更周波数に変更することが好ましい。

本発明の他の形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受信コイルを含む受信共振回路を有する受電装置とを有する非接触給電装置の制御方法が提供される。この非接触給電装置において、送電装置は、共振回路と電力供給回路とを有する。共振回路は、コンデンサと、コンデンサの一端と接続され、受信コイルとの間で電力伝送可能な送信コイルとを有する。また電力供給回路は、共振回路に対して調節可能な動作周波数を持つ交流電力を供給する。更に、送電装置は、送信コイルに印加される交流電圧を検出する電圧検出回路と、電力供給回路から供給される交流電力の動作周波数を調節する制御回路とを有する。非接触給電装置の制御方法は、受電装置への非接触給電を開始するときに、送電共振回路及び受電共振回路を含む送電回路のインピーダンスが極小値になる第１共振周波数及び第２共振周波数の何れよりも高い初期周波数を動作周波数を初期周波数とし、動作周波数を低い方向に変化させ、交流電圧が規定値に達したか否かを判定し、交流電圧が規定値に達したと判定されたときに、動作周波数を変化させる処理を終了する、ことを含む。

本発明に係る非接触給電装置は、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が変化しても、エネルギー伝送電力量の低下を抑制できるという効果を奏する。

本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 非接触給電装置の等価回路図である。 図２に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 図２に示した制御回路の内部ブロック図である。 図４に示した演算回路による送電処理のフローチャートである。 図５に示した送電開始処理の詳細なフローチャートである。 図６に示した送電開始処理におけるインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 図５に示した動作周波数補正処理の詳細なフローチャートである。 図８に示した動作周波数補正処理におけるインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 図８に示した動作周波数補正処理におけるインピーダンスの周波数特性の他の例を示す図である。 （ａ）は他の実施形態に係る制御回路の内部ブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示す変更周波数テーブルを示す図である。 図１１（ａ）に示した制御回路による動作周波数補正処理のフローチャートである。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置、及びその制御方法を、図を参照しつつ説明する。上記のように、送電側のコイルと受電側のコイル間の共振を利用する非接触給電では、送電側のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）と受電側のコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）間の距離に応じて、共振周波数が変化する。そこでこの非接触給電装置は、送電回路のインピーダンスの周波数特性の極小値に対応する周波数の最大値よりも高い初期周波数を動作周波数として給電を開始し、徐々に動作周波数を低くして交流電圧を上昇させる。そして、この非接触給電装置は、交流電圧が規定電圧に達したときに動作周波数を固定する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の距離によらずに、共振周波数に近く且つインダクタンス領域に位置する動作周波数を持つ交流電力を送信コイルに供給することを可能として、エネルギー伝送電力量の低下を抑制する。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図１に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コンデンサ１４及び送信コイル１５を有する送信共振回路１３と、電圧検出回路１６と、ゲートドライバ１７と、制御回路１８とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び受信コンデンサ２２を有する受信共振回路２０と、整流平滑回路２３と、負荷回路２４とを有する。

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能な動作周波数を持つ交流電力を送信共振回路１３へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、直流電源１１と、二つのスイッチング素子１２−１、１２−２とを有する。

直流電源１１は、所定の電圧を持つ直流電力を供給する。そのために、直流電源１１は、例えば、バッテリを有していてもよい。あるいは、直流電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を、直流電力に変換するための全波整流回路及び平滑コンデンサを有していてもよい。

二つのスイッチング素子１２−１、１２−２は、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また本実施形態では、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−１が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−１が接続される。各スイッチング素子１２−１、１２−２は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そしてスイッチング素子１２−１のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−１のソース端子は、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−２のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。更に、スイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子は、送信コンデンサ１４を介して送信コイル１５の一端に接続され、スイッチング素子１２−２のソース端子は、送信コイル１５の他端に直接接続される。

また、各スイッチング素子１２−１、１２−２のゲート端子は、ゲートドライバ１７を介して制御回路１８と接続される。更に、各スイッチング素子１２−１、１２−２のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗R1、R2を介してソース端子と接続される。そして各スイッチング素子１２−１、１２−２は、制御回路１８からの制御信号によって、交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、直流電源１１から供給された直流電力は、送信コンデンサ１４による充放電を介して交流電力に変換され、送信コンデンサ１４及び送信コイル１５からなる送信共振回路１３に供給される。

送信共振回路１３は、送信コンデンサ１４と送信コイル１５とにより形成されるＬＣ共振回路である。
送信コンデンサ１４は、その一端がスイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続され、他端が送信コイル１５の一端と接続される。

送信コイル１５の一端は、送信コンデンサ１４の他端と接続され、送信コイル１５の他端は、直流電源１１の負極側端子及びスイッチング素子１２−２のソース端子と接続される。そして送信コイル１５は、電力供給回路１０から供給された交流電力により、送信コイル１５自身を流れる電流に応じた磁場を生じさせる。そして送信コイル１５と受信コイル２１間の距離が共振可能なほど近い場合に、送信コイル１５は、受信コイル２１と共振して、空間を介して受信コイル２１へ電力を伝送する。

電圧検出回路１６は、送信コイル１５の両端子間に印加される交流電圧を所定の周期ごとに検出する。なお、所定の周期は、例えば、送信コイル１５に供給される交流電力の動作周波数の想定される最小値に相当する周期よりも長く、例えば、50msec〜1secに設定される。また、電圧検出回路１６は、検出する交流電圧として、例えば、その交流電圧のピーク値、あるいは、実効値を計測する。そして電圧検出回路１６は、その交流電圧を表す電圧検出信号を制御回路１８へ出力する。そのために、電圧検出回路１６は、例えば、交流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。

ゲートドライバ１７は、制御回路１８から、各スイッチング素子１２−１、１２−２のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１２−１、１２−２のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１７は、スイッチング素子１２−１をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子に、スイッチング素子１２−１がオンとなり、直流電源１１からの電流がスイッチング素子１２−１を流れるようになる、相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ１７は、スイッチング素子１２−１をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子に、スイッチング素子１２−１がオフとなり、直流電源１１からの電流がスイッチング素子１２−１を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１７は、スイッチング素子１２−２についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。

制御回路１８は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有し、電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧に応じて、電力供給回路１０の動作周波数、すなわち、電力供給回路１０が送信共振回路１３に供給する交流電力の動作周波数を調節する。

そのために、本実施形態では、制御回路１８は、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２とが交互にオンとなり、かつ、動作周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１２−１がオンとなっている期間とスイッチング素子１２−２がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１２−１、１２−２を制御する。なお、制御回路１８は、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２とが同時にオンとなり、直流電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

本実施形態では、制御回路１８は、送信コイル１５に印加される交流電圧が高くなる方向に、動作周波数、すなわち、各スイッチング素子１２−１、１２−２のオン／オフの切替周期を変化させる。
なお、制御回路１８による各スイッチング素子１２−１、１２−２の制御の詳細については後述する。

次に、受電装置３について説明する。
受信共振回路２０は、受信コイル２１と受信コンデンサ２２とからなるＬＣ共振回路である。そして受信共振回路２０が有する受信コイル２１は、その一端で受信コンデンサ２２に接続されるとともに、他端で整流平滑回路２３に接続される。

受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１５に流れる交流電流により生じる磁場と共鳴することで、送信コイル１５と共振して、送信コイル１５から電力を受信する。そして受信コイル２１は、受信コンデンサ２２を介して受信した電力を整流平滑回路２３へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１５の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。また、受信共振回路２０の共振周波数が送電装置２の送信共振回路１３の共振周波数と等しくなるように、受信コイル２１のインダクタンス及び受信コンデンサ２２の静電容量は設定されることが好ましい。受信共振回路２０は、送信共振回路１３と共に送電回路３０を形成する。

受信コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１と接続され、他端で整流平滑回路２３と接続される。そして受信コンデンサ２２は、受信コイル２１にて受信した電力を、整流平滑回路２３へ出力する。

整流平滑回路２３は、受信コイル２１及び受信コンデンサ２２により受信された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２３は、その直流電力を、負荷回路２４に出力する。そのために、整流平滑回路２３は、例えば、全波整流回路と平滑コンデンサとを有する。

以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。

図２は、送信共振回路１３及び受信共振回路２０を含む送電回路３０の等価回路図である。ここで、L₁、L₃は、それぞれ、送電側、受電側の漏れインダクタンスであり、L₂は、相互インダクタンスである。送信コイル１５及び受信コイル２１の自己インダクタンスをL₀、送信コイル１５と受信コイル２１間の結合度をkとすると、L₁=L₃=(1-k)L₀、L₂=kL₀となる。例えば、L₀=30.5μH、k=0.731028とすると、L₁=L₃=8.205μH、L₂=22.3μHとなる。結合度kは、一般に、送信コイル１５と受信コイル２１間の距離が狭いほど、大きな値となる。この場合、Fパラメータ解析により表される、伝送行列A(f)は、次式で表される。

ここで、ｆ_sは、電力供給回路１０の動作周波数であり、s(f)=jω、ω=2πfである。C1、C2は、それぞれ、送電側、受電側の静電容量である。R1、R2は、送電側、受電側のインピーダンスである。そしてRacは、負荷回路のインピーダンスである。

図３は、図２に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。図３において、横軸は周波数を表し、縦軸は、インピーダンスを表す。なお、等価回路のインピーダンスは、２行２列で表される、（１）式の伝送行列A(f)における、左下の要素に対する左上の要素の比の絶対値として算出される。そしてグラフ３００は、インピーダンスの周波数特性を表す。なお、グラフ３００は、L₀=30.5μH、k=0.731028とし、C1=C2=180nF、R1=R2=270mΩとして、（１）式に基づいて算出した。

図３に示されるように、結合度kが上記のように比較的大きな値となる場合、インピーダンスの周波数特性は、送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sよりも小さい第１共振周波数ｆ_p1及び共振周波数ｆ_sよりも大きい第２共振周波数ｆ_p2における二つの極小値を持つ。すなわち、送信コイル１５と受信コイル２１とが共振する周波数が二つ存在し、各共振周波数においてインピーダンスが極小、すなわち、エネルギー伝送電力量が極大となる。送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sは、

で示される。ここでＬは送信コイル１５のインダクタンスであり、Ｃは送信コンデンサ１４のキャパシタンスである。また、第１共振周波数ｆ_p1及び第２共振周波数ｆ_p2は、

で示される。ここでｋは送信コイル１５と受信コイル２１との間の結合度である。

送電装置２の送信共振回路１３に供給される交流電力の動作周波数ｆ_sが、第１共振周波数ｆ_p1又は第２共振周波数ｆ_p2に近いほど、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下する。交流電力の動作周波数ｆ_sが第１共振周波数ｆ_p1又は第２共振周波数ｆ_p2に近づき、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下すると、送信コイル１５から受信コイル２１へ伝送されるエネルギー伝送電力量が大きくなる。そのため、送信共振回路１３に供給される交流電力の動作周波数ｆ_sが、何れかの共振周波数に近いほど、受電側の受信コイル２１の両端子間の交流電圧も高くなる。

図３において、第１共振周波数ｆ_p1より高く且つ送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sよりも低い周波数領域、及び第２共振周波数ｆ_p2よりも高い周波数領域は、インダクタンス領域である。非接触給電装置１は、第１共振周波数ｆ_p1より高く且つ送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sよりも低い周波数領域、及び第２共振周波数ｆ_p2よりも高い周波数領域であるインダクタンス領域に含まれる動作周波数ｆ_sで動作する。リアクタンス領域は交流電圧よりも交流電流が遅れる領域であるので、交流電圧の位相が０度になりスイッチング素子１２−１、１２−２が切り替わるときに交流電流は負の値になる。スイッチング素子１２−１、１２−２が切り替わるときに交流電流が負の値になることで、非接触給電装置１は、ソフトスイッチングが可能になる。

また、受電側の交流電圧と送電側の交流電圧との関係は、以下の関係式で表される。

ここでV1は、送電側の交流電圧、すなわち、送信コイル１５に印加される交流電圧であり、V2は、受電側の交流電圧、すなわち、受信コイル２１に印加される交流電圧である。kは結合度である。そしてn1、n2は、それぞれ、送信コイル１５の巻き数及び受信コイル２１の巻き数である。（５）式に示されるように、結合度が高いほど、受電側の電圧と送電側の電圧間には強い相関関係が生じる。そのため、送信コイル１５と受信コイル２１間の距離が近く、結合度がある程度高ければ、受電側の受信コイル２１の交流電圧が高いほど、すなわち、受電側で取り出せる電力が大きくなるほど、送電側の送信コイル１５に印加される交流電圧も高くなる。

送電装置２の制御回路１８は、電圧検出信号で示される、送信コイル１５に印加される交流電圧が高くなり且つインダクタンス領域で動作するように、送信共振回路１３に供給する交流電力の動作周波数ｆ_sを変化させる。すなわち、送電装置２の制御回路１８は、送信コイル１５に印加される交流電圧が高くなり且つインダクタンス領域で動作するように、各スイッチング素子１２−１、１２−２のオン／オフの切替周期を設定する。

図４は、制御回路１８の内部ブロック図である。
制御回路１８は、インターフェース回路４１と、メモリ回路４２と、演算回路４３とを有する。
インターフェース回路４１は、電圧検出回路１６から入力された電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧を示す交流電圧信号を演算回路４３に出力する。また、インターフェース回路４１は、演算回路４３から入力される動作周波数ｆ_sを含む制御信号を各スイッチング素子１２−１、１２−２に出力する。メモリ回路４２は、ＲＯＭ及びＲＡＭを有し、初期周波数ｆ_iを記憶する。初期周波数ｆ_iは、送電回路３０のインピーダンスの周波数特性の第２共振周波数ｆ_p2の最大値よりも高い周波数である。

一例では、初期周波数ｆ_iは、送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sの２倍の周波数としてもよい。非接触給電装置では、結合度ｋは０．７５未満であることが多く、（２）式から初期周波数ｆ_iを送信共振回路１３の共振周波数ｆ_sの２倍の周波数にすることで、初期周波数ｆ_iをインダクタンス領域に位置させることができる。

演算回路４３は、初期周波数設定部４３１と、動作周波数変更部４３２と、交流電圧判定部４３３と、動作周波数補正部４３４と、変化電圧判定部４３５と、動作周波数初期化部４３６とを有する。演算回路４３が有するこれらの各部は、演算回路４３が有するプロセッサ上で実行されるプログラムによって実装される機能モジュールである。あるいは、演算回路４３が有するこれらの各部は、独立した集積回路、マイクロプロセッサ、又はファームウェアとして送電装置２に実装されてもよい。

図５は、演算回路４３による送電処理のフローチャートである。
まず、演算回路４３は、不図示の上位装置から送電開始を指示することを示す送電開始指示信号が入力される（Ｓ１０１）と、送電開始処理を実行する（Ｓ１０２）。演算回路４３は、所定時間待機した（Ｓ１０３）後に、動作周波数補正処理を実行する（Ｓ１０４）。演算回路４３は、不図示の上位装置から送電終了を指示することを示す送電終了指示信号が入力される（Ｓ１０５）まで、Ｓ１０３〜Ｓ１０５の処理を繰り返す。不図示の上位装置から送電終了指示信号が入力される（Ｓ１０５）と、演算回路４３は、送電処理を終了する。

図６は、送電開始処理（Ｓ１０２）の詳細なフローチャートである。
まず、初期周波数設定部４３１は、動作周波数ｆ_sをメモリ回路４２に記憶される初期周波数ｆ_iにすることを示す制御信号をスイッチング素子１２−１、１２−２に出力する（Ｓ２０１）。初期周波数ｆ_iは、図７において矢印Ａで示される。次いで、動作周波数変更部４３２は、動作周波数ｆ_sを低い方向に所定量変化させることを示す制御信号をスイッチング素子１２−１、１２−２に出力する（Ｓ２０２）。次いで、交流電圧判定部４３３は、電圧検出回路１６から入力された電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したか否かを判定する（Ｓ２０３）。規定値に対応するインピーダンスは、図７において矢印Ｂで示される。交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達していないと判定すると、処理はＳ２０１に戻る。以降、交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定するまで、Ｓ２０１〜Ｓ２０３の処理が繰り返される。交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定する（Ｓ２０３）と、処理は終了する。

図８は、動作周波数補正処理（Ｓ１０４）の詳細なフローチャートである。
まず、交流電圧判定部４３３は、電圧検出回路１６から入力された電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値であるか否かを判定する（Ｓ３０１）。送信コイル１５と受信コイル２１間の距離が変化せず、送電開始処理を実行したときから結合度ｋが変化していないため、交流電圧が規定値が変化していないと判断しされ（Ｓ３０１）場合は、処理は終了する。

交流電圧が規定値と相違すると判定される（Ｓ３０１）と、動作周波数補正部４３４は、動作周波数ｆ_sを低い方向に所定量変化させることを示す制御信号をスイッチング素子１２−１、１２−２に出力する（Ｓ３０２）。次いで、変化電圧判定部４３５は、電圧検出回路１６から入力された電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧が上昇したか否かを判定する（Ｓ３０３）。送信コイル１５と受信コイル２１との間の距離が広くなると、結合度ｋが小さくなる。結合度ｋが小さくなり、インピーダンスの周波数特性が図９に示すようにグラフ３１０からグラフ３１１に示すように変化すると、矢印Ｃで示す周波数から矢印Ｄで示す周波数に第２共振周波数ｆ_p2が移動する。第２共振周波数ｆ_p2が矢印Ｃで示す位置から矢印Ｃで示す周波数よりも低い周波数である矢印Ｄで示す周波数に移動することで、送電開始処理で交流電圧が規定値に達したと判定された周波数のインピーダンスは大きくなるため、交流電圧は規定値より低くなる。図９において矢印Ｂで示すように、送電開始処理で交流電圧が規定値に達したと判定されたときの交流電圧が規定値より低くなるので、動作周波数ｆ_sを低くしたときに交流電圧が上昇可能である。以降、交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定するまで、Ｓ３０２〜Ｓ３０４の処理が繰り返される。交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定する（Ｓ３０４）と、処理は終了する。

送信コイル１５と受信コイル２１との間の距離が狭くなり、結合度ｋが大きくなる。結合度ｋが大きくなり、インピーダンスの周波数特性が図１０に示すようにグラフ３２０からグラフ３２１に示すように変化すると、矢印Ｅで示す周波数から矢印Ｆで示す周波数に第２共振周波数ｆ_p2が移動する。第２共振周波数ｆ_p2が矢印Ｅで示す位置から矢印Ｅで示す周波数よりも高い周波数である矢印Ｆで示す周波数に移動することで、図１０において矢印Ｂで示される送電開始処理で交流電圧が規定値に達したと判定された周波数が第２共振周波数ｆ_p2よりも低くなる。すなわち、送電開始処理で交流電圧が規定値に達したと判定された周波数は、インダクタンス領域からキャパシタンス領域に移動している。送電開始処理で交流電圧が規定値に達したと判定された周波数は、インダクタンス領域からキャパシタンス領域に移動しているので、動作周波数補正部４３４が動作周波数ｆ_sを低い方向に所定量変化させる（Ｓ３０２）と、交流電圧は下降する。Ｓ３０３において、変化電圧判定部４３５が電圧検出回路１６から入力された電圧検出信号で示される送信コイル１５に印加される交流電圧が下降したと判定する（Ｓ３０３）。次いで、動作周波数初期化部４３６は、図１０において矢印Ａで示される初期周波数ｆ_iに動作周波数ｆ_sを戻すことを示す制御信号をスイッチング素子１２−１、１２−２に出力する（Ｓ３０５）。図６に示すＳ１０２〜Ｓ１０３の処理と同様に、交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定するまで、Ｓ３０６〜Ｓ２３０７の処理が繰り返される。交流電圧判定部４３３が送信コイル１５に印加される交流電圧が規定値に達したと判定する（Ｓ２０３）と、処理は終了する。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、受電装置へ非接触で電力伝送する送電装置において、送信コイルに印加される交流電圧をモニタし、その交流電圧が高くなる方向に、送信コイルを含む共振回路に供給する交流電力の動作周波数を調節する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の距離によらずに、その二つのコイル間の共振周波数に動作周波数を近づけることができるので、エネルギー伝送電力量の低下を抑制できる。またこの非接触給電装置は、送電装置と受電装置間の距離及び互いの位置関係を調べる必要が無いので、簡単化することができ、その結果として、小型化及び製造コストを低減させることができる。

また、この非接触給電装置は、送電を開始するときに、送電回路のインピーダンスの周波数特性の第２共振周波数の最大値よりも高い周波数である初期周波数に動作周波数を設定して、徐々に動作周波数を低くして交流電圧を上昇させる。この非接触給電装置は、送電を開始するときに、送電回路のインピーダンスの周波数特性の第２共振周波数の最大値よりも高い周波数である初期周波数に動作周波数を設定するので、ソフトスイッチングが可能なインダクタンス領域で動作する。この非接触給電装置は、ソフトスイッチングが可能なインダクタンス領域で動作するので、スイッチング損失を低減することができる。また、この非接触給電装置は、送電を開始してから所定の時間が経過した後に、動作周波数を低い方に更に変化させることで、送信コイルと受信コイル間の距離の変化に応じて送信コイルと受信コイル間が変化したときも、交流電圧を所望の値に維持できる。更に、この非接触給電装置は、動作周波数がインダクタンス領域からキャパシタンス領域に変化したときに、動作周波数を初期周波数に戻すので、インダクタンス領域においてソフトスイッチング動作することができる。

なお、変形例によれば、電圧検出回路１６は、送信コンデンサ１４の両端子間に印加される交流電圧を検出してもよい。送信コンデンサ１４と送信コイル１５とは、ＬＣ共振回路を形成しているので、送信コンデンサ１４に印加される交流電圧の位相と送信コイル１５に印加される交流電圧の位相とは互いに90°ずれており、そのため、送信コイル１５に印加される交流電圧が高いほど、送信コンデンサ１４に印加される交流電圧も高くなる。そして送信コイル１５に印加される交流電圧のピーク値と、送信コンデンサ１４に印加される交流電圧のピーク値とは等しい。したがって、電圧検出回路１６は、送信コンデンサ１４に印加される交流電圧を検出することで、間接的に、送信コイル１５に印加される交流電圧を検出できる。

なお、この場合、送信コンデンサ１４に印加される交流電圧の検出を容易にするために、送信コンデンサ１４は、送信コイル１５の一端と、スイッチング素子１２−２のソース端子及び直流電源１１の負極側端子との間に接続されてもよい。そして送信コイル１５の他端は、スイッチング素子１２−１のソース端子及びスイッチング素子１２−２のドレイン端子と直接接続されてもよい。

また、非接触給電装置１では、動作周波数補正処理において交流電圧判定部４３３が交流電圧が下降したと判定すると、初期周波数設定部４３１は動作周波数ｆ_sを初期周波数ｆ_iに戻す。しかしながら、実施形態の係る非接触給電装置では、交流電圧が下降したと判定されたときに動作周波数ｆ_sは、インダクタンス領域の何れかの周波数に移動されてもよい。

図１１（ａ）は他の実施形態に係る制御回路の内部ブロック図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す変更周波数テーブルを示す図であり、図１２は図１１（ａ）に示す制御回路による動作周波数補正処理のフローチャートである。

制御回路２８は、変更周波数テーブル４４１を有するメモリ回路４４がメモリ回路４２の代わりに配置されることが制御回路１８と相違する。また、制御回路２８は、動作周波数初期化部４３６の代わりに動作周波数再設定部４５６を有する演算回路４５が演算回路４３の代わりに配置されることが制御回路１８と相違する。変更周波数テーブル４４１及び動作周波数再設定部４５６以外の制御回路２８の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された制御回路１８の構成要素と同一の構成及び機能を有するので、ここでは詳細な説明は省略する。また、図１２に示すＳ４０１〜Ｓ４０４及びＳ４０７〜Ｓ４０８の処理は、図８に示すＳ３０１〜Ｓ３０４及びＳ３０６〜Ｓ３０７の処理と同一の処理であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

変更周波数テーブル４４１は、交流電圧が下降したと判定された（Ｓ４０３）ときの交流電圧と、インダクタンス領域に位置し且つ初期周波数ｆ_iよりも小さい変更周波数との関係を示す。一例では、変更周波数は、規定値に対応する周波数の近傍のインダクタンス領域の周波数としてもよい。（１）式に示すように、インピーダンスの周波数特性は、送信コイル１５と受信コイル２１間の結合度ｋに応じて一意に決定されるので、交流電圧が下降したと判定されたときの交流電圧に応じて変更周波数は一意に決定される。動作周波数再設定部４５６は、変更周波数テーブル４４１を参照して、交流電圧が下降したと判定された（Ｓ４０３）ときの交流電圧に対応する変更周波数に動作周波数ｆ_sを移動する。交流電圧が下降したと判定される（Ｓ４０３）と、動作周波数再設定部４５６は、変更周波数テーブル４４１を参照して交流電圧が下降したと判定されたときの交流電圧に対応する変更周波数に動作周波数ｆ_sを設定する（Ｓ４０５）。

更に、送電装置２において、送信共振回路１３に交流電力を供給する電力供給回路は、動作周波数を可変に調節できる回路であれば、上記の実施形態とは異なる回路構成を持っていてもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１ 非接触給電装置
２ 送電装置
１０ 電力供給回路
１１ 直流電源
１２−１、１２−２ スイッチング素子
１３ 送信共振回路
１４ 送信コンデンサ
１５ 送信コイル
１６ 電圧検出回路
１７ ゲートドライバ
１８ 制御回路
３ 受電装置
２０ 受信共振回路
２１ 受信コイル
２２ 受信コンデンサ
２３ 整流平滑回路
２４ 負荷回路

Claims (5)

1. 送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受信コイルを含む受電共振回路を有する受電装置とを有する非接触給電装置であって、
   前記送電装置は、
   コンデンサと、前記コンデンサの一端と接続され、前記受信コイルとの間で電力伝送可能な送信コイルを有する送電共振回路と、
   前記送電共振回路に対して調節可能な動作周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
   前記送信コイルに印加される交流電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電力供給回路から供給される交流電力の前記動作周波数を調節する制御回路と、を有し、
   前記制御回路は、
   前記送電共振回路及び前記受電共振回路を含む送電回路のインピーダンスが極小値になる何れの共振周波数よりも高い初期周波数を記憶する記憶部と、
   前記受電装置への非接触給電を開始するときに前記動作周波数を前記初期周波数とする初期周波数設定部と、
   前記動作周波数を低い方向に変化させる動作周波数変更部と、
   前記交流電圧が規定値に達したか否かを判定する交流電圧判定部と、を有し、
   前記動作周波数変更部は、前記交流電圧が前記規定値に達したと判定されたときに、前記動作周波数を変化させる処理を終了する、
   ことを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記制御回路は、
   前記交流電圧が前記規定値に達したと判定されてから所定の時間が経過した後に、前記動作周波数を低い方に更に変化させる動作周波数補正部と、
   変化後の前記交流電圧が変化前の前記交流電圧よりも高いか否かを判定する変化電圧判定部と、
   変化後の前記交流電圧が変化前の前記交流電圧よりも高いと判定されたときに、前記共振周波数の何れよりも高く且つ前記初期周波数以下である変更周波数に前記動作周波数を移動する動作周波数再設定部と、
   を更に有する、請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記変更周波数は、前記初期周波数である、請求項２に記載の非接触給電装置。
4. 前記記憶部は、前記交流電圧と前記変更周波数との関係を示す変更周波数テーブルを更に記憶し、
   前記動作周波数再設定部は、前記変更周波数テーブルを参照して、前記動作周波数を前記変更周波数に変更する、請求項２に記載の非接触給電装置。
5. コンデンサと、前記コンデンサの一端と接続された送信コイルを有する送電共振回路と、
   前記送電共振回路に対して調節可能な動作周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
   前記送信コイルに印加される交流電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電力供給回路から供給される交流電力の前記動作周波数を調節する制御回路と、を有する送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受信コイルを含む受電共振回路を有する受電装置とを有する非接触給電装置の制御方法であって、
   前記受電装置への非接触給電を開始するときに、前記送電共振回路及び前記受電共振回路を含む送電回路のインピーダンスが極小値になる何れの２共振周波数よりも高い初期周波数を前記初期周波数とし、
   前記動作周波数を低い方向に変化させ、
   前記交流電圧が規定値に達したか否かを判定し、
   前記交流電圧が前記規定値に達したと判定されたときに、前記動作周波数を変化させる処理を終了する、
   ことを含むことを特徴とする非接触給電装置の制御方法。