JP2018093691A - 給電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制する。【解決手段】給電装置２は、直流電圧を出力する電源部１０と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ２０と、交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイル３０と、交流電圧の周波数を変化させる周波数可変部４０と、直流電圧の出力レベルを変化させる電圧可変部５０とを備える。電圧可変部５０は、周波数可変部４０による交流電圧の周波数変化によって生じる受電装置３側での受電電力の変動が抑制されるように、直流電圧を受電電力に対して相補的に変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、受電コイルを搭載した受電装置へ電力をワイヤレス伝送する給電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送装置に関する。

電源コードや電源ケーブルを用いずに電力を伝送するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。ワイヤレス電力伝送技術は、給電側から受電側にワイヤレスで電力を供給できることから、電車、電気自動車等の輸送機器、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、産業機器といった様々な製品への応用が期待されている。

ワイヤレス電力伝送する方法として、給電コイルに電流を流して磁束を発生させ、この磁束が受電コイルに鎖交することで受電コイルに電圧を発生させて電力伝送する方法がある。このような方法の場合、給電コイルや受電コイルの周囲に発生する電磁場は、他の電気機器に対する電磁ノイズとなる場合があり、電気機器の誤動作の原因となるおそれがある。こうした背景から、ワイヤレス電力伝送技術においては、電磁ノイズをいかに小さくするかが課題となっている。

例えば、特許文献１には、インバータ回路が誘導コイル（給電コイル）に出力する電圧の周波数を離散的または連続的に変動させることによって、発生する雑音（ノイズ）の周波数を分散させる周波数可変手段によるノイズ対策が提案されている。

また、特許文献２には、交流電力を送電コイル（給電コイル）に出力するインバータの駆動周波数を複数設定し、インバータの駆動時の周波数を離散的な周波数である複数の駆動周波数で繰り返し可変することで、漏洩磁界を低減することが提案されている。

特開２００６−２７８０６２号公報 国際公開第２０１６／００６０６６号パンフレット

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、ノイズ低減のために、インバータ回路が誘導コイル（給電コイル）に出力する電圧の周波数を離散的または連続的に変動させていることから、受電側で受電できる電力が変化してしまうという課題があった。

一方、特許文献２に開示される技術では、出力電流が要求電力に相当する電流値と一致したときの離散的な周波数を複数の駆動周波数として可変しているため、設定できる駆動周波数が限定されることから、ノイズの分散も限定されてしまい、ノイズを思うように低減できないという課題が依然として残っていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による給電装置は、受電コイルを搭載した受電装置へ電力をワイヤレス伝送する給電装置であって、直流電圧を出力する電源部と、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイルと、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を繰り返し変化させる周波数可変部と、電力伝送中に前記直流電圧の出力レベルを繰り返し変化させる電圧可変部とを備え、前記電圧可変部は、前記周波数可変部による前記交流電圧の周波数変化によって生じる前記受電装置側での受電電力の変動が抑制されるように、前記直流電圧を前記受電電力に対して相補的に変化させることを特徴とする。

本発明によれば、電力伝送中に給電コイルの駆動周波数（電力伝送周波数）を繰り返し変化させることで、給電装置から発生する磁界成分あるいは電界成分のノイズの周波数が分散されるので、ノイズの平均値や準尖頭値を低下させることができる。そのため、給電コイルの駆動周波数を単一周波数とした場合に比べて電磁ノイズが他の機器に与える影響を低減することができる。また、電力伝送中に電源部からインバータに供給される直流電圧を受電電力に対して相補的に変化させることで、給電コイルの駆動周波数の変化に伴う受電電力の変動を抑制ことができる。したがって、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することが可能となる。加えて、本発明によれば、給電コイルの駆動周波数を変化させるという比較的簡単な方法で電磁ノイズの低減を図っていることから、ノイズ対策に必要な部品点数を大幅に減らすことができ、小型化、低コスト化も図ることができる。

本発明において、前記電圧可変部は、前記受電電力を減少させる方向に前記交流電圧の周波数が変化するときは前記直流電圧を上げ、前記受電電力を増加させる方向に前記交流電圧の周波数が変化するときには前記直流電圧を下げることが好ましい。給電コイルおよび受電コイルからなる一対のコイルによる共振回路を用いてワイヤレス電力伝送を実現する場合、給電コイルの駆動周波数、すなわちインバータから出力される交流電圧の周波数（出力周波数）を変えてしまうと、給電側から受電側に送ることができる電力量が変わってしまうため、電力を安定的に供給することができない。しかし、インバータの出力周波数を変えることによって生じる受電電力の変動を抑えるように電源部から出力される直流電圧を制御するので、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することができる。

本発明において、前記電圧可変部は、前記交流電圧の周波数を制御するために前記周波数可変部から前記インバータに出力される駆動信号の周波数に基づいて、前記直流電圧を変化させることが好ましい。受電電力の変化は給電コイルの駆動周波数の変化によって生じており、受電電力レベルとインバータの出力周波数との間には一定の相関があることから、インバータの出力周波数を制御するための駆動信号の周波数に基づいて直流電圧を変化させることにより、受電電力の変化を直接監視することなくその変動を抑制することができる。

本発明において、前記電圧可変部は、前記交流電圧の周波数の変化に伴う前記受電電力の変化を表す換算式または換算テーブルに基づいて、前記直流電圧を変化させることが好ましい。これによれば、受電電力の変化を直接監視することなく直流電圧レベルを制御することができる。

本発明において、前記電圧可変部は、前記受電装置側から提供される受電電力情報に基づいて、前記直流電圧を変化させることが好ましい。これによれば、給電コイルと受電コイルとの位置関係が変化したとしても受電電力の変動を確実に検出して抑制することができる。

本発明において、前記周波数可変部は、前記インバータの電流位相が電圧位相に対して遅相となる範囲内で前記交流電圧の周波数を変化させることが好ましい。インバータの電流位相が電圧位相に対して進相である場合、インバータのスイッチング素子に貫通電流が流れ、ノイズが増加したりスイッチング素子が破損したりするおそれがある。しかし、電流位相が電圧位相に対して遅相である場合にインバータを動作させることによりノイズの発生やスイッチング素子の破損を回避することができる。したがって、インバータの出力電流の位相が出力電圧の位相に対して遅相である場合にインバータの回路素子に貫通電流が流れることによる回路素子の破損を抑制することができる。

本発明において、前記周波数可変部は、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を連続的に変化させることが好ましい。この場合、分散する周波数ポイントが増え、ノイズの平均値や準尖頭値が一層低下し、ノイズが他の機器に与える影響を一層低減することができる。また、駆動周波数を連続的に変動させることで、回路素子に与えるストレスを低減できる。

本発明において、前記周波数可変部は、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を離散的に変化させることが好ましい。この場合、駆動周波数の可変をデジタル制御によって行うことが可能となり、周波数可変部を簡単に構成することができる。例えば、ソフトウェアを用いて離散的に変化させる周波数を設定することで、周波数可変部を低コストで構成することができる。

本発明において、前記電源部は、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータを含むことが好ましい。この構成によれば、電源部を安価に構成することができる。

また、本発明による給電装置は、受電コイルを搭載した受電装置へ電力をワイヤレス伝送する給電装置であって、直流電圧を出力する電源部と、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイルと、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を繰り返し変化させる周波数可変部と、電力伝送中に前記直流電圧の出力レベルを繰り返し変化させる電圧可変部と、を備え、前記電圧可変部は、前記周波数可変部が前記受電電力を減少させる方向に前記交流電圧の周波数を変化させるときに前記直流電圧を上げ、前記周波数可変部が前記受電電力を増加させる方向に前記交流電圧の周波数を変化させるときに前記直流電圧を下げることを特徴とする。

本発明によれば、給電コイルの駆動周波数を単一周波数とした場合に比べて電磁ノイズが他の機器に与える影響を低減することができる。また、インバータの出力周波数を変えることによって生じる受電電力の変動を抑えるように電源部から出力される直流電圧を制御するので、電磁ノイズを低減しつつ、給電コイルの駆動周波数の変化に伴う受電電力の変動を抑制ことができる。

また、本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、上記特徴を有する本発明による給電装置と、前記給電コイルが発生させる磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生させる受電コイルを搭載した受電装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電力伝送中に電力伝送周波数を繰り返し変化させることで、給電装置から発生する電磁ノイズの周波数を分散させることができ、給電コイルを単一周波数で駆動した場合に比べて電磁ノイズが他の機器に与える影響を低減することができる。また、電力伝送中に電源部からインバータに供給される直流電圧を受電電力に対して相補的に変化させることで、給電コイルの駆動周波数の変化に伴う受電電力の変動を抑制ことができる。したがって、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することが可能となる。加えて、比較的簡単な方法で電磁ノイズを低減することができ、小型化、低コスト化を図ることができる。

本発明において、前記受電装置および前記給電装置の各々は、相互にデータ通信を行う通信部を含み、前記受電装置は前記通信部を介して前記給電装置に受電電力情報を提供することが好ましい。これによれば、給電コイルに対する受電コイルの相対位置が変化するため換算式や換算テーブルの使用が難しい場合でも、受電電力の変動を確実に抑制することができる。

本発明によれば、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することが可能なワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を示すブロック図である。 図２は、周波数信号生成回路４１から出力される周波数信号の時間変化の一例を示すグラフである。 図３は、図２の周波数信号を与えたときの給電装置２のＥＭＩの周波数特性を示すグラフである。 図４は、電源部１０の出力電圧と受電電力との関係を説明するための図であって、（ａ）は電源部１０の出力電圧の周波数特性、（ｂ）は受電電力の周波数特性をそれぞれ示している。 図５は、電源部１０の出力電圧と受電電力との関係を説明するための図であって、（ａ）は電源部１０の出力電圧の周波数特性、（ｂ）は受電電力の周波数特性をそれぞれ示している。 図６は、電圧可変部５０によって制御された電源部１０の出力電圧の時間変化を示すグラフであって、（ａ）は駆動信号の周波数、（ｂ）は駆動信号の周波数に対応する電源部１０の出力電圧をそれぞれ示している。 図７は、周波数信号生成回路４１から出力される周波数信号の時間変化の他の例を示すグラフである。 図８は、図７の周波数信号を与えたときの給電装置２のＥＭＩの周波数特性を示すグラフである。 図９は、ワイヤレス電力伝送装置１Ａの給電装置２側の構成を詳細に示すブロック図である。 図１０は、図９における給電装置２の構成の一例を詳細に示す回路図である。 図１１は、給電装置２における周波数信号の制御方法の他の例を説明するための図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を示すブロック図である。 図１３は、電源部１０の出力電圧レベルを変化させない従来のワイヤレス電力伝送装置の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、ワイヤレス電力伝送装置１Ａは、給電装置２と受電装置３との組み合わせからなり、給電装置２から受電装置３に電力をワイヤレスで伝送するものである。

給電装置２は、交流電源４から供給される交流電圧を所定の直流電圧に変換する電源部１０と、電源部１０が出力する所定の直流電圧を例えば１００ｋＨｚの交流電圧（矩形波）に変換するインバータ２０と、交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイル３０と、インバータ２０が出力する交流電圧の周波数の変化を制御するための駆動信号（交流電圧）を出力する周波数可変部４０と、周波数可変部４０からの駆動信号の周波数に基づいて電源部１０が出力する直流電圧を制御する電圧可変部５０と、周波数可変部４０からの駆動信号に基づいてインバータ２０を駆動するドライブ回路６０とを備えている。周波数可変部４０は、所定の周波数信号を生成する周波数信号生成回路４１と、周波数信号生成回路４１から供給される周波数信号に従って発振する発振回路４２とを備えている。

受電装置３は、給電コイル３０が発生させる磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生させる受電コイル７０と、受電コイル７０から発生した交流電圧を例えば２４Ｖの直流電圧に変換する出力回路部８０とを備えている。出力回路部８０の出力電圧は負荷９０に供給される。

給電コイル３０は給電装置２内において当該給電コイル３０と直列に設けられたコンデンサ３１と共に共振回路を構成している。同様に、受電コイル７０は、受電装置３内において当該受電コイル７０と直列に設けられたコンデンサ７１と共に共振回路を構成している。給電コイル３０を含む給電側共振回路の構成は特に限定されず、給電コイル３０にコンデンサが並列に設けられていてもよく、直並列に設けられていても構わない。同様に、受電コイル７０を含む受電側共振回路の構成は特に限定されず、受電コイル７０にコンデンサが並列に設けられていてもよく、直並列に設けられていても構わない。なお、給電側共振回路並びに受電側共振回路を構成するために実装部品としてのコンデンサを設けることも必須ではない。

電源部１０の出力電圧レベルは、電圧可変部５０から出力される駆動信号（制御電圧）によって制御される。電圧可変部５０は、周波数可変部４０から出力される駆動信号の周波数の変化に合わせて電源部１０の出力電圧レベルを制御し、これによりインバータ２０から出力される交流電圧の振幅レベルを制御する。したがって、例えば、電源部１０の出力電圧レベルを大きくした場合にはインバータ２０から出力される交流電圧の振幅レベルも大きくなり、電源部１０の出力電圧レベルを小さくした場合にはインバータ２０から出力される交流電圧の振幅レベルも小さくなる。

上記のように、インバータ２０が出力する交流電圧の周波数（出力周波数）を変化させると、たとえインバータ２０の交流電圧の振幅レベルを一定にしたとしても、給電コイル３０と受電コイル７０との磁気結合度が変化し、これにより受電電力も変化してしまう。しかし、インバータ２０の出力周波数の変化が受電電力を低下させる場合には、受電電力の低下を補うようにインバータ２０の入力電圧を大きくし、逆にインバータ２０の出力周波数の変化が受電電力を増加させる場合には、受電電力が増加しないようにインバータ２０の入力電圧を小さくすれば、インバータ２０の出力周波数、つまり給電コイル３０の駆動周波数を変化させたとしても受電電力の変動を小さくすることができる。以下に詳述するように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１Ａは、このような制御を行うことによって受電電力の変動を抑制している。

図２は、周波数信号生成回路４１から出力される周波数信号の時間変化の一例を示すグラフであって、横軸は時間、縦軸は周波数を示している。また図３は、図２の周波数信号を与えたときの給電装置２のＥＭＩの周波数特性を示すグラフであって、横軸は周波数、縦軸はＥＭＩレベルを示している。

図２に示すように、この周波数信号は、周波数範囲の下限値（ｆ１）と上限値（ｆ２）との間で連続的に変化する三角波である。周波数信号は、例えば１００±１０ｋＨｚの範囲内で繰り返し変化させることができる。このような周波数信号を与えたとき、給電装置２のＥＭＩは、図３に示すように周波数信号の周波数帯（ｆ１〜ｆ２）の範囲内に広く発生するが、ＥＭＩレベルを低く抑えることができる。

インバータ２０が単一の駆動周波数（スイッチング周波数）で動作しているとき、給電装置２からは当該周波数成分およびその高調波成分の電磁ノイズが発生している。電磁ノイズのエネルギーは積分値であるが、インバータ２０の駆動周波数を単一の周波数（例えば１００ＫＨｚ）に固定して動作させる場合には、電磁ノイズが当該周波数に集中してエネルギーが大きくなってしまう。電磁ノイズのピーク値を抑えることが望ましいが、ノイズを時間的に分散させることで特定の周波数での電磁ノイズのエネルギーを減らすことができ、これにより周囲の電子機器の誤動作を発生しにくくすることができる。

図４および図５は、電源部１０の出力電圧と受電電力との関係を説明するための図であって、各図の（ａ）は電源部１０の出力電圧の周波数特性、（ｂ）は受電電力の周波数特性をそれぞれ示している。

図４（ａ）に示すように、電源部１０の出力電圧を一定とする場合、受電電力は周波数信号の周波数の変化によって例えば図４（ｂ）のように変化し、受電電力が高くなるときもあれば低くなるときもある。このような受電電力の変化は、給電コイル３０と受電コイル７０との間の電磁結合の周波数特性の影響によるものであり、給電コイル３０の駆動周波数が給電コイル３０を含む給電側共振回路の共振周波数および受電コイル７０を含む受電側共振回路の共振周波数と一致するときに受電電力レベルが最大となり、これらの共振周波数からずれると受電電力は低下する。通常、給電コイル３０の駆動周波数を可変させる範囲は、電力伝送効率を高めるため、この共振周波数を含む範囲に設定される。したがって、例えば共振周波数を１００ｋＨｚである場合、この周波数のとき受電電力レベルが最大となり、給電コイル３０の駆動周波数の範囲は１００±１０ｋＨｚに設定される。また後述するように、スイッチング素子の破損を防止する観点から、共振周波数よりも高い範囲（誘導性領域）を駆動周波数の制御範囲としてもよい。そして、給電コイル３０の駆動周波数が１００ｋＨｚから離れるほど受電電力レベルは低下する。

このような受電電力の変動を防止するため、図５（ａ）に示すように、電源部１０の出力電圧を受電電力に対して相補的に変化させる。すなわち、受電電力レベルが所望の値（最大値）から低くなる方向に給電コイル３０の駆動周波数が変化するときには電源部１０の出力電圧を上げ、逆に、受電電力レベルが所望の値（最大値）に近づく方向に給電コイル３０の駆動周波数が変化するときには電源部１０の出力電圧レベルを下げる制御を行う。このような制御によれば、図５（ｂ）に示すように受電電力の変動を抑えてできるだけ一定に維持することができる。

給電コイル３０の駆動周波数の変化に対して受電電力レベルがどのように変化するかは、給電コイル３０と受電コイル７０との位置関係が一定であれば一義的に定まるので、給電コイル３０の駆動周波数をスイープさせたときの受電電力レベルの変化を予め測定しておき、測定結果から得られた図４（ｂ）に示すような給電コイル３０の駆動周波数の変化に伴う受電電力レベルの変化を表す換算式または換算テーブルに基づいて電源部１０の出力電圧レベルを決定することができる。

図６は、電圧可変部５０によって制御された電源部１０の出力電圧の時間変化を示すグラフであって、（ａ）は駆動信号の周波数、（ｂ）は駆動信号の周波数に対応する電源部１０の出力電圧をそれぞれ示している。

図６（ａ）に示すように、周波数信号が周波数範囲の下限値（ｆ１）と上限値（ｆ２）との間で連続的に変化する三角波であるとき、電源部１０の出力電圧は図６（ｂ）のようになり、図５に示した電源部１０の出力電圧の周波数範囲の下限値（ｆ１）と上限値（ｆ２）との間の往復の電圧変化を繰り返すパターンが供給される。この出力電圧パターンは、ｆ１からｆ２までの周波数範囲において受電電力レベルと相補的な関係を有するので、給電コイル３０の駆動周波数を変化させることによって生じる受電電力の変動を抑えることができる。

図１３に示すように、インバータ２０の出力周波数（給電コイル３０の駆動周波数）の変化に応じて電源部１０の出力電圧レベルを変化させない従来のワイヤレス電力伝送装置１Ｘでは、インバータ２０の出力周波数を繰り返し変化させることでＥＭＩレベルを低減することができたが、受電電力の変動を抑えることができなかった。しかし、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１Ａは、インバータ２０の前段に電源部１０を設け、インバータ２０の出力周波数に合わせて電源部１０の出力電圧レベルを変化させるので、受電電力の変動を抑えることができる。すなわち、インバータ２０の出力周波数が変化しても受電電力が一定になるように電源部１０の出力電圧を受電電力に対して相補的に変化させることによって受電装置３側へ電力を安定的に供給することができる。

図７は、周波数信号生成回路４１から出力される周波数信号の時間変化の他の例を示すグラフであって、横軸は時間、縦軸は周波数を示している。また、図８は、図７の周波数信号を与えたときの給電装置２のＥＭＩの周波数特性を示すグラフであって、横軸は周波数、縦軸はＥＭＩレベルを示している。

図７に示すように、この周波数信号は、周波数範囲の下限値（ｆ１）と上限値（ｆ２）との間でステップ的に変化する三角波である。このような周波数信号を与えたとき、給電装置２のＥＭＩは、図８に示すように周波数信号の周波数帯（ｆ１〜ｆ２）の範囲内で離散的に発生し、図３のＥＭＩレベルほどではないがある程度低く抑えることができる。またこの場合、周波数信号の可変をデジタル制御によって行うことが可能となり、周波数可変部４０を簡単に構成することができる。例えば、ソフトウェアを用いて離散的に変化させる周波数を設定することで、周波数可変部４０を安価に構成することができる。

図９および図１０は、ワイヤレス電力伝送装置１Ａの給電装置２側の構成を詳細に示すブロック図である。

図９に示すように、ワイヤレス電力伝送装置１Ａは、給電装置２内の電源部１０が非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１とＰＦＣ（力率改善回路）１２とを用いて構成されている。交流電源４から供給される交流電力はＰＦＣ１２によって直流電圧に変換され、さらに非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１によって所定の電圧レベルに変換される。なお、外部電源が交流電源４ではなく直流電源である場合には、ＰＦＣ１２を省略し、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１が直流電源からの直流電力を直接取り込んでもよい。このように、電源部１０を非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１で構成した場合には、電源部１０を安価に構成することができる。

図１０に示すように、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１は例えば降圧コンバータであって、対の平衡ラインの一方に直列接続された第１スイッチング素子ＳＷ_１と、平衡ラインに並列接続された第２スイッチング素子ＳＷ_２と、第１および第２スイッチング素子ＳＷ_１，ＳＷ_２のオンオフを制御する電源回路スイッチング素子コントロール部１１ａと、第１および第２スイッチング素子ＳＷ_１，ＳＷ_２の前段に並列接続されたバイパスコンデンサＣ_１と、第１および第２スイッチング素子ＳＷ_１，ＳＷ_２の後段に設けられた直列インダクタＬ_１および並列キャパシタＣ_２からなるローパスフィルタとを備えている。電源回路スイッチング素子コントロール部１１ａは、電圧可変部５０からの制御信号に基づいてスイッチング素子ＳＷ_１，ＳＷ_２をオンオフする周期を制御することにより、後段のインバータ２０に供給する直流電圧レベルを制御する。

インバータ２０は、第３〜第６スイッチング素子ＳＷ_３〜ＳＷ_６のブリッジ回路と、第３〜第６スイッチング素子ＳＷ_３〜ＳＷ_６のオンオフを制御する電圧変換回路スイッチング素子コントロール部２０ａとを備えており、電源部１０から供給される所定の直流電圧はインバータ２０によって例えば１００ｋＨｚの矩形波の交流電圧に変換された後、給電コイル３０に入力される。

電圧可変部５０から出力される制御信号は、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１内の電源回路スイッチング素子コントロール部１１ａに入力される。非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１は、制御信号に基づいて直流電圧を生成し、インバータ２０に供給する。すなわち、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ１１は、受電電力レベルが相対的に低くなる駆動周波数で給電コイル３０が駆動されているときには、受電電力レベルが高くなるように直流電圧レベルを上げ、逆に受電電力レベルが相対的に高くなる駆動周波数で給電コイル３０が駆動されているときには、受電電力レベルが低くなるように直流電圧レベルを下げる。したがって、ＥＭＩノイズの低減のために給電コイル３０の駆動周波数を連続的または離散的に変化させたとしても受電電力レベルを一定にすることができる。

図１１は、給電装置２における周波数信号の制御方法の他の例を説明するための図である。

電源部１０の出力電圧をインバータ２０の出力周波数の変化に合わせて例えば図１１（ａ）のように変化させる場合、インバータ２０の電流位相は図１１（ｂ）に示すように電圧位相に対して進相となる場合と遅相となる場合がある。ここで、インバータ２０の電流位相が電圧位相に対して進相である場合、インバータ２０を構成するスイッチング素子（図１０のＳＷ_３〜ＳＷ_６）に貫通電流が流れるおそれがある。例えば、インバータ２０の出力電流の位相が出力電圧の位相に対して進相となる周波数帯において、スイッチング素子ＳＷ_３がオフからオンになり電流が流れるとき、スイッチング素子ＳＷ_４がオンからオフになるが、スイッチング素子ＳＷ_４はスイッチング素子ＳＷ_３からの逆方向の電流を急に阻止することができず、これによりスイッチング素子ＳＷ_４に貫通電流が流れる。このような現象はすべてのスイッチング素子ＳＷ_３〜ＳＷ_６に発生する。貫通電流はＥＭＩノイズの発生原因となるだけでなく、スイッチング素子内のボディダイオードの破損の原因となる。

一方、インバータ２０の電流位相が電圧位相に対して遅相である場合、貫通電流が発生することはなく、上記問題を回避することが可能である。そこで本実施形態による周波数可変部４０は、図１１（ｂ）に示すように、インバータ２０の電流位相が電圧位相に対して遅相となる周波数範囲内でインバータ２０の出力周波数を変化させる。この制御方法によれば、インバータ２０内のスイッチング素子ＳＷ_３〜ＳＷ_６に貫通電流が流れることによるＥＭＩノイズの増加やスイッチング素子の破損を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１Ａは、電力伝送中にインバータ２０の出力周波数を繰り返し変化させるので、給電装置２から発生する磁界成分あるいは電界成分のノイズ（ＥＭＩノイズ）の周波数が分散され、ノイズの平均値や準尖頭値が低下する。そのため、駆動周波数を単一周波数とした場合に比べて電磁ノイズが他の機器に与える影響を低減することができる。また、電力伝送中に電源部１０からインバータ２０に供給される直流電圧レベルを周波数可変部４０からの駆動信号の周波数に合わせて変化させることで、給電コイル３０の駆動周波数の変化に伴う受電電力の変動を抑制することができる。したがって、電磁ノイズを低減しつつ、受電電力の変動を抑制することができる。加えて、本実施形態においては、給電コイル３０に供給するインバータ２０の出力電圧の周波数を変化させるという比較的簡単な方法で電磁ノイズの低減を図っていることから、ノイズ対策に必要な部品点数を大幅に減らすことができ、小型化、低コスト化も図ることができる。

図１２は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送装置の構成を示すブロック図である。

図１２に示すように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送装置１Ｂの特徴は、電圧可変部５０が受電電力検出部１００からの制御信号に基づいて動作する点にある。受電電力検出部１００は、受電装置３側から提供された受電電力レベルに応じた制御信号を電圧可変部５０に供給する。受電装置３側から給電装置２側への受電電力情報の伝送は、例えば無線通信により行うことができる。本実施形態において、給電装置２および受電装置３は相互にデータ通信を行う通信部１０１ａ、１０１ｂをそれぞれ含み、受電装置３の出力回路部８０は、通信部１０１ａ、１０１ｂを介して給電装置２側の受電電力検出部１００に受電電力情報を伝送する。

第１の実施の形態において、電圧可変部５０は、インバータ２０の出力周波数から受電電力レベルを換算（推定）して受電電力レベルが一定になるように電源部１０の出力電圧レベルを設定した。しかし、給電コイル３０に対する受電コイル７０の相対位置が必ずしも一定にならないケースでは、給電コイル３０の駆動周波数に対して受電電力レベルが一義的に定まらず、換算式や換算テーブルを用いて電源部１０の出力電圧レベルを決定することが難しい。本実施形態ではより直接的な情報である受電電力レベルに基づいて当該受電電力レベルが一定になるように電源部１０の出力電圧レベルを設定するので、受電電力のより正確な制御が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、図２や図７に示した周波数信号の波形は一例であって、種々の波形パターンを採用することができる。また、電力伝送周波数の可変範囲は、必ずしも最大電力が得られる共振周波数を含むように設定する必要はなく、任意に設定することができる。さらに図１１に示したスイッチング素子の貫通電流を防止するための周波数制御方法は、他の方法で貫通電流を防止する場合には、必ずしも必要ではない。

１Ａ、１Ｂ、１Ｘ ワイヤレス電力伝送装置
２ 給電装置
３ 受電装置
４ 交流電源
１０ 電源部
１１ 非絶縁型ＤＣＤＣコンバータ
１１ａ 電源回路スイッチング素子コントロール部
２０ インバータ
２０ａ 電圧変換回路スイッチング素子コントロール部
３０ 給電コイル
３１ コンデンサ
４０ 周波数可変部
４１ 周波数信号生成回路
４２ 発振回路
５０ 電圧可変部
６０ ドライブ回路
７０ 受電コイル
７１ コンデンサ
８０ 出力回路部
９０ 負荷
１００ 受電電力検出部
１０１ａ、１０１ｂ 通信部
Ｃ_１ バイパスコンデンサ
Ｃ_２ 並列キャパシタ
Ｌ_１ 直列インダクタ
ＳＷ_１〜ＳＷ_６ スイッチング素子

Claims (12)

1. 受電コイルを搭載した受電装置へ電力をワイヤレス伝送する給電装置であって、
   直流電圧を出力する電源部と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイルと、
   電力伝送中に前記交流電圧の周波数を繰り返し変化させる周波数可変部と、
   電力伝送中に前記直流電圧の出力レベルを繰り返し変化させる電圧可変部と、を備え、
   前記電圧可変部は、前記周波数可変部による前記交流電圧の周波数変化によって生じる前記受電装置側での受電電力の変動が抑制されるように、前記直流電圧を前記受電電力に対して相補的に変化させることを特徴とする給電装置。
2. 前記電圧可変部は、前記受電電力を減少させる方向に前記交流電圧の周波数が変化するときには前記直流電圧を上げ、前記受電電力を増加させる方向に前記交流電圧の周波数が変化するときには前記直流電圧を下げる、請求項１に記載の給電装置。
3. 前記電圧可変部は、前記交流電圧の周波数を制御するために前記周波数可変部から前記インバータに出力される駆動信号の周波数に基づいて、前記直流電圧を変化させる、請求項１または２に記載の給電装置。
4. 前記電圧可変部は、前記交流電圧の周波数の変化に伴う前記受電電力の変化を表す換算式または換算テーブルに基づいて、前記直流電圧を変化させる、請求項３に記載の給電装置。
5. 前記電圧可変部は、前記受電装置側から提供される受電電力情報に基づいて、前記直流電圧を変化させる、請求項１または２に記載の給電装置。
6. 前記周波数可変部は、前記インバータの電流位相が電圧位相に対して遅相となる範囲内で前記交流電圧の周波数を変化させる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の給電装置。
7. 前記周波数可変部は、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を連続的に変化させる、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の給電装置。
8. 前記周波数可変部は、電力伝送中に前記交流電圧の周波数を離散的に変化させる、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の給電装置。
9. 前記電源部は、非絶縁型ＤＣＤＣコンバータを含む、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の給電装置。
10. 受電コイルを搭載した受電装置へ電力をワイヤレス伝送する給電装置であって、
    直流電圧を出力する電源部と、
    前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
    前記交流電圧を受けて磁束を発生させる給電コイルと、
    電力伝送中に前記交流電圧の周波数を繰り返し変化させる周波数可変部と、
    電力伝送中に前記直流電圧の出力レベルを繰り返し変化させる電圧可変部と、を備え、
    前記電圧可変部は、
    前記周波数可変部が前記受電電力を減少させる方向に前記交流電圧の周波数を変化させるときに前記直流電圧を上げ、
    前記周波数可変部が前記受電電力を増加させる方向に前記交流電圧の周波数を変化させるときに前記直流電圧を下げることを特徴とする給電装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の給電装置と、
    前記給電コイルが発生させる磁束の少なくとも一部を受けて交流電圧を発生させる受電コイルを搭載した受電装置と、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
12. 前記受電装置および前記給電装置の各々は、データ通信を行う通信部を含み、前記受電装置は前記通信部を介して前記給電装置に受電電力情報を提供する、請求項１１に記載のワイヤレス電力伝送装置。

Images