JP2020078232A - 双方向無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の低コスト化および小型化を実現しつつ、伝送特性の安定性および伝送電力の制御性を向上させた双方向無線給電装置を提供する。【解決手段】第１給電装置１０と、第２給電装置２０と、制御部３０とを備える双方向無線給電装置１Ａであって、制御部３０は、第１スイッチング素子ＳＷ１が零電圧スイッチング動作を行うように、第１共振電圧に同期して第１スイッチング素子ＳＷ１のターンオンを制御する第１ターンオン制御回路（３１，３２）と、第２スイッチング素子ＳＷ２が零電圧スイッチング動作を行うように、第２共振電圧に同期して第２スイッチング素子ＳＷ２のターンオンを制御する第２ターンオン制御回路（３３，３４）と、第１スイッチング素子ＳＷ１のスイッチングと第２スイッチング素子ＳＷ２のスイッチングとが所定の位相差を持つように制御する相互位相シフト制御回路（３５〜３９）と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、双方向無線給電装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車等の電動車の電力と住宅や配電系の電力とを双方向につないで相互融通する従来のＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムあるいはＶ２Ｇ（Vehicle to Grid）システムは、電力消費や自然エネルギー発電の平準化に有用であるが、給電装置と電動車とをケーブルで接続する必要があるため手間がかかる。

特許文献１に記載の双方向無線給電装置は、コイルによる磁界の結合を利用して電力伝送を行うため、ケーブル接続が不要になる。しかしながら、特許文献１に記載の双方向無線給電装置は、各給電装置が複数のパワー半導体で動作するブリッジコンバータで構成されているため、高価で大型になるという問題がある。

一方、非特許文献１に記載の双方向無線給電装置は、各給電装置が単一のパワー半導体で動作する１石式コンバータで構成されているため、特許文献１に記載の双方向無線給電装置に比べ、大幅な低コスト化および小型化を図ることができる。

特許第６０３８３８６号公報

大森英樹、外7名"A Wireless V2H Apparatus with a New SiC-MOSFET and Unique Bidirectional Controlled Single-Ended Converter"、[online]、2017年7月27日、IEEE、［平成30年10月24日検索］、インターネット<URL: https://umexpert.um.edu.my/file/publication/00005361_159948_71519.pdf>

しかしながら、非特許文献１に記載の双方向無線給電装置は、実用化のために２つの問題がある。１つは、回路ばらつきに対する伝送特性の安定性であって、伝送コイルや共振キャパシタにおいて通常起こり得る定数バラツキに対して大幅に伝送電力が変動するため、量産性や互換性が問題になる。

もう１つは、伝送電力の制御性であって、１石式コンバータは周波数を変えて伝送電力を可変する周波数制御方式になるが、国際規格などで定められた基準周波数帯は一般に十分広くはないので、所定の伝送電力可変範囲を得られないことが問題になる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、装置の低コスト化および小型化を実現しつつ、伝送特性の安定性および伝送電力の制御性を向上させた双方向無線給電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向無線給電装置は、
第１直流電源に接続される第１給電装置と、
第２直流電源に接続される第２給電装置と、
前記第１給電装置および前記第２給電装置を制御する制御部と、を備え、
前記第１給電装置と前記第２給電装置との間で電力の伝送を行う双方向無線給電装置であって、
前記第１給電装置は、
第１伝送コイルと、
前記第１伝送コイルに直列接続された第１スイッチング素子と、
前記第１伝送コイルおよび前記第１スイッチング素子の少なくとも一方に並列接続された第１共振コンデンサと、を備え、
前記第２給電装置は、
第２伝送コイルと、
前記第２伝送コイルに直列接続された第２スイッチング素子と、
前記第２伝送コイルおよび前記第２スイッチング素子の少なくとも一方に並列接続された第２共振コンデンサと、を備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行うように、前記第１伝送コイルおよび前記第１共振コンデンサによる共振電圧に同期して前記第１スイッチング素子のターンオンを制御する第１ターンオン制御回路と、
前記第２スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行うように、前記第２伝送コイルおよび前記第２共振コンデンサによる共振電圧に同期して前記第２スイッチング素子のターンオンを制御する第２ターンオン制御回路と、
前記第１スイッチング素子のスイッチングと前記第２スイッチング素子のスイッチングとが所定の位相差を持つように制御する相互位相シフト制御回路と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１給電装置が第１スイッチング素子で動作する１石式コンバータで構成され、第２給電装置が第２スイッチング素子で動作する１石式コンバータで構成されるため、装置の低コスト化および小型化を実現することができる。

さらに、この構成によれば、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行い、かつ第１スイッチング素子のスイッチングと第２スイッチング素子のスイッチングとが所定の位相差を持つように制御されるため、伝送特性の安定性および伝送電力の制御性を向上させることができる。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、前記第１スイッチング素子のターンオフと前記第２スイッチング素子のターンオフとが前記位相差を持つように制御することが好ましい。

上記双方向無線給電装置において、
前記位相差は、４５度〜３１５度であることが好ましい。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、
直接的または間接的に前記位相差を検知する位相差検出器と、
直接的または間接的に前記位相差の目標値を指令する位相差指令器と、
前記位相差検出器の検出値と前記位相差指令器の前記目標値とを比較して前記位相差の帰還制御を行う帰還制御部と、
前記帰還制御部の出力に応じて前記第２スイッチング素子の導通時間を変化させる導通時間可変部と、を備えるよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記位相差検出器は伝送電力を検出することによって間接的に前記位相差を検出し、
前記位相指令器は伝送電力を指令することによって間接的に前記目標値を指令するよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、前記第１伝送コイルの電圧の変化を磁気的または電界的に非接触で検知する検知素子を備えるよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、前記第１給電装置の動作周波数が所定の値になるように前記第１スイッチング素子の導通時間を制御する導通時間制御回路を備えるよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルとの間の伝送電力が所定の値になるように前記位相差を制御するよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記相互位相シフト制御回路は、前記第１スイッチング素子のスイッチングのタイミングを光または電波で送信するタイミング送信回路と、前記タイミング送信回路から送信された光または電波を受信するタイミング受信回路と、を備えるよう構成できる。

上記双方向無線給電装置において、
前記第２スイッチング素子は、トランジスタと、前記トランジスタに逆並列接続された逆並列ダイオードとを含み、
前記相互位相シフト制御回路は、
直接的または間接的に前記位相差を検知する位相差検出器と、
直接的または間接的に前記位相差の目標値を指令する位相差指令器と、
前記位相差検出器の検出値と前記位相差指令器の前記目標値とを比較して前記位相差の帰還制御を行う帰還制御部と、
前記第２伝送コイルを流れる電流のゼロクロス点を検出する共振電流検知器と、
前記共振電流検知器の検出結果および前記帰還制御部の出力に応じて、前記逆並列ダイオードがターンオフした後の前記トランジスタのオン時間を制御する導通時間可変部と、を備えるよう構成できる。

本発明によれば、装置の低コスト化および小型化を実現しつつ、伝送特性の安定性および伝送電力の制御性を向上させた双方向無線給電装置を提供することができる。

第１実施形態に係る双方向無線給電装置を示す図である。 第１実施形態に係る双方向無線給電装置の各部のタイミングチャートである。 位相差、伝送電力および動作周波数の関係を示す図である。 第２実施形態に係る双方向無線給電装置を示す図である。 第２実施形態に係る双方向無線給電装置の動作原理図である。 第３実施形態に係る双方向無線給電装置を示す図である。 第３実施形態に係る双方向無線給電装置の各部のタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る双方向無線給電装置の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態に係る双方向無線給電装置１Ａを示す。双方向無線給電装置１Ａは、第１直流電源２に接続された第１給電装置１０と、第２直流電源３に接続された第２給電装置２０と、制御部３０とを備え、第１直流電源２と第２直流電源３との間で電力の授受を行う。

第１直流電源２は、第１電池Ｅ_１と、第１コンデンサＣ_３と、第１コイルＬ_３とを備える。第１電池Ｅ_１は、例えば、家庭に設置された蓄電池である。第１コンデンサＣ_３は、一端が第１コイルＬ_３を介して第１電池Ｅ_１の高電位側に接続され、他端が第１電池Ｅ_１の低電位側に接続される。

第２直流電源３は、第２電池Ｅ_２と、第２コンデンサＣ_４と、第２コイルＬ_４とを備える。第２電池Ｅ_２は、例えば、電動車に搭載された蓄電池である。第２コンデンサＣ_４は、一端が第２コイルＬ_４を介して第２電池Ｅ_２の高電位側に接続され、他端が第２電池Ｅ_２の低電位側に接続される。

第１給電装置１０は、第１伝送コイルＬ_１と、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートトランジスタ）で構成された第１スイッチング素子ＳＷ_１と、第１共振コンデンサＣ_１と、を備える１石式コンバータである。第１伝送コイルＬ_１は、一端が第１コイルＬ_３を介して第１電池Ｅ_１の高電位側に接続され、他端が第１スイッチング素子ＳＷ_１の電流路を介して第１電池Ｅ_１の低電位側に接続される。第１共振コンデンサＣ_１は、第１伝送コイルＬ_１および第１スイッチング素子ＳＷ_１の少なくとも一方（本実施形態では、第１伝送コイルＬ_１）に並列接続される。

第２給電装置２０は、第２伝送コイルＬ_２と、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートトランジスタ）で構成された第２スイッチング素子ＳＷ_２と、第２共振コンデンサＣ_２と、を備える１石式コンバータである。第２伝送コイルＬ_２は、一端が第２コイルＬ_４を介して第２電池Ｅ_２の高電位側に接続され、他端が第２スイッチング素子ＳＷ_２の電流路を介して第２電池Ｅ_２の低電位側に接続される。第２共振コンデンサＣ_２は、第２伝送コイルＬ_２および第２スイッチング素子ＳＷ_２の少なくとも一方（本実施形態では、第２伝送コイルＬ_２）に並列接続される。

第１伝送コイルＬ_１と第２伝送コイルＬ_２とは、０．５以下の結合係数で磁気結合している。また、第１スイッチング素子ＳＷ_１および第２スイッチング素子ＳＷ_２について、本実施形態では、ＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなど自己ターンオフ機能を持つスイッチング素子を用いてもよい。

制御部３０は、第１ターンオン制御回路（３１，３２）と、第２ターンオン制御回路（３３，３４）と、相互位相シフト制御回路（３５〜３９）とを備える。

第１ターンオン制御回路は、第１共振電圧検知回路３１と、第１同期回路３２とを備える。第１共振電圧検知回路３１は、第１伝送コイルＬ_１（第１共振コンデンサＣ_１）の両端電圧Ｖ_Ｒ１を測定することで、第１伝送コイルＬ_１および第１共振コンデンサＣ_１による第１共振電圧を検出するよう構成される。第１同期回路３２は、第１スイッチング素子ＳＷ_１が零電圧スイッチング動作を行うように、第１共振電圧に同期して第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオンを制御するよう構成される。

第２ターンオン制御回路は、第２共振電圧検知回路３３と、第２同期回路３４とを備える。第２共振電圧検知回路３３は、第２伝送コイルＬ_２（第２共振コンデンサＣ_２）の両端電圧Ｖ_Ｒ２を測定することで、第２伝送コイルＬ_２および第２共振コンデンサＣ_２による第２共振電圧を検出するよう構成される。第２同期回路３４は、第２スイッチング素子ＳＷ_２が零電圧スイッチング動作を行うように、第２共振電圧に同期して第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオンを制御するよう構成される。

相互位相シフト制御回路は、タイミング送信回路３５と、タイミング受信回路３６と、検知回路３７と、比較回路３８と、ターンオフ位相差制御回路３９とを備える。

タイミング送信回路３５は、第１スイッチング素子ＳＷ_１のスイッチングのタイミング信号を光または電波で送信するよう構成される。タイミング受信回路３６は、タイミング送信回路から送信されたタイミング信号を受信するよう構成される。本実施形態では、タイミング送信回路３５が発光ダイオードを含み、タイミング受信回路３６がフォトトランジスタを含む。

検知回路３７は、第２給電装置２０と第２直流電源３との間を流れる電流を検出し、検出結果に応じた信号（例えば、電圧信号）を比較回路３８に出力するよう構成される。

比較回路３８は、第１伝送コイルＬ_１と第２伝送コイルＬ_２との間の伝送電力が所定の目標値となるように、位相差の制御指令値を出力するよう構成される。比較回路３８は、例えば、差動増幅器を含み、差動増幅器の反転入力端子に伝送電力の目標値に応じた基準電圧Ｖ_ｒｅｆが入力され、差動増幅器の非反転入力端子に検知回路３７からの信号が入力される。比較回路３８は、両者の差分に応じた信号を、位相差の制御指令値としてターンオフ位相差制御回路３９に出力する。

ターンオフ位相差制御回路３９は、タイミング受信回路３６の出力および比較回路３８の出力に基づいて、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフとが所定の位相差を持つように、第２同期回路３４に制御信号を出力する（位相シフト制御）。第２同期回路３４は、この制御信号に応じて第２スイッチング素子ＳＷ_２をターンオフさせる。

次に、図２を参照して、双方向無線給電装置１Ａの制御について説明する。図２において、（Ａ）は第１スイッチング素子ＳＷ_１の両端電圧Ｖ_ＳＷ１の波形、（Ｂ）は第１スイッチング素子ＳＷ_１を流れる電流Ｉ_ＳＷ１の波形、（Ｃ）は第１伝送コイルＬ_１の両端電圧Ｖ_Ｒ１の波形、（Ｄ）は第１スイッチング素子ＳＷ_１のゲート電圧Ｖ_ｇ１の波形、（Ｅ）は第２スイッチング素子ＳＷ_２のゲート電圧Ｖ_ｇ２の波形、（Ｆ）は第２伝送コイルＬ_２の両端電圧Ｖ_Ｒ２の波形、（Ｇ）は第２スイッチング素子ＳＷ_２を流れる電流Ｉ_ＳＷ２の波形、（Ｈ）は第２スイッチング素子ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_ＳＷ２の波形である。

第１スイッチング素子ＳＷ_１がＯＦＦの期間Ｔ_ＯＦＦ１では、第１伝送コイルＬ_１の両端電圧Ｖ_Ｒ１は、第１伝送コイルＬ_１と第１共振コンデンサＣ_１による第１共振電圧が発生している。

第１スイッチング素子ＳＷ_１の両端電圧Ｖ_ＳＷ１は共振の弧を描き、緩やかに上昇した後、緩やかに下降して零に達する。時刻ｔ_１において電圧Ｖ_ＳＷ１が零に達すると、第１スイッチング素子ＳＷ_１を構成する第１逆並列ダイオードＤ_１が自動的に導通し、第１スイッチング素子ＳＷ_１が導通状態になる。

電圧Ｖ_Ｒ１が零と交差するゼロクロス点ｔ_０を第１共振電圧検知回路３１が検出すると、第１共振電圧検知回路３１に接続された第１同期回路３２は、第１共振電圧のゼロクロス点ｔ_０に同期した時刻ｔ_２に、第１スイッチング素子ＳＷ_１のゲート電圧Ｖ_ｇ１をローレベルからハイレベルに切り替えて第１スイッチング素子ＳＷ_１を構成する第１トランジスタＱ_１を導通させる。すなわち、第１同期回路３２は、第１スイッチング素子ＳＷ_１が零電圧スイッチング動作を行うようにターンオンさせる。

ここで、第１スイッチング素子ＳＷ_１の両端電圧Ｖ_ＳＷ１は、負荷（例えば、第１直流電源２）の状態によっては振幅が小さくなり零に達しない場合があるが、第１伝送コイルＬ_１の両端電圧Ｖ_Ｒ１の波形は振幅の大きさに関わらず零と交差する。そこで、本実施形態では、第１共振電圧検知回路３１がゼロクロス点ｔ_０を検出する構成をとっている。

また、第１スイッチング素子ＳＷ_１の零電圧スイッチング動作を実現するためには、時刻ｔ_１に第１スイッチング素子ＳＷ_１をターンオンさせてもよいが、時刻ｔ_１は負荷の状態によってタイミングがずれることがある。そこで、本実施形態では、時刻ｔ_１よりも後の時刻ｔ_２において第１スイッチング素子ＳＷ_１をターンオンさせることで、若干の余裕を持たせている。

第１スイッチング素子ＳＷ_１が導通している期間Ｔ_ＯＮ１では第１伝送コイルＬ_１に第１電池Ｅ_１の直流電圧が印加されている状態になるので、第１スイッチング素子ＳＷ_１を流れる電流Ｉ_ＳＷ１は直線的に増大する。電流Ｉ_ＳＷ１が負から正に転流すると第１逆並列ダイオードＤ_１に流れていた電流はスムーズに第１トランジスタＱ_１に流れ、第１スイッチング素子ＳＷ_１の導通状態が継続する。

第１同期回路３２は、予め設定された時間Ｔ_ＯＮ１が経過した時刻ｔ_６において、スイッチング素子ＳＷ_１のゲート電圧Ｖ_ｇ１をハイレベルからローレベルに切り替えて、第１トランジスタＱ_１を遮断させる。これにより、第１スイッチング素子ＳＷ_１がターンオフし、第１伝送コイルＬ_１に蓄えられていた電流が第１共振コンデンサＣ_１に流れ込んで共振状態となり、発振が継続する。

第２スイッチング素子ＳＷ_２がＯＦＦの期間Ｔ_ＯＦＦ２では、第２伝送コイルＬ_２の両端電圧Ｖ_Ｒ２は、第２伝送コイルＬ_２と第２共振コンデンサＣ_２による第２共振電圧が発生している。

第２スイッチング素子ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_ＳＷ２は共振の弧を描き、緩やかに上昇した後、緩やかに下降して零に達する。時刻ｔ_４において電圧Ｖ_ＳＷ２が零に達すると、第２スイッチング素子ＳＷ_２を構成する第２逆並列ダイオードＤ_２が自動的に導通し、第２スイッチング素子ＳＷ_２が導通状態になる。

電圧Ｖ_Ｒ２が零と交差するゼロクロス点ｔ_３を第２共振電圧検知回路３３が検出すると、第２共振電圧検知回路３３に接続された第２同期回路３４は、第２共振電圧のゼロクロス点ｔ_３に同期した時刻ｔ_５に、第２スイッチング素子ＳＷ_２のゲート電圧Ｖ_ｇ２をローレベルからハイレベルに切り替えて第２スイッチング素子ＳＷ_２を構成する第２トランジスタＱ_２を導通させる。すなわち、第２同期回路３４は、第２スイッチング素子ＳＷ_２が零電圧スイッチング動作を行うようにターンオンさせる。

第２スイッチング素子ＳＷ_２が導通している期間Ｔ_ＯＮ２では第２伝送コイルＬ_２に第２電池Ｅ_２の直流電圧が印加されている状態になるので、第２スイッチング素子ＳＷ_２を流れる電流Ｉ_ＳＷ２は直線的に増大する。電流Ｉ_ＳＷ２が負から正に転流すると第２逆並列ダイオードＤ_２に流れていた電流はスムーズに第２トランジスタＱ_２に流れ、第２スイッチング素子ＳＷ_２の導通状態が継続する。

時刻ｔ_６において、第１スイッチング素子ＳＷ_１のゲート電圧Ｖ_ｇ１がハイレベルからローレベルに転じて第１スイッチング素子ＳＷ_１がターンオフすると、タイミング送信回路３５からタイミング受信回路３６にタイミング信号が送られる。

タイミング受信回路３６に接続されたターンオフ位相差制御回路３９は、時刻ｔ_６から位相シフト時間Ｔ_φだけ遅れた時刻ｔ_７において、第２同期回路３４が第２スイッチング素子ＳＷ_２のゲート電圧Ｖ_ｇ２をハイレベルからローレベルに切り替えて第２スイッチング素子ＳＷ_２をターンオフさせるように、第２同期回路３４に制御信号を出力する。第２スイッチング素子ＳＷ_２がターンオフすると、第２伝送コイルＬ_２に蓄えられた電流は第２共振コンデンサＣ_２に流れ込んで共振状態となり、発振が継続する。

本実施形態によれば、以上の動作により、第１スイッチング素子ＳＷ_１および第２スイッチング素子ＳＷ_２はスイッチング損失の小さい零電圧スイッチングを維持しつつ、第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフの位相を第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフの位相よりも時間Ｔ_φだけ（位相角でφ＝２πＴ_φ／Ｔ_ｏ（Ｔ_ｏ：動作周期）だけ）シフトさせることができる。

結局、本実施形態に係る双方向無線給電装置１Ａによれば、第１給電装置１０が第１スイッチング素子ＳＷ_１で動作する１石式コンバータで構成され、第２給電装置２０が第２スイッチング素子ＳＷ_２で動作する１石式コンバータで構成されるため、複数のパワー半導体を用いるブリッジコンバータ式双方向給電装置と比較すると、装置の低コスト化および小型化を実現することができる。

加えて、本実施形態に係る双方向無線給電装置１Ａによれば、回路定数ばらつきによる伝送電力変動の主要な原因である第１給電装置１０と第２給電装置２０との伝送電力の位相差を、ターンオフ位相差制御回路３９の位相シフト制御によって補償する結果、極めて小さな変動となり十分な量産性や互換性を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、伝送特性の安定性を向上させることができる。

図３に、位相差、伝送電力および動作周波数の関係を示す。実線は伝送電力（左軸）、破線は動作周波数（右軸）である。同図から分かるように、本実施形態によれば、動作周波数がほぼ一定のまま、伝送電力を０から最大値（図３では、４．８ｋＷ）まで制御できる。すなわち、本実施形態によれば、伝送電力の制御性を向上させることができる。

また、図３から分かるように、位相シフト制御する位相範囲は全伝送電力範囲を双方向に制御でき、４５度から３１５度は位相差に対して伝送電力の変化が緩やかであるので安定して制御しやすい。特に、本実施形態のように、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフを検知してから時間Ｔ_φだけ遅延を与えて第２スイッチング素子ＳＷ_２をターンオフさせる瞬時制御の場合は、０度近辺や負の位相差の領域は制御できない領域になるが、４５度から３１５度ならば全域（全伝送電力範囲）を安定して制御することができる。さらに、所望の動作点で安定して制御する観点からは、６０度から３００度の位相範囲で位相シフト制御することが好ましい。

［第２実施形態］
図４に、本発明の第２実施形態に係る双方向無線給電装置１Ｂを示す。双方向無線給電装置１Ｂは、第１直流電源２に接続された第１給電装置１０と、第２直流電源３に接続された第２給電装置２０と、制御部４０とを備え、第１直流電源２と第２直流電源３との間で電力の授受を行う。

第１直流電源２、第１給電装置１０、第２直流電源３および第２給電装置２０の構成は、第１実施形態と共通しているので、ここでは説明を省略する。

制御部４０は、第１ターンオン制御回路（３１，３２）と、第２ターンオン制御回路（３３，３４）と、相互位相シフト制御回路（４１〜４４）とを備える。第１ターンオン制御回路（３１，３２）および第２ターンオン制御回路（３３，３４）は、第１実施形態と共通している。

第１ターンオン制御回路は、第１共振電圧検知回路３１と、第１同期回路３２とを備える。第１共振電圧検知回路３１は、第１伝送コイルＬ_１の両端電圧Ｖ_Ｒ１を測定することで、第１伝送コイルＬ_１および第１共振コンデンサＣ_１による第１共振電圧を検出するよう構成される。第１同期回路３２は、第１スイッチング素子ＳＷ_１が零電圧スイッチング動作を行うように、第１共振電圧に同期して第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオンを制御するとともに、予め設定された所定の導通時間Ｔ_ＯＮ１を維持するよう構成される。

第２ターンオン制御回路は、第２共振電圧検知回路３３と、第２同期回路３４とを備える。第２共振電圧検知回路３３は、第２伝送コイルＬ_２の両端電圧Ｖ_Ｒ２を測定することで、第２伝送コイルＬ_２および第２共振コンデンサＣ_２による第２共振電圧を検出するよう構成される。第２同期回路３４は、第２スイッチング素子ＳＷ_２が零電圧スイッチング動作を行うように、第２共振電圧に同期して第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオンを制御するよう構成される。

相互位相シフト制御回路は、位相差検出器４１と、位相差指令器４２と、差動増幅器４３（本発明の「帰還制御部」に相当）と、導通時間可変部４４とを備える。

位相差検出器４１は、第１伝送コイルＬ_１と第２伝送コイルＬ_２との間の伝送電力を検出することによって、間接的に位相差を検出するよう構成される。伝送電力は位相差と相関があるため（図３参照）、伝送電力によって位相差を間接的に検出、制御することができる。なお、位相差検出器４１に代えて、直接的に位相差を検出するよう構成された位相差検出器を用いてもよい。

位相差指令器４２は、第１伝送コイルＬ_１と第２伝送コイルＬ_２との間の伝送電力の目標値を指令することによって、間接的に位相差の目標値を指令するよう構成される。なお、位相差指令器４２に代えて、直接的に位相差の目標値を指令するよう構成された位相差指令器を用いてもよい。

差動増幅器４３は、位相差検出器４１により検出された検出値と位相差指令器４２により指令された目標値とを比較し、位相差の帰還制御を行うよう構成される。本実施形態では、差動増幅器４３の非反転入力端子に検出値が入力され、反転入力端子に目標値が入力される。差動増幅器４３は、両者の差分に応じた信号を、位相差の制御指令値として導通時間可変部４４に出力する。

導通時間可変部４４は、差動増幅器４３から入力された信号に応じて第２同期回路３４を制御し、第２スイッチング素子ＳＷ_２の導通時間を変化させる。具体的には、導通時間可変部４４は、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフとが所定の位相差を持つように、第２同期回路３４に制御信号を出力する（位相シフト制御）。第２同期回路３４は、この制御信号に応じて第２スイッチング素子ＳＷ_２をターンオフさせる。

図５に、双方向無線給電装置１Ｂの動作原理図を示す。双方向無線給電装置１Ｂは、第１演算部５１と、フィルタ部５２と、第２演算部５３と、ゲイン設定部５４と、電圧制御発信部５５とで表すことができる。

第１演算部５１は、位相差検出器４１を表し、伝送電力から求めた第１給電装置１０側の位相Φ_１および第２給電装置２０側の位相Φ_２の位相差ΔΦを算出する。伝送電力以外のものから求めた第１給電装置１０側の位相Φ_１および第２給電装置２０側の位相Φ_２の位相差ΔΦを算出してもよい。フィルタ部５２、すなわち伝達関数Ｆ（Ｓ）は、位相差検出器４１に含まれるシステム安定化のためのローパスフィルタを表す。

第２演算部５３は、フィルタ部５２の出力と位相差指令ΔΦ_ｒとの差分を算出する。第２演算部５３は差動増幅器４３を表し、位相差指令ΔΦ_ｒは位相差指令器４２から出力される位相差の目標値を表す。ゲイン設定部５４、すなわちＫのブロックは、制御ループ全体のゲインを集約したものを表す。

電圧制御発信部５５、すなわち１／Ｓのブロックは、導通時間可変部４４、第２同期回路３４および第２給電装置２０を集約したものを表す。電圧制御発信部５５は、第２スイッチング素子ＳＷ_２の導通時間が変化する結果、動作周波数が変化する電圧制御発信器となるので、動作位相に対しては積分器として働く。

図５から、第２給電装置２０の位相Φ_２は次式で表すことができる。

（１）式から分かるように、双方向無線給電装置１Ｂは、定常的には第２給電装置２０側の位相Φ_２と第１給電装置１０側の位相Φ_１との位相差ΔΦが位相差指令ΔΦ_ｒ（位相差の目標値）になるように動作する。

本実施形態に係る双方向無線給電装置１Ｂは、第１実施形態のような瞬時制御でないので応答に遅延があるが、第１実施形態のタイミング送信回路３５およびタイミング受信回路３６が不要になるので、低コストであり、外乱ノイズに強い。

［第３実施形態］
図６に、本発明の第３実施形態に係る双方向無線給電装置１Ｃを示す。双方向無線給電装置１Ｃは、第１直流電源２に接続された第１給電装置１０と、第２直流電源３に接続された第２給電装置２０と、制御部６０とを備え、第１直流電源２と第２直流電源３との間で電力の授受を行う。

第１直流電源２、第１給電装置１０、第２直流電源３および第２給電装置２０の構成は、第２実施形態と共通しているので、ここでは説明を省略する。

制御部６０は、第１ターンオン制御回路（３１，３２）と、第２ターンオン制御回路（３３，３４）と、相互位相シフト制御回路（４１〜４３，６１〜６３）とを備える。第１ターンオン制御回路（３１，３２）および第２ターンオン制御回路（３３，３４）の構成は、第２実施形態と共通している。

相互位相シフト制御回路は、位相差検出器４１と、位相差指令器４２と、差動増幅器４３と、共振電流検知素子６１と、共振電流検知回路６２と、導通時間可変部６３とを備える。位相差検出器４１、位相差指令器４２および差動増幅器４３の構成は、第２実施形態と共通している。

共振電流検知素子６１および共振電流検知回路６２は、本発明の「共振電流検知器」に相当する。共振電流検知素子６１は、第２伝送コイルＬ_２を流れる電流を検出し、検出結果を共振電流検知回路６２に出力する。共振電流検知回路６２は、共振電流検知素子６１の検出結果に基づいて第２伝送コイルＬ_２を流れる電流のゼロクロス点を検出し、検出結果（ゼロクロス信号）を導通時間可変部６３に出力する。

少なくとも第２スイッチング素子ＳＷ_２が導通している期間は、第２伝送コイルＬ_２を流れる電流と第２スイッチング素子ＳＷ_２を流れる電流Ｉ_ＳＷ２とが等しくなる。このため、第２伝送コイルＬ_２を流れる電流のゼロクロス点を検出することは、第２スイッチング素子ＳＷ_２の電流Ｉ_ＳＷ２のゼロクロス点を検出することと同じである。

第２スイッチング素子ＳＷ_２では、電流Ｉ_ＳＷ２がゼロクロス点に達すると、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフし、第２逆並列ダイオードＤ_２に流れていた電流は第２トランジスタＱ_２に流れる。すなわち、電流Ｉ_ＳＷ２のゼロクロス点は、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフするタイミングである。なお、第２逆並列ダイオードＤ_２は、第２トランジスタＱ_２の内蔵（寄生）ダイオード、または第２トランジスタＱ_２とは独立したダイオードである。

導通時間可変部６３は、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフした後の第２トランジスタＱ_２のオン時間を制御するよう構成される。導通時間可変部６３には、共振電流検知回路６２からゼロクロス信号が入力されるとともに、差動増幅器４３から位相差の制御指令値（より詳しくは、位相差と相関がある伝送電力の制御指令値）に関する信号が入力される。制御指令値は、位相差検出器４１により検出された検出値を位相差指令器４２により指令された目標値に近づけるための（帰還制御のための）指令値である。

導通時間可変部６３は、これらの信号に基づいて、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフした後の第２トランジスタＱ_２のオン時間を算出する。また、導通時間可変部６３は、当該オン時間が経過した時点で第２トランジスタＱ_２をターンオフさせるためのタイミング信号を生成する。タイミング信号は、第２同期回路３４に出力される。

第２同期回路３４は、タイミング信号に基づいて、第２トランジスタＱ_２をターンオフさせる。これにより、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフとが所定の位相差を持つ位相シフト制御が実行される。

図７に、双方向無線給電装置１Ｃの各部のタイミングチャートを示す。図７において、（Ａ）〜（Ｈ）の各波形は図２と同様の信号を示したものであり、（Ｉ）の波形は第２トランジスタＱ_２のオン時間を制御するためのタイミング信号Ｔ_ＭＯＳの波形である。

時刻ｔ_４において電圧Ｖ_ＳＷ２が零に達すると、第２スイッチング素子ＳＷ_２の第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオンし、第２スイッチング素子ＳＷ_２が導通状態になる。第２スイッチング素子ＳＷ_２が導通している期間Ｔ_ＯＮ２は、第２スイッチング素子ＳＷ_２の電流Ｉ_ＳＷ２は直線的に増大する。

時刻ｔ_５’において電流Ｉ_ＳＷ２が零に達すると、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフし、第２逆並列ダイオードＤ_２に流れていた電流は第２トランジスタＱ_２に流れる。制御部６０では、共振電流検知回路６２が導通時間可変部６３にゼロクロス信号を出力する。

導通時間可変部６３は、ゼロクロス信号と差動増幅器４３から入力された制御指令値に関する信号とに基づいて、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフした後の第２トランジスタＱ_２のオン時間Ｔを算出し、オン時間Ｔに関するタイミング信号Ｔ_ＭＯＳを生成する。導通時間可変部６３は、生成したタイミング信号Ｔ_ＭＯＳを第２同期回路３４に出力する。

第２同期回路３４は、時刻ｔ_７においてタイミング信号Ｔ_ＭＯＳがハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングで、第２トランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_ｇ２をハイレベルからローレベルに切り替えて、第２トランジスタＱ_２をターンオフさせる。以降の制御は、図２と同様である。

本実施形態に係る双方向無線給電装置１Ｃは、第２実施形態と同様に、タイミング送信回路３５およびタイミング受信回路３６が不要になるので、低コストであり、外乱ノイズに強い。

さらに、本実施形態に係る双方向無線給電装置１Ｃは、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフした後の第２トランジスタＱ_２のオン時間を制御するので、第２スイッチング素子ＳＷ２のオン時間（導通時間）を制御する通常の方法と比較すると、第２給電装置２０を安定に制御することができる。

第２スイッチング素子ＳＷ_２のオン時間を制御する方法は、第２逆並列ダイオードＤ_２のオン時間と第２トランジスタＱ_２のオン時間との和を制御することになる。この場合、ある１つの和に対して、第２逆並列ダイオードＤ_２のオン時間と第２トランジスタＱ_２のオン時間との組み合わせは複数存在するので、第２トランジスタＱ_２のオン時間を一意に定めることができない。

例えば、導通時間可変部６３が第２スイッチング素子ＳＷ_２のオン時間を算出し、第２スイッチング素子ＳＷ_２が当該オン時間に従ってターンオフしたとしても、第２トランジスタＱ_２のオン時間が適正範囲から外れている場合は、第２給電装置２０の動作は不安定になる。第２給電装置２０の動作が不安定になると、第１給電装置１０と第２給電装置２０との位相差が不安定になり、第２スイッチング素子ＳＷ_２に過大な電圧が発生したり、過大な電流が流れたりする。

一方、本実施形態では、導通時間可変部６３は、第２逆並列ダイオードＤ_２がターンオフした後の第２トランジスタＱ_２のオン時間Ｔを算出するので、オン時間Ｔを一意に定めることができる。したがって、本実施形態では、第２トランジスタＱ_２のオン時間Ｔを位相差の目標値（伝送電力の目標値）に応じた適正範囲に収めることができ、第２給電装置２０を安定に制御することができる。

［変形例］
以上、本発明に係る双方向無線給電装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、第１実施形態において、タイミング送信回路３５およびタイミング受信回路３６は省略してもよい。

第１実施形態において、タイミング送信回路３５およびタイミング受信回路３６の代わりに、第１伝送コイルＬ_１の電圧の変化を磁気的または電界的に非接触で検知する検知素子を用いてもよい。上記検知素子は、ノイズの影響を受けにくくするために、第２伝送コイルＬ_２の中央部で巻線のない場所に設置することが好ましい。

第１実施形態では、第１スイッチング素子ＳＷ_１の導通時間Ｔ_ＯＮ１を固定値にしているが、これに代えて、第１スイッチング素子ＳＷ_１の導通時間制御回路を設け、導通時間制御回路により第１給電装置１０の動作周波数が所定の値になるように第１スイッチング素子ＳＷ_１の導通時間を制御してもよい。

第１および第２実施形態では、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフとが所定の位相差を持つように制御しているが、第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオンと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオンとが所定の位相差を持つように制御してもよい。すなわち、本発明の相互位相シフト制御回路は、第１スイッチング素子ＳＷ_１のスイッチングと第２スイッチング素子ＳＷ_２のスイッチングとが所定の位相差を持つように制御する構成をとることができる。但し、ターンオンのタイミングでは第１および第２スイッチング素子ＳＷ_１、ＳＷ_２がぞれぞれ零電圧スイッチング動作を行うように位相差を制御する必要があるのに対し、ターンオフのタイミングではそのような制約がない分、位相差の制御の自由度が高く、所望の電力を伝送する観点からは第１スイッチング素子ＳＷ_１のターンオフと第２スイッチング素子ＳＷ_２のターンオフとが所定の位相差を持つように制御することが好ましい。

第１実施形態における制御部３０は、第１給電装置１０から第２給電装置２０への電力伝送を行うための相互位相シフト制御回路（３５〜３９）を備えているが、第２給電装置２０から第１給電装置１０への電力伝送を行うための相互位相シフト制御回路をさらに備えていてもよい。

同様に、第２実施形態における制御部４０および第３実施形態における制御部６０は、第２給電装置２０から第１給電装置１０への電力伝送を行うための相互位相シフト制御回路をさらに備えていてもよい。

また、第１〜第３実施形態の双方向無線給電装置１Ａ〜１Ｃは、第１給電装置１０と第２給電装置２０との間で双方向の電力伝送を行う無線給電装置として構成されているが、第１給電装置１０と第２給電装置２０との間で片方向の電力伝送を行う無線給電装置として用いることができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 双方向無線給電装置
２ 第１直流電源
３ 第２直流電源
１０ 第１給電装置
２０ 第２給電装置
３０，４０，６０ 制御部
３１ 第１共振電圧検知回路
３２ 第１同期回路
３３ 第２共振電圧検知回路
３４ 第２同期回路
３５ タイミング送信回路
３６ タイミング受信回路
３７ 検知回路
３８ 比較回路
３９ ターンオフ位相差制御回路
４１ 位相差検出器
４２ 位相差指令器
４３ 差動増幅器
４４ 導通時間可変部
５１ 第１演算部
５２ フィルタ部
５３ 第２演算部
５４ ゲイン設定部
５５ 電圧制御発信部
６１ 共振電流検知素子
６２ 共振電流検知回路
６３ 導通時間可変部

Claims (10)

1. 第１直流電源に接続される第１給電装置と、
   第２直流電源に接続される第２給電装置と、
   前記第１給電装置および前記第２給電装置を制御する制御部と、を備え、
   前記第１給電装置と前記第２給電装置との間で電力の伝送を行う双方向無線給電装置であって、
   前記第１給電装置は、
   第１伝送コイルと、
   前記第１伝送コイルに直列接続された第１スイッチング素子と、
   前記第１伝送コイルおよび前記第１スイッチング素子の少なくとも一方に並列接続された第１共振コンデンサと、を備え、
   前記第２給電装置は、
   第２伝送コイルと、
   前記第２伝送コイルに直列接続された第２スイッチング素子と、
   前記第２伝送コイルおよび前記第２スイッチング素子の少なくとも一方に並列接続された第２共振コンデンサと、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行うように、前記第１伝送コイルおよび前記第１共振コンデンサによる共振電圧に同期して前記第１スイッチング素子のターンオンを制御する第１ターンオン制御回路と、
   前記第２スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行うように、前記第２伝送コイルおよび前記第２共振コンデンサによる共振電圧に同期して前記第２スイッチング素子のターンオンを制御する第２ターンオン制御回路と、
   前記第１スイッチング素子のスイッチングと前記第２スイッチング素子のスイッチングとが所定の位相差を持つように制御する相互位相シフト制御回路と、を備えた
   ことを特徴とする双方向無線給電装置。
2. 前記相互位相シフト制御回路は、前記第１スイッチング素子のターンオフと前記第２スイッチング素子のターンオフとが前記位相差を持つように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向無線給電装置。
3. 前記位相差は、４５度〜３１５度である
   ことを特徴とする請求項２に記載の双方向無線給電装置。
4. 前記相互位相シフト制御回路は、
   直接的または間接的に前記位相差を検知する位相差検出器と、
   直接的または間接的に前記位相差の目標値を指令する位相差指令器と、
   前記位相差検出器の検出値と前記位相差指令器の前記目標値とを比較して前記位相差の帰還制御を行う帰還制御部と、
   前記帰還制御部の出力に応じて前記第２スイッチング素子の導通時間を変化させる導通時間可変部と、を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の双方向無線給電装置。
5. 前記位相差検出器は伝送電力を検出することによって間接的に前記位相差を検出し、
   前記位相指令器は伝送電力を指令することによって間接的に前記目標値を指令する
   ことを特徴とする請求項４に記載の双方向無線給電装置。
6. 前記相互位相シフト制御回路は、前記第１伝送コイルの電圧の変化を磁気的または電界的に非接触で検知する検知素子を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向無線給電装置。
7. 前記相互位相シフト制御回路は、前記第１給電装置の動作周波数が所定の値になるように前記第１スイッチング素子の導通時間を制御する導通時間制御回路を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向無線給電装置。
8. 前記相互位相シフト制御回路は、前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルとの間の伝送電力が所定の値になるように前記位相差を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向無線給電装置。
9. 前記相互位相シフト制御回路は、前記第１スイッチング素子のスイッチングのタイミングを光または電波で送信するタイミング送信回路と、前記タイミング送信回路から送信された光または電波を受信するタイミング受信回路と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向無線給電装置。
10. 前記第２スイッチング素子は、トランジスタと、前記トランジスタに逆並列接続された逆並列ダイオードとを含み、
    前記相互位相シフト制御回路は、
    直接的または間接的に前記位相差を検知する位相差検出器と、
    直接的または間接的に前記位相差の目標値を指令する位相差指令器と、
    前記位相差検出器の検出値と前記位相差指令器の前記目標値とを比較して前記位相差の帰還制御を行う帰還制御部と、
    前記第２伝送コイルを流れる電流のゼロクロス点を検出する共振電流検知器と、
    前記共振電流検知器の検出結果および前記帰還制御部の出力に応じて、前記逆並列ダイオードがターンオフした後の前記トランジスタのオン時間を制御する導通時間可変部と、を備える
    ことを特徴とする請求項２に記載の双方向無線給電装置。

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