JP2020120494A - 非接触給電装置及び送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費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の送電装置２は、受電装置３へ電力を供給する送信コイル１４と、直流電源（１１、１２）と送信コイル１４との間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子（１３−１〜１３−４）を介して直流電源１１から供給される直流電力を交流電力に変換して送信コイル１４へ供給する電力供給回路１０と、送信コイル１４と並列に接続されるＬＣ直列回路及びＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子を有する位相調整回路１６と、電流検出回路１７による、電力供給回路１０の複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの電流量の測定値に応じて、位相調整回路１６のスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路１８とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置、及び、非接触給電装置で用いられる送電装置に関する。

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。

このような非接触給電技術を利用して、移動する物体に給電することが研究されている（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１に記載された技術では、いわゆる一次直列二次直列コンデンサ方式（ＳＳ方式）にしたがって、送電設備から受電側の電気自動車（ＥＶ）へ電力が伝送される。その際、送電設備は、入力インピーダンスに着目して車両検知を実現する。すなわち、送電設備は、サーチモードにおいて、送受電器の共振周波数と同じ周波数を持つサーチパルスをサーチ周期ごとに送電器に印加する。そして受電器の接近によって入力インピーダンスが大きくなり、その結果としてサーチパルスを送電器に印加して一定時間が経過しても送電側電流実効値が閾値に達しなくなると送電モードへ移行する。一方、送電器上にＥＶが進入するまでは、ＥＶは、待機モードとなり、ハーフアクティブ整流器（ＨＡＦ）の半導体スイッチをＯＮ状態として受電器を短絡して待機する。そしてＥＶは、送電設備から電力を受給していることを検知すると、充電モードへ移行して、ＨＡＦの半導体スイッチをＯＦＦ状態として、ＨＡＦをダイオード整流回路と同様に動作させてエネルギーを受電する。

畑他、「走行中ワイヤレス給電における送電設備とＥＶシステムの制御実装および実験検証」、自動車技術会2017年春季大会、pp.2444-2449、2017年

しかしながら、上記の技術では、送電側と受電側のそれぞれにおいて、電力伝送が行われているときと電力伝送が行われていないときとを切り替えるための制御が必要となるので、制御全体が煩雑化する。また、適用される用途によっては、受電器を短絡することが困難なことがある。

そこで、本発明は、簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費を抑制することが可能な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、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電源と送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで直流電源から供給される直流電力を、スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して送信コイルへ供給する電力供給回路と、送信コイルと並列に接続されるＬＣ直列回路と、ＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子とを有する位相調整回路と、電力供給回路の複数のスイッチング素子に流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、電力供給回路の複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの電流量の測定値に応じて、位相調整回路のスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費を抑制することができる。

この非接触給電装置において、制御回路は、位相調整回路のスイッチング素子がオンとなっている場合において、電流量の測定値が第１の閾値以下となると位相調整回路のスイッチング素子をオフとし、一方、位相調整回路のスイッチング素子がオフとなっている場合において、電流量の測定値が第１の閾値よりも大きい第２の閾値よりも高くなると位相調整回路のスイッチング素子をオンとすることが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力伝送の停止中における、電力供給回路の複数のスイッチング素子におけるスイッチングロスを軽減することができるとともに、電力伝送中に電力供給回路の複数のスイッチング素子にソフトスイッチング動作させることができる。

この場合において、電力供給回路は、複数のスイッチング素子に印加される電圧を調整可能であり、制御回路は、位相調整回路のスイッチング素子がオンとなっている場合において、電流量の測定値が第１の閾値以下となると、複数のスイッチング素子に印加される電圧が上昇するよう電力供給回路を制御し、一方、位相調整回路のスイッチング素子がオフとなっている場合において、電流量の測定値が第２の閾値よりも高くなると複数のスイッチング素子に印加される電圧が低下するよう電力供給回路を制御することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力伝送の停止中における、電力供給回路の複数のスイッチング素子における導通ロスを軽減してエネルギー消費を抑制できるとともに、電力伝送が行われるときの伝送効率を向上できる。

本発明の他の形態として、受電装置に対して非接触で電力伝送する送電装置が提供される。この送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電源と送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで直流電源から供給される直流電力を、スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して送信コイルへ供給する電力供給回路と、送信コイルと並列に接続されるＬＣ直列回路と、ＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子とを有する位相調整回路と、電力供給回路の複数のスイッチング素子に流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、電力供給回路の複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの電流量の測定値に応じて、位相調整回路のスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とを有する。
係る構成を有することにより、この送電装置は、簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費を抑制することができる。

本発明の一つの実施形態に係る送電装置を含む非接触給電装置の概略構成図である。 送信コイルと受信コイル間の結合度及び負荷回路に流れる電流と、送信コイルに流れる電流の位相遅れ量の周波数特性との関係の一例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、位相調整回路がオンとなっている場合における、電力供給回路のスイッチング素子に流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。（ｃ）は、位相調整回路がオフとなっている場合における、電力供給回路のスイッチング素子に流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。 送電装置の制御回路による電力供給回路及び位相調整回路の制御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を、図を参照しつつ説明する。
本発明による非接触給電装置では、送電側の装置（以下、単に送電装置と呼ぶ）の送電用のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）と並列に接続されるＬＣ直列回路を有する位相調整回路を有する。そしてこの非接触給電装置は、受電側の装置（以下、単に受電装置と呼ぶ）が電力を受電不可能なほど送電装置から離れているか、または、受電装置と接続される負荷回路に流れる電流が少ない場合、位相調整回路をオンにしてＬＣ直列回路が電力供給回路に接続されるようにする。一方、受電装置が電力を受電可能なほど送電装置に近づき、かつ、負荷回路に流れる電流がある程度以上多くなる場合には、送電装置は、位相調整回路をオフにしてＬＣ直列回路を電力供給回路から切り離す。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を制御して、電力供給回路のスイッチングロスを軽減する。また送電装置は、位相調整回路がオンとなっている間、電力供給回路から送信コイルに印加される電圧を低下させて電力供給回路の各スイッチング素子による導通ロスを軽減する。さらに、この非接触給電装置では、送電装置が、電力供給回路の各スイッチング素子がターンオフされるときにそのスイッチング素子に流れる電流の波高値に基づいて、位相調整回路のオン／オフを切り替える。そのため、この非接触給電装置は、受電装置において電力伝送時とそれ以外の時とを切り替えるための制御が不要となるので、簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費を抑制することができる。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る送電装置を含む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から空間を介して非接触で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、送信コイル１４と、コンデンサ１５と、位相調整回路１６と、電流検出回路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及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０と、整流平滑回路２３と、負荷回路２６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、所定のスイッチング周波数を持ち、かつ、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、リレーRLと、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４とを有する。

電源１１は、直流電力を供給する。そのために、電源１１は、例えば、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整流するための全波整流回路と、全波整流回路から出力される脈流電力を平滑化するための平滑コンデンサとを有する。そして電源１１は、送電装置２から受電装置３へ電力伝送されるときに送信コイル１４に印加される交流電力の電圧に相当する電圧を持つ直流電力を出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、電源１１から出力された直流電力の電圧を、より低い電圧に変換する。そのために、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの何れかとすることができる。なお、電源１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１２とは、直流電源を構成する。

リレーRLは、電源１１の正極側端子に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と並列に接続される。そしてリレーRLは、制御回路１８からの制御に従ってオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、送電装置２から受電装置３へ電力伝送されるときに、リレーRLはオンとなり、電源１１から出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２をバイパスして４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４へ供給される。一方、送電装置２から受電装置３へ電力伝送されないとき、すなわち、受電装置３が送電装置２から電力を受電できないほど離れているか、または受電装置３の負荷回路２６に流れる電流が少ない場合、リレーRLはオフとなる。そして電源１１から出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を経由して４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４へ供給される。その結果として、電力が伝送されないときに、送信コイル１４に印加される交流電力の電圧は、電力伝送時における、送信コイル１４に印加される交流電力の電圧よりも低くなる。

４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。本実施形態では、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、電源１１及びＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、送信コイル１４との間において、フルブリッジ状に接続されることでフルブリッジ型のインバータ回路を構成する。すなわち、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、スイッチング素子１３−４及びコンデンサ１５を介して送信コイル１４の他端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−３とスイッチング素子１３−４は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と並列に、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して電源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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−３が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−４が接続される。そしてスイッチング素子１３−３のドレイン端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−３のソース端子は、スイッチング素子１３−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−４のソース端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の他端に接続される。

また、スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、制御回路１８と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１〜１３−４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、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そしてスイッチング素子１３−１〜１３−４は、制御回路１８からの制御信号にしたがって、所定のスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４の組と、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。すなわち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオフとなる。逆に、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオフとなる。これにより、電源１１からＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１４に供給される。

そして送信コイル１４は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。

コンデンサ１５は、送信コイル１４と直列に接続され、送信コイル１４に流れる直流電流を遮断する。本実施形態では、コンデンサ１５は、送信コイル１４の一端と、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子との間に接続される。なお、コンデンサ１５の静電容量は、送信コイル１４とコンデンサ１５とにより形成される共振回路の共振周波数が、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数と異なるように設定されることが好ましい。すなわち、コンデンサ１５の静電容量は、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力に対して送信コイル１４とコンデンサ１５とにより形成される共振回路が共振しないように設定されることが好ましい。また、コンデンサ１５は省略されてもよい。

位相調整回路１６は、電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、電力供給回路１０の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を調整する。そのために、位相調整回路１６は、送信コイル１４と並列に接続され、コイルLと、コイルLと直列に接続されるコンデンサCとからなるＬＣ直列回路と、ＬＣ直列回路と直列に接続される、MOSFETといったスイッチング素子Sとを有する。スイッチング素子Sは、制御回路１８によりオン／オフが制御される。スイッチング素子Sがオンになると（すなわち、位相調整回路１６がオンになると）、ＬＣ直列回路が電力供給回路１０に接続される。そのため、電力供給回路１０の各スイッチング素子に流れる電流量は、ＬＣ直列回路を流れる電流量と送信コイル１４を流れる電流量の和となる。したがって、電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、電力供給回路１０の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量は、その電流量の和の位相に依存する。一方、スイッチング素子Sがオフになると（すなわち、位相調整回路１６がオフになると）、ＬＣ直列回路が電力供給回路１０から切り離される。そのため、電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、電力供給回路１０の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量は、送信コイル１４に流れる電流そのものの位相に依存する。したがって、位相調整回路１６のオンとオフとが切り替えられることで、電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、電力供給回路１０の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量が制御される。

本実施形態では、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が低い場合、例えば、受電装置３が送電装置２から受電不可能なほど離れている場合、送信コイル１４に流れる電流の位相は、電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相よりも遅れる。また、受電装置３の負荷回路２６に流れる電流が少ない場合も同様となる。そこで、ＬＣ直列回路が有するコイルLのインダクタンス及びコンデンサCの静電容量は、ＬＣ直列回路に流れる電流の位相が電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相よりも進むように設定されることが好ましい。そのために、コイルLのインダクタンス及びコンデンサCの静電容量は、ＬＣ直列回路の共振周波数が送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数よりも高くなるように設定されることが好ましい。

また、コイルLのインダクタンスは大きいほど好ましい。これは、コイルLのインダクタンスが大きいほど、位相調整回路１６に流れる電流が減少するためである。例えば、コイルLのインダクタンスは、送信コイル１４に流れる電流のうちの共振回路２０に接続される負荷回路２６の負荷に依存しない励磁電流成分よりも位相調整回路１６に流れる電流が小さくなるように設定されることが好ましい。すなわち、コイルLのインダクタンスは、想定される結合度の最大値kmaxに、送信コイル１４と受信コイル２１とが電磁結合する場合の送電側の自己インダクタンスを乗じた値よりも大きいことが好ましい。

電流検出回路１７は、電力供給回路１０が有するスイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量を測定する。電流検出回路１７は、例えば、直流電流を測定できる公知の様々な電流検出回路の何れかとすることができる。本実施形態では、電流検出回路１７は、スイッチング素子１３−２のソース端子及びスイッチング素子１３−４のソース端子と、電源１１の負極側端子との間に接続される。そして電流検出回路１７は、非接触給電装置１が電力伝送を実施している間、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量を測定し、測定した電流量を表す信号を制御回路１８へ出力する。

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、各スイッチング素子への制御信号を出力するための駆動回路とを有する。そして制御回路１８は、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の周波数が所定のスイッチング周波数となるように、電力供給回路１０の各スイッチング素子１３−１〜１３−４を制御する。なお、所定のスイッチング周波数は、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度において受電装置３の共振回路２０が共振する周波数とすることができる。

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１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組とが交互にオンにする。さらに、制御回路１８は、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組がオンとなっている期間とを等しくする。なお、制御回路１８は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組が同時にオンとなり、電源１１が短絡されることを防止することが好ましい。そのために、制御回路１８がスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

また、制御回路１８は、電流検出回路１７により検出された電流量に応じて、位相調整回路１６のオン／オフの切り替え、すなわち、位相調整回路１６のスイッチング素子Sのオン／オフの切り替えを制御するとともに、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の電圧を制御する。

なお、制御回路１８による、位相調整回路１６のオン／オフの切り替え、及び、送信コイル１４への印加電圧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。
共振回路２０は、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とが直列に接続されるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端が、共振コンデンサ２２を介して整流平滑回路２３の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端が、整流平滑回路２３の他方の入力端子に接続される。

受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１４に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１４から電力を受信する。そして受信コイル２１は、共振コンデンサ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１４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。

共振コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１の一端と接続されるとともに、他端で整流平滑回路２３と接続される。そして共振コンデンサ２２は、受信コイル２１とともに、送信コイル１４に流れる電流に対して共振することで電力を受電し、受電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、整流回路の一例であり、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２４と平滑コンデンサ２５とを有し、共振回路２０から出力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２６に出力する。

以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。

本実施形態では、送電装置２の制御回路１８は、電流検出回路１７により検出された電流量に基づいて、位相調整回路１６のスイッチング素子Sのオン／オフを制御する。これにより、制御回路１８は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印可される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量を制御して、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４のスイッチングロスを軽減する。

上述したように、位相調整回路１６がオンとなっている場合、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量は、送信コイル１４に流れる電流量と位相調整回路１６に流れる電流量の和となる。そして、位相調整回路１６のＬＣ直列回路の共振周波数が、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数よりも高いと、位相調整回路１６に流れる電流の位相は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相よりも進む。一方、送信コイル１４に流れる電流の位相は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相よりも遅れる。したがって、スイッチング素子１３−１〜１３−４において、送信コイル１４に流れる電流と位相調整回路１６に流れる電流とが互いに打ち消し合い、その結果として、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の実効値も低下することになる。

ただし、位相調整回路１６に流れる電流の位相は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度、及び、受電装置３の負荷回路２６に流れる電流の変化にかかわらず、略一定となる。一方、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度、及び、受電装置３の負荷回路２６に流れる電流に応じて、送信コイル１４に流れる電流の位相は変化する。具体的に、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が低いほど、あるいは、負荷回路２６に流れる電流が小さいほど、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、送信コイル１４に流れる電流の位相の遅れは大きくなる。その結果、スイッチング素子１３−１〜１３−４がオンからオフに切り替わるとき（すなわち、ターンオフされるとき）の送信コイル１４に流れる電流の波高値は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度、及び、受電装置３の負荷回路２６に流れる電流に応じて変化する。

図２は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度及び負荷回路２６に流れる電流と、送信コイル１４に流れる電流の位相遅れ量の周波数特性との関係の一例を示す図である。図２において、横軸は周波数を表し、縦軸は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、送信コイル１４に流れる電流の位相の遅れ量（以下では、単に、位相遅れ量と呼ぶことがある）を表す。なお、位相遅れ量が負の値となることは、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して送信コイル１４に流れる電流の位相が進んでいることを表す。

グラフ２０１は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kを0.1、負荷回路２６の抵抗値Roを10Ωとしたときの位相遅れ量の周波数特性を表す。またグラフ２０２は、結合度kを0.1、抵抗値Roを1Ωとしたときの位相遅れ量の周波数特性を表す。さらに、グラフ２０３は、結合度kを0.3、抵抗値Roを10Ωとしたときの位相遅れ量の周波数特性を表す。そしてグラフ２０４は、結合度kを0.3、抵抗値Roを1Ωとしたときの位相遅れ量の周波数特性を表す。なお、このシミュレーションにおいて、送信コイル１４及び受信コイル２１のインダクタンスを220μH、コンデンサ１５の静電容量を440nF、共振コンデンサ２２の静電容量を16.5nF、送信コイル１４の巻き線抵抗値及び受信コイル２１の巻き線抵抗値を100mΩとした。また、位相調整回路１６のコイルLのインダクタンスを220μH、コンデンサCの静電容量を9nFとした。

本実施形態では、グラフ２０１とグラフ２０３との比較結果、及び、グラフ２０２とグラフ２０４との比較結果に示されるように、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kが小さいほど、位相遅れ量は大きくなる。また、グラフ２０１とグラフ２０２との比較結果、及び、グラフ２０３とグラフ２０４との比較結果に示されるように、負荷回路２６の抵抗値Roが大きいほど、すなわち、負荷回路２６に流れる電流が少ないほど、共振回路２０が共振する周波数帯域にて位相遅れ量は大きくなる。したがって、結合度kが高くなるほど、スイッチング素子１３−１〜１３−４がターンオフされるときの各スイッチング素子に流れる電流の波高値は低下する。同様に、負荷回路２６に流れる電流が多いほど、スイッチング素子１３−１〜１３−４がターンオフされるときの各スイッチング素子に流れる電流の波高値は低下する。また、グラフ２０４に示されるように、結合度kがある程度大きく、かつ、負荷回路２６の抵抗値Roが小さいと、周波数によっては、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して送信コイル１４に流れる電流の位相が進んでいる状態となる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ、位相調整回路１６がオンとなっている場合における、スイッチング素子１３−１〜１３−４の何れかに流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。また、図３（ｃ）は、位相調整回路１６がオフとなっている場合における、スイッチング素子１３−１〜１３−４の何れかに流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。このシミュレーションにおいて、負荷回路２６の抵抗値Roを8Ωとし、送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数を84.5kHzとし、その交流電力の電圧を27Vとした。また、図３（ａ）及び図３（ｃ）において、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kを0とし、図３（ｂ）において、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kを0.2とした。それ以外のパラメータについては、図２のシミュレーションと同じ値とした。

図３（ａ）に示される波形３０１は、位相調整回路１６がオンとなっている場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kが0のときの電流の波形であり、図３（ｂ）に示される波形３０２は、位相調整回路１６がオンとなっている場合における、結合度kが0.2の時の電流の波形である。また、図３（ｃ）に示される波形３０３は、位相調整回路１６がオフとなっている場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kが0のときの電流の波形である。なお、負荷回路２６に流れる電流が0となる場合（例えば、負荷回路２６が二次電池であり、その二次電池がほぼ満充電となっている場合）における電流の波形も、波形３０３と同様の波形となる。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、ターンオフ時刻toffは、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの同時にオンとなる組について、ターンオフされるタイミングである。図３（ａ）に示される波形３０１と図３（ｂ）に示される波形３０２とを比較すると、ターンオフ時刻toffにおける電流の波高値は結合度kが高いほど低下していることが分かる。また図３（ｂ）に示されるように、場合によっては、ターンオフ時刻toffにおける電流の波高値は負となる。さらに、図３（ａ）に示される波形３０１と図３（ｃ）に示される波形３０３とを比較すると、結合度kが0、すなわち、受電装置３が送電装置２から電力を受電できないほど離れている場合でも、位相調整回路１６がオンとなることで、ターンオフ時刻toffにおける電流の波高値が低く抑制され、その結果としてスイッチングロスが低減されていることが分かる。

また、エネルギー伝送効率を向上するためには、送電装置２の電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４が継続してソフトスイッチング（誘導性）動作することが好ましい。スイッチング素子１３−１〜１３−４がソフトスイッチング動作するためには、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して、スイッチング素子１３−１〜１３−４を流れる電流の位相が遅れることが好ましい。これにより、例えば、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる際に、スイッチング素子１３−１のソース端子からドレイン端子へ向かって電流が流れることになるので、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４がソフトスイッチング動作することとなる。しかし、上記のように、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が高くなるほど、あるいは、負荷回路２６の抵抗値Roが小さくなるほど、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して送信コイル１４に流れる電流の位相の遅れが軽減される。そのため、位相調整回路１６がオンのままだと、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して送信コイル１４に流れる電流の位相が進み、スイッチング素子１３−１〜１３−４は、ソフトスイッチング動作を継続できなくなることがある。

したがって、制御回路１８は、以下のように電力供給回路１０及び位相調整回路１６を制御する。
制御回路１８は、待機状態において、スイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの同時にオンとなる組の何れか（例えば、スイッチング素子１３−１と１３−４）について、ターンオフされるタイミングtoffにおける、電流検出回路１７により検出された電流量の測定値を第１の閾値Ith1と比較する。なお、第１の閾値Ith1は、例えば、0または0に所定のオフセットを加えた値とすることができる。待機状態は、送電装置２から受電装置３への電力供給が行われておらず、位相調整回路１６がオンとなっている状態を表す。そして制御回路１８は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が高くなり、電流量の測定値が閾値Ith1以下となると、位相調整回路１６のスイッチング素子Sをオフとするよう制御して、位相調整回路１６をオフにする。そのため、ＬＣ直列回路が電力供給回路１０から切り離され、送電装置２は、待機状態から供給動作状態へ移行する。供給動作状態は、送電装置２から受電装置３への電力供給が行われており、位相調整回路１６がオフとなっている状態を表す。これにより、スイッチング素子１３−１〜１３−４は、ソフトスイッチング動作を継続できる。また、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が高くなると、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、送信コイル１４に流れる電流の位相の遅れ量が軽減されるので、位相調整回路１６がオフとなっても、各スイッチング素子がターンオフされるタイミングtoffにおける電流の波高値も低くなる。さらに、制御回路１８は、電力供給回路１０のリレーRLをオンにして、電源１１から各スイッチング素子１３−１〜１３−４へＤＣ／ＤＣコンバータ１２を経由せずに電力供給されるようにする。これにより、単位時間あたりに伝送可能な電力量が増加するので、電力伝送効率が向上する。

一方、制御回路１８は、供給動作状態において、スイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの同時にオンとなる組の何れかについて、ターンオフされるタイミングtoffにおける、電流検出回路１７により検出された電流量の測定値を第２の閾値Ith2と比較する。なお、第２の閾値Ith2は、第１の閾値Ith1よりも高い値に設定される。そして制御回路１８は、電流量の測定値が閾値Ith2よりも高くなると、位相調整回路１６のスイッチング素子Sをオンとするよう制御して、位相調整回路１６をオンにする。これにより、送電装置２は、供給動作状態から待機状態へ移行する。待機状態では、上記のように、位相調整回路１６を流れる電流と送信コイル１４を流れる電流とが打ち消し合うことで、ターンオフされるタイミングtoffにおける、各スイッチング素子１３−１〜１３−４を流れる電流の波高値が低下する。そのため、各スイッチング素子１３−１〜１３−４におけるスイッチングロスが軽減される。また、制御回路１８は、電力供給回路１０のリレーRLをオフにして、電源１１からの電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を経由して各スイッチング素子１３−１〜１３−４へ電力供給されるようにする。これにより、送電装置２から受電装置３への電力供給が停止される間、各スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧が低下するので、各スイッチング素子１３−１〜１３−４における導通ロスが軽減される。

図４は、本実施形態による、制御回路１８による電力供給回路１０及び位相調整回路１６の制御フローチャートである。制御回路１８は、所定の周期ごとに、下記の制御フローチャートに従って電力供給回路１０及び位相調整回路１６を制御すればよい。

制御回路１８は、送電装置２が待機状態か否か、すなわち、位相調整回路１６がオンとなっているか判定する（ステップＳ１０１）。例えば、制御回路１８は、制御回路１８が有するメモリ回路に記憶されている、待機状態か否かを表すフラグを参照して、送電装置２が待機状態か否かを判定すればよい。

送電装置２が待機状態である場合（ステップＳ１０１−Ｙｅｓ）、制御回路１８は、電力供給回路１０の各スイッチング素子のターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第１の閾値Ith1以下か否か判定する（ステップＳ１０２）。ターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第１の閾値Ith1よりも高い場合（ステップＳ１０２−Ｎｏ）、電力伝送不可能なほど、受電装置３が送電装置２から離れているか、あるいは、受電装置３の負荷回路２６を流れる電流が非常に少ないことが想定される。そのため、制御回路１８は、待機状態を維持する。

一方、ターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第１の閾値Ith1以下である場合（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、電力伝送可能なほど、受電装置３が送電装置２に近づいたことが想定される。そこで制御回路１８は、位相調整回路１６をオフにするとともに、送信コイル１４に印加される交流電力の電圧を上昇させる（ステップＳ１０３）。すなわち、制御回路１８は、位相調整回路１６のスイッチング素子をオフとして、位相調整回路１６が有するＬＣ直列回路を電力供給回路１０から切り離す。また制御回路１８は、電力供給回路１０のリレーRLをオンにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を経由せずに電源１１から各スイッチング素子へ電力が供給されるようにする。また、制御回路１８は、フラグの値を、供給動作状態であることを表す値に書き換える。

一方、ステップＳ１０１において、送電装置２が待機状態でない場合、すなわち、送電装置２が供給動作状態である場合（ステップＳ１０１−Ｎｏ）、制御回路１８は、電力供給回路１０の各スイッチング素子のターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第２の閾値Ith2よりも高いか否か判定する（ステップＳ１０４）。ターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第２の閾値Ith2以下である場合（ステップＳ１０４−Ｎｏ）、送電装置２から受電装置３へ十分な電力が伝送されていると想定される。そのため、制御回路１８は、供給動作状態を維持する。

一方、ターンオフのタイミングにおける、各スイッチング素子を流れる電流の波高値が第２の閾値Ith2よりも高い場合（ステップＳ１０４−Ｙｅｓ）、電力伝送不可能なほど、受電装置３が送電装置２から離れたか、あるいは、受電装置３の負荷回路２６を流れる電流が非常に少ないことが想定される。そこで制御回路１８は、位相調整回路１６をオンにするとともに、送信コイル１４に印加される交流電力の電圧を低下させる（ステップＳ１０５）。すなわち、制御回路１８は、位相調整回路１６のスイッチング素子をオンとして、位相調整回路１６が有するＬＣ直列回路を電力供給回路１０に対して接続する。また制御回路１８は、電力供給回路１０のリレーRLをオフにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を経由して電源１１から各スイッチング素子へ電力が供給されるようにする。また、制御回路１８は、フラグの値を、待機状態であることを表す値に書き換える。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、送電装置の送信コイルと並列に接続され、かつ、ＬＣ直列回路を有する位相調整回路を有する。そしてこの非接触給電装置は、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、各スイッチング素子に流れる電流に応じて位相調整回路のオン／オフを切り替えることで、各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切に制御する。これにより、この非接触給電装置は、送電装置から受電装置への電力供給が行われないときの電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減する。さらに、この非接触給電装置は、位相調整回路がオンとなる場合、すなわち、待機状態において、送信コイル及び電力供給回路の各スイッチング素子に印加される電圧を低下させることで、導通ロスを軽減する。さらに、この非接触給電装置は、送電側の共振を電力伝送に利用しないので、待機状態におけるエネルギー消費を抑制できる。このように、この非接触給電装置は、給電装置側の制御だけで、送電装置から受電装置への電力供給が停止されているときのスイッチングロス及び導通ロスを軽減できるので、簡単な制御によって電力伝送が停止されるときのエネルギー消費を抑制することができる。

そのため、この非接触給電装置は、例えば、車両といった移動物体へ電力供給するための設備として好適に利用される。例えば、非特許文献１に記載されているように、受電装置３は、移動物体に搭載され、送電装置２は、移動物体が走行する経路上に設置されてもよい。この場合、受電装置３が搭載された移動物体が送電装置２に近づき、送電装置２の電流検出回路１７による、電力供給回路１０の各スイッチング素子がターンオフとなるタイミングにおける各スイッチング素子の電流の測定値が閾値Ith1以下になると、制御回路１８は、位相調整回路１６をオンにするとともに、送信コイル１４に印加される電圧を上昇させればよい。そして受電装置３が搭載された移動物体が送電装置２から離れ、電力供給回路１０の各スイッチング素子がターンオフとなるタイミングにおける各スイッチング素子の電流の測定値が閾値Ith2以下になると、制御回路１８は、位相調整回路１６をオフにするとともに、送信コイル１４に印加される電圧を低下させればよい。これにより、この非接触給電装置は、移動中の移動物体に対して給電できるとともに、待機状態におけるエネルギー消費を抑制できる。

変形例によれば、送電装置２の電力供給回路は、フルブリッジ回路の代わりに、複数のスイッチング素子がハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジ回路を有してもよい。そして電力供給回路は、直流電源から出力される直流電力を、ハーフブリッジ回路を用いて交流電力に変換してもよい。この場合も、送電装置２の電流検出回路１７は、ハーフブリッジ回路の各スイッチング素子を流れる電流を測定できるように設けられればよい。そして送電装置２の制御回路１８は、上記の実施形態と同様に、図４に示されるフローチャートに従って、ハーフブリッジ回路の各スイッチング素子の何れかがターンオフされるときの電流検出回路１７により測定された電流の測定値に基づいて、位相調整回路１６のオンとオフとを切り替えればよい。

他の変形例によれば、送電装置２の電力供給回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びリレーRLの代わりに力率改善回路を有してもよい。この場合には、送電装置２の制御回路１８は、位相調整回路１６がオンとなる間における、力率改善回路による、電源１１から供給される電力の電圧に対する昇圧比が、位相調整回路１６がオフとなる間における昇圧比よりも低下するように力率改善回路を制御すればよい。

なお、上記の実施形態または各変形例において、位相調整回路のＬＣ直列回路のコンデンサ１５側に接続される一端は、コンデンサ１５と送信コイル１４の間に接続されてもよい。

さらに、上記の実施形態または各変形例において、受電装置の共振回路では、受信コイルと共振コンデンサとが並列に接続されてもよい。さらに、受信コイルと整流平滑回路との間に受信コイルと直列に接続されるコイルが設けられてもよい。

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 電源
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３−１〜１３−４ スイッチング素子
１４ 送信コイル
１５ コンデンサ
１６ 位相調整回路
１７ 電流検出回路
１８ 制御回路
３ 受電装置
２０ 共振回路
２１ 受信コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 整流平滑回路
２４ 全波整流回路
２５ 平滑コンデンサ
２６ 負荷回路

Claims (4)

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、
   前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
   直流電源と前記送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで前記直流電源から供給される直流電力を、前記スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して前記送信コイルへ供給する電力供給回路と、
   前記送信コイルと並列に接続されるＬＣ直列回路と、前記ＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子とを有する位相調整回路と、
   前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子に流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、
   前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの前記電流量の測定値に応じて、前記位相調整回路の前記スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路と、
   を有する非接触給電装置。
2. 前記制御回路は、前記位相調整回路の前記スイッチング素子がオンとなっている場合において、前記電流量の測定値が第１の閾値以下となると前記位相調整回路の前記スイッチング素子をオフとし、一方、前記位相調整回路の前記スイッチング素子がオフとなっている場合において、前記電流量の測定値が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値よりも高くなると前記位相調整回路の前記スイッチング素子をオンとする、
   請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記電力供給回路は、前記複数のスイッチング素子に印加される電圧を調整可能であり、
   前記制御回路は、前記位相調整回路の前記スイッチング素子がオンとなっている場合において、前記電流量の測定値が前記第１の閾値以下となると、前記複数のスイッチング素子に印加される電圧が上昇するよう前記電力供給回路を制御し、一方、前記位相調整回路の前記スイッチング素子がオフとなっている場合において、前記電流量の測定値が前記第２の閾値よりも高くなると前記複数のスイッチング素子に印加される電圧が低下するよう前記電力供給回路を制御する、
   請求項２に記載の非接触給電装置。
4. 受電装置に対して非接触で電力伝送する送電装置であって、
   前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
   直流電源と前記送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで前記直流電源から供給される直流電力を、前記スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して前記送信コイルへ供給する電力供給回路と、
   前記送信コイルと並列に接続されるＬＣ直列回路と、前記ＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子とを有する位相調整回路と、
   前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子に流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、
   前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの前記電流量の測定値に応じて、前記位相調整回路の前記スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路と、
   を有する送電装置。

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