JP2020141496A - 非接触式給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子の増加を抑制した上でキャパシタ容量を可変する仕組みを具備した非接触式給電装置を提供する。【解決手段】スイッチ１１、１３及びスイッチ１２、１４を具備するブリッジ回路１６の出力側に、共振キャパシタ１７及び一次コイル１８が設けられ、受電装置２０に非接触で電力供給する非接触式給電装置１０において、直流電源部１５の正側及び負側にそれぞれ接続されたスイッチＡ、Ｂと、スイッチＡ、Ｂに一側が接続され、他側が共振キャパシタ１７に接続された補助キャパシタ２４と、スイッチ１１、１２の間でスイッチ１１側に設けられたスイッチＣと、各スイッチのＯＮ状態及びＯＦＦ状態の制御によって、電流が共振キャパシタ１７経由で一次コイル１８に与えられる高キャパシタモードと、電流が補助キャパシタ２４及び共振キャパシタ１７経由で一次コイル１８に与えられる低キャパシタモードとを切り替える制御手段２５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置に対して接触することなく給電する非接触式給電装置に関する。

給電装置から受電装置に対し非接触で給電を行う設備においては、給電装置の一次側コイルと受電装置の二次側コイルの位置ずれが発生すると、伝送電力及び伝送効率が低下することから、一次側コイルと二次側コイルの位置ずれに対する補償が重要である。
この点に関連して、特許文献１には、距離センサを用いてキャパシタ容量を調整するシステムが記載されている。このシステムでは、複数のキャパシタが並列接続されており、各キャパシタに対応するスイッチを切り替えてキャパシタ容量が調整される。本システムは、距離センサ及び多数のキャパシタ及び多数のスイッチの追加を要し、制御精度が距離センサの精度に依存するという点が問題として挙げられる。更に、キャパシタ容量の可変はキャパシタの並列接続の切り替えで行われるため、キャパシタ容量を連続的に変化させることができず、補償の制御精度が低下する傾向があった。

これに対し、非特許文献１には、４つのパワー半導体素子とキャパシタにより構成されるキャパシタ容量可変回路を採用したシステムが記載されている。このシステムは、距離センサを要さず、更に、一次側コイルと二次側コイルの位置ずれに対してキャパシタ容量を連続的に可変させることができる。

特許第５０１００６１号公報

磯部高範、若杉一幸、嶋田隆一、「直列補償装置ＭＥＲＳを用いた非接触給電の高効率化」パワーエレクトロニクス学会誌、Ｖｏｌ．３７、ｐｐ．８１−８８（２０１２）

しかしながら、非特許文献１に記載のシステムは、４つのパワー半導体素子（スイッチ素子）の追加が必要となるのに加え、キャパシタ容量可変回路が受電装置に設けられるため、受電装置全体の大きさに制約がある等の理由で、受電装置側にキャパシタ容量可変回路を設けられない場合に対応できないという課題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、スイッチ素子の増加を抑制した上でキャパシタ容量を可変する仕組みを具備した非接触式給電装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る非接触式給電装置は、直流電源部の正側に接続された第１、第３のスイッチ及び前記直流電源部の負側に接続された第２、第４のスイッチを具備するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力側に設けられた共振キャパシタ及び一次コイルとを有して、二次コイルを備える受電装置に非接触で電力供給する非接触式給電装置において、前記直流電源部の正側及び負側にそれぞれ接続されたスイッチＡ及びスイッチＢと、前記スイッチＡ及び前記スイッチＢに一側が接続され、他側が前記共振キャパシタに前記ブリッジ回路を介して接続された補助キャパシタと、前記第１、第２のスイッチの間で、前記補助キャパシタ及び前記ブリッジ回路の接点を基準として前記第１のスイッチ側に設けられたスイッチＣと、前記第１、第４のスイッチ及び前記スイッチＣをＯＮ状態にし、前記第２、第３のスイッチ、前記スイッチＡ、ＢをＯＦＦ状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記第１のスイッチ、前記スイッチＣ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる高キャパシタモードと、前記第４のスイッチ及び前記スイッチＡをＯＮ状態にし、前記第１、第２、第３のスイッチ、前記スイッチＢ、ＣをＯＦＦ状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記スイッチＡ、前記補助キャパシタ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる低キャパシタモードとを切り替える制御手段とを備え、前記制御手段は、前記高キャパシタモード及び前記低キャパシタモードの割合を変えて、キャパシタ容量を調整する。

本発明に係る非接触式給電装置は、従来の設備に対し、追加されるスイッチ素子がスイッチＡ、Ｂ、Ｃであるため、増加するスイッチ素子を３つに抑制できる。そして、制御手段は、第１、第２、第３、第４のスイッチ及びスイッチＡ、Ｂ、ＣのＯＮ状態及びＯＦＦ状態の切り替えで高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えて等価的にキャパシタ容量を調整するので、キャパシタ容量を可変する仕組みを具備している。

本発明の一実施の形態に係る非接触式給電装置の回路図である。 高キャパシタモード時に各信号出力部から出力する信号を示す説明図である。 （Ａ）は接続状態αでの電流経路を示す説明図であり、（Ｂ）は接続状態βでの電流経路を示す説明図である。 低キャパシタモード時に各信号出力部から出力する信号を示す説明図である。 （Ａ）は接続状態γでの電流経路を示す説明図であり、（Ｂ）は接続状態δでの電流経路を示す説明図である。 高キャパシタモード及び低キャパシタモードを１：１の割合にするための各信号出力部からの出力信号を示す説明図である。 高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合と二次コイルの出力電圧の関係とをシミュレーションした結果を示すグラフである。 相互インダクタンスが低下した状況下における静電容量が可変の場合と固定の場合の二次コイルの出力電圧を比較したシミュレーションした結果を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触式給電装置１０は、直流電源部１５の正側に接続されたスイッチ１１（第１のスイッチ）、スイッチ１３（第３のスイッチ）及び直流電源部１５の負側に接続されたスイッチ１２（第２のスイッチ）、スイッチ１４（第４のスイッチ）を具備するブリッジ回路１６と、ブリッジ回路１６の出力側に設けられた共振キャパシタ１７及び一次コイル１８とを有して、二次コイル１９を備える受電装置２０に非接触で電力供給する装置である。以下、詳細に説明する。
なお、図１は等価回路であり、非接触式給電装置１０及び受電装置２０が有線接続されたように記載されているが、実際には非接触式給電装置１０及び受電装置２０は有線接続されていない。

非接触式給電装置１０は、図１に示すように、直流電源部１５と、直流電源部１５から直流電圧が印加されるブリッジ回路１６と、直列に接続された共振キャパシタ１７及び一次コイル１８を備えている。
直流電源部１５は、図１に記載されているように、直流電源のみで構成することもできるが、これに限定されない。例えば、交流電源と交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを具備する直流電源部を採用してもよい。本実施の形態では、直流電源部１５にキャパシタ２１を並列接続して、ブリッジ回路１６に印加される交流電圧値の安定化を図っている。

ブリッジ回路１６は、スイッチ１１、１２が直列接続され、スイッチ１３、１４が直列接続され、スイッチ１１、１２とスイッチ１３、１４とが並列に配置されている。スイッチ１１、１２間には導線２２の一端部が連結され、導線２２の他端部は共振キャパシタ１７の一側に接続されている。
二次コイル１９と磁気結合する一次コイル１８は共振キャパシタ１７の他側に接続されている。

直流電源部１５の正側及び負側にはスイッチＡ及びスイッチＢがそれぞれ接続されている。スイッチＡ、Ｂは直列に接続され、スイッチＡ、Ｂの間には、他端部がスイッチ１１、１２の間（本実施の形態では導線２２の一端部）に接続された導線２３の一端部が接続されている。導線２３には、一側が導線２３を介してスイッチＡ、Ｂに接続され、他側が導線２３及び導線２２（ブリッジ回路１６）を介して共振キャパシタ１７に接続された補助キャパシタ２４が設けられている。即ち、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４は直列に接続されている。

ブリッジ回路１６のスイッチ１１、１２の間には、導線２３の他端（補助キャパシタ２４及びブリッジ回路１６の接点に該当）を基準として、スイッチ１１側にスイッチＣが設けられている。
本実勢の形態では、スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、主としてＩＧＢＴからなるバルブデバイスとダイオードが並列に接続されたパワー半導体素子である。

スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂそれぞれのダイオードは直流電源部１５の正側に向かって電流が通過するように配置され、スイッチＣのダイオードは直流電源部１５の正側に向かって電流が通過できないように配置されている。以下、スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、Ｃそれぞれについて、バルブデバイスが通電可能な状態にあるときをＯＮ状態と言い、バルブデバイスが通電不可能な状態（遮断状態）にあるときをＯＦＦ状態と言う。

また、非接触式給電装置１０は、スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、ＣそれぞれのＯＮ状態及びＯＦＦ状態を切り替える制御回路（制御手段の一例）２５を備えている。制御回路２５には、スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応した信号出力部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃが設けられている。スイッチ１１は対応する信号出力部Ｇ１から１の信号が出力されてＯＮ状態となり、０（零）の信号が出力されてＯＦＦ状態となる。これは、スイッチ１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、Ｃとそれぞれに対応する信号出力部Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃについても同様である。

制御回路２５は、スイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、Ｂ、ＣそれぞれのＯＮ状態及びＯＦＦ状態の切り替えによって、一次コイル１８と共振する対象を共振キャパシタ１７のみにするか、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４にするかの選択を行った上で、一次コイル１８の電流の向きを切り替えて、一次コイル１８及び二次コイル１９を結合させ、一次コイル１８から二次コイル１９へのエネルギー伝送を行う。

一次コイル１８及び共振キャパシタ１７を共振させる場合、制御回路２５は、図２に示すように、スイッチ１１、１４及びスイッチＣをＯＮ状態にし、スイッチ１２、１３及びスイッチＡ、ＢをＯＦＦ状態にする接続状態αと、スイッチ１２、１３及びスイッチＣをＯＮ状態にし、スイッチ１１、１４及びスイッチＡ、ＢをＯＦＦ状態にする接続状態βとを交互に繰り返す。なお、図２（図４、図６についても同じ）において、横軸は時間軸であり、縦軸は信号出力部Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃの信号を意味する。
従って、接続状態α、βでは、スイッチＡ、ＢのＯＦＦ状態が維持され、スイッチＣのＯＮ状態が維持される。

接続状態αでは、図３（Ａ）に示すように、直流電源部１５の正側からの電流が、スイッチ１１、スイッチＣ、導線２２、共振キャパシタ１７を順に経由して一次コイル１８の一側に与えられ、一次コイル１８の他側からスイッチ１４を通過して直流電源部１５の負側に送られる。よって、補助キャパシタ２４は通電されない。
そして、接続状態αから接続状態βに切り替えると、その切り替え直後、一次コイル１８に蓄積されていたエネルギーにより、印加されている電圧とは逆向きの電流が生じる（このとき、共振キャパシタ１７は通電され、補助キャパシタ２４は通電されない）。

その後、接続状態βでは、印加電圧に従った電流となり、図３（Ｂ）に示すように、直流電源部１５の正側からの電流が、スイッチ１３経由で一次コイル１８の他側に与えられ、一次コイル１８の一側から共振キャパシタ１７、導線２２及びスイッチ１２を順に経由して直流電源部１５の負側に送られるようになる。よって、補助キャパシタ２４は通電されない。

接続状態βから接続状態αに切り替えた直後で印加電圧とは逆向きの電流が生じている際も、共振キャパシタ１７は通電され、補助キャパシタ２４は通電されない。
従って、接続状態α、βの切り替えによる共振では、共振キャパシタ１７は通電され、補助キャパシタ２４は通電されない。よって、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４の静電容量（キャパシタ容量）をそれぞれＣ１及びＣａとして（以下同様とする）、一次コイル１８及び共振キャパシタ１７は静電容量がＣ１で共振する。

これに対し、一次コイル１８、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４を共振させる場合、制御回路２５は、図４に示すように、スイッチ１４及びスイッチＡをＯＮ状態にし、スイッチ１１、１２、１３及びスイッチＢ、ＣをＯＦＦ状態にする接続状態γと、スイッチ１３及びスイッチＢをＯＮ状態にし、スイッチ１１、１２、１４及びスイッチＡ、ＣをＯＦＦ状態にする接続状態δとを交互に繰り返す。従って、接続状態γ、δでは、スイッチ１１、１２及びスイッチＣのＯＦＦ状態が維持される。

接続状態γでは、図５（Ａ）に示すように、直流電源部１５の正側からの電流が、スイッチＡ、補助キャパシタ２４（導線２３）、導線２２及び共振キャパシタ１７を順に経由して一次コイル１８の一側に与えられ、一次コイル１８の他側からスイッチ１４を通過して直流電源部１５の負側に送られる。
接続状態γから接続状態δに切り替えると、切り替え直後、印加されている電圧とは逆向きの電流が生じる。このとき、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４は通電される。

その後、接続状態δでは、印加電圧に従った電流となり、図５（Ｂ）に示すように、直流電源部１５の正側からの電流が、スイッチ１３経由で一次コイル１８に与えられ、一次コイル１８から共振キャパシタ１７、導線２２、補助キャパシタ２４（導線２３）及びスイッチＢを順に経由して直流電源部１５の負側に送られるようになる。
接続状態δから接続状態γに切り替えた直後で印加電圧とは逆向きの電流が生じている際も、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４は通電される。
従って、接続状態γ、δの切り替えによる共振では、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４が共に通電され、一次コイル１８、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４は、容量がＣａ×Ｃ１／（Ｃａ＋Ｃ１）、即ち、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４を直列接続した合成容量で共振する。

本実施の形態では、一次コイル１８及び共振キャパシタ１７が静電容量Ｃ１で共振するモード（接続状態α、βを繰り返すモード）を高キャパシタモードと言い、一次コイル１８、共振キャパシタ１７及び補助キャパシタ２４が静電容量Ｃａ×Ｃ１／（Ｃａ＋Ｃ１）で共振するモード（接続状態γ、δを繰り返すモード）を低キャパシタモードと言う。
低キャパシタモードは高キャパシタモードに比べて静電容量が小さいことから、Ｑ値が大きくなる。一次コイル１８及び二次コイル１９の間の距離が固定されている状態では、Ｑ値が大きくなるにつれて、受電装置２０において二次コイル１９の出力電圧（受電装置２０の負荷に対する出力電圧）は大きくなる。

制御回路２５は、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの切り替えが可能であり、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合（時間的な割合、デユーティ）を変えることができる。例えば、図６に示すようにスイッチ１１、１２、１３、１４及びスイッチＡ、ＢそれぞれのＯＮ状態及びＯＦＦ状態を切り替えることで、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を１：１にすることができる。
そして、制御回路２５は、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えて、非接触式給電装置１０側の共振に寄与する静電容量（キャパシタ容量）と共にＱ値を連続的に変え、二次コイル１９の出力電圧の大きさを調整する。

従って、従来の設備に対し、二次コイル１９の出力電圧の大きさを調整するために追加される電子部品等は、主として、非接触式給電装置１０のスイッチＡ、Ｂ、Ｃの３つのスイッチと補助キャパシタ２４となる。追加されるパワー半導体素子はスイッチＡ、Ｂ、Ｃの３つと少量であることから、結果として、非接触式給電装置１０全体の発熱増加の抑制が可能である。
一方、受電装置２０側には、原則、電子部品等の追加は不要である。
なお、受電装置２０には、二次コイル１９と共振回路を構成する共振キャパシタ２８が設けられている。

また、制御回路２５は、ゼロ交差検波部、位相演算部、ＰＩ制御部等を有して構成され、導線２２（ブリッジ回路１６の出力側）の電流値及び電圧値を検出し、それぞれのゼロクロス点を基にそれぞれの位相情報を得て、電流値及び電圧値の力率が１（同じ位相）となるように制御する。本実施の形態では、一次コイル１８に対する二次コイル１９の基準位置として、高キャパシタモードで導線２２の電流値及び電圧値の力率が１となる位置を設定している。制御回路２５は、力率の低下（１より小さくなること）から、二次コイル１９が基準位置に配置されていないのを検知可能であり、力率の低下を検出すると、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの切り替えを行い、力率が１となるように高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を調整する。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
第１の実験では、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合と二次コイルの出力電圧との関係をシミュレーションした。シミュレーション結果を図７にグラフとして示す。
なお、シミュレーションでは、非接触式給電装置の共振キャパシタ及び補助キャパシタの各静電容量を６８ｎＦとした。

図７のグラフは、縦軸がニ次コイルの出力電圧であり、横軸が全体に対する低キャパシタモードの比率（高キャパシタモードのみは０、低キャパシタモードのみは１、高キャパシタモード及び低キャパシタモードが１：１は０．５）を示す。
実験結果より、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えることで、二次コイルの出力電圧を調整できることが確認できた。

第２の実験では、二次コイルの出力電圧が実効値で１００Ｖ（ピーク値は１４１．４Ｖ）の状態から、一次コイルと二次コイルの間隔を広げて相互インダクタンスを５０％にした際の二次コイルの出力電圧をシミュレーションした。シミュレーションは、高キャパシタモード及び低キャパシタモードを切り替える場合（キャパシタ接続切替回路有り、実線）と、非接触式給電装置側の共振回路の静電容量が固定の場合（キャパシタ接続切替回路無し、破線）とについて行った。シミュレーション結果を図８にグラフとして示す。

実験結果より、非接触式給電装置側の共振回路の静電容量が固定の場合、二次コイルの出力電圧の実効値が１００Ｖを大きく下回って、非接触式給電装置の共振キャパシタ及び受電装置の共振キャパシタの補償範囲外となった。これに対し、高キャパシタモード及び低キャパシタモードを切り替える場合、二次コイルの出力電圧の実効値を１００Ｖに保つことができることが確認された。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、非接触式給電装置側の共振キャパシタは複数であってもよい。
また、第１、第２、第３、第４のスイッチ及びスイッチＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、ＩＧＢＴ及びダイオードが並列に接続されたパワー半導体素子に限定されず、例えば、第１、第２、第３、第４のスイッチ及びスイッチＡ、Ｂ、ＣそれぞれにＭＯＳＦＥＴを採用することができる。
そして、制御手段は力率が予め定めた１以外の数値となるような制御を行ってもよいし、力率以外の値を基にした制御を行ってもよい。

１０：非接触式給電装置、１１、１２、１３、１４：スイッチ、１５：直流電源部、１６：ブリッジ回路、１７：共振キャパシタ、１８：一次コイル、１９：二次コイル、２０：受電装置、２１：キャパシタ、２２：導線、２３：導線、２４：補助キャパシタ、２５：制御回路、２８：共振キャパシタ、Ａ、Ｂ、Ｃ：スイッチ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ：信号出力部

Claims (2)

1. 直流電源部の正側に接続された第１、第３のスイッチ及び前記直流電源部の負側に接続された第２、第４のスイッチを具備するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力側に設けられた共振キャパシタ及び一次コイルとを有して、二次コイルを備える受電装置に非接触で電力供給する非接触式給電装置において、
   前記直流電源部の正側及び負側にそれぞれ接続されたスイッチＡ及びスイッチＢと、
   前記スイッチＡ及び前記スイッチＢに一側が接続され、他側が前記共振キャパシタに前記ブリッジ回路を介して接続された補助キャパシタと、
   前記第１、第２のスイッチの間で、前記補助キャパシタ及び前記ブリッジ回路の接点を基準として前記第１のスイッチ側に設けられたスイッチＣと、
   前記第１、第４のスイッチ及び前記スイッチＣをＯＮ状態にし、前記第２、第３のスイッチ、前記スイッチＡ、ＢをＯＦＦ状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記第１のスイッチ、前記スイッチＣ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる高キャパシタモードと、前記第４のスイッチ及び前記スイッチＡをＯＮ状態にし、前記第１、第２、第３のスイッチ、前記スイッチＢ、ＣをＯＦＦ状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記スイッチＡ、前記補助キャパシタ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる低キャパシタモードとを切り替える制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記高キャパシタモード及び前記低キャパシタモードの割合を変えて、キャパシタ容量を調整することを特徴とする非接触式給電装置。
2. 請求項１記載の非接触式給電装置において、前記第１、第２、第３、第４のスイッチ及び前記スイッチＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、バルブデバイス及びダイオードが並列接続されたパワー半導体素子であることを特徴とする非接触式給電装置。

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