JP2021035266A - 非接触給電装置及び送電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で電力伝送効率を向上することが可能な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が有する受信コイル２１を介して受電装置３へ電力を供給する送信コイル１３と、直流電力を供給する電源１１と送信コイル１３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（１２ａ〜１２ｄ）を介して電源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１３へ供給する電力供給回路１０と、送信コイル１３と電磁結合可能に配置される補助コイル１４と、補助コイル１４と接続される静電容量素子（１５、１７）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の一つとして、二次（受電）側コイルのみに共振回路を構成し、共振回路に流れる共振電流の位相情報を検出し、この位相情報に基づいて、一次（送電）側コイルに流れる駆動電流の電流位相が電圧位相よりもわずかに遅延するように駆動周波数を定めて一次コイルを駆動する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。またこの技術では、二次コイルの漏れインダクタンスと共振コンデンサのキャパシタンスと等価負荷抵抗で決定されるQ値が、Q=2/k2(kは結合係数)で定まる値以上の値に設定される。この技術によれば、一次コイルでの発熱が抑制されるとともに、一次コイルの側から見た力率の最も良い周波数が駆動周波数として自動的に選択可能となる。また、銅損とスイッチング損失がともに軽減される。
国際公開第２０１５／１７３８５０号
しかしながら、上記の技術では、適切な駆動周波数を設定するために、Q値を高くすることが求められる。Ｑ値を高くするためには、受電側のコイルのインダクタンスを高くする必要があり、そのために、受電側のコイルを大型化することが求められる。その結果として、装置全体が大型化してしまう。
そこで、本発明は、簡単な構成で電力伝送効率を向上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、受電装置が有する受信コイルを介して受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電力を供給する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所定の周波数にて切り替えられることで電源から供給される直流電力を、所定の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、送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、補助コイルと接続される静電容量素子とを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、簡単な構成で電力伝送効率を向上することができる。
この非接触給電装置において、送信コイルと補助コイル間の結合度は、送信コイルと受信コイル間の想定される結合度の最大値よりも大きいことが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力供給回路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な遅れ量とすることが容易となり、その結果として、各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減することができる。
また、この非接触給電装置において、送電装置の静電容量素子は、調整可能な静電容量を有することが好ましい。そして送電装置は、電力供給回路の複数のスイッチング素子の何れか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、静電容量素子の静電容量を制御する制御回路とをさらに有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、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、電力供給回路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な遅れ量に制御することができる。そのため、この非接触給電装置は、各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減することができる。
この場合において、送電装置の制御回路は、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が所定の上限閾値を超えると、静電容量素子の静電容量を増加させるよう、静電容量素子を制御することが好ましい。
これにより、この非接触給電装置は、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、そのスイッチング素子に流れる電流の波高値を抑制できるので、各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減することができる。
さらに制御回路は、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が、所定の上限閾値よりも低い所定の下限閾値未満になると、静電容量素子の静電容量を低下させるよう、静電容量素子を制御することが好ましい。
これにより、この非接触給電装置は、補助コイルに流れる電流の実効値が高くなり過ぎることを抑制して、補助コイルに流れる電流による導通ロスを軽減することができる。
あるいはまた、この非接触給電装置において、送電装置の静電容量素子は、調整可能な静電容量を有することが好ましい。そして送電装置は、補助コイル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、静電容量素子の静電容量を制御する制御回路とをさらに有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、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、電力供給回路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な遅れ量に制御することができる。そのため、この非接触給電装置は、各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減することができる。
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、受電装置が有する受信コイルを介して受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電力を供給する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所定の周波数にて切り替えられることで電源から供給される直流電力を、所定の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、送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、補助コイルと接続される静電容量素子とを有する。
係る構成を有することにより、この送電装置は、簡単な構成で電力伝送効率を向上することができる。
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。 インバータ回路の他の一例を示す図である。 （ａ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度よりも小さい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。（ｂ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度と等しい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。（ｃ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度よりも大きい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。 変形例による送電装置の概略構成図である。 シミュレーションによる、可変容量回路の静電容量と、インバータ回路の各スイッチング素子に流れる電流及び補助コイルに流れる電流の関係の一例を示す図である。
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）が、送電用のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）と電磁結合可能に配置される補助コイル及び補助コイルと接続される静電容量素子を有する。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適切な遅れ量にして、電力伝送効率を向上する。また、この非接触給電装置は、受電側の装置（以下、受電装置と呼ぶ）の共振回路のＱ値を高くしなくてもよいので、その共振回路に含まれる、受電用のコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）を大型化しなくてもよく、その結果として、装置全体を簡単化できる。
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１３と、補助コイル１４と、コンデンサ１５と、制御回路１６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とにより構成される共振回路２０と、受電回路２３とを有する。本実施形態による非接触給電装置１は、送電側の共振を利用せず、送信コイル１３に供給された交流電力に対して受電側の共振回路２０が直列共振する方式（ＮＳ方式）に従って電力を伝送する。なお、非接触給電装置１は、送電側の共振を利用せず、送信コイル１３に供給された交流電力に対して受電側の共振回路２０が並列共振する方式（ＮＰ方式）に従って電力を伝送してもよい。
先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、交流電力を送信コイル１３へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、インバータ回路１２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、商用の交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をインバータ回路１２へ出力する。なお、電源１１は、バッテリのような直流電源であってもよい。
インバータ回路１２は、電源１１から供給された直流電力を、所定の周波数を持つ交流電力に変換し、変換された交流電力を送信コイル１３へ供給する。なお、所定の周波数は、送信コイル１３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。本実施形態では、インバータ回路１２は、４個のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄがフルブリッジ状に接続されるフルブリッジインバータである。また、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。
すなわち、４個のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄのうち、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂは、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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１２ａが接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１２ｂが接続される。同様に、４個のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄのうち、スイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄは、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｂと並列に、かつ、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１２ｃが接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１２ｄが接続される。そしてスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの間に、送信コイル１３の一端が接続され、スイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄの間に、送信コイル１３の他端が接続される。
図２に示されるように、インバータ回路１２は、電源１１に対して２個のスイッチング素子１２ａ及び１２ｂがハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジインバータであってもよい。この場合には、送信コイル１３の一端は、コンデンサ１２ｅを介してスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの間に接続され、送信コイル１３の他端は接地されればよい。
なお、送電装置２は、さらに、電源１１とインバータ回路１２との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を有してもよい。
送信コイル１３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の受信コイル２１へ伝送する。なお、送電装置２は、送信コイル１３と電力供給回路１０のインバータ回路１２との間に、送信コイル１３と直列に接続され、かつ、直流電力を遮断するためのコンデンサを有してもよい。
補助コイル１４は、送信コイル１３と電磁結合可能に配置される。そのために、補助コイル１４は、例えば、送信コイル１３と同じ軸心に巻き付けられる。なお、補助コイル１４の巻き数は、送信コイル１３の巻き数と同じでもよく、あるいは、異なっていてもよい。そして補助コイル１４は、コンデンサ１５とともに、送信コイル１３に供給される交流電力に作用して、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄについて、そのスイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、そのスイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量にする。これにより、各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄがターンオフされる際のそのスイッチング素子に流れる電流の波高値が０に近付く。そのため、各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄによるスイッチングロスが軽減される。
コンデンサ１５は、所定の静電容量を持つ静電容量素子の一例であり、補助コイル１４と接続され、補助コイル１４とともに、位相調整回路の一例であるＬＣ回路（以下、単にＬＣ回路と呼ぶことがある）を構成する。そして補助コイル１４とコンデンサ１５とにより構成されるＬＣ回路、すなわち、位相調整回路は、各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄについて、そのスイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、そのスイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量にする。なお、補助コイル１４とコンデンサ１５により構成されるＬＣ回路の共振周波数は、送信コイル１３へ供給される交流電力の周波数と異なっていてもよい。すなわち、補助コイル１４とコンデンサ１５により構成されるＬＣ回路は、送信コイル１３に流れる交流電流に対して共振しなくてもよい。
制御回路１６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、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄ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１６は、電力供給回路１０から送信コイル１３に供給される交流電力の周波数が所定の周波数となるように、インバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄを制御する。なお、所定の周波数は、上記のように、送信コイル１３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。
本実施形態では、制御回路１６は、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃの組とを交互にオンにする。さらに、制御回路１６は、送信コイル１３に供給される交流電力の周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組がオンとなっている期間とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃ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１６は、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃ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１６がスイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃ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、インバータ回路１２が、図２に示されるハーフブリッジインバータである場合には、制御回路１６は、送信コイル１３に供給される交流電力の周波数にて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとを交互にオンにすればよい。
次に、受電装置３について説明する。
受信コイル２１は、共振コンデンサ２２とともに共振回路２０を構成し、送電装置２の送信コイル１３に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１３から電力を受信する。本実施形態では、共振コンデンサ２２は、受信コイル２１と直列に接続されるが、共振コンデンサ２２は、受信コイル２１と並列に接続されてもよい。また、共振回路２０には、受信コイル２１と受電回路２３が有する整流回路との間に受信コイル２１と直列に接続されるコイルが設けられてもよい。そして共振回路２０から出力される交流電力は、受電回路２３へ出力される。なお、受信コイル２１の巻き数と、送信コイル１３の巻き数は同じでもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。
受電回路２３は、共振回路２０からの交流電力を直流電力に変換して、直流電力を受電回路２３と接続される負荷回路（図示せず）へ出力する。そのために、受電回路２３は、例えば、共振回路２０からの交流電力を脈流電力に変換する全波整流回路と、全波整流回路から出力される脈流電力を平滑化して負荷回路へ出力するための平滑コンデンサとを有する。
以下、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減するための、送電装置２の各回路素子のパラメータ設定及び各コイル間の結合度の関係について説明する。
本実施形態では、送信コイル１３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１３に流れる電流の位相は、電力供給回路１０のインバータ回路１２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の受電回路２３に流れる電流が少ない場合も同様となる。そこで、補助コイル１４のインダクタンス及びコンデンサ１５の静電容量は、補助コイル１４とコンデンサ１５により構成されるＬＣ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、補助コイル１４のインダクタンス及びコンデンサ１５の静電容量は、ＬＣ回路の共振周波数が送信コイル１３に供給される交流電力の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、補助コイル１４のインダクタンスは大きいほど好ましい。これは、補助コイル１４のインダクタンスが大きいほど、ＬＣ回路に流れる電流が減少するためである。例えば、補助コイル１４のインダクタンスは、送信コイル１３に流れる電流のうちの共振回路２０に接続される受電回路２３及び負荷回路の負荷に依存しない励磁電流成分よりもＬＣ回路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、補助コイル１４のインダクタンスは、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxに、送信コイル１３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。
さらに、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxよりも高くなるように、送信コイル１３及び補助コイル１４は配置されることが好ましい。例えば、送信コイル１３と補助コイル１４とは、同じ軸心に巻き付けられ、かつ、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxよりも高くなる程度の間隔を空けて配置されればよい。これにより、送信コイル１３に印加される電圧の位相に対する、送信コイル１３に流れる電流の位相の遅れが小さくなり、その結果として、インバータ回路１２の各スイッチング素子がターンオフされるときの電流の波高値を低下させることが容易となる。
図３（ａ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度よりも小さい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。図３（ｂ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度と等しい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。図３（ｃ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度よりも大きい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示されるシミュレーションにおいて、インバータ回路１２は、図２に示される、ハーフブリッジインバータであるとした。また、送信コイル１３のインダクタンスを91μHとし、コンデンサ１２ｅの静電容量を220nFとした。また、補助コイル１４のインダクタンスを100μHとし、コンデンサ１５の静電容量を30nFとした。さらに、受信コイル２１のインダクタンスを121μFとし、共振コンデンサ２２の静電容量を60nFとした。さらに、受電装置３と接続される負荷回路の抵抗値Roを10Ωとした。また、図３（ａ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13を0.1とし、補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23を0.2とした。さらに、図３（ｂ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13、補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23の何れも0.2とした。さらに、図３（ｃ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12及び補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13を0.7とした。
図３（ａ）〜図３（ｃ）のそれぞれのグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。さらに時刻t1及びt2は、スイッチング素子１２ａがターンオフされるタイミングを表す。図３（ａ）において、波形３０１は、結合度k12が結合度k13よりも大きい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。同様に、図３（ｂ）において、波形３１１は、結合度k12が結合度k13と等しい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。そして、図３（ｃ）において、波形３２１は、結合度k12が結合度k13よりも小さい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。
波形３０１、３１１及び３２１に示されるように、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12に対して、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13が大きくなるほど、インバータ回路１２のスイッチング素子のターンオフ時における電流の波高値、及び、スイッチング素子に流れる電流の実効値が低下することが分かる。このことから、結合度k12よりも結合度k13が大きくなることが好ましいことが分かる。
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電磁結合可能に配置される補助コイルと、補助コイルとともにＬＣ回路を構成するコンデンサとを有する。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インバータ回路が有する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化できる。これにより、この非接触給電装置は、インバータ回路の各スイッチング素子に流れる電流の実効値及び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の波高値を低下させ、各スイッチング素子のスイッチングロス及び導通ロスを軽減することができる。その結果として、この非接触給電装置は、受信コイルのQ値をそれほど高くしなくてもよく、受信コイルを小型化できるので、簡単な構成で電力伝送効率を向上することができる。
なお、電力伝送中において、送電装置２と受電装置３とが互いに対して移動可能な場合には、電力伝送中に送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度が変化することがある。送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度が変化すると、その変化に応じて、電力供給回路１０のインバータ回路１２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、各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量も変動する。
そこで変形例によれば、送電装置２は、補助コイル１４と接続され、かつ、補助コイル１４とともにＬＣ回路を構成する可変容量回路を有してもよい。そして送電装置２の制御回路１６は、電力供給回路１０のインバータ回路１２の何れかのスイッチング素子に流れる電流に応じて、可変容量回路の静電容量を制御する。これにより、制御回路１６は、電力供給回路１０のインバータ回路１２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、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。
図４は、この変形例による送電装置４の概略構成図である。この変形例による送電装置４は、上記の実施形態による送電装置２と比較して、コンデンサ１５の代わりに、可変容量回路１７を有するとともに、インバータ回路１２の何れかのスイッチング素子に流れる電流を検知する電流検出回路１８を有する点で相違する。さらに、この変形例では、制御回路１６が、電流検出回路１８により検知される電流量の測定値に従って、可変容量回路１７の静電容量を制御する。そこで以下では、可変容量回路１７、電流検出回路１８、及び、制御回路１６による可変容量回路１７の静電容量の制御について説明する。送電装置４の他の構成要素については、上記の実施形態による送電装置２の対応する構成要素の説明を参照されたい。
可変容量回路１７は、静電容量素子の他の一例であり、補助コイル１４とともにＬＣ回路を構成する。また、可変容量回路１７は、調整可能な静電容量を持つ。そのために、可変容量回路１７は、補助コイル１４に対して互いに並列に接続される複数のコンデンサ１７１−１〜１７１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎとを有する。そしてコンデンサ１７１−ｋ(k=1,2,…,n)とスイッチング素子１７２−ｋとは直列に接続される。なお、複数のコンデンサ１７１−１〜１７１−ｎの何れかは、スイッチング素子を介さずに補助コイル１４と接続されてもよい。
複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのそれぞれは、例えば、リレーあるいはnチャネル型のMOSFETとすることができる。各スイッチング素子がnチャネル型のMOSFETである場合、各スイッチング素子のドレイン端子は、対応するコンデンサを介して補助コイル１４の一端と接続され、各スイッチング素子のソース端子は、補助コイル１４の他端と接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、制御回路１６と接続される。
複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎは、それぞれ、制御回路１６により、オン／オフが切り替えられる。そして複数のコンデンサ１７１−１〜１７１−ｎのうち、オンとなったスイッチング素子と直列に接続されるコンデンサがＬＣ回路の動作に寄与する。すなわち、複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのうち、オンとなるスイッチング素子の数が増えるほど、可変容量回路１７の静電容量は増加する。したがって、ＬＣ回路に流れる電流の実効値が増加する。ＬＣ回路に流れる電流の位相は、送信コイル１３に印加される電圧の位相に対して進んでいるため、ＬＣ回路に流れる電流の実効値が増加するほど、電力供給回路１０のインバータ回路１２に流れる電流の位相に対する、ＬＣ回路に流れる電流による影響が大きくなる。その結果として、インバータ回路１２が有する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が少なくなる。
電流検出回路１８は、電力供給回路１０のインバータ回路１２が有するスイッチング素子１２ａ〜１２ｂの何れかに流れる電流量を測定する。電流検出回路１８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１８は、スイッチング素子１２ｂ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１８は、スイッチング素子１２ｂ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１６へ出力する。なお、電流検出回路１８は、スイッチング素子１２ａのドレイン端子と電源１１の正極側端子との間に接続され、スイッチング素子１２ａに流れる電流を測定してもよい。
制御回路１６は、電流検出回路１８により測定された、インバータ回路１２の何れかのスイッチング素子に流れる電流量の測定値に基づいて、可変容量回路１７の静電容量を制御する。本実施形態では、制御回路１６は、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングにおける電流量の測定値に基づいて、可変容量回路１７の静電容量を制御する。
図５は、シミュレーションによる、可変容量回路１７の静電容量と、インバータ回路１２の各スイッチング素子に流れる電流及び補助コイル１４に流れる電流の関係の一例を示す図である。図５に示されるシミュレーションにおいて、可変容量回路１７の静電容量以外の各回路素子のパラメータ値は、図３（ａ）〜図３（ｃ）のシミュレーションにおけるパラメータ値と同じとした。また、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度及び補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度を0.7とした。
図５の各グラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。さらに時刻t1は、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングを表す。上側のグラフに示される波形５０１〜５０５は、それぞれ、可変容量回路１７の静電容量を30nFから順に2nFずつ増加させたときのスイッチング素子１２ｂに流れる電流の波形を表す。下側のグラフに示される波形５１１〜５１５は、それぞれ、可変容量回路１７の静電容量を30nFから順に2nFずつ増加させたときの補助コイル１４に流れる電流の波形を表す。
波形５０１〜５０５に示されるように、可変容量回路１７の静電容量が増加するほど、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングにおける、スイッチング素子１２ｂに流れる電流の波高値が低下することが分かる。一方、波形５１１〜５１５に示されるように、可変容量回路１７の静電容量が増加するほど、補助コイル１４に流れる電流の実効値が上昇することが分かる。
そこで、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかのスイッチング素子（例えば、電流量が測定されるスイッチング素子１２ｂ）がターンオフされるタイミングにおける、電流検出回路１８による電流量の測定値が所定の上限閾値を超えると、可変容量回路１７の複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのうち、オフとなっているスイッチング素子の何れかをオンにするよう可変容量回路１７を制御する。これにより、可変容量回路１７の静電容量が増加し、その結果として、インバータ回路１２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の波高値が低下し、スイッチングロスが軽減される。
一方、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかの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、電流検出回路１８による電流量の測定値が、上記の上限閾値よりも低い所定の下限閾値未満になると、可変容量回路１７の複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのうち、オンとなっているスイッチング素子の何れかをオフにするよう可変容量回路１７を制御する。これにより、可変容量回路１７の静電容量が低下し、その結果として、補助コイル１４に流れる電流の実効値が低下し、補助コイル１４を含むＬＣ回路による導通ロスが軽減される。
以上に説明してきたように、この変形例によれば、非接触給電装置は、電力供給回路のインバータ回路が有する各スイッチング素子に流れる電流に応じて、ＬＣ回路を構成する可変容量回路の静電容量を制御する。そのため、この変形例による非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、インバータ回路が有する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な遅れ量に保つことができ、その結果として、各スイッチング素子のスイッチングロス及びＬＣ回路の導通ロスを軽減できる。
なお、この変形例において、電流検出回路１８は、補助コイル１４と可変容量回路１７の間に接続され、補助コイル１４に流れる電流量の測定値を求めて、その電流量の測定値を制御回路１６へ出力してもよい。この場合、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかの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、補助コイル１４に流れる電流量に応じて、可変容量回路１７の静電容量を制御すればよい。図５に示されるように、可変容量回路１７の静電容量が増加するほど、補助コイル１４に流れる電流の実効値が上昇するとともに、インバータ回路１２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の波高値が低下する。そこで、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかの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、電流検出回路１８による補助コイル１４に流れる電流量の測定値が所定の下限閾値未満になると、可変容量回路１７の複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのうち、オフとなっているスイッチング素子の何れかをオンにするよう可変容量回路１７を制御すればよい。これにより、可変容量回路１７の静電容量が増加し、その結果として、インバータ回路１２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の波高値が低下し、スイッチングロスが軽減される。
一方、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかの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、電流検出回路１８による補助コイル１４に流れる電流量の測定値が、所定の下限閾値よりも高い所定の上限閾値を超えると、可変容量回路１７の複数のスイッチング素子１７２−１〜１７２−ｎのうち、オンとなっているスイッチング素子の何れかをオフにするよう可変容量回路１７を制御すればよい。これにより、可変容量回路１７の静電容量が低下し、その結果として、補助コイル１４に流れる電流の実効値が低下し、補助コイル１４を含むＬＣ回路による導通ロスが軽減される。
さらに、上記の各変形例において、可変容量回路１７の静電容量を制御する制御回路は、インバータ回路１２を制御する制御回路１６と別個に設けられてもよい。この場合には、制御回路１６は、インバータ回路１２の何れかのスイッチング素子がターンオフされるタイミングを、可変容量回路１７の静電容量を制御する制御回路へ通知すればよい。これにより、可変容量回路１７の静電容量を制御する制御回路は、インバータ回路１２の何れかの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、補助コイル１４に流れる電流量の測定値を特定することができる。
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、４ 送電装置
１０ 電力供給回路
１１ 電源
１２ インバータ回路
１２ａ〜１２ｄ スイッチング素子
１２ｅ コンデンサ
１３ 送信コイル
１４ 補助コイル
１５ コンデンサ
１６ 制御回路
１７ 可変容量回路
１７１−１〜１７１−ｎ コンデンサ
１７２−１〜１７２−ｎ スイッチング素子
１８ 電流検出回路
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 受電回路

Claims (7)

  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、
    前記受電装置が有する受信コイルを介して前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
    直流電力を供給する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所定の周波数にて切り替えられることで前記電源から供給される直流電力を、前記所定の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、
    前記送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、
    前記補助コイルと接続される静電容量素子と、
    を有する非接触給電装置。
  2. 前記送信コイルと前記補助コイル間の結合度は、前記送信コイルと前記受信コイル間の想定される結合度の最大値よりも大きい、
    請求項１に記載の非接触給電装置。
  3. 前記静電容量素子は、調整可能な静電容量を有し、
    前記送電装置は、
    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、前記静電容量素子の静電容量を制御する制御回路と、
    をさらに有する請求項１または２に記載の非接触給電装置。
  4. 前記制御回路は、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が所定の上限閾値を超えると、前記静電容量素子の静電容量を増加させるよう、前記静電容量素子を制御する、請求項３に記載の非接触給電装置。
  5. 前記制御回路は、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が、前記所定の上限閾値よりも低い所定の下限閾値未満になると、前記静電容量素子の静電容量を低下させるよう、前記静電容量素子を制御する、請求項４に記載の非接触給電装置。
  6. 前記静電容量素子は、調整可能な静電容量を有し、
    前記送電装置は、
    前記補助コイル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、前記静電容量素子の静電容量を制御する制御回路と、
    をさらに有する請求項１または２に記載の非接触給電装置。
  7. 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、
    前記受電装置が有する受信コイルを介して前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
    直流電力を供給する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所定の周波数にて切り替えられることで前記電源から供給される直流電力を、前記所定の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、
    前記送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、
    前記補助コイルと接続される静電容量素子と、
    を有する送電装置。
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