JP2023088141A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定電圧出力動作を可能としつつ、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】非接触給電装置が有する送電装置２は、受電装置３へ電力を供給する送信コイル１４に対して、所定の駆動周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路１０と、電力供給回路１０と送信コイル１４との間に接続される第１のコイル１７及び第１のコンデンサ１５と、第１のコンデンサ１５に一端が接続され、他端が送信コイル１４の他端と接続される第２のコンデンサ１６と、制御回路１９とを有する。また、受電装置３は、電力を受信する受信コイル２１と、受信コイル２１とともに共振する共振コンデンサ２２とを有する共振回路２０を有する。そして送電装置２の制御回路１９は、所定の駆動周波数が、共振回路２０の共振周波数を含む所定の周波数範囲に含まれるように電力供給回路１０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

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、送電側のコイル及び受電側のコイルを介して、送電側の装置から受電側の装置へ電力を伝送する技術が知られている。特に、高効率で小型化を図るとともに、１次側コイルから不要輻射する高調波成分を低減させる技術が提案されている（特許文献１を参照）。特許文献１に開示された非接触電力伝送装置では、１次側コイルと共振するコンデンサが、１次側コイルに直列に接続されることで１次側直列共振回路が形成される。この１次側直列共振回路と駆動回路との間に、別のコイル及びそのコイルに共振するコンデンサを有するL形共振回路が挿入される。そしてこのL形共振回路と１次側直列共振回路とが直列に接続される。

国際公開第２００６／０２２３６５号

しかしながら、上記の技術では、受電側の装置と接続される負荷回路の抵抗値が変動しても受電側の装置から出力される電圧を略一定に保つ、いわゆる定電圧出力動作を維持することが困難になることがある。また、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が大きくなると、送電側のコイルに印加される交流電圧の位相に対する、送電側のコイルを流れる電流の位相の遅れが顕著になる。その結果として、送電側のコイルに交流電力を供給するインバータ回路のスイッチングロスが増大してしまい、電力伝送効率が低下する。

そこで、本発明は、定電圧出力動作を可能としつつ、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、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、所定の駆動周波数を持つ交流電力を送信コイルへ供給する電力供給回路と、電力供給回路と送信コイルの一端との間に接続される第１のコンデンサと、電力供給回路と送信コイルの一端または他端と電力供給回路との間に接続される第１のコイルと、第１のコンデンサに一端が接続され、他端が送信コイルの他端と接続される第２のコンデンサと、所定の駆動周波数を持つ交流電力が送信コイルへ供給されるように電力供給回路を制御する制御回路とを有する。また、受電装置は、送電装置の送信コイルを介して電力を受信する受信コイルと、受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有する共振回路を有する。そして送電装置の制御回路は、所定の駆動周波数が、共振回路の共振周波数を含む所定の周波数範囲に含まれるように電力供給回路を制御する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、定電圧出力動作を可能としつつ、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の送電装置において、送信コイル、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサにより構成される閉ループの閉ループ共振周波数が、所定の駆動周波数よりも高くなるように、送信コイルのインダクタンス、第１のコンデンサの静電容量及び第２のコンデンサの静電容量が設定される。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、送信コイルに供給される交流電力の電圧の位相に対する、送信コイルを流れる電流の位相の遅れ量を適切に調整することができ、その結果として、電力供給回路におけるスイッチングロスを軽減することができる。

本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 非接触給電装置における、伝送される電力に関するゲインの周波数特性の一例を示す模式図である。 送電装置の送信コイル、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ及び第１のコイルと、受電装置の共振回路との等価回路図である。 本実施形態による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 変形例による受電装置の概略構成図である。 変形例による、送電装置におけるインバータと、送信コイル、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ及び第１のコイルとの接続位置関係の例を示す図である。 他の変形例による、送電装置におけるインバータと、送信コイル、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ及び第１のコイルとの接続位置関係の例を示す図である。 さらに他の変形例による、送電装置におけるインバータと、送信コイル、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ及び第１のコイルとの接続位置関係の例を示す図である。

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）の一端と送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路との間に接続される第１のコンデンサを有するとともに、第１のコンデンサと直列に接続される第１のコイルと、第１のコンデンサと第１のコイルの間に一端が接続され、他端が送信コイルの他端に接続される第２のコンデンサを有する。そしてこの非接触給電装置では、送信コイルに供給される交流電力の周波数が、受電側の装置（以下、単に受電装置と呼ぶ）が有する受電用のコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）を有する共振回路の共振周波数を含む所定の周波数範囲内に含まれるように制御される。以下では、送信コイルに供給される交流電力の周波数を、単に駆動周波数と呼ぶことがある。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る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、第１のコンデンサ１５と、第２のコンデンサ１６と、第１のコイル１７と、通信器１８と、制御回路１９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、第１の整流回路２３と、平滑コンデンサ２４と、サブコイル２５と、第２の整流回路２６と、電圧検出回路２７と、抵抗２８と、スイッチング素子２９と、判定回路３０と、通信器３１とを有する。そして受電装置３は負荷回路３２と接続され、受電装置３が受電して、直流に変換された電力は、負荷回路３２へ出力される。

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、所定の駆動周波数、及び、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、全波整流回路１１と、力率改善回路１２と、インバータ１３とを有する。

全波整流回路１１は、所定の脈流電圧を持つ電力を供給する。そのために、全波整流回路１１は、ブリッジ型に接続された４個のダイオードを有し、商用の交流電源と接続される。そして全波整流回路１１は、その交流電源から供給された交流電力を整流して脈流電圧を持つ電力に変換し、その電力を力率改善回路１２へ出力する。

力率改善回路１２は、全波整流回路１１から出力された電力の電圧を、制御回路１９からの制御に応じた電圧を持つ直流電力に変換して出力する。したがって、交流電源、全波整流回路１１及び力率改善回路１２により、直流電源が構成される。

力率改善回路１２の構成は、制御回路１９からの制御によって出力電圧を調整可能な様々な力率改善回路の何れかと同様の構成とすることができる。本実施形態では、力率改善回路１２は、全波整流回路１１の正極側端子に対して一端において直列に接続されるコイルと、そのコイルの他端とインバータ１３との間において、コイルからインバータ１３へ向かう方向が順方向となるように接続されるダイオードを有する。力率改善回路１２は、さらに、コイルとダイオードの間に一端が接続され、他端が全波整流回路１１の負極側端子に接続されるスイッチング素子と、そのスイッチング素子とダイオードを挟んで並列に接続される平滑コンデンサを有する。そして制御回路１９がスイッチング素子のオン／オフのデューティ比を制御することで、力率改善回路１２から出力される電圧が制御される。なお、力率改善回路１２は、特許第６３９０８０８号に記載された送電装置の力率改善回路と同様の構成であってもよい。

インバータ１３は、力率改善回路１２から出力された直流電力を、スイッチング素子１３－１～１３－２のオン／オフの切替周期に相当する駆動周波数を持つ交流電力に変換する。そしてインバータ１３は、その交流電力を、第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７を介して送信コイル１４へ出力する。

そのために、インバータ１３は、２個のスイッチング素子１３－１～１３－２を有する。そして２個のスイッチング素子１３－１～１３－２のそれぞれは、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。インバータ１３は、いわゆるハーフブリッジ回路として構成される。すなわち、スイッチング素子１３－１及びスイッチング素子１３－２は、全波整流回路１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、全波整流回路１１の正極側に、スイッチング素子１３－１が接続され、一方、全波整流回路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、力率改善回路１２を介して全波整流回路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、力率改善回路１２を介して全波整流回路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、第１のコイル１７及び第１のコンデンサ１５を介して送信コイル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、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１３－１～１３－２のゲート端子は、制御回路１９と接続される。さらに、スイッチング素子１３－１～１３－２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及びスイッチング素子１３－２は、制御回路１９からの制御信号にしたがって交互にオン／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がオンとなっている間、スイッチング素子１３－２がオフとなり、逆に、スイッチング素子１３－２がオンとなっている間、スイッチング素子１３－１がオフとなるように、交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、力率改善回路１２から供給された直流電力は、各スイッチング素子のオン／オフの切替周期に相当する駆動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。

なお、インバータ１３は、上記の実施形態に限られない。例えば、インバータ１３は、４個のスイッチング素子がフルブリッジ状に接続されたフルブリッジ回路として構成されてもよい。

第１のコイル１７は、第１のコンデンサ１５とともにインバータ１３と送信コイル１４の間に直列に接続される。すなわち、第１のコイル１７の一端は、インバータ１３の二つの出力端子のうちの一方、すなわち、スイッチング素子１３－１のソース端子とスイッチング素子１３－２のドレイン端子の間に接続に接続され、第１のコイル１７の他端は第１のコンデンサ１５の一端と接続される。また、第１のコンデンサ１５の他端は送信コイル１４の一端に接続される。なお、第１のコイル１７は、送信コイル１４及び受電装置３が有する各コイルと電磁結合しないように配置されることが好ましい。

さらに、第２のコンデンサ１６は、その一端が第１のコイル１７の他端は第１のコンデンサ１５の一端との間に接続され、他端が送信コイル１４の他端、及び、インバータ１３の他方の出力端子、すなわち、スイッチング素子１３－２のソース端子に接続される。

第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７が上記のように設けられることで、送信コイル１４に供給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が、インバータ１３の各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ように調整される。さらに、非接触給電装置１が定電圧出力動作することが可能となる。なお、第１のコンデンサ１５及び第２のコンデンサ１６の静電容量、及び第１のコイル１７のインダクタンスの設定に関する詳細については後述する。

送信コイル１４は、電力供給回路１０のインバータ１３から、第１のコイル１７及び第１のコンデンサ１５を介して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。

通信器１８は、受電装置３の通信器３１から無線信号を受信する度に、その無線信号から、受電装置３からの出力電圧を表す出力電圧情報を取り出して、その出力電圧情報を制御回路１９へ出力する。そのために、通信器１８は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

制御回路１９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１９は、通信器１８から出力電圧情報を受け取る度に、その出力電圧情報に応じて、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。

制御回路１９は、受電装置３からの出力電圧が予め設定された出力電圧の許容範囲に含まれるように、力率改善回路１２を制御する。例えば、制御回路１９は、出力電圧情報に表される、受電装置３からの出力電圧が許容範囲の上限よりも高い場合、力率改善回路１２のスイッチング素子のデューティ比を低下させる。逆に、出力電圧情報に表される、受電装置３からの出力電圧が許容範囲の下限よりも低い場合、制御回路１９は、力率改善回路１２のスイッチング素子のデューティ比を増加させる。また、出力電圧情報に表される、受電装置３からの出力電圧が許容範囲に含まれる場合、制御回路１９は、力率改善回路１２のスイッチング素子のデューティ比を変化させずに一定に保つ。

さらに、制御回路１９は、インバータ１３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駆動周波数となるように、インバータ１３の二つのスイッチング素子１３－１、１３－２のオン／オフを制御する。すなわち、制御回路１９は、スイッチング素子１３－１とスイッチング素子１３－２とが交互にオンとなり、かつ、所定の駆動周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３－１がオンとなっている期間とスイッチング素子１３－２がオンとなっている期間とが等しくなるように、スイッチング素子１３－１～１３－２を制御する。なお、スイッチング素子１３－１とスイッチング素子１３－２が同時にオンとなり、交流電源が短絡されることを防止するために、制御回路１９は、スイッチング素子１３－１とスイッチング素子１３－２のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

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を介して第１の整流回路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、第１の整流回路２３の他方の入力端子に接続される。

受信コイル２１は、共振コンデンサ２２とともに、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、受信した電力を第１の整流回路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、受信コイル２１と直列に接続される。すなわち、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、他端で第１の整流回路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とともに共振することで受信した電力を第１の整流回路２３へ出力する。

第１の整流回路２３は、例えば、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とすることができる。第１の整流回路２３の入力側の二つの端子の一方は、共振コンデンサ２２と接続され、入力側の二つの端子の他方は、受信コイル２１と接続される。また、第１の整流回路２３の出力側の二つの端子の一方は、平滑コンデンサ２４の一端と接続され、出力側の二つの端子の他方は、平滑コンデンサ２４の他端と接続されるとともに接地される。そして第１の整流回路２３は、共振回路２０から出力された交流電力を、平滑コンデンサ２４とともに整流して直流電力に変換する。

平滑コンデンサ２４は、第１の整流回路２３または第２の整流回路２６とともに、共振回路２０またはサブコイル２５を介して受電した交流電力を直流電力に変換する。そして平滑コンデンサ２４は、その直流電力を、負荷回路３２へ出力する。そのために、平滑コンデンサ２４の一端は、第１の整流回路２３の出力側の二つの端子の一方、第２の整流回路２６の出力側の二つの端子の一方、及び、負荷回路３２の一端と接続される。また、平滑コンデンサ２４の他端は、第１の整流回路２３の出力側の二つの端子の他方、第２の整流回路２６の出力側の二つの端子の他方、及び、負荷回路３２の他端と接続される。

サブコイル２５は、共振回路２０の受信コイル２１と電磁結合可能に設けられる。例えば、サブコイル２５と受信コイル２１とは、同一の芯線に対して巻き付けられる。またサブコイル２５の両端は、それぞれ、第２の整流回路２６の二つの入力端子と接続される。このようなサブコイル２５が設けられることで、共振回路２０に掛かる電圧が過度に上昇することが抑制される。例えば、負荷回路３２による負荷が増大したときに、非接触給電装置１が定電圧出力動作を維持しようとして受信コイル２１に係る電圧が上昇すると、その電圧の上昇に伴ってサブコイル２５に掛かる電圧も高くなる。そしてサブコイル２５からの電圧が受電装置３の出力電圧よりも高くなれば、伝送された電力の一部がサブコイル２５から第２の整流回路２６を介して平滑コンデンサ２４へ流れるので、共振回路２０に過度な電圧が掛かることが抑制される。一方、共振回路２０から第１の整流回路２３及び平滑コンデンサ２４を介して負荷回路３２へ出力される電圧がある程度の大きさとなる場合には、平滑コンデンサ２４の両端子間電圧の方が、サブコイル２５の両端子間に掛かる電圧による、第２の整流回路２６の二つの出力端子間の電圧よりも高くなる。そのため、サブコイル２５から平滑コンデンサ２４へは電流は流れない。そのため、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続している場合には、サブコイル２５は、その定電圧出力動作に影響しない。

なお、サブコイル２５の巻き数nsが受信コイル２１の巻き数nmよりも少なくなるように、サブコイル２５の巻き数nsは設定されることが好ましい。さらに、サブコイル２５の巻き数nsに対する受信コイル２１の巻き数nmの比(nm/ns)は、サブコイル２５の想定される電圧波高最大値が、非接触給電装置１が定電圧出力動作を実行しているときの平滑コンデンサ２４からの出力電圧以下となるように設定されることが好ましい。この出力電圧は、負荷回路３２の仕様に応じて設定される。

第２の整流回路２６は、例えば、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とすることができる。なお、第２の整流回路２６は、他の形式の整流回路であってもよい。第２の整流回路２６の入力側の二つの端子の一方は、サブコイル２５の一端と接続され、その二つの端子の他方は、サブコイル２５の他端と接続される。また、第２の整流回路２６の出力側の二つの端子の一方は、平滑コンデンサ２４の一端と接続され、出力側の二つの端子の他方は接地される。そして第２の整流回路２６は、サブコイル２５の両端子間に掛かる電圧に応じた、第２の整流回路２６の出力側の二つの端子間の電圧が平滑コンデンサ２４の両端子間電圧よりも高い場合に、サブコイル２５から出力された電力を平滑コンデンサ２４へ出力する。

電圧検出回路２７は、平滑コンデンサ２４の両端子間の電圧、すなわち、受電装置３から負荷回路３２への出力電圧を所定の周期ごとに測定する。電圧検出回路２７は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。そして電圧検出回路２７は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を判定回路３０へ出力する。

抵抗２８は、スイッチング素子２９とともに負荷回路３２と並列になるように、第１の整流回路２３及び第２の整流回路２６と接続される。すなわち、抵抗２８の一端は、第１の整流回路２３の二つの出力側の端子の一方及び第２の整流回路２６の二つの出力側の端子の一方と平滑コンデンサ２４の一端との間に接続され、抵抗２８の他端は、スイッチング素子２９を介して接地される。そして抵抗２８は、スイッチング素子２９がオンとなることで第１の整流回路２３または第２の整流回路２６から出力された電流が流れるようになる。したがって、スイッチング素子２９のオンとオフとが切り替えられることで、疑似的に、受電装置３と接続される負荷回路３２の抵抗が変化したことと同じ効果を得ることができる。

スイッチング素子２９は、例えば、MOSFETであり、抵抗２８とともに負荷回路３２と並列になるように、第１の整流回路２３及び第２の整流回路２６と接続される。スイッチング素子２９は、オフとなると第１の整流回路２３及び第２の整流回路２６から抵抗２８へ電流が流れないようにし、一方、オンとなると第１の整流回路２３及び第２の整流回路２６から抵抗２８へ電流が流れるようにする。

判定回路３０は、所定の周期ごとに、電圧検出回路２７から受け取った出力電圧の測定値に基づいて、出力電圧の測定値が、出力電圧の許容範囲内に含まれているか否か判定する。さらに、判定回路３０は、所定の周期ごとに、出力電圧の測定値を表す出力電圧情報を生成し、生成した出力電圧情報を通信器３１へ通知する。そのために、判定回路３０は、例えば、出力電圧の許容範囲を記憶するメモリ回路と、出力電圧の測定値とその許容範囲とを比較する演算回路と、スイッチング素子２９のオン／オフを制御するための制御回路を有する。

判定回路３０は、出力電圧の測定値が、出力電圧の許容範囲から外れている間、一定の周期でスイッチング素子２９のオン／オフを切り替える。これにより、その一定の周期で、受電装置３と接続される、負荷回路３２を含む回路全体の抵抗値が変化する。したがって、判定回路３０は、スイッチング素子２９のオン／オフを切り替えながら、出力電圧の測定値が略一定となるか否かを判定することで、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かを判定できる。そこで、判定回路３０は、出力電圧の測定値が出力電圧の許容範囲から外れている間、スイッチング素子２９のオン／オフを切り替える。一方、出力電圧の測定値が出力電圧の許容範囲に含まれる場合、判定回路３０は、スイッチング素子２９をオフの状態に保つ。

通信器３１は、所定の送信周期ごとに、判定回路３０から受け取った出力電圧情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の通信器１８へ向けて送信する。そのために、通信器３１は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、通信器１８と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

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１９は、通信器１８から受け取った出力電圧情報に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続し、かつ、受電装置３からの出力電圧が許容範囲内に含まれるように、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。以下では、受電装置３からの出力電圧を単に出力電圧と呼ぶことがある。

ここで、非接触給電装置１が定電圧出力動作するための、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駆動周波数の近傍では、駆動周波数の変化に対する、出力電圧の変動が小さいことが好ましい。駆動周波数の変化に対する出力電圧の変動が大きいと、送信コイル１４と受信コイル２１の位置関係が僅かに変化し、あるいは、送電装置２または受電装置３の個々の素子の回路定数が僅かに変化するだけでも、電力伝送の効率が変動してしまうためである。さらに、電力伝送効率を向上するためには、駆動周波数またはその近傍の周波数において、出力電圧の周波数特性が極大値を有することが好ましい。

図２は、非接触給電装置１における、伝送される電力に関するゲインの周波数特性の一例を示す模式図である。図２において、横軸は周波数を表し、縦軸はゲインを表す。そしてグラフ２００は、ゲインの周波数特性の一例を表す。周波数特性２００では、互いに異なる三つの周波数にてゲインの極大値が得られる。ゲインが極大値となる周波数のうち、周波数f0近傍では、周波数の変化に対するゲインの変動が、ゲインが極大値となる他の周波数の近傍よりも緩やかとなる。そのため、駆動周波数が、周波数f0またはその近傍の周波数となるように、電力供給回路１０のインバータ１３が制御されることが好ましい。この周波数f0は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数となる。そこで以下では、周波数f0が共振回路２０の共振周波数となることについて説明する。

図３は、送電装置２の送信コイル１４、第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７と、受電装置３の共振回路２０との等価回路図である。この等価回路３００において、パラメータL_inは、第１のコイル１７のインダクタンスを表す。また、パラメータC₁及びC_pは、それぞれ、第１のコンデンサ１５の静電容量及び第２のコンデンサ１６の静電容量を表す。さらに、パラメータL_p及びパラメータL_sは、それぞれ、送信コイル１４のインダクタンス及び受信コイル２１のインダクタンスを表し、パラメータC_sは、共振コンデンサ２２の静電容量を表す。さらにまた、パラメータMは、送信コイル１４と受信コイル２１間の相互インダクタンスである。なお、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度をkとすると、M=k(L_pL_s)^1/2である。

この等価回路３００のF行列は次式で表される。

なお、パラメータωは、駆動周波数fに対応する角周波数であり、ω=2πfである。

したがって、端子定数Aは次式で表される。なお、端子定数Aは、共振回路２０からの出力電流I2=0としたときの共振回路２０からの出力電圧V2に対する、第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７を介して送信コイル１４へ印加される交流電力の電圧（以下、便宜上入力電圧と呼ぶ）V1の比(V1/V2)の伝達特性を表す。

さらに、共振回路２０からの出力電圧V2=0としたときの出力電流I2に対する入力電圧V1の比(V1/I2)の伝達特性を表す端子定数Bは次式で表される。

また、共振回路２０からの出力電圧のゲインGは、次式で表される。

ここで、パラメータRは、負荷回路３２の交流等価抵抗値である。

（４）式に示されるように、ゲインGは、端子定数A、端子定数B及び負荷回路３２の交流等価抵抗値により定められる。このうち、端子定数Aについては、（２）式に示されるように、送電装置２側の個々の素子の回路定数のみにしたがって定まり、かつ、端子定数Aが0となる角周波数ωが二つ存在する。さらに、端子定数Aが0となる二つの角周波数は、角周波数ωの4次または2次の項で定められる角周波数となることから、その二つの角周波数の近傍では、角周波数の変化に伴って端子定数Aが急激に変化することになる。

一方、端子定数Bについては、（３）式に示されるように、角周波数ωの3次以上の項が存在するため、端子定数Bが0となる角周波数ωが少なくとも三つ存在する。そして端子定数Bが0となる角周波数のうちの一つが、図２における周波数f0に対応する。なお、端子定数Bが0とならない角周波数の何れかにおいて、端子定数Bが端子定数Aよりも大きくなるように、送電装置２の各コイル及び各コンデンサの回路定数及び受電装置３の受信コイル２１及び共振コンデンサ２２の回路定数が設定されることが好ましい。このように各素子の回路定数が設定されることで、端子定数Aが0となる角周波数から十分に離れ、かつ、端子定数Bが0となる角周波数の近傍では、ゲインGに関して端子定数Aの項が支配的となり、それ以外の端子定数Bが0とならない角周波数では、ゲインGに関して端子定数Bの項が支配的になる。そのため、図２における周波数f0でのゲインの値が、その近傍の周波数でのゲインとの差が相対的に大きくなる。

（３）式において、端子定数B=0とし、かつ、1>>k²が成立するとして、k²の項を無視して（３）式を角周波数の２乗について解くと、以下の解が得られる。

これらの解のうち、一つ目の解は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数に相当する。そしてこの解に相当する周波数が、図２における周波数f0に相当する。

さらに、（４）式から明らかなように、端子定数Bが0になる角周波数では、ゲインGは負荷回路３２の抵抗に依存しなくなる。したがって、駆動周波数を、端子定数Bが0になる角周波数に相当する周波数またはその近傍の周波数に設定することで、非接触給電装置１は定電圧出力動作する。

したがって、駆動周波数を共振回路２０の共振周波数を含む所定の周波数範囲に含まれる周波数に設定することで、非接触給電装置１は定電圧出力動作をすることが可能となるとともに、電力伝送効率を向上することができる。なお、所定の周波数範囲は、例えば、負荷回路３２の抵抗の変動による出力電圧の変動が、非接触給電装置１が実装されるシステムにおける出力電圧の許容範囲に含まれるように設定されればよい。

さらに、送信コイル１４と受信コイル２１の結合度kが、1>>k²の条件が満たされる限り（例えば、結合度kが0.2またはそれ以下となる場合）、送信コイル１４と受信コイル２１の位置関係が多少変化しても、非接触給電装置１が定電圧出力動作するための駆動周波数は変化しない。そのため、送電装置２の制御回路１９は、送信コイル１４と受信コイル２１の位置関係が多少変化しても、インバータ１３のスイッチング素子１３－１～１３－２のオン／オフを切り替える周期を変更しなくてよい。

さらに、インバータ１３がソフトスイッチングするためには、送信コイル１４に供給される交流電力の位相に対する、送信コイル１４を流れる電流の位相の遅れ量を適切な値とすることが求められる。そのために、送電装置２における、送信コイル１４，第１のコンデンサ１５及び第２のコンデンサ１６により構成される閉ループの共振周波数(閉ループ共振周波数)Fpが、駆動周波数Fswよりも高くなることが好ましい。なお、この閉ループの共振周波数Fpは、次式で表される。

したがって、送信コイル１４のインダクタンス、第１のコンデンサ１５及び第２のコンデンサ１６の静電容量が（６）式を満たすように設定されることで、送信コイル１４に供給される交流電力の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が大きくなり過ぎることが抑制される。その結果として、インバータ１３の各スイッチング素子におけるスイッチングロスが軽減される。

図４は、非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図４において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。また、このシミュレーションにおいて、第１のコンデンサ１５の静電容量C₁を40.1nFとし、第２のコンデンサ１６の静電容量C_pを45.6nFとした。また、第１のコイル１７のインダクタンスL_inを70.0μHとした。さらに、送信コイル１４及び受信コイル２１のインダクタンスをそれぞれ160μHとした。さらにまた、共振コンデンサ２２の静電容量C_sを22.4nFとした。また、送電側の巻き線抵抗値及び受電側の巻き線抵抗値を0.13Ωとした。さらにまた、インバータ１３が出力する交流電力の電圧V_inを440Vとした。グラフ４０１は、送信コイル１４と受信コイル２１の結合度k=0.11、負荷回路３２の交流等価抵抗値を20Ωとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０２は、結合度k=0.11、負荷回路３２の交流等価抵抗値を2kΩとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。グラフ４０１及びグラフ４０２に示されるように、共振回路２０の共振周波数f1(=84.1kHz)において、負荷回路３２の交流等価抵抗値が変化しても、出力電圧が一定に保たれていることが分かる。さらに、共振周波数f1において、出力電圧の周波数特性は極大値を有し、かつ、他の極値となる周波数よりも、周波数変動に対する出力電圧の変動が緩やかとなっていることが分かる。そのため、駆動周波数fswを共振回路２０の共振周波数f1を含む所定の周波数内の周波数に設定することで、非接触給電装置１は、定電圧出力動作することが可能であるとともに、電力伝送効率を向上できることが分かる。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置では、送電装置が、電力供給回路のインバータと送信コイルの一端の間に直列に接続される第１のコイル及び第１のコンデンサと、第１のコイルと第１のコンデンサの間に一端が接続され、かつ、他端が送信コイルの他端と接続される第２のコンデンサを有するように構成される。そして送信コイルに供給される駆動周波数が、受電装置の共振回路の共振周波数を含む所定の周波数範囲内に設定されることで、この非接触給電装置は、定電圧出力動作を可能としつつ、電力伝送効率を向上することができる。

図５は、変形例による受電装置の概略構成図である。この変形例による受電装置４は、図１に示される受電装置３と比較して、サブコイル２５を短絡するか開放するかを切り替えるためのスイッチ回路４１を有する点、及び、判定回路３０が、スイッチ回路４１のオン／オフの切り替えを制御する点で相違する。そこで、以下では、スイッチ回路４１及びその関連部分について説明する。受電装置４のその他の構成要素については、上記の実施形態における対応する構成要素の説明を参照されたい。

スイッチ回路４１は、例えば、リレーあるいはMOSFETを有する。スイッチ回路４１の一端は、サブコイル２５の一端と第２の整流回路２６の入力側の一方の端子との間に接続され、スイッチ回路４１の他端は、サブコイル２５の他端と第２の整流回路２６の入力側の他方の端子との間に接続される。なお、スイッチ回路４１がMOSFETで構成される場合、スイッチ回路４１は、ボディダイオードが逆向きとなるように互いに直列に接続される二つのMOSFETを有することが好ましい。

判定回路３０は、電圧検出回路２７により得られた、出力電圧の測定値を上限閾値（第１の上限閾値）と比較し、その結果に応じてスイッチ回路４１のオン／オフを切り替える。すなわち、判定回路３０は、出力電圧の測定値が上限閾値以上となると、スイッチ回路４１をオンにして、サブコイル２５を短絡し、一方、出力電圧の測定値が上限閾値未満になると、スイッチ回路４１をオフにして、サブコイル２５を開放する。なお、上限閾値は、非接触給電装置が定電圧出力動作するときの負荷回路３２に印加される電圧よりも高い値、特に、許容範囲の上限値以上の値に設定されることが好ましい。なお、判定回路３０は、出力電圧の測定値が上限閾値以上となったことを、通信器３１を介して送電装置２の通信器１８へ通知してもよい。この場合、送電装置２の制御回路１９は、通信器１８から出力電圧の測定値が上限閾値以上となったことを通知されると、電力供給回路１０から送信コイル１４へ供給される交流電力の電圧を低下させるよう、力率改善回路１２を制御してもよい。

スイッチ回路４１がオンとなってサブコイル２５が短絡されると、共振回路２０の共振周波数が変化する。そのため、共振回路２０からの出力電圧が過度に上昇しても、サブコイル２５が短絡されることで、送電装置２から受電装置４へ伝送される電力が低下するので、共振回路２０からの出力電圧も低下する。そのため、この変形例によれば、非接触給電装置は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度の変動に応じた、受信コイル２１に掛かる電圧の上昇を抑制できる。そのため、この非接触給電装置は、共振回路からの出力電圧が過度に上昇して受電装置または負荷回路が故障することを防止できる。

他の変形例によれば、受電装置３において過度な電圧が生じることがないように、送信コイル１４と受信コイル２１の位置関係が、送電装置２が実装される機器と受電装置３が実装される機器のそれぞれの構造により保証されている場合、サブコイル２５及び第２の整流回路２６は省略されてもよい。これにより、受電装置３の回路構成が簡単化される。

また、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kが一定でなく、電力伝送の度に、あるいは電力伝送の途中で結合度kが変動する可能性があり、かつ、1>>k²の制約条件を満たさないほど結合度kが大きな値を取り得ることがある。このような場合、送電装置２の制御回路１９は、駆動周波数を調整して、非接触給電装置１が定電圧出力動作を実行することが可能な駆動周波数を探索してもよい。この場合、受電装置３の判定回路３０は、出力電圧が許容範囲から外れると、スイッチング素子２９のオン／オフを切り替えて疑似的に受電装置３に接続される負荷を変動させながら、出力電圧が略一定となるまで、出力電圧が一定でないことを示す情報を、通信器３１を介して送電装置２へ通知する。制御回路１９は、通信器１８を介して、受電装置３から、出力電圧が一定でないことを示す情報を受信している間、インバータ１３の各スイッチング素子のオン／オフの切替周期を変更することで駆動周波数を変化させ、そのような情報を受信しなくなった時点で、駆動周波数を一定に保つようにすればよい。

さらに他の変形例によれば、送電装置２において、インバータ１３に対する、送信コイル１４、第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７の接続位置は上記の例に限られない。

図６～図８は、それぞれ、変形例による、送電装置２におけるインバータ１３と、送信コイル１４、第１のコンデンサ１５、第２のコンデンサ１６及び第１のコイル１７との接続位置関係の例を示す図である。なお、以下では、上記の実施形態における送電装置２に対して異なる点について説明する。

図６に示される例では、第１のコイル１７は、送信コイル１４とインバータ１３との間において、第１のコイル１５が接続される側とは逆側に接続される。すなわち、第１のコイル１７は、送信コイル１４の第１のコイル１５が接続される一端とは反対側の一端と、インバータ１３のスイッチング素子１３－２のソース端子との間に接続される。

図７に示される例では、力率改善回路１２は、直列に接続される二つの平滑コンデンサC1、C2を有する。そして送信コイル１４の第１のコイル１５が接続される方とは逆側の一端、及び、第２のコンデンサ１６の第１のコイル１５が接続される方とは逆側の一端が、平滑コンデンサC1と平滑コンデンサC2の間に接続される。

図８に示される例では、第１のコイル１７は、上記の実施形態と同様に、インバータ１３の二つのスイッチング素子１３－１、１３－２の間に一端が接続され、他端が送信コイル１４の一端と接続されるように配置される。一方、送信コイル１４の他端は、第１のコイル１５を介して、スイッチング素子１３－１のドレイン端子と接続される。

これらの変形例についても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。

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 送電装置
１０ 電力供給回路
１１ 全波整流回路
１２ 力率改善回路
１３ インバータ
１３－１～１３－２ スイッチング素子
１４ 送信コイル
１５ 第１のコンデンサ
１６ 第２のコンデンサ
１７ 第１のコイル
１８ 通信器
１９ 制御回路
３、４ 受電装置
２０ 共振回路
２１ 受信コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 第１の整流回路
２４ 平滑コンデンサ
２５ サブコイル
２６ 第２の整流回路
２７ 電圧検出回路
２８ 抵抗
２９ スイッチング素子
３０ 判定回路
３１ 通信器
３２ 負荷回路
４１ スイッチ回路

Claims (2)

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、
   所定の駆動周波数を持つ交流電力を前記送信コイルへ供給する電力供給回路と、
   前記電力供給回路と前記送信コイルの一端との間に接続される第１のコンデンサと、
   前記電力供給回路と前記送信コイルの前記一端または他端と前記電力供給回路との間に接続される第１のコイルと、
   前記第１のコンデンサに一端が接続され、他端が前記送信コイルの前記他端と接続される第２のコンデンサと、
   前記駆動周波数を持つ交流電力が前記送信コイルへ供給されるように前記電力供給回路を制御する制御回路とを有し、
   前記受電装置は、
   前記送電装置の前記送信コイルを介して電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有する共振回路を有し、
   前記制御回路は、前記駆動周波数が前記共振回路の共振周波数を含む所定の周波数範囲に含まれるように前記電力供給回路を制御する、
   非接触給電装置。
2. 前記送電装置において、前記送信コイル、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサにより構成される閉ループの閉ループ共振周波数が、前記駆動周波数よりも高くなるように、前記送信コイルのインダクタンス、前記第１のコンデンサの静電容量及び前記第２のコンデンサの静電容量が設定される、請求項１に記載の非接触給電装置。

Images