JP5561210B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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本発明は、非接触電力伝送装置に関するものである。
特許文献1に記載の非接触電力伝送装置においては、1次側の非接触コンセントにおいてインバータ回路は直流電圧を入力して一定周波数の高周波電圧を発生させて電力送電用1次コイルに供給し、2次側の非接触プラグにおいて整流平滑回路は電力受電用2次コイルに励起される高周波電圧を整流平滑する。そして、インバータ回路により電力送電用1次コイルに供給される一定周波数の高周波電圧を間引く間引き制御が行われる。
この種の非接触電力伝送装置における出力調整可能とした構成を図6に示す。図6の非接触電力伝送装置は、高周波電源100と負荷(例えばバッテリ)160とが、1次側コイルユニット130と2次側コイルユニット140と整流器150とを介して接続されている。高周波電源100はAC/DC部110およびDC/RF部120で構成され、AC/DC部110は整流部111とDC/DC部112を備えている。整流部111は入力する交流電圧を整流し、DC/DC部112は整流後の電圧を調整し、DC/RF部120はDC/DC部112の出力電圧(直流電圧)を高周波電圧に変換して出力する。負荷への出力の調整は、DC/DC部112でDC/RF部120への出力電圧を増減することにより行われる。
具体的に、最大出力時(図7の波形図)と50%出力時(図8の波形図)について説明する。最大出力時には、DC/RF部120において図7(a)に示すように電圧値V1の直流電圧を入力し、図7(b)に示すように電圧値V1の高周波電圧を出力し、整流器150で整流することにより図7(c)に示す電圧値V10の直流電圧を負荷160に供給する。50%出力時には、DC/RF部120において図8(a)に示すように電圧値V1の半分の直流電圧を入力し、図8(b)に示すようにV1/2の電圧値の高周波電圧を出力し、整流器150で整流することにより図8(c)に示す電圧値V10の半分の直流電圧を負荷160に供給する。このようにして、DC/DC部112の出力電圧の振幅の変化で負荷への出力電力を増減する。
特開2002−10535号公報
ところが、図6のシステム構成とした場合には、高周波電源の効率(システム全体の効率)が各ユニットの効率の積み上げ、
即ち、
(整流部111の効率)×(DC/DC部112の効率)×(DC/RF部120の効率)
となり、高効率のシステム構築が難しい。
本発明の目的は、効率を向上させることができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
請求項1に記載の発明では、入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける1次側コイルと、前記1次側コイルからの電力を受電する2次側コイルと、前記2次側コイルにより受電された電力が供給されるバッテリと、前記2次側コイルと前記バッテリの間に設けられた整流器と、を備えた非接触電力伝送装置であって、前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、前記バッテリの充電状態に応じて当該パルス出力のデューティを調整することにより前記バッテリへの出力を増減する出力調整手段を設けたことを要旨とする。
請求項1に記載の発明によれば、高周波変換部において、入力電圧が高周波電圧に変換されて出力される。1次側コイルにおいて、高周波変換部から高周波電圧の供給を受け、2次側コイルにおいて、1次側コイルからの電力が受電される。2次側コイルにより受電された電力が整流器を介してバッテリに供給される。出力調整手段において、高周波変換部への出力電圧がパルス出力にされ、当該パルス出力のデューティを調整することによりバッテリへの出力が増減される。このように、DC/DC部でDC/RF部への出力の振幅を調整することによりバッテリへの出力を増減する従来方式に比べ、本発明では出力振幅は一定でよいので、従来必要であったDC/DC部が不要となり、効率を向上させることができる。
請求項2に記載のように、請求項1に記載の非接触電力伝送装置において、前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にする構成とすることができる。
また、請求項3に記載の発明では、入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける1次側コイルと、前記1次側コイルからの電力を受電する2次側コイルと、前記2次側コイルにより受電された電力が供給される負荷と、前記2次側コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、を備えた非接触電力伝送装置であって、前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、当該パルス出力のデューティを調整することにより前記負荷への出力を増減する出力調整手段を設け、前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にするこを要旨とする
本発明によれば、効率を向上させることができる。
実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 (a),(b),(c)は作用を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 (a),(b),(c)は作用を説明するための50%出力時の模式的な波形図。 (a),(b),(c)は別例における作用を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 (a),(b),(c)は別例における作用を説明するための50%出力時の模式的な波形図。 背景技術を説明するための非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 (a),(b),(c)は背景技術を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 (a),(b),(c)は背景技術を説明するための50%出力時の模式的な波形図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、非接触電力伝送装置10は、高周波電源20と、高周波電源20に接続された1次側誘導コイル31と、1次側共鳴コイル32と、2次側共鳴コイル41と、2次側誘導コイル42と、2次側誘導コイル42に接続された整流器50と、整流器50に接続された負荷60を備えている。1次側共鳴コイル32にはコンデンサ33が並列に接続されている。2次側共鳴コイル41にはコンデンサ43が並列に接続されている。
1次側誘導コイル31と1次側共鳴コイル32とコンデンサ33とにより1次側共鳴器30を構成するとともに、2次側共鳴コイル41と2次側誘導コイル42とコンデンサ43とにより2次側共鳴器40を構成している。また、1次側誘導コイル31、1次側共鳴コイル32、2次側共鳴コイル41、2次側誘導コイル42、整流器50、負荷60およびコンデンサ33,43は共鳴系を構成する。
高周波電源20は、高周波電圧を出力する電源である。高周波電源20は、出力調整手段としての整流部21と、高周波変換部としてのDC/RF部22と、電源制御部23を備えている。整流部21は、AC100ボルト/200ボルト(50Hz/60Hz)の電源と接続され、交流電圧を入力して全波整流するとともに平滑化して直流電圧を出力する。DC/RF部22は整流部21と接続され、整流部21からの直流電圧(入力電圧)を高周波電圧に変換して出力する。
整流部21においては、DC/RF部22への出力電圧を、図3(a)に示すようにパルス出力する。また、整流部21はパルス出力のデューティを調整することにより負荷60への出力を増減する機能を有し、電源制御部23からの指令により出力のデューティを変更するようになっている。つまり、図3(a)において、1周期の時間T1に対するHレベルとなっている時間T2の比、即ち、T2/T1を変更する。
1次側誘導コイル31、1次側共鳴コイル32、2次側共鳴コイル41および2次側誘導コイル42は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの巻径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では1次側誘導コイル31、1次側共鳴コイル32、2次側共鳴コイル41および2次側誘導コイル42は、同じ巻径に形成されている。1次側共鳴コイル32および2次側共鳴コイル41は同じに形成され、各コンデンサ33,43として同じコンデンサが使用されている。
非接触電力伝送装置10は、車両に搭載されたバッテリ(2次電池)に対して非接触充電を行うシステムに適用することができる。具体的には、2次側共鳴コイル41、2次側誘導コイル42、コンデンサ43、整流器50および負荷60(バッテリ)が車両に搭載され、高周波電源20、1次側誘導コイル31、コンデンサ33、1次側共鳴コイル32が、バッテリに非接触状態で充電を行う充電装置に装備され、この充電装置は地上側設備(充電ステーション)に設けられる。
次に、このように構成した非接触電力伝送装置10の作用を説明する。
負荷60への電力伝送時には、例えば、車両が給電(充電)装置の近くの所定位置に停止した状態で負荷60(例えばバッテリ)への給電が行われる。
高周波電源20において、整流部21は入力する交流電圧を整流し、DC/RF部22は直流電圧を高周波電圧に変換して出力する。そして、高周波電源20から1次側誘導コイル31に共鳴系の共鳴周波数で高周波電圧が出力され、1次側誘導コイル31において高周波電源20から高周波電圧の供給を受ける。さらに、1次側共鳴コイル32において1次側誘導コイル31から電力が電磁誘導により供給され、2次側共鳴コイル41において1次側共鳴コイル32からの電力を磁場共鳴して受電する。そして、2次側誘導コイル42において2次側共鳴コイル41により受電された電力を電磁誘導により取り出す。
つまり、一次側コイルとしての1次側誘導コイル31で、DC/RF部22から高周波電圧の供給を受け、二次側コイルとしての2次側誘導コイル42で、1次側誘導コイル31からの電力を受電することができる。
そして、2次側誘導コイル42により受電された電力が負荷60に供給される。このとき、2次側誘導コイル42と負荷60との間に設けられた整流器50において整流された後に負荷60(例えばバッテリ)に直流電圧が供給される。
次に、高周波出力電力の増減動作、即ち、負荷60への出力電圧の増減動作について説明する。
高周波電源20において電源制御部23は負荷60の状態(例えば、バッテリの充電状態)に応じて整流部21に指令を出して出力のデューティを変更させる。つまり、出力振幅は一定で出力のデューティの変化で出力電圧を増減させる。
図2には、最大出力時の出力波形を示す。図3には、50%出力時の出力波形を示し、実線が50%デューティを示す。
最大出力時には、高周波電源20のDC/RF部22において図2(a)に示すように電圧値V20の直流電圧を入力し、図2(b)に示すように電圧値V20の高周波電圧を出力し、整流器50で整流することにより図2(c)に示す電圧値V30の直流電圧を負荷60に供給する。
50%出力時には、高周波電源20のDC/RF部22において図3(a)に示すように50%デューティの直流電圧を入力し、図3(b)に示すように高周波電圧を出力し、整流器50で整流することにより図3(c)に示す電圧値V30の半分の直流電圧を負荷60に供給する。
このようにして、出力振幅は一定で、出力のデューティの変化で出力電圧を増減させる。よって、出力振幅を調整するためのDC/DC部112(図6参照)が不要となる。DC/DC部112がなくなる分だけ、高周波電源の効率が向上する。つまり、図1のシステム構成とした場合には、高周波電源20の効率(システム全体の効率)が各ユニットの効率の積み上げ、
即ち、
(整流部21の効率)×(DC/RF部22の効率)
となり、高効率のシステムを構築することができる。
より具体的には、例えば、図6のシステム構成とした場合においては、整流部111の効率が90%、DC/DC部112の効率が90%、DC/RF部120の効率が90%ならば、高周波電源100の全体の効率は72.9%(=0.9×0.9×0.9)となる。これに対し、図1の本実施形態においては、整流部21の効率が90%、DC/RF部22の効率が90%ならば、高周波電源20の全体の効率は81%(=0.9×0.9)となる。このように高効率のシステムを構築することができる。
以上のごとく、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)高周波電源20において、RF出力を連続波出力からパルス出力にして、このパルス出力のデューティを可変とする。これにより、RF出力(1次側誘導コイル31への出力)を増減する。このことにより、図6のDC/DC部112が不要になる。その結果、電源効率(システム効率)が向上する。つまり、DC/DC部112でDC/RF部への出力の振幅を調整することにより負荷への出力を増減する従来方式に比べ、本実施形態では出力振幅は一定でよいので、従来必要であったDC/DC部112が不要となり、効率を向上させることができる。
また、副次的に、図6のDC/DC部112がなくなることにより、熱損失が小さくなり、冷却用のファンの駆動のために必要な電力を低減でき、さらに効率が向上する。さらに、部品点数の低減により小型化を図ることができる。
(2)高周波電源20の整流部21は、交流電圧を入力して全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にするので、波形が安定化する。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・上記実施形態においては高周波電源20ではAC100ボルト/200ボルト(50Hz/60Hz)の電源を、全波整流および平滑化してDC/RF部22に入力したが、これに代わり、AC100ボルト/200ボルト(50Hz/60Hz)の電源を、全波整流した電圧をDC/RF部22に入力して使用してもよい。このように整流部21は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にする構成としてもよい。これにより平滑化のための部品を不要にすることができ、簡素化が図られる。
より具体的に説明する。
図4には、最大出力時の出力波形を示す。図5には、50%出力時の出力波形を示し、実線が50%デューティを示す。
最大出力時には、高周波電源20のDC/RF部22において図4(a)に示すように交流の全波整流後の電圧を入力し、図4(b)に示すように高周波電圧を出力し、整流器50で整流することにより図4(c)に示す電圧値V40の直流電圧を負荷60に供給する。
50%出力時には、高周波電源20のDC/RF部22において図5(a)に示すように50%デューティの全波整流後の電圧を入力し、図5(b)に示すように高周波電圧を出力し、整流器50で整流することにより図5(c)に示す電圧値V40の半分の直流電圧を負荷60に供給する。
・上記実施形態では1次側誘導コイル31、1次側共鳴コイル32、2次側共鳴コイル41、2次側誘導コイル42を有する非接触電力伝送装置としたが、電磁誘導による非接触電力伝送装置、即ち、1次側共鳴コイル32と2次側共鳴コイル41がなく、1次側誘導コイル31が2次側誘導コイル42と磁気的に結合可能な位置に配置され、1次側誘導コイル31から電磁誘導により電力が供給されるような非接触電力伝送装置に適用してもよい。要は、1次側コイルと2次側コイルを有する構成であればよい。
10…非接触電力伝送装置、20…高周波電源、21…整流部、22…DC/RF部、31…1次側誘導コイル、32…1次側共鳴コイル、41…2次側共鳴コイル、42…2次側誘導コイル、50…整流器、60…負荷。

Claims (3)

  1. 入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、
    前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける1次側コイルと、
    前記1次側コイルからの電力を受電する2次側コイルと、
    前記2次側コイルにより受電された電力が供給されるバッテリと、
    前記2次側コイルと前記バッテリの間に設けられた整流器と、
    を備えた非接触電力伝送装置であって、
    前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、前記バッテリの充電状態に応じて当該パルス出力のデューティを調整することにより前記バッテリへの出力を増減する出力調整手段を設けたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
  2. 前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にすることを特徴とする請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、
    前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける1次側コイルと、
    前記1次側コイルからの電力を受電する2次側コイルと、
    前記2次側コイルにより受電された電力が供給される負荷と、
    前記2次側コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、
    を備えた非接触電力伝送装置であって、
    前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、当該パルス出力のデューティを調整することにより前記負荷への出力を増減する出力調整手段を設け、
    前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にすることを特徴とする非接触電力伝送装置。
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