JP6079878B2 - 給電装置、および非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、給電装置、および非接触給電システムに関する。
本願は、２０１３年６月１４日に日本国に出願された特願２０１３−１２５８５５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献１には、給電装置及び受電装置を簡素化可能な非接触給電システムが開示されている。この非接触給電システムにおいて、給電装置は、自身の一次自己共振コイルと受電装置の二次自己共振コイルとの距離を推定し、この距離に応じて給電を制御するため、受電装置との通信を行うことでこの距離を推定する必要がない。つまり、通信機能を必要としないので、受電装置と共に構成を簡素化することができる。また、関連技術として、特許文献２には、受電装置側の負荷が開放状態の場合、または低負荷状態で使用されるような場合に、受電装置の部品の破壊防止、またはその部品の発熱防止が図れる非接触電力装置が開示されている。負荷検出・送電制御装置は、受電装置に接続されるべき負荷が無負荷または低負荷か否かを検出し、それが無負荷または低負荷のときに、送電装置の発振回路の発振周波数を所定値に低下させる。これにより、受電装置の出力電圧を低下させることができ、その負荷の異常による弊害を防止できる。さらに、別の関連技術として、特許文献３には、負荷のレベルが変動した場合でも、共振電圧ＶCを一定にすることができるので、ＦＥＴ等の耐圧レベルを超えないようにすることができ、部品の電圧破壊や寿命の劣化などを防止できる技術が開示されている。
特開２０１０−２５２４４６号公報 特開２００５−００６４５９号公報 特開平０８−０８００４２号公報
上記の従来技術において、給電装置は、共振用コイル（上記の一次自己共振コイル）や共振用コンデンサ、あるいはフィルタとして用いられるリアクトル等の複数の素子によって構成されている。これら素子については量産時における製品ロット毎の特性ばらつきや使用環境の温度変化に伴う特性ばらつき、あるいは共振用コイルに関しては設置場所の周りに配置されたアルミニウム等の磁束遮蔽材との距離に応じたインダクタンスの変化が発生する。このため、上記従来技術では、回路の特性が変わってしまい、各素子に予期しない電圧が印加されて破損する可能性がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、素子の破損を防ぐことを目的とする。
本発明の第１の態様は、インバータ回路と、前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する共振回路と、前記インバータ回路、あるいは前記共振回路を構成する特定の素子の端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記インバータ回路を構成する各々のスイッチング素子のオンとオフを制御する各々のスイッチング信号のパラメータを調整するスイッチング制御部と、を備える給電装置である。
本発明の第２の態様は、外部から供給された電力に基づく電力が供給される電圧変換器と、前記電圧変換器に接続されたインバータ回路と、前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する共振回路と、前記電圧変換器回路、前記インバータ回路、あるいは前記共振回路を構成する特定の素子の端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記電圧変換器又は前記インバータを制御するスイッチング制御部とを備え、前記スイッチング制御部は、前記端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記電圧変換器の変圧比を調整すること、又は前記インバータ回路を構成する各々のスイッチング素子のオンとオフを制御する各々のスイッチング信号のパラメータを調整することの少なくとも一方を行う給電装置である。
本発明の第３の態様は、インバータ回路、前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する第１の共振回路、前記インバータ回路、あるいは前記共振回路を構成する特定の素子の第１端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記インバータ回路を構成するスイッチング素子のそれぞれのオンとオフを制御する各々のスイッチング信号のパラメータを調整するスイッチング制御部、を有する給電装置と、給電装置から非接触方式で前記交流電力を受け取る第２の共振回路と、前記共振回路と接続され、バッテリに電力を供給する整流回路と、を有する非接触給電システムである。
本発明によれば、給電装置の素子の端子間電圧がリミット値を超えないような制御により素子の破損を防ぐことができる。
本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの動作を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路のスイッチングのタイミングを示す図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路のスイッチングのタイミングを示す図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路におけるレグのスイッチングの位相差に応じた電力変化を示す図である。
＜第1の実施の形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態について説明する。本実施形態に係る非接触給電システムの概要構成は図１に開示されている。また給電装置Ｒの一部の詳細が図３に記載されている。
本実施形態に係る非接触給電システムは、図１に示すように、給電装置Ｓと受電装置Ｒによって構成されている。また、図示するように、給電装置Ｓは、整流回路１、チョッパ回路２ （電圧変換器）、インバータ回路３、共振回路４、通信部５、電圧計測部６及びスイッチング制御部７から構成されている。一方、受電装置Ｒは、共振回路１１、整流回路１２、電圧計測部１３、通信部１４及び制御部１５から構成されている。
なお、通信部５は、本実施形態における受信手段である。また、通信部１４は、本実施形態における送信手段である。また、スイッチング制御部７は、本実施形態における制御手段である。
給電装置Ｓは、地上に設けられた給電施設に固定配置され、移動体に非接触で交流電力を供給する装置であり、バッテリＢ（負荷）に直流電力を供給する。上記給電施設は、移動体の停車スペースが単数あるいは複数設けられた施設であり、停車スペースの個数に相当する給電装置Ｓを備えている。一方、受電装置Ｒは、上記移動体に備えられ、給電装置Ｓから供給された交流電力を直流電力に変換して蓄電する装置である。なお、上記移動体は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等、外部からの受電を必要とする車両である。
給電装置Ｓにおける整流回路１は、例えばダイオードブリッジであり、外部の商用電源から供給される商用電力（例えば単相１００ボルト、５０Ｈｚ）を全波整流してチョッパ回路２に出力する。この整流回路１からチョッパ回路２に供給される電力（全波整流電力）は、正弦波状の商用電力がゼロクロス点で折り返されて片極性（例えばプラス極性）の脈流である。
チョッパ回路２は、スイッチング制御部７によってスイッチング動作が制御されることにより、自らの出力電圧を調整してインバータ回路３に出力する。具体的には、チョッパ回路２の一例として、図３に示すような昇圧チョッパ回路２がある。なお、チョッパ回路２は昇降圧チョッパ回路でも良いが、ここでは昇圧チョッパ回路の例を用いて説明する。チョッパ回路２は、コイル２１と、コイル２１に接続され、スイッチング制御部７からの制御信号（スイッチング信号）に基づいてオンとオフの動作を行うトランジスタ２３（スイッチング素子）と、コイル２１と接続されたダイオード２２と、ダイオード２２と接続されたコンデンサ２４と、を含む。スイッチング制御部７は、チョッパ回路２に含まれるトランジスタ２３（スイッチング素子）にスイッチング信号を出力する。スイッチング素子は、スイッチング制御部７からのスイッチング信号によってオンとオフを繰り返す。その結果、コイル２１に起電力が生じ、チョッパ回路２への入力電圧が昇圧される。また、コイル２１によって昇圧された電圧は、コンデンサ２４によって平滑化され、直流電圧として後段のインバータ回路３に出力される。簡潔に記載すれば、このチョッパ回路２は、昇圧チョッパ回路や昇降圧チョッパであり、整流回路１から入力された電力を昇圧あるいは昇降圧して出力する。ただし、このチョッパ回路２から出力される電力は、チョッパ回路２内のコイル２１のインダクタとしての機能、及びコンデンサ２４の平滑コンデンサとしての機能により、脈流である全波整流電力が十分に平滑化された直流電力である。
また、このチョッパ回路２は、スイッチング制御部７によってスイッチング動作が制御されることにより、力率改善回路（ＰＦＣ：Power Factor Correction）としても機能する。すなわち、チョッパ回路２は、全波整流電力を、この全波整流電力の周波数よりも十分に高い周波数で全波整流電力のゼロクロス点を基準に、スイッチングすることにより、全波整流電力の電流の通流期間を広げて力率を改善する。なお、一般にチョッパ回路が力率改善回路として機能することは周知なので、ここではチョッパ回路２の力率改善原理について詳細な説明を省略する。
インバータ回路３は、スイッチング制御部７によってスイッチング動作が制御されることにより、チョッパ回路２から供給される直流電力を特定周波数（伝送周波数）の交流電力に変換して共振回路４に出力する。例えば、図３に記載した回路でもよい。インバータ回路３の原理をわかりやすく説明するために、図３に記載された回路を用いて具体的に説明する。インバータ回路３は、直列接続されたトランジスタ３１及び３２と、直列接続されたトランジスタ３３及び３４を含む。トランジスタ３１及び３２は一つのレグ（第１のレグ）を形成し、トランジスタ３３及び３４は別のレグ（第２のレグ）を形成する。トランジスタ３１には、スイッチング制御部７からスイッチング信号Ｓ１が入力される。トランジスタ３２には、スイッチング制御部７からスイッチング信号Ｓ２が入力される。トランジスタ３３には、スイッチング制御部７からスイッチング信号Ｓ３が入力される。トランジスタ３４には、スイッチング制御部７からスイッチング信号Ｓ４が入力される。なお、トランジスタは、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等のインバータ回路を構成可能なトランジスタであればよい。またダイオード３５〜３８は帰還ダイオードであり、インバータ回路が誘導性負荷の場合、トランジスタ３１〜３４のそれぞれがOFF状態の際に流れる電流経路を形成している。
スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは、ハイレベルを示す電圧値とローレベルを示す電圧値を繰り返す矩形波の信号（ＰＷＭ信号）である。スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれに基づき、トランジスタ３１〜３４のそれぞれは、オン状態とオフ状態とを切り替える。例えばスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれがハイレベルである場合、トランジスタ３１〜３４のそれぞれは、オン状態となって電流を流し、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれがローレベルである場合、トランジスタ３１〜３４のそれぞれは、オフ状態となって高抵抗となり、電流を流さない。ただし、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４が示すハイレベルまたはローレベルと、トランジスタ３１〜３４のオンまたはオフとの関係は、ｎ型あるいはｐ型等のトランジスタの種類によって変わることは周知のとおりである。
図４は、スイッチング制御部７がトランジスタ３１〜３４のそれぞれに出力するスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の波形の具体例である。この例では、スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ３の位相差φは１８０度であることから、スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ４は同位相、スイッチング信号Ｓ２とスイッチング信号Ｓ３が同位相となる。なお、トランジスタ３１と３２に対して貫通電流が流れることを防止するため、スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ２の位相差φは１８０度である。またトランジスタ３２と３４に対して貫通電流が流れることを防止するため、スイッチング信号Ｓ３とスイッチング信号Ｓ４の位相差φは１８０度である。そして、チョッパ回路２のコンデンサ２４によって平滑化された直流電圧がインバータ回路３に入力され、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の波形に応じた電流が流れる。図４に示す例では、例えばスイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ４がハイレベルの期間では、トランジスタ３１から共振回路４の内部を介してトランジスタ３４に向かって電流が流れ、スイッチング信号Ｓ２とスイッチング信号Ｓ３がハイレベルの期間では、トランジスタ３３から共振回路の内部を介してトランジスタ３２に向かって電流が流れる。スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ４がハイレベルの期間と、スイッチング信号Ｓ２とスイッチング信号Ｓ３がハイレベルの期間とでは電流の向きが異なるため、チョッパ回路２から入力された直流電圧は交流電圧に変換されたことになる。
共振回路４では、給電コイルと給電コンデンサとが接続されている。これら給電コイル及び給電コンデンサのうち、給電コイルは、停車スペースに停車した移動体の特定箇所（受電コイルが設けられている箇所）と対向する位置に設けられている。また、この共振回路４の共振周波数は、上記インバータ回路３の駆動周波数（スイッチング周波数）と同一またはほぼ同一の周波数に設定されている。
通信部５は、給電装置５に設けられており、受電装置Ｒの通信部１４と近距離無線通信を行う。これにより、通信部１４から受電装置Ｒの状態を示す状態情報を取得する。例えば、この状態情報は、共振回路１１や整流回路１２を構成する素子（例えば、スイッチ素子、コイルあるいはコンデンサ等）の端子間電圧を示す情報である。ここで、どの素子の端子間電圧を状態情報が含むかについては、どの素子の耐圧に気を付けなければならないかという観点から決定される。したがって、状態情報が含む端子間電圧は、共振回路１１や整流回路１２を構成する素子に限られず、耐圧を考慮する必要がある全ての素子が含まれる可能性がある。
このような通信部５は、通信部１４から取得した状態情報をスイッチング制御部７に出力する。なお、通信部５と通信部１４との通信方式は、ZigBee（登録商標）やBluetooth（登録商標）等の近距離無線通信あるいは光信号を用いた近距離光通信である。
電圧計測部６は、チョッパ回路２、インバータ回路３あるいは共振回路４を構成する特定の素子（例えば、スイッチング素子、コイルあるいはコンデンサ等）の端子間電圧を検出する電圧センサであり、上記端子間電圧を示す電圧検出信号をスイッチング制御部７に出力する。具体的には、電圧計測部６は、耐圧に気を付けなればならない素子の端子間電圧を検出し、例えばチョッパ回路２に含まれるコンデンサ２４、共振回路４に含まれるコンデンサに印加される電圧を計測する。どの素子に印加される電圧を計測するかは、設計上の必要に応じて決定すればよく、特に限定されるものではない。例えば、電圧計測部６がコンデンサ２４や共振回路４のコンデンサ２４に印加される電圧に加えて、チョッパ回路２に含まれるコイル２１、ダイオード２２、トランジスタ２３に印加される電圧を検出し、さらにインバータ回路３に含まれるトランジスタ３１〜３４に印加される電圧を検出してもよい。さらには、電圧計測部６が共振回路４を構成するコイルに印加される電圧を検出してもよい。
スイッチング制御部７は、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報あるいは電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいてインバータ回路３を制御する。例えば、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいて電圧検出信号によって示される素子の端子間電圧がリミット値を超えないように、インバータ回路３を構成するスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のパラメータを調整する。その調整の一例として、例えばスイッチング制御部７は、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれの周波数（スイッチング周波数）を調整する。
ここで、インバータ回路３の入力から共振回路４までを含めたインピーダンスＺinv１や、インバータ回路３の出力から共振回路４を見たインピーダンスZinv2は周波数に依存してその絶対値や位相が変化する周波数特性を有する。スイッチング制御部７がスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数を変更すると、トランジスタ３１〜３４のスイッチング周波数が変更され、その結果、インピーダンスＺinv１やZinv2も変化する。その結果、直列的に接続されたチョッパ回路２、インバータ回路３、共振回路４からなる系を流れる電流の値が変化する。したがって、スイッチング信号の周波数が調整された結果、電流の値が減少すれば、所定の素子の端子間電圧の値も低下する。よって、スイッチング制御部７がスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のパラメータを調整すれば、チョッパ回路２、インバータ回路３、共振回路４の素子の端子間電圧のリミット値を超えないようにすることができる。また、結果として、受電装置を構成する素子の端子間電圧を下げることもできる。
なお、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数を上げるのか、あるいは下げるのかは、チョッパ回路２、インバータ回路３、共振回路４の回路構成によって異なる。これは、回路構成によって、上述したインピーダンスの周波数特性が異なるからである。
なお、スイッチング信号のパラメータの調整の別の例は後述する。また、スイッチング制御部７は、スイッチング制御部７から入力されるチョッパ回路２に含まれるトランジスタ２３のスイッチング周波数も制御するが、この例は後述する。ここでスイッチング周波数は，言い換えれば、インバータ回路から出力する交流基本波の周波数である。
一方、受電装置Ｒにおける共振回路１１は、受電コイルと受電コンデンサとが接続された共振回路である。上記受電コイルは、移動体の底部または側部、上部等に設けられており、移動体が停車スペースに停車した際に給電装置Ｓの給電コイルと近接して対向する。
このような共振回路１１では、受電コイルが共振回路４の給電コイルと近接且つ対向することで磁気結合する。この結果、共振回路１１は、インバータ回路３によって給電コイルに供給された交流電力と、給電コイルと受電コイルとの結合係数に応じた交流電力とを共振回路４から非接触で受電して、整流回路１２に出力する。
整流回路１２は、例えばダイオードブリッジ、リアクトル（コイル）、及び平滑コンデンサから構成されており、上記共振回路１１から供給される交流電力（受電電力）を全波整流且つ平滑化してバッテリＢに出力する。この整流回路１２からバッテリＢに供給される電力は、ダイオードブリッジで全波整流された電力をリアクトル及び平滑コンデンサによって平滑化した直流電力である。
電圧計測部１３は、共振回路１１あるいは整流回路１２を構成する特定の素子（例えば、スイッチング素子、コイルあるいはコンデンサ等）の端子間電圧を検出する電圧センサであり、上記端子間電圧を示す電圧検出信号を制御部１５に出力する。電圧計測部１３は、耐圧に気を付けなればならない素子の端子間電圧を検出する。どの素子に印加される電圧を計測するかは設計上の必要に応じて決定すればよく、特に限定されない。
通信部１４は、受電装置に設けられ、給電装置Ｓの通信部５と近距離無線通信を行うことにより、受電装置Ｒの状態を示す状態情報を送信する。例えば、この状態情報は、共振回路１１や整流回路１２を構成する素子（例えば、スイッチング素子、コイルあるいはコンデンサ等）の端子間電圧を示す情報である。この通信部１４は、通信部５と同様にZigBee（登録商標）やBluetooth（登録商標）等の電波通信あるいは光信号を用いた光通信を行う。通信部１４が送信する状態情報がどの素子の端子間電圧を含むかについては、どの素子の耐圧に気を付けなければならないかという観点から決定される。したがって、状態情報が含む端子間電圧は、共振回路１１や整流回路１２を構成する素子に限られず、耐圧を考慮する必要がある全ての素子が含まれる可能性がある。
制御部１５は、受電装置Ｒを統括制御する。例えば、詳細については後述するが、制御部１５は、電圧計測部１３から入力された電圧検出信号によって示される素子の端子間電圧を受電装置Ｒの状態情報として通信部１４に出力する。そして通信部１４は、上述した通り、この状態情報を給電装置に設けられた通信部５に送信する。
バッテリＢは、リチウムイオン電池等の二次電池であり、整流回路１２から供給される直流電力を充電して蓄える。図示しないが、このバッテリＢは、移動体の走行用モータを駆動するインバータ回路（走行用インバータ回路）あるいは／及び移動体の走行を制御する制御機器に接続されており、これら走行用インバータ回路や制御機器に駆動電力を供給する。
次に、このように構成された非接触給電システムの動作について、図２を参照して詳しく説明する。
本非接触給電システムは、移動体が停車スペースに進入すると、この移動体に対する給電を開始する。例えば、給電装置Ｓの通信部５は通信要求信号を一定周期で連続的に発信する。一方、受電装置Ｒの通信部１４は、移動体が停車スペースに進入すると、上記通信要求信号の受信が可能になるので、当該通信要求信号に対して回答信号を通信部５に送信する。そして、通信部５は、この回答信号を受信すると、回答信号の受信をスイッチング制御部７に通知する。この結果、スイッチング制御部７は、移動体が給電可能エリア内に進入してきたことを判断（認識）する。
そして、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいて電圧検出信号によって示される素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のスイッチング周波数を調整する。例えば、電圧計測部６は、チョッパ回路２のコイル２１及びコンデンサ２４、インバータ回路３のトランジスタ３１〜３４のそれぞれに印加される電圧を計測する。また、電圧計測部６は、共振回路４の給電コイル及び給電コンデンサに印加される電圧を計測する。そして、スイッチング制御部７は、電圧計測部６からそれぞれの素子に印加されている電圧の値がリミット値を超えないようにインバータ回路３に入力されるスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数を調整する（スイッチング周波数が調整される）。ここで、上述したリミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値を意味する。あるいは、リミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値以下の値を意味する。
また、スイッチング制御部７は、素子の端子間電圧がリミット値を超えてしまった場合でも、素子の端子間電圧がリミット値を下回るように、インバータ回路３のスイッチング周波数を調整する。このようにインバータ回路３のスイッチング周波数を変更して、インピーダンスを変化させることで、チョッパ回路２のコイル２１及びコンデンサ２４、インバータ回路３のトランジスタ３１〜３４のそれぞれ、共振回路４の給電コイル及び給電コンデンサの端子間電圧をリミット値を超えないように調整することが可能である。
例えば、図２に示す期間T0〜T1において、スイッチング制御部７がインバータ回路３へのスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数、すなわちインバータ回路３のスイッチング周波数を一定に制御（図２の（ｃ）参照）している場合、図２の（ａ）に示すチョッパ回路２の出力電圧、すなわちコンデンサ２４の端子間電圧は上昇し、また図２の（ｂ）に示す給電装置Ｓの出力は安定する。しかしながら、スイッチング制御部７は、コンデンサ２４の端子間電圧がリミット値を超えてしまう場合には、図２の（ｃ）の期間T1〜T2に示すように、インバータ回路３へのスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のスイッチング周波数を下げる。その結果、上述したインピーダンスＺinv1やZinv2が変化し、コンデンサ２４の端子間電圧が下がる。そしてスイッチング制御部７はスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数を制御し、端子間電圧がリミット値を下回った値に固定する。この結果、図２の（ａ）に示すチョッパ回路２の出力電圧は、上昇が停止して、一定となる。なお、図２の（ｂ）に示す給電装置Ｓの出力については、不定となるが、この例では素子の端子間電圧が制御対象であり、給電装置Ｓが出力する電力もしくは電流は制御の対象ではないので、不定であってもよい。
また、電圧計測部６を各素子に設けることが困難である場合には、例えば、特定箇所（例えば、チョッパ回路２あるいはインバータ回路３の任意の１か所もしくは２か所）に電圧計測部６を設け、スイッチング制御部７に、電圧計測部６による検出結果と、各素子の端子間電圧との対応関係が登録されたデータテーブルを予め記憶させておいても良い。
そして、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から電圧検出信号が入力されると、電圧検出信号によって示される出力電圧に対応した各素子の端子間電圧をデータテーブルから取得し（つまり、各素子の端子間電圧を推定し）、各素子の端子間電圧を確認しながら、各素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のスイッチング周波数を調整する。
さらに、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に代わって、上記通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒの共振回路１１の受電コイル及び受電コンデンサや、整流回路１２のリアクトル（コイル）及び平滑コンデンサの端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のスイッチング周波数を調整する。あるいは、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から受け取る端子間電圧と、通信部１４及び通信部５を介して受け取る状態情報に含まれる端子間電圧と、に基づいて、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれの周波数を調整する。これにより、給電装置に設けられた素子の端子間電圧、及び、受電装置に設けられた素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにすることができる。
＜第２の実施の形態＞
上述したインバータ回路３へのスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数（インバータ回路３のスイッチング周波数）を調整する方法以外にもスイッチング信号のパラメータの調整の方法がある。第２の実施の形態では、スイッチング制御部７はスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれのデューティ比を調整する。言い換えると、スイッチング制御部７はインバータ回路３のオン/オフのデューティ比を調整する。図４を参照すると、図４では位相差φが１８０度であり、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれのデューティ比は５０％である。ここで、デューティ比とは、信号の周期に対するハイレベルの期間の割合を意味する。スイッチング制御部７は、電圧計測部６から受け取った端子間電圧に基づいて、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれのデューティ比を０％〜５０％の範囲で調整する。スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のデューティ比が０％に近づくほど、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のハイレベル期間が短くなる。その結果、スイッチング信号Ｓ1〜Ｓ４の全てがローレベルの期間が発生し、その期間はデューティ比が０％に近づくほど長くなる。デューティ比が０％に近づくほど、インバータ回路３に電流が流れている期間が短くなるため、時間軸上の平均電流の値は低下する。したがって、平均電流の値の低下に伴い、直列的に接続された回路全体としても、各素子に印加される平均電圧の値、すなわち実効的な電圧の値は低下する。以上からスイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号によって示される素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のデューティ比を調整する。なお、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から受け取る端子間電圧と、通信部１４及び通信部５を介して受け取る状態情報に含まれる端子間電圧と、に基づいて、素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４のデューティ比を調整してもよい。ここで、第1の実施の形態と同様に、上述したリミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値を意味する。あるいは、リミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値以下の値を意味する。
例えば、インバータ回路３のスイッチング素子、チョッパ回路２のコイル２１及びコンデンサ２４、共振回路４の給電コイルや給電コンデンサに電圧計測部６が設けられている場合、これら素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のオン/オフのデューティ比は調整されても良い。
また、電圧計測部６を各素子に設けることが困難である場合、上述したように特定箇所（例えば、チョッパ回路２の出力側）に電圧計測部６を設け、スイッチング制御部７に、チョッパ回路２の出力電圧と、各素子の端子間電圧との対応関係が登録されたデータテーブルを予め記憶させておいても良い。
そして、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から電圧検出信号が入力されると、電圧検出信号によって示されるチョッパ回路２の出力電圧に対応した各素子の端子間電圧をデータテーブルから取得し（つまり、各素子の端子間電圧を推定し）、各素子の端子間電圧を確認しながら、各素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のオン/オフのデューティ比を調整する。
さらに、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に代わって、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒの共振回路１１の受電コイル及び受電コンデンサや、整流回路１２のリアクトル（コイル）及び平滑コンデンサの端子間電圧がリミット値を超えないようにインバータ回路３のオン/オフのデューティ比を調整する。
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態では、スイッチング制御部７は、チョッパ回路２に出力するスイッチング信号のデューティ比を変化させることによりチョッパ回路２の変圧比（例えば、昇圧チョッパ回路の場合には昇圧比）を調整する。すなわち、スイッチング制御部７は、チョッパ回路２に含まれるトランジスタ２３に出力するスイッチング信号のデューティ比を変化させることによりチョッパ回路２の変圧比を調整する。ここでのスイッチング信号も、ハイレベルとローレベルが繰り返される矩形波である。スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号によって示される素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２の変圧比を調整する。ここで、第1及び第2の実施の形態と同様に、上述したリミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値を意味する。あるいは、リミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値以下の値を意味する。
例えば、チョッパ回路２の出力側に設けられたコンデンサ２４、インバータ回路３のスイッチング素子、共振回路４の給電コイルや給電コンデンサに電圧計測部６が設けられている場合、これら素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２の変圧比を調整する。
また、電圧計測部６を各素子に設けることが困難である場合、特定箇所（例えば、インバータ回路３の出力側）に電圧計測部６を設けると共、スイッチング制御部７に、インバータ回路３の出力電圧と、各素子の端子間電圧との対応関係が登録されたデータテーブルを予め記憶させても良い。
そして、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から電圧検出信号が入力されると、電圧検出信号によって示されるインバータ回路３の出力電圧に対応した各素子の端子間電圧をデータテーブルから取得し（つまり、各素子の端子間電圧を推定し）、各素子の端子間電圧を確認しながら、各素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２の変圧比を調整する。
さらに、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に代わって、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒの共振回路１１の受電コイル及び受電コンデンサや、整流回路１２のリアクトル（コイル）及び平滑コンデンサの端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２の変圧比を調整する。
このような本実施形態によれば、給電装置Ｓあるいは受電装置Ｒの素子の端子間電圧がリミット値を超えないように給電装置Ｓのチョッパ回路２あるいはインバータ回路３を制御することによって、素子の破損を防ぐことができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、チョッパ回路２に整流回路１の力率改善機能を持たせたが、この力率改善機能については省略してもよい。
（２）上記実施形態では、磁界共鳴方式に準拠した非接触給電システムについて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、電磁誘導方式にも適用可能である。また、上記実施形態では、負荷をバッテリＢとしたが、本発明における負荷は、バッテリＢに限定されるものではなく、種々の蓄電デバイス及び電力の供給を受けて所定の機能を発現する各種機器を包含する。
（３）上記実施形態では、インバータ回路３のスイッチング周波数またはオン/オフのデューティ比を調整する、あるいはチョッパ回路２の変圧比を調整することによって、素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、スイッチング制御部７は、インバータ回路３に出力するスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４における位相差φを調整する。具体的にはスイッチング制御部７は、スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ３の位相差φを調整する。図５の波形は、図４の波形よりも位相差φが小さい。この場合、例えばスイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ３のハイレベルが重なる期間及びスイッチング信号Ｓ２とスイッチング信号Ｓ４のハイレベルが重なる期間が発生する。スイッチング信号Ｓ１とスイッチング信号Ｓ３が共にハイレベルの期間は、図２のトランジスタ３１とトランジスタ３３が共にオン状態であり、インバータ回路３の出力ノード間の電位差は０Ｖとなる。したがって、この期間は電流が流れなくなる。スイッチング信号Ｓ２とスイッチング信号Ｓ４が共にハイレベルの期間も同様である。したがって、位相差φが１８０度から小さくなるほど、インバータ回路３に流れる時間軸上の平均電流の値は低下する。したがって、平均電流の値の低下に伴い、直列的に接続された回路全体としても、各素子に印加される平均電圧の値、すなわち実効的な電圧の値は低下する。この点は図６に示されている。以上から、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から受け取る端子間電圧に基づいて、素子の端子間電圧がリミット値を超えないように、スイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４における位相差φを調整してもよい。なお、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から受け取る端子間電圧と、通信部１４及び通信部５を介して受け取る状態情報に含まれる端子間電圧と、に基づいて、素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにスイッチング信号Ｓ１〜Ｓ４における位相差を調整してもよい。ここで、上述したリミット値は、これまで説明した実施の形態と同様、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値を意味する。あるいは、リミット値は、特定の素子が破損しない端子間電圧の最大値以下の値を意味する。
（４）上記実施形態において、給電装置Ｓのスイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいて給電装置Ｓの素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２あるいはインバータ回路３を制御し、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒの素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２あるいはインバータ回路３を制御した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
例えば、上記実施形態が、電圧計測部１３や、通信部５及び通信部１４を備えていない場合、スイッチング制御部７は、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいて給電装置Ｓのみの素子の端子間電圧を制御する。つまり、電圧計測部６から入力される電圧検出信号に基づいて給電装置Ｓの素子のみの端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２あるいはインバータ回路３を制御してもよい。
また、上記実施形態が、電圧計測部６を備えていないものである場合、スイッチング制御部７は、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒの素子のみの端子間電圧を制御する。つまり、通信部５から入力される受電装置Ｒの状態情報に基づいて受電装置Ｒのみの素子の端子間電圧がリミット値を超えないようにチョッパ回路２あるいはインバータ回路３を制御してもよい。
（５）上記実施形態において、給電装置Ｓの電源は交流の商用電源であるとして説明したが、本発明はこの態様に限定されるものではない。例えば、給電装置Ｓは、ＤＣ電源（直流電源）から電力を受けることができる。ＤＣ電源は、直流電圧を出力できるため、ＤＣ電源を採用する態様では、交流電圧を直流電圧に変換するための整流回路を省略することができる。ＤＣ電源からの出力を所望の直流電圧に変換する場合には、チョッパ回路が利用されるが、ＤＣ電源の出力自体が所望の電圧である場合には、チョッパ回路も省略することができる。
（６）上記実施形態において、電圧変換器はチョッパ回路であるとして、説明したが、電圧変換器は、チョッパ回路を用いた非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータに限定されるものではない。例えば、トランス等を用いた絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換器を実現することもできる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
本発明によれば、給電装置の素子の端子間電圧がリミット値を超えないような制御により素子の破損を防ぐことができる。
１ 整流回路
２ チョッパ回路（電圧変換器）
３ インバータ回路
４ 共振回路
５ 通信部
６ 電圧計測部
７ スイッチング制御部
１１ 共振回路
１２ 整流回路
１３ 電圧計測部
１４ 通信部
１５ 制御部
Ｂ バッテリ
Ｒ 受電装置
Ｓ 給電装置

Claims (7)

  1. 直列接続された第１、第２のスイッチング素子からなる第１のレグと直列接続された第３、第４のスイッチング素子からなる第２のレグとを備えるインバータ回路と、
    前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する共振回路と、
    前記インバータ回路、あるいは前記共振回路を構成する特定の素子の端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記第１のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第３のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差、又は前記第２のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第４のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差を調整することと、各々の前記スイッチング信号の周波数を小さくすることとの少なくとも一方を行うスイッチング制御部と、
    を備える給電装置。
  2. 前記スイッチング制御部は、前記端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、各々の前記スイッチング信号のデューティ比を更に調整する、請求項１に記載の給電装置。
  3. 前記スイッチング制御部と接続され、前記受電装置から前記受電装置の状態情報を取得する通信部をさらに有し、
    前記スイッチング制御部は、前記受電装置の前記状態情報に基づいて、前記位相差及び前記周波数の少なくとも一方を調整する、請求項１に記載の給電装置。
  4. 外部から供給された電力に基づく電力が供給される電圧変換器と、
    前記電圧変換器に接続され、直列接続された第１、第２のスイッチング素子からなる第１のレグと直列接続された第３、第４のスイッチング素子からなる第２のレグとを備えるインバータ回路と、
    前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する共振回路と、
    前記電圧変換器、前記インバータ回路、あるいは前記共振回路を構成する特定の素子の端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記インバータ回路を制御するスイッチング制御部と
    を備え、
    前記スイッチング制御部は、
    前記端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記第１のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第３のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差、又は前記第２のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第４のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差を調整することと、各々の前記スイッチング信号の周波数を小さくすることとの少なくとも一方を行う給電装置。
  5. 直列接続された第１、第２のスイッチング素子からなる第１のレグと直列接続された第３、第４のスイッチング素子からなる第２のレグとを備えるインバータ回路と、前記インバータ回路と接続され、交流電力を受電装置に向かって非接触方式にて伝送する第１の共振回路と、前記インバータ回路、あるいは前記第１の共振回路を構成する特定の素子の第１端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、前記第１のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第３のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差、又は前記第２のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号と前記第４のスイッチング素子のオンとオフを制御するスイッチング信号との位相差を調整することと、各々の前記スイッチング信号の周波数を小さくすることとの少なくとも一方を行うスイッチング制御部と、を有する給電装置と、
    前記給電装置から非接触方式で前記交流電力を受け取る第２の共振回路と、
    前記第２の共振回路と接続され、バッテリに電力を供給する整流回路と、
    を備える非接触給電システム。
  6. 前記受電装置は、
    前記第２の共振回路または前記整流回路を構成する特定の素子の第２端子間電圧を計測する計測部と、
    前記計測部と接続され、前記第２端子間電圧を出力する制御部と、
    前記制御部と接続され、前記第２端子間電圧を前記給電装置に出力する第２通信部と、をさらに有し、
    前記給電装置は、
    前記スイッチング制御部と接続され、前記受電装置から前記第２端子間電圧を取得する第１通信部をさらに有し、
    前記スイッチング制御部は、前記受電装置の前記第２端子間電圧に基づいて、前記位相差及び前記周波数の少なくとも一方を調整する、請求項５に記載の非接触給電システム。
  7. 前記スイッチング制御部は、前記第1端子間電圧が所定のリミット値を超えないように、各々の前記スイッチング信号のデューティ比を更に調整する、請求項５に記載の非接触給電システム。
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