JP6086839B2 - Non-contact power transmission apparatus - Google Patents

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本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触(ワイヤレス)で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。 The present invention, through the power receiving coil provided in the power transmission coil and the power receiving device that is provided in the power transmitting device, a non-contact power transmission apparatus for transmitting power in a contactless (wireless).

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導(数100kHz)による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したLC共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波(数GHz)によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波(光)によるレーザ送電型が知られている。 As a method for transmitting power in a contactless, electromagnetic induction (number 100kHz) inductive by, the electrical or magnetic field resonance type according to LC resonance between transmission via an electric field or a magnetic field resonance, microwave power transmission type according Telecommunications (several GHz), or laser transmission type is known by electromagnetic waves in the visible light region (light). この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。 What is already put into practical use in this is an electromagnetic induction type. これは簡易な回路(トランス方式)で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。 This is the advantage of such can be realized by a simple circuit (transformer type), but also a problem that the transmission distance is short.

そこで、最近になって近距離伝送(〜2m)が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。 Thus, the short-distance transmission (~2m) capable of electric field, the magnetic field resonance type of power transmission has been attracting attention recently. このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。 Among them, when the electric field resonance type, and put your hands in the transmission path, because the human body is a dielectric, resulting in dielectric loss and absorbs energy as heat. これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。 For the magnetic field resonance type hand, the human body is hardly absorb energy and avoid dielectric loss. この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。 Attention has been raised with respect to the magnetic field resonance type from this point.

一般的に、磁界共鳴型は送電装置と受電装置からなり、送電装置は少なくとも送電コイルと共振容量で構成される送電共振器と、送電共振器に電力を供給する送電部を有する。 Generally, the magnetic field resonance type is made from the power receiving device and transmitting device, the power transmission device has at least the power transmission coil and the power transmitting resonator constituted by the resonant capacitor, a power transmission unit for supplying power to the power transmission resonator. 一方、受電装置は少なくとも受電コイルと共振容量で構成される受電共振器を有する。 Meanwhile, the power receiving device having at least the power receiving coil receiving resonator constituted by the resonance capacitor. 特許文献1には、送電装置の送電共振器と受電装置の受電共振器が、送電装置の送電部の駆動周波数で共振するとき、送電装置から受電装置へ高効率で電力を伝送できることが開示されている。 Patent Document 1, the power-receiving resonator of the power transmission resonator and the power receiving device of the power transmission device, when the resonance driving frequency of the power transmission portion of the power transmission device is disclosed that can transmit power with high efficiency from the power transmission device to the power receiving device ing.

特開2010−130878号公報 JP 2010-130878 JP

送電装置の送電部は、送電共振器に比較的大きな交流電力を供給する。 Power transmission section of the power transmission device supplies relatively large AC power to the power transmitting resonator. そのため、送電部には半導体のスイッチング素子を用いたパワー回路が用いられることが多い。 Therefore, the power circuit using a semiconductor switching element is often used in power transmission unit. しかしながら、半導体のスイッチング素子を送電部に用いた場合、従来のように送電共振器の共振周波数と送電部が送電共振器に供給する交流電力の送電周波数を一致させると、半導体のスイッチング素子における電力損失が増大し、その結果、送電効率が低下することがわかった。 However, when a semiconductor switching element to the power transmission unit, the transmission unit and the resonant frequency of the conventional way transmission resonator to match the transmission frequency of the AC power to the power transmitting resonator, the power in the semiconductor switching element loss increases, resulting in power transmission efficiency was found to decrease. 以下に詳説する。 It will be described in detail below.

図2は、半導体のスイッチング素子を2個用いた、一般的なハーフブリッジ回路を示す。 2, the semiconductor switching element used two, shows a typical half-bridge circuit. 上下のスイッチング素子21と22を交互に導通させ、交流電圧V0を発生させることにより、コイル23に交流電流I0を流すことができる。 The upper and lower switching elements 21 and 22 is made conductive alternately, by generating an AC voltage V0, it is possible to flow the alternating current I0 to the coil 23.

図10乃至12は、図2のハーフブリッジ回路を送電装置の送電部として用い、負荷として送電コイルと共振容量で構成される送電共振器を接続した場合の動作を示す。 10 to 12, using a half-bridge circuit of FIG. 2 as a power transmission section of the power transmission device, showing the operation in a case of connecting the configured power transmitting resonator in the power transmission coil and the resonant capacitor as a load. ハーフブリッジ回路のスイッチング周波数に等しい送電周波数をFsw、送電共振器の共振周波数をFresとしたとき、図10はFsw=Fresの場合、図11はFsw<Fresの場合、図12はFsw>Fresの場合を示す。 Fsw equal power frequency to the switching frequency of the half-bridge circuit, when the Fres the resonance frequency of the power transmission resonator, FIG. 10 in the case of Fsw = Fres, 11 Fsw <For Fres, 12 Fsw> of Fres when shown a.

図10乃至12において、(1)はスイッチング素子21がオンであるとともにスイッチング素子22がオフの定常状態、(2)はスイッチング素子21がオンからオフへ切り替わるとともにスイッチング素子22がオフからオンへ切り替わる直前の過渡状態、(3)はスイッチング素子21がオンからオフへ切り替わったとともにスイッチング素子22がオフからオンへ切り替わった直後の過渡状態、(4)はスイッチング素子21がオフであるとともにスイッチング素子22がオンの定常状態を示す。 10 to 12, switches (1) the switching element 22 is turned off in a steady state with the switching element 21 is on, (2) the switching element 22 with switching element 21 is switched from on to off is from OFF to ON immediately before transients, (3) the switching with transient state immediately after the switching element 22 with switching element 21 is switched from oN to oFF is switched from off to on, (4) is the switching element 21 is turned off element 22 but it shows a steady state of on.

図10に示したFsw=Fresで共振する場合では、電流I0と電圧V0は同位相である。 In the case that resonates at Fsw = Fres as shown in FIG. 10, current I0 and voltage V0 are in phase. この場合、回路の動作は以下のとおりである。 In this case, operation of the circuit is as follows.

図10(1)の定常状態では、電源からスイッチング素子21を通してコイル23へ大きい電流I0が流れる。 In the steady state of FIG. 10 (1), a large current I0 flows from the power supply to the coil 23 through the switching element 21. このとき、I0>0となる。 In this case, the I0> 0.

図10(2)の過渡状態では、I0>0のままI0は小さくなり、Fsw=Fresで共振しているため、スイッチング素子21がオンからオフへ切り替わるとともにスイッチング素子22がオフからオンへ切り替わる瞬間にI0=0となる。 In a transient state in FIG. 10 (2), I0> I0 remains 0 is reduced, since the resonance in Fsw = Fres, moment when the switching element 22 with switching element 21 is switched from on to off is switched from off to on the I0 = 0 to.

図10(3)の過渡状態では、電源からスイッチング素子22を通してコイル23へ小さい電流I0が流れる。 In a transient state in Fig. 10 (3), a small current I0 flows from the power supply to the coil 23 through the switching element 22. このとき、I0<0となる。 In this case, the I0 <0.

図10(4)の定常状態では、電源からスイッチング素子22を通してコイル23へ大きい電流I0が流れる。 In the steady state of FIG. 10 (4), a large current I0 flows from the power supply to the coil 23 through the switching element 22. このとき、I0<0となる。 In this case, the I0 <0.

したがって、Fsw=Fresの場合はスイッチング素子による電力損失は問題とならず理想的な状態といえる。 Therefore, the power loss due to the switching element in the case of Fsw = Fres is said ideal state no problem.

図11に示したFsw<Fresで共振する場合では、電流I0の位相は電圧V0の位相に対して進む。 In the case that resonates at Fsw <Fres as shown in FIG. 11, the phase of the current I0 is advanced with respect to the phase of the voltage V0. この場合、回路の動作は以下のとおりである。 In this case, operation of the circuit is as follows.

図11(1)の定常状態では、電源からスイッチング素子21を通してコイル23へ大きい電流I0が流れる。 In the steady state of FIG. 11 (1), a large current I0 flows from the power supply to the coil 23 through the switching element 21. このとき、I0>0となる。 In this case, the I0> 0.

図11(2)の過渡状態では、電流I0の位相は電圧V0の位相に対して進んでいるため、電流I0はコイル23からスイッチング素子21の寄生ダイオードを通して電源へ流れる。 In a transient state in Fig. 11 (2), since the phase of the current I0 is advanced relative to the phase of the voltage V0, the current I0 flows from the coil 23 to the power supply through a parasitic diode of the switching element 21. そのため、V0>電源電圧となり、V0の電位が高くなる。 Therefore, it becomes V0> supply voltage, the potential of V0 increases. このとき、I0<0となる。 In this case, the I0 <0.

図11(3)の過渡状態では、スイッチング素子21がオンからオフへ切り替わったとともにスイッチング素子22がオフからオンへ切り替わった直後であるので、電流I0はコイル23からスイッチング素子22を通してグラウンドへ流れる。 In a transient state in Fig. 11 (3), the switching element 22 with switching element 21 is switched from ON to OFF has just switched from OFF to ON, the current I0 flows to the ground through switching element 22 from the coil 23. このとき、V0は電源電圧よりも高い状態からグラウンドへ急速に変化し、スイッチング素子22に大電流が流れる。 In this case, V0 is rapidly changed from a state higher than the power supply voltage to ground, a large current flows through the switching element 22. そのため、スイッチング素子22が発熱し、スイッチング素子22において電力損失が発生する。 Therefore, the switching element 22 is heated, power loss occurs in the switching element 22. このとき、I0<0となる。 In this case, the I0 <0.

図11(4)の定常状態では、電源からスイッチング素子22を通してコイル23へ大きい電流I0が流れる。 In the steady state of FIG. 11 (4), a large current I0 flows from the power source through the switching element 22 to the coil 23. このとき、I0<0となる。 In this case, the I0 <0.

したがって、Fsw<Fresの場合はスイッチング素子によるスイッチング時の電力損失が大きくなり問題となる。 Therefore, Fsw <power loss during switching by the switching element in the case of Fres increases problems.

図12に示したFsw>Fresで共振する場合では、電流I0の位相は電圧V0の位相に対して遅れる。 In the case that resonates at Fsw> Fres as shown in FIG. 12, the phase of the current I0 is delayed relative to the phase of the voltage V0. この場合、回路の動作は以下のとおりである。 In this case, operation of the circuit is as follows.

図12(1)の定常状態では、電源からスイッチング素子21を通してコイル23へ大きい電流I0が流れる。 In the steady state of FIG. 12 (1), a large current I0 flows from the power supply to the coil 23 through the switching element 21. このとき、I0>0となる。 In this case, the I0> 0.

図12(2)の過渡状態では、電源からスイッチング素子21を通してコイル23へ電流I0が流れる。 FIG During transient conditions of 12 (2), the current I0 to flow from the power supply to the coil 23 through the switching element 21. このとき、I0>0となる。 In this case, the I0> 0.

図12(3)の過渡状態では、スイッチング素子21がオンからオフへ切り替わったとともにスイッチング素子22がオフからオンへ切り替わった直後であるので、電流I0はスイッチング素子22の寄生ダイオードを通してコイル23へ流れる。 In a transient state in Fig. 12 (3), the switching element 22 with switching element 21 is switched from ON to OFF has just switched from OFF to ON, the current I0 flows through the parasitic diode of the switching element 22 to the coil 23 . このとき、I0>0となる。 In this case, the I0> 0.

図12(4)の定常状態では、電流がI0>0からI0=0となり、その後I0<0と電流の向きが逆になる。 In the steady state of FIG. 12 (4), a current I0> 0 from I0 = 0, and the subsequent I0 <0 and the direction of the current is reversed. 電流I0はコイル23からスイッチング素子22を通してグラウンドへ電流が流れる。 Current I0 is current flows to ground through the switching element 22 from the coil 23.

Fsw>Fresの場合は、Fsw<Fresの場合と異なり、スイッチング素子21およびスイッチング素子22における電圧の急激な変化は発生しない。 For Fsw> Fres, unlike in the case of fsw <Fres, rapid change of the voltage in the switching element 21 and switching element 22 does not occur. その結果、Fsw<Fresの場合とは異なり、スイッチング素子21や22には大電流が流れないため、電力損失は小さくて済む。 As a result, unlike the case of Fsw <Fres, since the switching elements 21 and 22 do not have a large current flows, the power loss is small.

ところで、特許文献1が示すように高効率の電力伝送を実現するためには、従来ではFsw=Fresとすることが好ましいとされてきた。 Meanwhile, in order to realize a power transmission with high efficiency, as indicated by the Patent Document 1, the conventional has been that it is preferable to Fsw = Fres. すなわち、図10のように動作することが好ましいとされてきた。 That has been that it is preferable to operate in the manner illustrated in FIG. 10.

しかし、実際の回路での動作は、例えばFsw=Fresとなるように設計しても、環境温度変化、部品の経年変化、送電回路や受電回路の周辺に物体が接近する等の外乱要因により、Fsw=Fresの条件を満たさなく場合がある。 However, the operation in the actual circuit, be designed to eg a Fsw = Fres, environmental temperature changes, aging of components, the disturbance factor such as an object in the periphery of the power transmission circuit and the power receiving circuit approaches, it may not meet the conditions of Fsw = Fres. 特に、前記外乱要因により図11に示したようにFsw<Fresとなると、スイッチング素子において大きな電力損失が発生し、高効率な非接触電力伝送を実現できないという問題がある。 In particular, when it comes to Fsw <Fres as shown in FIG. 11 by the disturbance factor, a large power loss is generated in the switching element, it is impossible to realize a high-efficiency non-contact power transmission.

上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、非接触電力伝送装置の送電装置が送電部と送電共振器を有し、送電部が半導体のスイッチング素子からなる回路により送電共振器に交流電力を供給する場合において、送電部の送電周波数を共振が最大となる周波数よりも高い周波数に設定することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a non-contact power transmission apparatus of the present invention, the power transmission device of a non-contact power transmission apparatus has a transmission unit and the power transmitting resonator, the power transmitting resonance by the circuit power transmission unit is composed of a semiconductor switching element in case of supplying AC power to the vessel, the resonant power transmission frequency of the power transmission unit and sets a frequency higher than the frequency of maximum.

本発明によれば、送電共振回路の共振状態を高い状態に保ちつつ、送電部のスイッチング素子における電力損失を小さくすることが可能となるので、スイッチング素子における温度上昇が小さく高効率で電力伝送が可能な非接触電力伝送装置を提供することができる。 According to the present invention, while maintaining the resonant state of the power transmission resonant circuit to a high state, since it is possible to reduce the power loss in the switching elements of the power transmission unit, the power transmission at the temperature rise is small high efficiency in the switching element it is possible to provide a non-contact power transmission apparatus capable.

実施の形態1における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図 Block diagram showing the configuration of a contactless power transmission apparatus in the first embodiment 実施の形態1における送電部の概略を示す回路図 Circuit diagram showing an outline of the power transmission unit in the first embodiment 実施の形態1における送電制御部の動作を示すフローチャート Flowchart illustrating the operation of the power transmission control unit in the first embodiment 実施の形態1における送電コイルの電圧を最大とする周波数から望ましい送電周波数を求めるための表 Table for determining the desired transmission frequency voltage of the power transmission coil in the first embodiment the frequency of the maximum 実施の形態1における送電コイルの電圧と送電周波数の関係を示す図 It shows the relationship between voltage and power frequency of the power transmission coil in the first embodiment 実施の形態1における本発明の効果を示す図 It shows the effect of the present invention in the first embodiment 実施の形態2における送電制御部の動作を示すフローチャート Flowchart illustrating the operation of the power transmission control unit in the second embodiment 実施の形態2における送電コイルの電圧と送電周波数の関係を示す図 Shows the relationship between voltage and power frequency of the power transmitting coil in the second embodiment 実施の形態3における送電制御部の動作を示すフローチャート Flowchart illustrating the operation of the power transmission control unit in the third embodiment スイッチング回路の動作を説明する図 Diagram for explaining the operation of the switching circuit スイッチング回路の動作を説明する別の図 Another diagram illustrating the operation of the switching circuit スイッチング回路の動作を説明するさらに別の図 Yet another diagram for explaining the operation of the switching circuit

図1は、本発明の非接触電力伝送装置の構成を示す。 Figure 1 shows the configuration of the non-contact power transmission apparatus of the present invention. 非接触電力伝送装置は、送電装置1と受電装置2により構成される。 Non-contact power transmission device is composed of a power transmitting device 1 and the power receiving device 2. 送電装置1は、高周波電力を非接触伝送するための送電コイル4を有する。 Power transmitting device 1 includes a power transmission coil 4 for non-contact transmission of high frequency power. 受電装置2は、送電コイル4が供給する高周波電力を受電するための受電コイル8を有する。 The power receiving device 2 includes a power receiving coil 8 for the power transmission coil 4 is receiving the high frequency power supply. 図1の構成の非接触電力伝送装置において、例えば、送電コイル4と受電コイル8の間における磁界共鳴を介して送電装置1から受電装置2へ電力を伝送するように構成することができる。 The non-contact power transmission apparatus of the configuration of FIG. 1, for example, can be configured from the power transmitting device 1 through a magnetic field resonance between the power transmission coil 4 and the receiving coil 8 so as to transmit power to the power receiving device 2. なお、送電コイル4と受電コイル8の結合形態は、電磁誘導、電波、電場または磁場の共有によるもの等、適宜採用することができる。 Incidentally, bound form of the power transmission coil 4 and the receiving coil 8, the electromagnetic induction, radio waves, such as those due to sharing of electric or magnetic field, can be adopted as appropriate.

送電装置1において、送電コイル4と共振容量5は送電共振器を構成し、送電部3は高周波電力を送電共振器に供給する。 In the power transmission device 1, the resonant capacitor and the power transmission coil 4 5 constitutes a power transmission resonator, a power transmission section 3 supplies high frequency power to the power transmitting resonator.

送電装置1の送電部3は、送電共振器に比較的大きな交流電力を供給する。 The power transmission unit 3 of the power transmission apparatus 1 supplies relatively large AC power to the power transmitting resonator. そのため、送電部3には半導体のスイッチング素子を用いたパワー回路が用いられる。 Therefore, the power circuit using a semiconductor switching element is used for the power transmitter 3. パワー回路には、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路が広く用いられている。 The power circuit, a half bridge circuit or a full-bridge circuit is widely used. 図2は、2個のFETをスイッチング素子として用いたハーフブリッジ回路を示す。 Figure 2 shows a half bridge circuit using two FET as a switching element. 以下では、図2に示したハーフブリッジ回路が送電部3を構成する場合について説明する。 Hereinafter, description will be given of a case where the half-bridge circuit shown in FIG. 2 constitute a power transmission unit 3. なお、送電部3は4個のFETをスイッチング素子として用いたフルブリッジ回路で構成してもよい。 Incidentally, the power transmission unit 3 may be configured by full bridge circuit using four FET as a switching element.

ところで、高効率の電力伝送を実現するためには、送電コイル4と共振容量5による送電共振器の共振周波数Fresと、送電部3が送電共振器に供給する高周波電力の送電周波数Fswを概略一致させることが好ましいとされてきた。 Meanwhile, in order to realize the power transmission of high efficiency, the power transmission coil 4 and the resonant frequency Fres of the power transmitting resonator according resonant capacitor 5, the power transmission unit 3 substantially aligned with the high frequency power transmission frequency Fsw supplied to the power transmitting resonator It has been the cause it is preferable to be.

しかし、実際の回路での動作は、例えばFsw=Fresとなるように設計しても、環境温度変化、部品の経年変化、送電回路や受電回路の周辺に物体が接近する等の外乱要因により、Fsw=Fresの条件を満たさなくなる場合がある。 However, the operation in the actual circuit, be designed to eg a Fsw = Fres, environmental temperature changes, aging of components, the disturbance factor such as an object in the periphery of the power transmission circuit and the power receiving circuit approaches, there is a case in which no longer meet the conditions of Fsw = Fres. 特に、送電部3に半導体のスイッチング素子を用いたパワー回路が用いられる場合には、前記外乱要因により図10に示したようにFsw<Fresとなると、スイッチング素子において大きな電力損失が発生し、高効率な非接触電力伝送を実現できないという問題がある。 In particular, when the semiconductor power circuit using a switching element used in the power transmission unit 3, when the Fsw <Fres as shown in FIG. 10 by the disturbance factor, a large power loss is generated in the switching element, a high it is impossible to realize efficient contactless power transmission.

そこで、本発明の送電制御部7は前記のような外乱が発生することを想定して、Fsw>Fresとなるように送電共振器の共振状態を最適化する。 Therefore, the power transmission control unit 7 of the present invention assumes that the disturbance such as the occurs, to optimize the resonant state of the power transmission resonator such that Fsw> Fres. そうすれば、外乱が発生してもFsw<Fresとなることはなく、スイッチング素子において大きな電力損失が生じることはない。 That way, never disturbance is Fsw <Fres also occurs, does not occur large power loss in the switching element.

送電共振器の共振状態が最適の場合は、送電コイル4の両端電圧が最大となる。 If resonant state of the power transmission resonator is optimal, the voltage across the transmission coil 4 is maximized. したがって、送電共振器の共振状態は、送電コイル4の両端電圧を測定することにより検出できる。 Therefore, the resonance state of the power transmission resonator may be detected by measuring the voltage across the power transmission coil 4. 送電コイル電圧検出部6は送電コイル4の両端電圧を測定し、送電制御部7は送電コイル電圧検出部6が検出した共振状態の情報に基づいて送電部3の制御を行う。 Transmitting coil voltage detector 6 measures the voltage across the transmission coil 4, the power transmission control unit 7 controls the power transmission unit 3 based on the information of the resonant state power transmission coil voltage detector 6 detects. この共振状態の制御に本発明の特徴があり、詳しくは後述する。 There are features of the present invention to control the resonant state, it will be described in detail later. なお、送電制御部7はマイコンによって構成することが好ましいが、FPGAや電子回路によって構成することもできる。 Incidentally, the power transmission control unit 7 is preferably constructed by a microcomputer, it can be configured by an FPGA or an electronic circuit.

受電装置2は、送電装置1の送電コイル4が送出した電力を受電する受電コイル8を有する。 The power receiving device 2 includes a power receiving coil 8 for receiving power transmission coil 4 is sent to the power transmitting device 1. 受電コイル8と共振容量9によって構成される受電共振器には電力変換部10が接続される。 The power converter 10 is connected to the configured receiving resonator by the receiving coil 8 and resonance capacity 9. 電力変換部10は、受電コイル8が受電した高周波電力の検波や平滑化を行い、必要とする電力形式に変換した後に電力出力端子11から出力する。 Power conversion unit 10 performs detection and smoothing the high-frequency electric power receiving coil 8 is powered, the output from the power output terminal 11 after conversion to power format required.

以上が、本発明の非接触電力伝送装置における電力伝送動作の概略である。 The above is the outline of the power transmission operation in the non-contact power transmission apparatus of the present invention.

本発明は、非接触電力伝送装置の送電装置1における共振状態の制御に特徴がある。 The present invention is characterized in controlling the resonant state of the power transmission device 1 of the non-contact power transmission apparatus. 以下では、実施の形態ごとに共振状態の制御について詳説する。 Hereinafter, a detailed control of the resonant state for every embodiment.
<実施の形態1> <Embodiment 1>
送電制御部7は、送電部3が出力する高周波電力の送電周波数を制御する。 The power transmission control unit 7 controls the transmission frequency of the high frequency power transmission unit 3 outputs. 本発明では、送電部3にハーフブリッジ回路を用いるので、送電共振器が最適の共振状態となるようにハーフブリッジ回路のスイッチング周波数Fswを設定する。 In the present invention, since using a half-bridge circuit to the power transmission unit 3, the power transmitting resonator to set the switching frequency Fsw of the half-bridge circuit so as to optimize the resonance conditions.

最適のスイッチング周波数Fswを見つけるために、Fswの値を初期値の開始周波数から所定の終了周波数まで変化させる。 To find the optimum switching frequency Fsw, changing the value of Fsw from the start frequency of the initial value to a predetermined end frequency. Fswの値を変化させながら、送電コイル電圧を検出し、送電側共振周波数が最大となる送電周波数をFswとして設定する。 While changing the value of Fsw, detects a power transmission coil voltage, the transmission side resonance frequency is set to the transmission frequency with the maximum as fsw.

図3は、本発明の実施の形態1における共振状態の制御のフローチャートを示す。 Figure 3 shows a flowchart of control of resonance in the first embodiment of the present invention.

送電装置1が動作を開始すると、送電制御部7は送電部3が出力する高周波電力の送電周波数を設定する。 When the power transmitting device 1 starts to operate, the power transmission control unit 7 sets the transmission frequency of the high frequency power output from the power transmitter 3. 送電周波数の初期値は予め定められた開始周波数とし、その値を変数fmaxに代入するとともに、送電コイル電圧の最大値を保存する変数Vmaxに0を代入する(ステップS101)。 The initial value of the transmission frequency is set to start a predetermined frequency, as well as assigns the value to a variable fmax, it substitutes 0 to a variable Vmax to store the maximum value of the power transmission coil voltage (step S101).

この送電周波数が開始周波数の状態で送電を開始する(ステップS102)。 The power transmission frequency starts transmission while the start frequency (step S102).

送電コイル電圧検出部6は送電コイル4の両端電圧を計測する(ステップS103)。 Transmitting coil voltage detector 6 measures the voltage across the power transmission coil 4 (step S103).

測定した送電コイル4の両端電圧と変数Vmaxの値を比較し、測定した送電コイル4の両端電圧がVmaxよりも小さいときはステップS106に進み、それ以外の時はステップS105へ進む(ステップS104)。 Comparing the value of the voltage across the variable Vmax of the measured power transmission coil 4, the process proceeds to step S106 when the voltage across the measured power transmission coil 4 is smaller than Vmax, the process proceeds to step S105 when otherwise (step S104) .

測定した送電コイル4の両端電圧がVmax以上の時は、その測定値を変数Vmaxに代入し、このときの送電周波数を変数fmaxに代入する(ステップS105)。 When the voltage across the measured power transmission coil 4 is equal to or greater than Vmax substitutes the measured value into the variable Vmax, it substitutes the transmission frequency at this time is variable fmax (step S105).

ステップS106では、送電周波数を減少させる。 In step S106, to reduce the transmission frequency. この送電周波数の減少量はシステムによって適切な増加量を決めればよい。 Reduction of the power transmission frequency may be determined appropriate increase by the system.

送電周波数が予め定められた終了周波数以上のときは、ステップS103に戻って同様の動作を繰り返す。 When transmission frequency is greater than or terminated a predetermined frequency, the same operation is repeated returning to step S103. 一方、送電周波数が終了周波数より小さくなったときは、ステップS108へ進む(ステップS107)。 Meanwhile, when the transmission frequency is smaller than the end frequency, processing proceeds to step S108 (step S107).

以上のステップにより、送電コイル4の両端電圧の最大値Vmaxと、送電コイル4の両端電圧を最大にする共振送電周波数fmaxを検出することができる。 By the above steps, the maximum value Vmax of the voltage across the power transmission coil 4, the voltage across the power transmission coil 4 can detect the resonance transmission frequency fmax maximized.

本発明では、半導体のスイッチング素子を送電部に用いた場合において、スイッチング周波数をFsw、送電共振器の共振周波数をFresとしたとき、Fsw>Fresとすることを特徴とする。 In the present invention, in the case of using the semiconductor switching element to the power transmission unit, Fsw the switching frequency, when the resonance frequency of the power transmission resonator and Fres, characterized in that the Fsw> Fres. ステップS108は、共振送電周波数fmaxから最適送電周波数fsendを求める。 Step S108 obtains the optimum transmission frequency fsend from the resonant power transmission frequency fmax.

図4は共振送電周波数fmaxと、最適送電周波数fsendの関係を予め定めておいた関係を表にしたものである。 Figure 4 is a resonant transmission frequency fmax, a predetermined keep relationship the relationship optimum transmission frequency fsend obtained by the table. fsendは、図4の表と求められたfmaxに基づいて定めることができる。 fsend it can be determined based on fmax determined with the table of FIG.

図5は送電周波数と送電コイル4の両端電圧の測定結果をグラフにしたものである。 Figure 5 is obtained by the measurement result of the voltage across the transmission coil 4 and the transmission frequency on the graph. 送電コイル4のインダクタンスは425μH、共振容量5のキャパシタンスは4950pFである。 The inductance of the power transmission coil 4 425MyuH, the capacitance of the resonant capacitor 5 is 4950PF. これらの値の送電コイルと共振容量を直列接続したとき、計算上の共振周波数は約110kHzである。 When the power transmission coil and the resonant capacitance of these values ​​are connected in series, the resonance frequency of the calculation is about 110 kHz. しかしながら、求められたfmaxは105kHzであった。 However, fmax obtained was 105kHz. 計算値と異なるのは、送電装置1と受電装置2の位置関係や、送電装置1と受電装置2の周辺環境やその他の影響によるものである。 Calculated differs from the positional relationship and the power transmission device 1 and the power receiving device 2 is due to the surrounding environment and other effects of the power transmission apparatus 1 and the power receiving device 2.

図4の表に基づいて、fmaxが105kHzであったので、fsendは107kHzとした(ステップS108)。 Based on the table of FIG. 4, since fmax was 105 kHz, FSEND was 107KHz (step S108).

次に、送電周波数制御部7は、送電部3に対して求めた望ましい送電周波数fsendを送電周波数Fswとして設定する(ステップS109)。 Next, the power transmission frequency controller 7 sets the desired transmission frequency fsend obtained for the power transmission unit 3 as a transmission frequency Fsw (step S109). 送電共振器の共振周波数Fresはfmaxであるから、Fsw>Fresの関係を満足する。 Resonant frequency Fres of the power transmitting resonator because it is fmax, satisfy the relation: Fsw> Fres.

図6は送電周波数Fswをfmax(105kHz)に設定して非接触電力伝送を行った場合と、Fswをfsend(107kHz)に設定して非接触電力伝送を行った場合の、送電部3のスイッチング素子であるFETの温度の時間変化を示したグラフである。 Figure 6 is the case of performing the case of performing the set to the non-contact power transmission to the power transmission frequency Fsw to fmax (105 kHz), the non-contact power transmission by setting Fsw to fsend (107kHz), the switching of the power transmission section 3 is a graph showing the time variation of the temperature of the FET is an element. Fsw=fmax(105kHz)の時と比べ、Fsw=fsend(107kHz)のときは、FETにおける電力損失が抑制されるので、FETにおける温度上昇が抑制される。 Than when fsw = fmax of (105 kHz), when fsw = FSEND of (107kHz), because the power loss in the FET is suppressed, the temperature rise in the FET is suppressed.
<実施の形態2> <Embodiment 2>
本発明の送電装置1において、送電コイル4と共振容量5は送電共振器を構成するが、この送電共振器は送電コイル4と共振容量5が直列に接続された、いわゆる直列共振回路である。 In the power transmission device 1 of the present invention, the power transmission coil 4 and the resonant capacitor 5 is to constitute a power transmission resonator, the power transmitting resonator has a resonant capacitor 5 and the power transmission coil 4 are connected in series, a so-called series resonance circuit. ここで、送電コイル4と共振容量5が抵抗成分の無い理想的なコイルと理想的なコンデンサであると仮定すると、この直列共振回路である送電共振器が共振した場合、送電コイル4と共振容量5にかかる電圧は無限大になる。 Here, the power transmission coil 4 and the resonant capacitor 5 is assumed to be ideal coil and ideal capacitor no resistance component, if the power transmission resonator is the series resonance circuit resonates, the power transmission coil 4 resonant capacitance the voltage across the 5 becomes infinite. 実際には、送電コイル4と共振容量5にも抵抗成分があり、また、リード線の抵抗に起因する回路自体の抵抗成分もあるので、送電コイル4と共振容量5にかかる電圧が無限大まで上がることは無い。 In fact, there is a power transmission coil 4 the resistance component in the resonant capacitor 5, also, since the resistance component of the circuit itself due to the lead resistance, until the voltage infinity according to the power transmission coil 4 and the resonant capacitor 5 it will not go up. しかしながら、送電共振器が共振した場合には非常に高い電圧がかかり、特に共振容量5のコンデンサの耐圧を超えた場合は、コンデンサが壊れてしまう。 However, it takes a very high voltage when the power transmission resonator resonates, especially if more than the withstand voltage of the capacitor of the resonant capacitor 5, thus broken capacitor. そこで、コンデンサの上限電圧またはコイルの上限電圧を超える範囲で送電共振器を動作させることにより部品の破壊を防ぐことができる。 Therefore, it is possible to prevent the destruction of the part by operating the power transmitting resonator in a range exceeding the upper limit voltage of the upper limit voltage or a coil of the condenser.

図7は、本発明の実施の形態2における共振状態の制御のフローチャートを示す。 Figure 7 shows a flowchart of control of resonance in the second embodiment of the present invention. 図8に示すように送電コイル4の電圧上限値がVlimitのときには、図7のフローチャートにより、測定した送電コイル4の電圧とVlimitを比較し、Vlimitよりも大きいときはステップS108、それ以外の時はステップS104へ進む(ステップS204)。 When the voltage upper limit value of the transmission coil 4 as shown in FIG. 8 is Vlimit is the flowchart of FIG. 7, by comparing the voltage and Vlimit of the measured power transmission coil 4, step S108 when greater than Vlimit, at other times It proceeds to step S104 (step S204). その他のステップは、実施の形態1と同様であるので詳細な説明は省略する。 The other steps, a detailed description thereof will be omitted because it is same as in the first embodiment.

以上の実施の形態1及び2では、送電コイル4の両端電圧を最大にするfmaxと、最適の送電周波数fsendの関係を予め定めておいた図4の表を用いて、求められたfmaxから望ましい送電周波数fsendを算出した。 In the first and second or more embodiments, the fmax to maximize the voltage across the power transmission coil 4, with reference to the table of FIG. 4 which had been previously determined the relationship between the optimum transmission frequency FSEND, preferably from the obtained fmax to calculate the power transmission frequency fsend. 一方、fmaxに基づいて一定の演算を行うことによりfsendを算出してもよい。 On the other hand, it may be calculated fsend by performing predetermined calculation based on fmax. 例えば、fmaxに一定の数値を加算、または一定の数値を乗算してfsendを求めることもできるし、fmaxの周期を求めてその周期に一定の数値を減算、または一定の数値を除算した周期からfsendを求めることもできる。 For example, adding a fixed number to fmax, or to a certain numerical may be obtained fsend by multiplying, a certain number in the cycle seeking period of fmax subtraction, or the period obtained by dividing the constant numerical fsend can also be determined.
<実施の形態3> <Embodiment 3>
本発明の送電動作を連続して行った場合、環境温度変化、部品の経年変化、送電回路や受電回路の周辺に物体が接近する等の変化が動作中に発生する可能性がある。 If continuously performed transmission operation of the present invention, environmental temperature changes, aging of components, changes such objects around the power transmission circuit and the power receiving circuit approaches may occur during operation. 本発明の実施の形態3では、送電周波数制御部は、送電部の送電周波数を設定した後に、一定の環境温度の変化、若しくは一定の送電コイルの両端電圧の変化を検出した場合、又は一定の時間が経過した場合は、送電部の送電周波数を設定し直す。 In Embodiment 3 of the present invention, the power transmission frequency control unit, after setting the transmission frequency of the power transmission unit, a constant change in environmental temperature, or when detecting a change in the voltage across the constant power transmission coils, or constant If the time has elapsed, re-set the transmission frequency of the power transmission unit. これにより、前記外乱や時変化が生じた場合でも、最適な送電を実現することができる。 Accordingly, even when the disturbance and the time change occurs, it is possible to realize the optimum power.

図9は、本発明の実施の形態3における制御のフローチャートを示す。 Figure 9 is a flow chart of control in the third embodiment of the present invention.

本実施の形態においても、実施の形態1におけるステップS101からS109、または実施の形態2におけるステップS101からS108およびS204と同様の周波数設定動作を行う(ステップS301)。 Also in the present embodiment, the same frequency setting operation and the step S101 from S108 and S204 in step S101 from S109 or the second embodiment, in the first embodiment (step S301). この動作は、実施の形態1または実施の形態2と同様であるので詳細な説明は省略する。 This operation, detailed description is omitted because it is similar to the first embodiment or the second embodiment.

予め定めた変化量を越えた環境温度の変化、または予め定めた変化量を越えた送電コイルの両端電圧の変化を検出した場合、または予め定めた時間が経過した場合は、ステップS301に戻り、再度周波数設定動作を行う。 Predetermined variation of environmental temperature change exceeding or when it detects a change in voltage across the power transmission coil beyond the predetermined variation, or when the predetermined time has elapsed, the process returns to step S301, the frequency setting operation again. その他の場合は、ステップS302を再度実行する。 Otherwise, execute step S302 again. 環境温度はスイッチング素子、共振容量、共振コイルの温度等を計測することにより得る(ステップS302)。 Environmental temperature obtained by measuring the switching element, the resonant capacitor, and temperature of the resonant coil (step S302).

以上のように、本発明の非接触電力伝送装置は送電部の送電周波数Fswを共振が最大となる周波数よりも高い周波数Fresに設定する。 As described above, the non-contact power transmission apparatus of the present invention is resonant power transmission frequency Fsw of the power transmission portion is set to a higher frequency Fres than the frequency of maximum. これにより、環境温度変化、部品の経年変化、送電回路や受電回路の周辺に物体が接近する等の外乱要因が生じた場合でも、Fsw<Fresの状態となることを防止することができる。 Thus, environmental temperature changes, aging of components, even if the object around the power transmission circuit and the power receiving circuit has occurred disturbance factors such as approaching, it is possible to prevent an Fsw <Fres state. そのため、スイッチング素子の電力損失を低減でき、高効率の非接触電力伝送を行うことができる。 Therefore, it is possible to reduce the power loss of the switching element, it is possible to perform non-contact power transmission with high efficiency.

本発明の非接触電力伝送装置は、送電装置にFET等のスイッチング素子を用いた場合でも効率的な電力伝送が可能となる。 Non-contact power transmission apparatus of the present invention enables efficient power transfer even when a switching element such as FET to the power transmitting device.

1 送電装置2 受電装置3 送電部4 送電コイル5 共振容量6 送電コイル電圧検出部7 送電制御部8 受電コイル9 共振容量10 電力変換部11 電力出力端子21 スイッチング素子22 スイッチング素子23 コイル 1 power transmission apparatus 2 receiving apparatus 3 transmitting unit 4 transmitting coil 5 resonance capacitor 6 transmitting coil voltage detecting unit 7 the power transmission control unit 8 receiving coil 9 resonant capacitor 10 power converter 11 power output terminal 21 switching element 22 a switching element 23 coils

Claims (4)

  1. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、 A power transmission device having a configured power transmitting resonator by transmission coil and a resonant capacitor,
    受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、 And a power receiving device having a configured receiving resonator by the receiving coil and a resonant capacitor,
    前記送電コイルと前記受電コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、 The non-contact power transmission apparatus for transmitting power to the power receiving device from the transmitting device via a magnetic field resonance between the power receiving coil and the transmitting coil,
    前記送電装置は、更に、 The power transmitting apparatus further
    スイッチング素子を用いた送電回路で前記送電共振器に高周波電力を与える送電部と、 A power transmission section that gives a high frequency power to the power transmission resonator by transmission circuit using a switching element,
    前記送電コイルの両端電圧を測定する電圧検出部と、 A voltage detector for measuring the voltage across the power transmission coil,
    前記送電部の送電周波数を制御する送電周波数制御部とを有し、 And a power transmission frequency control unit for controlling the transmission frequency of the power transmitting portion,
    前記送電周波数制御部は、前記電圧検出部が測定した前記送電コイルの両端電圧に基づき、前記送電コイルの両端電圧が最大となる共振送電周波数を求め、前記送電部の送電周波数を前記共振送電周波数よりも高い周波数に設定することを特徴とする非接触電力伝送装置。 The power transmission frequency control unit, based on the voltage across the power transmission coil by the voltage detecting unit is measured, the voltage across the power transmission coil seek resonant transmission frequency with the maximum, the resonant power frequency power frequency of the power transmission unit non-contact power transmission apparatus characterized by setting the frequency higher than.
  2. 前記送電周波数制御部は、前記送電コイルの両端電圧が予め定められた上限値を超えない範囲で前記送電部の送電周波数を設定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。 The power transmission frequency control unit, the non-contact power transmission apparatus according to claim 1, characterized in that the voltage across the power transmission coil to set the transmission frequency of the power transmitting portion within a range not exceeding a predetermined upper limit value .
  3. 前記送電周波数制御部は、前記送電部の送電周波数を設定した後に、一定の環境温度の変化、若しくは一定の送電コイルの両端電圧の変化を検出した場合、又は一定の時間が経過した場合は、前記送電部の送電周波数を設定し直すことを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触電力伝送装置。 The power transmission frequency control unit, said after setting the transmission frequency of the power transmission unit, the change of constant environmental temperature, or when detecting a change in the voltage across the constant power transmission coils, or if a certain time has elapsed, non-contact power transmission apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that resetting the transmission frequency of the power transmitting portion.
  4. 前記スイッチング素子を用いた送電回路は、2個のFETをスイッチング素子として用いたハーフブリッジ回路、又は4個のFETをスイッチング素子として用いたフルブリッジ回路であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。 Transmission circuit using the switching elements, two of claims 1 to 3, characterized in that the FET is a full-bridge circuit using a half-bridge circuit is used as the switching element, or four FET as a switching element non-contact power transmission apparatus according to any one of.
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