JP6094205B2 - ワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス電力伝送システムに関する。

スマートフォンに代表される携帯型端末や、ノートブック型パーソナルコンピュータ等は、装置内にリチウムイオン二次電池などの電源を内蔵しているため、室内、屋外を問わず、装置をどこへでも持ち出して使用できるので、極めて利便性が高い。一方、電池が消耗した場合は、充電などが必要となり、この充電にケーブル等を用いて行うことは、これら装置の持つ利便性を妨げる要因となっている。そこで、これら携帯機器に非接触で電力を供給できるワイヤレス電力伝送システムの開発が活発である。この種のものとして、電磁誘導方式を用いたものが一部実用化されている。

一方、近年共振コイルの作る磁場の共振現象を利用した、磁場共振方式のワイヤレス電力伝送システムも提案されてきている。この方式は、上述の電磁誘導方式に較べて、大電力を比較的離れた給受電装置間で伝送できることから、電気自動車への給電等への応用を目指した検討等、幅広い応用範囲での実用化検討が進められている。

上述の電磁誘導方式や磁場共振方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、給電側の共振手段（給電側共振回路）と受電側の共振手段（受電側共振回路）とが、ほぼ同じ共振周波数となるように設定することにより、高効率でのワイヤレス電力伝送が可能になるとされている。

しかしながら、給電側共振回路と受電側共振回路とが、例えば電磁誘導の原理或いは磁場共振の原理により電磁結合し、全体として一つの共振システムを構成したワイヤレス電力伝送システムにおいては、給電側共振回路と受電側共振回路（給電コイルと受電コイル）との距離、相対位置により、伝送システムとしての共振周波数が変化してしまうということが知られている。そこで、ワイヤレス電力伝送システムにおいては、システムの駆動周波数（動作周波数）、すなわち、給電側電源の周波数を、ワイヤレス電力伝送システムとしての共振周波数に合わせるべく設定することが必要とされている。

このようなワイヤレス電力伝送システムにおいて、その駆動周波数を設定する方法として、特許文献１に開示された技術が知られている。すなわち、給電側共振手段と受電側共振手段とを磁場共振結合させ、給電側から見たインピーダンスの周波数依存性を検出し、検出インピーダンスの絶対値が最小となる周波数、もしくは、該インピーダンスの位相がゼロとなる周波数に、システムの駆動周波数を設定するものである。このように駆動周波数を設定すると、ワイヤレス電力伝送システムとして、高い伝送効率を維持することができるとされる。

特開２０１０−２３３４４２号公報

ワイヤレス電力伝送システムを駆動するための電源としては、例えば、４個のスイッチング素子を用いたフルブリッジ型回路が知られている。フルブリッジ型回路により、直流電力をシステムの共振周波数にほぼ一致する高周波電力に変換する。このフルブリッジ型回路は、大電力を必要とする用途に特に有用と考えられる。通常のフルブリッジ型回路は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ時に、スイッチング損失が発生するとされるが、いわゆるフェーズシフト方式を用いることにより、このスイッチング損失を抑制することができる。

ところで、給電側共振回路と受電側共振回路とを備えるワイヤレス電力伝送システムにおいて、複数のスイッチング素子よりなるブリッジ型回路による高周波電源で該ワイヤレス電力伝送システムを駆動すると、スイッチング素子が破損してしまう虞のあることが、本発明者等の実験により判明した。特に、高周波電源側より共振系を見たときのインピーダンスの絶対値が最小となる周波数、もしくは、該インピーダンスの位相がゼロとなる周波数、すなわち給電側共振回路と受電側共振回路とが電磁結合をしたときの共振周波数でワイヤレス電力伝送システムを駆動すると、高周波電源内のスイッチング素子が破損してしまうという現象が起こることが判明した。この現象は、大電力伝送を行うために電源電圧を上げた場合に、また、ブリッジ型高周波電源回路をフルブリッジ型とし、フェーズシフト方式で動作させた場合に顕著になる。

よって、本発明の目的は、給電側共振回路と受電側共振回路との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、その駆動手段としてブリッジ型高周波電源を用いた場合においても、スイッチング素子の破損の虞が無く、高効率で安定した電力伝送が可能なワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、実験による種々の検討を行った結果、フルブリッジ型回路の高周波電源において、直列接続構成となっている二つのスイッチング素子のうちＯＦＦ状態にあるスイッチング素子のゲート電極にパルス状のノイズが加わる場合が有り、この結果、直列接続構成となっている二つのスイッチング素子がともにＯＮ状態となってしまい、スイッチング素子に大電流が流れ、破壊に至るものと推察された。特に、フルブリッジ型回路から給電側共振回路を見たときに、給電側共振回路と受電側共振回路と受電側共振回路から電力が供給される負荷回路を含む回路で構成される回路網のインピーダンスの虚部（リアクタンス）が容量性（容量性リアクタンス）となるときに、パルス状のノイズがスイッチング素子のゲート電極上に加わる場合が頻発することを見出した。従来、ワイヤレス電力伝送システムを、その共振周波数すなわち結合共振系を見たときのインピーダンスの絶対値が最小、もしくは、該インピーダンスの位相がゼロの周波数で駆動することにより、高効率なワイヤレス電力伝送が実現できるとされていた。しかしながら、共振周波数、即ちインピーダンスの位相がゼロ近傍となる周波数は、リアクタンスが突発的に容量性リアクタンスとなり得る領域でもあり、このことがスイッチング素子の突発的な破損をもたらしていたものと考える。

本発明は、上述の実験検討をもとになされたものであり、複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ型回路と、給電コイルと給電側コンデンサよりなる給電側共振回路と、受電コイルと受電側コンデンサよりなる受電側共振回路と、を備えるワイヤレス電力伝送システムにおいて、フルブリッジ型回路の動作周波数をｆ、動作周波数の変化分をδｆ、フルブリッジ型回路から給電側共振回路を見たときに、給電側共振回路と受電側共振回路と受電側共振回路から電力が供給される負荷回路を有する回路で構成されるワイヤレス電力伝送網のインピーダンスの虚部をＸ、虚部の動作周波数に対する変化分をδＸとすると、動作周波数ｆは、以下の式（１）および式（２）を満たす。
Ｘ＞０ 式（１）
δＸ／δｆ≧０ 式（２）
こうすることにより、フルブリッジ型回路に含まれるスイッチング素子のゲート電極上にパルス状のノイズが加わることがないことから、スイッチング素子の破損の虞が無く、ワイヤレス電力伝送システムを高効率で安定に動作させることができる。

好ましくは、フルブリッジ型回路は、フェーズシフト方式により駆動させる。高周波電源をこのような構成としても、直列接続構成されたスイッチング素子がパルス状ノイズにより共にＯＮ状態となることが回避できるため、スイッチング素子の破損の虞が無く、ワイヤレス電力伝送システムを高効率で安定に動作させることができる。

本発明によれば、給電側共振回路と受電側共振回路との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、その駆動手段としてブリッジ型高周波電源を用いた場合においても、スイッチング素子の破損の虞が無く、高効率で安定した電力伝送が可能なワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態によるワイヤレス電力伝送システムを示す図である。 第１の実施形態におけるワイヤレス電力伝送網のインピーダンスの虚部および電力伝送効率を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態によるワイヤレス電力伝送システムを示す図である。 第２の実施形態におけるワイヤレス電力伝送網のインピーダンスの虚部および電力伝送効率を示すグラフである。 高周波電源となるブリッジ型回路を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

まず、図５をもとに、以下に述べる本発明の実施形態において用いるフルブリッジ型回路よりなる高周波電源１０について説明する。図５において、４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４よりなるのが高周波電源１０であり、この回路に直流電源２０より直流電圧を印加し、制御回路３０により各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、出力端より高周波電力が出力される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチを用いることができ、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極（図中にＧで示す）に制御回路から電圧を印加することによりＯＮ／ＯＦＦを制御できる。図５において、Ｑ１＝Ｑ４＝ＯＮ、Ｑ２＝Ｑ３＝ＯＦＦ（第１期間）、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３＝Ｑ４＝ＯＦＦ（第２期間）、Ｑ２＝Ｑ３＝ＯＮ、Ｑ１＝Ｑ４＝ＯＦＦ（第３期間）、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３＝Ｑ４＝ＯＦＦ（第４期間）とし、このサイクルを繰り返すことで、サイクル周期に対応した周波数の高周波電力を出力させることができる。また、フェーズシフト方式とは、サイクルのスタート点において、Ｑ１とＱ４とを同時にＯＮ状態とせずに、Ｑ４がＯＮ状態となる時刻をある幅（フェーズ）だけＱ１から遅らせて動作させるものである。このような動作方式では、４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がすべてＯＦＦとなっている期間は短くなる。

図５において、Ｑ１とＱ２とが直列に接続されている部分をみると、Ｑ１がＯＮの時にはＱ２はＯＦＦであり、よって直流電源２０より供給される電流は、出力端に接続される負荷へと流れる。ここで、ＯＦＦであるＱ２のゲート電極にパルス状のノイズが加わると、Ｑ１、Ｑ２が共にＯＮ状態となってしまい。Ｑ１とＱ２が直列に接続された回路は短絡状態となる。よって、ここに大電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴ素子の破損に到る。このパルス状ノイズの発生は、高周波電源１０の出力に接続される負荷のインピーダンス、さらに詳しくはインピーダンスの位相に依存する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態によるワイヤレス電力伝送システム１００を示す図である。図１に示すように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送システム１００は、図５をもとに説明した高周波電源１０、直流電源２０、高周波電源の制御回路３０、給電コイルＬ２とそれに直列に接続されたコンデンサＣ２よりなる給電側共振回路４０、受電コイルＬ３とそれに直列に接続されたコンデンサＣ３よりなる受電側共振回路５０および負荷回路６０よりなる。給電側共振回路４０の給電コイルＬ２と受電側共振回路５０の受電コイルＬ３とは電磁結合をし、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３へとワイヤレス電力伝送がなされる。尚、本実施形態では、高周波電源１０の出力端と給電側共振回路４０との間にリアクトル７０を配置しているが、このリアクトルは無くてもワイヤレス電力伝送システムとして動作させることができる。このリアクトル７０を含む、給電側共振回路４０、受電側共振回路５０および負荷回路６０をワイヤレス電力伝送網８０と呼ぶ。リアクトル７０を使用しない場合も含めて、高周波電源１０の出力端につながる回路がワイヤレス電力伝送網８０である。

図２は、高周波電源１０の出力端から見た上述のワイヤレス電力伝送網８０のインピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊＸ）の虚部すなわちリアクタンスの周波数特性（実線）と、このときの電力伝送効率の動作周波数依存性（破線）を示したグラフである。ここで、Ｒはワイヤレス電力伝送網８０の実抵抗分を表し、Ｘは虚部すなわちリアクタンスを表す。なお、ｊは虚数単位である。このリアクタンスの周波数特性をもとに、ワイヤレス電力伝送システム１００の動作周波数を４つの領域に分けて検討する。領域１は、リアクタンスが容量性リアクタンスから共振周波数までの周波数範囲であり、領域２は、誘導性リアクタンスとなりその傾き（周波数微分）がゼロ以上となっている周波数範囲であり、領域３は、リアクタンスは誘導性リアクタンスであるがその傾きが負となっている周波数範囲であり、領域４は、領域２と同様リアクタンスが誘導性リアクタンスであると同時にその傾きがゼロ以上となっている周波数範囲である。以上の４つの領域のそれぞれについて、動作周波数（駆動周波数）をそれぞれの領域の範囲内としたワイヤレス電力伝送を行うと、領域１および領域３では長時間動作の間にスイッチング素子の破損が起こることがあるが、領域２および領域４では長時間動作でもスイッチング素子の破損は起こらず、安定したワイヤレス電力伝送ができる。すなわち、高周波電源１０の動作周波数をｆ、動作周波数の変化分をδｆ、高周波電源１０の出力端から見たワイヤレス電力伝送網８０のインピーダンスの虚部（リアクタンス）をＸ、虚部（リアクタンス）の動作周波数に対する変化分をδＸとすると、動作周波数ｆは、以下の式（１）および式（２）を満たすと、スイッチング素子の破損は起こらず、安定したワイヤレス電力伝送ができることとなる。
Ｘ＞０ 式（１）
δＸ／δｆ≧０ 式（２）
なお、電力伝送効率の観点から言えば、図２から明らかなように、領域４よりも領域２での動作が好ましい。

［第２の実施形態］
図３は、本発明に係る第２の実施形態によるワイヤレス電力伝送システム２００を示す図である。図３に示すように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送システム２００は、図５をもとに説明した高周波電源１０、直流電源２０、高周波電源の制御回路３０、給電コイルＬ２とそれに直列に接続されたコンデンサＣ２よりなる給電側共振回路４０、給電コイルＬ２と電磁誘導結合して給電側共振回路４０に電力を供給するコイルＬ１、受電コイルＬ３とそれに直列に接続されたコンデンサＣ３よりなる受電側共振回路５０、受電コイルＬ３と電磁誘導結合して受電共振回路から電力を取り出すコイルＬ４および負荷回路６０よりなる。給電側共振回路４０の給電コイルＬ２と受電側共振回路５０の受電コイルＬ３とは電磁結合をし、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３へとワイヤレス電力伝送がなされる。尚、本実施形態においても、Ｌ１、給電側共振回路４０、受電側共振回路５０、Ｌ４、負荷回路６０を含めてワイヤレス電力伝送網９０と呼ぶ。すなわち、高周波電源１０の出力端につながる回路がワイヤレス電力伝送網９０である。

図４は、高周波電源１０の出力端から見た上述のワイヤレス電力伝送網９０のインピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊＸ）の虚部すなわちリアクタンスの周波数特性（実線）と、このときの電力伝送効率の動作周波数依存性（破線）を示したグラフである。ここで、Ｒはワイヤレス電力伝送網９０の実抵抗分を表し、Ｘは虚部すなわちリアクタンスを表す。なお、ｊは虚数単位である。このリアクタンスの周波数特性をもとに、ワイヤレス電力伝送システム２００の動作周波数を６つの領域に分けて検討する。領域１は、リアクタンスが誘導性リアクタンスでありその傾きがゼロ以上となっている周波数範囲であり、領域２は、リアクタンスは誘導性リアクタンスであるが、その傾きが負となっている周波数領域であり、領域３は、二つの共振点に挟まれたリアクタンスが容量性リアクタンスとなっている周波数範囲であり、領域４は、リアクタンスが誘導性リアクタンスでありその傾きがゼロ以上となっている周波数範囲であり、領域５は、リアクタンスは誘導性リアクタンスであるが、その傾きが負となっている周波数領域であり、領域６は、リアクタンスが誘導性リアクタンスでありその傾きがゼロ以上となっている周波数範囲である。以上の６つの領域のそれぞれについて、動作周波数（駆動周波数）をそれぞれの領域の範囲内としたワイヤレス電力伝送を行うと、領域２、領域３および領域５では長時間動作の間にスイッチング素子の破損が起こることがあるが、領域１、領域４および領域６では長時間動作でもスイッチング素子の破損は起こらず、安定したワイヤレス電力伝送ができる。すなわち、高周波電源１０の動作周波数をｆ、動作周波数の変化分をδｆ、高周波電源１０の出力端から見たワイヤレス電力伝送網９０のインピーダンスの虚部（リアクタンス）をＸ、虚部（リアクタンス）の動作周波数に対する変化分をδＸとすると、動作周波数ｆは、以下の式（１）および式（２）を満たすと、スイッチング素子の破損は起こらず、安定したワイヤレス電力伝送ができることとなる。
Ｘ＞０ 式（１）
δＸ／δｆ≧０ 式（２）
なお、電力伝送効率の観点から言えば、図４から明らかなように、領域１、領域６よりも領域４での動作が好ましい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

例えば、給電コイルから受電コイルへの電力伝送手段としては、いかなる方式にも適用可能である。すなわち、給電コイルが電磁誘導によって電力を送電し、受電コイルが電磁誘導によって給電コイルからの電力を受電する方式であってもよい。また、給電コイルが磁界共鳴によって電力を送電し、受電コイルが磁界共鳴によって給電コイルからの電力を受電する方式であってもよい。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムによれば、携帯端末等のワイヤレス充電のみならず、高電圧、大容量を必要とする電気自動車等へのワイヤレス充電も安定して行うことができる。

１０ 高周波電源
２０ 直流電源
３０ 制御回路
４０ 給電側共振回路
５０ 受電側共振回路
６０ 負荷回路
７０ リアクトル
８０、９０ ワイヤレス電力伝送網
１００、２００ ワイヤレス電力伝送システム

Claims (2)

1. 複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ型回路と、
   給電コイルと給電側コンデンサよりなる給電側共振回路と、
   受電コイルと受電側コンデンサよりなる受電側共振回路と、を備えるワイヤレス電力伝送システムにおいて、
   前記フルブリッジ型回路の動作周波数をｆ、前記動作周波数の変化分をδｆ、前記フルブリッジ型回路から前記給電側共振回路を見たときに、前記給電側共振回路と前記受電側共振回路と前記受電側共振回路から電力が供給される負荷回路を有する回路で構成されるワイヤレス電力伝送網のインピーダンスの虚部をＸ、前記虚部の前記動作周波数に対する変化分をδＸとすると、
   前記動作周波数ｆは、以下の式（１）および式（２）を満たす複数の周波数領域のうち、周波数の高い周波数領域の範囲内の周波数であるワイヤレス電力伝送システム。
   Ｘ＞０ 式（１）
   δＸ／δｆ≧０ 式（２）
2. 前記フルブリッジ型回路は、フェーズシフト方式により駆動させる請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。
   

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