JP6132066B2

JP6132066B2 - 電力伝送システム

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Publication number: JP6132066B2
Application number: JP2016504006A
Authority: JP
Inventors: 博宣高橋; 市川　敬一; 敬一市川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-05-24
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Description

本発明は、送電装置から受電装置へ電力をワイヤレスで伝送する電力伝送システムに関する。

電力伝送システムとして、送電装置の電極と受電装置の電極とが電界結合して電力が伝送される電界結合方式のシステムがある。特許文献１には、電界結合方式の電力伝送システムであって、送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めるために、電力伝送の駆動周波数を設定する方法が開示されている。特許文献１に記載の電力伝送システムは、送電装置及び受電装置それぞれに共振回路を設け、送電装置に受電装置を載置した状態で周波数スイープして共振周波数（駆動電圧のピーク値）を探索し、探索して得られた共振周波数から駆動周波数を設定し、受電装置への電力伝送を行う。

特許文献1に記載の電力伝送システムにおいて、共振回路は、送電装置及び受電装置の結合部の静電容量とインダクタとで構成される。そして、電力伝送システムの受電装置は、小型化、薄型化が要求されている。そこで、インダクタに、圧電デバイス（圧電共振子、圧電トランス）を用いることが考えられる。

特許文献２には、受電装置での降圧に圧電トランスを用いた電力伝送システムが開示されている。特許文献２に係る電力伝送システムでは、受電装置に第１の共振回路、及び第２の共振回路を構成し、送電装置で発生させる高周波高電圧の周波数を、これら二つの共振回路が結合する複合共振による二つの共振周波数の間に設定している。これにより、受電装置の負荷変動又は駆動周波数変動が生じる場合の受電装置側電圧と送電装置側電圧との比を安定化できるようにしている。

特開２０１２−７０６１４号公報国際公開２０１２／１７２９２９号パンフレット

しかしながら、特許文献２のように圧電トランスを用いた場合、電力伝送時の温度変化により圧電トランスの特性が変化し、これにより、共振条件がずれるおそれがある。共振条件がずれると、ずれる前の共振条件で設定した駆動周波数で電力伝送を行っても、高い伝送効率が得られないといった問題がある。

そこで、本発明の目的は、伝送効率の低下を回避して電力伝送を行う電力伝送システムを提供することにある。

本発明は、送電装置の送電側第１電極及び送電側第２電極と、受電装置の受電側第１電極及び受電側第２電極とが、電界結合することで送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、直流電源から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、設定された駆動周波数で前記インバータ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧を昇圧し、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極へ印加する昇圧トランスと、前記昇圧トランスと、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極との間に接続された、又は、前記昇圧トランスの一部と共に構成される、第１の共振回路と、を備え、前記受電装置は、前記受電側第１電極及び前記受電側第２電極に誘起される電圧を降圧する圧電トランスと、前記圧電トランスの等価回路の一部を含んで構成され、前記第１の共振回路と同じ共振周波数を有する第２の共振回路と、を備え、前記送電装置は、前記駆動周波数を掃引すると共に、前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、所定周期で、前記共振周波数検出部が検出した共振周波数を前記駆動周波数に設定する駆動周波数設定部と、を備えたことを特徴とする。

圧電トランスを用いた場合、時間の経過に伴う自己発熱により、共振条件の特性変化が変化し、駆動周波数がずれるため伝送効率が低下するが、本発明の構成では、所定周期で駆動周波数を設定することで、伝送効率の低下を回避することができる。

前記駆動周波数設定部は、異なるタイミングで前記共振周波数検出部が検出した共振周波数の変化量が小さくなるに伴い、前記所定周期を長くすることが好ましい。

この構成では、共振周波数の変化量が小さいと、駆動周波数を設定する周期を長くすることで、無駄な電力伝送を回避し、電力伝送に伴う不要なノイズによる影響を防止できる。

前記送電装置は、前記インバータ回路に流れる電流を検出する電流検出部を備え、前記共振周波数検出部は、前記駆動周波数が掃引された時の、前記電流検出部により検出された電流値の周波数特性に基づいて、前記共振周波数を検出することが好ましい。

この構成では、送電装置のインバータ回路に流れる電流を検出することで、共振周波数を検出するため、受電装置側の圧電トランスの状態を監視せずに共振周波数を検出できる。

前記送電装置は、前記受電装置へ伝送する伝送電力を検出する伝送電力検出部と、伝送電力に応じた前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数の検出条件を記憶する記憶部と、を備え、前記共振周波数検出部は、前記伝送電力検出部が検出した伝送電力に応じた検出条件を前記記憶部から取得し、取得した検出条件と、前記駆動周波数を掃引したときに前記電流検出部が検出した電流値の周波数特性とに基づいて、共振周波数を検出することが好ましい。

電流検出部が検出した電流値の周波数特性は、伝送電力に応じて特性カーブが異なるため、上記構成のように、伝送電力に応じた共振周波数の検出条件を予め記憶しておくことで、伝送電力が変化しても、容易に適切な共振周波数を検出できる。

本発明によれば、所定周期で駆動周波数を設定することで、伝送効率の低下を回避することができる。

実施形態１に係る電力伝送システムの回路図図１の等価回路を示す図制御回路の機能ブロック図送電電流ＩＤＣの周波数特性を示す図圧電トランスの斜視図図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図送電装置の出力電圧に対する受電装置の出力電圧Ｖｏｕｔの比率の周波数特性を示す図制御部が実行する処理を示すフローチャート駆動周波数設定処理を示すフローチャート実施形態２に係る電力伝送システムの回路図送電電流ＩＤＣの周波数特性を示す図

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電力伝送システムの回路図である。図２は、図１の等価回路を示す図である。

本実施形態に係る電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは充電回路及び二次電池を含む。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。

送電装置１０１は、直流電圧Ｖｉｎを出力する直流電源１１を備えている。直流電源１１は商用電源に接続されるＡＣアダプタである。

直流電源１１にはインバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１２は、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を備えている。インバータ回路１２では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とは、昇圧トランスＴ１の１次コイルに接続されている。

インバータ回路１２の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、ＰＷＭ制御回路１５によりＰＷＭ制御される。なお、図２ではＰＷＭ制御回路１５の図示は省略している。ＰＷＭ制御回路１５は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路１２は直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換する。

ＰＷＭ制御回路１５は、出力電圧に応じて変動する帰還電圧と基準電圧との誤差電圧を増幅して誤差電圧信号を出力する誤差増幅器を備えている。そして、この誤差電圧信号と三角波との比較結果に応じたデューティのＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ制御回路１５は、生成したＰＷＭ信号を、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のゲートへ出力する。

送電装置１０１は制御回路１６を備えている。制御回路１６は、ＰＷＭ制御回路１５に、所定のデューティ比のＰＷＭ信号を生成させる。制御回路１６については、後に詳述する。

昇圧トランスＴ１は、２次コイルがアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に接続されている。昇圧トランスＴ１は、インバータ回路１２で変換された交流電圧を昇圧し、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４へ印加する。アクティブ電極１３は、本発明に係る「送電側第１電極」の一例であり、パッシブ電極１４は、本発明に係る「送電側第２電極」の一例である。

アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４には、キャパシタＣ２１，Ｃ２２（図２では図示を省略）が直列接続されている。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４へ印加される電圧Ｖ１はキャパシタＣ２１，Ｃ２２により容量分圧される。制御回路１６は、この容量分圧された交流電圧を整流し、前記電圧Ｖ１を検出する。

また、パッシブ電極１４には電流検出用の抵抗Ｒ１が接続されている。制御回路１６は、抵抗Ｒ１に流れる電流Ｉ１を検出する。制御回路１６は、この電流Ｉ１と電圧Ｖ１とから、送電装置１０１から受電装置２０１へ伝送する電力を取得する。

昇圧トランスＴ１の２次コイルにはキャパシタＣ１が並列に接続されていて、キャパシタＣ１は、昇圧トランスＴ１の２次コイルと共に並列共振回路１７（図２参照）を形成している。

受電装置２０１はアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４を備えている。アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４は、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合に、送電装置１０１のアクティブ電極１３及びパッシブ電極１４と間隙を介して対向する。アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１３，２３が電界結合し、この結合を介して送電装置１０１の電極と受電装置２０１の電極が非接触の状態で送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。

アクティブ電極２３は、本発明に係る「受電側第１電極」の一例であり、パッシブ電極２４は、本発明に係る「受電側第２電極」の一例である。

受電装置２０１のアクティブ電極２３及びパッシブ電極２４には、圧電トランス２２が接続されている。圧電トランス２２は、一対の第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２と、一対の第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２とを有している。第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２は、アクティブ電極２３に接続している。第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２は、パッシブ電極２４に接続している。

また、圧電トランス２２は、一対の第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２、一対の第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２、及び一対の第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２を有している。第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２、第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２、及び第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２は、整流平滑回路２５に接続している。圧電トランス２２は、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２及び第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２から入力される電圧を降圧し、第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２、第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２、及び第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２から整流平滑回路２５へ出力する。

圧電トランス２２は、図２に示すように、トランスＴ２、キャパシタＣ２１，Ｃ２２、キャパシタＣｐ、インダクタＬｐ及び抵抗Ｒｐ等で表される。キャパシタＣ２１は圧電トランス２２の等価入力容量であり、キャパシタＣ２２は圧電トランス２２の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ及びインダクタＬｐは電気機械的なパラメータである。

圧電トランス２２の共振周波数は主にキャパシタＣｐとインダクタＬｐによる直列共振回路２２１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この圧電トランス２２は、直列共振回路２２１が、送電装置１０１側に形成された並列共振回路１７と共振周波数が同じとなるよう設計されている。

圧電トランス２２の出力側には、インダクタＬ２が接続されていて、このインダクタＬ２は、圧電トランス２２の等価出力容量であるキャパシタＣ２２とによって並列共振回路２２２を構成している。インダクタＬ２は、この並列共振回路２２２が、並列共振回路１７及び直列共振回路２２１と共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。

なお、電力伝送システム１で電力伝送をし続けると、圧電トランス２２は自己発熱し、時間の経過と共に温度が上昇する。この発熱は、圧電トランス２２のキャパシタＣｐ等の等価的に表される各素子の定数に影響を及ぼす。本実施形態では、圧電トランス２２が発熱していない状態（すなわち、圧電トランス２２が冷めた状態）で、直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２は、並列共振回路１７と同じ共振周波数となるよう回路定数が設定されている。

圧電トランス２２で降圧された電圧は、整流平滑回路２５へ出力される。整流平滑回路２５は、キャパシタ及びインダクタからなる平滑回路、ダイオードブリッジ、及び所定値の電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ等を含んでいる。整流平滑回路２５は、交流電圧を整流平滑し、負荷回路ＲＬへ出力する。

なお、整流平滑回路２５から負荷回路ＲＬへ出力される出力電圧はＶｏｕｔで表す。

図３は制御回路１６の機能ブロック図である。制御回路１６は、マイクロコンピュータを備え、ＩＤＣ検出部１６１、伝送電力取得部１６２、周波数制御部１６３、記憶部１６４及び制御部１６５等の機能を有する。

ＩＤＣ検出部１６１は送電電流ＩＤＣを検出する。詳しくは、直流電源１１とインバータ回路１２との間に電流検出用の抵抗Ｒ２が接続されていて、ＩＤＣ検出部１６１は、その抵抗Ｒ２の降下電圧によりインバータ回路１２に流れる送電電流ＩＤＣを検出する。ＩＤＣ検出部１６１は、本発明に係る「電流検出部」に相当する。

伝送電力取得部１６２は、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧Ｖ１と、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に流れる電流Ｉ１とを取得し、電圧Ｖ１と電流Ｉ１とから、送電装置１０１から受電装置２０１への伝送電力を取得する。この伝送電力取得部１６２は、本発明に係る「伝送電力検出部」の一例である。

なお、送電装置１０１から受電装置２０１への伝送電力は、ＩＤＣ検出部１６１が検出した送電電流ＩＤＣと入力電圧Ｖｉｎとから求められてもよい。

周波数制御部１６３は、所定の駆動周波数でインバータ回路１２がＰＷＭ制御されるよう、デューティ比をＰＷＭ制御回路１５へ出力する。ＰＷＭ制御回路１５は、その入力されたデューティ比でインバータ回路１２を制御する。また、周波数制御部１６３は、ＰＷＭ制御回路１５がインバータ回路１２を駆動制御する周波数を掃引（スイープ）する。例えば、ＰＷＭ制御回路１５が４７０ｋＨｚの周波数でインバータ回路１２をＰＷＭ制御している場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４７０±２ｋＨｚの周波数範囲を１ｋＨｚ刻みで掃引する。

記憶部１６４は、駆動周波数を設定する設定条件（検出条件）を記憶する。詳しくは、記憶部１６４は、送電装置１０１から受電装置２０１への伝送電力に応じて複数の設定条件を記憶している。この設定条件は、制御部１６５が、送電電流ＩＤＣの周波数特性から駆動周波数を設定する際に用いられる。

制御部１６５は、ＩＤＣ検出部１６１、伝送電力取得部１６２、及び周波数制御部１６３それぞれの動作を制御する。制御部１６５は、周波数制御部１６３が周波数スイープしたときに、ＩＤＣ検出部１６１が検出した送電電流ＩＤＣ、すなわち、送電電流ＩＤＣの周波数特性に基づいて、駆動周波数を設定する。

送電電流ＩＤＣの周波数特性は、図４に示すように、伝送電力によって特性カーブの凹凸が異なる。図４は、送電電流ＩＤＣの周波数特性を示す図である。図４の横軸は周波数、縦軸は送電電流ＩＤＣであり、負荷回路ＲＬの負荷を変化させた場合の特性を示す。図４に示すように、負荷の大きさに応じて周波数特性の特性カーブが異なる。

記憶部１６４に記憶されている設定条件では、例えば、得られた周波数特性の特性カーブの極大値をとる周波数を駆動周波数に設定するのか、極小値をとる周波数を駆動周波数に設定するのかのかが定められている。制御部１６５は、伝送電力取得部１６２が取得した伝送電力に対応する設定条件を記憶部１６４から取得し、その設定条件と、送電電流ＩＤＣの周波数特性とから駆動周波数を設定する。そして、周波数制御部１６３が、その駆動周波数でＰＷＭ制御回路１５がインバータ回路１２をＰＷＭ制御するよう、ＰＷＭ制御回路１５へデューティ比を出力する。このように、予め伝送電力に対応する設定条件が記憶されているため、伝送電力が変化しても、容易に適切な共振周波数を検出できる。

制御部１６５は、本発明に係る「共振周波数検出部」、及び「駆動周波数設定部」の一例である。

以下に、受電装置２０１で用いられる圧電トランス２２について説明する。

図５は、圧電トランス２２の斜視図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。

圧電トランス２２は矩形板状の圧電体板３０を備えている。この圧電体板３０は、例えばＰＺＴ系セラミックスシートが積層されて形成されている。以下では、圧電トランス２２の長さ方向をＸ軸方向、幅方向をＹ軸方向、厚み方向をＺ軸方向とする
圧電トランス２２は、（７λ／２）共振モードで長さ方向に振動するものとする。ここで、λは長さ方向の振動の１波長である。したがって、圧電トランス２２のＸ軸方向の長さは（７λ／２）としている。ここで、Ｙ軸方向の幅及びＺ軸方向の厚みは（λ／２）未満とすることが好ましい。そうすることで、幅方向及び厚み方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、圧電トランス２２全体の振動が不安定とならない。

圧電体板３０は、Ｘ軸方向に沿って、第１低電圧領域３１、第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第２低電圧領域３４、第３高電圧領域３５、第４高電圧領域３６、及び第３低電圧領域３７が形成されている。各領域３１〜３７のＸ軸方向の長さは、何れもλ／２である。

第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７は、Ｚ軸方向（厚み方向）に分極されている。第１低電圧領域３１と第３低電圧領域３７とは同方向に分極され、第２低電圧領域３４は、第１低電圧領域３１及び第３低電圧領域３７と逆方向に分極されている。分極処理の方法としては、例えば、圧電体板を１７０℃の絶縁油中で２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加する方法等が挙げられる。

第１低電圧領域３１には、一対の第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第１低電圧領域３１には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ３３が設けられている。この内部電極Ｅ３３は、図６に示すように、交互に第１出力電極Ｅ３１，Ｅ３２に接続している。

同様に、第２低電圧領域３４、及び、第３低電圧領域３７には、一対の第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２、及び、第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第２低電圧領域３４、及び、第３低電圧領域３７には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ４３，Ｅ５３が設けられている。この内部電極Ｅ４３は、交互に第２出力電極Ｅ４１，Ｅ４２に接続し、内部電極Ｅ５３は、交互に第３出力電極Ｅ５１，Ｅ５２に接続している。

第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第３高電圧領域３５及び第４高電圧領域３６は、Ｘ軸方向に分極されている。第１高電圧領域３２には、一対の第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第１高電圧領域３２には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ２３が設けられている。この内部電極Ｅ２３は、第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２それぞれに接続している。

第４高電圧領域３６には、一対の第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２がＹ軸方向に対向するよう圧電体板３０の側面に設けられている。また、第４高電圧領域３６には、Ｚ軸方向に積層された複数の内部電極Ｅ１３が設けられている。この内部電極Ｅ１３は、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２それぞれに接続している。

以上のように構成された圧電トランス２２において、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２がアクティブ電極２３に接続され、また、第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２がパッシブ電極２４に接続されている。送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送され、アクティブ電極２３及びパッシブ電極２４に電圧が誘起すると、第１入力電極Ｅ１１，Ｅ１２及び第２入力電極Ｅ２１，Ｅ２２によって、圧電体板３０のＸ軸方向（長さ方向）に電圧が印加される。このため、第１高電圧領域３２、第２高電圧領域３３、第３高電圧領域３５及び第４高電圧領域３６には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板３０のＸ軸方向に縦振動が励振される。

縦振動が励振されると、第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７ではＺ軸方向（分極方向）に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第１低電圧領域３１、第２低電圧領域３４及び第３低電圧領域３７が低電圧部となり、各電極から低電圧が取り出され負荷回路ＲＬに印加される。

以上のように構成された電力伝送システム１では、並列共振回路１７、直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２それぞれは、共振周波数が同じになるよう回路定数が設定されている。本実施形態では、共振周波数は４７０ｋＨｚとする。そして、駆動周波数は、その共振周波数に定められる。共振周波数において、並列共振回路１７と並列共振回路２２２とはハイインピーダンス（極大）となり、直列共振回路２２１はローインピーダンス（極小）となる。このため、並列共振回路１７、直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。

図８は、送電装置１０１の出力電圧に対する受電装置２０１の出力電圧Ｖｏｕｔの比率（電圧変換比）の周波数特性を示す図である。送電装置１０１の出力電圧は、すなわち、キャパシタＣ２１，Ｃ２２により容量分圧され、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧Ｖ１である。図８の横軸は周波数、縦軸は変圧比（Ｖｏｕｔ／Ｖ１）であり、負荷回路ＲＬの負荷を変化させた場合の特性を示す。

図８では、周波数が約４７０ｋＨｚの場合、負荷に関係なく変圧比は略同じである。したがって、並列共振回路１７、直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２の共振周波数が約４７０ｋＨｚとなるよう回路定数を設定し、その共振周波数を駆動周波数に定めることで、負荷変動に関係になく、電圧変動を小さくできる。すなわち、負荷変動に関係なく、効率の良い電力伝送が可能となる。

前記したように、電力伝送システム１で電力伝送をし続けることで、圧電トランス２２は自己発熱するため、共振条件がずれる。このため、時間の経過に伴い、共振周波数が駆動周波数からずれていき、伝送効率が低下する。そこで、本実施形態では、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を随時補正する。

以下に、駆動周波数の設定方法について説明する。

図９は、制御部１６５が実行する処理を示すフローチャートである。図９に示す処理は、例えば、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されることで開始される。

制御部１６５は、図１０に示す駆動周波数設定処理を実行する（Ｓ１）。図１０は、駆動周波数設定処理を示すフローチャートである。周波数制御部１６３は、インバータ回路１２の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御し、インバータ回路１２の出力電圧の周波数をスイープする（Ｓ１１）。例えば、現周波数が４７０ｋＨｚである場合、４６８，４６９，４７０，４７１，４７２ｋＨｚと、４６８ｋＨｚから４７２ｋＨｚまで１ｋＨｚ刻みで掃引する。

周波数制御部１６３が周波数スイープをするごとに、ＩＤＣ検出部１６１が送電電流ＩＤＣを検出して、制御部１６５は、送電電流ＩＤＣの周波数特性を取得する（Ｓ１２）。制御部１６５は、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に印加される電圧Ｖ１と、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４に流れる電流Ｉ１とから、送電装置１０１から受電装置２０１への伝送電力を取得する（Ｓ１３）。制御部１６５は、伝送電力に対向する設定条件を記憶部１６４から取得する（Ｓ１４）。制御部１６５は、Ｓ１２で取得した周波数特性と、Ｓ１４で取得した設定条件とから駆動周波数を設定する（Ｓ１５）。

送電電流ＩＤＣの周波数特性の特性カーブは、伝送電力に応じて異なる。このため、伝送電力に応じた設定条件に従い共振周波数を検出し、その検出した共振周波数を駆動周波数に設定する。例えば、図４に示す周波数特性において、検出により得られた周波数特性が、特性カーブＲＣ１であり、取得した設定条件が得られた周波数の極大値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図４に示す特性カーブＲＣ１の極大値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。また、検出により得られた周波数特性が、特性カーブＲＣ２であり、取得した設定条件が得られた周波数の極小値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図４に示す特性カーブＲＣ２の極小値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。

図９に戻り、制御部１６５は処理を終了するか否かを判定する（Ｓ２）。処理を終了する場合とは、例えば、送電装置１０１から受電装置２０１が取り外された場合などである。処理を終了する場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、本処理は終了する。処理を終了しない場合（Ｓ２：ＮＯ）、制御部１６５は、駆動周波数を設定してから時間Ｔが経過したか否かを判定する（Ｓ３）。この時間Ｔは、例えば１０ｓなど、適宜変更可能である。

時間Ｔが経過していない場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部１６５はＳ２の処理を実行する。時間Ｔが経過した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部１６５は駆動周波数設定処理を実行する（Ｓ４）。この駆動周波数設定処理は、図１０に示す処理である。このように、本実施形態では、時間Ｔ毎に、駆動周波数を設定する。

電力伝送を連続して行うと、時間経過と共に圧電トランス２２が自己発熱し、その影響で共振周波数が変動する。このため、時間が経過しても常に同じ駆動周波数で電力伝送し続けた場合、効率が低下する。そこで、時間Ｔ毎に駆動周波数を再設定（補正）する。これにより、圧電トランス２２の共振周波数がずれても、そのずれに応じて駆動周波数が再設定されるので、効率よく電力伝送し続けることができる。

再設定後、制御部１６５は、再設定前後の駆動周波数の差分が閾値（例えば、５０ｍＶ）以上であるか否かを判定する（Ｓ５）。閾値以上の場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部１６５は、Ｓ２の処理を実行する。閾値以上でない場合（Ｓ５：ＮＯ）、制御部１６５は、ＴをＴ１（Ｔ１＞ｔ）とする（Ｓ６）。

送電装置１０１から受電装置２０１へは大電力が伝送される。このため、短期間で繰り返し、駆動周波数設定処理を行うと、電力伝送による不要ノイズが発生し、送電装置１０１及び受電装置２０１に影響が及ぶおそれがある。そこで、周期的に検出する共振周波数の変化に差がない場合には、駆動周波数設定処理を行う周期を長くすることで、不要ノイズによる影響を防止できる。

以上説明したように、本実施形態では、圧電トランス２２の自己発熱に伴い、伝送効率が低下するため、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を再設定することで、伝送効率の低下を抑制できる。また、圧電トランス２２の自己発熱に伴い共振周波数がずれるが、本実施形態では、送電装置１０１で送電電流ＩＤＣから共振周波数を検出するため、受電装置２０１側の圧電トランス２２を監視する必要がない。

なお、本実施形態では、周波数特性の特性カーブの極大値又は極小値を共振周波数とする場合について説明したが、共振周波数の検出する方法はこれに限定されない。例えば、周波数スイープしたときにＩＤＣ検出部１６１が検出した送電電流ＩＤＣから傾きを求め、その傾きの反転を検出することによって共振周波数を検出するようにしてもよい。周波数スイープしたときの送電電流ＩＤＣの変位量から共振周波数を検出するようにしてもよい。

また、本実施形態では、圧電トランス２２が発熱していない状態（すなわち、圧電トランス２２が冷めた状態）で回路定数を設定しているが、圧電トランス２２が発熱した状態（圧電トランス２２の温度が上がっている状態）で回路定数を設定するようにしてもよい。この場合であっても、周期的に共振周波数を検出し、駆動周波数を設定することで、伝送効率の低下を抑制できる。

（実施形態２）
図１１は、実施形態２に係る電力伝送システムの回路図である。本実施形態に係る電力伝送システム２は、送電装置１０２と受電装置２０１とを備えている。受電装置２０１は、実施形態１と同じである。

本実施形態に係る送電装置１０２は、実施形態１に係る送電装置１０１と同様に、直流電源１１、インバータ回路１２、昇圧トランスＴ１、アクティブ電極１３及びパッシブ電極１４を備えている。昇圧トランスＴ１の２次コイルには、キャパシタＣ３が接続されている。キャパシタＣ３は、昇圧トランスＴ１の漏れインダクタンス（又は実部品のインダクタ）Ｌ１と共に直列共振回路１８を構成している。この直列共振回路１８は、その共振周波数が、受電装置２０１の共振回路２２１，２２２（図２参照）の共振周波数になるよう回路定数が設定されている。すなわち、実施形態１では、送電装置１０１に並列共振回路１７が形成しているのに対し、本実施形態では、送電装置１０２に直列共振回路１８を形成している点で実施形態１と相違する。

送電装置１０２の直列共振回路１８と、受電装置２０１の直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２との共振周波数が、同じになるよう回路定数を設定することで、その共振周波数において、並列共振回路２２２はハイインピーダンス（極大）となり、直列共振回路１８と直列共振回路２２１はローインピーダンス（極小）となる。このため、直列共振回路１８、直列共振回路２２１及び並列共振回路２２２における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。

図１２は、送電電流ＩＤＣの周波数特性を示す図である。図４の横軸は周波数、縦軸は送電電流ＩＤＣであり、負荷回路ＲＬの負荷を変化させた場合の特性を示す。図４に示すように、送電装置１０２が直列共振回路１８を備えている場合であっても、負荷に応じて周波数特性の特性カーブが異なる。したがって、実施形態１と同様に、伝送電力に応じた設定条件に従い共振周波数を検出し、その検出した共振周波数を駆動周波数に設定する。

例えば、図１２に示す周波数特性において、検出により得られた周波数特性が、図に示す特性カーブＲＣ３であり、取得した設定条件が得られた周波数の極小値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図１２に示す特性カーブＲＣ３の極小値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。また、図１２に示す周波数特性において、検出により得られた周波数特性が、図に示す特性カーブＲＣ４であり、取得した設定条件が得られた周波数の極大値を駆動周波数と設定するという条件である場合、図１２に示す特性カーブＲＣ４の極小値、すなわち、周波数４７０ｋＨｚを駆動周波数に設定する。何れの場合でも、駆動周波数を周波数４７０ｋＨｚに設定できる。

これにより、実施形態１の図８で説明したように、例えば、共振周波数が約４７０ｋＨｚとした場合、その共振周波数における、送電装置１０２の出力電圧に対する受電装置２０１の出力電圧の電圧変換比は、負荷に関係なく変圧比は略同じとなる。すなわち、負荷変動に関係になく、効率の良い電力伝送が可能となる。

この回路において、実施形態１と同様に、共振周波数を周期的に検出し、その検出した共振周波数を駆動周波数に設定することで、圧電トランス２２が自己発熱した場合であっても、伝送効率を低下させることなく電力伝送できる。

Ｃ１…キャパシタ
Ｃ２１，Ｃ２２…キャパシタ
Ｃ３…キャパシタ
Ｃｐ…キャパシタ
Ｅ１１，Ｅ１２…第１入力電極
Ｅ１３…内部電極
Ｅ２１，Ｅ２２…第２入力電極
Ｅ２３…内部電極
Ｅ３１，Ｅ３２…第１出力電極
Ｅ３３…内部電極
Ｅ４１，Ｅ４２…第２出力電極
Ｅ４３…内部電極
Ｅ５１，Ｅ５２…第３出力電極
Ｅ５３…内部電極
Ｌ１…漏れインダクタンス
Ｌ２…インダクタ
Ｌｐ…インダクタ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
Ｒ１，Ｒ２…抵抗
ＲＬ…負荷回路
Ｒｐ…抵抗
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…トランス
１，２…電力伝送システム
１１…直流電源
１２…インバータ回路
１３，２３…アクティブ電極
１４，２４…パッシブ電極
１５…ＰＷＭ制御回路
１６…制御回路
１７…並列共振回路
１８…直列共振回路
２２…圧電トランス
２５…整流平滑回路
３０…圧電体板
３１…第１低電圧領域
３２…第１高電圧領域
３３…第２高電圧領域
３４…第２低電圧領域
３５…第３高電圧領域
３６…第４高電圧領域
３７…第３低電圧領域
１０１，１０２…送電装置
１６１…ＩＤＣ検出部
１６２…伝送電力取得部
１６３…周波数制御部
１６４…記憶部
１６５…制御部
２０１…受電装置
２２１…直列共振回路
２２２…並列共振回路

Claims

送電装置の送電側第１電極及び送電側第２電極と、受電装置の受電側第１電極及び受電側第２電極とが、電界結合することで送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
設定された駆動周波数で前記インバータ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路と、
前記インバータ回路から出力される交流電圧を昇圧し、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極へ印加する昇圧トランスと、
前記昇圧トランスと、前記送電側第１電極及び前記送電側第２電極との間に接続された、又は、前記昇圧トランスの一部と共に構成される、第１の共振回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記受電側第１電極及び前記受電側第２電極に誘起される電圧を降圧する圧電トランスと、
前記圧電トランスの等価回路の一部を含んで構成され、前記第１の共振回路と同じ共振周波数を有する第２の共振回路と、
を備え、
前記送電装置は、
前記駆動周波数を掃引すると共に、前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
所定周期で、前記共振周波数検出部が検出した共振周波数を前記駆動周波数に設定する駆動周波数設定部と、
前記インバータ回路に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記受電装置へ伝送する伝送電力を検出する伝送電力検出部と、
伝送電力に応じた前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路の共振周波数の検出条件を記憶する記憶部と、
を備え、
前記共振周波数検出部は、
前記駆動周波数が掃引された時の、前記電流検出部により検出された電流値の周波数特性と、前記伝送電力検出部が検出した伝送電力に応じた検出条件を前記記憶部から取得し、取得した検出条件とに基づいて、共振周波数を検出する、
電力伝送システム。
前記駆動周波数設定部は、
異なるタイミングで前記共振周波数検出部が検出した共振周波数の変化量が小さくなるに伴い、前記所定周期を長くする、
請求項１に記載の電力伝送システム。