JP6211219B2

JP6211219B2 - 非接触電力伝送装置

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Publication number: JP6211219B2
Application number: JP2017011796A
Authority: JP
Inventors: 淳史田中; 義弘戸高
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: JP6086839B2; JP2015035868A; JP2017073975A

Description

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。

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。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。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。

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。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。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。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。

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。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。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。

特開２０１０−１３０８７８号公報

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。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。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。以下に詳説する。

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。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。

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。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。

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。

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。この場合、回路の動作は以下のとおりである。

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。このとき、Ｉ０＞０となる。

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。

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。このとき、Ｉ０＜０となる。

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。このとき、Ｉ０＜０となる。

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。

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。この場合、回路の動作は以下のとおりである。

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。このとき、Ｉ０＞０となる。

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。そのため、Ｖ０＞電源電圧となり、Ｖ０の電位が高くなる。このとき、Ｉ０＜０となる。

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。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。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。このとき、Ｉ０＜０となる。

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。このとき、Ｉ０＜０となる。

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。

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。この場合、回路の動作は以下のとおりである。

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。このとき、Ｉ０＞０となる。

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。このとき、Ｉ０＞０となる。

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。このとき、Ｉ０＞０となる。

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。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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。

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。

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実施の形態１における送電部の概略を示す回路図実施の形態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実施の形態１における本発明の効果を示す図実施の形態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スイッチング回路の動作を説明する図スイッチング回路の動作を説明する別の図スイッチング回路の動作を説明するさらに別の図

図１は、本発明の非接触電力伝送装置の構成を示す。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。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。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。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。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。

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。

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。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。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。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。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。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。

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。

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。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。

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。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。

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。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。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。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。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。

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。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。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。

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。

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。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。
＜実施の形態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。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。

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。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。

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。

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。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）。

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）。

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）。

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）。

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）。

ステップＳ１０６では、送電周波数を減少させる。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。

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。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）。

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。

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。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。

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。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。

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。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。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。しかしながら、求められたｆｍａｘは１０５ｋＨｚであった。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。

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）。

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）。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。

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。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。
＜実施の形態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。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。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。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。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。

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。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）。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。

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。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。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。
＜実施の形態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。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。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。

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。

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）。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。

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。その他の場合は、ステップＳ３０２を再度実行する。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）。

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。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。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。

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。

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

Claims

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、
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、
前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電装置は、更に、
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、
前記送電コイルの両端電圧を測定する電圧検出部と、
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、
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、前記非接触電力伝送装置において適切に設定された変化量で送電周波数を変化させながら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。
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。
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。
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。