JP6440080B2 - 非接触給電装置、プログラム、非接触給電装置の制御方法、および非接触電力伝送システム - Google Patents
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Description
まず、非接触電力伝送システムの概要について、図1を参照して説明する。
次に、非接触給電装置の概要について、図1を参照して説明する。
次に、本実施形態の非接触給電装置2の具体的な回路構成について、図1を参照して説明する。
次に、本実施形態の非接触給電装置2の基本動作について、図1および図2を参照して説明する。図2では、横軸を時間軸として、上から順に第1駆動信号「G1,G4」、「G2,G3」、第2駆動信号「G5,G8」、「G6,G7」の信号波形を表している。なお、図2中の「オン」、「オフ」は、対応するスイッチ素子(変換用スイッチ素子、調整用スイッチ素子)のオン、オフを表している。
ここではまず、可変容量回路22がない場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1および一対の一次側コンデンサC11,C12のみが電気的に接続されている場合を想定し、非接触給電装置2の動作を説明する。この場合の非接触給電装置2の動作は、図1の回路構成において、可変容量回路22が動作を停止している場合、つまり可変容量回路22の全ての調整用スイッチ素子Q5〜Q8がオンに固定されている場合の非接触給電装置2の動作と等価である。
次に、図1に示すように可変容量回路22がある場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1、一対の一次側コンデンサC11,C12、および可変容量回路22が電気的に接続されている場合における、非接触給電装置2の動作を説明する。
次に、進相モードおよび遅相モードについて説明する。
ここではまず、上記「基本動作」の欄と同様に、可変容量回路22がない場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1および一対の一次側コンデンサC11,C12のみが電気的に接続されている場合について説明する。
次に、可変容量回路22がある場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1、一対の一次側コンデンサC11,C12、および可変容量回路22が電気的に接続されている場合について説明する。
次に、本実施形態の非接触給電装置2において、出力電力の大きさを調節する「出力電力制御」の動作について説明する。
本実施形態では、制御回路23は、第1駆動信号G1〜G4および第2駆動信号G5〜G8の周波数を調節する「周波数制御」と、位相差θを調節する「位相差制御」との2つの方法で、出力電力の大きさを調節するように構成されている。
以下、制御回路23が位相差制御にて位相差θを規定範囲内の設定値に調節することにより、非接触給電装置2の出力電力の大きさが調節される原理について、図6A〜図8を参照して説明する。
以下、本実施形態の「出力電力制御」の全体的な流れについて、制御回路23の処理を表す図9のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態の非接触給電装置2は、インバータ回路21および可変容量回路22が動作を開始する起動時において、以下に説明するようにインバータ回路21をソフトスタートさせる。
本実施形態においては、制御回路23は、上述したような出力電力制御を行う通常モード(起動処理を含む)の他に、一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数を推定するサーチモードを有している。サーチモードにおいては、制御回路23は、位相差θを規定範囲内で徐々に変化させ、位相差θの変化に伴う計測値(計測部24の計測値)の変化に基づいて、結合係数を推定するように構成されている。ここでいう計測値は、一次側コイルL1を流れる電流(以下、「コイル電流」ともいう)の大きさであって、計測部24で計測される。以下、サーチモードについて詳しく説明する。
以上説明したように、本実施形態の非接触給電装置2は、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が変化しても、必要な電力を確保しやすい、という利点がある。すなわち、非接触給電装置2は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである位相差θを規定範囲内の設定値に調節することにより、出力電力の大きさを調節することができる。したがって、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が変化して、一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数が変化したとしても、非接触給電装置2は、位相差θの調節により必要な電力を確保しやすくなる。また、位相差θの調節によって出力電力を調節するため、たとえばインバータ回路21の動作周波数f1として使用可能な周波数帯域(許可周波数帯F1)が制限されている場合には、とくに有用である。しかも、位相差θは、270度〜360度と90度〜180度との少なくとも一方の範囲からなる規定範囲内の設定値に調節されるので、規定範囲が所定の条件を満たしていればインバータ回路21は遅相モードで動作することが可能である。所定の条件においては、「初期遅相」の場合の規定範囲は270度〜360度と90度〜180度とのいずれでもよく、「初期進相」の場合の規定範囲は90度〜180度のみに制限される。
ところで、本実施形態における一次側コイルL1および二次側コイルL2は、コアに対して導線が螺旋状に巻き付けられたソレノイド型のコイルであってもよいが、平面上において導線が渦巻き状に巻かれたスパイラル型のコイルであることが好ましい。スパイラル型のコイルは、ソレノイド型のコイルに比べて、不要輻射ノイズが生じにくい、という利点がある。また、スパイラル型のコイルが用いられることで、不要輻射ノイズが低減される結果、インバータ回路21において使用可能な動作周波数の範囲が拡大される、という利点もある。以下、この点について詳述する。
可変容量回路22は、本実施形態のように4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8を用いた構成に限らず、たとえば図13に示すように、2つの調整用スイッチ素子Q9,Q10を用いて構成されていてもよい。図13に示す可変容量回路22において、各調整用スイッチ素子Q9,Q10は、ゲートを2つ有するダブルゲート構造の半導体スイッチ素子である。また、第1の調整用スイッチ素子Q9は、調整用コンデンサC1と電気的に直列に接続されている。第2の調整用スイッチ素子Q10は、調整用スイッチ素子Q9および調整用コンデンサC1の直列回路に対して、電気的に並列に接続されている。調整用スイッチ素子Q9の2つのゲートには、それぞれ第2駆動信号G7及び第2駆動信号G8が入力される。また、調整用スイッチ素子Q10の2つのゲートには、それぞれ第2駆動信号G5および第2駆動信号G6が入力される。図13に示す可変容量回路22は、第2駆動信号G5〜G8によって2つの調整用スイッチ素子Q9,Q10が制御され、図1に示す可変容量回路22と等価に機能する。
2 非接触給電装置
3 非接触受電装置
21 インバータ回路
211,212 一対の入力点
213,214 一対の出力点
22 可変容量回路
23 制御回路(制御部)
24 計測部
C1 調整用コンデンサ
G1〜G4 第1駆動信号
G5〜G8 第2駆動信号
L1 一次側コイル
L2 二次側コイル
Q1〜Q4 変換用スイッチ素子
Q5〜Q8 調整用スイッチ素子
Q9,Q10 調整用スイッチ素子
θ 位相差
Claims (8)
- 一対の入力点と一対の出力点との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子を有し、前記複数の変換用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の入力点に印加される直流電圧を交流電圧に変換して前記一対の出力点から出力するインバータ回路と、
前記一対の出力点間に電気的に接続され、前記交流電圧が印加されることにより二次側コイルに非接触で出力電力を供給する一次側コイルと、
前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間に電気的に接続され、調整用コンデンサおよび複数の調整用スイッチ素子を有し、前記複数の調整用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間における容量成分の大きさを調整する可変容量回路と、
第1駆動信号にて前記複数の変換用スイッチ素子を制御し、第2駆動信号にて前記複数の調整用スイッチ素子を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記第1駆動信号に対する前記第2駆動信号の位相の遅れである位相差を規定範囲内の設定値に調節することにより、前記インバータ回路を遅相モードで動作させ、前記出力電力の大きさを調節するように構成されており、
前記規定範囲は、270度〜360度と90度〜180度との少なくとも一方の範囲からなる
ことを特徴とする非接触給電装置。 - 前記規定範囲は270度〜360度の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の非接触給電装置。 - 前記規定範囲は90度〜180度の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の非接触給電装置。 - 前記制御回路は、
前記第1駆動信号および前記第2駆動信号の周波数を調節することにより前記出力電力の大きさを調節する周波数制御を行うように構成されており、
前記周波数制御にて調節後の前記出力電力の大きさが所定の目標値未満である場合に、前記位相差を前記規定範囲内の前記設定値に調節することにより、前記出力電力の大きさを調節するように構成されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の非接触給電装置。 - 前記一次側コイルに流れる電流の大きさを計測値として計測する計測部をさらに備え、
前記制御回路は、前記一次側コイルと前記二次側コイルとの間の結合係数を推定するサーチモードを有し、前記サーチモードにおいては、前記位相差を前記規定範囲内で徐々に変化させ、前記位相差の変化に伴う前記計測値の変化に基づいて前記結合係数を推定するように構成されている
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の非接触給電装置。 - 一対の入力点と一対の出力点との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子を有し、前記複数の変換用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の入力点に印加される直流電圧を交流電圧に変換して前記一対の出力点から出力するインバータ回路と、
前記一対の出力点間に電気的に接続され、前記交流電圧が印加されることにより二次側コイルに非接触で出力電力を供給する一次側コイルと、
前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間に電気的に接続され、調整用コンデンサおよび複数の調整用スイッチ素子を有し、前記複数の調整用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間における容量成分の大きさを調整する可変容量回路とを備えた非接触給電装置に用いられるコンピュータを、
第1駆動信号にて前記複数の変換用スイッチ素子を制御し、第2駆動信号にて前記複数の調整用スイッチ素子を制御し、前記第1駆動信号に対する前記第2駆動信号の位相の遅れである位相差を270度〜360度と90度〜180度との少なくとも一方からなる規定範囲内の設定値に調節することにより、前記インバータ回路を遅相モードで動作させ、前記出力電力の大きさを調節する制御部
として機能させるためのプログラム。 - 一対の入力点と一対の出力点との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子を有し、前記複数の変換用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の入力点に印加される直流電圧を交流電圧に変換して前記一対の出力点から出力するインバータ回路と、
前記一対の出力点間に電気的に接続され、前記交流電圧が印加されることにより二次側コイルに非接触で出力電力を供給する一次側コイルと、
前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間に電気的に接続され、調整用コンデンサおよび複数の調整用スイッチ素子を有し、前記複数の調整用スイッチ素子のスイッチングにより、前記一対の出力点と前記一次側コイルとの間における容量成分の大きさを調整する可変容量回路とを備えた非接触給電装置の制御方法であって、
第1駆動信号にて前記複数の変換用スイッチ素子を制御し、第2駆動信号にて前記複数の調整用スイッチ素子を制御し、前記第1駆動信号に対する前記第2駆動信号の位相の遅れである位相差を270度〜360度と90度〜180度との少なくとも一方からなる規定範囲内の設定値に調節することにより、前記インバータ回路を遅相モードで動作させ、前記出力電力の大きさを調節する
ことを特徴とする非接触給電装置の制御方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の非接触給電装置と、前記二次側コイルを有する非接触受電装置とを備え、
前記非接触受電装置は、前記非接触給電装置から非接触で前記出力電力が供給されるように構成されている
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
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