JP6680243B2

JP6680243B2 - 非接触給電装置

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Publication number: JP6680243B2
Application number: JP2017039548A
Authority: JP
Inventors: 悟朗中尾; 俊行財津
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2020-04-15
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Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。

非接触給電技術の一つとして、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次直列二次（受電側）並列コンデンサ方式（以下、ＳＰ方式と呼ぶ）が利用される（例えば、非特許文献１を参照）。ＳＰ方式では、一次側（送電側）に、トランスの一部として動作する送信コイルと直列にコンデンサが接続され、二次側（受電側）に、トランスの他の一部として動作する受信コイルと並列にコンデンサが接続される。

ＳＰ方式では、受電側の受信コイル及びコンデンサにより構成される共振回路が並列共振するために、共振回路からの出力は定電流出力となる。そのため、受電側で定電圧出力となる、一次直列二次直列コンデンサ方式（以下、ＳＳ方式と呼ぶ）と比較して、ＳＰ方式の方が一般的に制御が難しい。これは、一般的な電子機器は定電圧で制御されるためである。また、送電側の直列共振を電力伝達に利用すると、送電側の送信コイルと受電側の受信コイル間の結合度が非常に低い状態（例えば、結合度k<0.2）では、給電の際に送電側の共振電流が増大してしまい、エネルギー伝送効率が低下してしまう。そのため、結合度が高い状態を維持できない用途においては、送電側の直列共振を電力伝達に利用しない方が好ましい。また、送電側の直列共振を利用しない場合、受電側は並列共振とする方が大きな電力を伝達することができる。したがって、結合度が非常に低い場合においては、非接触給電装置において、受電側の共振回路が主として電力伝達を担う回路構成となることが好ましい。すなわち、ＳＳ方式よりもＳＰ方式にしたがった回路構成となる方が、電力伝達効率を高くすることが可能となる。

一方、ＳＰ方式において、送電側及び受電側の共振回路のコンデンサの容量を適切な値とすることで、受電側の出力電圧を定電圧にする技術が提案されている（例えば、非特許文献２を参照）。

遠井他、「非接触給電の最大効率の結合係数ｋとコイルのＱによる表現」、電気学会研究会資料. SPC、半導体電力変換研究会、2011年藤田他、「直列及び並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）、Vol. 127、 No. 2、 pp.174-180、2007年

しかしながら、非特許文献２に開示された技術でも、出力電圧が定電圧となるための共振回路のコンデンサの容量は結合度に依存するので、結合度が動的に変化する環境で非接触給電装置が使用される場合には、この技術を適用することは困難である。

そこで、本発明は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できる非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルと、受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有し、第１の周波数で共振する共振回路と、共振回路からの出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値を表す情報を含む信号を送電装置へ送信する送信器とを有し、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して調節可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、出力電圧の測定値を表す情報を含む信号を受信する受信器と、出力電圧の測定値に応じて、送信コイル及び電力供給回路がソフトスイッチング動作を継続するようにスイッチング周波数を制御する制御回路とを有する。

この非接触給電装置において、送電装置の制御回路は、送信コイルと受信コイル間の想定される結合度における第１の周波数を含む周波数の範囲内でスイッチング周波数を制御することが好ましい。

この場合において、スイッチング周波数が制御される周波数の範囲は、その周波数の範囲の下限周波数が想定される結合度の最小値における第１の周波数となるように設定されることが好ましい。そして制御回路は、出力電圧の測定値が第１の電圧を超えるとスイッチング周波数をその周波数の範囲の上限周波数に設定することが好ましい。

また、この非接触給電装置において、送電装置の制御回路は、出力電圧の測定値と共振回路が共振するときの出力電圧との差が小さくなるようにスイッチング周波数を制御することが好ましい。

本発明に係る非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できるという効果を奏する。

（ａ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。（ｂ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。（ａ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ａ）と同じ共振回路としたときの、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。（ｂ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ｂ）と同じ共振回路としたときの、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。スイッチング周波数の制御と、結合度ごとの出力電圧の周波数特性との関係の一例を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置は、共振回路を有さず、交流電力を送信コイルに直接供給する送電装置から、並列共振する共振回路を有する受電装置へ給電する。ここで、発明者は、ＳＰ方式において、送電装置の共振回路の共振周波数と受電装置の共振回路の共振周波数とを近づけると、給電可能な最大電力は増加するものの、特に結合度が低い場合において、送電装置の共振回路に含まれる送信コイルに流れる電流も増大し、エネルギー伝送効率が必ずしも向上しないことに着目した。

図１（ａ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。また図１（ｂ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧を表す。そして図１（ａ）に示されるグラフ１０１は、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性を表す。また、図１（ｂ）に示されるグラフ１０２は、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性を表す。グラフ１０１に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合、送電側の共振回路の共振周波数f1、または、受電側の共振回路の共振周波数f2において、出力電圧がピークとなる。一方、グラフ１０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合には、送電側と受電側とで共通する共振周波数f3において出力電圧がピークとなる。そしてそのピーク電圧は、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、何れの電圧のピークよりも高くなる。

図２（ａ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ａ）と同じ共振回路としたときの、送電側の共振回路の送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。また図２（ｂ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ｂ）と同じ共振回路としたときの、送電側の共振回路の送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電流を表す。そして図２（ａ）に示されるグラフ２０１は、図１（ａ）に示される受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性に対応する、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。また、図２（ｂ）に示されるグラフ２０２は、図１（ｂ）に示される受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性に対応する、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。グラフ２０１及びグラフ２０２に示されように、受電側の共振回路の出力電圧が同じでも、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合の方が、送信コイルに流れる電流は大きくなる。例えば、グラフ１０１及びグラフ１０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、受電側の共振周波数f2での出力電圧と、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合における、周波数f4での出力電圧とが略等しくなる。これに対して、グラフ２０１及びグラフ２０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、共振周波数f2での送信コイルに流れる電流値I1よりも、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合における、周波数f4での送信コイルに流れる電流値I2の方が大きい。このことから、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とを等しくするよりも、送電側の共振回路の共振周波数間の受電側の共振回路の共振周波数の差を大きくして、送電側の共振回路が共振しないような周波数を持つ交流電力を用いた方が、エネルギー伝送効率が高くなることが分かる。これは、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが等しい場合、送信コイルと受信コイル間の結合度が低くなるほど、送信コイルと受信コイル間の相互インダクタンスが小さくなり、その結果として、負荷とは無関係に送信コイルに流れる電流が増加するためである。

そこでこの非接触給電装置では、送電側に共振回路を設けず、想定される結合度に応じて設定される、受電側の共振回路の共振周波数を含む周波数の範囲内で送電側の送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数を制御することで、送信コイルに流れる電流を抑制する。さらに、この非接触給電装置は、受電側の共振回路の出力電圧を測定し、その測定値が所定の閾値を超えないようにスイッチング周波数を制御することで、送電側の送信コイルがソフトスイッチング動作を継続することを可能とする。

図３は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図３に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して給電される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１３と、受信器１４と、ゲートドライバ１５と、制御回路１６とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及びコンデンサ２２を有する共振回路２０と、整流平滑回路２３と、負荷回路２６と、電圧検出回路２７と、送信器２８とを有する。

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１３へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、直流電源１１と、４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４とを有する。

直流電源１１は、所定の電圧を持つ直流電力を供給する。そのために、直流電源１１は、例えば、バッテリを有していてもよい。あるいは、直流電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するための全波整流回路及び平滑コンデンサを有していてもよい。

４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４のうち、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２は、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また本実施形態では、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−１が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−２が接続される。そしてスイッチング素子１２−１のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−１のソース端子は、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−２のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子は、送信コイル１３の一端に接続され、スイッチング素子１２−２のソース端子は、スイッチング素子１２−４を介して送信コイル１３の他端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４のうち、スイッチング素子１２−３とスイッチング素子１２−４は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と並列に、かつ、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−３が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−４が接続される。そしてスイッチング素子１２−３のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−３のソース端子は、スイッチング素子１２−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−４のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−３のソース端子、及び、スイッチング素子１２−４のドレイン端子は、送信コイル１３の他端に接続される。

また、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子は、ゲートドライバ１５を介して制御回路１６と接続される。さらに、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そして各スイッチング素子１２−１〜１２−４は、制御回路１６からの制御信号にしたがって、調整可能なスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４とがオフとなるように、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４の組と、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、直流電源１１から供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１３に供給される。

そして送信コイル１３は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。

受信器１４は、受電装置３の送信器２８から無線信号を受信する度に、その無線信号から、受電装置３の共振回路２０の出力電圧の測定値を表す情報を取り出して、制御回路１６へ出力する。そのために、受信器１４は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

ゲートドライバ１５は、制御回路１６から、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１５は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子及びスイッチング素子１２−４のゲート端子に、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオンとなる相対的に高い電圧を印加する。これにより、直流電源１１からの電流が、スイッチング素子１２−１、送信コイル１３及びスイッチング素子１２−４を介して流れるようになる。一方、ゲートドライバ１５は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子及びスイッチング素子１２−４のゲート端子に、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオフとなり、直流電源１１からの電流がスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１５は、スイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。したがって、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオフとなり、スイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３がオンとなると、直流電源１１からの電流が、スイッチング素子１２−３、送信コイル１３及びスイッチング素子１２−２を介して流れるようになる。

制御回路１６は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有する。そして制御回路１６は、受信器１４から出力電圧の測定値を受け取る度に、その測定値に応じて、電力供給回路１０及び送信コイル１３のスイッチング周波数を制御する。

そのために、本実施形態では、制御回路１６は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１２−１〜１２−４を制御する。なお、制御回路１６は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組が同時にオンとなり、直流電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

なお、制御回路１６による各スイッチング素子１２−１〜１２−４の制御の詳細については後述する。

次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、第１の共振回路の一例であり、互いに並列に接続される受信コイル２１とコンデンサ２２とからなるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端がコンデンサ２２の一端に接続されるとともに、整流平滑回路２３の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端がコンデンサ２２の他端に接続されるとともに、整流平滑回路２３の他方の入力端子に接続される。

受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１３に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１３から電力を受信する。そして受信コイル２１は、コンデンサ２２を介して受信した電力を整流平滑回路２３へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１３の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。また、本実施形態では、共振回路２０の受信コイル２１のインダクタンス及びコンデンサ２２の静電容量は、次式の関係が満たされるように設定される。

ここで、C_pは、コンデンサ２２の静電容量であり、L₂は、受信コイル２１のインダクタンスである。L_r2は、送信コイル１３を短絡した際の受信コイル２１のインダクタンスであり、kは送信コイル１３と受信コイル２１の結合度である。そしてf_r2は、共振回路２０の共振周波数である。例えば、想定される結合度（例えば、k=0.1〜0.5）においてf_r2=100kHzとなるように、各コイルのインダクタンス及び各コンデンサの静電容量が設定されればよい。

コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１と接続され、他端で整流平滑回路２３と接続される。そしてコンデンサ２２は、受信コイル２１にて受信した電力を、整流平滑回路２３へ出力する。

整流平滑回路２３は、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２４と平滑コンデンサ２５とを有し、受信コイル２１及びコンデンサ２２により受信された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２３は、その直流電力を、負荷回路２６に出力する。

電圧検出回路２７は、全波整流回路２４の両端子間の出力電圧を所定の周期ごとに測定する。全波整流回路２４の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、全波整流回路２４の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に共振回路２０の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２７は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。なお、所定の周期は、例えば、送電装置２の電力供給回路１０及び送信コイル１３のスイッチング周波数の想定される最小値に相当する周期よりも長く、例えば、10msec〜1secに設定される。そして電圧検出回路２７は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を送信器２８へ出力する。

送信器２８は、電圧検出回路２７から電圧検出信号を受信する度に、その電圧検出信号で示される出力電圧の測定値を表す情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の受信器１４へ向けて送信する。そのために、送信器２８は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、受信器１４と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。また、出力電圧の測定値を表す情報は、例えば、出力電圧の測定値そのもの、あるいは、出力電圧の測定値が取り得る値の範囲を複数のランクに分割したときの、測定値が属するランクを表す情報とすることができる。この場合、ランクは、例えば、基準電圧未満、基準電圧以上上限電圧未満、及び、上限電圧以上とすることができる。なお、基準電圧及び上限電圧については後述する。

以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。

本実施形態では、送電装置２の制御回路１６は、受信器１４から出力電圧の測定値を受け取る度に、スイッチング周波数、すなわち、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組のオン／オフの切替周期を所定の周波数範囲内で制御する。なお、所定の周波数範囲は、例えば、受電装置３が受け取ることができる電力を大きくするために、想定される結合度における、受電装置３の共振回路２０の共振周波数f_r2を含むように設定されることが好ましい。

ここで、（１）式から明らかなように、結合度kが大きくなるほど、受電装置３の共振回路２０の共振周波数f_r2も高くなる。また、負荷回路２６の抵抗が大きいほど、全波整流回路２４が有するダイオードの導通角が狭くなり、その結果として受信コイル２１の静電容量の影響を受け難くなるため、共振周波数f_r2は高くなる。

したがって、所定の周波数範囲の下限周波数fminは、例えば、給電が実行される場合において想定される結合度の最小値及び想定される負荷回路２６の抵抗の最小値に対応する共振周波数f_r2とすることができる。また、所定の周波数範囲の上限周波数fmaxは、想定される結合度の最大値及び想定される負荷回路２６の抵抗の最大値に対応する共振周波数f_r2よりも高い周波数に設定されることが好ましい。なお、負荷回路２６の抵抗値が一定、または、負荷回路２６の抵抗値の変動が無視できる程度である場合には、下限周波数fminは、想定される結合度の最小値に対応する共振周波数f_r2とすることができる。

また、制御回路１６は、送信コイル１３に流れる電流を抑制して、エネルギー伝送効率を向上するために、電圧検出回路２７による電圧の測定値が基準電圧に近づくようにスイッチング周波数を制御する。ここで、基準電圧は、例えば、共振周波数f_r2が下限周波数fminと等しいときの共振回路２０の出力電圧とすることができる。

また、エネルギー伝送効率を向上するためには、送電装置２の電力供給回路１０及び送信コイル１３が継続してソフトスイッチング（誘導性）動作することが好ましい。電力供給回路１０及び送信コイル１３がソフトスイッチング動作するためには、送信コイル１３を流れる電流の位相がスイッチング電圧の位相よりも遅れることが好ましい。これにより、例えば、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオンとなる際に、スイッチング素子１２−１のソース端子からドレイン端子へ向かって電流が流れることになるので、電力供給回路１０及び送信コイル１３がソフトスイッチング動作することとなり、スイッチングロスの発生が抑制される。

しかし、結合度と、下記の（２）式で表される受信コイル２１のQ値との積（以下、kQ積と呼ぶ）が大きくなるほど、送信コイル１３を流れる電流の位相が相対的に進む。

ここで、Rは、負荷回路２６の抵抗値を表す。そしてkQ積が所定の値よりも大きくなると、送信コイル１３を流れる電流の位相がスイッチング電圧の位相よりも早くなり、電力供給回路１０及び送信コイル１３は、ハードスイッチング（容量性）動作となって、エネルギー伝送効率が低下する。また、kQ積が大きくなるほど、共振回路２０の出力電圧は高くなる。このことから、電圧検出回路２７による電圧の測定値により、電力供給回路１０及び送信コイル１３の動作がソフトスイッチング動作となるか、ハードスイッチング動作となるかを知ることができる。

そこで、本実施形態では、電圧検出回路２７による出力電圧の測定値に対する上限電圧Vthが予め設定される。そしてその上限電圧Vthは、電力供給回路１０及び送信コイル１３がソフトスイッチング動作するときの全波整流回路２４の両端子間の出力電圧の最大値から所定のオフセット電圧（例えば、その出力電圧の最大値に0.005〜0.02を乗じた値）を減じた値に設定される。そして制御回路１６は、電圧検出回路２７による出力電圧の測定値が上限電圧Vth以下となるように、スイッチング周波数を制御することで、電力供給回路１０及び送信コイル１３がソフトスイッチング動作を継続できるようにして、エネルギー伝送効率の低下を抑制する。

なお、上限周波数fmax、下限周波数fmin、基準電圧Vr及び上限電圧Vthは、制御回路１６が有する不揮発性のメモリに予め記憶される。

図４は、スイッチング周波数の制御と、結合度ごとの出力電圧の周波数特性との関係の一例を示す図である。図４において、横軸は周波数を表し、縦軸は、電圧を表す。グラフ４０１〜４０４は、それぞれ、結合度k1〜k4のときの全波整流回路２４の両端子間の出力電圧の周波数特性を表す。ただし、k1<k2<k3<k4であり、結合度k1は、想定される結合度の最小値であり、結合度k4は、想定される結合度の最大値である。

送信コイル１３と受信コイル２３の結合度がk1である場合、制御回路１６は、スイッチング周波数が下限周波数fminとなるように制御することで、状態４１１に示されるように、出力電圧は基準電圧Vrとなり、エネルギー伝送効率を低下させずに受電装置３へ給電させることができる。ここで、送電装置２と受電装置３の位置関係が変化して、結合度がk1からk2へ変わると、状態４１２に示されるように、電力供給回路１０及び送信コイル１３が下限周波数fminでスイッチング動作していても、出力電圧は上昇する。しかしこの場合には、出力電圧は上限電圧Vthを超えないので、制御回路１６は、スイッチング周波数を所定の周波数変更量（例えば、5kHz〜10kHz）ずつ上昇させることで、状態４１３に示されるように、出力電圧を基準電圧Vrに近づけることができる。

一方、送電装置２と受電装置３の位置関係が変化して、結合度がk1からk3へ変わると、状態４１４に示されるように、出力電圧は上限電圧Vthに近くなる。そのため、制御回路１６がスイッチング周波数を所定の周波数変更量ずつ上昇させるにつれて出力電圧が上限電圧Vthを超えることになる。そこで制御回路１６は、出力電圧の測定値が上限電圧Vthに達すると、スイッチング周波数を上限周波数fmaxに設定することで、出力電圧を下げる。なお、この場合、上限周波数fmaxは、共振回路２０の共振周波数よりも高いので、状態４１５に示されるように、出力電圧は基準電圧Vrよりも低くなる。そこで制御回路１６は、スイッチング周波数を上限周波数fmaxに設定した後、状態４１６に示されるように、出力電圧の測定値が基準電圧Vrに達するまで、所定の周波数変更量ずつスイッチング周波数を低下させればよい。

また、送電装置２と受電装置３の位置関係が変化して、結合度がk1からk4へ変わると、出力電圧は上限電圧Vthを超える。そこでこの場合には、制御回路１６は、スイッチング周波数を上限周波数fmaxに設定する。これにより、状態４１７に示されるように、出力電圧は基準電圧Vrに近づく。

なお、制御回路１６は、出力電圧の測定値が基準電圧Vrよりも低い場合には、出力電圧の測定値が基準電圧Vrに達するまで、スイッチング周波数を所定の周波数変更量ずつ低下させればよい。

以上の動作をまとめると、電圧検出回路２７による出力電圧の測定値が基準電圧Vr未満の場合、制御回路１６は、スイッチング周波数を所定周波数だけ低下させる。一方、出力電圧の測定値が基準電圧Vrよりも高く、かつ、上限電圧Vthよりも低い場合、制御回路１６は、スイッチング周波数を所定周波数だけ上昇させる。そして出力電圧の測定値が上限電圧Vth以上となる場合、制御回路１６は、スイッチング周波数を上限周波数fmaxに設定する。なお、出力電圧の測定値と基準電圧Vrの差の絶対値が所定の許容範囲（例えば、基準電圧Vrの±3〜5%）内である場合には、制御回路１６は、スイッチング周波数を変更しなくてもよい。

なお、スイッチング周波数を受電装置３の共振回路２０の共振周波数f_r2より低下させても、共振回路２０の出力電圧及び全波整流回路２４の両端子間の出力電圧は低下する。そこで変形例によれば、スイッチング周波数が調整される周波数範囲の上限周波数fmaxは、想定される結合度の最小値における、受電装置３の共振回路２０の共振周波数f_r2に設定されてもよい。この場合には、結合度が高くなり、その結果として出力電圧の測定値が基準電圧Vrよりも高くなると、制御回路１６は、スイッチング周波数を所定の周波数変更量ずつ低下させればよい。また、出力電圧の測定値が上限電圧Vthに達すると、制御回路１６は、スイッチング周波数を下限周波数fminに設定すればよい。逆に、出力電圧の測定値が基準電圧Vrよりも低い場合、制御回路１６は、スイッチング周波数を所定の周波数変更量ずつ上昇させてもよい。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、送電装置の共振回路を設けないことで、結合度が低下する場合でも、送信コイルに流れる電流の増加を抑制する。また、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路の出力電圧をモニタし、その出力電圧が上限電圧よりも低くなるようにスイッチング周波数を制御して、送電装置の電力供給回路及び送信コイルがソフトスイッチング動作を継続することを可能とする。さらに、この非接触給電装置は、出力電圧の測定値が、受電装置の共振回路が共振する際の出力電圧に近づくようにスイッチング周波数を制御することで、受電装置の共振回路の共振周波数に近いスイッチング周波数で送電装置を継続して動作させることを可能とする。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できる。

なお、変形例によれば、電圧検出回路２７は、平滑コンデンサ２５の両端子間の出力電圧を測定してもよい。この場合には、電圧検出回路２７の端子の一端は、平滑コンデンサ２５の一端と負荷回路２６の一端間に接続され、電圧検出回路２７の端子の他端は、平滑コンデンサ２５の他端と負荷回路２６の他端間に接続されればよい。
また、電圧検出回路２７が交流電圧を測定できる回路である場合には、電圧検出回路２７は、共振回路２０の両出力端子間の出力電圧を直接測定してもよい。

また他の変形例によれば、制御回路１６は、出力電圧の測定値と基準電圧間の差の絶対値が大きいほど、スイッチング周波数の変更量を大きくしてもよい。これにより、制御回路１６は、出力電圧を短期間で基準電圧に近づけることができる。

さらに、送電装置２において、送信コイル１３に交流電力を供給する電力供給回路は、スイッチング周波数を可変に調節できる回路であれば、上記の実施形態とは異なる回路構成を持っていてもよい。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。図５（ａ）に示される電力供給回路１１０は、スイッチング周波数を制御回路１６からの制御によって調整可能な交流電源１１１を有する。そして交流電源１１１からの交流電力が送信コイル１３に直接供給される。したがって、この変形例では、制御回路１６が受電装置３の共振回路２０の出力電圧に応じて、交流電源１１１のスイッチング周波数を直接制御すればよい。

図５（ｂ）に示される電力供給回路１２０は、直流電源１１と、二つのスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と、送信コイル１３と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１２１とを有する。なお、この変形例においても、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。

この変形例では、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２は、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−１が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−２が接続される。そしてスイッチング素子１２−１のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−１のソース端子は、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−２のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子は、送信コイル１３の一端に接続され、スイッチング素子１２−２のソース端子は、コンデンサ１２１を介して送信コイル１３の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ１５と接続される。

この変形例では、ゲートドライバ１５が、制御回路１６から制御信号に従って、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子１２−１がオンとなり、スイッチング素子１２−２がオフとなる場合には、直流電源１１からスイッチング素子１２−１を介して送信コイル１３へ電流が流れ、コンデンサ１２１が充電される。一方、スイッチン素子１２−１がオフとなり、スイッチング素子１２−２がオンとなる場合には、コンデンサ１２１が放電して、コンデンサ１２１から送信コイル１３及びスイッチング素子１２−２を介して電流が流れる。したがって、この変形例では、制御回路１６が、受電装置３の共振回路２０の出力電圧に応じて、ゲートドライバ１５を介して、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを切り替えるスイッチング周波数を制御すればよい。

図５（ｃ）に示される電力供給回路１３０も、電力供給回路１２０と同様に、直流電源１１と、二つのスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と、送信コイル１３と直列に接続されるコンデンサ１２１とを有する。ただし、電力供給回路１３０は、電力供給回路１２０と比較して、送信コイル１３の一端が直流電源１１の正極側端子と直接接続され、送信コイル１３の他端がコンデンサ１２１を介してスイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。

この変形例でも、ゲートドライバ１５が、制御回路１６から制御信号に従って、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。

なお、図５（ｂ）に示される電力供給回路１２０及び図５（ｃ）に示される電力供給回路１３０について、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル１３とコンデンサ１２１とが共振回路として動作しないよう、送信コイル１３とコンデンサ１２１の共振周波数は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数fminよりも小さくなるように、コンデンサ１２１の静電容量が設定されることが好ましい。これにより、送信コイル１３に流れる電流が増大して電力の伝送効率が低下することが抑制される。

また、上記の実施形態において、電力供給回路１２０及び電力供給回路１３０と同様に、送信コイル１３と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサが設けられてもよい。ただしこの場合も、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル１３とコンデンサとが共振回路として動作しないよう、送信コイル１３とコンデンサの共振周波数は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数fminよりも小さくなるように、コンデンサの静電容量が設定されることが好ましい。

また、送電装置２の受信器１４と受電装置３の送信器２８とを有線にて接続することが可能な場合には、受信器１４及び送信器２８は、それぞれ、出力電圧の測定値を表す情報を含む信号を有線にて通信可能な通信回路を有していればよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１非接触給電装置
２送電装置
１０、１１０、１２０、１３０電力供給回路
１１直流電源
１２−１〜１２−４スイッチング素子
１３送信コイル
１４受信器
１５ゲートドライバ
１８制御回路
３受電装置
２０共振回路
２１受信コイル
２２コンデンサ
２３整流平滑回路
２４全波整流回路
２５平滑コンデンサ
２６負荷回路
２７電圧検出回路
２８送信器
１１１交流電源
１２１コンデンサ

Claims

送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有し、第１の周波数で共振する共振回路と、
前記共振回路からの出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
前記出力電圧の測定値を表す情報を含む信号を前記送電装置へ送信する送信器と、を有し、
前記送電装置は、
前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
前記送信コイルに対して調節可能なスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
前記出力電圧の測定値を表す情報を含む信号を受信する受信器と、
前記出力電圧の測定値に応じて、前記送信コイル及び前記電力供給回路がソフトスイッチング動作を継続するように前記スイッチング周波数を制御する制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記送信コイルと前記受信コイル間の想定される結合度における前記第１の周波数を含む周波数の範囲内で前記スイッチング周波数を制御し、前記周波数の範囲は、当該周波数の範囲の下限周波数が前記想定される結合度の最小値における前記第１の周波数となるように設定され、かつ、前記出力電圧の測定値が第１の電圧を超えると前記スイッチング周波数を前記周波数の範囲の上限周波数に設定する非接触給電装置。
前記制御回路は、前記出力電圧の測定値と前記共振回路が共振するときの前記出力電圧との差が小さくなるように前記スイッチング周波数を制御する、請求項１に記載の非接触給電装置。