JP7081012B1

JP7081012B1 - 無線給電送電器

Info

Publication number: JP7081012B1
Application number: JP2021029284A
Authority: JP
Inventors: 寛井戸; 淳史田中
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-06-06
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: JP2022130220A

Abstract

【課題】自励発振の正常起動をサポート可能なワイヤレス送電装置を提供する。
【解決手段】ワイヤレス送電装置１０は、送電コイルＬと共振容量Ｃとを含む共振回路１４と、共振回路１４に高周波電圧を出力するインバータ１３と、インバータ１３の動作を制御する制御部１７と、共振回路１４から自励発振用帰還信号を出力する帰還信号出力部１５，１６と、自励発振用帰還信号に依存しない周波数の発振信号を出力する他励発振用発振器１８とを有する。制御部１７は、自励発振用帰還信号に基づきインバータ１３の動作を制御する自励発振モードと、他励発振用発振器１８が出力する発振信号に基づきインバータ１３の動作を制御する他励発振モードとのいずれかに、モード変更可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触、すなわちワイヤレスで受電装置に対して電力を伝送する無線給電送電器として用いられるワイヤレス送電装置に関する。

近年、電気自動車や産業用機器、携帯用電子機器等への非接触電力伝送技術が注目を浴びている。特に、電動歯ブラシや電気シェーバー等の水まわりで使う電化製品やコードレス電話機、携帯電話機等の分野においてこの技術が重宝され、一部の製品において実用化されている。

現在実用化されている非接触電力伝送装置として、送電装置に設けられた送電コイルと、受電装置に設けられた受電コイルとの間での電磁誘導を利用した電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置が知られている。この電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置においては、電力の伝送効率を高めるために、送電側と受電側の各々のコイルを近接させて配置させる必要があり、電力を無線伝送できる距離が短いという課題を有する。

そこで、数ｍ離れた機器にワイヤレスで電力を供給する技術も開発されている。それは送電コイルと受電コイルとの磁界共振結合（磁界共鳴）を利用して電力伝送を行う磁界共振結合式ワイヤレス電力伝送技術である。

磁界共振結合は非放射型かつ結合型の電力伝送原理であり、送電共振回路及び受電共振回路がそれぞれ共振した状態において送電共振回路の送電コイルと受電共振回路の受電コイルとが磁界によって結合（共鳴）して、電力伝送を行なう。磁界共振結合は、電磁誘導方式に比して高効率であり、大きなエアギャップや位置ずれが生じた場合でも高効率の電力伝送が可能である。磁界共振結合方式は、送電共振回路及び受電共振回路の共振周波数を一致させ、インピーダンスを最適化した状態で動作させることにより、結合係数が非常に小さくても高効率の電力伝送が可能となる。

磁界共振結合式のワイヤレス電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量（コンデンサ）により構成された送電共振回路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回路を有する受電装置とを備えており、送電コイルと受電コイルとが磁界的に共振することを利用して送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する。すなわち、送電共振回路と受電共振回路とが、磁界共振結合状態における共振周波数で共振するとき、高い電力伝送効率が得られる。

特許文献１及び２には、磁界共振結合型の非接触電力伝送装置において、送電共振回路と受電共振回路とからなる送受電共振系を、共振状態の変化に応じて発振が継続する自励発振方式で発振させる技術が開示されている。この自励発振は、駆動回路（３０）が送電共振回路に供給するパルス状の電力の最初の立ち上がりによって起動され、送電共振回路の共振電流のゼロクロス点（時刻）を検出して正帰還することにより、共振状態の変化に応じて発振が継続する。

特開２０１６－３９６４７号公報特開２０１６－３２３４５号公報

図８は、磁界共振結合方式のワイヤレス送電時の周波数特性を示している。図示左側は空気中の通常環境における周波数特性を示し、図示右側は送受電コイル間に金属や導電性媒体（例えば海水等）が介在する場合の周波数特性を示している。図示左側のグラフに示すように、送受電コイルが十分に離れているときに自励発振による無線給電周波数ｆ_ｓが送電共振回路を構成するＬＣ共振系の共振周波数ｆ_０にほぼ一致して、送電電力が最も大きくなる。送受電コイル間距離が近づくにつれて２つのピークがＬＣ共振系の共振周波数ｆ_０の両側に表れる双峰特性を示し、自励発振周波数ｆ_ｓは低い方のピークの近傍となる。また、送受電コイル間距離が近づくほど、ｆ_０－ｆ_ｓの値は大きくなるとともに、送電電力は小さくなっていく。

送受電コイル間に金属や導電性媒体が介在する場合、図８の右側の特性グラフに示すように、通常環境における特性グラフ全体が高周波数側にシフトする傾向がある。これは、送受電コイル間に導電体からなる異物が入り込むと、送受電コイルの結合係数が変化して、共振周波数が変化することが原因である。

また、送電コイルと受電コイルとの距離が変化するにつれて相互インダクタンスが変化して結合係数が変化し、共振周波数もずれていく。また、受電装置の電力負荷の変動によっても共振回路のＱ値が変化し、共振周波数の変動の一因となる。

また、例えば海水中を航行する潜水艇に対して海水中でワイヤレス給電する場合、水中では水流や水圧によって潜水艇が揺動し、受電装置の受電コイルを送電コイルに対して完全に固定することは困難である。空気中での電力伝送、例えば飛行中のドローンに対してワイヤレス電力伝送を行おうとする場合も同様に受電コイルを送電コイルに対して完全に固定することは困難である。

このように送受電系の電気的、磁気的状態が不安定な状態では、共振電流が減衰してしまって自励発振が正常に起動できない場合や、動作保証範囲外の異常な周波数で共振して回路部品、特に共振回路を構成するコンデンサの耐圧を超える過電圧が生じて回路破損してしまう場合がある。すなわち、ワイヤレス給電時の種々の状況によって共振回路のＱ値が変動するが、この変動は実効的には共振回路中の寄生抵抗が変動する事に相当し、例えば、図９に示すように、コイル寄生抵抗が大きくなるにつれて自励発振時の送電共振回路のコイル電流が減衰し易くなり、その結果、自励発振が正常に動作しなくなる。

本発明は、自励発振の正常起動をサポート可能なワイヤレス送電装置を提供することを目的とする。

本開示によるワイヤレス送電装置は、送電コイルと共振容量とを含む共振回路と、該共振回路に高周波電圧を出力するインバータと、該インバータの動作を制御する制御部と、前記共振回路から所定の自励発振用帰還信号を出力する帰還信号出力部とを備える。

ワイヤレス送電装置は、前記自励発振用帰還信号に依存しない周期で発振信号を出力する他励発振用発振器をさらに備えることができる。

前記制御部は、前記自励発振用帰還信号に基づき前記インバータの動作を制御する自励発振モードと、前記他励発振用発振器が出力する前記発振信号に基づき前記インバータの動作を制御する他励発振モードとのいずれかに、モード変更可能に構成されていることが好ましい。

本開示によれば、他励発振モードで共振回路を強制的に発振させた後に自励発振モードに切り換えることにより、自励発振の正常起動をサポートすることができる。特に、他励発振モード時には、共振回路の共振現象が安定するまで周期的に出力される発振信号に基づく共振回路の駆動を継続することができ、共振現象が比較的安定した後に自励発振に移行することによって、送受電共振系の共振周波数の変動に応じた自励発振周波数での共振動作を安定的に生じさせることが可能になる。

本発明の第１実施形態に係るワイヤレス給電システムの簡略ブロック構成図である。本発明の第２実施形態に係るワイヤレス給電システムの簡略ブロック構成図である。本発明によるワイヤレス送電装置の起動処理の制御フローの一例を示すフローチャートである。正常時の送受電電圧比と自励発振周波数との関係を示すグラフである。金属異物介在時の送受電電圧比と自励発振周波数との関係を示すグラフである。正常時の送受電コイル間距離と自励発振周波数との関係を示すグラフである。金属異物介在時の送受電コイル間距離と自励発振周波数との関係を示すグラフである。磁界共振結合式のワイヤレス給電時の周波数特性を示すグラフである。自励発振開始初期の送電共振回路のコイル寄生抵抗がコイル電流の減衰傾向に与える影響を示すグラフである。

以下、本発明に係るワイヤレス送電装置の実施形態について説明する。

一実施形態において、ワイヤレス送電装置は、送電コイルと共振容量とを含む共振回路と、該共振回路に高周波電圧を出力するインバータと、該インバータの動作を制御する制御部と、前記共振回路から所定の自励発振用帰還信号を出力する帰還信号出力部と、自励発振用帰還信号に依存しない周期で発振信号を出力する他励発振用発振器とを備えている。制御部は、自励発振用帰還信号に基づきインバータの動作を制御する自励発振モードと、他励発振用発振器が出力する発振信号に基づきインバータの動作を制御する他励発振モードとのいずれかに、モード変更可能に構成されている。

ワイヤレス送電装置は、受電装置に対して非接触で電力を伝送する。好ましくは、ワイヤレス送電装置は、磁界共振結合方式で受電装置に対して非接触で電力を伝送する。ワイヤレス送電装置は、電磁誘導方式で受電装置に対して非接触で電力を伝送するものであってもよい。

自励発振用帰還信号は、例えば、共振回路を流れる共振電流波形信号であってもよいし、送電コイルの端子電圧波形信号であってもよいし、これら双方を自励発振用帰還信号として用いることもできる。

他励発振用発振器は、例えば、水晶発振器などの固体振動子発振器や、ＣＲ発振回路や、マルチバイブレータなど、適宜の発振回路によって構成できる。他励発振用発振器が出力する発振信号の周波数は、共振回路の回路定数に基づいて算出される共振回路の共振周波数に合わせることが好ましいが、正常な自励発振に移行可能な周波数の範囲で適宜調整できる。正常な自励発振に移行可能な周波数（他励発振周波数）であるか否かは、試作機や実機による試験やシミュレーション等によって設計開発時に確認すればよい。発振信号は、所定周期で振動する正弦波、方形波、鋸歯状波若しくは三角波などであってよいし、また、所定周期毎に出力されるインパルス信号などであってもよい。

インバータは、適宜の回路構成であってよく、例えば、フルブリッジ型スイッチング回路によって構成されていてもよいし、ハーフブリッジ型スイッチング回路によって構成されていてもよい。インバータは、典型的には、電源から供給される直流電圧の正負を適切な周期で反転して共振回路に印加することによって共振回路を駆動する。

制御部は、典型的には、自励発振用帰還信号又は他励発振信号の周期に同期して、インバータを構成するブリッジ回路のスイッチングを行い、これにより共振回路が駆動される。自励発振モードでは、例えば、共振回路の共振電流のゼロクロス点（時刻）を検出若しくは推定して、ゼロクロス点でインバータをスイッチング動作させることができる。他励発振モードでは、例えば、発振器が出力する発振信号の各周期毎の出力開始時点、ピーク検出時点若しくはゼロクロス点でインバータをスイッチング動作させることができる。

制御部は、自励発振及び他励発振に共通の制御ユニットに自励発振用帰還信号と他励発振信号とを入力させ、制御ユニットが、インバータの動作制御のために自励発振用帰還信号及び他励発振信号のいずれを参照するかを切り換えることによって、自励発振モードと他励発振モードとにモード変更可能に構成することができる。これに代えて、制御部は、自励発振モード時にアクティブとなる自励発振用制御ユニットと、他励発振モード時にアクティブとなる他励発振用制御ユニットとをそれぞれ備え、いずれの制御ユニットを用いてインバータの動作制御を行うかを切り換えることによって、モード変更可能に構成することもできる。

制御部は、起動時にまず他励発振モードでインバータの動作を制御し、その後、自励発振モードでインバータの動作を制御するよう構成されていてよい。自励発振モードに移行するタイミングは適宜であってよく、例えば、他励発振モードでの制御を開始してから所定時間後（例えば数秒後）に自励発振モードに移行するように構成してもよいし、また、他励発振モードでの制御中に、共振回路の共振電流又は共振電圧の振幅が所定の閾値を超えると自励発振モードに移行するよう構成することもできる。なお、「起動時」とは、ワイヤレス給電処理の開始時であって、電源投入により即座にワイヤレス給電処理が実行されるよう構成されている場合は電源投入時と同義である。

制御部は、自励発振モードでインバータの動作を制御している時に共振回路の共振電流の振幅の減衰を検出すると、他励発振モードでインバータの動作を制御し、その後、自励発振モードでインバータの動作を制御するよう構成されていてよい。共振電流の減衰の検出のため、共振回路の共振電流信号波形を制御部に出力する共振電流信号波形出力部を設けることが好ましい。これに代えて、共振回路の共振電圧信号波形に基づいて共振電流の振幅の減衰を検出するよう構成することもできるし、その他適宜の方法で共振電流の振幅の減衰を検出してよい。

制御部は、自励発振モードでインバータの動作を制御している時の共振回路の自励発振周波数と、共振回路の回路定数から導かれる共振周波数との差が所定の正常範囲外であるとき、共振回路の自励発振周波数が異常であると判定するよう構成することができる。例えば、自励発振モードで動作中の自励共振周波数ｆ_ｓ（図８の無線給電周波数）と、共振回路の回路定数から導かれる共振周波数ｆ_０（図８のＬＣ共振系の共振周波数）との差（ｆ_０－ｆ_ｓ）が、所定の範囲外であるとき、異常であると判定するよう構成する。所定の範囲は、上限値のみが定められた範囲であってもよく、下限値のみが定められた範囲であってもよく、上限値及び下限値が定められた範囲であってもよい。また、所定の範囲は、送受電コイル間距離や送電電力等に応じて動的に定められるものであってよい。例えば、図８に示す周波数特性から、正常時（通常環境）ではｆ_０－ｆ_ｓ＞α（αは、双峰特性の２つのピークのうち自励発振周波数に近いピークの周波数とｆ_０との差）が成立する。一方、導電体が送受電コイル間に介在する場合は、ｆ_０－ｆ_ｓ＞β（βは、金属異物が介在しているときの双峰特性の２つのピークのうち自励発振周波数に近いピークの周波数とｆ_０との差）が成立する。α＞βの関係にあるから、ｆ_０－ｆ_ｓ≦αであるとき、異常であると判定することができる。また、図８の右側の遠距離時のグラフに示されるように、自励共振周波数ｆ_ｓがｆ_０を超えた場合に異常であると判定することもできる。

好ましくは、共振回路の共振周波数特性の変動に応じて前記正常範囲を補正するよう制御部を構成する。共振周波数特性の変動は、例えば、受電電圧の送電電圧に対する比と、自励発振周波数とに基づいて判定できる。また、送電装置の送電コイルと、受電装置の受電コイルとの間の距離を測定乃至推定するコイル間距離判定部を送電装置に内蔵若しくは外付けし、コイル間距離判定部が出力するコイル間距離に基づき共振周波数特性の変動を判定することもできる。また、送電コイルから受電コイルへ電力が伝送される媒体（例えば空気や海水など）の導電率を判定する導電率判定部を送電装置に内蔵若しくは外付けし、導電率判定部が出力する導電率に基づき共振周波数特性の変動を判定することもできる。その他、適宜の手段によって共振周波数特性の変動を判定できる。

一態様において、ワイヤレス送電装置は、前記ワイヤレス送電装置から無線給電されるワイヤレス受電装置と通信して受電側の所定の情報を取得する通信部をさらに備えることができる。前記制御部は、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御している時に、前記通信部が取得した受電側の前記情報に基づき、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かを判定するよう構成することができる。

例えば、受電側の前記情報は、前記ワイヤレス受電装置における受電電圧に関する情報を含んでいてよい。前記ワイヤレス送電装置は、前記インバータの入力側の所定部位の送電電圧を検出する送電電圧検出部をさらに備えていてよい。前記制御部は、前記送電電圧に対する前記受電電圧の比を、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かの判定パラメータの一つとして用いるよう構成することができる。

自励発振時の送電電圧に対する受電電圧の比と自励発振周波数との関係は、送受電コイル間距離が一定で且つ送受電コイルの周囲環境が同じであるなら、送電電圧及び受電電圧が変動しても共通の近似曲線上に分布することが、本願発明者らの研究によって知見されている。図４は、試験機を用いて空気中で測定した周波数特性グラフを示しており、Ｖ１はワイヤレス送電装置における送電電圧、Ｖ２はワイヤレス受電装置における受電電圧である。送受電コイル間距離、送電電圧及び受電電圧を変えて自励発振周波数を測定し、送電電圧Ｖ１に対する受電電圧Ｖ２の比Ａｖを横軸、自励発振周波数を縦軸としてプロットしたところ、送電電圧及び受電電圧が変化しても、自励発振周波数ｆｓ（Ａｖ）は、送受電コイル間距離毎に定まる曲線に近似するものとなった。これら送受電コイル間距離毎の曲線を図４に示している。

試験機の送受電コイル間に金属異物を挿入して同様の測定を行った場合、図５に示すように、コイル間距離毎の曲線が高周波数側にシフトするものの、やはり送電電圧及び受電電圧が変化しても、自励発振周波数は送受電コイル間距離毎に定まる曲線に近似するものとなった。

本願発明者らによって知見された上記特性を考慮し、図４に示す正常時の自励発振周波数と図５に示す異常時の自励発振周波数との間に閾値を設定し、この閾値を自励発振周波数が超えた場合に異常であると判定することができる。なお、より正確な判定を行うためには送受電コイル間の距離を、測定、推定、若しくは、オペレータによって入力するように装置構成しておくことが好ましいが、実製品の周波数特性によっては、距離が変わっても共通の閾値曲線で判定可能となる場合もあり得ると考えられる。本発明の特徴の一つは、送電電圧に対する受電電圧の比、若しくは、送電電圧に対する受電電圧の比と自励発振周波数との相関関係を判定パラメータとすることにあり、判定の具体的ロジックは適宜のものであってよい。

図６及び図７は、図４及び図５のグラフの元データを用いて、送受電コイル間距離を横軸、自励発振周波数を縦軸として、プロットしたものである。図６は空気中且つ送受電コイル間に異物が介在しない場合のグラフであり、図７は送受電コイル間に金属異物を挿入した場合のグラフである。送受電電圧を概ね同一電圧として２０Ｖ、２５Ｖ及び３０Ｖに変化させても、ほぼ同じ曲線上にプロットされた。かかる特性を考慮すると、図６に示す正常時の自励発振周波数と図５に示す異常時の自励発振周波数との間に閾値を設定し、この閾値を自励発振周波数が超えた場合に異常であると判定することもできる。また、送受電コイル間に異物が実質的に存在しないことを何らかの方法で確認した上で、自励発振させたときの自励発振周波数から図６の特性曲線を参照して送受電コイル間距離を推定することもできる。また、敢えて送受電コイル間に金属片を挿入した状態で自励発振させたときの自励発振周波数から図７の特性曲線を参照して送受電コイル間距離を推定することもできる。その他、適宜の判定処理に上記特性を利用することができる。

ワイヤレス送電装置は、電池等の電源と、電源が出力する直流電力の電圧を変換して前記インバータに出力するＤＣ／ＤＣコンバータとをさらに備えていてよく、前記送電電圧検出部は、送電装置のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧若しくは前記インバータの入力電圧を送電電圧として検出するよう構成できる。なお、送電装置のＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとの間には、電解コンデンサからなる平滑回路その他の電力調整回路が設けられていてよい。

ワイヤレス受電装置は、受電共振回路と、受電共振回路が出力する交流電力を直流電力に変換する整流回路と、整流回路が出力する直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、電圧変換後の直流電力が供給される電池等の負荷とを備えることができ、前記受電電圧は、前記整流回路の出力電圧若しくはＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧であってよい。受電装置は、前記受電電圧を検出する受電電圧検出部を有していてよい。整流回路とＤＣ／ＤＣコンバータとの間には、電解コンデンサからなる平滑回路その他の電力調整回路が設けられていてよい。

好ましくは、前記制御部は、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かの判定を、前記インバータの入力側の所定部位の送電電圧を前記ワイヤレス受電装置における受電電圧に一致させるよう制御した状態で行うよう構成することができる。これによれば、自励発振周波数が正常範囲か否かの判定をより的確に行うことができる。なお、送電電圧の制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力制御やインバータの出力制御等の適宜の方法によって行うことができる。

以下、ワイヤレス送電装置とワイヤレス受電装置とからなるワイヤレス給電システムの具体的構成を例示する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス給電システムを示す。このワイヤレス給電システムは、ワイヤレス送電装置１０と、送電装置１０から非接触で電力を受電するワイヤレス受電装置２０とにより構成される。このシステムは、磁界共振結合方式で非接触により送電装置１０から受電装置２０へ電力を伝送する。

受電装置２０は、送電装置１０の送電共振回路１４から伝送される電力を受電する受電共振回路２４と、受電した電力を整流して直流電力に変換する整流回路２３と、整流された直流電力を調整して内蔵もしくは外部の電池等の負荷２１へ出力する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２２とを備えている。

受電共振回路２４は、受電コイルとコンデンサとを直列または並列に接続したＬＣ共振回路として構成される。送電共振回路１４と共振周波数が略同一となるような構成とし、送電共振回路１４から発生する磁界を受け取り、交流電力に変換する。整流回路２３は受電共振回路２４が受け取った交流電力を整流し直流電力に変換する。整流回路２３は、ダイオードブリッジや、複数のスイッチング素子を有するブリッジ回路からなる同期整流回路などにより構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、負荷２１へ電力を出力する際に、必要に応じて電圧平滑化や電流制限等を行うよう構成できる。

送電装置１０は、電源１１と、電源１１から供給される直流電力の電圧を変換する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、コンバータ１２を介して電源１１から供給される直流電力を非接触送電用の高周波駆動電力に変換するインバータ１３と、インバータ１３が出力する高周波駆動電力を磁界に変換する送電コイルＬを有する送電共振回路１４と、送電共振回路１４に流れる共振電流を検出する共振電流検出回路１５と、送電コイルＬに生じる共振電圧を検出する共振電圧検出回路１６と、コンバータ１２及びインバータ１３等の駆動制御を行う制御部１７と、他励発振用発振器１８と、各種センサー１９とを備えている。

電源１１は典型的には直流電力を供給する電源であり、商用交流電源を直流電源に変換するコンバータや、蓄電池などから構成できる。

コンバータ１２は、例えば昇降圧チョッパ回路によって構成でき、その出力電圧は制御部１７によって制御される。

インバータ１３は、電源１１から供給される電力を用いて送電共振回路１４に高周波電圧を印加させるスイッチング回路によって構成されている。典型的には、インバータ１３はハーフブリッジもしくはフルブリッジ構成のスイッチング回路により構成され、第１のスイッチングモードにおける共振回路１４への印加電圧極性と、第２のスイッチングモードにおける共振回路１４への印加電圧極性とが、正負反転するよう構成されている。

送電共振回路１４は、送電コイルＬとコンデンサＣとを直列に接続したＬＣ共振回路として構成され、インバータ１３が生成した高周波駆動電圧が供給されると、共振電圧および共振電流が送電コイルＬに生じて高周波の磁界が発生する。

電流検出回路１５は、共振回路１４を流れる共振電流を検出する回路であって、図１においては送電コイルＬに直列に接続されたシャント抵抗Ｒ１の両端の電位差をアンプで増幅し、その出力電圧を共振電流の検出値として制御部１７のアナログ信号入力端子に入力している。電流検出回路１５はその他適宜の方式であってよく、例えば、カレントセンサ若しくはホール素子を用いて電流検出する回路などであってよい。

電圧検出回路１６は、送電コイルＬの寄生抵抗Ｒｐとともに分圧回路を構成する抵抗器Ｒ２の両端の電位差をアンプで増幅して制御部１７に出力するよう構成されている。電圧検出回路１６の出力波形は、共振回路１４の共振電圧にほぼ比例するものとなるため、共振電圧の検出値として利用できる。

これら電流検出回路１５及び／又は電圧検出回路１６の出力信号は、自励発振用帰還信号として用いることができる。すなわち、電流検出回路１５及び／又は電圧検出回路１６は、帰還信号出力部として機能する。なお、電流検出回路１５及び電圧検出回路１６のいずれか一方のみを設けることもできる。

他励発振用発振器１８は、継続的に一定の周期で他励発振用発振信号を制御部１７に出力する。各種センサー１９としては、例えば、送電コイルＬと受電コイルとの間に存在する媒体（空気や海水など）の導電率を測定する導電率センサー、送受電コイル間に異物が存在するか否かを確認するための撮像センサーや距離センサーなど、必要に応じて一又は複数のセンサーを設けることができる。

制御部１７は、主制御ユニット１７ａと、主制御ユニット１７ａからの制御指令に基づきインバータ１３をスイッチング動作させる駆動信号を生成出力するゲートドライバ１７ｂとを備えている。図示例では、電流検出回路１５の出力信号はゲートドライバ１７ｂに入力され、電圧検出回路１６の出力信号は主制御ユニット１７ａに入力されているが、かかる構成に限定されるものではない。また、ゲートドライバ１７ｂに入力された電流検出信号は、そこからさらに主制御ユニット１７ａに出力されるよう回路構成されていてよい。

制御部１７の主制御ユニット１７ａは、自励発振用帰還信号に基づきインバータの動作を制御する自励発振モードと、他励発振用発振器が出力する発振信号に基づきインバータの動作を制御する他励発振モードとのいずれかに、モード変更可能に構成されている。すなわち、自励発振モードにモード変更されているときは、電流検出回路１５が出力する共振電流波形信号及び／又は電圧検出回路１６が出力する共振電圧波形信号を自励発振用帰還信号として用いて、共振回路１４を自励発振させるようにインバータ１３を駆動制御する。一方、他励発振モードにモード変更されているときは、他励発振用発振器１８が出力する発振信号に基づいてインバータ１３を駆動制御する。

自励発振モード中、制御部１７は、共振回路１４に生じる共振電流のゼロクロス点、若しくは、共振回路１４に生じる共振電圧のゼロクロス点を検出若しくは予測し、共振電流のゼロクロス点若しくは共振電圧のゼロクロス点でインバータ１３のスイッチングモードを切り替えるように構成することができる。一方、他励発振モード中、制御部１７は、他励発振用発振器１８が出力する発振信号の所定タイミング毎（例えば、パルスの立ち上がり時点毎や、正弦波状の発振信号のゼロクロス点毎など）に、インバータ１３のスイッチングモードを切り替えるように構成することができる。

自励発振モードと他励発振モードの切換えは適宜のものであってよいが、好ましくは、ワイヤレス給電動作の起動後、自励発振が安定して生じるように、起動初期の一定時間、若しくは、起動初期に断続的に他励発振モードに切換えることができる。

図３は、ワイヤレス給電起動処理の制御フローの一例を示す。ワイヤレス給電を起動すると、まず、制御部１７を他励発振モードに切換え、ＬＣ共振回路１４の回路定数から導かれる発振周波数ｆ_０と同じ周波数で発振する他励発振用発振器１８の発振信号に基づいてインバータ１３を駆動し、共振回路１４を他励発振させる（ステップＳ１）。

他励発振用発振器１８の発振信号の少なくとも複数周期分、他励発振を継続させた後、制御部１７を自励発振モードに切換える（ステップＳ２）。なお、自励発振モードへの切換え回数をカウントしておく。

次に制御部１７は、自励発振モードに切換えた直後の共振回路１４の共振電流の振幅をモニターし、自励発振が継続するか否か、言い換えれば共振電流が徐々に減衰していくか否かを確認する（ステップＳ３）。自励発振が継続すると判定した場合、ＬＣ共振回路１４の回路定数から導かれる発振周波数ｆ_０と、自励発振している共振回路１４の実際の発振周波数ｆ_ｓとの差（ｆ_０－ｆ_ｓ）が規定以内か否かを確認する。規定以内であれば、正常に自励発振が開始したと判定して、本送電動作を開始する。

一方、ステップＳ３において自励発振が継続しないと判定した場合、自励発振モードへ切換えた回数が規定回数未満であれば、ステップＳ１に戻り、他励発振による共振回路１４の発振励起を再開する。他励発振による共振回路１４の発振励起を規定回数実施しても自励発振が正常に生じない場合は、異常通知し（ステップＳ６）、ワイヤレス給電動作を停止する。

また、ステップＳ４においてｆ_０－ｆ_ｓが規定以内ではない場合も、異常な自励発振が生じている旨を通知し（ステップＳ６）、ワイヤレス給電動作を停止する。ｆ_０－ｆ_ｓが正常範囲内（規定以内）か否かの判定のための閾値（正常範囲の極値）は、共振回路１４，２４の共振周波数特性の変動、例えば、送受電コイル間距離の大小に応じて（図８参照）、補正することができる。その他、共振周波数特性に影響を及ぼす要因を必要に応じて考慮して、正常範囲の補正を適宜行うことができる。

本実施形態によれば、送受電共振系の状態や周囲環境が不安定な場合でも、より確実に送電共振回路１４に自励発振を生じさせることができる。また、ワイヤレス給電装置単体で正常に自励発振が生じているか否かを判定して、異常と判定した場合には無線給電動作を停止することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス給電システムを示しており、上記第１実施形態と同様の構成については同符号を付して詳細説明を省略し、異なる構成、作用効果について説明する。

第２実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電装置１０及び受電装置２０は、実質的に同じ回路構成を有している。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２，２２は、双方向昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータからなる。インバータ１３及び整流回路２３は、同じブリッジ回路によって構成され、このブリッジ回路が送電装置においてはインバータ１３として動作し、受電装置においては同期整流回路又はダイオードブリッジとして動作する。なお、共振回路の共振コイル電圧の電圧検出回路は図示していないが、第１実施形態と同様に設けられていてもよい。

送電装置１０及び受電装置２０は、コンバータ１２とインバータ１３との間のＤＣリンク電圧（送電電圧）、又は、コンバータ２２と整流回路２３との間のＤＣリンク電圧（受電電圧）を検出する電圧検出器Ｖをそれぞれ備えている。

本実施形態では、送電装置１０及び受電装置２０の双方に、制御部１７，２７同士で情報の送受信を行うための通信回路（通信部）１７ｃ，２７ｃが設けられている。これら通信回路１７ｃ，２７ｃは、有線回線で接続されていてもよいし、無線回線で接続されていてもよいし、また、送電コイル及び受電コイルに生じる共振電圧に情報信号を重畳させることによって通信するものであってもよい。

好ましくは、送電装置１０の制御部１７が受電装置２０の制御部２７から取得する受電側の情報として、受電装置２０における受電電圧に関する情報、すなわち、受電装置２０の電圧検出器Ｖの検出値を含む。

本実施形態の送電装置１０におけるワイヤレス給電起動時の制御フローは図３と同様であってよいが、ステップＳ４における共振回路１４の自励発振周波数が正常範囲か否かの判定を、送電電圧に対する受電電圧の比を判定パラメータの一つとして用いることができる。上述したように、送電電圧に対する受電電圧の比と自励発振周波数との関係は、送受電コイル間距離が一定であれば、送受電電圧によらず一意に定まる傾向があることが本願発明者らによって知見された。したがって、例えば、図４に示す正常時の自励発振周波数と図５に示す異常時の自励発振周波数との間に閾値を設定し、自励発振しているときの自励発振周波数が上記閾値を超えた場合に異常であると判定することができる。その他、送電電圧に対する受電電圧の比をパラメータとして、種々の側面から自励発振周波数の異常を判定できる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。

１０ワイヤレス送電装置
１３インバータ
１４共振回路
１５帰還信号出力部（共振電流検出部）
１６帰還信号出力部（共振電圧検出部）
１７制御部
１７ｃ通信部
１８他励発振用発振器

Claims

送電コイルと共振容量とを含む共振回路と、該共振回路に高周波電圧を出力するインバータと、該インバータの動作を制御する制御部と、前記共振回路から所定の自励発振用帰還信号を出力する帰還信号出力部とを備えるワイヤレス送電装置において、
前記自励発振用帰還信号に依存しない周期で発振信号を出力する他励発振用発振器をさらに備え、
前記制御部は、前記自励発振用帰還信号に基づき前記インバータの動作を制御する自励発振モードと、前記他励発振用発振器が出力する前記発振信号に基づき前記インバータの動作を制御する他励発振モードとのいずれかに、モード変更可能に構成されており、
前記制御部は、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御している時の前記共振回路の自励発振周波数と、前記共振回路の回路定数から導かれる共振周波数との差が所定の正常範囲外であるとき、前記共振回路の自励発振周波数が異常であると判定するよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項１に記載のワイヤレス送電装置において、
前記制御部は、起動時にまず前記他励発振モードで前記インバータの動作を制御し、その後、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御するよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項１又は２に記載のワイヤレス送電装置において、
前記制御部は、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御している時に前記共振回路の共振電流の振幅の減衰を検出すると、前記他励発振モードで前記インバータの動作を制御し、その後、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御するよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項１，２又は３に記載のワイヤレス送電装置において、
前記制御部は、前記共振回路の共振周波数特性の変動に応じて前記正常範囲を補正するよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載のワイヤレス送電装置において、
前記ワイヤレス送電装置から無線給電されるワイヤレス受電装置と通信して受電側の所定の情報を取得する通信部をさらに備え、
前記制御部は、前記自励発振モードで前記インバータの動作を制御している時に、前記通信部が取得した受電側の前記情報に基づき、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かを判定するよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項５に記載のワイヤレス送電装置において、
受電側の前記情報は、前記ワイヤレス受電装置における受電電圧に関する情報を含み、
前記ワイヤレス送電装置は、前記インバータの入力側の所定部位の送電電圧を検出する送電電圧検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記送電電圧に対する前記受電電圧の比を、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かの判定パラメータの一つとして用いるよう構成されている、ワイヤレス送電装置。
請求項１～６のいずれか１項に記載のワイヤレス送電装置において、前記制御部は、前記共振回路の自励発振周波数が正常範囲か否かの判定を、前記インバータの入力側の所定部位の送電電圧を前記ワイヤレス送電装置から無線給電されるワイヤレス受電装置における受電電圧に一致させるよう制御した状態で行うよう構成されている、ワイヤレス送電装置。