JPWO2015104779A1 - 非接触給電装置及び非接触給電装置の始動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記構成において、前記1次コイルと前記2次コイルの結合状態における共振特性は、2つの直列共振周波数を有する双峰特性であることが好ましい。
本発明の一側面は、上記構成の非接触給電装置の始動方法であって、前記給電側共振回路及び受電側共振回路の共振パラメータのうちの少なくとも1つの共振パラメータを比較的大きな値に設定して、前記給電装置を始動させること、前記給電装置を始動させてから時間が経過するに従って、前記給電側共振回路の共振パラメータを小さくすることを備える。
以下、本発明を具体化した第1実施形態の非接触給電装置を図面に従って説明する。
図1は、非接触給電装置の電気的構成を説明する電気ブロック回路図を示す。図1において、非接触給電装置は、1次コイルL1を備えた給電装置1と、その給電装置1から非接触給電を受ける2次コイルL2を備えた受電装置2を有している。
図1に示すように、1次コイルL1を備えた給電装置1は、電源回路10、高周波インバータ11、給電側共振回路12、ドライブ回路13、1次電流検出回路14、給電側制御部15を備えている。
電源回路10は、整流回路及びDC/DCコンバータを有する。電源回路10は、外部の商用の交流電源Gから交流電力が供給される。整流回路は、供給された交流電力を整流する。そして、DC/DCコンバータは、整流回路から供給された直流電圧を所望の電圧に変換し、その直流電圧Vddを駆動電力として高周波インバータ11に出力する。また、電源回路10は、ドライブ回路13や給電側制御部15にも動作電圧を生成し供給するように構成されている。
図2に示すように、高周波インバータ11は、公知のフルブリッジ回路であって、4個のMOSトランジスタQa,Qb,Qc,Qdを有している。4個のMOSトランジスタQa,Qb,Qc,Qdは、1次コイルL1と給電側共振回路12の直列回路からなる給電装置1の1次側回路を挟んで、襷掛けに接続されたMOSトランジスタQa,Qdの組とMOSトランジスタQb,Qcの組とに分かれる。そして、2つの組を交互にオン・オフさせることによって、1次コイルL1に通電する予め定めた駆動周波数fzの高周波電流を生成する。高周波インバータ11は、進相モードおよび遅相モードを含む動作モードを有する。例えば、進相モードでは、高周波インバータ11が、駆動周波数fzが1次コイルL1と2次コイルL2との間の結合状態における共振特性の共振周波数よりも低い周波数領域に位置する状態で動作する。遅相モードでは、高周波インバータ11が、駆動周波数fzが1次コイルL1と2次コイルL2との間の結合状態における共振特性の共振周波数よりも高い周波数領域に位置する状態で動作する。なお、高周波インバータ11は、MOSトランジスタにて構成したが、IGBTやその他のトランジスタにて構成してもよい。また、MOSトランジスタおよび逆並列に接続されたダイオードは双方向スイッチを用いてもよい。
図3に示すように、給電側共振回路12では、容量が違う5個のコンデンサC1〜C5に対して双方向のスイッチング素子Q1〜Q5がそれぞれ直列に接続されてその5個の直列回路を並列に接続している。給電側共振回路12では、その並列回路に対して基準コンデンサC0が直列に接続されている。なお、コンデンサとスイッチング素子の直列回路を5個並列接続したが、限定されるものではなくその他複数個の直列回路を並列に接続してもよい。また、基準コンデンサC0はなくてもよい。
ドライブ回路13は、給電側制御部15からの励磁制御信号CTSを受け取り、各MOSトランジスタQa〜Qdのゲート端子にそれぞれ出力するための駆動信号PSa,PSb,PSc,PSdを生成する。つまり、給電側制御部15からの励磁制御信号CTSに基づいて、ドライブ回路13は、各組を交互にオン・オフさせる駆動信号PSa〜PSdを生成する。
給電側共振回路12とドライブ回路13の間には、1次電流検出回路14が設けられている。1次電流検出回路14は、一方の組のMOSトランジスタQa,Qdがオンからオフになった時に流れる1次電流iを検出し、検出した1次電流iの値を給電側制御部15に出力する。
給電側制御部15は、マイクロコンピュータを有し、1次コイルL1が予め定めた駆動周波数fzで励磁されるように、ドライブ回路13に励磁制御信号CTSを出力する。
つまり、図4(b)に示すように、進相モードで動作している場合、高周波インバータ11のMOSトランジスタQa〜Qdがハードスイッチングとなる。ハードスイッチングなることによって、電流損失が大きくなるとともに、スイッチング素子が損傷する原因となる。従って、進相モードの範囲での動作を避けたい。
この判定は、1次電流検出回路14がMOSトランジスタQa,Qdがオンからオフになった時に検出した1次電流iの値によって判定することができる。
次に、2次コイルL2を備えた受電装置2について説明する。受電装置2は、給電装置1の1次コイルL1の励磁駆動に基づいて発生する交番磁界に2次コイルL2が鎖交し、相互誘導にて同2次コイルL2に誘起される誘導起電力を受電し直流変換して負荷としての2次電池20に供給し、同2次電池20を充電する。
なお、2次コイルL2への給電手段は、相互誘導による電磁誘導方式に限らず、共鳴現象を利用した磁気共鳴方式などの他の方式でもよい。
受電装置2は、2次コイルL2と直列に接続された受電側共振回路21を有している。受電側共振回路21は、第1実施形態では共振コンデンサCxよりなり、2次コイルL2と直列に接続されて、受電装置2の2次側回路を構成している。
受電装置2は、整流回路22を有し、2次コイルL2と共振コンデンサCxの直列回路よりなる2次側回路に接続されている。整流回路22は、給電装置1の1次コイルL1の励磁による相互誘導にて2次コイルL2に誘起された誘起起電力を全波整流し、次段に設けたコンデンサよりなる平滑回路23に出力してリップルのない直流電源に変換する。そして、リップルのない直流電源は、2次電池20に供給される。
例えば、2次電池20は、リチウム電池等の2次電池である。2次電池20は、上記したリップルのない直流電源にて充電される。
なお、作用を説明するに際して、非接触給電装置を、給電装置1を充電ステーションに設け、受電装置2を電気自動車に搭載してなる電気自動車非接触充電システムに具体化して説明する。
特に、電気自動車非接触充電システムの場合、電気自動車が充電ステーションの指定場所に正確に停止させることは難しく、常に指定場所からずれた位置に停止する可能性がある。換言すれば、電気自動車の充電を行う毎に1次コイルL1と2次コイルL2の相対位置が異なる可能性がある。そのため、1次コイルL1と2次コイルL2のその時々の相対位置によって、漏れ磁束も相違し結合係数も変動する。結合係数の変動によって給電装置1の共振特性F1(共振周波数fr)も変動する。
結合係数が小さいとき、図4に示す共振特性F1が、図5に示す共振特性F2となる。つまり、図4に示す共振特性F1は単峰性を有するのに対し、図5に示す結合係数が小さいときの共振特性F2は、2つの直列共振点(山部)と1つの並列共振点(谷部)とを有する、つまり双峰性を有する。
これに対し、図5に示す双峰性の共振特性F2は、2つの直列共振周波数fr1,fr2が存在することから、2つの進相モードの範囲と2つの遅相モードの範囲が存在すると一般的に言われている。但し、進相モードと遅相モードの境界は図示したものに限らない。
例えば、2次電流検出装置が受電装置2に流れる2次電流を検出し、受電側通信回路がその情報を給電装置1の給電側通信回路に送信する。給電側制御部15は、給電側通信回路によって受信された情報に基づいて1次電流と2次電流の位相差を取得し、取得された1次電流と2次電流の位相差に応じて駆動周波数fzが低い方の直列共振周波数fr1の近傍に位置するのか、高い方の直列共振周波数fr2の近傍に位置するのかを判定できる。給電側制御部15は、その情報に基づいて、給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を変化させればよい。
(1)第1実施形態によれば、給電装置1は、給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を給電側制御部15からの選択制御信号SLS1〜SLS5によって制御できるようにした。そして、給電装置1は、給電側制御部15にて給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を制御する。これによって、共振特性F1(F2)を偏倚させて、高周波インバータ11が駆動する予め定めた駆動周波数fzを、遅相モードの範囲に位置するように制御した。
第2実施形態の非接触給電装置について説明する。
第2実施形態は、第1実施形態の給電側共振回路12の共振パラメータを制御に加えて、受電装置2に設けた受電側共振回路21の共振パラメータを制御する点に特徴を有する。
そのため、第2実施形態では、第1実施形態と共通する部分については説明の便宜上省略し、相異する特徴部分を詳細に説明する。
図6に示すように、給電装置1は、給電側通信回路17及び給電側アンテナAT1を備えている。
給電側通信回路17は、給電側制御部15により判定された駆動周波数fzが進相モードの範囲にあるか、遅相モードの範囲にあるかを示すモード判定情報を給電側アンテナAT1を介して受電装置2に送信する。
受電装置2は、第1実施形態の受電側共振回路21と相異して調整可能な共振パラメータを有する受電側共振回路21を備えている。
(受電側共振回路21)
図7に示すように、第2実施形態の受電側共振回路21では、容量が違う5個のコンデンサCx1〜Cx5に対して双方向のスイッチング素子Qx1〜Qx5がそれぞれ直列に接続され、その5個の直列回路が並列に接続されている。そして、受電側共振回路21では、その並列回路に対して基準コンデンサCx0が直列に接続されている。なお、コンデンサとスイッチング素子の直列回路を5個並列に接続したが、限定されるものではなくその他の複数個の直列回路を並列に接続してもよい。また、基準コンデンサCx0はなくてもよい。
受電側通信回路24は、給電装置1の給電側通信回路17から送信された給電側制御部15のモード判定情報を、受電側アンテナAT2を介して受信するようになっている。そして、受電側通信回路24は、受信したモード判定情報を受電側制御部25に出力する。
受電側制御部25は、マイクロコンピュータを有し、受電側通信回路24からのモード判定情報に基づいて、受電側共振回路21の共振パラメータを制御するための選択制御信号SLSx1〜SLSx5を生成し受電側共振回路21に出力する。
出力電力検出回路26は、平滑回路23と2次電池20の間に設けられ、2次電池20に供給されるその時々の出力電力Pを検出する。出力電力検出回路26は、検出した出力電力Pの検出信号を受電側制御部25に出力する。
前記第1実施形態の作用に加えて、給電装置1の1次コイルL1が通電され相互誘導にて受電装置2の2次コイルL2に誘導起電力が誘起される。
つまり、モード判定情報が進相モードの場合、受電側制御部25は、高周波インバータ11が駆動する予め定めた駆動周波数fzを、遅相モードの範囲になるように受電側共振回路21のコンデンサ容量を調整する。
従って、予め定めた駆動周波数fzを、遅相モードの範囲であって最適な位置にするために、給電側共振回路12及び受電側共振回路21の両方のコンデンサ容量(共振パラメータ)を同時に調整できる。その結果、予め定めた駆動周波数fzは、遅相モードの範囲であって最適な位置に制御される。
(1)第2実施形態によれば、受電装置2は、受電側共振回路21のコンデンサ容量(共振パラメータ)を受電側制御部25からの選択制御信号SLSx1〜SLSx5にて制御できる。そして、モード判定情報に基づいて受電側共振回路21のコンデンサ容量(共振パラメータ)を可変した。
○上記各実施形態では、給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を制御する際、複数個のコンデンサC1〜C5のうちのいずれか1つを選択するようにした。これに対し、給電側制御部15が、同時に複数個のコンデンサを選択し給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を制御できるように実施してもよい。
これを、図8に示すように、給電側共振回路12では、共振用の複数のコイルLr1〜Lr5を並列に接続し、その並列回路に基準コンデンサC0を直列に接続した。つまり、給電側共振回路12は、1次コイルL1に対して直列に接続された可変コイルを含む。給電側制御部15は、スイッチング素子Q1〜Q5を適宜オン・オフさせて給電側共振回路12のインダクタンス(共振パラメータ)を調整して、予め定めた駆動周波数fzが遅相モードに位置するように制御してもよい。
さらに、複数のコイルLr1〜Lr5を、同じ値のインダクタンスに設定してもよい。この場合、給電側制御部15は、同時に複数個のコイルを選択し給電側共振回路12のインダクタンス(共振パラメータ)を制御してもよい。
○給電装置の動作周波数(駆動周波数fz)が、双峰性を有する共振特性F2の2つの直列共振周波数のうちの高い直列共振周波数の周波数領域における遅相モードの範囲(図5に示す共振周波数fr2に対応する遅相モード)にある場合、1次コイルL1に流れる電流の位相と2次コイルL2に流れる電流の位相とは同相である。一方、給電装置の動作周波数(駆動周波数fz)が、双峰性を有する共振特性F2の2つの直列共振周波数のうちの低い直列共振周波数の周波数領域における遅相モードの範囲(図5に示す共振周波数fr1に対応する遅相モード)にある場合、1次コイルL1に流れる電流の位相と2次コイルL2に流れる電流の位相とは逆相である。このため、1次コイルL1に流れる電流の位相と2次コイルL2に流れる電流の位相とが逆相である場合、給電装置1から周囲に輻射される不要輻射は、1次コイルL1に流れる電流の位相と2次コイルL2に流れる電流の位相とが同相である場合よりも抑制される。
ここで、第1及び第2双方向スイッチQz1,Qz2は、第1ゲート端子G1−1,G2−1及び第2ゲート端子G1−2,G2−2からなるダブルゲートを有したGaN(窒化ガリウム)双方向スイッチデバイスである。
まず、第1双方向スイッチQz1は、第1及び第2ゲート端子G1−1,G1−2に共にオフ信号が出力されて第4モードになってオフする。一方、第2双方向スイッチQz2は、第1及び第2ゲート端子G2−1,G2−2に共にオン信号が出力されて第3モードになってオンする。これによって、給電側共振回路12の両端子間は短絡された状態になる。
以上の動作を、予め定めた駆動周波数fzの高周波電流の1周期の間に、1回又は複数回行うとともに充放電時間を制御することで、コンデンサCzの見かけ上の容量、即ち、図9及び図10に示す給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を可変することができる。
つまり、図9に示すように、基準コンデンサC0と第1スイッチング素子Qx1を直列に接続し、その直列回路に対して第2スイッチング素子Qx2を並列に接続した給電側共振回路12で実施してもよい。
これを、図11に示すように、受電側共振回路21は、共振用の複数のコイルLx1〜Lx5を並列に接続し、その並列回路に共振コンデンサCxを直列にして構成してもよい。つまり、受電側共振回路21は、2次コイルL2に直列接続された可変コイルを含む。受電側制御部25は、スイッチング素子Qx1〜Qx5を適宜オン・オフさせて受電側共振回路21のインダクタンス(共振パラメータ)を調整して実施してもよい。
さらに、複数のコイルLx1〜Lx5を、同じ値のインダクタンスに設定してもよい。この場合、受電側制御部25は、同時に複数個のコイルを選択し受電側共振回路21のインダクタンス(共振パラメータ)を制御してもよい。
また、受電側共振回路21を、図9又は図10に示す回路構成にして、受電側共振回路21のコンデンサ容量(共振パラメータ)を調整してもよい。
Claims (24)
- 非接触給電装置であって、
インバータと、1次コイルと、前記インバータと前記1次コイルとの間に設けられた給電側共振回路とを含む給電装置と、
前記1次コイルと磁気的に結合され、前記1次コイルからエネルギーを取得する2次コイルとを含み、前記2次コイルにより取得されたエネルギーを電圧変換して出力電力を生成する受電装置と、
前記インバータの動作モードが、進相モードまたは遅相モードであるかを判定するモード判定回路と、
前記動作モードが遅相モードとなるように前記給電側共振回路の共振パラメータを制御する制御回路とを備える、非接触給電装置。 - 請求項1に記載の非接触給電装置において、
前記モード判定回路は、
前記給電装置に流れる1次電流を検出する1次電流検出装置を含み、
前記モード判定回路は、前記1次電流検出装置により検出された前記1次電流に応じて、前記インバータの動作モードが進相モードまたは遅相モードであるかを判定する、非接触給電装置。 - 請求項1又は2に記載の非接触給電装置において、
前記1次コイルと前記2次コイルの結合状態における共振特性は、単一の共振周波数を有する単峰特性である、非接触給電装置。 - 請求項1又は2に記載の非接触給電装置において、
前記1次コイルと前記2次コイルの結合状態における共振特性は、2つの直列共振周波数を有する双峰特性である、非接触給電装置。 - 請求項4に記載の非接触給電装置において、
前記制御回路は、前記給電装置の動作周波数が前記2つの直列共振周波数のうちの低い直列共振周波数に近い周波数になるように前記給電側共振回路の共振パラメータを制御する、非接触給電装置。 - 請求項4に記載の非接触給電装置において、
前記制御回路は、前記給電装置の動作周波数が前記2つの直列共振周波数のうちの高い直列共振周波数に近い周波数になるように前記給電側共振回路の共振パラメータを制御する、非接触給電装置。 - 請求項5又は6に記載の非接触給電装置において、
前記受電装置は、
該受電装置に流れる2次電流を検出する2次電流検出装置と、該2次電流検出装置により検出された2次電流の電流値を含む情報を前記給電装置に送信する受電側通信回路とを含み、
前記給電装置は、
前記受電側通信回路から送信された前記情報を受信する給電側通信回路を含み、
前記制御回路は、
前記給電側通信回路から供給された前記情報に基づいて1次電流と前記2次電流との位相差を取得し、取得された前記1次電流と前記2次電流との位相差に応じて、前記給電側共振回路の共振パラメータを制御する、非接触給電装置。 - 請求項5又は6に記載の非接触給電装置において、
前記給電装置は、
前記1次コイルの近傍に設けられ、磁束を検出する検出コイルを含み、
前記制御回路は、
前記検出コイルにより検出された磁束に応じて、前記給電側共振回路の共振パラメータを制御する、非接触給電装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の非接触給電装置において、
前記給電側共振回路は、
前記1次コイルに対して直列に接続された可変コンデンサを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コンデンサのコンデンサ容量を含む、非接触給電装置。 - 請求項9に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
複数の直列回路であって、該複数の直列回路の各々が、直列に接続されたスイッチング素子とコンデンサとを含む、前記複数の直列回路を含み、
複数の直列回路は、並列に接続されている、非接触給電装置。 - 請求項9に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
直列に接続された双方向スイッチング素子とコンデンサとを含む直列回路と、
前記直列回路に並列に接続した双方向スイッチング素子とを含む、非接触給電装置。 - 請求項9に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
並列に接続された双方向スイッチング素子とコンデンサとを含む並列回路と、
前記並列回路に直列に接続した双方向スイッチング素子とを含む、非接触給電装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の非接触給電装置において、
前記給電側共振回路は、
前記1次コイルに対して直列に接続された可変コイルを含み、
前記共振パラメータは、可変コイルのインダクタンスを含む、非接触給電装置。 - 請求項13に記載の非接触給電装置において、
前記可変コイルは、
複数の直列回路であって、該複数の直列回路の各々は、直列に接続されたスイッチング素子とコイルとを含む、前記複数の直列回路を含み、
前記複数の直列回路は、並列に接続されている、非接触給電装置。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の非接触給電装置において、
前記給電装置は、
前記モード判定回路による判定情報を前記受電装置に送信する給電側通信回路を含み、
前記受電装置は、
前記2次コイルに直列に接続された受電側共振回路と、
前記給電側通信回路から送信された前記モード判定回路による判定情報を受信する受電側通信回路と、
前記受電側通信回路から供給された前記モード判定回路による判定情報に応じて、前記受電側共振回路の共振パラメータを制御する受電側制御回路とを含む、非接触給電装置。 - 請求項15に記載の非接触給電装置において、
前記受電側共振回路は、
前記2次コイルに対して直列に接続された可変コンデンサを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コンデンサのコンデンサ容量を含む、非接触給電装置。 - 請求項16に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
複数の直列回路であって、該複数の直列回路の各々は、直列に接続されたスイッチング素子とコンデンサとを含む、前記複数の直列回路を含み、
複数の直列回路は、並列に接続されている、非接触給電装置。 - 請求項16に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
直列に接続された双方向スイッチング素子とコンデンサとを含む直列回路と、
前記直列回路に並列に接続された双方向スイッチング素子とを含む、非接触給電装置。 - 請求項16に記載の非接触給電装置において、
前記可変コンデンサは、
並列に接続された双方向スイッチング素子とコンデンサとを含む並列回路と、
前記並列回路に直列に接続された双方向スイッチング素子とを含む、非接触給電装置。 - 請求項15に記載の非接触給電装置において、
前記受電側共振回路は、
前記2次コイルに対して直列に接続された可変コイルを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コイルのインダクタンスを含む、非接触給電装置。 - 請求項20に記載の非接触給電装置において、
前記可変コイルは、
複数の直列回路であって、該複数の直列回路の各々は、直列に接続されたスイッチング素子とコイルと含む、前記複数の直列回路を含み、
前記複数の直列回路は、並列に接続されている、非接触給電装置。 - 請求項15〜21のいずれか1項に記載の非接触給電装置において、
前記受電装置は、
前記出力電力を検出する出力電力検出回路を含み、
前記受電側制御回路は、前記出力電力検出回路により検出された出力電力に基づいて、前記受電側共振回路の共振パラメータを制御する、非接触給電装置。 - 請求項1〜22のいずれか1項に記載の非接触給電装置において、
前記インバータの駆動周波数は変化しない、非接触給電装置。 - 請求項1〜23のいずれか1項に記載の非接触給電装置の始動方法であって、
前記給電側共振回路及び受電側共振回路の共振パラメータのうちの少なくとも1つの共振パラメータを比較的大きな値に設定して、前記給電装置を始動させること、
前記給電装置を始動させてから時間が経過するに従って、前記給電側共振回路の共振パラメータを小さくすることを備える、非接触給電装置の始動方法。
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