JPWO2020049853A1 - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

第１の変換器（１１）は、電力変換を行って交流電力を出力する。第１の変換器（１１）から出力された交流電力は、第１のコイル（１２）に与えられる。第１のコイル（１２）は、第２のコイル（２２）と磁気的に結合され、第１のコイル（１２）から第２のコイル（２２）に交流電力が伝送される。第２の変換器（２１）は、第２のコイル（２２）に接続され、第２のコイル（２２）に伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷（ＬＤ）に供給する。第１の制御部（３０）は、負荷（ＬＤ）の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器（１１）を制御する。

Description

この発明は、非接触給電システムおよび送電装置に関する。

互いに離間した一対のコイル間の磁界結合により非接触で高効率に電力を伝送する技術がある。この技術は、磁界結合型の非接触給電技術に分類され、例えば、電気自動車（ＥＶ）またはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）のバッテリの充電に適用することが検討される。

上記技術を用いた非接触給電システムにおいては、一対のコイルの相対位置が変化する、または負荷への給電電力が変化すると、インピーダンスが変動する。インピーダンスの変動は、電力の伝送効率が低下する要因となる。このような課題を解決するために、インピーダンスの変動による伝送効率の低下を抑制する種々の技術が開発されている（例えば特許文献１）。

特開２０１４−７８６４号公報

非接触給電システムにおいては、予め定められた定格電力よりも低い電力を伝送する場合に、コイル間の電力の伝送効率が低下する。上記特許文献１では、ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって、受電側におけるインピーダンスが調整される。しかしながら、インピーダンスの調整量が大きくなると、ＤＣ／ＤＣコンバータでの損失および受電側整流器での損失が増加する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータによるインピーダンスの調整量には限度があるので、伝送電力の大きさによっては伝送効率の低下を抑制することが困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力の伝送効率の低下を抑制しつつ所望の大きさの電力を負荷に供給することが可能な非接触給電システムおよび送電装置を得ることを目的とする。

本発明に係る非接触給電システムは、電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、第１のコイルと磁気的に結合され、第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、第２のコイルに接続され、第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御する制御する制御部とを備える。

本発明によれば、電力の伝送効率の低下を抑制しつつ所望の大きさの電力を負荷に供給することが可能となる。

実施の形態１に係る非接触給電システムの基本的な構成を示す模式図である。 実施の形態１における出力電圧と負荷供給電力との関係について説明するための図である。 実施の形態１における出力電圧と負荷供給電力との関係について説明するための図である。 実施の形態１における出力電圧と負荷供給電力との関係について説明するための図である。 実施の形態１における出力電圧と負荷供給電力との関係について説明するための図である。 実施の形態１における期間比の調整例を示す図である。 実施の形態１におけるコイル間効率と負荷のインピーダンスとの関係を示す図である。 実施の形態１における交互出力動作と位相シフト動作との併用例を示す図である。 実施の形態１において交互出力動作と位相シフト動作との併用例を示す図である。 実施の形態１における電力供給処理を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る非接触給電システムの構成を示す模式図である。 実施の形態３に係る非接触給電システムの構成を示す模式図である。 実施の形態４に係る非接触給電システムの構成を示す模式図である。 実施の形態４におけるＤＣ／ＤＣコンバータの動作例について説明するための図である。 実施の形態５に係る非接触給電システムの構成を示す模式図である。 実施の形態５における第１の変換器の動作について説明するための図である。 実施の形態５における第１の変換器の動作について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態に係る非接触給電システムおよび送電装置について図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
（１）構成
図１は、本実施の形態に係る非接触給電システムの基本的な構成を示す模式図である。図１の非接触給電システム１００は、電力変換装置１０１および電力変換装置１０２を備える。電力変換装置１０１は、第１の変換器１１、第１のコイル１２および第１の制御部３０を備える。電力変換装置１０２は、第２の変換器２１、第２のコイル２２および第２の制御部３５を備える。なお、電力変換装置１０１は、請求項における送電装置に該当し、電力変換装置１０２は、請求項における受電装置に該当する。また、第２のコイル２２は、請求項における受電コイルに該当し、第２の変換器２１は、請求項における受電側変換器に該当する。

第１および第２の変換器１１，２１は、交流から直流または直流から交流への電力変換を行う。第１および第２の変換器１１，２１の各々は、例えば、複数の半導体スイッチング素子を含むハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路である。本例では、第１の変換器１１が直流電力を交流電力に変換し、第２の変換器２１が交流電力を直流電力に変換する。この場合、第２の変換器２１は、ダイオードブリッジであってもよい。第１の変換器１１の直流側の端子は、直流電源ＰＳに接続され、第２の変換器２１の直流側の端子は、負荷ＬＤに接続される。負荷ＬＤは、例えばバッテリまたは電気機器である。

第１のコイル１２は、第１の変換器１１の交流側の端子に接続される。第１の変換器１１から出力された交流電力が第１のコイル１２に与えられる。第２のコイル２２は、第１のコイル１２と磁気的に結合され、第１のコイル１２から交流電力が伝送される。第２のコイル２２は、第２の変換器２１の交流側の端子に接続される。第２のコイル２２に伝送された交流電力は、第２の変換器２１に与えられる。第１および第２のコイル１２，２２は互いに空間を隔てて配置される。これにより、電力変換装置１０１から電力変換装置１０２に非接触で電力が伝送される。電力変換装置１０１は、第１のコイル１２と直列または並列に、あるいは他の接続形態で接続された共振コンデンサを含んでもよい。同様に、電力変換装置１０２は、第２のコイル２２と直列もしくは並列に、あるいは他の接続形態で接続された共振コンデンサを含んでもよい。共振コンデンサにより、電力変換装置１０１，１０２から高力率、高効率で電力を供給することができる。

第１および第２の制御部３０，３５の各々は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリを有する。第１および第２の制御部３０，３５は、負荷ＬＤの要求電力（以下、負荷要求電力と呼ぶ。）に基づいて、第１および第２の変換器１１，２１をそれぞれ制御する。負荷要求電力は、予め第１および第２の制御部３０，３５のメモリに記憶されていてもよく、後述の電力情報に基づいて第１または第２の制御部３０，３５により算出されてもよい。なお、第１および第２の制御部３０，３５の一方が、第１および第２の変換器１１，２１の両方を制御してもよい。

非接触給電システム１００は、状態検出部４０および送信部４１をさらに備える。状態検出部４０は、第２の変換器２１から負荷ＬＤに供給される電流、電圧および電力のうち少なくとも１つを電力情報として検出する。送信部４１は、状態検出部４０により検出された電力情報を第１および第２の制御部３０，３５に送信する。第１および第２の制御部３０，３５は、送信部４１から送信される電力情報に基づいて、第２の変換器２１から負荷ＬＤに供給される電力（以下、負荷供給電力と呼ぶ。）を算出し、算出した負荷供給電力が負荷要求電力に近づくように、第１および第２の変換器１１、２１を制御する。

非接触給電システム１００が双方向に電力を伝送可能に構成されてもよい。その場合、第１の変換器１１と第２の変換器２１とが同じ機能を有し、第１および第２の変換器１１，２１がそれぞれ電力の伝送方向に応じて動作する。すなわち、電力変換装置１０１から電力変換装置１０２に電力が伝送される場合の第１の変換器１１の機能と、電力変換装置１０２から電力変換装置１０１に電力が伝送される場合の第２の変換器２１の機能とが互いに等しい。また、第１の変換器１１の直流側の端子に負荷が接続されてもよく、第２の変換器２１の直流側の端子に電源が接続されてもよい。さらに、第１の変換器１１の直流側の端子に負荷が接続される場合、その負荷に供給される電流、電圧および電力のうち少なくとも１つを電力情報として検出する状態検出部、ならびに検出された電力情報を第１および第２の制御部３０，３５に送信する送信部が設けられてもよい。

（２）動作
非接触給電システム１００の基本的な動作について説明する。電源ＰＳから第１の変換器１１に直流電力が与えられる。第１の変換器１１は、電源ＰＳからの直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を第１のコイル１２に供給する。第１のコイル１２に交流電流が流れることにより、第１のコイル１２の周囲に交流磁界が生じる。この交流磁界が第２のコイル２２と鎖交することにより、第２のコイル２２に電磁誘導による交流電力（誘導起電力）が生じる。これにより、第１のコイル１２から第２のコイル２２に交流電力が伝送される。第２のコイル２２に伝送された交流電力は、第２の変換器２１に与えられる。第２の変換器２１は、第２のコイル２２からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を負荷ＬＤに供給する。

第１の制御部３０は、負荷要求電力に基づいて、第１の変換器１１の動作状態を第１の状態と第２の状態とに切り替える。第１の変換器１１は、第１の状態で矩形波電圧を出力し、第２の状態で基準電圧を出力する。矩形波電圧は、矩形波状に周期的に変化する電圧である。基準電圧は、一定の電圧である。第１の変換器１１は、連続的なスイッチング動作によって矩形波電圧を出力することができ、スイッチング動作を停止することによって基準電圧を出力することができる。矩形波電圧における電圧の変化の周期は、第１の変換器１１のスイッチング周期であって第１の変換器１が出力する交流電力の周期である。第２の制御部３５は、第１の変換器１１の動作に対応するように、第２の変換器２１を制御する。具体的には、第１の変換器１１が第１の状態である場合に、第２の変換器２１は連続的なスイッチング動作を行い、第１の変換器１１が第２の状態である場合に、第２の変換器２１はスイッチング動作を停止する。第１および第２の変換器１１，２１の動作を互いに対応させるために、第１の制御部３０と第２の制御部３５とが相互に通信しながら第１および第２の変換器１１，２１をそれぞれ制御してもよい。

以下、第１の変換器１１の動作の詳細について説明する。図２〜図５は、第１の変換器１１が出力する電圧（以下、出力電圧と呼ぶ。）と、負荷供給電力との関係について説明するための図である。図２および図４において、横軸は時間を表し、縦軸は出力電圧を表す。図３および図５において、横軸は時間を表し、縦軸は負荷供給電力を表す。

図２および図３には、負荷要求電力が予め定められた定格電力である場合の出力電圧および負荷供給電力の変化の例が示される。負荷要求電力が定格電力である場合、第１の制御部３０は、第１の変換器１１を継続的に第１の状態に制御する。それにより、第１の変換器１１から継続的に矩形波電圧が出力される。図２の例では、第１の変換器１１が矩形波電圧Ｖｐを継続的に出力する。矩形波電圧Ｖｐは、正の電圧Ｖ１と負の電圧−Ｖ１との間で矩形波状に周期的に変化する。矩形波電圧Ｖｐの周波数は、例えば８０ｋＨｚ以上９０Ｈｚ未満である。以下、矩形波電圧Ｖｐにおける電圧Ｖ１と電圧−Ｖ１との間の変化の周期を単位周期ｐｓと呼ぶ。第１の変換器１１から矩形波電圧Ｖｐが出力される期間には、図３に示すように、負荷供給電力は、定格電力Ｐに略一定に維持される。

図４および図５には、負荷要求電力が定格電力より小さい場合の出力電圧および負荷供給電力の変化の例が示される。負荷要求電力が定格電力より小さい場合、第１の制御部３０は、第１の変換器１１の動作状態を第１の状態と第２の状態とに交互に切り替える。図４の例では、第１の変換器１１が矩形波電圧Ｖｐと基準電圧Ｖｓとを一定の周期で交互に出力する。本例において、基準電圧Ｖｓは０Ｖである。以下、矩形波電圧Ｖｐと基準電圧Ｖｓとを交互に出力する動作を交互出力動作と呼ぶ。

交互出力動作では、負荷供給電力が繰り返し増減する。図５の例では、負荷供給電力が、電力Ｐ１と電力Ｐ２との間で周期的に増減する。電力Ｐ２は電力Ｐ１より大きい。また、電力Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ定格電力Ｐより小さい。第１の変換器１１から矩形波電圧Ｖｐが出力される期間（以下、矩形波電圧期間と呼ぶ。）には、負荷供給電力が漸次大きくなる。第１の変換器１１から基準電圧Ｖｓが出力される期間（以下、基準電圧期間と呼ぶ。）には、負荷供給電力が漸次小さくなる。矩形波電圧期間に第１の変換器１１から出力される電力は、瞬時的には定格電力Ｐであり、基準電圧期間に第１の変換器１１から出力される電力は、瞬時的には０である。この場合、電力Ｐ１と電力Ｐ２との平均電力Ｐｋが、実質的な負荷供給電力であるとみなすことができる。なお、矩形波電圧期間は、請求項における第１の制御期間に該当し、基準電圧期間は、請求項における第２の制御期間に該当する。

矩形波電圧期間および基準電圧期間の各々は、矩形波電圧Ｖｐの単位周期ｐｓよりも長く設定される。また、負荷供給電力を安定的に制御するため、矩形波電圧期間および基準電圧期間の各々は、１０周期以上であることが好ましい。ここで、ｎ周期（ｎは、正の整数）とは、単位周期ｐｓのｎ倍の長さを意味する。

矩形波電圧期間の長さと基準電圧期間の長さとの比を調整することにより、負荷供給電力を調整することができる。以下、連続する一組の矩形波電圧期間および基準電圧期間における矩形波電圧期間の長さと基準電圧期間の長さとの比を期間比と呼ぶ。図６は、期間比の調整例を示す図である。図６において、横軸は時間を表し、縦軸は負荷供給電力を表す。図６の期間Ｔ１においては、各矩形波電圧期間Ｄｒが各基準電圧期間Ｄｂより長い。そのため、各矩形波電圧期間Ｄｒにおける負荷供給電力の上昇幅が各基準電圧期間Ｄｂにおける負荷供給電力の下降幅よりも大きい。それにより、負荷供給電力が徐々に上昇する。矩形波電圧期間Ｄｒの比率が大きいほど、負荷供給電力の上昇率は高くなる。期間Ｔ２においては、各基準電圧期間Ｄｂが各矩形波電圧期間Ｄｒより長い。そのため、各基準電圧期間Ｄｂにおける負荷供給電力の下降幅が各矩形波電圧期間Ｄｒにおける負荷供給電力の上昇幅よりも小さい。それにより、負荷供給電力が徐々に下降する。基準電圧期間Ｄｂの比率が大きいほど、負荷供給電力の下降率は高くなる。期間Ｔ３においては、各矩形波電圧期間Ｄｒにおける負荷供給電力の上昇幅と各基準電圧期間Ｄｂにおける負荷供給電力の下降幅とが互いに等しい。それにより、負荷供給電力が一定の範囲内で振動する。この場合。矩形波電圧期間および基準電圧期間がそれぞれ短いほど、負荷供給電力の振動幅が小さくなる。それにより、負荷供給電力が安定する。

このように、期間比を調整することによって負荷供給電力を任意に変化させることができる。本実施の形態では、電力情報を用いたフィードバック制御により、負荷供給電力が負荷要求電力に近づくように期間比が調整される。第１の変換器１１の制御動作については後述する。

負荷供給電力の変化の度合いは、種々の条件によって異なる。そこで、負荷供給電力の変化の度合いが変化情報として予め取得され、変化情報に基づいて第１の変換器１１が制御されてもよい。例えば、各矩形波電圧期間Ｄｒにおける負荷供給電力の上昇率と各基準電圧期間Ｄｂにおける負荷供給電力の下降率が予め取得され、取得された上昇率および下降率に基づいて期間比が算出されてもよい。この場合、負荷供給電力を精度良く調整することができる。また、各矩形波電圧期間Ｄｒにおける負荷供給電力の上昇幅と各基準電圧期間Ｄｂにおける負荷供給電力の下降幅とが等しくなるときの期間比が基準比として予め定められ、基準比を基準に期間比が調整されてもよい。この場合、負荷供給電力を容易に増減させることができる。

図７は、第１および第２のコイル１２，２２間の電力の伝送効率（以下、コイル間効率と呼ぶ。）と負荷ＬＤのインピーダンスとの関係を示す図である。図７において、横軸は負荷ＬＤのインピーダンスを表し、縦軸はコイル間効率を表す。コイル間効率は、負荷ＬＤのインピーダンスがある値である場合にピークとなる。図７の例では、負荷ＬＤのインピーダンスが値Ｉｍｘである場合にコイル間効率がピークとなる。コイル間効率がピークとなるインピーダンスの値は、非接触給電システム１００の設計に依存する。非接触給電システム１００の設計は、第１および第２のコイル１２，２２の巻き数および長さ等を含む。

非接触給電システム１００による電力の伝送効率を高めるために、コイル間効率がピークとなるように非接触給電システム１００が設計されることが好ましい。そこで、例えば、負荷供給電力が定格電力である場合の負荷ＬＤのインピーダンスが算出され、算出されたインピーダンスでコイル間効率がピークとなるように、非接触給電システム１００が設計される。

例えば、非接触給電システム１００が電気自動車のバッテリの充電に用いられる場合であって、電源ＰＳは電力系統であり、負荷ＬＤはバッテリである場合を考える。非接触給電システムの定格電力は、例えば３ｋＷである。バッテリ電圧は、ほぼ一定であり、例えば３５０Ｖである。３５０Ｖの負荷電圧に３ｋＷの電力が供給される場合、インピーダンスは４１Ωである。そこで、４１Ωのインピーダンスでコイル間効率が最大となるように、非接触給電システム１００が設計される。電力系統からの電力によって電気自動車のバッテリが充電される場合には、充電時間の９割以上が定格電力（３ｋＷ）での充電となる。そのため、コイル間効率がほぼピークに維持される。

一方、電気自動車のバッテリから他の電気機器（例えば一般家庭内の電気機器）への電力供給に非接触給電システム１００が用いられてもよい。例えば、非接触給電システム１００が双方向に電力を伝送可能に設けられ、第２の変換器２１に電気自動車のバッテリが接続された状態で、第１の変換器１１に負荷として他の電機機器が接続される。その場合、電気自動車のバッテリから電力変換装置１０２，１０１を順に介して他の電気機器に電力が供給される。電力系統から電気自動車に電力が供給される場合とは異なり、電気自動車から他の電気機器に電力が供給される場合、伝送電力の大きさは他の電気機器による電力消費量に依存する。空調機器等の消費電力が大きい電気機器を除けば、一般家庭で消費される電力は、１ｋＷ程度、あるいはそれ以下である。この場合、コイル間効率が大幅に低下する。電力の有効利用の観点および経済的な観点から、このような状況は好ましくない。

コイル間効率を高めるため、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて負荷のインピーダンスの変動を低減することが考えられる。しかしながら、その場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける損失が増加するとともに、構成が複雑化することによってコストが増加する。それに対して、本実施の形態では、第１の変換器１１（または第２の変換器２１）が矩形波電圧および基準電圧を交互に出力する。矩形波電圧期間には第１の変換器１１（または第２の変換器２１）から瞬時的に定格電力が出力されるので、コイル間効率が定格電力の伝送時と同じかまたはそれに近い。そのため、高効率で電力を伝送することができる。また、基準電圧期間に第１の変換器１１と第２の変換器２１との間で伝送される電力は瞬時的には０であり、第１および第２のコイル１２，２２間での伝送損失が０になる。その結果、伝送効率の低下を抑制しつつ定格よりも低い所望の電力を負荷に供給することができる。

第１の制御部３０は、交互出力動作に加えて位相シフト動作を行うように第１の変換器１１を制御してもよい。第１の変換器１１が一対のレグを有するフルブリッジ回路である場合、一方のレグのスイッチングの位相と他方のレグのスイッチングの位相とを相対的にシフトさせることにより、位相シフト動作が実現される。図８および図９は、交互出力動作と位相シフト動作とが併用された場合の第１の変換器１１の出力電圧および負荷供給電力の変化を示す図である。図８において、横軸は時間を表し、縦軸は出力電圧を表す。図８の矩形波電圧Ｖｐの一部は、拡大して示される。また、第１の変換器１１から出力される電流の変化が点線で示される。図９において、横軸は時間を表し、縦軸は負荷供給電力を表す。

図８の例では、矩形波電圧期間Ｄｒに位相シフト動作が行われる。具体的には、１周期内において、出力電圧が０Ｖに維持される時間が増加され、出力電圧がＶ１に維持される時間および−Ｖ１に維持される時間がそれぞれ減少される。この場合、図９に示すように、負荷電圧が電力Ｐ３と電力Ｐ４との間で繰り返し昇降する。電力Ｐ３，Ｐ４は、図４の電力Ｐ１，Ｐ２よりもそれぞれ小さい。これにより、実質的な負荷供給電力は、図４の電力Ｐｋよりも小さい電力Ｐｋａとなる。出力電圧がＶ１に維持される時間および−Ｖ１に維持される時間がそれぞれ短いほど、実質的な負荷供給電力は小さくなる。

磁界結合型の非接触給電では、ＬＣ共振を利用することが多い。共振コンデンサ（図示せず）または第１および第２のコイル１２，２２のエネルギーがゼロの状態から定常状態（安定的にＬＣ共振が行われる状態）に至るには、時間を要する。そのため、１回の矩形波電圧期間が短すぎると、各矩形波電圧期間内で電流（電力）が定常状態に至らない可能性がある。例えば、定格電力の１／１０の電力を負荷ＬＤに供給するために、４周期（単位周期ｐｓの４倍）の長さの矩形波電圧期間と、３６周期（単位周期ｐｓの３６倍）の長さの基準電圧期間とが交互に設けられる。この場合、各矩形波制御時間内で電流（電力）が定常状態に至らず、結果的に実際の負荷供給電力が定格電力の１／１０よりも小さくなる可能性がある。

そこで、上記のように交互出力動作と位相シフト動作とが同時に行われる。例えば、８周期の長さの矩形波電圧期間と、３２周期の長さの基準電圧期間とが交互に設けられることによって負荷供給電力が定格電力の１／５に低下され、さらに位相シフト動作によって負荷供給電力が１／２に低下される。この場合、位相シフト動作が行われない場合と比べて、１回の矩形波電圧期間の長さが２倍になる。そのため、各矩形波電圧期間内に電力（電流）を定常状態に到達させることができる。したがって、負荷供給電力を適切に制御することができる。

また、交互出力動作が行われることなく位相シフト動作のみによって負荷供給電力が定格電力の１／１０に調整される場合、第１の変換器１１から出力される電力が定格電力の１／１０となり、負荷ＬＤのインピーダンスが１０倍になる。それにより、コイル間効率が大幅に低下する。一方、上記のように交互出力動作と位相シフト動作との併用によって負荷供給電力が定格電力の１／１０に調整される場合、第１の変換器１１から出力される電力が定格電力の１／２となり、負荷ＬＤのインピーダンスが２倍になる。それにより、コイル間効率の低下が抑制される。このように、交互出力動作と位相シフトとを併用することにより、コイル間効率の低下を抑制しつつ、負荷供給電力を適切に制御することが可能となる。

非接触給電システム１００の第１の制御部３０は、メモリに記憶された電力供給プログラムを実行することにより負荷ＬＤに電力を供給するための電力供給処理を行う。図１０は第１の制御部３０による電力供給処理を示すフローチャートである。なお、非接触給電システム１００が双方向に電力を伝送可能であって電力変換装置１０２から電力変換装置１０１に電力が伝送される場合、電力変換装置１０２の第２の制御部３５が図１０の電力供給処理を行う。

図１０の例では、ステップＳ１において、第１の制御部３０は、負荷要求電力を取得する。この場合、第１の制御部３０は、送信部４１から送信される電力情報に基づいて負荷要求電力を算出してもよい。ステップＳ２において、第１の制御部３０は、取得された要求電力が定格電力より小さいか否かを算出する。要求電力が定格電力より小さい場合、第１の制御部３０は、ステップＳ３に進み、要求電力が定格電力以上である場合、第１の制御部３０は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ３において、第１の制御部３０は、送信部４１から送信される電力情報に基づいて、矩形波電圧期間と基準電圧期間との期間比を算出する。ステップＳ４において、第１の制御部３０は、算出された期間比に基づいて、第１および第２の状態で交互に動作するように第１の変換器１１を制御し、ステップＳ１に戻る。これにより、第１の変換器１１は、算出された期間比で矩形波電圧と基準電圧とを交互に出力する交互出力動作を行う。ステップＳ４において、第１の制御部３０は、交互出力動作と位相シフト動作を同時に行うように第１の変換器１１を制御してもよい。ステップＳ５において、第１の制御部３０は、第１の状態で動作するように第１の変換器１１を制御し、ステップＳ１に戻る。これにより、第１の変換器１１は矩形波電圧を継続的に出力する。このようにして、伝送効率の低下を抑制しつつ所望の電力を負荷ＬＤに供給することができる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２について、上記実施の形態１と異なる点を説明する。図１１は、実施の形態２に係る非接触給電システム１００の構成を示す模式図である。図１１に示すように、実施の形態２では、充電器５０がケーブルＣＢを介して負荷ＬＤに接続される。充電器５０は、他の給電装置の例である。本例において、負荷ＬＤはバッテリである。

充電器５０は交流電源５１に接続される。充電器５０は、ＡＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを含み、交流電源５１から供給される交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を負荷ＬＤに供給することにより、負荷ＬＤを充電する。

これにより、非接触給電システム１００が負荷ＬＤを充電しつつ充電器５０が負荷ＬＤを充電する。充電器５０は、特定の規定電力を高効率で伝送可能に設計されており、その規定電力を継続的に負荷ＬＤに供給する。非接触給電システム１００の第１および第２の制御部３０，３５は、負荷供給電力と充電器５０の規定電力との合計が、負荷要求電力となるように、第１および第２の変換器１１，２１を制御する。具体的には、第１の制御部３０が、送信部４１からの電力情報に基づいて、負荷要求電力と充電器５０の規定電力との差分値を算出する。第１の制御部３０は、算出された差分値が負荷供給電力となるように、第１の変換器１１を制御する。第２の制御部３５は、第１の変換器１１の動作に対応するように第２の変換器２１を制御する。

上記のように、非接触給電システム１００は、伝送効率の低下を抑制しつつ定格よりも低い所望の電力を負荷ＬＤに供給することができる。そのため、充電器５０が高効率で伝送可能な規定電力を継続的に供給しつつ、非接触給電システム１００が負荷要求電力と規定電力との差分の電力を高効率で負荷ＬＤに供給することができる。これにより、充電器５０および非接触給電システム１００の両方における損失を低下させることができる。

＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３について、上記実施の形態２と異なる点を説明する。図１２は、実施の形態３に係る非接触給電システム１００の構成を示す模式図である。図１２の非接触給電システム１００においては、電力変換装置１０１が、第１の変換器１１と電源ＰＳとの間にＤＣ／ＤＣコンバータ１４を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、請求項における第３の変換器に該当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、電源ＰＳから第１の変換器１１に与えられる電圧を調整する。上記のように、第１の変換器１１から出力される電力を小さくするため、間欠出力動作と位相シフト動作とを併用することが考えられる。一方、位相シフト動作を行うと、ソフトスイッチングではなくハードスイッチングが行われる可能性が高まる。そのため、第１の変換器１１での損失が増加しやすい。

本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４によって第１の変換器１１に与えられる電圧を小さくことができる。そのため、第１の変換器１１が位相シフト動作を行うことなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４による電力変換と第１の変換器１１による間欠出力動作との併用によって、第１および第２のコイル１２，２２間での伝送電力を十分に低下させることができる。この場合、第１の変換器１１においてソフトスイッチングを実施することが容易となる。したがって、第１の変換器１１での損失の増加を抑制することができる。

＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４について、上記実施の形態１と異なる点を説明する。図１３は、実施の形態４に係る非接触給電システム１００の構成を示す模式図である。図１３の非接触給電システム１００においては、電力変換装置１０２が、第２の変換器２１と負荷ＬＤとの間にＤＣ／ＤＣコンバータ２４を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、第２の変換器２１と負荷ＬＤとの間で電力変換を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、請求項における第４の変換器に該当する。

図１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４による電力変換の例について説明するための図である。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４による電力変換前の電圧、電力変換後の電圧、および目標電圧（負荷要求電力に対応する電圧）が示される。図１４において、横軸は時間を表し、縦軸は各電圧を表す。第１の変換器１１が交互出力動作を行う場合、負荷ＬＤに供給される電圧および電流が変動する。電力変換装置１０１におけるコンデンサ容量を大きくすることにより、第１の変換器１１が交互出力動作を行う場合でも、負荷ＬＤに与えられる電圧および電流の変動を抑制することができる。しかしながら、その場合にはコンデンサのサイズを大きくする必要があるので、電力変換装置１０１の大型化およびコストの増大を招く。そこで、本実施の形態では、負荷ＬＤに供給される電圧および電流の変動が小さくなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４が電力変換を行う。これにより、第１の変換器１１の交互出力動作によって伝送効率の低下を抑制しつつ、定格よりも低い電力を負荷ＬＤに安定的に供給することができる。

＜実施の形態５＞
本発明の実施の形態５について、上記実施の形態１と異なる点を説明する。図１５は、実施の形態５に係る非接触給電システム１００の構成を示す模式図である。図１５に示すように、実施の形態５では、複数の非接触給電システム１００が共通の負荷ＬＤに接続される。負荷ＬＤは、例えば、住居、オフィスまたは工場等の比較的大きい電力を消費する施設または設備である。また、各非接触給電システム１００は、電源ＰＳに接続される。電源ＰＳは、例えば、電気自動車のバッテリである。

図１５の例では、各非接触給電システム１００が上記実施の形態１と同じ構成を有する。また、図１５の例では、３つの非接触給電システム１００が負荷ＬＤと接続される。以下、３つの非接触給電システム１００をそれぞれ非接触給電システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃと呼ぶ。また、非接触給電システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの第１の変換器１１をそれぞれ第１の変換器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃと呼ぶ。なお、各非接触給電システム１００が、上記実施の形態３，４のいずれかと同じ構成を有してもよい。また、非接触給電システム１００の数は３つの限らず、２つまたは４つ以上の非接触給電システム１００が負荷ＬＤと接続されてもよい。

図１６および図１７は、第１の変換器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの動作について説明するための図である。図１６において、横軸は時間を表し、縦軸は出力電圧を表す。図１６の上部、中部および下部に、第１の変換器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの出力電圧の変化がそれぞれ示される。図１７において、横軸は時間を表し、縦軸は非接触給電システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃから負荷ＬＤに供給される電力の合計を表す。

図１６の例では、第１の変換器１１Ａは、期間Ｔ１１，Ｔ１４に矩形波電圧Ｖｐを出力し、期間Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１６に基準電圧Ｖｓを出力する。第１の変換器１１Ｂは、期間Ｔ１２，Ｔ１５に矩形波電圧Ｖｐを出力し、期間Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ１６に基準電圧Ｖｓを出力する。第１の変換器１１Ｃは、期間Ｔ１３，Ｔ１６に矩形波電圧Ｖｐを出力し、期間Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１４，Ｔ１５に基準電圧Ｖｓを出力する。

このように、非接触給電システム１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃの第１の変換器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが、時分割で順に矩形波電圧Ｖｐを出力する。また、第１の変換器１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのうちのいずれか１つの第１の変換器が矩形波電圧Ｖｐを出力している期間には、他の２つの第１の変換器は基準電圧を出力する。これにより、図１７の例のように、負荷ＬＤに定格電力Ｐが継続的に供給される。

例えば、３台の電気自動車から工場に電力を供給するために、図１５の３つの非接触給電システム１００を用いることができる。この場合、各電気自動車のバッテリが図１５の各電源ＰＳに相当し、工場の電力設備が図１５の負荷ＬＤに相当する。工場の要求電力が定格電力Ｐである場合、３台の電気自動車が定格電力Ｐの１／３（図１７のＰ／３）ずつ工場に供給することが考えられる。しかしながら、その場合には、各非接触給電システム１００による負荷供給電力が定格電力Ｐよりも小さくなるので、伝送効率が低下する。また、１台の電気自動車が定格電力Ｐを継続的に工場に供給することも考えられる。しかしながら、その場合には、１台の電気自動車のバッテリの電力が集中的に消費されるので、そのバッテリの寿命が短くなる。本実施の形態では、複数の電気自動車が時分割で工場に電力を供給することにより、各電気自動車からの電力の伝送効率の低下を抑制することができ、かつ一部の電気自動車のバッテリの寿命が短くなることを防止することができる。

＜他の実施の形態＞
上記実施の形態では、電源ＰＳとして直流電源が用いられ、電源ＰＳから第１の変換器１１に直流電力が与えられるが、電源ＰＳとして交流電源が用いられ、電源ＰＳから第１の変換器１１に交流電力が与えられてもよい。この場合、第１の変換器１１は、交流電力と交流電力との間で電力変換（例えば、周波数変換）を行う。

上記実施の形態では、基準電圧が０Ｖであるが、基準電圧が０Ｖ以外であってもよい。例えば、基準電圧は、矩形波電圧の上限値（正電圧）であってもよく、矩形波電圧の下限値（負電圧）であってもよい。具体的には、図４の例において、基準電圧Ｖｓが電圧Ｖ１であってもよく、あるいは電圧−Ｖ１であってもよい。

１１ 第１の変換器
１２ 第１のコイル
１４，２４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ 第２の変換器
２２ 第２のコイル
３０ 第１の制御部
３５第２の制御部
４０ 状態検出部
４１ 送信部
５０ 充電器
１００ 非接触給電システム
１０１ 電力変換装置
１０２ 電力変換装置
ＬＤ 負荷
ＰＳ 直流電源

本発明に係る非接触給電システムは、電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、第１のコイルと磁気的に結合され、第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、第２のコイルに接続され、第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御する制御する制御部とを備え、制御部は、要求電力に基づいて、第１の変換器を第１の状態に制御する第１の制御期間の長さと第１の変換器を第２の状態に制御する第２の制御期間の長さとの比である期間比を調整する。
本発明に係る非接触給電システムは、電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、第１のコイルと磁気的に結合され、第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、第２のコイルに接続され、第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御する制御する制御部とを備え、自己の非接触給電システムから負荷に電力が供給されつつ他の１以上の非接触給電システムから負荷に電力が供給される場合、制御部は、他のいずれかの非接触給電システムの第１の変換器が第１の状態であるときに、自己の第１の変換器を第２の状態に制御し、他の全ての非接触給電システムの第１の変換器が第２の状態であるときに、自己の第１の変換器を第１の状態に制御する。
本発明に係る送電装置は、受電コイルおよび受電側変換器を有する受電装置を介して負荷に電力を供給する送電装置であって、電力変換を行って交流電力を出力する変換器と、受電コイルと磁気的に結合され、変換器から交流電力が与えられるコイルと、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように変換器を制御する制御部を備え、制御部は、要求電力に基づいて、変換器を第１の状態に制御する第１の制御期間の長さと変換器を第２の状態に制御する第２の制御期間の長さとの比である期間比を調整する、送電装置。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力の伝送効率の低下を抑制しつつ所望の大きさの電力を負荷に供給することが可能な非接触給電システムを得ることを目的とする。

本発明に係る非接触給電システムは、電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、第１のコイルと磁気的に結合され、第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、第２のコイルに接続され、第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御する制御する制御部とを備え、制御部は、要求電力に基づいて、第１の変換器を第１の状態に制御する第１の制御期間の長さと第１の変換器を第２の状態に制御する第２の制御期間の長さとの比である期間比を調整し、第２の制御期間は、矩形波電圧における電圧の変化の周期よりも長く、制御部は、負荷に供給される電流、電圧または電力の少なくとも１つに基づいて、第２の変換器から負荷への供給電力を算出し、算出した供給電力が要求電力に近づくように期間比を調整し、期間比を調整しても負荷への供給電力が要求電力よりも小さくなる場合、第１の制御期間内にＬＣ共振が安定的に行われる定常状態に至りかつ負荷への供給電力が要求電力に近づくように、第１の変換器におけるスイッチングの位相をシフトさせることにより矩形波電圧が正の電圧および負の電圧に維持される維持時間を調整しつつ期間比を調整する。
本発明に係る非接触給電システムは、電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、第１のコイルと磁気的に結合され、第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、第２のコイルに接続され、第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御する制御する制御部とを備え、自己の非接触給電システムから負荷に電力が供給されつつ他の１以上の非接触給電システムから負荷に電力が供給される場合、制御部は、他のいずれかの非接触給電システムの第１の変換器が第１の状態であるときに、自己の第１の変換器を第２の状態に制御し、他の全ての非接触給電システムの第１の変換器が第２の状態であるときに、自己の第１の変換器を第１の状態に制御する。
本発明に係る非接触給電システムは、双方向に電力を伝送可能に構成された第１の電力変換装置および第２の電力変換装置を備え、第１の電力変換装置は、電力変換を行う第１の変換器と、第１の変換器に接続された第１のコイルと、第１の変換器を制御する第１の制御部と、を含み、第２の電力変換装置は、電力変換を行う第２の変換器と、第２の変換器に接続され、かつ第１のコイルと磁気的に結合された第２のコイルと、第２の変換器を制御する第２の制御部と、を含み、第１の電力変換装置から第２の電力変換装置に電力が伝送される場合、第１の変換器から出力された交流電力が第１のコイルに与えられ、第１のコイルに与えられた交流電力が第１のコイルから第２のコイルに伝送され、第２のコイルに伝送された交流電力が第２の変換器により直流電力に変換されて第１の負荷に供給され、第１の制御部は、第１の負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように第１の変換器を制御するとともに、第１の変換器を第１の状態に制御する第１の制御期間の長さと第１の変換器を第２の状態に制御する第２の制御期間の長さとの比である期間比を調整し、第２の電力変換装置から第１の電力変換装置に電力が伝送される場合、第２の変換器から出力された交流電力が第２のコイルに与えられ、第２のコイルに与えられた交流電力が第２のコイルから第１のコイルに伝送され、第１のコイルに伝送された交流電力が第１の変換器により直流電力に変換されて第２の負荷に供給され、第２の制御部は、第２の負荷の要求電力に基づいて、第１の状態と第２の状態とに交互に切り替わるように第２の変換器を制御するとともに、第２の変換器を第１の状態に制御する第３の制御期間の長さと第２の変換器を第２の状態に制御する第４の制御期間の長さとの比である期間比を調整する。

Claims (11)

1. 電力変換を行って交流電力を出力する第１の変換器と、
   前記第１の変換器から出力された交流電力が与えられる第１のコイルと、
   前記第１のコイルと磁気的に結合され、前記第１のコイルから交流電力が伝送される第２のコイルと、
   前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルに伝送された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する第２の変換器と、
   前記負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように前記第１の変換器を制御する制御部とを備える、非接触給電システム。
2. 前記制御部は、前記要求電力に基づいて、前記第１の変換器を前記第１の状態に制御する第１の制御期間の長さと前記第１の変換器を前記第２の状態に制御する第２の制御期間の長さとの比である期間比を調整する、請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記第２の制御期間は、前記矩形波電圧における電圧の変化の周期よりも長い、請求項２記載の非接触給電システム。
4. 前記制御部は、前記負荷に供給される電流、電圧または電力の少なくとも１つに基づいて、前記第２の変換器から前記負荷への供給電力を算出し、算出した供給電力が前記要求電力に近づくように、前記期間比を調整する、請求項２または３に記載の非接触給電システム。
5. 前記制御部は、前記要求電力が予め定められた値である場合に前記第１の変換器を継続的に前記第１の状態に制御し、前記要求電力が前記予め定められた値よりも小さい場合に前記第１の変換器を前記第１の状態と前記第２の状態とに交互に切り替える、請求項４記載の非接触給電システム。
6. 前記制御部は、前記第１の変換器におけるスイッチングの位相をシフトさせることにより前記矩形波電圧が正の電圧および負の電圧に維持される時間をそれぞれ調整する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
7. 前記第２の変換器から前記負荷に電力が供給されつつ他の給電装置から前記負荷に電力が供給される場合、前記制御部は、前記要求電力と前記他の給電装置から前記負荷に供給される電力との差分に基づいて、前記第１の変換器を制御する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
8. 自己の非接触給電システムから前記負荷に電力が供給されつつ他の１以上の非接触給電システムから前記負荷に電力が供給される場合、前記制御部は、他のいずれかの非接触給電システムの前記第１の変換器が前記第１の状態であるときに、自己の前記第１の変換器を前記第２の状態に制御し、他の全ての非接触給電システムの前記第１の変換器が前記第２の状態であるときに、自己の前記第１の変換器を前記第１の状態に制御する、請求項１記載の非接触給電システム。
9. 電源から第３の変換器を介して前記第１の変換器に電力が供給され、
   前記制御部は、前記要求電力に基づいて、前記第１および第３の変換器を制御する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
10. 前記第２の変換器と前記負荷との間に、電力変換が可能な第４の変換器を備え、
    前記制御部は、前記要求電力に基づいて、前記第１および第４の変換器を制御する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
11. 受電コイルおよび受電側変換器を有する受電装置を介して負荷に電力を供給する送電装置であって、
    電力変換を行って交流電力を出力する変換器と、
    前記受電コイルと磁気的に結合され、前記変換器から交流電力が与えられるコイルと、
    前記負荷の要求電力に基づいて、周期的に変化する矩形波電圧を出力する第１の状態と、一定の基準電圧を出力する第２の状態とに交互に切り替わるように前記変換器を制御する制御部を備える、送電装置。

Images