JP5561210B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関するものである。

特許文献１に記載の非接触電力伝送装置においては、１次側の非接触コンセントにおいてインバータ回路は直流電圧を入力して一定周波数の高周波電圧を発生させて電力送電用１次コイルに供給し、２次側の非接触プラグにおいて整流平滑回路は電力受電用２次コイルに励起される高周波電圧を整流平滑する。そして、インバータ回路により電力送電用１次コイルに供給される一定周波数の高周波電圧を間引く間引き制御が行われる。

この種の非接触電力伝送装置における出力調整可能とした構成を図６に示す。図６の非接触電力伝送装置は、高周波電源１００と負荷（例えばバッテリ）１６０とが、１次側コイルユニット１３０と２次側コイルユニット１４０と整流器１５０とを介して接続されている。高周波電源１００はＡＣ／ＤＣ部１１０およびＤＣ／ＲＦ部１２０で構成され、ＡＣ／ＤＣ部１１０は整流部１１１とＤＣ／ＤＣ部１１２を備えている。整流部１１１は入力する交流電圧を整流し、ＤＣ／ＤＣ部１１２は整流後の電圧を調整し、ＤＣ／ＲＦ部１２０はＤＣ／ＤＣ部１１２の出力電圧（直流電圧）を高周波電圧に変換して出力する。負荷への出力の調整は、ＤＣ／ＤＣ部１１２でＤＣ／ＲＦ部１２０への出力電圧を増減することにより行われる。

具体的に、最大出力時（図７の波形図）と５０％出力時（図８の波形図）について説明する。最大出力時には、ＤＣ／ＲＦ部１２０において図７（ａ）に示すように電圧値Ｖ１の直流電圧を入力し、図７（ｂ）に示すように電圧値Ｖ１の高周波電圧を出力し、整流器１５０で整流することにより図７（ｃ）に示す電圧値Ｖ１０の直流電圧を負荷１６０に供給する。５０％出力時には、ＤＣ／ＲＦ部１２０において図８（ａ）に示すように電圧値Ｖ１の半分の直流電圧を入力し、図８（ｂ）に示すようにＶ１／２の電圧値の高周波電圧を出力し、整流器１５０で整流することにより図８（ｃ）に示す電圧値Ｖ１０の半分の直流電圧を負荷１６０に供給する。このようにして、ＤＣ／ＤＣ部１１２の出力電圧の振幅の変化で負荷への出力電力を増減する。

特開２００２−１０５３５号公報

ところが、図６のシステム構成とした場合には、高周波電源の効率（システム全体の効率）が各ユニットの効率の積み上げ、
即ち、
（整流部１１１の効率）×（ＤＣ／ＤＣ部１１２の効率）×（ＤＣ／ＲＦ部１２０の効率）
となり、高効率のシステム構築が難しい。

本発明の目的は、効率を向上させることができる非接触電力伝送装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける１次側コイルと、前記１次側コイルからの電力を受電する２次側コイルと、前記２次側コイルにより受電された電力が供給されるバッテリと、前記２次側コイルと前記バッテリの間に設けられた整流器と、を備えた非接触電力伝送装置であって、前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、前記バッテリの充電状態に応じて当該パルス出力のデューティを調整することにより前記バッテリへの出力を増減する出力調整手段を設けたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、高周波変換部において、入力電圧が高周波電圧に変換されて出力される。１次側コイルにおいて、高周波変換部から高周波電圧の供給を受け、２次側コイルにおいて、１次側コイルからの電力が受電される。２次側コイルにより受電された電力が整流器を介してバッテリに供給される。出力調整手段において、高周波変換部への出力電圧がパルス出力にされ、当該パルス出力のデューティを調整することによりバッテリへの出力が増減される。このように、ＤＣ／ＤＣ部でＤＣ／ＲＦ部への出力の振幅を調整することによりバッテリへの出力を増減する従来方式に比べ、本発明では出力振幅は一定でよいので、従来必要であったＤＣ／ＤＣ部が不要となり、効率を向上させることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にする構成とすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける１次側コイルと、前記１次側コイルからの電力を受電する２次側コイルと、前記２次側コイルにより受電された電力が供給される負荷と、前記２次側コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、を備えた非接触電力伝送装置であって、前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、当該パルス出力のデューティを調整することにより前記負荷への出力を増減する出力調整手段を設け、前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にすることを要旨とする。

本発明によれば、効率を向上させることができる。

実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は作用を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は作用を説明するための５０％出力時の模式的な波形図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は別例における作用を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は別例における作用を説明するための５０％出力時の模式的な波形図。 背景技術を説明するための非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は背景技術を説明するための最大出力時の模式的な波形図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は背景技術を説明するための５０％出力時の模式的な波形図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、高周波電源２０と、高周波電源２０に接続された１次側誘導コイル３１と、１次側共鳴コイル３２と、２次側共鳴コイル４１と、２次側誘導コイル４２と、２次側誘導コイル４２に接続された整流器５０と、整流器５０に接続された負荷６０を備えている。１次側共鳴コイル３２にはコンデンサ３３が並列に接続されている。２次側共鳴コイル４１にはコンデンサ４３が並列に接続されている。

１次側誘導コイル３１と１次側共鳴コイル３２とコンデンサ３３とにより１次側共鳴器３０を構成するとともに、２次側共鳴コイル４１と２次側誘導コイル４２とコンデンサ４３とにより２次側共鳴器４０を構成している。また、１次側誘導コイル３１、１次側共鳴コイル３２、２次側共鳴コイル４１、２次側誘導コイル４２、整流器５０、負荷６０およびコンデンサ３３，４３は共鳴系を構成する。

高周波電源２０は、高周波電圧を出力する電源である。高周波電源２０は、出力調整手段としての整流部２１と、高周波変換部としてのＤＣ／ＲＦ部２２と、電源制御部２３を備えている。整流部２１は、ＡＣ１００ボルト／２００ボルト（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の電源と接続され、交流電圧を入力して全波整流するとともに平滑化して直流電圧を出力する。ＤＣ／ＲＦ部２２は整流部２１と接続され、整流部２１からの直流電圧（入力電圧）を高周波電圧に変換して出力する。

整流部２１においては、ＤＣ／ＲＦ部２２への出力電圧を、図３（ａ）に示すようにパルス出力する。また、整流部２１はパルス出力のデューティを調整することにより負荷６０への出力を増減する機能を有し、電源制御部２３からの指令により出力のデューティを変更するようになっている。つまり、図３（ａ）において、１周期の時間Ｔ１に対するＨレベルとなっている時間Ｔ２の比、即ち、Ｔ２／Ｔ１を変更する。

１次側誘導コイル３１、１次側共鳴コイル３２、２次側共鳴コイル４１および２次側誘導コイル４２は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの巻径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次側誘導コイル３１、１次側共鳴コイル３２、２次側共鳴コイル４１および２次側誘導コイル４２は、同じ巻径に形成されている。１次側共鳴コイル３２および２次側共鳴コイル４１は同じに形成され、各コンデンサ３３，４３として同じコンデンサが使用されている。

非接触電力伝送装置１０は、車両に搭載されたバッテリ（２次電池）に対して非接触充電を行うシステムに適用することができる。具体的には、２次側共鳴コイル４１、２次側誘導コイル４２、コンデンサ４３、整流器５０および負荷６０（バッテリ）が車両に搭載され、高周波電源２０、１次側誘導コイル３１、コンデンサ３３、１次側共鳴コイル３２が、バッテリに非接触状態で充電を行う充電装置に装備され、この充電装置は地上側設備（充電ステーション）に設けられる。

次に、このように構成した非接触電力伝送装置１０の作用を説明する。
負荷６０への電力伝送時には、例えば、車両が給電（充電）装置の近くの所定位置に停止した状態で負荷６０（例えばバッテリ）への給電が行われる。

高周波電源２０において、整流部２１は入力する交流電圧を整流し、ＤＣ／ＲＦ部２２は直流電圧を高周波電圧に変換して出力する。そして、高周波電源２０から１次側誘導コイル３１に共鳴系の共鳴周波数で高周波電圧が出力され、１次側誘導コイル３１において高周波電源２０から高周波電圧の供給を受ける。さらに、１次側共鳴コイル３２において１次側誘導コイル３１から電力が電磁誘導により供給され、２次側共鳴コイル４１において１次側共鳴コイル３２からの電力を磁場共鳴して受電する。そして、２次側誘導コイル４２において２次側共鳴コイル４１により受電された電力を電磁誘導により取り出す。

つまり、一次側コイルとしての１次側誘導コイル３１で、ＤＣ／ＲＦ部２２から高周波電圧の供給を受け、二次側コイルとしての２次側誘導コイル４２で、１次側誘導コイル３１からの電力を受電することができる。

そして、２次側誘導コイル４２により受電された電力が負荷６０に供給される。このとき、２次側誘導コイル４２と負荷６０との間に設けられた整流器５０において整流された後に負荷６０（例えばバッテリ）に直流電圧が供給される。

次に、高周波出力電力の増減動作、即ち、負荷６０への出力電圧の増減動作について説明する。
高周波電源２０において電源制御部２３は負荷６０の状態（例えば、バッテリの充電状態）に応じて整流部２１に指令を出して出力のデューティを変更させる。つまり、出力振幅は一定で出力のデューティの変化で出力電圧を増減させる。

図２には、最大出力時の出力波形を示す。図３には、５０％出力時の出力波形を示し、実線が５０％デューティを示す。
最大出力時には、高周波電源２０のＤＣ／ＲＦ部２２において図２（ａ）に示すように電圧値Ｖ２０の直流電圧を入力し、図２（ｂ）に示すように電圧値Ｖ２０の高周波電圧を出力し、整流器５０で整流することにより図２（ｃ）に示す電圧値Ｖ３０の直流電圧を負荷６０に供給する。

５０％出力時には、高周波電源２０のＤＣ／ＲＦ部２２において図３（ａ）に示すように５０％デューティの直流電圧を入力し、図３（ｂ）に示すように高周波電圧を出力し、整流器５０で整流することにより図３（ｃ）に示す電圧値Ｖ３０の半分の直流電圧を負荷６０に供給する。

このようにして、出力振幅は一定で、出力のデューティの変化で出力電圧を増減させる。よって、出力振幅を調整するためのＤＣ／ＤＣ部１１２（図６参照）が不要となる。ＤＣ／ＤＣ部１１２がなくなる分だけ、高周波電源の効率が向上する。つまり、図１のシステム構成とした場合には、高周波電源２０の効率（システム全体の効率）が各ユニットの効率の積み上げ、
即ち、
（整流部２１の効率）×（ＤＣ／ＲＦ部２２の効率）
となり、高効率のシステムを構築することができる。

より具体的には、例えば、図６のシステム構成とした場合においては、整流部１１１の効率が９０％、ＤＣ／ＤＣ部１１２の効率が９０％、ＤＣ／ＲＦ部１２０の効率が９０％ならば、高周波電源１００の全体の効率は７２．９％（＝０．９×０．９×０．９）となる。これに対し、図１の本実施形態においては、整流部２１の効率が９０％、ＤＣ／ＲＦ部２２の効率が９０％ならば、高周波電源２０の全体の効率は８１％（＝０．９×０．９）となる。このように高効率のシステムを構築することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）高周波電源２０において、ＲＦ出力を連続波出力からパルス出力にして、このパルス出力のデューティを可変とする。これにより、ＲＦ出力（１次側誘導コイル３１への出力）を増減する。このことにより、図６のＤＣ／ＤＣ部１１２が不要になる。その結果、電源効率（システム効率）が向上する。つまり、ＤＣ／ＤＣ部１１２でＤＣ／ＲＦ部への出力の振幅を調整することにより負荷への出力を増減する従来方式に比べ、本実施形態では出力振幅は一定でよいので、従来必要であったＤＣ／ＤＣ部１１２が不要となり、効率を向上させることができる。

また、副次的に、図６のＤＣ／ＤＣ部１１２がなくなることにより、熱損失が小さくなり、冷却用のファンの駆動のために必要な電力を低減でき、さらに効率が向上する。さらに、部品点数の低減により小型化を図ることができる。

（２）高周波電源２０の整流部２１は、交流電圧を入力して全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にするので、波形が安定化する。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・上記実施形態においては高周波電源２０ではＡＣ１００ボルト／２００ボルト（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の電源を、全波整流および平滑化してＤＣ／ＲＦ部２２に入力したが、これに代わり、ＡＣ１００ボルト／２００ボルト（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の電源を、全波整流した電圧をＤＣ／ＲＦ部２２に入力して使用してもよい。このように整流部２１は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にする構成としてもよい。これにより平滑化のための部品を不要にすることができ、簡素化が図られる。

より具体的に説明する。
図４には、最大出力時の出力波形を示す。図５には、５０％出力時の出力波形を示し、実線が５０％デューティを示す。

最大出力時には、高周波電源２０のＤＣ／ＲＦ部２２において図４（ａ）に示すように交流の全波整流後の電圧を入力し、図４（ｂ）に示すように高周波電圧を出力し、整流器５０で整流することにより図４（ｃ）に示す電圧値Ｖ４０の直流電圧を負荷６０に供給する。

５０％出力時には、高周波電源２０のＤＣ／ＲＦ部２２において図５（ａ）に示すように５０％デューティの全波整流後の電圧を入力し、図５（ｂ）に示すように高周波電圧を出力し、整流器５０で整流することにより図５（ｃ）に示す電圧値Ｖ４０の半分の直流電圧を負荷６０に供給する。

・上記実施形態では１次側誘導コイル３１、１次側共鳴コイル３２、２次側共鳴コイル４１、２次側誘導コイル４２を有する非接触電力伝送装置としたが、電磁誘導による非接触電力伝送装置、即ち、１次側共鳴コイル３２と２次側共鳴コイル４１がなく、１次側誘導コイル３１が２次側誘導コイル４２と磁気的に結合可能な位置に配置され、１次側誘導コイル３１から電磁誘導により電力が供給されるような非接触電力伝送装置に適用してもよい。要は、１次側コイルと２次側コイルを有する構成であればよい。

１０…非接触電力伝送装置、２０…高周波電源、２１…整流部、２２…ＤＣ／ＲＦ部、３１…１次側誘導コイル、３２…１次側共鳴コイル、４１…２次側共鳴コイル、４２…２次側誘導コイル、５０…整流器、６０…負荷。

Claims (3)

1. 入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、
   前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける１次側コイルと、
   前記１次側コイルからの電力を受電する２次側コイルと、
   前記２次側コイルにより受電された電力が供給されるバッテリと、
   前記２次側コイルと前記バッテリの間に設けられた整流器と、
   を備えた非接触電力伝送装置であって、
   前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、前記バッテリの充電状態に応じて当該パルス出力のデューティを調整することにより前記バッテリへの出力を増減する出力調整手段を設けたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流および平滑化した直流電圧をパルス出力にすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 入力電圧を高周波電圧に変換して出力する高周波変換部と、
   前記高周波変換部から高周波電圧の供給を受ける１次側コイルと、
   前記１次側コイルからの電力を受電する２次側コイルと、
   前記２次側コイルにより受電された電力が供給される負荷と、
   前記２次側コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、
   を備えた非接触電力伝送装置であって、
   前記高周波変換部への出力電圧をパルス出力にし、当該パルス出力のデューティを調整することにより前記負荷への出力を増減する出力調整手段を設け、
   前記出力調整手段は、交流電圧を全波整流した電圧をパルス出力にすることを特徴とする非接触電力伝送装置。

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