JP6103061B2 - 給電装置及び非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、非接触給電システムに関する。本願は、2013年7月19日に日本に出願された特願2013−150951号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
下記特許文献1には、給電装置から電動車両に高効率な非接触給電を行うことが可能な給電システムが開示されている。この給電システムにおいて、給電装置は、交流電源と、交流電源からの電力を高周波電力に変換する高周波電力ドライバと、高周波電力ドライバから供給された高周波電力に基づいて電磁誘導によって給電する一次コイルと、一次コイルから給電された電力に基づいて電動車両に電磁場を介して給電する一次自己共振コイルとを具備する。一方、電動車両は、給電装置の一次自己共振コイルから電磁場を介して受電する二次自己共振コイルと、二次自己共振コイルにより受電された電力を整流する整流器と、整流器によって整流された電力の電圧を変換するDC/DCコンバータと、DC/DCコンバータを制御することにより、整流器とDC/DCコンバータとの間の電圧を目標電圧に制御する車両ECUとを備える。また、特許文献2には、受電装置に給電するに際して、インバータ回路から見た負荷インピーダンスに応じて、複数のスイッチング素子の全てをオン・オフ制御するフルブリッジモードと、これらのスイッチの一部をオン・オフ制御するシングルエンデッドモードを切り替えるようにすることが開示されている。さらに、特許文献3では、ハーフブリッジインバータの交流出力電圧が、フルブリッジインバータの半分に下がるが、低電圧整流器の出力電圧が全波整流器の2倍であり、全体としてインバータ入力電圧と二次側直流電圧との電圧比が変わらないようにすることが開示されている。これにより、非接触給電トランスの電圧が半分に下がるため、絶縁とフェライトの損失低減の面で有利となる。そして特許文献4では2次側における電圧および電流に関する信号を1次側ユニットへ非接触の電磁結合コイルを用いて1次側に送信し、1次側ユニットでは2次側から送られてきた信号を受信して、1次側のインバータの駆動周波数を可変させることが開示されている。これにより高効率、小型、低コストで2次側の安定化制御を行う事が出来る。
日本国特願2010−530652号公報 WO2012/098867 日本国特開2012−152041号公報 日本国特開2006−074848号公報
ところで、上記従来技術において、給電装置の高周波電力ドライバは、整流回路、昇圧チョッパ回路、及びインバータ回路等から構成されているが、給電時には、一般的に昇圧チョッパ回路及びインバータ回路の両方を動作させて給電電力を調整する。しかしながら、昇圧チョッパ回路及びインバータ回路の両方を動作させると、昇圧チョッパ回路及びインバータ回路の両方を動作させた場合の電力範囲でしか給電が実現できない。そのため、例えば、給電電力を調整する必要がある場合に、大きな電力から小さな電力までの広い電力範囲での給電を実現することができない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、広い電力範囲での給電を実現することを目的とする。
本発明の第1の態様は、交流電力を受電装置に向かって非接触方式で伝送する給電装置であって、電圧変換器と、前記電圧変換器に接続されたインバータ回路と、前記受電装置から、前記受電装置に設けられた整流回路の出力値を受信する通信部と、前記インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するように前記インバータ回路を制御し、前記電圧変換器の出力値または前記整流回路の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、前記電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うか否かを制御するスイッチング制御部と、を有する給電装置である。
本発明の第2の態様は、上記第1の態様の給電装置において、スイッチング制御部は、電圧変換器の出力値又は整流回路の出力値が特定の値に達する場合、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行わないように、電圧変換器を制御する。
本発明の第3の態様は、上記第1の態様の給電装置において、スイッチング制御部は、電圧変換器の出力値又は整流回路の出力値が特定の値に達しない場合、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うように、電圧変換器を制御する。
本発明の第4の態様は、上記第1の態様の給電装置において、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれの位相差を調整する。
本発明の第5の態様は、上記第1の態様の給電装置において、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれのデューティ比を調整する。
本発明の第6の態様は、上記第1の態様の給電装置において、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれの周波数を調整する。
本発明の第7の態様は、上記第1の態様の給電装置において、電圧変換器の出力値は、電圧変換器が出力する電力、電圧、又は電流の値であり、整流回路の出力値は、整流回路が出力する電力、電圧、又は電流の値である。
本発明の第8の態様は、交流電力を受電装置に向かって非接触方式で伝送する給電装置であって、電圧変換器と、電圧変換器に接続されたインバータ回路と、第1の通信部と、を有する給電装置と、整流回路と、整流回路の出力値を出力する制御部と、制御部と接続され、出力値を第1の通信部に送信する第2の通信部と、を有する受電装置と、を有する非接触給電システムである。この非接触給電システムにおいて、給電装置は、インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するようにインバータ回路を制御し、電圧変換器の出力値または整流回路の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行う否かを制御するスイッチング制御部を含む。
本発明の第9の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、スイッチング制御部は、電圧変換器の出力値又は整流回路の出力値が特定の値に達する場合、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行わないように、電圧変換器を制御する。
本発明の第10の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、スイッチング制御部は、電圧変換器の出力値又は整流回路の出力値が特定の値に達しない場合、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うように、電圧変換器を制御する。
本発明の第11の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれの位相差を調整する。
本発明の第12の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれのデューティ比を調整する。
本発明の第13の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、スイッチング制御部は、インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、スイッチング信号のそれぞれの周波数を調整する。
本発明の第14の態様は、上記第8の態様の非接触給電システムにおいて、電圧変換器の前記出力値は、電圧変換器が出力する電力、電圧、又は電流の値であり、整流回路の出力値は、整流回路が出力する電力、電圧、又は電流である。
本発明によれば、スイッチング制御部は、インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するように前記インバータ回路を制御し、電圧変換器の出力値または整流回路の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、電圧変換器が入力電圧の昇圧を行う否かを制御する。この制御によって、インバータ回路のみで給電する電力と、インバータ回路及び電圧変換器の両方で給電する電力を切り替えることができるため、従来技術よりも広い電力範囲で給電することを実現できる。
本発明の第1〜3実施形態に係る非接触給電システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第1〜3実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路の構成を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路のスイッチングのタイミングを示す図である。 本発明の第1実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路におけるスイッチング信号の位相差に応じた電力変化を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る非接触給電システムの給電装置のインバータ回路のスイッチングのタイミングを示す図である。 本発明の第2実施形態に係る非接触給電システムの動作を示す特性図である。 本発明の第2実施形態に係る非接触給電システムの動作を示す特性図である。
<第1実施形態>
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係る非接触給電システムの概要構成は、図1に開示されている。また、給電装置Sの一部の詳細が、図2Aに記載されている。
本実施形態に係る非接触給電システムは、図1に示すように、給電装置Sと、受電装置Rとを備えている。また、給電装置Sは、整流回路1と、チョッパ回路2(電圧変換器)と、インバータ回路3と、共振回路4(第1の共振回路)と、通信部5(第1の通信部)と、電力計測部6(第1の電力計測部)と、スイッチング制御部7とを含む。一方、受電装置Rは、共振回路(第2の共振回路)11と、整流回路12と、電力計測部(第2の電力計測部)13と、通信部(第2の通信部)14と、制御部15とを含む。なお、スイッチング制御部7は、本実施形態における制御手段である。
給電装置Sは、地上に設けられた給電施設に固定配置され、移動体に非接触で交流電力を供給し、バッテリB(負荷)に直流電力を供給する。給電施設は、単数あるいは複数の移動体の停車スペースと、停車スペースの個数に相当する給電装置Sとを備えている。一方、受電装置Rは、移動体に備えられ、給電装置Sから供給された交流電力を直流電力に変換して蓄電する。なお、移動体は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の外部からの受電を必要とする車両である。
給電装置Sにおける整流回路1は、例えばダイオードブリッジであり、外部の商用電源から供給される商用電力(例えば単相100ボルト、50Hz)を全波整流してチョッパ回路2に出力する。この整流回路1からチョッパ回路2に供給される電力(全波整流電力)は、正弦波状の商用電力がゼロクロス点で折り返されている片極性(例えばプラス極性)の脈流である。
チョッパ回路2は、スイッチング制御部7によってスイッチング動作が制御されることにより、自らの出力電圧を調整してインバータ回路3に出力する。具体的に、チョッパ回路2は、例えば図2Aに示すような昇圧チョッパ回路2である。チョッパ回路2は、昇降圧チョッパ回路でもよいが、ここでは昇圧チョッパ回路の例を用いて説明する。チョッパ回路2は、コイル21と、コイル21に接続され、スイッチング制御部7からの制御信号(スイッチング信号)に基づいてオンとオフの動作を行うトランジスタ23(スイッチング素子)と、コイル21と接続されたダイオード22と、ダイオード22と接続されたコンデンサ24とを含む。スイッチング制御部7は、チョッパ回路2に含まれるトランジスタ23(スイッチング素子)にスイッチング信号を出力する。スイッチング素子は、スイッチング制御部7からのスイッチング信号によってオンとオフを繰り返す。その結果、コイル21に起電力が生じ、チョッパ回路2への入力電圧が昇圧される。また、コイル21によって昇圧された電圧は、コンデンサ24によって平滑化され、直流電圧として後段のインバータ回路3に出力される。簡潔に記載すれば、このチョッパ回路2は、昇圧チョッパ回路であり、整流回路1から入力された電力を昇圧して出力する。ただし、このチョッパ回路2から出力される電力は、チョッパ回路2内のコイル21のインダクタとしての機能及びコンデンサ24の平滑コンデンサとしての機能により、脈流である全波整流電力が十分に平滑化された直流電力である。
また、このチョッパ回路2は、スイッチング制御部7によってスイッチング動作が制御されることにより、力率改善回路(PFC:Power Factor Correction)としても機能する。すなわち、チョッパ回路2は、全波整流電力を、この全波整流電力の周波数よりも十分に高い周波数で全波整流電力のゼロクロス点を基準に、スイッチングすることにより、全波整流電力の電流の通流期間を広げて力率を改善する。なお、一般的にチョッパ回路が力率改善回路として機能することは周知なので、ここではチョッパ回路2の力率改善原理について詳細な説明を省略する。
インバータ回路3はスイッチング制御部7によってスイッチング動作が制御されることにより、チョッパ回路2から供給される直流電力を特定周波数(伝送周波数)の交流電力に変換して共振回路4に出力する。例えば、図2Aに記載した具体例のような回路でもよい。インバータ回路3の原理をわかりやすく説明するために、図2Aに記載された回路を用いて具体的に説明する。インバータ回路3は、直列接続されたトランジスタ31及び32と、直列接続されたトランジスタ33及び34を含む。トランジスタ31及び32は一つのレグ(第1のレグ)を形成し、トランジスタ33及び34は別のレグ(第2のレグ)を形成する。トランジスタ31は、スイッチング制御部7からスイッチング信号S1が入力される。トランジスタ32は、スイッチング制御部7からスイッチング信号S2が入力される。トランジスタ33は、スイッチング制御部7からスイッチング信号S3が入力される。トランジスタ34は、スイッチング制御部7からスイッチング信号S4が入力される。なお、ダイオード35〜38は、帰還ダイオードである。主にインバータが誘導性負荷の場合、全てのMOSFETがOFFとなるときに負荷からの戻り電流がダイオード35〜38に流れる。また、トランジスタは、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等のインバータ回路を構成可能なトランジスタであればよい。
スイッチング信号S1〜S4のそれぞれは、ハイレベルを示す電圧値とローレベルを示す電圧値とを繰り返す矩形波の信号(PWM信号)である。スイッチング信号S1〜S4のそれぞれ基づき、トランジスタ31〜34のそれぞれは、オン状態とオフ状態とを切り替える。例えばスイッチング信号S1〜S4のそれぞれがハイレベルである場合、トランジスタ31〜34のそれぞれは、オン状態となって電流を流し、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれがローレベルである場合、トランジスタ31〜34のそれぞれは、オフ状態となって高抵抗となり、電流を流さない。ただし、スイッチング信号S1〜S4が示すハイレベルまたはローレベルと、トランジスタ31〜34のオンまたはオフとの関係は、(n型あるいはp型等の)トランジスタの種類によって変わることは周知のとおりである。
図2Dは、スイッチング制御部7がトランジスタ31〜34のそれぞれに出力するスイッチング信号S1〜S4の波形の具体例である。この具体例では、スイッチング信号S1とS3の位相差φは180度であることから、スイッチング信号S1とS4は同位相、スイッチング信号S2とS3が同位相となる。なお、トランジスタ31と32に貫通電流が流れる状態を防止するため、スイッチング信号S1とS2の位相差φが180度となっている。また、トランジスタ33と34に貫通電流が流れる状態を防止するため、スイッチング信号S3とS4は位相差φが180度となっている。そして、チョッパ回路2のコンデンサ24によって平滑化された直流電圧がインバータ回路3に入力され、スイッチング信号S1〜S4の波形に応じた電流が流れる。図2Dに示す例では、例えばスイッチング信号S1とスイッチング信号S4がハイレベルの期間では、トランジスタ31から共振回路4の内部を介してトランジスタ34に向かって電流が流れ、スイッチング信号S2とスイッチング信号S3がハイレベルの期間では、トランジスタ33から共振回路の内部を介してトランジスタ32に向かって電流が流れる。スイッチング信号S1とスイッチング信号S4がハイレベルの期間と、スイッチング信号S2とスイッチング信号S3がハイレベルの期間とでは、電流の向きが異なるため、チョッパ回路2から入力された直流電圧は交流電圧に変換されたことになる。
このインバータ回路3は、後述する共振回路4に接続される。例えば、インバータ回路3は、共振回路4に含まれる給電コイルに接続されている。
インバータ回路3は、図2Bに示すように、スイッチング素子31とスイッチング素子32とが交互にオン/オフすると共に、スイッチング素子33とスイッチング素子34とが交互にオン/オフすることによって、直流電力を交流電力に変換する。すなわち、スイッチング素子31及びスイッチング素子32のレグと、スイッチング素子33及びスイッチング素子34のレグとは、それぞれ一対のスイッチング素子で動作している。
共振回路4では、給電コイルと給電コンデンサとが接続されている。これらの給電コイル及び給電コンデンサのうち、給電コイルは、停車スペースに停車した移動体の特定箇所(受電コイルが設けられている箇所)と対向する位置に設けられている。また、この共振回路4の共振周波数は、上記インバータ回路3から出力する交流基本波の周波数と近い周波数に設定されている。
通信部5は、給電装置Sに設けられており、受電装置Rの通信部14と近距離無線通信を行う。これにより、通信部14から受電装置Rの状態を示す状態情報を取得する。例えば、この状態情報は、整流回路12の出力値(出力電力、電流、あるいは電圧)を示す情報である。
このような通信部5は、通信部14から取得した状態情報をスイッチング制御部7に出力する。なお、通信部5と通信部14との通信方式は、ZigBee(登録商標)やBluetooth(登録商標)等の近距離無線通信、あるいは光信号を用いた近距離光通信である。
電力計測部6は、チョッパ回路2の出力値(出力電力、出力電流または出力電圧)を検出するセンサであり、検出信号をスイッチング制御部7に出力する。
スイッチング制御部7は、チョッパ回路2あるいは後述する受電装置Rの整流回路12の出力電力、出力電流または出力電圧に基づいて、チョッパ回路2及びインバータ回路3を制御する。例えば、スイッチング制御部7は、電力計測部6から入力される検出信号あるいは通信部5から入力される受電装置Rの状態情報に基づいて、チョッパ回路2あるいは整流回路12の出力値(出力電力、出力電流または出力電圧)が特定の値になるように、チョッパ回路2及びインバータ回路3のうち、インバータ回路3のみを動作させる。このインバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2あるいは整流回路12の出力電力、出力電流または出力電圧が特定の値にならなかった場合に、チョッパ回路2もインバータ回路3と合わせて動作させる。スイッチング制御部7がインバータ回路3を制御する仕組みについては、後述する。また、インバータ回路3のみを動作させるということは、チョッパ回路2による入力電圧の昇圧を行わないということであり、具体的には、スイッチング制御部7がチョッパ回路2に含まれるトランジスタ23のオンとオフの状態を切り替えるスイッチングを行わないということである。したがって、この場合、スイッチング制御部7は、トランジスタ23に信号値が一定のスイッチング信号を供給している。
一方、受電装置Rにおける共振回路11は、受電コイルと受電コンデンサとが接続され。この受電コイルは、移動体の底部、側部、又は上部等に設けられており、移動体が停車スペースに停車した際に給電装置Sの給電コイルと近接して対向する。
このような共振回路11では、受電コイルが共振回路4の給電コイルと近接且つ対向することで、受電コイルと給電コイルとが磁気結合する。この結果、共振回路11は、インバータ回路3によって給電コイルに供給された交流電力と、給電コイルと受電コイルとの結合係数に応じた交流電力とを共振回路4から非接触で受電して、整流回路12に出力する。すなわち、本非接触給電システムは、磁界共鳴方式に準拠した非接触給電システムである。
整流回路12は、例えばダイオードブリッジ、リアクトル、及び平滑コンデンサから構成されており、共振回路11から供給される交流電力(受電電力)を全波整流且つ平滑化してバッテリBに出力する。この整流回路12からバッテリBに供給される電力は、ダイオードブリッジで全波整流された電力をリアクトル及び平滑コンデンサによって平滑化した直流電力である。
電力計測部13は、上述した整流回路12の出力電力、出力電流、または出力電圧を検出するセンサであり、検出信号を制御部15に出力する。
通信部14は、給電装置Sの通信部5と近距離で無線通信を行うことにより、受電装置Rの状態を示す状態情報を通信部5に送信する。例えば、この状態情報は、整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧を示す情報である。この通信部14は、通信部5と同様に、ZigBee(登録商標)やBluetooth(登録商標)等の電波通信、又は光信号を用いた光通信を行う。
制御部15は、受電装置Rを統括制御するものであり、詳細については後述するが、例えば、電力計測部13から入力される検出信号に基づいて、整流回路12の出力電力、出力電流、または出力電圧を受電装置Rの状態情報として通信部14に出力する。そして通信部14は、上述した通り、この状態情報を給電装置に設けられた通信部5に送信する。
バッテリBは、リチウムイオン電池等の二次電池であり、整流回路12から供給される直流電力を充電して蓄える。図示しないが、このバッテリBは、移動体の走行用モータを駆動するインバータ回路(走行用インバータ回路)又は/及び移動体の走行を制御する制御機器に接続されており、これらの走行用インバータ回路や制御機器に駆動電力を供給する。
次に、このように構成された給電装置及び非接触給電システムの動作について、図2A〜図4を参照して詳しく説明する。
本非接触給電システムは、移動体が停車スペースに進入すると、この移動体に対する給電を開始する。例えば、給電装置Sにおける通信部5は通信要求信号を一定周期で連続的に発信する。一方、受電装置Rにおける通信部14は、移動体が停車スペースに進入すると、上記通信要求信号の受信が可能になるので、この通信要求信号に対して回答信号を通信部5に送信する。そして、通信部5は、この回答信号を受信すると、回答信号の受信をスイッチング制御部7に通知する。この結果、スイッチング制御部7は、移動体が給電可能エリア内に進入してきたことを判断(認識)する。
そして、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧に基づいて、チョッパ回路2及びインバータ回路3の制御を開始する。すなわち、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になるように、チョッパ回路2及びインバータ回路3のうち、チョッパ回路2による昇圧を停止し、インバータ回路3のみを動作させる。そしてスイッチング制御部7は、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合に、チョッパ回路2の昇圧を開始させる。具体的には、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してハイレベルとローレベルを繰り返すスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の昇圧を開始させる。すなわち、スイッチング制御部7は、インバータ回路3が直流電力を交流電力に変換するようにインバータ回路を制御し、チョッパ回路2の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、チョッパ回路2が入力電圧の昇圧を行う否かを制御する。
また、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧に代わって、通信部5から入力される受電装置Rの状態情報に基づいて、チョッパ回路2及びインバータ回路3の制御を開始することも可能である。すなわち、スイッチング制御部7は、整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になるように、チョッパ回路2及びインバータ回路3のうち、チョッパ回路2による昇圧を停止し、インバータ回路3のみを動作させる。そして、スイッチング制御部7は、インバータ回路3のみの動作によって整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合に、チョッパ回路2の昇圧を開始させる。具体的には、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してハイレベルとローレベルを繰り返すスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の昇圧を開始させる。すなわち、スイッチング制御部7は、インバータ回路3が直流電力を交流電力に変換するようにインバータ回路3を制御し、整流回路12の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、チョッパ回路2が入力電圧の昇圧を行う否かを制御する。なお、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧と、通信部5から入力される受電装置Rの状態情報とに基づいて、チョッパ回路2及びインバータ回路3の制御を行ってもよい。
ここで、インバータ回路3の制御方法について、具体例を用いて説明する。例えば、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるように、インバータ回路3のトランジスタ31〜34のそれぞれに出力するスイッチング信号S1〜S4のそれぞれの位相差を調整する。具体的には、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φを調整する。スイッチング信号S1とスイッチング信号S2の位相差と、スイッチング信号S3とスイッチング信号S4の位相差とは、180度で固定する。図2Bの波形は、図2Dの波形よりも位相差φが小さい例を示している。この場合、スイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φが180度より小さくなったことで、スイッチング信号S1とスイッチング信号S3のハイレベルが重なる期間及びスイッチング信号S2とスイッチング信号S4のハイレベルが重なる期間が発生する。スイッチング信号S1とスイッチング信号S3が共にハイレベルの期間は、図2Aのトランジスタ31とトランジスタ33が共にオン状態であり、インバータ回路3のふたつの出力ノードの間の電位差は0Vとなる。したがって、この期間は電流が流れない。スイッチング信号S2とスイッチング信号S4が共にハイレベルの期間も、同様である。したがって、位相差φが180度から小さくなるほど、インバータ回路3に流れる時間軸上の平均電流の値は低下する。インバータ回路3とチョッパ回路2は直列接続されているので、上述したインバータ回路3を流れる平均電流の値が低下すると、チョッパ回路2が出力する電流も減少する。そのため、チョッパ回路2の出力電力は、低下する。図2Cは、この様子を示している。すなわち、スイッチング制御部7はスイッチング信号S1〜S4のそれぞれの位相差を調整することによって、より具体的にはスイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φを調整することによって(このとき、スイッチング信号S1とスイッチング信号S2の位相差φ及びスイッチング信号S3とスイッチング信号S4の位相差φは、ともに180度である)、チョッパ回路2の出力電力を制御することができる。したがって、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるような制御が可能となる。また、上述した通り、上記のようなインバータ回路の制御により、位相差φが180度となってもチョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値に達しない場合、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の出力電圧の昇圧を行えばよい。これによって、電流が増加して電力も増加するため、チョッパ回路2の出力電力、出力電圧、又は出力電流が特定の値に到達することができる。
なお、これまで、インバータ回路3へのスイッチング信号S1〜S4のそれぞれの位相差φを調整することによって、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が制御される例を説明したが、スイッチング制御部7が通信部5から受け取った状態情報を介して整流回路12の出力電力、出力電圧、又は出力電流を制御する場合も原理は同じである。すなわち、上記の例と同様のインバータ回路3の制御によって、インバータ回路3の出力電流が低減すれば、結果的に、共振回路11が受け取る電力が低下して、共振回路11と直列接続された整流回路12が出力する電力が低下する。つまり、スイッチング制御部7はスイッチング信号S1〜S4のそれぞれの位相差φを調整することによって、より具体的にはスイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φを調整することによって(このとき、スイッチング信号S1とスイッチング信号S2の位相差φ及びスイッチング信号S3とスイッチング信号S4の位相差φは、ともに180度である)、整流回路12の出力電力を制御することができる。したがって、スイッチング制御部7は、整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるような制御が可能となる。また、上記のようなインバータ回路3の制御により、位相差φが180度となっても整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値に達しない場合、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の出力電圧の昇圧を行えばよい。これによって、給電装置から出力される電流は増加して電力も増加するため、整流回路12の出力電力、出力電圧、又は出力電流が特定の値に到達することができる。
スイッチング制御部7がスイッチング信号S1とS3の位相差φを0度から180度まで変化させた場合、位相差φに比例して、インバータ回路3の出力電圧が上昇し、図2Cに示すように、チョッパ回路2又はインバータ回路3の出力電力及び出力電流が増加する。
ここで、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1とS3の位相差φを0度から180度に向けて急に変化させずに徐々に変化させる。この結果、インバータ回路3の出力電圧が徐々に上昇するので、共振回路4が有する給電コンデンサ(共振コンデンサ)に対して急に流れる突入電流を防止することができる。
そして、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となった場合には、位相差φを固定する。一方、スイッチング制御部7は、位相差φを180度まで変化させたにもかかわらず、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合には、チョッパ回路2のトランジスタ23にスイッチング信号の供給を開始して、チョッパ回路2に昇圧動作を開始させる。この結果、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧は、さらに上昇して目的とする特定の値に達することができる。
<第2実施形態>
上述したインバータ回路3に対するスイッチング信号S1とスイッチング信号S1の位相差φを調整する方法以外にも、以下のようなインバータ回路3の制御方法がある。第2実施形態では、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を調整する。言い換えると、スイッチング制御部7は、インバータ回路3のオン/オフのデューティ比を調整する。図2Dを参照すると、図2Dでは位相差φが180度であり、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比は50%である。ここで、デューティ比とは、信号の周期に対するハイレベルの期間の割合を意味する。スイッチング制御部7は、電力計測部6から受け取ったチョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧に基づいて、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を0%〜50%の範囲で調整する。スイッチング信号S1〜S4のデューティ比が0%に近づくほど、スイッチング信号S1〜S4のハイレベル期間が短くなる。その結果、信号波形のタイミングチャート上でスイッチング信号S1〜S4の全てがローレベルの期間が発生する。そして、その期間は、デューティ比が0%に近づくほど長くなる。デューティ比が0%に近づくほどインバータ回路3に電流が流れている期間が短くなるため、時間軸上の平均電流の値は低下する。インバータ回路3とチョッパ回路2は直列接続されているので、上述したインバータ回路3を流れる平均電流の値が低下すると、チョッパ回路2が出力する電流も減少する。そのため、チョッパ回路2の出力電力は、低下する。すなわち、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を調整することによって、チョッパ回路2の出力電力を制御することができる。したがって、第2実施形態の制御方法によっても、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるような制御が可能となる。なお、スイッチング制御部7は、電力計測部13から受け取った状態情報に含まれる整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧に基づいて、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を0%〜50%の範囲で調整することも可能である。また、上記のようなインバータ回路3の制御方法により、デューティ比が50%に達してもチョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値に達しない場合、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の出力電圧の昇圧を行えばよい。これによって、給電装置から出力される電流は増加して電力も増加するため、整流回路12の出力電力、出力電圧、又は出力電流が特定の値に到達することができる。
なお、以上で、インバータ回路3へのスイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を調整することによって、チョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が制御される例を説明したが、スイッチング制御部7が通信部5から受け取った状態情報を介して整流回路12の出力電力、出力電圧、又は出力電流を制御する場合も原理は同じである。すなわち、上記の例と同様のインバータ回路3の制御方法によって、インバータ回路3の出力電流が低減すれば、結果的に、共振回路11が受け取る電力が低下して、共振回路11と直列接続された整流回路12が出力する電力が低下する。つまり、スイッチング制御部7はスイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を調整することによって、整流回路12の出力電力を制御することができる。したがって、スイッチング制御部7は、整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるような制御が可能となる。また、上記のようなインバータ回路3の制御方法により、デューティ比が50%に達しても整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値に達しない場合、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2のトランジスタ23に対してスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2の出力電圧の昇圧を行えばよい。これによって、給電装置から出力される電流は増加して電力も増加するため、整流回路12の出力電力、出力電圧、又は出力電流が特定の値に到達することができる。
なお、具体的な制御方法の例としては、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるように、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を0%から50%に向けて変化させる。
ここでも、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を急に変化させずに徐々に変化させる。この結果、インバータ回路3の出力電圧が徐々に上昇するので、共振回路4が有する給電コンデンサ(共振コンデンサ)に対して急に流れる突入電流を防止することができる。
そして、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となった場合には、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を固定する。一方、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比を50%まで変化させたにもかかわらず、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合には、チョッパ回路2に含まれるトランジスタ23へのスイッチング信号の供給を開始し、チョッパ回路2に昇圧動作を開始させる。この結果、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧は、特定の値に達する。
図3のグラフ(a)は、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になった場合のインバータ回路3の出力電圧の経時的推移を示している。また、図3のグラフ(b)は、その場合のチョッパ回路2の出力電圧の経時的推移を示している。さらに、図3のグラフ(c)は、その場合の給電装置Sの出力の経時的推移を示している。
図3のグラフ(a)に示すように、期間T〜T(商用電源からの電力供給がオフ状態である時)と、期間T〜T(インバータ回路3が停止状態である時)とでは、インバータ回路3の出力電圧は、0Vとなる。続いて、期間T〜Tにおいて、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φ又はスイッチング信号S1〜S4のそれぞれのデューティ比の調整が開始する。すると、図3のグラフ(a)に示すように、インバータ回路3の出力電圧は、徐々に上昇する。
そして、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になった場合には、スイッチング制御部7は位相差φ又はデューティ比を固定するので、インバータ回路3の出力電圧は、図3のグラフ(a)の時間T以降の期間に示されるように、安定する。このとき、チョッパ回路2昇圧を行っておらず動作していないので、図3のグラフ(b)に示すように、チョッパ回路2からの出力電圧は変化しない。また、図3のグラフ(c)に示すように、給電装置Sの出力電流及び出力電力は、図3のグラフ(a)に示すインバータ回路3の出力電圧の経時的推移に同期して変化する。
一方、図4のグラフ(a)は、インバータ回路3及びチョッパ回路2両方の動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になった場合のインバータ回路3の出力電圧の経時的推移を示している。また、図4のグラフ(b)は、その場合のチョッパ回路2の出力電圧の経時的推移を示している。さらに、図4のグラフ(c)は、その場合の給電装置Sの出力の経時的推移を示している。
図4のグラフ(a)に示すように、期間T〜T(商用電源からの電力供給がオフ状態である時)と、期間T〜T(インバータ回路3が停止状態である時)とでは、インバータ回路3の出力電圧は、0Vとなる。続いて、期間T〜Tにおいて、スイッチング制御部7がスイッチング信号S1とスイッチング信号S3の位相差φ又はスイッチング信号S1〜S4のデューティ比の調整を開始すると、図4のグラフ(a)に示すように、インバータ回路3の出力電圧は、徐々に上昇する。
しかしながら、ここでは、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値に達しないために、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2の昇圧動作を開始させる。この結果、図4のグラフ(a)に示すように、時間T以降の期間でも、インバータ回路3の出力電圧は上昇し続け、インバータ回路3の出力電圧が目標値に達する。このとき、チョッパ回路2は、時間T以降の期間で動作を開始するので、図4のグラフ(b)に示すようにチョッパ回路2の出力電圧は時間T以降の期間において徐々に上昇する。また、図4のグラフ(c)に示すように、給電装置Sの出力電流及び電力は、図4のグラフ(a)に示すインバータ回路3の出力電圧の経時的推移に同期して変化する。
<第3実施形態>
第3実施形態では、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれの周波数(スイッチング周波数)を調整する。ここで、インバータ回路3の入力から共振回路4の出力までのインピーダンスZinv1やインバータ回路3の出力から共振回路4の出力までのインピーダンスZinv2は、周波数に依存してその絶対値や位相が変化する周波数特性を有する。スイッチング制御部7がスイッチング信号S1〜S4の周波数を変更すると、トランジスタ31〜34のスイッチング周波数が変更され、インピーダンスZinv1やZinv2も変化する。その結果、直列的に接続されたチョッパ回路2、インバータ回路3、共振回路4からなる系を流れる電流の値が変化する。したがって、スイッチング信号の周波数が調整された結果、電流の値が減少すれば、チョッパ回路2の出力電力、出力電圧、又は出力電流は減少する。これは、スイッチング制御部7がスイッチング信号S1〜S4のそれぞれの周波数を調整することによって、チョッパ回路2の出力電力を制御することができる。なお、具体的にスイッチング信号S1〜S4の周波数を上げる又は下げるという判断は、チョッパ回路2、インバータ回路3、及び共振回路4の回路構成によって決定される。これは、回路構成によって、上述したインピーダンスの周波数特性が異なるからである。また、上記はチョッパ回路2の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるようにスイッチング信号S1〜S4の周波数を調整する例であるが、これまでと同様に、スイッチング制御部7は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となるようにスイッチング信号S1〜S4の周波数を調整することも可能である。この説明はこれまでと重複するので省略する。また、具体的な制御方法の一例としては、スイッチング制御部7は、スイッチング信号S1〜S4のそれぞれの周波数(スイッチング周波数)を高い周波数から低い周波数に向けて変化させる。ここでも、スイッチング制御部7は、インバータ回路3のスイッチング周波数を急に変化させずに徐々に変化させる。この結果、インピーダンスが徐々に変化して、共振回路4が有する給電コンデンサ(共振コンデンサ)に対して急に流れる突入電流を防止することができる。
そして、スイッチング制御部7は、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値となった場合には、インバータ回路3のみを動作させる。一方、スイッチング制御部7は、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合には、チョッパ回路2に昇圧動作を開始させる。この結果、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧は、特定の値に達する。
このような本実施形態によれば、チョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値になるように、チョッパ回路2及びインバータ回路3のうち、インバータ回路3のみを動作させる、インバータ回路3のみの動作によってチョッパ回路2又は整流回路12の出力電力、出力電流、又は出力電圧が特定の値にならなかった場合に、チョッパ回路2も合わせて動作させる、つまり、インバータ回路3のみを使用する場合と、インバータ回路3及びチョッパ回路2の両方を使用する場合とを設けることによって、給電における広い電力範囲を実現することができる。
上記第1〜第3実施形態によれば、位相差φ、デューティ比あるいはスイッチング周波数を急に変化させずに徐々に変化させることによって、共振回路4が有する給電コンデンサ(共振コンデンサ)に対して急に流れる突入電流を防止することができる。
なお、本発明は、上記第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記第1〜第3実施形態では、チョッパ回路2に整流回路1の力率改善機能を持たせたが、本発明はこれに限定されるものではなく、この力率改善機能を省略してもよい。
(2)上記第1〜第3実施形態では、磁界共鳴方式に準拠した非接触給電システムについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁誘導方式に準拠した非接触給電システムでもよい。電磁誘導方式により電力を伝送する場合には、共振回路及び共振回路を省略することができる。また、上記第1〜第3実施形態では、負荷をバッテリBとしたが、本発明における負荷は、バッテリBに限定されるものではなく、代わりに種々の蓄電デバイス及び電力の供給を受けて所定の機能を発現する各種機器を備えていてもよい。
(3)上記第1〜第3実施形態では、給電装置Sは、昇圧チョッパ回路であるチョッパ回路2を有しているが、昇圧チョッパ回路に限定されるものではなく、代わりに昇降圧チョッパ回路を備えていてもよい。
(4)上記第1〜第3実施形態では、電圧変換器はチョッパ回路であるとして説明したが、電圧変換器は、チョッパ回路を用いた非絶縁型のDC−DCコンバータに限定されるものではない。例えば、トランス等を用いた絶縁型のDC−DCコンバータで電圧変換器を実現することもできる。
(5)上記第1〜第3実施形態では、位相差やデューティ比等に関して、0度、180度、0%、50%等具体的な数値を用いて説明されているが、本発明は位相差やデューティ比等がこのような具体的な値に厳密に等しいことに限定されるものではない。例えば、測定誤差や制御誤差に基づき誤差範囲を予め定め、位相差やデューティ比等がその範囲に含まれていれば、位相差やデューティ比等は、所望の具体的な値であるとみなすことができる。
本発明によれば、スイッチング制御部は、インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するように前記インバータ回路を制御し、チョッパ回路の出力値または整流回路の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、チョッパ回路が入力電圧の昇圧を行う否かを制御する。この制御によって、インバータ回路のみで給電する電力と、インバータ回路及びチョッパ回路の両方で給電する電力を切り替えることができるため、従来技術よりも広い電力範囲で給電することを実現できる。
1 整流回路、2 チョッパ回路(電圧変換器)、3 インバータ回路、4 共振回路、5 通信部、6 電力計測部、7 スイッチング制御部、11 共振回路、12 整流回路、13 電力計測部、14 通信部、15 制御部、B バッテリ、R 受電装置、S 給電装置、21 コイル、22 ダイオード、23 トランジスタ(スイッチング素子)、24 コンデンサ、31〜34 トランジスタ(スイッチング素子)、35〜38 ダイオード(帰還ダイオード)、S1〜S4 スイッチング信号

Claims (12)

  1. 交流電力を受電装置に向かって非接触方式で伝送する給電装置であって、
    電圧変換器と、
    前記電圧変換器に接続されたインバータ回路と、
    前記受電装置から、前記受電装置に設けられた整流回路の出力値を受信する通信部と、
    前記インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するように前記インバータ回路を制御し、前記電圧変換器の出力値または前記整流回路の出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、前記電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うか否かを制御するスイッチング制御部と、
    を有し、
    前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路のみの制御により前記電圧変換器の出力値または前記整流回路の出力値が特定の値に達する場合には、前記インバータ回路のみを動作させる給電装置。
  2. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路のみの制御では前記電圧変換器の前記出力値又は前記整流回路の前記出力値が前記特定の値に達しない場合、前記電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うように、前記電圧変換器を制御する請求項1に記載の給電装置。
  3. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれの位相差を調整する請求項1に記載の給電装置。
  4. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれのデューティ比を調整する請求項1に記載の給電装置。
  5. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれの周波数を調整する請求項1に記載の給電装置。
  6. 前記電圧変換器の前記出力値は、前記電圧変換器が出力する電力、電圧、又は電流の値であり、前記整流回路の前記出力値は、前記整流回路が出力する電力、電圧、又は電流の値である請求項1に記載の給電装置。
  7. 交流電力を給電装置から受電装置に向かって非接触方式で伝送する非接触給電システムであって、
    前記給電装置は、
    電圧変換器と、
    前記電圧変換器に接続されたインバータ回路と、
    第1の通信部と、
    を有し、
    前記受電装置は、
    整流回路と、
    前記整流回路の出力値を出力する制御部と、
    前記制御部と接続され、前記出力値を前記第1の通信部に送信する第2の通信部と、
    を有し、
    前記給電装置は、前記インバータ回路が直流電力を交流電力に変換するように前記インバータ回路を制御し、前記電圧変換器の出力値又は前記整流回路の前記出力値が特定の値に達するか否かに基づいて、前記電圧変換器が入力電圧の昇圧を行う否かを制御するスイッチング制御部を含み、
    前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路のみの制御により前記電圧変換器の出力値または前記整流回路の出力値が特定の値に達する場合には、前記インバータ回路のみを動作させる非接触給電システム。
  8. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路のみの制御では前記電圧変換器の前記出力値又は前記整流回路の出力値が前記特定の値に達しない場合、前記電圧変換器が入力電圧の昇圧を行うように、前記電圧変換器を制御する請求項7に記載の非接触給電システム。
  9. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれの位相差を調整する請求項7に記載の非接触給電システム。
  10. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれのデューティ比を調整する請求項7に記載の非接触給電システム。
  11. 前記スイッチング制御部は、前記インバータ回路が含むスイッチング素子のそれぞれのオン状態とオフ状態を切り替えるスイッチング信号を出力し、前記スイッチング信号のそれぞれの周波数を調整する請求項7に記載の非接触給電システム。
  12. 前記電圧変換器の前記出力値は、前記電圧変換器が出力する電力、電圧、又は電流の値であり、前記整流回路の前記出力値は、前記整流回路が出力する電力、電圧、又は電流である請求項7に記載の非接触給電システム。
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