(実施形態)
本実施形態の非接触給電装置は、負荷に対し非接触で給電を行う。非接触給電装置は、非接触給電装置が有する一次側コイル(給電側コイル)と負荷が有する二次側コイル(受電側コイル)とが電磁界結合(電界結合と磁界結合との少なくとも一方)された状態で、一次側コイルから二次側コイルへ電力の伝達を行う。これにより、非接触給電装置は、負荷への給電を行う。この種の非接触給電装置は、負荷に備わっている非接触受電装置と共に非接触電力伝送システムを構成する。
<非接触電力伝送システムの概要>
まず、非接触電力伝送システムの概要について、図1を参照して説明する。
本実施形態の非接触電力伝送システム1は、一次側コイルL1を有する非接触給電装置2と、二次側コイルL2を有する非接触受電装置3とを備えている。非接触受電装置3は、非接触給電装置2から非接触で出力電力が供給されるように構成されている。ここで、出力電力は、非接触給電装置2から出力される電力であって、一次側コイルL1に交流電圧が印加されることにより一次側コイルL1から二次側コイルL2に非接触で供給される電力である。本実施形態では、一次側コイルL1および二次側コイルL2は、平面上において導線が渦巻き状に巻かれたスパイラル型のコイルである。
本実施形態では、負荷としての電動車両に非接触受電装置3が搭載されている場合を例に説明する。電動車両は、蓄電池4を備え、蓄電池4に蓄積された電気エネルギーを用いて走行する車両である。電動車両に搭載された非接触受電装置3は、蓄電池4の充電装置として用いられる。なお、ここでは電動機で生じる駆動力によって走行する電気自動車を電動車両の例として説明するが、電動車両は電気自動車に限らず、例えば二輪車(電動バイク)、電動自転車などであってもよい。
非接触給電装置2は、商用電源(系統電源)や、太陽光発電設備等の発電設備から供給される電力を、非接触受電装置3に供給することで、電動車両の蓄電池4を充電する。非接触給電装置2に供給される電力は、交流電力と直流電力とのいずれであってもよいが、本実施形態では、非接触給電装置2が直流電源5に電気的に接続され、非接触給電装置2に直流電力が供給される場合を例に説明する。なお、非接触給電装置2に交流電力が供給される場合、非接触給電装置2には交流を直流に変換するAC/DCコンバータが設けられる。
非接触給電装置2は、例えば商業施設や公共施設、あるいは集合住宅などの駐車場に設置される。非接触給電装置2は、少なくとも一次側コイルL1が床あるいは地面に設置されており、一次側コイルL1上に駐車された電動車両の非接触受電装置3に対して非接触で電力を供給する。このとき、非接触受電装置3の二次側コイルL2は、一次側コイルL1の上方に位置することで、一次側コイルL1と電磁界結合(電界結合と磁界結合との少なくとも一方)されている。そのため、一次側コイルL1からの出力電力が二次側コイルL2へ伝達(送電)されることになる。なお、一次側コイルL1は、床あるいは地面から露出するように設置される構成に限らず、床あるいは地面に埋め込まれるように設置されていてもよい。
非接触受電装置3は、二次側コイルL2と、一対の二次側コンデンサC21,C22と、整流回路31と、平滑コンデンサC2とを有している。整流回路31は、一対の交流入力点と、一対の直流出力点とを有するダイオードブリッジからなる。二次側コイルL2の一端は、第1の二次側コンデンサC21を介して整流回路31の一方の交流入力点に電気的に接続され、二次側コイルL2の他端は、第2の二次側コンデンサC22を介して整流回路31の他方の交流入力点に電気的に接続されている。平滑コンデンサC2は、整流回路31の一対の直流出力点間に電気的に接続されている。さらに、平滑コンデンサC2の両端は一対の出力端子T21,T22に電気的に接続されている。一対の出力端子T21,T22には、蓄電池4が電気的に接続されている。
これにより、非接触受電装置3は、非接触給電装置2の一次側コイルL1からの出力電力を二次側コイルL2で受けることで二次側コイルL2の両端間に発生する交流電圧を、整流回路31にて整流し、さらに平滑コンデンサC2にて平滑して直流電圧を得る。非接触受電装置3は、このようにして得られる直流電圧を、一対の出力端子T21,T22から蓄電池4に出力(印加)する。
ここで、本実施形態においては、非接触給電装置2は、一次側コイルL1と共に共振回路(以下、「一次側共振回路」という)を構成する電力補正回路22、および一対の一次側コンデンサC11,C12を備えている。また、非接触受電装置3では、二次側コイルL2は一対の二次側コンデンサC21,C22と共に共振回路(以下、「二次側共振回路」という)を構成している。そして、本実施形態の非接触電力伝送システム1は、一次側共振回路と二次側共振回路とを共鳴させることにより電力の伝送を行う磁界共鳴方式(磁気共鳴方式)を採用している。すなわち、非接触電力伝送システム1は、一次側共振回路と二次側共振回路とで共振周波数を一致させることにより、一次側コイルL1と二次側コイルL2とが比較的離れた状態でも、非接触給電装置2の出力電力を高効率で伝送可能である。
<非接触給電装置の概要>
次に、非接触給電装置の概要について、図1を参照して説明する。
本実施形態の非接触給電装置2は、一次側コイルL1に加えて、インバータ回路21と、電力補正回路22と、制御回路23とをさらに備えている。
インバータ回路21は、一対の入力点211,212と一対の出力点213,214との間に電気的に接続された複数(ここでは4つ)の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を有している。インバータ回路21は、複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングにより、一対の入力点211,212に印加される直流電圧を交流電圧に変換して一対の出力点213,214から出力する。
一次側コイルL1は、一対の出力点213,214間に電気的に接続され、交流電圧が印加されることにより二次側コイルL2に非接触で出力電力を供給する。
電力補正回路22は、出力点213と一次側コイルL1との間に電気的に接続され、調整用コンデンサC1および複数(ここでは4つ)の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を有している。電力補正回路22は、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のスイッチングにより、調整用コンデンサC1の充電時間および放電時間を調整する。そして、電力補正回路22は、調整用コンデンサC1の充電時間および放電時間を調整することによって、インバータ回路21の出力電圧に対する一次側コイルL1に流れる電流の位相差(電圧電流位相差であり、以降、VI位相差という)φを調整することができる。これにより、一次共振回路から二次共振回路へ伝達される出力電力の大きさが調整させる。なお、調整用コンデンサC1の容量は、一次側コンデンサC11,C12の容量よりも十分に大きい。例えば、調整用コンデンサC1はμFオーダーの容量に、一次側コンデンサC11,C12はnFオーダーの容量に設定される。
制御回路23は、「周波数制御」と「位相差制御」との2つの方法で、出力電力の大きさを調整するように構成されている。制御回路23は、第1駆動信号にて複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を制御し、第2駆動信号にて複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を制御する。
制御回路23は、第1駆動信号の周波数を調整することで、変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチング周波数を制御する周波数制御を行う。
また、制御回路23は、第1駆動信号に対する第2駆動信号の位相の遅れである駆動位相差θを調整することで、位相差制御を行う。具体的には、制御回路23は、取得部231を有している。取得部231は、電力補正回路22を無効としたときのインバータ回路21が遅相モードである場合に、インバータ回路21のVI位相差φに応じて電力制御開始角を取得(算出)する。ここで、電力制御開始角とは、第2駆動信号の1周期において調整用コンデンサC1が充電される時間と調整用コンデンサC1が放電される時間とが等しくなる駆動位相差θのことである。別の言い方をすると、電力制御開始角とは、インバータ回路21が遅相モードとなる駆動位相差θの最大値から駆動位相差θを徐々に小さくした場合に、調整用コンデンサC1に電荷が溜まり始める角度である。なお、電力制御開始角は、予め定められた規定範囲内の値である。また、「遅相モード」とは、電圧位相に対して電流位相が遅れ位相(遅相)になるモードである。また、駆動位相差θが第1位相差に、VI位相差φが第2位相差に、それぞれ相当する。
制御回路23は、電力制御開始角から電力制御開始角より小さい所定値(所定範囲の下限値)までの範囲、つまり電力制御開始角以下で駆動位相差θを調整することにより、出力電力の大きさを調整する。
なお、本実施形態でいう「入力点」や「出力点」は、電線等を接続するための部品(端子)として実体を有しなくてもよく、例えば電子部品のリードや、回路基板に含まれる導体の一部であってもよい。
<回路構成>
次に、本実施形態の非接触給電装置2の具体的な回路構成について、図1を参照して説明する。
本実施形態の非接触給電装置2は、一対の入力端子T11,T12を備えている。一対の入力端子T11,T12には、直流電源5が電気的に接続されている。
インバータ回路21は、4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4がフルブリッジ接続されたフルブリッジインバータ回路である。つまり、インバータ回路21は、一対の入力点211,212間に電気的に並列に接続された第1アームと第2アームとを有し、これら第1アームおよび第2アームが4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4にて構成されている。第1アームは(第1の)変換用スイッチ素子Q1と(第2の)変換用スイッチ素子Q2との直列回路からなり、第2アームは(第3の)変換用スイッチ素子Q3と(第4の)変換用スイッチ素子Q4との直列回路からなる。第1アームの中点(変換用スイッチ素子Q1,Q2の接続点)および第2アームの中点(変換用スイッチ素子Q3,Q4の接続点)は、一対の出力点213,214となる。本実施形態では、4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4は、それぞれnチャネルのデプレション型MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)である。
さらに詳しく説明すると、一対の入力点211,212は、第1の入力点211が直流電源5の正極側となり、第2の入力点212が直流電源5の負極側となるように、一対の入力端子T11,T12に電気的に接続されている。第1の入力点211には、変換用スイッチ素子Q1,Q3のドレインが電気的に接続されている。また、第2の入力点212には、変換用スイッチ素子Q2,Q4のソースが電気的に接続されている。そして、変換用スイッチ素子Q1のソースと変換用スイッチ素子Q2のドレインとの接続点が、インバータ回路21の第1の出力点213となる。また、変換用スイッチ素子Q3のソースと変換用スイッチ素子Q4のドレインとの接続点が、インバータ回路21の第2の出力点214となる。
4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4の各々のドレインおよびソース間には、4つのダイオードD1〜D4が4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4と一対一に対応するように電気的に接続されている。各ダイオードD1〜D4は、各変換用スイッチ素子Q1〜Q4のドレイン側をカソードとする向きで接続されている。ここでは、各ダイオードD1〜D4は各変換用スイッチ素子Q1〜Q4の寄生ダイオードである。
電力補正回路22は、調整用コンデンサC1と、4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8とを有している。電力補正回路22は、インバータ回路21の一対の出力点213,214間において電気的に並列に接続された第3アームと第4アームとを有し、これら第3アームおよび第4アームが4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8にて構成されている。第3アームは(第1の)調整用スイッチ素子Q5と(第3の)調整用スイッチ素子Q7との直列回路からなり、第4アームは(第2の)調整用スイッチ素子Q6と(第4の)調整用スイッチ素子Q8との直列回路からなる。第3アームの中点(調整用スイッチ素子Q5,Q7の接続点)と、第4アームの中点(調整用スイッチ素子Q6,Q8の接続点)との間には、調整用コンデンサC1が電気的に接続されている。本実施形態では、4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8は、それぞれnチャネルのデプレション型MOSFETである。
さらに詳しく説明すると、インバータ回路21の第1の出力点213には、第1の一次側コンデンサC11を介して、調整用スイッチ素子Q5のソースおよび調整用スイッチ素子Q6のドレインが電気的に接続されている。また、第2の出力点214には、第2の一次側コンデンサC12および一次側コイルL1を介して、調整用スイッチ素子Q7のソースおよび調整用スイッチ素子Q8のドレインが電気的に接続されている。そして、調整用コンデンサC1の一端は、調整用スイッチ素子Q5のドレインと調整用スイッチ素子Q7のドレインとの接続点に電気的に接続されている。調整用コンデンサC1の他端は、調整用スイッチ素子Q6のソースと調整用スイッチ素子Q8のソースとの接続点に電気的に接続されている。
4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8の各々のドレインおよびソース間には、4つのダイオードD5〜D8が4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8と一対一に対応するように電気的に接続されている。各ダイオードD5〜D8は、各調整用スイッチ素子Q5〜Q8のドレイン側をカソードとする向きで接続されている。ここでは、各ダイオードD5〜D8は各調整用スイッチ素子Q5〜Q8の寄生ダイオードである。
制御回路23は、例えばマイコン(マイクロコンピュータ)を主構成として備えている。マイコンは、マイコンのメモリに記録されているプログラムをCPU(Central Processing Unit)で実行することにより、制御回路(制御部)23としての機能を実現する。プログラムは、予めマイコンのメモリに記録されていてもよいし、メモリカードのような記録媒体に記録されて提供されたり、電気通信回線を通して提供されたりしてもよい。本実施形態では、制御回路23は、取得部231に加えて、制御部232を有している。言い換えれば、上記プログラムは、非接触給電装置2に用いられるコンピュータ(ここではマイコン)を、取得部231、制御部232として機能させるためのプログラムである。
制御部232は、インバータ回路21の各変換用スイッチ素子Q1〜Q4のオンオフを切り替えるための第1駆動信号G1〜G4を出力する。4つの第1駆動信号G1〜G4は、4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4に一対一に対応する。ここでは、制御部232は、第1駆動信号G1〜G4を、それぞれ対応する変換用スイッチ素子Q1〜Q4のゲートに出力することで、対応する変換用スイッチ素子Q1〜Q4の制御を行っている。
また、制御部232は、電力補正回路22の4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8の各々のオンオフを切り替えるための第2駆動信号G5〜G8を出力する。4つの第2駆動信号G5〜G8は、4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8に一対一に対応する。ここでは、制御部232は、第2駆動信号G5〜G8を、それぞれ対応する調整用スイッチ素子Q5〜Q8のゲートに出力することで、対応する調整用スイッチ素子Q5〜Q8の制御を行っている。
なお、本実施形態では、制御回路23の制御部232が、変換用スイッチ素子Q1〜Q4および調整用スイッチ素子Q5〜Q8の各々のゲートに対し、第1駆動信号G1〜G4および第2駆動信号G5〜G8を直接出力しているが、この構成に限らない。例えば、非接触給電装置2は駆動回路をさらに備え、駆動回路が、制御回路23の制御部232からの第1駆動信号G1〜G4および第2駆動信号G5〜G8を受けて、変換用スイッチ素子Q1〜Q4および調整用スイッチ素子Q5〜Q8を駆動してもよい。
一次側コイルL1は、インバータ回路21の一対の出力点213,214の間において、一対の一次側コンデンサC11,C12および電力補正回路22と電気的に直列に接続されている。一次側コイルL1の一端は、電力補正回路22および第1の一次側コンデンサC11を介して、インバータ回路21の第1の出力点213に電気的に接続されている。一次側コイルL1の他端は、第2の一次側コンデンサC12を介して、インバータ回路21の第2の出力点214に電気的に接続されている。
本実施形態の非接触給電装置2は、一次側コイルL1に流れる電流の大きさを計測値として計測する計測部24をさらに備えている。一次側コイルL1と第2の一次側コンデンサC12との間には、例えば変流器からなる電流センサ25が設けられている。計測部24は、電流センサ25の出力を受けて、一次側コイルL1に流れる電流の大きさを、計測値として計測する。計測部24は、計測値を制御回路23に出力するように構成されている。制御回路23は、計測部24で計測された計測値を用いて、一次側コイルL1から出力される出力電力の大きさ、一次側コイルL1に流れる電流の位相を監視する。
<基本動作>
次に、本実施形態の非接触給電装置2の基本動作について、図1および図2を参照して説明する。図2では、横軸を時間軸として、上から順に第1駆動信号「G1,G4」、「G2,G3」、第2駆動信号「G5,G8」、「G6,G7」の信号波形を表している。なお、図2中の「オン」、「オフ」は、対応するスイッチ素子(変換用スイッチ素子、調整用スイッチ素子)のオン、オフを表している。
(1)電力補正回路なし
ここではまず、電力補正回路22がない場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1および一対の一次側コンデンサC11,C12のみが電気的に接続されている場合を想定し、非接触給電装置2の動作を説明する。このときの非接触給電装置2の動作は、図1の回路構成において、電力補正回路22が動作を停止している場合、つまり電力補正回路22の全ての調整用スイッチ素子Q5〜Q8がオンに固定されている場合の非接触給電装置2の動作と等価である。また、電力補正回路22が動作を停止している場合とは、電力補正回路22を無効とした場合であるといえる。
制御回路23の制御部232は、図2に示すように、変換用スイッチ素子Q1,Q4に対応する第1駆動信号G1,G4と、変換用スイッチ素子Q2,Q3に対応する第1駆動信号G2,G3として、互いに逆位相(位相差180度)の信号を発生する。これにより、インバータ回路21においては、第1の変換用スイッチ素子Q1および第4の変換用スイッチ素子Q4のペアと、第2の変換用スイッチ素子Q2および第3の変換用スイッチ素子Q3のペアとが交互にオンするように制御される。
その結果、インバータ回路21の一対の出力点213,214間には、周期的に極性(正・負)が反転する電圧(交流電圧)が発生する。要するに、インバータ回路21は、複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングにより、一対の入力点211,212に印加される直流電圧を交流電圧に変換して一対の出力点213,214から出力する。以下では、インバータ回路21の出力電圧について、一対の出力点213,214のうちの第1の出力点213が高電位となる電圧を「正極性」といい、第2の出力点214が高電位となる電圧を「負極性」という。つまり、インバータ回路21の出力電圧は、変換用スイッチ素子Q1,Q4がオンの状態で正極性となり、変換用スイッチ素子Q2,Q3がオンの状態で負極性となる。
このように、インバータ回路21が一対の出力点213,214から交流電圧を出力することで、一対の出力点213,214間に電気的に接続された一次側コイルL1に交流電流が流れ、一次側コイルL1が磁界を発生する。これにより、非接触給電装置2は、非接触受電装置3の二次側コイルL2に対し、一次側コイルL1から非接触で出力電力を供給することができる。
ところで、電力補正回路22がない場合、本実施形態の非接触給電装置2では、一次側コイルL1は一対の一次側コンデンサC11,C12と共に一次側共振回路を構成する。そのため、一次側コイルL1から出力される出力電力の大きさは、インバータ回路21の動作周波数(つまり第1駆動信号Q1〜Q4の周波数)に応じて変化し、インバータ回路21の動作周波数が一次側共振回路の共振周波数に一致するときにピークに達する。
ここにおいて、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が変化して、一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数が変化すると、非接触給電装置2の出力電力の周波数特性(以下、「共振特性」という)が変化する。図3は、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が変化した場合の、非接触給電装置2の共振特性の変化を示している。なお、図3では、横軸を周波数(インバータ回路21の動作周波数)、縦軸を非接触給電装置2の出力電力として、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が異なる場合の非接触給電装置2の共振特性を「X1」、「X2」で示している。
ここで、図3に示すように、インバータ回路21の動作周波数として使用可能な周波数帯域(以下、「許可周波数帯F1」という)が制限されていると仮定する。許可周波数帯F1は、例えば電波法などの法律により規定される。この場合、許可周波数帯F1の下限値fmin未満、および上限値fmaxを超えるような周波数については、インバータ回路21の動作周波数として使用することはできない。こうした場合において、非接触給電装置2の共振特性が、例えば図3に「X1」で示すような状態にあれば、インバータ回路21の動作周波数をどう調整しても、非接触給電装置2の出力電力が必要な大きさ(以下、「目標値」という)とならない可能性がある。
例えば図4Aに示すように、一次側共振回路の共振周波数fr0が許可周波数帯F1から外れていると、非接触給電装置2の出力電力の大きさがピークに届かず、結果的に、目標値P1に対して出力電力が不足する可能性がある。また、例えば図4Bに示すように、一次側共振回路の共振周波数fr0が許可周波数帯F1内にある場合でも、非接触給電装置2の出力電力のピークが目標値P1に届かず、結果的に、目標値P1に対して出力電力が不足する可能性がある。つまり、図4Aや図4Bの例では、ハッチング(斜線)部分の電力が目標値P1に対して不足することになる。
そこで、本実施形態の非接触給電装置2は、電力補正回路22を備えることにより、調整用コンデンサC1の充電時間および放電時間を調整して、目標値P1を満たすように出力電力の大きさを補正(調整)する機能を有している。負荷は、蓄電池4の充電状態に応じて目標値の変更の有無を定期的に判断する。負荷は、変更すべきと判断すると、蓄電池4の充電状態に応じた目標値を非接触給電装置2へ出力する。
(2)電力補正回路あり
次に、図1に示すように電力補正回路22がある場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1、一対の一次側コンデンサC11,C12、および電力補正回路22が電気的に接続されている場合における、非接触給電装置2の動作を説明する。
制御回路23の制御部232は、図2に示すように、調整用スイッチ素子Q6,Q7に対応する第2駆動信号G6,G7と、調整用スイッチ素子Q5,Q8に対応する第2駆動信号G5,G8として、互いに逆位相(位相差180度)の信号を発生する。これにより、電力補正回路22においては、第2の調整用スイッチ素子Q6および第3の調整用スイッチ素子Q7のペアと、第1の調整用スイッチ素子Q5および第4の調整用スイッチ素子Q8のペアとが交互にオンするように制御される。本実施形態では、制御回路23の制御部232は、位相制御の実行時において、第1駆動信号G1〜G4および第2駆動信号G5〜G8との周波数を同一周波数としている。
そして、本実施形態の非接触給電装置2では、電力補正回路22が調整用コンデンサC1の充電時間および放電時間を調整することで、インバータ回路21のVI位相差φを調整することができる。その結果、非接触給電装置2の出力電力が目標値P1に対して不足するような場合、電力補正回路22にて、目標値P1を満たすように出力電力の大きさを調整(補正)することが可能である。
ところで、本実施形態では、上述したように、変換用スイッチ素子Q1,Q4に対応する第1駆動信号G1,G4と、変換用スイッチ素子Q2,Q3に対応する第1駆動信号G2,G3とは互いに逆位相(位相差180度)の信号になる。同様に、調整用スイッチ素子Q6,Q7に対応する第2駆動信号G6,G7と、調整用スイッチ素子Q5,Q8に対応する第2駆動信号G5,G8とは互いに逆位相(位相差180度)の信号になる。
ここにおいて、本実施形態でいう第1駆動信号と第2駆動信号との駆動位相差θは、第1駆動信号G1,G4に対する第2駆動信号G6,G7の位相の遅れ、あるいは第1駆動信号G2,G3に対する第2駆動信号G5,G8の位相の遅れである(図2参照)。つまり、第1駆動信号G1,G4に対する第2駆動信号G6,G7の位相の遅れと、第1駆動信号G1,G4に対する第2駆動信号G5,G8の位相の遅れとでは180度の開きがあるため、いずれの位相の遅れを駆動位相差θとするかで駆動位相差θの値が異なる。そこで、本実施形態では、第1駆動信号G1,G4に対する第2駆動信号G6,G7の位相の遅れ、あるいは第1駆動信号G2,G3に対する第2駆動信号G5,G8の位相の遅れを駆動位相差θと定義する。なお、上述したように、駆動位相差θが第1位相差に相当する。
<遅相モード>
次に、遅相モードについて説明する。遅相モードとは、インバータ回路21の出力において、電圧位相に対して電流位相が遅れ位相(遅相)になるモードである。
(1)電力補正回路なし
ここではまず、上記「基本動作」の欄と同様に、電力補正回路22がない場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1および一対の一次側コンデンサC11,C12のみが電気的に接続されている場合について説明する。
この場合、インバータ回路21は、例えばインバータ回路21の動作周波数と一次側共振回路の共振周波数との関係に応じて遅相モードで動作する。
遅相モードは、インバータ回路21の出力電流(一次側コイルL1を流れる電流)の位相が、インバータ回路21の出力電圧の位相よりも遅れた状態で、インバータ回路21が動作するモードである。つまり、遅相モードでは、電圧位相に対して電流位相が遅れ位相(遅相)になる。遅相モードでは、インバータ回路21のスイッチング動作はソフトスイッチングになる。したがって、遅相モードでは、変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチング損失を低減でき、また、変換用スイッチ素子Q1〜Q4にストレスが加わりにくい。一方、インバータ回路21の出力電流の位相が、インバータ回路21の出力電圧の位相よりも進んだ状態でインバータ回路21が動作する進相モードでは、変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチング損失が増大しやすい。また、進相モードでは、変換用スイッチ素子Q1〜Q4にストレスが加わりやすい。そのため、インバータ回路21は、進相モードよりも遅相モードで動作することが好ましい。本実施形態では、インバータ回路21は、遅相モードで動作するよう制御されている。このとき、VI位相差φは、0度〜90度の範囲内の値となる。なお、上述したように、VI位相差φが第1位相差に相当する。
(2)電力補正回路あり
次に、電力補正回路22がある場合、つまり一対の出力点213,214間に、一次側コイルL1、一対の一次側コンデンサC11,C12、および電力補正回路22が電気的に接続されている場合について説明する。
電力補正回路22は、インバータ回路21と同様に、進相モードと遅相モードとのいずれかの動作モードで動作することが可能である。しかしながら、電力補正回路22も、進相モードでなく遅相モードで動作することが好ましい。そこで、本実施形態では、電力補正回路22は、インバータ回路21と同様に、遅相モードで動作するように構成される。
図5は、電力補正回路22がない状態でインバータ回路21が遅相モードにある場合の、非接触給電装置2の出力電力の駆動位相差θに対する特性(位相差特性)を示している。図5では、横軸を第1駆動信号G1〜G4と第2駆動信号G5〜G8との駆動位相差θ、縦軸を非接触給電装置2の出力電力とする。
一方、電力補正回路22がない状態でインバータ回路21が遅相モード(以下、「初期遅相」という)にある場合においては、非接触給電装置2の出力電力は、例えば図5に示すように駆動位相差θに応じて変化する。図5の例では、非接触給電装置2の出力電力は、駆動位相差θが270度のときに極大かつ最大となり、駆動位相差θが180度のときに極小かつ最小となるように駆動位相差θによって変化する。初期遅相の場合に、インバータ回路21と電力補正回路22とのいずれもが遅相モードで動作するのは、駆動位相差θが0度〜90度、270度〜360度である。つまり、図5に示す第1区分Z1〜第4区分Z4のうち、第1区分Z1、および第4区分Z4の2区分である。図5に示す第1区分Z1では、駆動位相差θが変化しても出力電力はほとんど変化しない。そこで、本実施形態では、第4区分Z4の範囲、つまり270度〜360度の範囲を規定範囲とする。
<出力電力制御>
次に、本実施形態の非接触給電装置2において、出力電力の大きさを調整する「出力電力制御」の動作について説明する。
(1)周波数制御および位相差制御
本実施形態では、制御回路23の制御部232は、第1駆動信号G1〜G4および第2駆動信号G5〜G8の周波数を調整する「周波数制御」と、駆動位相差θを調整する「位相差制御」との2つの方法で、出力電力の大きさを調整するように構成されている。
本実施形態では、制御回路23の制御部232は、まず第1駆動信号G1〜G4の周波数を調整することにより出力電力の大きさを調整する周波数制御を行う。
周波数制御では、制御部232は、第1駆動信号G1〜G4の周波数を調整することにより出力電力の大きさを調整する。つまり、上記「基本動作」の「(1)電力補正回路なし」の欄で説明したように、一次側コイルL1から出力される出力電力の大きさは、インバータ回路21の動作周波数(つまり第1駆動信号Q1〜Q4の周波数)に応じて変化する(図3参照)。そのため、周波数制御では、制御回路23の制御部232は、第1駆動信号G1〜G4の周波数を調整することで、インバータ回路21の動作周波数を調整し、出力電力の大きさを調整する。言い換えると、制御部232は、周波数制御において、VI位相差φを制御して出力電力の大きさを調整することができる。この場合、電力補正回路22は、無効状態(停止状態)となっている。
ここで、インバータ回路21の動作周波数として使用可能な周波数帯域(許可周波数帯F1)が制限されている場合には、周波数制御で調整可能な周波数は、この許可周波数帯F1内に限定される。
そして、周波数制御にて調整後の出力電力の大きさが所定の目標値未満である場合に、制御回路23は、以下に説明する位相差制御を行う。つまり、周波数制御だけでは目標値に対して出力電力が不足する場合には、制御回路23は位相差制御で不足分を補う。
制御回路23は、先ず、駆動位相差θを一旦360度として電力補正回路22を始動させる。
制御回路23の取得部231は、VI位相差φに応じて、規定範囲内の値(角度)である駆動位相差θを電力制御開始角として取得する。制御部232は、電力制御開始角から規定範囲の最小値(270)までの範囲で、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである駆動位相差θを調整することにより、出力電力の大きさを調整する。
ここで、電力制御開始角とは、駆動位相差θを360度から徐々に小さくした場合に、コンデンサC1に電荷が蓄積され始める駆動位相差θに相当する。したがって、数式1“360(度)−電力制御開始角+VI位相差=90(度)”が成立する。すなわち、取得部232は、数式2“電力制御開始角=VI位相差φ+270(度)”を用いて、電力制御開始角を算出(取得)する。
制御部232は、取得された電力制御開始角を初期値として、電力制御開始角から所定値(ここでは、規定範囲の下限値(270度))までの範囲で駆動位相差θを調整することにより、非接触給電装置2の出力電力の大きさを調整する。なお、電力制御開始角は、規定範囲(270度〜360度)に属する角度である。なお、本実施形態では、規定範囲の下限値(270度)を所定値としたが、必ずしも下限値とする必要はない。例えば、所定値は、出力電力の誤差を考慮した他の値(例えば、271)であってもよい。
図5から明らかなように、非接触給電装置2の出力電力は駆動位相差θに応じて変化するので、制御部232が駆動位相差θを設定値に調整することで出力電力の大きさの調整が可能となる。具体的には、制御部232は、電力制御開始角を初期値として、電力制御開始角から規定範囲の下限値(270度)にかけて駆動位相差θが徐々に小さくする。これにより、制御回路23が規定範囲内で設定値を徐々に変化させる(小さくする)のに伴って、非接触給電装置2の出力電力が徐々に大きくなる。
なお、本実施形態において位相差制御時における周波数は、周波数制御にて調整後の周波数と同値である。要するに、位相差制御を行っている間、制御部232は周波数を、周波数制御で調整された最終的な周波数に固定している。
(2)位相差制御による出力電力制御の原理
以下、制御回路23が位相差制御にて駆動位相差θを規定範囲内の設定値に調整することにより、非接触給電装置2の出力電力の大きさが調整される原理について、図6A〜図8を参照して説明する。
位相差制御では、制御回路23は、駆動位相差θを調整することにより、調整用コンデンサC1の充電と放電とのバランスを変化させ、インバータ回路21のVI位相差φを変化させる。そして、非接触給電装置2の出力電力は、インバータ回路21のVI位相差φによって調整される。
ここにおいて、調整用コンデンサC1が充電されるか放電されるかは、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のオンオフ、およびインバータ回路21の出力電流の向きによって決まる。インバータ回路21の出力電流は、一次側コイルL1を流れる電流であるから、以下「一次側電流I1」ともいう。第1の出力点213から、一次側コンデンサC11、電力補正回路22、一次側コイルL1、および一次側コンデンサC12を通って第2の出力点214に流れる一次側電流I1の向き、つまり図1に矢印で示す一次側電流I1の向きを、「正方向」という。第2の出力点214から、一次側コンデンサC12、一次側コイルL1、電力補正回路22、および一次側コンデンサC11を通って第1の出力点213に流れる一次側電流I1の向き、つまり図1に矢印で示す一次側電流I1とは逆の向きを、「負方向」という。
図6A〜6Dは、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のオンオフと、一次側電流I1の向きとの組み合わせパターンを示している。図6A〜6D中、太線矢印は電流経路を表し、点線の丸印が付された調整用スイッチ素子はオン状態の素子を表している。
図6Aは、電力補正回路22の状態として、調整用スイッチ素子Q6,Q7がオン、調整用スイッチ素子Q5,Q8がオフであって、負方向の一次側電流I1が流れている状態(以下、「第1充電モード」という)を表している。図6Bは、電力補正回路22の状態として、調整用スイッチ素子Q6,Q7がオン、調整用スイッチ素子Q5,Q8がオフであって、正方向の一次側電流I1が流れている状態(以下、「第1放電モード」という)を表している。図6Cは、電力補正回路22の状態として、調整用スイッチ素子Q5,Q8がオン、調整用スイッチ素子Q6,Q7がオフであって、正方向の一次側電流I1が流れている状態(以下、「第2充電モード」という)を表している。図6Dは、電力補正回路22の状態として、調整用スイッチ素子Q5,Q8がオン、調整用スイッチ素子Q6,Q7がオフであって、負方向の一次側電流I1が流れている状態(以下、「第2放電モード」という)を表している。図6Aに示す第1充電モード、および図6Cに示す第2充電モードにおいて、調整用コンデンサC1は充電される。一方、図6Bに示す第1放電モード、および図6Dに示す第2放電モードで、調整用コンデンサC1は放電される。
つまり、駆動位相差θが電力制御開始角に等しい場合、第1充電モードの期間と第1放電モードの期間との各時間長が等しくなる。また、駆動位相差θが電力制御開始角に等しい場合、第2充電モードの期間と第2放電モードの期間との各時間長が等しくなる。したがって、この場合、コンデンサC1には、電荷が蓄積されない。
次に、図7および図8を参照して、駆動位相差θと、調整用コンデンサC1の充電および放電のバランスとの関係について説明する。図7および図8ではいずれも、横軸を時間軸として、上から順に第1駆動信号「G1,G4」、一次側電流「I1」、2種類の第2駆動信号「G6,G7」の波形を表している。ここでいう2種類の第2駆動信号は互いに駆動位相差θが異なっている。なお、図7および図8中の「オン」、「オフ」は、対応するスイッチ素子(変換用スイッチ素子、調整用スイッチ素子)のオン、オフを表している。
図7は、「初期遅相」の場合におけるVI位相差φが90度である場合を例示している。このとき、取得部231は、上述に数式2を用いて、電力制御開始角(360度(=90+270))を取得(算出)する。
図7では、2種類の第2駆動信号「G6,G7」の波形として、上から順に駆動位相差θが電力制御開始角(360度)のときの波形、駆動位相差θが320度のときの波形を表している。さらに、図7では、駆動位相差θが360度(電力制御開始角)の場合について、第1充電モードの期間を「Tca1」、第1放電モードの期間を「Tda1」、第2充電モードの期間を「Tca2」、第2放電モードの期間を「Tda2」で表している。同様に、駆動位相差θが320度の場合について、第1充電モードの期間を「Tcb1」、第1放電モードの期間を「Tdb1」、第2充電モードの期間を「Tcb2」、第2放電モードの期間を「Tdb2」で表している。
図7から明らかなように、電力制御開始角が360度であれば、第2駆動信号の1周期において、調整用コンデンサC1が充電される時間と、調整用コンデンサC1が放電される時間とは等しい(均衡する)。以下、第2駆動信号の1周期において、調整用コンデンサC1が充電される時間を充電時間という。また、第2駆動信号の1周期において、調整用コンデンサC1が放電される時間を放電時間という。例えば、駆動位相差θが360度であれば、「Tca1」および「Tca2」の合計と、「Tda1」および「Tda2」の合計とは、同じ長さになる。なお、第2駆動信号の1周期において、調整用コンデンサC1の充電時間と調整用コンデンサC1の放電時間とが等しい状態とは、充電時間および放電時間の各時間長の差が所定値以下に収まっている均衡状態に相当する。
一方、駆動位相差θが320度であれば、第2駆動信号の1周期において、充電時間が放電時間を上回る。つまり、駆動位相差θが320度であれば、「Tcb1」および「Tcb2」の合計は、「Tdb1」および「Tdb2」の合計よりも、長くなる。
上記より、駆動位相差θを360度から270度に近づくように徐々に変化させると、第2駆動信号の1周期において、充電時間と放電時間との均衡が破れ、徐々に、充電時間の占める割合が大きくなる。図7では、説明の便宜上、VI位相差φの変化についての表記は省略するが、実際には、駆動位相差θが変化すると、駆動位相差θの変化に伴ってVI位相差φも初期値(ここでは90度)から変化する。すなわち、充電時間が放電時間を上回ると、調整用コンデンサC1に電流が流れ込み、この電流の位相が調整用コンデンサC1の両端電圧の位相に対して90度進むことになる。つまり、調整用コンデンサC1が進相コンデンサとして機能する。そして、調整用コンデンサC1に流れ込む電流によってVI位相差φが小さくなり、出力電力が増加する。つまり、駆動位相差θを電力制御開始角より小さくした場合、駆動位相差θの変化と同じ角度だけVI位相差φを小さくできる(調整用コンデンサC1の電圧と電流との位相差を90度に維持するように作用するため)。結果的に、駆動位相差θが電力制御開始角から270度に近づくにつれて、非接触給電装置2の出力電力が、徐々に大きくなる。
このとき、駆動位相差θを電力制御開始角から小さくすれば、充電時間と放電時間との均衡が維持されるように、VI位相差φが小さくなる。つまり、駆動位相差θが電力制御開始角以下の領域でも、充電時間と放電時間とは均衡している。例えば、充電時間が放電時間を上回る関係が維持されるとすれば、調整用コンデンサC1に電荷が充電され続ける状態になり、調整用コンデンサC1の電圧が無限大に発散してしまう。しかしながら、実際には、VI位相差φが小さくなると、充電時間と放電時間とが再び均衡して、調整用コンデンサC1の電圧は発散しない。
また、図8は、「初期遅相」の場合におけるVI位相差φが45度である場合を例示している。このとき、取得部231は、数式1“電力制御開始角=VI位相差φ+270度”を用いて、電力制御開始角(315度(=45+270))を取得(算出)する。
図8では、2種類の第2駆動信号「G6,G7」の波形として、上から順に駆動位相差θが電力制御開始角(315度)のときの波形、駆動位相差θが290度のときの波形を表している。さらに、図8では、駆動位相差θが315度(電力制御開始角)の場合について、第1充電モードの期間を「Tca1」、第1放電モードの期間を「Tda1」、第2充電モードの期間を「Tca2」、第2放電モードの期間を「Tda2」で表している。同様に、駆動位相差θが290度の場合について、第1充電モードの期間を「Tcb1」、第1放電モードの期間を「Tdb1」、第2充電モードの期間を「Tcb2」、第2放電モードの期間を「Tdb2」で表している。
VI位相差φが45度であれば、図8から明らかなように、駆動位相差θが315度であっても、第2駆動信号の1周期において、充電時間と放電時間とは等しくなる(均衡する)。つまり、駆動位相差θが315度であっても、「Tca1」および「Tca2」の合計と、「Tda1」および「Tda2」の合計とは、同じ長さになる。一方、駆動位相差θが290度であれば、第2駆動信号の1周期において、充電時間が放電時間を上回る。つまり、駆動位相差θが290度であれば、「Tcb1」および「Tcb2」の合計は、「Tdb1」および「Tdb2」の合計よりも、長くなる。
上記より、VI位相差φが90度の場合に限らず、「初期遅相」の場合には、駆動位相差θが電力開始角から270度に近づくように変化すると、第2駆動信号の1周期において、充電時間と放電時間との均衡が破れ、徐々に、充電時間の占める割合が大きくなる。しかし、上述のように、充電時間と放電時間との均衡を担保するべく、VI位相差φが小さくなり、充電時間と放電時間とが再び均衡する。
ここで、駆動位相差θを360度から徐々に小さくした場合に、充電時間と放電時間との均衡が破れて調整用コンデンサC1の両端電圧が上昇し始める変曲点に相当する駆動位相差θ(電力制御開始点)は、VI位相差φによって異なる。変化開始点は、VI位相差φが90度のときよりも45度のときの方が、つまりVI位相差φが小さいほど、270度に近づく向きにシフトする。
すなわち、「初期遅相」の場合、VI位相差φによる違いはあるとしても、規定範囲(例えば270度〜360度)内に電力制御開始点が存在する。そのため、制御回路23が、規定範囲の上限値(360度)から下限値(270度)にかけて駆動位相差θを徐々に小さくすれば、駆動位相差θが電力制御開始点に達した以降は、非接触給電装置2の出力電力は徐々に大きくなる。しかしながら、駆動位相差θが規定範囲の上限値(360度)から電力制御開始角に達するまでは、非接触給電装置2の出力電力は変化しないので、制御回路23は、この期間においては、出力電力の大きさを調整することができない。
そこで、本実施形態では、取得部231は、上記数式2を用いて調整用コンデンサC1の両端電圧が上昇し始める駆動位相差θを電力制御開始角として取得(算出)する。制御部232は、取得された電力制御開始点を初期値として、電力制御開始点から規定範囲の下限値へと徐々に変化させることで、出力電力の大きさを調整する。これにより、制御部232は、規定範囲(270度〜360度)の上限値から徐々に変化させる場合よりも、すばやく出力電力の大きさを調整することができる。
(3)出力電力制御の流れ
以下、本実施形態の「出力電力制御」の流れについて、制御回路23の処理を表す図9のフローチャートを参照して説明する。なお、ここでは、制御回路23が行う周波数制御および位相差制御のうち位相差制御の処理について説明する。
制御回路23が駆動位相差θを360度として電力補正回路22を始動させると、制御回路23の取得部231は、VI位相差φを取得する(ステップS1)。取得部231は、VI位相差φを用いて電力制御開始角を取得する(ステップS2)。具体的には、取得部231は、VI位相差φに値“270”を加算して、加算結果を電力制御開始角とする。
制御回路23は、取得された電力制御開始角を初期値として駆動位相差θに設定する(ステップS3)。
制御回路23は、駆動位相差θでの出力電力の大きさと所定の目標値とを比較する(ステップS4)。出力電力が目標値の許容誤差範囲(±数%)内にあれば(ステップS4における「定格」)、駆動位相差θとその時点での値に固定する(ステップS5)。制御回路23は、ステップS5を実行後、処理を終了する。これにより、一次側コイルL1から出力される電力は、目標と同等となる。
一方、出力電力が目標値の許容誤差範囲の下限を下回っていれば(ステップS4における「不足」)、制御回路23は、駆動位相差θと規定範囲の下限値(ここでは、270度)とを比較する(ステップS6)。駆動位相差θが下限値以上であれば(ステップS6における「No」)、制御回路23は駆動位相差θをデクリメント(θ−1)して(ステップS7)、ステップS4の処理に戻る。これらの処理(ステップS6,S7)を繰り返すことで、制御回路23は、駆動位相差θを徐々に小さくして、出力電力を徐々に大きくすることができる。つまり、制御回路23は、出力電力の大きさを所定の目標値に近づけることができる。
位相差制御において駆動位相差θが下限値未満になると(ステップS6における「Yes」)、制御回路23は、エラーと判断して(ステップS8)、処理を終了する。
また、出力電力が目標値の許容誤差範囲の上限を上回っていれば(ステップS4における「超過」)、制御回路23は、コンデンサC1の電圧値が“0”であるか否かを判断する(ステップS9)。コンデンサC1の電圧値が“0”より大きければ(ステップS9における「No」)、制御回路23は駆動位相差θをインクリメント(θ+1)して(ステップS10)、ステップS4の処理に戻る。これらの処理(ステップS9,S10)を繰り返すことにより、制御回路23は、駆動位相差θを徐々に大きくして、出力電力を徐々に小さく、つまり所定の目標値に近づけることができる。
コンデンサC1の電圧値が“0”になると(ステップS9における「Yes」)、制御回路23は、電力制御開始角まで駆動位相差θを増加させたと判断し、ステップS8に移行する。制御回路23は、ステップS8の処理を実行した後、電力補正回路22による処理(出力電力の大きさを調整する処理)を抑止する。つまり、出力電力は、規定範囲の下限値から電力制御開始角までの範囲で変化する。駆動位相差θを徐々に大きくして電力制御開始角に達すると、それ以降駆動位相差θを大きくしても出力電力は変化しない。そこで、駆動位相差θを徐々に大きくして電力制御開始角に達した場合であって、出力電力の大きさが所定の目標値に達していない場合には、制御回路23は、エラーとして判断する。これにより、制御回路23は、出力電力が変化することがない区間(電力制御開始角〜規定範囲の上限値の区間)における位相差制御を省略することができる。このとき、制御回路23は、電力補正回路22を停止状態、つまり電力補正回路22の全ての調整用スイッチ素子Q5〜Q8をオンにする。
<起動処理>
本実施形態の非接触給電装置2は、インバータ回路21が動作を開始する起動時において、以下に説明するようにインバータ回路21をソフトスタートさせる。
制御回路23は、インバータ回路21の起動時、変換用スイッチ素子Q1〜Q4を制御するための第1駆動信号G1〜G4のデューティ比を、0(ゼロ)から所定値(例えば0.5)まで徐々に上げることで、インバータ回路21のソフトスタートを実現する。これにより、非接触給電装置2に入力される電圧や電流の急変が抑制され、回路素子に加わるストレスを低減できる。以下では、このように制御回路23が第1駆動信号G1〜G4のデューティ比を変化させてインバータ回路21をソフトスタートさせる処理を、「起動処理」という。
本実施形態の非接触給電装置2は、制御回路23が起動処理を行っている間、電力補正回路22に関しては全ての調整用スイッチ素子Q5〜Q8をオンに固定し、電力補正回路22の機能を無効にする。これにより、非接触給電装置2は、「(1)電力補正回路なし」(上記「基本動作」の欄参照)と等価の状態となる。
制御回路23は、インバータ回路21の起動処理が終了すると、つまり第1駆動信号G1〜G4のデューティ比が所定値(例えば0.5)に達すると、周波数制御にて出力電力の調整を開始する。このとき、制御回路23は、電力補正回路22の調整用スイッチ素子Q5〜Q8をオン状態に維持する。
そして、制御回路23は、周波数制御にて調整後の出力電力の大きさが所定の目標値未満である場合に、電力補正回路22の動作を開始させる。具体的には、制御回路23は、第2駆動信号G5〜G8にて調整用スイッチ素子Q5〜Q8のスイッチング制御を開始する。これにより、非接触給電装置2は、「(2)電力補正回路あり」(上記「基本動作」の欄参照)と等価の状態となる。このとき、制御回路23は、駆動位相差θを360(度)に一旦設定して電力補正回路22を始動させることが好ましい。その後、制御回路23は、取得部231で取得した電力制御開始角を初期値とし、駆動位相差θを電力制御開始角から徐々に小さくして、出力電力の大きさを調整する。
この構成によれば、周波数制御のみで出力電力の大きさが目標値に達する場合には、制御回路23は、電力補正回路22を始動させないので、電力補正回路22による効率(電力変換効率)の低下を避けることができる。
ところで、制御回路23は、周波数制御にて出力電力の調整する前に、電力補正回路22の動作を開始させて位相差制御にて出力電力の調整を行うように構成されていてもよい。すなわち、制御回路23は、周波数制御を行う前に、位相差制御にて出力電力の調整を行い、位相差制御にて調整後の出力電力の大きさが所定の目標値未満である場合に、周波数制御を行ってもよい。
<サーチモード>
本実施形態においては、制御回路23は、上述したような出力電力制御を行う通常モード(起動処理を含む)の他に、一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数を推定するサーチモードを有している。制御回路23は、上記起動処理、周波数制御および位相差制御を行う前に、つまり通常モードで動作する前にサーチモードによる処理を実行して一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数を推定する。
制御回路23は、結合係数から、上記「基本動作」の「(1)電力補正回路あり」の欄で説明したような共振特性(つまりインバータ回路21の動作周波数と、非接触給電装置2の出力電力との関係)をさらに推定することができる。その結果、制御回路23では、例えばインバータ回路21の動作周波数f1について、インバータ回路21が遅相モードで動作する(つまり進相モードにならない)周波数範囲を推定できる。これにより、制御回路23は、通常モードでの動作を開始する際の動作周波数f1の初期値を、インバータ回路21が遅相モードで動作する周波数範囲内に設定することができる。なお、この場合、上述した周波数制御における動作周波数f1の下限値は、インバータ回路21が遅相モードで動作する周波数範囲の下限値と、許可周波数帯F1の下限値fminとの大きい方とされる。
<変形例>
本実施形態において、一次側コイルL1および二次側コイルL2は、コアに対して導線が螺旋状に巻き付けられたソレノイド型のコイルであってもよい。
また、電力補正回路22は、本実施形態のように4つの調整用スイッチ素子Q5〜Q8を用いた構成に限定されない。出力電力の大きさを調整する回路は、図1に示す電力補正回路22と等価な機能を有する回路であればよい。
また、非接触給電装置2から非接触で出力電力が供給される(つまり給電される)負荷は、電動車両に限らず、例えば携帯電話機やスマートフォンなどの蓄電池を備えた電気機器、あるいは蓄電池を備えない照明器具などの電気機器であってもよい。
また、非接触給電装置2から非接触受電装置3への出力電力の伝送方式は、上述した磁界共鳴方式に限らず、例えば電磁誘導方式、マイクロ波伝送方式などであってもよい。
また、各変換用スイッチ素子Q1〜Q4や各調整用スイッチ素子Q5〜Q8は、バイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の他の半導体スイッチング素子で構成されていてもよい。
また、各ダイオードD1〜D4は、各変換用スイッチ素子Q1〜Q4の寄生ダイオードに限らず、各変換用スイッチ素子Q1〜Q4に外付けされていてもよい。同様に、各ダイオードD5〜D8は、各調整用スイッチ素子Q5〜Q8の寄生ダイオードに限らず、各調整用スイッチ素子Q5〜Q8に外付けされていてもよい。
また、計測部24は、制御回路23と別に設けられる構成に限らず、制御回路23と一体に設けられていてもよい。さらに、計測部24は一次側コイルL1に流れる電流の大きさを計測できればよいので、電流センサ25は、一次側コイルL1と第2の一次側コンデンサC12との間に限らず、一次側コイルL1に流れる電流の経路上にあればよい。
また、制御回路23の制御部232は、周波数制御を行うことは必須ではなく、位相差制御のみで出力電力の大きさを調整するように構成されていてもよい。
また、1つの制御回路23に取得部231と制御部232とが設けられていることは必須ではなく、例えば取得部231は制御部232とは別に設けられていてもよい。
また、インバータ回路21は、直流電圧を交流電圧に変換して出力可能な電圧形インバータであればよく、4つの変換用スイッチ素子Q1〜Q4がフルブリッジ接続されたフルブリッジインバータ回路に限らない。インバータ回路21は、例えばハーフブリッジインバータ回路であってもよい。
また、非接触給電装置2において、電力補正回路22は、出力点213,214の少なくとも一方と一次側コイルL1との間に電気的に接続されていればよく、出力点213と一次側コイルL1との間に代えて、出力点214と一次側コイルL1との間に電気的に接続されてもよい。
また、非接触給電装置2は、周波数制御を行う場合には電力補正回路22は無効状態としたが、駆動位相差θを初期値として360度に設定して電力補正回路22を動作させてもよい。このとき、第1駆動信号G1,G4と第2駆動信号G6,G7とが同期して同様に変化し、第1駆動信号G2,G3と第2駆動信号G5,G8とが同期して同様に変化する。そのため、電力補正回路22は動作しても、調整用コンデンサC1には電荷は蓄積されない。
<まとめ>
以上説明したように、本発明に係る第1の態様の非接触給電装置2は、インバータ回路21と、給電側コイルL1と、電力補正回路22と、制御回路23とを備える。インバータ回路21は、一対の入力点211,212と一対の出力点213,214との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を有している。インバータ回路21は、複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングにより、一対の入力点211,212に印加される直流電圧を交流電圧に変換して一対の出力点213,214から出力する。給電側コイルL1は、一対の出力点213,214間に電気的に接続され、交流電圧が印加されることにより受電側コイルL2に非接触で出力電力を供給する。電力補正回路22は、一対の出力点213,214のうち少なくとも一方と給電側コイルL1との間に電気的に接続され、調整用コンデンサC1および複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を有している。電力補正回路22は、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のスイッチングにより、調整用コンデンサC1の充放電を行う。制御回路23は、第1駆動信号G1〜G4にて複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を制御し、第2駆動信号G5〜G8にて複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を制御する。インバータ回路21は、電圧位相に対して電流位相が遅れ位相になる遅相モードで動作している。制御回路23は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである第1位相差(駆動位相差θ)を調整することにより、出力電力の大きさを調整するように構成されている。制御回路23は、第2位相差(VI位相差φ)を用いて、第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の1周期において調整用コンデンサC1が充電される時間と調整用コンデンサC1が放電される時間とが等しくなる第1位相差を電力制御開始角として取得する。制御回路23は、電力制御開始角以下で第1位相差を調整することにより、出力電力の大きさを調整する。第2位相差は、インバータ回路21の出力電圧に対する給電側コイルL1に流れる電流の位相の遅れである。
この構成によると、非接触給電装置2は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである位相差を調整することにより、出力電力の大きさを調整することができる。したがって、一次側コイルL1と二次側コイルL2との相対的な位置関係が変化して、一次側コイルL1と二次側コイルL2との間の結合係数が変化したとしても、非接触給電装置2は、位相差の調整により必要な電力を確保しやすくなる。しかも、非接触給電装置2は、第2位相差を用いて調整用コンデンサC1に電荷が溜まり始める角度である電力制御開始角を取得している。非接触給電装置2は、駆動位相差θを、所定値(例えば規定範囲の下限値)から電力制御開始角までの範囲内で調整するので、必要な電力を短時間で確保しやすくなる。
また、本発明に係る第2の態様の非接触給電装置2では、第1の態様において、制御回路23は、電力制御開始角を初期値として、第1位相差を徐々に小さくして、出力電力を大きくする。この構成によると、第1位相差を徐々に小さくすることで出力電力を増加させることができる。
また、本発明に係る第3の態様の非接触給電装置2では、第1又は2の態様において、制御回路23は、第2位相差を所定値に加算して、電力制御開始角を取得する。この構成によると、非接触給電装置2は、第2位相差(VI位相差φ)に所定値を加算することで、電力制御開始角を取得することができる。
また、本発明に係る第4の態様の非接触給電装置2では、第3の態様において、所定値は、270度である。この構成によると、非接触給電装置2は、出力電力の大きさを調整する範囲を、規定範囲(270度〜360度)から絞り込むことができる。
また、本発明に係る第5の態様の非接触給電装置2では、第1〜第4のいずれかの態様において、制御回路23は、出力電力の大きさが減少している場合に調整用コンデンサC1の電圧が0になると、電力補正回路22を停止状態にする。出力電力の大きさが減少している場合には、非接触給電装置2は、駆動位相差θを調整することで、調整用コンデンサC1について放電期間を徐々に長くしている。調整用コンデンサC1の電圧値が0となると、充電期間と放電期間とは同一、つまり駆動位相差θが電力制御開始角となる。そして、非接触給電装置2は、電力補正回路22による出力電力の大きさの調整を抑止することで、出力電力が変化することがない区間における制御を省略することができる。
また、本発明に係る第6の態様の非接触給電装置2では、第1〜第5のいずれかの態様において、電力補正回路22は、一対の出力点213,214のうち一方と給電側コイルL1との間に電気的に接続されている。この構成によると、非接触給電装置2は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである位相差を調整することにより、出力電力の大きさを調整することができる。
また、本発明に係る第7の態様の非接触電力伝送システム1は、第1〜第6のいずれかの態様の非接触給電装置2と、受電側コイルL2を有する非接触受電装置3とを備える。非接触受電装置3は、非接触給電装置2から非接触で出力電力が受電側コイルL2に供給されるように構成されている。この構成によると、非接触電力伝送システム1では、非接触給電装置2は、給電側コイルと受電側コイルとの相対的な位置関係が変化しても、必要な電力を短時間で確保しやすくなる。
本発明に係る第8の態様のプログラムは、非接触給電装置2に用いられるコンピュータを、制御部232、取得部231として機能させる。非接触給電装置2は、インバータ回路21と、給電側コイルL1と、電力補正回路22とを備える。インバータ回路21は、一対の入力点211,212と一対の出力点213,214との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を有している。インバータ回路21は、複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングにより、一対の入力点211,212に印加される直流電圧を交流電圧に変換して一対の出力点213,214から出力する。給電側コイルL1は、一対の出力点213,214間に電気的に接続され、交流電圧が印加されることにより受電側コイルL2に非接触で出力電力を供給する。電力補正回路22は、一対の出力点213,214と給電側コイルL1との間に電気的に接続され、調整用コンデンサC1および複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を有している。電力補正回路22は、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のスイッチングにより、調整用コンデンサC1の充放電を行う。インバータ回路21は、電圧位相に対して電流位相が遅れ位相になる遅相モードで動作する。制御部232は、第1駆動信号G1〜G4にて複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を制御し、第2駆動信号G5〜G8にて複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を制御する。制御部232は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである第1位相差(駆動位相差θ)を調整することにより、出力電力の大きさを調整する。取得部231は、第2位相差(VI位相差φ)を用いて、第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の1周期において調整用コンデンサC1が充電される時間と調整用コンデンサC1が放電される時間とが等しくなる第1位相差を電力制御開始角として取得する。制御部は、電力制御開始角以下の範囲で第1位相差を調整することにより、出力電力の大きさを調整する。第2位相差は、インバータ回路21の出力電圧に対する給電側コイルL1に流れる電流の位相の遅れである。
このプログラムによると、専用の制御回路23を用いなくても本実施形態の非接触給電装置2と同等の機能を実現でき、給電側コイルと受電側コイルとの相対的な位置関係が変化しても、必要な電力を短時間で確保しやすい、という利点がある。
本発明に係る第9の態様の非接触給電装置の制御方法は、制御処理と、取得処理とを含む。非接触給電装置2は、インバータ回路21と、給電側コイルL1と、電力補正回路22とを備える。インバータ回路21は、一対の入力点211,212と一対の出力点213,214との間に電気的に接続された複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を有している。インバータ回路21は、複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングにより、一対の入力点211,212に印加される直流電圧を交流電圧に変換して一対の出力点213,214から出力する。給電側コイルL1は、一対の出力点213,214間に電気的に接続され、交流電圧が印加されることにより受電側コイルL2に非接触で出力電力を供給する。電力補正回路22は、一対の出力点213,214と給電側コイルL1との間に電気的に接続され、調整用コンデンサC1および複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を有している。電力補正回路22は、複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8のスイッチングにより、調整用コンデンサC1の充放電を行う。インバータ回路21は電圧位相に対して電流位相が遅れ位相になる遅相モードで動作する。制御処理は、第1駆動信号G1〜G4にて複数の変換用スイッチ素子Q1〜Q4を制御し、第2駆動信号G5〜G8にて複数の調整用スイッチ素子Q5〜Q8を制御する。制御処理は、第1駆動信号G1,G4(G2,G3)に対する第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の位相の遅れである第1位相差(駆動位相差θ)を調整することにより、出力電力の大きさを調整する。取得処理は、第2位相差(VI位相差φ)を用いて、第2駆動信号G6,G7(G5,G8)の1周期において調整用コンデンサC1が充電される時間と調整用コンデンサC1が放電される時間とが等しくなる第1位相差を電力制御開始角として取得する。制御処理は、電力制御開始角以下の範囲で第1位相差を調整することにより、出力電力の大きさを調整する。第2位相差は、インバータ回路21の出力電圧に対する給電側コイルL1に流れる電流の位相の遅れである。
この制御方法によると、専用の制御回路23を用いなくても本実施形態の非接触給電装置2と同等の機能を実現できる。