(57)【要約】【課題】機器を大型化させずに、特定周波数成分の漏洩磁界を低減することができるワイヤレス電力伝送システムを提供する。【解決手段】ワイヤレス電力伝送システム１は、インバータ回路１２と、送電側共振回路１３と、送電側共振回路と磁気的に結合されて、送電側共振回路から交流電力を受け取る受電側共振回路１４と、整流回路１５と、インバータ回路を制御する送電制御部２１と、を備え、送電制御部は、送電側共振回路および受電側共振回路の共振周波数に基づく周波数設定範囲において時間に応じて変化する任意の周波数を設定できる任意周波数生成器と、インバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のそれぞれをオンまたはオフにする制御信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、ゲート信号生成器は、送電側共振回路を流れる送電電流の周波数が、任意周波数生成器によって設定された周波数となるように制御信号を生成する。【選択図】図１
2019161906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路から交流電力が供給される送電側共振回路と、
前記送電側共振回路と磁気的に結合されて、前記送電側共振回路から交流電力を受け取る受電側共振回路と、
前記受電側共振回路からの交流電力を整流する整流回路と、
前記インバータ回路を制御する送電制御部と、を備え、
前記インバータ回路は、直列に接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、直列に接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子と、を備え、
前記送電制御部は、前記送電側共振回路および前記受電側共振回路の共振周波数に基づく周波数設定範囲において任意の周波数を設定できる任意周波数生成器と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子のそれぞれをオンまたはオフにする制御信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、
前記任意周波数生成器は、時間に応じて変化する周波数を設定し、
前記ゲート信号生成器は、前記送電側共振回路を流れる送電電流の周波数が、前記任意周波数生成器によって設定された周波数となるように前記制御信号を生成する、ワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ケーブルを用いずに電力を給電できるワイヤレス電力伝送システムが注目されている。
【０００３】
例えば磁界の共振を用いた方式（磁界共振結合方式）は、数ｍ程度の距離であれば離れたところから給電ができる。磁界共振結合方式の電力伝送装置は、例えば電気自動車の充電等に適用可能である。
【０００４】
磁界を利用する電力伝送では、送電側コイルに流した電流により発生させた磁界を介して、送電側コイルから受電側コイルに電力が伝送される。電力伝送時に、送電側コイルで発生した磁界の一部は、受電側コイルに伝わらず漏洩磁界となる。送電側コイルに流す電流の周波数は一般に固定されている。そのため、送電側コイルから発生した漏洩磁界は特定周波数成分を有する。特定周波数成分の漏洩磁界は、例えばラジオなどの雑音の原因になるおそれがあった。
【０００５】
例えば特許文献１の技術は、送電側コイルおよび受電側コイルの少なくとも一方の外側にシールド構造を用いる。特許文献１の技術は、シールド構造によって、外部に対する漏洩磁界を低減する。
【０００６】
また、例えば特許文献２の技術は、送電側コイルおよび受電側コイルを複数用意し、それぞれの送電側コイルに流す電流の位相をずらす。このような構成により、特許文献２の技術では、漏洩磁界が打ち消し合う。そのため、特許文献２の技術は、全体としての漏洩磁界を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０７４０９１号
【特許文献２】特開２０１６−００５３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の技術は、コイルの外側にシールドを設けるためシステムで用いる機器が大型化する。また、特許文献２の技術も、送電側コイルおよび受電側コイルを複数用意する必要があるためシステムで用いる機器が大型化する。
【０００９】
このような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、機器を大型化させずに、特定周波数成分の漏洩磁界を低減することができるワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムは、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路から交流電力が供給される送電側共振回路と、前記送電側共振回路と磁気的に結合されて、前記送電側共振回路から交流電力を受け取る受電側共振回路と、前記受電側共振回路からの交流電力を整流する整流回路と、前記インバータ回路を制御する送電制御部と、を備え、前記インバータ回路は、直列に接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、直列に接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子と、を備え、前記送電制御部は、前記送電側共振回路および前記受電側共振回路の共振周波数に基づく周波数設定範囲において任意の周波数を設定できる任意周波数生成器と、前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子のそれぞれをオンまたはオフにする制御信号を生成するゲート信号生成器と、を備え、前記任意周波数生成器は、時間に応じて変化する周波数を設定し、前記ゲート信号生成器は、前記送電側共振回路を流れる送電電流の周波数が、前記任意周波数生成器によって設定された周波数となるように前記制御信号を生成する。
【発明の効果】
【００１１】
本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムによれば、機器を大型化させずに、特定周波数成分の漏洩磁界を低減することができるワイヤレス電力伝送システムを提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ワイヤレス電力伝送システムの構成を例示する図である。
【図２】送電制御部の構成を例示する図である。
【図３】送電電流の周波数の時間変化を例示する図である。
【図４】送電電流の周波数の分布を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（全体構成）
図１は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１の構成図である。
【００１４】
ワイヤレス電力伝送システム１は、インバータ回路１２と、送電側共振回路１３と、受電側共振回路１４と、整流回路１５と、送電制御部２１と、を備える。ワイヤレス電力伝送システム１は、整流回路１５で整流された電圧を平滑コンデンサ１６によって平滑した直流電圧を、負荷１７に供給する。負荷１７は、例えば二次電池であるが、特に限定されるものではない。例えば負荷１７が二次電池である場合に、ワイヤレス電力伝送システム１は、ワイヤ（有線）を使わずに二次電池を充電することができる。
【００１５】
インバータ回路１２は、直流電力を交流電力に変換する電力変換器である。本実施形態において、インバータ回路１２は直流電源１１からの電力を受け取る。ここで、直流電源１１は例えば直流電圧源である。また、インバータ回路１２は例えばＰＷＭインバータである。インバータ回路１２は複数のスイッチを備える。本実施形態において、インバータ回路１２は、直列に接続された第１のスイッチング素子１２１および第２のスイッチング素子１２２と、直列に接続された第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４と、を備える。第１のスイッチング素子１２１および第２のスイッチング素子１２２はインバータ回路１２のＵ相アームを構成する。また、第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４はＶ相アームを構成する。第１のスイッチング素子１２１、第２のスイッチング素子１２２、第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよいが、これに限定されるものではない。後述するように、第１のスイッチング素子１２１、第２のスイッチング素子１２２、第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４のそれぞれは、送電制御部２１からの制御信号によってオンまたはオフにされる。
【００１６】
送電側共振回路１３は、インバータ回路１２から交流電力が供給される。本実施形態において、送電側共振回路１３は、送電側コイル１３２と、コンデンサ１３１と、を直列に接続した構成である。
【００１７】
受電側共振回路１４は、送電側共振回路１３と磁気的に結合されて、ワイヤレスで送電側共振回路１３から交流電力を受け取る。本実施形態において、受電側共振回路１４は、受電側コイル１４２と、コンデンサ１４１と、を直列に接続した構成である。つまり、受電側共振回路１４は、送電側共振回路１３と同じ構成である。
【００１８】
整流回路１５は、受電側共振回路１４からの交流電力を整流する。整流回路１５は、ダイオード１５１〜ダイオード１５４を備えて構成される。ダイオード１５１とダイオード１５２とが直列に接続される。また、ダイオード１５３とダイオード１５４とが直列に接続される。ダイオード１５１とダイオード１５２との接続点（中間点）にコンデンサ１４１の一端（受電側コイル１４２と接続されている側と反対側）が接続される。また、ダイオード１５３とダイオード１５４との接続点（中間点）に受電側コイル１４２の一端（コンデンサ１４１と接続されている側と反対側）が接続される。
【００１９】
平滑コンデンサ１６は、整流回路１５で整流された電圧を平滑して直流電圧を出力する。
【００２０】
送電制御部２１はインバータ回路１２を制御する。送電制御部２１は、第１の制御信号Ｇｕｐによって第１のスイッチング素子１２１のオンまたはオフを制御する。また、送電制御部２１は、第２の制御信号Ｇｕｎによって第２のスイッチング素子１２２のオンまたはオフを制御する。また、送電制御部２１は、第３の制御信号Ｇｖｐによって第３のスイッチング素子１２３のオンまたはオフを制御する。また、送電制御部２１は、第４の制御信号Ｇｖｎによって第４のスイッチング素子１２４のオンまたはオフを制御する。
【００２１】
本実施形態において、第１の制御信号Ｇｕｐと第２の制御信号Ｇｕｎとは、互いに反転した（位相が１８０°ずれた）信号である。また、本実施形態において、第３の制御信号Ｇｖｐと第４の制御信号Ｇｖｎとは、互いに反転した（位相が１８０°ずれた）信号である。第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎは同じ周波数ｆを有する。第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎは例えばデューティ比５０％の矩形波である。さらに、本実施形態において、第３の制御信号Ｇｖｐは、第１の制御信号Ｇｕｐを反転した（位相が１８０°ずれた）信号である。ここで、別の例として、上記の１８０°の位相のずれの少なくとも一部は１８０°でなくてもよい。
【００２２】
また、送電制御部２１は、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらの任意の組み合わせを含んでもよい。
【００２３】
図２は送電制御部２１の構成を例示する図である。本実施形態において、送電制御部２１は、任意周波数生成器２１１と、ゲート信号生成器２１２と、を備える。
【００２４】
任意周波数生成器２１１は、共振周波数ｆｒを受け取り、周波数ｆを出力する。共振周波数ｆｒは送電側共振回路１３および受電側共振回路１４の共振周波数である。任意周波数生成器２１１は、共振周波数ｆｒに基づく周波数設定範囲において任意の周波数を設定できる。ここで、共振周波数ｆｒは、例えば送電側共振回路１３および受電側共振回路１４の構成が定められたときに算出されて、任意周波数生成器２１１からアクセス可能な記憶部（例えば不揮発性メモリ等）に記憶されてもよい。
【００２５】
任意周波数生成器２１１は、共振周波数ｆｒに基づき、送電側共振回路１３に印加される電圧（図１のＶｒ）の周波数ｆを設定（生成）する。周波数ｆは所定の周波数設定範囲内で時間に応じて変化する（時間的に変化する）。例えば、周波数ｆは１ミリ秒等の制御周期毎に変化してもよいし、周波数fの周期毎に変化してもよい。また、本実施形態において、周波数設定範囲は共振周波数ｆｒを中心とする。一例として、周波数設定範囲は共振周波数ｆｒの−３％〜＋３％の範囲で設定されてもよい。ここで、周波数設定範囲は、ワイヤレス電力伝送システム１において実用的な伝送効率でワイヤレス電力伝送ができることを条件に実験またはシミュレーションのデータに基づいて決定されてもよい。
【００２６】
ゲート信号生成器２１２は、周波数ｆを受け取り、上記の第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎを出力する。ゲート信号生成器２１２は、送電側共振回路１３を流れる送電電流Ｉｒの周波数が任意周波数生成器２１１によって設定された周波数ｆとなるように、第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎを生成する。
【００２７】
図３は、送電電流Ｉｒの周波数ｆの時間変化を例示する図である。図３に示すように、任意周波数生成器２１１が出力する周波数ｆは、共振周波数ｆｒを中心に、時間が経過すると変化する。例えば、任意周波数生成器２１１は、例えば−１〜＋１の範囲での乱数を発生させて、共振周波数ｆｒからの最大の変化の大きさに発生させた乱数を乗じた値を、共振周波数ｆｒに加えることで周波数ｆを求めてもよい。ここで、周波数ｆは、変化しても周波数設定範囲を超えない。
【００２８】
そして、ゲート信号生成器２１２は、制御周期毎に変化する周波数ｆに応じた第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎを生成する。送電側共振回路１３に印加される電圧（図１のＶｒ）の周波数と送電側コイル１３２に流れる電流（送電電流Ｉｒ）の周波数は同一である。第１の制御信号Ｇｕｐ、第２の制御信号Ｇｕｎ、第３の制御信号Ｇｖｐおよび第４の制御信号Ｇｖｎによって、送電側共振回路１３を流れる送電電流Ｉｒの周波数は制御周期毎に変化する。このことにより、ワイヤレス電力伝送時に、特定周波数成分（例えば共振周波数ｆｒの基本波成分および高調波成分）が集中して生じることを回避して、特定周波数成分の漏洩磁界を低減させることができる。
【００２９】
図４は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１における送電電流Ｉｒの周波数の分布のシミュレーション例を示す図である。図４において、ワイヤレス電力伝送システム１における送電電流Ｉｒの周波数の分布は実線（実施例）で示されている。また、図４において、従来技術における周波数の分布は破線（従来）で示されている。従来技術において、送電電流Ｉｒの周波数は常に共振周波数ｆｒであるように設定されている。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１では、時間平均での周波数が従来よりも分散している。特に、共振周波数ｆｒの逓倍（１倍も含む）の周波数成分の集中は、従来に比べて大きく低減している。そのため、ワイヤレス電力伝送システム１では、漏洩磁界についても周波数が従来よりも分散する。
【００３１】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１２と、インバータ回路１２から交流電力が供給される送電側共振回路１３と、送電側共振回路１３と磁気的に結合されて、送電側共振回路１３から交流電力を受け取る受電側共振回路１４と、受電側共振回路１４からの交流電力を整流する整流回路１５と、インバータ回路１２を制御する送電制御部２１と、を備える。インバータ回路１２は、直列に接続された第１のスイッチング素子１２１および第２のスイッチング素子１２２と、直列に接続された第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４と、を備える。送電制御部２１は、送電側共振回路１３および受電側共振回路１４の共振周波数ｆｒに基づく周波数設定範囲において任意の周波数を設定できる任意周波数生成器２１１と、第１のスイッチング素子１２１、第２のスイッチング素子１２２、第３のスイッチング素子１２３および第４のスイッチング素子１２４のそれぞれをオンまたはオフにする制御信号を生成するゲート信号生成器２１２と、を備える。また、任意周波数生成器２１１は、時間に応じて変化する周波数を設定する。また、ゲート信号生成器２１２は、送電側共振回路１３を流れる送電電流Ｉｒの周波数が、任意周波数生成器２１１によって設定された周波数となるように制御信号を生成する。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１は、上記の構成によって、ワイヤレス電力伝送時に、特定周波数成分が集中して生じることを回避できる。そのため、ワイヤレス電力伝送システム１は、特定周波数成分の漏洩磁界を低減する。また、ワイヤレス電力伝送システム１は、例えばシールド構造を用いる必要がない。また、ワイヤレス電力伝送システム１は、例えば、送電側コイル１３２および受電側コイル１４２を複数用意する必要がない。よって、ワイヤレス電力伝送システム１は機器を大型化させることもない。つまり、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１によれば、機器を大型化させずに、特定周波数成分の漏洩磁界を低減することができる。
【００３２】
本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【符号の説明】
【００３３】
１                    ワイヤレス電力伝送システム
１１                    直流電源
１２                    インバータ回路
１３                    送電側共振回路
１４                    受電側共振回路
１５                    整流回路
１６                    平滑コンデンサ
１７                    負荷
２１                    送電制御部
１２１                    第１のスイッチング素子
１２２                    第２のスイッチング素子
１２３                    第３のスイッチング素子
１２４                    第４のスイッチング素子
１３１                    コンデンサ
１３２                    送電側コイル
１４１                    コンデンサ
１４２                    受電側コイル
１５１〜１５４            ダイオード
２１１                    任意周波数生成器
２１２                    ゲート信号生成器
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019161906.tif 000005
【図４】
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