(57)【要約】【課題】従来よりも安価な電力伝送装置を提供する。【解決手段】直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換部１２と、第１の電力変換部からの交流電力を伝送する第１の共振回路１３と、第１の共振回路から伝送された交流電力を受け取る第２の共振回路１４と、第２の共振回路からの交流電力を直流電力に変換する第２の電力変換部１５と、送電制御部２１と、受電制御部２２と、を備え、第１の共振回路の第１および第２のコンデンサ１３２ａ，１３２ｂは、第１の電力変換部の第１および第２のスイッチング素子１２１，１２２と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能し、第２の共振回路の第３および第４のコンデンサ１４２ａ，１４２ｂは、第２の電力変換部の第３および第４のスイッチング素子１５１，１５２と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能する。【選択図】図１
2019115221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を有し、直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換部と、
互いに一端が接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続された送電側コイルと、を有し、前記第１の電力変換部からの交流電力を伝送する第１の共振回路と、
互いに一端が接続された第３のコンデンサおよび第４のコンデンサと、前記第３のコンデンサと前記第４のコンデンサとの接続点に接続された受電側コイルと、を有し、前記第１の共振回路から伝送された交流電力を受け取る第２の共振回路と、
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を有し、前記第２の共振回路からの交流電力を直流電力に変換する第２の電力変換部と、
前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオンまたはオフを制御する送電制御部と、
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オンまたはオフを制御する受電制御部と、を備え、
前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能し、
前記第３のコンデンサおよび前記第４のコンデンサは、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と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能する、電力伝送装置。
【請求項２】
前記送電側コイルおよび前記受電側コイルに代えて変圧器を備える、請求項１に記載の電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ケーブルを用いずに電力を給電できる電力伝送装置が注目されている。
【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】
このような磁界を利用した電力伝送では、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を伝送する。
【０００５】
例えば、特許文献１は、送電側および受電側のインバータユニットをフルブリッジで構成した電力伝送装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１４０１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、送電側コイルに電流を発生させるには、１００ｋＨｚ程度の高い周波数で半導体素子を駆動する必要がある。高い周波数で駆動可能な半導体素子を用いてフルブリッジを構成すると、電力伝送装置全体の価格が高くなる。
【０００８】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、従来よりも安価な電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、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を有し、直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換部と、互いに一端が接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの接続点に接続された送電側コイルと、を有し、前記第１の電力変換部からの交流電力を伝送する第１の共振回路と、互いに一端が接続された第３のコンデンサおよび第４のコンデンサと、前記第３のコンデンサと前記第４のコンデンサとの接続点に接続された受電側コイルと、を有し、前記第１の共振回路から伝送された交流電力を受け取る第２の共振回路と、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を有し、前記第２の共振回路からの交流電力を直流電力に変換する第２の電力変換部と、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオンまたはオフを制御する送電制御部と、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オンまたはオフを制御する受電制御部と、を備え、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサは、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能し、前記第３のコンデンサおよび前記第４のコンデンサは、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と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能する。
【００１０】
また、上記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、前記送電側コイルおよび前記受電側コイルに代えて変圧器を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、従来よりも安価な電力伝送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力伝送装置を例示する回路図である。
【図２】本発明の変形例に係る電力伝送装置を例示する回路図である。
【図３】比較例の電力伝送装置を例示する回路図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力伝送装置の電力伝送時の波形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【００１４】
（電力伝送装置の構成）
図１は本実施形態に係る電力伝送装置１の回路図である。
【００１５】
電力伝送装置１は、直流電源１１と、第１の電力変換部１２と、第１の共振回路１３と、第２の共振回路１４と、第２の電力変換部１５と、平滑コンデンサ１６と、負荷１７と、送電制御部２１と、受電制御部２２と、を備える。
【００１６】
直流電源１１は直流電力を供給する。直流電源１１は例えば二次電池である。直流電源１１は例えば鉛蓄電池であってもよい。また、直流電源１１は例えばニッケルカドミウム電池のようなアルカリ二次電池であってもよい。また、直流電源１１は例えばリチウムイオン電池のようなリチウム二次電池であってもよい。また、代替例として、直流電源１１は一次電池でもよい。
【００１７】
第１の電力変換部１２は、直流電源１１の直流電力を交流電力に変換する。本実施形態において、第１の電力変換部１２はインバータ回路である。第１の電力変換部１２は、スイッチング素子１２１（第１のスイッチング素子）およびスイッチング素子１２２（第２のスイッチング素子）を有する。スイッチング素子１２１とスイッチング素子１２２とは直列に接続される。スイッチング素子１２１および１２２はハーフブリッジインバータ回路の一部を構成する。スイッチング素子１２１および１２２がオンまたはオフされることにより、第１の電力変換部１２に接続された第１の共振回路１３に印加される電圧が制御されて、図１に示される電流Ｉｒが流れる。スイッチング素子１２１および１２２は例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ：Silicon Carbide）デバイスであるが、特に限定されるものではない。
【００１８】
また、スイッチング素子１２１とスイッチング素子１２２との接続点は送電側コイル１３１の一端と接続される。スイッチング素子１２１の端子のうち、スイッチング素子１２２と接続されていない方の端子は、直流電源１１の高電位側およびコンデンサ１３２ａのコンデンサ１３２ｂと接続されていない方の端子と接続される。また、スイッチング素子１２２の端子のうち、スイッチング素子１２１と接続されていない方の端子は、直流電源１１の低電位側およびコンデンサ１３２ｂのコンデンサ１３２ａと接続されていない方の端子と接続される。
【００１９】
送電制御部２１は、第１の電力変換部１２のスイッチング素子１２１および１２２に対してゲート信号Ｇｕｐ１およびＧｕｎ１を出力する。つまり、送電制御部２１は、スイッチング素子１２１および１２２のオンまたはオフを制御する。ゲート信号Ｇｕｐ１とゲート信号Ｇｕｎ１との位相は互いに１８０度ずれている。本実施形態において、ゲート信号Ｇｕｐ１およびＧｕｎ１はデューティ比が５０％の矩形波である。しかし、デューティ比は５０％に限定されない。送電制御部２１は、ゲート信号Ｇｕｐ１およびＧｕｎ１によって、受電側へ供給する電力の量およびタイミング等を制御する。
【００２０】
第１の共振回路１３は、第１の電力変換部１２からの交流電力を伝送する。本実施形態において、第１の共振回路１３は、磁界を用いた共振現象を利用してワイヤレス伝送を行う。第１の共振回路１３は、送電側の共振回路であって、送電側コイル１３１と、コンデンサ１３２ａ（第１のコンデンサ）と、コンデンサ１３２ｂ（第２のコンデンサ）と、を有する。コンデンサ１３２ａの端子のうち直流電源１１の高電位側と接続されていない方の端子は、コンデンサ１３２ｂの端子のうち直流電源１１の低電位側と接続されていない方の端子と接続される。つまり、コンデンサ１３２ａおよびコンデンサ１３２ｂは互いに一端が接続されている。また、コンデンサ１３２ａとコンデンサ１３２ｂとの接続点は、送電側コイル１３１の端子のうちスイッチング素子１２１とスイッチング素子１２２との接続点と接続されていない方の端子と接続される。つまり、送電側コイル１３１は、コンデンサ１３２ａとコンデンサ１３２ｂとの接続点に接続されている。
【００２１】
第２の共振回路１４は、第１の共振回路１３からワイヤレス伝送された交流電力を受け取る。第２の共振回路１４は、受電側の共振回路であって、受電側コイル１４１と、コンデンサ１４２ａ（第３のコンデンサ）と、コンデンサ１４２ｂ（第４のコンデンサ）と、を有する。受電側コイル１４１は、送電側コイル１３１と電磁的に結合し、送電側コイル１３１から受電側コイル１４１にワイヤレス電力伝送が行われる。
【００２２】
コンデンサ１４２ａの端子のうちスイッチング素子１５１と接続されていない方の端子は、コンデンサ１４２ｂの端子のうちスイッチング素子１５２と接続されていない方の端子と接続される。つまり、コンデンサ１４２ａおよびコンデンサ１４２ｂは互いに一端が接続されている。また、コンデンサ１４２ａとコンデンサ１４２ｂとの接続点は、受電側コイル１４１の一端と接続される。
【００２３】
第２の電力変換部１５は、第２の共振回路１４が受電した交流電力を直流電力に変換する。本実施形態において、第２の電力変換部１５はインバータ回路である。第２の電力変換部１５は、スイッチング素子１５１（第３のスイッチング素子）およびスイッチング素子１５２（第４のスイッチング素子）を有する。スイッチング素子１５１とスイッチング素子１５２とは直列に接続される。スイッチング素子１５１および１５２はハーフブリッジインバータ回路の一部を構成する。スイッチング素子１５１および１５２がオンまたはオフされることにより、第２の電力変換部１５に接続された第２の共振回路１４に印加される電圧が制御されて、図１に示される電流Ｉｓが流れる。スイッチング素子１５１および１５２は例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ：Silicon Carbide）デバイスであるが、特に限定されるものではない。
【００２４】
また、スイッチング素子１５１とスイッチング素子１５２との接続点は受電側コイル１４１の端子のうちコンデンサ１４２ａとコンデンサ１４２ｂとの接続点と接続されていない方の端子と接続される。スイッチング素子１５１の端子のうち、スイッチング素子１５２と接続されていない方の端子は、平滑コンデンサ１６の一端、負荷１７およびコンデンサ１４２ａのコンデンサ１４２ｂと接続されていない方の端子と接続される。また、スイッチング素子１５２の端子のうち、スイッチング素子１５１と接続されていない方の端子は、平滑コンデンサ１６の他端、負荷１７およびコンデンサ１４２ｂのコンデンサ１４２ａと接続されていない方の端子と接続される。
【００２５】
平滑コンデンサ１６は、第２の電力変換部１５が出力した電圧を平滑して直流電圧を出力する。
【００２６】
負荷１７は、第２の電力変換部１５および平滑コンデンサ１６に接続される。負荷１７には直流電圧が供給される。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。
【００２７】
受電制御部２２は、第２の電力変換部１５のスイッチング素子１５１および１５２に対してゲート信号Ｇｕｐ２およびＧｕｎ２を出力する。つまり、受電制御部２２は、スイッチング素子１５１および１５２のオンまたはオフを制御する。ゲート信号Ｇｕｐ２とゲート信号Ｇｕｎ２との位相は互いに１８０度ずれている。本実施形態において、ゲート信号Ｇｕｐ２およびＧｕｎ２はデューティ比が５０％の矩形波である。しかし、デューティ比は５０％に限定されない。
【００２８】
（比較例）
ここで、図３を参照して、比較例の電力伝送装置３を示しながら、本実施形態の電力伝送装置１の効果について説明する。
【００２９】
図３は、比較例の電力伝送装置３の構成を示す図である。電力伝送装置３は、直流電源１１と、第１の電力変換部１２Ａと、第１の共振回路１３Ａと、第２の共振回路１４Ａと、第２の電力変換部１５Ａと、平滑コンデンサ１６と、負荷１７と、送電制御部２１と、受電制御部２２と、を備える。ここで図３では、図１と同じ要素には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３０】
電力伝送装置３の第１の電力変換部１２Ａは、スイッチング素子１２１，１２２，１２３および１２４を備える。スイッチング素子１２１とスイッチング素子１２２とは直列に接続されて、第１の電力変換部１２ＡのＵ相アームを構成する。また、スイッチング素子１２３とスイッチング素子１２４とは直列に接続されて、第１の電力変換部１２ＡのＶ相アームを構成する。スイッチング素子１２１，１２２，１２３および１２４はフルブリッジインバータ回路を構成する。
【００３１】
電力伝送装置３の第１の共振回路１３Ａは、送電側コイル１３１と、コンデンサ１３２と、を備える。送電側コイル１３１の一端は、コンデンサ１３２を介して、スイッチング素子１２１とスイッチング素子１２２との接続点と接続される。また、送電側コイル１３１の他端は、スイッチング素子１２３とスイッチング素子１２４との接続点と接続される。
【００３２】
電力伝送装置３の第２の電力変換部１５Ａは、スイッチング素子１５１，１５２，１５３および１５４を備える。スイッチング素子１５１とスイッチング素子１５２とは直列に接続されて、第２の電力変換部１５ＡのＵ相アームを構成する。また、スイッチング素子１５３とスイッチング素子１５４とは直列に接続されて、第２の電力変換部１５ＡのＶ相アームを構成する。スイッチング素子１５１，１５２，１５３および１５４はフルブリッジインバータ回路を構成する。
【００３３】
電力伝送装置３の第２の共振回路１４Ａは、受電側コイル１４１と、コンデンサ１４２と、を備える。受電側コイル１４１の一端は、コンデンサ１４２を介して、スイッチング素子１５１とスイッチング素子１５２との接続点と接続される。また、受電側コイル１４１の他端は、スイッチング素子１５３とスイッチング素子１５４との接続点と接続される。
【００３４】
送電制御部２１Ａは、スイッチング素子１２１，１２２，１２３および１２４のオンまたはオフを制御する。また、受電制御部２２Ａは、スイッチング素子１５１，１５２，１５３および１５４のオンまたはオフを制御する。
【００３５】
本実施形態の電力伝送装置１は、比較例の電力伝送装置３がフルブリッジ構成（第１の電力変換部１２Ａおよび第２の電力変換部１５Ａ）であるのに対して、ハーフブリッジ構成（第１の電力変換部１２および第２の電力変換部１５）である。そのため、電力伝送装置３のスイッチング素子１２１，１２２，１２３，１２４，１５１，１５２，１５３および１５４が８個であるのに対して、電力伝送装置１のスイッチング素子１２１，１２２，１５１および１５２は４個である。
【００３６】
ここで、ハーフブリッジ構成では、ハーフブリッジインバータ用のコンデンサが必要となる。しかし、電力伝送装置１は、電力伝送用の共振回路を構成するコンデンサ（比較例の電力伝送装置３のコンデンサ１３２および１４２）を分割して、ハーフブリッジインバータ用のコンデンサとしても機能させる。具体的には、本実施形態の電力伝送装置１では、コンデンサ１３２ａ（第１のコンデンサ）およびコンデンサ１３２ｂ（第２のコンデンサ）は、スイッチング素子１２１（第１のスイッチング素子）およびスイッチング素子１２２（第２のスイッチング素子）と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能する。また、本実施形態の電力伝送装置１では、コンデンサ１４２ａ（第３のコンデンサ）およびコンデンサ１４２ｂ（第４のコンデンサ）は、スイッチング素子１５１（第３のスイッチング素子）およびスイッチング素子１５２（第４のスイッチング素子）と共にハーフブリッジインバータを構成するコンデンサとしても機能する。そのため、電力伝送装置１は、実質的にハーフブリッジインバータ用のコンデンサを別途追加することなく、スイッチング素子の数を減らしている。
【００３７】
ここで、図４は、本実施形態に係る電力伝送装置１の電力伝送時の波形シミュレーションを例示する図である。図４のゲート信号Ｇｕｐ１およびＧｕｎ１は、送電制御部２１が出力する互いに位相が１８０度ずれた矩形波である。このとき、第１の電力変換部１２のスイッチング素子１２１および１２２が、ゲート信号Ｇｕｐ１およびＧｕｎ１に従ってスイッチングすることにより、図４に示される電流Ｉｒが流れる。そして、交流電力がワイヤレスで伝送されて、図４に示されるように、受電側の第２の共振回路１４に電流Ｉｒが流れる。
【００３８】
以上のように、本実施形態に係る電力伝送装置１は従来（例えばフルブリッジ構成）と同じように電力を伝送可能であり、ハーフブリッジインバータ用のコンデンサを兼ねる共振回路のコンデンサを備えるハーフブリッジ構成のため、従来よりも安価に製造可能である。
【００３９】
（変形例）
本発明を諸図面および実施形態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および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。
【００４０】
例えば、上記の実施形態における送電側コイル１３１および受電側コイル１４１に代えて、変圧器１８が用いられてもよい。図２は、変圧器１８を用いた本変形例に係る電力伝送装置２の回路図である。変圧器１８以外の構成要素は、上記の実施形態に係る電力伝送装置１と同じである。本変形例に係る電力伝送装置２も、ハーフブリッジインバータ用のコンデンサを兼ねる共振回路のコンデンサを備えるハーフブリッジ構成のため、従来よりも安価に製造可能である。ここで、変圧器１８の種類は特に限定されるものではなく、例えばコア（鉄心）を有していても、いなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、従来よりも安価な電力伝送装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１，２，３  電力伝送装置
１１  直流電源
１２，１２Ａ  第１の電力変換部
１３，１３Ａ  第１の共振回路
１４，１４Ａ  第２の共振回路
１５，１５Ａ  第２の電力変換部
１６  平滑コンデンサ
１７  負荷
１８  変圧器
２１，２１Ａ  送電制御部
２２，２２Ａ  受電制御部
１２１，１２２，１２３，１２４  スイッチング素子
１３１  送電側コイル
１３２，１３２ａ，１３２ｂ  コンデンサ
１４１  受電側コイル
１４２，１４２ａ，１４２ｂ  コンデンサ
１５１，１５２，１５３，１５４  スイッチング素子
【図１】
2019115221.tif 000003
【図２】
2019115221.tif 000004
【図３】
2019115221.tif 000005
【図４】
2019115221.tif 000006