(57)【要約】【課題】非接触電力伝送装置において、送電部の電圧を変動させると、送信部と受電部間の共振周波数が変動し、送電効率が低下する。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、送電供給電圧に基づいて最適の送電周波数を決定し、その最適の送電周波数で送電部の電力の周波数と電力量を制御するので、受電側の要求する電力が変動する場合でも、送電共振回路と受電共振回路間の共振状態を高い状態に保つことが可能となり、高効率で電力を伝送できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電装置は、更に、
前記送電共振器に高周波電力を与える送電部と、
前記送電部の送電供給電圧を制御する送電電圧制御部と、
前記送電部の送電周波数を制御する送電周波数制御部とを備え、
前記送電周波数制御部は、前記送電電圧制御部が制御する前記送電部の送電供給電圧に基づいて、前記送電部の送電周波数を制御することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記受電装置は、前記送電装置が送電すべき送電電力情報を算出する要求電力計算部と、
前記要求電力計算部が出力する送電電力情報を前記送電装置に非接触で送信する通信送信部とを備え、
前記送電装置は、前記通信送信部が送信した情報を受信して前記周波数制御部へ送電電力情報を伝達する通信受信部を備え、
前記送電周波数制御部は、前記通信受信部が受信した送電電力情報に基づき前記送電部の送電供給電圧を決定し、
前記送電周波数制御部は、前記送電電圧制御部が制御する前記送電部の送電供給電圧に基づいて、前記送電部の送電周波数を制御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。
【請求項３】
前記送電周波数制御部は、前記送電供給電圧が高くなると前記送電周波数が高くなるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記非接触電力伝送装置の初期動作時に、前記送電供給電圧に対応した最適な前記送電周波数の関係を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記送電供給電圧に対応した最適な前記送電周波数の関係は、非接触電力伝送装置の動作中に適宜校正することを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項６】
前記受電装置は、前記受電コイルが受電した電力を入力し、所定の形式に変換して電力を出力する電力変換部を備え、
前記要求電力計算部は、前記電力変換部の入力電力、前記電力変換部の出力電力、前記受電装置の外部から入力される情報に基づいて送電電力情報を算出することを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項７】
前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用は、磁界共鳴を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触（ワイヤレス）で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ）による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路（トランス方式）で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。
【０００３】
そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。
【０００４】
一般的に、磁界共鳴型は送電装置と受電装置からなる。送電装置は少なくとも送電コイルと共振容量で構成される送電共振器と、送電共振器に電力を供給する送電部を有する。受電装置は少なくとも受電コイルと共振容量で構成される受電共振器を有する。
【０００５】
特許文献１には、送電装置の送電共振器と受電装置の受電共振器が、送電装置の送電部の駆動周波数で共振するとき、送電装置から受電装置へ高効率で電力を伝送できることが開示されている。
【０００６】
特許文献２には、電磁誘導作用により送電を行う非接触電力伝送装置において、送電周波数を順次変化させて送電コイルの電流振幅が最大となる特定周波数を見つけ、この特定周波数で高効率の電力を伝送する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１３０８７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、非接触電力伝送装置において、送電電力が変わると、送電共振回路と受電共振回路の共振周波数も変化してしまう問題を発見した。この問題点については、後で詳述する。送電共振回路と受電共振回路の共振周波数が変化すると、一定の周波数で電力を送電していたのでは電力の送電効率が低下してしまう。そのため、受電側の要請等に応じて、その都度送電電力を変える必要がある非接触電力伝送装置においては、送電電力を変えた際に生じる共振周波数の変化は、電力の伝送効率の低下を招くこととなり問題となる。
【０００９】
また、送電周波数を順次変化させて送電コイルの電流振幅が最大となる特定周波数を見つける方法では、特定周波数を見つけるまでに時間がかかり、受電側の急激な電力変化の要請に応じて送電電力の周波数を高速に切り替えることができない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記送電装置は、更に、前記送電共振器に高周波電力を与える送電部と、前記送電部の送電供給電圧を制御する送電電圧制御部と、前記送電部の送電周波数を制御する送電周波数制御部とを備え、前記送電周波数制御部は、前記送電電圧制御部が制御する前記送電部の送電供給電圧に基づいて、前記送電部の送電周波数を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、送電供給電圧に基づいて最適の送電周波数を決定し、その最適の送電周波数で送電部の電力の周波数と電力量を制御するので、受電側の要求する電力が変動する場合でも、適宜最適の送電周波数に変更できるので、常に送電共振回路と受電共振回路間の共振状態を高い状態に保つことが可能となり、高効率で電力を伝送できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における送電部の概略を示す回路図
【図３】送電供給電圧をパラメータとして送電周波数と送電電力の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態１において送電供給電圧から送電周波数を求めるための図
【図５】本発明の実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の非接触電力伝送装置の構成を示す。非接触電力伝送装置は、送電装置１と受電装置２により構成される。送電装置１は、高周波電力を非接触伝送するための送電コイル４を有する。受電装置２は、送電コイル４が供給する高周波電力を受電するための受電コイル１０を有する。図１の構成の非接触電力伝送装置において、例えば、送電コイル４と受電コイル１０の間における磁界共鳴を介して送電装置１から受電装置２へ電力を伝送するように構成することができる。なお、送電コイル４と受電コイル１０の結合形態は、電磁誘導、電波、電場または磁場の共有によるもの等、適宜採用することができる。以下では、送電コイル４と受電コイル１０の間における磁界共鳴を介して送電装置１から受電装置２へ電力を伝送する場合を例として説明する。
【００１４】
送電装置１において、送電コイル４と送電共振容量５は送電共振器を構成し、受電装置２において、受電コイル１０と受電共振容量１１は受電共振器を構成する。送電部３は高周波電力を送電共振器に供給する。送電共振器を構成する送電コイル４と受電共振器を構成する受電コイル１０の間における磁界共鳴を介して、送電コイル４から受電コイル１０に電力が伝送される。受電共振器には電力変換部１２が接続される。電力変換部１２は、受電コイル１０が受電した高周波電力の検波や平滑化を行って、電力出力端子１３に接続される負荷が必要とする電力形式に変換する。
【００１５】
送電装置１の送電部３は、送電共振器に比較的大きな交流電力を供給する。そのため、送電部３には半導体のスイッチング素子を用いたパワー回路を用い、直流をスイッチングにより交流に変換される。図２は、２個のＦＥＴ２１、２２をスイッチング素子として用いたハーフブリッジ回路を示す。以下では、図２に示したハーフブリッジ回路が送電部３を構成する場合について説明する。なお、送電部３は４個のＦＥＴを使ったフルブリッジ回路を用いてもよい。送電時の電圧は図２の送電供給電圧Ｖｃによって決まり、送電時の周波数は図２のスイッチング制御電源２０の送電周波数ｆ０によって決まる。Ｖｃは送電電圧制御部６からの指令に基づき設定され、ｆ０は送電周波数制御部７からの指令に基づき設定される。
【００１６】
ところで、高効率の電力伝送を実現するためには、送電コイル４と送電共振容量５による送電共振器と、受電コイル１０と受電共振容量１１による受電共振器の間の共振周波数と、送電部３が送電共振器に供給する高周波電力の送電周波数を概略一致させることが好ましい。
【００１７】
しかし、送電共振器と受電共振器の間の共振周波数は変動することがある。図３は、送電供給電圧Ｖｃをパラメータとして、送電周波数ｆ０と送電電力の関係を測定し、グラフにしたものである。送電コイル４のインダクタンスは４２５μＨ、共振容量５のキャパシタンスは４９５０ｐＦである。これらの値の送電コイルと共振容量を直列接続したとき、計算上の共振周波数は約１１０ｋＨｚである。しかしながら、求められた共振周波数は、送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖのときは１０２．５ｋＨｚ、６０Ｖのときは１０５．５ｋＨｚであった。
【００１８】
送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖの時と６０Ｖの時で共振周波数が異なるのは、Ｖｃが２４Ｖの時と６０Ｖの時で送電側および受電側のインピーダンス整合が変化するためと考えられる。
【００１９】
まず、送電側については、本実施の形態では、送電装置１の送電部３がＦＥＴ２１、２２をスイッチング素子として用いたハーフブリッジ回路からなり、ハーフブリッジ回路を送電コイル４と送電共振容量５で構成される送電側共振器に直結する。スイッチング素子による送電回路のインピーダンスは理論的には０Ωであり、現実的にも非常に低いインピーダンスとなるため、送電電力が変動することによりインピーダンスが変化してしまう。送電コイル４と送電共振容量５で構成される送電側共振器のインピーダンスも周波数により変化する。
【００２０】
さらに、受電側についても、受電コイル１０と受電共振容量１１で構成される受電側共振器のインピーダンスは周波数により変化し、高周波電力の検波や平滑化を行う電力変換部１２の受電回路も受電電力によりインピーダンスが変動する。
【００２１】
以上のように、送電側および受電側のインピーダンスが、送電供給電圧に応じて変化してしまうことにより共振周波数が異なると考えられる。
【００２２】
ところで、図３から明らかなように、送電供給電圧Ｖｃに応じて送電周波数ｆ０を適切な周波数に設定しなければ、高効率の非接触電力伝送を行うことができない。したがって、受電装置２の電力出力端子１３に接続される負荷の状況に応じて受電装置２で必要とする受電電力が変動する場合、送電装置１では送電部３の送電供給電圧Ｖｃを変化させるとともに、送電周波数ｆ０を適切な値に設定する必要がある。
【００２３】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電装置１において送電電圧と送電周波数を関連付けて制御することに特徴がある。送電電圧制御部６から送電供給電圧Ｖｃの値を、送電部３に送信するとともに、送電周波数制御部７にも送信する。送電周波数制御部７は送電供給電圧Ｖｃの値に基づいて最適な送電周波数ｆ０を送電部３に送信する。送電部３は、送電電圧制御部６からの指令に基づいて送電供給電圧Ｖｃの値を設定し、送電周波数制御部７からの指令に基づいて送電周波数ｆ０の値を設定する。
【００２４】
なお、送電電圧制御部６および送電周波数制御部７はマイコンによって構成することが好ましいが、ＦＰＧＡや電子回路によって構成することもできる。
【００２５】
以下では、本発明の送電電圧と送電周波数を関連付けた非接触電力伝送装置について、実施の形態に分けて詳説する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す。送電電圧制御部６は、送電部３のスイッチング素子に供給する送電供給電圧Ｖｃを制御する。この実施の形態１では、供給する送電供給電圧は２４Ｖと６０Ｖの切換えとするが、３以上の電圧値の切換えとしても良く、連続的な電圧制御としても良い。
【００２６】
図４は、送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖの時と６０Ｖのそれぞれで、送電供給電圧Ｖｃに対応した最適な送電周波数ｆ０周波数を定めた表である。この表は、例えば非接触電力伝送装置の出荷前の初期動作時に図３の測定を行い、その結果から予め求めておくことができる。図３の測定は、例えば、送電供給電圧Ｖｃ毎に前記引用文献２の方法を用いればよい。送電供給電圧Ｖｃに対応した最適な送電周波数ｆ０周波数の関係は、環境温度等の変化により変動する場合もあるので、図４に示した送電供給電圧Ｖｃに対応した最適な送電周波数ｆ０周波数の関係は、非接触電力伝送装置の動作中に適宜校正してもよい。校正は、例えば、送電供給電圧Ｖｃ毎に前記引用文献２の方法を用いればよい。
【００２７】
送電周波数制御部７は、図４の表に基づいて送電部３が出力する高周波電力の送電周波数ｆ０を制御する。送電周波数制御部７は、送電電圧制御部６から送電供給電圧Ｖｃの値を受け、送電供給電圧Ｖｃに対応した送電周波数ｆ０で送電部３のスイッチング制御電源２０の送電周波数ｆ０を制御する。送電周波数制御部７は、図４の表に基づいて、送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖの時には、送電部３におけるスイッチング制御電源２０の送電周波数ｆ０を１０２．５ｋＨｚに制御し、送電供給電圧Ｖｃが６０Ｖの時には、送電部３におけるスイッチング制御電源２０の送電周波数ｆ０を１０５．５ｋＨｚに制御する。
【００２８】
その結果、送電装置１において、送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖの時には送電周波数ｆ０が１０２．５ｋＨｚで送電が行われ、送電供給電圧Ｖｃが６０Ｖの時には送電周波数ｆ０が１０５．５ｋＨｚで送電が行われる。すなわち、本実施の形態では送電供給電圧Ｖｃが高くなると送電周波数ｆ０が高くなるように制御する。
【００２９】
以上の動作により、送電供給電圧Ｖｃが２４Ｖおよび６０Ｖどちらでも共振状態が高い状態で電力の伝送ができるので、送電供給電圧Ｖｃの電圧値によらず高い効率で非接触電力伝送が実現できる。なお、本実施の形態では、説明の簡単のために送電供給電圧を２４Ｖと６０Ｖに切り替える場合を例に挙げて説明したが、３以上の電圧の切換えとしても良く、連続的な電圧制御としても良い。
＜実施の形態２＞
実施の形態１では送電装置１のみで送電供給電圧Ｖｃと送電周波数ｆ０を制御したが、実施の形態２は受電装置２からの情報に基づいて、送電装置１が送電供給電圧Ｖｃと送電周波数ｆ０を制御する。
【００３０】
図５は、本発明の実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示す。受電装置２の要求電力計算部１４は、電力変換部１２の出力電力、または受電装置２の外部から入力される情報に基づいて、送電装置１へ要求する送電電力を決定する。要求する送電電力については、例えば、電源出力部１３から負荷へ出力される電力が大きい時は送電装置１へ要求する電力を小さく、電源出力部１３から負荷へ出力される電力が小さい時は送電装置１へ要求する電力は大きくすることができる。要求電力計算部１４は、要求する送電電力情報を通信送信部１５へ送る。要求電力計算部１４はマイコンによって構成することが好ましいが、ＦＰＧＡや電子回路によって構成してもよい。
【００３１】
通信送信部１５は要求する送電電力情報をワイヤレス通信によって送電装置１へ送信する。
【００３２】
送電装置１の通信受信部８は受電装置２の通信送信部１５から送信された送電電力情報をワイヤレス通信によって受信する。
【００３３】
通信送信部１５及び通信受信部８を実現するための通信手段としては、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いることができ、若しくは、小電力無線局や微弱無線を用いてもよい。
【００３４】
通信受信部８は、ワイヤレス通信によって受信した受電装置からの送電電力情報により、送電電圧制御部６へ送電供給電圧Ｖｃを指示する。以後の送電装置１における送電電圧制御部６、送電周波数制御部７、及び送電部３の動作は実施の形態１と同じであるので詳細な説明は省略する。
【００３５】
以下、実施の形態１と同様の動作により、受電装置の要求する電力に応じて、共振状態が高い状態で非接触電力伝送を行うことができる。
【００３６】
以上の動作により、受電側の情報に基づいて送電供給電圧Ｖｃを決定し、最適の送電周波数ｆ０を求めることができるので、負荷の電力要求に基づいた高効率の非接触電力伝送が実現できる。
【００３７】
なお、図５では電力変換部１２の出力電力に基づいて、送電装置１へ要求する送電電力を決定しているが、電力変換部１２の入力電力に基づいて、送電装置１へ要求する送電電力を決定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の非接触電力伝送装置は、送電電圧が変動した場合でも高効率の電力伝送が可能であり、受電装置側で要求される電力が変動する場合の非接触電力伝送に好適である。
【符号の説明】
【００３９】
１  送電装置
２  充電装置
３  送電部
４  送電コイル
５  共振容量
６  送電電圧制御部
７  送電周波数制御部
８  通信受信部
１０  受電コイル
１１  共振容量
１２  電力変換部
１３  電力出力部
１４  要求電力計算部
１５  通信送信部
２０  スイッチング制御電源
２１  スイッチング素子
２２  スイッチング素子
２３  コイル
【図１】
2015136274.tif 000003
【図２】
2015136274.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015136274.tif 000006
【図５】
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