(57)【要約】【課題】非接触給電システムの非接触部の距離変化が発生した場合に、共振周波数の変化による電力給電効率が低下する時でも最大電流の制御を行えることを目的とする。【解決手段】交流出力電源部と力率改善のコンデンサが直列もしくは並列に付加される共振給電部および共振受電部と、共振受電部からの交流電圧を直流電圧に変換する直流出力電源部と、直流出力電源部に接続される蓄電部とを備える非接触給電装置おいて、共振給電部と共振受電部の距離変化が発生した際の共振周波数変化において、交流出力電源部の最大出力電流に対応した出力周波数を選定する制御と、最大電流値が交流出力電源部の電流制限値に選定される制御とを備えて、非接触給電共振周波数に関係なく負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流の制御を行うことを特徴とする非接触給電システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源電圧の周波数を所定の交流電圧周波数に変換する交流出力電源部と、力率改善のコンデンサが直列もしくは並列に付加される共振給電部および共振受電部と、または別巻線のインダクタンスとコンデンサで構成される共振回路を持つ共振給電部および共振受電部と、共振受電部からの交流電圧を直流電圧に変換する直流出力電源部と、前記直流出力電源部に接続される蓄電部とを備える非接触給電装置おいて、
前記共振給電部と前記共振受電部の距離変化が発生した際の共振周波数変化において、前記交流出力電源部の最大出力電流に対応した出力周波数を選定する制御と、前記最大電流値が前記交流出力電源部の電流制限値に選定される制御とを備えて、非接触給電共振周波数に関係なく負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流の制御を行うことを特徴とする非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電用の１次コイルに共振回路を搭載し、もしくは受電用の２次コイルに共振回路を搭載して自動車や搬送車等に非接触で電力を供給する非接触給電システムのバッテリ急峻充電電流などを抑制できる周波数制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電力の非接触給電装置および非接触給電方法の中で、負荷がバッテリ負荷のような負荷インピーダンスの抵抗分が極端に小さい場合に適用できない非接触給電システムにおいて、負荷抵抗のような、負荷インピーダンスがある程度の抵抗分をもつ従来例の非接触給電装置トランス１次側給電巻線にコンデンサＣＳが挿入され、２次側受電巻線にコンデンサＣｐが付加され、トランスT３の励磁インダクタンスや漏れインダクタンス等と、コンデンサＣＳ、Ｃｐによって共振回路が構成された高効率な電力伝送が可能な手段が開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、共振回路を持つ非接触給電の従来例の中で、トランスをT形等価回路で表した時の励磁インダクタンスＬｍと１次漏れインダクタンスＬ１と２次漏れインダクタンスＬ２及び直列挿入されたコンデンサＣＳと並列挿入されたコンデンサＣｐとで構成された共振型非接触給電装置の等価トランス特性が、インピーダンスが０となる理想トランス特性と等価になるような直列コンデンサＣＳと並列コンデンサＣｐ算出容量値ＣＳ１、Ｃｐ1を設定した時に、ＣｐをＣｐ１近傍に設定し、ＣＳ容量値を蓄電装置の充電電流平均最大電流許容値に設定し、高周波出力が可能なインバータによって最大電流制御を行えるようなＣＳ１近傍の容量値に設定されることで給電トランスの漏れインダクタンスが大きい場合でも、蓄電装置の充電電流がトランス漏れインダクタンスによって制限されることなく給電制御が可能な手段が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２７２１３４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３６５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１技術において、高周波電力を非接触で負荷に供給する非接触給電装置は、高周波電力を生成する高周波電源部と、高周波電源部が生成した高周波電力を高周波磁束に変換する１次導線と、１次導線が変換した高周波磁束と鎖交して誘導起電力を生成し、誘導起電力を負荷に供給する受電コイルと、負荷の抵抗成分を検出する抵抗検出回路と、抵抗検出回路が検出した負荷の抵抗成分に応じて、高周波電源部が生成する高周波電力の周波数を制御する周波数制御部とを有することで、高周波電源部から出力される高周波電力の力率をほぼ１近くにすることができ、高周波電源部が供給する皮相電力（電圧×電流）に対して負荷で消費される電力の効率が高くなり、効率的な電力伝送を行うことができる技術であるが、非接触の結合状態がなくなってしまう距離に離れてしまうと、力率１を維持できなくなる。このため、１次導線のもつインダクタンス成分が支配的となって遅れ出力電流となり、周波数可変制御を行っても出力電流を低減させることができない問題を持つ。
【０００６】
また、特許文献２の蓄電装置を充電する非接触給電装置では、トランスＴ１のＬｍ、Ｌ１、Ｌ２、及び直列コンデンサＣＳ、並列コンデンサＣｐとで構成した等価トランスの特性が、理想トランスの特性と等しくなるように直列コンデンサＣＳと並列コンデンサＣｐの容量値を算定してそれぞれＣＳ１、Ｃｐ１としたとき、並列コンデンサＣｐをＣｐ１の値またはその近傍値に設定され、直列コンデンサＣＳの値を蓄電装置の充電電流平均値が許容される最大電流を流すことができる容量値から、インバータＩＮＶ１によって最大電流を制御することが可能なＣＳ１に近い容量値の範囲内に設定する技術であるが、前記同様、非接触の結合状態がなくなってしまう距離に離れてしまうと、力率１を維持できなくなる現象が発生し、トランスＴ１次巻線のもつインダクタンス成分が支配的となって遅れ出力電流となるため、ＣＳ1容量値付近で最大電流を制御しても、インバータＩＮＶ1の出力電流の最大値を低減させることができなくなり、制御周波数を固定した出力電圧を低減させる手法に限定される問題を持つ。
【０００７】
解決しようとする問題点は、非接触給電システムの給電部もしくは受電部に力率改善のコンデンサが直列もしくは並列に付加される装置、もしくは給電部もしくは受電部に別巻線のインダクタンスとコンデンサで構成される共振回路を持つ装置の、非接触部の距離変化が発生した場合に、共振周波数の変化による電力給電効率が低下する時でも負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流の制御を行えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的に沿う第１の発明に係る  電源電圧の周波数を所定の交流電圧周波数に変換する交流出力電源部と、力率改善のコンデンサが直列もしくは並列に付加される共振給電部および共振受電部と、または別巻線のインダクタンスとコンデンサで構成される共振回路を持つ共振給電部および共振受電部と、共振受電部からの交流電圧を直流電圧に変換する直流出力電源部と、前記直流出力電源部に接続される蓄電部とを備える非接触給電装置おいて、
前記共振給電部と前記共振受電部の距離変化が発生した際の共振周波数変化において、前記交流出力電源部の最大出力電流に対応した出力周波数を選定する制御と、前記最大電流値が前記交流出力電源部の電流制限値に選定される制御とを備えて、非接触給電共振周波数に関係なく負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流の制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の電源電圧の周波数を所定の交流電圧周波数に変換する交流出力電源部と、力率改善のコンデンサが直列もしくは並列に付加される共振給電部および共振受電部と、または別巻線のインダクタンスとコンデンサで構成される共振回路を持つ共振給電部および共振受電部と、共振受電部からの交流電圧を直流電圧に変換する直流出力電源部と、前記直流出力電源部に接続される蓄電部とを備える非接触給電装置おいて、
前記共振給電部と前記共振受電部の距離変化が発生した際の共振周波数変化において、前記交流出力電源部の最大出力電流に対応した出力周波数を選定する制御と、前記最大電流値が前記交流出力電源部の電流制限値に選定される制御とを備えて、非接触給電共振周波数に関係なく負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流の制御を行うことで、
非接触部の距離変化による負荷電流変化に応じた最大電流を制御できるため、共振回路の付加による最大効率の状態と共振結合が最低となる距離変化にも対応する非接触給電スイッチング周波数を可変させ、さらに最大電流をも制限できるシステムによって安全に電力給電を行える利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の非接触給電システム制御フローの実施例の説明図である。
【図２】本発明の一実施例の形態に係る非接触給電装置の説明図である。
【図３】図１および図２に係る交流出力電源部ＩＮＶ1の各制御モードの出力電圧Ｖ１波形の説明図である。
【図４】図２に係る交流出力電源部からみた負荷インピーダンス特性の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を説明する。本発明は、共振回路を用いた非接触給電システムの共振周波数に依存しない交流電力供給部の出力周波数制御と、最大電流状態を監視して出力電流を制限する制御を用いて、負荷インピーダンス特性を考慮した非接触給電装置の安全運用を実現させるシステムを実施するものである。
【実施例１】
【００１２】
本発明の非接触給電システムを実施するための動作について説明する。図１は、本発明のシステムにおける出力周波数可変制御と電流制限制御を用いて負荷インピーダンス特性を考慮した電流制限制御を実行するための処理手順の制御フローチャートを示す。
【００１３】
図１に示すように、非接触給電システムのあらかじめ設定された非接触給電出力周波数ｆｃが運転のスタートとなり、出力最大電流を特定させるために、ステップ１（Ｓ１）では、ｆｃ周波数近辺で周波数を可変させる周波数可変モードが動作し、ステップ２（Ｓ２）で出力電流の最大値を特定する。このとき周波数領域は予め設定されていることが前提となる。
【００１４】
前記のステップで最大電流が特定できない場合があるため、設定された周波数領域の範囲で、ステップ６（Ｓ６）の電流制限モードに自動的に移行し、最大電流制限スイッチング時間Ｔｂ（ｆｂ）を特定させて、出力電流の最大値であるステップ３（Ｓ３）にて確定させる。
【００１５】
ステップ３（Ｓ３）では、同時にＴｂを基準周波数ｆｃとして確定させる。これは、非接触給電システムの給電部と受電部の距離変化に応じた共振周波数による負荷インピーダンス特性に対応させる基準周波数ｆｃを自動的に特定させて最大電流を制限する処理となっている。
【００１６】
ステップ３（Ｓ３）とステップ４（Ｓ４）では、前記距離変化において最大電流が交流出力電源部の許容を超える可能性があるために、基準周波数ｆｃを中心として周波数可変モードを動作させて、現状距離における最小電流となる負荷インピーダンスの周波数を特定させる。
【００１７】
ステップ４（Ｓ４）では、負荷インピーダンス特性で最小電流が特定できない場合は、ステップ７（Ｓ７）の処理で、予め設定されている周波数範囲に中で最小となるスイッチング周波数ｆｃを確定させる。
【００１８】
ステップ５（Ｓ５）では、前記処理を完了させるための出力制限用周波数および電流制限用スイッチング時間を特定する。以上が共振回路を用いた非接触給電システムの負荷インピーダンスを考慮した電流制限の特定情報の処理を示した。
【００１９】
前記処理によって、運転周波数を基準に動作が行われるため負荷インピーダンスに対応した電流制限が可能であり、距離変化で共振結合が著しく低下した際でも、特定された電流制限スイッチング時間Ｔｂにより、異常電流が発生する状況となっても安全運用が可能である。
【実施例２】
【００２０】
図２の実施例は、本発明の処理手順を実施できる非接触給電システム構成を示す。
【００２１】
図２において、ＶＳ１は交流電源、ＩＮＶ１は整流器と直流平滑用コンデンサと半導体モジュールで構成されるインバータの交流出力電源部、ＣＰＴ1は１次側の共振用インダクタンスと共振用コンデンサで構成される共振給電部、ＣＰＴ２は２次側の共振用インダクタンスと共振用コンデンサで構成される共振受電部、ＢＴ１は電気自動車や自動搬送車などで用いられるバッテリ、ＲＬはインダクタンスや抵抗などの負荷によって非接触給電システムを構成する一実施例を示している。
【実施例３】
【００２２】
図３の実施例は、図１および図２に係る交流出力電源部ＩＮＶ1の前記制御フローチャートにおける制御モードの出力電圧Ｖ１の波形を示した図である。
【００２３】
図３では、周波数可変モードと電流制限モードが制御されている時の交流出力電源部の出力電圧Ｖ１の波形を示している。Ｔc１は周波数ｆｃ１の時のスイッチング時間、Ｔｃ２はＴc１の周波数から可変した周波数ｆｃ２の時のスイッチング時間、Ｔｂは交流出力電源の装置保護のための電流制限スイッチング時間を示している。
【００２４】
図３で示されるように、負荷インピーダンス特性を特定するための動作が周波数可変モードの波形で確認できる。前記動作の周波数ｆｃを基準として出力電流の最大値が特定されない場合に、電流制限モードに移行し、この波形で示される基準周波数ｆｃ２をベースに限流スイッチング時間Ｔｂが確定される。前記一連の動作によって最大出力できる周波数で、最大電流の抑制制御が可能であり、前記非接触給電システムの前記給電部と前記受電部の距離変化による負荷インピーダンス特性を考慮した高効率制御と安全動作が実施される。
【実施例４】
【００２５】
図４の実施例は、本発明の共振回路を持つ前記非接触給電システムの前記給電部と前記受電部の距離変化による負荷インピーダンス特性における、周波数ｆｃ可変特性を示している。
【００２６】
図４では、Ｚ１は共振回路が付加されている結合度が非常に高い距離（位置）の負荷インピーダンス特性、Ｚ２は前記給電部と前記受電部に共振用コンデンサが付加された場合の負荷インピーダンス特性、Ｚ３はＺ１における共振回路が付加されている結合度が非常に低い距離（位置）の負荷インピーダンス特性を示している。
【００２７】
図４で示されるように、共振回路が付加されている前記非接触給電システムの各周波数ｆｃの負荷インピーダンスで最大および最小となる負荷インピーダンス特性が存在することが分かる。可変周波数モードで最大電流となる周波数を特性された後に、前記非接触給電システムの装置保護のために電流制限モードで電流制限スイッチング時間Ｔｂを保持することで安全な動作条件を確定し、最大負荷インピーダンス特性となる周波数を再度可変周波数モードで低電流周波数を特性することにより、前記非接触給電システムの高効率動作が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明はバッテリを搭載した自動車や自動搬送装置の移動体や工作機および家電機器へ、非接触で電力を供給する装置に適用可能な非接触給電システムとして負荷インピーダンス特性を考慮した最大電流制御を用いる安全用途に幅広く適用できる。
【符号の説明】
【００２９】
ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆｃ    非接触給電出力周波数
ＴＣ１、ＴＣ２    スイッチング時間
Ｔｂ    電流制限スイッチング時間
Ｖ１    インバータ出力電圧
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３    負荷インピーダンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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