(57)【要約】  送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路（２）に接続されたコイル（３）と受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路（５）に接続されたコイル（４）とを磁気結合により送受電し、電源（１）から負荷（１０）に電力を供給する非接触給電システムにおいて、負荷（１０）の電圧制御を送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路（２）で行い、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路（５）の出力側に接続されたコンデンサ（６）に流れる電流の制御を受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路（５）で行う。これにより、付加回路を必要とすることなく軽負荷時のコイル間効率を改善できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源に接続される送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路、
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に接続された第１のコイル、
前記第１のコイルと磁気結合により送受電する第２のコイル、
前記第２のコイルに接続される受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路、
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路のＤＣ出力側に接続されるコンデンサ、
前記コンデンサに接続される負荷に流れる電流を測定する電流センサ、
接続される前記負荷の電圧を測定する電圧センサ、
前記電圧センサの出力を前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に送信する通信装置、
を備え、
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路は、前記負荷の電圧をあらかじめ定められた範囲にするように制御を行い、
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は、前記負荷の電圧が前記範囲に制御されているときに、前記負荷に流れる電流に応じて、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御を行うことを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は複数のスイッチング素子で構成されており、前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路の入力電圧の正負の切り替わりに応じて、１つ以上の前記スイッチング素子をオンにすることで、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム
【請求項３】
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は複数のスイッチング素子で構成されており、前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路の入力電流の正負の切り替わりに応じて、１つ以上の前記スイッチング素子をオンにすることで、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
【請求項４】
前記コンデンサへの電流が０になる期間は、前記負荷に流れる電流に対応して前記期間が一意に定まるルックアップテーブルに基づいて制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
【請求項５】
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路の入力電力あるいは出力電力を検出するセンサを備え、
前記センサで検出された入力電力あるいは出力電力が最小となるように、前記コンデンサへの電流が０になる期間を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
【請求項６】
前記入力電力あるいは前記出力電力は前記センサで検出された今回の電力検出値と前回の電力検出値とを比較し、今回の電力検出値が前回の電力検出値よりも小さい場合は前記コンデンサへの電流が０になる期間を増加させ、今回の電力検出値が前回の電力検出値よりも大きい場合は前記コンデンサへの電流が０になる期間を減少させるように制御することを特徴とする請求項５に記載の非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、非接触給電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空間を隔てた２つのコイル間での磁界結合により電力を伝送する非接触給電技術がある。この磁界結合型の非接触給電はＥＶ（Electric Vehicle）／ＰＨＥＶ（Plug-in hybrid Electric Vehicle）の非接触充電器への適用を目指して開発が行われている。ただし、この非接触給電には、コイル間の位置または給電電力等に起因するインピーダンスの変動により伝送効率が低下する課題がある。この課題を解決するために、インピーダンスの変動を調整する技術が種々開発されている。（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−９３０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非接触給電において、定格電力より低い電力伝送時にはコイル間効率が低下する。上記特許文献１では、低電力伝送に対応するために、電力変換器２１と電力変換器２２の２つの電力変換器を用いて、電力の制御と伝送効率の向上の２つの動作を行っている。しかし電力変換器２２を付加することによる電力損失の増加、配置体積の増加、およびコストの増加が課題となる。【０００５】
本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、付加回路なしで軽負荷時のコイル間効率の改善を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願に開示される非接触給電システムは、
外部電源に接続される送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路、
送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に接続された第１のコイル、
第１のコイルと磁気結合により送受電する第２のコイル、
第２のコイルに接続される受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路、
受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路のＤＣ出力側に接続されるコンデンサ、
コンデンサに接続される負荷に流れる電流を測定する電流センサ、
接続される負荷の電圧を測定する電圧センサ、
電圧センサの出力を送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に送信する通信装置、
を備え、
送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路は、負荷の電圧をあらかじめ定められた範囲にするように制御を行い、
受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は、負荷の電圧が前記範囲に制御されているときに、負荷に流れる電流に応じて、コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本願に開示される非接触給電システムによれば、負荷の電圧制御を送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路で行い、負荷に流れる電流に応じてコンデンサに流れる電流の制御を受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路で行うことで、付加回路を必要とすることなく軽負荷時のコイル間効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１における非接触給電システムの全体構成図である。
【図２】コイルに接続する共振コンデンサの接続例を説明する図である。
【図３】実施の形態１における非接触給電システムを車に搭載する場合の具体的な構成図である。
【図４】実施の形態１における制御装置のハードウエア構成図である。
【図５】受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路のスイッチング素子をオンさせない場合の、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５への入力電圧波形と入力電流波形を示す波形図である。
【図６】受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路のスイッチング素子をオンさせた場合の、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５への入力電圧波形と入力電流波形を示す波形図である。
【図７】図６のモード１におけるスイッチング素子の動作状態と、入力電流の流れを示す図である。
【図８】図６のモード２におけるスイッチング素子の動作状態と、入力電流の流れを示す図である。
【図９】図６のモード３におけるスイッチング素子の動作状態と、入力電流の流れを示す図である。
【図１０】図６のモード４におけるスイッチング素子の動作状態と、入力電流の流れを示す図である。
【図１１】図６のモード５におけるスイッチング素子の動作状態と、入力電流の流れを示す図である。
【図１２】実施の形態１における負荷電流値とオンデューティを対応させたルックアップテーブルを示す図である。
【図１３】コイル間効率と負荷インピーダンスの特性を説明する図である。
【図１４】本実施の形態を適用した場合のコイル間効率と負荷インピーダンスの特性を示す図である。
【図１５】実施の形態２における非接触給電システムの受電側の全体構成図である。
【図１６】実施の形態２における受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５への入力電圧波形と入力電流波形を示す波形図である。
【図１７】実施の形態３おける非接触給電システムの受電側の全体構成図である。
【図１８】実施の形態３における受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５への入力電圧波形と入力電流波形を示す波形図である。
【図１９】実施の形態４における非接触給電システムの全体構成図である。
【図２０】実施の形態４における入力電力と負荷電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本願に係る非接触給電システムの好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
【００１０】
実施の形態１．
[基本構成]
実施の形態１における非接触給電システムの基本的な構成を説明する。図１は非接触給電システムの全体構成図である。非接触給電システムは、直流電源１に接続された送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２、他のコイルとの磁気結合により送受電するコイル３（第１のコイル）、コイル３との磁気結合により送受電するコイル４（第２のコイル）、コイル４が接続される受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の出力で、負荷１０と並列に接続される出力コンデンサ６、負荷電圧Ｖを測定する電圧センサ７、負荷電流Ｉを測定する電流センサ８、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２に、負荷電圧情報ＶＸを送信する無線通信モジュール９ａ、９ｂで構成される。
【００１１】
なお、図２Ａに示すように、コイル３およびコイル４に共振コンデンサ１１が直列に接続されてもよく、図２Ｂに示すように、コイル３およびコイル４に共振コンデンサ１１が並列に接続されていてもよく、または、図２Ｃに示すように、コイル３およびコイル４に共振コンデンサ１１が、直列および並列に接続されていてもよい。
【００１２】
図３は、非接触給電システムを車に搭載する場合の具体的な構成を示す。直流電源１として電気自動車の車載バッテリー１０１、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２、およびコイル３までは、車に搭載されている。コイル４、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５、出力コンデンサ６、および負荷１０は地上側の設備である。ここでは負荷１０として、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流出力を行うＤＣ／ＡＣ変換回路１２が接続されており、その先にエアコンあるいは照明等の各種電気機器１３が接続されている。送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２と受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５はＦＥＴ（Field Effect Transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子からなるフルブリッジ構成である。なお本説明においては、車載バッテリー１０１から地上側に電力を供給する状態を基準として、送電側と受電側の呼称を定義している。負荷電流Ｉの検出は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流出力を行うＤＣ／ＡＣ変換回路１２内の電流センサ８ａから行っているが、負荷１０内のＤＣ／ＡＣ変換回路１２の外に電流センサ８ａを用いてもよいし、図１で示したように負荷１０の外に別途、電流センサ８を持っていてもよい。送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２のスイッチング素子の制御は制御装置１４により行われ、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の制御は制御装置１５により行われる。
【００１３】
制御装置１４及び制御装置１５のハードウエア構成の一例を図４に示す。マイコンなどのプロセッサ１００と記憶装置２００から構成され、図示していないが、記憶装置２００はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置２００から入力されたプログラムを実行し、上述したスイッチング素子の制御の一部又は全部を遂行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置２００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。また、プロセッサ１００及び記憶装置２００に加え、ロジック回路、アナログ回路を併用してもよい。
【００１４】
[基本動作]
本実施の形態における非接触給電システムの基本的な動作について説明する。ここでは車載バッテリー１０１から、家など、地上側の各種電気機器１３に電力を供給する場合について説明する。
【００１５】
[動作１]
直流電源１である車載バッテリー１０１から直流電力が供給される。送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２内のスイッチング素子を制御装置１４からのゲート信号ＧＳ１によりスイッチングすることで直流から交流への変換動作を行い、交流電圧をコイル３に印加する。この際、印加される交流電圧の周波数は、例えば８０ｋＨｚ〜９０ｋＨｚである。この周波数の記載は一例であり、印加する周波数の制限を意図するものではない。
【００１６】
コイル３に交流電圧が印加されることにより、コイル３の周辺には交流磁界が生じる。この交流磁界がコイル４に鎖交することにより、コイル４に誘導起電力が生じ、コイル４に交流磁界を介して電力が供給される。コイル４からの交流電力は、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５内のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を制御装置１５からのゲート信号ＧＳ２によりスイッチングして整流し、整流後の出力を、出力コンデンサ６で平滑し、直流に変換する。負荷１０のＤＣ／ＡＣ変換回路１２が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧２００Ｖを生成し、各種電気機器１３に交流電力を供給する。
【００１７】
[動作２]
また上記動作１を実施しているときには、出力コンデンサ６の両端電圧である負荷電圧Ｖを電圧センサ７により検出し、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５と送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２に負荷電圧情報ＶＸを送る。送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２には、無線通信モジュール９ａ、９ｂにより負荷電圧情報ＶＸを送る。
【００１８】
送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２は、無線通信モジュール９ｂより受信した負荷電圧情報ＶＸをもとに負荷電圧が一定値、ここでは３８０Ｖにするように制御を行う。ここで送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２が行う制御には例えば位相シフト制御がある。電圧指令値を３８０Ｖとして、この電圧指令値と、フィードバックした負荷電圧情報ＶＸの差分から制御装置１４により、位相シフト量を操作することにより、負荷電圧を一定に制御する。
【００１９】
[動作３]
また上記制御により、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の出力電圧Ｖ０の値が３８０Ｖであるとき、または所定の電圧範囲にあるとき、例えばＶ０が３７５Ｖ〜３８５Ｖの範囲にあるときに、制御装置１５は、次の制御を実行する。
【００２０】
受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子の少なくとも１つをオンさせる。この少なくとも１つのスイッチング素子とは、オンさせたときに出力コンデンサ６への電流が０となるスイッチング素子であり、本実施の形態の場合、スイッチング素子ＳＷ１である。
【００２１】
本制御の説明のため、図５に、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子をオンさせない場合の、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５への入力電圧波形と入力電流波形を示し、図６に受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子をオンさせた場合の入力電圧波形と入力電流波形を示す。また、図７から図１１に、図６で示された各モードでの、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオン、オフの動作状態と、入力電流の流れを示す。
【００２２】
図６において、モード１で動作させる期間では、図７のように、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子ＳＷ１をオンすることにより、コイル４の電流を短絡させ、入力電圧は０Ｖとなる。電流は矢印で示す方向に流れるが、出力コンデンサ６に電流は流れない。
【００２３】
図６において、モード２で動作させる期間では、図５で示した期間の制御と同様、図８のように、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４はオフとなり、電流は図８に矢印で示す方向に流れ、出力コンデンサ６および負荷１０に電流が流れる。入力電圧は所定値を維持する。
【００２４】
図６において、モード３で動作させる期間では、図５で示した期間の制御と同様、図９のようにスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４はオフの状態を維持し、入力電流は０となる。
【００２５】
図６において、モード４で動作させる期間では、図１０に示すように、モード１の期間と同じ動作を行うが、電圧、電流が共に反転しているため、コイル４の電流を短絡させるために、スイッチング素子ＳＷ２をオンとする。モード５の期間は、図１１に示す通り、入力電流の流れはモード２と逆となるが、その他の動作は同じとなる。
【００２６】
モード１またはモード４において、スイッチング素子ＳＷ１またはＳＷ２をオンして出力コンデンサ６の電流を０にする時間(以下、オンデューティと称す、単位は％)については、負荷電流を検出する電流センサ８により負荷電流値を検出し、この負荷電流値に応じて変化させる。負荷電流値に応じてオンデューティを変化させる方法としては、予め負荷電流値とオンデューティを対応させたルックアップテーブルを作成しておく方法がある。
【００２７】
予めシミュレーションおよび実験において、負荷電流値ごとにコイル間効率が大となるオンデューティを計測しておき、その値を制御装置１５内の記憶装置２００等に記憶しておくことで、負荷電流値から適切なオンデューティを決定することができる。図１２にルックアップテーブル例を示す。本例では負荷電流が小さい場合には、オンデューティを大きくすることで受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路の入力電流を小さくする。
【００２８】
[課題の詳細と本願の必要性と効果の説明]
次に上記方法の必要性と効果について詳細に説明する。非接触給電ではコイル３、４間の電力伝送効率が重要であり、またこのコイル３、４間の電力伝送効率が負荷インピーダンスによって大きく変化する特徴がある。
【００２９】
家庭機器では、エアコンまたはＩＨクッキングヒータ等の大電力機器を使用し、数ｋＷを消費する場合があるが、これに対して、照明とテレビだけを使用し数百Ｗで済む場合も考えられる。エアコンまたはＩＨクッキングヒータを使用している場合には、負荷電圧３８０Ｖに対し、電力３ｋＷを出力しているとすると、負荷インピーダンスは約４０Ωとなる。
【００３０】
しかし必要電力が低下した場合、例えば５００Ｗになった場合、負荷電圧は一定のため、負荷インピーダンスは、約２５０Ωとなり、４０Ωの６倍以上となる。このような負荷インピーダンスの変動は非接触給電においては好ましい状況ではなく、図１３にコイル間効率と負荷インピーダンスの特性を示すように、定格動作点からの負荷インピーダンスの変動は、コイル間の伝送効率を大幅に低下させてしまう。
【００３１】
瞬時の損失だけを考えた場合、軽負荷時に効率が低下しても損失の絶対値は小さいため大きな問題にならない。しかし家庭で消費される電力は真夏および真冬の空調使用時を除けば、５００Ｗ程度、あるいはそれ以下の電力消費となることもあり得る。そのため非接触給電システムで車載バッテリーから家側に電力供給を行う場合には大半の時間が定格電力よりも大幅に低い電力での動作となることを想定する必要がある。
【００３２】
定格電力３ｋＷで電力伝送した場合の効率を９０％、軽負荷５００Ｗで電力伝送した場合の効率を６０％と仮定する。２４ｋＷｈの車載バッテリーから、３ｋＷｈでバッテリーを全て使いきるまで給電した場合には２．４ｋＷｈの損失となるが、５００Ｗで動作し続けた場合には９．６ｋＷｈが損失となる。このような状態は電力の有効利用の観点、経済的な観点からも好ましくない。したがって、軽負荷、低電力でも高効率で電力伝送を行う必要がある。
【００３３】
これを解決する方法として、特許文献１に記載されているように、受電側に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータで負荷インピーダンスの変動を補償する手法があるが、ＤＣ／ＤＣコンバータでの損失、体積およびコストの増加が生じる。また、このＤＣ／ＤＣコンバータおよび受電側のＡＣ／ＤＣコンバータのうちの一方が伝送効率を、他方が負荷電圧(または電力)を制御するため、受電側にコンバータが２つ必要となる。
これに対し本願では、図１４で示すように、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２により負荷電圧を一定に制御し、負荷電圧が一定条件の場合において、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のオン時間を操作して、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電圧と入力電流の比（入力電圧／入力電流）を小さくすることにより、軽負荷時に大きくなってしまう負荷インピーダンスを等価的に小さくすることによってコイル間の効率を落とさずに、高効率で電力伝送を可能にする効果がある。このように制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータを受電側に付加する必要がなくなる。図１４は、本実施の形態を適用した場合のコイル間効率と負荷インピーダンスの特性を示す図であり、図の破線部分が、本実施の形態を適用した場合のコイル間効率の向上を示している。
【００３４】
実施の形態２．
[構成]
基本的な構成は実施の形態１と同じであり、異なる点は、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電圧の正負の反転を検出する電圧センサ１６を備えることである。図１５にその構成を示す。図１５では受電側部分のみを記載し、送電側部分は省略してある。また、図１と同一符号を付した構成は、同等の機能を有する。
【００３５】
[基本動作]
本実施の形態における非接触給電システムの基本的な動作について説明する。実施の形態１で説明した[動作１]、[動作２]は本実施の形態でも同じ動作を行う。そして、実施の形態１で説明した[動作３]において、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子の少なくとも１つをオンさせるタイミングを、図１６にタイミングＰで示す。タイミングＰは、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電圧の正負が反転するタイミングとする。このタイミングは、電圧センサ１６で検出され、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５内の制御装置１５に入力され、制御装置１５は、このタイミングでスイッチング素子ＳＷ１をオンにする。オンさせるスイッチング素子は本実施の形態の場合スイッチング素子ＳＷ１であるが、オンさせたときに出力コンデンサ６への電流が０となるスイッチング素子であればよい。
【００３６】
[本実施形態の効果の説明]
非接触給電システムにおいては、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２と受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５が離れているので、それぞれの変換回路内にあるスイッチング素子のスイッチングのタイミングを同期させることが難しい。無線通信によってそれぞれの動作状態の情報を送ることは可能ではあるが、通信による遅延が数ｍｓ生じる。本実施の形態での送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２のスイッチング周波数は８０ｋＨｚ、１周期が約１２μｓであり、スイッチングのタイミングを同期させるには、さらに小さい時間である数百ｎｓオーダ以下の低遅延の通信環境が要求されるため、既存の無線通信により同期をとるのは困難である。しかし、同期を取らないでスイッチング素子をオンさせると、動作が不安定化するため望ましくない。そこで本実施の形態のように受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電圧の正負の切り替わりをトリガーにして、スイッチング素子ＳＷ１をオンさせることにより、送電側と受電側で高速低遅延な無線通信を用いることなく、同期を取った状態でのスイッチングを行うことができ、軽負荷時にも付加回路なしで、高効率で電力伝送を可能にする効果がある。
【００３７】
実施の形態３．
[構成]
基本的な構成は実施の形態１と同じであり、異なる点は、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電流の正負の反転を検出する電流センサ１７を備えることである。図１７にその構成を示す。図１７では受電部分のみ記載し、送電側部分は省略してある。また、図１と同一符号を付した構成は、同等の機能を有する。
【００３８】
[基本動作]
本実施の形態における非接触給電システムの基本的な動作について説明する。実施の形態１で説明した[動作１]、[動作２]は本実施の形態でも同じ動作を行う。そして、実施の形態１で説明した[動作３]において、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５のスイッチング素子の少なくとも１つをオンさせるタイミングを、図１８にタイミングＱで示すように、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電流の正負が切り替わるタイミングとする。このタイミングは、電流センサ１７で検出され、受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５内の制御装置１５に入力され、制御装置１５は、このタイミングでスイッチング素子ＳＷ１をオンにする。オンさせるスイッチング素子は本実施の形態の場合スイッチング素子ＳＷ１であるが、オンさせたときに出力コンデンサ６への電流が０となるスイッチング素子であればよい。
【００３９】
[本実施の形態の効果の説明]
本実施の形態のように受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の入力電流の正負の切り替わりをトリガーにして、スイッチング素子をオンさせることにより、実施の形態２同様、送電側と受電側で高速な通信を用いることなく、同期を取った状態でのスイッチングを行うことができ、軽負荷時にも付加回路なしで、高効率で電力伝送を可能にする効果がある。
【００４０】
実施の形態４．
[構成]
図１９は本実施の形態での非接触給電システムを示している。基本的な構成は実施の形態１における非接触給電システムと同様である。加えて、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２の入力電力を測定するセンサ１８、および受電側の負荷電圧情報ＶＸを送電側に送信し、送電側がそれを受信する構成になっている。センサ１８で測定された入力電力は、無線通信モジュール９ｂ、９ａを介して受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の制御装置１５に入力される。
【００４１】
[基本動作]
本実施の形態における非接触給電システムの基本的な動作について説明する。実施の形態１で説明した[動作１]、[動作２]は本実施の形態でも同じ動作を行う。
【００４２】
受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路５の出力電圧が一定に維持され、かつ負荷電流が一定の条件において、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングを、例えばオンデューティ５％で行う。その後、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２の入力電力Ｐin＿１をセンサ１８で測定し、その後オンデューティを１０％にする。そして、再度、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路の入力電力Ｐin＿２をセンサ１８で測定する。
【００４３】
オンデューティ５％のときに測定した入力電力Ｐin＿１とオンデューティ１０％のときに測定した入力電力Ｐin＿２は無線通信モジュール９ａ、９ｂで制御装置１５に送信され、制御装置１５において比較される。
【００４４】
入力電力Ｐin＿２が入力電力Ｐin＿１よりも小さい場合にはオンデューティを１５％に増加させる。入力電力Ｐin＿２が入力電力Ｐin＿１よりも大きい場合は、オンデューティを５％に減少する。このように、前回入力電力値と今回入力電力値を比較し、今回入力電力値が小さい場合にはオンデューティを増加させ続け、今回入力電力値が大きくなった場合には、オンデューティを減少させ続ける動作を繰り返し、入力電力が最小となるように、オンデューティを制御する。なお、本実施の形態では入力電力を測定しているが、送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路２の出力電力の測定値に基づいてオンデューティを制御しても同様な効果がある。
【００４５】
[効果]
上述した基本動作により、図２０で示すように、負荷電力が一定の条件においては、入力電力が最小となる動作条件が、伝送効率（コイル間効率）が最大になる条件とみなせる。よって、実施の形態１で説明したような、負荷電流値とオンデューティを対応させたルックアップテーブルを事前に用意することなく、負荷電流に応じてコイル間効率のよいオンデューティに設定することができる。
【００４６】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４７】
１：直流電源、２：送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路、３：コイル（第１のコイル）、４：コイル（第２のコイル）、５：受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路、６：出力コンデンサ、７：電圧センサ、８、８ａ：電流センサ、９ａ、９ｂ：無線通信モジュール、１０：負荷、１１：共振コンデンサ、１２：ＤＣ／ＡＣ変換回路、１３：各種電気機器、１４、１５：制御装置、１６：電圧センサ、１７：電流センサ、１８：センサ
【図１】
2020129178.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年12月15日(2020.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源に接続される送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路、
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に接続された第１のコイル、
前記第１のコイルと磁気結合により送受電する第２のコイル、
前記第２のコイルに接続される受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路、
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路のＤＣ出力側に接続されるコンデンサ、
前記コンデンサに接続される負荷に流れる電流を測定する電流センサ、
接続される前記負荷の電圧を測定する電圧センサ、
前記電圧センサの出力を前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に送信する通信装置、
を備え、
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路は、前記負荷の電圧をあらかじめ定められた範囲にするように制御を行い、
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は、前記負荷の電圧が前記範囲に制御されているときに、前記負荷に流れる電流に応じて、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御を行うことを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は複数のスイッチング素子で構成されており、前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路の入力電圧の正負の切り替わりに応じて、１つ以上の前記スイッチング素子をオンにすることで、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
【請求項３】
前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路は複数のスイッチング素子で構成されており、前記受電側ＡＣ／ＤＣ変換回路の入力電流の正負の切り替わりに応じて、１つ以上の前記スイッチング素子をオンにすることで、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
【請求項４】
前記コンデンサへの電流が０になる期間は、前記負荷に流れる電流に対応して前記期間が一意に定まるルックアップテーブルに基づいて制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
【請求項５】
前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路の入力電力あるいは出力電力を検出するセンサを備え、前記センサで検出された入力電力あるいは出力電力が最小となるように、前記コンデンサへの電流が０になる期間を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
【請求項６】
前記入力電力あるいは前記出力電力は前記センサで検出された今回の電力検出値と前回の電力検出値とを比較し、今回の電力検出値が前回の電力検出値よりも小さい場合は前記コンデンサへの電流が０になる期間を増加させ、今回の電力検出値が前回の電力検出値よりも大きい場合は前記コンデンサへの電流が０になる期間を減少させるように制御することを特徴とする請求項５に記載の非接触給電システム。
【請求項７】
送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路に接続された送電側コイルと磁気結合により送受電する受電側コイル、
前記受電側コイルに接続されるＡＣ／ＤＣ変換回路、
前記ＡＣ／ＤＣ変換回路のＤＣ出力側に接続されるコンデンサ、
前記コンデンサに接続される負荷に流れる電流を測定する電流センサ、
を備え、
前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、前記送電側ＤＣ／ＡＣ変換回路により前記負荷の電圧が予め定められた範囲に制御されているときに、前記負荷に流れる電流に応じて、前記コンデンサへの電流が０になる期間が生じるように制御を行うことを特徴とする受電装置。
【国際調査報告】
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