特開2017-225232(P2017-225232A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-225232(P2017-225232A)
(43)【公開日】2017年12月21日
(54)【発明の名称】非接触給電装置
(51)【国際特許分類】
   H02J 50/12 20160101AFI20171124BHJP
   H02J 50/80 20160101ALI20171124BHJP
【FI】
   H02J50/12
   H02J50/80
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2016-118318(P2016-118318)
(22)【出願日】2016年6月14日
(71)【出願人】
【識別番号】000002945
【氏名又は名称】オムロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100165191
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 章
(74)【代理人】
【識別番号】100160716
【弁理士】
【氏名又は名称】遠藤 力
(72)【発明者】
【氏名】中尾 悟朗
(57)【要約】
【課題】送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が変化しても、エネルギー伝送電力量の低下を抑制できる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】非接触給電装置1は、非接触で電力伝送する送電コイル141を含む送電共振回路14を有する送電装置10と、送電装置10から電力伝送される受電装置20とを有する。受電装置20は、受電コンデンサ212と、受電コンデンサ212の一端と接続され、送電コイル141との間で電力伝送可能な受電コイル211と、受電装置20に接続される負荷回路26に出力される負荷回路電圧を検出する負荷回路電圧検出器25とを有する。受電装置20は、負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、受電装置20の共振周波数を変更する共振周波数変更回路22を更に有する。第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、共振周波数が変化することにより電圧利得を落とす。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
非接触で電力伝送する送電コイルを含む送電共振回路を有する送電装置と、前記送電装置から電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
受電コンデンサと、前記受電コンデンサの一端と接続され、前記送電コイルとの間で電力伝送可能な受電コイルとを有する受電共振回路と、
前記受電装置に接続される負荷回路に出力される負荷回路電圧を検出する負荷回路電圧検出器と、
前記受電共振回路に接続された共振周波数変更回路と、を有し、
前記共振周波数変更回路は、
前記受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が前記受電コイルに接続された第1変更コンデンサと、
オン指示信号が入力されているときに、前記第1変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、前記第1変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第1変更スイッチと、
前記負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、前記オン指示信号を前記第1変更スイッチに出力する過電圧判定回路と有し、
前記第1変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、前記共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより電圧利得を落とすことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項2】
前記第1変更スイッチは、ソースが接地されたnチャネル型のMOSFETである、請求項1に記載の非接触給電装置。
【請求項3】
前記共振周波数変更回路は、
前記受電コンデンサに並列接続された第2変更コンデンサと、
前記オン指示信号が入力されているときに、前記第2変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、前記第2変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第2変更スイッチと、を更に有し、
前記過電圧判定回路は、前記負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、前記オン指示信号を前記第2変更スイッチに更に出力する、請求項1に記載の非接触給電装置。
【請求項4】
前記第1変更スイッチ及び前記第2変更スイッチは、ソースが接地されたnチャネル型のMOSFETである、請求項3に記載の非接触給電装置。
【請求項5】
前記受電装置は、前記負荷回路電圧が前記第1しきい値電圧以上のときに、過電圧状態であることを示す過電圧信号を送信する過電圧信号送信回路を更に有し、
前記送電装置は、
前記送電共振回路に交流電圧を供給する電力供給回路と、
前記過電圧信号を受信する過電圧信号受信回路と、
前記過電圧信号受信回路から前記過電圧信号が入力されたときに、前記電力供給回路の動作周波数を低下させる制御回路と、
を有する、請求項1〜4の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電(ワイヤレス給電とも呼ばれる)技術が研究されている。
【0003】
非接触給電技術の一つとして、磁界共鳴(磁界共振結合、あるいは磁気共鳴とも呼ばれる)方式が知られている(例えば、特許文献1を参照)。磁界共鳴方式では、送電側と受電側のそれぞれにコイルを含む共振回路が設けられ、それら共振回路の共振周波数を同調させることで、送電側のコイルと受電側のコイルとの間に磁界共鳴によるエネルギー伝送可能な磁界の結合状態が生じる。これにより、送電側のコイルから受電側のコイルへと、空間を介して電力が伝送される。磁界共鳴方式による非接触給電では、数10%程度のエネルギー伝送効率を達成することが可能であり、かつ、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を比較的大きくすることが可能である。例えば、各コイルが数10cm程度のサイズを有する場合、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を、数10cm〜1m以上とすることができる。
【0004】
一方、磁界共鳴方式では、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が最適な距離よりも近づくと、エネルギー伝送電力量が低下することが知られている(例えば、特許文献2を参照)。これは、二つのコイル間の距離に応じてその二つのコイル間の結合度が変化し、二つのコイル間の共振周波数が変化することによる。二つのコイル間の距離が適切な場合、二つのコイル間の共振周波数は一つであり、その共振周波数は、コイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスで決定される、送電側及び受電側の共振回路の共振周波数と等しい。しかし、二つのコイル間の距離が近くなり、結合度が高くなると、その二つのコイル間の共振周波数は二つ表れる。その一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも高い周波数となり、他の一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも低い周波数となる。このように、結合度が高くなると、二つのコイル間の共振周波数と、各共振回路自身の共振周波数とが一致しなくなるために、その共振回路の共振周波数を持つ交流電力を送電側の共振回路に供給しても、コイル間の共振がうまく生じないため、エネルギー伝送電力量が低下する。
【0005】
そこで、特許文献2に開示された送電装置は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する受電共振コイルと共振点が異なる送電コイルを有する。これにより、この送電装置は、磁界共鳴を利用せずに、送電コイルと受電共振コイル間での電力の送受電を可能としている。
【0006】
また、特許文献3には、受電側共振回路の出力電圧が所定値より高い場合に、保護スイッチをオンしてコイル及びコンデンサを含む閉ループを形成し、受電側共振回路の共振周波数をずらして、受電装置に過電圧の発生を防止することが記載される。
【0007】
また、特許文献4には、盗電を防止するために、受電側コードと送電側コードとが対応しないときに、可変容量コンデンサの容量を変更して、受電装置側において十分な電力が得られないような値に共振周波数を設定することが記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特表2009−501510号公報
【特許文献2】国際公開第2011/064879号
【特許文献3】特開2015−208136号公報
【特許文献4】特開2011−211895号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
特許文献3に示す方法では、保護スイッチがオンしてコイル及びコンデンサを含む閉ループを形成して共振周波数をずらすため、保護スイッチがオンする間に閉ループに流れる電流は電力伝送に寄与せず、伝送効率を低下させるおそれがある。また、特許文献3に示す方法では、受電側共振回路の出力電圧が所定値より高くなる状態が頻繁に発生する場合には、閉ループを形成するコイル及びコンデンサ等に過電流が頻繁に流れて、発熱し損傷するおそれがある。
【0010】
また、特許文献4に示す方法では、軽負荷回路時等の所定の条件下では、可変容量コンデンサの容量の変化に対する電圧利得の変化が小さくなるため、過電圧の発生を充分に防止できないおそれがある。
【0011】
そこで、本発明は、負荷回路の大きさ等の条件の変化にかかわらず、過電圧の発生を防止可能な非接触給電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一つの形態として、非接触で電力伝送する送電コイルを含む送電共振回路を有する送電装置と、送電装置から電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。受電装置は、受電コンデンサと、受電コンデンサの一端と接続され、送電コイルとの間で電力伝送可能な受電コイルとを有する受電共振回路と、受電装置に接続される負荷回路に出力される負荷回路電圧を検出する負荷回路電圧検出器とを有する。受電装置は、受電共振回路に接続された共振周波数変更回路を更に有する。共振周波数変更回路は、受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が受電コイルに接続された第1変更コンデンサと、オン指示信号が入力されているときに、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第1変更スイッチと、負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第1変更スイッチに出力する過電圧判定回路とを有する。この非接触給電装置は、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより電圧利得を落とす。
【0013】
この場合において、第1変更スイッチは、ソースが接地されたnチャネル型のMOSFETであることが好ましい。
【0014】
この非接触給電装置において、共振周波数変更回路は、受電コンデンサに並列接続された第2変更コンデンサと、オン指示信号が入力されているときに、第2変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、第2変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第2変更スイッチと、を更に有し、過電圧判定回路は、負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第2変更スイッチに更に出力することが好ましい。
【0015】
この場合において、第1変更スイッチ及び第2変更スイッチは、ソースが接地されたnチャネル型のMOSFETであることが好ましい。
【0016】
この非接触給電装置において、受電装置は、負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、過電圧状態であることを示す過電圧信号を送信する過電圧信号送信回路を更に有し、送電装置は、送電共振回路に交流電圧を供給する電力供給回路と、過電圧信号を受信する過電圧信号受信回路と、過電圧信号受信回路から過電圧信号が入力されたときに、電力供給回路の動作周波数を低下させる制御回路とを有することが好ましい。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る非接触給電装置は、負荷回路の大きさ等の条件の変化にかかわらず、過電圧の発生を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1】第1実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
図2】受電コンデンサの容量を変化させたときの負荷回路電圧の変化を示す図である。
図3図1に示す非接触給電装置の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(a)は第1変更スイッチがオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(b)は負荷回路が比較的重いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(c)は負荷回路が比較的軽いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。
図4】第2実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
図5図4に示す非接触給電装置の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(a)は第1変更スイッチがオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(b)は負荷回路が比較的重いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(c)は負荷回路が比較的軽いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。
図6】第3実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
図7】(a)は過電圧信号が入力されたときに図6に示す制御回路からゲートドライバに出力される制御信号を示す図であり、(b)は図6に示すスイッチング素子のドレイン電流の一例を示す図である。
図8】第4実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
図9図8に示す送電共振回路及び受電共振回路を含む送電回路の等価回路図である。
図10図9に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。
図11】第5実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
図12】識別番号を有さない不図示の受電装置が図11に示す送電装置に近接して配置された状態のタイミングチャートである。
図13】(a)は図11に示す送電コイルと受電コイルとの間の結合度が0.3のときのタイミングチャートであり、(b)は(a)に示す状態において送電電流検出回路が検出する送電電流と負荷回路電圧検出器が検出する負荷回路電圧との測定値の一例を示す図である。
図14図13に示す状態から図11に示す受電装置が送電装置に更に近接して結合度が0.3から0.5に変化する状態のタイミングチャートである。
図15図11に示す受電装置の負荷回路が図14に示す状態から小さくなる状態のタイミングチャートである。
図16】受電コイルと受電コンデンサとの間に第1変更コンデンサ及び第1変更スイッチが配置された非接触給電装置の概略構成図である。
図17】(a)は図1に示す非接触給電装置の送電回路の等価回路図であり、(b)は図16に示す非接触給電装置の送電回路の等価回路図である。
図18】(a)は図16に示す非接触給電装置において負荷回路が比較的重いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、(b)は図16に示す非接触給電装置において負荷回路が比較的軽いときに第1変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置、及びその制御方法を、図を参照しつつ説明する。上記のように、送電側のコイルと受電側のコイル間の共振を利用する非接触給電では、送電側のコイル(以下、送電コイルと呼ぶ)と受電側のコイル(以下、受電コイルと呼ぶ)間の距離に応じて、結合度が変化する。送電コイルと受電コイルとの間の距離が近くなると、結合度が大きくなることに応じて、受電装置が受電する受電電圧は高くなる。一方、送電コイルと受電コイルとの間の距離が遠くなると、結合度が小さくなることに応じて、受電装置が受電する受電電圧は低くなる。この非接触給電装置は、結合度が大きくなり受電装置が受電する受電電圧が所定の電圧以上になると、受電共振回路の共振周波数を変化させて、受電装置が受電可能な電圧の最大値を抑制する。より具体的には、共振周波数変更回路は、第1変更コンデンサと、第1変更スイッチと、過電圧判定回路とを有し、受電共振回路に接続される。第1変更コンデンサは、受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が受電コイルに接続される。第1変更スイッチは、オン指示信号が入力されているときに、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続する。また、第1変更スイッチは、オン指示信号が入力されていないときに、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する。過電圧判定回路は、負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第1変更スイッチに出力する。
【0020】
図1は、本発明の第1実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図1に示されるように、非接触給電装置1は、送電装置10と、送電装置10から空間を介して電力伝送される受電装置20とを有する。送電装置10は、電力供給回路11と、送電コイル141及び送電コンデンサ142を有する送電共振回路14と、送電電圧検出回路15と、ゲートドライバ16と、制御回路17とを有する。一方、受電装置20は、受電共振回路21と、共振周波数変更回路22と、整流回路23と、平滑コンデンサ24と、負荷回路電圧検出器25と、負荷回路26とを有する。受電共振回路21は、受電コイル211と、受電コンデンサ212とを有する。共振周波数変更回路22は、第1変更コンデンサ221と、第1変更スイッチ222と、過電圧判定回路223とを有する。整流回路23は、第1整流ダイオード231と、第2整流ダイオード232とを有する。
【0021】
先ず、送電装置10について説明する。
電力供給回路11は、調節可能な動作周波数を持つ交流電力を送電共振回路14へ供給する。そのために、電力供給回路11は、直流電源12と、一対のスイッチング素子13−1及び13−2とを有する。
【0022】
直流電源12は、所定の電圧を持つ直流電力を供給する。そのために、直流電源12は、例えば、バッテリを有していてもよい。あるいは、直流電源12は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を、直流電力に変換するための全波整流回路及び平滑コンデンサを有していてもよい。
【0023】
一対のスイッチング素子13−1及び13−2は、直流電源12の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また本実施形態では、直流電源12の正極側に、スイッチング素子13−1が接続され、一方、直流電源12の負極側に、スイッチング素子13−2が接続される。各スイッチング素子13−1及び13−2は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そしてスイッチング素子13−1のドレインは、直流電源12の正極側端子と接続され、スイッチング素子13−1のソースは、スイッチング素子13−2のドレインと接続される。また、スイッチング素子13−2のソースは、直流電源12の負極側端子と接続される。更に、スイッチング素子13−1のソース、及び、スイッチング素子13−2のドレインは、送電コイル141の一端に直接接続され、スイッチング素子13−2のソースは、送電コンデンサ142を介して送電コイル141の他端に接続される。
【0024】
また、各スイッチング素子13−1及び13−2のゲートは、ゲートドライバ16を介して制御回路17と接続される。更に、各スイッチング素子13−1及び13−2のゲートは、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗R1及びR2を介してソースと接続される。そして各スイッチング素子13−1及び13−2は、制御回路17からの制御信号によって、所望の動作周波数で交互にオン/オフが切り替えられる。これにより、直流電源12から供給された直流電力は、送電コンデンサ142による充放電を介して交流電力に変換され、送電コンデンサ142及び送電コイル141からなる送電共振回路14に供給される。
【0025】
送電共振回路14は、送電コイル141と送電コンデンサ142とにより形成されるLC共振回路である。
【0026】
送電コイル141の一端はスイッチング素子13−1のソース及びスイッチング素子13−2のドレインと接続され、送電コイル141の他端は送電コンデンサ142の一端と接続される。送電コンデンサ142の他端は、直流電源12の負極側端子及びスイッチング素子13−2のソースと接続される。送電コイル141は、電力供給回路11から供給された交流電力により、送電コイル141自身を流れる電流に応じた磁場を生じさせる。そして送電コイル141と受電コイル211間の距離が共振可能なほど近い場合に、送電コイル141は、受電コイル211と共振して、空間を介して受電コイル211へ電力を伝送する。
【0027】
送電電圧検出回路15は、送電コイル141の両端子間に印加される交流電圧を所定の周期ごとに検出する。なお、所定の周期は、例えば、送電コイル141に供給される交流電力の動作周波数の想定される最小値に相当する周期よりも長く、例えば、50msec〜1secに設定される。また、送電電圧検出回路15は、検出する交流電圧として、例えば、その交流電圧のピーク値、あるいは、実効値を計測する。そして送電電圧検出回路15は、その交流電圧を表す電圧検出信号を制御回路17へ出力する。そのために、送電電圧検出回路15は、例えば、交流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。
【0028】
ゲートドライバ16は、制御回路17から、各スイッチング素子13−1及び13−2のオン/オフを切り替える制御信号が入力され、制御信号に応じて、各スイッチング素子13−1及び13−2のゲートに印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ16は、スイッチング素子13−1をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子13−1のゲートに、スイッチング素子13−1がオンとなり、直流電源12からの電流がスイッチング素子13−1を流れるようになる、相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ16は、スイッチング素子13−1をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子13−1のゲートに、スイッチング素子13−1がオフとなり、直流電源12からの電流がスイッチング素子13−1を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ16は、スイッチング素子13−2についても同様に、ゲートに印加する電圧を制御する。
【0029】
制御回路17は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有し、電圧検出信号で示される送電コイル141に印加される交流電圧に応じて、電力供給回路11の動作周波数、すなわち、電力供給回路11が送電共振回路14に供給する交流電力の動作周波数を調節する。
【0030】
そのために、本実施形態では、制御回路17は、スイッチング素子13−1とスイッチング素子13−2とが交互にオンとなり、かつ、動作周波数に対応する1周期内でスイッチング素子13−1がオンとなっている期間とスイッチング素子13−2がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子13−1及び13−2を制御する。なお、制御回路17は、スイッチング素子13−1とスイッチング素子13−2とが同時にオンとなり、直流電源12が短絡されることを防止するために、スイッチング素子13−1とスイッチング素子13−2のオン/オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。
【0031】
次に、受電装置20について説明する。
受電共振回路21は、受電コイル211と受電コンデンサ212とからなるLC共振回路である。受電コイル211の一端は受電コンデンサ212に接続され、受電コイル211の他端は共振周波数変更回路22を介して整流回路23に接続される。
【0032】
受電コイル211は、送電装置10の送電コイル141に流れる交流電流により生じる磁場と共鳴することで、送電コイル141と共振して、送電コイル141から電力を受電する。そして受電コイル211は、受電した電力を受電コンデンサ212を介して整流回路23へ出力する。なお、受電コイル211の巻き数と、送電装置10の送電コイル141の巻き数は同一でもよく、異なっていてもよい。また、受電共振回路21の共振周波数が送電装置10の送電共振回路14の共振周波数と等しくなるように、受電コイル211のインダクタンス及び受電コンデンサ212のキャパシタンスは設定されることが好ましい。
【0033】
受電コンデンサ212の一端は受電コイル211と接続され、受電コンデンサ212の他端は共振周波数変更回路22を介して整流回路23と接続される。そして受電コンデンサ212は、受電コイル211にて受電した電力を、共振周波数変更回路22を介して整流回路23へ出力する。
【0034】
共振周波数変更回路22は、第1変更スイッチ222がオンして受電コイル211及び受電コンデンサ212に第1変更コンデンサ221を並列接続させることにより、受電装置20の共振周波数を変更する。第1変更スイッチ222は、一例ではnチャネル型のMOSFETである。第1変更スイッチ222は、過電圧判定回路223からオン指示信号が入力される間にオンして、受電共振回路21と第1変更コンデンサ221との間を電気的に接続する。また、第1変更スイッチ222は、過電圧判定回路223からオン指示信号が入力されないときにオフして、受電共振回路21と第1変更コンデンサ221との間の電気的な接続を遮断する。第1変更コンデンサ221の一端は受電コンデンサの他端に接続されると共に、共振周波数変更回路22を介して整流回路23に接続され、第1変更コンデンサ221の他端は第1変更スイッチ222のドレインに接続される。第1変更スイッチ222のゲートは過電圧判定回路227に接続され、第1変更スイッチ222のソースは受電コイル211の他端及び整流回路23に接続される。第1変更スイッチ222のソースは接地される。
【0035】
過電圧判定回路223は、負荷回路電圧検出器25から負荷回路電圧信号が入力される。過電圧判定回路223は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧VLが所定の第1しきい値電圧以上であるとき、オン指示信号を第1変更スイッチ222に出力する。過電圧判定回路223は、オン指示信号を第1変更スイッチ222に出力すると、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧よりも低い第2しきい値電圧以下になるまで、オン指示信号を出力し続ける。過電圧判定回路223は、負荷回路電圧VLが所定の第2しきい値電圧以下になると、オン指示信号の出力を停止する。一例では、第1しきい値電圧は300[V]であり、第2しきい値電圧は100[V]である。
【0036】
整流回路23は受電コイル211及び受電コンデンサ212により受電された電力を整流し、平滑コンデンサ24は整流された電力を平滑化して、直流電力に変換して、負荷回路26に出力する。整流回路23は、例えば、全波整流回路と平滑コンデンサとを有する。第1整流ダイオード231のアノードは共振周波数変更回路22を介して受電コイル211の一端に接続され、第1整流ダイオード231のカソードは負荷回路26に接続される。第2整流ダイオード232のアノードは共振周波数変更回路22を介して受電コイルの他端に接続され、第2整流ダイオード232のカソードは受電コイル211の一端及び第1整流ダイオード231のアノードに接続される。
【0037】
負荷回路電圧検出器25の一端が負荷回路26の一端に接続され、負荷回路電圧検出器25の他端が負荷回路26の他端に接続される。負荷回路電圧検出器25は、負荷回路26に出力される負荷回路電圧を検出し、負荷回路電圧VLを示す負荷回路電圧信号を過電圧判定回路227に出力する。
【0038】
図2は、受電コンデンサの容量を変化させたときの負荷回路電圧VLの変化を示す図である。図2において、横軸は受電コンデンサ212の容量[F]を示し、縦軸は負荷回路電圧VLを任意単位で示す。
【0039】
受電コンデンサ212の容量が40[nF]のときの負荷回路電圧VLの大きさは、受電コンデンサ212の容量が100[pF]のときの負荷回路電圧VLの大きさの1/4程度である。受電コンデンサ212の容量をCrとし、第1変更コンデンサ221の容量をCcとすると、第1変更スイッチ222がオンしたときの合成容量Ctは、
【0040】
【数1】
【0041】
で示される。受電コンデンサ212の容量Crを100[pF]とし、第1変更コンデンサ221の容量Ccを20[nF]とすると、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧以上になり第1変更スイッチ222がオンしたときの合成容量Ctは略20[nF]になる。受電コンデンサ212の容量Crを100[pF]とし、第1変更コンデンサ221の容量Ccを20[nF]とすると、第1しきい値電圧以上になり第1変更スイッチ222がオンすることで負荷回路電圧VLの大きさを1/4程度にすることができる。
【0042】
図3(a)は、第1変更スイッチ222がオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図3(b)は、負荷回路26が比較的重いときに第1変更スイッチ222がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図3(c)は、負荷回路26が比較的軽いときに第1変更スイッチ222がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図3(b)に示す例では負荷回路26の抵抗が1[kΩ]であり、図3(c)に示す例では負荷回路26の抵抗が100[kΩ]である。図3(a)〜3(c)において、横軸は動作周波数[kHz]を示し、縦軸は負荷回路電圧VLを任意単位で示す。
【0043】
図3(a)に示すように、第1変更スイッチ222がオフした状態では動作周波数が80[kHz]程度で、負荷回路電圧VLが最大になる。一方、図3(b)及び3(c)に示すように、第1変更スイッチ222がオンした状態では負荷回路26の大きさにかかわらず、動作周波数が80[kHz]程度のときは、負荷回路電圧VLは低くなる。非接触給電装置1では、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧以上になるときに第1変更スイッチ222がオンして受電装置20の共振周波数を変化させることで、負荷回路電圧VLを低くすることができる。
【0044】
また、非接触給電装置1では、整流回路23は直列接続された第1整流ダイオード231及び第2整流ダイオード232により整流するため、80[kHz]を中心に比較的広い周波数帯に亘って負荷回路電圧VLを高くすることができる。
【0045】
図4は、第2実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【0046】
非接触給電装置2は、受電装置30が受電装置20の代わりに配置されることが、非接触給電装置1と相違する。受電装置30は、受電共振回路31及び共振周波数変更回路32が受電共振回路21及び共振周波数変更回路22の代わりに配置されることが受電装置20と相違する。受電共振回路31及び共振周波数変更回路32以外の非接触給電装置2の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置1の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0047】
受電共振回路31は、受電コンデンサ212が配置される位置が受電共振回路21と相違する。受電共振回路21では、受電コンデンサ212は受電コイル211と第1変更コンデンサ221との間に配置されるのに対し、受電共振回路31では、受電コンデンサ212は受電コイル211と第1変更スイッチとの間に配置される。
【0048】
共振周波数変更回路32は、第2変更コンデンサ224と第2変更スイッチ225を有することが共振周波数変更回路22と相違する。また、共振周波数変更回路32は、過電圧判定回路223の代わりに過電圧判定回路226が配置されることが共振周波数変更回路22と相違する。
【0049】
第2変更スイッチ225は、一例ではnチャネル型のMOSFETである。第2変更スイッチ225は、過電圧判定回路226からオン指示信号が入力される間にオンし、過電圧判定回路226からオン指示信号が入力されないときにオフする。第2変更コンデンサ224の一端は受電コイル211及び受電コンデンサ212の一端に接続され、第2変更コンデンサ224の他端は第2変更スイッチ225のドレインに接続される。第2変更スイッチ225のゲートは、過電圧判定回路227に接続される。第2変更スイッチ225のソースは、第1変更スイッチ222のソースと共に、受電コイル211の他端及び整流回路23に接続される。第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225のソースは、接地される。
【0050】
過電圧判定回路226は、過電圧判定回路223と同様に負荷回路電圧検出器25から負荷回路電圧信号が入力される。過電圧判定回路226は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧VLが所定の第1しきい値電圧以上であるとき、オン指示信号を第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225に出力する。過電圧判定回路223は、オン指示信号を第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225に出力すると、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧よりも低い第2しきい値電圧以下になるまで、オン指示信号を出力し続ける。過電圧判定回路223は、負荷回路電圧VLが所定の第2しきい値電圧以下になると、オン指示信号の出力を停止する。
【0051】
図5(a)は、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図5(b)は、負荷回路26が比較的重いときに第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図5(c)は、負荷回路26が比較的軽いときに第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図5(b)に示す例では負荷回路26の抵抗が1[kΩ]であり、図5(c)に示す例では負荷回路26の抵抗が100[kΩ]である。図5(a)〜5(c)において、横軸は動作周波数[kHz]を示し、縦軸は負荷回路電圧VLを任意単位で示す。
【0052】
図5(a)に示すように、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオフした状態では動作周波数が100[kHz]程度で、負荷回路電圧VLが最大になる。一方、図5(b)及び5(c)に示すように、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオンした状態では負荷回路26の大きさにかかわらず、動作周波数が100[kHz]程度のときは、負荷回路電圧VLは非常に低くなる。非接触給電装置2では、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧以上になるときに第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225がオンして受電装置20の共振周波数を非接触給電装置1以上に変化させることで、負荷回路電圧VLを低くすることができる。
【0053】
図6は、第3実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【0054】
非接触給電装置3は、送電装置40が送電装置10の代わりに配置されることが、非接触給電装置2と相違する。また、非接触給電装置3は、受電装置50が受電装置30の代わりに配置されることが、非接触給電装置2と更に相違する。送電装置40は、過電圧信号受信回路41が配置されることが送電装置10と相違する。また、送電装置40は、制御回路47が制御回路17の代わりに配置されることが送電装置10と更に相違する。受電装置50は、共振周波数変更回路52が共振周波数変更回路32の代わりに配置されることが受電装置30と相違する。共振周波数変更回路52は、過電圧判定回路227を過電圧判定回路226の代わりに有することが共振周波数変更回路32と相違する。共振周波数変更回路52は、過電圧信号送信回路228を有することが共振周波数変更回路32と更に相違する。過電圧判定回路227、過電圧信号送信回路228、過電圧信号受信回路41及び制御回路47以外の非接触給電装置3の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置2の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0055】
過電圧判定回路227は、過電圧判定回路226と同様な判定処理を実行する。過電圧判定回路227は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧VLが所定の第1しきい値電圧以上であるとき、負荷回路電圧VLが過電圧状態であることを示す過電圧信号を過電圧信号送信回路228に出力することが過電圧判定回路226と相違する。
【0056】
過電圧信号送信回路228は、過電圧信号受信回路41と無線通信可能な通信回路であり、一例では130〜135kHzの周波数帯で無線通信することによって、過電圧信号受信回路41と通信する。過電圧信号送信回路228は、過電圧判定回路227から入力された過電圧信号を過電圧信号受信回路41に送信する。
【0057】
過電圧信号受信回路41は、過電圧信号送信回路228から送信された過電圧信号を受信し、受信した過電圧信号を制御回路47に出力する。
【0058】
制御回路47は、制御回路17と同様に電力供給回路11が送電共振回路14に供給する交流電力の動作周波数を調節する。制御回路47は、過電圧信号受信回路41から過電圧信号が入力されたときに、スイッチング素子13−1とスイッチング素子13−2とが交互にオンする動作を間欠的にすることが制御回路17と相違する。
【0059】
図7(a)は過電圧信号が入力されたときに制御回路47からゲートドライバ16に出力される制御信号を示す図であり、図7(b)はスイッチング素子13−1のドレイン電流の一例を示す図である。図7(a)において、波形701は制御回路47からゲートドライバ16に出力される制御信号を示す。図7(b)において、波形702はスイッチング素子13−1のソースとドレインとの間を流れる電流を示す。
【0060】
図7に示す例では、制御回路47は、過電圧信号が入力されたときにスイッチング素子13−1及び13−2を1秒当たり100回オンオフするように制御するため、送電装置40から受電装置50に送電される電力は、大幅に減少する。スイッチング素子13−1及び13−2を1秒当たり100回オンオフするとき、スイッチング素子13−1及び13−2が130kHzでオンオフするときと比較して、送電電力は、1/1300にすることができる。
【0061】
図8は、第4実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【0062】
非接触給電装置4は、送電装置60が送電装置40の代わりに配置されることが、非接触給電装置3と相違する。送電装置60は、補助コンデンサ61、電流検出抵抗62及び送電電流検出回路63が配置されることが送電装置40と相違する。また、送電装置60は、制御回路67が制御回路47の代わりに配置されることが送電装置40と更に相違する。補助コンデンサ61、電流検出抵抗62、送電電流検出回路63及び制御回路67以外の非接触給電装置4の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置3の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0063】
補助コンデンサ61は送電コンデンサ142に並列接続され、好ましくは送電コンデンサ142の容量よりも小さい容量を有する。電流検出抵抗62は、補助コンデンサ61に直列接続される。送電電流検出回路63は、電流検出抵抗62に流れる送電電流を検出し、検出した送電電流を示す送電電流信号を制御回路67に出力する。
【0064】
制御回路67は、送電電流信号に対応する送電電流が所定のしきい値電流以上にならないように、各スイッチング素子13−1及び13−2の動作周波数を制御する制御信号をゲートドライバ16に出力する。
【0065】
また、制御回路67は、非接触給電装置4がソフトスイッチング動作するように、送電電圧検出回路15が検出した送電電圧に基づいて、各スイッチング素子13−1及び13−2の動作周波数を制御する制御信号をゲートドライバ16に出力する。
【0066】
図9は、送電共振回路14及び受電共振回路31を含む送電回路100の等価回路図である。ここで、L1、L3は、それぞれ、送電側、受電側の漏れインダクタンスであり、L2は、相互インダクタンスである。送電コイル141及び受電コイル211の自己インダクタンスをL0、送電コイル141と受電コイル211間の結合度をkとすると、L1=L3=(1-k)L0、L2=kL0となる。例えば、L0=30.5μH、k=0.731028とすると、L1=L3=8.205μH、L2=22.3μHとなる。結合度kは、一般に、送電コイル141と受電コイル211間の距離が狭いほど、大きな値となる。この場合、Fパラメータ解析により表される、伝送行列A(f)は、次式で表される。
【0067】
【数2】
【0068】
ここで、fsは、電力供給回路11の動作周波数であり、s(f)=jω、ω=2πfである。C1、C2は、それぞれ、送電側、受電側のキャパシタンスである。R1、R2は、送電側、受電側のインピーダンスである。そしてRacは、負荷回路のインピーダンスである。
【0069】
図10は、図9に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。図10において、横軸は周波数を表し、縦軸は、インピーダンスを表す。なお、等価回路のインピーダンスは、2行2列で表される、(2)式の伝送行列A(f)における、左下の要素に対する左上の要素の比の絶対値として算出される。そしてグラフ300は、インピーダンスの周波数特性を表す。なお、グラフ300は、L0=30.5μH、k=0.731028とし、C1=C2=180nF、R1=R2=270mΩとして、(2)式に基づいて算出した。
【0070】
図10に示されるように、結合度kが上記のように比較的大きな値となる場合、インピーダンスの周波数特性は、送電共振回路14の共振周波数fsよりも小さい第1共振周波数fp1及び共振周波数fsよりも大きい第2共振周波数fp2における二つの極小値を持つ。すなわち、送電コイル141と受電コイル211とが共振する周波数が二つ存在し、各共振周波数においてインピーダンスが極小、すなわち、エネルギー伝送電力量が極大となる。送電共振回路14の共振周波数fsは、
【0071】
【数3】
【0072】
で示される。ここでLは送電コイル141のインダクタンスであり、Cは送電コンデンサ142のキャパシタンスである。また、第1共振周波数fp1及び第2共振周波数fp2は、
【0073】
【数4】
【0074】
【数5】
【0075】
で示される。ここでkは送電コイル141と受電コイル211との間の結合度である。
【0076】
送電装置60の送電共振回路14に供給される交流電力の動作周波数fsが、第1共振周波数fp1又は第2共振周波数fp2に近いほど、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下する。交流電力の動作周波数fsが第1共振周波数fp1又は第2共振周波数fp2に近づき、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下すると、送電コイル141から受電コイル211へ伝送されるエネルギー伝送電力量が大きくなる。そのため、送電共振回路14に供給される交流電力の動作周波数fsが、何れかの共振周波数に近いほど、受電側の受電コイル211の両端子間の交流電圧も高くなる。
【0077】
図10において、第1共振周波数fp1より高く且つ送電共振回路14の共振周波数fsよりも低い周波数領域、及び第2共振周波数fp2よりも高い周波数領域は、インダクタンス領域である。非接触給電装置1は、第1共振周波数fp1より高く且つ送電共振回路14の共振周波数fsよりも低い周波数領域、及び第2共振周波数fp2よりも高い周波数領域であるインダクタンス領域に含まれる動作周波数fsで動作する。リアクタンス領域は交流電圧よりも交流電流が遅れる領域であるので、交流電圧の位相が0度になりスイッチング素子13−1、13−2が切り替わるときに交流電流は負の値になる。スイッチング素子13−1、13−2が切り替わるときに交流電流が負の値になることで、非接触給電装置4は、ソフトスイッチングが可能になる。
【0078】
表1は、結合度kと第2共振周波数fp2との関係を示す表である。
【0079】
【表1】
【0080】
制御回路67は、起動時の動作周波数を第2共振周波数fp2よりも大きくすることで、送電される電力の利得を小さくする。例えば、結合度kの最大値が0.7のとき、第2共振周波数fp2の最大値は148.9[kHz]であるので、制御回路67は、起動時の動作周波を160[kHz]に設定してもよい。制御回路67が起動時の動作周波を160[kHz]に設定することで、非接触給電装置4は、送電される電力の利得を小さくすると共に、ソフトスイッチングが可能になる。
【0081】
図11は、第5実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【0082】
非接触給電装置5は、送電装置70が送電装置60の代わりに配置されることが、非接触給電装置4と相違する。また、受電装置80が受電装置50の代わりに配置されることが、非接触給電装置4と更に相違する。送電装置70は、識別信号受信回路71が配置されることが送電装置60と相違する。また、送電装置70は、制御回路77が制御回路67の代わりに配置されることが送電装置60と更に相違する。受電装置80は、識別信号送信回路81が配置されることが受電装置50と相違する。識別信号受信回路71及び識別信号送信回路81以外の非接触給電装置5の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置4の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0083】
識別信号受信回路71は、受電装置80の識別番号を示す識別信号を、識別信号送信回路81から受信する。識別信号送信回路81は、一例ではRFIDであり、識別信号を識別信号受信回路71に送信する。
【0084】
制御回路77は、送電装置70と受電装置80とが近接して配置されていない状態では、スイッチング素子13−1及び13−2が交互にオンする動作を間欠的にする制御信号をゲートドライバ16に出力する。送電電圧は、スイッチング素子13−1及び13−2が所定の動作周波数で交互にオンする間は所定の大きさになるが、スイッチング素子13−1及び13−2がオンしない間はゼロになる。送電装置70と受電装置80とが近接して配置されていない状態ではスイッチング素子13−1及び13−2が交互にオンする動作は、間欠的であるので、送電装置70の消費電力は低減される。
【0085】
図12は、識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置70に近接して配置された状態のタイミングチャートである。図12において、波形1201は制御回路77からゲートドライバ16に出力される制御信号を示し、波形1202は送電電圧検出回路15が検出する送電電圧を示し、波形1203は識別番号を有さない不図示の受電装置の負荷回路電圧を示す。
【0086】
識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置70に近接して配置された状態では、制御回路77は、識別番号を示す識別信号が入力されない。制御回路77は、識別番号を示す識別信号が入力されないので、スイッチング素子13−1及び13−2が交互にオンする動作を間欠的にする制御信号をゲートドライバ16に出力する。識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置70に近接して配置された状態ではスイッチング素子13−1及び13−2が交互にオンする動作は、間欠的であるので、識別番号を有さない不図示の受電装置が受電する、すなわち盗電される電力は低減される。
【0087】
図13(a)は、送電コイル141と受電コイル211との間の結合度kが0.3のときのタイミングチャートである。図13(b)は、図13(a)に示す状態において送電電流検出回路63が検出する送電電流と負荷回路電圧検出器25が検出する負荷回路電圧VLとの測定値の一例を示す図である。図13(a)において、波形1301は制御回路77からゲートドライバ16に出力される制御信号を示し、波形1302は送電電圧検出回路15が検出する送電電圧を示し、波形1303は負荷回路電圧検出器25が検出する負荷回路電圧VLを示す。図13(b)において、波形1304は送電電流検出回路63が検出する送電電流を示し、形1305は負荷回路電圧検出器25が検出する負荷回路電圧VLを示す。
【0088】
時間t131において、受電装置80が送電装置70に近接して配置されると、識別信号送信回路81は識別信号を識別信号受信回路71に送信し、識別信号受信回路71は受信した識別信号を制御回路77に出力する。制御回路77は、識別信号に対応する識別番号を参照し、受電装置80が正規の受電装置であることを認証する。制御回路77は、受電装置80が正規の受電装置であることを認証すると、スイッチング素子13−1及び13−2が所定の交互にオンする制御信号をゲートドライバ16に出力する。図13に示す例では、動作周波数は130[kHz]であり、送電電流は1.6[A]であり、負荷回路電圧VLは150[V]である。
【0089】
図14は、図13に示す状態から受電装置80が送電装置70に更に近接して結合度kが0.3から0.5に変化する状態のタイミングチャートである。図14において、波形1401は制御回路77からゲートドライバ16に出力される制御信号を示し、波形1402は負荷回路電圧検出器25が検出する負荷回路電圧VLを示す。
【0090】
時間t141において、受電装置80が送電装置70に近接して結合度kが大きくなると、表1に示すように第2共振周波数fp2は高周波数側にシフトする。第2共振周波数fp2が高周波数側にシフトすると、送電電圧検出回路15が検出する送電電圧及び送電電流検出回路63が検出する送電電流が増加する。制御回路77は、送電電圧検出回路15が検出する送電電圧及び送電電流検出回路63が検出する送電電流が所望の値になるように、制御信号を調整する。
【0091】
図15は、図14に示す状態から受電装置80の負荷回路26の負荷27の大きさが軽くなる状態のタイミングチャートである。図15において、波形1501は制御回路77からゲートドライバ16に出力される制御信号を示し、波形1502は負荷回路電圧検出器25が検出する負荷回路電圧VLを示し、波形1503は負荷27の大きさを示す。また、波形1504は、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225のゲート電圧を示す。図15に示す例において、第1しきい値電圧は300[V]であり、第2しきい値電圧は100[V]である。
【0092】
時間t151において、負荷27の大きさが軽くなると、負荷回路電圧VLは280[V]から急激に上昇する。時間t152において、負荷回路電圧VLが第1しきい値電圧である300[V]に達すると、過電圧判定回路223は、オン指示信号を第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225に出力する。オン指示信号が入力されると、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225のゲート電圧はオン電圧以上になり、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225はオンして受電装置80の共振周波数は変化する。また、制御回路77は、過電圧判定回路227から過電圧信号送信回路228及び過電圧信号受信回路41を介して過電圧信号が入力される。制御回路77は、過電圧信号受信回路41から過電圧信号が入力されると、スイッチング素子13−1とスイッチング素子13−2とが交互にオンする動作を間欠的にする。受電装置80の共振周波数が変化すると負荷回路電圧VLは低下する。負荷回路電圧VLが第2しきい値電圧である100[V]まで低下すると、過電圧判定回路223は、オン指示信号の出力を停止する。
【0093】
実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置の負荷回路の電圧を示す負荷回路電圧が第1しきい値電圧以上になるときに受電装置の共振周波数を変化させることで、負荷回路電圧を低くして負荷回路電圧が過電圧になることを防止することができる。すなわち、実施形態に係る非接触給電装置は、第1変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより給電時の電圧利得を落とすことができる。
【0094】
また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電コンデンサと負荷回路との間に第1変更コンデンサ及び第1変更スイッチが配置されるので、第1変更スイッチがオンしたときの受電装置の共振周波数の変化量を大きくすることができる。
【0095】
図16は、受電コイルと受電コンデンサとの間に第1変更コンデンサ及び第1変更スイッチが配置された非接触給電装置の概略構成図である。
【0096】
非接触給電装置6は、受電装置20の代わりに受電装置90が配置されることが非接触給電装置1と相違する。受電装置90は、共振周波数変更回路22が受電コイル211と受電コンデンサ212との間に配置されることが受電装置90と相違する。共振周波数変更回路22の位置以外の非接触給電装置6の構成は、非接触給電装置1の構成と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0097】
図17(a)は、第1変更スイッチ222がオンしたときの送電共振回路14、受電共振回路21及び共振周波数変更回路22を含む非接触給電装置1の送電回路の等価回路図である。図17(b)は、第1変更スイッチ222がオンしたときの送電共振回路14、受電コイル211、受電コンデンサ212及び共振周波数変更回路22を含む非接触給電装置6の送電回路の等価回路図である。
【0098】
図17(a)及び17(b)において、L1、L3は、それぞれ、送電側、受電側の漏れインダクタンスであり、L2は、相互インダクタンスである。送電コイル141及び受電コイル211の自己インダクタンスをL0、送電コイル141と受電コイル211間の結合度をkとすると、L1=L3=(1-k)L0、L2=kL0となる。例えば、L0=30.5μH、k=0.731028とすると、L1=L3=8.205μH、L2=22.3μHとなる。
【0099】
非接触給電装置1の第1変更スイッチ222がオンしたときの送電回路の伝送行列A(f)は、次式で表される。
【0100】
【数6】
【0101】
一方、非接触給電装置6の第1変更スイッチ222がオンしたときの送電回路の伝送行列A(f)は、次式で表される。
【0102】
【数7】
【0103】
ここで、fsは、電力供給回路11の動作周波数であり、s(f)=jω、ω=2πfである。C1、C2は、それぞれ、送電側、受電側のキャパシタンスである。C3は、第1変更コンデンサのキャパシタンスである。R1、R2は、送電側、受電側のインピーダンスである。
【0104】
図18(a)は、非接触給電装置6において、負荷回路26が比較的重いときに第1変更スイッチ222がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図18(b)は、非接触給電装置6において、負荷回路26が比較的軽いときに第1変更スイッチ222がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧VLとの関係を示す図である。図18(a)に示す例では負荷回路26の抵抗が1[kΩ]であり、図18(b)に示す例では負荷回路26の抵抗が100[kΩ]である。図18(a)〜18(b)において、横軸は動作周波数[kHz]を示し、縦軸は負荷回路電圧VLを任意単位で示す。
【0105】
図3(b)及び3(c)に示すように、非接触給電装置1では、負荷回路26の大きさにかかわらず、図18(a)及び18(b)に示す非接触給電装置6の場合と比較して、第1変更スイッチ222がオンした状態の共振周波数の変化が大きい。
【0106】
また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置の共振周波数を変化させるためにオンオフされる変更スイッチの一端は接地されるので、変更スイッチをMOSFETとして場合にゲート電圧の制御が容易である。
【0107】
また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置に送電された電力は、直列接続された一対のダイオードにより整流されるので、比較的広い周波数帯に亘って負荷回路電圧を高くすることができる。
【0108】
また、第2実施形態に係る非接触給電装置は、受電コンデンサに並列接続可能な第2変更コンデンサを有するので、負荷回路電圧が第1しきい値電圧に達したときに受電装置の共振周波数を大きく変化させることで、負荷回路電圧を低くすることができる。
【0109】
また、第3実施形態に係る非接触給電装置は、負荷回路電圧が第1しきい値電圧に達したときに送電装置のスイッチング動作を間欠的にすることで、負荷回路電圧をより確実に低下させることができる。
【0110】
また、第4実施形態に係る非接触給電装置は、送電装置の制御回路が送電電圧及び送電電流に応じてスイッチング素子の動作周波数を変更することができるので、結合度が変化した場合でも負荷回路電圧が過電圧状態になることを防止できる。また、第4実施形態に係る非接触給電装置では、送電装置の制御回路が送電電圧及び送電電流に応じてスイッチング素子の動作周波数を変更することができるので、ソフトスイッチング動作することができる。
【0111】
また、第5実施形態に係る非接触給電装置では、送電装置は、受電装置の識別番号を参照して受電装置が正規の受電装置であることを認証するまでスイッチング動作を間欠的にするので、識別番号を有さない受電装置に送電する電力の大きさを小さくできる。
【0112】
非接触給電装置1〜6において、第1変更スイッチ222及び第2変更スイッチ225は、MOSFETで構成される。しかしながら、実施形態に係る非接触給電装置では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の高速スイッチング動作可能な他の素子により第1変更スイッチ及び第2変更スイッチを構成してもよい。
【0113】
このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【0114】
1〜6 非接触給電装置
10、40、60、70 送電装置
11 電力供給回路
12 直流電源
13−1及び13−2 スイッチング素子
14 送電共振回路
141 送電コイル
142 送電コンデンサ
15 送電電圧検出回路
16 ゲートドライバ
17、47、67、77 制御回路
20、30、50、80、90 受電装置
21、31 受電共振回路
211 受電コイル
212 受電コンデンサ
22、32、52 共振周波数変更回路
221 第1変更コンデンサ
222 第1変更スイッチ
223、226、227 過電圧判定回路
224 第2変更コンデンサ
225 第2変更スイッチ
23 整流回路
24 平滑コンデンサ
25 負荷回路電圧検出器
26 負荷回路
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18