特許 7408952 非接触給電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-25

(45)【発行日】2024-01-09

(54)【発明の名称】非接触給電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20231226BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20231226BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

H02J50/80

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019156015

(22)【出願日】2019-08-28

(65)【公開番号】P2021035267

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-06-07

(73)【特許権者】

【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】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(72)【発明者】

【氏名】今澤 孝則

(72)【発明者】

【氏名】中尾 悟朗

【審査官】北村 智彦

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／０４２２２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１７－５１１１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４８６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１１２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－００２６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０２７０８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

Ｈ０２Ｊ ５０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送電装置と、前記送電装置から非接触で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、
受信コイルと、前記受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有し、前記送電装置から電力を受信する共振回路と、
前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、
前記整流回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
前記出力電圧の測定値を含む信号を前記送電装置へ送信する第１の通信器とを有し、
前記送電装置は、
前記受信コイルを介して前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
直流電力を供給する電源と前記送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンとオフとが所定の周波数にて切り替えられることで前記電源から供給される直流電力を、前記所定の周波数を持つ交流電力に変換して前記送信コイルへ供給する電力供給回路と、
前記送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、
前記補助コイルと接続され、かつ、調整可能な静電容量を持つ可変容量回路と、
前記出力電圧の測定値を含む信号を前記受電装置から受信する第２の通信器と、
前記出力電圧の測定値に応じて、前記可変容量回路の静電容量を制御する制御回路と、
を有し、
前記送電装置の前記制御回路は、前記出力電圧の測定値が所定の下限閾値未満になるか、あるいは、前記所定の下限閾値よりも高い所定の上限閾値を超えると、前記可変容量回路の現在の静電容量と変更後の静電容量との関係を表す参照テーブルを参照して、前記現在の静電容量に対応する前記変更後の静電容量となるよう、前記可変容量回路を制御する、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】

このような非接触給電技術の一つとして、二次（受電）側コイルのみに共振回路を構成し、共振回路に流れる共振電流の位相情報を検出し、この位相情報に基づいて、一次（送電）側コイルに流れる駆動電流の電流位相が電圧位相よりもわずかに遅延するように駆動周波数を定めて一次コイルを駆動する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。またこの技術では、二次コイルの漏れインダクタンスと共振コンデンサのキャパシタンスと等価負荷抵抗で決定されるQ値が、Q=2/k²(kは結合係数)で定まる値以上の値に設定される。この技術によれば、一次コイルでの発熱が抑制されるとともに、一次コイルの側から見た力率の最も良い周波数が駆動周波数として自動的に選択可能となる。また、銅損とスイッチング損失がともに軽減される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１５／１７３８５０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の技術では、適切な駆動周波数を設定するために、Q値を高くすることが求められる。Ｑ値を高くするためには、受電側のコイルのインダクタンスを高くする必要があり、そのために、受電側のコイルを大型化することが求められる。その結果として、装置全体が大型化してしまう。

【0006】

そこで、本発明は、簡単な構成で電力伝送効率を向上することが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】

【0007】

本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で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。この非接触給電装置において、受電装置は、受信コイルと、受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有し、送電装置から電力を受信する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、整流回路から出力される電力の出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値を含む信号を送電装置へ送信する第１の通信器とを有する。送電装置は、受信コイルを介して受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電力を供給する電源と送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンとオフとが所定の周波数にて切り替えられることで電源から供給される直流電力を、所定の周波数を持つ交流電力に変換して送信コイルへ供給する電力供給回路と、送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルと、補助コイルと接続され、かつ、調整可能な静電容量を持つ可変容量回路と、出力電圧の測定値を含む信号を受電装置から受信する第２の通信器と、出力電圧の測定値に応じて、可変容量回路の静電容量を制御する制御回路とを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、簡単な構成で電力伝送効率を向上することができる。

【0008】

この非接触給電装置において、送電装置の制御回路は、出力電圧の測定値が所定の下限閾値未満になるか、あるいは、所定の下限閾値よりも高い所定の上限閾値を超えると、可変容量回路の現在の静電容量と変更後の静電容量との関係を表す参照テーブルを参照して、現在の静電容量に対応する変更後の静電容量となるよう、可変容量回路を制御することが好ましい。
これにより、この非接触給電装置は、電力供給回路の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、そのスイッチング素子に流れる電流の波高値を抑制できるので、各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減することができる。さらに、この非接触給電装置は、補助コイルに流れる電流の実効値が高くなり過ぎることを抑制して、補助コイルに流れる電流による導通ロスを軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一つの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】インバータ回路の他の一例を示す図である。

【図3】（ａ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度よりも小さい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。（ｂ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度と等しい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。（ｃ）は、送信コイルと補助コイル間の結合度が送信コイルと受信コイル間の結合度よりも大きい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。

【図4】シミュレーションによる、可変容量回路の静電容量と、インバータ回路の各スイッチング素子に流れる電流及び補助コイルに流れる電流の関係の一例を示す図である。

【図5】シミュレーションによる、送電装置がＬＣ回路を有さない場合における、送信コイルと受信コイル間の結合度と、受電装置から出力される出力電圧と、インバータ回路のスイッチング素子に流れる電流の関係の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。
本発明による非接触給電装置では、送電側の装置（以下、単に送電装置と呼ぶ）が、送電用のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）と電磁結合可能に配置される補助コイル及び補助コイルと接続される可変容量回路により構成されるＬＣ回路と、可変容量回路の静電容量を制御する制御回路とを有する。一方、受電側の装置（以下、受電装置と呼ぶ）は、共振回路に含まれる、受電用のコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）を介して送電装置から受電した電力による出力電圧を測定し、出力電圧の測定値を送電装置へ送信する。出力電圧は、送信コイルと受信コイル間の結合度に応じて変化し、かつ、その結合度に応じて、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量が変化する。そこで、送電装置の制御回路は、受電装置から受信した、出力電圧の測定値に基づいて、可変容量回路の静電容量を制御する。これにより、この非接触給電装置は、電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量にして、電力伝送効率を向上する。また、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路のＱ値を高くしなくてもよいので、その共振回路に含まれる、受信コイルを大型化しなくてもよく、その結果として、装置全体を簡単化できる。

【0011】

図１は、本発明の一つの実施形態に係る送電装置を含む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２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１３と、補助コイル１４と、可変容量回路１５と、通信器１６と、制御回路１７とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２とにより構成される共振回路２０と、整流平滑回路２３と、電圧検出回路２４と、通信器２５とを有する。本実施形態による非接触給電装置１は、送電側の共振を利用せず、送信コイル１３に供給された交流電力に対して受電側の共振回路２０が直列共振する方式（ＮＳ方式）に従って電力を伝送する。なお、非接触給電装置１は、送電側の共振を利用せず、送信コイル１３に供給された交流電力に対して受電側の共振回路２０が並列共振する方式（ＮＰ方式）に従って電力を伝送してもよい。

【0012】

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、交流電力を送信コイル１３へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、インバータ回路１２とを有する。

【0013】

電源１１は、直流電力を供給する。そのために、電源１１は、例えば、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整流するための全波整流回路と、全波整流回路から出力される脈流電力を平滑化するための平滑コンデンサとを有する。そして電源１１は、商用の交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をインバータ回路１２へ出力する。なお、電源１１は、バッテリのような直流電源であってもよい。

【0014】

インバータ回路１２は、電源１１から供給された直流電力を、所定の周波数を持つ交流電力に変換し、変換された交流電力を送信コイル１３へ供給する。なお、所定の周波数は、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度において受電装置３の共振回路２０が共振する周波数とすることができる。本実施形態では、インバータ回路１２は、４個のスイッチング素子１２ａ～１２ｄがフルブリッジ状に接続されるフルブリッジインバータである。また、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。

【0015】

すなわち、４個のスイッチング素子１２ａ～１２ｄのうち、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂは、電源１１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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１２ａが接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１２ｂが接続される。同様に、４個のスイッチング素子１２ａ～１２ｄのうち、スイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄは、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｂと並列に、かつ、電源１１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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１２ｃが接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１２ｄが接続される。そしてスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの間に、送信コイル１３の一端が接続され、スイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｄの間に、送信コイル１３の他端が接続される。

【0016】

図２に示されるように、インバータ回路１２は、電源１１に対して２個のスイッチング素子１２ａ及び１２ｂがハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジインバータであってもよい。この場合には、送信コイル１３の一端は、コンデンサ１２ｅを介してスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂの間に接続され、送信コイル１３の他端は接地されればよい。

【0017】

なお、送電装置２は、さらに、電源１１とインバータ回路１２との間に、ＤＣ－ＤＣコンバータ（図示せず）を有してもよい。

【0018】

送信コイル１３は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の受信コイル２１へ伝送する。なお、送電装置２は、送信コイル１３と電力供給回路１０のインバータ回路１２との間に、送信コイル１３と直列に接続され、かつ、直流電力を遮断するためのコンデンサを有してもよい。

【0019】

補助コイル１４は、送信コイル１３と電磁結合可能に配置される。そのために、補助コイル１４は、例えば、送信コイル１３と同じ軸心に巻き付けられる。なお、補助コイル１４の巻き数は、送信コイル１３の巻き数と同じでもよく、あるいは、異なっていてもよい。そして補助コイル１４は、可変容量回路１５とともに、送信コイル１３に供給される交流電力に作用して、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ～１２ｄについて、そのスイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、そのスイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量にする。これにより、各スイッチング素子１２ａ～１２ｄがターンオフされる際のそのスイッチング素子に流れる電流の波高値が０に近付く。そのため、各スイッチング素子１２ａ～１２ｄによるスイッチングロスが軽減される。

【0020】

可変容量回路１５は、調整可能な静電容量を持ち、補助コイル１４と接続され、補助コイル１４とともに、位相調整回路の一例であるＬＣ回路（以下、単にＬＣ回路と呼ぶことがある）を構成する。そして補助コイル１４と可変容量回路１５とにより構成されるＬＣ回路、すなわち、位相調整回路は、各スイッチング素子１２ａ～１２ｄについて、そのスイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、そのスイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量にする。なお、補助コイル１４と可変容量回路１５により構成されるＬＣ回路の共振周波数は、送信コイル１３へ供給される交流電力の周波数と異なっていてもよい。すなわち、補助コイル１４と可変容量回路１５により構成されるＬＣ回路は、送信コイル１３に流れる交流電流に対して共振しなくてもよい。

【0021】

本実施形態では、可変容量回路１５は、補助コイル１４に対して互いに並列に接続される複数のコンデンサ１５１－１～１５１－ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎとを有する。そしてコンデンサ１５１－ｋ(k=1,2,…,n)とスイッチング素子１５２－ｋとは直列に接続される。なお、複数のコンデンサ１５１－１～１５１－ｎの何れかは、スイッチング素子を介さずに補助コイル１４と接続されてもよい。

【0022】

複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎのそれぞれは、例えば、リレーあるいはnチャネル型のMOSFETとすることができる。各スイッチング素子がnチャネル型のMOSFETである場合、各スイッチング素子のドレイン端子は、対応するコンデンサを介して補助コイル１４の一端と接続され、各スイッチング素子のソース端子は、補助コイル１４の他端と接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、制御回路１７と接続される。

【0023】

複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎは、それぞれ、制御回路１７により、オン／オフが切り替えられる。そして複数のコンデンサ１５１－１～１５１－ｎのうち、オンとなったスイッチング素子と直列に接続されるコンデンサがＬＣ回路の動作に寄与する。すなわち、複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎのうち、オンとなるスイッチング素子の数が増えるほど、可変容量回路１５の静電容量は増加する。したがって、ＬＣ回路に流れる電流の実効値が増加する。ＬＣ回路に流れる電流の位相は、送信コイル１３に印加される電圧の位相に対して進んでいるため、ＬＣ回路に流れる電流の実効値が増加するほど、電力供給回路１０のインバータ回路１２に流れる電流の位相に対する、ＬＣ回路に流れる電流による影響が大きくなる。その結果として、インバータ回路１２が有する各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量が少なくなる。

【0024】

通信器１６は、受電装置３の通信器２５から無線信号を受信する度に、その無線信号から、出力電圧の測定値を表す電圧情報を取り出して、制御回路１７へ出力する。そのために、通信器１６は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

【0025】

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、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ～１２ｄ、及び、可変容量回路１５の各スイッチング素子１５２－１～１５２－ｎへの制御信号を出力するための駆動回路とを有する。そして制御回路１７は、電力供給回路１０から送信コイル１３に供給される交流電力の周波数が所定の周波数となるように、インバータ回路１２の各スイッチング素子１２ａ～１２ｄを制御する。なお、所定の周波数は、上記のように、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度において受電装置３の共振回路２０が共振する周波数とすることができる。

【0026】

本実施形態では、制御回路１７は、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃの組とを交互にオンにする。さらに、制御回路１７は、送信コイル１３に供給される交流電力の周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組がオンとなっている期間とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃの組がオンとなっている期間とを等しくする。なお、制御回路１７は、スイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃの組が同時にオンとなり、電源１１が短絡されることを防止することが好ましい。そのために、制御回路１７がスイッチング素子１２ａ及びスイッチング素子１２ｄの組とスイッチング素子１２ｂ及びスイッチング素子１２ｃの組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。また、インバータ回路１２が、図２に示されるハーフブリッジインバータである場合には、制御回路１７は、送信コイル１３に供給される交流電力の周波数にて、スイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｂとを交互にオンにすればよい。

【0027】

さらに、制御回路１７は、電圧情報に表された、出力電圧の測定値に基づいて、可変容量回路１５の静電容量を制御する。なお、可変容量回路１５の静電容量の制御の詳細については後述する。

【0028】

次に、受電装置３について説明する。
受信コイル２１は、共振コンデンサ２２とともに共振回路２０を構成し、送電装置２の送信コイル１３に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１３から電力を受信する。本実施形態では、共振コンデンサ２２は、受信コイル２１と直列に接続されるが、共振コンデンサ２２は、受信コイル２１と並列に接続されてもよい。また、共振回路２０には、受信コイル２１と整流平滑回路２３との間に受信コイル２１と直列に接続されるコイルが設けられてもよい。そして共振回路２０から出力される交流電力は、整流平滑回路２３により直流電力に変換されてから、受電装置３と接続される負荷回路（図示せず）へ出力される。なお、受信コイル２１の巻き数と、送信コイル１３の巻き数は同じでもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。

【0029】

整流平滑回路２３は、整流回路の一例であり、例えば、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路と平滑コンデンサとを有し、共振回路２０から出力された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２３は、その直流電力を、負荷回路に出力する。

【0030】

電圧検出回路２４は、整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧を測定する。整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に共振回路２０の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２４は、例えば、直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。そして電圧検出回路２４は、その出力電圧の測定値を表す電圧情報を通信器２５へ出力する。

【0031】

通信器２５は、所定の送信周期ごとに、電圧検出回路２４から受け取った電圧情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の通信器１６へ向けて送信する。そのために、通信器２５は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、通信器１６と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

【0032】

以下、非接触給電装置１の動作の詳細、及び、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減するための、送電装置２の各回路素子のパラメータ設定及び各コイル間の結合度の関係について説明する。

【0033】

本実施形態では、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度が低い場合、例えば、受電装置３が送電装置２から受電不可能なほど離れている場合、送信コイル１３に流れる電流の位相は、電力供給回路１０のインバータ回路１２の各スイッチング素子に印加される電圧の位相よりも遅れる。また、受電装置３に接続される負荷回路に流れる電流が少ない場合も同様となる。そこで、補助コイル１４のインダクタンス及び可変容量回路１５の静電容量は、補助コイル１４と可変容量回路１５により構成されるＬＣ回路に流れる電流の位相が電力供給回路１０の各スイッチング素子に印加される電圧の位相よりも進むように設定されることが好ましい。そのために、補助コイル１４のインダクタンス及び可変容量回路１５の静電容量は、ＬＣ回路の共振周波数が送信コイル１３に供給される交流電力の周波数よりも高くなるように設定されることが好ましい。

【0034】

また、補助コイル１４のインダクタンスは大きいほど好ましい。これは、補助コイル１４のインダクタンスが大きいほど、ＬＣ回路に流れる電流が減少するためである。例えば、補助コイル１４のインダクタンスは、送信コイル１３に流れる電流のうちの共振回路２０に接続される負荷回路の負荷に依存しない励磁電流成分よりもＬＣ回路に流れる電流が小さくなるように設定されることが好ましい。すなわち、補助コイル１４のインダクタンスは、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxに、送信コイル１３と受信コイル２１とが電磁結合する場合の送電側の自己インダクタンスを乗じた値よりも大きいことが好ましい。

【0035】

さらに、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が、送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxよりも高くなるように、送信コイル１３及び補助コイル１４は配置されることが好ましい。例えば、送信コイル１３と補助コイル１４とは、同じ軸心に巻き付けられ、かつ、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値kmaxよりも高くなる程度の間隔を空けて配置されればよい。これにより、送信コイル１３に印加される電圧の位相に対する、送信コイル１３に流れる電流の位相の遅れが小さくなり、その結果として、インバータ回路１２の各スイッチング素子がターンオフされるときの電流の波高値を低下させることが容易となる。

【0036】

図３（ａ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度よりも小さい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。図３（ｂ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度と等しい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。図３（ｃ）は、シミュレーションによる、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度が送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度よりも大きい場合における、各スイッチング素子に流れる電流の一例を示す図である。

【0037】

図３（ａ）～図３（ｃ）に示されるシミュレーションにおいて、インバータ回路１２は、図２に示される、ハーフブリッジインバータであるとした。また、送信コイル１３のインダクタンスを91μHとし、コンデンサ１２ｅの静電容量を220nFとした。また、補助コイル１４のインダクタンスを100μHとし、可変容量回路１５の静電容量を30nFとした。さらに、受信コイル２１のインダクタンスを121μFとし、共振コンデンサ２２の静電容量を60nFとした。さらに、受電装置３と接続される負荷回路の抵抗値Roを10Ωとした。また、図３（ａ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13を0.1とし、補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23を0.2とした。さらに、図３（ｂ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13、補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23の何れも0.2とした。さらに、図３（ｃ）に示されるシミュレーションでは、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12及び補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度k23を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13を0.7とした。

【0038】

図３（ａ）～図３（ｃ）のそれぞれのグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。さらに時刻t1及びt2は、スイッチング素子１２ａがターンオフされるタイミングを表す。図３（ａ）において、波形３０１は、結合度k12が結合度k13よりも大きい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。同様に、図３（ｂ）において、波形３１１は、結合度k12が結合度k13と等しい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。そして、図３（ｃ）において、波形３２１は、結合度k12が結合度k13よりも小さい場合における、スイッチング素子１２ａに流れる電流の波形を表す。

【0039】

波形３０１、３１１及び３２１に示されるように、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度k12に対して、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度k13が大きくなるほど、インバータ回路１２のスイッチング素子のターンオフ時における電流の波高値、及び、スイッチング素子に流れる電流の実効値が低下することが分かる。このことから、結合度k12よりも結合度k13が大きくなることが好ましいことが分かる。

【0040】

図４は、シミュレーションによる、可変容量回路１５の静電容量と、インバータ回路１２の各スイッチング素子に流れる電流及び補助コイル１４に流れる電流の関係の一例を示す図である。図４に示されるシミュレーションにおいて、可変容量回路１５の静電容量以外の各回路素子のパラメータ値は、図３（ａ）～図３（ｃ）のシミュレーションにおけるパラメータ値と同じとした。また、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度及び補助コイル１４と受信コイル２１間の結合度を0.2とし、送信コイル１３と補助コイル１４間の結合度を0.7とした。

【0041】

図４の各グラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。さらに時刻t1は、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングを表す。上側のグラフに示される波形４０１～４０５は、それぞれ、可変容量回路１５の静電容量を30nFから順に2nFずつ増加させたときのスイッチング素子１２ｂに流れる電流の波形を表す。下側のグラフに示される波形４１１～４１５は、それぞれ、可変容量回路１５の静電容量を30nFから順に2nFずつ増加させたときの補助コイル１４に流れる電流の波形を表す。

【0042】

波形４０１～４０５に示されるように、可変容量回路１５の静電容量が増加するほど、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングにおける、スイッチング素子１２ｂに流れる電流の波高値が低下することが分かる。一方、波形４１１～４１５に示されるように、可変容量回路１５の静電容量が増加するほど、補助コイル１４に流れる電流の実効値が上昇することが分かる。

【0043】

図５は、シミュレーションによる、送電装置２がＬＣ回路を有さない場合における、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度と、受電装置３から出力される出力電圧と、インバータ回路１２のスイッチング素子１２ｂに流れる電流の関係の一例を示す図である。図５に示されるシミュレーションにおいて、補助コイル１４及び可変容量回路１５が省略される以外の各回路素子のパラメータ値は、図３（ａ）～図３（ｃ）のシミュレーションにおけるパラメータ値と同じとした。

【0044】

図５の各グラフにおいて、横軸は時間を表す。また、図５の上側のグラフにおいて、縦軸は電流量を表し、下側のグラフにおいて、縦軸は電圧を表す。さらに時刻t1は、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングを表す。上側のグラフに示される波形５０１～５０５は、それぞれ、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度を0.1から0.1ずつ増加させたときのスイッチング素子１２ｂに流れる電流の波形を表す。下側のグラフに示される波形５１１～５１５は、それぞれ、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度を0.1から0.1ずつ増加させたときの受電装置３から出力される出力電圧の波形を表す。

【0045】

波形５０１～５０５に示されるように、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度が低下するほど、スイッチング素子１２ｂに印加される電圧の位相に対する、スイッチング素子１２ｂに流れる電流の位相の遅れが大きくなる。そのため、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度が低下するほど、スイッチング素子１２ｂに流れる電流の実効値が大きくなるとともに、スイッチング素子１２ｂがターンオフされるタイミングにおける、スイッチング素子１２ｂに流れる電流の波高値が高くなる。一方、波形５１１～５１５に示されるように、送信コイル１３と受信コイル２１間の結合度の変化に伴って、受電装置３からの出力電圧も変化する。

【0046】

このことから、インバータ回路１２の各スイッチング素子に流れる電流の実効値を低下させ、かつ、インバータ回路１２の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにける、各スイッチング素子に流れる電流の波高値を低下させるためには、受電装置３からの出力電圧に応じて、可変容量回路１５の静電容量を変化させればよいことが分かる。ただし、補助コイル１４及び可変容量回路１５を含むＬＣ回路に流れる電流による導通ロスを軽減するためには、可変容量回路１５の静電容量は低い方が好ましい。

【0047】

そこで、制御回路１７は、受電装置３から受信した電圧情報に表される出力電圧の測定値が所定の下限閾値未満になると、制御回路１７が有するメモリに予め記憶されている、可変容量回路１５の現在の静電容量と、出力電圧の測定値がその下限閾値未満となったときにおける、可変容量回路１５の変更後の静電容量、すなわち、可変容量回路１５の複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎのうちのオンにすべきスイッチング素子の組み合わせとの対応関係を表す参照テーブルを参照する。そして制御回路１７は、可変容量回路１５の現在の静電容量に対応する、オンにすべきスイッチング素子の組み合わせを特定する。制御回路１７は、特定した組み合わせに含まれる各スイッチング素子をオンにし、その他のスイッチング素子をオフにするよう可変容量回路１５を制御する。なお、可変容量回路１５の静電容量ごとに、インバータ回路１２の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、各スイッチング素子に流れる電流の波高値を低下させ、かつ、各スイッチング素子に流れる電流の実効値の増加を抑制できるとともに、補助コイル１４に流れる電流の実効値の増加を抑制可能なスイッチング素子の組み合わせが予めシミュレーションまたは実験により求められ、その結果に基づいて参照テーブルが作成されればよい。これにより、可変容量回路１５の静電容量が変化し、その結果として、インバータ回路１２の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、各スイッチング素子に流れる電流の波高値が低下し、スイッチングロスが軽減されるとともに、各スイッチング素子に流れる電流の実効値の増加が抑制され、導通ロスの増加が抑制される。さらに、補助コイル１４に流れる電流の実効値の増加が抑制され、補助コイル１４を含むＬＣ回路による導通ロスの増加が抑制される。

【0048】

同様に、制御回路１７は、受電装置３から受信した電圧情報に表される出力電圧の測定値が、上記の下限閾値よりも高い所定の上限閾値を超えると、制御回路１７が有するメモリに予め記憶されている、可変容量回路１５の現在の静電容量と、出力電圧の測定値がその上限閾値を超えたときにおける、可変容量回路１５の変更後の静電容量、すなわち、可変容量回路１５の複数のスイッチング素子１５２－１～１５２－ｎのうちのオンにすべきスイッチング素子の組み合わせとの対応関係を表す参照テーブルを参照する。そして制御回路１７は、可変容量回路１５の現在の静電容量に対応する、オンにすべきスイッチング素子の組み合わせを特定すればよい。制御回路１７は、特定した組み合わせに含まれる各スイッチング素子をオンにし、その他のスイッチング素子をオフにするよう可変容量回路１５を制御すればよい。

【0049】

以上に説明してきたように、この非接触給電装置では、送電装置が、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路のインバータ回路の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れを調整するために、送信コイルと電磁結合可能に配置される補助コイルとともにＬＣ回路を構成する可変容量回路を有する。そして送電装置の制御回路は、受電装置から出力される電圧に応じて、可変容量回路の静電容量を制御する。そのため、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、インバータ回路が有する各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切な遅れ量に保つことができ、その結果として、各スイッチング素子のスイッチングロス及びＬＣ回路の導通ロスを軽減できる。

【0050】

変形例によれば、可変容量回路１５の静電容量を制御する制御回路は、インバータ回路１２を制御する制御回路１７と別個に設けられてもよい。

【0051】

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】

【0052】

１ 非接触給電装置
２ 送電装置
１０ 電力供給回路
１１ 電源
１２ インバータ回路
１２ａ～１２ｄ スイッチング素子
１２ｅ コンデンサ
１３ 送信コイル
１４ 補助コイル
１５ 可変容量回路
１５１－１～１５１－ｎ コンデンサ
１５２－１～１５２－ｎ スイッチング素子
１６ 通信器
１７ 制御回路
３ 受電装置
２０ 共振回路
２１ 受信コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ 整流平滑回路
２４ 電圧検出回路
２５ 通信器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】