JP2021083139A - 受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置のコイルに流れる電流の状態に応じた適切なスイッチング動作を実現する。【解決手段】受電装置２００は、二次コイルＬ２と、二次コイルＬ２に接続されて所定の共振周波数を有する共振回路を二次コイルＬ２とともに構成する共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘと、二次コイルＬ２が交流磁界を受けることで共振回路に流れる交流電流ｉを検出する交流電流検出部２３０と、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれスイッチング動作させることで交流電流ｉを制御する電力変換部２５０と、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する駆動制御部２４０とを備える。駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０が検出した交流電流ｉに基づいてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させる。【選択図】図２

Description

本発明は、無線給電において用いられる受電装置に関する。

近年、電気自動車等において、地上側に設けられた送電装置から車両側に設けられた受電装置に対して無線により給電を行う無線給電システムが実現されつつある。こうした無線給電システムでは、磁界共振や磁界誘導を利用した無線給電技術が注目されている。磁界誘導とは、地上側の送電装置に設けられたコイルに交流電流を流すことで磁界（磁束）を発生し、この磁界を車両側の受電装置に設けられたコイルで受けて交流電流を生じさせることにより、送電装置から受電装置への無線給電を実現するものである。一方、磁界共振とは、送電装置と受電装置にそれぞれコイルを設ける点は磁界誘導と同じであるが、送電装置のコイルに流れる電流の周波数を受電装置のコイルの共振周波数に一致させることにより、送電装置と受電装置の間に共振を生じさせる。これにより、送電装置のコイルと受電装置のコイルを磁気的に結合し、高効率の無線給電を実現している。

上述した無線給電技術に関して、下記の特許文献１が知られている。特許文献１には、外部との磁気結合により電力を授受する受電コイル、ブリッジ回路及び平滑コンデンサを備えると共に、平滑コンデンサの両端に負荷が接続され、ブリッジ回路が、半導体スイッチとダイオードとを逆並列接続したスイッチングアームを複数備え、受電コイルの電流を検出する電流検出手段、直流端子間電圧を検出する電圧検出手段、及び制御装置を有する給電装置が記載されている。この給電装置において、制御装置は、交流端子間電圧ｖが、電流ｉの各ゼロクロスＺＣＰから所定の補償期間φをずらした点を中心として前後に等しい期間だけ、交流端子間電圧ｖが直流端子間電圧Ｖｏを波高値とする正負電圧になり、その他の期間は零電圧になるようにスイッチングすると共に、補償期間φを交流端子間電圧ｖが零電圧となる期間が最も短くなるように設定する。

特開２０１５−２３６５８号公報

電気自動車等に利用される無線給電システムでは、送電装置と受電装置の組み合わせが必ずしも一定ではなく、様々な組み合わせのものが存在する。そのため、組み合わせによっては高効率の磁界共振を利用できずに、磁界誘導による無線給電や、磁界共振と磁界誘導が混在した状態での無線給電となってしまう場合がある。このような場合、特許文献１に記載の給電装置では、受電コイルに流れる電流の状態に応じた適切なスイッチング動作の実現が困難であるため、スイッチング動作に関して改善の余地がある。

本発明による受電装置は、地上側に設置された一次コイルから放出される交流磁界を受けて無線給電されるものであって、二次コイルと、前記二次コイルに接続されて所定の共振周波数を有する共振回路を前記二次コイルとともに構成する共振要素と、前記二次コイルが前記交流磁界を受けることで前記共振回路に流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、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をそれぞれスイッチング動作させることで前記交流電流を制御する電力変換部と、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記交流電流検出部が検出した前記交流電流に基づいて前記スイッチング動作のタイミングを変化させる。

本発明によれば、受電装置のコイルに流れる電流の状態に応じた適切なスイッチング動作を実現できる。

本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る受電装置の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムの処理フローを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る受電装置における駆動制御処理の処理フローを示す図である。 スイッチング動作の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る受電装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る受電装置における駆動制御処理の処理フローを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る受電装置の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る受電装置における駆動制御処理の処理フローを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る受電装置の実施の形態について説明する。

−第１の実施形態−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線給電システム１の構成を示す図である。図１に示す無線給電システム１は、電気自動車等の車両への無線給電において利用されるものであり、車両付近の地上側に設置された送電装置１００と、車両側にそれぞれ搭載された受電装置２００、電池３００および負荷４００とを有する。

送電装置１００は、送電制御部１１０、通信部１２０、交流電源１３０、電力変換部１４０および一次コイルＬ１を備える。送電制御部１１０は、通信部１２０および電力変換部１４０の動作を制御することで、送電装置１００全体の制御を行う。

通信部１２０は、送電制御部１１０の制御により、受電装置２００が備える通信部２２０との間で無線通信を行う。この通信部１２０と通信部２２０の無線通信により、無線給電の際に必要な各種情報が送電装置１００と受電装置２００の間で交換される。たとえば、一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数、すなわち一次コイルＬ１から放出される交流磁界の周波数等の情報が、通信部１２０から通信部２２０に送信される。また、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）や劣化状態、充電時の許容電流等の情報が、通信部２２０から通信部１２０に送信される。

交流電源１３０は、たとえば商用電源であり、所定の交流電力を電力変換部１４０に供給する。電力変換部１４０は、送電制御部１１０の制御により、交流電源１３０から供給された交流電力を用いて所定の周波数および電流値の交流電流を一次コイルＬ１に出力する。一次コイルＬ１は、車両の下に位置する地上側に設置されており、電力変換部１４０から流される交流電流に応じた交流磁界を車両に向けて空中に放出する。これにより、車両への無線給電を行う。

受電装置２００は、受電制御部２１０、通信部２２０、交流電流検出部２３０、駆動制御部２４０、電力変換部２５０、二次コイルＬ２、共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘを備える。共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘは、二次コイルＬ２に接続されており、二次コイルＬ２とともに共振回路を構成する。この共振回路の共振周波数は、二次コイルＬ２および共振コイルＬｘがそれぞれ有するインダクタンスと、共振コンデンサＣｘが有する静電容量値とに応じて決定される。なお、共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘはそれぞれ複数の素子により構成されていてもよい。また、共振コイルＬｘの一部または全部を二次コイルＬ２のインダクタンスで代用してもよい。

受電制御部２１０は、通信部２２０および駆動制御部２４０の動作を制御することで、受電装置２００全体の制御を行う。通信部２２０は、受電制御部２１０の制御により、送電装置１００が備える通信部１２０との間で無線通信を行い、送電装置１００と受電装置２００の間で交換される前述のような各種情報を送受信する。通信部２２０が受信した一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数等の情報は、通信部２２０から受電制御部２１０に出力される。

交流電流検出部２３０は、一次コイルＬ１から放出された交流磁界を二次コイルＬ２が受けることで二次コイルＬ２を含む共振回路に流れる交流電流を検出する。そして、検出した交流電流に応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧を発生させ、駆動制御部２４０に出力する。駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０から入力された交流電圧に基づいて、共振回路に流れる交流電流の周波数や大きさを取得することができる。

駆動制御部２４０は、受電制御部２１０の制御により、電力変換部２５０が有する複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。このとき駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０が検出した共振回路に流れる交流電流に基づいて、各スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを変化させる。なお、スイッチング動作のタイミングを変化させる具体的な方法は後述する。

電力変換部２５０は、複数のスイッチング素子を有しており、複数のスイッチング素子をそれぞれスイッチング動作させることで、共振回路に流れる交流電流を制御するとともに整流し、交流電力から直流電力への変換を行う。電力変換部２５０には充放電可能な電池３００が接続されており、電力変換部２５０から出力される直流電力を用いて電池３００が充電される。なお、電力変換部２５０と電池３００の間には、電池３００への入力電圧を平滑化するための平滑コンデンサＣ０が接続されている。

電池３００には、負荷４００が接続される。負荷４００は、電池３００に充電された直流電力を利用して、車両の動作に関する様々な機能を提供する。負荷４００には、たとえば車両駆動用の交流モータや、電池３００の直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給するインバータなどが含まれる。

次に、図１の無線給電システム１のうち、本発明が適用される受電装置２００の詳細について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る受電装置２００の構成例を示す図である。

図２に示すように、交流電流検出部２３０は、たとえばトランスＴｒを用いて構成される。一次コイルＬ１から放出された交流磁界による磁束が二次コイルＬ２と鎖交すると、二次コイルＬ２に起電力が生じ、二次コイルＬ２を含む共振回路に交流電流ｉが流れる。この交流電流ｉがトランスＴｒの一次側コイルに流れると、トランスＴｒの二次側コイルの両端に、交流電流ｉに応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧Ｖｇが発生する。これにより、交流電流検出部２３０は交流電流ｉの検出を行うことができる。なお、共振回路に流れる交流電流ｉを検出できるものであれば、トランスＴｒ以外のものを用いて交流電流検出部２３０を構成してもよい。

電力変換部２５０は、直列接続された２つのＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１、Ｑ２を有する。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は、駆動制御部２４０からのゲート駆動信号に応じて、ソース−ドレイン間を導通状態から切断状態へ、または切断状態から導通状態へと切り替えるスイッチング動作をそれぞれ行う。このスイッチング動作により、ＭＯＳトランジスタＱ１を上アームのスイッチング素子として機能させるとともに、ＭＯＳトランジスタＱ２を下アームのスイッチング素子として機能させることができる。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２間の接続点Ｏと、ＭＯＳトランジスタＱ２のソース端子には、二次コイルＬ２を含む共振回路がそれぞれ接続されている。そのため、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれ適切なタイミングでスイッチング動作させることで、共振回路に流れる交流電流ｉの制御および整流を行うことができる。

なお、図２では２つのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をスイッチング素子として用いたハーフブリッジ構成の電力変換部２５０を例示したが、４つのＭＯＳトランジスタをスイッチング素子として用いたフルブリッジ構成の電力変換部２５０としてもよい。以下では図２に示したハーフブリッジ構成の電力変換部２５０による動作例を説明するが、フルブリッジ構成とした場合でも基本的な動作は同様である。

駆動制御部２４０は、電圧取得部２４１、比較部２４２、駆動信号生成部２４３およびゲート駆動回路２４４を有する。

電圧取得部２４１は、交流電流検出部２３０（トランスＴｒ）から出力される交流電圧Ｖｇを取得し、比較部２４２に出力する。

比較部２４２には、電圧取得部２４１が取得した交流電圧Ｖｇと、所定の閾値電圧Ｖαとが入力される。閾値電圧Ｖαは、電力変換部２５０に出力するゲート駆動信号の位相を調整するための電圧であり、その電圧値は位相の調整量に応じて予め設定されている。比較部２４２は、入力された交流電圧Ｖｇと閾値電圧Ｖαとを比較し、その比較結果に応じた位相信号Ｓｐを駆動信号生成部２４３に出力する。なお、比較部２４２が行う比較の詳細については、後で図４の処理フローを参照して説明する。

駆動信号生成部２４３には、比較部２４２からの位相信号Ｓｐに加えて、受電制御部２１０から基本駆動信号Ｓｒが入力される。基本駆動信号Ｓｒは、駆動制御部２４０から電力変換部２５０に出力されてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御するゲート駆動信号の元となる交流信号であり、その周波数は送電装置１００の一次コイルＬ１に流れる電流の周波数に応じて決定される。具体的には、通信部２２０は、送電装置１００の一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数ｆを表す情報を通信部１２０から受信すると、これを受電制御部２１０に出力する。受電制御部２１０は、通信部２２０から周波数ｆの情報が入力されると、この周波数ｆに応じた基本駆動信号Ｓｒを生成し、駆動制御部２４０に出力する。なお、基本駆動信号Ｓｒは、たとえばＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２にそれぞれ対応する２つの矩形波の組み合わせであり、オン（導通状態）に対応するＨレベルと、オフ（切断状態）に対応するＬレベルとが、周波数ｆで交互に繰り返される。ただし、ＭＯＳトランジスタＱ１とＱ２が同時にオンとならないように、２つの矩形波におけるＨレベルの間には所定の保護期間が設けられる。

駆動信号生成部２４３は、比較部２４２から入力された位相信号Ｓｐに基づいて、受電制御部２１０から入力された基本駆動信号Ｓｒの位相を変化させた充電駆動信号Ｓｃを生成する。そして、生成した充電駆動信号Ｓｃをゲート駆動回路２４４に出力する。なお、駆動信号生成部２４３による充電駆動信号Ｓｃの生成方法の詳細については、後で図４の処理フローを参照して説明する。

ゲート駆動回路２４４は、駆動信号生成部２４３から入力された充電駆動信号Ｓｃに基づくゲート駆動信号をＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のゲート端子へそれぞれ出力し、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれスイッチング動作させる。これにより、電力変換部２５０において、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２がスイッチング素子としてそれぞれ機能し、一次コイルＬ１から放出された交流磁界に応じて共振回路に流れる交流電流ｉの制御や、交流電力から直流電力への変換が行われる。

本実施形態の受電装置２００は、以上説明したような動作を行うことにより、送電装置１００から無線給電を受けて電池３００を充電することができる。

次に、無線給電システム１を用いた無線給電の流れについて説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る無線給電システム１の処理フローを示す図である。受電装置２００、電池３００および負荷４００を搭載した車両が所定の充電位置に駐車されると、無線給電システム１において図３の処理フローが開始される。

ステップＳ１０では、地上側の送電装置１００から車両側の受電装置２００に対して、充電の問い合わせを行う。ここでは、たとえば送電装置１００の通信部１２０から受電装置２００の通信部２２０へ所定の通信メッセージを送信することにより、充電の問い合わせを行う。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で充電の問い合わせを受けた受電装置２００から送電装置１００に対して、充電時における電池３００の許容電流を通知する。このとき受電装置２００は、たとえば予め測定した電池３００の充電状態や劣化状態に基づいて許容電流を決定し、その許容電流の値を示す情報を、通信部２２０から送電装置１００の通信部１２０へ送信する。なお、充電が不要な場合は、その旨を受電装置２００から送電装置１００へ通知してもよい。この場合、ステップＳ３０以降の処理は実行されずに、図３の処理フローが終了する。

ステップＳ３０では、送電装置１００において電流量を決定し、受電装置２００への送電を開始する。このとき送電装置１００は、ステップＳ２０で受電装置２００から通知された許容電流に対応する出力電流値と、自身の定格電流値とを比較し、いずれか小さい方を選択して電流量を決定する。そして、送電制御部１１０により電力変換部１４０を制御して、決定した電流量に応じた交流電流を一次コイルＬ１に流すことで、一次コイルＬ１に交流磁界を発生させて送電を開始する。なお、このときさらに、一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数ｆを表す情報を通信部１２０から受電装置２００の通信部２２０へ送信することで、受電装置２００の受電制御部２１０において、周波数ｆに応じた前述の基本駆動信号Ｓｒを生成できるようにすることが好ましい。あるいは、ステップＳ１０で充電の問い合わせを行う際に、送電装置１００から受電装置２００へ周波数ｆを通知してもよい。

ステップＳ４０では、受電装置２００において、一次コイルＬ１から放出された交流磁界を受けて二次コイルＬ２を含む共振回路に流れる交流電流ｉに応じて、電力変換部２５０の駆動制御処理を行う。ここでは、駆動制御部２４０において図４の処理フローに示す処理を実施することで、送電装置１００から受電した交流電流に応じた電力変換部２５０の駆動制御を行う。これにより、定電流（ＣＣ）モードで電池３００の充電を実施する。なお、図４の処理フローについては後で説明する。

ステップＳ５０では、受電装置２００において、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）が所定の値、たとえば８０％以上になったか否かを判定する。その結果、ＳＯＣが８０％未満であれば、ステップＳ４０の駆動制御処理を繰り返し、ＳＯＣが８０％以上になったら、定電流モードから定電圧（ＣＶ）モードに移行してステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、受電装置２００から送電装置１００に対して、現在の電池３００の充電状態に応じた充電電流を通知する。このとき受電装置２００は、現在の電池３００の充電状態に基づいて、ステップＳ２０で通知した許容電流よりも小さな値で充電電流を決定し、その充電電流の値を示す情報を、通信部２２０から送電装置１００の通信部１２０へ送信する。

ステップＳ７０では、受電装置２００において、ステップＳ４０と同様の駆動制御処理を行うことにより、定電圧（ＣＶ）モードで電池３００の充電を実施する。

ステップＳ８０では、受電装置２００において、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）が満充電の１００％に達したか否かを判定する。その結果、ＳＯＣが１００％未満であれば、ステップＳ６０に戻って電池３００の充電を継続し、ＳＯＣが１００％に達したらステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、電池３００の充電を終了する。ここでは、たとえば受電装置２００の通信部２２０から送電装置１００の通信部１２０へ所定の通信メッセージを送信することにより、送電停止を指示する。送電装置１００では、この送電停止指示に応じて一次コイルＬ１への通電を遮断することで、送電を停止する。送電装置１００からの送電が停止されたら、受電装置２００において電力変換部２５０の動作を停止することで、電池３００の充電を終了する。

ステップＳ９０で電池３００の充電を終了したら、図３の処理フローを終了する。これにより、無線給電システム１の無線給電が完了する。

次に、図３のステップＳ４０、Ｓ７０で実施される駆動制御処理について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る受電装置２００における駆動制御処理の処理フローを示す図である。

ステップＳ１１０において、駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０から交流電圧Ｖｇを取得する。ここでは、電圧取得部２４１を用いて、図２のようにトランスＴｒにより構成された交流電流検出部２３０から、二次コイルＬ２を含む共振回路に流れる交流電流ｉに応じた交流電圧Ｖｇを取得する。

ステップＳ１２０において、駆動制御部２４０は、比較部２４２を用いて、ステップＳ１２０で取得した交流電圧Ｖｇの絶対値を所定の閾値電圧Ｖαと比較する。その結果、交流電圧Ｖｇの絶対値が閾値電圧Ｖαよりも大きければステップＳ１３０に進み、Ｖα以下であればステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０において、駆動制御部２４０は、比較部２４２から位相信号ＳｐをＨレベルにして出力する。ステップＳ１３０を実行したら、ステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１４０において、駆動制御部２４０は、比較部２４２から位相信号ＳｐをＬレベルにして出力する。ステップＳ１４０を実行したら、ステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０において、駆動制御部２４０は、駆動信号生成部２４３を用いて、ステップＳ１３０またはＳ１４０で比較部２４２から入力された位相信号ＳｐがＨレベルであり、かつ、受電制御部２１０から入力された基本駆動信号ＳｒがＨレベルであるか否かを判定する。その結果、位相信号Ｓｐと基本駆動信号Ｓｒが両方ともＨレベルであればステップＳ１６０に進み、いずれか少なくとも一方がＬレベルであればステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１６０において、駆動制御部２４０は、駆動信号生成部２４３から充電駆動信号ＳｃをＨレベルにして出力する。ステップＳ１６０を実行したら、ステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１７０において、駆動制御部２４０は、駆動信号生成部２４３から充電駆動信号ＳｃをＬレベルにして出力する。ステップＳ１７０を実行したら、ステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１８０において、駆動制御部２４０は、ゲート駆動回路２４４を用いて、ステップＳ１６０またはＳ１７０で駆動信号生成部２４３から入力された充電駆動信号Ｓｃに応じたゲート駆動信号を生成し、電力変換部２５０におけるＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のゲート端子へそれぞれ出力する。これにより、ゲート駆動信号に応じてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれスイッチング動作させ、電力変換部２５０の駆動制御を行う。ステップＳ１８０でゲート駆動信号を出力したら、図４の処理フローを終了し、図３のステップＳ４０またはＳ７０の駆動制御処理を完了する。

受電装置２００は、以上説明した駆動制御処理を駆動制御部２４０において実行することにより、交流電流検出部２３０が検出した交流電流ｉに基づいて、電力変換部２５０におけるＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させることができる。具体的には、駆動制御部２４０は、ステップＳ１２０の比較結果に基づき、ステップＳ１３０またはステップＳ１４０において、位相信号Ｓｐの出力を変化させる。そして、この位相信号Ｓｐの出力に基づいてステップＳ１５０の判定を行い、位相信号Ｓｐと基本駆動信号Ｓｒが両方ともＨレベルである場合とそうでない場合とで、ステップＳ１６０またはステップＳ１７０において充電駆動信号Ｓｃの出力を変化させる。こうして変化された充電駆動信号Ｓｃの出力に応じて、ステップＳ１８０でゲート駆動信号を生成し、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２にそれぞれ出力する。その結果、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングは、交流電流検出部２３０からの交流電圧Ｖｇによって定まる位相信号Ｓｐに応じて変化する。したがって、交流電流検出部２３０が検出した交流電流ｉに基づいて、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させることができる。

図５は、図４で説明した駆動制御処理に応じて行われるＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作の説明図である。

図５（ｂ）に示すように、二次コイルＬ２を含む共振回路に交流電流ｉが流れると、この交流電流ｉよりも位相が９０°進んで、交流電流ｉに同期した交流電圧Ｖｇが交流電流検出部２３０から出力される。なお、図５（ｂ）における交流電流ｉの値は、図５（ａ）の左方向を正としている。

ＭＯＳトランジスタＱ１に対する基本駆動信号ＳｒがＨレベルであるときに、交流電圧Ｖｇの絶対値が閾値電圧Ｖαを上回ると、図５（ｂ）に示すように、Ｖｇ＝０である位相角２７０°のタイミングを基準点として、ここからＶαに対応する位相αだけ遅れたタイミングでＭＯＳトランジスタＱ１がオンされる。同様に、Ｖｇ＝０である位相角９０°のタイミングを基準点として、ここからＶαに対応する位相αだけ遅れたタイミングでＭＯＳトランジスタＱ２がオンされる。このとき、電圧が０の状態でＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２がそれぞれオンされるように、これらのタイミングが設定される。一方、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は、対応する基本駆動信号ＳｒがＬレベルになるとそれぞれオフされる。このとき、電流が０の状態でＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２がそれぞれオフされるように、これらのタイミングが設定される。

ＭＯＳトランジスタＱ２がオフされてからＭＯＳトランジスタＱ１がオンされるまでの間には、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれ流れる電流の向きが変化する。すなわち、ＭＯＳトランジスタＱ２がオンである期間Ａでは、オフ状態のＭＯＳトランジスタＱ１には電流が流れず、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン端子からソース端子に向かって電流が流れる。続いて、ＭＯＳトランジスタＱ２がオフされた直後から接続点Ｏの電圧Ｖｏが上昇する期間Ｂでは、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２はいずれもオフ状態であり、それぞれ有する寄生容量Ｃｓを通って、ＭＯＳトランジスタＱ１ではソース端子からドレイン端子に向かって、ＭＯＳトランジスタＱ２ではドレイン端子からソース端子に向かって、それぞれ電流が流れる。こうした挙動を一般的にソフトスイッチング、或いはＱ１側をZCS(Zero Current Switching)、他方Ｑ２側をZVS(Zero Voltage Switching)と呼ぶ。

その後、接続点Ｏの電圧Ｖｏが一定となってからＭＯＳトランジスタＱ１がオンされ、交流電流ｉが０となるまでの期間Ｃでは、ＭＯＳトランジスタＱ１が有する寄生ダイオードＤｓを通って、ＭＯＳトランジスタＱ１のソース端子からドレイン端子に向かって電流が流れる。その後、交流電流ｉが正になるとＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン端子からソース端子に向かって電流が流れる。続いて、ＭＯＳトランジスタＱ１がオフされるまでの期間Ｄでは、ＭＯＳトランジスタＱ２はオフ状態であり電流が流れず、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン端子からソース端子に向かって電流が流れる。

なお、ＭＯＳトランジスタＱ１がオフされてからＭＯＳトランジスタＱ２がオンされるまでの間（期間Ｂ’とＣ’）にも、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれ流れる電流の向きが上記と同様に変化する。このときの期間Ａ’〜Ｄ’における電流の向きは、期間Ａ〜Ｄとそれぞれ反対方向になる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）受電装置２００は、地上側に設置された一次コイルＬ１から放出される交流磁界を受けて無線給電される。受電装置２００は、二次コイルＬ２と、二次コイルＬ２に接続されて所定の共振周波数を有する共振回路を二次コイルＬ２とともに構成する共振要素である共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘと、二次コイルＬ２が交流磁界を受けることで共振回路に流れる交流電流ｉを検出する交流電流検出部２３０と、複数のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２を有し、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれスイッチング動作させることで交流電流ｉを制御する電力変換部２５０と、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する駆動制御部２４０とを備える。駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０が検出した交流電流ｉに基づいてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させる。このようにしたので、受電装置２００の二次コイルＬ２に流れる電流の状態に応じた適切なスイッチング動作を実現できる。

（２）交流電流検出部２３０は、交流電流ｉに応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧Ｖｇを発生させる。駆動制御部２４０は、交流電圧Ｖｇに基づいてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させる。このようにしたので、交流電流ｉを容易に検出し、その検出結果をスイッチング動作のタイミング変化に利用することができる。

（３）駆動制御部２４０は、交流電圧Ｖｇを所定の閾値電圧Ｖαと比較し（ステップＳ１２０）、その比較結果に基づいてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを変化させる。具体的には、受電装置２００は、一次コイルＬ１に流れる電流の周波数ｆに応じた基本駆動信号Ｓｒを生成する受電制御部２１０をさらに備える。駆動制御部２４０は、交流電圧Ｖｇと閾値電圧Ｖαの比較結果に基づいて、基本駆動信号Ｓｒの位相を変化させた充電駆動信号Ｓｃを生成し（ステップＳ１３０〜Ｓ１７０）、充電駆動信号Ｓｃを用いてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する（ステップＳ１８０）。このようにしたので、交流電流ｉに応じてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作のタイミングを確実に変化させることができる。

−第２の実施形態−
図６は、本発明の第２の実施形態に係る無線給電システム１Ａの構成を示す図である。図６に示す無線給電システム１Ａは、電気自動車等の車両への無線給電において利用されるものであり、車両付近の地上側に設置された送電装置１００と、車両側にそれぞれ搭載された受電装置２００Ａ、電池３００、負荷４００および電池監視装置５００とを有する。なお、送電装置１００、電池３００および負荷４００については、第１の実施形態で説明した無線給電システム１のものと同様であるため、以下では受電装置２００Ａおよび電池監視装置５００について説明する。

受電装置２００Ａは、駆動制御部２４０の代わりに駆動制御部２４０Ａを備える点以外は、第１の実施形態で説明した無線給電システム１における受電装置２００と同様である。駆動制御部２４０Ａは、電池監視装置５００と接続されており、電池監視装置５００から電池電圧Ｖｂを取得して、電力変換部２５０が有する複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。

電池監視装置５００は、電池３００と接続されており、電池３００の状態を監視するための様々な情報を電池３００から取得する。たとえば、電池監視装置５００は電池３００の電圧を検出し、その検出結果を電池電圧Ｖｂとして駆動制御部２４０Ａに出力する。また、電池３００が過充電状態であるか否かを判断し、過充電状態であると判断した場合には、所定の過充電信号を駆動制御部２４０Ａに出力して電池３００が過充電状態であることを通知する。

次に、図６の無線給電システム１Ａのうち、本発明が適用される受電装置２００Ａの詳細について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る受電装置２００Ａの構成例を示す図である。受電装置２００Ａは、駆動制御部２４０Ａにおいて比較部２４２の代わりに比較部２４２Ａを備える点以外は、第１の実施形態で説明した受電装置２００と同様である。

比較部２４２Ａには、電圧取得部２４１が取得した交流電圧Ｖｇと、電池監視装置５００から出力された電池電圧Ｖｂとが入力される。比較部２４２Ａは、入力された電池電圧Ｖｂに基づいて閾値電圧αを設定し、入力された交流電圧Ｖｇと設定した閾値電圧Ｖαとを比較する。そして、これらの比較結果に応じた位相信号Ｓｐを駆動信号生成部２４３に出力する。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る受電装置２００Ａにおける駆動制御処理の処理フローを示す図である。

ステップＳ１１０Ａにおいて、駆動制御部２４０Ａは、交流電流検出部２３０から交流電圧Ｖｇを取得するとともに、電池監視装置５００から電池電圧Ｖｂを取得する。

ステップＳ１１１において、駆動制御部２４０Ａは、ステップＳ１１０Ａで取得した電池電圧Ｖｂに基づいて、閾値電圧Ｖαを設定する。ここでは、たとえば電池電圧Ｖｂが高いほど閾値電圧Ｖαの値を高く設定することで、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２がそれぞれオンされる時間が短くなるようにする。

ステップＳ１１１で閾値電圧Ｖαを設定したら、続くステップＳ１２０以降では、第１の実施形態で説明した図４の処理フローと同様の処理を行う。このときステップＳ１２０では、ステップＳ１１１で設定した閾値電圧Ｖαを用いて、交流電圧Ｖｇの絶対値との比較を行う。これにより、電池電圧Ｖｂに基づいて、ステップＳ１２０の比較で用いる閾値電圧Ｖαを変化させる。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明した（１）〜（３）の作用効果に加えて、さらに下記（４）の作用効果を奏する。

（４）電力変換部２５０は、充放電可能な電池３００に接続されている。駆動制御部２４０Ａは、電池３００の電圧すなわち電池電圧Ｖｂに基づいて閾値電圧Ｖαを変化させる（ステップＳ１１１）。このようにしたので、電池３００の充電状態に応じてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を最適なタイミングで行うことができる。

−第３の実施形態−
図９は、本発明の第３の実施形態に係る無線給電システム１Ｂの構成を示す図である。図９に示す無線給電システム１Ｂは、電気自動車等の車両への無線給電において利用されるものであり、車両付近の地上側に設置された送電装置１００と、車両側にそれぞれ搭載された受電装置２００Ｂ、電池３００、負荷４００および電池監視装置５００とを有する。なお、送電装置１００、電池３００および負荷４００については、第１の実施形態で説明した無線給電システム１のものと同様であり、電池監視装置５００については、第２の実施形態で説明した無線給電システム１Ａのものと同様であるため、以下では受電装置２００Ｂについて説明する。

受電装置２００Ｂは、駆動制御部２４０の代わりに駆動制御部２４０Ｂを備える点以外は、第１の実施形態で説明した無線給電システム１における受電装置２００と同様である。駆動制御部２４０Ｂは、電池監視装置５００と接続されており、電池監視装置５００から過充電信号が入力された場合には、第１の実施形態で説明したのとは異なる方法で、電力変換部２５０が有する複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。

次に、図９の無線給電システム１Ｂのうち、本発明が適用される受電装置２００Ｂの詳細について説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る受電装置２００Ｂの構成例を示す図である。受電装置２００Ｂは、駆動制御部２４０Ｂにおいて駆動信号生成部２４３の代わりに駆動信号生成部２４３Ｂを備える点以外は、第１の実施形態で説明した受電装置２００と同様である。

駆動信号生成部２４３Ｂには、比較部２４２からの位相信号Ｓｐおよび受電制御部２１０からの基本駆動信号Ｓｒに加えて、電池監視装置５００から過充電信号が出力された場合には、その過充電信号が入力される。駆動信号生成部２４３Ｂは、過充電信号の入力の有無に応じて、充電駆動信号Ｓｃまたは放電駆動信号Ｓｄのいずれかを生成し、ゲート駆動回路２４４に出力する。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る受電装置２００Ｂにおける駆動制御処理の処理フローを示す図である。

ステップＳ１０１において、駆動制御部２４０Ｂは、電池監視装置５００から過充電信号が入力されたか否かを判定する。過充電信号が入力された場合はステップＳ１０２に進み、入力されない場合はステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０に進んだ場合、駆動制御部２４０Ｂは、第１の実施形態で説明したステップＳ１１０〜Ｓ１８０の処理を実行し、図１１の処理フローを終了する。

ステップＳ１０２において、駆動制御部２４０Ｂは、駆動信号生成部２４３Ｂから充電駆動信号Ｓｃの出力を停止するとともに、充電駆動信号Ｓｃに代わる放電駆動信号Ｓｄを生成してゲート駆動回路２４４に出力する。ここでは、たとえば一次コイルＬ１に流れる電流の周波数ｆとは異なる周波数ｆ’の矩形波を放電駆動信号Ｓｄとして出力する。ステップＳ１０２を実行したらステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１０２からステップＳ１８０に進んだ場合、ステップＳ１８０において、駆動制御部２４０は、ゲート駆動回路２４４を用いて、放電駆動信号Ｓｄに応じたゲート駆動信号を生成し、電力変換部２５０におけるＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のゲート端子へそれぞれ出力する。これにより、電池３００の直流電力が交流電力に変換されて二次コイルＬ２を含む共振回路に出力され、二次コイルＬ２から一次コイルＬ１に向けて交流磁界が放出されることで電池３００が放電されるようにする。

以上説明した本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態で説明した（１）〜（３）の作用効果に加えて、さらに下記（５）の作用効果を奏する。

（５）電力変換部２５０は、充放電可能な電池３００に接続されている。駆動制御部２４０Ｂは、電池３００が過充電状態のときには（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、充電駆動信号Ｓｃとは異なる放電駆動信号Ｓｄを生成し（ステップＳ１０２）、放電駆動信号Ｓｄを用いてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御する（ステップＳ１８０）。このようにしたので、電池３００が過充電状態のときには、電池３００を放電させて過充電状態を解消することができる。

なお、以上説明した各実施形態において、駆動制御部２４０、２４０Ａ、２４０Ｂがそれぞれ有する各構成要素は、マイクロコンピュータ等で実行されるソフトウェアにより実現してもよいし、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現してもよい。また、これらを混在して使用してもよい。

上記各実施形態では、電気自動車等の車両への無線給電において利用される無線給電システム１、１Ａ、１Ｂをそれぞれ説明したが、車両への無線給電用に限らず、他の用途の無線給電システムに本発明を適用してもよい。

以上説明した各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ 無線給電システム
１００ 送電装置
１１０ 送電制御部
１２０ 通信部
１３０ 交流電源
１４０ 電力変換部
２００，２００Ａ，２００Ｂ 受電装置
２１０ 受電制御部
２２０ 通信部
２３０ 交流電流検出部
２４０，２４０Ａ，２４０Ｂ 駆動制御部
２４１ 電圧取得部
２４２，２４２Ａ 比較部
２４３，２４３Ｂ 駆動信号生成部
２４４ ゲート駆動回路
２５０ 電力変換部
３００ 電池
４００ 負荷
５００ 電池監視装置
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌｘ 共振コイル
Ｃｘ 共振コンデンサ
Ｔｒ トランス
Ｑ１，Ｑ２ ＭＯＳトランジスタ

Claims (6)

1. 地上側に設置された一次コイルから放出される交流磁界を受けて無線給電される受電装置であって、
   二次コイルと、
   前記二次コイルに接続されて所定の共振周波数を有する共振回路を前記二次コイルとともに構成する共振要素と、
   前記二次コイルが前記交流磁界を受けることで前記共振回路に流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、
   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をそれぞれスイッチング動作させることで前記交流電流を制御する電力変換部と、
   前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する駆動制御部と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記交流電流検出部が検出した前記交流電流に基づいて前記スイッチング動作のタイミングを変化させる受電装置。
2. 請求項１に記載の受電装置において、
   前記交流電流検出部は、前記交流電流に応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧を発生させ、
   前記駆動制御部は、前記交流電圧に基づいて前記スイッチング動作のタイミングを変化させる受電装置。
3. 請求項２に記載の受電装置において、
   前記駆動制御部は、前記交流電圧を所定の閾値電圧と比較し、その比較結果に基づいて前記スイッチング動作のタイミングを変化させる受電装置。
4. 請求項３に記載の受電装置において、
   前記一次コイルに流れる電流の周波数に応じた基本駆動信号を生成する受電制御部をさらに備え、
   前記駆動制御部は、前記比較結果に基づいて前記基本駆動信号の位相を変化させた駆動信号を生成し、前記駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する受電装置。
5. 請求項３または４に記載の受電装置において、
   前記電力変換部は、充放電可能な電池に接続されており、
   前記駆動制御部は、前記電池の電圧に基づいて前記閾値電圧を変化させる受電装置。
6. 請求項４に記載の受電装置において、
   前記電力変換部は、充放電可能な電池に接続されており、
   前記駆動制御部は、前記電池が過充電状態のときには、前記駆動信号とは異なる第２の駆動信号を生成し、前記第２の駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する受電装置。

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