CN106233574B - 非接触供电系统以及受电装置 - Google Patents

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Abstract

非接触供电系统(100)具备送电装置(101)和受电装置(103)。送电装置包含从电源(111)输入某个频率的交流电力的送电线圈(113)。受电装置包含：受电线圈(121)，其通过某个耦合系数与送电线圈进行磁耦合；以及第一受电侧串联元件(123)，其与受电线圈串联连接，并具有虚数阻抗jZS2i。在该非接触供电系统中，决定了频率和虚数阻抗，从而在耦合系数发生了变化的情况下，从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数不相关。

Description

非接触供电系统以及受电装置
技术领域
本发明涉及一种非接触供电系统以及受电装置。
本申请基于2014年5月7日在日本申请的特愿2014-96353号以及2014年9月5日在日本申请的特愿2014-181419号主张其优先权，并在此引用其内容。
背景技术
近年来，已知一种非接触供电系统，其利用电磁感应、磁共振等从包含送电线圈的送电装置向包含受电线圈的受电装置进行供电。在该系统中，由送电线圈产生的磁通与受电线圈交链，由此电力在线圈间传输。因此，电力传输的效率(传输效率)受到送电线圈与受电线圈的位置关系的影响。
作为非接触供电系统的应用目的地之一，电动汽车的电池充电受到关注，在该情况下，受电装置被搭载于车辆中。但是，运转精度(停止精度)受到限制，难以为了进行充电而将车辆正确地停车在预定位置。因此，在每次停车时，送电线圈与受电线圈的位置关系有可能不同。由于送电线圈与受电线圈偏离于期望的位置关系，有时线圈之间的耦合系数发生变化，传输效率降低。
以往，提出了一种在发生线圈间的位置偏离的情况下抑制充电效率降低的技术(例如参照专利文献1)。专利文献1的电力供给装置(送电装置)当由于发生位置偏离而使传输效率降低时，对从逆变电路(电源)向送电线圈供给的交流电力的频率进行变更。通过该频率变更，电力供给装置谋求改善充电效率。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2012-130173号公报
发明内容
发明要解决的课题
如在对比文件1中记载的那样，从逆变电路观察受电侧时的阻抗，通过向送电线圈供给的电力的频率和送电线圈与受电线圈之间的耦合系数的函数来表示。因此，在发生位置偏离并耦合系数发生变化时，当对频率进行变更时，耦合系数和频率的变化招致阻抗的变化。由于该阻抗的变化，为了供给期望的电力，逆变电路的输出交流电压(或对应的逆变电路的输入直流电压)也发生变化。
当逆变电路的输出电压变大时，例如作为送电装置的电路元件(作为逆变电路的开关元件的FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)等)，需要使用耐电压高的元件，有时导致元件的大型化。另外，当逆变电路的输出电压变小时，为了传输期望的电力，需要增加来自逆变电路的输出电流。有时当输出电流变大时，流过该电流的元件、布线的焦耳热损耗变大，充电效率降低。
因而，鉴于上述问题点而提出的本发明的目的在于，提供一种非接触供电系统以及受电装置，其在耦合系数发生变化的情况下能够抑制从电源观察受电侧时的阻抗的变动。
解决课题的手段
为了解决上述各问题，本发明的第一方式的非接触供电系统具备送电装置和受电装置。上述送电装置包含从电源被输入某个频率的交流电力的送电线圈。上述受电装置包含：受电线圈，其以某个耦合系数与上述送电线圈进行磁耦合；以及第一受电侧串联元件，其与上述受电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS2i。另外，上述频率和上述虚数阻抗被设定为使得在上述耦合系数发生了变化时，从上述电源观察受电侧时的阻抗与上述耦合系数不相关。
本发明的第二方式的非接触供电系统，在第一方式的非接触供电系统中，上述频率和上述虚数阻抗基于在上述耦合系数发生了变化时满足下式的情况而设定，
[数1]
(其中，L1为上述送电线圈的自电感，L2为上述受电线圈的自电感，I1为流过上述送电线圈的电流，I2为流过上述受电线圈的电流)。
本发明的第三方式的非接触供电系统，在第二方式的非接触供电系统中，上述送电装置还包含送电侧并联元件，该送电侧并联元件与上述送电线圈并联连接，具有虚数阻抗jZP1i。上述受电装置还包含受电侧并联元件，该受电侧并联元件在比上述受电侧串联元件更接近上述受电线圈的位置上与上述受电线圈并联连接，具有虚数阻抗jZP2i。另外，上述送电侧并联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗满足下式：
[数2]
本发明的第四方式的非接触供电系统，在第三方式的非接触供电系统中，设定有上述频率的可变范围，并设定有上述耦合系数的变动范围。此外，上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的上限值或下限值时，满足上述式(1)。
本发明的第五方式的非接触供电系统，在第四方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得通过上述送电线圈与上述受电线圈的磁耦合由上述受电线圈感应出的电动势与上述受电线圈的电流的相位差成为0°。
本发明的第六方式的非接触供电系统，在第四方式的非接触供电系统中，在上述受电装置上连接有阻抗进行变动的负载。另外，上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的下限值时，与上述负载的阻抗无关，满足上述式(1)。
本发明的第七方式的非接触供电系统，在第三至第六方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件为电感器，上述受电侧并联元件为电容器。
本发明的第八方式的非接触供电系统，在第三至第六方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件分别为电容器。
本发明的第九方式的非接触供电系统，在第三方式的非接触供电系统中，上述送电装置还包含第一送电侧串联元件，该第一送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述送电线圈的位置上与上述送电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS1i-2。上述受电装置还包含第二受电侧串联元件，该第二受电侧串联元件在比上述受电侧并联元件更接近上述受电线圈的位置上与上述受电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS2i-2。另外，上述第一送电侧串联元件和上述第二受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足下式：
[数3]
本发明的第十方式的非接触供电系统，在第九方式的非接触供电系统中，设定有上述频率的可变范围，并设定有上述耦合系数的变动范围。另外，上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的上限值或下限值时，满足上述式(1)。
本发明的第十一方式的非接触供电系统，在第十方式的非接触供电系统中，在上述受电装置上连接有阻抗进行变动的负载。另外，上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的下限值时，与上述负载的阻抗无关，满足上述式(1)。
本发明的第十二方式的非接触供电系统，在第十或第十一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得通过上述送电线圈与上述受电线圈的磁耦合由上述受电线圈感应出的电动势与上述受电线圈的电流的相位差成为0°。
本发明的第十三方式的非接触供电系统，在第九方式至第十二方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件为电感器，上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件为电容器。
本发明的第十四方式的非接触供电系统，在第九方式至第十二方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件分别为电容器。
本发明的第十五方式的非接触供电系统，在第一或第二方式的非接触供电系统中，上述送电装置还包含送电侧串联元件，该送电侧串联元件与上述送电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS1i。另外，上述送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足下式：
[数4]
本发明的第十六方式的非接触供电系统，在第三方式至第八方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述送电装置还包含送电侧串联元件，该送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述电源的位置上与上述送电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS1i。另外，上述送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足下式：
[数5]
本发明的第十七方式的非接触供电系统，在第九方式至第十四方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述送电装置还包含第二送电侧串联元件，该第二送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述电源的位置上与上述送电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS1i。另外，上述第二送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足下式：
[数6]
本发明的第十八方式的非接触供电系统，在第一方式、第二方式或第十五方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件为可变元件。
本发明的第十九方式的非接触供电系统，在第三方式至第八方式以及第十六方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件中的至少一个为可变元件。
本发明的第二十方式的非接触供电系统，在第九方式至第十四方式和第十七方式中的任一方式的非接触供电系统中，上述第一受电侧串联元件、上述受电侧并联元件和第二受电侧串联元件中的至少一个为可变元件。
本发明的第二十一方式的受电装置从送电装置非接触地接受电力，其中，该送电装置包含从电源被输入某个频率的交流电力的送电线圈，上述受电装置包含：受电线圈，其以某个耦合系数与上述送电线圈进行磁耦合；以及第一受电侧串联元件，其与上述受电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS2i。上述频率和上述虚数阻抗被设定为使得在上述耦合系数进行了变化的情况下，从上述电源观察受电侧时的阻抗与上述耦合系数不相关。
发明效果
根据本发明，能够抑制在耦合系数发生变化的情况下从电源观察受电侧时的阻抗的变动。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的非接触供电系统的电路图。
图2是表示本发明的第一实施方式的非接触供电系统的送电线圈和受电线圈的设置例的图。
图3是本发明的第一实施方式的非接触供电系统的功能框图。
图4是本发明的第二实施方式的非接触供电系统的电路图。
图5是本发明的第二实施方式的非接触供电系统的功能框图。
图6是本发明的第二实施方式的非接触供电系统的具体的电路图。
图7是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图8是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图9A是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图9B是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图9C是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图9D是表示本发明的第二实施方式的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图10是本发明的变形例的非接触供电系统的电路图。
图11A是表示本发明的变形例的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图11B是表示本发明的变形例的频率与耦合系数的关系的一例的曲线图。
图12是本发明的变形例的受电装置的等效电路。
图13A是本发明的变形例的可变电容器和可变电感器的一例。
图13B是本发明的变形例的可变电容器和可变电感器的一例。
图13C是本发明的变形例的可变电容器和可变电感器的一例。
图13D是本发明的变形例的可变电容器和可变电感器的一例。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是本发明的第一实施方式的非接触供电系统的电路图。非接触供电系统100具备送电装置101和受电装置103。送电装置101包含后述的送电线圈113，受电装置103包含后述的受电线圈121。送电装置101通过线圈之间的磁耦合，以非接触方式对受电装置103传输电力。使用线圈之间的磁耦合来传输电力的方式例如为电磁感应方式、磁共振方式。作为非接触供电系统100的应用例，例如为电动汽车(车辆)、水下航行体等移动体、家电产品或医疗设备的充电系统、驱动系统。送电线圈113和受电线圈121例如为螺线管型、环型的线圈。
送电装置101包含：送电线圈113，其从输出某个频率f的交流电力的电源111输入交流电力；以及元件(送电侧串联元件)115，其具有虚数阻抗。即，送电线圈113构成为从电源111接收某个频率f的交流电力。元件115与电源111和送电线圈113串联连接。将送电线圈113的自电感使用L1表示，在送电线圈113中流动电流I1(相量电流)。此外，相量显示的电流的绝对值即可以是有效值也可以是峰值。
电源111例如为逆变电路那样的电源电路、商用电源那样的交流(AC)电源，输出频率f(角频率ω)的交流电压VS(相量电压)。经由元件115由送电线圈113接受通过电源111供给的交流电力。逆变电路能够通过半桥方式、全桥方式等目前公知的方式来实现。此外，相量显示的电压的绝对值即可以是有效值也可以是峰值。
在电源111由逆变电路构成的情况下，逆变电路包含多个开关元件(场效应晶体管等)，使这些元件以开关频率f进行开关，由此从电源111输出频率f的交流电力。也就是说，为了对逆变电路输出的频率进行变更，控制开关频率。另外，对逆变电路输入直流电力，但是该直流电力例如为从直流(DC)电源供给的电力或通过电力变换电路将交流电力变换为直流电力后的电力。电力变换电路例如包含整流电路，选择性地具有PFC(Power FactorCorrection：功率因数改善)功能、电压变换功能。电压变换功能例如通过使用斩波电路的非绝缘型DC-DC变换器、使用变压器等的绝缘型DC-DC变换器来实现。
元件115例如由电感器(电抗器、线圈)、电容器等电抗元件或它们的组合的多个元件来构成，将元件115的虚数阻抗用jZS1i(j：虚数单位，ZS1i：虚部)表示。以下，虚部为实数。在元件115由多个元件构成的情况下，例如能够在电源111的一端子与线圈113之间(图1的电源111与线圈113之间的一连接线)设置一个元件，在电源111的另一端子与线圈113之间(图1的电源111与线圈113之间的另一连接线)设置一个元件。在该情况下，元件115的阻抗成为这两个元件的合成阻抗。在元件为电容器的情况下，通过多个电容器来实现元件115的阻抗，由此能够减小对各电容器施加的电压。因此，能够采用耐压低的电容器，从而能够实现送电装置101的小型化。
受电装置103包含：受电线圈121，其构成为以某个耦合系数k与送电线圈113进行磁耦合；以及元件(受电侧串联元件)123，其具有虚数阻抗。元件123与受电线圈121串联连接。另外，将具有实数阻抗的负载125与元件123串联连接。即，受电装置103可以包含负载125。用L2表示受电线圈121的自电感，在受电线圈121中流动电流I2(相量电流)。
元件123为由电感器(电抗器、线圈)、电容器等电抗元件或它们的组合的多个元件构成的结构要素，用jZS2i表示元件123的虚数阻抗。负载125例如为积蓄电力的蓄电设备(锂离子二次电池、镍氢二次电池、大电容的电双层电容器等)、通过电力来驱动的电气设备或电子设备，用Z2r表示负载125的实数阻抗。此外，在元件123由多个元件构成的情况下，有时这些元件的合成阻抗由虚数阻抗和实数阻抗构成。在该情况下，合成阻抗的虚数阻抗成为jZS2i，合成阻抗的实数阻抗与负载125的实数阻抗的合成成为Z2r。另外，在除了电抗元件、二次电池以外将电力变换电路与受电线圈121连接的情况下，电抗元件、二次电池以及电力变换电路的合成阻抗的实部构成负载125的实数阻抗Z2r，虚部构成元件123的虚数阻抗ZS2i。此外，电力变换电路能够由整流电路、整流电路与DC-DC变换器的组合等各种电路构成。
送电线圈113与受电线圈121的相感M满足M2＝k2L1L2的关系式，因此图1的电路方程式成为式(7)。
[数7]
当根据式(7)求出电流I1和I2的关系式时，成为式(8)。
[数8]
在式(9)成立的情况下，根据式(8)和式(9)，式(10)成立。
[数9]
接着，当使用式(7)和式(8)求出从送电线圈113观察受电侧时的阻抗Z1时，用式(11)表示阻抗Z1。此外，式(11)中的V1表示对送电线圈施加的电压。另外，“从某个结构要素观察受电侧时的阻抗”的记述在将非接触供电系统的送电侧设为上游侧，将非接触供电系统的受电侧设为下游侧时，意味着“从该结构要素开始下游侧的阻抗”(以下相同)。
[数10]
当决定或控制非接触供电系统100的各参数(元件的阻抗、频率、耦合系数)从而式(9)成立时，通过将式(10)代入到式(11)，式(11)成为式(12)。
[数11]
由此，用式(13)表示从电源111观察受电侧时的阻抗ZS。
[数12]
根据式(13)，从电源111观察受电侧时的阻抗ZS用受电侧的负载125的实数阻抗Z2r和元件115和123的虚数阻抗jZS1i以及jZS2i表现，不包含耦合系数k。实数阻抗Z2r和虚数阻抗jZS1i以及jZS2i与耦合系数k不相关，因此阻抗ZS也与耦合系数k不相关。也就是说，即使耦合系数发生变化，如果选择(决定)频率f以使式(9)成立，则阻抗ZS和交流电压VS(＝ZS/I1)不变动。式(9)成立是指频率f、耦合系数k、元件123的虚数阻抗ZS2i的组合满足式(10)。也就是说，式(9)是否成立与送电装置101的元件的阻抗无关。
作为耦合系数k发生变化的状况，例如当送电线圈113与受电线圈121的相对位置关系(与图2中的车辆V的行驶方向即前后方向和车辆V的旋转方向(转动方向)即左右方向有关的位置关系)发生变化时，耦合系数k发生变化。另外，即使送电线圈113与受电线圈121的间隔D(图2中的高度方向上的间隔距离)发生变化，耦合系数k也发生变化。并且，即使受电线圈121相对于送电线圈113的朝向或斜率发生变化，耦合系数k也发生变化。在该情况下，通过选择频率从而以变化后的耦合系数式(10)成立，阻抗ZS不会受到变化后的耦合系数的影响，从而能够抑制交流电压VS的变动。以下，在上述三个方向(前后方向、左右方向、高度方向)中的至少一个方向上，将送电线圈113或受电线圈121从期望的位置偏离的情况或受电线圈121相对于送电线圈113的朝向或斜率从期望的朝向或斜率偏离的情况表现为位置偏离。
此外，式(9)成立的意思并非严格地限于式(9)中的等号关系成立。例如，能够根据测量误差或控制误差或预先规定的VS的允许变动范围等，预先决定误差范围，如果I1与I2之比、L2与L1之比的平方根的差分包含在该误差范围内，则能够视为式(9)成立。或者，如果上述差分包含在误差范围内，则视为阻抗ZS与耦合系数k不相关。另外，送电线圈113和受电线圈121的电感L1与L2有时由于线圈的发热、送电线圈和受电线圈之间的相对位置关系而发生变化。因此，在供电前预先测量到的初始值L1以及L2与供电中的实际值L1r和L2r之间产生偏差。因此，当使用初始值L1以及L2来设计非接触供电系统从而满足式(9)的关系式时，供电中的实际值L1r以及L2r与线圈电流的关系，如式(14)那样产生误差ε。虽然接受了送电线圈113和受电线圈121的电感L1和L2的变化，但是在元件123的阻抗jZS2i发生变化的情况下，有时电流I1和I2发生变化，由此式(14)成立。
[数13]
在该情况下，在供电中的实际值中，用式(15)表现从送电线圈113观察受电侧时的阻抗Z1，用式(16)表现从电源111观察受电侧时的阻抗ZS。根据式(16)，即使产生误差ε，阻抗ZS也与耦合系数k不相关。
[数14]
阻抗ZS与耦合系数k不相关，来自电源111的交流电压VS难以变动，从而与交流电压VS具有相关关系的送电侧的电压(例如，送电线圈113的两端之间的电压V1)也难以变动。另外，在电源111由逆变电路构成的情况下，逆变电路的输入直流电压与输出交流电压进行联动，因此输出交流电压VS难以变动，从而输入直流电压也难以变动。在输出该直流电压的电力变换电路具有斩波电路的情况下，在电力变换电路的输出端设置电容器，但是来自电力变换电路的直流电压的变动受到抑制，由此能够减小该电容器的耐压。因此，能够实现电容器的小型化以及送电装置101的小型化。
并且，在式(13)中，在虚数阻抗ZS1i满足式(17)时，式(13)的虚部被抵消，如式(18)那样，阻抗ZS仅具有实部。此时，电源111的功率因数成为100％。另一方面，通过将虚数阻抗ZS1i的值从式(17)的值移开，阻抗ZS与耦合系数k不相关，能够使功率因数为期望的值。
[数15]
接着，使用图3说明线圈之间的耦合系数发生变化时如何变更频率的具体控制方法。图3是本发明的第一实施方式的非接触供电系统的功能框图。
首先，说明送电装置101的功能块。送电装置101具备交流电力输出部141、送电部143、送电侧检测部145、送电侧通信部147、存储部148以及送电侧控制部149。交流电力输出部141与送电部143连接，送电部143与送电侧检测部145连接，送电侧控制部149与交流电力输出部141、送电侧检测部145、送电侧通信部147以及存储部148分别连接。此外，交流电力输出部141还能够设置在送电装置101的外部。另外，使用硬件实现各功能块的功能。具体地说，送电部143的功能使用送电器实现，送电侧检测部145的功能使用送电侧检测器实现，送电侧通信部147的功能使用送电侧通信设备实现，存储部148的功能使用存储器实现，送电侧控制部149的功能使用送电侧控制器实现。
交流电力输出部141相当于图1的电源111，输出交流电力。另外，送电部143相当于图1的送电线圈113和元件115，对受电装置103的后述的受电部151传输电力。
送电侧检测部145是电流传感器，其检测流过送电线圈113的电流I1来作为表示送电部143的送电状况的值，将检测出的电流数据发送给送电侧控制部149。作为电流传感器，例如能够使用通过霍尔效应对流过电流的电线的周围产生的磁场进行测定的传感器；将电阻插入流过电流的电线，对由于该电阻产生的电位降低进行测定的传感器。
送电侧通信部147与后述的受电侧通信部155进行无线通信。送电侧通信部147和受电侧通信部155的通信方式例如为ZigBee(注册商标)、Bluetooth(注册商标)等使用电波的无线通信或使用光信号的光通信。在为使用电波的通信方式的情况下，送电侧通信部147具有天线，在为使用光信号的通信方式的情况下，送电侧通信部147具有通信用发光元件、受光元件。
存储部148存储与耦合系数有关的信息、元件的阻抗(L1、L2等的值)等各种信息、用于记述后述的送电侧控制部149的各功能的程序等，由RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等易失性存储介质、ROM(Read Only Memory：只读存储器)等非易失性的存储介质构成。与耦合系数有关的信息例如为用于确定送电线圈113与受电线圈121的耦合系数所需的信息、满足式(9)时的耦合系数k与频率f的组合的信息。
送电侧控制部149对送电装置101的各功能块和整个送电装置101进行控制和管理。送电侧控制部149例如由CPU(中央处理装置)等任意的优选处理器、对每个处理专用化的专用处理器(例如DSP(数字信号处理器))构成。在后文中说明由送电侧控制部149进行的具体处理。
接着，说明受电装置103的功能块。受电装置103具备受电部151、受电侧检测部153、受电侧通信部155以及受电侧控制部157。受电部151与受电侧检测部153连接，受电侧检测部153和受电侧通信部155分别与受电侧控制部157连接。另外，各功能块的功能使用硬件实现。具体地说，受电部151的功能使用受电器实现，受电侧检测部153的功能使用受电侧检测器实现，受电侧通信部155的功能使用受电侧通信设备实现，受电侧控制部157的功能使用受电侧控制器实现。此外，受电装置103也与送电装置101同样地具有存储部，该存储存储用于记述受电侧控制部157的各功能的程序等，但是省略图示。
受电部151相当于图1的受电线圈121和元件123，取得从送电部143发送的电力，将该电力提供给负载125。
受电侧检测部153是电流传感器，其检测流过受电线圈121的电流I2来作为表示受电部151的受电状况的值，将检测出的电流数据发送到受电侧控制部157。作为电流传感器，例如能够使用根据霍尔效应对流过电流的电线的周围产生的磁场进行测定的传感器；向流过电流的电线插入电阻，对由于该电阻而产生的电位下降进行测定的传感器。
受电侧通信部155与送电侧通信部147进行无线通信。在为使用电波的通信方式时，受电侧通信部155具有天线，在使用光信号的通信方式时，受电侧通信部155具有通信用发光元件、受光元件。
受电侧控制部157对受电装置103的各功能块和整个受电装置103进行控制和管理。受电侧控制部157例如由CPU、DSP等任意的处理器构成。在后文中说明受电侧控制部157所进行的具体处理。
接着，说明由于位置偏离，耦合系数发生了变化的情况下的送电侧控制部149和受电侧控制部157的具体控制内容。以下，用k1表示没有位置偏离的情况下的耦合系数，此时用f1表示满足式(9)的频率，存储部148将这些值对应起来进行存储。
送电侧控制部149假设未产生位置偏离，控制交流电力输出部141从而使其输出相当于无位置偏离的频率f1的交流电力。送电部143将该交流电力发送到受电部151。另外，送电侧检测部145检测流过送电线圈113的电流I1，将该数据发送到送电侧控制部149。另一方面，受电侧检测部153检测流过受电线圈121的电流I2，将该数据发送到受电侧控制部157。受电侧控制部157控制受电侧通信部155，从而将取得的电流数据发送到送电装置101。
于是，送电侧通信部147从受电侧通信部155接收电流数据，并将其发送到送电侧控制部149。送电侧控制部149读出在存储部148中存储的L1和L2的值，根据读出的L1和L2的值以及取得的I1、I2的数据，判断式(9)是否成立。
在式(9)成立的情况下，送电侧控制部149判断为送电线圈113和受电线圈121处于期望的位置关系，没有位置偏离。而且，送电侧控制部149控制交流电力输出部141，从而不变更频率继续输出频率f1的交流电力。
在式(9)未成立的情况下，送电侧控制部149判断为送电线圈113与受电线圈121的相对的位置关系偏离了期望的位置。由于位置偏离，流过线圈113和121的电流发生变化，因此送电侧控制部149根据检测值即I1和I2以及存储值即L1和L2，计算电流的变化量α(α为比1大或小的值)(参照式(19))。
[数16]
在式(8)的右边、在元件和负载的阻抗为固定的情况下，由于位置偏离而发生变化的参数仅为耦合系数。也就是说，该变化量α与耦合系数的变化量对应，因此位置偏离后的耦合系数k2成为式(20)表示的值。
k2＝αk1 式(20)
因此，送电侧控制部149读出在存储部148中存储的耦合系数k1的值，使用式(20)求出位置偏离后的耦合系数k2，通过式(10)计算在耦合系数k2时满足式(9)的频率f2。送电侧控制部149控制交流电力输出部141，从而输出该频率f2的交流电力。
如上所示，说明了频率变更的具体控制方法的一例，但是，以下，作为其变形例，说明不使用送电侧检测部145而变更频率的方法。作为此时的功能框图，除了不存在送电侧检测部145以外，与图3相同。以下，以与上述说明不同之处为中心来进行说明。功能块141、143、147、151、155的功能与上述说明相同，因此省略重复的说明。
存储部148存储受电装置103的受电电力与耦合系数的关系，来作为与耦合系数有关的信息。该关系例如为交流电力输出部141以预定频率(在求出耦合系数时用于固定频率)输出固定电力时的、向负载125提供的电力(供给电力)与耦合系数的关系。此外，以下，存储部148中存储的与耦合系数有关的信息为受电电力与耦合系数的关系，但是并不限于该方式。作为与耦合系数有关的信息，能够任意地使用与耦合系数具有相关关系的参数。与耦合系数具有相关关系的参数例如为受电线圈121的电流I2。
受电侧检测部153是电压传感器和电流传感器，检测向负载125施加的电压和向负载125输入的电流来作为受电状况。此外，检测部位并不限于负载125，受电侧检测部153可以测定与元件123有关的电压、电流。另外，检测对象并不限于电压、电流，也可以是功率，在该情况下，受电侧检测部153为功率传感器。作为电压传感器，例如存在通过电阻将电压分压并使用AD变换器将电压变换为数字值的传感器。另外，作为功率传感器，例如存在以下的传感器：使用电压传感器和电流传感器对电压和电流进行测量，将这些电压与电流相乘得到的值在时间上平均而求出功率的传感器。
当送电装置101输出频率f1的交流电力时，受电部151取得该电力，受电侧检测部153检测与负载125有关的电压和电流，将该数据发送到受电侧控制部157。受电侧控制部157根据取得的数据计算通过负载125充电(消耗)的电力值。而且，受电侧控制部157控制受电侧通信部155，从而将该电力值数据发送到送电装置101。
送电侧通信部147从受电侧通信部155接收电力值数据。送电侧控制部149读出存储在存储部148中的受电电力与耦合系数的关系，判断与读出的耦合系数k1对应的电力值与取得的电力值数据是否一致。此外，关于一致，并非严格地限于等式成立，如果读出的电力值与取得的电力值的差分在预定的误差范围内，则送电侧控制部149也能够视为一致。
在一致的情况下，送电侧控制部149判断为送电线圈113与受电线圈121处于期望的位置关系，没有位置偏离。而且，送电侧控制部149控制交流电力输出部141，从而不变更频率，继续输出频率f1的交流电力。
在不一致的情况下，送电侧控制部149判断为送电线圈113与受电线圈121的相对位置关系从期望的位置偏离，根据在存储部148中存储的关系(例如受电电力与耦合系数的关系)，确定与取得的电力值数据对应的耦合系数k2。然后，送电侧控制部149计算在耦合系数k2时满足式(9)的频率f2，并控制交流电力输出部141，从而输出该频率f2的交流电力。
这样在本实施方式的非接触供电系统100中，在耦合系数k发生变化的情况下，基于满足式(9)决定了频率f和元件123的虚数阻抗jZS2i，以使从电源111观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数k不相关。也就是说，在本实施方式中，通过非接触供电系统100满足式(9)，阻抗ZS由负载125的实数阻抗Z2r和虚数阻抗jZS1i和jZS2i表现，与耦合系数k不相关。因此，在由于送电线圈113与受电线圈121的位置偏离、线圈之间距离的变化，耦合系数k发生了变化的情况下，送电侧控制部149选择频率f以使式(9)成立。即，构成送电侧控制部149，使其进行以下的控制。送电侧控制部149在耦合系数k发生了变化的情况下，调节频率f以使从电源111观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数k不相关。这样在使频率f发生了变化的情况下，阻抗ZS不会由于耦合系数k的变化而变化，因此能够抑制阻抗ZS的变动。而且，与阻抗ZS难以变动相应地，能够抑制交流电压VS的变动。
另外，在本实施方式中，能够将送电装置101的元件115和受电装置103的元件123设定为满足式(17)。在该情况下，阻抗ZS不具有虚部，不仅从电源111观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数不相关，电源111的功率因数成为100％。因此，能够使电源111的送电效率最大化。另外，此时，从受电侧观察送电侧时的阻抗也成为纯电阻(既不含电感也不含电容的电阻)，因此能够通过与从电源111向负载125的送电效率相同的效率，从负载125向电源111传输电力。也就是说，能够实施双向电力传输。
另外，如本实施方式那样，设计非接触供电系统100以使式(9)成立，这有利于确保多个受电装置之间或多个送电装置之间的相互兼容。例如说明以下的情况：设计式(9)成立的送电装置101和受电装置103，并且需要设计用于向与负载125不同的阻抗Z2ra的负载(第二负载)进行供电的受电装置(第二受电装置)的情况(第二受电装置的电路结构与受电装置103相同，仅第二受电装置的元件的阻抗与受电装置103不同)。在该情况下，求出β＝Z2ra/Z2r，决定第二受电装置的受电线圈(第二受电线圈：与受电线圈121对应)的自电感L2a和元件(第二元件：与元件123对应)的虚数阻抗jZS2ia，从而满足式(21)和式(22)。
L2a＝βL2 式(21)
ZS2ia＝βZs2i 式(22)
此时，当把送电装置101与第二受电装置组合时，从电源111观察受电侧时的阻抗ZS成为用式(13)表示的值。也就是说，实现第二受电装置以使式(21)和式(22)成立，由此即使不对送电装置101进行变更，也能够使从电源111观察受电侧时的阻抗恒定。由此，即使负载的阻抗发生变化，也能够通过简单的设计变更，构建送电侧的电压难以变动的非接触供电系统。
同样地，在需要从输出与电源111不同的电压VSa的电源(第二电源)对负载125供给与电源111的情况相同的电力的情况下，也能够通过简单的设计变更，构成供给电压VSa的送电装置(以下，称为第二送电装置)(第二送电装置的电路结构与送电装置101相同，仅第二送电装置的元件的阻抗与送电装置101不同)。具体地说，为了使第二电源输出与电源111相同的电力P，从第二电源观察受电侧时的阻抗ZSa需要满足式(23)。
[数17]
当使γ＝(VSa/VS)2时，第二送电装置的送电线圈(第二送电线圈：与送电线圈113对应)的自电感L1a和元件(第三元件：与元件115对应)的虚数阻抗jZS1ia满足式(24)和式(25)，由此满足式(23)。
L1a＝γL1 式(24)
ZSlia＝γZsli 式(25)
也就是说，实现第二送电装置以使式(24)和式(25)成立，由此即使不变更受电装置103，也能够对负载125供给恒压。由此，即使电源的电压发生变化，也能够通过简单的设计变更，构建送电侧的电压难以变动的非接触供电系统。
(第二实施方式)
在第一实施方式中，说明了将具有虚数阻抗的元件115与送电线圈113串联连接，并且将具有虚数阻抗的元件123与受电线圈121串联连接的情况，但是在第二实施方式中，说明在各个送电线圈和受电线圈上并联连接有具有虚数阻抗的元件的情况。
第二实施方式的非接触供电系统200具备送电装置201和受电装置203。送电装置201包含从电源211输入交流电力的送电线圈213、元件(送电侧串联元件)215以及元件(送电侧并联元件)217。受电装置203包含受电线圈221、元件(受电侧串联元件)223以及元件(受电侧并联元件)227。在元件223上串联连接有负载225。这些结构要素211、213、215、221、223、225与第一实施方式的送电装置101和受电装置103的结构要素111、113、115、121、123、125分别相同，因此省略重复的说明。以下，在图4的电路中，表示从电源211观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数不相关。如图5所示，非接触供电系统200具备交流电力输出部241、送电部243、送电侧检测部245、送电侧通信部247、存储部248、送电侧控制部249、受电部251、受电侧检测部253、受电侧通信部255以及受电侧控制部257，各功能部的功能与分别对应的第一实施方式的功能部的功能相同，因此省略重复的说明。另外，关于频率的变更控制方法，也能够使用与第一实施方式相同的方法。
元件217与送电线圈213并联连接，并且比元件215更靠向送电线圈侧进行连接，具有虚数阻抗jZP1i。即，元件217在比元件215更接近送电线圈213的位置上与送电线圈213并联连接，具有虚数阻抗jZP1i。关于该连接关系，换言之，元件215与送电线圈213串联连接，并且与元件217相比更靠向电源侧进行连接。另外，元件227与受电线圈221并联连接，并且比元件223更靠向受电线圈侧进行连接，具有虚数阻抗jZP2i。即，元件227在比元件223更接近受电线圈221的位置上与受电线圈221并联连接，具有虚数阻抗jZP2i。元件217和227例如由电感器(电抗器、线圈)、电容器等电抗元件或它们的组合的多个元件构成。
当建立图4的电路方程式时，成为式(26)。
[数18]
如第一实施方式那样，在确定或控制了非接触供电系统200的各参数以使式(9)成立的情况下，当求出从元件217观察受电侧时的阻抗Z1时，成为式(27)表示的值，该式不包含耦合系数k。
[数19]
当决定了送电侧并联元件217和受电侧并联元件227的阻抗值以使式(28)成立时，通过式(27)和式(28)，式(29)成立。
[数20]
由此，从电源211观察受电侧时的阻抗ZS成为式(30)表示的值。
[数21]
根据式(30)，在式(9)和式(28)成立的情况下，从电源211观察受电侧时的阻抗ZS通过受电侧的负载225的实数阻抗Z2r、元件215和223的虚数阻抗jZS1i和jZS2i来表现。负载225的实数阻抗Z2r和虚数阻抗jZS1i和jZS2i与耦合系数k不相关，因此阻抗ZS也与耦合系数k不相关。
并且，在虚数阻抗ZS1i满足式(31)时，式(30)的虚部被抵消，如式(32)那样阻抗ZS仅具有实部。此时，电源211的功率因数成为100％。另一方面，通过使虚数阻抗ZS1i的值从式(31)的值错开，阻抗ZS与耦合系数k不相关，能够使功率因数为期望的值。
[数22]
说明通过更具体的电路元件构成图4的电路的情况。具体地说，如图6那样，使用电感器(自电感：LS1和LS2)构成元件215和223，使用电容器(电容：CP1和CP2)构成元件217和227。
此时，元件217和227的电容的关系，从式(28)通过式(33)表示。在式(9)和式(33)成立的情况下，从电源211观察受电侧时的阻抗ZS的实部与耦合系数k不相关。
[数23]
另外，元件215和223的自电感的关系，从式(31)通过式(34)表示。在式(9)、式(33)和式(34)成立的情况下，电源211的功率因数成为100％。
[数24]
在图6的电路结构中，说明满足式(9)的耦合系数k与频率f的关系。当根据图6的电路方程式求出电流I2相对于电流I1的比例时，该比例成为用式(35)表示的值。
[数25]
在式(35)满足式(9)的情况下，式(36)成立。此外，式(36)中的星号“*”表示复共轭。
[数26]
在元件和负载的阻抗为固定的情况下，耦合系数k成为角频率ω(即频率f)的函数，用图7的实线的曲线图G1表示该函数。此外，比较对象即图7的虚线的曲线图G2表示将受电装置203的元件223仅使用电容器构成而并非由电感器构成时的结果。得到以下的结果：通过电感器构成元件223时与仅通过电容器构成元件223时相比，曲线图的斜率的大小更大，也就是说在使频率f进行了变化的情况下，满足式(9)的耦合系数k的变化幅度变大。
例如，说明以下情况：作为电源211、非接触供电系统200整体的限制，决定了频率f的可变范围(fmin(下限值)≤f≤fmax(上限值))，该可变范围相对于曲线图G1和G2如图7那样决定。可变范围例如通过电源211能够输出的电力的频率范围的上下限来决定。在由于送电线圈与受电线圈之间的位置偏离等耦合系数成为用图7的k3表示的值的情况下，在曲线图G1中，满足式(9)的频率f3-1包含在可变范围内。另一方面，在曲线图G2中，满足式(9)的频率f3-2处于可变范围外。也就是说，当使用电感器构成受电装置203的受电侧串联元件223时，与使用电容器构成的情况相比，即使耦合系数进行大的变化，满足式(9)的频率存在于可变范围内的可能性提高。由此，能够针对更大范围内的耦合系数的变化，抑制来自电源211的交流电压的变动的同时变更频率。
另外，在能够将元件223(电感器)的自电感LS2或元件227(电容器)的电容CP2中的至少一方设定为任意值的情况下，与设定值的变化相符地曲线图G1的形状进行变化。例如，如果选择自电感LS2的值从而在可变范围内耦合系数成为单调减少或单调增加，则与耦合系数的极小值位于可变范围内的情况相比，耦合系数k的变化幅度变大。特别是在满足式(9)的耦合系数k与频率f的关系如图8那样不是以耦合系数的极小值为中心对称(并非是通过该极小值关于与图8的耦合系数的轴(上下轴)平行的线对称)的情况下，优选频率f的可变范围位于斜率的绝对值更大的区域(在图8中，单调减少的区域、极小值的左侧)。
另外，有时根据送电线圈213与受电线圈221之间的位置偏离，预先决定了耦合系数的变动范围。例如当由于位置偏离，送电线圈213与受电线圈221之间的耦合系数变小时，电力效率下降。因此，从实现期望的电力效率这一观点发出，存在用于实现所允许的最低的电力效率的耦合系数的下限值kmin。期望的耦合系数的上限值kmax成为作为非接触供电系统200能够实现的最大值。另外，在预先决定了非接触供电系统200的位置偏离范围的情况下，通过求出该范围内的非接触供电系统200的耦合系数，决定耦合系数的变动范围。在存在耦合系数的变动范围的情况下，如图9A～9D所示，在频率为可变范围的上限值fmax或下限值fmin时，决定元件223和元件227的阻抗，以使耦合系数成为变动范围的上限值Kmax或下限值Kmin。即，在本实施方式的非接触供电系统200中，在频率为可变范围的上限值fmax或下限值fmin且耦合系数为变动范围的上限值Kmax或下限值Kmin时，决定了元件223和元件227的虚数阻抗从而满足式(9)。通过这样进行决定，在耦合系数发生变化的情况下，能够提高存在满足式(9)的频率f的可能性。图9A示出了在频率为可变范围的上限值fmax时，耦合系数成为变动范围的下限值kmin的情况。图9B示出了在频率为可变范围的下限值fmin时耦合系数成为变动范围的下限值kmin的情况。图9C示出了在频率为可变范围的下限值fmin时耦合系数成为变动范围的上限值kmax的情况。图9D示出了在频率为可变范围的上限值fmax时耦合系数成为变动范围的上限值kmax的情况。
并且，在频率f的可变范围内，满足式(9)的频率f与耦合系数k的关系成为使用单调增加或单调减少的曲线图(例如，单调减少的图8的曲线图)表示的关系的情况下，能够比在第一实施方式中说明的方法更容易实施频率的变更控制方法。在第一实施方式的方法中，通过式(20)求出变化后的耦合系数k2，通过式(10)计算满足式(9)的频率f2。另一方面，以下，说明不使用式(10)来求出频率f2的方法。具体地说，通过式(17)，α＝1成立时，式(9)成立，因此送电侧控制部249进行反馈控制以使α成为1。例如，送电侧控制部249根据使用送电侧检测部245和受电侧检测部253检测出的电流I1、I2的值来求出α，对α与1的差分进行PID控制。不需要求解式(10)的多项式，因此能够抑制送电侧控制部249的计算负载。
这样，在本实施方式中，频率f、耦合系数k以及受电侧串联元件223的虚数阻抗满足式(9)，由此从电源211观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数k不相关。另外，送电侧并联元件217与受电侧并联元件227满足式(28)，由此阻抗ZS使用与第一实施方式相同的数式来表现，不受元件217和227的阻抗值影响。在由于送电线圈213与受电线圈221的位置偏离、线圈之间距离的变化而使耦合系数k发生了变化的情况下，能够选择频率f以使式(9)成立。即，将送电侧控制部249构成为，调节频率f从而在耦合系数k发生变化的情况下从电源211观察受电侧时的阻抗ZS与耦合系数k不相关。由此，在使频率f变化的情况下，阻抗ZS不会因耦合系数k的变化而变化，因此能够抑制阻抗ZS的变动。因此，与阻抗ZS难以发生变动相应地，能够抑制交流电压VS的变动。
另外，在本实施方式中，能够使用电感器构成受电侧串联元件223。在这种结构下，在受电装置203包含电力变换电路的情况下，受电侧串联元件223起到高次谐波降低滤波器的作用，因此能够使向负载225供给的交流电流的波形接近理想的正弦波。
另外，在本实施方式中，能够使用电感器构成受电侧串联元件223，并且能够使用电容器构成受电侧并联元件227。由此，与使用电容器构成受电侧串联元件223和受电侧并联元件227两者的情况相比，能够使表示满足式(9)的频率f与耦合系数k的关系的曲线图的斜率的大小更大。因此，在频率f的有限的可变范围内能够应对更广大的耦合系数k的变动范围。
根据各附图、实施方式说明了本发明，但是本领域技术人员能够在本申请的权利要求的范围内根据本公开进行各种变形、修正。因而，这些变形、修正也包含在本发明的范围内。
在上述本发明的实施方式中，说明了两个方式的元件结构(图1和图4)，但是本发明并不限于该方式。例如如图10所示，可以在送电装置设置与送电线圈313串联连接且比送电侧并联元件317更靠向送电线圈侧连接的元件，在受电装置设置与受电线圈321串联连接且比受电侧并联元件327更靠向受电线圈侧连接的元件329。即，元件319在比送电侧并联元件317更接近送电线圈313的位置上与送电线圈313串联连接。元件329在比受电侧并联元件327更接近受电线圈321的位置上与受电线圈321串联连接。元件319和329分别具有虚数阻抗jZS1i-2和jZS2i-2。在如第一和第二实施方式那样求解电路方程式，式(9)、式(28)和式(37)成立的情况下，式(30)成立。由此，构成阻抗ZS从而不受耦合系数k的影响(不相关)。作为图10那样的电路结构的实施例，元件315和323分别为电感器，元件317、319、327、329分别为电容器。另外，作为另外的变形例，即使在送电侧串联元件315与送电线圈313之间，对于送电线圈313并联或串联连接更多的元件(未图示)，并且在受电侧串联元件323与受电线圈321之间，对于受电线圈321并联或串联连接更多的元件(未图示)，也能够使阻抗ZS与耦合系数k不相关。具体地说，使送电装置301与受电装置303的元件结构为以送电线圈313和受电线圈321为基准对称(图10的位于送电线圈313与受电线圈321的中间并与两个线圈的送电方向正交的直线有关的线对称)，使送电侧的元件的阻抗为受电侧的对称的元件的阻抗的(L1/L2)倍即可(参照式(37))。
[数27]
另外，在上述本发明的实施方式的说明中，未考虑到负载的阻抗Z2r的变动。但是，例如在负载由电池构成的情况下，根据电池的充电率(SOC：State OfCharge)，负载(电池)的阻抗Z2r发生变动。在该情况下，式(13)、式(30)表示的从电源观察受电侧时的阻抗ZS的实部由于负载的阻抗Z2r的变动而发生变化。但是，即使是这种结构，也和上述实施方式同样地，阻抗ZS与耦合系数不相关。
并且，在式(36)表示的耦合系数k与频率f的关系式中包含阻抗Z2r，因此当负载的阻抗Z2r发生变动时，在图7、图8中表示的曲线图的形状发生变化。但是，与阻抗Z2r不相关，存在满足式(9)的耦合系数k与频率f的组合(以下，称为奇异解)。以下，说明图4的电路结构中的奇异解。为了便于说明，图4示出的电路结构的元件215、217、223、227分别为电容器，分别使用CS1、CP1、CS2、CP2表示元件215、217、223、227的电容。此外，也可以将这些元件的一部分由电感器构成。另外，奇异解的存在并不限于图4的电路结构，在图10的电路结构中也能够同样地求出奇异解。
根据式(26)求出电流I1与I2的关系式，当式(9)成立时，式(38)成立。为ZS1i＝－1/(ωCS1)、ZP1i＝－1/(ωCP1)、ZS2i＝－1/(ωCS2)、ZP2i＝－1/(ωCP2)。
[数28]
当将式(38)变形时，得到式(39)。
[数29]
在式(40)成立的情况下，与Z2r的值不相关，式(39)成立。
[数30]
(1-ω2L2(CS2+CP2))2-ω4L2 2(CS2+CP2)2k2＝0
ω2CS2 2(1-ω2L2CP2)2-ω6L2 2CS2 2CP2 2k2＝0
式(40)
当对式(40)求解时，作为电容CS2、CP2的解，得到正的解和负的解，但是实际的电容CS2、CP2具有正的值，因此采用正的解。此外，负的解意味着元件223并非是电容器而是电感器。
在受电线圈121的电感为已知的情况下，通过将预定的频率和耦合系数代入式(40)，求出该预定频率和耦合系数成为奇异解的元件的阻抗。例如将代入到式(40)的预定的频率的值设为可变范围的上限值fmax或下限值fmin，将预定的耦合系数的值设为变动范围的下限值kmin。通过这样，能够在可变范围的边界配置奇异解。
接着，使用图11A和11B说明负载225的阻抗Z2r发生变动的情况下的耦合系数k与频率f的曲线图的形状变化。首先，如图11A所示，说明奇异解S1处于频率f的可变范围内(除了边界以外)并处于耦合系数k的变动范围内(除了边界以外)的情况。当负载225的阻抗Z2r变大时，耦合系数k与频率f的曲线图从曲线图G3变化为曲线图G4。此外，说明在作为频率的初始值而设定了fmax时，耦合系数由k5(>kmin)表示的情况。在该情况下，在曲线图G3中，通过使频率减少，找出满足式(9)的频率f5。但是，在曲线图G4中，需要使频率增加，但是无法使频率大于fmax，因此无法选择满足式(9)的频率。因此，当在曲线图G4中在fmax满足式(9)的耦合系数为k6的情况下，在耦合系数k(kmin≤k<k6)，无法选择满足式(9)的频率。在实际的耦合系数k(kmin≤k<k6)小于在频率fmax满足式(9)的耦合系数k6的情况下，从电源111观察受电侧时的阻抗ZS成为电容性负载。在电源111由逆变电路构成的情况下，无法实现软开关。
另一方面，如图11B所示，说明奇异解S2为频率f的可变范围的上限值fmax且为耦合系数k的变动范围的下限值kmin的情况。当负载225的阻抗Z2r变大时，耦合系数k与频率f的曲线图从曲线图G3变换为曲线图G5。在该情况下，在频率为fmax且耦合系数为k5时，在曲线图G3中，通过减少频率，找出满足式(9)的频率f5-1。另外，在曲线图G5中，也通过减少频率，找出满足式(9)的频率f5-2。与图11A不同，即使在耦合系数k为kmin≤k<k6的范围内，也能够选择满足式(9)的频率。因此，能够扩大在频率f的可变范围内满足式(9)的耦合系数的范围。另外，实际的耦合系数k成为在频率fmax满足式(9)的耦合系数kmin以上，因此从电源111观察受电侧时的阻抗ZS成为感应性负载。在电源111由逆变电路构成的情况下，能够实现软开关。并且即使由于阻抗Z2r的变动而使曲线图发生变化，也能够通过减少频率这种相同的控制，选择满足式(9)的频率。
另外，在上述本发明的实施方式中，说明了送电装置的电源的送电效率，但是为了提高整个非接触供电系统的电力效率，还需要提高受电装置内的效率。以下，使用图4研究受电装置内的效率的提高。为了便于说明，图4示出的电路结构的元件223、227分别为电容器，元件223、227的电容分别用CS2、CP2表示。
在受电线圈221中，通过与送电线圈213的磁耦合而感应出电动势Vm，受电装置203使用图12那样的等效电路表示。电动势Vm使用式(41)表示。
[数31]
另外，图12的电路方程式成为式(42)。
[数32]
将式(41)代入式(42)，当针对电流I2求解时，导出式(43)。
[数33]
为了提高受电装置内的效率，使受电线圈221感应出的电动势与受电线圈221的电流I2的相位差接近0°即可。由此，在相位差为0°且式(43)的虚数部不存在时，受电装置内的效率变得最高。这相当于式(44)成立时。在该情况下，在对负载225供给期望电力的情况下，不存在受电装置内的无效电力，因此能够减小受电线圈的电流，能够抑制元件或配线的发热。
[数34]
ω2CS2 2CP2Z2r 2(1-ω2L2CP2)+(Cs2+CP2)(1-ω2L2r(CS2+CP2))＝0
式(44)
用于提高受电装置内的效率的条件式并非限于图4的电路结构而导出，在图10的电路结构中也同样地导出。
此外，在图4的电路结构中，预先决定受电线圈221的阻抗，在分别针对频率f(角频率ω)、耦合系数k以及负载的阻抗Z2r选择任意的值的情况下，变量为元件223的阻抗和227的阻抗这两个变量。因此，在赋予作为式(9)的成立条件的式(38)和作为最大效率条件的式(44)这两个条件式的情况下，将元件223和227的阻抗分别决定为特定的值。也就是说，当考虑式(9)的成立条件和最大效率条件时，期望的频率f和耦合系数k不满足式(40)。另外，在将奇异解设定为期望的值的情况下，因为在式(40)中将元件223和227的阻抗分别决定为特定的值，因此不同时满足最大效率条件。
另一方面，在图10的电路结构中，除了元件323和327以外，设定了元件329，因此变量成为三个。为了便于说明，图10的电路结构的元件323、327、329分别为电容器，元件323、327、329的电容分别使用CS2、CP2、CSf2表示。当式(9)成立时，与式(38)同样地式(45)成立，从式(45)得到赋予奇异解的式(46)。另外，与上述图4的电路结构的情况同样地，作为最大效率条件得到式(47)。
[数35]
变量为元件323、327、329的阻抗这三个，条件式为式(46)和式(47)这3式，因此将奇异解设定为期望的值，同时将满足最大效率条件的元件323、327、329的阻抗分别决定为特定的值。另外，在存在用于决定任意的特性的最大效率条件以外的其它条件的情况下，通过将该其它条件与式(46)组合，将奇异解设定为期望的值，同时决定满足其它条件的元件的阻抗。例如当把元件329的阻抗决定为某个值时，将满足式(46)的元件323和327的阻抗分别决定为特定的值。因此，在难以将期望的条件定义为式子的情况下，在元件329的阻抗为某个值时，能够确认是否满足期望的条件。在未满足期望的条件的情况下，能够变更元件329的阻抗，为了满足期望的条件调整元件329的阻抗。
另外，在上述本发明的实施方式的说明中，设为元件的阻抗为固定且不变化，但是本发明并不限于该方式。例如能够通过可变元件(可变电感器、可变电容器)构成受电装置的元件。在该情况下，在耦合系数k变化时，不对频率f而是对受电装置的元件的阻抗(虚数阻抗)进行变更，或者不仅变更频率f还变更受电装置的元件的阻抗(虚数阻抗)，由此能够使从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数不相关。此外，也可以由上述的送电侧控制部进行上述元件的虚数阻抗的变更控制。在该情况下，构成送电侧控制部从而使其进行以下控制。具体地说，送电侧控制部在耦合系数k发生了变化的情况下，能够确定元件的虚数阻抗的值，以使从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关。而且，送电侧控制部能够经由通信部向受电侧控制部进行指示，使其将元件的虚数阻抗设定为该值。
另外，在上述本发明的实施方式、变形例的说明中，频率、元件的虚数阻抗由发送侧控制部进行控制并进行变更。但是，也可以构成上述受电侧控制部，使其对频率、元件的虚数阻抗进行控制来变更。在该情况下，受电侧控制部可以经由上述通信部从发送侧控制部取得控制所需的信息。即，受电侧控制部能够在耦合系数k发生了变化的情况下，确定上述电源输出的交流电力的频率的值，以使从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关。而且，受电侧控制部能够对送电侧控制部进行指示，使其将电源输出的交流电力的频率设定为该值。另外，受电侧控制部也可以在耦合系数k发生了变化的情况下，调节受电装置的元件的虚数阻抗，以使从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关。
并且，构成本发明的非接触供电系统从而能够得到上述实施方式、变形例的作用效果即可，因此构成本发明的非接触供电系统，从而在耦合系数k发生变化的情况下，调节上述电源输出的交流电力的频率和元件的虚数阻抗中的至少一方，以使从电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关即可。
可变电容器、可变电感器的实施例如图13A～13D所示，是经由开关元件SW1～SW6连接了阻抗不同的多个电容器431a～431d或电感器433a～433d的电路。通过受电侧控制部对开关元件SW1～SW6进行开关，能够切换电容器431a～431d和电感器433a～433d中所使用的元件，能够使电路的电容和电感的值变化。由于电路的电容或电感的值发生变化，满足式(9)的频率f与耦合系数k的关系发生变化。因此，通过改变电路的电容或电感的值，能够扩大在频率f的可变范围内满足式(9)的耦合系数k的范围。另外，可变电容器、可变电感器不仅包含如图13A～13D所示电容、电感的值选择性地不连续变化的电路，还包含如滑动变压器、微调电容器等那样上述值连续地变化的电路。
另外，在上述本发明的实施方式的说明中，以非接触供电系统内的电压、电流为正弦波作为前提。但是，在这些电压、电流包含多个频率成分而并非正弦波的情况下，本发明能够应用于基波成分。
另外，当在送电线圈、受电线圈和各元件中存在电阻成分的情况下，通过忽视电阻成分而视为理想的电感(线圈)、电容，能够使用本发明。并且，在存在非接触供电系统内的配线的电阻成分和电抗成分的情况下，通过忽视这些电阻成分和电抗成分，能够使用本发明。
此外，在上述实施方式和变形例中，说明了具备送电装置和受电装置的非接触供电系统。但是，本发明并不限于该结构，也可以将本发明应用于从送电装置以非接触方式接受电力的受电装置，上述送电装置包含从电源输入某个频率的交流电力的送电线圈。该受电装置具备与在上述实施方式和变形例中说明的受电装置103、203或303相同的结构。即，本发明的受电装置包含：受电线圈，其以某个耦合系数与上述送电线圈进行磁耦合；以及受电侧串联元件(第一受电侧串联元件)，其与该受电线圈串联连接，具有虚数阻抗jZS2i。上述受电线圈可以具备与受电线圈121、221或321相同的结构，上述受电侧串联元件可以具备与元件123、223或323相同的结构。另外，在本发明的受电装置中，决定了上述电源输出的交流电力的频率和上述受电侧串联元件的虚数阻抗，从而在耦合系数k发生了变化的情况下，从上述电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关即可。换言之，将本发明的受电装置构成为，在耦合系数k发生了变化的情况下，调节上述电源输出的交流电力的频率和上述受电侧串联元件的虚数阻抗中的至少一方，从而从上述电源观察受电侧时的阻抗与耦合系数k不相关即可。上述受电装置可以经由通信部等向上述电源指示频率的变更。
产业上的应用
本发明能够用于使用电磁感应、磁共振等来进行供电的非接触供电系统和受电装置。
附图标记说明
100、200、300：非接触供电系统；101、201、301：送电装置；103、203、303：受电装置；111、211、311：电源；113、213、313：送电线圈；115、215、315：元件(送电侧串联元件、第二送电侧串联元件)；217、317：元件(送电侧并联元件)；121、221、321：受电线圈；123、223、323：元件(第一受电侧串联元件)；125、225、325：负载；227、327：元件(受电侧并联元件)；141、241：交流电力输出部；143、243：送电部；145、245：送电侧检测部；147、247：送电侧通信部；148、248：存储部；149、249：送电侧控制部；151、251：受电部；153、253：受电侧检测部；155、255：受电侧通信部；157、257：受电侧控制部；319：元件(第一送电侧串联元件)；329：元件(第二受电侧串联元件)；431a、431b、431c、431d：电容器；433a、433b、433c、433d：电感器；SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6：开关元件。

Claims (20)

1.一种非接触供电系统，其具备：送电装置和受电装置，上述非接触供电系统的特征在于，
上述送电装置包含从电源输入某个频率的交流电力的送电线圈，
上述受电装置包含：受电线圈，其以某个耦合系数与上述送电线圈进行磁耦合；以及第一受电侧串联元件，其与上述受电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS2i，
上述频率和上述虚数阻抗中的至少一个为变量，
上述频率和上述虚数阻抗中的至少一个基于在上述耦合系数发生了变化时满足以下式1的情况而发生变化，使得从上述电源观察受电侧时的阻抗与上述耦合系数不相关，
其中，L1为上述送电线圈的自电感，L2为上述受电线圈的自电感，I1为流过上述送电线圈的电流，I2为流过上述受电线圈的电流。
2.根据权利要求1所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述送电装置还包含送电侧并联元件，该送电侧并联元件与上述送电线圈并联连接，且具有虚数阻抗jZP1i，
上述受电装置还包含受电侧并联元件，该受电侧并联元件在比上述受电侧串联元件更接近上述受电线圈的位置上与上述受电线圈并联连接，且具有虚数阻抗jZP2i，
上述送电侧并联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗满足以下式2：
3.根据权利要求2所述的非接触供电系统，其特征在于，
设定有上述频率的可变范围，
设定有上述耦合系数的变动范围，
上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的上限值或下限值时，满足上述式1。
4.根据权利要求3所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得通过上述送电线圈与上述受电线圈的磁耦合由上述受电线圈感应出的电动势与上述受电线圈的电流的相位差成为0°。
5.根据权利要求3所述的非接触供电系统，其特征在于，
在上述受电装置上连接有阻抗进行变动的负载，
上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的下限值时，与上述负载的阻抗无关，满足上述式1。
6.根据权利要求2～5中的任意一项所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件为电感器，上述受电侧并联元件为电容器。
7.根据权利要求2～5中的任意一项所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件分别为电容器。
8.根据权利要求2所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述送电装置还包含第一送电侧串联元件，该第一送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述送电线圈的位置上与上述送电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS1i-2，
上述受电装置还包含第二受电侧串联元件，该第二受电侧串联元件在比上述受电侧并联元件更接近上述受电线圈的位置上与上述受电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS2i-2，
上述第一送电侧串联元件和上述第二受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足以下式3：
9.根据权利要求8所述的非接触供电系统，其特征在于，
设定有上述频率的可变范围，
设定有上述耦合系数的变动范围，
上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件以及上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的上限值或下限值时，满足上述式1。
10.根据权利要求9所述的非接触供电系统，其特征在于，
在上述受电装置上连接有阻抗进行变动的负载，
上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件以及上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得在上述频率为上述可变范围的上限值或下限值且上述耦合系数为上述变动范围的下限值时，与上述负载的阻抗无关，满足上述式1。
11.根据权利要求9或10所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件以及上述受电侧并联元件的上述虚数阻抗被设定为使得通过上述送电线圈与上述受电线圈的磁耦合由上述受电线圈感应出的电动势与上述受电线圈的电流的相位差成为0°。
12.根据权利要求8所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件为电感器，上述第二受电侧串联元件和上述受电侧并联元件为电容器。
13.根据权利要求8所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件、上述第二受电侧串联元件以及上述受电侧并联元件分别为电容器。
14.根据权利要求1所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述送电装置还包含送电侧串联元件，该送电侧串联元件与上述送电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS1i，
上述送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足以下式4：
15.根据权利要求2～5中的任意一项所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述送电装置还包含送电侧串联元件，该送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述电源的位置上与上述送电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS1i，
上述送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足以下式5：
16.根据权利要求8所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述送电装置还包含第二送电侧串联元件，该第二送电侧串联元件在比上述送电侧并联元件更接近上述电源的位置上与上述送电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS1i，
上述第二送电侧串联元件和上述第一受电侧串联元件的上述虚数阻抗满足以下式6：
17.根据权利要求1所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件为可变元件。
18.根据权利要求2～5中的任意一项所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件和上述受电侧并联元件中的至少一个为可变元件。
19.根据权利要求8所述的非接触供电系统，其特征在于，
上述第一受电侧串联元件、上述受电侧并联元件以及第二受电侧串联元件中的至少一个为可变元件。
20.一种受电装置，其从送电装置非接触地接受电力，该送电装置包含从电源输入某个频率的交流电力的送电线圈，上述受电装置的特征在于，
包含：受电线圈，其以某个耦合系数与上述送电线圈进行磁耦合；以及
第一受电侧串联元件，其与上述受电线圈串联连接，且具有虚数阻抗jZS2i，
上述频率和上述虚数阻抗中的至少一个为变量，
上述频率和上述虚数阻抗中的至少一个基于在上述耦合系数发生了变化时满足以下式1的情况而发生变化，使得从上述电源观察受电侧时的阻抗与上述耦合系数不相关，
其中，L1为上述送电线圈的自电感，L2为上述受电线圈的自电感，I1为流过上述送电线圈的电流，I2为流过上述受电线圈的电流。
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