JP2010239690A - 無線電力供給システム、無線電力供給方法 - Google Patents

無線電力供給システム、無線電力供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】送電コイルと受電コイルとの相対位置を最適化し、電力伝送効率を向上させることが可能となる。
【解決手段】送電コイル１２と受電コイル２２との結合強度κが最大となる位置決め制御を行うことができる。実施の形態にかかる無線電力供給システムの位置決め方法は、機械的ガイドや光学センサー等を用いるよりも直接的な手法であり、より精密な位置決め制御を行うことが可能となる。
【選択図】図５

Description

本願の開示は、無線電力供給システム、無線電力供給方法に関する。
無線で電力（エネルギー）を伝送するシステムとして、電磁誘導方式（特許文献１に開示）、電波方式、磁界共鳴方式（特許文献２に開示）などがあった。いずれの方式においても、電力供給効率を高めるために様々な工夫がなされている。特許文献１は、電磁誘導方式により電力を無線伝送する非接触電力伝達装置において、１次コイル（送電コイル）と２次コイル（受電コイル）との位置関係が変化した場合に、２次コイル側の出力を一定に保つように、１次コイルに流す電流の周波数等を調整する技術を開示している。
特開２００２−１０１５７８号公報 特表２００９−５０１５１０号公報
しかしながら特許文献１に開示された技術では、１次コイルから２次コイルへの電力供給効率が低下する。すなわち、１次コイルと２次コイルとの間隙が大きい場合、１次コイルに印加する電圧の振幅や周波数を大きくして、２次コイル側に大きな出力が得られるように制御しているため、１次側で生じるエネルギーと２次側で生じるエネルギーとの差が大きくなり、電力供給効率が低下する。また、特許文献２には、電力供給効率を向上させる技術については開示されていない。
本願に開示する無線電力供給システム及び無線電力供給方法は、電力供給効率を向上させるためのシステム及び方法を提供することを目的としている。
本願に開示する無線電力供給システムは、磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルと、前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する送電部とを備えた無線電力供給システムであって、前記送電部は、前記送電コイルに流れる電流を検出する検出部と、前記送電コイルへの供給電力の周波数を制御する制御部と、前記検出部で検出された電力の周波数により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する判定部とを備えたものである。
本願に開示する無線電力供給システムは、磁界共鳴を用いて前記電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルと、前記送電コイルから送出される前記磁界エネルギーを受信して電力に変換する受電コイルと、前記送電コイルと前記受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する送電部とを備えた無線電力供給システムであって、前記送電部は、前記送電コイルに流れる電流を検出する検出部と、前記送電コイルへの供給電力の周波数を制御する制御部と、前記検出部で検出された電力の周波数により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する判定部とを備えたものである。
本願に開示する無線電力供給方法は、磁界共鳴を用いて送電コイルから電力を磁界エネルギーとして送出し、前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する無線電力供給方法であって、前記送電コイルに流れる電流を検出し、検出された電流の周波数により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する。
本願の開示によれば、電力伝送効率を向上させる無線電力供給システム及び無線電力供給方法を提供することが可能となる。
無線電力供給システムの基本概念を示す模式図 強結合状態における周波数特性を示す特性図 エネルギー損失Ｇが一定で結合強度κを変化させた時の周波数特性を示す特性図 エネルギー損失Ｇが一定で結合強度κを変化させた時の周波数特性を示す特性図 無線電力供給システムの一例である充電システムの模式図 送電部の具体構成を示すブロック図 位置決め制御のフローチャート Ａは弱結合状態にある充電システムの模式図、Ｂ〜Ｅは弱結合状態にある充電システムの周波数特性を示す特性図 Ａは充電システムの模式図、Ｂ〜Ｅは充電システムの周波数特性を示す特性図 Ａは強結合状態にある充電システムの模式図、Ｂ〜Ｅは強結合状態にある充電システムの周波数特性を示す特性図 結合強度κとエネルギー損失Ｇとの比κ／Ｇが１よりも大きい場合の、送電コイルにおける電流波形を示す波形図 結合強度κとエネルギー損失Ｇとの比κ／Ｇが１よりも小さい場合の、送電コイルにおける電流波形を示す波形図 充電システムの実施例を示す模式図
無線電力供給システムにおいて、前記判定部は、前記制御部が前記送電コイルへ供給する電力の周波数を掃引し、前記検出部で検出される前記送電コイルに流れる電流の振幅の周波数特性により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する構成とすることができる。
無線電力供給システムにおいて、前記判定部は、前記制御部が前記送電コイルへ供給する電力の周波数を掃引し、前記検出部で検出される前記送電コイルに流れる電流と前記送電コイルへの供給電力との位相の周波数特性により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する構成とすることができる。
無線電力供給システムにおいて、前記送電部は、前記判定部の判定結果に基づき、前記受電コイルを備えた装置へ移動指令信号を出力する構成とすることができる。
（実施の形態）
〔１．無線電力供給システムの構成〕
無線電力供給システムの方式として、電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式がある。電磁誘導方式は、大きな電力を伝送可能である反面、送電距離を長くすることが困難である。一方、電波方式は、送電距離を長くできる反面、伝送可能な電力を大きくすることが困難である。磁界共鳴方式は、電力の送電距離を電磁誘導方式よりも長くすることができるとともに、電波方式よりも大きな電力を伝送可能である。
磁界共鳴方式は、互いに同一の共振周波数を有する送電コイルと受電コイルとを離間させて配置し、送電コイルに前記共振周波数と同一の周波数の電流を流す。これにより、送電コイルと受電コイルとの間の磁界が振動し、送電コイルと受電コイルとの間で共鳴現象が生じる。このような共鳴現象を発生させることにより、送電コイルと受電コイルとの間に発生する磁界を介して、送電コイルから受電コイルに電力を供給することができる。このような磁界共鳴方式による無線電力供給システムによれば、電力の供給効率を数十％程度とすることができるとともに、装置間の離間距離を数十ｃｍ以上に離すことができる。
なお、ここでいう「共振周波数が同一」とは、完全な同一に限られない。シミュレーションなど、仮想の世界において、複数の共振回路の共振周波数が一致することはあっても、現実では複数の共振回路の共振周波数が一致することはほとんどない。したがって、共振周波数が同一とは、実質的に同一という事を表す。この実質的に同一の範囲は、Ｑ値によって決定する。この実質的に同一の範囲は、Ｑ値が高ければ高い程狭まる。また実質的に同一の範囲は、Ｑ値が低ければ広がる。実質的に同一の範囲の目安は、例えば、共振点の値が半値となる周波数範囲である。または、実質的に同一の範囲は、目標とする効率を達成する周波数範囲とすることもできる。他の表現をするならば、実質的に同一の範囲は、コイルを離した位置関係で、電磁誘導よりも高い効率で電力が伝送できる周波数範囲と言うこともできる。なお、このような周波数の同一の範囲は説明するまでもなく当業者の常識の範囲内で決定する事項である。しかし、しばしば当業者の常識を有さない技術者が参照する場合がある。上記の説明はこのような場合を考慮して記載するのであって、この説明により発明の広がりを制限するものではない。
送電コイルと受電コイルとの間の電力供給効率を高めるためには、電力損失を小さくし、かつ送電コイル及び受電コイルの結合強度を大きくすることが好ましい。電力損失は、各共振コイルの内部損失や放射損失を抑えることで、小さくすることができる。一方、結合強度は、各共振コイルの形状や、２つの共振コイルの位置関係に大きく影響する。２つの共振コイルの位置決めを行うには、周知の機械的ガイドや光学センサー等の利用が考えられるが、いずれも結合強度を最大化するための手法としては間接的であり、最適な位置決め操作を実現することは困難と考えられる。
図１は、無線電力供給システムの一例を示す模式図である。
送電コイル１は、両端が開放されたコイルである。送電コイル１は、Ｑ値を高めるために電気回路を接続していない。送電コイル１は、浮遊容量によるコンデンサを有する。これによって、送電コイル１は、ＬＣ共振回路となる。なお、コンデンサは浮遊容量方式に限らず、コイルの両端にコンデンサで接続してＬＣ共振回路を実現しても良い。共振の鋭さを表すＱ値は、コイルの純抵抗と放射抵抗により決まり、これらの値が小さい程大きな値を得ることができる。また共振周波数ｆはインダクタンスＬとコンデンサの容量Ｃから、例えば、以下の式１により求めることができる。
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ）） ・・・（式１）
送電コイル１は、図示しない電力供給コイルから、電磁誘導により電力が供給される。送電コイル１と電力供給コイルは、電磁誘導により電力が供給できる程度の近距離に配置する。送電コイル１と電力供給コイルとを電磁誘導を用いて無線接続する事で、電力供給コイルに接続する発振回路が電力供給コイルの共振特性に影響を及ぼしにくくなる。そのため、発振回路の設計自由度を向上させる事が可能となる。電力供給コイルは、図示しない電源に発振回路を介してケーブルで接続されており、発振回路から所定周波数の交流電力が供給される。以下、説明の簡略化のため、送電コイルに電気的に直接発振回路が接続してあり、送電コイルに電圧と電流で電力を入力するものとして実施例を説明する。送電コイル１に、送電コイル１及び受電コイル２の共振周波数と同一の共振周波数を有する電流（エネルギーＥ１）を入力することにより、送電コイル１の周辺に磁界が発生し、受電コイル２との間で共鳴現象が発生する。これにより、送電コイル１から受電コイル２へ電力を供給することができる。受電コイル２は、送電コイル１から供給された電力（エネルギーＥ２）を負荷へ供給することができる。
受電コイル２は、両端が開放されたコイルである。受電コイル２は、送電コイル１と同様にＱ値を高めるために電気回路を接続していない。受電コイル２は、送電コイル１と同様にＬＣ共振回路となる。受電コイル２は、図示しない電力取出コイルから、電磁誘導により電力を取り出される。受電コイル２と電力取出コイルは、電磁誘導により電力が取り出せる程度の近距離に配置してある。電力取出コイルは、電力を消費する負荷に接続されている。電力取出コイルと負荷との間には、電力を取り出して負荷で消費する電力に変換する出力回路を接続する。出力回路は、負荷に印加可能な電圧に変換する回路であり、例えばトランスやＡＣ−ＤＣコンバータである。受電コイル２も、送電コイル１と同様の構成であり、コイル部およびコンデンサを有している。受電コイル２の共振周波数は、送電コイル１の共振周波数ｆに一致している。このような受電コイル２は、これに近接した送電コイル１と共振周波数が同調させられることで磁界共鳴モードを生じる。受電コイル２は、送電コイル１からの電力を無線で供給される。受電コイル２に供給された電力は、電力取出コイルと整流回路を経由して負荷に有線で供給される。以下、説明の簡略化のため、受電コイルに電気的に直接出力回路が接続してあり、受電コイルで受信した電力は交流電力として出力回路に入力するものとして実施例を説明する。 送電コイル１と受電コイル２との間で送電を行う場合、その送電効率は、例えば以下の式２で表される性能指標に依存する。
性能指標＝κ／√（Ｇ１・Ｇ２） ・・・（式２）
κ：単位時間当たりのエネルギー流の大きさ（共振コイル間の結合強度）
Ｇ１：送電コイル１の単位時間当たりのエネルギー損失
Ｇ２：受電コイル２の単位時間当たりのエネルギー損失
上記式２より、送電コイル１と受電コイル２との間のエネルギー送電効率を高めるためには、エネルギー損失Ｇ１及びＧ２を小さくし、かつ結合強度κを大きくすることが必要である。エネルギー損失Ｇ１及びＧ２は、送電コイル１及び受電コイル２の内部損失や放射損失を抑えることで、小さくすることができる。一方、結合強度κは、送電コイル１及び受電コイル２の形状や、送電コイル１及び受電コイル２の位置関係も大きく影響する。すなわち、コイル間の間隙寸法が大きくなるほど結合強度κは低下し、間隙寸法が小さくなるほど結合強度κは上昇する。また、両コイルの相対位置が、電力送電方向Ａに対して交差する方向にずれた場合も、結合強度κは変動する。
以下、送電コイル１と受電コイル２との相対位置と送電特性との関係について説明する。ここでは、簡便のため両コイルのエネルギ損失特性が同じであるとし、Ｇ＝Ｇ１＝Ｇ２とする。すると（式２）は以下のようになる。
性能指標＝κ／Ｇ ・・・（式３）
なお、本実施形態では、一例として、送電コイル１と受電コイル２との結合強度κと、エネルギー損失Ｇとの関係κ／Ｇが１よりも大きい場合を「強結合状態」と定義し、κ／Ｇが１以下の場合を「弱結合状態」と定義する。
図２Ａ及び図２Ｂは、送電コイル１と受電コイル２とが強結合状態（κ／Ｇ＞１）の時における、それぞれのコイルを結合する磁界に対するコイルの電流特性である。図２Ａ及び図２Ｂは、例えば、一定電圧を送電コイルに印加した際に、各コイルに流れる電流の特性を、各周波数で表した角周波数特性を示す。なお、一定の電圧を印可できない場合は、電圧との比をも考慮する必要がある。図２Ａは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に各コイルに流れる電流振幅の変化を示す。図２Ｂは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に、印可した電圧の位相を基準として、各コイルに流れる電流の位相の変化を示す。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、実線で示す特性は送電コイル１に流れる電流の角周波数特性であり、破線で示す特性は受電コイル２に流れる電流の角周波数特性である。また、角周波数Ωは、送電コイル１及び受電コイル２の共振周波数と同一である。図２Ａに示すように、送電コイル１と受電コイル２とが強結合状態のときは、角周波数Ωにおいて振幅が低下し、角周波数Ωから正負方向に同じ周波数分離れた角周波数に振幅のピークが発生する。
図３Ａ及び図３Ｂは、エネルギー損失Ｇが一定で、結合強度κが変化したときの、送電コイル１における角周波数特性を示す。図３Ａは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に流れる送電コイル1の電流振幅の変化を示す。図３Ｂは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に、印可した電圧の位相を基準として、送電コイル１に流れる電流の位相の変化を示す。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、実線特性がκ／Ｇ＝５の場合（強結合状態）の特性、一点鎖線特性がκ／Ｇ＝１の場合の特性、破線特性がκ／Ｇ＝０．２（弱結合状態）の特性である。図３Ａに示すように、送電コイル１及び受電コイル２が弱結合状態の場合は、角周波数Ω付近において振幅のピークが発生する（破線波形参照）。送電コイル１及び受電コイル２の結合状態が強くなるにつれ、角周波数Ω付近の振幅レベルが低下し、振幅のピークが高周波側と低周波側とに対称的にシフトしていく（一点鎖線波形及び実線波形参照）。
図４Ａ及び図４Ｂは、エネルギー損失Ｇが一定で、結合強度κが変化したときの、受電コイル２における角周波数特性を示す。図４Ａは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に流れる受電コイル２の振幅の変化を示す。図４Ｂは、それぞれの角周波数の電圧を送電コイルに印加した際に、印可した電圧の位相を基準として、受電コイル２に流れる電流の位相の変化を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、実線特性がκ／Ｇ＝５の場合（強結合状態）の特性、一点鎖線特性がκ／Ｇ＝１の場合の特性、破線特性がκ／Ｇ＝０．２（弱結合状態）の特性である。図４Ａに示すように、送電コイル１及び受電コイル２が弱結合状態の場合は、角周波数Ω付近における振幅のピークが発生するが、振幅レベルは低い（破線波形参照）。送電コイル１及び受電コイル２の結合状態が強くなるにつれて角周波数Ω付近の振幅レベルが上昇し（一点鎖線波形参照）、さらに結合状態が強くなると振幅のピークが高周波側と低周波側とに対称的にシフトしていく（実線波形参照）。
図２Ａ〜図４Ｂに示すように、送電コイル１と受電コイル２とが強結合状態となることにより、送電コイルに印加した電圧に対する各コイルに流れる電流の角周波数特性は、角周波数Ω付近の振幅レベルが低下し、角周波数Ωから正負方向に離れた周波数に振幅のピークが発生する。このような角周波数特性を検出することにより、送電コイル１及び受電コイル２の結合状態を検出することが可能となる。そのため、検出した結合状態の情報を、送電コイル１及び受電コイル２の相対位置の検出及び補正を行う際に利用できる。
〔２．無線電力供給システムの位置制御方法〕
図５は、無線電力供給システムの一例である電気自動車の充電システムの模式図である。図５に示す充電システムは、電気自動車２１に搭載されたバッテリー２４の充電を行うことができるシステムである。
送電装置１０は、送電部１１、送電コイル１２、重量センサー１３とを備え、地面等に埋設されている。送電部１１は、外部から供給される電力を送電コイル１２に供給する。送電コイル１２は、送電部１１から供給される電力を、磁界共鳴方式に基づいて電気自動車２１側へ供給する。重量センサー１３は、電気自動車２１の重量を検出し、電気自動車２１が送電装置１０における充電可能領域内に進入してきたことを検出することができる。
受電装置２０は、本実施の形態では電気自動車２１である。電気自動車２１は、内蔵するバッテリー２４からモータ２５へ電力を供給してモータ２５を動作させることにより、走行することができる。電気自動車２１は、さらに受電コイル２２、受電部２３、無線受信部２６を備えている。受電コイル２２は、磁界共鳴方式に基づいて送電コイル１２から電力が供給される。受電コイル２２は、送電コイル１２と同じ共振周波数を有する。受電部２３は、受電コイル２２に供給された電力をバッテリー２４へ供給する。無線受信部２６は、送電部１１の無線送信部１９（後述）から、例えば無線電波で送信される移動指令信号及び停止指令信号を受信可能である。無線受信部２６において移動指令信号または停止指令信号を受信すると、電気自動車２１は、例えばカーナビゲーションシステムなどの表示装置（液晶ディスプレイ等）に、電気自動車２１を前進、後退、または停止させるよう運転者を促す表示を行うよう制御する。あるいは、電気自動車２１に音声出力装置（スピーカー等）を備え、電気自動車２１を前進、後退、または停止させるよう運転者を促す音声を出力する。
図６は、送電部１１の具体的な構成を示すブロック図である。送電部１１は、電流アンプ１４、電流検出回路１６、制御回路１７、送電波形生成回路１８、無線送信部１９を備えている。また、送電コイル１２の近傍には、電流検出素子１５が配されている。
電流検出素子１５は、送電コイル１２に流れる電流を検出することができる素子である。電流検出素子１５は、例えば送電コイル１２に流れる電流によって発生した磁界エネルギーを検出し、検出した磁界エネルギーを電流値として出力するホールセンサーで実現することができる。
電流検出回路１６は、電流検出素子１５から出力される電流値を電圧に変換して出力することで、制御回路１７へ電流波形として入力する。
制御回路１７は、送電コイル１２へ供給する電力の周波数を掃引したときに電流検出回路１６で検出された電流との振幅および位相変化を求めることで、送電コイル１２と受電コイル２２との結合強度を判定する。制御回路１７は、当該判定結果に基づいて、無線送信部１９に対して移動指令信号または停止指令信号を出力するよう命令する、あるいは送電波形生成回路１８に振幅情報及び周波数情報を出力する。なお、移動指令信号は、受電装置２０（本実施の形態の電気自動車２１）の使用者に対して、受電装置２０の移動を指示する情報を含む信号である。停止指令信号は、受電装置２０（本実施の形態の電気自動車２１）の使用者に対して、受電装置２０の停止を指示する情報を含む信号である。制御回路１７は、判定した結合強度が強結合状態における結合強度に満たない場合に、受電装置２０に移動指令信号を出力するよう制御する。制御回路１７は、判定した結合強度が強結合状態における結合強度となった場合に、受電装置２０に停止指令信号を出力するよう制御する。
送電波形生成回路１８は、制御回路１７から出力される振幅情報と周波数情報とに基づき、電流アンプ１４からコイルへの電流供給を行う。
以下、本実施の形態にかかる無線電力供給システムを採用した充電システムの動作について説明する。
図７は、無線電力供給システムを採用した充電システムの制御フローを示す。図８Ａは、送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置が大きくずれている状態（弱結合状態）におけるシステムの模式図である。図８Ｂ及び図８Ｃは、送電コイル１２の角周波数特性である。図８Ｄ及び図８Ｅは、受電コイル２２の角周波数特性である。図９Ａは、送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置が僅かにずれている状態におけるシステムの模式図である。図９Ｂ及び図９Ｃは、送電コイル１２の角周波数特性である。図９Ｄ及び図９Ｅは、受電コイル２２の角周波数特性である。図１０Ａは、送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置が一致している状態（強結合状態）におけるシステムの模式図である。図１０Ｂ及び図１０Ｃは、送電コイル１２の角周波数特性である。図１０Ｄ及び図１０Ｅは、受電コイル２２の角周波数特性である。図１１Ａは、弱結合状態（κ／Ｇ≦１）における送電コイル１２に流れる電流波形である。図１１Ｂは、強結合状態（κ／Ｇ＞１）における送電コイル１２に流れる電流波形である。
まず、送電装置１０は、電気自動車２１が充電可能領域に進入してきたか否かを検出する。具体的には、重量センサー１３の上部を電気自動車２１のタイヤが通過することで、重量センサー１３が電気自動車２１の重量を検知し、電気自動車２１が充電可能領域に進入してきたことを検知する（Ｓ１）。
この時、電気自動車２１は、充電可能領域における位置が不特定であり、必ずしも電力供給効率が最適となる位置に位置しているとは限らない。そこで、本システムでは、まず、送電コイル１２と受電コイル２２との結合状態を確認する。具体的には、送電部１１が送電コイル１２に電流を流す。この時、送電部１１は、送電コイル１２に供給する電力の角周波数を掃引する。電流検出素子１５は、送電コイル１２に流れる電流を検出し、その電流波形を電流検出回路１６へ送る。電流検出回路１６は、電流検出素子１５から送られる検出値を電圧へ変換し、その波形を制御回路１７に送る（Ｓ２）。
次に、制御回路１７は、電流検出回路１６から送られる振幅がピークとなる角周波数を検知する。具体的には、制御回路１７は、電流検出回路１６から送られる波形をもとに角周波数及び振幅の情報を蓄積し、振幅のピークを検出し、検出した振幅ピークの角周波数を検出する（Ｓ３）。
次に、制御回路１７は、振幅のピークが２カ所の角周波数で検出されたか否かを判断する。具体的には、送電コイル１２へ入力した電力と送電コイル１２に流れる電流との位相が９０度の時の角周波数差としきい値とを比較し、角周波数差がしきい値を超えていれば、振幅のピークが２カ所で検出されたことになる。例えば、図８Ａにおける送電コイル１２と受電コイル２２とのずれ量Ｄ１に示すように、送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置が大きくずれている場合は、送電コイル１２の電流波形は図１１Ａに示す波形となる。したがって、図８Ｂに示すように振幅のピークが角周波数Ωのみに発生し、このステップではＮＯ判断となる（Ｓ４）。
次に、制御回路１７は、ステップＳ４におけるＮＯ判断が２回目以上か否かを判断する（Ｓ５）。ステップＳ４におけるＮＯ判断が１回目（Ｓ５におけるＮＯ判断）の場合は、制御回路１７は、現時点での角周波数Ωにおける振幅情報Ａ１を記憶する（Ｓ６）。次に、制御回路１７は、無線送信部１９に対して、移動指令信号を出力するよう命令する。無線送信部１９は、制御回路１７からの命令に基づき、電気自動車２１における無線受信部２６に対して移動指令信号を出力する。この移動指令信号は、電気自動車２１の運転者に対して電気自動車２１を前進させるよう促す情報を含む。電気自動車２１は、無線受信部２６で受信した移動指令信号に基づき、表示装置（不図示）に「自動車を前進させてください」等のメッセージを表示させる（Ｓ７）。
次に、例えば運転者が電気自動車２１を図８Ａに示す位置から矢印Ｂに示す方向へ前進させ、図９Ａに示す位置まで移動させたとする。次に、送電装置１０において、再びステップＳ２、Ｓ３の処理を実行して、送電コイル１２に流れる電流の振幅がピークとなる角周波数を検知する。
次に、制御回路１７は、振幅のピークが２カ所で検出されたか否かを判断する。具体的には、図９Ａにおける送電コイル１２と受電コイル２２とのずれ量Ｄ２（但しＤ１＞Ｄ２）に示すように、送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置が僅かにずれている場合は、図９Ｂに示すように振幅のピークが２カ所（角周波数Ω１、Ω２）で発生するが、電流の位相が９０度の時の角周波数差（角周波数ΩとΩ１との差，角周波数ΩとΩ２との差）は小さく、しきい値未満と判断される。したがって、このステップではＮＯ判断となる（Ｓ４）。
次に、制御回路１７は、ステップＳ４におけるＮＯ判断が２回目以上か否かを判断する（Ｓ５）。ステップＳ４におけるＮＯ判断が２回目（Ｓ５におけるＹＥＳ判断）の場合は、制御回路１７は、現時点での角周波数Ωにおける振幅情報Ａ２を検出する（Ｓ８）。次に、制御回路１７は、振幅情報Ａ１と振幅情報Ａ２とを比較する（Ｓ９）。制御回路１７は、振幅情報Ａ２が振幅情報Ａ１よりも大きいと判断した場合は（Ｓ９におけるＹＥＳ判断）、振幅情報Ａ２を記憶し（Ｓ１０）、無線送信部１９に対して移動指令信号を出力するよう命令する（Ｓ１１）。
次に、例えば運転者が電気自動車２１を図９Ａに示す位置から矢印Ｂに示す方向へ前進させ、図１０Ａに示す位置まで移動させたとする。ここで、送電装置１０は、再びステップＳ２、Ｓ３の処理を実行して、送電コイル１２に流れる電流の振幅がピークとなる角周波数を検知する。電気自動車２１が図１０Ａに示す位置、すなわち送電コイル１２と受電コイル２２との相対位置のずれがほとんど無い場合は、両コイルは強結合状態となるため、送電コイル１２に流れる電流は図１１Ｂに示すような波形となる。
次に、制御回路１７は、電流の振幅のピークが２カ所で検出されたか否かを判断する。具体的には、電流の位相が９０度の時の角周波数差（角周波数ΩとΩ１との差，角周波数ΩとΩ２との差）としきい値とを比較し、角周波数差がしきい値よりも大きい場合に、電流の振幅のピークが２カ所で検出されたと判断する。図１０Ａに示すように、送電コイル１２と受電コイル２２とが強結合状態となっている場合は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、電流の位相が９０度の時の角周波数差は大きく、しきい値よりも大きいと判断される。したがって、このステップではＹＥＳ判断となり、ステップＳ１２へ進む（Ｓ４）。
一方、制御回路１７は、ステップＳ９において、振幅情報Ａ２が振幅情報Ａ１よりも大きいと判断した場合は（ＮＯ判断）、ステップＳ１２へ進む。このケースでは位置決めを最適化してもピークが２箇所で現れなかった、すなわち強結合状態の範囲に入らなかったということで、弱結合状態ではあるが、その時点で位置決めを終了することになる。すなわち、図２Ａを参照して前述したように、送電コイル１２と受電コイル２２との結合状態が強いほど、角周波数Ωにおける振幅は小さくなる傾向にあるので、振幅情報Ａ２が振幅情報Ａ１よりも大きくなったということは、前回よりも結合が弱くなったことを意味するので、送電コイル１２と受電コイル２２が弱結合状態の中で最適位置決めされたものと判断する。
制御回路１７は、ステップＳ１２において、無線送信部１９に対して停止指令信号を出力するよう命令する。無線送信部１９は、制御回路１７からの命令に基づき、電気自動車２１における無線受信部２６に対して停止指令信号を出力する。この停止指令信号は、電気自動車２１の運転者に対して電気自動車２１を停止させるよう促す情報を含む。電気自動車２１は、無線受信部２６で受信した停止指令信号に基づき、表示装置（不図示）に「自動車を停止させてください」等のメッセージを表示させる。
次に、制御回路１７は、電気自動車２１が停止したかを確認する。停止状態の確認方法は、例えば、送電コイル１２に流れる電流の振幅変化を検出することで、電気自動車２１が停止したか否かを判断することができる（Ｓ１３）。
以上のステップＳ１〜Ｓ１２の処理により、電気自動車２１の位置決めが完了する。
次に、制御回路１７は、角周波数Ω（図１０Ｂ参照）の電流を送電コイル１２に印加するよう制御する。具体的には、制御回路１７は、送電波形生成回路１８に対して角周波数Ω及びそのときの振幅情報を送る。送電波形生成回路１８は、制御回路１７から送られる角周波数Ωの及びそのときの振幅情報に基づき、電流アンプ１４へ送電信号を与える。電流アンプ１４は、送電信号をもとに電流を送電コイル１２へ供給する。送電コイル１２は、電流アンプ１４から送られる電流により磁界エネルギーを発生させ、受電コイル２２との間で共鳴現象を発生させる。これにより、送電コイル１２と受電コイル２２との結合強度κが最大となる状態で、送電コイル１２から受電コイル２２へ電力を供給することができる。
〔３．実施の形態の効果、他〕
実施の形態にかかる無線電力供給システムによれば、送電コイル１２に流れる電流を検出し、電流の角周波数特性において２カ所で振幅ピークを有する状態を検出することで、送電コイル１２と受電コイル２２との結合強度が最大となる位置決め制御を行うことができる。実施の形態にかかる無線電力供給システムの位置決め方法は、機械的ガイドや光学センサー等を用いるよりも直接的な手法であり、より精密な位置決め制御を行うことが可能となる。
また、上記実施の形態では、送電コイルに入力する電力を掃引して送電コイル１２の電流を検出することで、送電コイル１２の周波数特性により結合強度を判定する。そのため、受電コイル２２の電流で検出しなくても、結合強度の判定が可能である。すなわち、受電コイル２２側で、新たな機能を追加しなくても、結合強度の判定ができる。
なお、実施の形態では、送電コイル１２に流れる電流の振幅ピークを、送電波形生成回路から供給される送電信号と送電コイル１２に流れる電流との位相が９０度の時における電流の角周波数差に基づき検出する構成としたが、振幅ピーク間で前記位相が反転したか否かによって検出する構成としてもよい。具体的には、図１０Ｂに示すように送電コイル１２の電流の振幅ピークが２カ所（角周波数Ω１及びΩ２）に発生した場合に、その２カ所の振幅ピークの角周波数Ω１及びΩ２の間において位相反転（位相差１８０度）が生じていることを検出すると、送電コイル１２と受電コイル２２との結合強度が強い状態であると判断する。その後、送電コイル１２から受電コイル２２に電力の供給を行うように制御する。
また、送電コイル１２の電流の振幅により結合強度を判断する代わりに、送電コイル１２の電流の位相のみで判断することもできる。例えば、掃引した周波数の範囲において、送電コイル１２の電流の位相変化に基づいて、結合強度を判断することができる。具体例として、図１０Ｃに示すように、周波数の掃引範囲で、９０°を３回跨ぐ位相変化が検出された場合に、制御回路１７は、強結合状態であると判定することができる。
また、実施の形態では、送電コイル１２に流れる電流のみをモニタリングして送電コイル１２と受電コイル２２の位置決めを行う構成としたが、受電コイル２２に流れる電流をもモニタリングして、送電コイル１２と受電コイル２２の位置決めを行う構成としてもよい。その場合は、受電装置２０側において、受電コイル２２に流れる電流を電流検出素子（不図示だが、送電装置１０における電流検出素子１５と同等の素子）で検出し、電流検出素子で変換された信号に基づき受電部２３において送電コイル１２と受電コイルとが強結合状態となったことを検出する。受電部２３は、検出結果を送電部１１に無線電波等で送信する。送電部１１は、送電コイル１２に流れる電流に基づく結合強度の検出結果と、受電部２３から送られる結合強度の検出結果とに基づき、送電コイル１２への電流を制御し、受電コイル２２へ電力を供給する。
また、実施の形態では、電気自動車２１が進入してきたことを重量センサー１３で検出する構成としたが、電気自動車２１に遠隔操作装置を備え、送電装置１０に遠隔操作装置から送信される無線信号を受信可能な受信部を備え、電気自動車２１を入庫後に運転者が遠隔操作装置を操作することで位置決め制御（図７に示す制御フロー）を開始する構成としてもよい。
また、本実施の形態では、無線電力供給システムの一例として電気自動車のバッテリーの充電システムを挙げたが、携帯電話端末やデジタルカメラなど充電池により駆動する機器の充電システムに有用である。また、充電システムに限らず、送電装置と、送電装置から供給される電力を消費しながら駆動する受電装置とを備えたシステムにも有用である。すなわち、受電装置に充電機能を備えていないシステムにも有用である。
また、本実施の形態では、移動指令信号または停止指令信号を無線で電気自動車２１側へ送信する構成としたが、送電装置１０に表示装置を設けて、電気自動車２１の運転者に対する指示を表示装置に表示する構成としてもよい。図１２は、送電装置１０に表示装置３１を備えた充電システムの模式図である。表示装置３１は、送電装置１０が配された地面上に立設されている。図１２における送電装置１０の送電部１１は、無線送信部１９を省いた構成とすることができる。表示装置３１は、送電部１１からの制御により「前進してください」などのように、運転者に対する指示の内容を文字で表示することができる。なお、表示装置３１に表示する情報は、前述のように文字情報であってもよいし、車両位置が充電最適位置である時に○印を表示して車両位置が充電最適位置でないときに×印を表示する構成であってもよい。図１２に示す充電システムによれば、無線信号を受信する装置を備えていない電気自動車であっても、充電最適位置に位置決めすることができる。すなわち、図１２に示す充電システムは、汎用性が高いシステムである。
また、本実施の形態における送電装置１０は、本発明の送電装置の一例である。また、本実施の形態における送電部１１は、本発明の送電部の一例である。また、本実施の形態における送電コイル１２は、本発明の送電コイルの一例である。また、本実施の形態における受電装置２０，電気自動車２１は、本発明の受電装置の一例である。また、本実施の形態における受電コイル２２は、本発明の受電コイルの一例である。また、本実施の形態における電流検出回路１６は、本発明の検出部の一例である。また、本実施の形態における制御回路１７は、本発明の制御部、判定部の一例である。また、本実施の形態における移動指令信号、停止指令信号は、本発明の指令信号の一例である。
本発明は、送信装置から受信装置へ無線で電力を供給できる無線電力供給システムに有用である。
１ 送電コイル
２ 受電コイル
１０ 送電装置
１１ 送電部
１２ 送電コイル
１４ 電流アンプ
１５ 電流検出素子
１６ 電流検出回路
１７ 制御回路
１８ 送電波形生成回路
２０ 受電装置
２１ 電気自動車
２２ 受電コイル
２３ 受電部

Claims (6)

  1. 磁界共鳴を用いて電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルと、
    前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する送電部とを備えた無線電力供給システムであって、
    前記送電部は、
    前記送電コイルに流れる電流を検出する検出部と、
    前記送電コイルへの供給電力の周波数を制御する制御部と、
    前記検出部で検出された電流および前記供給電力の周波数を用いて、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する判定部とを備えた、無線電力供給システム。
  2. 磁界共鳴を用いて前記電力を磁界エネルギーとして送出する送電コイルと、
    前記送電コイルから送出される前記磁界エネルギーを受信して電力に変換する受電コイルと、
    前記送電コイルと前記受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する送電部とを備えた無線電力供給システムであって、
    前記送電部は、
    前記送電コイルに流れる電流を検出する検出部と、
    前記送電コイルへの供給電力の周波数を制御する制御部と、
    前記検出部で検出された電流および前記供給電力の周波数を用いて、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する判定部とを備えた、無線電力供給システム。
  3. 前記判定部は、前記制御部が前記送電コイルへ供給する電力の周波数を掃引し、前記検出部で検出される前記送電コイルに流れる電流の振幅の周波数特性により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する、請求項１または２記載の無線電力供給システム。
  4. 前記判定部は、前記制御部が前記送電コイルへ供給する電力の周波数を掃引し、前記検出部で検出される前記送電コイルに流れる電流と前記送電コイルへの供給電力との位相の周波数特性により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する、請求項１または２記載の無線電力供給システム。
  5. 前記送電部は、前記判定部の判定結果に基づき、前記受電コイルを備えた装置へ指令信号を出力する、請求項１または２記載の無線電力供給システム。
  6. 磁界共鳴を用いて送電コイルから電力を磁界エネルギーとして送出し、
    前記送電コイルと受電コイルとの間で磁界共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する無線電力供給方法であって、
    前記送電コイルに流れる電流を検出し、
    検出された電流の周波数により、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合強度を判定する、無線電力供給方法。
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