JP2012210116A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】低電力による最適周波数の探索にも対応し、効率的な電力伝送を行うことが可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】インバータ部１３０からの交流電圧が入力される送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記送電制御部１５０は、出力電力が第１電力となるように制御しつつ、前記インバータ部１３０で出力する交流電圧の周波数を変更しながら、インバータ部１３０の入力電力と出力電力とから演算したインバータ効率の極値を与える極値周波数を選定し、選定された極値周波数と対応テーブル１６０に基づいて、前記出力電力を第２電力とするときのインバータ部１３０における周波数を決定し、決定された周波数によって電力伝送を行うように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献１（特開２０１０−６８６５７号公報）に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された第２共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第１共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第２共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第１共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第２共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報

実際の充電の電力伝送を行う前段に周波数をスイープさせて、最適な周波数を探索する方法においては、実際の充電の電力伝送で用いる電力より低い電力で周波数のスイープを行うことが考えられる。ところで、電池への充電の場合には伝送する電力の高低に応じて負荷インピーダンスが変化するため、伝送効率の極値を与える周波数は変化するが、従来の技術においては、低電力による最適周波数の探索については考慮されておらず、問題であった。より具体的には、従来の技術においては、低電力による最適周波数の探索を行うと、この最適周波数によって、実際の充電の電力伝送を行ってしまうが、低電力で探索した最適周波数が実際の充電の電力伝送でも最適な周波数になるとは限らず、効率的な電力伝送を行うことができない、という問題があった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、直流電圧を所定の周波数の交流電
圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御すると共に、前記インバータ部に入力される入力電力と、前記インバータ部から出力される出力電力とを取得し、取得された前記入力電力と前記出力電力とから前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係によって定まるアンテナ間インピーダンスごとの、前記出力電力が第１電力であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数と、前記出力電力が第２電力であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数との間の対応関係を複数パターン記憶する対応テーブルと、を有し、前記送電アンテナから受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、前記出力電力が第１電力となるように制御しつつ、前記インバータ部で出力する交流電圧の周波数を変更しながら、演算したインバータ効率の極値を与える極値周波数を選定し、選定された極値周波数と前記対応テーブルに基づいて、前記出力電力を第２電力とするときのインバータ部における周波数を決定し、決定された周波数によって電力伝送を行うように制御することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電力伝送システムにおいて、前記対応テーブルはさらに極値のα%値（ただし、０＜α＜１００）を与えるα％値周波数を記憶
することを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムによれば、実際の充電の電力伝送で用いる電力より低い電力で周波数のスイープを行った場合でも、実際の充電の電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムを車両に搭載した例を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムで用いられる対応テーブルを説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムで用いられる対応テーブルを説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける電池の充電プロファイルを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける充電器制御処理のフローチャートを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける最適周波数決定処理のフローチャートを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。 周波数とインバータ効率との関係を示す図である。 第２実施形態に係る対応テーブルを示す図である。 ２つの極値を与える極値周波数のうち周波数が低い方の極値周波数で特性を示す図である。 ２つの極値を与える極値周波数のうち周波数が高い方の極値周波数で特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムのブロック図であり、図２は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システム１００を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、車両の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２１０が配されてなる。

本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電アンテナ１４０などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から車両に搭載されている受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介し電気エネルギーを伝送する。

本実施形態に係る電力伝送システム１００は、上記のような利用形態であることから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置関係が電力伝送を行うたびに変化し、最適な電力伝送効率を与える周波数についてもこれに伴い変化することとなる。そこで、車両停車後、すなわち、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、電力伝送時の最適周波数を決定するようにしている。

ここで、周波数スイープを行う際に用いられる電力は、実際の充電の電力伝送時に用いられる電力よりも低く設定されている。ところで、電池への充電の場合には伝送する電力の高低に応じて負荷インピーダンスが変化するため、伝送効率の極値を与える周波数は変化する。そこで、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が定まっている状態での、周波数スイープ時の低い電力（第１電力）であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数と、実際の充電の高い電力（第２電力）であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数との間の対応関係を複数パターン記憶する対応テーブル１６０を設けておき、低い電力（第１電力）で周波数スイープを行い、極値を与える周波数を把握し、この対応テーブル１６０を参照して、実際の充電の電力伝送時の周波数を決定するようにしている。なお、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、システム全体の電力伝送効率は、インバータ部１３０におけるインバータ効率と対応している。極値を与える周波数の把握には、インバータ出力の電流と電圧の位相差を使用することもできる。

車両充電設備（送電側）における整流昇圧部１２０は、商用電源などのＡＣ電源部１１０からの交流電圧を一定の直流に変換するコンバータと、このコンバータからの出力を所定の電圧に昇圧するものである。この整流昇圧部１２０で生成される電圧の設定は送電制御部１５０から制御可能となっている。

インバータ部１３０は、整流昇圧部１２０から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１４０に入力する。図３は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。インバータ部１３０は、例えば図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１４０が接続される構成となっており、スイッチング素
子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオフとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。

上記のようなインバータ部１３０を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は送電制御部１５０から入力されるようになっている。また、インバータ部１３０を駆動させるための周波数は送電制御部１５０から制御することができるようになっている。

上記のようなインバータ部１３０からの出力は送電アンテナ１４０に供給される。この送電アンテナ１４０は、インダクタンス成分を有するコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２１０と共鳴することで、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２１０に送ることができるようになっている。

なお、インバータ部１３０からの出力を、送電アンテナ１４０に入力する際には、いったん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム１００の送電側の送電アンテナ１４０から、受電側の受電アンテナ２１０へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１４０の共振周波数と、受電アンテナ２１０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。

インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂は送電制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、計測される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁からインバータ部１３０に入力される入力電力（Ｗ₁＝Ｖ₁×Ｉ₁）、及び、計測される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂か
らインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ₂＝Ｖ₂×Ｉ₂）を取得することができ
るようになっている。送電制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、取得された入力電力（Ｗ₁）と出力電力（Ｗ₂）とからインバータ部１３０の効率（Ｗ₁／Ｗ₂）を演算する。

送電制御部１５０における記憶部１５１は、周波数スイープを行うときに、周波数と演算されたインバータ効率とを対応付けて記憶する一時記憶手段である。送電制御部１５０は、インバータ部１３０の出力電力が第１電力（周波数スイープ時の低い電力）となるように制御し、インバータ部１３０で出力する交流電圧の周波数を変更しつつ、インバータ部１３０のインバータ効率を演算していき、この記憶部１５１に記憶する。

送電制御部１５０は、整流昇圧部１２０によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部１３０で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行するが、このような制御を行う際には対応テーブル１６０が参照されることによって周波数などが決定される。対応テーブル１６０は、記憶手段に記憶され、送電制御部１５０によって参照可能に構成されている。

ここで、対応テーブル１６０に記憶されているデータについてより詳しく説明する。図４は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムで用いられる対応テーブル１６０を説
明する図である。

図４（Ａ）は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係において、最も理想的な位置からのずれがない場合の状態を示しており、このときの周波数とインバータ効率との関係が図４（Ｂ）に示されている。図４（Ｂ）において、第１電力は、周波数スイープを行うときに用いられる電力値であり、例えば０．５ｋＷである。また、第２電力は、実際の充電の電力伝送を行うときに用いられる電力値であり、例えば１．５ｋＷである。なお、第１電力、及び第２電力のいずれも、インバータ部１３０における出力電力での電力値である。

図４（Ｂ）に示されるように、インバータ効率の局所的ピーク値である極値を与える周波数は、第１電力ではｆ₁₁及びｆ₁₂である。これに対して、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が同じであっても伝送電力が第２電力となると、インバータ効率の極値を与える周波数はｆ₂₁及びｆ₂₂となり、第１電力におけるものと異なるものとなる。

そこで、対応テーブル１６０では、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が図４（Ａ）のように定まっている状態での、第１電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数と、第２電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数との間の対応関係を図４（Ｃ）に示すように記憶している。

本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、第１電力で周波数スイープを行い、極値を与える周波数としてｆ₁₁及びｆ₁₂を得たとしたら、図４（Ｃ）の対応テーブル１６０を参照して、実際の充電の電力伝送では、ｆ₂₁又はｆ₂₂のいずれかを用いるようにすればよい。

図５は他のパターンの対応テーブル１６０を説明する図である。図５（Ａ）は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係において、最も理想的な位置からのずれが生じている場合の状態を示しており、このときの周波数とインバータ効率との関係が図５（Ｂ）に示されている。図５（Ｂ）においても、第１電力は、周波数スイープを行うときに用いられる電力値であり、例えば０．５ｋＷである。また、第２電力は、実際の充電の電力伝送を行うときに用いられる電力値であり、例えば１．５ｋＷである。また、第１電力、及び第２電力のいずれも、インバータ部１３０における出力電力での電力値である。

図５（Ｂ）に示されるように、インバータ効率の局所的ピーク値である極値を与える周波数は、第１電力ではｆ₁₃である。これに対して、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が同じであっても伝送電力が第２電力となると、インバータ効率の極値を与える周波数はｆ₂₃及びｆ₂₄となり、第１電力におけるものと異なるものとなる。

対応テーブル１６０では、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が図５（Ａ）のように定まっている状態での、第１電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数と、第２電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数との間の対応関係を図５（Ｃ）に示すように記憶している。

本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、第１電力で周波数スイープを行い、極値を与える周波数としてｆ₁₃を得たとしたら、図５（Ｃ）の対応テーブル１６０を参照して、実際の充電の電力伝送では、ｆ₂₃又はｆ₂₄のいずれかを用いるようにすればよい。

以上のような図４（Ｃ）や図５（Ｃ）に示すようなパターンのテーブルが複数対応テー
ブル１６０には記憶されており、送電制御部１５０が、実際の充電の電力伝送に最適な周波数を決定する際に参照されるようになっている。

次に、車両側に設けられている電力伝送システム１００の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２１０は、送電アンテナ１４０と共鳴することによって、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電するものである。

受電アンテナ２１０で受電された交流電力は、整流器２2０において整流され、整流さ
れた電力は充電器２3０を通してバッテリー２０４に蓄電されるようになっている。充電
器２3０は充電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。

充電器２3０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃は充電制御部２５
０によって計測されるようになっている。計測された電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃により、充電制御部２５０は、充電器２3０を制御して、電池２４０の適切な充電プロファイルに沿うよ
うに電池２４０の充電を制御することができるように構成されている。充電器２3０には
、電流センサおよび電圧センサが設けられており、出力電圧をフィードバック制御することにより、電池２４０を定電流、定出力、定電圧のいずれかで充電させるかを選択することができるようになっている。

充電制御部２５０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている充電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。

充電制御部２５０と接続されている充電プロファイル２６０は 電池２４０の充電プロファイルを記憶すると共に、充電制御部２５０をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムが記憶されている。図６は電池２４０の充電プロファイル２６０を示す図である。この充電プロファイル２６０は電池２４０の充電プロファイルの一例を示すものであり、電池２４０を充電するためには、その他のプロファイルを用いるようにしてもよい。

また、図６では電池２４０の蓄電量がほとんどない状態からの充電プロファイルを示すものである。この充電プロファイル２６０においては、まず一定の電力Ｐ_constで電池２
４０の充電を行う定出力充電（ＣＰ制御）が行われる。次に、電池２４０の端部電圧がＶｆとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電（ＣＶ制御）が行われる。そして、定電圧充電時、電池２４０に流れこむ電流がＩ_minとなったら、充電を終了する。

次に、充電器２３０を制御するために充電制御部２５０によって実行されるフローチャート（充電プロファイル２６０のアルゴリズム）について説明する。図７は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける充電器２３０の制御処理のフローチャートを示す図である。

図７において、ステップＳ１００で充電器２３０の制御処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１では、電池２４０の端部電圧Ｖ₃が取得される。ステップＳ１０２にお
いては、Ｖ₃≦Ｖ_fであるかが判定される。

ステップＳ１０２における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１０３に進み、定出力充電を動作させる。なお、このとき、送電側からみたインピーダンスＺ_NはＺ_CCとなる。

一方、ステップＳ１０２における判定がＮＯであれば、ステップＳ１０４に進み、定電圧充電を動作させる。このとき、送電側からみたインピーダンスＺ_NはＺ_CCとは異なるＺ_C
Vとなる。これは、電池の電圧が充電状態により変化するためインピーダンスが異なるた
めである。

ステップＳ１０５では、電池２４０に流入する電流Ｉ₃が取得される。ステップＳ１０
６においては、Ｉ₃≦Ｉ_minであるかが判定される。

ステップＳ１０５における判定がＮＯであればステップＳ１０４に戻りループする。一方、ステップＳ１０５における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１０７に進み、充電器２３０を停止して、ステップＳ１０８で充電器２３０の制御処理を終了する。充電器２３０を停止した時には、送電側からみたインピーダンスＺ_Nは、Ｚ_CC及びＺ_CVのいずれとも
異なるＺ_OPとなる。

次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送について説明する。これまで説明したように、電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、実際の充電の電力伝送で用いられる電力（第２電力）より低い第１電力で周波数スイープを行い、インバータ効率の極値を選定して、これと対応テーブル１６０とに基づいて、本番での電力（第２電力）でインバータ部１３０を駆動する周波数を決定する。まず、このような最適周波数を決定する処理について説明する。

図８は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける最適周波数決定処理のフローチャートを示す図である。このようなフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。図８において、ステップＳ２００で最適周波数決定処理が開始されると、続く、ステップＳ２０１では、送電制御部１５０は目標出力値が第１電力（例、０．５ｋＷ）となるように整流昇圧部１２０を設定する。

また、ステップＳ２０２においては、インバータ部１３０の駆動周波数をスイープする下限の値に設定する。

ステップＳ２０３では、第１電力で電力伝送を実行し、ステップＳ２０４でＶ₁、Ｉ₁、Ｖ₂、Ｉ₂を計測することで、入力電力（Ｗ₁）、出力電力（Ｗ₂）を計測する。ステップＳ２０５では、入力電力（Ｗ₁）、出力電力（Ｗ₂）に基づいて、インバータ部１３０の効率η（＝Ｗ₁／Ｗ₂）を演算する。

ステップＳ２０６では、演算されたインバータ効率と、周波数とを対応させて記憶部１５１に記憶する。周波数を変更しつつ、インバータ効率を演算することで、この記憶部１５１には、インバータ効率の周波数特性が蓄積されることとなる。

ステップＳ２０７では設定された周波数が、スイープする上限の周波数以上であるか否かが判定される。ステップＳ２０７の判定がＮＯであれば、ステップＳ２１０に進み、周波数を所定分上昇させ設定した上で、ステップＳ２０３に戻りループする。

一方、ステップＳ２０７の判定がＹＥＳであれば全てのスイープを行ったことになるので、ステップＳ２０８に進み、記憶部１５１に記憶されている周波数特性からインバータ効率の極値を与える周波数を選定する。

続く、ステップＳ２０９では、ステップＳ２０８での選定周波数に基づいて、対応テーブル１６０を参照し、第２電力での電力伝送時（実際の充電の電力伝送時）の最適周波数を決定して、ステップＳ２１１で処理を終了する。第２電力での電力伝送時（実際の充電の電力伝送時）の最適周波数の決定の要領は、図４及び図５に基づいて先に説明したとおりである。

以上のような本発明に係る電力伝送システム１００によれば、実際の充電の電力伝送で用いる電力（第２電力）より低い電力（第１電力）で周波数のスイープを行った場合でも、実際の充電の電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

次に、以上のように決定された最適周波数によって行われる実際の充電の電力伝送の処理について説明する。図９は本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。このフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。ステップＳ３００で電力伝送処理が開始されると、続く、ステップＳ３０１では、送電制御部１５０は目標出力値が第２電力（例、１．５ｋＷ）となるように整流昇圧部１２０を設定する。

また、ステップＳ３０２では、インバータ部１３０の駆動周波数を、先の最適周波数決定処理で決定された最適周波数に設定して、ステップＳ３０３で電力伝送を実行する。

ステップＳ３０４では、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂によって、出力電力を計測する。

ステップＳ３０５では、計測された出力電力が第２電力より小さくなったか否かが判定される。インバータ部１３０が第２電力を出力可能であるときは、受電側充電器２３０では定電力にて充電動作しており、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_CCとなってい
るときである。これに対して、受電側で定出力充電から定電圧充電に移行すると、受電側充電器２３０では定電圧にて充電動作が開始され、送電側からみたインピーダンスはＺ_N
＝Ｚ_CVとなる。このようなインピーダンスの変化があると、インバータ部１３０から出力される電力は第２電力より小さくなってしまう。ステップＳ３０５では上記のような受電側の変化を捉えるものである。

ステップＳ３０５の判定がＮＯであるときにはステップＳ３０３に戻りループし、ステップＳ３０５での判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３０６に進み、インバータ部１３０への出力電圧が変化しないように整流昇圧部１２０を設定する。

ステップＳ３０７では、電力伝送が実行され、ステップＳ３０８では、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂によって、出力電力が計測される。

ステップＳ３０９では、計測された出力電力が第３電力より小さくなったか否かが判定される。インバータ部１３０が第３電力を出力可能であるときは、受電側では定電圧回路２３２が動作しており、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_CVとなっているときで
ある。これに対して、受電側で電池２４０の充電が完了し、充電器２３０の動作が停止されると、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_OPとなる。このようなインピーダンス
の変化があると、インバータ部１３０から出力される電力は第３電力より小さくなってしまう。ステップＳ３０９では上記のような受電側の変化を捉えるものである。

ステップＳ３０９の判定がＮＯであるときにはステップＳ３０７に戻りループし、ステップＳ３０５での判定がＹＥＳであるときには、受電側で電池２４０の充電が完了したものであると推定されるので、ステップＳ３１０に進み電力伝送を停止して、ステップＳ３１１で処理を終了する。

以上のような本発明に係る電力伝送システム１００によれば、受電側の電池２４０の充電時、定出力充電が行われているか、或いは、定電圧充電が行われているか、或いは、充
電が停止されているかを、インピーダンスの変化に基づく出力電力の変化により検出して、これに応じて適切な電力を送電側から受電側に伝送することが可能であり、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では対応テーブル１６０に記憶されているデータの構造が、第１実施形態のものと相違するのみであり、その他の点については第１実施形態と同様であるので、以下、第２実施形態における対応テーブル１６０について詳細に説明する。

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）のそれぞれは送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が所定の位置関係であるときの周波数とインバータ効率との関係を示している。図１０においては、第１電力は周波数スイープを行うときに用いられる電力値であり、例えば０．５ｋＷである。また、第２電力は実際の充電の電力伝送を行うときに用いられる電力値であり、例えば１．５ｋＷである。

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示す第一電力における周波数特性のいずれにおいても、インバータ効率の極値（η_max）を与える周波数はｆ₁₄となっている。しかしながら、
例えば、図１０（Ａ）に示す周波数特性においては、極値（η_max）の７５％値（η_max×７５％）を与える周波数はｆ₁₅、ｆ₁₆であるのに対して、図１０（Ｂ）に示す周波数特性においては、極値（η_max）の７５％値（η_max×７５％）を与える周波数はｆ₁₇、ｆ₁₈であり、図１０（Ａ）の場合と異なる。すなわち、インバータ効率の極値（η_max）を与え
る周波数が同一であっても、周波数特性のカーブが異なるものが存在するということである。

図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）に示されるように第１電力における周波数特性のカーブが異なると、第２電力における周波数特性のカーブも異なるものとなる。第２電力での電力伝送時（実際の充電の電力伝送時）においては、図１０（Ａ）に示される周波数特性では、インバータ効率の極値を与える周波数はｆ₂₅、ｆ₂₆であるのに対して、図１０（Ｂ）に示される周波数特性では、インバータ効率の極値を与える周波数はｆ₂₇、ｆ₂₈であり、図１０（Ａ）と異なるものとなる。

そこで、第２実施形態における対応テーブル１６０では、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置関係が定まっている状態での、第１電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数と、極値のα％値（ただし、０＜α＜１００）を与えるα％値周波数と、第２電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数との間の対応関係を図１１に示すように記憶している。

図１１（Ａ）は図１０（Ａ）のパターンをテーブル化したものである。すなわち、図１１（Ａ）では、第１電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数ｆ₁₄と、極値のα％値（ここでは、例として７５％値）を与える周波数ｆ₁₅、ｆ₁₆と、第２電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数ｆ₂₅、ｆ₂₆との間の対応関係を示している。

第２実施形態に係る電力伝送システム１００においては、第１電力で周波数スイープを行い、極値を与える周波数としてｆ₁₄を、極値の７５％値を与える周波数としてｆ₁₅、ｆ₁₆を取得することができたら、図１１（Ａ）の対応テーブル１６０を参照して、実際の充電の電力伝送（第２電力での電力伝送）ではｆ₂₅又はｆ₂₆のいずれかを用いるようにすればよい。なお、このためには、第２実施形態では、図８に示すステップＳ２０８において、極値のα％値（ただし、０＜α＜１００）を与えるα％値周波数も選定するようにすればよい。

また、図１１（Ｂ）は図１０（Ｂ）のパターンをテーブル化したものである。すなわち、図１１（Ｂ）では、第１電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数ｆ₁₄と、極値のα％値（ここでは、例として７５％値）を与える周波数ｆ₁₇、ｆ₁₈と、第２電力で電力伝送を行ったときに極値を与える周波数ｆ₂₇、ｆ₂₈との間の対応関係を示している。

第２実施形態に係る電力伝送システム１００においては、第１電力で周波数スイープを行い、極値を与える周波数としてｆ₁₄を、極値の７５％値を与える周波数としてｆ₁₇、ｆ₁₈を取得することができたら、図１１（Ｂ）の対応テーブル１６０を参照して、実際の充電の電力伝送（第２電力での電力伝送）ではｆ₂₇又はｆ₂₈のいずれかを用いるようにすればよい。なお、このためには、第２実施形態では、図８に示すステップＳ２０８において、極値のα％値（ただし、０＜α＜１００）を与えるα％値周波数も選定するようにすればよい。

以上のような第２実施形態に係る電力伝送システム１００によれば、周波数のスイープ時におけるインバータ効率−周波数特性のカーブの特徴に応じた対応テーブル１６０が用意されているので、実際の充電の電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。これまで説明した実施形態の対応テーブル１６０においては、第２電力での電力伝送時、極値を与える周波数として２つが示されており、いずれを用いてもよいものとしたが、本実施形態では、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、周波数が高い方の極値周波数を選定するようにしている。なお、このためには、第３実施形態では、図８に示すステップＳ２０９において、対応テーブル１６０を参照する際、対応テーブル１６０に極値周波数が２つある場合には、周波数が高い方の極値周波数を選定し、最適周波数として決定すればよい。

これまでの実施形態で説明したように、第２電力での電力伝送時においては、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある。このような２つのうちのいずれの周波数を選択する方がシステムにとって最適であるかについて検討する。

図１２は図４における２つの極値を与える極値周波数のうち周波数が低い方の極値周波数（ｆ₂₁）で特性を示す図である。図１２（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１２（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ₃）、電流（Ｉ₃）の変動の様子を示す図である。図１２に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。

一方、図１３は図４における２つの極値を与える極値周波数のうち周波数が高い方の極値周波数（ｆ₂₂）で特性を示す図である。図１３（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１３（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ₃）、電流（Ｉ₃）の変動の様子を示す図である。図１３に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。

図１２の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１３の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１３に示す特性の方が、電池２４０（負荷）にとっては好ましいので、本実施形態においては、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、周波数が高い方の極値周波数を選定するようする。

このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、周波数が高い方の極値周波数を選定すると、電池２４０（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、周波数が高い方の極値周波数を選定すると、充電器２３０からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。

これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、周波数が低い方の極値周波数を選定すると、充電器２３０が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。

１００・・・電力伝送システム
１１０・・・ＡＣ電源部
１２０・・・整流昇圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電制御部
１５１・・・記憶部
１６０・・・対応テーブル
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・充電制御部
２６０・・・充電プロファイル

Claims (2)

1. 直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
   前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、
   前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御すると共に、
   前記インバータ部に入力される入力電力と、前記インバータ部から出力される出力電力とを取得し、
   取得された前記入力電力と前記出力電力とから前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとの位置関係によって定まるアンテナ間インピーダンスごとの、
   前記出力電力が第１電力であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数と、
   前記出力電力が第２電力であるときのインバータ効率の極値を与える極値周波数との間の対応関係を複数パターン記憶する対応テーブルと、を有し、前記送電アンテナから受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、前記出力電力が第１電力となるように制御しつつ、前記インバータ部で出力する交流電圧の周波数を変更しながら、演算したインバータ効率の極値を与える極値周波数を選定し、
   選定された極値周波数と前記対応テーブルに基づいて、前記出力電力を第２電力とするときのインバータ部における周波数を決定し、決定された周波数によって電力伝送を行うように制御することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記対応テーブルはさらに極値のα%値（ただし、０＜α＜１００）を与えるα％値周波
   数を記憶することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。

Images