JP2013070590A - 非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、及び非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】接触に電力授受を行う非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、及び非接触給電システムの装置を提供する。
【解決手段】非接触電力送電装置１０は、受電コイル２２０と、該受電コイルに電気的に並列に接続された固定容量コンデンサ２３０と、を備える受電装置２０に対して、電磁誘導により非接触で電力を送電する非接触電力送電装置である。当該非接触電力送電装置は、交流電力を発生させる交流電源１１０と、該交流電源に電気的に接続された送電コイル１２０と、該送電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサ１３０と、交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段１４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触に電力授受を行う非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、及び非接触給電システムの技術分野に関する。

この種の装置として、例えば交流電源で駆動される一次コイル（送電コイル）に電気的に直列に接続された直列コンデンサと、二次コイル（受電コイル）に電気的に並列に接続された並列コンデンサと、を備える非接触給電装置が提案されている。この方式は、一次直列・二次並列共振コンデンサ方式と呼ばれる。この方式では、二次側の並列コンデンサの容量値Ｃｐは、電源の駆動周波数（ω_０とする）において励磁リアクタンスｘ_０と二次側の漏洩リアクタンスｘ_２との和と共振する値に設定され（式１）、一次側の直列コンデンサの容量値Ｃｓは、駆動周波数において一次側の力率が１となるように設定される（式２）（特許文献１参照）。

（式１）

（式２）
或いは、受電回路のインダクタンスが変化した場合にその補正を行うために、受電回路に、固定容量の共振コンデンサと、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサと、が設けられた装置が提案されている（特許文献２参照）。

国際公開第２００７／０２９４３８号 特開２００４−７２８３２号公報

上記特許文献１及び２に記載の技術が、例えば電気自動車に搭載されるバッテリの充電に適用された場合、典型的には、給電側回路（一次コイル）は地面に埋め込まれ、受電側回路（二次コイル）は電気自動車の下部に搭載される。このため、給電側回路と受電側回路との間の距離は、電気自動車の車高によって変化することとなる。また、運転者が電気自動車を停車させた位置により、給電側回路と受電側回路との間に水平方向の位置ずれが発生する可能性がある。

上記特許文献１に記載の技術において、並列コンデンサの容量値Ｃｐ、及び直列コンデンサの容量値Ｃｓを設定する上記二つの式（式１）及び（式２）を、一次コイル及び二次コイル各々の自己インダクタンスＬ_１及びＬ_２、一次コイル及び二次コイル間の相互インダクタンスＬ_ｍを用いて変形すると、下記（式３）及び（式４）のように表わされる。尚、この変形では、一次コイル及び二次コイル間の磁気的な結合の度合いを表わす係数（即ち、結合係数）をｋとして、Ｌ_ｍ＝ｋ√（Ｌ_１×Ｌ_２）の関係を用いている。

（式３）

（式４）
（式３）より、並列コンデンサの要領値Ｃｐは二次コイルの自己インダクタンスＬ２と電源の駆動周波数とで決定されることが分かる。他方、（式４）より、直列コンデンサの容量値Ｃｓは一次コイルの自己インダクタンスＬ１と駆動周波数に加えて、一次コイル及び二次コイル間の結合係数ｋに依存していることが分かる。従って、直列コンデンサの容量値Ｃｓをある設計値に固定してしまうと、電気自動車のバッテリの充電に適用された場合で述べたように、給電側回路と受電側回路との間の距離が設計値からずれた場合や、給電側回路と受電側回路との間に水平方向の位置ずれが発生した場合では、一次コイル及び二次コイル間の結合係数が変化してしまうため、給電効率が著しく低下する可能性があるという技術的問題点がある。他方、上記特許文献２に記載の技術のように、受電側回路に、コイルと電気的に並列に接続された可変容量コンデンサを設けると、給電側回路の電源の利用効率が低下する可能性があるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、給電側回路と受電側回路との間の距離に依らずに、また、給電側回路と受電側回路との間に水平方向の位置ずれが発生しても、効率良く電力伝送を行うことができる非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、及び非接触給電システムを提案することを課題とする。

本発明の非接触電力送電装置は、上記課題を解決するために、受電コイルと、前記受電コイルに電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、を備える受電装置に対して、電磁誘導により非接触で電力を送電する非接触電力送電装置であって、交流電力を発生させる交流電源と、前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、を備えて構成される。つまり、当該非接触電力送電装置は、所謂一次直列・二次並列共振コンデンサ方式の非接触給電システムを構成する非接触電力送電装置である。

ここで、受電装置における固定容量コンデンサの容量値は、駆動周波数において受電コイルに係る自己インダクタンスと共振するように決定される。他方、送電装置において送電コイルと電気的に直列に接続された直列コンデンサの容量値は、上記駆動周波数において送電装置側（即ち、一次側）の力率が１となるように決定される（式１参照）。

この直列コンデンサの容量値は、送電コイル及び受電コイル間の磁気的な結合の度合い（結合係数）に応じて最適値が変化する（式４参照）。すると、送電コイル及び受電コイル間の距離を一の値に設定して、上記駆動周波数において送電装置側の力率が１となるように直列コンデンサの容量値が決定されたとしても、実際の送電コイル及び受電コイル間の距離が上記一の値からずれたり、送電コイルと受電コイルとの間に水平方向の位置ずれが発生したりすると力率が１より小さくなってしまう（つまり、電源の利用効率が低下してしまう）。

そこで本発明では、可変容量コンデンサが、送電コイルに電気的に直列に接続されると共に、例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる容量制御手段により、交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように（即ち、力率が１に近づくように）可変容量コンデンサの容量値が制御される。

この結果、本発明の非接触電力送電装置によれば、送電コイル及び受電コイル間の距離が変化したり、水平方向の位置ずれが発生したりしても、つまり送電コイル及び受電コイル間の結合の度合い（結合係数）が変化しても、効率良く電力伝送を行うことができる。

本発明の非接触電力送電装置の一態様では、前記送電コイルと前記受電コイルとの磁気的な結合の度合いを推定する結合推定手段を更に備え、前記容量制御手段は、前記推定された磁気的な結合の度合いに基づいて、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する。

この態様によれば、例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる結合推定手段は、送電コイルと受電コイルとの磁気的な結合の度合い（結合係数）を推定する。直列コンデンサの最適な容量値は（式４）に示すように結合係数に依存しているので、この態様によれば、交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように可変容量コンデンサの容量値を制御することができる。

結合推定手段を備える態様では、前記結合推定手段は、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を測定する距離測定手段と、前記距離と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記測定された距離を前記結合係数に変換する変換手段と、を有してよい。

このように構成すれば、比較的容易にして磁気的な結合の度合いを推定することができ、実用上非常に有利である。

或いは、結合推定手段を備える態様では、前記結合推定手段は、前記受電装置における受電側電圧値及び受電側電流値の少なくとも一方を取得する取得手段と、前記交流電力の電圧値である送電側電圧値、及び前記交流電力の電流値である送電側電流値の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記取得された受電側電圧値及び受電側電流値の少なくとも一方と、前記検出された送電側電圧値及び送電側電流値の少なくとも一方と、に基づいて電力伝送効率を算出する算出手段と、前記電力伝送効率と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記算出された電力伝送効率を前記結合係数に変換する変換手段と、を有してよい。

このように構成すれば、比較的容易にして磁気的な結合の度合いを推定することができ、実用上非常に有利である。

或いは、結合推定手段を備える態様では、前記受電装置は移動体に搭載されており、前記結合推定手段は、前記移動体の種別を取得する種別取得手段と、前記種別と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記取得された種別を前記結合係数に変換する変換手段と、を有してよい。

このように構成すれば、当該非接触電力送電装置を、例えば電気自動車等の移動体に適用した場合に、比較的容易にして磁気的な結合の度合いを推定することができる。

或いは、結合推定手段を備える態様では、前記結合推定手段は、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を測定する距離測定手段と、前記送電コイルの前記受電コイルに対向する面に沿う方向における前記送電コイルの前記受電コイルに対する位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出手段と、前記距離及び前記位置ずれ量と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記測定された距離及び前記検出された位置ずれ量を、前記結合係数に変換する変換手段と、を有してよい。

このように構成すれば、比較的容易にして磁気的な結合の度合いを推定することができ、実用上非常に有利である。

本発明の非接触電力送電装置の他の態様では、前記交流電力の電圧位相を検出する電圧位相検出手段と、前記交流電力の電流位相を検出する電流位相検出手段と、を更に備え、前記容量制御手段は、前記検出された電圧位相及び前記検出された電流位相間の位相差が小さくなるように、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する。

この態様によれば、比較的容易にして、交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように可変容量コンデンサの容量値を制御することができる。

本発明の非接触電力送電装置の他の態様では、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数を算出する結合係数算出手段を更に備え、前記容量制御手段は、前記算出された結合係数に基づいて、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する。

この態様によれば、比較的容易にして、交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように可変容量コンデンサの容量値を制御することができる。

本発明の非接触電力受電装置は、上記課題を解決するために、交流電流を発生させる交流電源と、前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルに電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、を備える送電装置から、電磁誘導により非接触で電力を受電する非接触電力受電装置であって、受電コイルと、前記受電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、を備えて構成される。つまり、当該非接触電力受電装置は、所謂一次並列・二次直列共振コンデンサ方式の非接触給電システムを構成する非接触電力受電装置である。

本発明の非接触電力受電装置では特に、容量制御手段により、送電装置における交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように（即ち、送電装置側の力率が１となるように）、可変容量コンデンサの容量値が制御される。この結果、本発明の非接触電力受電装置によれば、送電コイル及び受電コイル間の磁気的な結合の度合い（結合係数）が変化しても、効率良く電力伝送を行うことができる。

尚、本発明の非接触電力受電装置においても、上述した本発明の非接触電力送電装置の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

本発明の非接触給電システムは、上記課題を解決するために、交流電流を発生させる交流電源と、前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルから電磁誘導により非接触で電力を受電する受電コイルと、を備える非接触給電システムであって、前記送電コイル及び前記受電コイルの一方に電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、前記送電コイル及び前記受電コイルの他方に電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、を備える。

本発明の非接触電力送電システムによれば、上述した本発明の非接触電力送電装置及び非接触電力受電装置と同様に、送電コイル及び受電コイル間の磁気的な結合の度合い（結合係数）が変化しても、効率良く電力伝送を行うことができる。

尚、本発明の非接触給電システムにおいても、上述した本発明の非接触電力送電装置の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る可変容量コンデンサの一例を示す概念図である。 比較例に係る非接触給電システムの構成を示す回路図である。 一次側電圧Ｖ_１、二次側電圧Ｖ_２、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の一例である。 一次側電圧Ｖ_１、二次側電圧Ｖ_２、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。 一次側電圧Ｖ_１、二次側電圧Ｖ_２、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。 結合係数と電源有効利用効率との関係の一例を示す特性図である。 一次側電圧Ｖ_１、二次側電圧Ｖ_２、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。 一次側電圧Ｖ_１、二次側電圧Ｖ_２、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。 第２実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第５実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第６実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。 第７実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の非接触給電システムに係る実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、以下の図では、本発明に直接関係する部材のみを示し、その他の部材については図示を省略している。

＜第１実施形態＞
本発明の非接触給電システムの第１実施形態について、図１乃至図９を参照して説明する。

（非接触給電システムの構成）
本実施形態に係る非接触給電システムの構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１において、非接触給電システム１は、送電装置１０及び受電装置２０を備えて構成されている。

送電装置１０は、（ｉ）交流電力を発生させる交流電源（図示せず）を含む送電回路１１０と、（ｉｉ）該送電回路１１０に電気的に接続された送電コイル１２０と、（ｉｉｉ）該送電コイル１２０に電気的に直列に接続された可変容量コンデンサ１３０と、（ｉｖ）該可変容量コンデンサ１３０の容量値を制御する容量制御部１４０と、（ｖ）送電コイル１２０と、後述する受電コイル２２０との結合の度合いを示す結合係数を推定する結合係数推定部１５０と、を備えて構成されている。

結合係数推定部１５０は、送電コイル１２０及び受電コイル２２０間の距離を測定する距離センサ１５１と、該距離センサ１５１により測定された距離を結合係数に変換する距離−結合係数変換部１５２と、を備えて構成されている。

ここで、距離−結合係数変換部１５２には、予め、距離と結合係数との対応関係を示す情報が記憶されている。そして、距離−結合係数変換部１５２は、距離と結合係数との対応関係を示す情報に基づいて、距離センサ１５１により測定された距離を結合係数に変換する。尚、距離と結合係数との対応関係を示す情報は、実験又はシミュレーションにより、例えば、送電コイル１２０及び受電コイル２２０間の距離と、送電コイル１２０の自己インダクタンス及び漏れインダクタンスと、の関係を求め、該求められた関係に基づいて構築すればよい。

可変容量コンデンサ１３０は、例えば図２に示すように、複数の固定容量コンデンサ各々をスイッチング素子により並列加算可能に構成されている。このように構成すれば、例えば０．０１μＦ（マイクロファラド）から０．１５μＦまで、０．０１μＦ刻みで可変することができる。図２は、第１実施形態に係る可変容量コンデンサの一例を示す概念図である。

尚、可変容量コンデンサ１３０は、図２に示した構成に限らず、例えば、回転軸を回すことにより静電容量を変更可能なコンデンサ（所謂、バリコン）と、該コンデンサの回転軸を回転させるステッピングモータと、で構成されてもよい。

再び図１に戻り、受電装置２０は、例えばバッテリ等の負荷２１０と、該負荷２１０に電気的に接続された受電コイル２２０と、該受電コイル２２０に電気的に並列に接続された固定容量コンデンサ２３０と、を備えて構成されている。

（発明の効果）
次に、可変容量コンデンサ１３０を、送電コイル１２０に電気的に直列に接続することによる効果について、図３乃至図９を参照して説明する。図３は、比較例に係る非接触給電システムの構成を示す回路図である。

図３において、一次側（即ち、送電装置）は、交流電源ＡＣと、該交流電源ＡＣに電気的に接続された一次コイルＬ_１と、該一次コイルＬ_１に電気的に直列に接続された直列コンデンサＣｓと、を備えて構成されている。尚、一次側の損失抵抗はＲ_１であるとする。

他方、二次側（即ち、受電装置）は、負荷抵抗Ｒ_Ｌと、該負荷抵抗Ｒ_Ｌに電気的に接続された二次コイルＬ_２と、該二次コイルＬ_２に電気的に並列に接続された並列コイルＣｐと、を備えて構成されている。尚、二次側の損失抵抗はＲ_２であるとする。

直列コンデンサＣｓ及び並列コンデンサＣｐが共に固定容量コンデンサである場合、先ず、並列コンデンサＣｐの容量値は、二次コイルの自己インダクタンスＬ_２と電源の駆動周波数を基にして、上記（式３）に従って決定される。続いて、直列コンデンサＣｓの容量値は、一次コイルと二次コイルとの間の距離を所定の値にした上で、相互インダクタンス若しくは結合係数を測定して、上記（式４）に従って決定される。

尚、（式３）及び（式４）に従って並列コンデンサＣｐの容量値、直列コンデンサＣｓの容量値が決定されることで、一次側の力率＝１とすることができるが、送電回路にインバータを用いる場合は、スイッチングロスの低減を目的としてソフトスイッチング方式が採用される場合がある。この場合には、実用上故意に力率＝１の状態から若干ずらせて動作させるようにすることがある。本発明の記載では「力率＝１となるように」との表現を用いているが、その程度のずれを許容して実装することも本発明に含めるものとする。

ここでは、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の結合係数を０．４６（一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離が１０ｃｍ（センチメートル）である場合に相当）として、直列コンデンサＣｓ及び並列コンデンサＣｐ各々の容量値が決定されているとする。電源の駆動周波数を９５ｋＨｚ、一次コイル及び二次コイル各々の自己インダクタンスＬ_１及びＬ_２を共に３６μＨとした場合、Ｃｓ＝０．１μＦ、Ｃｐ＝０．０７８μＦとなる。

上述の如く構成された比較例に係る非接触給電システムにおいて、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離が１０ｃｍ（即ち、結合係数が０．４６）である場合、一次側電圧Ｖ_１、一次側電流Ｉ_１、二次側電圧Ｖ_２及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動は、例えば図４のようになる。図４上段は、一次側電圧Ｖ_１及び二次側電圧Ｖ_２各々の時間変動の一例であり、図４下段は、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の一例である。

図４で注目すべき点は、一次側電圧Ｖ_１の位相と、一次側電流Ｉ_１の位相とが一致しており、一次側の力率が１となっていることである。このため、電源有効利用効率（即ち、二次側有効電力／一次皮相電力×１００）は、９５．１％となる。

比較例に係る非接触給電システムにおいて、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離が１０ｃｍより大きくなり、結合係数が０．２となった場合、一次側電圧Ｖ_１、一次側電流Ｉ_１、二次側電圧Ｖ_２及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動は、例えば図５のようになる。図５上段は、図４上段と同趣旨の、一次側電圧Ｖ_１及び二次側電圧Ｖ_２各々の時間変動の他の一例であり、図５下段は、図４下段と同趣旨の、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。

図５で注目すべき点は、一次側電流Ｉ_１の位相が、一次側電圧Ｖ_１の位相よりも、約６５度遅れていることである。このため、一次側の力率は０．４１まで低下し、電源有効利用効率も３４．７％まで低下する。

或いは、比較例に係る非接触給電システムにおいて、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離が１０ｃｍより小さく、結合係数が０．７となった場合、一次側電圧Ｖ_１、一次側電流Ｉ_１、二次側電圧Ｖ_２及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動は、例えば図６のようになる。図６上段は、図４上段と同趣旨の、一次側電圧Ｖ_１及び二次側電圧Ｖ_２各々の時間変動の他の一例であり、図６下段は、図４下段と同趣旨の、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。

図６で注目すべき点は、一次側電流Ｉ_１の位相が、一次側電圧Ｖ_１の位相よりも、約１７度進んでいることである。このため、一次側の力率は０．９６まで低下し、電源有効利用効率も９２．３％まで低下する。

結合係数と電源有効利用効率との関係を図７に示す。図７は、結合係数と電源有効利用効率との関係の一例を示す特性図である。図７において、実線は、本実施形態に係る非接触給電システムの結合係数と電源有効利用効率との関係の一例を示しており、破線は、比較例に係る非接触給電システムの結合係数と電源有効利用効率との関係の一例を示している。

非接触給電システムが、例えば電気自動車に搭載されるバッテリの充電システムに適用される場合、典型的には、一次側は地面に埋め込まれ、二次側は電気自動車の下部に搭載される。そして、非接触給電システムの設計段階では、設計者側が予め何らかの基準（例えば、当該非接触給電システムを搭載する予定の電気自動車の車高情報等）によって設定した、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離における結合係数を用いて、直列コンデンサＣｓの容量値が決定される。

すると、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離が、設計値より大きくなった場合、即ち、結合係数が設計値より小さくなった場合、図７に破線で示すように、電源有効利用効率が著しく低下する可能性がある。

しかるに本実施形態に係る非接触給電システム１では、容量制御部１４０により、結合係数推定部１５０で推定された結合係数に基づいて、交流電源（即ち、一次側）の電圧位相と電流位相との位相差が小さくなるように、言い換えれば、一次側の力率が１に近づくように、可変容量コンデンサ１３０の容量値が制御される。このため、図７に実線で示すように、送電コイル１２０及び受電コイル２２０間の距離（即ち、一次コイルＬ_１及び二次コイルＬ_２間の距離に相当）が、設計値からずれたとしても、電源有効利用効率の低下を抑制することができる。

具体的には、図５を用いて説明した場合のように、一次コイル及び二次コイル間の距離が設計値の１０ｃｍより大きくなり、結合係数が０．２まで下がった場合、一次側の直列コンデンサの容量値を、上記（式４）に従ってＣｓ＝０．０８２に変更する。このときの一次側電圧Ｖ_１、一次側電流Ｉ_１、二次側電圧Ｖ_２及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動は、例えば図８のようになる。図８で注目すべきは一次側電圧Ｖ_１の位相と、一次側電流Ｉ_１の位相とが一致しており、一次側の力率が１となっている点である。このとき、電源有効利用効率は８５．１％まで改善した。

他方、図６を用いて説明した場合のように、一次コイル及び二次コイル間の距離が設計値の１０ｃｍより小さくなり、結合係数が０．７まで上がった場合、一次側の直列コンデンサの容量値を、上記（式４）に従ってＣｓ＝０．１５に変更する。このときの一次側電圧Ｖ_１、一次側電流Ｉ_１、二次側電圧Ｖ_２及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動は、例えば図９のようになる。図９で注目すべきは一次側電圧Ｖ_１の位相と、一次側電流Ｉ_１の位相とが一致しており、一次側の力率が１となっている点である。このとき、電源有効利用効率は９６．３％まで改善した。

図８及び図９の上段は、図４上段と同趣旨の、一次側電圧Ｖ_１及び二次側電圧Ｖ_２各々の時間変動の他の一例であり、図８及び図９の下段は、図４下段と同趣旨の、一次側電流Ｉ_１及び二次側電流Ｉ_２各々の時間変動の他の一例である。

本実施形態に係る「送電装置１０」、「容量制御部１４０」、「結合係数推定部１５０」、「距離センサ１５１」及び「距離−結合係数変換部１５２」は、夫々、本発明に係る「非接触電力送電装置」、「容量制御手段」、「結合推定手段」、「距離測定手段」及び「変換手段」の一例である。

＜第２実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第２実施形態を、図１０を参照して説明する。第２実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１０を参照して説明する。図１０は、図１と同趣旨の、第２実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１０において、結合係数推定部１５０は、例えば、送電コイル１２０の受電コイル２２０と対向する面上、且つ該送電コイル１２０の中心近傍に配設された撮像デバイス１５４と、該撮像デバイス１５４により撮像された画像に基づいて、送電コイル１２０の中心と受電コイル２２０の中心との位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出部１５３と、距離センサ１５１により測定された距離、及び位置ずれ量検出部１５３により検出された位置ずれ量に基づいて、結合係数を求める距離・位置ずれ量−結合係数変換部１５５と、を更に備えて構成されている。

受電装置２０には、位置決め用のマーク２２０ｍが設けられている。例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ、光学センサ等である撮像デバイス１５４は、該マーク２２０ｍを撮像し、位置ずれ量検出部１５３は、撮像されたマーク２２０ｍに基づいて、位置ずれ量を検出する。

距離・位置ずれ量−結合係数変換部１５５には、距離及び位置ずれ量の各々が変化した場合に、送電コイル１２０及び受電コイル２２０間の結合係数がどのような値をとるかを記録した情報（ルックアップテーブル）が記憶されている。距離・位置ずれ量−結合係数変換部１５５は、距離センサ１５１により測定された距離、及び位置ずれ量検出部１５３により検出された位置ずれ量に基づいて、該ルックアップテーブルから対応する結合係数を求める。

容量制御部１４０は、距離・位置ずれ量−結合係数変換部１５５により求められた結合係数と、上記（式４）とに従って、可変容量コンデンサ１３０の容量値を設定する。

本実施形態に係る「位置ずれ量検出部１５３」は、本発明に係る「位置ずれ量検出手段」の一例である。本実施形態に係る「距離・位置ずれ量−結合係数変換部１５５」は、本発明に係る「変換手段」の他の一例である。

＜第３実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第３実施形態を、図１１を参照して説明する。第３実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第３実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１１を参照して説明する。図１１は、図１と同趣旨の、第３実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１１において、受電装置２０は、該受電装置２０における電圧値を測定する電圧センサ２４１と、該受電装置２０における電流値を測定する電流センサ２４２と、測定された電圧値及び電流値を、送電装置１０に対して送信する無線インターフェイス（Ｉ／Ｆ）部２４３と、を更に備えて構成されている。

他方、送電装置１０は、交流電力の電圧値を検出する電圧センサ１６１と、該交流電力の電流値を検出する電流センサ１６２と、無線インターフェイス部１６３と、電力伝送効率を算出する効率算出部１６４と、該算出された電力伝送効率を結合係数に変換する効率−結合係数変換部１６５と、を更に備えて構成されている。

効率算出部１６４は、電圧センサ１６１により検出された電圧値、及び電流センサ１６２により検出された電流値の少なくとも一方と、無線インターフェイス部１６３を介して取得された受電装置２０における電圧値及び電流値の少なくとも一方と、に基づいて電力伝送効率を算出する。

効率−結合係数変換部１６５は、予め、電力伝送効率と結合係数との対応関係を示す情報が記憶されている。そして、効率−結合係数変換部１６５は、電力伝送効率と結合係数との対応関係を示す情報に基づいて、算出された電力伝送効率を結合係数に変換する。尚、電力伝送効率と結合係数との対応関係を示す情報は、一次直列コンデンサの値を所定の値に固定した上で、実験又はシミュレーションにより、例えば、電力伝送効率と、送電コイル１２０の自己インダクタンス及び漏れインダクタンスと、の関係を一次コイル及び二次コイルの間の距離を変えながら求め、該求められた関係に基づいて構築すればよい。

本実施形態に係る「電圧センサ１６１」及び「電流センサ１６２」は、本発明に係る「検出手段」の一例である。本実施形態に係る「無線インターフェイス部１６３」及び「効率算出部１６４」は、夫々、本発明に係る「取得手段」及び「算出手段」の一例である。本実施形態に係る「効率−結合係数変換部１６５」は、本発明に係る「変換手段」の他の一例である。

＜第４実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第４実施形態を、図１２を参照して説明する。第４実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第３実施形態の構成と同様である。よって、第４実施形態について、第３実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１２を参照して説明する。図１２は、図１と同趣旨の、第４実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１２において、受電装置２０は、受電コイル２２０の開放又は短絡を可能とする二次コイル開放・短絡部２４４を更に備えて構成されている。

他方、送電装置１０は、（ｉ）インダクタンス測定部１６６と、（ｉｉ）無線インターフェイス部１６３を介して、二次コイル開放・短絡部２４４を制御すると共に、インダクタンス測定部１６６を制御する結合係数計測制御部１６７と、（ｉｉｉ）インダクタンス測定部１６６により測定されたインダクタンスに基づいて結合係数を算出する結合係数算出部１６８と、を更に備えて構成されている。

本実施形態における結合係数を求める方法は、ＪＩＳ−Ｃ５３２１に規定された結合係数の測定方法に基づく方法である。

具体的には例えば、先ず、結合係数計測制御部１６７は、無線インターフェイス部１６３を介して、受電コイル２２０が開放となるように、二次コイル開放・短絡部２４４を制御する。この際、インダクタンス測定部１６６により送電コイル１２０のインダクタンス値（Ｌｏｐｅｎ）が計測される。

次に、結合係数計測制御部１６７は、無線インターフェイス部１６３を介して、受電コイル２２０が短絡となるように、二次コイル開放・短絡部２４４を制御する。この際、インダクタンス測定部１６６により送電コイル１２０のインダクタンス値（Ｌｓｈｏｒｔ）が計測される。

次に、結合係数算出部１６８は、計測された二つのインダクタンス値（“Ｌｏｐｅｎ”及び“Ｌｓｈｏｒｔ”）に基づいて、下記（式５）に従って、結合係数を算出する。

（式５）
容量制御部１４０は、結合係数算出部１６８により算出された結合係数を用いて、上記（式４）に従って、可変容量コンデンサ１３０の容量値を設定する。

＜第５実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第５実施形態を、図１３を参照して説明する。第５実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第５実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１３を参照して説明する。図１３は、図１と同趣旨の、第５実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。第５実施形態では特に、受電装置２０は、本発明に係る「移動体」の一例としての、電気自動車に搭載されているものとする。

図１３において、受電装置２０は、（ｉ）該受電装置２０が搭載される電気自動車に係る情報を格納するデータベース２５０と、（ｉｉ）該データベース２５０に格納された情報のうち、少なくとも電気自動車の車種を示す情報を、送電装置１０に対して送信する無線インターフェイス部２４３と、を更に備えて構成されている。

他方、送電装置１０は、無線インターフェイス部１６３と、複数の車種各々に係る情報を予め格納するデータベース１７２と、車種に係る情報に基づいて結合係数を求める車種−結合係数変換部１７１と、を更に備えて構成されている。

車種−結合係数変換部１７１は、無線インターフェイス部１６３を介して取得された受電装置２０が搭載される電気自動車の車種を示す情報に基づいて、データベース１７２に格納された複数の車種各々に係る情報から、該当する車種に係る情報（例えば、車高値）を取得して、該取得された情報に基づいて結合係数を求める。

データベース１７２は、例えば無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等により、例えばインターネット等の外部ネットワーク１７３上に設けられたサーバ装置（図示せず）にアクセスして、格納されている複数の車種各々に係る情報の少なくとも一部を更新可能に構成されている。

本実施形態に係る「無線インターフェイス部１６３」は、本発明に係る「種別取得手段」の一例であり、本実施形態に係る「車種−結合係数変換部１７１」は、本発明に係る「変換手段」の他の一例である。

＜第６実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第６実施形態を、図１４を参照して説明する。第６実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第４実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１４を参照して説明する。図１４は、図１と同趣旨の、第６実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１４において、送電装置１０は、交流電力の電圧値を検出する電圧センサ１６１と、該交流電力の電流値を検出する電流センサ１６２と、電圧値の位相と電流値の位相との間の位相差を算出する位相差算出部１８０と、を更に備えて構成されている。

容量制御部１４０は、位相差算出部１８０により算出された位相差が小さくなるように、可変容量コンデンサ１３０の容量値を制御する。

本実施形態に係る「位相差算出部１８０」は、本発明に係る「電圧位相検出手段」及び「電流位相検出手段」の一例である。

＜第７実施形態＞
本発明の非接触給電システムに係る第７実施形態を、図１５を参照して説明する。第７実施形態では、非接触給電システムの構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第７実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図１５を参照して説明する。図１５は、図１と同趣旨の、第７実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

図１５において、非接触給電システム２は、送電装置１１及び受電装置２１を備えて構成されている。

送電装置１１は、送電回路１１０と、該送電回路１１０に電気的に接続された送電コイル１２０と、該送電コイル１２０に電気的に並列に接続された固定容量コンデンサ１９０と、を備えて構成されている。

受電装置２１は、（ｉ）負荷２１０と、（ｉｉ）該負荷２１０と電気的に接続された受電コイル２２０と、（ｉｉｉ）該受電コイル２２０に電気的に直列に接続された可変容量コンデンサ２６１と、（ｉｖ）該受電装置２１が搭載される電気自動車に係る情報を格納するデータベース２５０と、（ｖ）該データベース２５０に格納された情報のうち、該電気自動車の車種を示す情報に基づいて結合係数を求める車種−結合係数変換部２６３と、（ｖｉ）該求められた変換係数に基づいて可変容量コンデンサ２６１の容量値を制御する容量制御部２６２と、を備えて構成されている。

本実施形態に係る「受電装置２１」は、本発明に係る「非接触電力受電装置」の一例である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、及び非接触電力送電システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１、２…非接触給電システム、１０、１１…送電装置、２０、２１…受電装置、１１０…送電回路、１２０…送電コイル、１３０、２６１…可変容量コンデンサ、１４０、２６２…容量制御部、１９０、２３０…固定容量コンデンサ、２１０…負荷、２２０…受電コイル

本発明の非接触電力送電装置は、上記課題を解決するために、受電コイルと、前記受電コイルに電気的に並列に接続されたコンデンサと、を備える受電装置に対して、電磁誘導により非接触で電力を送電する非接触電力送電装置であって、交流電力を発生させる交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離を測定する距離センサと、前記測定された距離に基づいて前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、を備えて構成される。つまり、当該非接触電力送電装置は、所謂一次直列・二次並列共振コンデンサ方式の非接触給電システムを構成する非接触電力送電装置である。

そこで本発明では、可変容量コンデンサが、送電コイルに電気的に直列に接続されると共に、例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる容量制御手段により、距離センサにより測定された距離に基づいて可変容量コンデンサの容量値が制御される。

本発明の非接触電力送電装置の一態様では、前記受電コイルの中心と前記送電コイルの中心との位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出手段を更に備え、前記容量制御手段は、前記測定された距離と前記検出された位置ずれ量とに基づいて、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する。

この態様によれば、位置ずれ量検出手段は、受電コイルの中心と送電コイルの中心との位置ずれ量を検出する。容量制御手段は、距離センサにより測定された距離に加えて、位置ずれ量検出手段により検出された位置ずれ量に基づいて、可変容量コンデンサの容量値を制御する。この結果、この態様によれば、送電コイル及び受電コイル間の距離が変化したり、水平方向の位置ずれが発生したりすることによって、結合係数が変化しても、効率良く電力伝送を行うことができる。

位置ずれ量検出手段を備える態様では、前記距離及び前記位置ずれ量各々と、前記受電コイルと前記送電コイルとの磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶する記憶部を更に備え、前記容量制御手段は、前記記憶された対応関係から、前記測定された距離と前記検出された位置ずれ量とに対応する前記結合係数を特定して、前記可変容量の容量値を制御してもよい。

このように構成すれば、比較的容易にして可変容量の容量値を制御することができ、実用上非常に有利である。

本発明の制御方法は、上記課題を解決するために、受電コイルと、前記受電コイルに電気的に並列に接続されたコンデンサと、を備える受電装置に対して、電磁誘導により非接触で電力を送電すると共に、交流電力を発生させる交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離を測定する距離センサと、を備える非接触電力送電装置における制御方法であって、前記測定された距離に基づいて前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御工程を備える。

本発明の制御方法によれば、上述した本発明の非接触電力送電装置と同様に、送電コイル及び受電コイル間の距離が変化したり、水平方向の位置ずれが発生したりしても、つまり送電コイル及び受電コイル間の結合の度合いが変化しても、効率良く電力伝送を行うことができる。

尚、本発明の制御方法においても、上述した本発明の非接触電力送電装置の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。

Claims (10)

1. 受電コイルと、前記受電コイルに電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、を備える受電装置に対して、電磁誘導により非接触で電力を送電する非接触電力送電装置であって、
   交流電力を発生させる交流電源と、
   前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、
   前記送電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、
   前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、
   を備えることを特徴とする非接触電力送電装置。
2. 前記送電コイルと前記受電コイルとの磁気的な結合の度合いを推定する結合推定手段を更に備え、
   前記容量制御手段は、前記推定された磁気的な結合の度合いに基づいて、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力送電装置。
3. 前記結合推定手段は、
   前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を測定する距離測定手段と、
   前記距離と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記測定された距離を前記結合係数に変換する変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の非接触電力送電装置。
4. 前記結合推定手段は、
   前記受電装置における受電側電圧値及び受電側電流値の少なくとも一方を取得する取得手段と、
   前記交流電力の電圧値である送電側電圧値、及び前記交流電力の電流値である送電側電流値の少なくとも一方を検出する検出手段と、
   前記取得された受電側電圧値及び受電側電流値の少なくとも一方と、前記検出された送電側電圧値及び送電側電流値の少なくとも一方と、に基づいて電力伝送効率を算出する算出手段と、
   前記電力伝送効率と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記算出された電力伝送効率を前記結合係数に変換する変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の非接触電力送電装置。
5. 前記受電装置は移動体に搭載されており、
   前記結合推定手段は、
   前記移動体の種別を取得する種別取得手段と、
   前記種別と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記取得された種別を前記結合係数に変換する変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の非接触電力送電装置。
6. 前記結合推定手段は、
   前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を測定する距離測定手段と、
   前記送電コイルの前記受電コイルに対向する面に沿う方向における前記送電コイルの前記受電コイルに対する位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出手段と、
   前記距離及び前記位置ずれ量と、前記磁気的な結合の度合いを示す結合係数との対応関係を予め記憶すると共に、前記記憶された対応関係に基づいて、前記測定された距離及び前記検出された位置ずれ量を、前記結合係数に変換する変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の非接触電力送電装置。
7. 前記交流電力の電圧位相を検出する電圧位相検出手段と、
   前記交流電力の電流位相を検出する電流位相検出手段と、
   を更に備え、
   前記容量制御手段は、前記検出された電圧位相及び前記検出された電流位相間の位相差が小さくなるように、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力送電装置。
8. 前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数を算出する結合係数算出手段を更に備え、
   前記容量制御手段は、前記算出された結合係数に基づいて、前記可変容量コンデンサの容量値を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力送電装置。
9. 交流電流を発生させる交流電源と、前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルに電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、を備える送電装置から、電磁誘導により非接触で電力を受電する非接触電力受電装置であって、
   受電コイルと、
   前記受電コイルに電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、
   前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、
   を備えることを特徴とする非接触電力受電装置。
10. 交流電流を発生させる交流電源と、前記交流電源に電気的に接続された送電コイルと、前記送電コイルから電磁誘導により非接触で電力を受電する受電コイルと、を備える非接触給電システムであって、
    前記送電コイル及び前記受電コイルの一方に電気的に並列に接続された固定容量コンデンサと、
    前記送電コイル及び前記受電コイルの他方に電気的に直列に接続された可変容量コンデンサと、
    前記交流電力の電圧位相と電流位相との間の位相差が小さくなるように前記可変容量コンデンサの容量値を制御する容量制御手段と、
    を備えることを特徴とする非接触給電システム。

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