JP2013132141A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】異物の存在を認識することが可能で、電力伝送に伴い異物が発熱したり、電力伝送効率が低下したりすることがない電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、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、所定の周波数の交流電圧を出力するインバータ部１３０と、前記インバータ部１３０からの交流電圧が入力される前記送電アンテナ１４０と、前記インバータ部１３０で出力する交流電圧の電圧と周波数とを制御する送電制御部１５０と、前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間の異物を検出する際、前記受電アンテナ２１０と、前記受電アンテナ２１０で受電した電力を負荷に供給する回路とを切り離すことを特徴とする。
【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を、電気自動車のような移動体に対する電力伝送に適用する場合は、移動体側に受電アンテナを搭載し、地中部に送電アンテナを埋設するような構成とすることが提案されている。

例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）には、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、地面側に設けられた第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された電気自動車搭載の第２共鳴コイルと、該第２共鳴コイルで受電された電力が充電されるバッテリとから構成され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

上記のような電力伝送システムにおいては、送電アンテナが地中部に埋設されるようにして設けられる構成が採用されるため、例えば、何らかの落下物が送電アンテナの近傍に落ちたままとなり、そこに異物として存在してしまう、といったシチュエーションが考えられる。ところで、電力伝送中に送電アンテナと受電アンテナとの間に、例えば、スチール缶などのような異物が存在すると、電力伝送実行中にスチール缶が発熱すると共に、電力の伝送効率が低下する、といった問題があった。ところが、従来の電力伝送システムにおいては、送電アンテナと受電アンテナとの間に、上記のような異物が存在する可能性については全く考慮されておらず、対策が求められていた。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、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、所定の周波数の交流電圧を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前記送電アンテナと、前記インバータ部で出力する交流電圧の電圧と周波数とを制御する送電制御部と、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物を検出する際、前記受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を負荷に供給する回路とを切り離す受
電制御部と、を有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、前記受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を負荷に供給する回路との間に設けられたスイッチと、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物の検出を行う異物検出モードと、前記送電アンテナから前記受電アンテナに対して実際に電力を伝送する電力伝送モードと、を有し、前記受電制御部は、前記異物検出モードでは前記スイッチをオフとする制御を行い、前記電力伝送モードでは前記スイッチをオンとする制御を行うことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電力伝送システムにおいて、前記送電制御部は、前記異物検出モードでは、前記インバータ部で出力する交流電圧の周波数を固定し、電圧を漸増させる制御を行うことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電力伝送システムにおいて、さらに、前記インバータ部に入力される電流を検出する電流検出部を備え、前記送電制御部が、前記異物検出モードで電圧を漸増させる制御中に、前記電流検出部によって所定値以上の電流を検出したときの電圧によって、異物の存否の判定を行うことを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項３又は請求項４に記載の電力伝送システムにおいて、前記送電制御部は、前記異物検出モードで電圧を漸増させる制御によって、電圧が所定の上限に達した場合、前記電流検出部で検出される電流が、所定値以下であるときには、異物が存在すると判定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、異物検出モードを有することで、異物の存在を認識することが可能となるので、電力伝送に伴い、異物が発熱したり、或いは、電力伝送効率が低下したりしてしまうことがない。

また、本発明に係る電力伝送システムによれば、受電制御部は、異物検出モードでは、スイッチをオフとし受電アンテナをオープンとする制御を行うので、異物の存否の判定の精度が向上する。

本発明の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。 電池の充電プロファイルとインバータ部の制御の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける異物検出の様子を説明する図である。 異物検出の際、受電アンテナを電気的浮遊状態とするメリットを説明する図である。 本発明の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。 異物検出のアルゴリズムを具体的に説明する図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける受電側システムの処理フローチャートを示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムにおける受電側システムの処理フローチャートを示す図である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。 第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。 第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。 ２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での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電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での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際には、電力伝送効率が最高となるように、送電アンテナに入力される電圧の周波数を決定するようにしている。

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及び電圧Ｖ₂と電流Ｉ₂との位相差θは送電制御部１５０によって検出されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、検出される電圧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
、検出される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂及び電圧Ｖ₂と電流Ｉ₂との位相差θからインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ₂＝Ｖ₂×Ｉ₂×ｃｏｓθ）を取得することができるよう
になっている。

また、送電制御部１５０は、検出される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁によって、インバータ部１３０から送電アンテナ１４０側をみたときのインピーダンス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、検出された電圧Ｖ₁、電流Ｉ₁、電圧Ｖ₂、電流Ｉ₂位相差θから上記のように電力値、インピーダンス値などを取得することができるようになっていたり、或いは、後述するような各アルゴリズムに基づいて、送電側のシステム全体の制御を行ったりすることができるようになっている。

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記憶部１６０が参照されることによって周波数などが決定される。記憶部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。

送電制御部１５０は、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０に対して、実際に電力を伝送し、車両側システムの電池２４０などの負荷に電力を投入する電力伝送モードと、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物の検出を行う異物検出モードと
、を有しており、これらのモードの制御を行うプログラムなども記憶部１６０に記憶されている。各モード実行のために、記憶部１６０に記憶されているプログラムは送電制御部１５０により参照される。

また、記憶部１６０には、各データテーブル、チャートなどが記憶されており、送電制御部１５０は異物検出モードのとき、記憶部１６０に記憶された各データテーブル、チャートなどを参照して、送電アンテナ１４０近傍における異物の存否を判定するようになっている。これにより、本発明に係る電力伝送システム１００では、異物の存在を認識することが可能となるので、電力伝送に伴い、異物が発熱したり、或いは、電力伝送効率が低下したりしてしまうことがない。

また、通信部１７０は車両側の通信部２７０と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１７０によって受信したデータは送電制御部１５０に転送され処理されるようになっている。また、送電制御部１５０は所定情報を、通信部１７０を介して車両側に送信することができ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を通して電池２４０に蓄電されるようになっている。充電器２3０は受電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。

受電アンテナ２１０と整流器２２０との間にスイッチＳＷが設けられており、このスイッチＳＷが受電制御部２５０からオンオフ制御が可能に構成されている。受電制御部２５０により、スイッチＳＷがＯＰＥＮ状態となることにより、受電アンテナ２１０は電気的に浮いた状態となり、これにより、異物検出モード実行下で、より精度高く、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物を検出することが可能となる。

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は受電制御部２５
０によって検出されるようになっている。検出された電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃により、受電制御部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を定電流充電モード、定電力充電モード、定電圧充電モードのいずれかの充電モード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。

受電制御部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、図示されている受電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。

受電制御部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、受電制御部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４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４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。

また、通信部２７０は送電側の通信部１７０と無線通信を行い、送電側システムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２７０によって受信したデータは受電制御部２５０に転送され処理されるようになっている。また、受電制御部２５０は所定情報を、通信部２７０を介して送電側に送信することができるようになっている。例えば、受電制御部２５０は、定電力（ＣＰ）充電モード、或いは定電圧（ＣＶ）充電モードのどの充電モードで、電池２４０の充電を行っているかに係る情報を車両充電設備側のシステムに送信することができるようになっている。

また、通信部２７０は受電制御部２５０で検出される電池２４０の電圧Ｖ₃に係る情報
を、送電側システムに送信することができるようになっている。また、車両側のシステムは、通信部２７０を利用し送電側システムの通信部１７０と通信することで、車両が送電側システムに接近していることなどを、送電側システムに対して報知することができるようになっている。

次に、以上のように構成される本発明の電力伝送システム１００における異物検出の具体的な方法について説明する。図５は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００における異物検出の様子を説明する図である。

本発明における異物検出方法は、異物検出モードとして実行されるものであり、車両が充電スペースに駐車され、電力伝送モードにより実際の電力伝送が実行される前段としての、異物の検出に用いられることが想定されている。すなわち、図５（Ａ）に示すように、車両が充電スペースにアクセスした後、図５（Ｂ）に示すように、車両が充電スペースに停車してから実行されるものである。

本発明に係る電力伝送システムにおける異物検出モードは、受電アンテナ２１０と、この受電アンテナ２１０で受電した電力を電池２４０などの負荷に供給する回路群との間の電路に設けられたスイッチＳＷがＯＰＥＮの状態で実施されることを大きな特徴の１つとしている。

図６は異物検出の際、受電アンテナ２１０を電気的浮遊状態とするメリットを説明する図である。図６において、横軸はインバータ部１３０における駆動周波数を、また、縦軸はインバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁に基づいて求められたインピーダンスＺを示している。

図６の実線で囲まれる（Ａ）は、受電アンテナ２１０が開放状態（浮遊状態）で送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の間に異物が無い場合においてインピーダンスＺが取り得る領域を示しており、図６の一点鎖線で囲まれる（Ｂ）は、受電アンテナ２１０が開放状態（浮遊状態）で送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の間にある異物が有る場合においてインピーダンスＺが取り得る領域を示しており、異物の材質や形状によってインピーダンスＺが取り得る領域（B）は変化する。図６の点線で囲まれる（Ｃ）は、受電
アンテナ２１０が負荷と接続された状態（ＳＷがＳＨＯＲＴ状態）で送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の間に異物が無い場合においてインピーダンスＺが取り得る領域を示しており、図６の二点鎖線で囲まれる（Ｄ）は、受電アンテナ２１０が負荷と接続された状態（ＳＷがＳＨＯＲＴ状態）で送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の間にある異物が有る場合においてインピーダンスＺが取り得る領域を示しており、異物の材質や形
状によってインピーダンスＺが取り得る領域（D）は変化する。

図６では、（Ｃ）と（Ｄ）の領域は、全ての周波数で互いに重畳するのに対して、（Ａ）と（Ｂ）の領域は、例えば周波数がｆ_dであるときには、重なり合うことがなく、明確
に別離している。すなわち、これは、受電アンテナ２１０が負荷と接続された状態（ＳＷがＳＨＯＲＴ状態）である場合より、受電アンテナ２１０が開放状態（浮遊状態）である場合の方が、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０間における異物の存否検出を、より精度高く行い得ることを示している。

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において、電力伝送を行う際のシーケンスについて、図７に基づいて説明する。図７は本発明の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により実行されるものである。また、図７に示すフローチャートでは、ステップＳ１０９以外のステップは、異物検出モードとして実行されるものである。そして、ステップＳ１０９は電力伝送モードとして実行されるものである。

図７において、ステップＳ１００で処理が開始されると続いて、ステップＳ１０１に進み、 インバータ部１３０における駆動周波数を、異物検出周波数に設定する。この異物検出周波数としては、例えば、先のｆ_dを用いることができる。次のステップＳ１０２で
は、インバータ部１３０の出力電圧を異物検出開始電圧Ｖｓに設定する。この異物検出開始電圧Ｖｓとしては、送電、受電の２つのアンテナの配置関係にかかわらず、システムが故障しない、０Ｖ以上の最も安全な電圧値が利用される。

なお、異物検出周波数として用いるｆ_dは、図７に示すものより、より高い周波数のも
のを利用する方が検出精度上有利であるはあるが、電波に関連する法規・規制を遵守する観点からも、システムの動作周波数の範囲のうち比較的高いものを利用するとよい。

図８は、図７のフローチャートに示すアルゴリズムを、実現象と対応させて説明する図である。図８において示されるＶｓが異物検出開始電圧である。

ステップＳ１０３では、インバータ部１３０に入力される検出電流値Ｉ₁が所定値を超
えたか否かが判定される。ステップＳ１０３における判定がＹＥＳであるときにはステップＳ１０４に、また、判定がＮＯであるときにはステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０４では、インバータ部１３０に入力されている電圧値が、下限電圧未満であるか否かが判定される。この判定で用いられる下限電圧（図８参照）とは、受電アンテナ２１０が開放であり、異物が無い場合の下限の電圧である。

ステップＳ１０４の判定がＮＯであるときには、図６の（Ａ）の領域内で、送電側システムが動作したことに相当するので、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間には、異物はないものと判定し、ステップＳ１０５に進み、インバータ部１３０の出力電圧を０とし、さらに、ステップＳ１０６で、通信部１７０を介して、異物検出終了をした旨、受電側システムに通知する。

なお、受電側システムに通信部２７０が設けられていないような場合には、ステップＳ１０６では、一定時間の待ちを行う。通信部２７０が設けられていないような場合に対応する受電側システムのフローチャートは図１０に示される。

ステップＳ１０７では、電力伝送を開始する。このステップＳ１０７による処理が、これまで説明した電力伝送モードに対応するものである。ステップＳ１１２で処理を終了す
る。

一方、ステップＳ１０４における判定がＹＥＳである場合には、図６の（Ａ）の領域を下限側で逸脱したことに相当するので異物があるものと判定し、ステップＳ１１０に進み、インバータ部１３０の出力電圧を０とし、さらにステップＳ１１１で不図示のインターフェイス手段により異常表示を行ったり、通信部１７０を介して受電側システムに異常を通知したりして、ステップＳ１１２で処理を終了する。

また、ステップＳ１０３における判定がＮＯであるときに進むステップＳ１０８では、上限電圧を超えたか否かが判定される。この判定で用いられる上限電圧（図８参照）とは、受電アンテナ２１０が開放であり、異物が無い場合の上限の電圧である。この判定がＮＯであるときにはステップＳ１０９に進み、インバータ部１３０の出力電圧を所定刻み分（図８参照におけるΔＶ）上げることで漸増させ、さらにステップＳ１０３に戻る。

一方、ステップＳ１０８における判定がＹＥＳであるときには、図６の（Ａ）の領域を上限側で逸脱したことに相当するので異物があるものと判定し、ステップＳ１１０に進み、インバータ部１３０の出力電圧を０とし、さらにステップＳ１１１で不図示のインターフェイス手段により異常表示を行ったり、通信部１７０を介して受電側システムに異常を通知したりして、ステップＳ１１２で処理を終了する。

次に、以上のような送電側システムに対応する受電側システムにおける処理を説明する。図９は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける受電側システムの処理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により実行されるものである。

図９において、ステップＳ２００で処理が開始されると、続いてステップＳ２０１に進み、スイッチＳＷをＯＰＥＮ（受電アンテナに何もつながない）にする。

続く、ステップＳ２０２では、送電側システムから通信部２７０を介して「異物検出終了」の通知があったか否かが判定される。この判定がＮＯである場合にはステップＳ２０２をループし、ＹＥＳである場合にはステップＳ２０３に抜ける。

ステップＳ２０３では、スイッチＳＷをＳＨＯＲＴ（受電アンテナに負荷を接続）にし、ステップＳ２０４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によれば、異物検出モードを有することで、異物の存在を認識することが可能となるので、電力伝送に伴い、異物が発熱したり、或いは、電力伝送効率が低下したりしてしまうことがない。

また、本発明に係る電力伝送システムによれば、受電制御部２５０は、異物検出モードでは、スイッチＳＷをオフとし受電アンテナ２１０をオープンとする制御を行うので、異物の存否の判定の精度が向上する。

次に、受電側システムに通信部２７０などが設けられておらず、システム間での通信ができない場合の実施形態に（ステップＳ１０８で、一定時間の待ちを行う場合に対応する実施形態）ついて説明する。

図１０は本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムにおける受電側システムの処理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により実行されるものである。

図１０において、ステップＳ３００で処理が開始されると、続いてステップＳ３０１に進み、スイッチＳＷをＯＰＥＮ（受電アンテナに何もつながない）にする。

続く、ステップＳ３０２では、異物の判定に係る所定時間待機する。

ステップＳ３０３では、スイッチＳＷをＳＨＯＲＴ（受電アンテナに負荷を接続）にし、ステップＳ３０４で処理を終了する。

図１０に示す実施形態においては、これまで説明した実施形態と同様の効果を享受することが可能となると共に、車両側システムに通信部が設けられていないような場合でも、円滑に異物検出モード・電力伝送モードを実行することが可能となる。

ここで、ワイヤレス電力伝送システムにおける伝送効率の極値を与える周波数について説明する。前記システム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説明する。

図１１は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図１１に示すように、第１極値周波数ｆ_m、第２極値周波数ｆ_eの２つがあるが、電力伝送を行うときには、これらのいずれかの周波数でこれを行うことが好ましい。

図１２は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１４０のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２１０のコイルに流れる電流とで位相が等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０のコイルや受電アンテナ２１０のコイルの中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。

また、図１３は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１４０のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２１０のコイルに流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０のコイルや受電アンテナ２１０のコイルの対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。

なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。

本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。

図１４は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数
）での特性を示す図である。図１４（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１４（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１４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。

以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。

一方、図１５は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１５（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１５（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１５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。

以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。

図１４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１５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１５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、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。

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迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で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、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる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、受電制御部２５０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、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電制御部２５０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。

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、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電制御部２５０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
１６０・・・記憶部
１７０・・・通信部
１８０・・・撮像部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・受電制御部
２６０・・・充電プロファイル
２７０・・・通信部

Claims (5)

1. 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、
   所定の周波数の交流電圧を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前記送電アンテナと、
   前記インバータ部で出力する交流電圧の電圧と周波数とを制御する送電制御部と、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物を検出する際、前記受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を負荷に供給する回路とを切り離す受電制御部と、
   を有することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記受電アンテナと、前記受電アンテナで受電した電力を負荷に供給する回路との間に設けられたスイッチと、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物の検出を行う異物検出モードと、
   前記送電アンテナから前記受電アンテナに対して実際に電力を伝送する電力伝送モードと、を有し、
   前記受電制御部は、前記異物検出モードでは前記スイッチをオフとする制御を行い、
   前記電力伝送モードでは前記スイッチをオンとする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記送電制御部は、前記異物検出モードでは、前記インバータ部で出力する交流電圧の周波数を固定し、電圧を漸増させる制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の電力伝送システム。
4. さらに、前記インバータ部に入力される電流を検出する電流検出部を備え、
   前記送電制御部が、前記異物検出モードで電圧を漸増させる制御中に、前記電流検出部によって所定値以上の電流を検出したときの電圧によって、異物の存否の判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
5. 前記送電制御部は、前記異物検出モードで電圧を漸増させる制御によって、電圧が所定の上限に達した場合、前記電流検出部で検出される電流が、所定値以下であるときには、異物が存在すると判定することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電力伝送システム。

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