JP2013158188A

JP2013158188A - 電力伝送システム

Info

Publication number: JP2013158188A
Application number: JP2012018287A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamakawa; 博幸山川; Yasuo Ito; 泰雄伊藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15

Abstract

【課題】電力伝送を行う前段のテスト実施時に、予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生しない電力伝送システムを提供する。
【解決手段】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、送電側整流部１１０と、送電側昇降圧部１２０と、インバータ部１３０と、前記送電アンテナ１４０と、受電側整流部２２０と、受電側昇降圧部２３０と、電池２４０と、からなり、前記送電側昇降圧部１２０は、前記通常送電モードでは前記送電側整流部１１０から出力される直流電圧を昇降圧することで必要となる所定の電圧値を出力し、前記送電準備モードでは前記送電側整流部１１０から出力される直流電圧を降圧することで前記商用電源より低い電圧値を出力するように制御される。
【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、電力伝送を行うために駐車スペースに停車するたびに、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２（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

実際の電力伝送を行う前段に、従来技術のように実際の電力伝送時の最適周波数を決定するための周波数のスイープテストを行ったり、或いは、送電アンテナ・受電アンテナ間における異物の存否判定のテストを行ったりする際、実際の電力伝送時に用いる送電電力を利用すると、予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生する可能性がある。しかしながら、従来技術では、電力伝送を行う前段における、上記のようなテスト実行時における対策がなされておらず、問題であった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、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、商用電源を整流して直流電圧を出力する送電側整流部と、前記送電側整流部からの出力を所定の直流電圧に昇圧又は降圧して出力する送電側昇降圧部と、前記送電側昇降圧部から出力され
る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前記送電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を直流電圧に整流して出力する受電側整流部と、前記受電側整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する受電側昇降圧部と、前記受電側昇降圧部からの出力が充電される電池と、からなり、実際の電力の送電を行う通常送電モードと、前記通常送電モードを実行する前段のテストに用いる送電準備モードと、を有し、前記送電側昇降圧部は、前記通常送電モードでは前記送電側整流部から出力される直流電圧を昇降圧することで必要となる所定の電圧値を出力し、前記送電準備モードでは前記送電側整流部から出力される直流電圧を降圧することで前記商用電源より低い電圧値を出力するように制御され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、前記テストが、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物存否の判定テストであることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システムにおいて、前記テストが、前記インバータ部における周波数のスイープテストであることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムでは、通常送電モードを実行する前段のテストに用いる送電準備モードでは、送電側昇降圧部は、整流部から出力される直流電圧を降圧することで商用電源より低い電圧値を出力するように制御されるので、本発明に係る電力伝送システムによれば、電力伝送を行う前段のテスト実施時に、予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生するようなことがない。

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。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電処理のフローチャートを示す図である。送電準備モードのサブルーチンのフローチャートを示す図である。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異物存否判定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。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送周波数決定処理のフローチャートを示す図である。スイープによる最適周波数決定プロセスを模式的に説明する図である。周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。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停車スペースに車両を停車させるたびに変化し、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、最適周波数を決定するようにしている。また、停車スペースに車両停車後には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に異物が存するか否かに係る判定テストを実施するようにしている。

車両充電設備（送電側）において、送電側整流部１１０は商用電源からの交流電圧を一定の直流電圧に変換するコンバータであり、この送電側整流部１１０からの直流電圧は送電側昇降圧部１２０に入力され、送電側昇降圧部１２０で所望の電圧値に昇圧又は降圧される。この送電側昇降圧部１２０で出力される電圧値の設定は送電側制御部１５０から制御可能となっている。

インバータ部１３０は、送電側昇降圧部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側制御部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側制御部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に対して入力される電圧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は送電側制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電側制御部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）などを取得することができるようになっている。

また、送電側制御部１５０では、上記のような構成によりインバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂の位相、電流Ｉ₂の位相についても検出されるようになっている。

送電側制御部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いる。また、この送電側制御部１５０は、検出された電圧Ｖ₂の位相、及び電流Ｉ₂の位相の差を演算する。

送電側制御部１５０は、送電側昇降圧部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。送電側制御部１５０は、このように実際の電力の送電を行う通常送電モードの他に、通常送電モードを実行する前段のテスト時に用いられる送電準備モードを実行するように構成される。これらの各モードの制御を行う際には、送電側制御部１５０に内蔵される制御プログラムが参照されることによって周波数、設定電圧値などが決定される。制御プログラムは、記憶手段に記憶され、送電側制御部１５０の演算部によって参照可能に構成されている。

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側制御部１５０に転送され処理されるようになっている。また、送電側制御部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、受電側整流部２２０において整流される。受電側整流部２２０からの出力は受電側昇降圧部２３０において、所定の電圧値に昇圧又は降圧されて、電池２４０に蓄電されるようになっている。受電側昇降圧部２３０は受電側制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。

受電側昇降圧部２３０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃は受電側制御部２５０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、受電側制御部２５０は、受電側昇降圧部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。受電側昇降圧部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。

受電側制御部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側制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。

受電側制御部２５０には、電池２４０の充電プロファイルが記憶されると共に、受電側制御部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においては、まず一定の電力Ｐ_constで電池２４０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は車両充電設備側の通信部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側制御部２５０に転送され処理されるようになっている。また、受電側制御部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、受電側制御部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・電流I₃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いては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物存否の判定テストや、最適な送電周波数を決定するためのインバータ部１３０における周波数のスイープテストを行う送電準備モードを備えている。

以下、図５に示されるように、車両が充電スペースに停車してから、実際の送電が行われる通常送電モードに至るまでの処理の流れについて説明する。

図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電処理のフローチャートを示す図である。

図６において、ステップＳ１００で処理が開始されると、ステップＳ１０１に進み、通信部１７０で、車両の接近情報が受信された否かが判定される。

実際の電力伝送時に用いる送電電力で各テストを行うと、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０間に予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生する可能性がある。そこで、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物存否の判定テストや、最適な送電周波数を決定するためのインバータ部１３０における周波数のスイープテストを行う上では、ステップＳ１０２において、送電側昇降圧部１２０で送電側整流部１１０から出力される直流電圧を降圧し、商用電源より低い電圧値が送電側昇降圧部１２０から出力されるように設定する。

続いて、ステップＳ１０３で、送電準備モードが実行される。この送電準備モードにおいては、図７に示すように、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物存否の判定テストである異物存否判定処理（ステップＳ２０１）と、スイープテストが実行される電力伝送周波数決定処理（ステップＳ２０２）の２つのルーチンが実行される。

送電準備モードで各処理が実行された後には、実際の送電が行うために、ステップＳ１０４において、送電側昇降圧部１２０で送電側整流部１１０から出力される直流電圧を昇圧し、商用電源より高い電圧値が送電側昇降圧部１２０から出力されるように設定する。なお、本実施形態では、ステップＳ１０４で送電側昇降圧部１２０からは、商用電源より高い電圧値を出力するようにしたが、これに限らず、ステップS１０４では、送電側整流
部１１０から出力される直流電圧を昇降圧することで必要となる所定の電圧値に変換しこれを出力するようにすればよい。

続いて、ステップＳ１０５で、通常送電モードを実行し、送電側システムから受電側システムに電力を伝送し、電池２４０の充電が完了すると、ステップＳ１０６で、処理を終了する。

以上のように、本発明に係る電力伝送システムでは、通常送電モードを実行する前段のテストに用いる送電準備モードでは、送電側昇降圧部１２０は、送電側整流部１１０から出力される直流電圧を降圧することで商用電源より低い電圧値を出力するように制御されるので、本発明に係る電力伝送システムによれば、電力伝送を行う前段のテスト実施時に
、予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生するようなことがない。

以下、送電準備モード及び通常送電モードの実行例について説明する。

送電準備モードにおけるテストのうち、異物存否の判定テストは、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。

受電アンテナ２１０と受電側整流器２２０との間にはスイッチ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。

図８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８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８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８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８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８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８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９に基づいて説明する。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異物存否判定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。

図９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、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Ｓ３０２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９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１０は、図９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１０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Ｓ３０３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Ｓ３０３における判定がＹＥＳであるときにはステップＳ３０４に、また、判定がＮＯであるときにはステップＳ３０８に進む。

ステップＳ３０４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１０参照）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Ｓ３０４の判定がＮＯであるときには、図８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Ｓ３０５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Ｓ３０６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し、ステップＳ３１２で元のルーチンにリターンする。

一方、ステップＳ３０４における判定がＹＥＳである場合には、図８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Ｓ３１０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Ｓ３１１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Ｓ３１２で元のルーチンにリターンする。

また、ステップＳ３０３における判定がＮＯであるときに進むステップＳ３０８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１０参照）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Ｓ３０９に進み、インバータ部１３０の出力電圧を所定刻み分（図１０参照におけるΔＶ）上げることで漸増させ、さらにステップＳ３０３に戻る。

一方、ステップＳ３０８における判定がＹＥＳであるときには、図８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Ｓ３１０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Ｓ３１１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Ｓ３１２で元のルーチンにリターンする。

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１１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１１において、ステップＳ４００で処理が開始されると、続いてステップＳ４０１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Ｓ４０２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Ｓ４０２をループし、ＹＥＳである場合にはステップＳ４０３に抜ける。

ステップＳ４０３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Ｓ４０４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、異物存否判定処理を有することで、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、異物存否判定処理では、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、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の送電準備モードにおけるスイープテストが行われる電力伝送周波数決定処理について説明する。

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、実際の送電の前段階において、電力伝送で用いられる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、これに基づいて、実際の電力伝送でインバータ部１３０を駆動する周波数を決定する。本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、このように最適周波数を選定し、その後、選定された最適周波数によって実際に本番の電力伝送を行う。

図１２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１２において、ステップＳ５０１で電力伝送周波数決定処理が開始されると、続く、ステップＳ５０２においては、インバータ部１３０の駆動周波数のスイープを開始する際の上限の値に設定する。

ステップＳ５０３では、第１電力で電力伝送を実行し、ステップＳ５０４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Ｓ５０５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Ｓ５０６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送電側制御部１５０の記憶部（不図示）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、送電側制御部１５０の記憶部（不図示）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Ｓ５０７では、今回算出されたインバータ効率が、前回算出されたインバータ効率より大きいか否かが判定される。ステップＳ５０７の判定がＮＯであれば、ステップＳ５０８に進む。一方、ステップＳ５０７の判定がＹＥＳであれば、周波数を所定分（Δｆ）下げて設定した上で、ステップＳ５０３に戻りループする。

ステップＳ５０７の判定がＮＯであるときに進むステップＳ５０８では、送電側制御部１５０の記憶部（不図示）に記憶されている前回のインバータ効率を与える周波数を、実際の電力伝送を行う際の最適な周波数として選定する。

ステップＳ５１０で元のルーチンにリターンする。

上記のようなステップＳ５０３乃至ステップＳ５０９のループにより、探索される最適周波数が具体的にどのようなものであるかを、図１３を参照して説明する。図１３はスイープによる最適周波数決定プロセスを模式的に説明する図である。

図１３は本実施形態に係る電力伝送システム１００で想定されている電力伝送効率の周波数特性の一例を示している。図１２に示すアルゴリズムによれば、上限値の周波数から、Δｆずつ周波数を下げながら、インバータ効率を求めるようにしている。そして、今回のループで算出されたインバータ効率が、前回のループで算出されたインバータ効率より小さくなったときには、前回のインバータ効率を与える周波数を、電力伝送を行う際の最適周波数として決定するものである。

図１３に示す例では、上限値の周波数が与えるインバータ効率η₁から順次、Δｆずつ
周波数を下げながら、インバータ効率（η₂、η₃、η₄・・・）を求めていく。η₁からη₆までの間には、ステップＳ５０７での判定はＹＥＳとなるので、ステップＳ５０３に戻
りループする。一方、インバータ効率η₇が算出されると、η₇＞η₆が成立しないので、
ステップＳ５０７での判定はＮＯとなり、ステップＳ５０８に進み、前回ループ時のインバータ効率η₆を与える周波数を、電力伝送を行う際の最適周波数として決定する。

以上のように、本発明に係る電力伝送システムは、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算すると共に、演算されたインバータ効率が、前回に演算されたインバータ効率よりも下がった場合には、前回のインバータ効率を与える周波数周波数を選定して電力伝送を行うものであり、このような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な第２極値周波数を、迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができるようになる。その詳細は後に説明する
ここで、電力伝送効率の周波数特性におけるパターンについて説明する。図１４は本実施形態に係る電力伝送システムにおける周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。

図１４（Ａ）は受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０とが最も適切に配置されているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。図１４（Ａ）に示すように、２つの極値を与える周波数が２つある。周波数が低い方の極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極値周波数を第２極値周波数として定義する。

図１４（Ａ）から図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）と進むにつれて、受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０と間の位置のずれがより大きくなっているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。

図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）に示すように、伝送効率の極値を与える周波数が1つであ
る場合には、ステップＳ２０８においては、この極値の周波数が選定されることとなる。一方、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示すように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、本実施形態においては、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。

以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。

図１５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に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電
流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０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１６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に流れる電流と、受電アンテナ２１０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や受電アンテナ２１０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」ＩＥＥＪＪｏｕｒｎａｌ，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」ＩＥＥＪＴｒａｎｓ．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。

次に、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１７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１７（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１７（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１７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１８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１８（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１８（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１８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１７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１８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１８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、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、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、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。

これまで説明したように、本実施形態に係る電力伝送システム１００におけるスイープ動作としては、まず、インバータ部１３０の駆動周波数を上限の値に設定し、その上限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）下げつつスイープを行うようにしている。かりに、この逆のスイープ動作、すなわち、インバータ部１３０の駆動周波数を下限の値に設定し、その下限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）上げていくスイープ動作を行うとすると、第１極値周波数が第２極値周波数より低い周波数であるために、第１極値周波数が最適な周波数として選定されてしまう可能性がある。前述したとおり、第１極値周波数よりも第２極値周波数で実際の電力伝送を行った方がより好ましい。このために、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）下げつつスイープを行い、最適周波数として、確実に第２極値周波数が選択されるようにしている。

以上、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、このような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な第２極値周波数を、迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができるようになる。

以上、本発明に係る電力伝送システムでは、通常送電モードを実行する前段のテストに用いる送電準備モードでは、送電側昇降圧部は、整流部から出力される直流電圧を降圧することで商用電源より低い電圧値を出力するように制御されるので、本発明に係る電力伝送システムによれば、電力伝送を行う前段のテスト実施時に、予期しない異物が存在しこれが異常発熱するなどしてシステムトラブルが発生するようなことがない。

１００・・・電力伝送システム
１１０・・・送電側整流部
１２０・・・送電側昇降圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電側制御部
１７０・・・通信部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・受電側整流部
２３０・・・受電側昇降圧部
２４０・・・電池
２５０・・・受電側制御部
２７０・・・通信部

Claims

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、
商用電源を整流して直流電圧を出力する送電側整流部と、
前記送電側整流部からの出力を所定の直流電圧に昇圧又は降圧して出力する送電側昇降圧部と、
前記送電側昇降圧部から出力される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前記送電アンテナと、
前記受電アンテナからの出力を直流電圧に整流して出力する受電側整流部と、
前記受電側整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する受電側昇降圧部と、
前記受電側昇降圧部からの出力が充電される電池と、からなり、
実際の電力の送電を行う通常送電モードと、
前記通常送電モードを実行する前段のテストに用いる送電準備モードと、を有し、
前記送電側昇降圧部は、前記通常送電モードでは前記送電側整流部から出力される直流電圧を昇降圧することで必要となる所定の電圧値を出力し、
前記送電準備モードでは前記送電側整流部から出力される直流電圧を降圧することで前記商用電源より低い電圧値を出力するように制御されることを特徴とする電力伝送システム。
前記テストが、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の異物存否の判定テストであ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。
前記テストが、前記インバータ部における周波数のスイープテストであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。