JP2013183497A - 電力伝送システム - Google Patents

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泰雄 伊藤
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Abstract

【課題】最適周波数を決定するための複雑な回路が必要なく、安価にシステムを組むことが可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】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、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１における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力値が一定となるように制御する送電側制御部と、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整流部と、前記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昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池２４０と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行う。
【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
しかしながら、従来の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、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ための複雑な回路などが必要となるため、システムのコストアップの要因となってしまう、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、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、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、前記インバータ部における駆動周波数を制御すると共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力を制御する送電側制御部と、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整流部と、前記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昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行うことにより、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する受電側制御部と、からな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、前記送電側制御部は、前記インバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記受電側制御部は、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大電力値で充電を行うよう制御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、送電側システムではインバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、受電側システムでは電池に最大効率で充電を行うことで、送電アンテナと受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する。その結果として、送電アンテナと受電アンテナとの間の位置ずれに応じた最適な負荷条件での電力伝送が行える共に、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ための複雑な回路が必要ないため、安価にシステムを組むことが可能となる。また、送電側システムでは、駆動周波数を１点としたり、複数点であったとしても駆動周波数の変化を小さくすることができたりすることで、システム構成を簡素化することが可能となる。
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を示す図である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれに応じて負荷条件と総合効率との関係が変化することを示す実験結果である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の位置関係の定義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の送電側システムにおける制御処理の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の受電側システムにおける制御処理の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、送電アンテナに入力される電圧の位相と、電流の位相との関係により最適周波数を決定するようにしている。
車両充電設備（送電側）において、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、この整流部１１０からの直流電圧は昇降圧部１２０に入力され、昇降圧部１２０で所望の電圧値に昇圧又は降圧される。この昇降圧部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、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ＱA乃至ＱD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ＱAとスイッチング素子ＱBの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子ＱCとスイッチング素子ＱD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ＱAとスイッチング素子ＱDがオンのとき、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオフとされ、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオンのとき、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱD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ＱA乃至ＱD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おり、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、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。このような制御を行う際には、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、整流部２２０において整流される。整流部２２０からの出力は昇降圧部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。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。
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、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。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。
また、後述するように、定電流充電モードにおいては、電池２４０に対する充電電力の電力最大化制御を行い得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Ｐconst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Ｉmin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。
前述したように、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、周波数スイープを行い最適周波数を選択するのではなく、設定された一定の固定された周波数で送電アンテナ１４０を駆動して、受電側システムにおける昇降圧部２３０における調整により、最適な伝送効率を得るようにしている。
図５は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれに応じて負荷条件と総合効率との関係が変化することを示す実験結果であり、また、図６は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の位置関係の定義を説明する図である。
送電アンテナ１４０、受電アンテナ２１０はいずれも渦巻き状に巻回された略矩形のコイルである。受電アンテナ２１０が車輌に搭載されているという制約の下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数が最大となる、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との相対的位置を、最適相対的位置として定義すると、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量は、この最適相対的位置からの相違として定義することができる。最適相対的位置からのアンテナ間の位置ずれ量が大きくなればなるほど、結合係数は小さくなる。
図５（Ａ）は位置ずれ量が０ｃｍの下で、負荷のインピーダンスを５０Ωに設定した場合、及び負荷のインピーダンスを１００Ωに設定した場合の、効率の周波数特性を模式的に示しており、図５（B）は位置ずれ量が１５ｃｍの下で、負荷のインピーダンスを４０
Ωに設定した場合、及び負荷のインピーダンスを５０Ωに設定した場合の、効率の周波数特性を模式的に示している。ここで、負荷とは、図１におけるＺをみたものであり、また
、総合効率における効率は図１におけるηからみた効率である。また、図５中、ωz=100
などとして示した値は、インピーダンスが１００Ωであるとき、最大の効率を与える周波数である。
図５から、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置関係に変化があったとしても、負荷のインピーダンスを変化させることで、システム全体としての最大効率を与える周波数は一定に保つことが可能であることがわかる。
そこで、本発明に係る電力伝送システムにおいては、送電側システムではインバータ部１３０における駆動周波数を所定の周波数で固定する制御を行い、一方、受電側システムでは最大電力で受電を行うように制御する。
より具体的には、本発明に係る電力伝送システムでは、送電側システムではインバータ部１３０における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、受電側システムでは電池２４０に最大効率で充電を行うことで、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０間の結合係数に関わらず前記インバータ部１３０における駆動周波数が変わらないよう制御する。
この結果、受電側アンテナと送電側アンテナとの間の位置ずれがあったとしても、電力伝送を行う前段に周波数をスイープして最適周波数を選択せず、単に、受電側システムの昇降圧部２３０の出力を変化させて負荷を変動させて調整することで最適な電力伝送が行えるようにしている。
次に、以上のように構成される電力伝送システム１００におけるインバータ部１３０の制御処理のフローについて説明する。
図７は本発明の実施形態に係る電力伝送システムの送電側システムにおける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、処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１では、インバータ部１３０における駆動周波数を所定の周波数に固定して設定する。次のステップS１０２では、電圧Ｖ2を初期電圧であるＶstartに設定する。
ステップＳ１０３では、電流値Ｉ2を取得し、ステップＳ１０４で、出力電力をＷ2＝Ｖ2×Ｉ2により計算する。
ステップＳ１０５では、送電が終了であるか否かが判定され、この判定がＮＯである場合には、ステップＳ０６に進む。一方、ＹＥＳである場合には、ステップＳ１０８に進み、処理を終了する。
ステップＳ１０６では、出力電力Ｗが目標出力電力であるＷtargetに到達したか否かが判定され、当該判定がＹＥＳであればステップＳ１０２に進み、ＮＯであればステップＳ１０７で電圧Ｖ2を増減して調整する。
次に、以上のような送電側システムに対応した、受電側システムにおける電力最大化制御について説明する。受電側システムでは、最大の電力を受電できるように、昇降圧部２３０を最適に動作させて、受電側の負荷である電池に最大効率で充電を行うアルゴリズムとなっている。要は、電池２４０に充電される電力が最大となるように、昇降圧部２３０を制御するようにすればよく、図８に示すフローチャートは制御の一例に過ぎない。昇降圧部２３０は、電池２４０に接続されているため、受電側制御部２５０で観測される電圧
Ｖ３は、電池２４０の状態で決定される。そのため、昇降圧部２３０の昇圧、降圧動作は、短期的には電圧Ｖ３の変化としては観測されず、電流Ｉ３として観測される。ただし、充電時間全体としてみると電圧Ｖ３も変化するため、観測対象は、これらの積であるＷ３とすることが望ましい。
図８は本発明の実施形態に係る電力伝送システムの受電側システムにおける制御処理のフローチャートを示す図である。
図８において、ステップＳ２００で処理が開始されると、続くステップＳ２０１では、電流値Ｉ3、電圧値Ｖ3が取得され、ステップＳ２０２で、昇降圧部２３０から出力される電力がＷ3＝Ｖ3×Ｉ3により計算される。
続いて、ステップＳ２０３では、昇降圧部２３０の昇圧動作を行い、ステップＳ２０４
で、電流値Ｉ3、電圧値Ｖ3が取得され、ステップＳ２０５で、昇降圧部２３０から出力される電力がＷ3＝Ｖ3×Ｉ3により計算される。ここでの昇圧動作とは、仮に電池２４０
が接続されていない場合に、昇降圧部２３０が出力電圧Ｖ３を増加させ得る動作のことを言う。
ステップＳ２０６では、出力された電力が増えたか否かが判定され、この判定がＹＥＳであるときにはステップＳ２０３に戻り、ＮＯであるときにはステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０７では、現在の昇圧設定値を、最大出力を与えるものとして、昇降圧部２３０に設定する。
さらに、ステップＳ２０８では、Ｓ２０６までの動作で、出力された電力が増えていないか否かが判定され、この判定がＹＥＳである場合にはステップＳ２０９に進み、ＮＯである場合にはステップＳ２１４に進み処理を終了する。
ステップＳ２０９においては、昇降圧部２３０の降圧動作を行い、続くステップ２１０では、電流値Ｉ3、電圧値Ｖ3が取得され、ステップ２１１で、昇降圧部２３０から出力される電力がＷ3＝Ｖ3×Ｉ3により計算される。ここでの降圧動作とは、仮に電池２４０が
接続されていない場合に、昇降圧部２３０が出力電圧Ｖ３を減少させ得る動作のことを言う。
ステップＳ２１２では、出力された電力が増えたか否かが判定され、この判定がＹＥＳであるときにはステップＳ２０９に戻り、ＮＯであるときにはステップＳ２１３に進む。ステップＳ２１３では、現在の降圧設定値を、最大出力を与えるものとして、昇降圧部２３０に設定し、ステップＳ２１４に進み、処理を終了する。昇圧設定値と降圧設定値は排他的に採用されるものであり、ここで降圧設定値が設定された場合は、ステップＳ２０７で設定された昇圧設定値は使用されない。
以上、本発明に係る電力伝送システムによれば、送電側システムではインバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行い、受電側システムでは最大電力で受電を行うように制御するために、結果として、送電アンテナと受電アンテナとの間の位置ずれに応じた最適な負荷条件での電力伝送が行える共に、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ための複雑な回路が必要ないため、安価にシステムを組むことが可能となる。また、送電側システムでは、駆動周波数を１点としたり、複数点であったとしても駆動周波数の変化を小さくすることができたりすることで、システム構成を簡素化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９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９に示すように、第１極値周波数ｆm、第２極値周波数ｆe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１０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１１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１２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。
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１３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。
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、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、受電側制御部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、受電側制御部２５０からみて整流部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昇降圧部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、受電側制御部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。
ただし、本発明に係る電力伝送システムにおけるインバータ部の周波数制御方法は、極値が２つとなる送電アンテナ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場合、磁気壁が生じる極値周波数を選定する場合のいずれにも利用することができるし、さらに、共振点付近での極値が１つしかない場合でも有効に利用することができる。
１００・・・電力伝送システム
１１０・・・整流部
１２０・・・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・・・整流部
２３０・・・昇降圧部
２４０・・・電池
２５０・・・受電側制御部
２７０・・・通信部

Claims (2)

  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、
    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、
    前記インバータ部における駆動周波数を制御すると共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力を制御する送電側制御部と、
    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整流部と、
    前記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昇降圧部と、
    前記昇降圧部から出力が充電される電池と、
    前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行うことにより、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する受電側制御部と、からなることを特徴とする電力伝送システム。
  2. 前記送電側制御部は、前記インバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記受電側制御部は、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大電力値で充電を行うよう制御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。
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