JP2013212033A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電システム側の昇降圧部のパラメーターを簡単な構成により設定し、送電アンテナ・受電アンテナ間の位置ずれ量に基づいた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】受電アンテナ２１０に入力される交流電圧の周波数を検出し、検出される周波数に応じて昇降圧部２３０に入力される電流及び電圧を調整する。これにより、受電システム側の昇降圧部２３０のパラメーターを簡単な構成により設定することが可能となると共に、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０間の位置ずれ量に基づいた効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
【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は、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に応用することが検討されている。このようなワイヤレスなシステムを、上記のような車両に用いることで、車両への給電のために、電源コネクタや電源線などを取り扱う必要がなくなるからである。

例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）には、一方のアンテナを電気自動車のような移動体の底面部に搭載し、地上に設けた他方のアンテナから、ワイヤレスで電力伝送を行い、伝送された電力を電気自動車の電池に充電することが開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報

上記のように、車両に電力伝送システムを適用する場合には、送電アンテナなどを停車スペースの地中部に埋設しておき、車両のユーザーは当該停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナから伝送される電力を、車両に搭載されている受電アンテナで受けるような利用形態となる。このような利用形態であることから、送電アンテナと受電アンテナとの間の位置関係は、停車スペースに車両を停車させるたびに変化することとなる。

ところで、発明者らは、実験により、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は、受電システム側の昇降圧部のパラメーターの設定を変更すると、効率的に車両搭載の電池に充電を行い得ることを見いだした。

しかしながら、従来の技術においては、受電システム側の昇降圧部のパラメーターを簡単な構成により設定する方法については開示がなされておらず、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、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、前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、前記整流部から前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整する受電側制御部と、からなり、前記送電側制御部は前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の位置ずれ量に応じた周波数で前記インバータ部を制御すると共に、前記受電側制御部は、さらに、前記受電アンテナに入力される交流電圧の周波数を検出し、検出される周波数に応じて前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整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、前記受電側制御部は、検出される周波数と、前記昇降圧部に入力される直流電圧と直流電流の比との間を規定する関数を記憶し、前記関数を参照することで前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整す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、前記昇降圧部はスイッチング素子を有し、前記受電側制御部は前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比を制御することで前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整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おいては、前記受電アンテナに入力される交流電圧の周波数を検出し、検出される周波数に応じて前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整する。このような本発明に係る電力伝送システムによれば、受電システム側の昇降圧部のパラメーターを簡単な構成により設定することが可能となると共に、送電アンテナ・受電アンテナ間の位置ずれ量に基づいた効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

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。 本実施形態に係る電力伝送システム１００の受電側システムで用いる関数を導出する手順を説明する図である。 受電側システムで用いる関数を導出するために取得するデータ例を示す図である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量と、インバータ部駆動周波数の関連性を示す図である。 受電側システムで用いる関数の一例を示す図である。 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。 最適負荷抵抗Ｒｃを与えるための制御量Ｄを関係付けたテーブルを示す図である。 本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電側システムで用いる関数を導出する手順を説明する図である。 異物の存在判定の原理を説明する図である。 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、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、電流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、及び受電アンテナ２１０は、誘導成分を有するコイルと容量成分を有するキャパシタと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によって検出されるようになっている。これにより、送電側制御部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でき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。送電側制御部１５０では、このような情報処理部により、検出された電圧Ｖ₂の位相、及び電流Ｉ₂の位相の差などを演算することができるようになっている。

また、後述する関数、テーブル、マップなどは、この送電側制御部１５０の記憶部に記憶される構成である。

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。

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。

受電側制御部２５０は、受電アンテナ２１０での交流電圧Ｖ_freqを観測することで、該交流電圧Ｖ_freqの周波数を検出することができるようになっている。これにより、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量に応じて、送電側システムで設定されたインバータ部１３０の駆動周波数を、受電側システムで把握することができるようになっている。

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の充電を制御する。

受電側昇降圧部２３０はＤＣＤＣコンバータにより構成されており、このＤＣＤＣコンバータに含まれるスイッチング素子ＳＷに対して、受電側制御部２５０は、当該スイッチング素子ＳＷのオンオフ比であるのデューティ比Ｄを制御量として送信して、受電側昇降圧部２３０を制御する。これにより、受電側整流部２２０から受電側昇降圧部２３０に入力される電流及び電圧を調整することができるようになっている。

上記のような受電側制御部２５０による受電側昇降圧部２３０に対する制御に基づいて、受電側整流部２２０から受電側昇降圧部２３０に入力される電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃は、受電側制御部２５０によって検出されるようになっている。また、受電側昇降圧部２３０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ_B及び電流Ｉ_Bは受電側制御部２５０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、電圧Ｖ_B及び電流Ｉ_Bにより、受電側制御部２５０は、
受電側昇降圧部２３０などを制御して、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、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。後述する関数、テーブル、マップなどは、この受電側制御部２５０の記憶部に記憶される構成である。

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。

上記のように、車両に適用された電力伝送システム１００を利用する場合、車両のユーザーは、送電アンテナ１４０が設けられた停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から伝送される電力を、車両に搭載されている受電アンテナ２１０で受けるような利用形態となる。こ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との間の位置関係は、停車スペースに車両を停車させるたびに変化することとなる。

図５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。

まず、電力伝送システム１００の送電側システムにおける処理について説明する。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。

なお、本実施形態では、送電側システムにおいて、インバータ部１３０からの出力を一定とすると共に、周波数を追従する制御を行い、さらに受電側システムにおいては、受電側昇降圧部２３０のパラメーターを適切に設定することにより、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０間の位置ずれ量に基づいた効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

図６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６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、電圧Ｖ₂を初期電圧であるＶ_startに設定する。

次に、ステップＳ１０２においては、検出されたＶ₂-Ｉ₂の位相差が所定値となるよう
に周波数を合わせるようにインバータ部１３０の駆動周波数を制御する。次のステップ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Ｓ１０６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Ｗ_target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。

送電側システム側で、上記のようなＶ₂-Ｉ₂の位相差を所定値以下とすると共に、出力
を目標出力電力とすることで、自律的に送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量に応じたインバータ部１３０の駆動周波数を決定することができる。

次に、電力伝送システム１００の受電側システムにおける処理について説明する。発明者らは、実測を通じて、アンテナ間の位置ずれが発生する磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システム１００においては、受電システム側の受電側昇降圧部２３０のパラメーターの設定を変更すると、効率的に車両搭載の電池２４０に充電を行い得ることを見いだした。

上記のパラメーターは、具体的にはＶ₃／Ｉ₃により求められる抵抗のディメンジョンを持つ量Ｒ_cである。ここではＶ₃／Ｉ₃により求められるＲ_cを負荷抵抗と、また、最大の効率を与える前記負荷抵抗Ｒ_cを最適負荷抵抗と呼ぶこととする。

本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、受電側システムで、アンテナ間位置ずれ量に応じて設定された送電側のインバータ部１３０の駆動周波数を検出し、この周波数に応じて受電側昇降圧部２３０に入力される電流及び電圧が、最適となるように調整する。すなわち、受電側昇降圧部２３０での見かけ上の抵抗が、最適負荷抵抗Ｒ_cとな
るように調整する。

このために、本発明においては、電力伝送システム１００としての効率が最大となる、充電側システムで検出される周波数と、受電側昇降圧部２３０に入力される直流電圧と直流電流の比との間を規定する関数を求めておき、受電側制御部２５０に記憶させて利用する。

次に、上記の関数を求める方法について具体的に説明する。図７は本実施形態に係る電力伝送システム１００の受電側システムで用いる関数を導出する手順を説明する図である。

図７において、ステップＳ２００では、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量Δｄ₁，Δｄ₂，・・・，Δｄ_n毎に、受電側昇降圧部２３０における負荷
抵抗Ｒ_CをＲ₁，Ｒ₂，・・・，Ｒ_mと変更し、ｎ×ｍ個の伝送電力効率を測定する。この時の受電側システムに発生する交流電圧の周波数ｆ_mnも同時に観測しておく。また、送電側システムにおいては、図６において示したＶ−Ｉ位相差一定制御を行うようにする。

図８は受電側システムで用いる関数を導出するためにステップＳ２００で取得されるデータ例を示す図であり、図８（Ａ）は、例えばアンテナ間の長辺ずれが０ｃｍである時の各パラメーターの関係を示すものであり、図８（Ｂ）は、例えばアンテナ間の長辺ずれが３０ｃｍである時の各パラメーターの関係を示すものである。

ステップＳ２０１では、位置ずれ量Δｄ₁，Δｄ₂，・・・，Δｄ_n毎に、負荷抵抗Ｒ₁，Ｒ₂，・・・，Ｒ_m、受電側システムにおける交流電圧の周波数ｆ₁₁，・・・，ｆ_mnに対しての効率の最大ポイントのＲ_ab，ｆ_abを記録する。

続く、ステップＳ２０２に進む時において、これまで説明したように、アンテナ間の位置ずれ量と送電側システムで設定される周波数には関係性があるため、ここで次元を１つ（具体的に、位置ずれ量）減少させる。図９は、位置ずれ量Δｄの変動に連動する形で、送電側システムにおけるインバータ部１３０の駆動周波数が変動することを図示したものである。

ステップＳ２０２では、上記効率の最大ポイントの集合、Ｒ_a1，Ｒ_a2・・，Ｒ_an，ｆ_a1，ｆ_a2・・・，ｆ_anより、Ｒｃ＝Ｆ（ｆ）となる関数を導出する。図１０は受電側システムで用いる関数の一例を示す図である。このような関数は、受電側制御部２５０に記憶さ
せて利用する。

本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、受電側システムでＶ_freqにより、送電側のインバータ部１３０の駆動周波数を検出し、この周波数に応じて、図１０に示す関数により、受電側昇降圧部２３０に入力される電流及び電圧に基づく抵抗が、最適負荷抵抗Ｒ_cとなるように調整する。

なお、本実施形態においては、上記のような関数を用いて、周波数から最適負荷抵抗Ｒｃを求める例について説明したが、関数の代わりにマップ、テーブルなどを用いるようにしてもよい。

次に、本実施形態に係る電力伝送システム１００の受電側システムの制御について説明する。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１１において、ステップＳ３００で処理が開始されると、先ずステップ３０１で負荷抵抗初期値を設定する。ここで負荷抵抗初期値には例えば位置ずれゼロにおける最適抵抗値を設定すればよい。続くステップＳ３０２では、受電アンテナ２１０に入力された電圧値Ｖ_freqを取得する。

次のステップＳ３０３においては、取得された電圧値Ｖ_freqに基づいて、ゼロクロスなどを利用して周波数を計測する。

ステップＳ３０４では、計測された周波数と、これまで説明した関数とから最適負荷抵抗Ｒ_C（Ｖ₃／Ｉ₃）を決定する。

図１２は、受電側昇降圧部２３０において、最適負荷抵抗Ｒｃを与えるための制御量Ｄを関係付けたテーブルを示す図である。ステップＳ３０５では、このようなテーブルを用いて、最適負荷抵抗Ｒ_Cから制御量Ｄを決定し、当該制御量Ｄで受電側昇降圧部２３０を
制御する。あるいは、現在の電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃を計測して、これから現在の負荷抵抗値Ｒ₃を算出し、これとＲ_Cとの差をゼロにするようなフィードバック制御系を構築してもよい。

ステップＳ３０６では、Ｉ_B＝Ｉ_minであるか否かが判定され、当該判定がＮＯの場合ステップＳ３０２に戻り、当該判定がＹＥＳになるまで一連の処理を継続する。当該判定がＹＥＳとなると、ステップＳ３０７に進み、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１００においては、受電アンテナ２１０に入力される交流電圧の周波数を検出し、検出される周波数に応じて受電側昇降圧部２３０に入力される電流及び電圧を調整する。このような本発明に係る電力伝送システム１００によれば、受電システム側の受電側昇降圧部２３０のパラメーターを簡単な構成により設定することが可能となると共に、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０間の位置ずれ量に基づいた効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

次に、本発明に係る電力伝送システム１００においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に異物が存在すると、電力伝送の障害となることがあり得る。そこで、本発明に係る電力伝送システム１００は、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に異物があるか否かを判定するように構成することが好ましい。

以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の異物存否判定のための構成に
ついて説明する。

本発明の電力伝送システム１００においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に異物が存在しないときにおける、インバータ部１３０の駆動周波数と、送電側昇降圧部１２０から出力される直流電圧と直流電流の比（負荷抵抗）との間を規定する関数を記憶する。そして、実際に送電を行う際、駆動周波数と比（負荷抵抗）が、前記の関数を満たさない場合、送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間に異物があるものと判定するものである。

なお、駆動周波数と比（負荷抵抗）が、前記の関数を満たすか否かの判定の上では、一定の誤差を認めたうえで、これを行うようにする。

送電側昇降圧部１２０の負荷抵抗は、Ｖ₁／Ｉ₁により定義されるものであり、考え方は受電側昇降圧部２３０の負荷抵抗と同様である。

以下、上記のような関数を求める方法について具体的に説明する。図１３は本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電側システムで用いる関数を導出する手順を説明する図である。

ステップＳ４００においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量Δｄ₁，Δｄ₂，・・・，Δｄ_n毎に、送電側システムのＶ−Ｉ位相差一定制御（図
６に示す制御）で取り得る周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_nと、関数Ｆで決定される最適負
荷抵抗値となるように調整された受電側システム（受電側昇降圧部２３０）に対応する、送電側昇降圧部１２０における抵抗値Ｒ₁，Ｒ₂，・・・，Ｒ_nを観測する。

このステップは、要は、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量の如何に関わらず、異物が存在しない場合における送電側昇降圧部１２０の適正動作ポイントを取得するものである。

続く、ステップＳ４０１では、周波数ｆ₁，・・・，ｆ_nと、送電側昇降圧部抵抗値Ｒ₁
，・・・，Ｒ_nとから、関数Ｒ＝Ｇ（ｆ）となる関数を導出する。

なお、本実施形態においては、上記のような関数Ｇを用いて、異物の存否判定を行う例について説明したが、関数の代わりにマップ、テーブルなどを用いるようにしてもよい。

図１４は異物の存在判定の原理を説明する図である。図１４（Ａ）はアンテナ間に異物がない場合を示している。例えばアンテナ間が所定の位置ずれ量Δｄであるとき、送電側システムのＶ−Ｉ位相差一定制御によって、インバータ部１３０の駆動周波数ｆが決定され、受電側システムではこの周波数ｆが計測されて、この周波数ｆを関数Ｆに代入し最適負荷抵抗Ｒｃを求め、この最適負荷抵抗Ｒｃで受電側昇降圧部２３０を制御する。この場合、送電側昇降圧部１２０における動作は関数Ｇを満たすものとなる。

一方、図１４（Ｂ）はアンテナ間に異物が存在する場合を示している。
アンテナ間に位置ずれ量Δｄと異物とが存在する場合、送電側システムのＶ−Ｉ位相差一定制御によって、インバータ部１３０の駆動周波数は本来あるべきｆとならずｆ’となってしまう。そして、受電側システムではこの周波数ｆ’が計測されて、周波数ｆ’が関数Ｆに代入され得られる最適負荷抵抗Ｒｃ’で受電側昇降圧部２３０が制御される。この場合、送電側昇降圧部１２０における動作は関数Ｇを満たすものではなくなってしまう。

以上のように、本発明に係る電力伝送システム１００によれば、送電アンテナ１４０と
受電アンテナ２１０との間に異物が存在しないときにおける、駆動周波数と、送電側昇降圧部１２０から出力される直流電圧と直流電流の比との間を規定する関数Ｇを記憶しておき、実際に送電を行う際、前記駆動周波数と前記比が、前記関数Ｇを満たさない場合、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に異物があるものと判定することで、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。

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１５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１５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１６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１７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１８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（Ｖ_B）、電流（Ｉ_B）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１９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１９（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１９（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ_B）、電流（Ｉ_B）の変動の様子を示す図である。図１９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、充電回路が電流源として見えることとなり、図１９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１９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からみて受電側整流部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送電側昇降圧部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。

本願発明者は、整流部から昇降圧部に入力される電流を０としたときに、送電アンテナと受電アンテナと間の位置ずれ量と、整流部から出力される電圧との間に関連性があることを見いだした。そこで、本発明に係る電力伝送システムにおいては、整流部から昇降圧部に入力される電流を０とし、整流部から出力される電圧を検出する電圧検出部で検出される電圧に基づいて、送電アンテナと受電アンテナと間の位置ずれ量を算出する。このような本発明に係る電力伝送システムによれば、送電アンテナと受電アンテナとの間に位置ずれ量を簡単な構成により算出することが可能となると共に、送電アンテナ・受電アンテナ間の位置ずれ量に基づいた効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

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
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

Claims (3)

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、
   前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、
   前記整流部から前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整する受電側制御部と、からなり、
   前記送電側制御部は前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の位置ずれ量に応じた周波数で前記インバータ部を制御すると共に、
   前記受電側制御部は、さらに、前記受電アンテナに入力される交流電圧の周波数を検出し、検出される周波数に応じて前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記受電側制御部は、検出される周波数と、前記昇降圧部に入力される直流電圧と直流電流の比との間を規定する関数を記憶し、前記関数を参照することで前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整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。
3. 前記昇降圧部はスイッチング素子を有し、前記受電側制御部は前記スイッチング素子のオンオフのデューティ比を制御することで前記昇降圧部に入力される電流及び電圧を調整す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。

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