JP2014050252A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】家庭内で使用する電力がホームコントローラーで監視されている場合でも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】インバータ部１３０と、送電側制御部１５０と、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、前記受電側整流部２２０からの出力を前記電池２４０に充電するか、前記受電側昇降圧部２３０からの出力を前記電池２４０に充電するか、を切り換えるスイッチ部２６０と、前記受電側整流部２２０から出力される整流部出力電力を検出する受電側検出部と、前記電池２４０への充電を制御する受電側制御部２５０と、からなり、前記受電側制御部２５０は、前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０と間の位置ずれ量と、前記受電側検出部で検出される整流部出力電力とに基づいて、前記スイッチ部２６０を切り換えることで、前記電池２４０への充電を制御する。
【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

一般家庭において、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するような場合、生活に必要とする電力を犠牲にして、これを行う訳にはいかない。

このため、家庭内における電力使用量を監視して、自動車への給電を停止するシステムがある。しかし、自動車への給電をＯＮ／ＯＦＦするのみのシステムの場合、給電で必要となる最低限の電力が確保できない状態が続くと、自動車への給電がＯＦＦとなっている状態が継続し、所定時間内に充電が完了しない、という事態が発生してしまう。

このため、ＯＮ／ＯＦＦするのみではなく、家庭内における電力使用量が一定値を超えないように、自動車への給電量を調節するシステムが考えられるが、この場合、特に、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送では、給電量が大きく変わることで、極端に伝送効率が落ち込んでしまう。

そこで、大きく変わる給電電力においても伝送効率を担保するように、受電側において、電池への給電電圧を昇降させる昇降圧部を設けることで対処することが考えられる。と
ころが、一方で、送電側アンテナと、車両搭載の受電側アンテナとの配置関係などの条件によっては、前記のような昇降圧部を動作させない方が、電力伝送の効率が良い場合がある。

しかしながら、従来のワイヤレス電力伝送システムにおいては、昇降圧部を動作させるか、非動作とするか、に係る設定がなく、必ずしも、効率的に電力伝送を行うことができない、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、前記整流部からの出力、又は、前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、前記整流部からの出力を前記電池に充電するか、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電するか、を切り換えるスイッチ部と、前記整流部から出力される電圧及び電流を検出することで、前記整流部から出力される整流部出力電力を検出する受電側検出部と、前記電池への充電を制御する受電側制御部と、からなり、前記受電側制御部は、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量と、前記受電側検出部で検出される整流部出力電力とに基づいて、前記スイッチ部を切り換えることで、前記電池への充電を制御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、前記位置ずれ量が大きくなるに連れて、前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくな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、前記整流部出力電力が大きくなるに連れて、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくなることを特徴とする。

また、請求項４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、前記インバータ部に入力される電圧及び電流を検出することで、前記インバータ部に入力されるインバータ部入力電力を検出する送電側検出部と、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、前記整流部からの出力、又は、前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、前記整流部からの出力を前記電池に充電するか、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電するか、を切り換えるスイッチ部と、前記整流部から出力される電圧及び電流を検出する受電側検出部と、前記電池への充電を制御する受電側制御部と、からなり、前記受電側制御部は、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量と、前記送電側検出部で検出されるインバータ部入力電力とに基づいて、前記スイッチ部を切り換えることで、前記電池への充電を制御することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の電力伝送システムにおいて、前記位置
ずれ量が大きくなるに連れて、、前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくなることを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項４又は請求項５に記載の電力伝送システムにおいて、前記インバータ部入力電力が大きくなるに連れて、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくなることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明は、請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力伝送システムにおいて、前記送電側検出部で検出されるインバータ部入力電力を、前記受電側制御部に通知する通信部を有することを特徴とする。

また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の電力伝送システムにおいて、前記通信部では無線通信が用いられることを特徴とする。

また、請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項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、前記受電側検出部で検出される電圧に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出することを特徴とする。

また、請求項１０に係る発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力伝送システムにおいて、前記受電側制御部が、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出する際には、前記送電側制御部は、前記インバータ部に入力される電圧の増加率が一定となるように制御していることを特徴とする。

また、請求項１１に係る発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力伝送システムにおいて、前記受電側制御部が、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出する際には、前記送電側制御部は、前記インバータ部に入力される電圧が一定となるような期間を持つように制御してい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、受電側システムにおける昇降圧部を動作させるか、非動作とするか、をスイッチ部により適切に切り換えることが可能となるので、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

上記のような本発明の効果は、送電側システムが家庭に設けられ、家庭内で使用する電力がホームコントローラーで監視されている場合に特に顕著である。より詳しくは、上記のようなホームコントローラーで、受電側システムに給電する電力の制限が行われた場合においても、効率的な電力伝送を行うことで、受電側電池への効率的な充電を継続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。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける昇降圧部の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるスイッチ部の切り換えを決定するために利用されるマップを示す図である。 ホームコントローラーの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における送電側制御部における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における出力電力制御のサブルーチン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の位置関係の定義を説明する図である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の位置ずれ量に伴うΔＶ₂／ΔＶ₁の変化を示す図である。 電力伝送システム１００で用いる参照テーブルのデータ構成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受電側制御部における処理のフローチャートを示す図である。 位置ずれ量ｄ導出・目標抵抗値Ｒ_T算出のサブルーチンのフローチャートを示す図である。 受電側昇降圧部２３０を降圧させて目標抵抗とするサブルーチンのフローチャートを示す図である。 受電側昇降圧部２３０を昇圧させて目標抵抗とするサブルーチンの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のブロック図である。

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する。

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との間に位置ずれがある場合には、その位置ずれ量に応じて、受電側システム側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。このため、本発明においては、後に説明する方法で、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量を算出するようにしている。

図１において、ホームコントローラー５０は、商用電源から家庭に供給される電力の使用量を監視すると共に、送電側昇降圧部１２０に対して、受電側システムに供給し得る最大の電流値を指示することができるようになっている。

また、一般家庭に設けられることが想定される車両充電設備（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からの電圧指示値Ｖ_Tに基づいてこれを行うこ
とが可能となっている。

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。

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。

本実施形態に係る電力伝送システム１００において、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０をみたインピーダンスを電力伝送系入力インピーダンスと称する。

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。

インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁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）などを
取得することが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、不図示の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と磁気共鳴方式で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することができ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からの昇降圧の指令に基づいて、出力する電圧値を設定するようになっている。

電池２４０に充電される電力は、受電側整流部２２０からの出力、又は、受電側昇降圧部２３０からの出力のいずれかが利用されるようになっている。スイッチ部２６０は、受電側整流部２２０からの出力を電池２４０に充電するか、受電側昇降圧部２３０からの出力を電池２４０に充電するか、を切り換えるものである。スイッチ部２６０に対するＯＮ／ＯＦＦ指令は、受電側制御部２５０から発せられる。

図４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昇降圧部２３０の構成例を示す図である。ＰＷＭ１はスイッチング素子Ｑ１の駆動信号であり、ＰＷＭ２はスイッチング素子Ｑ２の駆動信号である。受電側昇降圧部２３０を未使用とするときには、ＰＷＭ１のＤｕｔｙ比を１００％（Ｑ１がＯＮ状態）に設定すると共に、ＰＷＭ２のＤｕｔｙ比は０％（Ｑ２がＯＦＦ状態）に設定する。受電側昇降圧部２３０により降圧するときには、ＰＷＭ１のＤｕｔｙ比を０〜１００％に設定すると共に、ＰＷＭ２のＤｕｔｙ比は０％（Ｑ２がＯＦＦ状態）に設定する。また、受電側昇降圧部２３０により昇圧するときには、ＰＷＭ１のＤｕｔｙ比を１００％（Ｑ１がＯＮ状態）に設定すると共に、ＰＷＭ２のＤｕｔｙ比は０〜１００％に設定する。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。

また、以上のようなスイッチング素子Ｑ１の駆動信号ＰＷＭ１、スイッチング素子Ｑ２の駆動信号ＰＷＭ２はいずれも受電側制御部２５０から指令に基づいて発せられるようになっている。

ここで、本発明に係る電力伝送システム１００においては、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Ｉ₂及び電圧Ｖ₂を調整することによって、受電アンテナ２１０のインピーダンスを電池２４０のインピーダンスより高く設定したとしても、この差を受電側昇降圧部２３０によって吸収することが可能となるため、本発明に係る電力伝送システム１００によれば、高インピーダンスのアンテナの採用によりアンテナでの損失を抑制し、高効率で電力伝送を行うことが可能となる。また、本発明に係る電力伝送システム１００によれば、電池２４０のインピーダンスに合わせてアンテナを設計する必要がなく、アンテナ設計の自由度が増す。

すなわち、本実施形態においては、受電側制御部２５０が受電側整流部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し、受電側昇降圧部２３０をインピーダンス調整部として機能させることで、電池２４０のインピーダンスより、電力伝送系入力インピーダンスを高く設定することを可能としている。

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Ｖ₂及び電流Ｉ₂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。受電側制御部２５０は、検出される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂によって、受電側整流部２２０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、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Ｖ₂及び電流I₂、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。後述するテーブル、マップ、関数などは、この受電側制御部２５０に含まれる構成である。

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。

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、家庭におけ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。

特に、家庭で使用される電力量が少なく、車両に対する給電が十分に行える場合、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との配置関係などの条件によっては、受電側昇降圧部２３０を動作させない方が、電力伝送の効率が良い場合がある。

そこで、本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、受電側システムにおける受電側昇降圧部２３０を動作させるか、非動作とするか、をスイッチ部２６０により適切に切り換えることで、効率的な電力伝送を行うようにしている。このような構成によれば、特にホームコントローラー５０で、受電側システムに給電する電力の制限が行われた場合においても、効率的な電力伝送を行うことで、受電側の電池２４０への効率的な充電を継続することが可能となる。

上記のような動作を行うために、受電側昇降圧部２３０には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置ずれ量ｄと、受電側整流部２２０から出力される整流部出力電力Ｗ₂とをパラメーターとして、受電側昇降圧部２３０を動作させるためにスイッチ部２
６０をＯＦＦとするか、受電側昇降圧部２３０を非動作とするためにスイッチ部２６０にＯＮとするか、を規定するマップが参照可能に記憶されている。

図５は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００におけるスイッチ部２６０の切り換えを決定するために利用されるマップを示す図である。図において、関数ｆ（ｄ，Ｗ₂）は、受電側昇降圧部２３０を動作させる場合には１の値をとり、受電側昇降圧部２３
０を非動作とする場合には０の値をとるものである。

図５に示すマップは、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との位置ずれ量ｄと、
受電側整流部２２０から出力される整流部出力電力Ｗ₂とを網羅的に変更して実験するこ
とにより得ることができる。

なお、本実施形態においては、パラメーターとして整流部出力電力Ｗ₂を用いているが
、これに代えて、インバータ部入力電力Ｗ₁を用いるようにしてもよい。すなわち、関数
ｆ（ｄ，Ｗ₂）に代えて、関数ｆ（ｄ，Ｗ₁）を用いるようにしてもよい。

図５に示されているように、本実施形態においては、位置ずれ量ｄが大きくなるに連れて、受電側昇降圧部２３０を動作させることで、受電側整流部２２０からの出力を電池２４０に充電する傾向より受電側昇降圧部２３０からの出力を電池２４０に充電する傾向が大きくなる。また、整流部出力電力Ｗ₂（又は、インバータ部入力電力Ｗ₁）が大きくなるに連れて、受電側昇降圧部２３０を非動作とすることで、受電側昇降圧部２３０からの出力を電池２４０に充電する傾向より受電側整流部２２０からの出力を電池２４０に充電する傾向が大きくなる。

次ぎに、以上のように構成される電力伝送システム１００における各構成の処理について説明する。まず、図６を参照して、ホームコントローラー５０が実行する処理を説明する。なお、ホームコントローラー５０は図６に示すフローチャートを所定の時間間隔で実行するものである。

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においては、ホームコントローラー５０が設置されている家庭の契約電流Ｉ_cを、記憶手段（不
図示）などから取得する。

次のステップＳ１０２においては、ホームコントローラー５０から送電側制御部１５０に指示している現在の最大電流Ｉ_Dを取得する。起動初期の値は０である。

次のステップＳ１０３においては、予め定められ記憶されている設定余裕度Ｃ_Mを取得
する。

続くステップＳ１０４では、現在の電流値Ｉ_Nを取得する。Ｉ_Nは、当該契約家庭で使用されている電流であり、車両への給電分については含まない。

次のステップＳ１０５においては、Ｉ_D＝Ｉ_c・Ｃ_M−Ｉ_Nによって、最大電流値Ｉ_Dを算
出する。

続くステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出されたＩ_D値を送電側制御部１５
０に送出し、ステップＳ１０７で処理を終了する。

次に、送電側制御部１５０における処理について説明する。図７は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電側制御部１５０における処理のフローチャートを示す図である。なお、送電側制御部１５０は図７に示すフローチャートを所定の時間間隔で実行するものである。

図７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においては、最大電流値Ｉ_Dをホームコントローラー５０から取得する。

次のステップＳ２０２においては、送電側システムで扱い得る最大電流値Ｉ_X1を取得する。これは、送電側システムの最大の許容電流値であり、記憶手段（不図示）などに予め記憶されているものである。

続く、ステップＳ２０３においては、電流制限値Ｉ_L1をＩ_L1＝ｍｉｎ（Ｉ_D，Ｉ_X1）に
よって算出する。ｍｉｎ（Ａ，Ｂ）は、Ａ及びＢのうち、小さい方の値を出力する関数である。したがって、電流制限値Ｉ_L1としては最大電流値Ｉ_D又は最大電流値Ｉ_X1のいずれ
かのうち、小さい方の値が算出される。

次のステップＳ２０４では、交流電圧Ｖ_ACを取得する。一般的に、このＶ_ACは、１００Ｖ又は２００Ｖの実効値である。このような値も、不図示の記憶手段に予め記憶させておく。

続いてステップＳ２０５では、送電側システムにおける最大電力値Ｗ_X1を取得する。これは、送電側システムの最大の許容電力値であり、記憶手段（不図示）などに予め記憶されているものである。

次のステップＳ２０６では、Ｗ_D＝Ｖ_AC・Ｉ_L1によって最大電力値Ｗ_Dを算出する。

ステップＳ２０７においては、電力制限値Ｗ_L1をＷ_L1＝ｍｉｎ（Ｗ_D，Ｗ_X1）によって
算出する。電力制限値Ｗ_L1としては最大電力値Ｗ_D又は最大電力値Ｗ_X1のいずれかのうち
、小さい方の値が算出される。

続くステップＳ２０８においては、出力電力制御のサブルーチンが実効され、ステップＳ２０９で処理を終了する。

次に、図８を参照して、出力電力制御のサブルーチンについて説明する。図８において、ステップＳ３００で、サブルーチンが開始されると、続く、ステップＳ３０１においては、送電側における投入電力を得るために、インバータ部１３０に入力される電圧Ｖ₁、
電流Ｉ₁を取得する。

ステップＳ３０２では、送電側の電力Ｗ₁をＷ₁＝Ｖ₁・Ｉ₁によって算出する。

次のステップＳ３０３では、制御誤差ΔＷ₁をΔＷ₁＝Ｗ₁−Ｗ_L1によって算出する。

続いて、ステップＳ３０４においては、電圧指示値Ｖ_TをＶ_T＝Ｖ_T−Ａ・ΔＷ₁によって算出する。

ステップＳ３０５においては、送電側昇降圧部１２０に対して、Ｖ_Tの電圧指示を行い
、ステップＳ３０６で、元の処理にリターンする。

続いて、受電側システムにおける処理を説明するが、本発明においては、関数ｆ（ｄ，Ｗ₂）によって、スイッチ部２６０の動作・非動作を決定するものであるところ、送電ア
ンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量ｄの算出について、ここで説明する。また、目標抵抗値Ｒ_T（最適負荷抵抗）という概念を用いるので、これについても以
下説明しておく。

なお、以下の位置ずれ量・目標抵抗値の算出法のより詳細な説明については、本発明者らによる特願２０１２−８１３８６を参照して援用するものとする。

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との間の位置ずれ量ｄ・目標抵抗値Ｒ_Tを以下のような方法で算出するようにしてい
る。

図９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。

ここで、上記のように構成される電力伝送システム１００においては、インバータ部１３０に入力される電圧Ｖ₁と、受電側昇降圧部２３０に対してＤｕｔｙ比＝０が入力され
ているとき（すなわち、受電側整流部２２０と受電側昇降圧部２３０との間にスイッチがあるとしてこれがオープンとなっているとき）の電圧Ｖ₂との間には、図１０に示すよう
な関係があることが発明者らによる実測によって得られた。

図１０は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０の位置ずれ量に伴うΔＶ₂／ΔＶ₁の変化を示す図である。図１０における傾きであるΔＶ₂／ΔＶ₁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が大きくなるに伴い、減少する傾向がある。

以上の通り、仮にΔＶ₂／ΔＶ₁を把握することが可能であれば、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０の位置ずれ量を算出することが可能となる。

一方、発明者らは、実測を通じて、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、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間に位置ずれがある場合には、その位置ずれ量に応じて、受電側システム側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Ｖ₂／Ｉ₂により求められる抵抗のディメンジョンを持つ量Ｒ_Tである。このようなＲ_Tを最適負荷抵抗と呼ぶこととする。この最適負荷抵抗Ｒ_Tは、位置ずれ量を変化させて、Ｖ₂／Ｉ₂を変化させつつ、電池２４０への充電効率を実
測することにより得ることが可能である。

図１１は電力伝送システム１００で用いる参照テーブルのデータ構成を説明する図である。図１１（Ａ）は、ΔＶ₂／ΔＶ₁と、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０の位置ずれ量と、さらに最適負荷抵抗Ｒ_Tとの関係付けたテーブルである。

ところで、本発明に係る電力伝送システム１００においては、送電側システムと受電側システムに無線通信手段などは設けられておらず、両者の間での通信は不可能である構成となっている。したがって、本発明に係る電力伝送システム１００においては、ΔＶ₂／
ΔＶ₁を把握することができない。

そこで、本発明に係る電力伝送システム１００では、ｄＶ₁／ｄｔを一定量のΔＡとし
て、受電側システムでｄＶ₂／ｄｔに比例する量であるΔＶ２を求めることで、実質的に
ΔＶ₂／ΔＶ₁を把握するようにしている。

すなわち、本発明に係る電力伝送システム１００では、図１１（Ｂ）に示すような、ΔＶ₂と、送電アンテナ１４０・受電アンテナ２１０の位置ずれ量と、さらに最適負荷抵抗
Ｒ_Tとの関係付けたテーブルを利用して、ΔＶ₂から位置ずれ量、及び、実際の電力伝送を行うときの最適負荷抵抗Ｒｃとを求めるようにしている。なお、図１１（Ｂ）では、ΔＶ
₂から位置ずれ量、最適負荷抵抗Ｒｃとをテーブルによって求める例を示しているが、Δ
Ｖ₂から位置ずれ量、最適負荷抵抗Ｒ_Tを求める関数を定めておき、ΔＶ₂に基づいてテー
ブル参照する代わりに、ΔＶ₂を関数に代入して、位置ずれ量、最適負荷抵抗Ｒｃを求め
るようにしてもよい。

本発明に係る電力伝送システム１００においては、受電側整流部２２０から受電側昇降圧部２３０に入力される電流を０とし、受電側整流部２２０から出力される電圧からΔＶ₂を求め、これに基づいて、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０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１００によれば、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０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。

これとは別に、図１０からわかる通り、Ｖ₁をある値にしたときに、位置ずれ量ごとに
Ｖ₂の値が一意に定まることから、送電側システムにおいて、Ｖ₁が一定の値をとる期間を設定し、これを受電側制御部２５０で検知するよう構成することもできる。

次に、受電側制御部２５０における処理について説明する。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受電側制御部２５０における処理のフローチャートを示す図である。

図１２において、ステップＳ４００で処理が開始されると、ステップＳ４０１では、まずスイッチ部２６０をＯＦＦに設定する。

続いて、ステップＳ４０２では、位置ずれ量ｄ導出・目標抵抗値Ｒ_T算出のサブルーチ
ンを実行する。

ここで、位置ずれ量ｄ導出・目標抵抗値Ｒ_T算出のサブルーチンについて図１３を参照
して説明する。

図１３において、ステップＳ５００で処理を開始すると、ステップＳ５０１に進み、ＰＷＭ１をＯＦＦ状態とし、ステップＳ５０２で、ＰＷＭ２をＯＦＦ状態とする。

ステップＳ５０３では、送電側システムの電圧がΔＡで増加しているとき（インバータ部１３０に入力される電圧の増加率が一定であるとき）の、電圧Ｖ₂の変化率ΔＶ₂を取得する。

ステップＳ５０４では、ΔＶ₂に基づいて図１１に示すテーブル（関数）を参照して位
置ずれ量を算出する。

また、ステップＳ５０５では、ΔＶ₂に基づいて図１１に示すテーブル（関数）を参照
することで目標抵抗値Ｒ_Tを算出し、ステップＳ５０６で、元のルーチンにリターンする
。

元のルーチンに戻り、ステップＳ４０３では、受電側システムにおいて、受電側整流部２２０から出力される電圧Ｖ₂、電流Ｉ₂を取得する。

ステップＳ４０４においては、電池２４０の電圧Ｖ_Bを取得し、ステップＳ４０５にお
いては、受電側昇降圧部２３０の抵抗値Ｒ₂をＲ₂＝Ｖ₂／Ｉ₂によって算出する。

ステップＳ４０６では、Ｖ₂＞Ｖ_B？が成立するか否かが判定される。

ステップＳ４０６における判定がＹＥＳであると、ステップＳ４０７に進み、受電側昇降圧部２３０を降圧させて、目標抵抗に制御するサブルーチンを実行する。

ステップＳ４０６における判定がＮＯであると、ステップＳ４０８に進み、受電側昇降圧部２３０を昇圧させて、目標抵抗に制御するサブルーチン
ステップＳ４０９では、受電側の電力Ｗ₂を、Ｗ₂＝Ｖ₂・Ｉ₂によって算出する。

ステップＳ４１０では、得られたｄ，Ｗ₂に基づいて、図５のＵ＝ｆ（ｄ，Ｗ₂）の値を求める。

ステップＳ４１１では、Ｕ＝１？であるか否かが判定される。

ステップＳ４１１における判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ４１２でスイッチ部２６０をＯＦＦとし、ステップＳ４１１における判定がＮＯであるときには、ステップＳ４１３でスイッチ部２６０をＯＮとする。

このように本発明に係る電力伝送システム１００によれば、受電側システムにおける受電側昇降圧部２３０を動作させるか、非動作とするか、をスイッチ部２６０により適切に切り換えることが可能となるので、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

上記のような本発明の効果は、送電側システムが家庭に設けられ、家庭内で使用する電力がホームコントローラー５０で監視されている場合に特に顕著である。より詳しくは、上記のようなホームコントローラー５０で、受電側システムに給電する電力の制限が行われた場合においても、効率的な電力伝送を行うことで、受電側電池への効率的な充電を継続することが可能となる。

次に、図１４を参照して、受電側昇降圧部２３０を降圧させて、目標抵抗に制御するサブルーチンについて説明する。

ステップＳ６００でサブルーチンを開始すると、ステップＳ６０１に進み、ＰＷＭ２をＯＦＦとする。続く、ステップＳ６０２では、現時点におけるＰＷＭ１の駆動Ｄｕｔｙ比Ｄ₁を取得する。

ステップＳ６０３では、ΔＲ_D＝Ｒ₂−Ｒ_Tによって制御誤差ΔＲ_Dを算出する。

ステップＳ６０４では、新しい駆動Ｄｕｔｙ比Ｄ₁をＤ₁＝Ｄ₁−Ｂ_D・ΔＲ_Dによって算
出する。ここで、Ｂ_Dは所定の定数である。

ステップＳ６０５にいては、算出されたＰＷＭ１の駆動Ｄｕｔｙ比を設定し、ステップＳ６０６でリターンし、元のルーチンに戻る。

次に、図１５を参照して、受電側昇降圧部２３０を昇圧させて、目標抵抗に制御するサブルーチンについて説明する。

ステップＳ７００でサブルーチンを開始すると、ステップＳ７０１に進み、ＰＷＭ１をＯＦＦとする。続く、ステップＳ７０２では、現時点におけるＰＷＭ２の駆動Ｄｕｔｙ比Ｄ₂を取得する。

ステップＳ７０３では、ΔＲ_U＝Ｒ₂−Ｒ_Tによって制御誤差ΔＲ_Uを算出する。

ステップＳ７０４では、新しい駆動Ｄｕｔｙ比Ｄ₂をＤ₂＝Ｄ₂−Ｂ_U・ΔＲ_Uによって算
出する。ここで、Ｂ_Uは所定の定数である。

ステップＳ７０５にいては、算出されたＰＷＭ２の駆動Ｄｕｔｙ比を設定し、ステップＳ７０６でリターンし、元のルーチンに戻る。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１６は本発明の他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。なお、先の実施形態と同様の参照番号が付された構成については、同様のもので同様の機能を有するものであるので、説明を省略する。

先の実施形態においては、パラメーターとして整流部出力電力Ｗ₂を用いて関数ｆ（ｄ
，Ｗ₂）の値を参照することで、スイッチ部２６０を切り換えるようにしていたが、図１
６に示す実施形態においては、インバータ部入力電力Ｗ₁を用いて関数ｆ（ｄ，Ｗ₁）の値を参照することで、スイッチ部２６０を切り換えるようにしている。

また、本実施形態においては、送電側制御部１５０には送電側通信部１７０が接続されると共に、受電側制御部２５０には受電側通信部２７０が接続されることで、送電側システムと受電側システムとがデータの送受を行い得るようになっている。この構成により、受電側制御部２５０に対して、インバータ部入力電力Ｗ₁を送信することで、先の実施形
態と同様にスイッチ部２６０の切り換えのための判定を行うことが可能となる。

なお、送電側通信部１７０と受電側通信部２７０との間の通信には無線通信を用いることが好ましい。

また、本実施形態においては、スイッチ部２６０は、受電側整流部２２０の出力が直接電池２４０に入力されるようにするか、受電側整流部２２０の出力が受電側昇降圧部２３０を介して電池２４０に入力されるようにするか、を切り換えるものとなっている。このようなスイッチ部２６０の構成によっても、先の実施形態と同様の役割を担うことができる。

以上のような他の実施形態に係る電力伝送システム１００によっても、受電側システムにおける受電側昇降圧部２３０を動作させるか、非動作とするか、をスイッチ部２６０により適切に切り換えることが可能となるので、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

また、他の実施形態に係る電力伝送システム１００の効果は、送電側システムが家庭に設けられ、家庭内で使用する電力がホームコントローラー５０で監視されている場合に特に顕著である。より詳しくは、上記のようなホームコントローラー５０で、受電側システムに給電する電力の制限が行われた場合においても、効率的な電力伝送を行うことで、受電側電池への効率的な充電を継続することが可能となる。

５０・・・ホームコントローラー
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・・・送電側通信部
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
２６０・・・スイッチ部
２７０・・・受電側通信部

Claims (11)

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、
   前記整流部からの出力、又は、前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、
   前記整流部からの出力を前記電池に充電するか、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電するか、を切り換えるスイッチ部と、
   前記整流部から出力される電圧及び電流を検出することで、前記整流部から出力される整流部出力電力を検出する受電側検出部と、
   前記電池への充電を制御する受電側制御部と、からなり、
   前記受電側制御部は、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量と、前記受電側検出部で検出される整流部出力電力とに基づいて、前記スイッチ部を切り換えることで、前記電池への充電を制御することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記位置ずれ量が大きくなるに連れて、前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくな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. 前記整流部出力電力が大きくなるに連れて、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくな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。
4. 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、
   前記インバータ部に入力される電圧及び電流を検出することで、前記インバータ部に入力されるインバータ部入力電力を検出する送電側検出部と、
   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、
   前記整流部からの出力、又は、前記昇降圧部からの出力が充電される電池と、
   前記整流部からの出力を前記電池に充電するか、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電するか、を切り換えるスイッチ部と、
   前記整流部から出力される電圧及び電流を検出する受電側検出部と、
   前記電池への充電を制御する受電側制御部と、からなり、
   前記受電側制御部は、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量と、前記送電側検出部で検出されるインバータ部入力電力とに基づいて、前記スイッチ部を切り換えることで、前記電池への充電を制御することを特徴とする電力伝送システム。
5. 前記位置ずれ量が大きくなるに連れて、前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくなることを特徴とする請求項４に記載の電力伝送システム。
6. 前記インバータ部入力電力が大きくなるに連れて、前記昇降圧部からの出力を前記電池に充電する傾向より前記整流部からの出力を前記電池に充電する傾向が大きくなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電力伝送システム。
7. 前記送電側検出部で検出されるインバータ部入力電力を、前記受電側制御部に通知する通信部を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
8. 前記通信部では無線通信が用いられることを特徴とする請求項７に記載の電力伝送システム。
9. 前記受電側制御部は、前記受電側検出部で検出される電圧に基づいて、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
10. 前記受電側制御部が、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出する際には、前記送電側制御部は、前記インバータ部に入力される電圧の増加率が一定となるように制御していることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
11. 前記受電側制御部が、前記送電アンテナと前記受電アンテナと間の位置ずれ量を算出する際には、前記送電側制御部は、前記インバータ部に入力される電圧が一定となるような期間を持つように制御していることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力伝送システム。

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