JP2015220817A - 直流電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく負荷（二次電池）への電力供給における定電流制御若しくは定電圧制御を可能にする。【解決手段】送電装置２の高周波電源２１から出力される高周波電力を磁界結合した送電部２３と受電部３１によって無線で受電装置３に伝送し、整流回路３２で直流電力に変換してバッテリ３４を充電する。電圧・電流検出器３３でバッテリ３４の電池電圧Ｖjと充電電流Ｉjを検出し、通信ユニット２５，３５で制御部２４にフィードバックする。制御部２４は、出力制御信号ＳC（出力電力の目標値）により高周波電源２１の出力電力量を制御する。制御部２４は、バッテリ３４を定電流充電するときは定電流値ＩCjの出力制御信号ＳCを生成し、バッテリ３４を定電圧充電するときは定電圧値ＶCjの出力制御信号ＳCを生成して高周波電源２１に出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を発生し、その交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する直流電力供給装置に関する。

交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するシステムとして、二次電池を充電するために当該二次電池に直流電力を供給する充電システムが知られている。そして、電気自動車や産業用機器、携帯用電子機器等に内蔵された二次電池を充電する充電システムとして、送電装置と受電装置との間を一対のコイルで磁界結合し、送電装置で発生した交流電力を磁界結合した一対のコイルで受電装置に伝送するワイヤレス電力伝送技術を用いたワイヤレス充電システムが知られている。

ワイヤレス充電システムでは、受電装置に内蔵された二次電池がリチウム・イオン電池等の定電流定電圧充電方式で充電される二次電池の場合、例えば、特開２０１３−７０５８１号公報に示されるように、受電装置内に整流器、定電圧制御器、充電器を設け、整流器で交流電力を直流電力に変換した後、定電圧制御器でその直流電力を所定の定電圧で充電器に出力し、充電器で定電流定電圧充電方式により二次電池を充電する構成が知られている。定電流定電圧充電方式は、定電流で二次電池の充電を開始し、二次電池の電池電圧が所定の電圧に上昇すると、定電圧で充電電流が所定の電流値に低下するまで二次電池の充電を行う方式である。

従来、一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータを用い、二次電池の充電状態に応じてＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング制御を切り換えて定電流定電圧充電方式により二次電池を充電する構成が採用されている。

特開２０１３−７０５８１号公報 特許第５４３１０３３号公報

従来の構成では、二次電池の充電を定電流充電若しくは定電圧充電で制御するために、二次電池の前段にＤＣ−ＤＣコンバータ等の充電制御機器を設けているので、充電装置内の直流電力変換後の回路構成が複雑になり、充電装置の小型化やコスト低減の障害になるという問題がある。

特に、ワイヤレス充電システムでは、受電装置側にＤＣ−ＤＣコンバータ等の充電制御機器が設けられるので、受電装置の大型化やコスト増を招くことになる。特に、携帯電話や携帯端末等の小型機器については、充電システムの小型化、コスト低減が求められる昨今、このような大型化やコスト増は重要に課題である。

上記の問題は、充電システムだけでなく、交流電力を直流電力に変換した後、その直流電力を定電流制御若しくは定電圧制御によって負荷に供給する直流電力供給装置に対しても同様に言えることである。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、負荷の前段にＤＣ−ＤＣコンバータ等の直流電力の供給を制御する制御機器を設けることなく、定電流方式若しくは定電圧方式により直流電力の供給を制御することができる直流電力供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係る直流電力供給装置は、交流電力を出力する電力発生手段と、制御目標値が設定され、前記電力発生手段の出力電力に関する所定の情報が当該制御目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する制御手段と、前記交流電力を直流電力に変換し、負荷に供給する電力変換手段と、前記電力発生手段と前記電力変換手段の間に設けられ、前記電力発生手段の出力端における反射波電力が所定値以下となるように、前記出力端から前記負荷側を見たインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、を備えた直流電力供給装置であって、前記負荷に供給される直流電力に関する電気的な物理量を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された物理量が所定の値となるように、前記制御手段に設定される前記制御目標値を制御する制御目標値制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。

好ましい実施形態によれば、請求項１に記載の直流電力供給装置において、前記制御目標値制御手段は、前記検出手段で検出された電気的な物理量と前記負荷に設定されている電気的な物理量との差分を算出し、その差分に基づいて前記制御目標値を設定する（請求項２）。

好ましい実施形態によれば、請求項１又は２に記載の直流電力供給装置において、前記電気的な物理量は、前記負荷に供給される直流電流又は直流電圧である（請求項３）。

好ましい実施形態によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置において、前記制御目標値は、前記出力端における進行波電力の目標値であり、前記進行波電力を検出する電力検出手段を備え、前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された進行波電力が前記進行波電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する（請求項４）。

好ましい実施形態によれば、請求項４に記載の直流電力供給装置において、前記出力端における反射波電力を検出する反射波電力検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記反射波電力検出手段で検出された反射波電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する（請求項５）。

好ましい実施形態によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置において、前記制御目標値は、前記出力端における進行波電力から反射波電力を差し引いた前記負荷への供給電力の目標値であり、前記進行波電力と前記反射波電力を検出する電力検出手段を備え、前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された進行波電力及び反射波電力から前記供給電力を算出し、その算出値が前記供給電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する（請求項６）。

好ましい実施形態によれば、請求項６に記載の直流電力供給装置において、前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された反射波電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する（請求項７）。

好ましい実施形態によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置において、前記制御目標値は、前記電力発生手段から出力される有効電力の目標値であり、前記有効電力を検出する有効電力検出手段を備え、前記制御手段は、前記有効電力検出手段で検出された有効電力が前記有効電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する（請求項８）。

好ましい実施形態によれば、請求項８に記載の直流電力供給装置において、記電力発生手段から出力される無効電力を検出する無効電力検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記無効電力検出手段で検出された無効電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する（請求項９）。

好ましい実施形態によれば、請求項８又は９に記載の直流電力供給装置において、前記有効電力検出手段と前記無効電力検出手段は、前記出力端における交流電圧、交流電流及び当該交流電圧と当該交流電流の位相差を検出する交流情報検出手段と、前記交流情報検出手段で検出された交流電圧、交流電流及び位相差を用いて所定の演算式により前記有効電力及び前記無効電力を演算する演算手段と、で構成される（請求項１０）。

好ましい実施形態によれば、請求項１乃至１０のいずれかに記載の直流電力供給装置において、前記インピーダンス調整手段と前記電力変換手段との間に互いに磁界結合された一対のコイルが設けられ、前記電力発生手段から出力された前記交流電力が前記一対のコイルを介して無線で前記電力変換手段に伝送される（請求項１１）。

好ましい実施形態によれば、請求項１乃至１１のいずれかに記載の直流電力供給装置において、前記負荷は、二次電池である（請求項１２）。

本発明に係る直流電力供給装置によれば、負荷に供給される直流電力に関する電気的な物理量（直流電圧若しくは直流電流）を検出し、その物理量が所定の値（定電流制御の場合の定電流値や定電圧制御の場合の定電圧値等）となるように、制御手段に設定される制御目標値が制御されるので（すなわち、電力発生手段の出力制御の目標値が制御されるので）、電力変換手段と負荷との間に、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の当該負荷に供給される電気的な物理量を所定の値に制御する手段（定電流制御手段や定電圧手段等）を設ける必要がなくなる。従って、直流電力供給装置の構成の簡素化やコスト低減が可能になる。

また、インピーダンス調整手段と電力変換手段との間を一対のコイルで磁界結合し、電力発生手段の出力電力を無線で負荷を含む受電装置に伝送する場合、受電装置側の回路構成が簡単になり、受電装置の小型化や低コスト化が可能になる。

本発明に係る充電装置（直流電力供給装置）の構成例を示すブロック図である。 リチウム・イオン電池の充電特性を示す図である。 非接触電力伝送システムの送電部から負荷側の部分の等価回路を示す図である。 結合係数の変化とスミスチャート上での負荷側インピーダンスの変化の関係を示した図である。 制御部の高周波電源の出力電力を制御する制御系の構成を示すブロック図である。 制御部による出力制御の処理手順を示すフローチャートである。 制御部の高周波電源の出力電力を制御する制御系の構成の変形例を示すブロック図である。 制御部の高周波電源の出力電力を制御する制御系の構成の他の変形例を示すブロック図である。 高周波電源の構成の変形例を示す図である。 図９に示す高周波電源を用いた場合の制御部の高周波電源の出力電力を制御する制御系の構成を示すブロック図である。 本発明に係る充電装置（直流電力供給装置）の変形例の構成を示すブロック図である。

本発明に係る直流電力供給装置の実施形態として、電気自動車等に内蔵された二次電池を充電する充電装置を例に説明する。図１は、本発明に係る充電装置（直流電力供給装置）の構成例を示すブロック図である。

図１に示す充電装置は、非接触電力伝送システム１を利用して受電装置３内の二次電池３４（充電式電池。以下、「バッテリ３４」という。）を充電する構成である。非接触電力伝送システム１は、磁界共鳴方式により送電装置２から受電装置３に数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波電力を非接触で伝送するシステムである。図１のブロック構成では、バッテリ３４を除いた部分が充電装置の構成となる。

バッテリ３４を非接触で充電する非接触電力伝送システム１として、電気自動車に搭載されたバッテリを充電する充電システムが周知である。以下の説明では、電気自動車の充電システムを例に説明する。

送電装置２は、高周波電源２１、インピーダンス整合器２２、送電部２３、制御部２４及び通信ユニット２５を含み、受電装置３は、受電部３１、整流回路３２、電圧・電流検出器３３、バッテリ３４及び通信ユニット３５を含む。

高周波電源２１は、所定の周波数（数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波）の高周波電力を発生する。高周波電源２１は、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、パワーアンプから出力される高周波信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、パワーアンプから出力される高周波電力の電力量を制御する電力制御部を含む。また、高周波電源２１の出力端Ａには進行波電力Ｐ_fと反射波電力Ｐ_rを検出する電力検出器２１１が含まれる。

パワーアンプは、例えば、Ｄ級アンプやＥ級アンプで構成することができ、高周波信号発生回路から入力される高周波信号によってスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、高周波信号と同一の周期を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータから入力される直流電圧に依存した振幅の高周波信号を生成する。この高周波信号はローパスフィルタで高周波成分が除去されることにより正弦波の高周波信号に整形されて出力される。

電力制御部は、制御部２４から入力される出力制御信号Ｓ_Cに基づいてＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の振幅を制御し、これによりパワーアンプから出力される高周波信号の増幅量（すなわち、高周波電力の電力量）を制御する。

電力検出器２１１は、例えば、双方向性結合器と、その双方向性結合器から出力される進行波電圧ｖ_fと反射波電圧ｖ_rを検出する一対の電圧計と、進行波電圧ｖ_fと反射波電圧ｖ_rをそれぞれ進行波電力Ｐ_fと反射波電力Ｐ_rに変換する変換器とで構成される。電力検出器２１１で検出された進行波電力Ｐ_fと反射波電力Ｐ_rは制御部２４に入力される。

インピーダンス整合器２２は、高周波電源２１の出力端Ａから負荷側を見たインピーダンスＺ_A（以下、「負荷側インピーダンスＺ_A」）を調整する。インピーダンス整合器２２は、例えば、第１のキャパシタＣ₁（図示省略）、インダクタＬ₁（図示省略）、及び第２のキャパシタＣ₂（図示省略）をπ型に接続したπ型回路で構成される。高周波電源２１は、特性インピーダンスＺ_o（例えば、５０［Ω］）の負荷が接続された場合に最適な伝送効率で高周波電力を出力するように設計されている。インピーダンス整合器２２は、制御部２４からの整合制御信号Ｓ_Sに基づいて、負荷側インピーダンスＺ_Aが特性インピーダンスＺ_oとなるように、第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の各キャパシタンスを調整する。制御部２４は、電力検出器２１１から入力される反射波電力Ｐ_rをモニタしながら、第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の各キャパシタンスを変化させ、反射波電力Ｐ_rが所定値以下となるキャパシタンス値に設定する。

送電部２３は、インピーダンス整合器２２から出力される高周波電力を受電装置３の受電部３１に無線で伝送する。送電部２３は、例えば、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ２３１（以下、「送電用コイル２３１」と表現する場合がある。）とそのインダクタ２３１に直列に接続されたキャパシタ２３２との直列共振回路で構成される。送電部２３は、直列共振回路の直列共振周波数ｆ_o（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタ２３１の自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタ２３２のキャパシタンス）が高周波電源２１から出力される高周波電力の周波数ｆ_g（以下、「電源周波数ｆ_g」という。）［ＭＨｚ］に調整されている。

制御部２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部２４は、高周波電源２１に対してＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力制御信号Ｓ_Cを出力し、高周波電源２１から出力される高周波電力を制御する。

本実施形態では、バッテリ３４は、一般に電気自動車に搭載されるリチウム・イオン電池である。リチウム・イオン電池は、定電流で充電を開始し、電池電圧が所定の電圧に上昇すると、定電圧に切り換えて充電電流が所定の電流に低下するまで充電を行う定電流定電圧充電方式の二次電池である。制御部２４は、定電流定電圧充電方式によるバッテリ３４の充電プロセスにおける定電流充電制御と定電圧充電制御を高周波電源２１から出力される高周波電力（出力電力）を制御する（正確には出力電力のフィードバック制御における制御目標値を制御する）ことによって実現する構成に特徴を有する。この制御内容の詳細は後述する。

通信ユニット２５は、受信装置３内に設けられた通信ユニット３５と無線通信を行って、受電装置３から電圧・電流検出器３３で検出されたバッテリ３４の充電電流Ｉ_jと電池電圧Ｖ_jの検出データを受信する。通信ユニット２５は、受信回路、周波数変換回路及び復調回路を含み、受信回路で通信ユニット３５から送信される無線通信信号を受信し、周波数変換回路でその無線通信信号の周波数を所定の低周波に変換した後、復調回路で充電電流Ｉ_jと電池電圧Ｖ_jの検出データを復調する。通信ユニット２５で受信された充電電流Ｉ_jと電池電圧Ｖ_jの検出データは制御部２４に入力される。

受電部３１は、送電装置２の送電部２３との間で磁界結合をして当該送電部２３から高周波電力を受電する。受電部３１は、送電部２３と同一の構成を有し、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ３１１（以下、「受電用コイル３１１」と表現する場合がある。）とそのインダクタ３１１に直列に接続されたキャパシタ３１２との直列共振回路で構成される。受電部３１も、直列共振回路の直列共振周波数ｆ_o（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタ３１１の自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタ３１２のキャパシタンス）が電源周波数ｆ_g［ＭＨｚ］に調整されている。

整流回路３２は、受電部３１から出力される高周波信号を整流する。整流回路３２は、例えば、４個の整流素子をブリッジ接続したブリッジ回路で構成される。４個の整流素子にはショットキーバリアーダイオードが用いられる。なお、整流素子には素子内部に並列にキャパシタが形成され、ＨＦ帯では、このキャパシタを通して進相の高周波電流が流れるので、この進相の高周波電流をキャンセルするために整流回路の入力端にインダクタを並列に接続するとよい。

電圧・電流検出器３３は、直流電圧計と直流電流計を含み、直流電圧計で整流回路３２からバッテリ３４に印加される直流電圧（電池電圧）Ｖ_jを計測し、直流電流計で整流回路３２からバッテリ３４に供給される直流電流（充電電流Ｉ_j）を計測する。電圧・電流検出器３３で検出された電池電圧Ｖ_jと充電電流Ｉ_jは、通信ユニット３５，２５を介して送電装置２内の制御部２４に入力される。

バッテリ３４は、充電により電池として繰り返し使用可能な二次電池で、ニッケル水素電池、ニッカド電池、リチウム・イオン電池等が含まれるが、本実施形態では、図２に示す充電特性を有するリチウム・イオン電池である。

通信ユニット３５は、送電装置２内に設けられた通信ユニット２５と無線通信を行って、電圧・電流検出器３３で検出されたバッテリ３４の充電電流Ｉ_jと電池電圧Ｖ_jの検出データを送電装置２に送信する。通信ユニット３５は、キャリア発生回路、変調信号生成回路、変調回路及び送信回路を変調信号生成回路で充電電流Ｉ_j及び電池電圧Ｖ_jの情報を含む変調信号を生成し、キャリア発生回路で発生したキャリア信号を所定の変調方式により変調信号で変調して通信用信号を生成し、送信回路でその通信用信号を増幅した後、アンテナを介して空中に放射する（通信ユニット２５に送信する）。

次に、送電装置２から受電装置３に高周波電力を非接触で伝送する場合の受電装置３の配置とインピーダンス整合器２２の制御について説明する。

バッテリ３４は、リチウム・イオン電池であるから、バッテリ３４のインピーダンスを抵抗成分だけとすると、受電部３１の出力端Ｃから負荷３２側を見たインピーダンスＺ_C＝Ｒ_C＋ｊ・Ｘ_CをＺ_C≒Ｒ_Cと扱うことができる。

送電部２３のインダクタ２３１と受電部３１のインダクタ３１１が相互インダクタンスＭ［Ｈ］で結合されている場合、送電部２３からバッテリ３４までの回路（図３（ａ）の回路）の等価回路は、図３（ｂ）に示すように、結合部分の回路をトランスのＴ型等価回路に置き換えた回路で表わすことができる。

図３（ｂ）に示す等価回路では、送電部２３の入力端Ｂから受電装置３側を見たインピーダンスＺ_B（以下、「負荷側インピーダンスＺ_B」という。）は、
Ｚ_B＝Ｚ₁＋Ｚ₂・Ｚ₃／（Ｚ₂＋Ｚ₃） …（１）
Ｚ₁＝ｊ・ω・（Ｌ−Ｍ）＋１／（ｊ・ω・Ｃ） …（２）
Ｚ₂＝Ｒ_C＋Ｚ₁＝Ｒ_C＋ｊ・ω・（Ｌ−Ｍ）＋１／（ｊ・ω・Ｃ） …（３）
Ｚ₃＝ｊ・ω・Ｍ …（４）
ω＝２・π・ｆ
で表わされる。

送電部２３及び受電部３１が磁界共鳴状態の場合（送電部２３及び受電部３１の直列共振回路が電源周波数ｆ_gで直列共振している場合）は、ｊ・ω_g・Ｌ−１／ｊ・ω_g・Ｃ＝０（但し、ω_g＝２・π・ｆ_g）であり、インダクタ２３１とインダクタ３１１の結合係数ｋは、ｋ＝Ｍ／√（Ｌ・Ｌ）＝Ｍ／Ｌで表わされるから、これらを（１）式〜（４）式に入れると、負荷側インピーダンスＺ_B＝Ｒ_B＋ｊ・Ｘ_Bは、
Ｚ_B＝Ｒ_B＝（ω_g・ｋ・Ｌ）²／Ｒ_C …（５）
で表わされる。

（５）式は、送電部２３と受電部３１がインピーダンスＲ_Cを他の抵抗値Ｒ_Bに変換するインピーダンス変換器として動作することを示している。そして、抵抗値Ｒ_Bは、送電部２３と受電部３１の磁界結合の度合いを表す結合係数ｋ（０＜ｋ＜１）と抵抗値Ｒ_Cによって変化する。

相互インダクタンスＭは、送電用コイル２３１と受電用コイル３１１を鎖交する磁束によって変化し、その磁束は、送電用コイル２３１と受電用コイル３１１との間の距離ｄが小さくなるほど大きくなる。従って、相互インダクタンスＭは、当該距離ｄが小さくなるのに応じて増大するように変化し、ｋ＝Ｍ／Ｌであるから、結合係数ｋも当該距離ｄが小さくなるのに応じて増大するように変化する。

抵抗値Ｒ_Cが固定の場合は、負荷側インピーダンスＺ_B＝Ｒ_Bを特性インピーダンスＺ_oで正規化した正規化インピーダンスｒ_B＝Ｒ_B／Ｚ_oは、図４に示すように、結合係数ｋの変化に応じてスミスチャート（インピーダンスチャート）の実軸上若しくは実軸の近傍を実軸に沿って変化する。

スミスチャートの実軸は電圧反射係数Γを表す軸で、中央の正規化インピーダンスが「１」となる点Ｏ₁はΓ＝０（整合）となる点、右端の正規化インピーダンスが「∞」となる点Ｏ₂はΓ＝＋１（全反射）となる点、左端の正規化インピーダンスが「０」となる点Ｏ₃はΓ＝−１（全反射）となる点である。

従って、非接触電力伝送システム１では、送電用コイル２３１と受電用コイル３１１との間の距離ｄが、可及的に正規化インピーダンスｒ_Bが１．０となる距離ｄ_oとなるように、送電装置２に対する受電装置３の位置（電気自動車の場合、電気自動車の駐車位置）を調整して、送電装置２から受電装置３に高周波電力が伝送される。

バッテリ３４がリチウム・イオン電池の場合、図２に示したように、充電開始から充電終了までの間の電池電圧Ｖ_jの変動量は少ないが、充電電流Ｉ_jの変動量が非常に大きいので、充電期間中のバッテリ３４のインピーダンス（Ｖ_j／Ｉ_j）が大きく変動する。従って、充電期間中にインピーダンスＺ_C＝Ｒ_Cも大きく変動し、この変動に応じて負荷側インピーダンスＺ_B＝Ｒ_Bが変動するので、制御部２４は、電力検出器２１１から入力される反射波電力Ｐ_rをモニタしながら、第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の各キャパシタンスを変化させる整合制御信号Ｓ_Sをインピーダンス整合器２２に出力し、反射波電力Ｐ_rが所定値以下となるように（正規化インピーダンスｒ_Bが１．０の近傍位置となるように）、第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の各キャパシタンスを整定する。

制御部２４によるインピーダンス整合器２２のインピーダンス整合動作により、送電装置２から受電装置３に高周波電力が非接触で効率良く伝送され、受電装置３ではその高周波電力を直流電力に変換してバッテリ３４の充電が行われる。

次に、制御部２４のフィードバック制御による高周波電源２１の出力制御（出力電力の制御目標値の制御）について、説明する。

図５は、制御部２４の高周波電源２１の出力電力を制御する制御系の構成を示すブロック図である。図５で、図１に示した部材と同一の部材には同一の符号を付している。

図５に示す制御系は、フィードバック制御により出力制御信号Ｓ_C（高周波電源２１の出力電力の制御目標値）を所定の周期で更新する制御系である。制御系は、３個の加算器２４１，２４２，２４６と、３個の誤差増幅部２４３，２４４，２４７と、制御切換部２４５と、出力停止制御部２４８とを含む。

本実施形態では、高周波電源２１の出力電力量を制御することによってバッテリ３４の定電流充電と定電圧充電の両制御を行うので、制御部２４には、定電流充電制御に基づいて出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理回路と定電圧充電制御に基づいて出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理回路とが設けられている。加算器２４１及び誤差増幅部２４３は、定電圧充電制御に基づいて出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理回路であり、加算器２４２及び誤差増幅部２４４は、定電流充電制御に基づいて出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理回路である。

バッテリ３４は、定電流定電圧充電方式により充電が行われるリチウム・イオン電池であるので、図２に示すように、充電開始からバッテリ３４の電圧Ｖ_jが所定の電圧Ｖ_thに上昇するまでは定電流充電制御が行われ、電圧Ｖ_jが電圧Ｖ_thに上昇した後は充電電流Ｉ_jが最低充電電流Ｉ_jminに低下するまで定電圧充電制御が行われる。

制御部２４には、ユーザによってバッテリ３４の定電流充電制御における定電流値I_Cjと、定電圧充電制御における定電圧値Ｖ_Cjと、最低充電電流Ｉ_jminと、電圧Ｖ_thが設定される。加算器２４１は、充電電圧制御における定電圧Ｖ_Cjと電圧・電流検出器３３で検出された電池電圧Ｖ_jの差電圧ΔＶ_j（＝Ｖ_Cj−Ｖ_j）を演算し、誤差増幅部２４３はその差電圧ΔＶ_jに所定のフィードバックゲインを乗じて高周波電源２１の出力電力の制御目標値Ｐ_CVを生成する処理を行う。

一方、加算器２４２は、充電電流制御における定電流Ｉ_Cjと電圧・電流検出器３３で検出された充電電流Ｉ_jの差電流ΔＩ_j（＝Ｉ_Cj−Ｉ_j）を演算し、誤差増幅部２４４はその差電流ΔＩ_jに所定のフィードバックゲインを乗じて高周波電源２１の出力電力の制御目標値Ｐ_CIを生成する処理を行う。

制御切換部２４５は、定電圧充電制御と定電流充電制御を切り換える処理を行うもので、具体的には、加算器２４６に出力する、差電圧ΔＶ_jに基づく制御目標値Ｐ_CVと差電流ΔＩ_jに基づく制御目標値Ｐ_CIとを切り換える制御を行う。制御切換部２４５には、ユーザによって設定された電圧Ｖ_th（定電流充電制御を定電圧充電制御に切り換える電池電圧Ｖ_jの閾値）と電圧・電流検出器３３で検出された電池電圧Ｖ_jとが入力され、制御切換部２４５は、電池電圧Ｖ_jと電圧Ｖ_thを比較し、Ｖ_j＜Ｖ_thであれば、制御目標値Ｐ_CIを加算器２４６に出力し、Ｖ_th≦Ｖ_jであれば、制御目標値Ｐ_CVを加算器２４６に出力する。

加算器２４６と誤差増幅部２４７は、制御目標値Ｐ_CV又は制御目標値Ｐ_CIと電力検出器２１１で検出された進行波電力Ｐ_fとの差電力ΔＰ_fに基づいて出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理回路である。加算器２４６には、電力検出器２１１で検出された進行波電力Ｐ_fが入力され、加算器２４６はその進行波電力Ｐ_fと制御切換部２４５から入力される制御目標値Ｐ_CV又は制御目標値Ｐ_CIとの差電力ΔＰ_f（＝Ｐ_CV−Ｐ_f又はＰ_CI−Ｐ_f）を演算する。また、誤差増幅部２４７は、その差電力ΔＰ_fに所定のフィードバックゲインを乗じて高周波電源２１への出力制御信号Ｓ_Cを生成する処理を行う。

出力停止制御部２４８は、高周波電源２１の電力出力を停止させる（バッテリ３４の充電を停止する）処理を行う。出力停止制御部２４８は、定電圧充電制御でバッテリ３４の充電電流Ｉ_jが最低充電電流Ｉ_jminに低下すると、充電完了と見做して高周波電源２１の電力出力を停止させる。また、電力検出器２１１による反射波電力Ｐ_rの検出値がユーザによって予め設定された閾値Ｐ_rthを超える場合も反射波電力により高周波電源２１の損失が増加したり、高周波電源２１とインピーダンス整合器２２間の無効電力が増加したりするため、高周波電源２１の電力出力を停止させる。

出力停止制御部２４８には、ユーザによって設定された反射波電力の閾値Ｐ_rth及び最低充電電流Ｉ_jminと、電圧・電流検出器３３による充電電流Ｉ_jの検出値と、電力検出器２１１による反射電力Ｐ_rの検出値が入力される。出力停止制御部２４８は、反射電力Ｐ_rの検出値と閾値Ｐ_rthを比較し、Ｐ_rth＜Ｐ_rであれば、出力停止信号Ｓ_stopを誤差増幅器２４３，２４４に出力する。また、出力停止制御部２４８は、充電電流Ｉ_jの検出値と最低充電電流Ｉ_jminを比較し、Ｉ_j＝Ｉ_jminになると、出力停止信号Ｓ_stopを誤差増幅器２４３，２４４に出力する。

誤差増幅器２４３，２４４は、出力停止信号Ｓ_stopが入力されると、フィードバックゲインをゼロにして出力電力の制御目標値Ｐ_CV，Ｐ_CIをゼロにする。これにより、誤差増幅部２４７から出力電力をゼロにする出力制御信号Ｓ_Cが高周波電源２１に出力されるので、高周波電源２１の出力電力が強制的にゼロとなるように制御される。

次に、制御部２４の出力制御の処理手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。以下の説明では、バッテリ３４の残容量が「充電要」となったので、電気自動車が所定の充電位置に駐車され、受電装置３から送電装置２への電力供給の要求に基づいて制御部２４が高周波電源２１の出力を制御する場合について説明する。なお、受電装置３から送電装置２への電力供給の要求は、例えば、通信ユニット２５，３５を用いた無線による通信によって行うことができる。

制御部２４は、受電装置３からの電力供給の要求に基づいて高周波電源２１に対する高周波電力の出力制御を開始すると、まず、インピーダンス整合器２２への整合制御信号Ｓ_Sの出力処理(Ｓ１〜Ｓ４)を行う。

整合制御信号Ｓ_Sの出力処理では、制御部２４は、電力検出器２１１の反射波電力Ｐ_rの検出値を読み込み（Ｓ１）、その反射波電力Ｐ_rが予め設定された閾Ｐ_rth以下であるか否かを判定する（Ｓ２）。制御部２４は、Ｐ_rth＜Ｐ_rであれば（Ｓ２：ＮＯ）、インピーダンス整合器２２の第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の全ての調整値について整合制御信号Ｓ_Sをインピーダンス整合器２２に出力したか否かを判定し（Ｓ３）、未だ調整値が残っていれば（Ｓ３：ＮＯ）、制御部２４は、現在の第１，第２のキャパシタＣ₁，Ｃ₂の調整値を所定のステップで変化させ、その変化させた調整値を内容とする整合制御信号Ｓ_Sをインピーダンス整合器２２に出力した後（Ｓ４）、ステップＳ５に移行して高周波電源２１への出力制御信号Ｓ_Cの出力処理を行う。

一方、ステップＳ３で全ての調整値についてインピーダンス整合器２２に整合制御信号Ｓ_Sを出力していれば（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部２４は、負荷インピーダンスＺ_Lはインピーダンス整合の調整範囲外であるとして、ステップＳ１１に移行し、出力停止処理を行って出力制御処理を終了する。

制御部２４は、ステップＳ１１に移行すると、出力電力の制御目標値Ｐ_Cが「０」の出力制御信号Ｓ_Cを生成して高周波電源２１に出力する。高周波電源２１は、この出力制御信号Ｓ_Cに基づいて高周波電力の生成動作をするが、制御目標値Ｐ_Cが「０」であるので、高周波電源２１は、実質的に高周波電力の生成動作をしない。

ステップＳ２でＰ_r≦Ｐ_rthであれば（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部２４は、ステップＳ５に移行して高周波電源２１への出力制御信号Ｓ_Cの出力処理を行う。

制御部２４は、ステップＳ５に移行すると、電圧・電流検出器３３で検出された電池電圧Ｖ_jと充電電流Ｉ_jを読み込み、電池電圧Ｖ_jが予め設定された電圧Ｖ_th以上であるか否かを判別する（Ｓ６）。制御部２４は、Ｖ_j＜Ｖ_thであれば（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ８に移行して定電流充電制御を行い（Ｓ８，Ｓ１０）、Ｖ_th≦Ｖ_jであれば（Ｓ６：ＹＥＳ）、電圧・電流検出器３３で検出された充電電流Ｉ_jと予め設定された最低充電電流Ｉ_jminを比較し（Ｓ７）、Ｉ_jmin＜Ｉ_jであれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、ステップＳ９に移行して定電圧充電制御を行う（Ｓ９，Ｓ１０）。

通常、バッテリ３４が満充電状態でなければ、出力制御の開始後の最初のステップＳ６の処理ではＶ_j＜Ｖ_thとなるので、制御部２４は、ステップＳ８に移行して最初に定電流充電制御で受電装置３への高周波電力の供給を制御し（バッテリ３４を定電流制御で充電し）、この定電流充電制御で電池電圧Ｖ_jが閾値Ｖ_thに上昇すると（Ｓ６：ＹＥＳ）、定電圧充電制御に切り換えて受電装置３への高周波電力の供給を制御する（バッテリ３４を定電圧制御で充電する）。

定電流充電制御では、制御部２４は、予め設定された定電流Ｉ_Cjと電圧・電流検出器３３で検出された充電電流Ｉ_jの差電流ΔＩ_j（＝Ｉ_Cj−Ｉ_j）を算出し（Ｓ８）、その差電流ΔＩ_jに所定のフィードバックゲインを乗じて制御目標値Ｐ_CIを生成した後、更にその制御目標値Ｐ_CIと電力検出器２１１で検出された進行波電力Ｐ_fとの差電力ΔＰ_f（＝Ｐ_CI−Ｐ_f）を算出し、その差電力ΔＰ_fに所定のフィードバックゲインを乗じて出力制御信号Ｓ_Cを生成する（Ｓ１０）。

出力制御信号Ｓ_Cは、高周波電源２１に出力され、高周波電源２１は、その出力制御信号Ｓ_Cに基づいて高周波電力を生成し、受電装置３側に出力する。高周波電源２１から出力される高周波電力は、進行波電力Ｐ_fに相当するので、受電装置３にはその進行波電力Ｐ_fから反射波電力Ｐ_rを差し引いた電力Ｐ_L（＝Ｐ_f−Ｐ_r）が供給される。

制御部２４は、定電流充電制御の処理をインピーダンス整合処理と並行して行う（Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１〜Ｓ６のループ処理）。バッテリ３４が定電流充電制御によって充電が行われる定電流充電期間では、図２に示すように、電池電圧Ｖ_jの変化幅（充電開始時の電池電圧Ｖ_jから閾値Ｖ_thまで変化幅）は小さく、負荷側インピーダンスＺ_Bの変動幅も小さい。従って、定電流充電期間では、負荷インピーダンスＺ_Lがインピーダンス整合の調整範囲外となって制御部２４が出力停止処理に移行（ステップＳ３からＳ１１への移行）し、定電流充電処理を中止することはない。

定電流充電制御で電池電圧Ｖ_jが閾値Ｖ_thに上昇すると（Ｓ６：ＹＥＳ）、制御部２４は、ステップＳ７の判定処理を行うが、この時には充電電流Ｉ_jはＩ_jmin＜Ｉ_jであるので、制御部２４は、ステップＳ９に移行し、定電圧充電制御に切り換えて高周波電源２１の出力電力の制御を行う。

定電圧充電制御では、制御部２４は、予め設定された定電圧Ｖ_Cjと電圧・電流検出器３３で検出された電池電圧Ｖ_jの差電圧ΔＶ_j（＝Ｖ_Cj−Ｖ_j）を算出し（Ｓ９）、その差電圧ΔＶ_jに所定のフィードバックゲインを乗じて制御目標値Ｐ_CVを生成した後、更にその制御目標値Ｐ_CVと電力検出器２１１で検出された進行波電力Ｐ_fとの差電力ΔＰ_f（＝Ｐ_CV−Ｐ_f）を算出し、その差電力ΔＰ_fに所定のフィードバックゲインを乗じて出力制御信号Ｓ_Cを生成する（Ｓ１０）。出力制御信号Ｓ_Cは、高周波電源２１に出力され、高周波電源２１は、その出力制御信号Ｓ_Cに基づいて高周波電力を生成し、受電装置３側に出力する。

制御部２４は、定電圧充電制御の処理もインピーダンス整合処理と並行して行う（Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１〜Ｓ７のループ処理）。バッテリ３４が定電圧電制御によって充電が行われる定電圧充電期間では、図２に示すように、充電電流Ｉ_jが定電圧充電制御の開始時の電流値から最低充電電流Ｉ_jminまで数百分の１に大きく変動するので、負荷側インピーダンスＺ_Bが大きく変動する。このため、定電圧充電期間では、負荷インピーダンスＺ_Lがインピーダンス整合の調整範囲外となる場合がある。制御部２４は、定電圧充電処理中に負荷インピーダンスＺ_Lがインピーダンス整合の調整範囲外になると（Ｓ３：ＹＥＳ）、出力停止処理（Ｓ１１）に移行し、定電圧充電処理を中止する。

定電圧充電処理中に、負荷インピーダンスＺ_Lがインピーダンス整合の調整範囲外になることがなく、充電電流Ｉ_jが最低充電電流Ｉ_jminに低下すると（Ｓ７：ＮＯ）、制御部２４は、ステップＳ１１に移行し、出力停止処理をして出力制御を終了する。

以上で説明したように、本実施形態に係る送電装置２によれば、バッテリ３４の電池電圧Ｖ_jと充電電流Ｉ_jを制御部２４にフィードバックし、定電流充電期間では高周波電源２１の出力電力の制御目標値を充電電流Ｉ_jが定電流Ｉ_Cjとなる制御目標値Ｐ_CIに制御し、定電圧充電期間では高周波電源２１の出力電力の制御目標値を、電池電圧Ｖ_jが定電圧Ｖ_Cjとなる制御目標値Ｐ_CVに制御するので、従来のように、バッテリ３４の前段にＤＣ−ＤＣコンバータ等の充電制御機器を設け、その充電制御機器でバッテリ３４の定電流充電制御や定電圧充電制御を行わせる必要がなく、受電装置３の構成の簡素化やコスト低減を図ることができる。

上記実施形態では、バッテリ３４が定電流定電圧充電方式の二次電池であるので、高周波電源２１の出力制御を定電流充電制御と定電圧充電制御を切り換えて行う構成としたが、バッテリ３４が定電圧充電方式若しくは定電流充電方式で充電可能であれば、図５に示す制御系のブロック図に代えて図７，図８に示す制御系のブロック図にしてもよい。

図７は、図５において、定電流充電制御に関する加算器２４２、誤差増幅部２４４及び制御切換部２４５の構成を削除したものであり、図８は、図５において、定電圧充電制御に関する加算器２４１、誤差増幅部２４３及び制御切換部２４５の構成を削除したものである。

上記実施形態では、高周波電源２１から出力される進行波電力Ｐ_fを制御していたが、進行波電力Ｐ_fに代えて受信装置３に供給される電力Ｐ_L（進行波電力Ｐ_fから反射波電力Ｐ_rを差し引いた電力）を制御するようにしてもよい。この場合は、図５において、加算器２４６と電力検出器２１１との間に進行波電力Ｐ_fから反射波電力Ｐ_rを減算して電力Ｐ_Lを算出する電力演算部を設け、その電力演算部から加算器２４６に電力Ｐ_Lを入力するようにすればよい。

また、進行波電力Ｐ_fに代えて高周波電源２１から出力される有効電力Ｐを制御するようにしてもよい。この場合は、図９に示すように、電力検出器２１１に代えてＲＦ検出器２１２を設けるとともに、図１０に示すように、制御部２４に電力演算部２４９を設け、ＲＦ検出器２１２で高周波電源２１の出力端Ａにおける高周波（ＲＦ）電圧ｖ、高周波（ＲＦ）電流ｉ及び位相差θ（ＲＦ電圧ｖとＲＦ電流ｉの位相差）を検出し、電力演算部２４９でこれらの検出値から有効電力Ｐを算出し、加算器２４６に入力するようにすればよい。

なお、有効電力Ｐは、ＲＦ電圧ｖとＲＦ電流ｉの振幅をそれぞれＶ_m、Ｉ_mとすると、Ｐ＝Ｖ_m・Ｉ_m・cos(θ)／２の演算式により算出される。

また、電力演算部２４９で無効電力Ｑを演算し、反射波電力Ｐ_rに代えて無効電力Ｑを用いて出力停止の制御をするようにしてもよい。この場合は、図１０に示すように、出力停止制御部２４８に無効電力Ｑの閾値Ｑ_thを設定するとともに、電力演算部２４９で算出した無効電力Ｑを入力し、出力停止制御部２４８でその無効電力Ｑと閾値Ｑ_thを比較し、Ｑ_th＜Ｑの場合に出力停止信号Ｓ_stopを誤差増幅器２４３，２４４に出力させるようにすればよい。

上記実施形態では、非接触電力伝送システム１を用いた電気自動車の充電システムについて説明したが、本発明は、電気自動車の充電システムに限定されるものではなく、携帯電話や携帯端末等の二次電池を充電する非接触の充電装置にも適用することができる。

また、図１１に示すように、図１において、無線で高周波電力をバッテリ３４側に伝送する構成（送電部２３と受電部３１）と無線で電池電圧Ｖ_jと充電電流Ｉ_jの検出値を制御部２４に通信する構成（通信ユニット２５，３５）を除去し、インピーダンス整合器２２と整流回路３２を直結するとともに電圧・電流検出器３３と制御部２４を接続して、充電装置４を有線により高周波電力と電池電圧Ｖ_j及び充電電流Ｉ_jの検出値を伝送する構成にしてもよい。

上記実施形態では、被充電体として二次電池を例に説明したが、被充電体は、直流で充電されるものであれば、二次電池に限定されるものではなく、蓄電器であってもよい。また、上記実施形態では、被充電体を充電する充電装置について説明したが、本発明は、直流で電力の供給を受ける負荷に対して、交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を定電流制御若しくは定電圧制御で負荷に供給する直流電力供給装置に広く適用できる。

１ 非接触電力伝送システム
２ 送電装置
２１ 高周波電源（電力発生手段）
２１１ 電力検出器（検出手段、反射波電力検出手段）
２１２ ＲＦ検出器（検出手段、交流情報検出手段）
２２ インピーダンス整合器（インピーダンス調整手段）
２３ 送電部
２３１ インダクタ（送電用コイル）
２３２ キャパシタ
２４ 制御部（制御手段、制御目標制御手段）
２４１，２４２，２４６ 加算器
２４３，２４４，２４７ 誤差増幅部
２４５ 制御切換部
２４８ 出力停止制御部
２４９ 電力演算部（有効電力検出手段、無効電力検出手段、演算手段）
２５，３５ 通信ユニット
３ 受電装置
３１ 受電部
３１１ インダクタ（受電用コイル）
３１２ キャパシタ
３２ 整流回路（電力変換手段）
３３ 電圧・電流検出器
３４ バッテリ（負荷）
４ 充電装置

Claims (12)

1. 交流電力を出力する電力発生手段と、
   制御目標値が設定され、前記電力発生手段の出力電力に関する所定の情報が当該制御目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する制御手段と、
   前記交流電力を直流電力に変換し、負荷に供給する電力変換手段と、
   前記電力発生手段と前記電力変換手段の間に設けられ、前記電力発生手段の出力端における反射波電力が所定値以下となるように、前記出力端から前記負荷側を見たインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、
   を備えた直流電力供給装置であって、
   前記負荷に供給される直流電力に関する電気的な物理量を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された物理量が所定の値となるように、前記制御手段に設定される前記制御目標値を制御する制御目標値制御手段と、
   を備えたことを特徴とする直流電力供給装置。
2. 前記制御目標値制御手段は、前記検出手段で検出された電気的な物理量と前記負荷に設定されている電気的な物理量との差分を算出し、その差分に基づいて前記制御目標値を設定する、請求項１に記載の直流電力供給装置。
3. 前記電気的な物理量は、前記負荷に供給される直流電流又は直流電圧である、請求項１又は２に記載の直流電力供給装置。
4. 前記制御目標値は、前記出力端における進行波電力の目標値であり、
   前記進行波電力を検出する電力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された進行波電力が前記進行波電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置。
5. 前記出力端における反射波電力を検出する反射波電力検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記反射波電力検出手段で検出された反射波電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する、請求項４に記載の直流電力供給装置。
6. 前記制御目標値は、前記出力端における進行波電力から反射波電力を差し引いた前記負荷への供給電力の目標値であり、
   前記進行波電力と前記反射波電力を検出する電力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された進行波電力及び反射波電力から前記供給電力を算出し、その算出値が前記供給電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置。
7. 前記制御手段は、前記電力検出手段で検出された反射波電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する、請求項６に記載の直流電力供給装置。
8. 前記制御目標値は、前記電力発生手段から出力される有効電力の目標値であり、
   前記有効電力を検出する有効電力検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記有効電力検出手段で検出された有効電力が前記有効電力の目標値となるように、前記電力発生手段の電力発生動作を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載の直流電力供給装置。
9. 前記電力発生手段から出力される無効電力を検出する無効電力検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記無効電力検出手段で検出された無効電力が予め設定された閾値を超えると、前記電力発生手段の電力発生動作を停止する、請求項８に記載の直流電力供給装置。
10. 前記有効電力検出手段と前記無効電力検出手段は、
    前記出力端における交流電圧、交流電流及び当該交流電圧と当該交流電流の位相差を検出する交流情報検出手段と、
    前記交流情報検出手段で検出された交流電圧、交流電流及び位相差を用いて所定の演算式により前記有効電力及び前記無効電力を演算する演算手段と、
    で構成される、請求項８又は９に記載の直流電力供給装置。
11. 前記インピーダンス調整手段と前記電力変換手段との間に互いに磁界結合された一対のコイルが設けられ、前記電力発生手段から出力された前記交流電力が前記一対のコイルを介して無線で前記電力変換手段に伝送される、請求項１乃至１０のいずれかに記載の直流電力供給装置。
12. 前記負荷は、二次電池である、請求項１乃至１１のいずれかに記載の直流電力供給装置。

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