JP2016111727A - 非接触給電システム、送電装置、給電方法および送電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置に通信装置を設けることなく、送電装置が受電装置の位置を検出し、受電装置が受電可能な領域内に存在する場合に、電力供給を行うことが可能となる非接触給電システム、送電装置、給電方法および送電方法を提供することにある。【解決手段】送電装置１は、送信ＰＮ符号を発生させ、この送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号をアンテナ１７から送信する。そして、送電装置１は、発生させた送信ＰＮ符号と、送信した送信ＰＮ信号の反射信号から得られる受信ＰＮ符号と、の相関をとり、受電装置３が受電可能エリア内に存在するか否かを判断する。送電装置１は、この判断結果により、受電装置３が受電可能エリア内に存在すると判断したとき、送電装置１から受電装置３へ非接触にて送電を行い、受電装置３に電力が供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置が受電可能エリア内に存在するときに、送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電システム、送電装置、給電方法、および、送電方法に関する。

近年、送電装置と受電装置との間を一対のコイルで磁気結合し、送電装置で発生した交流電力を磁気結合した一対のコイルで受電装置に非接触にて伝送する非接触給電システムが知られている。そして、受電装置は、伝送された交流電力を、内蔵される蓄電装置（例えば、リチウム・イオン電池）の特性にあわせて電力変換し、蓄電装置に給電（充電）している。このような非接触給電システムは、現在、電気自動車や産業用機器、携帯用電子機器等に利用されている。例えば、地面に埋設された送電装置から、電気自動車に搭載された受電装置に非接触にて電力供給し、電気自動車に搭載されたバッテリなどの蓄電装置に充電する非接触式電力供給装置が知られている（特許文献１）。また、送電装置と受電装置とで無線通信を行うことで受電装置の位置を検出し、その位置に基づき、送電装置から受電装置への非接触給電を開始する充電システムや充電装置が知られている（特許文献２、特許文献３）。

特開平０８−２３７８９０号公報 特開２０１３−９４７９号公報 特開２０１０−８８１７８号公報

上記特許文献２や特許文献３では、送電装置が受電装置の位置を検出するために、受電装置および送電装置の双方に通信装置を設けておく必要があり、受電装置の大型化やコスト増を招くことになる。また、受電装置が電気自動車や電子機器等の場合、これらに搭載された二次電池に蓄電された電力により通信装置を駆動させなくてはならず、二次電池に蓄電された電力を消費してしまうと、受電装置全体の駆動時間が短くなってしまうため、電力消費は極力軽減したい。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、受電装置に通信装置を設けることなく、送電装置が受電装置の位置を検出し、受電装置が受電可能な領域内に存在する場合に、電力供給を行うことが可能となる非接触給電システム、送電装置、給電方法および送電方法を提供することにある。

本発明の第１の側面によって提供される非接触給電システムは、送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電システムであって、前記送電装置は、所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる送信ＰＮ符号発生手段と、前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する送信ＰＮ信号送信手段と、前記送信ＰＮ信号送信手段から送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する反射信号検出手段と、前記反射信号検出手段により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる受信ＰＮ符号発生手段と、前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する相関値算出手段と、前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定するエリア内検出手段と、前記エリア内検出手段により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる電力発生手段と、前記電力発生手段により発生される交流電力を前記受電装置に送電する送電手段と、を備え、前記受電装置は、前記送電手段から送電される交流電力を受電する受電手段と、前記受電手段により受電される交流電力を所定の電力特性に変換し、負荷に供給する電力変換手段と、を備える。

なお、前記反射信号は、前記受電装置により反射されて戻ってくる送信ＰＮ信号である。

好ましくは、前記所定のＰＮ符号は、符号系列の１チップ時間幅が最大検出距離を前記送信ＰＮ信号が往復するのに要する時間に等しいかまたはそれよりも長い時間に設定されたＰＮ符号系列を表すＰＮ符号である。

また、前記ＰＮ符号系列は、最長符号系列（Ｍ系列）である。

好ましくは、前記エリア内検出手段は、前記相関値から前記送信ＰＮ信号の反射時間を算出し、算出した反射時間から前記送電装置と前記受電装置との距離を推定し、推定した距離が所定距離以内となったときに、前記受電装置が受電可能エリア内に存在すると判定する。

そして、前記受電可能エリアは、前記送電手段の中心位置からの距離に基づき設定される。

なお、前記エリア内検出手段は、前記相関値が閾値を超えたときに、前記受電装置が受電可能エリア内に存在すると判定してもよい。

好ましくは、前記送電手段は、前記送信ＰＮ信号の送信と、前記交流電力の送電を同時に行うとき、前記送信ＰＮ信号送信手段から出力される前記送信ＰＮ信号を、前記電力発生手段から出力される交流電力に重畳させて出力する。

また、前記反射信号検出手段は、前記交流電力の周波数成分を除去する周波数成分除去回路を、備えている。

また、前記送信ＰＮ信号送信手段は、前記送信ＰＮ符号によって信号をスペクトル拡散変調した送信ＰＮ信号を送信する。

好ましくは、前記負荷は、二次電池または畜電器である。

また、前記送電手段および前記受電手段は、互いに磁気結合された一対のＬＣ共振コイルであり、前記電力発生手段から出力された交流電力が前記一対のＬＣ共振コイルを介して非接触で前記受電装置に伝送される。

本発明の第２の側面によって提供される送電装置は、受電装置に非接触で電力を供給する送電装置であって、所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる送信ＰＮ符号発生手段と、前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する送信ＰＮ信号送信手段と、前記送信ＰＮ信号送信手段から送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する反射信号検出手段と、前記反射信号検出手段により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる受信ＰＮ符号発生手段と、前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する相関値算出手段と、前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定するエリア内検出手段と、前記エリア内検出手段により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる電力発生手段と、前記電力発生手段により発生される交流電力を前記受電装置に送電する送電手段と、を備える。

本発明の第３の側面によって提供される非接触給電システムの給電方法は、送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電システムの給電方法であって、所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる第１工程と、前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する第２工程、前記第２工程により送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する第３工程と、前記第３工程により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる第４工程と、前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する第５工程と、前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定する第６工程と、前記第６工程により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる第７工程と、前記第７工程により発生される交流電力を前記受電装置に送電する第８工程と、前記第８工程により送電される交流電力を受電する第９工程と、前記第９工程により受電される交流電力を所定の電力特性に変換し、負荷に供給する第１０工程と、を備える。

本発明の第４の側面によって提供される送電装置の送電方法は、受電装置に非接触で電力を供給する送電装置の送電方法であって、所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる第１工程と、前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する第２工程、前記第２工程により送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する第３工程と、前記第３工程により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる第４工程と、前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する第５工程と、前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定する第６工程と、前記第６工程により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる第７工程と、前記第７工程により発生される交流電力を前記受電装置に送電する第８工程と、を備える。

本発明によると、送電装置が発生させた送信拡散符号と、送信拡散信号の反射信号から得られる受信拡散符号と、の相関をとり、この相関に基づき、受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判断するようにした。したがって、受電装置に通信装置を設けることなく、送電装置は、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断することができる。これにより、受電装置の大型化やコスト増の防止、および、消費電力の低減が可能となる。そして、その判断結果に基づき、受電装置が受電可能エリア内に存在するときに高周波交流電力を送電するようにした。したがって、必要なときに送電装置が給電を行うことができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電システムの全体構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る送電装置の構成例を示す図である。 ＰＮ符号を説明するための図である。 ＰＮ符号の相関（自己相関）を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る受電装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る測距処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る送電制御を説明するためのフローチャートである。

本発明に係る非接触給電システムの実施例として、電気自動車等に内蔵された二次電池を充電する充電システムに適用した場合を例に説明する。図１は、本発明に係る非接触給電システムの全体構成の一例を示す図であり、非接触給電システムは、地面に埋設された送電装置１と、電気自動車に搭載された受電装置３と、で構成されている。

非接触給電システムは、送電装置１によって発生させた高周波交流電力を、磁気結合された一対のアンテナ（アンテナ１７、３１）を介して、非接触により受電装置３に送電し、受電装置３が受電した高周波交流電力を所定の電力特性に変換した後、二次電池（バッテリ）４に充電するシステムである。

送電装置１は、アンテナ１７を含んで構成され、アンテナ１７を介して、電力を送電するものである。送電装置１は、拡散符号（以下、「ＰＮ（Ｐｓｅｕｄｏ Ｎｏｉｓｅ）符号」とする）を発生させ、送信ＰＮ信号として、アンテナ１７から出力し、その反射信号に基づき、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断する。そして、送電装置１は、受電可能エリア内に存在すると判断したとき、高周波交流電力を発生させ、アンテナ１７を介して、受電装置３に送電を行う。なお、送電装置１の形状は図示したものに限られず、例えば、その一部が地面から突出する形状であってもよい。

受電装置３は、アンテナ３１を含んで構成され、アンテナ３１を介して、電力を受電するものである。受電装置３は、送電装置１から高周波交流電力を受電すると、その高周波交流電力をバッテリ４に適した電力特性に変換して、バッテリ４の充電を行う。また、受電装置３は、バッテリ４の充電が完了したと判断した場合、アンテナ３１を開放し、バッテリ４への充電を停止させる。

バッテリ４は、電気自動車に搭載され、電気自動車の動力源となる電力を蓄積する二次電池であり、例えば、リチウム・イオン電池やニッケル水素電池などである。本実施形態では、リチウム・イオン電池を例に説明する。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変化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。よって、受電装置３は、この定電流定電圧充電制御を行い、定電流定電圧充電制御に適した電力特性に変換する。なお、バッテリ４は、大容量のキャパシタなどであってもよい。

次に、送電装置１および受電装置３の内部構成の詳細について、図を用いて説明する。

図２は、送電装置１の構成例を示す図である。送電装置１は、高周波交流電力を発生させ、受電装置３に送電するためのものである。送電装置１は、電気自動車が所定のエリア内（受電可能エリア内）に存在しているときに、高周波交流電力を発生させ、アンテナ１７から送電する。送電装置１は、高周波電源１１、クロック発振回路１２、送信ＰＮ符号発生部１３、キャリア信号発生部１４、変調部１５、結合回路１６、アンテナ１７、分配回路２０、反射信号検出部２１、受信ＰＮ符号発生部２２、相関部２３、距離検出部２４、および、制御部２５を含んで構成される。

高周波電源１１は、高周波交流電力を出力するものであり、図示しない商用電源から入力される商用電力（交流電力）を全波整流し、直流電力に変換する整流回路と、変換した直流電力を所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波交流電力に変換するインバータ回路と、を含んで構成される。高周波電源１１は、後述する制御部２５から入力されるＰＷＭ信号に基づき、インバータ回路を動作させ、高周波交流電力を発生させる。整流回路は、商用電源より入力される交流電力からインバータ回路への入力電力を生成するブロックである。整流回路は、例えば、４個の半導体整流素子をブリッジ接続した整流回路で商用電源から入力される商用電圧（例えば、ＡＣ２００[Ｖ]）を全波整流し、整流後のレベルを平滑回路で平滑化して直流電圧を生成する周知の電源回路で構成される。

インバータ回路は、整流回路から入力される直流電力を、制御部２５から入力されるＰＷＭ信号に基づき、所定周波数の高周波交流電力に変換して出力するブロックである。インバータ回路は、４個のスイッチング素子をブリッジ接続した、周知の電圧制御型インバータ回路で構成される。スイッチング素子としては、例えば、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子が用いられる。４個のスイッチング素子は、制御部２５から入力されるＰＷＭ信号によって、各スイッチング素子のゲートに電圧が入力され、オン状態とオフ状態とを切り替えることで、整流回路から入力される直流電力を交流電力に変換する。なお、スイッチング素子にはそれぞれ、ダイオードが逆並列で接続されており、スイッチング素子の切り替えによって発生する逆起電力による逆方向の電圧が印加されないようにしている。また、高周波電源１１は、電流センサや電圧センサを備えており、インバータ回路から出力される電流および電圧を測定し、その測定結果を制御部２５に出力する。

クロック発振回路１２は、送電装置１の動作のための最も基本的なタイミング信号であるシステム・クロック信号を発生させる。クロック発振回路１２が発生させたシステム・クロック信号は、送電装置１の各部に利用される。

送信ＰＮ符号発生部１３は、システム・クロック信号に基づき、ＰＮ符号を発生させ、送信ＰＮ符号として変調部１５に出力するものである。例えば、送信ＰＮ符号発生部１３は、最長系列（最大周期シフトレジスタ系列、Ｍ系列ともいう。以下、「Ｍ系列」とする）のＰＮ符号を発生させる線形帰還シフトレジスタ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ；ＬＦＳＲ）で構成される。ｎ（ｎ；正の整数）段で構成されるＬＦＳＲによって生成されるＭ系列は、２ⁿ−１［ビット］の長さを持つ。図３（ａ）は、「０」と「１」との２値で構成されるＭ系列のＰＮ符号の模式図であり、ＰＮ符号長Ｎ（ＰＮ符号の１周期）が７ビット（ｎ＝３）の場合の例である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＭ系列のＰＮ符号のパルス波形を示す。送信ＰＮ符号発生部１３は、このパルス信号を変調部１５に出力する。図示するように、送信ＰＮ符号発生部１３が発生させるＰＮ符号長Ｎが７ビットのＭ系列として、例えば、「１１１０１００」がある。また、上記ｎの値が大きくなると、ＰＮ符号長Ｎが長くなる。なお、このビットはチップとも呼ばれる。

図３（ａ）に示すＰＮ符号の１ビットの情報を送信するのに要する時間は１チップ時間幅Ｔｃと呼ばれ、最大検出距離を電磁波が往復するのに要する時間に等しいかそれより長い時間に設定される。例えば、最大検出距離を３０ｍとすると、電磁波が３０ｍを往復する（６０ｍを伝播する）のに要する時間は、光速（電磁波の速度）を約３×１０⁸ｍ／ｓとすると、０．２μｓｅｃとなる。これよりＰＮ符号の１チップ時間幅Ｔｃは０．２μｓｅｃが設定される。よって、送信ＰＮ符号発生部１３は、１チップ時間幅Ｔｃが０．２μｓｅｃであるＰＮ符号を発生させる。このときの送信ＰＮ符号発生部１３が発生させるＰＮ符号は、１チップ時間幅Ｔｃが０．２μｓｅｃであるので、周波数が５ＭＨｚのＰＮ符号となる。ここで、真空中を伝播する電磁波の速度は一定であり、その速度は真空中の光速に等しく、約３×１０⁸［ｍ／ｓ］である。空気中の屈折率は、真空中とほぼ同じであるから、電磁波の速度を真空中の光速として利用することが可能である。最大検出距離を長くしたいときには、１チップ時間幅Ｔｃを長く設定し、反対に最大検出距離を短くしたいときには、１チップ時間幅Ｔｃを短く設定する。ただし、最大検出距離は、後述する受電可能エリアの設定距離よりも短くなることはない。

また、上記ＰＮ符号の周波数に合わせ、逆算することで、１チップ時間幅Ｔｃを設定することも可能である。例えば、上記具体例において、５ＭＨｚの周波数のＰＮ符号を発生させるためには、その逆数をとり、１チップの周期が０．２μｓｅｃとなるので、これを１チップ時間幅Ｔｃとして設定してもよい。この場合、０．２［μｓｅｃ］（１チップ時間幅Ｔｃ）×３×１０⁸［ｍ／ｓ］（光速）／２（往復を考慮）＝３０［ｍ］が最大検出距離となる。

さらに、送信ＰＮ符号発生部１３が発生させる送信ＰＮ符号のＰＮ符号長Ｎが短い（ｎが小さい）と、後述する相関を求めるとき、すなわち、後述する距離検出部２４が行う距離（遅延時間）の測定において、ＰＮ符号周期の整数倍の不確定さが生じてしまう。例えば、ｎ＝２とすると、ＰＮ符号長Ｎが３ビット（２²−１）であり、最大検出距離が上記のように３０ｍ（１チップ時間幅が上記０．２μｓｅｃ）であるとすると、後述する相関値が９０ｍごとに同一の値となってしまう。すなわち、２ｍ離れた物体に反射したＰＮ符号と、９２ｍ離れた物体に反射したＰＮ符号との区別がつかないため、上記不確定さが生じてしまう。よって、これを防ぐために、ＰＮ符号長Ｎを長くしておく必要がある。

キャリア信号発生部１４は、所定周波数のキャリア信号を発生させ、変調部１５に出力するものである。キャリア信号の周波数は、高周波交流電力の周波数と同一の周波数であってもよく、異なる周波数であってもよい。また、送信ＰＮ符号の周波数と同一の周波数であってもよく、異なる周波数であってもよい。

変調部１５は、キャリア信号発生部１４から入力されるキャリア信号を、送信ＰＮ符号発生部１３から入力される送信ＰＮ符号でスペクトル拡散変調し、送信ＰＮ信号として、結合回路１６に出力する。変調部１５は、直接拡散（ＤＳ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）方式によるスペクトル拡散変調を行う。その他、ＰＮ符号でスペクトル拡散変調可能な方式であれば、周波数ホッピング（ＦＨ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ）方式などであってもよい。また、本実施形態では、キャリア信号を、送信ＰＮ符号でスペクトル拡散変調して、送信ＰＮ信号を出力する例を示すが、送信ＰＮ符号発生部１３が発生させる送信ＰＮ符号を送信ＰＮ信号として、出力するようにしてもよい。この場合、キャリア信号発生部１４および変調部１５は必ずしも必要な構成ではない。

結合回路１６は、高周波電源１１から高周波交流電力が出力されているときには、この高周波交流電力に変調部１５から出力される送信ＰＮ信号を重畳させ、アンテナ１７に出力する。一方、結合回路１６は、高周波電源１１から高周波交流電力が出力されてないときには、送信ＰＮ信号のみをアンテナ１７に出力する。

アンテナ１７は、高周波電源１１から出力される高周波交流電力を、磁気結合された受電装置３のアンテナ３１に非接触送電するものである。アンテナ１７は、例えば、複数ターンの円形コイルからなるインダクタとそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとのＬＣ共振回路で構成される。アンテナ１７では、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｏ（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）が高周波電源１１から出力される高周波交流電力の周波数ｆｇ（以下、電源周波数ｆｇ）［ＭＨｚ］に調整されている。

高周波電源１１から高周波交流電力が出力されているときは、結合回路１６から送信ＰＮ信号が重畳された高周波交流電力が出力されるので、これが電磁波となり、アンテナ１７から送信される。一方、高周波電源１１から高周波交流電力が出力されていないときは、結合回路１６から送信ＰＮ信号が出力されるので、これが電磁波となり、アンテナ１７から送信される。さらに、アンテナ１７は、送信ＰＮ信号である電磁波が電気自動車等の物体に反射して戻ってきた反射波を受信する。

分配回路２０は、結合回路１６とアンテナ１７との間に設けられ、アンテナ１７が受信した反射波を検出し、検出した反射波を反射信号検出部２１に出力する。また、分配回路２０は、結合回路１６から入力される高周波交流電力や送信ＰＮ信号を、アンテナ１７に出力する。

反射信号検出部２１は、入力される反射波から反射信号を検出し、検出した反射信号を、受信ＰＮ信号として、受信ＰＮ符号発生部２２に出力するものである。反射信号検出部２１は、反射波のレベルを検出し、レベルが大きい場合にはレベルを下げ、レベルが小さい場合にはレベルを上げるように、信号レベルの調整を行うようにしてもよい。

受信ＰＮ符号発生部２２は、反射信号検出部２１から出力される受信ＰＮ信号を逆拡散復調し、システム・クロック信号に基づき、受信ＰＮ符号を発生させるものである。このとき、発生させる受信ＰＮ符号は、送信ＰＮ符号発生部１３が発生させたＰＮ符号系列と同じ符号系列のＰＮ符号である。また、受信ＰＮ符号発生部２２は、受信ＰＮ符号を発生させるとき、受信ＰＮ信号に含まれるＰＮ符号の位相に、受信ＰＮ符号発生部２２が発生させるＰＮ符号（送信ＰＮ符号と同じ符号系列）の位相を合わせるための同期点の検出すなわち同期捕捉を行う。代表的な同期捕捉方法としては、マッチドフィルタリング法があり、受信ＰＮ符号発生部２２は、このマッチドフィルタリング法に基づき、送信ＰＮ符号と同期のとれたＰＮ符号を発生させる。なお、同期捕捉の方法は、マッチドフィルタリング法に限定されない。そして、受信ＰＮ符号発生部２２は、発生させたＰＮ符号を、受信ＰＮ符号として、相関部２３に出力する。

相関部２３は、物体（本実施形態では、電気自動車）までの距離を算出するために、送信ＰＮ符号発生部１３が発生させた送信ＰＮ符号と、受信ＰＮ符号発生部２２が発生させた受信ＰＮ符号と、の相関をとるものである。相関は、送信ＰＮ符号と受信ＰＮ符号との信号波形の似ている度合いを示す指数である。受信ＰＮ信号は、送信ＰＮ信号が反射したものであるから、ここでの相関は、送信ＰＮ符号と受信ＰＮ符号とは原則的に同じ波形をもつので、自己相関をとることになる。

ここで、ＰＮ符号の自己相関について、説明する。送信ＰＮ信号がアンテナ１７から出力され、電気自動車等の物体に反射してアンテナ１７に戻ってくるまでの反射時間をτとすると、相関値は、反射時間τの関数（自己相関関数）Ｒ（τ）として、下記式（１）で表わされる。

式（１）において、ａ（ｔ）は送信したＰＮ符号を表し、ａ（ｔ−τ）はＰＮ符号が時間τ遅れたＰＮ符号、つまり、反射して戻ってきたＰＮ符号を表している。また、Ｔは、ＰＮ符号の周期を示し、１ビット時間幅Ｔｃとして、周期Ｔ＝Ｎ・Ｔｃで定義される（ＮはＰＮ符号長）。

相関は、上記したように信号波形の似ている度合いを示す指数であり、相関値＝１とは同じ波形、相関値＝０とは全く似ていない波形、相関値＝−１とは反転した波形を示す。Ｍ系列のＰＮ符号は、デジタル符号と同様に簡単に相関を求めることが可能であり、符号同士が一致している個数から不一致の個数を減算し、ＰＮ符号長で正規化すればよい。つまり、符号相関＝（一致数−不一致数）／符号長を算出することで簡単に符号相関を求めることができる。

例えば、７ビット（ｎ＝３）のＰＮ符号「１１１０１００」についての相関について、図４を用いて説明する。１ビットずつシフトさせてＰＮ符号長（７ビット）までシフトしたものと、もとのＰＮ符号の相関をそれぞれ求めると、図４（ａ）のようになり、原点のみで「１」その他の場所では「−１／７」となる。なお、１ビット以下でシフトさせたものと、もとのＰＮ符号の相関は、そのシフト量に比例して小さくなるので、シフト量が１ビット以下の期間では、線形性を有する。これを、ｉビットのＰＮ符号系列で考えると、図４（ｂ）のような自己相関関数が得られる。本実施形態では、ＰＮ符号が送信ＰＮ符号であり、反射して戻ってきたＰＮ符号が受信ＰＮ符号と考えられるので、送信ＰＮ符号と受信ＰＮ符号との相関を求めると、図４（ｂ）と同様の相関関数が得られる。

距離検出部２４は、相関部２３から出力される相関値に基づき、アンテナ１７から電気自動車までの距離を検出するものである。具体的には、距離検出部２４は、まず、相関値から反射時間τを算出し、次に、算出した反射時間τから距離Ｌを検出する。反射時間τは、自己相関値Ｒ（τ）、１チップ時間幅Ｔｃ[ｓｅｃ]、ＰＮ符号長Ｎを用いて、
τ＝Ｔｃ×（１−Ｒ（τ））×Ｎ／（１＋Ｎ） ・・・（２）
で計算される。そして、距離Ｌは、上記式（２）で求めた反射時間τを用いて、
Ｌ＝τ×ｃ／２（ｃ；光速） ・・・（３）
で計算される。例えば、１チップ時間幅が０．２μｓｅｃ、ＰＮ符号長が７（ビット）、自己相関値Ｒ（τ）が０．８であるとき、式（２）にこれらの値を代入すると、反射時間τは、０．０３５μｓｅｃとなる。そして、求めた反射時間が０．０３５μｓｅｃ、光速が３×１０⁸［ｍ／ｓ］であるから、式（３）にこれらの値を代入し、距離Ｌは、５．２５［ｍ］と算出される。よって、距離検出部２４は、上記の場合、アンテナ１７から電気自動車までの距離を、５．２５［ｍ］と検出し、この値を制御部２５に出力する。

制御部２５は、例えば、マイクロコンピュータなどによって構成され、距離検出部２４から出力される距離に基づき、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断し、受電可能エリア内に存在すると判断したときに、高周波電源１１にＰＷＭ信号を入力し、高周波交流電力を発生させるように制御する。一方、制御部２５は、電気自動車が受電可能エリア内に存在しないと判断したときは、高周波電源１１へＰＷＭ信号を入力しない。この受電可能エリアは、好ましくは、アンテナ１７のコイル部分の中心位置からの距離で設定されるが、任意の基準位置からの距離で設定されていてもよい。よって、制御部２５は、距離検出部２４から出力される距離がこのコイルの中心位置からの距離より短いときに、受電可能エリア内に存在すると判断し、一方、距離検出部２４から出力される距離がこのコイルの中心位置からの距離より長いときには、受電可能エリア内に存在しないと判断する。

さらに、制御部２５は、高周波電源１１から高周波交流電力を出力するときには、出力される高周波交流電力（出力電流や出力電圧）が所望の電流値や電圧値となるように、高周波電源１１の電流センサや電圧センサが検出した出力電流や出力電圧に基づき、フィードバック制御を行う。

送電装置１は、このように構成され、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断し、存在すると判断した場合に、高周波交流電力を出力するように制御される。

次に、図５は、受電装置３の構成例を示す図である。受電装置３は、送電装置１から送電される高周波交流電力を受電し、その電力をバッテリ４に適した電力特性に変換し、バッテリ４を充電するものである。受電装置３は、アンテナ３１、受電検出回路３２、制御部３３、切替回路３４、整流平滑回路３５、および、充電回路３６を含んで構成される。

アンテナ３１は、送電装置１のアンテナ１７との間で磁気結合をして、送電装置１から送電される高周波交流電力を受電する。アンテナ３１は、送電装置１のアンテナ１７と同一の構成を有し、複数ターンの円形コイルからなるインダクタとそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとのＬＣ共振回路で構成される。アンテナ３１も、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｏ（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）が電源周波数ｆｇ［ＭＨｚ］に調整されている。

受電検出回路３２は、アンテナ３１が受電した高周波交流電力の、電圧値、電流値、電力などを測定し、制御部３３に出力するものである。

制御部３３は、例えば、マイクロコンピュータなどによって構成され、受電検出回路３２から入力される測定値や充電回路３６から入力される電池電圧および充電電流に基づき、切替回路３４や充電回路３６を制御するものである。例えば、制御部３３は、受電検出回路３２から入力される測定値に基づき、高周波交流電力の送電が行われていると判断した場合、切替回路３４にアンテナ３１から充電回路３６まで接続するように指示する。また、制御部３３は、充電回路３６から入力される電池電圧および充電電流に基づき、バッテリ４の充電が完了したと判断した場合、切替回路３４にアンテナ３１から充電回路３６までの接続を開放するように指示する。

切替回路３４は、制御部３３から受信した信号により、アンテナ３１から充電回路３６までを接続するか、開放するかを切り替えるものである。切替回路３４が、アンテナ３１から充電回路３６までを接続することで、アンテナ３１によって受電された高周波交流電力が整流平滑回路３５に出力される。また、切替回路３４が、アンテナ３１から充電回路３６までの接続を開放することで、高周波交流電力が整流平滑回路３５に出力されず、バッテリ４へ電力が出力されない。

整流平滑回路３５は、アンテナ３１が受電した高周波交流電力を整流し、平滑化する。整流平滑回路３５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ー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ブリッジ回路の入力端に、インダクタを並列接続したり、インダクタを直列接続したりするとよい。

充電回路３６は、整流平滑回路３５から出力される直流電力をバッテリ４に供給し、充電するものである、充電回路３６は、バッテリ４に一定の充電電流を流す定電流充電の過程と、定電流充電後に、バッテリ４の電池電圧が一定になるように充電電流を制御する定電圧充電とを含む定電流定電圧制御を実行する。このため、充電回路３６は、充電電流を検出する電流検出器および電池電圧を検出する電圧検出器を含んで構成される。他の形態として、充電回路３６は、充電電流および電池電圧を制御部３３に出力し、制御部３３から受信した信号により、定電流定電圧制御を実行する構成であってもよい。

受電装置３は、このように構成され、送電装置１から給電された高周波交流電力を、バッテリ４に適した電力特性に変換し、バッテリ４を充電するように制御する。また、受電装置３は、バッテリ４の充電が完了したか否かを判断し、充電が完了したと判断したときに、バッテリ４の充電を終了するように制御する。

次に、上記のように構成された非接触給電システムの給電制御について、図６および図７を用いて説明する。

図６は、送電装置１が行う電気自動車までの測距処理を説明するためのフローチャートである。送電装置１が動作している間、送信ＰＮ符号発生部１３は、クロック発振回路１２から入力されるシステム・クロック信号に基づき、ＰＮ符号を発生させる（ステップＳ１）。そして、送信ＰＮ符号発生部１３は、発生させたＰＮ符号を送信ＰＮ符号として、変調部１５および相関部２３に出力する。送信ＰＮ符号が変調部１５に入力されると、変調部１５は、キャリア信号発生部１４が発生させたキャリア信号を送信ＰＮ符号によりスペクトル拡散変調し、送信ＰＮ信号として結合回路１６に出力する。

結合回路１６は、高周波電源１１から高周波交流電力が入力されていれば、送信ＰＮ信号を高周波交流電力に重畳させ、アンテナ１７に出力する。一方、結合回路１６は、高周波交流電力が入力されていなければ、送信ＰＮ信号のみをアンテナ１７に出力する。これにより、送信ＰＮ信号は、アンテナ１７により電磁波となり送電装置１から送信される（ステップＳ２）。

アンテナ１７から送信ＰＮ信号が送信されると、アンテナ１７周辺に電気自動車が存在する場合、送信された電磁波（送信ＰＮ信号）が電気自動車に反射され、その反射波がアンテナ１７により受信される（ステップＳ３；ＹＥＳ）。分配回路２０は、このアンテナ１７が受信した反射波を検出し、反射信号検出部２１に出力する。一方、アンテナ１７周辺に電気自動車が存在しない場合は、電磁波が反射しないため、反射波は受信されない（ステップＳ３；ＮＯ）。この場合、ステップＳ１に戻り、ＰＮ符号の発生、送信処理を実行する。

ステップＳ３でＹＥＳとなり、分配回路２０が反射波を検出すると、この反射波を反射信号検出部２１に出力する。反射信号検出部２１は、分配回路２０から反射波が入力されると、反射波から反射信号を検出し、受信ＰＮ信号として、受信ＰＮ符号発生部２２に出力する。受信ＰＮ信号が入力された受信ＰＮ符号発生部２２は、受信ＰＮ信号を逆拡散復調し、システム・クロック信号に基づき、受信ＰＮ符号を発生させる（ステップＳ４）。そして、受信ＰＮ符号発生部２２は、相関部２３に受信ＰＮ符号を出力する。

ステップＳ１およびステップＳ４により、相関部２３に送信ＰＮ符号および受信ＰＮ符号が入力されると、相関部２３は、送信ＰＮ符号および受信ＰＮ符号の相関をとり、相関値Ｒ（τ）を算出する（ステップＳ５）。相関部２３が相関値Ｒ（τ）を求めると、距離検出部２４に出力される。距離検出部２４は、この相関値Ｒ（τ）から反射時間τを算出し（ステップＳ６）、算出した反射時間τから電気自動車までの距離Ｌを算出する（ステップＳ７）。そして、距離検出部２４は算出した電気自動車までの距離Ｌを制御部２５に出力する。このようにして、送電装置１は電気自動車までの距離を算出する。

次に、図７は、上記測距処理により算出された距離に基づき、送電装置１が行う送電制御を説明するためのフローチャートである。

上記測距処理が実行され（ステップＳ１１）、制御部２５に電気自動車までの距離Ｌが入力されると、制御部２５は、この距離Ｌに基づき、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断する（ステップＳ１２）。その結果、電気自動車が受電可能エリア内に存在すると判断した場合、制御部２５は、高周波電源１１を制御し、高周波交流電力を発生させる（ステップＳ１３）。具体的には、制御部２５は、高周波電源１１にＰＷＭ信号を入力し、高周波電源１１の各スイッチング素子のオン状態とオフ状態を切り替え、高周波交流電力を発生させる。高周波電源１１により発生された高周波交流電力は、結合回路１６、アンテナ１７を介して、送電される。一方、ステップＳ１２の判断の結果、電気自動車が受電可能エリア内に存在しないと判断した場合、制御部２５は、高周波電源１１にＰＷＭ信号を入力せず、高周波交流電力を発生させないように制御する。このようにして、受電可能エリア内に電気自動車が存在するときに、送電装置１から高周波交流電力が送電される。

上記図６に示す測距処理および図７に示す送電制御は、送電装置１が動作している間、繰り返し実行され、非接触給電システムの給電制御が実行される。

以上で説明したように、本実施形態に係る非接触給電システムによれば、送電装置１が発生させたＰＮ符号と、電気自動車に反射されて戻ってきたＰＮ符号との相関値に基づき、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断するようにした。したがって、受電装置に通信装置を設けることなく、送電装置は、電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断することができる。これにより、受電装置の大型化やコスト増の防止、および、消費電力の低減が可能となる。さらに、電気自動車（受電装置）が受電可能エリア内に存在すると判断したときに、送電装置１から高周波交流電力を送電するようにした。したがって、必要なときにだけ送電装置が給電を行うことができる。

本実施形態では、高周波交流電力に送信ＰＮ信号を重畳させ送電しているので、高周波交流電力（送電電力）の反射信号検出部２１への漏れ込みが大きくなる場合がある。このために、分配回路２０と反射信号検出部２１との間に、高周波交流電力の周波数成分を除去する周波数成分除去回路（例えば、ノッチフィルタ）を設けておき、送電電力の漏れ込みを低減させるようにすると、より好適に電気自動車が受電可能エリア内に存在するか否かを判断することが可能となる。

また、本実施形態では、相関値から距離を求めてその距離に基づき、受電可能エリア内に存在するか否かを判断する例を説明したが、これに限られない。例えば、距離を算出せずに、予め距離と相関値との関係を計算しておき、受電可能エリア内と判定する距離に対応した相関値以上となった場合に、電気自動車が受電可能エリア内に存在すると判断するようにしてもよい。

また、本実施形態では、送電装置１には、１つのアンテナ１７を備え、そのアンテナ１７から送信ＰＮ信号と高周波交流電力を送信する例を説明したが、これに限られず、送信ＰＮ信号を送信するアンテナと、高周波交流電力を送信するアンテナの、２つのアンテナを備えてもよい。この場合、結合回路１６を備えていなくてもよい。

本実施形態では、非接触給電システムが１つの場合について説明したが、駐車場などに送電装置１が設置される場合、近距離に複数の送電装置１が存在することとなる。この場合、各送電装置１から送信される信号が同じＰＮ符号でスペクトル拡散されたものであると、混信が生じてしまう可能性がある。そのため、各送電装置１からそれぞれ異なるＰＮ符号で拡散された信号を送信するようにしておくことで、混信を排除することができる。例えば、ＰＮ符号長が１５ビットのＰＮ符号であれば、２通りの異なるＭ系列を発生させることが可能であり、ＰＮ符号長が１２７ビットのＰＮ符号であれば、１６通りの異なるＭ系列を発生させることが可能である。これにより、周辺の送電装置の数に応じて、それぞれ異なるＰＮ符号で拡散された信号を送信するようにしてもよい。

本実施形態では、非接触給電システムにより電気自動車に搭載された二次電池を充電する例を示したが、これに限られない。例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータなどに搭載された二次電池を充電するものであってもよい。また、二次電池を充電するものではなく、二次電池を備えず、直接電力を所定の負荷に供給するものであってもよい。例えば、ＵＳＢで接続したマウスパット（送電装置に相当）に磁界を発生させ、マウス（受電装置に相当）内部の回路に電力を供給するワイヤレスマウスなどでもよく、また、送電装置上に設置されたテレビやデジタルフォトフレームなどへ電力を供給するものであってもよい。

本発明に係る非接触給電システムは、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱しなければ、各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

１ 送電装置
１１ 高周波電源
１２ クロック発振回路
１３ 送信ＰＮ符号発生部
１４ キャリア信号発生部
１５ 変調部
１６ 結合回路
１７ アンテナ
２０ 分配回路
２１ 反射信号検出部
２２ 受信ＰＮ符号発生部
２３ 相関部
２４ 距離検出部
２５ 制御部
３ 受電装置
３１ アンテナ
３２ 受電検出回路
３３ 制御部
３４ 切替回路
３５ 整流平滑回路
３６ 充電回路
４ バッテリ

Claims (15)

1. 送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電システムであって、
   前記送電装置は、
   所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる送信ＰＮ符号発生手段と、
   前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する送信ＰＮ信号送信手段と、
   前記送信ＰＮ信号送信手段から送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する反射信号検出手段と、
   前記反射信号検出手段により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる受信ＰＮ符号発生手段と、
   前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する相関値算出手段と、
   前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定するエリア内検出手段と、
   前記エリア内検出手段により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる電力発生手段と、
   前記電力発生手段により発生される交流電力を前記受電装置に送電する送電手段と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記送電手段から送電される交流電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段により受電される交流電力を所定の電力特性に変換し、負荷に供給する電力変換手段と、
   を備える非接触給電システム。
2. 前記反射信号は、前記受電装置により反射されて戻ってくる送信ＰＮ信号である、
   請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記所定のＰＮ符号は、符号系列の１チップ時間幅が最大検出距離を前記送信ＰＮ信号が往復するのに要する時間に等しいかまたはそれよりも長い時間に設定されたＰＮ符号系列を表すＰＮ符号である、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載の非接触給電システム。
4. 前記ＰＮ符号系列は、最長符号系列（Ｍ系列）である、
   請求項３に記載の非接触給電システム。
5. 前記エリア内検出手段は、前記相関値から前記送信ＰＮ信号の反射時間を算出し、算出した反射時間から前記送電装置と前記受電装置との距離を推定し、推定した距離が所定距離以内となったときに、前記受電装置が受電可能エリア内に存在すると判定する、
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
6. 前記受電可能エリアは、前記送電手段の中心位置からの距離に基づき設定される、
   請求項５に記載の非接触給電システム。
7. 前記エリア内検出手段は、前記相関値が閾値を超えたときに、前記受電装置が受電可能エリア内に存在すると判定する、
   請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
8. 前記送電手段は、
   前記送信ＰＮ信号の送信と、前記交流電力の送電を同時に行うとき、前記送信ＰＮ信号送信手段から出力される前記送信ＰＮ信号を、前記電力発生手段から出力される交流電力に重畳させて出力する、
   請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
9. 前記反射信号検出手段は、
   前記交流電力の周波数成分を除去する周波数成分除去回路を、備えている、
   請求項８に記載の非接触給電システム。
10. 前記送信ＰＮ信号送信手段は、前記送信ＰＮ符号によって信号をスペクトル拡散変調した送信ＰＮ信号を送信する、
    請求項１ないし請求項９に記載の非接触給電システム。
11. 前記負荷は、二次電池または畜電器である、
    請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
12. 前記送電手段および前記受電手段は、互いに磁気結合された一対のＬＣ共振コイルであり、前記電力発生手段から出力された交流電力が前記一対のＬＣ共振コイルを介して非接触で前記受電装置に伝送される、
    請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
13. 受電装置に非接触で電力を供給する送電装置であって、
    所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる送信ＰＮ符号発生手段と、
    前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する送信ＰＮ信号送信手段と、
    前記送信ＰＮ信号送信手段から送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する反射信号検出手段と、
    前記反射信号検出手段により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる受信ＰＮ符号発生手段と、
    前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する相関値算出手段と、
    前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定するエリア内検出手段と、
    前記エリア内検出手段により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる電力発生手段と、
    前記電力発生手段により発生される交流電力を前記受電装置に送電する送電手段と、
    を備える送電装置。
14. 送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電システムの給電方法であって、
    所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる第１工程と、
    前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する第２工程、
    前記第２工程により送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する第３工程と、
    前記第３工程により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる第４工程と、
    前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する第５工程と、
    前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定する第６工程と、
    前記第６工程により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる第７工程と、
    前記第７工程により発生される交流電力を前記受電装置に送電する第８工程と、
    前記第８工程により送電される交流電力を受電する第９工程と、
    前記第９工程により受電される交流電力を所定の電力特性に変換し、負荷に供給する第１０工程と、
    を備える非接触給電システムの電力供給方法。
15. 受電装置に非接触で電力を供給する送電装置の送電方法であって、
    所定のＰＮ符号を送信ＰＮ符号として発生させる第１工程と、
    前記送信ＰＮ符号に基づく送信ＰＮ信号を送信する第２工程、
    前記第２工程により送信された送信ＰＮ信号の反射信号を検出する第３工程と、
    前記第３工程により検出された反射信号から受信ＰＮ符号を発生させる第４工程と、
    前記送信ＰＮ符号と前記受信ＰＮ符号との相関値を算出する第５工程と、
    前記相関値に基づき、前記受電装置が受電可能エリア内に存在するか否かを判定する第６工程と、
    前記第６工程により受電可能エリア内に存在すると判定されたときに、交流電力を発生させる第７工程と、
    前記第７工程により発生される交流電力を前記受電装置に送電する第８工程と、
    を備える送電装置の送電方法。

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