JP2017060328A - 非接触受電装置及び電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数が、送電電力の周波数を調整可能な所定の周波数帯に確実に含まれるようにする。
【解決手段】受電コイル３１２のインダクタンスＬ２は、第１及び第２の値の間に設定される。第１及び第２の値の各々は、所定の受電電力において電流Ｉ１が最小となる最適周波数を算出する所定の式を用いて算出される。第１の値は、最適周波数が上記周波数帯の最大周波数であり、かつ、負荷インピーダンスＲＬを受電電力の制御範囲内における最大値とした場合に、上記の式から算出される。第２の値は、最適周波数が上記周波数帯の最小周波数であり、かつ、負荷インピーダンスＲＬを受電電力の制御範囲内における最小値とした場合に、上記の式から算出される。
【選択図】図２

Description

この発明は、非接触受電装置及び電力伝送システムに関し、特に、送電装置から磁界を通じて非接触で受電する非接触受電装置及びそれを用いた電力伝送システムに関する。

送電装置から受電装置へ磁界を通じて非接触で電力を伝送する電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜６参照）。このような電力伝送システムについて、特開２０１４−２０７７９５号公報（特許文献１）は、給電装置（送電装置）から車両（受電装置）へ非接触で給電する非接触給電システムを開示する。この非接触給電システムでは、給電装置は、送電コイルと、インバータと、制御部とを備える。送電コイルは、車両に搭載された受電コイルへ非接触で送電する。インバータは、駆動周波数に応じた交流電流を生成して送電コイルへ出力する。制御部は、バッテリへの充電電力指令とバッテリへの出力電力とを車両側から取得し、出力電力が充電電力指令に追従するようにインバータの駆動周波数をフィードバック制御する（特許文献１参照）。

特開２０１４−２０７７９５号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

上記のような電力伝送システムにおいては、受電装置における受電電力は一定に制御されている場合に、送電装置の送電コイルに流れる電流が最小となるように送電電力の周波数（インバータの駆動周波数）を調整することによって、送電コイルと受電コイルとの間の電力伝送効率を高めることができる。

ここで、送電電力の周波数は、所定の周波数帯域内とすることが規格等によって定められており、この所定の周波数帯を外れて周波数を調整することはできない。システムの回路設計（特に受電コイルのインダクタンス）によっては、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数が上記の周波数帯に存在せず、周波数を最適周波数に調整できない可能性がある。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、送電装置から磁界を通じて非接触で受電する非接触受電装置及びそれを用いた電力伝送システムにおいて、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数が、送電電力の周波数を調整可能な所定の周波数帯に確実に含まれるようにすることである。

この発明によれば、非接触受電装置は、送電装置から磁界を通じて非接触で受電する非接触受電装置である。送電装置は、所定の周波数帯において送電電力の周波数を調整可能に構成される。非接触受電装置によって受電される電力は、送電装置において送電電力の大きさを制御することによって所定の電力範囲内に制御される。非接触受電装置は、受電コイルと、キャパシタと、電気負荷とを備える。受電コイルは、送電装置の送電コイルから磁界を通じて非接触で受電する。キャパシタは、受電コイルと共振回路を形成する。電気負荷は、受電コイルによって受電される電力を受ける。受電コイルのインダクタンスは、第１の値と第１の値よりも大きい第２の値との間に設定される。第１及び第２の値の各々は、所定の受電電力において送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を示す最適周波数を算出する第１の式を用いて算出される。第１の式は、受電コイルのインダクタンスと、キャパシタのキャパシタンスと、電気負荷のインピーダンスと、周波数と、送電コイルに流れる電流との関係を示す第２の式から、送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を算出することにより導出される。そして、第１の値は、最適周波数が上記周波数帯の最大周波数であり、かつ、インピーダンスを上記電力範囲における最大値とした場合に、第１の式から算出されるインダクタンスである。第２の値は、最適周波数が上記周波数帯の最小周波数であり、かつ、インピーダンスを上記電力範囲における最小値とした場合に、第１の式から算出されるインダクタンスである。

また、この発明によれば、電力伝送システムは、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置は、送電コイルと、インバータとを含む。送電コイルは、受電装置へ磁界を通じて非接触で送電する。インバータは、受電装置によって受電される電力が所定の電力範囲内に制御されるように送電電力の大きさを制御するとともに、所定の周波数帯において送電電力の周波数を調整する。受電装置は、受電コイルと、キャパシタと、電気負荷とを含む。受電コイルは、送電コイルから磁界を通じて非接触で受電する。キャパシタは、受電コイルと共振回路を形成する。電気負荷は、受電コイルによって受電される電力を受ける。受電コイルのインダクタンスは、第１の値と第１の値よりも大きい第２の値との間に設定される。第１及び第２の値の各々は、所定の受電電力において送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を示す最適周波数を算出する第１の式を用いて算出される。第１の式は、受電コイルのインダクタンスと、キャパシタのキャパシタンスと、電気負荷のインピーダンスと、周波数と、送電コイルに流れる電流との関係を示す第２の式から、送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を算出することにより導出される。そして、第１の値は、最適周波数が上記周波数帯の最大周波数であり、かつ、インピーダンスを上記電力範囲における最大値とした場合に、第１の式から算出されるインダクタンスである。第２の値は、最適周波数が上記周波数帯の最小周波数であり、かつ、インピーダンスを上記電力範囲における最小値とした場合に、第１の式から算出されるインダクタンスである。

上記のような第１及び第２の値の間に受電コイルのインダクタンスが設定されることにより、受電電力が所定の電力範囲内に制御される場合に、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数は、周波数を調整可能な所定の周波数帯に含まれる。したがって、この発明によれば、送電電力の周波数を最適周波数に調整することができる。

この発明によれば、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数が、周波数を調整可能な所定の周波数帯に確実に含まれるようにすることができる。その結果、送電電力の周波数を最適周波数に調整して、送電コイルと受電コイルとの間の電力伝送効率を高めることができる。

この発明の実施の形態による電力伝送システムの全体構成図である。 図１に示す送電部及び受電部の回路構成、並びに送電部から受電部への電力伝送を説明するための回路図である。 受電コイルのインダクタンスの設定範囲を説明するための図である。 図１に示す電源ＥＣＵにより実行される周波数制御及び送電電力制御の制御ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この電力伝送システムは、送電装置１０と、受電装置２０とを備える。受電装置２０は、たとえば、送電装置１０から供給され蓄えられた電力を用いて走行可能な車両等に搭載され得る。

送電装置１０は、力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路２１０と、インバータ２２０と、フィルタ回路２３０と、送電部２４０とを含む。また、送電装置１０は、電源ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２５０と、通信部２６０と、電圧センサ２７０と、電流センサ２７２とをさらに含む。

ＰＦＣ回路２１０は、交流電源１００（たとえば系統電源）から受ける交流電力を整流及び昇圧してインバータ２２０へ供給するとともに、入力電流を正弦波に近づけることで力率を改善することができる。このＰＦＣ回路２１０には、公知の種々のＰＦＣ回路を採用し得る。なお、ＰＦＣ回路２１０に代えて、力率改善機能を有しない整流器を採用してもよい。

インバータ２２０は、ＰＦＣ回路２１０から受ける直流電力を、所定の伝送周波数を有する送電電力（交流）に変換する。インバータ２２０によって生成された送電電力は、フィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ供給される。インバータ２２０は、電圧形インバータであり、インバータ２２０を構成する各スイッチング素子に逆並列に還流ダイオードが接続されている。インバータ２２０は、たとえば単相フルブリッジ回路によって構成される。

フィルタ回路２３０は、インバータ２２０と送電部２４０との間に設けられ、インバータ２２０から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路２３０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。

送電部２４０は、伝送周波数を有する交流電力（送電電力）をインバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて受け、送電部２４０の周囲に生成される電磁界を通じて、受電装置２０の受電部３１０へ非接触で送電する。送電部２４０は、受電部３１０へ非接触で送電するための共振回路を含む。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成される（後述）。

電圧センサ２７０は、インバータ２２０の出力電圧Ｖｏを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。電流センサ２７２は、インバータ２２０の出力電流Ｉｏを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。電圧センサ２７０及び電流センサ２７２の検出値に基づいて、インバータ２２０から送電部２４０へ供給される送電電力（すなわち、送電部２４０から受電装置２０へ出力される電力）を検出することができる。なお、ＰＦＣ回路２１０とインバータ２２０との間の直流ラインにおいて電圧及び電流を検出することにより送電電力を検出してもよい。

電源ＥＣＵ２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、各種センサや機器からの信号を受けるとともに、送電装置１０における各種機器の制御を行なう。一例として、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送の実行時に、インバータ２２０が送電電力（交流）を生成するようにインバータ２２０のスイッチング制御を行なう。各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

電源ＥＣＵ２５０により実行される主要な制御として、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送の実行時に、送電電力を目標に制御するためのフィードバック制御（以下「送電電力制御」とも称する。）を実行する。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の出力電圧のデューティ（duty）を調整することによって、送電電力を目標電力に制御する。なお、出力電圧のデューティとは、出力電圧波形（矩形波）の周期に対する正（又は負）の電圧出力時間の比として定義される。インバータ２２０のスイッチング素子（オン／オフデューティ０．５）の動作タイミングを変化させることによって、インバータ出力電圧のデューティを調整することができる。送電電力の目標電力は、受電装置２０の受電状況に基づいて生成され得る。この実施の形態では、受電装置２０において、受電電力の目標値と検出値との偏差に基づいて送電電力の目標電力が生成され、受電装置２０から送電装置１０へ送信される。

また、電源ＥＣＵ２５０は、上記の送電電力制御を実行するとともに、インバータ２２０においてターンオン電流を制限値以下に抑えるための制御（以下「ターンオン電流制御」とも称する。）を実行する。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の駆動周波数（スイッチング周波数）を調整することによって、ターンオン電流を制限値以下に制御する。ターンオン電流とは、インバータ２２０の出力電圧の立上り時におけるインバータ２２０の出力電流の瞬時値である。ターンオン電流が正であると、インバータ２２０の還流ダイオードに逆方向のリカバリー電流が流れ、還流ダイオードにおいて発熱すなわち損失が発生する。したがって、ターンオン電流の制限値は、たとえば０以下の所定値とされる。

なお、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の駆動周波数、すなわち送電電力の周波数を所定の周波数帯（規格等によって定められ得る。）において調整可能であり、この周波数帯を外れて周波数を調整することはできない。

さらに、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力が目標電力に制御されている下で、送電部２４０に含まれる送電コイル（後述）に流れる電流を最小にするための制御を実行する。詳細については後述するが、送電電力が目標電力に制御されている下で、送電コイルに流れる電流が小さいほど、送電部２４０（送電コイル）と受電部３１０（受電コイル）との間の電力伝送効率は高くなる。そこで、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御を実行しつつ、送電コイルに流れる電流が最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数（送電電力の周波数）を調整する。

通信部２６０は、受電装置２０の通信部３７０と無線通信するように構成され、受電装置２０から送信される送電電力の目標値（目標電力）を受信するほか、送電の開始／停止や受電装置２０の受電状況等の情報を受電装置２０とやり取りする。

一方、受電装置２０は、受電部３１０と、電気負荷３９０と、充電ＥＣＵ３６０と、通信部３７０とを含む。

受電部３１０は、送電装置１０の送電部２４０から出力される電力（交流）を、送電部２４０との間に生成される電磁界を通じて非接触で受電する。受電部３１０は、送電部２４０から非接触で受電するための共振回路を含む。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成される（後述）。そして、受電部３１０は、受電した電力を電気負荷３９０へ出力する。

電気負荷３９０は、受電部３１０によって受電される電力を受ける。電気負荷３９０は、フィルタ回路３２０と、整流部３３０と、リレー回路３４０と、蓄電装置３５０と、電圧センサ３８０と、電流センサ３８２とを含む。

フィルタ回路３２０は、受電部３１０と整流部３３０との間に設けられ、受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路３２０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。整流部３３０は、受電部３１０によって受電された交流電力を整流して蓄電装置３５０へ出力する。

蓄電装置３５０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。蓄電装置３５０は、整流部３３０から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置３５０は、その蓄えられた電力を図示しない負荷駆動装置等へ供給する。なお、蓄電装置３５０として大容量のキャパシタも採用可能である。

リレー回路３４０は、整流部３３０と蓄電装置３５０との間に設けられ、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電時にオンされる。なお、特に図示しないが、整流部３３０と蓄電装置３５０との間（たとえば、整流部３３０とリレー回路３４０との間）に、整流部３３０の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。

電圧センサ３８０は、整流部３３０の出力電圧（受電電圧）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電流センサ３８２は、整流部３３０からの出力電流（受電電流）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電圧センサ３８０及び電流センサ３８２の検出値に基づいて、受電部３１０による受電電力（蓄電装置３５０の充電電力）を検出することができる。なお、受電電力の検出については、受電部３１０とフィルタ回路３２０との間の電力線、又はフィルタ回路３２０と整流部３３０との間の電力線において、電圧及び電流を検出することにより受電電力を検出してもよい。

充電ＥＣＵ３６０は、ＣＰＵ、記憶装置、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、各種センサや機器からの信号を受けるとともに、受電装置２０における各種機器の制御を行なう。各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

充電ＥＣＵ３６０により実行される主要な制御として、充電ＥＣＵ３６０は、送電装置１０からの受電中に、受電装置２０における受電電力が所望の目標値となるように、送電装置１０における送電電力の目標値（目標電力）を生成する。具体的には、充電ＥＣＵ３６０は、受電電力の検出値と目標値との偏差に基づいて、送電装置１０における送電電力の目標値を生成する。そして、充電ＥＣＵ３６０は、生成された送電電力の目標値（目標電力）を通信部３７０によって送電装置１０へ送信する。

なお、受電電力の目標値は、所定の電力範囲内において設定され、その電力範囲において適宜変更される。たとえば、蓄電装置３５０のＳＯＣ（State Of Charge）が所定レベルに達するまでは、受電電力の目標値は、所定の電力範囲内において最大に設定され（たとえば数ｋＷ）、ＳＯＣが満充電状態に近づくと、受電電力の目標値は、所定の電力範囲内において最小に設定される（たとえば１ｋＷ以下）。すなわち、受電装置２０における受電電力は、送電装置１０において送電電力の大きさを制御することによって所定の電力範囲内に制御される。

通信部３７０は、送電装置１０の通信部２６０と無線通信するように構成され、充電ＥＣＵ３６０において生成される送電電力の目標値（目標電力）を送電装置１０へ送信するほか、電力伝送の開始／停止に関する情報を送電装置１０とやり取りしたり、受電装置２０の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を送電装置１０へ送信したりする。

この電力伝送システムにおいては、インバータ２２０から送電部２４０へ送電電力（交流）が供給される。送電部２４０及び受電部３１０の各々は、コイルとキャパシタとを含み、伝送周波数において共振するように設計されている。送電部２４０及び受電部３１０の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。

送電装置１０において、インバータ２２０から送電部２４０へ送電電力が供給されると、送電部２４０のコイルと受電部３１０のコイルとの間に形成される電磁界を通じて、送電部２４０から受電部３１０へエネルギー（電力）が移動する。受電部３１０へ移動したエネルギー（電力）は、フィルタ回路３２０及び整流部３３０を通じて蓄電装置３５０へ供給される。

図２は、図１に示した送電部２４０及び受電部３１０の回路構成、並びに送電部２４０から受電部３１０への電力伝送を説明するための回路図である。図２を参照して、送電部２４０は、送電コイル２４２と、キャパシタ２４４とを含む。キャパシタ２４４は、送電電力の力率を補償するために設けられ、送電コイル２４２に直列に接続される。送電コイル２４２のインダクタンスはＬ１であり、キャパシタ２４４のキャパシタンスはＣ１であるものとする。抵抗成分２４６は送電コイル２４２の巻線抵抗を示し、その抵抗値はｒ１であるものとする。なお、この回路図では、送電装置１０において、インバータ２２０と送電部２４０との間のフィルタ回路２３０（図１）の図示は省略されている。

受電部３１０は、受電コイル３１２と、キャパシタ３１４とを含む。キャパシタ３１４は、受電電力の力率を補償するために設けられ、受電コイル３１２に直列に接続される。受電コイル３１２のインダクタンスはＬ２であり、キャパシタ３１４のキャパシタンスはＣ２であるものとする。抵抗成分３１６は受電コイル３１２の巻線抵抗を示し、その抵抗値はｒ２であるものとする。

インピーダンス３９５は、電気負荷３９０（図１）の等価インピーダンスを示し、そのインピーダンス値はＲＬであるものとする。すなわち、インピーダンス３９５は、受電部３１０以降の負荷インピーダンスである（以下では、電気負荷３９０の等価インピーダンスＲＬを「負荷インピーダンスＲＬ」とも称する。）。なお、この負荷インピーダンスＲＬは、電気負荷３９０の回路構成、電気負荷３９０が受ける電力（受電電力）、及び電気負荷３９０に含まれる蓄電装置３５０（図１）の電圧（電気負荷３９０の電圧は蓄電装置３５０によって拘束される。）から算出することができる。

このような回路構成において、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηは、次式にて表される。

ここで、Ｉ１は送電コイル２４２に流れる電流を示し、Ｉ２は受電コイル３１２に流れる電流を示す。電気負荷３９０の電圧は、蓄電装置３５０（図１）によって拘束されるので、受電電力が一定の下では、電流Ｉ２及び負荷インピーダンスＲＬはほぼ一定となる。したがって、式（１）から、電力伝送効率ηは電流Ｉ１の２乗に反比例することが分かる。すなわち、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が小さいほど、電力伝送効率ηは高くなる。

一方、図２に示した回路図から、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１と、受電コイル３１２に流れる電流Ｉ２とには、以下の関係が成り立つ。

ここで、ωは、電流Ｉ１の周波数（インバータ２２０の駆動周波数であり、送電電力の周波数でもある。）を示す。Ｍは、送電コイル２４２と受電コイル３１２との相互インピーダンスを示す。上述のように、受電電力が一定の下では電流Ｉ２及び負荷インピーダンスＲＬはほぼ一定であるから、この式（２）は、周波数ωと電流Ｉ１との関数を示すものとみることができる。そこで、式（２）を周波数ωの関数として式（２）の導関数を算出し、算出された導関数を用いて、電流Ｉ１が最小（極小）となる周波数ωを示す最適周波数ωｏｐを次式にて求めることができる。

したがって、受電装置２０における受電電力は一定に制御されるものとして、送電電力の周波数ω（インバータ２２０の駆動周波数）を最適周波数ωｏｐに調整することによって、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１は最小となり、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率η（式（１））を高めることができる。

ここで、送電電力の周波数ωは、所定の周波数帯域内とすることが規格等によって定められており、この所定の周波数帯を外れて周波数ωを調整することはできない。したがって、電力伝送システムの回路設計（特に受電コイル３１２のインダクタンスＬ２）によっては、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる最適周波数ωｏｐが上記の周波数帯に存在せず、周波数ωを最適周波数ωｏｐに調整できない可能性がある。

そこで、この実施の形態に従う電力伝送システムにおいては、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる周波数ωを示す最適周波数ωｏｐが、インバータ２２０によって周波数ωを調整可能な所定の周波数帯に含まれるように、受電コイル３１２のインダクタンスＬ２が設定される。これにより、周波数ωを調整可能な所定の周波数帯において、周波数ωを最適周波数ωｏｐに調整することができる。その結果、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηを高めることができる。

以下、周波数ωを調整可能な所定の周波数帯に最適周波数ωｏｐが含まれるようにするための、インダクタンスＬ２の設定の考え方について説明する。上記の式（３）をインダクタンスＬ２について整理すると次式が得られる。

ここで、受電コイル３１２の巻線抵抗ｒ２は、負荷インピーダンスＲＬに比べて十分に小さいので省略している。

周波数ωを調整可能な所定の周波数帯をωｍｉｎ≦ω≦ωｍａｘとすると、負荷インピーダンスＲＬが一定（ＲＬ０とする。）の場合、最適周波数ωｏｐが上記の周波数帯に含まれるには、式（４）からインダクタンスＬ２をＬ２（ωｍａｘ，ＲＬ０）≦Ｌ２≦Ｌ２（ωｍｉｎ，ＲＬ０）の範囲に設定すればよい。

一方で、負荷インピーダンスＲＬは、電気負荷３９０が受ける電力（受電電力）によって変化する。受電電力の電圧は、蓄電装置３５０（図１）によって拘束されるので、たとえば、フィルタ回路３２０（図１）が４次のＬＣフィルタで構成される場合には、受電電力が大きいほど負荷インピーダンスＲＬは小さくなり、受電電力が小さいほど負荷インピーダンスＲＬは大きくなる。

そして、受電電力は、上述のように所定の電力範囲内において適宜変更され得る。所定の電力範囲における負荷インピーダンスＲＬの最小値及び最大値をそれぞれＲＬｍｉｎ，ＲＬｍａｘとすると、ＲＬｍｉｎ≦ＲＬ０≦ＲＬｍａｘである任意の負荷インピーダンスＲＬ０について、Ｌ２（ωｍａｘ，ＲＬ０）≦Ｌ２（ωｍａｘ，ＲＬｍａｘ）、及びＬ２（ωｍｉｎ，ＲＬｍｉｎ）≦Ｌ２（ωｍｉｎ，ＲＬ０）が成り立つ。

そこで、この実施の形態に従う電力伝送システムでは、上記の検討に基づいて、図３に示されるように、式（４）を用いてインダクタンスＬ２が以下の範囲に設定される。

すなわち、インダクタンスＬ２の下限（Ｌ２（ωｍａｘ，ＲＬｍａｘ））は、最適周波数ωｏｐが最大周波数ωｍａｘであり、かつ、負荷インピーダンスＲＬを受電電力の電力範囲における最大値ＲＬｍａｘとした場合に、式（３）から算出されるＬ２の値である。また、インダクタンスＬ２の上限（Ｌ２（ωｍｉｎ，ＲＬｍｉｎ））は、最適周波数ωｏｐが最小周波数ωｍｉｎであり、かつ、負荷インピーダンスＲＬを受電電力の電力範囲における最小値ＲＬｍｉｎとした場合に、式（３）から算出されるＬ２の値である。

受電コイル３１２のインダクタンスＬ２を式（５）で示される範囲に設定することにより、周波数ωを調整可能な所定の周波数帯（ωｍｉｎ≦ω≦ωｍａｘ）、及び受電電力の所定の電力範囲において、最適周波数ωｏｐが上記の周波数帯に含まれるようにすることができる。したがって、この実施の形態によれば、周波数ωを調整可能な所定の周波数帯において、周波数ωを最適周波数ωｏｐに調整することができる。その結果、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηを高めることができる。

図４は、図１に示した電源ＥＣＵ２５０により実行される周波数制御及び送電電力制御の制御ブロック図である。図４を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、コントローラ４２０，４４０と、最適周波数算出部４５０とを含む。

コントローラ４２０は、送電電力の目標値を示す目標電力Ｐｓｒと送電電力Ｐｓとの偏差に基づいて、インバータ２２０の出力電圧のデューティ指令値を生成する。コントローラ４２０は、たとえば、目標電力Ｐｓｒと送電電力Ｐｓとの偏差を入力とするＰＩ制御（比例積分制御）等を実行することによって操作量を算出し、その算出された操作量をデューティ指令値とする。これにより、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒに近づくように出力電圧のデューティが調整され、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒに制御される。

最適周波数算出部４５０は、上記の式（３）を用いて、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる周波数ωを示す最適周波数ωｏｐを算出し、算出された最適周波数ωｏｐをコントローラ４４０へ出力する。なお、式（３）において、負荷インピーダンスＲＬは、電気負荷３９０（図１）の回路構成、蓄電装置３５０の電圧（略一定）、及び電気負荷３９０の受電電力Ｐｃから算出することができる。

コントローラ４４０は、ターンオン電流Ｉｔが制限値を超えない範囲でインバータ２２０の駆動周波数（スイッチング周波数）が最適周波数ωｏｐとなるように、インバータ２２０の駆動周波数の指令値を生成する。ターンオン電流Ｉｔは、電圧センサ２７０（図１）により出力電圧Ｖｏの立上りが検出されたときの電流センサ２７２（図１）の検出値（瞬時値）である。

なお、コントローラ４４０は、最適周波数ωｏｐの近傍において、電流Ｉ１が最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数指令値を調整してもよい。最適周波数ωｏｐは式（３）に基づく理論値であり、回路の設計値と実際の性能とに差がある場合に、このような電流Ｉ１に基づくフィードバック制御によって設計誤差を補償するものである。

そして、受電コイル３１２のインダクタンスＬ２は、式（５）の範囲に設定されているので、上記のように設定される最適周波数ωｏｐは、インバータ２２０の可動周波数（ωｍｉｎ≦ω≦ωｍａｘ）に含まれることとなる。したがって、インバータ２２０の駆動周波数（送電電力の周波数）を最適周波数ωｏｐに制御することにより、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηを高めることができる。

以上のように、この実施の形態においては、受電コイル３１２のインダクタンスＬ２が式（５）で示される範囲に設定されるので、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる最適周波数ωｏｐは、送電電力の周波数ω（インバータ２２０の駆動周波数）を調整可能な所定の周波数帯（ωｍｉｎ≦ω≦ωｍａｘ）に含まれる。したがって、この実施の形態によれば、送電電力の周波数ω（インバータ２２０の駆動周波数）を最適周波数ωｏｐに調整して、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηを高めることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 送電装置、２０ 受電装置、１００ 交流電源、２１０ ＰＦＣ回路、２２０ インバータ、２３０，３２０ フィルタ回路、２４０ 送電部、２４２ 送電コイル、２４４，３１４ キャパシタ、２４６，３１６ 抵抗成分、２５０ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，３８２ 電流センサ、３１０ 受電部、３１２ 受電コイル、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、３９５ インピーダンス、４２０，４４０ コントローラ、４５０ 最適周波数算出部。

Claims (2)

1. 送電装置から磁界を通じて非接触で受電する非接触受電装置であって、
   前記送電装置は、所定の周波数帯において送電電力の周波数を調整可能に構成され、
   前記非接触受電装置によって受電される電力は、前記送電装置において前記送電電力の大きさを制御することによって所定の電力範囲内に制御され、
   前記送電装置の送電コイルから磁界を通じて非接触で受電する受電コイルと、
   前記受電コイルと共振回路を形成するキャパシタと、
   前記受電コイルによって受電される電力を受ける電気負荷とを備え、
   前記受電コイルのインダクタンスは、第１の値と前記第１の値よりも大きい第２の値との間に設定され、
   前記第１及び第２の値の各々は、所定の受電電力において前記送電コイルに流れる電流が最小となる前記周波数を示す最適周波数を算出する第１の式を用いて算出され、
   前記第１の式は、前記受電コイルのインダクタンスと、前記キャパシタのキャパシタンスと、前記電気負荷のインピーダンスと、前記周波数と、前記送電コイルに流れる電流との関係を示す第２の式から、前記送電コイルに流れる電流が最小となる前記周波数を算出することにより導出され、
   前記第１の値は、前記最適周波数が前記周波数帯の最大周波数であり、かつ、前記インピーダンスを前記電力範囲における最大値とした場合に、前記第１の式から算出される前記インダクタンスであり、
   前記第２の値は、前記最適周波数が前記周波数帯の最小周波数であり、かつ、前記インピーダンスを前記電力範囲における最小値とした場合に、前記第１の式から算出される前記インダクタンスである、非接触受電装置。
2. 送電装置と、
   受電装置とを備え、
   前記送電装置は、
   受電装置へ磁界を通じて非接触で送電する送電コイルと、
   前記受電装置によって受電される電力が所定の電力範囲内に制御されるように送電電力の大きさを制御するとともに、所定の周波数帯において送電電力の周波数を調整するインバータとを含み、
   前記受電装置は、
   前記送電コイルから磁界を通じて非接触で受電する受電コイルと、
   前記受電コイルと共振回路を形成するキャパシタと、
   前記受電コイルによって受電される電力を受ける電気負荷とを含み、
   前記受電コイルのインダクタンスは、第１の値と前記第１の値よりも大きい第２の値との間に設定され、
   前記第１及び第２の値の各々は、所定の受電電力において前記送電コイルに流れる電流が最小となる前記周波数を示す最適周波数を算出する第１の式を用いて算出され、
   前記第１の式は、前記受電コイルのインダクタンスと、前記キャパシタのキャパシタンスと、前記電気負荷のインピーダンスと、前記周波数と、前記送電コイルに流れる電流との関係を示す第２の式から、前記送電コイルに流れる電流が最小となる前記周波数を算出することにより導出され、
   前記第１の値は、前記最適周波数が前記周波数帯の最大周波数であり、かつ、前記インピーダンスを前記電力範囲における最大値とした場合に、前記第１の式から算出される前記インダクタンスであり、
   前記第２の値は、前記最適周波数が前記周波数帯の最小周波数であり、かつ、前記インピーダンスを前記電力範囲における最小値とした場合に、前記第１の式から算出される前記インダクタンスである、電力伝送システム。

Images