JP2017099097A - 非接触電力伝送システム - 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の推定精度を向上させる。
【解決手段】電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０により生成される送電電力の周波数を制御する。受電装置２０の短絡回路３１６は、受電部３１０と電気負荷３９０との間で電力線対を短絡可能に構成される。電源ＥＣＵ２５０は、短絡回路３１６が作動した状態で、送電電力の周波数を制御可能範囲において走査し、受電部３１０に流れる電流Ｉ２に対する送電部２４０に流れる電流Ｉ１の比が最小となる周波数を検出することによって共振周波数を推定する。電源ＥＣＵ２５０は、推定された共振周波数を、電流Ｉ１が最小となる最適周波数を算出するための式に用いることによって、最適周波数を精度よく推定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、非接触電力伝送システムに関し、特に、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムに関する。

送電装置から受電装置へ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、送電電力が一定の下では、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。

送電コイルに流れる電流の検出値を用いるフィードバック制御により、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数を探索することが可能であるが、フィードバック制御では、最適周波数の探索に時間がかかる可能性がある。理論式を用いて最適周波数を予め推定することができれば、送電コイルに流れる電流が最小となる動作点に早期に到達することができる。しかしながら、理論式に用いられるパラメータの精度が悪いと、推定される最適周波数の精度も悪くなってしまう。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触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の推定精度を向上させることである。

この発明によれば、非接触電力伝送システムは、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムである。送電装置は、送電コイルと、電源部と、制御部とを含む。送電コイルは、受電装置へ非接触で送電する。電源部は、所定の周波数の送電電力を生成して送電コイルへ供給する。制御部は、送電電力が一定の下で送電コイルに流れる電流が最小となるように、電源部により生成される送電電力の周波数を制御する。受電装置は、受電コイルと、キャパシタと、電気負荷と、短絡回路とを含む。受電コイルは、送電コイルから非接触で受電する。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、共振回路によって受電される電力を受ける。短絡回路は、共振回路と電気負荷との間で電力線対を短絡可能に構成される。制御部は、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最適周波数に、送電電力の周波数を調整するための制御を実行する。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、送電電力の周波数と、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。この第１の式は、インダクタンスとキャパシタンスとから算出される共振回路の共振周波数をパラメータとして含む。そして、制御部は、短絡回路によって電力線対が短絡された状態で、送電電力の周波数を制御可能範囲において走査して、受電コイルに流れる電流に対する送電コイルに流れる電流の比が最小となる周波数を検出することによって共振周波数を推定する。制御部は、さらに、推定された共振周波数を第１の式に用いることによって最適周波数を算出する。

この非接触電力伝送システムにおいては、送電コイルに流れる電流が最小となる最適周波数が第１の式を用いて算出される。この第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から算出される共振回路の共振周波数をパラメータとして含む。そして、この非接触電力伝送システムでは、短絡回路によって電力線対が短絡された状態で、送電電力の周波数を制御可能範囲において走査して、受電コイルに流れる電流に対する送電コイルに流れる電流の比が最小となる周波数が検出される。短絡回路によって電力線対を短絡することにより、電気負荷のインピーダンスを略０とみることができるので、この場合に、送電コイルに流れる電流（詳細には、受電コイルに流れる電流に対する送電コイルに流れる電流の比）が最小となる周波数を共振回路の共振周波数として推定することができる。この非接触電力伝送システムによれば、推定された共振周波数を第１の式に用いることによって最適周波数が算出されるので、共振周波数に設計値を用いる場合に比べて最適周波数の推定精度が向上する。

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の推定精度を向上させることができる。その結果、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。

実施の形態１による非接触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構成を説明する回路図である。 電力一定の下で送電電力の周波数を制御可能範囲において走査したときの｜Ｉ１／Ｉ２｜²の変化を示した図である。 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。 電源ＥＣＵにより実行される最適周波数推定処理の手順を説明するフローチャートである。 実施の形態２による非接触電力伝送システムの全体構成図である。 図６に示す送電部及び受電部並びに受電装置のフィルタ回路の構成を説明する回路図である。 実施の形態２における電源ＥＣＵにより実行される最適周波数推定処理の手順を説明するフローチャートである。

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。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による非接触電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この非接触電力伝送システム１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２７２，２７４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。電流センサ２７４は、送電部２４０を流れる電流Ｉ１を検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。

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、送電電力を目標に一致させるための制御（以下「送電電力制御」とも称する。）を実行する。この実施の形態１では、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１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、送電電力が一定の下で送電部２４０に含まれる送電コイル（後述）に流れる電流Ｉ１を最小にするための制御（以下「送電コイル電流最小制御」とも称する。）を実行する。詳細については後述するが、電力が一定の状態において、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Ｉ１が最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数（インバータ２２０のスイッチング周波数であり、送電電力の周波数でもある。）を調整する。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しない。

さらに、電源ＥＣＵ２５０は、送電コイル電流最小制御において、送電部２４０の送電コイルに流れる電流Ｉ１が最小となる周波数を示す最適周波数を算出する所定の理論式を用いて、インバータ２２０の駆動周波数（送電電力の周波数）を上記理論式から算出される最適周波数に調整するための制御を実行する。そして、電源ＥＣＵ２５０は、その理論式による最適周波数の推定精度を高めるために、送電コイル電流最小制御（及び送電電力制御）が実行される前に、受電装置２０の受電部３１０を構成する共振回路（後述）の共振周波数を推定する。すなわち、最適周波数を算出する所定の理論式には、上記の共振周波数がパラメータとして含まれるところ、電源ＥＣＵ２５０により共振周波数が推定され、その推定された共振周波数が上記の理論式に用いられる。最適周波数を算出する理論式、及び共振周波数の推定手法については、後ほど詳しく説明する。

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、短絡回路３１６と、電流センサ３８４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、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。

短絡回路３１６は、受電部３１０と電気負荷３９０との間に設けられ、受電部３１０と電気負荷３９０との間の電力線対を短絡可能に構成される。短絡回路３１６は、充電ＥＣＵ３６０から駆動信号を受けると、受電部３１０と電気負荷３９０との間の電力線対を短絡する。後述のように、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電前に受電部３１０の共振回路の共振周波数が推定される際に、短絡回路３１６は、充電ＥＣＵ３６０からの駆動信号に応答して受電部３１０と電気負荷３９０との間の電力線対を短絡する。短絡回路３１６は、たとえばリレーによって構成される。

電流センサ３８４は、受電部３１０に流れる電流Ｉ２を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。この電流センサ３８４は、短絡回路３１６の作動時にも受電部３１０に流れる電流Ｉ２を検出できるように、短絡回路３１６よりも受電部３１０側に設けられる。

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による蓄電装置３５０の充電中に、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。

また、送電装置１０の電源ＥＣＵ２５０において、受電部３１０を構成する共振回路の共振周波数の推定が行なわれるとき、充電ＥＣＵ３６０は、短絡回路３１６へ駆動信号を出力する。後ほど詳しく説明するが、受電部３１０と電気負荷３９０との間の電力線対を短絡回路３１６によって短絡することにより電気負荷３９０のインピーダンスを略０とみることができ、この場合に、送電装置１０の送電部２４０に流れる電流Ｉ１が最小となる周波数を上記共振回路の共振周波数として推定することができる。

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。

この非接触電力伝送システム１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の送電コイルと受電部３１０の受電コイルとの間に形成される磁界を通じて、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、電気負荷３９０へ供給され、蓄電装置３５０が充電される。

図２は、図１に示した送電部２４０及び受電部３１０の構成を説明する回路図である。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。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。なお、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。

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。そして、受電部３１０と電気負荷３９０との間に短絡回路３１６が設けられている。

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。また、ｒ１は送電コイル２４２の巻線抵抗を示し、ｒ２は受電コイル３１２の巻線抵抗を示す。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、受電電力一定の下では、電流Ｉ２及び負荷インピーダンスＲＬは略一定となる。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、受電電力一定の下では電流Ｉ２及び負荷インピーダンスＲＬは略一定であるから、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。

なお、受電コイル３１２（インダクタンスＬ２）とキャパシタ３１４（キャパシタンスＣ２）とによって構成される共振回路の共振周波数ωｃは、ωｃ＝１／√（Ｌ２・Ｃ２）と表せるので、上記の式（３）は、共振周波数ωｃを用いて以下のように表すことができる。

したがって、送電電力の周波数ω（インバータ２２０の駆動周波数）を、式（４）で示される最適周波数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。

送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１の検出値を用いるフィードバック制御により、電流Ｉ１が実際に最小となる最適周波数を探索することは可能であるが、フィードバック制御では、最適周波数の探索に時間がかかる可能性がある。上記の式（４）を用いて最適周波数ωｏｐを予め推定することができれば、電流Ｉ１が最小となる動作点に早期に到達することができる。しかしながら、式（４）に用いられるパラメータ（特に共振周波数ωｃ）の精度が悪いと、推定される最適周波数ωｏｐの精度も悪くなってしまう。

そこで、この実施の形態１に従う非接触電力伝送システム１においては、共振周波数ωｃ（受電コイル３１２とキャパシタ３１４とによって構成される共振回路の共振周波数）が推定される。具体的には、最適周波数ωｏｐを用いた送電コイル電流最小制御や送電電力制御の実行前（送電装置１０により蓄電装置３５０の充電が開始される前）に、送電装置１０から受電装置２０へ一定の小電力を出力するとともに、受電装置２０において短絡回路３１６を作動させる。そして、その状態で、送電電力の周波数を制御可能範囲において走査し、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる周波数ωｅを検出する。詳細には、電力一定の下では周波数ωと電流Ｉ１との関数を示す式（２）に基づいて、｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小となる周波数ωｅが検出される。

図３は、電力一定の下で送電電力の周波数を制御可能範囲において走査したときの｜Ｉ１／Ｉ２｜²の変化を示した図である。なお、受電装置２０において、短絡回路３１６により受電部３１０の出力は短絡されている。図３を参照して、横軸は送電電力の周波数を示し、縦軸は｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値を示す。周波数ω１，ω２は、規格等によって定められ得る制御可能範囲の上下限値を示し、送電電力の周波数（インバータ２２０の駆動周波数）は、ω１以上ω２以下の範囲内で調整可能である。

｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値は、周波数ωｅにおいて略０の最小値となり、この周波数ωｅは、受電コイル３１２とキャパシタ３１４とによって構成される共振回路の共振周波数ωｃとなる。この点について上記の式（２）を参照して説明すると、短絡回路３１６によって受電部３１０の出力が短絡された状態では、式（２）において電気負荷３９０のインピーダンスＲＬを０とすることができる。また、受電コイル３１２の巻線抵抗ｒ２も、その値は無視できるほど小さい。そうすると、受電部３１０の出力が短絡された状態では、｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小となる周波数ωｅは、ω・Ｌ２−１／（ω・Ｃ２）が０となる周波数すなわちω＝√（Ｌ２・Ｃ２）であり、これは共振周波数ωｃであることが分かる。

そして、この実施の形態１に従う非接触電力伝送システム１においては、上記のようにして推定された共振周波数ωｃが式（４）に用いられる。すなわち、この実施の形態１によれば、推定された共振周波数ωｃを式（４）に用いることによって最適周波数ωｏｐが算出されるので、式（４）において共振周波数ωｃに設計値を用いる場合に比べて最適周波数ωｏｐの推定精度が向上する。

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４２０，４３０と、最適周波数算出部４４０と、演算部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４４０は、上記の式（４）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を演算部４５０へ出力する。なお、式（４）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４３０は、電流Ｉ１の検出値に基づいて、電流Ｉ１が最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数の指令値を調整する。コントローラ４３０には、たとえば、公知の極値探索フィードバック制御を適用することができる。一例として、電流Ｉ１の検出値をハイパスフィルタを通過させて直流成分を除去した値に振動信号を乗算し、その後ローパスフィルタを通過させて得られる直流成分を積分し、その積分値に上記振動信号を加算して得られる値を周波数のフィードバック指令値とすることができる。

演算部４５０は、最適周波数算出部４４０によって算出される最適周波数ωｏｐに、コントローラ４３０からのフィードバック指令値を加算し、その加算値をインバータ２２０の駆動周波数の指令値とする。これにより、電流Ｉ１が最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数ωが調整され、電流Ｉ１は最小値に制御される。

なお、最適周波数算出部４４０とコントローラ４３０との機能分担については、最適周波数算出部４４０が式（４）に基づくフィードフォワード制御であるのに対し、コントローラ４３０は電流Ｉ１の検出値に基づくフィードバック制御である。そして、最適周波数算出部４４０によって算出される最適周波数ωｏｐの推定精度は、上述のように式（４）に共振周波数ωｃの推定値を用いることによって高められる一方で、それでも最終的に残る推定誤差をコントローラ４３０によるフィードバック制御で補償する。最適周波数算出部４４０によって算出される最適周波数ωｏｐの推定精度が高められることで、コントローラ４３０のフィードバック制御による真の最適周波数の探索時間を十分に短縮することができる。

図５は、電源ＥＣＵ２５０により実行される最適周波数推定処理の手順を説明するフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、送電装置１０による蓄電装置３５０（図１）の充電が開始される前、すなわち図４に示した周波数制御及び送電電力制御が作動する前に実行される。一例として、このフローチャートに示される処理は、受電部３１０と送電部２４０との位置合わせの終了後、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電が開始される前に実行される。

図５を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０が一定の小電力を出力するようにインバータ２２０を制御する（ステップＳ１０）。なお、この小電力の大きさは、受電部３１０において受電電力を検出可能であり、かつ、送電装置１０において過電流が生じないレベルに設定される。また、この時点では、小電力の周波数（インバータ２２０の駆動周波数）は、制御可能範囲（図３に示したω１以上ω２以下）であれば任意であり、たとえば最小周波数のω１に設定される。

次いで、電源ＥＣＵ２５０は、受電装置２０の短絡回路３１６（図１）の作動（リレーオン）を指示する指令を通信部２６０を通じて受電装置２０へ送信する（ステップＳ２０）。そして、短絡回路３１６の作動が確認されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、最適周波数算出部４４０（図４）において用いられる共振周波数ωｃを推定するために、周波数走査処理を実行する（ステップＳ４０）。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の駆動周波数を制御可能範囲（図３のω１以上ω２以下）において走査し、各周波数における｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値を検出する。なお、電流Ｉ２については、受電装置２０において検出されるので、電源ＥＣＵ２５０は、電流Ｉ２の検出値を受電装置２０から通信部２６０を通じて受信する。

そして、電源ＥＣＵ２５０は、｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小（極小）となる周波数ωｅを共振周波数ωｃとして推定する（ステップＳ５０）。受電装置２０において短絡回路３１６により受電部３１０の出力が短絡された状態では、上述のように、周波数ωｅは共振周波数ωｃとして推定可能である。

周波数走査処理が実行され、共振周波数ωｃが推定されると、電源ＥＣＵ２５０は、推定された共振周波数ωｃを式（４）に代入し、最適周波数算出部４４０における最適周波数ωｏｐ（フィードフォワード制御項）を算出する（ステップＳ６０）。その後、電源ＥＣＵ２５０は、受電装置２０の短絡回路３１６の停止（リレーオフ）を指示する指令を通信部２６０を通じて受電装置２０へ送信する（ステップＳ７０）。そして、短絡回路３１６の停止が確認されると（ステップＳ８０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電を実行する充電処理を開始する（ステップＳ９０）。そして、充電処理の開始とともに、図４に示した周波数制御及び送電電力制御が作動する。

以上のように、この実施の形態１においては、受電装置２０に設けられた短絡回路３１６によって電力線対が短絡された状態で、送電電力の周波数が制御可能範囲において走査され、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が最小となる周波数ωｅが検出される。短絡回路３１６によって受電部３１０の出力を短絡することにより、電気負荷３９０のインピーダンスＲＬを略０とみることができるので、この場合に、電流Ｉ１が最小となる周波数ωｅを共振周波数ωｃとして推定することができる。そして、この実施の形態１によれば、推定された共振周波数ωｃを上記の式（４）に用いることによって最適周波数ωｏｐが算出されるので、共振周波数ωｃに設計値を用いる場合に比べて最適周波数ωｏｐの推定精度が向上する。

［実施の形態２］
上記の実施の形態１では、共振周波数ωｃを推定する際に受電装置２０において電力線対を短絡する短絡回路３１６は、受電部３１０と電気負荷３９０との間、具体的には受電部３１０とフィルタ回路３２０との間に設けられるものとしたが、そのような短絡回路は、フィルタ回路３２０と整流部３３０との間に設けられてもよい。

すなわち、送電装置から非接触で受電する受電装置においては、受電中に蓄電装置の充電電圧について過電圧が検出された場合に、フィルタ回路と整流部との間に設けられるクローバー回路（短絡回路）によって電力線対を短絡させることが行なわれ得る。クローバー回路を作動させると、送電装置からみた受電装置側のインピーダンスが低下し、その結果、送電装置における電流が急激に増加する。送電装置では、この電流の急増を検知することによって、受電装置において過電圧が生じたことを検知することができる。

そして、この実施の形態２は、このようなクローバー回路（短絡回路）を利用して、実施の形態１と同様に共振周波数ωｃを推定するものである。

図６は、実施の形態２による非接触電力伝送システムの全体構成図である。図６を参照して、この非接触電力伝送システム１＃は、送電装置１０＃と、受電装置２０＃とを備える。

送電装置１０＃は、図１に示した送電装置１０の構成において、電源ＥＣＵ２５０に代えて電源ＥＣＵ２５０＃を含む。この電源ＥＣＵ２５０＃は、実施の形態１における電源ＥＣＵ２５０と基本的に同様の機能を有するが、最適周波数推定処理の手順が電源ＥＣＵ２５０と異なる。この点については、後ほど詳しく説明する。

受電装置２０＃は、図１に示した受電装置２０の構成において、短絡回路３１６及び電流センサ３８４に代えてそれぞれクローバー回路３２６及び電流センサ３８６を含む。なお、この受電装置２０＃においては、フィルタ回路３２０は電気負荷に含めておらず、電気負荷３９０＃は、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とを含むものとする。

クローバー回路３２６は、フィルタ回路３２０と電気負荷３９０＃との間に設けられ、フィルタ回路３２０と電気負荷３９０＃との間の電力線対を短絡可能に構成される。クローバー回路３２６は、充電ＥＣＵ３６０から駆動信号を受けると、フィルタ回路３２０と電気負荷３９０＃との間の電力線対を短絡する。送電装置１０＃による蓄電装置３５０の充電前に受電部３１０の共振周波数ωｃの推定が行なわれる際に、クローバー回路３２６は、充電ＥＣＵ３６０からの駆動信号に応答してフィルタ回路３２０と電気負荷３９０＃との間の電力線対を短絡する。クローバー回路３２６も、実施の形態１における短絡回路３１６と同様に、たとえばリレーによって構成される。

電流センサ３８６は、受電部３１０に流れる電流Ｉ２をフィルタ回路３２０の出側で検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。この電流センサ３８６は、クローバー回路３２６の作動時にも受電部３１０に流れる電流Ｉ２を検出できるように、クローバー回路３２６よりもフィルタ回路３２０側に設けられる。なお、電流センサ３８６は、受電部３１０とフィルタ回路３２０との間の電力線に設けられてもよい。

図７は、図６に示した送電部２４０及び受電部３１０並びに受電装置２０＃のフィルタ回路３２０の構成を説明する回路図である。図７を参照して、フィルタ回路３２０は、コイル３２２と、キャパシタ３２４とを含む。このフィルタ回路３２０は、受電電力の周波数（送電電力の周波数）よりも高周波の遮断周波数を有するＬＣフィルタである。なお、ここでは、フィルタ回路３２０は二次のＬＣフィルタによって構成されているが、三次以上のＬＣフィルタによってフィルタ回路３２０を構成してもよい。

インピーダンス３９７は、電気負荷３９０＃（図６）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３９７は、フィルタ回路３２０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６）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。そして、フィルタ回路３２０と電気負荷３９０＃との間にクローバー回路３２６が設けられている。

このような回路構成においては、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、ＸＬは、フィルタ回路３２０のインピーダンス（虚数成分）を示す。この式（５）は、実施の形態１における式（２）に対応するものである。式（５）を参照すると、クローバー回路３２６によってフィルタ回路３２０の出力側が短絡された状態では、式（５）において電気負荷３９０＃のインピーダンスＲＬ＃を０とすることができる。受電コイル３１２の巻線抵抗ｒ２も、その値は無視できるほど小さい。しかしながら、式（５）はフィルタ回路３２０のインピーダンス（虚数成分）ＸＬを含むので、｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小となる周波数ωｅと共振周波数ωｃとには、ＸＬ項の影響によるズレが生じる。

そこで、この実施の形態２では、周波数走査によって｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小となる周波数ωｅを検出し、その周波数ωｅを補正することによって共振周波数ωｃが推定される。補正量は、たとえばフィルタ回路３２０によって決まる定数とすることができ、フィルタ回路の構成に応じて予め求めておくことができる。

そして、上記のようにして推定された共振周波数ωｃが上記の式（４）に用いられる。したがって、この実施の形態２によっても、推定された共振周波数ωｃを式（４）に用いることによって最適周波数ωｏｐが算出されるので、式（４）において共振周波数ωｃに設計値を用いる場合に比べて最適周波数ωｏｐの推定精度が向上する。

図８は、実施の形態２における電源ＥＣＵ２５０＃により実行される最適周波数推定処理の手順を説明するフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理も、送電装置１０＃による蓄電装置３５０（図６）の充電が開始される前に実行される。

図８を参照して、電源ＥＣＵ２５０＃は、インバータ２２０が一定の小電力を出力するようにインバータ２２０を制御する（ステップＳ１１０）。この処理は、図５に示したステップＳ１０において実行される処理と同じである。

次いで、電源ＥＣＵ２５０＃は、受電装置２０＃のクローバー回路３２６（図６）の作動（リレーオン）を指示する指令を通信部２６０を通じて受電装置２０＃へ送信する（ステップＳ１２０）。そして、クローバー回路３２６の作動が確認されると（ステップＳ１３０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０＃は、周波数走査処理を実行する（ステップＳ１４０）。この周波数走査処理は、図５に示したステップＳ４０において実行される処理と同じであり、インバータ２２０の駆動周波数が制御可能範囲において走査され、各周波数における｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が検出される。

周波数走査処理において、電源ＥＣＵ２５０＃は、｜Ｉ１／Ｉ２｜²の値が最小（極小）となる周波数ωｅを検出する（ステップＳ１５２）。そして、電源ＥＣＵ２５０＃は、受電装置２０＃のフィルタ回路３２０の情報を取得し（ステップＳ１５４）、その取得した情報に基づいて周波数ωｅを補正する（ステップＳ１５６）。この周波数ωｅの補正は、上述のように、フィルタ回路３２０のインピーダンス（虚数成分）ＸＬの影響を補正するものであり、補正量は、たとえば、フィルタ回路３２０に応じて予め求められた定数とすることができる。そして、電源ＥＣＵ２５０＃は、ステップＳ１５６において補正された周波数ωｅを共振周波数ωｃとして推定する（ステップＳ１５８）。

周波数走査処理が実行され、共振周波数ωｃが推定されると、電源ＥＣＵ２５０＃は、推定された共振周波数ωｃを式（４）に代入し、最適周波数算出部４４０（図４）における最適周波数ωｏｐ（フィードフォワード制御項）を算出する（ステップＳ１６０）。その後、電源ＥＣＵ２５０＃は、受電装置２０＃のクローバー回路３２６の停止（リレーオフ）を指示する指令を通信部２６０を通じて受電装置２０＃へ送信する（ステップＳ１７０）。そして、クローバー回路３２６の停止が確認されると（ステップＳ１８０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０＃は、送電装置１０＃による蓄電装置３５０の充電を実行する充電処理を開始する（ステップＳ１９０）。

以上のように、この実施の形態２においては、受電装置２０＃に設けられたクローバー回路３２６を用いることによって共振周波数ωｃが推定される。そして、推定された共振周波数ωｃを上記の式（４）に用いることによって最適周波数ωｏｐが算出されるので、この実施の形態２によれば、共振周波数ωｃに設計値を用いる場合に比べて最適周波数ωｏｐの推定精度が向上する。

なお、上記において、インバータ２２０は、この発明における「電源部」の一実施例に対応し、電源ＥＣＵ２５０，２５０＃は、この発明における「制御部」の一実施例に対応する。また、短絡回路３１６又はクローバー回路３２６は、この発明における「短絡回路」の一実施例に対応する。

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。

１，１＃ 非接触電力伝送システム、１０，１０＃ 送電装置、２０，２０＃ 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、２５０ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，２７４，３８２，３８４，３８６ 電流センサ、３１０ 受電部、３１２ 受電コイル、３１６，３２６ 短絡回路、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、３９０，３９０＃ 電気負荷、３９５，３９７ インピーダンス、４２０，４３０ コントローラ、４４０ 最適周波数算出部、４５０ 演算部。

Claims (1)

1. 送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、
   前記送電装置は、
   前記受電装置へ非接触で送電する送電コイルと、
   所定の周波数の送電電力を生成して前記送電コイルへ供給する電源部と、
   前記送電電力が一定の下で前記送電コイルに流れる電流が最小となるように、前記電源部により生成される前記送電電力の周波数を制御する制御部とを含み、
   前記受電装置は、
   前記送電コイルから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、
   前記共振回路によって受電される電力を受ける電気負荷と、
   前記共振回路と前記電気負荷との間で電力線対を短絡可能に構成された短絡回路とを含み、
   前記制御部は、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る前記最適周波数に、前記周波数を調整するための制御を実行し、
   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の式は、前記インダクタンスと前記キャパシタンスとから算出される前記共振回路の共振周波数をパラメータとして含み、
   前記制御部は、前記短絡回路によって前記電力線対が短絡された状態で、前記周波数を制御可能範囲において走査して、前記受電コイルに流れる電流に対する前記送電コイルに流れる電流の比が最小となる前記周波数を検出することによって前記共振周波数を推定し、
   前記制御部は、さらに、推定された前記共振周波数を前記第１の式に用いることによって前記最適周波数を算出する、非接触電力伝送システム。

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