JP2019213365A - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い電力伝送効率と高い力率とを確保可能な非接触電力伝送システムを提供する。【解決手段】送電装置は、第１のコイルを含んで構成される第１の共振回路（送電部）と、インバータと、フィルタ回路とを備える。インバータは、所定の周波数調整範囲において送電電力の周波数ｆを調整可能である。受電装置は、第２のコイルを含んで構成される第２の共振回路（受電部）を備える。そして、第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が小さい第１の領域よりもコイル間の距離が大きい第２の領域において、第１の共振回路の共振周波数ｆ１及び第２の共振回路の共振周波数ｆ２は、上記の周波数調整範囲に含まれ、かつ、その周波数調整範囲の下限ｆＬよりも上限ｆＵに近い。【選択図】図３

Description

本開示は、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非接触電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜５参照）。このような非接触電力伝送システムにおいて、特開２０１３−２４３８８２号公報（特許文献６）には、送電装置の送電部及び受電装置の受電部の少なくとも一方に容量切替機構を設け、送電部から受電部への電力伝送効率がより大きくなるように容量切替機構を操作することが開示されている（特許文献６参照）。

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 特開２０１３−２４３８８２号公報

送電部のコイルと受電部のコイルとの間の距離が大きいほど、コイル間の結合係数は小さくなる。結合係数が小さい場合に送電部から受電部への電力伝送効率を高めるために、特許文献６に記載の非接触電力伝送システムでは、容量切替機構を設けてインピーダンスを調整し、電力伝送効率を高めている。

しかしながら、非接触電力伝送システムが車両への大電力給電に用いられるような場合には、送電部及び受電部には数ｋＶレベルの高電圧がかかり得るため、上記の容量切替機構には高い耐圧性が求められる。そのため、上記のような容量切替機構が設けられる送電部及び／又は受電部の体格が増加するとともにコストも高くなる。

また、システム全体としての効率化を図るためには、送電部から受電部への電力伝送効率とともに、送電の力率を改善することも必要である。

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、上記のような容量切替機構を設けることなく、高い電力伝送効率と高い力率とを確保可能な非接触電力伝送システムを提供することである。

本開示における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って、送電装置は、第１の共振回路（送電部）と、インバータと、フィルタ回路とを備える。第１の共振回路は、受電装置へ非接触で送電するための第１のコイルを含んで構成される。インバータは、交流の送電電力を生成して第１の共振回路へ供給するように構成される。フィルタ回路は、インバータと第１の共振回路との間に設けられる。インバータは、所定の周波数調整範囲において送電電力の周波数を調整可能である。受電装置は、第１の共振回路から非接触で受電するための第２のコイルを含んで構成される第２の共振回路（受電部）を備える。そして、第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が小さい第１の領域よりもコイル間の距離が大きい第２の領域において、第１の共振回路の共振周波数及び第２の共振回路の共振周波数は、上記の周波数調整範囲に含まれ、かつ、その周波数調整範囲の下限よりも上限に近い。

第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が大きく、そのためコイル間の結合係数が小さくても、インバータによって調整可能な送電電力の周波数を第２の共振回路の共振周波数に近づけることで、第１の共振回路から第２の共振回路への電力伝送効率を高めることができる。

また、システム全体の効率を高めるためには、力率の改善も必要となる。インバータと第１の共振回路（送電部）との間にフィルタ回路が設けられている場合には、第１の共振回路の共振周波数を高くすることで、力率を高めることができる（詳細は後述）。

この非接触電力伝送システムでは、コイル間の距離が大きい第２の領域において、第１の共振回路の共振周波数及び第２の共振回路の共振周波数は、周波数調整範囲に含まれ、かつ、周波数調整範囲の下限よりも上限に近い。すなわち、コイル間の結合係数が小さい場合に、第１及び第２の共振回路の共振周波数が周波数調整範囲内で相対的に高い値となるように、第１及び第２の共振回路が設計される。これにより、コイル間の距離が大きくても（結合係数が小さくても）、高い電力伝送効率を確保しつつ力率も改善することができる。

また、コイル間の距離が小さくなる（結合係数が大きくなる）に従って、第１の共振回路の共振周波数は上昇し、第２の共振回路の共振周波数は低下する（詳細は後述）。この非接触電力伝送システムでは、コイル間の距離が大きい第２の領域において、第２の共振回路の共振周波数は、周波数調整範囲の下限よりも上限に近いので、コイル間の距離が小さくなるに従って低下する第２の共振回路の共振周波数が周波数調整範囲の下限に達するまでの余裕が大きい。これは、コイル間の距離が小さくなっても、インバータにより送電電力の周波数を第２の共振回路の共振周波数に調整可能であることを意味する。したがって、この非接触電力伝送システムによれば、広範囲のコイル間の距離において（すなわち広範囲の結合係数において）、インバータにより送電電力の周波数を第２の共振回路の共振周波数に調整することができ、コイル間の効率を確保することができる。

本開示における非接触電力伝送システムによれば、高い電力伝送効率と高い力率とを確保することができる。

本開示の実施の形態に従う非接触電力伝送システムの全体構成図である。 コイル間の結合係数に応じてコイルのインダクタンスが変化することを示す図である。 コイル間の結合係数に応じて共振周波数が変化することを示す図である。 共振周波数ｆ１とコイル間効率との関係を示す図である。 共振周波数ｆ１と力率との関係を示す図である。 受電装置において所望の受電電力が確保される場合の、共振周波数ｆ１とインバータにより調整される送電電力の周波数ｆとの関係を示す図である。 参考例として、コイル間の結合係数が大きい場合に周波数調整範囲内で共振周波数ｆ１，ｆ２を一致させたときに、結合係数に応じた共振周波数を示す図である。 コイル間の結合係数とコイル間効率との関係を示す図である。 他の実施の形態に従う非接触電力伝送システムの全体構成図である。

以下、本開示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り返さない。

＜非接触電力伝送システムの全体構成＞
図１は、本開示の実施の形態に従う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は、受電装置１００と、送電装置２００とを備える。受電装置１００は、蓄電装置３００に蓄えられた電力を用いて走行可能な車両に搭載され、受電装置１００によって受電された電力は、蓄電装置３００に蓄えられる。

たとえば、受電装置１００は、車体の下面に配置され、送電装置２００は、地面に配置される。そして、受電装置１００が送電装置２００に対向するように送電装置２００に対して車両の位置合わせが行なわれた状態で、送電装置２００から受電装置１００へ磁界を通じて非接触で電力が伝送される。

送電装置２００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０と、インバータ２２０と、フィルタ回路２３０と、送電部２４０と、送電ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２５０と、通信部２６０とを含む。

ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０は、商用系統電源等の交流電源４００から受ける交流電力を直流電力に変換してインバータ２２０へ供給する。ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０は、たとえば力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路であるが、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、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０から受ける直流電力を、所定の周波数の送電電力に変換する。インバータ２２０は、送電ＥＣＵ２５０からの制御信号に従ってスイッチング周波数を変更することにより、送電電力の周波数を変更することができる。この例では、インバータ２２０は、７９ｋＨｚから９０ｋＨｚの範囲で送電電力の周波数を変更することができる。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、たとえば単相フルブリッジ回路を含んで構成される。

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。この例では、フィルタ回路２３０は、インダクタ２３２とキャパシタ２３４とを含む二次ＬＣフィルタによって構成されているが、フィルタ回路２３０の構成はこれに限定されるものではない。

送電部２４０は、コイル２４２と、キャパシタ２４４とを含む。キャパシタ２４４は、コイル２４２に直列に接続されてコイル２４２と共振回路を形成する。送電部２４０は、インバータ２２０により生成される送電電力（交流電力）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１００の受電部１１０へ非接触で送電する。形成される共振回路の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。

送電ＥＣＵ２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、送電装置２００における各種機器の制御を行なう。たとえば、送電ＥＣＵ２５０は、送電装置２００から受電装置１００への電力伝送の実行時に、所定の周波数を有する送電電力をインバータ２２０が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。

通信部２６０は、受電装置１００の通信部１７０と無線通信するように構成される。通信部２６０は、電力伝送の開始／停止に関する情報を受電装置１００とやり取りしたり、受電装置１００の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を受電装置１００から受信したりする。

受電装置１００は、受電部１１０と、フィルタ回路１２０と、整流部１３０と、キャパシタ１４０と、リレー回路１５０と、充電ＥＣＵ１６０と、通信部１７０とを含む。

受電部１１０は、コイル１１２と、キャパシタ１１４とを含む。キャパシタ１１４は、コイル１１２に直列に接続されてコイル１１２と共振回路を形成する。受電部１１０は、送電装置２００の送電部２４０から出力される電力（交流）を、磁界を通じて非接触で受電する。コイル１１２及びキャパシタ１１４を含んで形成される共振回路のＱ値も、１００以上であることが好ましい。

フィルタ回路１２０は、受電部１１０と整流部１３０との間に設けられ、受電部１１０による受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。この例では、フィルタ回路１２０は、キャパシタ１２２，１２６とインダクタ１２４とを含む三次ＬＣフィルタによって構成されているが、フィルタ回路１２０の構成はこれに限定されるものではない。

整流部１３０は、受電部１１０によって受電された交流電力を整流して蓄電装置３００へ出力する。整流部１３０は、たとえば４つのダイオードから成るダイオードブリッジ回路を含んで構成される。キャパシタ１４０は、整流部１３０の出力側に設けられ、整流部１３０の出力電圧を平滑化する。リレー回路１５０は、キャパシタ１４０と蓄電装置３００との間に設けられ、受電部１１０により受電された電力による蓄電装置３００の充電時にオン（導通状態）にされる。

充電ＥＣＵ１６０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、受電装置１００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。

通信部１７０は、送電装置２００の通信部２６０と無線通信するように構成される。通信部１７０は、電力伝送の開始／停止に関する情報を送電装置２００とやり取りしたり、受電装置１００の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を送電装置２００へ送信したりする。

蓄電装置３００は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置３００は、たとえば、リチウムイオン電池或いはニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を含んで構成される。なお、リチウムイオン二次電池は、リチウムを電荷担体とする二次電池であり、電解質が液体の一般的なリチウムイオン二次電池のほか、固体の電解質を用いた所謂全固体電池も含み得る。

この非接触電力伝送システムにおいては、送電装置２００において、インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ、所定の周波数を有する交流電力が供給される。送電部２４０へ交流電力が供給されると、送電部２４０のコイル２４２と、受電部１１０のコイル１１２との間に形成される磁界を通じて、コイル２４２からコイル１１２へエネルギー（電力）が移動する。受電部１１０へ移動したエネルギー（電力）は、フィルタ回路１２０及び整流部１３０を通じて蓄電装置３００へ供給される。

なお、送電部２４０においてキャパシタ２４４がコイル２４２に直列に接続され、かつ、受電部１１０においてキャパシタ１１４がコイル１１２に直列に接続されるような回路構成は、ＳＳ方式（一次直列二次直列方式）とも称される。

なお、特に図示しないが、コイル２４２，１１２の構造は特に限定されない。たとえば、送電部２４０と受電部１１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部１１０とが並ぶ方向に沿う軸に巻回される渦巻形状やらせん形状のコイルをコイル２４２，１１２の各々に採用することができる。或いは、送電部２４０と受電部１１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部１１０とが並ぶ方向を法線方向とするフェライト板に電線を巻回して成るコイルをコイル２４２，１１２の各々に採用してもよい。

＜共振周波数の設定＞
受電装置１００が搭載される車両の車高が積載物等によって変化すると、受電部１１０のコイル１１２と送電部２４０のコイル２４２との間の距離（以下「コイル間距離」と称する。）が変化し、コイル１１２，２４２間の結合係数が変化する。具体的には、コイル間距離が大きい（車高が高い）ほど、結合係数は小さくなる。

結合係数が小さい場合にコイル２４２からコイル１１２への電力伝送効率（以下「コイル間効率」と称する。）を高めるために、送電部２４０及び受電部１１０に容量切替機構を設けてインピーダンスを調整可能とし、コイル間効率を高めることも考えられる。しかしながら、このような容量切替機構は、送電部２４０及び受電部１１０の体格増加を招くとともにコストも高くなる。

また、システム全体としての効率化を図るためには、コイル間効率とともに、送電の力率を改善することも必要である。

そこで、本実施の形態では、送電部２４０及び受電部１１０に容量切替機構を設けることなく、高い電力伝送効率と高い力率とを確保するための手法が示される。具体的には、以下に説明されるように、コイル間距離が大きく（車高が高く）結合係数が小さい場合に、送電装置２００の共振回路の共振周波数ｆ１及び受電装置１００の共振回路の共振周波数ｆ２が、インバータ２２０による送電電力の周波数調整範囲（７９ｋＨｚ〜９０ｋＨｚ）に含まれ、かつ、その周波数調整範囲の下限よりも上限に近くなるように、各共振回路が設計される。これにより、高いコイル間効率と高い力率とを確保することが可能となる。以下、詳しく説明する。

上述のように、車高の変化に伴なってコイル間距離が変化すると、コイル１１２，２４２間の結合係数が変化する。そして、結合係数が変化すると、コイル１１２，２４２のインダクタンスが変化し、インダクタンスが変化することによって共振回路の共振周波数が変化する。

図２は、コイル１１２，２４２間の結合係数に応じてコイル１１２，２４２のインダクタンスが変化することを示す図である。図２において、横軸は、コイル１１２，２４２間の結合係数を示す。縦軸は、結合係数が小さい場合にインダクタンスが互いに同等となるコイル１１２，２４２について、結合係数が小さい場合のインダクタンスを基準として、結合係数に応じたインダクタンスの変化率を示す。なお、インダクタンスは、ＪＩＳ Ｃ５３２１に定められた測定法に準拠した方法で、インピーダンスアナライザ或いはＬＣＲメータを用いて計測されたものである。

図２を参照して、Ｌ１は、送電部２４０のコイル２４２のインダクタンスを示し、Ｌ２は、受電部１１０のコイル１１２のインダクタンスを示す。結合係数が大きくなるに従って、インダクタンスＬ１は低下し、インダクタンスＬ２は増加する。

結合係数によってインダクタンスＬ１，Ｌ２がこのような変化を示すのは、以下のとおりである。結合係数が大きいときは、コイル間距離が小さいため、送電部２４０のコイル２４２は、車体下面の金属ボディの影響を受けて漏れインダクタンスが大きくなる。その結果、結合係数が大きいときは、結合係数が小さいときに比べてコイル２４２のインダクタンスＬ１は低下する。一方、受電部１１０のコイル１１２では、コイル２４２の影響を受けて、結合係数が大きいときは、結合係数が小さいときに比べてインダクタンスＬ２が増加する。

このように結合係数に応じてインダクタンスが変化することにより、結合係数に応じて各共振回路の共振周波数が変化する。

図３は、コイル１１２，２４２間の結合係数に応じて共振周波数が変化することを示す図である。なお、図３では、送電装置２００のキャパシタ２４４，２３４及び受電装置１００のキャパシタ１１４，１２２の各々のキャパシタンスは一定である（可変キャパシタではない）。図３において、横軸は結合係数を示し、縦軸は共振回路の共振周波数を示す。周波数ｆＵ，ｆＬは、それぞれ送電電力の周波数調整範囲の上限及び下限を示す。すなわち、送電電力の周波数ｆは、インバータ２２０によって下限ｆＬから上限ｆＵの範囲で調整可能である。この例では、下限ｆＬ及び上限ｆＵは、それぞれ７９ｋＨｚ及び９０ｋＨｚである。

図３を参照して、ｆ１は、送電装置２００の共振回路の共振周波数を示し、ｆ２は、受電装置１００の共振回路の共振周波数を示す。結合係数が大きくなるに従って、共振周波数ｆ１は上昇し、共振周波数ｆ２は低下する。

結合係数によって共振周波数ｆ１，ｆ２がこのような変化を示すのは、共振周波数の計算式から理解できる。送電装置２００のキャパシタ２４４，２３４のキャパシタンスをそれぞれＣ１，Ｃ１１とし、受電装置１００のキャパシタ１１４，１２２のキャパシタンスをそれぞれＣ２，Ｃ２１とすると、共振周波数ｆ１，ｆ２はそれぞれ次式によって示される。

ｆ１＝１／２π×√（（Ｃ１＋Ｃ１１）／（Ｌ１×Ｃ１×Ｃ１１）） …（１）
ｆ２＝１／２π×√（（Ｃ２＋Ｃ２１）／（Ｌ２×Ｃ２×Ｃ２１）） …（２）
図２で説明したように、結合係数が大きくなるに従って、インダクタンスＬ１は低下し、インダクタンスＬ２は増加する。したがって、式（１），（２）から、結合係数が大きくなるに従って、インダクタンスＬ１が低下することにより共振周波数ｆ１は上昇し、インダクタンスＬ２が増加することにより共振周波数ｆ２は低下することが分かる。

ここで、共振周波数と、インバータ２２０により調整される送電電力の周波数ｆとの関係についても説明しておく。送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に近づけることで、コイル間効率を高めることができる。コイル間効率ηは、次式によって示される。

ωは、角周波数であり、ω＝２πｆの関係を満たす。Ｌｍは、コイル１１２，２４２の相互インダクタンスであり、ＲＬは、受電部１１０以降のインピーダンスである。また、ｒ１は、コイル２４２の抵抗値であり、ｒ２は、コイル１１２の抵抗値である。

式（３）から、ωＬ２＝１／ωＣ２のとき、すなわち、ω＝√（１／（Ｌ２×Ｃ２））のとき、コイル間効率ηは最大となる。この角周波数ωに対応する周波数ｆ０は、式（２）で示される共振周波数ｆ２とは厳密には一致しないが、その差は小さく、送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に近づけることで、コイル間効率ηを高めることができる。

そして、この実施の形態に従う非接触電力伝送システムでは、図３に示されるように、結合係数が小さい領域において、共振周波数ｆ１，ｆ２が、周波数ｆの調整範囲（下限ｆＬ〜上限ｆＵ）に含まれ、かつ、下限ｆＬよりも上限ｆＵに近くなるように、式（１），（２）中の回路定数が設計される。これにより、結合係数が小さい場合に、高いコイル間効率と高い力率とを確保することが可能となる（理由は後述）。

また、結合係数が大きくなるに従って低下する共振周波数ｆ２が周波数調整範囲の下限ｆＬに達するまでの結合係数の範囲を大きくすることができるので（図３中の範囲Ｂ）、結合係数が大きい場合でも（ｋＢまで）、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に調整することができ、コイル間効率を高めることができる。以下、図４から図８を用いて、さらに詳しく説明する。

図４は、共振周波数ｆ１とコイル間効率との関係を示す図である。この図４では、受電電力は一定であり、送電電力の周波数ｆの調整範囲において、共振周波数ｆ１，ｆ２が互いに同等の状態で共振周波数ｆ１を可変としたときのコイル間効率が示されている。

図４を参照して、ｋ１は、結合係数が小さい領域の結合係数を示し、ｋ１が示す線は、結合係数がｋ１であるときの推移を示す。一方、ｋ２は、結合係数が大きい領域の結合係数を示し、ｋ２が示す線は、結合係数がｋ２であるときの推移を示す。

結合係数が小さい場合（ｋ１）、共振周波数ｆ１が高いほどコイル間効率は向上する。なお、結合係数が大きい場合は（ｋ２）、送電電力の周波数ｆの調整範囲全域における共振周波数ｆ１に対して、コイル間効率は高く、かつ、変化は小さい。

なお、結合係数が大きい場合（ｋ２）と比べて結合係数が小さい場合（ｋ１）のコイル間効率が低いのは、式（３）において、相互インダクタンスＬｍが小さくなるとコイル間効率ηが低下することからも分かる。また、共振周波数ｆ１が高いほどコイル間効率が向上するのは、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ１，ｆ２に合わせることでコイル間効率が高められるところ、式（３）において、共振周波数ｆ１，ｆ２に応じて角周波数ω（周波数ｆに比例）が高くなることによりコイル間効率ηが高くなることからも分かる。

このように、結合係数が小さい領域では、共振周波数ｆ１が高いほどコイル間効率は高くなる。

図５は、共振周波数ｆ１と力率との関係を示す図である。この図５でも、受電電力は一定であり、送電電力の周波数ｆの調整範囲において、共振周波数ｆ１，ｆ２が互いに同等の状態で共振周波数ｆ１を可変としたときの力率が示されている。

図５を参照して、結合係数が小さい場合（ｋ１）、共振周波数ｆ１が高いほど、コイル間効率と同様に力率も向上する。なお、結合係数が大きい場合は（ｋ２）、共振周波数ｆ１が高くなると力率が低下する傾向にあるが、結合係数が小さい場合（ｋ１）よりも力率は高い。

なお、結合係数が小さい場合（ｋ１）に、共振周波数ｆ１が高いほど力率が向上するのは、以下の理由による。送電装置２００はフィルタ回路２３０を備えているところ、共振周波数ｆ１が高いと、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ１に合わせるために周波数ｆも高められるので、フィルタ回路２３０のインピーダンスが大きくなる。そのため、所望の電力を確保するためにインバータ出力電圧のデューティが大きくなり、その結果、力率が向上する。

このように、結合係数が小さい領域では、共振周波数ｆ１が高いほど力率も高くなる。
図６は、受電装置１００において所望の受電電力が確保される場合の、共振周波数ｆ１とインバータ２２０により調整される送電電力の周波数ｆとの関係を示す図である。この図６でも、受電電力は一定であり、周波数ｆの調整範囲において、共振周波数ｆ１，ｆ２が互いに同等の状態で共振周波数ｆ１を可変としたときの周波数ｆが示されている。

図６を参照して、結合係数が小さい場合（ｋ１）、共振周波数ｆ１が低いと、受電電力を確保するために送電電力の周波数ｆが高められる。送電電力の周波数ｆを高めると力率が改善されるので、送電電力が大きくなり、その結果、受電電力が確保される。但し、この場合は、送電電力の周波数ｆが共振周波数ｆ２から乖離するとともに共振周波数ｆ１も低いので、コイル間効率は悪く（図４）、力率も悪い（図５）。

共振周波数ｆ１が高くなるに従って、コイル間効率及び力率が改善されるので（図４，図５）、受電電力を確保するための周波数ｆと共振周波数ｆ１との乖離は小さくなる。また、周波数ｆと共振周波数ｆ２との乖離も小さくなるので、この点でもコイル間効率が改善される。

以上のように、結合係数が小さい場合、共振周波数ｆ１，ｆ２が高いとコイル間効率及び力率を高めることができる。そこで、この実施の形態に従う非接触電力伝送システムでは、コイル間距離が大きい領域（結合係数が小さい領域）において、共振周波数ｆ１，ｆ２が周波数調整範囲の下限ｆＬよりも上限ｆＵに近くなるように、共振回路が設計される。これにより、コイル間距離が大きくても（結合係数が小さくても）、高いコイル間効率と高い力率とを確保することができる。

そして、再び図３を参照して、上記の構成によれば、共振周波数ｆ２が周波数調整範囲の下限ｆＬに達するまでの結合係数の範囲を大きくすることができるので（範囲Ｂ）、結合係数が大きい場合でも、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に調整してコイル間効率を高めることができる。

図７は、参考例として、コイル１１２，２４２間の結合係数が大きい場合に周波数調整範囲内で共振周波数ｆ１，ｆ２を一致させたときに、結合係数に応じた共振周波数を示す図である。この図７でも、送電装置２００のキャパシタ２４４，２３４及び受電装置１００のキャパシタ１１４，１２２の各々のキャパシタンスは一定である（可変キャパシタではない）。

図７を参照して、この参考例では、結合係数が小さい領域において、共振周波数ｆ１，ｆ２のいずれも、インバータ２２０による送電電力の周波数ｆの調整範囲を外れてしまうので、周波数ｆを共振周波数ｆ１，ｆ２に合わせる調整を行なうことができない。特に、結合係数が小さい領域において、周波数ｆと共振周波数ｆ２との乖離が大きく、コイル間効率は著しく悪化する可能性がある。

図８は、コイル１１２，２４２間の結合係数とコイル間効率との関係を示す図である。図８を参照して、Ｓ１が示す線は、図３に示したように、結合係数が小さい領域において共振周波数ｆ１，ｆ２が下限ｆＬよりも上限ｆＵに近くなるように共振回路が設計される場合の特性を示す。一方、Ｓ２が示す線は、図７に参考例として示したように、結合係数が大きい場合に周波数調整範囲内で共振周波数ｆ１，ｆ２が一致するように共振回路が設計される場合の特性を示す。

図７の参考例に対応するＳ２は、図７で説明したように、結合係数が小さい場合にコイル間効率が著しく低下している。これに対して、この実施の形態に対応するＳ１は、結合係数が小さい領域において高いコイル間効率を確保することができている。また、結合係数が大きい領域においても、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に調整し得るので、コイル間効率の低下を抑制できている。

以上のように、この実施の形態では、コイル間距離が大きい領域（結合係数が小さい領域）において、送電装置２００の共振回路の共振周波数ｆ１、及び受電装置１００の共振回路の共振周波数ｆ２は、インバータ２２０による送電電力の周波数調整範囲の下限ｆＬよりも上限ｆＵに近い。すなわち、この実施の形態では、結合係数が小さい場合に、共振周波数ｆ１，ｆ２が周波数調整範囲内で高い値となるように、各共振回路が設計される。これにより、コイル間距離が大きくても（結合係数が小さくても）、高い電力伝送効率を確保しつつ力率も高めることができる。

また、この実施の形態では、コイル間距離が小さい領域（結合係数が大きい領域）においても、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に調整し得る。すなわち、この実施の形態によれば、広範囲のコイル間距離において（すなわち広範囲の結合係数において）、インバータ２２０により送電電力の周波数ｆを共振周波数ｆ２に調整することができ、コイル間効率を確保することができる。

なお、上記の実施の形態では、送電部２４０及び受電部１１０の回路構成は、ＳＳ方式（一次直列二次直列方式）であるものとしたが、本開示の適用範囲は、ＳＳ方式のシステムに限定されるものではなく、それ以外の方式のものであってもよい。

図９は、他の実施の形態に従う非接触電力伝送システムの全体構成図である。この図９では、一例として、送電部及び受電部の回路構成がＳＰ方式（一次直列二次並列方式）の非接触電力伝送システムが示される。

図９を参照して、この非接触電力伝送システムは、図１に示したシステム構成において、受電装置１００に代えて受電装置１００Ａを備える。受電装置１００Ａは、図１に示した受電装置１００において、受電部１１０及びフィルタ回路１２０に代えて、それぞれ受電部１１０Ａ及びフィルタ回路１２０Ａを含む。

受電部１１０Ａは、コイル１１２と、キャパシタ１１６とを含む。キャパシタ１１６は、コイル１１２に並列に接続されてコイル１１２と共振回路を形成する。コイル１１２及びキャパシタ１１６を含んで形成される共振回路のＱ値も、１００以上であることが好ましい。フィルタ回路１２０Ａは、インダクタ１２４とキャパシタ１２６とを含む二次ＬＣフィルタによって構成されている。

このようなＳＰ方式の回路構成の場合、受電装置１００Ａのキャパシタ１１６のキャパシタンスをＣ２とすると、受電装置１００Ａの共振回路の共振周波数ｆ２は次式によって示される。

ｆ２＝１／２π×√（１／（Ｌ２×Ｃ２）−（Ｃ２×ＲＬ）²） …（４）
Ｌ２は、コイル１１２のインダクタンスであり、ＲＬは、受電部１１０Ａ以降のインピーダンスである。なお、送電装置２００の共振回路の共振周波数ｆ１は、上述の式（１）によって示される。

ＳＰ方式は、共振周波数ｆ２の計算式がＳＳ方式と異なるけれども、ＳＰ方式を採用した非接触電力伝送システムにおいても、上述の図２から図８に示した特性が現われる。したがって、ＳＰ方式或いはその他の方式を採用した非接触電力伝送システムにおいても、上記のＳＳ方式の場合と同様に共振回路を設計することによって、高い電力伝送効率と高い力率とを確保することができる。

今回開示された実施の形態は、全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全ての変更が含まれることが意図される。

１００ 受電装置、１１０，１１０Ａ 受電部、１１２，１２４，２３２，２４２ コイル、１１４，１１６，１２２，１２６，１４０，２３４，２４４ キャパシタ、１２０，１２０Ａ，２３０ フィルタ回路、１３０ 整流部、１５０ リレー回路、１６０ 充電ＥＣＵ、１７０，２６０ 通信部、２００ 送電装置、２１０ ＡＣ／ＤＣコンバータ、２２０ インバータ、２４０ 送電部、２５０ 送電ＥＣＵ、３００ 蓄電装置、４００ 交流電源。

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ための第１のコイルを含んで構成される第１の共振回路と、
   交流の送電電力を生成して前記第１の共振回路へ供給するように構成されたインバータと、
   前記インバータと前記第１の共振回路との間に設けられるフィルタ回路とを備え、
   前記インバータは、所定の周波数調整範囲において前記送電電力の周波数を調整可能であり、
   前記受電装置は、前記第１の共振回路から非接触で受電するための第２のコイルを含んで構成される第２の共振回路を備え、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間の距離が小さい第１の領域よりも前記距離が大きい第２の領域において、前記第１の共振回路の共振周波数及び前記第２の共振回路の共振周波数は、前記周波数調整範囲に含まれ、かつ、前記周波数調整範囲の下限よりも上限に近い、非接触電力伝送システム。

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