JP2020114111A - 送電装置の制御装置、送電装置、及び非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出する。【解決手段】検出器１３は、補助コイルＬ３に発生する電流又は電圧の値を検出する。検出器１４は、送電コイルＬ１に流れる電流の値を検出する。結合率推定器１５は、補助コイルＬ３に発生する電流又は電圧の値に基づいて送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第１の結合率ｋ１２ａを推定し、送電コイルＬ１に流れる電流の値に基づいて送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第２の結合率ｋ１２ｂを推定する。制御回路１６は、結合率の差がしきい値より大きいときには受電装置２０への電力の伝送を停止するように電源回路を制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、受電装置に電力を非接触で伝送する送電装置の制御装置に関する。本開示はまた、そのような制御装置を備えた送電装置に関し、また、そのような送電装置を含む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に電力を非接触で伝送する非接触電力伝送システムであって、送電装置及び受電装置の間に挟まれた異物を検出することができる非接触電力伝送システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１では、受電装置（「電子機器」）が、送電装置（「充電器」）から通知された電流値に対する、受電装置によって実際に受信された電流の大きさの比率を計算し、この比率が所定値よりも小さい場合、電力の伝送を停止するように送電装置に要求する。

特開２０１０−２２０４１８号公報

しかしながら、特許文献１のように異物を検出する場合、受電装置から送電装置へのフィードバックのために、ある程度の遅延が発生する。従って、異物をその発熱の前に検出し、電力の伝送を停止することは困難である。

代替として、カメラを用いて異物を検出したり、温度センサを用いて異物に起因する温度の上昇を検出したりすることが考えられる。しかしながら、この場合、送電装置及び／又は受電装置のサイズ、重量、及びコストが増大する。

また、送電装置の１つの回路パラメータの変化のみに基づいて異物を検出しようとする場合、異物の影響により発生した変化であるのか、送電コイル及び受電コイルの間の距離が変化して結合率が変化したことにより発生した変化であるのかを区別することが困難である。そのため、異物を検出できず、そのまま給電すると異物が発熱してしまう可能性もある。

従って、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、カメラ、温度センサなどを含まない簡単な構成で、異物を確実に検出することが求められる。

本開示の目的は、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる、送電装置の制御装置を提供することにある。

本開示の目的はさらに、そのような制御装置を備えた送電装置を提供し、また、そのような送電装置を含む非接触電力伝送システムを提供することにある。

本開示の側面に係る送電装置の制御装置、送電装置、及び非接触電力伝送システムは、上述した課題を解決するために、以下の構成を有する。

本開示の側面に係る送電装置の制御装置は、
受電コイルを備えた受電装置に電力を非接触で伝送する送電装置の制御装置であって、
前記送電装置は、送電コイルと、前記送電コイルに電磁的に結合した補助コイルと、所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイルに供給する電源回路とを備え、
前記制御装置は、
前記補助コイルに発生する電流又は電圧の値を検出する第１の検出器と、
前記送電コイルに流れる電流の値を検出する第２の検出器と、
前記補助コイルに発生する電流又は電圧の値に基づいて前記送電コイル及び前記受電コイルの間の第１の結合率を推定し、前記送電コイルに流れる電流の値に基づいて前記送電コイル及び前記受電コイルの間の第２の結合率を推定する結合率推定器と、
前記第１及び第２の結合率の差が予め決められたしきい値以下であるときには前記受電装置へ電力を伝送するように、かつ、前記第１及び第２の結合率の差が前記しきい値より大きいときには前記受電装置への電力の伝送を停止するように前記電源回路を制御する制御回路とを備える。

本開示の側面に係る送電装置の制御装置によれば、この構成を備えたことにより、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。

本開示の側面に係る送電装置の制御装置において、
前記受電装置は、可変な負荷値を有する第１の負荷装置と、予め決められた負荷値を有する第２の負荷装置と、前記受電装置の出力電圧を前記第１の負荷装置及び前記第２の負荷装置の一方に選択的に供給するスイッチ回路とを有し、
前記制御装置は、前記受電装置に通信可能に接続される通信装置をさらに備え、
前記制御回路は、
通常の送電を行うとき、前記受電装置の出力電圧を前記第１の負荷装置に供給するように前記スイッチ回路を切り換える信号を、前記通信装置を用いて前記受電装置に送信し、
前記第１及び第２の結合率を推定するとき、前記受電装置の出力電圧を前記第２の負荷装置に供給するように前記スイッチ回路を切り換える信号を、前記通信装置を用いて前記受電装置に送信し、前記第１及び第２の検出器によって検出された値に基づいて前記第１及び第２の結合率を推定する。

本開示の側面に係る送電装置の制御装置によれば、この構成を備えたことにより、負荷装置が可変な負荷値を有する場合であっても、送電コイル及び受電コイルの間に異物が存在するか否かを正しく判断することができる。

本開示の側面に係る送電装置は、
送電コイルと、
前記送電コイルに電磁的に結合した補助コイルと、
所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイルに供給する電源回路と、
前記送電装置の制御装置とを備える。

本開示の側面に係る送電装置によれば、この構成を備えたことにより、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。

本開示の側面に係る送電装置は、
ＬＣ共振回路を構成するように前記送電コイルに接続されたキャパシタをさらに備える。

本開示の側面に係る送電装置によれば、この構成を備えたことにより、受電装置の出力電圧の利得を調整したり、電力伝送の効率を向上したりすることができる。

本開示の側面に係る送電装置は、
前記送電コイル及び前記補助コイルが巻回された磁性体コアをさらに備え、
前記補助コイルは、前記送電コイルを包囲するように配置される。

本開示の側面に係る送電装置によれば、この構成を備えたことにより、送電コイルの磁束密度を増大させることができ、また、漏洩磁束を低減することができる。

本開示の側面に係る非接触電力伝送システムは、
前記送電装置と、
受電コイルを備えた受電装置とを含む。

本開示の側面に係る非接触電力伝送システムによれば、この構成を備えたことにより、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。

本開示によれば、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。

第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１の磁性体コアＦ１，Ｆ２の構成の一例を示す斜視図である。 図１の非接触電力伝送システムの適用例を示す図である。 図１の検出器１３によって検出される補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３の大きさの変化の一例を示すグラフである。 図１の検出器１４によって検出される送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の大きさの変化の一例を示すグラフである。 図１の送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１及び補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３に対して計算される送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２の一例を示すテーブルである。 図１の制御回路１６によって実行される第１の送電処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第２の送電処理を示すフローチャートである。 図１の受電装置２０の出力電圧が、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２と、送電装置１０の電圧Ｖ０とに依存して変化することを説明する例示的なグラフである。 図１の受電装置２０の出力電圧が、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２と、負荷装置２２の負荷値とに依存して変化することを説明する例示的なグラフである。 第２の実施形態の第１の変形例に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第３の送電処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態の第２の変形例に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第４の送電処理を示すフローチャートである。

以下、本開示の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

［第１の実施形態］
図１〜図７を参照して、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムについて説明する。

［第１の実施形態の適用例］
送電装置から受電装置に電力を非接触で伝送する非接触電力伝送システムにおいて、送電装置及び受電装置の間に挟まれた異物を検出することが求められる。送電装置及び受電装置の間に挟まれた異物を検出するために、例えば、受電装置が、送電装置から通知された電流値に対する、受電装置によって実際に受信された電流の大きさの比率を計算し、この比率が所定値よりも小さい場合、電力の伝送を中止するように送電装置に要求することが考えられる。しかしながら、この場合、受電装置から送電装置へのフィードバックのために、ある程度の遅延が発生する。従って、異物をその発熱の前に検出し、電力の伝送を停止することは困難である。代替として、カメラを用いて異物を検出したり、温度センサを用いて異物に起因する温度の上昇を検出したりすることが考えられる。しかしながら、この場合、送電装置及び／又は受電装置のサイズ、重量、及びコストが増大する。また、送電装置の１つの回路パラメータの変化のみに基づいて異物を検出しようとする場合、異物の影響により発生した変化であるのか、送電コイル及び受電コイルの間の距離が変化して結合率が変化したことにより発生した変化であるのかを区別することが困難である。そのため、異物を検出できず、そのまま給電すると異物が発熱してしまう可能性もある。従って、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、カメラ、温度センサなどを含まない簡単な構成で、異物を確実に検出することが求められる。

第１の実施形態では、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、簡単な構成で、異物を確実に検出することができる非接触電力伝送システムについて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムの構成の一例を示すブロック図である。図１の非接触電力伝送システムは、送電装置１０及び受電装置２０を含み、送電装置１０は受電装置２０に電力を非接触で伝送する。

送電装置１０は、少なくとも、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、検出器１３，１４、結合率推定器１５、制御回路１６、送電コイルＬ１、及び補助コイルＬ３を備える。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、交流電源１から入力された交流電圧を、所定の大きさを有する直流の電圧Ｖ０に変換する。インバータ１２は、所定のスイッチング周波数ｆｓｗで動作し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から入力された直流の電圧Ｖ０を交流の電圧Ｖ１に変換する。電圧Ｖ１は送電コイルＬ１に印加される。ここで、電圧Ｖ１の振幅は電圧Ｖ０の大きさに等しい。

本明細書では、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２をまとめて「電源回路」ともいう。言い換えると、電源回路は、所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して送電コイルＬ１に供給する。

送電コイルＬ１は、送電装置１０から受電装置２０に電力を伝送するとき、受電装置２０の受電コイルＬ２（後述）に電磁的に結合する。また、補助コイルＬ３は送電コイルＬ１に電磁的に結合する。

検出器１３は、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値を検出する。検出器１４は、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値を検出する。検出器１３，１４によって検出された値は、制御回路１６に通知される。

本明細書では、検出器１３を「第１の検出器」ともいい、検出器１４を「第２の検出器」ともいう。また、本明細書では、検出器１３，１４をまとめて「検出回路」ともいう。

結合率推定器１５は、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値に基づいて、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第１の結合率ｋ１２ａを推定する。結合率推定器１５は、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値に基づいて、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第２の結合率ｋ１２ｂを推定する。

制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２による送電電力の発生の開始及び停止を制御する。

受電装置２０は、少なくとも受電コイルＬ２を備える。受電装置２０の内部又は外部に負荷装置２２が設けられる。負荷装置２２は、例えば、バッテリ、モータ、電気回路、及び／又は電子回路などを含む。受電コイルＬ２を介して送電装置１０から受信された電力は、負荷装置２２に供給される。

本明細書では、負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４を、受電装置２０の「出力電圧」ともいう。

送電装置１０の制御回路１６は、第１の結合率ｋ１２ａ及び第２の結合率ｋ１２ｂの差が予め決められたしきい値以下であるとき、受電装置２０へ電力を伝送するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御する。制御回路１６は、第１の結合率ｋ１２ａ及び第２の結合率ｋ１２ｂの差がしきい値より大きいとき、受電装置２０への電力の伝送を停止するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御する。ここで、しきい値の大きさは、第１の結合率ｋ１２ａ及び第２の結合率ｋ１２ｂが実質的に一致しているとみなすことができるように設定される。

第１の実施形態では、検出器１３，１４、結合率推定器１５、及び制御回路１６をまとめて、送電装置１０の「制御装置」ともいう。

送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の距離に応じて変化する。距離が近くなると結合率ｋ１２が増大し、距離が遠くなると結合率ｋ１２が低下する。また、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２に応じて、所定の特性で変化する。補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３（及び／又は電圧Ｖ３）は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２に応じて、電流Ｉ１とは異なる特性で変化する。結合率推定器１５は、電流Ｉ１及び結合率ｋ１２の関係と、電流Ｉ３（又は電圧Ｖ３）及び結合率ｋ１２の関係とを示すテーブル又は計算式を予め格納している。結合率推定器１５は、このテーブル又は計算式を参照することにより、電流Ｉ１，Ｉ３（又は、電流Ｉ１及び電圧Ｖ３）の値に基づいて結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂをそれぞれ推定することができる。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在しなければ、推定される結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂは互いに一致すると期待される。一方、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在すると、電流Ｉ１，Ｉ３は異物から互いに異なる影響を受け、その結果、推定される結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂは互いに不一致する。

送電装置から受電装置に電力を非接触で伝送するとき、受電装置は送電装置に対して常に決まった位置に配置されるとは限らない。例えば、受電装置がバッテリを備えた電動の車両であり、送電装置が車両のための充電台である場合を考える。この場合、車両が充電台の正面の位置からずれることにより、また、充電台及び車両の間の距離が変化することにより、車両が充電台に停止するごとに、例えば数ｍｍ〜数十ｍｍのずれが発生することがある。従って、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間の距離が変化し、送電コイル及び受電コイルの結合率が変化する可能性がある。送電装置の１つの回路パラメータの変化のみに基づいて異物を検出しようとする場合、異物の影響により発生した変化であるのか、送電コイル及び受電コイルの間の距離が変化して結合率が変化したことにより発生した変化であるのかを区別することが困難である。

一方、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、前述のように、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値に基づいて推定された第１の結合率ｋ１２ａと、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値に基づいて推定された第２の結合率ｋ１２ｂとを比較する。言い換えると、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムでは、異物を検出するために、送電装置１０の２つの回路パラメータが参照される。これにより、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率の変化にかかわらず、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在するか否かを誤りなく確実に判断することができる。このように、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、受電装置２０から送電装置１０へのフィードバックに依存せず、カメラ、温度センサなどを含まない簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。受電装置２０から送電装置１０へのフィードバックに依存しないことにより、異物をその発熱の前に検出し、電力の伝送を停止しやすくなる。また、カメラ、温度センサなどを含まないことにより、送電装置１０及び受電装置２０のサイズ、重量、及びコストを削減すること、又は少なくとも、増大しにくくすることができる。

第１の実施形態によれば、受電装置２０はバッテリを備えた電子機器（例えば、ノートブック型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、携帯電話機など）であってもよく、送電装置１０はその充電器であってもよい。また、第１の実施形態によれば、受電装置２０はバッテリを備えた電動の車両（例えば、電気自動車又は無人搬送車（automated guided vehicle））であってもよく、送電装置１０はその充電台であってもよい。また、第１の実施形態によれば、受電装置２０は、搬送時に荷物に対して何らかの作業を行うために電源を必要とするパレットであってもよく、送電装置１０は、そのようなパレットに電力を供給可能なコンベアなどであってもよい。また、第１の実施形態によれば、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の距離が変化しない非接触電力伝送システムにも有効に適用可能である。この場合、例えば、送電装置１０及び受電装置２０は、ロボットアームの先端などにおける駆動機構に電力を供給するために、ロボットアームの関節などにおいてスリップリングに代えて設けられてもよい。

［第１の実施形態の構成例］
図１に示すように、送電装置１０は交流電源１から電力供給を受ける。交流電源１は、例えば商用電力である。

図１の例では、送電装置１０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、検出器１３，１４、結合率推定器１５、制御回路１６、通信装置１７、キャパシタＣ１、磁性体コアＦ１、送電コイルＬ１、補助コイルＬ３、及び電流検出抵抗Ｒ１を備える。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、前述のように、交流電源１から入力された交流電圧を直流の電圧Ｖ０に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、交流電源１から入力された交流電圧を、制御回路１６の制御下で可変な大きさを有する直流の電圧Ｖ０に変換してもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は力率改善回路を備えてもよい。インバータ１２は、前述のように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から入力された直流の電圧Ｖ０を交流の電圧Ｖ１に変換する。インバータ１２は、例えば、スイッチング周波数ｆｓｗを有する矩形波の交流の電圧Ｖ１を発生する。インバータ１２は、制御回路１６の制御下で可変なスイッチング周波数ｆｓｗで動作してもよい。

送電装置１０はキャパシタＣ１を備えてもよい。この場合、キャパシタＣ１は、ＬＣ共振回路を構成するように送電コイルＬ１に接続される。キャパシタＣ１を備えることにより、受電装置２０の出力電圧の利得を調整したり、電力伝送の効率を向上したりすることができる。

送電装置１０は磁性体コアＦ１を備えてもよい。この場合、送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３は磁性体コアＦ１に巻回される。送電コイルＬ１を磁性体コアＦ１に巻回することにより、送電コイルＬ１の磁束密度を増大させることができ、また、漏洩磁束を低減することができる。

検出器１３は、前述のように、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値を検出する。検出器１４は、電流検出抵抗Ｒ１を用いて、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値を検出する。

結合率推定器１５は、前述のように、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値に基づいて、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第１の結合率ｋ１２ａを推定する。また、結合率推定器１５は、前述のように、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値に基づいて、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第２の結合率ｋ１２ｂを推定する。

制御回路１６は、前述のように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２による送電電力の発生の開始及び停止を制御する。制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在しないと判断したとき、受電装置２０へ電力を伝送するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御する。制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在すると判断したとき、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を停止する。制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される直流の電圧Ｖ０の大きさと、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗとを制御してもよい。制御回路１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含み、後述する第１の送電処理を実行する。

送電装置１０は通信装置１７を備えてもよい。この場合、通信装置１７は、無線（例えば赤外線）又は有線により、受電装置２０の通信装置２４（後述）と通信可能に接続される。制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０から、受電装置２０が電力伝送を要求していることを示す信号を受信してもよい。また、制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０から、負荷装置２２に供給すべき電圧及び／又は電流の値などを示す信号を受信してもよい。また、受電装置２０が通常モード及びテストモード（後述）を有する場合、制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０に、テストモードへの遷移又は通常モードへの遷移を要求する信号を送信してもよい。

図１の例では、受電装置２０は、整流回路２１、負荷装置２２、制御回路２３、通信装置２４、キャパシタＣ２、磁性体コアＦ２、受電コイルＬ２、負荷素子Ｒ２、及びスイッチ回路ＳＷを備える。

送電装置１０から受電装置２０に電力を伝送するとき、受電コイルＬ２が送電コイルＬ１に電磁的に結合することにより、受電コイルＬ２に電流Ｉ２及び電圧Ｖ２が発生する。

受電装置２０はキャパシタＣ２を備えてもよい。この場合、キャパシタＣ２は、ＬＣ共振回路を構成するように受電コイルＬ２に接続される。キャパシタＣ２を備えることにより、受電装置２０の出力電圧の利得を調整したり、電力伝送の効率を向上したりすることができる。

受電装置２０は磁性体コアＦ２を備えてもよい。この場合、受電コイルＬ２は磁性体コアＦ２に巻回される。受電コイルＬ２を磁性体コアＦ２に巻回することにより、受電コイルＬ２の磁束密度を増大させることができ、また、漏洩磁束を低減することができる。

整流回路２１は、受電コイルＬ２から入力された交流の電圧Ｖ２を直流の電圧Ｖ４に変換する。整流回路２１は平滑化回路及び／又は力率改善回路を備えてもよい。

受電装置２０は、制御回路２３、通信装置２４、負荷素子Ｒ２、及びスイッチ回路ＳＷを備えてもよい。この場合、整流回路２１から出力された電圧Ｖ４は、制御回路２３の制御下で動作するスイッチ回路ＳＷを介して、負荷装置２２又は負荷素子Ｒ２に選択的に供給される。例えば負荷装置２２がバッテリである場合、負荷装置２２は、バッテリの充電率に応じて変動する可変な負荷値を有する。一方、負荷素子Ｒ２は、予め決められた負荷値を有する。ここで、負荷値は、例えば、負荷装置２２又は負荷素子Ｒ２に流れる電流の大きさを示す。負荷素子Ｒ２及びスイッチ回路ＳＷは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータよりも簡単な構成を有し、負荷装置２２への電力伝送の効率に影響しにくいように構成される。負荷素子Ｒ２は、負荷装置２２の負荷値よりも小さな負荷値を有してもよい。受電装置２０は、整流回路２１から出力された電圧Ｖ４を負荷装置２２に供給する通常モードと、整流回路２１から出力された電圧Ｖ４を負荷素子Ｒ２に供給するテストモードとを有する。通信装置２４は、前述のように、無線（例えば赤外線）又は有線により、送電装置１０の通信装置１７と通信可能に接続される。制御回路２３は、通信装置２４を介して送電装置１０から、テストモードへの遷移又は通常モードへの遷移を要求する信号を受信する。

送電装置１０の制御回路１６は、通常の送電を行うとき、通常モードに遷移するように要求する信号（すなわち、受電装置２０の出力電圧を負荷装置２２に供給するようにスイッチ回路ＳＷを切り換える信号）を、通信装置１７を用いて受電装置２０に送信する。

負荷装置２２が可変な負荷値を有する場合、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２が一定であっても、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１は、負荷装置２２の負荷値に応じて、所定の特性で変化する。同様に、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３（及び／又は電圧Ｖ３）もまた、負荷装置２２の負荷値に応じて、電流Ｉ１とは異なる特性で変化する。従って、負荷装置２２の負荷値が変化すると、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２を正しく推定できなくなり、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在するか否かを正しく判断できなくなる。このため、送電装置１０の制御回路１６は、テストモードに遷移するように要求する信号（すなわち、受電装置２０の出力電圧を負荷素子Ｒ２に供給するようにスイッチ回路ＳＷを切り換える信号）を受電装置２０に送信し、受電装置２０がテストモードにあるときに検出器１３，１４によって検出された値に基づいて結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂをそれぞれ推定する。これにより、負荷装置２２が可変な負荷値を有する場合であっても、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在するか否かを正しく判断することができる。

本明細書において、負荷装置２２を「第１の負荷装置」ともいい、負荷素子Ｒ２を「第２の負荷装置」ともいう。

受電装置２０の制御回路２３は、通信装置２４を介して送電装置１０に、受電装置２０が電力伝送を要求していることを示す信号を送信してもよい。また、制御回路２３は、通信装置２４を介して送電装置１０に、負荷装置２２に供給すべき電圧及び／又は電流の値などを示す信号を送信してもよい。

受電装置２０において発生する電圧（整流回路２１から出力された電圧Ｖ４、など）は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２に応じて変化する。結合率ｋ１２が増大すると電圧も増大し、結合率ｋ１２が低下すると電圧も低下する。送電装置１０及び受電装置２０の各回路パラメータは、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２が最大になり、かつ、電圧Ｖ４が最大値又は極大値になる周波数で動作するときであっても、受電装置２０において過電圧が発生しないように決定される。

図２は、図１の磁性体コアＦ１，Ｆ２の構成の一例を示す斜視図である。前述したように、送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３は磁性体コアＦ１に巻回されてもよく、受電コイルＬ２は磁性体コアＦ２に巻回されてもよい。送電コイルＬ１から発生する磁束の一部が補助コイルＬ３に鎖交することにより、補助コイルＬ３に電流Ｉ３及び電圧Ｖ３が発生する。また、図２に示すように、補助コイルＬ３は、送電コイルＬ１を包囲するように配置されてもよい。補助コイルＬ３をこのように配置することにより、送電コイルＬ１の漏洩磁束を低減することができる。

送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２は結合率ｋ１２で互いに電磁的に結合し、送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３は結合率ｋ１３で互いに電磁的に結合し、受電コイルＬ２及び補助コイルＬ３は結合率ｋ２３で互いに電磁的に結合する。送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、及び補助コイルＬ３は、結合率ｋ１３，ｋ２３は結合率ｋ１２よりもずっと小さくなるように構成される。送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、及び補助コイルＬ３は、結合率ｋ２３が結合率ｋ１３よりも小さくなるように構成されてもよい。

［第１の実施形態の動作例］
図３は、図１の非接触電力伝送システムの適用例を示す図である。図３は、受電装置２０が、バッテリを備えた電動の車両３２に組み込まれ、送電装置１０が、車両３２の受電装置２０に対して送電可能であるように路面３１に組み込まれる場合を示す。この場合、車両３２のバッテリが受電装置２０の負荷装置２２である。送電装置１０及び受電装置２０は、距離ｄ１を有して互いに対向する。図３に示すように、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が挟まれることがある。

図４は、図１の検出器１３によって検出される補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３の大きさの変化の一例を示すグラフである。図５は、図１の検出器１４によって検出される送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の大きさの変化の一例を示すグラフである。前述のように、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の距離ｄ１に応じて変化する。従って、図４及び図５に示す距離ｄ１と電流Ｉ１，Ｉ３の関係から、等価的に、結合率ｋ１２と電流Ｉ１，Ｉ３の関係がわかる。また、前述のように、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が存在すると、電流Ｉ１，Ｉ３は異物３３から互いに異なる影響を受ける。図４及び図５の例では、異物３３が存在すると、異物３３が存在しない場合よりも、電流Ｉ３は減少し、電流Ｉ１は増大する。

図６は、図１の送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１及び補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３に対して計算される送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２の一例を示すテーブルである。図６は、受電装置２０がテストモードにあり、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が存在しない場合における電流Ｉ１，Ｉ３及び結合率ｋ１２を示す。結合率推定器１５は、図６に示すような電流Ｉ１，Ｉ３及び結合率ｋ１２の関係を示すテーブルを予め格納している。結合率推定器１５は、電流Ｉ３の値に基づいてテーブルを参照することにより、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第１の結合率ｋ１２ａを推定する。結合率推定器１５は、電流Ｉ１の値に基づいてテーブルを参照することにより、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第２の結合率ｋ１２ｂを推定する。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が存在しなければ、電流Ｉ３の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ａと、電流Ｉ１の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ｂとは互いに一致すると期待される。一方、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が存在すると、電流Ｉ１，Ｉ３は異物３３から互いに異なる影響を受け、その結果、電流Ｉ３の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ａと、電流Ｉ１の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ｂとは互いに不一致する。従って、結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂが互いに一致するか否かに基づいて、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物３３が存在するか否かを判断することができる。

制御回路１６は、推定された結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂが互いに実質的に一致するとき、すなわち、結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂの差が予め決められたしきい値以下であるとき、結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂが互いに一致すると判断してもよい。

結合率推定器１５は、図６に示すようなテーブルに代えて、電流Ｉ１，Ｉ３及び結合率ｋ１２の関係を示す計算式を予め格納してもよい。例えば、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１に基づいて結合率ｋ１２ａを次式のように推定してもよい。

ｋ１２ａ＝ｅ^Ｉ１＋ａ

ここで、右辺の「ａ」は定数である。

また、電流Ｉ１と結合率ｋ１２ａとは、次式の関係を有してもよい。

Ｉ１＝１＋ｋ１２ａ＋（ｋ１２ａ）^２＋…＋（ｋ１２ａ）^ｎ

この式を結合率ｋ１２ａについて解くことにより、電流Ｉ１に基づいて結合率ｋ１２ａを推定してもよい。

電流Ｉ１に基づいて結合率ｋ１２ａを推定するための計算式は、以上に例示したものに限定されない。

補助コイルＬ３に流れる電流Ｉ３に基づいて結合率ｋ１２ｂを推定する場合もまた、電流Ｉ１に基づいて結合率ｋ１２ａを推定する場合と同様に、何らかの計算式を用いて推定可能である。

図４及び図６では、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３の値を検出する場合について説明したが、補助コイルＬ３に発生する電圧Ｖ３の値を検出する場合もまた実質的に同様に、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の結合率ｋ１２ｂを推定可能である。

図７は、図１の制御回路１６によって実行される第１の送電処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０から、受電装置２０が電力伝送を要求していることを示す信号を受信する。

ステップＳ２において、制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０に、テストモードへの遷移を要求する信号を送信する。受電装置２０の制御回路２３は、通信装置２４を介して送電装置１０から、テストモードへの遷移を要求する信号を受信したとき、整流回路２１から出力された電圧Ｖ４を負荷素子Ｒ２に供給するようにスイッチ回路ＳＷを切り換える。ステップＳ３において、制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０と、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗとをテストモードの規定値に設定し、テストモードの送電を開始する。前述のように、受電装置２０において発生する電圧は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２に応じて変化するが、テストモードを完了するまでは結合率ｋ１２は不明である。従って、受電装置２０において過電圧が発生しないようにするために、制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０を予め決められた非ゼロの最小値に設定し、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗを最大値に設定する。電圧Ｖ０の最小値は、結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂを検出可能な電流Ｉ１，Ｉ３（又は電流Ｉ１及び電圧Ｖ３）が送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３に生じるように設定される。電圧Ｖ０の最小値及びスイッチング周波数ｆｓｗの最大値を、テストモードの規定値として使用する。

ステップＳ４において、制御回路１６は、検出器１３を用いて、補助コイルＬ３に発生する電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値を検出する。ステップＳ５において、制御回路１６は、結合率推定器１５を用いて、検出された電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値に基づいて、テーブル又は計算式を参照することにより、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２ａを推定する。

ステップＳ６において、制御回路１６は、検出器１４を用いて、送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１の値を検出する。ステップＳ７において、制御回路１６は、結合率推定器１５を用いて、検出された電流Ｉ１の値に基づいて、テーブル又は計算式を参照することにより、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２ｂを推定する。

ステップＳ８において、制御回路１６は、推定された結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂが互いに実質的に一致するか否かを判断し、ＹＥＳのときはステップＳ９に進み、ＮＯのときはステップＳ１２に進む。

ステップＳ９において、制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０と、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗとを通常モードの規定値に設定する。制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０を、負荷装置２２に供給すべき電圧及び／又は電流の値に応じて決まる予め決められた値に設定する。制御回路１６は、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗを、例えば、第２の実施形態で説明するように、受電装置２０の負荷値に対する受電装置１０の出力電圧の依存性が少なくとも局所的に最小化される送電周波数に設定する。このような電圧Ｖ０及びスイッチング周波数ｆｓｗの値を、通常モードの規定値として使用する。ステップＳ１０において、制御回路１６は、通信装置１７を介して受電装置２０に、通常モードへの遷移を要求する信号を送信する。受電装置２０の制御回路２３は、通信装置２４を介して送電装置１０から、通常モードへの遷移を要求する信号を受信したとき、整流回路２１から出力された電圧Ｖ４を負荷装置２２に供給するようにスイッチ回路ＳＷを切り換える。ステップＳ１１において、制御回路１６は、通常モードの送電を開始する。

ステップＳ１２において、制御回路１６は、異物が存在すると判断する。ステップＳ１３において、制御回路１６は、送電を停止する。

［第１の実施形態の効果］
第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、受電装置２０から送電装置１０へのフィードバックに依存せず、カメラ、温度センサなどを含まない簡単な構成で、異物を確実に検出することができる。

第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、異物を検出して送電を停止することにより、非接触電力伝送システムの安全性を向上することができる。

第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、電流Ｉ３又は電圧Ｖ３の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ａと、電流Ｉ１の値に基づいて推定された結合率ｋ１２ｂとが互いに一致する場合、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２を正しく推定することができる。

１つの回路パラメータに基づいて送電コイル及び受電コイルの結合率を推定し、推定された結合率を何らかのしきい値を比較する場合には、結合率が異物の影響により変化したのか、他の要因（送電コイル及び受電コイルの間の距離の変化、など）により変化したのかを区別することが困難である。また、この場合、推定された結合率がしきい値よりも高いか低いかを判断することしかできず、結合率の強弱を考慮することができない。これに対して、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、推定された２つの結合率ｋ１２ａ，ｋ１２ｂが互いに実質的に一致するか否か判断することにより、結合率が高い場合にも低い場合にも、異物を確実に検出することができる。

［第２の実施形態］
図８〜図１２を参照して、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムについて説明する。

［第２の実施形態の適用例］
前述したように、送電装置から受電装置に電力を非接触で伝送するとき、受電装置は送電装置に対して常に決まった位置に配置されるとは限らない。従って、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間の距離が変化し、送電コイル及び受電コイルの結合率が変化する可能性がある。送電コイル及び受電コイルの結合率が変化すると、受電装置から負荷装置に供給される電圧及び／又は電流も変化する。

負荷装置の所望電圧を受電装置から負荷装置に供給するために、例えば、受電装置の出力電圧値及び／又は出力電流値を送電装置にフィードバックし、送電コイルに印加される電圧を制御することが考えられる。しかしながら、この場合、受電装置の出力電圧値及び／又は出力電流値を送電装置にフィードバックするために、ある程度の遅延が発生し、負荷値の速い変化に追従することは困難である。また、負荷装置の所望電圧を受電装置から負荷装置に供給するために、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを受電装置に設けることが考えられる。しかしながら、この場合、受電装置のサイズ、重量、及びコストが増大する。従って、受電装置から送電装置へのフィードバックに依存せず、かつ、受電装置に余分な回路（ＤＣ／ＤＣコンバータなど）を設けることを必要とすることなく、負荷装置にその所望電圧を供給するように送電装置を制御することが求められる。

第２の実施形態では、負荷装置にその所望電圧を供給するように、送電装置により取得可能な情報のみに基づいて送電装置のみを制御することができる非接触電力伝送システムについて説明する。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムは、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムと実質的に同様に構成される。以下、図１を参照して、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムについて説明する。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムは、送電装置１０及び受電装置２０を含み、送電装置１０は受電装置２０に電力を非接触で伝送する。

送電装置１０は、少なくとも、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、検出器１３，１４、制御回路１６、送電コイルＬ１、及び補助コイルＬ３を備える。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、交流電源１から入力された交流電圧を、制御回路１６の制御下で可変な大きさを有する直流の電圧Ｖ０に変換する。インバータ１２は、制御回路１６の制御下で可変なスイッチング周波数ｆｓｗで動作し、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から入力された直流の電圧Ｖ０を交流の電圧Ｖ１に変換する。電圧Ｖ１は送電コイルＬ１に印加される。ここで、電圧Ｖ１の振幅は電圧Ｖ０の大きさに等しい。言い換えると、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２（電源回路）は、可変な電圧及び可変な周波数を有する送電電力を発生して送電コイルＬ１に供給する。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムの送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３は、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムの送電コイルＬ１及び補助コイルＬ３とそれぞれ同様に構成される。

検出器１３，１４（検出回路）は、送電コイルＬ１に流れる電流の値と、補助コイルＬ３に発生する電流又は電圧の値のうちの少なくとも一方を検出する。検出器１３，１４によって検出された値は、制御回路１６に通知される。

制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０の大きさと、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗとを制御する。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムの受電装置２０は、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムの受電装置２０と同様に構成される。

送電装置１０の制御回路１６は、検出器１３，１４（検出回路）によって検出された値に基づいて、受電装置２０の負荷値に対する受電装置１０の出力電圧の依存性が少なくとも局所的に最小化される送電周波数を決定する。本明細書では、このような周波数を「負荷非依存の送電周波数」ともいう。制御回路１６は、決定された周波数を有する送電電力を発生するときに受電装置２０の出力電圧を予め決められた目標電圧にする送電電力の電圧を決定する。制御回路１６は、決定された周波数及び電圧を有する送電電力を発生するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２（電源回路）を制御する。

第２の実施形態では、検出器１３，１４、及び制御回路１６をまとめて、送電装置１０の「制御装置」ともいう。

負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４（受電装置２０の出力電圧）は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２に応じて変化する。負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４は、さらに、負荷装置２２の負荷値に応じて変化する。負荷値が増大すると電圧Ｖ４が低下し、負荷値が低下すると電圧Ｖ４が増大する。このような条件下であっても、負荷装置２２にその所望電圧を供給するように送電装置１０を制御することが求められる。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、前述のように、検出器１３，１４によって検出された値に基づいて、受電装置２０の負荷値に対する受電装置１０の出力電圧の依存性が少なくとも局所的に最小化される送電周波数を決定する。また、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、前述のように、決定された周波数を有する送電電力を発生するときに受電装置２０の出力電圧を予め決められた目標電圧（すなわち、負荷装置２２の所望電圧）にする送電電力の電圧を決定する。ここで、「送電電力の電圧」は、送電電力の振幅を示す。また、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、前述のように、決定された周波数及び電圧を有する送電電力を発生するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御する。このように、送電装置１０により取得可能な情報のみに基づいて送電装置１０のみを制御することで、受電装置２０の負荷値（負荷装置２２に流れる電流の大きさ）に実質的に依存することなく、負荷装置２２にその所望電圧を供給することができる。受電装置２０の負荷値の変動をモニタリングする必要がないので、受電装置２０から送電装置１０へのフィードバックも不要になり、従って、負荷値の速い変化に追従しやすくなる。また、受電装置に余分な回路（ＤＣ／ＤＣコンバータなど）を設けることを必要としないことにより、受電装置２０のサイズ、重量、及びコストを削減すること、又は少なくとも、増大しにくくすることができる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、受電装置２０はバッテリを備えた電子機器であってもよく、送電装置１０はその充電器であってもよい。また、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、受電装置２０はバッテリを備えた電動の車両であってもよく、送電装置１０はその充電台であってもよい。また、第２の実施形態によれば、受電装置２０は、第１の実施形態と同様に、電源を必要とするパレットであってもよく、送電装置１０は、そのようなパレットに電力を供給可能なコンベアなどであってもよい。また、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、送電装置１０及び受電装置２０は、ロボットアームの関節などにおいてスリップリングに代えて設けられてもよい。

［第２の実施形態の構成例］
前述のように、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムは、第１の実施形態に係る非接触電力伝送システムと実質的に同様に構成される。ただし、送電装置１０の制御回路１６は、図７の第１の送電処理に代えて、図８を参照して後述する第２の送電処理を実行するように構成される。このため、制御回路１６は、以下に説明するようなテーブル又は計算式を予め格納している。

制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２と、負荷非依存の送電周波数との関係を示すテーブル又は計算式を予め格納する。代替として、結合率推定器１５を省略して検出器１３，１４によって検出された値を制御回路１６に直接に入力してもよい。この場合、制御回路１６は、送電コイルＬ１に流れる電流の値と、補助コイルＬ３に発生する電流又は電圧の値のうちの少なくとも一方と、負荷非依存の送電周波数との関係を示すテーブル又は計算式を予め格納してもよい。制御回路１６は、このテーブル又は計算式を参照することにより、受電装置２０の負荷値に対する受電装置１０の出力電圧の依存性が少なくとも局所的に最小化される送電周波数（すなわち、インバータ１１のスイッチング周波数ｆｓｗ）を決定することができる。

さらに、制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２のさまざまな結合率ｋ１２について、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０と、受電装置２０の出力電圧との関係を示すテーブル又は計算式を予め格納している。制御回路１６は、このテーブル又は計算式を参照することにより、受電装置２０の出力電圧を予め決められた目標電圧にする送電電力の電圧を決定することができる。

制御回路１６は、これらのテーブル又は計算式を参照して、後述する第２の送電処理（又は、第３もしくは第４の送電処理）を実行する。

また、制御回路１６は、通信装置１７を用いて、テストモードに遷移するように要求する信号を受電装置２０に送信してもよい。制御回路１６は、受電装置２０がテストモードにあるときに検出器１３，１４によって検出された値に基づいて、負荷非依存の送電周波数を決定してもよい。これにより、負荷装置２２が可変な負荷値を有する場合であっても、負荷非依存の送電周波数を正しく決定することができる。その後、送電装置１０により取得可能な情報のみに基づいて送電装置１０のみを制御することで、受電装置２０の負荷値（負荷装置２２に流れる電流の大きさ）に実質的に依存することなく、負荷装置２２にその所望電圧を供給することができる。

制御回路１６は、結合率推定器１５によって推定された送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の結合率ｋ１２に基づいて、負荷非依存の送電周波数を決定してもよい。

結合率推定器１５は、補助コイルＬ３に発生する電流又は電圧の値に基づいて送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第１の結合率ｋ１２ａを推定し、送電コイルＬ１に流れる電流の値に基づいて送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の第２の結合率ｋ１２ｂを推定してもよい。制御回路１６は、第１の結合率ｋ１２ａ及び第２の結合率ｋ１２ｂが互いに実質的に一致したとき、決定された周波数及び電圧を有する送電電力を発生するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御してもよい。また、制御回路１６は、第１の結合率ｋ１２ａ及び第２の結合率ｋ１２ｂが互いに不一致したとき、受電装置２０への電力の伝送を停止するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１１及びインバータ１２を制御してもよい。これにより、制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率の変化にかかわらず、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在するか否かを誤りなく確実に判断することができる。

［第２の実施形態の動作例］
図８は、第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第２の送電処理を示すフローチャートである。図８の第２の送電処理では、制御回路１６は、図７のステップＳ９に代えて、ステップＳ２１〜Ｓ２２を実行する。

ステップＳ２１において、制御回路１６は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２（＝ｋ１２ａ＝ｋ１２ｂ）に基づいて、インバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗを設定する。ステップＳ２２において、制御回路１６は、負荷装置２２に印加すべき電圧Ｖ４に基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力さえる電圧Ｖ０を設定する。

図９は、図１の受電装置２０の出力電圧が、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２と、送電装置１０の電圧Ｖ０とに依存して変化することを説明する例示的なグラフである。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の距離ｄ１が大きく、結合率ｋ１２が小さい場合、スイッチング周波数ｆｓｗがｆ１になるときに電圧Ｖ４が極大値になる。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間の距離ｄ１が小さく、結合率ｋ１２が大きい場合、スイッチング周波数ｆｓｗがｆ２になるときに電圧Ｖ４が極大値になる。ここで、距離ｄ１及び結合率ｋ１２の大小は、相対的な大きさを意味する。制御回路１６は、負荷非依存の送電周波数に合わせてインバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗを設定する。負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４が目標電圧に満たない場合には、制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０を増大させることにより、電圧Ｖ４を目標電圧まで増大させる。負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４が目標電圧を超える場合には、制御回路１６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０を低下させることにより、電圧Ｖ４を目標電圧まで低下させる。

図１０は、図１の受電装置２０の出力電圧が、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の結合率ｋ１２と、負荷装置２２の負荷値とに依存して変化することを説明する例示的なグラフである。図１０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１から出力される電圧Ｖ０が一定である場合を示す。例えば負荷装置２２がバッテリである場合、負荷装置２２は、バッテリの充電率に応じて変動する可変な負荷値を有する。前述のように、負荷装置２２に印加される電圧Ｖ４は、負荷装置２２の負荷値に応じて変化する。ただし、図１０に示すように、あるスイッチング周波数ｆｓｗにおいて送電しているとき、負荷値に対する電圧Ｖ４の依存性が少なくとも局所的に最小化され、電圧Ｖ４は、負荷装置２２の負荷値にかかわらず実質的に一定になる。負荷非依存の送電周波数は、電圧Ｖ４が最大化されるスイッチング周波数ｆｓｗに一致することもあり、一致しないこともある。従って、このような負荷非依存の送電周波数に合わせてインバータ１２のスイッチング周波数ｆｓｗを設定することにより、負荷装置２２の負荷値に応じて送電装置１０及び／又は受電装置２０を制御することが不要になる。これにより、負荷装置２２の負荷値をモニタリングして受電装置２０から送電装置１０にフィードバックすることが不要になり、また、負荷装置２２にその所望電圧を供給するために受電装置２０に余分な回路（ＤＣ／ＤＣコンバータなど）を設けることが不要になる。

［第２の実施形態の第１の変形例］
図１１は、第２の実施形態の第１の変形例に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第３の送電処理を示すフローチャートである。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在しないと考えられる場合、図８のステップＳ６〜Ｓ８、Ｓ１２〜Ｓ１３を省略してもよい。この場合、図１の電流検出抵抗Ｒ１及び検出器１４を除去してもよい。これにより、送電装置１０の構成及び動作を、図１及び図８の場合よりも簡単化することができる。

［第２の実施形態の第２の変形例］
図１２は、第２の実施形態の第２の変形例に係る非接触電力伝送システムの制御回路１６によって実行される第４の送電処理を示すフローチャートである。送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の間に異物が存在しないと考えられる場合、図８のステップＳ４〜Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１２〜Ｓ１３を省略してもよい。この場合、図１の補助コイルＬ３及び検出器１３を除去してもよい。これにより、送電装置１０の構成及び動作を、図１及び図８の場合よりも簡単化することができる。

［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、送電装置１０により取得可能な情報のみに基づいて送電装置１０のみを制御することで、受電装置２０の負荷値に実質的に依存することなく、負荷装置２２にその所望電圧を供給することができる。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、受電装置２０から送電装置１０へのフィードバックに依存せず、カメラ、温度センサなどを含まない簡単な構成で、異物を確実に検出することもできる。

第２の実施形態に係る非接触電力伝送システムによれば、異物を検出して送電を停止することにより、非接触電力伝送システムの安全性を向上することもできる。

［他の変形例］
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。

上述した各実施形態及び各変形例は、任意の組み合わされてもよい。

本明細書で説明した実施形態は、あらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本開示の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

送電装置は、交流電源に代えて直流電源を用いてもよい。この場合、送電装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータに代えて、ＤＣ／ＤＣコンバータを備えてもよい。

送電装置は、通信装置以外の何らかのセンサ又はスイッチにより受電装置を検出してもよい。

図１では、送電コイルＬ１及びキャパシタＣ１が互いに直列に接続され、受電コイルＬ２及びキャパシタＣ２が互いに直列に接続される場合を示したが、これらの少なくとも一方が互いに並列に接続されてもよい。

送電コイル、受電コイル、及び補助コイルは、図２に示すリング形状以外の他の形状を有してもよい。

送電コイルＬ１に流れる電流Ｉ１を検出するために、電流検出抵抗Ｒ１に代えて、例えば、シャント抵抗、電流トランス、などを用いてもよい。

負荷装置は、図１に示すように受電装置の内部に一体化されてもよく、受電装置の外部に接続されてもよい。

負荷装置２２は、可変な負荷値に代えて、予め決められた負荷値を有してもよい。

［まとめ］
本開示の各側面に係る送電装置の制御装置、送電装置、及び非接触電力伝送システムは、以下のように表現されてもよい。

本開示の第１の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、
受電コイル（Ｌ２）を備えた受電装置（２０）に電力を非接触で伝送する送電装置（１０）の制御装置であって、
前記送電装置（１０）は、送電コイル（Ｌ１）と、前記送電コイル（Ｌ１）に電磁的に結合した補助コイル（Ｌ３）と、所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイル（Ｌ１）に供給する電源回路（１１，１２）とを備え、
前記制御装置は、
前記補助コイル（Ｌ３）に発生する電流又は電圧の値を検出する第１の検出器（１３）と、
前記送電コイル（Ｌ１）に流れる電流の値を検出する第２の検出器（１４）と、
前記補助コイル（Ｌ３）に発生する電流又は電圧の値に基づいて前記送電コイル（Ｌ１）及び前記受電コイル（Ｌ２）の間の第１の結合率を推定し、前記送電コイル（Ｌ１）に流れる電流の値に基づいて前記送電コイル（Ｌ１）及び前記受電コイル（Ｌ２）の間の第２の結合率を推定する結合率推定器（１５）と、
前記第１及び第２の結合率の差が予め決められたしきい値以下であるときには前記受電装置（２０）へ電力を伝送するように、かつ、前記第１及び第２の結合率の差が前記しきい値より大きいときには前記受電装置（２０）への電力の伝送を停止するように前記電源回路（１１，１２）を制御する制御回路（１６）とを備える。

本開示の第２の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、第１の側面に係る送電装置（１０）の制御装置において、
前記受電装置（２０）は、可変な負荷値を有する第１の負荷装置（２２）と、予め決められた負荷値を有する第２の負荷装置（Ｒ２）と、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第１の負荷装置（２２）及び前記第２の負荷装置（Ｒ２）の一方に選択的に供給するスイッチ回路（ＳＷ）とを有し、
前記制御装置は、前記受電装置（２０）に通信可能に接続される通信装置（１７）をさらに備え、
前記制御回路（１６）は、
通常の送電を行うとき、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第１の負荷装置（２２）に供給するように前記スイッチ回路（ＳＷ）を切り換える信号を、前記通信装置（１７）を用いて前記受電装置（２０）に送信し、
前記第１及び第２の結合率を推定するとき、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第２の負荷装置（Ｒ２）に供給するように前記スイッチ回路（ＳＷ）を切り換える信号を、前記通信装置（１７）を用いて前記受電装置（２０）に送信し、前記第１及び第２の検出器（１３，１４）によって検出された値に基づいて前記第１及び第２の結合率を推定する。

本開示の第３の側面に係る送電装置（１０）は、
送電コイル（Ｌ１）と、
前記送電コイル（Ｌ１）に電磁的に結合した補助コイル（Ｌ３）と、
所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイル（Ｌ１）に供給する電源回路（１１，１２）と、
第１又は第２の側面に係る送電装置（１０）の制御装置とを備える。

本開示の第４の側面に係る送電装置（１０）は、第３の側面に係る送電装置（１０）において、
ＬＣ共振回路を構成するように前記送電コイル（Ｌ１）に接続されたキャパシタ（Ｃ１）をさらに備える。

本開示の第５の側面に係る送電装置（１０）は、第３又は第４の側面に係る送電装置（１０）において、
前記送電コイル（Ｌ１）及び前記補助コイル（Ｌ３）が巻回された磁性体コア（Ｆ１）をさらに備え、
前記補助コイル（Ｌ３）は、前記送電コイル（Ｌ１）を包囲するように配置される。

本開示の第６の側面に係る非接触電力伝送システムは、
第３〜第５の側面のうちの１つに係る送電装置（１０）と、
受電コイル（Ｌ２）を備えた受電装置（２０）とを含む。

本開示の第７の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、
受電コイル（Ｌ２）を備えた受電装置（２０）に電力を非接触で伝送する送電装置（１０）の制御装置であって、
前記送電装置（１０）は、送電コイル（Ｌ１）と、前記送電コイル（Ｌ１）に電磁的に結合した補助コイル（Ｌ３）と、可変な電圧及び可変な周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイル（Ｌ１）に供給する電源回路（１１，１２）とを備え、
前記制御装置は、
前記送電コイル（Ｌ１）に流れる電流の値と、前記補助コイル（Ｌ３）に発生する電流又は電圧の値とのうちの少なくとも一方を検出する検出回路（１３，１４）と、
前記検出回路（１３，１４）によって検出された値に基づいて、前記受電装置（２０）の負荷値に対する前記受電装置（２０）の出力電圧の依存性が少なくとも局所的に最小化される送電周波数を決定し、前記決定された送電周波数を有する送電電力を発生するときに前記受電装置（２０）の出力電圧を予め決められた目標電圧にする前記送電電力の電圧を決定し、前記決定された送電周波数及び電圧を有する送電電力を発生するように前記電源回路（１１，１２）を制御する制御回路（１６）とを備える。

本開示の第８の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、第７の側面に係る送電装置（１０）の制御装置において、
前記受電装置（２０）は、可変な負荷値を有する第１の負荷装置（２２）と、予め決められた負荷値を有する第２の負荷装置（Ｒ２）と、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第１の負荷装置（２２）及び前記第２の負荷装置（Ｒ２）の一方に選択的に供給するスイッチ回路（ＳＷ）とを有し、
前記制御装置は、前記受電装置（２０）に通信可能に接続される通信装置（１７）をさらに備え、
前記制御回路（１６）は、
通常の送電を行うとき、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第１の負荷装置（２２）に供給するように前記スイッチ回路（ＳＷ）を切り換える信号を、前記通信装置（１７）を用いて前記受電装置（２０）に送信し、
前記送電周波数を決定するとき、前記受電装置（２０）の出力電圧を前記第２の負荷装置（Ｒ２）に供給するように前記スイッチ回路（ＳＷ）を切り換える信号を、前記通信装置（１７）を用いて前記受電装置（２０）に送信し、前記検出回路（１３，１４）によって検出された値に基づいて前記送電周波数を決定する。

本開示の第９の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、第７又は第８の側面に係る送電装置（１０）の制御装置において、
前記検出回路（１３，１４）によって検出された値に基づいて前記送電コイル（Ｌ１）及び前記受電コイル（Ｌ２）の結合率を推定し、前記結合率に基づいて、前記送電周波数を決定する結合率推定器（１５）をさらに備える。

本開示の第１０の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、第９の側面に係る送電装置（１０）の制御装置において、
前記検出回路（１３，１４）は、前記補助コイル（Ｌ３）に発生する電流又は電圧の値を検出する第１の検出器（１３）と、前記送電コイル（Ｌ１）に流れる電流を検出する第２の検出器（１４）とを備え、
前記結合率推定器（１５）は、前記補助コイル（Ｌ３）に発生する電流又は電圧の値に基づいて前記送電コイル（Ｌ１）及び前記受電コイル（Ｌ２）の間の第１の結合率を推定し、前記送電コイル（Ｌ１）に流れる電流の値に基づいて前記送電コイル（Ｌ１）及び前記受電コイル（Ｌ２）の間の第２の結合率を推定し、
前記制御回路（１６）は、前記第１及び第２の結合率の差が予め決められたしきい値以下であるとき、前記決定された周波数及び電圧を有する送電電力を発生するように前記電源回路（１１，１２）を制御する。

本開示の第１１の側面に係る送電装置（１０）の制御装置は、第１０の側面に係る送電装置（１０）の制御装置において、
前記制御回路（１６）は、前記第１及び第２の結合率の差が予め決められたしきい値を超えるとき、前記受電装置（２０）への電力の伝送を停止するように前記電源回路（１１，１２）を制御する。

本開示の第１２の側面に係る送電装置（１０）は、
送電コイル（Ｌ１）と、
前記送電コイル（Ｌ１）に電磁的に結合した補助コイル（Ｌ３）と、
可変な電圧及び可変な周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイル（Ｌ１）に供給する電源回路（１１，１２）と、
第７〜第１１の側面のうちの１つに係る送電装置（１０）の制御装置とを備える。

本開示の第１３の側面に係る送電装置（１０）は、第１２の側面に係る送電装置（１０）において、
ＬＣ共振回路を構成するように前記送電コイル（Ｌ１）に接続されたキャパシタ（Ｃ１）をさらに備える。

本開示の第１４の側面に係る送電装置（１０）は、第１２又は１３の側面に係る送電装置（１０）において、
前記送電コイル（Ｌ１）及び前記補助コイル（Ｌ３）が巻回された磁性体コア（Ｆ１）をさらに備え、
前記補助コイル（Ｌ３）は、前記送電コイル（Ｌ１）を包囲するように配置される。

本開示の第１５の側面に係る非接触電力伝送システムは、
第１２〜第１４の側面のうちの１つに係る送電装置（１０）と、
受電コイル（Ｌ２）を備えた受電装置（２０）とを含む。

本開示は、磁界方式で電力を伝送し、かつ、送電コイル及び受電コイルの結合率が変化する可能性がある非接触電力伝送システムに適用可能である。本開示は、磁界方式で電力を伝送し、かつ、送電コイル及び受電コイルの結合率が変化しない非接触電力伝送システムにも適用可能である。

１…交流電源、
１０…送電装置、
１１…ＡＣ／ＤＣコンバータ、
１２…インバータ、
１３，１４…検出器、
１５…結合率推定器、
１６…制御回路、
１７…通信装置、
２０…受電装置、
２１…整流回路、
２２…負荷装置、
２３…制御回路、
２４…通信装置、
３１…路面、
３２…車両、
３３…異物、
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ、
Ｆ１，Ｆ２…磁性体コア、
Ｌ１…送電コイル、
Ｌ２…受電コイル、
Ｌ３…補助コイル、
Ｒ１…電流検出抵抗、
Ｒ２…負荷素子、
ＳＷ…スイッチ回路。

Claims (6)

1. 受電コイルを備えた受電装置に電力を非接触で伝送する送電装置の制御装置であって、
   前記送電装置は、送電コイルと、前記送電コイルに電磁的に結合した補助コイルと、所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイルに供給する電源回路とを備え、
   前記制御装置は、
   前記補助コイルに発生する電流又は電圧の値を検出する第１の検出器と、
   前記送電コイルに流れる電流の値を検出する第２の検出器と、
   前記補助コイルに発生する電流又は電圧の値に基づいて前記送電コイル及び前記受電コイルの間の第１の結合率を推定し、前記送電コイルに流れる電流の値に基づいて前記送電コイル及び前記受電コイルの間の第２の結合率を推定する結合率推定器と、
   前記第１及び第２の結合率の差が予め決められたしきい値以下であるときには前記受電装置へ電力を伝送するように、かつ、前記第１及び第２の結合率の差が前記しきい値より大きいときには前記受電装置への電力の伝送を停止するように前記電源回路を制御する制御回路とを備えた、
   送電装置の制御装置。
2. 前記受電装置は、可変な負荷値を有する第１の負荷装置と、予め決められた負荷値を有する第２の負荷装置と、前記受電装置の出力電圧を前記第１の負荷装置及び前記第２の負荷装置の一方に選択的に供給するスイッチ回路とを有し、
   前記制御装置は、前記受電装置に通信可能に接続される通信装置をさらに備え、
   前記制御回路は、
   通常の送電を行うとき、前記受電装置の出力電圧を前記第１の負荷装置に供給するように前記スイッチ回路を切り換える信号を、前記通信装置を用いて前記受電装置に送信し、
   前記第１及び第２の結合率を推定するとき、前記受電装置の出力電圧を前記第２の負荷装置に供給するように前記スイッチ回路を切り換える信号を、前記通信装置を用いて前記受電装置に送信し、前記第１及び第２の検出器によって検出された値に基づいて前記第１及び第２の結合率を推定する、
   請求項１記載の送電装置の制御装置。
3. 送電コイルと、
   前記送電コイルに電磁的に結合した補助コイルと、
   所定の電圧及び周波数を有する送電電力を発生して前記送電コイルに供給する電源回路と、
   請求項１又は２記載の送電装置の制御装置とを備えた、
   送電装置。
4. ＬＣ共振回路を構成するように前記送電コイルに接続されたキャパシタをさらに備えた、
   請求項３記載の送電装置。
5. 前記送電コイル及び前記補助コイルが巻回された磁性体コアをさらに備え、
   前記補助コイルは、前記送電コイルを包囲するように配置された、
   請求項３又は４記載の送電装置。
6. 請求項３〜５のうちの１つに記載の送電装置と、
   受電コイルを備えた受電装置とを含む、
   非接触電力伝送システム。

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