JP5564620B2 - ワイヤレス送電方法 - Google Patents

Description

この発明は、ワイヤレス送電方法に関する。
本願は、２０１１年７月２８日に、日本に出願された特願２０１１−１６５３６８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、給電装置より出力される電力をワイヤレスで電気自動車のバッテリーに充電する際に、交流電力に、バッテリーの充電に用いる各種制御信号をＡＳＫ変調方式等により重畳して、送電側と受電側との間で制御信号の送受信を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第１０／０３０００５号パンフレット

しかしながら、上述した従来のワイヤレス送電にあっては、交流電力に制御信号を重畳させることで制御信号の送受信に用いる通信機器を減らしてシステムを簡素化しているものの、制御信号を交流電力に重畳させるための機器が増加してしまう。また、上述した従来のワイヤレス送電は、受電側である車両の要求電力を把握していないため、一方的に電力を送り続けてしまい最適な電力送電を行えないという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置構成が複雑化することなく受電側の要求電力に応じて電力供給を最適化することが可能なワイヤレス送電方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の一態様に係るワイヤレス送電方法は、磁場の共鳴により送電装置の共鳴アンテナである第１の共鳴アンテナから受電装置の共鳴アンテナである第２の共鳴アンテナへ非接触で電力を伝送するワイヤレス送電方法であって、前記送電装置の電源電力の周波数を変化させて前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の伝送効率を第１の伝送効率に設定し、前記第１の共鳴アンテナから前記第２の共鳴アンテナに伝送する電力を漸増させ、前記第２の共鳴アンテナの誘導係数および静電容量の少なくとも一方の変化により共鳴周波数を変化させて、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を第１の伝送効率より小さい第２の伝送効率に変更して受電電力を前記受電装置の要求電力に合わせる。

（２）上記（１）に記載のワイヤレス送電方法では、前記送電装置は、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を監視し、前記伝送効率の変化に基づき前記要求電力を推定してもよい。

（３）上記（２）に記載のワイヤレス送電方法では、前記送電装置は、推定した前記要求電力と等しくなるように送電電力を変化させ、
前記受電装置にて、前記受電電力が前記要求電力と等しくなるように、前記第２の共鳴アンテナの前記誘導係数および前記静電容量の少なくとも一方の変化により前記共鳴周波数を変化させて、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を第２の伝送効率より大きい第３の伝送効率に変化させてもよい。

上記（１）に記載の態様によれば、受電装置の共鳴アンテナの誘導係数および静電容量の少なくとも一方の変化により共鳴周波数を変化させて受電電力を受電装置の要求電力に合わせることができる。そのため、過大な電力が供給されることによって受電装置の共鳴アンテナが過熱されるのを防止できる。
また、受電装置から送電装置へ要求電力の情報を送信するための通信機器や信号変換機器などを用いることなしに受電電力を受電装置の要求電力に合わせることができるため、装置構成が複雑化するのを防止できる。
また、例えば、充電の必要がない場合のように受電装置の要求電力が零の場合には、共鳴周波数を変化させることで受電電力を零にすることもできる。

上記（２）に記載の態様によれば、さらに、受電装置側の共鳴周波数の変化により受電電力が受電装置の要求電力に合わされるときの送電装置の共鳴アンテナと受電装置の共鳴アンテナとの間の伝送効率に基づき、例えば、変化後の伝送効率と送電電力とから、受電装置の要求電力を送電装置で推定することができる。したがって、要求電力の情報を送受信するための装置を設ける場合と比較して部品点数を低減することができる。

上記（３）に記載の態様によれば、さらに、送電装置において推定された要求電力となるように送電電力が変更されると、受電電力が低下するので、この低下を補うように受電装置側で伝送効率が増大する側に共鳴周波数が変更される。したがって、受電装置側の要求電力に応じた送電電力を高い伝送効率で伝送することができる。

本発明の第１実施形態におけるワイヤレス充電システムの構成を示すブロック図である。 上記ワイヤレス充電システムにおけるＬＣ調整回路の一例を示す回路図である。 上記ワイヤレス充電システムの送電装置側で実行される送電初期処理のフローチャートである。 電源周波数と伝送効率との関係を示すグラフである。 電源周波数と伝送効率との関係を示すグラフであり、２山の場合の一例を示すグラフである。 上記ワイヤレス充電システムの送電側処理のフローチャートである。 上記ワイヤレス充電システムの受電側処理のフローチャートである。 図７の可変周波数処理のフローチャートである。 送信アンテナおよび受信アンテナの組み合わせ毎のマップである。 受電電力を要求電力まで低下させる場合の一例を示すグラフである。 可変周波数処理により受電電力を受電電力目標値に収束させる一例を示すグラフである。 可変周波数処理により送電装置側の伝送効率が所定範囲内に収束する一例を示すグラフである。 共鳴周波数を変更した一例を示すグラフである。 共鳴周波数を変更した一例を示すグラフであり、２山の場合の一例を示すグラフである。 上記ワイヤレス充電システムの動作を示すタイミングチャートである。 この発明の第２実施形態における上記ワイヤレス充電システムの送電側処理のフローチャートである。 上記第２実施形態のワイヤレス充電システムの可変周波数処理のフローチャートである。 上記第２実施形態のワイヤレス充電システムの動作を示すタイミングチャートである。

次に、この発明の第１実施形態に係るワイヤレス送電方法を適用したワイヤレス充電システムについて図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、この実施形態のワイヤレス充電システム１は、走行駆動力を発生する３相のＤＣブラシレスモータなどのモータを具備する車両１００と、車両１００へ充電電力を供給する充電ステーション２００とを備えて構成される。

このワイヤレス充電システム１は、共鳴現象を用いた共鳴型のワイヤレス電力伝送方式により、充電ステーション２００（送電装置側）から出力される電力を車両１００（受電装置側）に非接触で送電し、車両１００に搭載されたバッテリー１０を充電する。

車両１００は、フロアパネルの下方などに受信アンテナ１１を備えて構成される。充電ステーション２００は、車両１００が走行する路面や、車両１００が駐車する施設などに送信アンテナ２１を備えて構成される。

充電ステーション２００の送信アンテナ２１は、送電アンテナ２１ａおよび送電コイル２１ｂを備え、車両１００の受信アンテナ１１は、受電アンテナ１１ａおよび受電コイル１１ｂを備える。
共鳴型のワイヤレス電力伝送方式では、受電コイル１１ｂを備える車両１００側の共鳴器（図示略）と送電コイル２１ｂを備える充電ステーション２００側の共鳴器（図示略）との間の磁場の共鳴により電力が伝送される。

充電ステーション２００の送電アンテナ２１ａには、一次コイルとされる送電コイル２１ｂが近接して配置される。車両１００の受電アンテナ１１ａには２次コイルとされる受電コイル１１ｂが近接して配置される。そして、送電コイル２１ｂに１次電流が通電されると、電磁誘導により送電アンテナ２１ａに誘導電流が流れて、送電コイル２１ｂを備える充電ステーション２００側の共鳴器のインダクタンスおよび浮遊容量に応じた共鳴周波数で送電アンテナ２１ａが共鳴する。これに伴い、送電アンテナ２１ａに対向する受電アンテナ１１ａが共鳴周波数で共鳴し、受電アンテナ１１ａに２次電流が流れ、電磁誘導により受電アンテナ１１ａに近接した受電コイル１１ｂに２次電流が流れることとなる。

充電ステーション２００は、上記送信アンテナ２１の他に、交流電源２２と、整流回路２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、発振回路２５と、制御装置２６とを備えている。
交流電源２２から供給される交流の電力は、整流回路２３により直流に変換される。整流回路２３により直流変換された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４により電圧変換された後に、発振回路２５に供給される。
発振回路２５は、制御装置２６からの制御信号に従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される直流電力を、共鳴型のワイヤレス電力伝送方式で用いる所定周波数の交流電力に変換する。また、発振回路２５は、制御装置２６からの制御信号に従って、送信アンテナ２１を介して受信アンテナ１１へ出力する送電電力Ｐ＿ｏｕｔ（Ｗ）を調整する。さらに発振回路２５は、送信アンテナ２１と受信アンテナ１１とからなる送受信回路網のＳパラメータ（散乱パラメータ）に係る入力反射係数（以下、単にＳ_１１パラメータと称す）を求めるための入射波と反射波との情報を制御装置２６へ送信する。

制御装置２６は、発振回路２５から受信した入射波と反射波との情報からＳ_１１パラメータを求め、さらにＳ_１１パラメータから電力送電の伝送効率ηを算出する。制御装置２６は、また、伝送効率ηと送電電力Ｐ＿ｏｕｔとに基づき車両１００（受電装置）の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求める。制御装置２６は、さらに、この送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒとなるように送電電力Ｐ＿ｏｕｔを調整する制御信号を発振回路２５へ出力する。Ｓ_１１パラメータは、発振回路２５から送信アンテナ２１への入射波ａ１と、送信アンテナ２１からの反射波ｂ１との比（Ｓ_１１＝ｂ１／ａ１）で求められる。これら入射波ａ１と反射波ｂ１は、例えば、方向性結合器により検出可能である。

車両１００は、上述した受信アンテナ１１の他に、モータ駆動用のバッテリー１０と、車両整流回路１３と、車両ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣ）１４と、ＬＣ調整回路１５と、車両制御装置１６とを備えている。
バッテリー１０は、共鳴型のワイヤレス電力伝送方式により充電ステーション２００から送電された電力により充電され、走行駆動力を発生するモータなど車両１００に搭載された各種の機器に電力を供給する。

車両整流回路１３は、受信アンテナ１１により受信される交流電力を直流電力に変換する。さらに車両整流回路１３は、受信アンテナ１１から入力された受電電力Ｐ＿ｉｎ（Ｗ）を検出する検出部（図示せず）を備えており、検出された受電電力Ｐ＿ｉｎの情報を車両制御装置１６へ出力する。
車両ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、車両整流回路１３の出力電圧をバッテリー１０の充電電圧に変換する。

ＬＣ調整回路１５は、車両制御装置１６からの制御指令に従い、共鳴アンテナの誘導係数（Ｌ）、静電容量（Ｃ）の少なくとも一方を変化させることにより、共鳴型のワイヤレス電力伝送方式による受信アンテナ１１の共鳴周波数Ｆを調整する。図２は、ＬＣ調整回路１５の容量可変回路３０の一例を示しており、例えば、可変容量ダイオード３１とキャパシタ３２との並列接続で構成できる。このように可変容量ダイオード３１を用いることで機械的な調整機構が不要となり信頼性が向上される。上記では、容量可変の場合を一例に説明したが、可変誘導器等により誘導係数を調整するようにしても良い。

車両制御装置１６は、例えば電流積算法などによりバッテリー充電状態ＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を監視してバッテリー１０など車両１００側の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒを求める。さらに、車両制御装置１６は、車両整流回路１３から入力された受電電力Ｐ＿ｉｎの情報および、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに基づいて、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒとなるように、共鳴型のワイヤレス電力伝送方式における共鳴周波数Ｆを調整する制御指令をＬＣ調整回路１５へ出力する。

上述した充電ステーション２００のＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、整流回路２３の出力電圧が発振回路２５の入力電圧として利用できれば省略してもよい。さらに車両ＤＣ／ＤＣコンバータ１４も、車両整流回路１３の出力電圧がバッテリー１０の入力電圧として利用できれば省略してもよい。なお、図１においては、電力の流れを白抜き矢印で示し、制御信号の流れを実線矢印で示している。

次に、充電ステーション２００の制御装置２６による送電側初期処理について図３のフローチャートを参照しながら説明する。この送電側初期処理は、ワイヤレス電力伝送を開始する際に最初に行われる制御処理である。
まず、制御装置２６は、図３に示すステップＳ０１において、発振回路２５の発振周波数（以下、単に電源周波数と称す）をスイープすなわち、ワイヤレス電力伝送方式で用いられる予め設定された所定の周波数範囲で変化させる。
次いで、ステップＳ０２においては、スイープした結果、Ｓ_１１パラメータが最小値となる周波数を求め、この周波数を電源周波数として設定する。
ここで、上述したＳ_１１パラメータを用いることで、以下の（１）式により送信アンテナ２１と受信アンテナ１１との間の伝送効率（η）を求めることができる。

つまり、Ｓ_１１パラメータが大きいほど伝送効率ηは小さくなり、Ｓ_１１パラメータが小さいほど伝送効率ηは大きくなる。
例えば、Ｓ_１１パラメータが最小の場合、送電装置側で算出される伝送効率η＿ｏｕｔが最大値（以下、単に最大値ηｍａｘと称す）となるが、この最大値ηｍａｘが、この実施形態における第１の伝送効率である。

図４は、縦軸を伝送効率（η）、横軸を電源周波数（ｆ）としたグラフである。このグラフの山のピークにあたる周波数（図４中、１点鎖線で示す）がＳ_１１パラメータの最小となる周波数である。
ここで、図４においては、グラフの山が１山の場合を示したが、山の形状は図４に示すものに限られない。例えば、図５に示すように２山となる場合などもある。図５の一例の場合、伝送効率が最大（＝Ｓ_１１パラメータが最小）となる周波数は右側の山のピークとなっている。

次に、充電ステーション２００の制御装置２６における送電側処理についてフローチャートを参照しながら説明する。
制御装置２６は、まず、図６に示すステップＳ１１において、上述した送電側初期処理を実施する。
そして、ステップＳ１２において、上記送電側初期処理で求めた伝送効率の最大値ηｍａｘとなる電源周波数で電力送電を開始する。

次いで、ステップＳ１３において、発振回路２５により送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に増加させる。
次いで、ステップＳ１４において、Ｓ_１１パラメータより充電ステーション２００（送電装置側）で算出される伝送効率η＿ｏｕｔが伝送効率の最大値ηｍａｘよりも小さいか否か、換言すれば、伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘよりも低下したか否かを判定する。この判定の結果が「ＮＯ」（η＿ｏｕｔ≧ηｍａｘ）の場合は、ステップＳ１８に進む。一方、ステップＳ１４の判定の結果が「ＹＥＳ」（η＿ｏｕｔ＜ηｍａｘ）の場合は、ステップＳ１５に進む。ここで、伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘから低下する場合とは、例えば、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒとなるように車両１００のＬＣ調整回路１５によって共鳴周波数Ｆが初期値から変更される場合である。

ステップＳ１８においては、伝送効率η＿ｏｕｔが未だηｍａｘよりも低下していない状態であるので、要求電力推定期間ｔ＿ｉｎ（ｓ）が、予め設定された要求電力推定期間ｔ＿ｉｎ（ｓ）の閾値である所定の経過時間ｔ２よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ＿ｉｎ（ｓ）＞ｔ２）である場合には、伝送効率η＿ｏｕｔが何らかの要因で低下しない状態であるため、この一連の処理を一旦終了する。
一方、判定結果が「ＮＯ」（ｔ＿ｉｎ（ｓ）≦ｔ２）である場合には、上述したステップＳ１３の処理に戻り、送電電力Ｐ＿ｏｕｔの増加を継続する。
所定の経過時間ｔ２は、制御装置２６が両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求めてこの送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒに送電電力Ｐ＿ｏｕｔを合わせるまでの一連の制御処理にかかる時間の上限値であり、予め設定されている。

ステップＳ１５においては、伝送効率η＿ｏｕｔが所定時間ｔ１の間、所定の効率内を維持しているか否かを判定する。すなわち、伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘから低下して安定した状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」（維持していない）である場合には、ステップＳ１４の処理に戻る。
一方、判定結果が「ＹＥＳ」（維持している）である場合には、伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘよりも低下して安定した状態であるため、ステップＳ１６に進む。ここで、上述したように、例えば、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒとなるように共鳴周波数Ｆを変更した結果現れる電送効率η＿ｏｕｔが、この実施形態における第２の伝送効率である。

ステップＳ１６においては、最大値ηｍａｘよりも低下して安定した伝送効率η＿ｏｕｔと送電電力Ｐ＿ｏｕｔとを積算して車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求める。つまり、充電ステーション２００（送電装置側）においては、伝送効率η＿ｏｕｔの変化に基づき車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求めている。また、上述したように安定した状態の伝送効率η＿ｏｕｔを用いることで、より正確な送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求めることが可能となっている。
次いで、ステップＳ１７においては、送電電力Ｐ＿ｏｕｔを、推定された要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに合わせて、換言すれば送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒと等しくなるように送電電力Ｐ＿ｏｕｔを変更して上述した一連の処理を一旦終了する。

次に、車両１００の車両制御装置１６における受電側処理についてフローチャートを参照しながら説明する。
車両制御装置１６は、まず、図７に示すステップＳ２１において、受電電力Ｐ＿ｉｎを監視する。
次いで、ステップＳ２２において、受電電力Ｐ＿ｉｎが所定の下限Ｐ１と所定の上限Ｐ２との間の所定の受電電力範囲内にあって、且つ、車両１００側の伝送効率η＿ｉｎが予め設定された所定の伝送効率の閾値である最大値η＿ｉｎ＿ｍａｘ以上か否かを判定する。

ここで、下限Ｐ１は、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒから所定の電力範囲ΔＰを減算した値である。上限Ｐ２は、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒから所定の電力範囲ΔＰを加算した値である。
また、車両１００側の伝送効率η＿ｉｎは、それぞれ共鳴周波数Ｆと伝送効率η＿ｉｎとのテーブル又はマップ（図示せず）により求めることが可能である。この伝送効率η＿ｉｎは、例えば、ＬＣ調整回路１５により調整される共鳴周波数Ｆと相関があり、上述した伝送効率η＿ｏｕｔが最大となる周波数に受信側の共鳴周波数Ｆが近いほど大きくなり、一方、伝送効率η＿ｏｕｔが最大となる周波数から受信側の共鳴周波数Ｆが遠いほど小さくなる。

上記ステップＳ２２の判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ１＜Ｐ＿ｉｎ＜Ｐ２ かつ η＿ｉｎ≧η＿ｉｎ＿ｍａｘ）の場合には、ステップＳ２３に進む。
一方、判定結果が「ＮＯ」（Ｐ１＜Ｐ＿ｉｎ＜Ｐ２ かつ η＿ｉｎ≧η＿ｉｎ＿ｍａｘではない）の場合には、ステップＳ２４に進む。伝送効率η＿ｉｎの初期値は、η＿ｉｎ≧η＿ｉｎ＿ｍａｘとされる。

要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに変化があった場合や要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒと受電電力Ｐ＿ｉｎとに大きな差が生じている場合などには、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの範囲ΔＰ内ではなくなる。その結果、ステップＳ２２の判定結果は「ＮＯ」になる。一方、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに変化がない場合には、ステップＳ２２の判定結果は「ＹＥＳ」になる。

ステップＳ２４においては、受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの所定範囲ΔＰ内にするべく可変周波数（可変Ｆ）処理を行い、ステップＳ２１に戻る。つまり、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの所定範囲ΔＰ内になり、伝送効率η＿ｉｎが最大値η＿ｉｎ＿ｍａｘ以上になるまで、ステップＳ２１、ステップＳ２２、ステップＳ２４の処理が繰り返される。

ステップＳ２３においては、上記受電電力Ｐ＿ｉｎが所定の下限Ｐ１と所定の上限Ｐ２との間の所定の受電電力範囲ΔＰ内にあり、且つ、伝送効率η＿ｉｎが予め設定された所定の伝送効率の最大値η＿ｉｎ＿ｍａｘ以上となっている時間ｔ＿ｏｕｔ（ｓ）が、所定の経過時間ｔ２よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」（ｔ＿ｏｕｔ（ｓ）≦ｔ２）の場合には、ステップＳ２１の処理に戻り、上述した一連の処理を繰り返す。

つまり、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの所定範囲ΔＰ内にあり、且つ、伝送効率η＿ｉｎが最大値η＿ｉｎ＿ｍａｘ以上の十分に高い値となった状態が安定するまで上述した一連の処理を繰り返す。
一方、ステップＳ２３の判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ＿ｏｕｔ（ｓ）＞ｔ２）の場合には、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの所定範囲ΔＰ内にあり、且つ、伝送効率η＿ｉｎが十分に高い値となった状態で安定しているので、上述した一連の処理を一旦終了する。

次に、上述したステップＳ２１の可変周波数（Ｆ）処理についてフローチャートを参照しながら説明する。この可変周波数処理は、受電電力Ｐ＿ｉｎを目標値Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの所定範囲（±ΔＰ）内に収束させるための共鳴周波数Ｆの制御処理である。
まず、車両制御装置１６は、図８に示すステップＳ３１において、受電電力Ｐ＿ｉｎが、所定の下限Ｐ１よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＿ｉｎ≦Ｐ１）の場合には、ステップＳ３４に進む。
一方、判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＿ｉｎ＞Ｐ１）の場合には、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３４においては、Ｓ_１１パラメータを下げる方向すなわち、ＬＣ調整回路１５によって、伝送効率η＿ｉｎを増大する側に共鳴周波数Ｆを所定周波数分だけ変更して、上述した一連の処理を一旦終了する。
つまり、受電電力Ｐ＿ｉｎが下限Ｐ１よりも大きくなるまで、上記一連の処理が繰り返される。

ステップＳ３２においては、受電電力Ｐ＿ｉｎが、所定の上限Ｐ２よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＿ｉｎ＞Ｐ２）の場合には、ステップＳ３３に進む。
一方、判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＿ｉｎ≦Ｐ２）の場合には、ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３３においては、Ｓ_１１パラメータを上げる方向すなわち、伝送効率η＿ｉｎを低下させる側に共鳴周波数Ｆを所定周波数分だけ変更して、上述した一連の処理を一旦終了する。つまり、受電電力Ｐ＿ｉｎが上限Ｐ２以下になるまで、上記一連の処理が繰り返される。
一方、ステップＳ３５においては、マップから共鳴周波数Ｆを設定して、上述した一連の処理を一旦終了する。

すなわち、上述した可変周波数処理によれば、図１１に示すように、受電電力Ｐ＿ｉｎが下限Ｐ１よりも大きく上限Ｐ２以下の場合に、マップ参照によるフィードフォワード制御により、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒとなる共鳴周波数Ｆを決定して、受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒにすばやく収束させることができる。また、この受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに収束させることで、図１２に示すように、伝送効率η＿ｏｕｔも所定範囲Δη内に落ち着き、これによりステップＳ１５において伝送効率η＿ｏｕｔが安定状態になったと判定される。

ここで、受電装置側（車両１００側）の伝送効率の目標値（以下、伝送効率目標値と称す）ηｔａｒは、下記（２）式で表すことができる。

（２）式中、「ηＬ」は受電電力Ｐ＿ｉｎの変更率、「η」は現在の伝送効率である。

また、受電電力Ｐ＿ｉｎの変更率ηＬは、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒおよび現在の受電電力Ｐ＿ｉｎの下記（３）式で表すことができる。

そして、伝送効率目標値ηｔａｒから例えば、下記表１に示すテーブルを参照することで、伝送効率目標値ηｔａｒが得られる共鳴周波数Ｆを求めることができる。

車両のワイヤレス電力伝送方式にあっては、特性の異なる多数の送信アンテナ２１および受信アンテナ１１の存在が想定される。そのため、送信アンテナ２１および受信アンテナ１１の組み合わせ毎に上記のようなテーブルが必要となる。従って、図９に示す送信アンテナ２１および受信アンテナ１１の組み合わせ毎のマップとして予め記憶してもよい。
このマップにより共鳴周波数Ｆが決まれば、ＬＣ調整回路１５によるＬＣは下記（４）式を用いて決定することができる。

図１０に示すように、受電側の共鳴周波数Ｆを変更することで、例えば、現在の受電電力Ｐ＿ｉｎ＝１００［Ｗ］を要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒ＝８０［Ｗ］にする場合、受電電力Ｐ＿ｉｎの変更率ηＬは、変更前に対して８０％となる。そして、現在の受電電力Ｐ＿ｉｎが伝送効率η＝９０％で伝送されている場合は、伝送効率目標値ηｔａｒは、（９０％×８０％）／１００＝７２％となる。そして、この伝送効率目標値ηｔａｒ＝７２％に対応付けられた共鳴周波数Ｆ（上記テーブルでは０．８５ＭＨｚ）となるようにＬＣ調整回路１５のＬＣが設定される。

図１３は、縦軸を伝送効率η、横軸を周波数ｆとしたグラフである。図中、実線で示すのは、最大値ηｍａｘが得られる状態すなわち、ＬＣ調整回路１５により共鳴周波数Ｆを調整する前（変更前）のグラフである。一方、破線で示すのは、ＬＣ調整回路１５により伝送効率η＿ｏｕｔが低下する方向に共鳴周波数Ｆを調整した後（変更後）のグラフである。調整前および調整後に関わらず、電源周波数は、調整前の最大効率（最大値ηｍａｘ）が得られる周波数ｆ０に固定される。

例えば、伝送効率η＿ｏｕｔを最大値ηｍａｘから低下させる際には、まず、車両１００のＬＣ調整回路１５により誘導係数（Ｌ）および静電容量（Ｃ）の少なくとも一方を変化させる。すると、図１３の左右方向何れかにグラフがずれる。つまり、発振回路２５によって電源周波数が周波数ｆ０に固定されているので、伝送効率η＿ｏｕｔが低下する。図１３は、左側にずらした（変更した）場合を示している。一方、伝送効率η＿ｏｕｔが低下された状態から上記方向とは反対向きに誘導係数（Ｌ）および静電容量（Ｃ）の少なくとも一方を変化させることで、伝送効率η＿ｏｕｔを増加させることが可能である。ＬＣ調整回路１５によりＬＣを増加させた場合には、グラフは左側にずれ、ＬＣを減少させた場合には右側にずれることとなる。

図１３では、共鳴周波数Ｆのグラフのピークが１山の場合を一例にして説明したが、図１４に示すようなピークが２山の場合も同様に伝送効率η＿ｏｕｔを増減することができる。ただし、ピークが２山の場合、発振回路２５による電源周波数の設定値である周波数ｆ０が、共鳴周波数Ｆの２山のピークのうちどちらにあるかでグラフをずらす方向を変える。例えば、伝送効率η＿ｏｕｔの最大値が右山にあるときには、ＬＣ調整回路１５のＬＣを小さくして破線に示すようにグラフを左側にずらせばよい。図示を省略するが、伝送効率η＿ｏｕｔの最大値が左山にあるときには、ＬＣ調整回路１５によりＬＣを大きくしてグラフを右側にずらせばよい。

図１５は、上述した第１実施形態のワイヤレス充電システムによる一連の制御処理による共鳴周波数Ｆ、受電電力Ｐ＿ｉｎ、伝送効率η＿ｏｕｔ、送電電力Ｐ＿ｏｕｔの変移を示すタイミングチャートである。以下の説明では、車両１００を受電装置側、充電ステーション２００を送電装置側と呼ぶ。
この図１５に示すように、まず、ワイヤレス電力伝送を始めるにあたり、送電側初期処理により電源周波数がスイープされて伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘとなる周波数に設定される。この状態で送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に増加（漸増）させると、この送電電力Ｐ＿ｏｕｔの増加に伴って受電電力Ｐ＿ｉｎが徐々に増加（漸増）する。

次いで、受電電力Ｐ＿ｉｎがある程度上昇したら、受電電力Ｐ＿ｉｎが、例えばＰ＿ｉｎより小さい値の受電側の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒとなるようにＬＣ調整回路１５により共鳴周波数Ｆが変更され、これにより送信アンテナ２１と受信アンテナ１１との間の伝送効率η＿ｏｕｔが低下される。この伝送効率η＿ｏｕｔの低下に伴い受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒまで低下する。図１５の伝送効率η＿ｏｕｔでは、初期の高い値が第１の伝送効率であり、そこから低下されて一定となった値が第２の伝送効率である。

例えば、バッテリー１０が満充電の場合など、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒが零に設定される場合も考えられる。この場合には、上述した図８の可変周波数処理により受電電力Ｐ＿ｉｎが零となるまで共鳴周波数Ｆが変更される。その結果、伝送効率η＿ｏｕｔが、最大値ηｍａｘから零まで低下される。この場合、零にされた伝送効率η＿ｏｕｔが、第１の伝送効率（最大値ηｍａｘ）より小さい第２の伝送効率である。

次いで、送電装置側において伝送効率η＿ｏｕｔが低下した状態で安定したことが検出されると、この伝送効率η＿ｏｕｔ（第２の伝送効率）と送電電力Ｐ＿ｏｕｔとの積算により受電装置側の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒが求められる。
そして、送電装置側において、送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒに収束するように送電電力Ｐ＿ｏｕｔが低下させられる。

この際、受電装置側においては、送電電力Ｐ＿ｏｕｔの低下に伴って受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒから低下しようとするが、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒと等しくなるように共鳴周波数Ｆが調整される。これにより、伝送効率η＿ｏｕｔが増大する側に共鳴周波数Ｆは復帰され、伝送効率η＿ｏｕｔが第２の伝送効率よりも大きい伝送効率η＿ｏｕｔに変化される。
つまり、受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒを満たす状態を維持したまま、送信アンテナ２１と受信アンテナ１１との間の伝送効率η＿ｏｕｔが回復され、受電装置側の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに見合った受電電力Ｐ＿ｉｎを効率よく受電装置側に供給することが可能となる。図１５中、送電装置側で要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒを推定する期間（要求電力推定期間）、および、伝送効率η＿ｏｕｔを復帰させる期間（効率復帰期間）をそれぞれ矢印で示している。

上述した第１実施形態のワイヤレス充電システム１によれば、車両１００の受信アンテナ１１の誘導係数（Ｌ）および静電容量（Ｃ）の少なくとも一方の変化により共鳴周波数Ｆを変化させて受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに合わせることができる。そのため、過大な受電電力Ｐ＿ｉｎが供給されることによって車両１００の受信アンテナ１１が過熱されるのを防止できる。
そして、充電の必要がない場合のように車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒが零の場合には、共鳴周波数Ｆを変化させることで受電電力Ｐ＿ｉｎを零にすることもできる。

また、車両１００から充電ステーション２００へ要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの情報を送信するための通信機器や信号変換機器などを用いることなしに受電電力Ｐ＿ｉｎを車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに合わせることができるため、装置構成が複雑化するのを防止できる。

さらに、車両１００側の共鳴周波数Ｆの変化により受電電力Ｐ＿ｉｎが車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに合わされるときの充電ステーション２００の送信アンテナ２１と車両１００の受信アンテナ１１との間の伝送効率η＿ｏｕｔに基づき、変化後の伝送効率η＿ｏｕｔ（第２の伝送効率）と送電電力Ｐ＿ｏｕｔとから、車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒを充電ステーション２００で推定することができる。そして、要求電力の情報を送受信するための装置を設ける場合と比較して部品点数を低減することができる。

また、充電ステーション２００において、推定された要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒ、すなわち送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒ、となるように送電電力Ｐ＿ｏｕｔが変更されると受電電力Ｐ＿ｉｎが低下する。この低下を補うように、車両１００において伝送効率η＿ｏｕｔが増大する側に共鳴周波数Ｆが変更される。この結果、車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに応じた送電電力Ｐ＿ｏｕｔを高い伝送効率で伝送することができる。

次に、この発明の第２実施形態のワイヤレス充電システムについてフローチャートを参照しながら説明する。第２実施形態のワイヤレス充電システムのシステム構成については上述した第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同一処理に同一符号を付して説明する。
初めに図１６に示すフローチャートを参照しながら第２実施形態の充電ステーション２００の制御装置２６における送電側処理について説明する。

まず、制御装置２６は、第１実施形態の送電側処理と同様に、ステップＳ１１〜ステップＳ１３の制御処理を行う。
そして、上述した第１実施形態と同様に、ステップＳ１４において、Ｓ_１１パラメータより算出される伝送効率η＿ｏｕｔが予め設定されている伝送効率の最大値ηｍａｘよりも小さいか否かを判定する。この判定の結果が「ＮＯ」（η＿ｏｕｔ≧ηｍａｘ）の場合は、ステップＳ１８に進む。一方、ステップＳ１４の判定の結果が「ＹＥＳ」（η＿ｏｕｔ＜ηｍａｘ）の場合は、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１８においては、伝送効率η＿ｏｕｔが未だηｍａｘよりも低下していない状態であるので、要求電力推定期間ｔ＿ｉｎ（ｓ）が、予め設定された要求電力推定期間ｔ＿ｉｎ（ｓ）の閾値である所定の経過時間ｔ２よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ＿ｉｎ（ｓ）＞ｔ２）である場合には、伝送効率η＿ｏｕｔが何らかの要因で低下しない状態であるため、この一連の処理を一旦終了する。
一方、判定結果が「ＮＯ」（ｔ＿ｉｎ（ｓ）≦ｔ２）である場合には、上述したステップＳ１３の処理に戻り、送電電力Ｐ＿ｏｕｔの増加を継続する。

ステップＳ１５においては、伝送効率η＿ｏｕｔが所定時間ｔ１の間、所定の効率内を維持しているか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」（維持していない）である場合、ステップＳ１４の処理に戻る。
一方、判定結果が「ＹＥＳ」（維持している）である場合には、伝送効率η＿ｏｕｔが低下して安定した状態つまり、第２の伝送効率で安定した状態であるため、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６においては、伝送効率η＿ｏｕｔと送電電力Ｐ＿ｏｕｔとを積算して要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値すなわち送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求める。

次いで、ステップＳ４１においては、送電電力Ｐ＿ｏｕｔが送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒと等しくなるように送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に低下させる。
ステップＳ４２においては、η＿ｏｕｔがηｍａｘ以上か否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」（η＿ｏｕｔ≧ηｍａｘ）である場合には、上述した一連の処理を一旦終了する。
一方、判定結果が「ＮＯ」（η＿ｏｕｔ＜ηｍａｘ）である場合には、ステップＳ４１に戻り、上述した送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に下げる処理を繰り返す。

すなわち、上述した第２実施形態の送電側処理は、送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に増大させた後、受電側の共鳴周波数Ｆが変更されることで伝送効率η＿ｏｕｔが最大値ηｍａｘよりも低下し、この低下した伝送効率η＿ｏｕｔが安定していることが確認されると、送電電力Ｐ＿ｏｕｔと第２の伝送効率である伝送効率η＿ｏｕｔとを積算して送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求める。そして、この求めた送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒとなるように送電電力Ｐ＿ｏｕｔを徐々に減少させている。
第２実施形態の受電側処理は、上述した第１実施形態の受電側処理と同じであるため説明を省略する。

次いで、第２実施形態における可変周波数（Ｆ）処理について図１７のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、車両制御装置１６は、図１７に示すステップＳ３１において、受電電力Ｐ＿ｉｎが、所定の下限Ｐ１よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＿ｉｎ≦Ｐ１）の場合には、ステップＳ３４に進む。
一方、判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＿ｉｎ＞Ｐ１）の場合には、ステップＳ３２に進む。
下限Ｐ１は、第１実施形態と同様に、受電電力Ｐ＿ｉｎの目標値である要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒから所定値ΔＰを減算した値である。

ステップＳ３４においては、Ｓ_１１パラメータを下げる方向すなわち、伝送効率η＿ｉｎを増大する方向に共鳴周波数Ｆを調整して、上述した一連の処理を一旦終了する。
ステップＳ３２においては、受電電力Ｐ＿ｉｎが、所定の上限Ｐ２よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ＿ｉｎ＞Ｐ２）の場合には、ステップＳ３３に進む。
一方、判定結果が「ＮＯ」（Ｐ＿ｉｎ≦Ｐ２）の場合には、上述した一連の処理を一旦終了する。
上限Ｐ２は、第１実施形態と同様に、要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに所定値ΔＰを加算した値である。

ステップＳ３３においては、Ｓ_１１パラメータを上げる方向すなわち、伝送効率η＿ｉｎを低下させる方向に共鳴周波数Ｆを調整して、上述した一連の処理を一旦終了する。

すなわち、第１実施形態の可変周波数処理がステップＳ３５によりフィードフォワード制御を行っているのに対して、上記第２実施形態における可変周波数処理は、フィードバック制御のみで受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに徐々に近づけている。

図１８は、上記フィードバック制御により受電電力Ｐ＿ｉｎを要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに徐々に近づける場合のグラフを示している。
この図１８に示すように、フィードバック制御を行う場合には、フィードフォワード制御の場合よりも受電電力Ｐ＿ｉｎの変化が緩やかになり、フィードフォワード制御の場合よりも受電電力Ｐ＿ｉｎが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに収束するまでの時間がやや長くなっている。また、受電電力Ｐ＿ｉｎが徐々に低下されるので、共鳴周波数Ｆの変化もフィードフォワード制御の場合（図１５参照）よりも増減による傾斜が緩くなっている。
さらに、上述したステップＳ４１の処理により送電電力Ｐ＿ｏｕｔを送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒに近づける側に徐々に低下させているため、送電電力Ｐ＿ｏｕｔが要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒに収束するまでの時間は、上述した第１実施形態の場合（図１５参照）よりもやや長くなっている。

したがって、上述した第２実施形態のワイヤレス充電システムによれば、第１実施形態のように、伝送効率目標値ηｔａｒと共鳴周波数Ｆとのテーブルや、送信アンテナ２１および受信アンテナ１１の組み合わせ毎の伝送効率目標値ηｔａｒと共鳴周波数Ｆとのマップを用いなくても、充電ステーション２００で車両１００の要求電力Ｐ＿ｉｎ＿ｔａｒの推定値である送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒを求めて、送電電力Ｐ＿ｏｕｔを送電電力目標値Ｐ＿ｏｕｔ＿ｔａｒに収束させることが可能となる。

この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。

このワイヤレス送電方法によれば、受電装置の共鳴アンテナの誘導係数および静電容量の少なくとも一方の変化により共鳴周波数を変化させて受電電力を受電装置の要求電力に合わせることができる。そのため、過大な電力が供給されることによって受電装置の共鳴アンテナが過熱されるのを防止できる。
また、受電装置から送電装置へ要求電力の情報を送信するための通信機器や信号変換機器などを用いることなしに受電電力を受電装置の要求電力に合わせることができるため、装置構成が複雑化するのを防止できる。
また、例えば、充電の必要がない場合のように受電装置の要求電力が零の場合には、共鳴周波数を変化させることで受電電力を零にすることもできる。

１０ バッテリー
１１ 受信アンテナ（共鳴アンテナ）
１６ 車両制御装置
２１ 送信アンテナ（共鳴アンテナ）
２２ 交流電源
２５ 発振回路
２６ 制御装置

Claims (3)

1. 磁場の共鳴により送電装置の共鳴アンテナである第１の共鳴アンテナから受電装置の共鳴アンテナである第２の共鳴アンテナへ非接触で電力を伝送するワイヤレス送電方法であって、
   前記送電装置の電源電力の周波数を変化させて前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の伝送効率を第１の伝送効率に設定し；
   前記第１の共鳴アンテナから前記第２の共鳴アンテナに伝送する電力を漸増させ；
   前記第２の共鳴アンテナの誘導係数および静電容量の少なくとも一方の変化により共鳴周波数を変化させて、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を第１の伝送効率より小さい第２の伝送効率に変更して受電電力を前記受電装置の要求電力に合わせる；
   ことを特徴とするワイヤレス送電方法。
2. 前記送電装置は、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を監視し、前記伝送効率の変化に基づき前記要求電力を推定することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電方法。
3. 前記送電装置は、推定した前記要求電力と等しくなるように送電電力を変化させ；
   前記受電装置にて、前記受電電力が前記要求電力と等しくなるように、前記第２の共鳴アンテナの前記誘導係数および前記静電容量の少なくとも一方の変化により前記共鳴周波数を変化させて、前記第１の共鳴アンテナと前記第２の共鳴アンテナとの間の前記伝送効率を第２の伝送効率より大きい第３の伝送効率に変化させる；
   ことを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス送電方法。

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