JP5861811B1 - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

アクティブ電極（１５，２５）、パッシブ電極（１６，２６）が電界結合することにより、送電装置（１０１）から受電装置（２０１）へ電力が伝送される電力伝送システム（１）において、送電装置（１０１）は、直流電圧を昇降圧する昇降圧回路（１２）と、昇降圧回路（１２）からの直流電圧を交流電圧へ変換し、アクティブ電極（１５）及びパッシブ電極（１６）へ出力するインバータ回路（１３）を備える。送電装置（１０１）は、昇降圧回路（１２）を制御して変圧比Ｍ＝Ｖｏ１／Ｖｉｎをスイープして、昇降圧回路（１２）への入力出力（Ｐｉｎ）が極小となる変圧比Ｍを検出する。送電装置（１０１）は、検出した変圧比Ｍとなるよう、昇降圧回路（１２）を駆動し、受電装置（２０１）への電力伝送を行う。これにより、受電装置側の負荷変動の状態に関わらず、効率よく電力伝送を行える電力伝送システムを提供する。

Description

本発明は、送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムに関する。

電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを電界結合又は磁界結合させ、その結合により送電装置から受電装置へ電力を伝送する。一般に電力伝送系の伝送効率を高める手法では、低損失な共振回路を送電装置及び受電装置に組み込むことが有効である。共振回路を介して送電装置の電源から受電装置の負荷へ電力伝送する場合、効率を最大にする負荷抵抗が存在する。一般的には、その負荷抵抗は、定格電力近傍（例えば、３０Ｗ）で効率が最大化するように設定される。しかしながら、負荷として何が用いられるかわからない場合、又は、負荷のインピーダンスが変化する場合において、定格負荷から外れたとき、効率は低下する。

特許文献１には、効率よく安定的な給電を行うことができる共鳴方式の非接触給電システムが開示されている。特許文献１に記載の非接触給電システムでは、効率を最大にするために、負荷抵抗を設定する機能を受電装置に設けている。

特開２０１３−０７８１７１号公報

しかしながら、受電装置が、小型化及び薄型化が望まれる携帯電子機器等である場合、受電装置に特別な機能を付加することで、小型化及び薄型化を阻害するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、受電装置側の負荷変動の状態に関わらず、効率よく電力伝送を行える電力伝送システムを提供することにある。

本発明は、送電側結合部と、前記送電側結合部に接続された、又は前記送電側結合部を一部に含む、送電側共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記送電側共振回路へ出力する電力変換回路とを有する送電装置と、受電側結合部と、前記受電側結合部に接続され、又は前記受電側結合部を一部に含み、前記送電側共振回路と同じ共振周波数で共振する受電側共振回路と、受電側共振回路に接続され、前記受電側結合部に誘起された電圧を所定値に変換して負荷へ出力する定負荷電力出力回路とを有する受電装置とを備え、前記送電側結合部と前記受電側結合部とが電界結合又は磁界結合することにより、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される電力伝送システムであって、前記送電装置は、前記電力変換回路の出力電力を設定する出力電力設定部と、前記出力電力設定部で設定された出力電力が前記電力変換回路から出力されるよう、前記電力変換回路を駆動制御する駆動制御部と、を有し、前記出力電力設定部は、前記交流電圧の周波数を、前記送電側共振回路及び前記受電側共振回路の共振周波数により決定される周波数に設定する周波数設定部と、前記周波数設定部により設定された周波数で、前記電力変換回路の出力電力を変化させる出力電力変化部と、前記電力変換回路の出力電力を変化させたときの、前記電力変換回路への入力電力を検出する入力電力検出部と、前記入力電力検出部が検出した入力電力の極小値を検出する極小値検出部とを有し、前記極小値検出部が検出した極小値となるときの前記入力電力に対応する出力電力を、前記電力変換回路の出力電力に設定することを特徴とする。

この構成では、受電装置側の負荷の状態に関わらず、送電装置側で、電力変換回路への入力電力を極小にして電力伝送を行う。常に大電力を入力して伝送電力を行うと損失が大きくなり、伝送効率が低下するといった問題があるが、受電装置側の負荷の状態に関わらず、極小の入力電力により伝送電力を行うことで、そのような問題を回避でき、高効率の伝送電力が可能となる。また、送電装置側で入力電力が極小となるよう制御することで、受電装置側には特別な回路等を設ける必要がない。このため、受電装置の薄型化及び小型化を阻害することがない。

前記電力変換回路へ一定電圧が入力される場合、前記入力電力検出部は、前記電力変換回路への入力電流を検出し、前記極小値検出部は、前記入力電力検出部が検出した入力電流の極小値を検出することが好ましい。

この構成では、電力変換回路への入力電圧が一定のため、入力電流の極小値を検出することで、電力変換回路への入力電力の極小値を検出できる。この場合、電力の演算処理が必要とせず、処理を簡素化できる。

前記電力変換回路は、直流電圧を昇圧、降圧又は昇降圧する変圧回路と、前記変圧回路に接続され、前記変圧回路により昇降圧された前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、を有し、前記駆動制御部は、前記変圧回路を駆動して前記直流電圧を昇圧もしくは降圧し、又は前記インバータ回路を制御することが好ましい。

この構成では、簡易な構成で、入力電力を極小にできる。

前記送電装置は、前記変圧回路の入力電圧及び出力電圧を検出する電圧検出回路を有し、前記出力電力変化部は、前記変圧圧回路の入力電圧及び出力電圧の変圧比を変化させることが好ましい。

この構成では、変圧比を調整すれば、入力電力を極小にできるため、簡易な構成で、入力電力を極小にできる。

前記出力電力設定部が前記電力変換回路の出力電力を繰り返し設定する場合、前記出力電力変化部は、前記電力変換回路の出力電力が直前に設定されたときの、前記変圧回路の入力電圧及び入力電流から入力電力を算出し、前記入力電力の平方根に基づく初期値を前記変圧比の初期値として、前記初期値から前記変圧比を変化させることが好ましい。

この構成では、電力変換回路の出力電力を繰り返し設定する際に、変圧比の初期値を設定することで、以降の電力変換回路の出力電力の設定処理に要する時間を短縮できる。

前記出力電力変化部は、前記インバータ回路のオンデューティ比、あるいは、パルス密度を変化させることが好ましい。

この構成では、直流電圧を昇圧、降圧又は昇降圧する変圧回路が不要となり、回路構成が簡易となる。

前記受電装置は、前記定負荷電力出力回路の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路が検出した入力電圧が閾値未満である場合、前記送電装置へエラー信号を送信するエラー信号送信回路と、を有することが好ましい。

この構成では、受電装置側の電圧不足を回避できる。

本発明によれば、受電装置側には特別な回路等を設けず、送電装置側のみの処理で、電力伝送効率の高効率化が可能となる。

実施形態１に係る電力伝送システムの回路図 図１の等価回路図 制御部が有する機能のブロック図を備えた送電装置の回路図 変圧比と入力電力との関係を示すグラフ 負荷状態を変化させたときの、変圧比Ｍと入力電力との関係を示すグラフ 負荷状態を変化させたときの、変圧比と電力伝送効率との関係を示すグラフ 入力電力が極小となる変圧比と出力電圧との関係を示すグラフ 制御部の動作を示すフローチャート 制御部の別の動作を示すフローチャート 制御部の別の動作を示すフローチャート 制御部の別の動作を示すフローチャート インバータ回路の各スイッチ素子のゲート信号のパルス波形図 実施形態２に係る受電装置の一部の回路を示す図 実施形態３に係る電力伝送システムの回路図 実施形態４に係る電力伝送システムの回路図

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電力伝送システム１の回路図である。図２は、図１の等価回路図である。

本実施形態に係る電力伝送システム１は、送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは充電回路及び二次電池を含む。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。

送電装置１０１は、直流電圧を出力する直流電源１１を備えている。直流電源１１は商用電源に接続されるＡＣアダプタである。

直流電源１１には昇降圧回路１２が接続されている。昇降圧回路１２は、直流電源１１からの直流電圧を昇圧し、又は、降圧する。以下、直流電源１１から出力される直流電圧、すなわち、昇降圧回路１２の入力電圧は、Ｖｉｎで表す。昇降圧回路１２は、本発明に係る「変圧回路」に相当する。

昇降圧回路１２には、インバータ回路１３が接続されていて、昇降圧回路１２で昇圧又は降圧された電圧は、インバータ回路１３へ入力される。以下、昇降圧回路１２の出力電圧をＶｏ１で表す。出力電圧Ｖｏ１は、インバータ回路１３の入力電圧でもある。インバータ回路１３は、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を備えている。インバータ回路１３では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とは、昇圧トランスＴ１の１次巻線に接続されている。

昇降圧回路１２及びインバータ回路１３は、本発明に係る「電力変換回路」に相当する。

インバータ回路１３の各スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、後述の制御部１４によりＰＷＭ制御される。インバータ回路１３は、制御部１４により、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にオンオフされることにより、出力電圧Ｖｏ１を交流電圧に変換する。

昇圧トランスＴ１は、２次巻線がアクティブ電極１５及びパッシブ電極１６に接続されている。昇圧トランスＴ１は、インバータ回路１３で変換された交流電圧を昇圧し、アクティブ電極１５及びパッシブ電極１６へ印加する。アクティブ電極１５及びパッシブ電極１６は、本発明に係る「送電側結合部」の一例である。

また、昇圧トランスＴ１の２次巻線にはキャパシタＣ１が接続されていて、２次巻線とキャパシタＣ１とで並列共振回路１７を構成している。並列共振回路１７は、本発明に係る「送電側共振回路」に相当する。

受電装置２０１はアクティブ電極２５及びパッシブ電極２６を備えている。アクティブ電極２５及びパッシブ電極２６は、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合に、送電装置１０１のアクティブ電極１５及びパッシブ電極１６と間隙を介して対向する。アクティブ電極１５及びパッシブ電極１６間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１５，２５が電界結合し、パッシブ電極１６，２６が電界結合する。この結合を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電極同士が非接触の状態で電力が伝送される。

アクティブ電極２５及びパッシブ電極２６は、本発明に係る「受電側結合部」に相当する。

受電装置２０１のアクティブ電極２５及びパッシブ電極２６には、圧電トランス２４が接続されている。圧電トランス２４は、ＰＺＴ系セラミックスなどから形成された圧電体板を備え、その圧電体板の両端部には互いに対向する外部電極３Ａ，３Ｂと、外部電極４Ａ，４Ｂとが形成されている。圧電体板は分極されており、外部電極３Ａ，３Ｂとの間に交流電圧が印加されると、圧電トランス２４に圧電体板の長さ方向の振動が励振され、圧電体板の全体が振動する。これにより外部電極４Ａ，４Ｂとの間から降圧された電圧を取り出すことができる。

図２では、圧電トランス２４の等価回路を図示している。圧電トランス２４は、キャパシタＣ２１，Ｃ２２、キャパシタＣｐ、インダクタＬｐ及び抵抗Ｒｐ等で表される。キャパシタＣ２１は圧電トランス２４の等価入力容量であり、外部電極３Ａ，３Ｂ間に生じる容量である。キャパシタＣ２２は圧電トランス２４の等価出力容量であり、外部電極４Ａ，４Ｂ間に生じる容量である。また、キャパシタＣｐ及びインダクタＬｐは電気機械的な振動に対応するパラメータである。なお、図示しないが、図２の抵抗Ｒｐ及びキャパシタＣ２２の間には理想変圧器が構成される。

圧電トランス２４の共振周波数は主にキャパシタＣｐとインダクタＬｐとによる直列共振回路２４１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この圧電トランス２４は、直列共振回路２４１が、送電装置１０１側に構成された並列共振回路１７と共振周波数が同じとなるよう設計されている。

圧電トランス２４の出力側には、インダクタＬ２が接続されていて、このインダクタＬ２は、圧電トランス２４の等価出力容量であるキャパシタＣ２２とによって並列共振回路２４２を構成している。インダクタＬ２は、この並列共振回路２４２が、並列共振回路１７及び直列共振回路２４１と共振周波数が同じとなるよう回路定数が設定されている。

直列共振回路２４１及び並列共振回路２４２は、本発明に係る「受電側共振回路」に相当する。

圧電トランス２４で降圧された電圧は整流平滑回路２３へ出力される。整流平滑回路２３は、キャパシタ及びインダクタからなる平滑回路及びダイオードブリッジを含む。整流平滑回路２３にはＤＣ−ＤＣコンバータ２２が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、整流平滑回路２３で整流平滑された電圧を所定値の電圧に変換し、負荷回路ＲＬへ出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、本発明に係る「定負荷電力出力回路」に相当する。

以下に、送電装置１０１が備える制御部１４の構成について説明する。図３は、制御部１４が有する機能のブロック図を備えた送電装置１０１の回路図である。制御部１４は、本発明に係る「出力電力設定部」及び「駆動制御部」に相当する。

制御部１４は、例えばマイコンを備えた制御回路であって、周波数設定部１４１、入力電流検出部１４２、入力電圧検出部１４３、出力電圧検出部１４４、演算部１４５及び電圧変換部１４６を備えている。

周波数設定部１４１は、所定の駆動周波数でインバータ回路１３を制御する。送電装置１０１及び受電装置２０１はそれぞれ共振回路を有しており、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した場合、それぞれの共振回路は結合共振（複合共振）する。周波数設定部１４１は、周波数スイープして、その複合共振の共振周波数を探索し、探索して得られた共振周波数を駆動周波数としてインバータ回路１３を駆動し、受電装置２０１への電力伝送を行う。これにより、電力伝送効率の良い周波数で送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送が行える。

入力電流検出部１４２は、昇降圧回路１２への入力電流Ｉｉｎを検出する。詳しくは、直流電源１１と昇降圧回路１２との間に電流検出用の抵抗Ｒ３が接続されていて、入力電流検出部１４２は、その抵抗Ｒ３の降下電圧により、昇降圧回路１２に入力される入力電流Ｉｉｎを検出する。入力電流検出部１４２は、本発明に係る「入力電力検出部」に相当する。

入力電圧検出部１４３は、昇降圧回路１２への入力電圧Ｖｉｎを検出する。入力電圧検出部１４３は、抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧された電圧から、入力電圧Ｖｉｎを検出する。本実施形態では、Ｖｉｎは一定である。

出力電圧検出部１４４は、昇降圧回路１２の出力電圧Ｖｏ１を検出する。出力電圧検出部１４４は、抵抗Ｒ４，Ｒ５により分圧された電圧から、昇降圧回路１２の出力電圧Ｖｏ１を検出する。

演算部１４５は各種必要な演算を行う。例えば、演算部１４５は、入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎから、昇降圧回路１２への入力電力Ｐｉｎを導出する。また、演算部１４５は、電圧Ｖｉｎ，Ｖｏ１から、昇降圧回路１２における変圧比Ｍ（＝Ｖｏ１／Ｖｉｎ）を算出する。

電圧変換部１４６は、本発明に係る「出力電力変化部」に相当する。電圧変換部１４６は、昇降圧回路１２を制御して、入力電圧Ｖｉｎを昇圧又は降圧する。電圧変換部１４６の制御により入力電圧Ｖｉｎを昇圧又は降圧することで、変圧比Ｍを増減（スイープ）できる。Ｖｉｎ＝Ｖｏ１である場合、変圧比Ｍは「１」である。昇降圧回路１２が入力電圧Ｖｉｎを昇圧した場合、Ｍ＞１となり、昇降圧回路１２が入力電圧Ｖｉｎを降圧した場合、Ｍ＜１となる。

変圧比Ｍのスイープに伴い、入力電力Ｐｉｎは変化する。演算部１４５は、変化する入力電力Ｐｉｎの極小値を導出する。演算部１４５は、変圧比Ｍをスイープさせたときの変圧比Ｍの変化分ｄＭと入力電力Ｐｉｎの変化分ｄＰｉｎとから、入力電力Ｐｉｎの極小値を演算する。演算部１４５は、本発明に係る「極小値検出部」に相当する。

図４は、変圧比Ｍと入力電力Ｐｉｎとの関係を示すグラフである。図４では、負荷回路ＲＬへの入力電力を１２Ｗとした場合のグラフを示している。

図４に示すグラフにおいて、傾きが０となる位置で、入力電力Ｐｉｎは極小値をとる。したがって、演算部１４５は、変圧比Ｍをスイープさせたときの変圧比Ｍの変化分ｄＰｉｎと入力電力Ｐｉｎの変化分ｄＭとから、ｄＰｉｎ／ｄＭを演算する。演算部１４５は、電圧変換部１４６が出力電圧Ｖｏ１を昇降圧する都度、ｄＰｉｎ／ｄＭの演算を行い、ｄＰｉｎ／ｄＭ＝０となったときの入力電力Ｐｉｎを、極小値として導出する。

なお、電圧変換部１４６は、演算部１４５の演算結果に応じて、入力電力Ｐｉｎが極小となるよう変圧比Ｍをスイープする。例えば、演算部１４５による演算の結果、ｄＰｉｎ／ｄＭ＜０である場合には、電圧変換部１４６は昇降圧回路１２に昇圧動作をさせて、変圧比Ｍを増加させる。ｄＰｉｎ／ｄＭ＞０である場合には、電圧変換部１４６は昇降圧回路１２に降圧動作をさせて、変圧比Ｍを減少させる。この処理を繰り返し、電圧変換部１４６は、ｄＰｉｎ／ｄＭ＝０に近づける。

ここで、変圧比Ｍが小さくなると（図４では、０．５に近づくと）、入力電力Ｐｉｎは急激に大きくなり、受電装置２０１の入力電圧は低下する。この場合、定格負荷の状態で送電していると、受電装置２０１の圧電トランス２４の出力から負荷側を視た負荷抵抗は、圧電トランス２４を効率よく動作させるための負荷抵抗に対して低くなる。すなわち、圧電トランス２４と負荷回路ＲＬとの結合が弱くなり、圧電トランス２４の振動速度が過剰になる。したがって、変圧比Ｍをスイープする場合、変圧比Ｍの適応範囲を決め、その範囲内で変圧比Ｍをスイープして、入力電力Ｐｉｎが大きくなり過ぎないようにすることが好ましい。例えば、ｄＰｉｎ／ｄＭ≧０の領域で変圧比Ｍをスイープすることが望ましい。

電圧変換部１４６は、入力電力Ｐｉｎが極小値をとるときの変圧比Ｍを、昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定し、設定した変圧比Ｍとなるよう、昇降圧回路１２を駆動制御する。これにより、昇降圧回路１２への入力電力Ｐｉｎを小さくして、電力伝送が行われる。

演算部１４５及び電圧変換部１４６は、負荷回路ＲＬの負荷状態が変化する毎に、入力電力Ｐｉｎの極小値をとる変圧比Ｍを検出し、電圧変換部１４６は、その変圧比Ｍを昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定する。すなわち、負荷回路ＲＬの負荷状態に関係なく、入力電力Ｐｉｎを常に極小にして、電力伝送は行われる。これにより、受電装置２０１の圧電トランス２４から視た負荷抵抗は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の損失を含めて最適化される。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の効率特性を考慮する必要はなく、入力電力Ｐｉｎの応答によってのみ電力伝送効率を高効率化することができる。

図５は、負荷状態を変化させたときの、変圧比Ｍと入力電力Ｐｉｎとの関係を示すグラフである。図６は、負荷状態を変化させたときの、変圧比Ｍと電力伝送効率との関係を示すグラフである。

図５及び図６では、負荷回路ＲＬへの入力電力を１２Ｗ、９Ｗ、６Ｗ、３Ｗ、１Ｗとした場合のグラフを示している。図５のグラフは、横軸を変圧比Ｍ、縦軸を入力電力Ｐｉｎとしている。図６の横軸は変圧比、縦軸は効率（電力伝送効率）である。効率は、負荷回路ＲＬへの入力電力をＰｏｕｔで表すと、Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎである。図６に示す（Ａ）〜（Ｅ）の各点は、図５に示す（Ａ）〜（Ｅ）の各点に相当する。図５に示す、各負荷状態における極小の入力電力Ｐｉｎとなる変圧比Ｍを用いて電力伝送することで、図６に示すように、電力伝送効率は常に高くできる。

図７は、入力電力Ｐｉｎが極小となる変圧比Ｍと出力電圧Ｖｏ２との関係を示すグラフである。出力電圧Ｖｏ２は、図１及び図２に示すように、圧電トランス２４の出力電圧である。

図７のグラフに示すように、変圧比Ｍと出力電圧Ｖｏ２とはほぼ比例の関係である。前記のように、電力伝送システム１の送電装置１０１及び受電装置２０１それぞれは、共振周波数が同じ共振回路を有している。この場合、電力伝送システム１の共振系において、送電装置１０１から受電装置２０１側を視たときの負荷抵抗は、共振回路により決められたものであり、負荷回路ＲＬの負荷状態に関係なく、負荷抵抗が常に一定であることが、電力伝送効率を最大にする。

変圧比Ｍは、Ｍ＝Ｖｏ１／Ｖｉｎであり、入力電力Ｐｉｎは、Ｐｉｎ＝Ｖｉｎ＊Ｉｉｎである。したがって、Ｍ＝Ｖｏ１＊Ｉｉｎ／Ｐｉｎとなる。変圧比Ｍと出力電圧Ｖｏ２とは比例の関係であり、変圧比Ｍは前記のように表せるため、出力電圧Ｖｏ２と入力電流Ｉｉｎも比例関係にある。すなわち、負荷回路ＲＬの負荷状態に関係なく、負荷抵抗は一定となる。これにより、負荷回路ＲＬの負荷状態に関係なく、入力電力Ｐｉｎを極小にして電力伝送することで、電力伝送効率を常に最大とすることができる。

次に、制御部１４の動作について説明する。図８は、制御部１４の動作を示すフローチャートである。

制御部１４は、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されたか否かを判定する（Ｓ１）。この処理では、周波数設定部１４１がインバータ回路１３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御し、インバータ回路１３の駆動周波数をスイープする。制御部１４は、周波数スイープにより共振を検知することで、受電装置２０１の載置を検出する。受電装置２０１の載置を検出しない場合（Ｓ１：ＮＯ）、制御部１４はＳ１の処理を繰り返し実行する。受電装置２０１の載置を検出した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部１４は電力伝送を開始する（Ｓ２）。このときの電力伝送の駆動周波数は、周波数スイープにより得られた共振周波数である。

次に、制御部１４は変圧比Ｍをスイープさせ（Ｓ３）、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出する（Ｓ４）。具体的には、前記したように、電圧変換部１４６が変圧比Ｍをスイープする。演算部１４５は、スイープしたときの変圧比Ｍの変化分ｄＭと、導出された入力電力Ｐｉｎの変化分ｄＰｉｎとから、ｄＰｉｎ／ｄＭを演算する。そして、ｄＰｉｎ／ｄＭ＝０となる点を検出する。

演算部１４５が入力電力Ｐｉｎの極小値を導出すると、電圧変換部１４６は、そのときの変圧比Ｍを昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定する（Ｓ５）。

電圧変換部１４６は、Ｓ５で設定された変圧比Ｍとなるよう、昇降圧回路１２を制御して、電力伝送を行う（Ｓ６）。その後、入力電流検出部１４２及び入力電圧検出部１４３が検出した入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎから、演算部１４５は入力電力Ｐｉｎを監視する（Ｓ７）。演算部１４５は、ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内であるか否かを判定する（Ｓ８）。

ΔＰｉｎは、異なるタイミングで検出した入力電力Ｐｉｎの差分である。例えば、直前に極小値に調整したときの入力電力をＰｉｎ’、その時間Δｔ後に検出した入力電力をＰｉｎで表すと、ΔＰｉｎ＝Ｐｉｎ−Ｐｉｎ’である。

負荷回路ＲＬの負荷状態が変化すれば、入力電力Ｐｉｎを調整しないと伝送効率が低下する。許容変動量Ｐ_ＴＨは、入力電力Ｐｉｎを調整する必要がある程度に、負荷回路ＲＬの負荷状態が変化したかを判定するための閾値である。この許容変動量Ｐ_ＴＨは適宜変更可能である。

ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内であれば（Ｓ８：ＹＥＳ）、演算部１４５は、負荷状態に大きな変化はないと判定し、電力伝送は継続される。そして、制御部１４は電力伝送を継続するか否かを判定する（Ｓ９）。電力伝送を継続しない場合とは、例えば、受電装置２０１が送電装置１０１から取り除かれた場合などである。電力伝送を継続する場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、制御部１４はＳ６の処理を実行する。電力伝送を継続しない場合（Ｓ９：ＮＯ）、制御部１４は本処理を終了する。

Ｓ８において、ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内でない場合（Ｓ８：ＮＯ）、すなわち、負荷状態が大きく変化した場合、演算部１４５は、変圧比Ｍの初期値を設定し（Ｓ１０）、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出するために、初期値を設定した変圧比Ｍをスイープする（Ｓ３）。ここで、変圧比Ｍ及び入力電力Ｐｉｎは、Ｐｉｎ＝αＭ^２（α：比例定数）の関係にある。直前に極小値に調整したときの入力電力をＰｉｎ０で表し、そのときの変圧比をＭ０で表すと、係数αは、α＝Ｐｉｎ０／Ｍ０^２で表せる。そして、Ｓ７で導出した入力電力Ｐｉｎに対する変圧比Ｍは、Ｍ＝Ｍ０√（Ｐｉｎ/Ｐｉｎ０）となり、これを初期値に設定する。制御部１４は、Ｓ３において、変圧比Ｍを、設定された初期値を基準としてスイープする。このように、負荷状態が変化した際に、直前の入力電力Ｐｉｎに応じて変圧比Ｍの初期値を設定することで、負荷状態変化後の入力電力Ｐｉｎの調整時間を短縮できる。

図９は、制御部１４の別の動作を示すフローチャートである。図８では、電力伝送を開始すると変圧比Ｍの調整処理を行っているのに対し、図９では、電力伝送の開始後、所定時間間隔で間欠的に変圧比Ｍを調整している。

制御部１４は、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されたか否かを判定する（Ｓ２１）。受電装置２０１の載置を検出しない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、制御部１４はＳ１の処理を繰り返し実行する。受電装置２０１の載置を検出した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、制御部１４は電力伝送を開始する（Ｓ２２）。

制御部１４は所定時間経過したか否かを判定する（Ｓ２３）。所定時間経過していない場合（Ｓ２３：ＮＯ）、入力電流検出部１４２及び入力電圧検出部１４３が検出した入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎから、演算部１４５は入力電力Ｐｉｎを監視する（Ｓ２４）。演算部１４５は、ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２５）。

ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内であれば（Ｓ２５：ＹＥＳ）、演算部１４５は、負荷状態に大きな変化はないと判定し、電力伝送は継続される。そして、制御部１４は電力伝送を継続するか否かを判定する（Ｓ２６）。電力伝送を継続する場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、制御部１４はＳ２３の処理を実行する。電力伝送を継続しない場合（Ｓ２６：ＮＯ）、制御部１４は本処理を終了する。

Ｓ２３で所定時間経過した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、又は、Ｓ２５でΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内でない（Ｓ２５：ＮＯ）、制御部１４は変圧比Ｍをスイープさせ（Ｓ２７）、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出する（Ｓ２８）。演算部１４５が入力電力Ｐｉｎの極小値を導出すると、電圧変換部１４６は、そのときの変圧比Ｍを昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定する（Ｓ２９）。そして、制御部１４はＳ２６の処理を実行する。

この図９の動作の場合、定期的に変圧比Ｍを調整することで、電力伝送効率を高く維持することができる。

図１０は、制御部１４の別の動作を示すフローチャートである。この例では、制御部１４は、変圧比Ｍが小さくなり過ぎない範囲で、変圧比Ｍをスイープする。図４で説明したように、変圧比Ｍが小さくなると、入力電力Ｐｉｎは急激に大きくなり、電力伝送効率は悪く、また、圧電トランス２４の動作が不安定となる。そこで、変圧比Ｍをスイープする場合、変圧比Ｍの適応範囲を決め、その範囲内で変圧比Ｍをスイープして、入力電力Ｐｉｎが大きくなり過ぎないようにする。

制御部１４は、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されたか否かを判定する（Ｓ３１）。受電装置２０１の載置を検出しない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、制御部１４はＳ３１の処理を繰り返し実行する。受電装置２０１の載置を検出した場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、制御部１４は電力伝送を開始する（Ｓ３２）。

電圧変換部１４６は変圧比Ｍをスイープさせ（Ｓ３３）、演算部１４５は、ｄＰｉｎ／ｄＭを演算し（Ｓ３４）、ｄＰｉｎ／ｄＭ＜０か否かを判定する（Ｓ３５）。ｄＰｉｎ／ｄＭ＜０である場合には、変圧比Ｍが小さくなる場合であり、前記のように、変圧比Ｍが小さくなると入力電力Ｐｉｎは急激に大きくなる。この場合、圧電トランス２４の動作が不安定となる。そこで、ｄＰｉｎ／ｄＭ＜０である場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、電圧変換部１４６は、変圧比Ｍを大きくして（Ｓ３６）、演算部１４５は、変圧比Ｍを大きくした結果でのｄＰｉｎ／ｄＭを演算する（Ｓ３４）。

ｄＰｉｎ／ｄＭ＜０でない場合（Ｓ３５：ＮＯ）、演算部１４５はｄＰｉｎ／ｄＭ＝０であるか否かを判定する（Ｓ３７）。ｄＰｉｎ／ｄＭ＝０でない場合（Ｓ３７：ＮＯ）、入力電力Ｐｉｎが極小ではないため、電圧変換部１４６は再度、変圧比Ｍをスイープする（Ｓ３３）。

ｄＰｉｎ／ｄＭ＝０である場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、入力電力Ｐｉｎは極小であり、電圧変換部１４６は、そのときの変圧比Ｍを昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定する（Ｓ３８）。そして、制御部１４は電力伝送を継続するか否かを判定する（Ｓ３９）。電力伝送を継続する場合（Ｓ３９：ＹＥＳ）、制御部１４はＳ３３の処理を実行する。この場合、図８で説明したように、入力電力Ｐｉｎを監視し、ΔＰｉｎが許容変動量Ｐ_ＴＨの範囲内であるか否かの判定結果によって、変圧比Ｍの調整処理を行うようにしてもよい。電力伝送を継続しない場合（Ｓ３９：ＮＯ）、制御部１４は本処理を終了する。

この図１０での動作では、圧電トランス２４に不具合が起きることなく、効果的に電力伝送効率を高く維持することができる。

図１１は、制御部１４の別の動作を示すフローチャートである。この例では、変圧比Ｍの調整に加え、駆動周波数を変化させて、入力電力Ｐｉｎを極小にすることで、電力伝送効率を高くする。

図１１のＳ４１〜Ｓ４８は、図１０のＳ３１〜Ｓ３８と同じであるため、説明は省略する。

Ｓ４９において、周波数設定部１４１はインバータ回路１３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御し、インバータ回路１３の出力電圧の周波数をスイープする（Ｓ４９）。周波数スイープごとに、入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎを検出して、演算部１４５は、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出する（Ｓ５０）。周波数設定部１４１は、入力電力Ｐｉｎが極小となるときの周波数を駆動周波数に設定し、インバータ回路１３を制御する（Ｓ５１）。

制御部１４は電力伝送を継続するか否かを判定する（Ｓ５２）。電力伝送を継続する場合（Ｓ５２：ＹＥＳ）、制御部１４はＳ４３の処理を実行する。電力伝送を継続しない場合（Ｓ５２：ＮＯ）、制御部１４は本処理を終了する。

この例では、変圧比Ｍの調整に加え、入力電力Ｐｉｎが極小となるように、さらに周波数も調整している。圧電トランス２４は時間の経過に伴い、共振周波数が駆動周波数からずれる場合がある。この場合、伝送効率が低下する。そこで、この例では、入力電力Ｐｉｎが極小となるように、周波数を調整する。これにより、特に圧電トランス２４を用いた場合に、高効率化が図れる。

以上説明した実施形態では、変圧比Ｍをスイープして、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出しているが、インバータ回路１３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のオンデューティ比を変えて、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出するようにしてもよい。又は、位相シフト駆動、パルス密度変調駆動によって、入力電力Ｐｉｎの極小値を検出するようにしてもよい。

図１２は、インバータ回路１３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号のパルス波形図である。図１２では、オンデューティ比の変化前後のパルス波形を示している。周波数設定部１４１は、周期Ｔを変えずに、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート信号のオン時間Ｔ１をＴ２（＜Ｔ１）に変更し、インバータ回路１３をＰＷＭ制御する。そして、変更後の入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎを検出し、入力電力Ｐｉｎが極小であるか否かを検出する。この処理を繰り返し、極小の入力電力Ｐｉｎとなるときオンデューティ比を検出し、周波数設定部１４１は、そのオンデューティ比でインバータ回路１３を制御して、電力伝送を行う。この場合であっても、高効率化が図れる。なお、オンデューティ比を変更する場合、昇降圧回路１２は無くてもよい。この場合、周波数設定部１４１は、本発明に係る「出力電圧変化部」に相当する。

なお、本実施形態では、入力電力Ｐｉｎが極小となるよう、変圧比Ｍをスイープしているが、直流電源１１から昇降圧回路１２へ入力される入力電圧Ｖｉｎは一定である。したがって、入力電流Ｉｉｎが極小となるよう、変圧比Ｍをスイープするようにしてもよい。この場合、入力電流と入力電圧とから入力電力を算出する必要がなく、演算処理を簡易化できる。

また、本実施形態では、送電装置１０１は、直流電源からの直流電圧を昇圧又は降圧する昇降圧回路１２を備えているが、直流電源の仕様に応じて、直流電源からの直流電圧を降圧のみ行う降圧回路、又は、昇圧のみ行う昇圧回路の一方を備えるようにしてもよい。

（実施形態２）
実施形態２では、例えば、送電装置と受電装置間の結合が想定値に対して低い場合負荷回路ＲＬへ入力する電圧が不足し、正常動作できない場合に対応するために送電装置１０１側へエラー信号を送信する機能を受電装置２０１が備えていることが望ましい。

図１３は、実施形態２に係る受電装置２０１の一部の回路を示す図である。受電装置２０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力側に、キャパシタＣ３とスイッチＳＷとの直列回路が接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力側に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２への入力電圧Ｖconvの検出回路として、抵抗Ｒ６，Ｒ７が接続されている。

キャパシタＣ３及びスイッチＳＷは、本発明に係る「エラー信号送信回路」に相当する。抵抗Ｒ６，Ｒ７は、本発明に係る「入力電圧検出回路」に相当する。

受電装置２０１は制御回路２０を備えている。制御回路２０は、信号処理部２０Ａ及び切替部２０Ｂの機能を備えている。信号処理部２０Ａは、抵抗Ｒ６，Ｒ７の分圧電圧から、入力電圧Ｖconvを検出し、入力電圧Ｖconvが閾値未満であるか否かを判定する。閾値未満である場合、信号処理部２０Ａは、電圧不足により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が正常動作しないと判定する。このとき、切替部２０ＢはスイッチＳＷをＰＷＭ制御することで、送電装置１０１へ二値データを送信する。

スイッチＳＷがオンされた場合、受電装置２０１の共振点が変化する。このため、送電装置１０１側での入力電流Ｉｉｎが変化する。したがって、送電装置１０１は、この入力電流Ｉｉｎの変化から、受電装置２０１から送信された二値データの変調信号を読み取る。これにより、送電装置１０１は、受電装置２０１側からのエラー信号を受信できる。

送電装置１０１は、受電装置２０１からエラー信号を受信した場合、例えば、送電装置の入力電力を大きくし、受電装置２０１側の電圧不足を回避するようにする。

なお、受電装置２０１側から送電装置１０１へのエラー信号の送信方法は、説明した負荷変調方式であってもよいし、その他の通信手段を用いてもよい。

また、入力電圧Ｖconvの下限を設定しておき、下限を下回ったときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の動作を停止させるようにしてもよい。この場合、電力伝送はリセットされるが、次の起動、動作で送電装置１０１の入力電力Ｐｉｎを増やして動作させることで、正常動作させることができる。

（実施形態３）
図１４は、実施形態３に係る電力伝送システム２の回路図である。本実施形態では、送電装置１０２及び受電装置２０２それぞれに、直列共振回路が構成されている点、及び、受電装置２０２が圧電トランスを備えず、巻線型の降圧トランスＴ２を備えている点、で実施形態１と相違する。

この例では、送電装置１０２において、昇圧トランスＴ１の２次巻線にインダクタＬ１が接続されている。このインダクタＬ１は、アクティブ電極１５及びパッシブ電極１６間に形成される容量と共に、直列共振回路１８を形成している。

受電装置２０２において、アクティブ電極２５及びパッシブ電極２６には、降圧トランスＴ２の１次巻線が接続されている。降圧トランスＴ２の２次巻線は、整流平滑回路２３に接続されている。また、降圧トランスＴ２の１次巻線とアクティブ電極２５との間には、インダクタＬ３が接続されている。このインダクタＬ３は、アクティブ電極２５及びパッシブ電極２６間に形成される容量と共に、直列共振回路２８を形成している。直列共振回路２８は、送電装置１０２の直列共振回路１８と共振周波数が同じに定数設定されている。

この電力伝送システム２においても、実施形態１と同様、変圧比Ｍをスイープして、入力電力Ｐｉｎが極小となるときの変圧比Ｍを、昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定し、電力伝送を行う。これにより、電力伝送効率を高効率状態に維持できる。

（実施形態４）
図１５は、実施形態４に係る電力伝送システム３の回路図である。この例では、送電装置１０３及び受電装置２０３は磁界結合することにより、送電装置１０３から受電装置２０３へ電力が伝送される。

送電装置１０３は、実施形態１と同様、直流電源１１、昇降圧回路１２、インバータ回路１３及び昇圧トランスＴを備えている。昇圧トランスＴの２次巻線には、磁界結合用のインダクタＬ４が接続されている。インダクタＬ４は、本発明に係る「送電側結合部」に相当する。

昇圧トランスＴ１の２次巻線とインダクタＬ４との間にはキャパシタＣ６が接続されている。キャパシタＣ６は、インダクタＬ４と共に直列共振回路１９を形成している。直列共振回路１９は、本発明に係る「送電側共振回路」に相当する。

受電装置２０３は、インダクタＬ４と磁界結合するインダクタＬ５を備えている。このインダクタＬ５は、本発明に係る「受電側結合部」に相当する。インダクタＬ５には、キャパシタＣ７が接続されている。インダクタＬ５及びキャパシタＣ７は、直列共振回路２９を形成している。直列共振回路２９は、直列共振回路１９と共振周波数が同じになるよう定数設定されている。直列共振回路２９は、本発明に係る「受電側共振回路」に相当する。

直列共振回路２９は、降圧トランスＴ２の１次巻線に接続されている。降圧トランスＴ２の２次巻線には、実施形態３と同様、整流平滑回路２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２及び負荷回路ＲＬが順に接続されている。

この電力伝送システム３においても、実施形態１と同様、変圧比Ｍをスイープして、入力電力Ｐｉｎが極小となるときの変圧比Ｍを、昇降圧回路１２の制御パラメータとして設定し、電力伝送を行う。これにより、電力伝送効率を高効率状態に維持できる。

１，２，３…電力伝送システム
１１…直流電源
１２…昇降圧回路
１３…インバータ回路
１４…制御部
１５，２５…アクティブ電極
１６，２６…パッシブ電極
１７…並列共振回路
１８…直列共振回路
１９…直列共振回路
２０…制御回路
２０Ａ…信号処理部
２０Ｂ…切替部
２２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３…整流平滑回路
２４…圧電トランス
２８，２９…直列共振回路
１０１，１０２，１０３…送電装置
１４１…周波数設定部
１４２…入力電流検出部
１４３…入力電圧検出部
１４４…出力電圧検出部
１４５…演算部
１４６…電圧変換部
２０１，２０２，２０３…受電装置
２４１…直列共振回路
２４２…並列共振回路

Claims (7)

1. 送電側結合部と、前記送電側結合部に接続された、又は前記送電側結合部を一部に含む、送電側共振回路と、直流電圧を交流電圧に変換して前記送電側共振回路へ出力する電力変換回路とを有する送電装置と、受電側結合部と、前記受電側結合部に接続され、又は前記受電側結合部を一部に含み、前記送電側共振回路と同じ共振周波数で共振する受電側共振回路と、受電側共振回路に接続され、前記受電側結合部に誘起された電圧を所定値に変換して負荷へ出力する定負荷電力出力回路とを有する受電装置とを備え、前記送電側結合部と前記受電側結合部とが電界結合又は磁界結合することにより、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される電力伝送システムであって、
   前記送電装置は、
   前記電力変換回路の出力電力を設定する出力電力設定部と、
   前記出力電力設定部で設定された出力電力が前記電力変換回路から出力されるよう、前記電力変換回路を駆動制御する駆動制御部と、
   を有し、
   前記出力電力設定部は、
   前記交流電圧の周波数を、前記送電側共振回路及び前記受電側共振回路の共振周波数により決定される周波数に設定する周波数設定部と、
   前記周波数設定部により設定された周波数で、前記電力変換回路の出力電力を変化させる出力電力変化部と、
   前記電力変換回路の出力電力を変化させたときの、前記電力変換回路への入力電力を検出する入力電力検出部と、
   前記入力電力検出部が検出した入力電力の極小値を検出する極小値検出部と、
   を有し、
   前記極小値検出部が検出した極小値となるときの前記入力電力に対応する出力電力を、前記電力変換回路の出力電力に設定する、
   電力伝送システム。
2. 前記電力変換回路へ一定電圧が入力される場合、
   前記入力電力検出部は、前記電力変換回路への入力電流を検出し、
   前記極小値検出部は、前記入力電力検出部が検出した入力電流の極小値を検出する、
   請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記電力変換回路は、
   直流電圧を昇圧、降圧又は昇降圧する変圧回路と、
   前記変圧回路に接続され、前記変圧回路により昇降圧された前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
   を有し、
   前記駆動制御部は、
   前記変圧回路を駆動して前記直流電圧を昇圧もしくは降圧し、又は前記インバータ回路を制御する、
   請求項１又は２に記載の電力伝送システム。
4. 前記送電装置は、
   前記変圧回路の入力電圧及び出力電圧を検出する電圧検出回路を有し、
   前記出力電力変化部は、
   前記変圧回路の入力電圧及び出力電圧の変圧比を変化させる、
   請求項３に記載の電力伝送システム。
5. 前記出力電力設定部が前記電力変換回路の出力電力を繰り返し設定する場合、
   前記出力電力変化部は、
   前記電力変換回路の出力電力が直前に設定されたときの、前記変圧回路の入力電圧及び入力電流から入力電力を算出し、前記入力電力の平方根に基づく初期値を前記変圧比の初期値として、前記初期値から前記変圧比を変化させる、
   請求項４に記載の電力伝送システム。
6. 前記出力電力変化部は、前記インバータ回路のオンデューティ比、あるいは、パルス密度を変化させる、
   請求項３に記載の電力伝送システム。
7. 前記受電装置は、
   前記定負荷電力出力回路の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
   前記入力電圧検出回路が検出した入力電圧が閾値未満である場合、前記送電装置へエラー信号を送信するエラー信号送信回路と、
   を有する、
   請求項１から６の何れかに記載の電力伝送システム。

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