JP6264843B2

JP6264843B2 - 非接触給電装置および非接触給電システム

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Publication number: JP6264843B2
Application number: JP2013226940A
Authority: JP
Inventors: 若林　尚之; 尚之若林
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: US9905358B2; EP2868492A1; JP2015089267A; EP2868492B1; US20150115731A1

Description

この発明は、非接触給電装置および非接触給電システムに関し、特に、給電コイルを備えた非接触給電装置および非接触給電システムに関する。

従来、給電コイルを備えた非接触給電装置および非接触給電システムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、給電対象（受電装置）に設けられている受電コイルとともに電磁気結合回路を形成する給電コイルと、給電コイルに接続された抵抗装置とを備えた非接触給電装置が開示されている。この非接触給電装置では、給電コイルから受電コイルへの給電効率が最大となるように抵抗装置の抵抗値を制御するように構成されている。

特開２０１３−１１０７８４号公報

しかしながら、上記特許文献１の非接触給電装置では、給電効率を最大にするために、抵抗値が大きくされた場合には、抵抗装置で損失が生じる分、給電以外のための消費電力が大きくなるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、給電以外のための消費電力が大きくなるのを抑制することが可能な非接触給電装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による非接触給電装置では、給電電圧値を変化させることが可能な電源部と、電源部により交流電流が供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイルと、電源部の給電電圧値を制御する給電装置側制御部とを備え、受電コイルを有する受電装置と通信する通信部をさらに備え、給電装置側制御部は、給電コイルと、外部に設けられ給電コイルの給電磁界により電力を受電する受電コイルとの結合係数を取得するとともに、通信部を介して、受電コイルのパラメータを取得して、取得された結合係数と受電コイルのパラメータとに基づく受電装置の負荷抵抗に基づいて、電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成されている。

この発明の第１の局面による非接触給電装置では、上記のように、給電装置側制御部を、給電コイルと、外部に設けられ給電コイルの給電磁界により電力を受電する受電コイルとの結合係数を取得するとともに、通信部を介して、受電コイルのパラメータを取得して、取得された結合係数と受電コイルのパラメータとに基づく受電装置の負荷抵抗に基づいて、電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成することによって、給電コイルの抵抗値を制御して電力伝送効率を最大にする場合と異なり、抵抗値が大きくなることはないので、給電以外のための消費電力が大きくなるのを抑制することができる。また、給電コイルと受電コイルとの間の距離を要素として含む結合係数に基づいて、電源部の給電電圧値の制御を行うことによって、給電コイルと受電コイルとの距離に応じて、受電コイルを含む受電装置との電力伝送効率が最大近傍となるように、電源部の給電電圧値が制御される。その結果、給電コイルと受電コイルとの間の距離に関わらず、電力伝送効率を大きくすることができる。

上記第１の局面による非接触給電装置において、好ましくは、給電装置側制御部は、通信部を介して、受電コイルのインダクタンスと、給電磁界により受電した受電コイルの交流電圧の値である受電交流電圧値とを受電装置から取得するとともに、取得した受電コイルのインダクタンスおよび受電交流電圧値と、給電コイルのインダクタンスと、電源部の給電電圧値とに基づいて、結合係数を算出する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、通信部を介して、受電コイルの情報を取得して、取得した情報に基づいて、受電装置、および、給電コイルと受電コイルとの間の距離に応じた結合係数を算出することができる。その結果、受電装置に応じて、電力伝送効率が最大近傍となるように、適切に給電電圧制御を行うことができる。

この場合、好ましくは、給電装置側制御部は、通信部を介して、受電コイルの交流電圧を整流した直流電圧の値である受電直流電圧値と、受電装置の負荷電力値とを取得するように構成されており、給電装置側制御部は、取得した受電装置の負荷電力値と、結合係数と、受電交流電圧値とに基づいて、受電装置との電力伝送効率が最大近傍となる場合の受電直流電圧値の目標受電電圧値を設定するとともに、取得した受電直流電圧値が、設定した目標受電電圧値となるように、給電電圧制御を行うように構成されている。このように構成すれば、受電直流電圧値を目標受電電圧となるようにフィードバック制御することができるので、負荷電力値が変化した場合でも、より正確に、電力伝送効率が最大近傍となるように、給電電圧制御を行うことができる。

上記受電装置と通信する通信部を備えた非接触給電装置において、好ましくは、給電装置側制御部は、受電交流電圧値を所定の時間間隔で取得する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、取得した受電交流電圧値に基づいて、所定の時間間隔で結合係数が算出されるので、給電中に結合係数が変化した場合であっても、変化に応じて、電力伝送効率が最大近傍となるように、給電電圧制御を行うことができる。

上記第１の局面による非接触給電装置において、好ましくは、給電装置側制御部は、結合係数ｋを、給電コイルのインダクタンスをＬ１、受電コイルのインダクタンスをＬ２、電源部の給電電圧値をＶ１、受電コイルの交流電圧の値である受電交流電圧値Ｖ２として、以下の式（１）により算出する制御を行うように構成されている。

このように構成すれば、式（１）に基づいて容易に結合係数ｋを算出できるので、容易に、電力伝送効率が最大近傍となるように、電源部の給電電圧値を制御することができる。

上記第１の局面による非接触給電装置において、好ましくは、給電装置側制御部は、結合係数が所定の値よりも小さい場合、給電を行わないように構成されている。このように構成すれば、最大となる電力伝送効率が低い場合に、給電が行われないので、無駄に電力を消費するのを抑制することができる。また、給電以外に消費される電力が抑制されるので、装置の発熱が抑制される。なお、最大となる電力伝送効率が低い場合とは、たとえば、給電コイルと受電コイルとの間の距離が著しく大きい場合や、給電コイルと受電コイルとの間に電力の供給を妨げる異物などがある場合である。

上記第１の局面による非接触給電装置において、好ましくは、給電装置側制御部は、通信部を介して、受電装置の機種情報を取得するとともに、取得した機種情報に基づいて、給電電圧制御を開始するか否かを判断する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、予め給電することが認められた受信装置にのみ給電電圧制御を開始することができる。

上記第１の局面による非接触給電装置において、好ましくは、電源部は、共振コンデンサと、電圧可変の交流直流変換器と、交流直流変換器からの直流電圧を給電コイルおよび共振コンデンサの共振周波数でオンオフさせることにより交流電流を生じさせるスイッチング回路とを含む。このように構成すれば、給電コイルと受電コイルとの間で、電磁界を共鳴させることができるとともに、高い力率を保ちつつ給電電圧制御を行うことができるので、給電以外のための消費電力を低減することができる。

この発明の第２の局面による非接触給電システムは、給電電圧値を変化させることが可能な電源部と、電源部により交流電流を供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイルと、電源部の給電電圧値を制御する給電装置側制御部とを含む、給電装置と、給電磁界により電力を受電する受電コイルを含む受電装置とを備え、給電装置は、受電装置と通信する通信部を含み、給電装置側制御部は、給電コイルと受電コイルとの結合係数を取得するとともに、通信部を介して、受電コイルのパラメータを取得して、取得された結合係数と受電コイルのパラメータとに基づく受電装置の負荷抵抗に基づいて、電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成されている。

この発明の第２の局面による非接触給電システムでは、上記のように、給電装置側制御部を、給電コイルと受電コイルとの結合係数を取得するとともに、通信部を介して、受電コイルのパラメータを取得して、取得された結合係数と受電コイルのパラメータとに基づく受電装置の負荷抵抗に基づいて、電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成することにより、給電コイルの抵抗値を制御する場合と異なり、電源部の給電電圧値を制御することにより電力伝送効率を大きくするので、電力伝送効率を最大にするために抵抗値が大きくなることはない。その結果、給電以外のための消費電力が大きくなるのを抑制することができる。また、給電コイルと受電コイルとの間の距離を要素として含む結合係数に基づいて、電源部の給電電圧値の制御を行うので、給電コイルと受電コイルとの間の距離に関わらず、電力伝送効率を大きくすることができる。

本発明によれば、上記のように、給電以外のための消費電力が大きくなるのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態による非接触給電システムの全体構成を示した図である。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの構成を示したブロック図である。本発明の第１実施形態による給電装置の構成を示したブロック図である。本発明の第１実施形態による電気自動車の構成を示したブロック図である。本発明の第１実施形態による結合係数を説明するための図である。本発明の第１実施形態による結合係数と負荷抵抗との関係を説明するための図である。本発明の第１実施形態による結合係数と電力伝送効率との関係を説明するための図である。本発明の第１実施形態による結合係数と電力伝送効率との関係を説明するための図である。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの非接触給電制御処理を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの電気自動車の認証処理を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの結合係数算出処理を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの目標受電電圧設定処理を説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態による非接触給電システムの給電電圧制御を説明するためのブロック線図である。本発明の第２実施形態による給電装置の構成を示したブロック図である。本発明の第３実施形態による給電装置の構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態による非接触給電システム１００の構成について説明する。

第１実施形態による非接触給電システム１００は、図１および図２に示すように、地面に設置されている給電装置１と、受電コイル２３および充電可能な２次電池２６を含む電気自動車２と、給電装置１に電力を供給する交流電源３とを備えている。また、電気自動車２は、給電装置１が設置されている位置の近傍に停車されている。なお、給電装置１は、本発明の「非接触給電装置」の一例である。また、電気自動車２は、本発明の「受電装置」の一例である。そして、２次電池２６は、本発明の「負荷」の一例である。

ここで、第１実施形態では、図２に示すように、給電装置１は、給電電圧値を変化させることが可能な電源部１２と、電源部１２により交流電流が供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイル１３と、電源部１２の給電電圧値を制御する給電装置側制御部１１と、電源部１２の給電電圧値を測定する給電電圧測定部１４と、電気自動車２と通信可能な無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）通信部１５とを備える。なお、無線ＬＡＮ通信部１５は、本発明の「通信部」の一例である。

また、図３に示すように、給電装置側制御部１１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１１ａおよび発振器１１ｂを備える。また、無線ＬＡＮ通信部１５はアンテナ１５ａを含み、アンテナ１５ａを介して、電気自動車２と通信可能に構成されている。

そして、第１実施形態では、図３に示すように、給電装置１の電源部１２は、交流電源３と電気的に接続されており電圧可変の交流直流変換器１２ａと、交流直流変換器１２ａからの直流電圧をオンオフさせることが可能なＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１２ｂと、ＦＥＴ１２ｂに電圧を印加させることにより、ＦＥＴ１２ｂを駆動させることが可能なゲートドライブ回路１２ｃとを含む。また、電源部１２は、ＦＥＴ１２ｂによってオンオフされた電圧によって生じた交流電流が流れるように直列に接続された共振コンデンサ１２ｄを含む。そして、ＣＰＵ１１ａは、発振器１１ｂを介して、給電コイル１３および共振コンデンサ１２ｄの共振周波数でＦＥＴ１２ｂをオンオフさせるための駆動を行うようにゲートドライブ回路１２ｃを制御するように構成されている。なお、ＦＥＴ１２ｂおよびゲートドライブ回路１２ｃは、本発明の「スイッチング回路」の一例である。

次に、図４に示すように、電気自動車２は、ＣＰＵ２１と、記憶部２１ａと、整流回路２２と、コンデンサ２２ａと、受電コイル２３と、直流電圧変換器２４と、無線ＬＡＮ通信部２５と、アンテナ２５ａと、２次電池２６と、受電交流電圧測定部２７と、受電直流電圧測定部２８と負荷電力測定部２９とが設けられている。

図２に示すように、受電コイル２３は、給電コイル１３により発生させられた給電磁界により電力を受電するように構成されている。また、図４に示すように、コンデンサ２２ａは受電コイル２３に並列に接続されており、ダイオード等を含む整流回路２２と、コンデンサ２２ａとは、受電コイル２３により受電した交流電圧を直流電圧に整流するように構成されている。そして、直流電圧変換器２４は、整流された直流電圧を２次電池２６へ充電するのに適した一定の直流電圧へ変換するように構成されている。たとえば、入力電圧がＶａまたはＶｂの時、いずれの電圧であっても出力電圧はＶｃとなるように構成されている。そして、直流電圧変換器２４と電気的に接続され、一定の直流電圧へ変換された電圧を印加されることによって充電を行うように構成された２次電池２６が設けられている。

そして、第１実施形態では、図４に示すように、ＣＰＵ２１は、所定の時間間隔でスイッチ２７ａを開くとともに、受電交流電圧測定部２７によって、受電コイル２３の給電磁界により受電した受電交流電圧値Ｖ２を測定して取得する制御を行うように構成されている。また、ＣＰＵ２１は、整流回路２２によって整流された直流電圧の値である受電直流電圧値を受電直流電圧測定部２８によって、測定する制御を行うように構成されている。そして、ＣＰＵ２１は、直流電圧変換器２４の出力電流を負荷電力測定部２９によって測定することにより、２次電池２６の負荷電力値を測定する制御を行うように構成されている。

また、第１実施形態では、図２に示すように、給電装置側制御部１１は、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、電気自動車２の機種情報を取得するとともに、取得した機種情報に基づいて、給電電圧制御を開始するか否かを判断する制御を行うように構成されている。

図４に示すように、ＣＰＵ２１は、記憶部２１ａに予め記憶されている、電気自動車２の機種情報と、受電コイル２３のＱ値（クオリティファクター）Ｑ２と、受電コイル２３のインダクタンスＬ２と、受電コイル２３の抵抗ｒ２とを無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する制御を行うように構成されている。そして、送信された情報は、給電装置１の無線ＬＡＮ１５を介して、給電装置側制御部１１によって受信するように構成されている。

そして、給電装置側制御部１１は、取得した電気自動車２の機種情報に基づいて、給電装置１によって給電が可能な機種か否かを判断する。たとえば、予め給電装置側制御部１１に設定されている給電可能な電気自動車２の機種情報と整合して、一致した場合に、給電が可能な機種であると判断する制御を行うように構成されている。すなわち、給電装置側制御部１１は、電気自動車２の認証を行うように構成されている。

次に、給電装置側制御部１１は、電気自動車２から取得した情報と、給電装置側制御部１１に予め設定されている給電コイル１３のインダクタンスＬ１および給電コイル１３のＱ値Ｑ１と、給電電圧測定部１４よって測定され取得された給電電圧値Ｖ１とに基づいて、結合係数ｋを算出するように構成されている。ここで、第１実施形態では、結合係数ｋは、給電コイル１３のインダクタンスをＬ１、受電コイル２３のインダクタンスをＬ２、電源部１２の給電電圧値をＶ１、受電コイル２３の交流電圧の値である受電交流電圧値Ｖ２として、上記式（１）により算出する制御を行うように構成されている。

ここで、図５を参照して式（１）の導出方法および、結合係数ｋと距離Ｄ（図１参照）との関係について説明する。給電コイル１３と、受電コイル２３との相互インダクタンスをＭは、結合係数ｋを用いて、以下の式（２）として表すことができる。また、図５に示すように、受電コイル２３に流れる電流が０となる時、点Ａでは、電圧は受電交流電圧Ｖ２となるため、Ｖ２は、以下の（３）として表すことができる。そして、式（２）のＭを式（３）のＭに代入することによって、上記の式（１）に示す結合係数ｋを表すことができる。すなわち、給電コイル１３と、受電コイル２３との間の距離Ｄ（図１参照）が変化した場合、相互インダクタンスＭが変化することが知られているので、相互インダクタンスＭが変化した場合、結合係数ｋが変化する。

なお、第１実施形態では、給電装置側制御部１１は、算出された結合係数ｋが、０．０３未満の時、給電を行わないように構成されている。これにより、給電装置１と電気自動車２との距離Ｄが著しく大きな場合や、給電コイル１３と受電コイル２３との間に給電を阻害する異物等があった場合、給電を開始しない、または、給電を中止する制御を行うように構成されている。

また、第１実施形態では、図４に示すように、ＣＰＵ２１は、測定された受電コイル２３の交流電圧を整流した直流電圧の値である受電直流電圧値と、測定された電気自動車２の負荷電力値とを、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する制御を行うように構成されている。また、給電装置側制御部１１は、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、上記の受電直流電圧値と、負荷電力値とを取得するように構成されている。そして、給電装置側制御部１１は、負荷電力値と、結合係数ｋと、受電交流電圧値とに基づいて、電力伝送効率が最大近傍となる場合の受電直流電圧値の目標受電電圧値を設定するとともに、取得した受電直流電圧値が、設定した目標受電電圧値となるように、給電電圧制御を行うように構成されている。

具体的には、給電装置側制御部１１は、電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌを算出するように構成されている。負荷抵抗Ｒ_Ｌは、結合係数をｋ、受電コイル２３の抵抗をｒ２、受電コイル２３のＱ値をＱ２、給電コイル１３のＱ値をＱ１として、以下の（４）式で表すことができる。

そして、第１実施形態では、給電装置側制御部１１は、取得した負荷電力値に基づいて、受電直流電圧値が、電力伝送効率が最大近傍となる負荷抵抗Ｒ_Ｌとなるための受電直流電圧値である目標受電電圧値を設定する制御を行うように構成されている。たとえば、負荷電力値が５Ｗおよび電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌが４００Ωである場合、目標受電電圧値Ｅは、以下の式（５）で表すことができる。この場合、目標受電電圧値Ｅは、４４．７Ｖである。

そして、第１実施形態では、図２に示すように、給電装置側制御部１１は、取得した受電直流電圧値が、設定した目標受電電圧値となるように、給電電圧制御を行うように構成されている。具体的には、ＣＰＵ２１は、受電直流電圧測定部２８によって測定された受電直流電圧値を、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信するように構成されている。そして、給電装置側制御部１１は、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、受電直流電圧値Ｖ２を受信して取得するとともに、取得した受電直流電圧値と設定した目標受電電圧値との比較に基づいて、受電直流電圧値が、目標受電電圧値になるように、交流直流変換器１２ａの給電電圧値の大きさを調節するように構成されている。

次に、図６〜図８を参照して、負荷抵抗Ｒ_Ｌを電力伝送効率が最大近傍となるようにした場合と、負荷抵抗Ｒ_Ｌを一定にした場合との電力伝送効率の違いを説明する。

図６に示すように、電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌは、結合係数ｋとの関係によって表される。ここで、給電電圧の周波数を６．７８ＭＨｚ、給電コイル１３および受電コイル２３のインダクタンス（Ｌ１およびＬ２）をともに１μＨ、給電コイル１３および受電コイル２３のＱ値（Ｑ１およびＱ２）をともに１００、コンデンサ２２ａは、受電コイル２３と共振する値、コンデンサ１２ｄは、ＦＥＴ１２ｂおよびゲートドライブ回路１２ｃから観測して、給電コイル１３のインピーダンスの虚数部が０となる値として、算出した場合を示している。たとえば、結合係数ｋが大きい状態とは、給電コイル１３と、受電コイル２３との距離Ｄが小さい状態であり、一方、結合係数ｋが小さい状態とは、給電コイル１３と、受電コイル２３との距離Ｄが大きい状態を表す。

次に、図７に、負荷抵抗Ｒ_Ｌを電力伝送効率が最大近傍となるようにした場合（図６参照）の結合係数ｋと電力伝送効率との値の関係を表す。一方、図８に、負荷抵抗を一定とした場合、一例として、結合係数を０．１とした時の電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌである負荷抵抗を４２６Ωとした場合の結合係数ｋと電力伝送効率の最大近傍となる値の関係を表す。図７と図８とのグラフを比較すると、たとえば、結合係数が０．０５の場合、最大近傍となる電力伝送効率０．７２（図７参照）に対して、負荷抵抗を４２６Ωとした場合の電力伝送効率は０．６４（図８参照）となる。また、結合係数が０．５の場合、最大近傍となる電力伝送効率０．９６（図７参照）に対して、負荷抵抗を４２６Ωとした場合の電力伝送効率は０．９０（図８参照）となる。したがって、負荷抵抗Ｒ_Ｌを電力伝送効率が最大近傍となるようにした場合（図６参照）の電力伝送効率の方が、負荷抵抗を一定とした場合よりも大きな値となる。

次に、図９を参照して、第１実施形態による非接触給電システム１００の非接触給電制御処理フローについて説明する。給電装置１における処理は、ＣＰＵ１１ａにより行われる。

まず、図９に示すように、給電装置１では、ステップＳ１において、後述する電気自動車２の認証が行われる（図１０参照）。その後、ステップＳ２に進み、ステップＳ２において、後述する結合係数ｋの算出が行われる（図１１参照）。そして、ステップＳ３に進む。

次に、ステップＳ３において、後述する目標受電電圧値の設定（図１２参照）が行われる。その後、ステップＳ４に進み、ステップＳ４において、後述する給電電圧制御（図１３参照）が行われる。そして、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、所定の時間が経過したか否かが判断される。ステップＳ５において所定の時間が経過した場合は、ステップＳ２に戻り、所定の時間が経過していない場合は、ステップＳ６に進む。

そして、ステップＳ６において、給電が終了したか否かが判断される。ステップＳ６において給電が終了していない場合は、ステップＳ４に戻り、給電が終了した場合は、非接触給電制御処理フローは終了される。

次に、図１０を参照して、第１実施形態による非接触給電システム１００の電気自動車認証処理フローについて説明する。給電装置１における処理は、ＣＰＵ１１ａにより行われる。電気自動車２における処理は、ＣＰＵ２１により行われる。

まず、図１０に示すように、電気自動車２では、ステップＳ１１１において、電気自動車２の機種情報の送信が行われる。具体的には、記憶部２１ａに予め記憶された機種情報を、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する。その後、ステップＳ１１２へ進む。ステップＳ１１２において、受電コイル２３のパラメータを、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する。なお、受電コイル２３のパラメータとは、受電コイル２３のインダクタンスと、抵抗値、Ｑ値である。

そして、給電装置１では、ステップＳ１０１において、電気自動車２の機種情報を受信したか否かが判断される。電気自動車２の機種情報を受信するまでこの判断は繰り返され、電気自動車２の機種情報を受信した場合、ステップＳ１０２へ進む。

ここで、第１実施形態では、ステップＳ１０２において、電気自動車２が給電可能な機種か否かが判断される。電気自動車２が給電可能な機種でない場合、ステップＳ１０１に戻り、電気自動車２が給電可能な機種である場合、ステップＳ１０３に進む。

次に、ステップＳ１０３において、受電コイル２３のパラメータを受信したか否かが判断される。受電コイル２３のパラメータを受信するまでこの判断は繰り返され、受電コイル２３のパラメータを受信した後、電気自動車認証処理フローは終了される。

次に、図１１を参照して、第１実施形態による非接触給電システム１００の結合係数算出処理フローについて説明する。給電装置１における処理は、ＣＰＵ１１ａにより行われる。電気自動車２における処理は、ＣＰＵ２１により行われる。

まず、電気自動車２では、ステップＳ２１１において、受電交流電圧値Ｖ２が測定される。具体的には、図４に示すように、ＣＰＵ２１は、スイッチ２７ａを開くとともに、受電交流電圧測定部２７により受電コイル２３の受電交流電圧値Ｖ２を測定する制御を行う（図４参照）。なお、スイッチ２７ａを開いた状態で、受電交流電圧値Ｖ２を測定することにより、受電コイル２３に流れる電流の影響をなくすことができる。その後、ステップＳ２１２へ進む。そして、図１１に示すように、ステップＳ２１２において、測定した受電交流電圧値Ｖ２を、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する。

そして、給電装置１では、ステップＳ２０１において、給電電圧値Ｖ１を測定する。具体的には、ＣＰＵ１１ａは、給電電圧測定部１４により電源部１２の給電電圧値Ｖ１を測定する制御を行う。その後、ステップＳ２０２へ進む。

次に、ステップＳ２０２において、受電交流電圧値Ｖ２を受信したか否かが判断される。受電交流電圧値Ｖ２を受信するまでこの判断は繰り返され、受電交流電圧値Ｖ２が受信された場合、ステップＳ２０３へ進む。

ここで、第１実施形態では、ステップＳ２０３において、結合係数ｋを算出する。具体的には、ＣＰＵ１１ａは、測定した給電電圧値Ｖ１と、受信した受電交流電圧値Ｖ２と、電気自動車認証処理（図１０参照）により取得した受電コイルのパラメータ（インダクタンスＬ２）と、予め設定されている給電コイルのパラメータ（インダクタンスＬ１）と、式（１）とに基づいて、結合係数ｋを算出する。その後、結合係数算出処理フローは終了される。

次に、図１２を参照して、第１実施形態による非接触給電システム１００の目標受電電圧値の設定処理フローについて説明する。給電装置１における処理は、ＣＰＵ１１ａにより行われる。電気自動車２における処理は、ＣＰＵ２１により行われる。

まず、図１２に示すように、電気自動車２では、ステップＳ３１１において、負荷電力値を測定した後、ステップＳ３１２に進む。そして、ステップＳ３１２において、負荷電力値を送信する。具体的には、ＣＰＵ２１は、負荷電力測定部２９によって測定された２次電池２６の負荷電力値を取得して、取得した負荷電力値を、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１に送信する。

一方、給電装置１では、ステップＳ３０１において、負荷抵抗Ｒ_Ｌが算出される。具体的には、ＣＰＵ１１ａは、電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌを算出する。電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗Ｒ_Ｌは、上記結合係数算出処理で算出された結合係数ｋと、上記電気自動車認証処理で取得した受電コイル２３の抵抗値ｒ２と、給電コイル１３および受電コイル２３のＱ値（Ｑ１およびＱ２）とに基づいて、算出される。その後、ステップＳ３０２に進む。

次に、ステップＳ３０２において、負荷電力値を受信したか否かが判断される。負荷電力値を受信するまでこの判断は繰り返され、負荷電力値を受信した場合、ステップＳ３０３に進む。

ここで、第１実施形態では、ステップＳ３０３において、目標受電電圧値を設定する。具体的には、ＣＰＵ１１ａは、取得した負荷電力値と、電力伝送効率が最大近傍となる場合の負荷抵抗とに基づいて、目標受電電圧値を設定する。その後、目標受電電圧値の設定処理フローが終了される。

次に、図１３を参照して、第１実施形態による非接触給電システム１００の給電電圧制御処理について説明する。なお、図１３は、非接触給電システム１００の給電電圧制御処理について説明するために、図２のブロック図を簡略化したブロック線図である。

まず、図１３に示すように、ＣＰＵ１１ａは、目標受電電圧値と受電直流電圧値との比較（フィーバック結合）された値に基づいて、電源部１２の給電電圧値Ｖ１の大きさを調整する制御を行う。そして、調整された給電電圧値Ｖ１は、給電コイル１３および受電コイル２３により伝送されることによって、受電交流電圧値Ｖ２に変化する。受電交流電圧値Ｖ２は、整流回路２２によって、受電直流電圧値に変化する。ＣＰＵ２１は、受電直流電圧測定部２８により受電直流電圧値を測定し、無線ＬＡＮ通信部２５を介して、給電装置１へ送信する。そして、ＣＰＵ１１ａは、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、上記の受電直流電圧値を受信して、目標受電電圧値と受電直流電圧値との比較を行う。この制御を繰り返すことによって、受電直流電圧値が設定した目標受電電圧値となるように制御を行う。

第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、給電電圧値を変化させることが可能な電源部１２と、電源部１２により交流電流が供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイル１３と、電源部１２の給電電圧値を制御する給電装置側制御部１１とを備え、給電装置側制御部１１を、給電コイル１３と、外部に設けられ給電コイル１３の給電磁界により電力を受電する受電コイル２３との結合係数ｋに基づいて、受電コイル２３を含む電気自動車２との電力伝送効率が最大近傍となるように、電源部１２の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成する。これにより、給電コイル１３の抵抗値を制御して電力伝送効率を最大にする場合と異なり、抵抗値が大きくなることはないので、給電以外のための消費電力が大きくなるのを抑制することができる。また、給電コイル１３と受電コイル２３との間の距離を要素として含む結合係数に基づいて、電源部１２の給電電圧値の制御を行うことによって、給電コイル１３と受電コイル２３との距離Ｄに応じて、受電コイル２３を含む電気自動車２との電力伝送効率が最大近傍となるように、電源部１２の給電電圧値が制御される。その結果、給電コイル１３と受電コイル２３との間の距離に関わらず、電力伝送効率を大きくすることができる。

また、第１実施形態では、上記のように、電気自動車２と通信する無線ＬＡＮ通信部１５をさらに備え、給電装置側制御部１１を、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、受電コイル２３のインダクタンスと、給電磁界により受電した受電コイル２３の交流電圧の値である受電交流電圧値とを電気自動車２から取得するとともに、取得した受電コイル２３のインダクタンスおよび受電交流電圧値と、給電コイル１３のインダクタンスと、電源部１２の給電電圧値とに基づいて、結合係数を算出する制御を行うように構成する。これにより、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、受電コイル２３の情報を取得して、取得した情報に基づいて、電気自動車２の種類、および、給電コイル１３と受電コイル２３との間の距離に応じた結合係数を算出することができる。その結果、電気自動車２および給電コイル１３と受電コイル２３との間の距離に応じて、電力伝送効率が最大近傍となるように、給電電圧制御を行うことができる。

また、第１実施形態では、上記のように、給電装置側制御部１１を、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、受電コイル２３の交流電圧を整流した直流電圧の値である受電直流電圧値と電気自動車２の負荷電力値とを取得するように構成して、給電装置側制御部１１を、取得した電気自動車２の負荷電力値と、結合係数と、受電交流電圧値とに基づいて、電力伝送効率が最大近傍となる場合の受電直流電圧値の目標受電電圧値を設定するとともに、取得した受電直流電圧値が、設定した目標受電電圧値となるように、給電電圧制御を行うように構成する。これにより、受電直流電圧値を目標受電電圧値にフィードバック制御することができるので、負荷電力値が変化した場合でも、より正確に、電力伝送効率が最大近傍となるように、給電電圧制御を行うことができる。

また、第１実施形態では、上記のように、給電装置側制御部１１を、受電交流電圧値を所定の時間間隔で取得する制御を行うように構成する。これにより、取得した受電交流電圧値に基づいて、所定の時間間隔で結合係数が算出されるので、給電中に結合係数が変化した場合であっても、変化に応じて、電力伝送効率が最大近傍となるように、給電電圧制御を行うことができる。

また、第１実施形態では、上記のように、給電装置側制御部１１を、前記結合係数ｋを、給電コイル１３のインダクタンスをＬ１、受電コイル２３のインダクタンスをＬ２、電源部１２の給電電圧値をＶ１、受電コイル２３の交流電圧の値である受電交流電圧値Ｖ２として、上記の式（１）により算出する制御を行うように構成する。これにより、式（１）に基づいて容易に結合係数ｋを算出できるので、容易に、電力伝送効率が最大近傍となるように、電源部１２の給電電圧値を制御することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、給電装置側制御部１１を、結合係数が所定の値よりも小さい場合、給電を行わないように構成する。これにより、最大となる電力伝送効率が低い場合に、給電が行われないので、無駄に電力を消費するのを抑制することができる。また、給電以外に消費される電力が抑制されるので、給電装置１および電気自動車２の発熱が抑制される。

また、第１実施形態では、上記のように、給電装置１に、電気自動車２と通信する無線ＬＡＮ通信部１５をさらに備え、給電装置側制御部１１を、無線ＬＡＮ通信部１５を介して、電気自動車２の機種情報を取得するとともに、取得した機種情報に基づいて、給電電圧制御１１を開始するか否かを判断する制御を行うように構成する。これにより、予め給電することが認められた電気自動車２にのみ給電電圧制御を開始することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、電源部１２を、共振コンデンサ１２ｄと、電圧可変の交流直流変換器１２ａと、交流直流変換器１２ａからの直流電圧を給電コイル１３および共振コンデンサ１２ｄの共振周波数でオンオフさせることにより交流電流を生じさせるスイッチング回路とを含むように構成する。これにより、給電コイル１３と受電コイル２３との間で、電磁界を共鳴させることができるとともに、高い力率を保ちつつ給電電圧制御を行うことができるので、給電以外のための消費電力を低減することができる。

（第２実施形態）
次に、図１４を参照して、第２実施形態による非接触給電システム１０１の構成ついて説明する。第２実施形態では、電源部１２が、ゲートドライブ回路１２ｃおよび２つのＦＥＴ１２ｂによって構成されていた、いわゆる、ハーフブリッジ型のスイッチング回路が設けられた給電装置１を備えた第１実施形態の非接触給電システム１００と異なり、ゲートドライブ回路４１ａおよび４つのＦＥＴ１２ｂによって構成される、いわゆる、フルブリッジ型のスイッチング回路が設けられた電源部４１を含む給電装置４を備えている。

具体的には、図１４に示すように、１つのゲートドライブ回路１２ｃと、４つのＦＥＴ１２ｂとは電気的に接続されており、４つのＦＥＴ１２ｂのうち、２つは給電コイル１３の一方側に、残り２つは給電コイル１３の他方側に設けられている。そして、一方側および他方側のそれぞれのＦＥＴ１２ｂのうち１つは、交流直流変換器１２ａに電気的に接続されており、一方側および他方側のそれぞれのＦＥＴ１２ｂの残り１つは、接地されている。そして、給電装置側制御部１１は、コンデンサ１２ｄおよび給電コイル１３の共振周波数で、４つのＦＥＴ１２ｂをそれぞれオンオフさせることにより、給電電圧値をＶ１と、−Ｖ１とを、交互に生じさせるように構成されている。また、第２実施形態による非接触給電システム１０１のその他の構成は、第１実施形態における非接触給電システム１００と同様である。

第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記のように、給電装置４を、ゲートドライブ回路４１ａおよび４つのＦＥＴ１２ｂによって構成する、いわゆる、フルブリッジ型のスイッチング回路が設けられた電源部４１を含むように構成する。これにより、同じ交流直流変換器１２ａを用いた場合、ハーフブリッジ型のスイッチング回路が設けられた場合と比較して、給電コイル１３に与えることができる給電電圧値の大きさを２倍にすることができる。たとえば、交流直流変換器１２ａが出力する電圧の最大値が５Ｖとした場合、ハーフブリッジ型のスイッチング回路では、０Ｖ以上、５Ｖ以下が給電電圧値の範囲となる。一方、フルブリッジ型のスイッチング回路では、−５Ｖ以上、５Ｖ以下が給電電圧値の範囲となるため、給電コイル１３の端に生じる給電電圧値の大きさを２倍にすることができる。その結果、給電コイル１３に、より大きな交流電流を流すことができるので、大きな給電磁界を発生させることができる。

（第３実施形態）
次に、図１５を参照して、第３実施形態による非接触給電システム１０２の構成ついて説明する。第３実施形態では、交流直流変換器１２ａと、ゲートドライブ回路１２ｃと、２つのＦＥＴ１２ｂとを含む、いわゆるスイッチング回路を含む電源部１２が設けられていた給電装置１を備えた、第１実施形態の非接触給電システム１００と異なり、電源部５１は、正弦波の交流電流を増幅可能に構成されている可変増幅器５１ａを含む給電装置５を備えている。

具体的には、図１５に示すように、可変増幅器５１ａは、出力端の一方を共振コンデンサ１２ｄと、出力端の他方を給電コイル１３の一端に接続するように構成されているとともに、増幅用の電力を供給するための交流電源３と、給電電圧値を制御する給電装置側制御部１１とに電気的に接続されている。そして、給電装置側制御部１１は、電気自動車２の受電直流電圧値が目標受電電圧値となるように、可変増幅器５１ａの給電電圧値Ｖ１を制御するように構成されている。また、第３実施形態による非接触給電システム１０２のその他の構成は、第１実施形態における非接触給電システム１００と同様である。

第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第３実施形態では、上記のように、給電装置５を、電源部５１が、正弦波の交流電流を増幅可能に構成されている可変増幅器５１ａを含むように構成する。これにより、正弦波の交流を給電コイル１３に与えることができるため、スイッチング回路を用いる場合と異なり、給電電圧における高周波を抑制することができるので、高周波ノイズによる周囲の機器への電磁干渉を低減することができる。

なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、第１〜第３実施形態では、受電装置として電気自動車に適用する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、受電装置として電気自動車以外に適用してもよい。たとえば、電車等に適用してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、結合係数を給電装置で算出する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、電気自動車のＣＰＵにより算出するように構成してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、目標受電電圧値を設定する方法として、目標受電電圧値を式（５）より算出する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、取得した負荷電力値と、電力伝送効率が最大近傍となる負荷抵抗の値とに基づいて、予め準備されている対応表等から目標受電電圧値を選択する制御を行うように構成してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、給電装置は、１つの給電コイルを含む例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、複数の給電コイルを含む給電装置を用いてもよい。たとえば、３つの給電コイルに対して３相交流電流を流すように構成して、モータを負荷として駆動させるように構成してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、通信部として無線ＬＡＮを用いる例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、通信部として無線ＬＡＮ以外の通信手段を用いてもよい。たとえば、給電コイルおよび受電コイルの負荷変調を利用して、負荷変調方式によって、情報を通信する構成にしてもよい。この場合、通信部のアンテナ等を別途設ける必要がない分、非接触給電システムの構成を簡略化することができる。また、通信部として、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、特定小電力無線、微弱無線等を用いてもよい。

また、第１〜第３実施形態では、給電装置の共振コンデンサを給電コイルに対して直列に接続する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、給電装置の共振コンデンサを給電コイルに対して並列に接続してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、受電装置のコンデンサを受電コイルに対して並列に接続する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、受電装置のコンデンサを受電コイルに対して直列に接続してもよい。この場合、受電装置のコンデンサを受電コイルに対して並列に接続する場合に比べ、電力伝送効率が最大近傍となる負荷抵抗を低くすることができる。これにより、目標受電電圧値の設定値を低くすることができる。

また、第１〜第３実施形態では、給電を行わない結合係数の所定の値として０．０３未満とする例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明は、給電を行わない結合係数の所定の値を、０．０３以外の結合係数としてもよい。

また、第１〜第３実施形態では、結合係数が所定の値よりも小さい場合、給電を行わないように構成されている例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、結合係数が所定の値よりも小さい場合、ユーザに通知するように構成してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、目標受電電圧値の値を直流電圧変換器の電圧変換効率を考慮しないで設定する例（第１実施形態の例では、４４．７Ｖ）を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、直流電圧変換器の効率を９０％とし、整流回路の電圧損失を２Ｖとした場合、目標受電電圧値は、４６．２Ｖとなる。すなわち、回路内での損失等を考慮して制御すれば、より正確に電力伝送効率を最大近傍にすることができる。

また、第１〜第３実施形態では、説明の便宜上、本発明の制御部の処理を処理フローに沿って順番に処理を行うフロー駆動型のフローチャートを用いて説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、制御部の処理動作を、イベントごとに処理を実行するイベント駆動型（イベントドリブン型）の処理により行ってもよい。この場合、完全なイベント駆動型で行ってもよいし、イベント駆動およびフロー駆動を組み合わせて行ってもよい。

１、４、５給電装置（非接触給電装置）
２電気自動車（受電装置）
１１給電装置側制御部
１２、４１、５１電源部
１２ａ交流直流変換器
１２ｂＦＥＴ（スイッチング回路）
１２ｃゲートドライブ回路（スイッチング回路）
１２ｄ共振コンデンサ
１３給電コイル
１５無線ＬＡＮ通信部（通信部）
２３受電コイル
１００、１０１、１０２非接触給電システム

Claims

給電電圧値を変化させることが可能な電源部と、
前記電源部により交流電流が供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイルと、
前記電源部の給電電圧値を制御する給電装置側制御部とを備え、
受電コイルを有する受電装置と通信する通信部をさらに備え、
前記給電装置側制御部は、前記給電コイルと、外部に設けられ前記給電コイルの前記給電磁界により電力を受電する前記受電コイルとの結合係数を取得するとともに、前記通信部を介して、前記受電コイルのパラメータを取得して、取得された前記結合係数と前記受電コイルのパラメータとに基づく前記受電装置の負荷抵抗に基づいて、前記電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成されている、非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記通信部を介して、前記受電コイルのインダクタンスと、前記給電磁界により受電した前記受電コイルの交流電圧の値である受電交流電圧値とを前記受電装置から取得するとともに、取得した前記受電コイルのインダクタンスおよび前記受電交流電圧値と、前記給電コイルのインダクタンスと、前記電源部の給電電圧値とに基づいて、前記結合係数を算出する制御を行うように構成されている、請求項１に記載の非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記通信部を介して、前記受電コイルの交流電圧を整流した直流電圧の値である受電直流電圧値と、前記受電装置の負荷電力値とを取得するように構成されており、
前記給電装置側制御部は、取得した前記受電装置の負荷電力値と、前記結合係数と、前記受電交流電圧値とに基づいて、前記受電装置との電力伝送効率が最大近傍となる場合の前記受電直流電圧値の目標受電電圧値を設定するとともに、取得した前記受電直流電圧値が、設定した前記目標受電電圧値となるように、前記給電電圧制御を行うように構成されている、請求項２に記載の非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記受電交流電圧値を所定の時間間隔で取得する制御を行うように構成されている、請求項２または３に記載の非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記結合係数ｋを、前記給電コイルのインダクタンスをＬ１、前記受電コイルのインダクタンスをＬ２、前記電源部の給電電圧値をＶ１、前記受電コイルの交流電圧の値である受電交流電圧値Ｖ２として、以下の式（１）により算出する制御を行うように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記結合係数が所定の値よりも小さい場合、給電を行わないように構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
前記給電装置側制御部は、前記通信部を介して、前記受電装置の機種情報を取得するとともに、取得した前記機種情報に基づいて、前記給電電圧制御を開始するか否かを判断する制御を行うように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
前記電源部は、共振コンデンサと、電圧可変の交流直流変換器と、前記交流直流変換器からの直流電圧を前記給電コイルおよび前記共振コンデンサの共振周波数でオンオフさせることにより前記交流電流を生じさせるスイッチング回路とを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
給電電圧値を変化させることが可能な電源部と、前記電源部により交流電流を供給されることにより給電磁界を発生させる給電コイルと、前記電源部の給電電圧値を制御する給電装置側制御部とを含む、給電装置と、
前記給電磁界により電力を受電する受電コイルを含む受電装置とを備え、
前記給電装置は、前記受電装置と通信する通信部を含み、
前記給電装置側制御部は、前記給電コイルと前記受電コイルとの結合係数を取得するとともに、前記通信部を介して、前記受電コイルのパラメータを取得して、取得された前記結合係数と前記受電コイルのパラメータとに基づく前記受電装置の負荷抵抗に基づいて、前記電源部の給電電圧値を制御する給電電圧制御を行うように構成されている、非接触給電システム。