JP6271805B2 - 制御装置、送電装置、受電装置、無線電力伝送装置および制御方法 - Google Patents

制御装置、送電装置、受電装置、無線電力伝送装置および制御方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、制御装置、送電装置、受電装置、無線電力伝送装置および制御方法に関する。
無線電力伝送では、送電側のコイルへ交流電流を供給し、送電側のコイルで発生する電磁界を、受電側のコイルに結合させることで、電力を伝送する。送電側および受電側のコイルで発生する電磁界により、放射エミッションを生ずることが知られており、これを低減するために、送電および受電側にそれぞれ２つのコイルを用い、送電側のコイルを逆相の電圧により駆動する方法が提案されている。これにより、送電側のコイルから発生する電磁界を逆位相とし、相殺することができるため、放射エミッションを低減することができる。
しかしながら、この方法においては、コイルのインダクタンス、コイルに接続されるコンポーネントの特性、対向装置（送電側にとっての受電側の装置、受電側にとっての送電側の装置）の特性、対向装置との位置関係、等が全て対称でなければ、コイルに流れる電流の振幅が同一とはならない。これにより、放射エミッションの低減効果が制限されるという課題があった。
特許登録第５１３９４６９号
この発明の実施形態は、無線電力伝送における放射エミッションを低減することを目的とする。
本発明の実施形態としての制御装置は、送電部と、受電部とを備えた無線電力伝送装置を制御する制御装置であって、第１制御部を備える。
前記送電部は、第１の送電コイルと前記第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、第２の送電コイルと前記第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、を含む。
前記受電部は、第１の受電コイルと前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、第２の受電コイルと前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、を含む。
前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい。
前記制御部は、前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する。
第１の実施形態に係る制御装置を備えた無線電力伝送装置の構成図。 相対磁界強度の定義の説明図。 ｙ軸上のある観測点における磁界相対強度を示す図。 ｘ軸上のある観測点における磁界相対強度を示す図。 ｘ軸上の他の観測点における磁界相対強度を示す図。 １系統の無線電力伝送装置の構成図。 図６の構成においてＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と送電コイルユニット電流の関係のグラフの例を示す図。 インピーダンス反転器として動作するフィルタ回路の例を示す図。 ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を変更する動作フローの一例を示す図。 ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を変更する別の動作フローの一例を示す図。 送電コイルユニットの他の構成例を示す図。 系統ごとに交流電源と負荷とを備える構成を示す図。 交流電源の構成例を示す図。 ＤＣ電流の振幅を検出する場合の構成図。 整流器の構成例を示す図。 ＤＣ−ＤＣ変換器の例を示す回路図。 ＤＣ−ＤＣ変換器の他の例を示す回路図。 ＤＣ−ＤＣ変換器のさらに他の例を示す回路図。 ＤＣ−ＤＣ変換器のさらに他の例を示す回路図。 変換比調整信号を無線で送信する構成の例を示す図。 電流振幅検出部の検出値を無線で送信する構成の例を示す図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。 第３の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図。 図６の構成において交流電源の振幅と受電コイルユニットの電流との関係のグラフの例を示す図。 図６の構成において負荷としてバッテリを接続した場合における交流電源の振幅と、送電および受電の各コイルユニットの電流との関係のグラフの例を示す図。 図６の構成において負荷としてバッテリを接続した構成におけるＤＣ−ＤＣ変化器の電圧変換比と、送電および受電の各コイルユニットの電流との関係のグラフの例を示す図。 整流器の後段に電流振幅検出器を接続した構成例を示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１に、第１の実施形態に係る制御装置を備えた無線電力伝送装置を示す。
この無線電力伝送装置は、送電部２０と、受電部３０と、制御装置とを備える。
送電部２０は、交流電源２１と、送電コイルユニット１（２２１）と、送電コイルユニット２（２２２）とを有する。
交流電源２１は、基本波周波数成分を含む交流電圧を出力する。基本周波数とは、主として電力の伝送に寄与する周波数であり、任意に設定できる。基本波周波数成分を含む交流電圧の波形は、例えば基本波周波数の正弦波、または基本波周波数と同一周期を有する矩形波などである。
交流電源２１には、２つの送電コイルユニット２２１、２２２が並列に接続されている。送電コイルユニット２２１は、容量２８１と送電コイル（以下、コイル）２９１とを含み、容量２８１とコイル２９１は直列に接続されている。送電コイルユニット２２２は、容量２８２と送電コイル（以下、コイル）２９２とを含み、容量２８２とコイル２９２は直列に接続されている。容量２８１とコイル２９１の直列共振回路、および容量２８２とコイル２９２の直列共振回路の共振周波数は、基本波周波数と同一または概略同一に設定されている。送電コイルユニット２２１、２２２は、交流電源２１から交流電流を供給され、コイル２９１、２９２を流れる電流に起因して発生する電磁界を受電側のコイル３９１、３９２に結合させることで、無線で電力を受電側に伝送する。
受電部３０は、受電コイルユニット１（３１１）、整流器３２１、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１、ならびに、受電コイルユニット２（３１２）、整流器３２２、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２を備える。
受電コイルユニット３１１は、送電側から無線で電力を受電する。整流器３２１は、受電コイルユニット３１１に接続されており、受電コイルユニット３１１で受電した交流電力を直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器３３１は、整流器３２１に接続されており、整流器３２１で変換された直流電力に対して、電圧を予め設定された変換比で変換（ＤＣ−ＤＣ変換）する。
受電コイルユニット３１２は、送電側から無線で電力を受電する。整流器３２２は、受電コイルユニット３１２に接続されており、受電コイルユニット３１２で受電した交流電力を直流電力に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器３３２は、整流器３２２に接続されており、整流器３２２で変換された直流電力に対して、電圧を予め設定された変換比で変換（ＤＣ−ＤＣ変換）する。
ＤＣ−ＤＣ変換器３３１および３３２の出力は、共に負荷３４に接続される。負荷３４は、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１で変換された電力を消費する任意の装置、または当該電力を蓄積する任意の装置である。ここでは負荷３４は受電部３０の一部としているが、負荷３４を受電部３０の外部の要素としてもよい。
ここで、受電コイルユニット３１１は、容量３８１と受電コイル（以下、コイル）３９１とを含み、容量３８１とコイル３９１は直列に接続されている。受電コイルユニット３１２は、容量３８２と受電コイル（以下、コイル）３９２とを含み、容量３８２とコイル３９２は直列に接続されている。容量３８１とコイル３９１の直列共振回路、および容量３８２とコイル３９２の直列共振回路の共振周波数は、基本波周波数と同一または概略同一に設定されている。
各コイル２９１、２９２、３９１、３９２は、互いに相互結合を有し、相互結合を介して電力の伝送が行われる。コイル２９１とコイル３９１、コイル２９２とコイル３９２の２つの結合を主結合と定義する。主結合は、他の結合、すなわちコイル２９１とコイル３９２、およびコイル２９２とコイル３９１、コイル２９１とコイル２９２、コイル３９１とコイル３９２、の各結合よりも強いものとする。結合が強いとは、結合係数の絶対値が大きいことを指す。無線電力伝送では、主結合を介した電力の伝送が支配的なものとなる。
ここで、主結合による電力の伝送経路として“系統１”および“系統２”を定義する。系統１は、送電コイルユニット１、受電コイルユニット１、整流器３２１、およびＤＣ−ＤＣ変換器３３１を含む経路である。系統２は、送電コイルユニット２、受電コイルユニット２、整流器３２２、およびＤＣ−ＤＣ変換器３３２を含む経路である。
制御装置は、電流振幅検出部５１１と、電流振幅検出部５１２と、送電電流振幅制御部（第１制御部）５２とを備える。制御装置は、送電部２０および受電部３０とは独立した単独の装置として存在してもよい。または、制御装置は、送電部２０に組み込んで、送電装置の一部を構成してもよい。制御装置は、受電部３０に組み込んで、受電装置の一部を構成してもよい。
電流振幅検出部５１１は、送電コイルユニット２２１の入力電流の振幅に関する値を検出する。電流振幅検出部５１２は、送電コイルユニット２２２の入力電流の振幅に関する値を検出する。検出する値は、電流振幅、ｒｍｓ値など、コイル２９１、２９２から発生する磁界と相関のある交流電流振幅に関する値であれば、任意の単位で良い。電流振幅検出部５１１、５１２は、検出した値を送電電流振幅制御部５２に出力する。
送電電流振幅制御部５２は、電流振幅検出部５１１、５１２の出力を比較し、比較結果に応じて変換比調整信号１、および変換比調整信号２を生成する。送電電流振幅制御部５２は、受電部のＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２に、ケーブル等の有線を介して接続されており、変換比調整信号１、２を、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２に出力する。変換比調整信号は、ＤＣ−ＤＣ変換器の変換を指示する信号であり、ＤＣ−ＤＣ変換器は、変換比調整信号に応じた電圧変換比でＤＣ−ＤＣ変換を行う。電圧変換比は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換器からの出力電圧／ＤＣ−ＤＣ変換器の入力電圧として定義されるが、これに限定されない。
送電電流振幅制御部５２は、電流振幅検出部５１１と電流振幅検出部５１２の出力値に基づき、観測点における放射エミッションが低減されるように、変換比調整信号１、および変換比調整信号２を生成する。観測点は、放射エミッションを低減したい箇所または低減したい領域内の箇所を意味する。ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を制御することで、放射エミッションを低減できる理由については後述する。
放射エミッションは、各送電コイルユニットのコイルに流れる電流に比例して発生する磁界によって生じる。放射エミッションには、規格等によって満たすべき基準が存在することから、低い値に抑えることが望ましい。観測点において放射エミッションを低減するためには、観測点において各送電コイルユニットからの放射エミッションを相殺すればよい。
コイル２９１とコイル２９２から発生する磁界が概略逆位相かつ、概略同一振幅であれば、２つのコイルから対称な位置、または２つのコイル間の距離に比べて十分遠方においては、磁界が相殺（すなわち放射エミッションが相殺）される。これにより、２つのコイルから同相で磁界が発生した場合に比べて、放射エミッションが低減されることが期待される。
一般的な近似として、磁界がコイル電流とインダクタンス（Ｌ）に比例し、また磁界がコイル中心からの距離の３乗に逆比例して減衰するとして考える。２つのコイルから発生する磁界の大きさがともにＨ０、かつ同相の場合を基準としたとき、２つのコイルから発生する磁界の位相差が１８０＋Φ［ｄｅｇｒｅｅ］で、２つのコイルから発生する磁界の大きさの平均値がＨ０かつ差がΔ［％］の場合の、観測点における磁界の相対値（相対電磁界強度）を求める。
なお、磁界の大きさの差がΔ［％］とは、一方から発生する磁界が Ｈ０（１−Δ／２００）で、もう一方から発生する磁界がＨ０（１＋Δ／２００）で与えられる場合を指すものとする。
図２のように、２つのコイルの中心が原点からｘ軸に互いに反対方向に等距離に位置するとする。ｙ軸は２つのコイルの中心から等距離の点を表す。２つのコイルの中心間の距離をｄとする。このようなｘｙ直行座標系において、観測点Ａとして、ｙ軸上の点（０，ｒ０）を考える。このとき、観測点Ａにおける磁界強度は、２つのコイルから発生する磁束のベクトル合成で与えられる。各コイルから発生する磁束の大きさは、距離の３乗に逆比例することから、観測点Ａにおける相対磁界強度Ｈａは次のように計算できる。
Figure 0006271805
 ｒ１はコイル１、２のそれぞれの中心から点Ａまでの距離である。
式（１）を変形すると、相対磁界強度Ｈａは、以下の式（２）で表される。
Figure 0006271805
 式（２）は、ｒ１に依存しないため、ｙ軸上では観測位置によらず同じ低減効果が得られることが理解される。
式（２）をｄＢ表示とし、位相差１８０度からのずれ（Φ）、磁界の大きさの差（Δ（％））に対してプロットした図を図３に示す。１０ｄＢ程度の相殺による低減効果を得るには、Φは３０度程度、Δは４０％程度のずれまでに抑えれば良いことが分かる。
次に観測点Ｂとして、図２に示すように、ｘ軸上の点（ｒ０，０）を考える。このとき、相対磁界強度Ｈｂは次のように与えられる。
Figure 0006271805
観測点Ｂにおいて、磁界強度はｒ０に依存するが、送電部から十分遠方であれば、ｒ０＞＞ｄであるため、式（３）は式（２）に近似できるといえる。
式（２）をｄＢ表示とし、ｒ０＝１０×ｄの場合、ΦおよびΔに対してプロットした図を図４に示す。１０ｄＢ程度の相殺による低減効果を得るには、例えば、Φを２５度程度、Δを２０％程度のずれに抑えれば良い。または、Φを１５度程度、Δを３０％程度のずれに抑えれば良い。
ｒ０＝３０×ｄの場合に、ΦおよびΔに対してプロットした図を図５に示す。この場合１０ｄＢ程度の相殺による低減効果を得るには、Φは２５度、Δは４０％程度のずれに抑えれば良い。
このように、概略逆相かつ概略同振幅と見なせるΦおよびΔの範囲は、目標とする相殺効果と観測点の位置とに依存する。本明細中において概略逆位相、かつ概略同振幅とは対象とする観測点において所望の相殺効果を得られる範囲として考える。例えば、観測点がコイルの中心間の距離の３０倍以上の遠方の場合、２つのコイルから等距離の点で１０ｄＢ程度の減衰効果を得るためには、位相差が１８０度から±２５度程度の範囲、磁界の大きさの差が±４０％程度の範囲となる。より近い観測点を対象とする場合や、より大きな低減効果を得るためには、これらをより狭い範囲に設定しても良い。
コイル２９１およびコイル２９２から概略逆位相の磁界を発生させることは、２つのコイルの流れる電流の向きを適切に選択することで可能である。例えば、２つのコイルの巻き線を逆巻きとし、同相の電圧で駆動することで、概略逆位相の磁界を発生させることが可能である。また、巻き線を同じ向きとし、逆相の電圧で駆動することでも同様に、概略逆位相の磁界を発生させることができる。
コイル２９１およびコイル２９２から概略同一の大きさの磁界を発生させることは、２つのコイルの電流値の調整で可能である。概略同一のインダクタンスを有する２つのコイルを利用する場合、電流振幅を概略同一にすることで、概略同一の大きさの磁界を発生させることができる。
コイルで発生する磁界の大きさはインダクタンスにも比例するので、異なるインダクタンスを有するコイルを利用する場合には、インダクタンスの比に応じて各コイルの電流振幅の比を調整することで、概略同一の大きさの磁界を発生させることができる。すなわち、異なるインダクタンスのコイルを用いる場合には、同一の交流電源振幅を用いて送電コイルユニットを駆動しても、発生する磁界は概略同一とはならない。また、インダクタンスが同じであっても、コイル２９１とコイル３９１、およびコイル２９２とコイル３９２の位置関係が異なる場合や、コイルに製造ばらつきが存在する場合などは、同一振幅の交流電源で駆動しても電流振幅は概略同一とはならないことが考えられる。このような場合であっても、各コイルの電流振幅を調整することで、概略同一の大きさの磁界を発生させることができる。
以下、概略同一の大きさの磁界を発生させるための電流の調整方法について述べる。
前述の通り、各コイルから概略同一の大きさの磁界を発生させるには、各コイルの電流値の大きさを調整すれば良い。同一のインダクタンスを有する２つのコイルを用いる場合、電流振幅を同一に調整すれば良く、以下ではこの場合を説明する。
送電電流振幅制御部５２は、電流振幅検出部５１１と５１２の出力を比較し、比較結果に応じて、変換比調整信号１、２を生成（ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の電圧変換比を調整）する。例えば、電流振幅検出部５１１と５１２の出力の差を０とするまたは０に近づけるように、または当該出力の比を１とするまたは１に近づけるように、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の電圧変換比を調整する。または、電流振幅検出部５１１と５１２の出力の差または比が、それぞれ所定の範囲に収まるように、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の電圧変換比を調整する。
ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を変更することで、コイルの電流を調整できることについて説明する。説明のため、図６に示すように、１系統のみ備える無線電力伝送装置を考える。図６の無線電力伝送装置は、送電部と受電部とを備える。送電部は、交流電源２１と、１つの送電コイルユニット２２０とを備える。送電コイルユニット２２０は、直列に接続されたコイル２９０および容量２８０を備える。受電部は、１つの受電コイルユニット３１０と、整流器３２０と、ＤＣ−ＤＣ変換器３３０と、負荷３４とを備える。受電コイルユニット３１０は、直列に接続されたコイル３９０および容量３８０を備える。
図７に、図６におけるＤＣ−ＤＣ変換器３３０の電圧変換比と、送電コイル電流との関係の計算結果の一例をグラフで示す。図７から理解できるように、ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を変更することにより、送電電流を増減させることが可能である。この関係は、コイル２９０、３９０のインダクタンスや、コイル２９０、３９０間の結合係数などに依存するが、送電及び受電コイルユニット２２０、３１０の共振周波数と、送電周波数とが概略一致している場合には、同様の傾向を示す。図６に示した構成の場合には、図７のように電圧変換比を増加させることで、送電コイル電流は単調に小さくなり、電圧変換比を減少させることで、送電コイル電流は単調に大きくなる。
なお、図７に示したような増減関係は、送電側または受電側の構成に応じて変化し得る。例えば、図８のようなインピーダンス反転器となるフィルタ回路が、図６における送電側のコイルユニットの入力側、または受電側のコイルユニットの出力に接続された場合を考える。図８のフィルタ回路は、コイル８０１、８０２を直列に接続し、コイル間の接続ノードとグランド間に容量８０３を接続したものである。この構成では、電圧変換比と送電コイル電流の増減関係は、図７の増減関係と逆になり得る。つまり、ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を大きくすると、送電電流が増加し、小さくすると送電電流が減少する。このように、ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と送電電流との間の関係は、装置構成によって変化し得る。本実施形態は、電圧変換比の増加に対して送電電流が単調に増加、および単調の減少する場合のいずれにも適用可能である。以下では、図７のように、電圧変換比の増加に対して、電流が単調に減少する場合について説明するが、増減関係が逆になる場合には、電圧変換比および電流に関する記載について、増加を減少に、減少を増加に読み替えることで同様の手法が適用できる。
前述の通り、コイル２９１はコイル３９１と主として結合しており、他のコイルとの結合は相対的に弱い。また、コイル２９２はコイル３９２と主として結合しており、他のコイルとの結合は相対的に弱い。このとき、主結合のみを考慮して近似すると、系統１（送電コイルユニット２２１と受電コイルユニット３１１、整流器３２１、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１を含む系統）と、系統２（送電コイルユニット２２２と受電コイルユニット３１２、整流器３２２、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２を含む系統）との２つの系統が並列に接続されていると考えることができる。つまり、近似的には、各系統の応答は、図６で示した単一系統の構成における応答とほぼ同一となる。よって、図１のＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を変更することにより、コイル２９１の電流は、図７と同様の特性で変更される。このとき、コイル２９２の電流は、コイル２９２とコイル３９１との間の結合によりＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比の変更の影響を受けるものの、コイル２９２とコイル３９１との結合は、コイル２９１とコイル３９１の間の主結合に比べて弱い。このため、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比の変更による電流変化は、コイル２９１の方がコイル２９２よりも大きくなる。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比の変更により、コイル２９１の電流をコイル２９２の電流に対して相対的に増加、または減少させることができる。同様に、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比の変更により、コイル２９２の電流をコイル２９１の電流に対して相対的に増加、または減少させることができる。
よって、コイル２９１とコイル２９２の電流の振幅を一致または近づけるには、次のように調整すれば良い。コイル２９１の電流がコイル２９２の電流よりも大きい場合には、コイル２９１の電流が減少するよう、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を増加させる。または、コイル２９２の電流が増加するよう、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比を減少させる。コイル２９１の電流がコイル２９２の電流よりも小さい場合には、コイル２９１の電流が増加するよう、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を減少させる。または、コイル２９２の電流が減少するよう、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比を増加させる。これを繰り返すことによりコイル２９１とコイル２９２の電流を近づけることができる。
図１では、送電電流振幅制御部５２は、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の両方の電圧変換比を調整する構成としているが、どちらか一方のみを調整するように構成してもよい。両方の電圧変換比を調整する場合には、一方のみを調整する場合に比べて、必要な電圧変換比の変更範囲を小さくできる。
ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の両方を変更する場合の変更方法としては、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１と３３２の電圧変換比を、時分割で交互に変更しても良い。または、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を増加させる際に、同時に等量だけＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比を減少させてもよい。そして、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を減少させる際に、同時に等量だけＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比を増加させてもよい。これにより、変換器３３１の電圧変換比の変更が系統１に与える影響と、変換器３３２の電圧変換比の変更が系統２に与える影響とが、概ね同量で逆方向となることが期待される。つまり、システム全体としてみると、変更の影響が小さくなる。これは、電圧変換比の変更前後で伝送される電力量がほぼ一定となることを意味している。
図９に、送電電流振幅制御部５２の動作フローの一例を示す。まず、電流振幅検出部５１１と５１２の出力を取得する（Ｓ１０１）。電流振幅検出部５１１の出力を、電流振幅検出部５１２の出力と比較する（Ｓ１０２）。電流振幅検出部５１１の出力が、電流振幅検出部５１２の出力より大きければ（ＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を増加させる（Ｓ１０３）。電流振幅検出部５１１の出力が、電流振幅検出部５１２の出力より小さければ（ＮＯ）、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を減少させる（Ｓ１０４）。両者が一致する場合は、何も行わず、現在の電圧変換比を維持してもよい。これにより、２つの電流振幅検出部の出力を近づけることができる。図９のフローの動作は、一定時間ごとに実行してもよく、または、コイルの電流の変動要因が生じた際に、所定の回数実行するよう構成しても良い。変動要因の例として、例えば送電側または受電側のコイルの位置または姿勢の変動を検出した場合などが考えられる。
図９のフローの動作では、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比を調整したが、前述のように、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比の代わりに、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比を調整してもよい。または、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の電圧変換比とＤＣ−ＤＣ変換器３３２の電圧変換比の両方を調整しても良い。
また、コイル２９１と２９２として、異なるインダクタンスのコイルを用いる場合、電流振幅検出部５１１および電流振幅検出部５１２の出力同士の比較ではなく、これらの出力の比を、所定値と比較し、その大小関係に応じて、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２のいずれか一方または両方の電圧変換比を調整してもよい。
図１０に、送電電流振幅制御部５２の動作フローの別の例を示す。図９との差分としては、ステップＳ１０２の前にステップＳ２０１が追加されている。ステップＳ２０１では、電流振幅検出部５１１の出力と電流振幅検出部５１２の出力の比が、所定の範囲外か否かを判定する。所定の範囲内であれば（ＮＯ）、電流の調整は不要と判断（コイル２９１、２９２から概略同一の大きさの磁界が発生していると判断）する。所定の範囲外であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に進み、図９のステップＳ１０２以降と同様の処理を行う。
なお、コイル２９１、２９２のインダクタンスが同一の場合などで、各コイルの電流を概略同一に制御する場合は、ステップＳ２０１で、比ではなく、出力の差の絶対値が所定の範囲内か否かを判定してもよい。この場合、出力の差の絶対値が所定の範囲内であれば、電流の調整を行わず、所定の範囲外であれば、ステップＳ１０２に進む。この後は、図９のステップＳ１０２と同様の処理を行う。
図１１は、送電コイルユニットの他の構成例を示す。ここでは、送電コイルユニット２の変更例を示すが、送電コイルユニット１も同様にして変更可能である。図１１（ａ）は、図１の構成に対して、コイル２９２と容量２８２の接続を入れ替えた構成を示す。図１１（ｂ）は、コイル２９２の両側にそれぞれ容量素子２８２ａ、２８２ｂを接続した構成を示す。図１１（ｃ）は、２つのコイル２９２ａ、２９２ｂを直列に接続し、コイル２９２ａのコイル２９２ｂと反対側に容量２８２ａを接続した構成を示す。受電コイルユニット１、２も、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）と同様にして、構成を変更できる。その他、送電および受電の各コイルユニットは、直列共振回路として動作する構成であれば、任意の構成が可能である。なお、コイルは、巻線自体でもよいし、磁性体コアに巻線を巻き付けたものを用いてもよい。
図１２は、図１の無線電力伝送装置の変形例を示す。制御装置の図示は省略している。図１の構成では、１つの交流電源が、各送電コイルユニットに共通に接続されていた。また、１つの負荷が、各ＤＣ−ＤＣ変換器に共通に接続されていた。これに対して、図１２の構成では、交流電源を２つ用い、それぞれ別々の送電コイルユニットに接続されている。また、負荷を２つ用い、それぞれ別々のＤＣ−ＤＣ変換器に接続されている。なお、交流電源または負荷のいずれか一方のみを２つ用い、もう一方は図１と同様、１つを用いる構成でも良い。
図１３は、交流電源２１の具体例を示す。ここでは、ＤＣ電源３１０とインバータ１２０を用いて、送電コイルユニット２２１に供給する交流電力を生成する部分の構成を示す。送電コイルユニット２２２に供給する交流電力を生成する部分の構成も、インバータ１２０と同様の構成のインバータを、ＤＣ電源３１０に対して接続することで構成可能である。あるいは、図１２のように、送電コイルユニットごとに別々の交流電源を用いる場合は、図１３と同様の構成を送電コイルユニット２２２に対しても別途設ければよい。
図１３においてインバータ１２０は、ＤＣ−ＡＣ変換器として動作するインバータであり、スイッチング素子１２０１、１２０２、１２０３、１２０４と、これらのスイッチング素子１２０１〜１２０４に逆並列に接続されたダイオード（環流ダイオード）１２０１ａ、１２０２ａ、１２０３ａ、１２０４ａとを備える。逆並列に接続とは、接続された各素子の電流の流れる方向が逆（ＤＣ電源に電流が逆流する向き）という意味である。スイッチング素子１２０１と１２０２の一端同士が接続され、スイッチング素子１２０３と１２０４の一端同士が接続されている。スイッチング素子１２０１、１２０３の他端が、ＤＣ電源３１０の電源端子に共通に接続され、これによりＤＣ電源３１０からＤＣ電源電圧が供給される。スイッチング素子１２０２、１２０４の他端が、ＤＣ電源３１０のグランド端子に共通に接続され、これによりＤＣ電源３１０からグランド電圧が供給される。ＤＣ電源３１０の両端子間には、容量１２１１が接続されている。スイッチング素子１２０１、１２０２間の接続ノード１２１２は、送電コイルユニット２２１の容量２８１の一端、および電流振幅検出器５１１に接続されている。スイッチング素子１２０３、１２０４間の接続ノード１２１３は、送電コイルユニット２２１のコイル２９１の一端に接続されている。インバータ１２０は、ＤＣ電源３１０から供給されるＤＣ電源電圧およびグランド電圧に基づき、駆動装置（図示せず）から与えるスイッチング信号に応じて、各スイッチング素子を駆動することで、正負の反転する電圧を生成し、これにより交流電圧を出力する。電流振幅検出部５１１は、インバータ１２０の接続ノード１２１２から出力される電流の振幅を検出する。
図１２に示したように交流電源を２つ用いる場合には、インバータの出力電流振幅（交流電流振幅）を計測する代わりに、図１４のように、ＤＣの電流振幅検出部１４０１を接続し、ＤＣ電源３１０からインバータへ入力されるＤＣ電流を計測しても良い。一般的にインバータのＤＣ入力電流と、当該インバータの出力交流電流との間には強い相関があるため、ＤＣ入力電流の計測により、送電コイルユニットの交流電流を精度良く把握することができる。以下、インバータのＤＣ入力電流と出力交流電流との間の相関について詳細に説明する。
一般的に送電側および受電側のコイルユニットの共振周波数と、送電周波数と十分近い場合には、インバータ出力の力率は１に近くなることが知られている。また、送電および受電側のコイルユニットの共振構成がフィルタの役割をするため、電力の伝送に関与するのは、ほぼ基本波成分のみとなる。この場合において、インバータの効率が１００％であり、インバータの出力電圧波形がデューティー５０％の矩形波である場合には、インバータの出力交流電流の基本波成分ＩＡＣと、インバータへの入力ＤＣ電流ＩＤＣの間には、次のような関係が成立する。
Figure 0006271805
つまり、ＤＣ電流の観測により、交流電流の振幅に関する情報が把握できるため、交流電流の振幅を検出する代わりに、図１４のようにＤＣ電流の振幅を検出しても良い。このような構成とすることで、交流電流を計測するよりも、電流の計測が容易となる。
図１５は、図１の整流器３２１の具体例を示す。図１５では、フルブリッジ接続のダイオード整流器が示される。他のタイプの整流器を用いてもかまわない。図１５において、ダイオード１５０１と１５０２が直列に接続され、ダイオード１５０３と１５０４が直列に接続されている。ダイオード１５０１と１５０２の接続ノード１５０５が、受電コイルユニット１のコイル３９１の一端に接続され、ダイオード１５０３と１５０４の接続ノード１５０６が、受電コイルユニット１の容量３８１の一端に接続されている。ダイオード１５０１とダイオード１５０３のそれぞれの接続ノード１５０５、１５０６と反対側の端子は、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の２つの入力端子のうちの一方に接続され、ダイオード１５０２とダイオード１５０４のそれぞれの接続ノード１５０５、１５０６と反対側の端子は、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１の他方の入力端子に接続されている。図１５では整流器３２１の具体例を示したが、整流器３２２も同様にして構成できる。
以下、ＤＣ−ＤＣ変換器の具体例をいくつか説明する。以下に説明するいずれの構成も、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２として実装可能である。図７に示した送電電流とＤＣ−ＤＣ変換比の関係は、ＤＣ−ＤＣ変換器の実現方法には依存しない。したがって、ＤＣ−ＤＣ変換器の構成として、以下に説明する以外の任意の構成を利用してもよい。
図１６に、ＤＣ−ＤＣ変換器の第１の構成例として、バックコンバータの例を示す。スイッチング素子Ｍ１とダイオード１６０１が直列に接続されている。スイッチング素子Ｍ１にはダイオード１６０２が逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｍ１とダイオード１６０１との接続ノード１６０３が、コイル１６０４を介して、出力端子１６１１に接続されている。スイッチング素子Ｍ１のダイオード１６０１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの一方に接続されている。ダイオード１６０１のスイッチング素子Ｍ１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの他方に接続され、かつ、出力端子１６１２に接続されている。出力端子１６１１、１６１２間には、平滑用の容量１６１３が接続されている。出力端子１６１１、１６１２は、負荷に接続されている。図１６の構成では、駆動装置（図示せず）からスイッチング素子Ｍ１に与えるパルス波形のデューティー比を制御することにより、電圧変換比が制御される。この構成では、理想的には電圧変換比を、１以下の任意の値に設定できる。
図１７に、ＤＣ−ＤＣ変換器の第２の構成例として、ブーストコンバータの例を示す。スイッチング素子Ｍ２とダイオード１７０１が直列に接続されている。スイッチング素子Ｍ１にはダイオード１７０２が逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｍ１とダイオード１７０１との接続ノード１７０３が、コイル１７０４を介して、整流器の２つの出力端子のうちの一方に接続されている。ダイオード１７０１のスイッチング素子Ｍ１と反対側の端子は、出力端子１７１１に接続されている。スイッチング素子Ｍ１のダイオード１７０１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの他方に接続され、かつ、出力端子１７１２に接続されている。出力端子１７１１、１７１２間には、平滑用の容量１７１３が接続されている。出力端子１７１１、１７１２は、負荷に接続されている。図１７の構成では、駆動装置（図示せず）からスイッチング素子Ｍ２に与えるパルス波形のデューティー比を制御することにより、電圧変換比が制御される。この構成では、理想的には電圧変換比を、１以上の任意の値に設定できる。
図１８に、ＤＣ−ＤＣ変換器の第３の構成例として、バックブーストコンバータの例を示す。スイッチング素子Ｍ３とコイル１８０１が直列に接続されている。スイッチング素子Ｍ３にはダイオード１８０２が逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｍ３とコイル１８０１との接続ノード１８０３が、逆向きのダイオード１８０４を介して、出力端子１８１１に接続されている。すなわち、接続ノード１８０３がダイオード１８０４のカソードに接続され、ダイオード１８０４のアノードが出力端子１８１１に接続されている。スイッチング素子Ｍ３のコイル１８０１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの一方に接続されている。コイル１８０１のスイッチング素子Ｍ３と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの他方に接続され、かつ、出力端子１８１２に接続されている。出力端子１８１１、１８１２間には、平滑用の容量１８１３が接続されている。出力端子１８１１、１８１２は、負荷に接続されている。図１８の構成では、駆動装置（図示せず）からスイッチング素子Ｍ３に与えるパルス波形のデューティー比を制御することにより、電圧変換比が制御される。この構成では、理想的には電圧変換比を、任意の値に設定できる。ただし、入出力の極性が反転する。
図１９に、ＤＣ−ＤＣ変換器の第４の構成例として、非反転バックブーストコンバータの例を示す。スイッチング素子Ｍ４とダイオード１９０１が直列に接続されている。スイッチング素子Ｍ４にはダイオード１９０２が逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｍ４とダイオード１９０１との接続ノード１９０３が、コイル１９０４の一端に接続されている。スイッチング素子Ｍ４のダイオード１９０１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの一方に接続されている。ダイオード１９０１のスイッチング素子Ｍ４と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの他方に接続され、かつ、出力端子１９１２に接続されている。また、スイッチング素子Ｍ５とダイオード１９２１が直列に接続されている。スイッチング素子Ｍ５にはダイオード１９２２が逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｍ５とダイオード１９２１との接続ノード１９２３が、コイル１９０４の他端に接続されている。ダイオード１９２１のスイッチング素子Ｍ５と反対側の端子は、出力端子１９１１に接続されている。スイッチング素子Ｍ５のダイオード１９２１と反対側の端子は、整流器の２つの出力端子のうちの他方に接続され、かつ、出力端子１９１２に接続されている。出力端子１９１１、１９１２間には、平滑用の容量１９１３が接続されている。出力端子１９１１、１９１２は、負荷に接続されている。図１９の構成では、駆動装置（図示せず）からスイッチング素子Ｍ４、Ｍ５に与えるパルス波形のデューティー比を制御することにより、電圧変換比が制御される。この構成では、理想的には電圧変換比を、任意の値に設定できる。
ＤＣ−ＤＣ変換器のその他の例として、ＳＥＰＩＣ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｎｄｅｄ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、Ｃｕｋコンバータなどを用いても良い。また、絶縁型の１石式フォワードコンバータ、２石式フォワードコンバータ、絶縁型バックコンバータ、フライバックコンバータなど、その他任意の構成が選択可能である。ここで挙げたＤＣ−ＤＣ変換器の構成例は、いずれもスイッチングデバイスに与えるパルス波形のデューティー比を変更することにより、電圧変換比を制御することが可能である。本発明の実施においては、パルス波形のデューティー比で電圧変換比を制御可能なＤＣ−ＤＣ変換器であれば、いかなる構成でも利用可能である。
図２０は、図１に示した無線電力伝送装置の変形例を示す。図１では、送電電流振幅制御部５２は、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２に通信ケーブル等の有線で接続されて、変換比調整信号１、２を送信したが、図２０では、無線通信で変換比調整信号１、２を送信する構成を示す。制御装置または送電部２０には無線部２００１が配置され、受電部には無線部２００２が配置されている。無線部２００１および無線部２００２は、予め定めた方式で通信を行う。無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、一般的な無線通信規格でもよいし、独自の無線通信規格でもよい。なお、無線部２００１および無線部２００２は、通信用のアンテナをそれぞれ備えている。無線部２００１は、送電電流振幅制御部５２から変換比調整信号１、２を受信し、当該信号を無線部２００１に無線で送信する。無線部２００２は、無線部２００１から変換比調整信号１、２を無線で受信し、それぞれＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２に出力する。図２０の構成により、送電側と受電側の間を有線で結合する必要がないため、利便性が向上する。また、人の往来のある通路付近で用いる場合にはケーブルで人がつまずくことがなくなるため安全性も向上する。
図２１は、図１に示した無線電力伝送装置の他の変形例を示す。図２０の変形例では送電電流振幅制御部５２が送電側に配置されていたが、本変形例では、受信側に配置されている。図２０と同様に、送電側および受電側にそれぞれ無線部２００１および２００２が配置されている。無線部２００１は、電流振幅検出部５１１、５１２から出力される電流振幅値の信号を受信し、当該信号を無線で送信する。無線部２００２は、無線部２００１から送信された信号を受信することで、電流振幅検出部５１１、５１２の電流振幅値を取得し、送電電流振幅制御部５２に出力する。送電電流振幅制御部５２は、これらの電流振幅値に基づき変換比調整信号１、２を生成し、それぞれＤＣ−ＤＣ変換器３３１、３３２に出力する。図２１の構成によれば、図２０の構成と同様の効果を得ることができるとともに、送電側の構成を簡単にできる。
以上、本実施形態によれば、複数の送電コイルユニットの送電電流の振幅の検出値に基づき、受電側のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を制御するようにしたことにより、各送電コイルユニットの送電電流の振幅を所望の関係に制御でき、よって観測点における放射エミッションを低減できる。
（第２の実施形態）
図２２に、本発明の第２の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図を示す。第１の実施形態との差分としては、電流位相検出部６１１と、電流位相検出部６１２と、電流位相制御部（第３制御部）６２が追加されている。また、図１２で示した第１の実施形態の変形例のように、交流電源が系統毎に配置されている。すなわち、系統１に対して交流電源２１１、系統２に対して交流電源２１２が配置されている。
電流位相検出部６１１は、送電コイルユニット１の入力電流の位相を検出する。電流位相検出部６１２は、送電コイルユニット２の入力電流の位相を検出する。電流位相制御部６２は、電流位相検出部６１１、６１２で検出された位相の差が概略１８０度に近づくように、交流電源２１１と交流電源２１２の少なくとも一方の出力電圧の位相を調整する。交流電源２１１、２１２の位相を変更することで、交流電源２１１、２１２に接続される送電コイルユニット１、２の電流位相を変更できる。よって、これにより送電コイルユニット１、２の電流位相差を概略１８０度に調整することができる。
すなわち、第１の実施形態では、送電コイルユニット１と送電コイルユニット２の共振周波数がわずかに異なる場合や、受電コイルユニット１と受電コイルユニット２の共振周波数がわずかに異なる場合、または送電周波数と各送電コイルユニットおよび受電ユニットの共振周波数とがわずかに異なる場合などに、交流電源で各送電コイルユニットに対する電流の位相関係を概略１８０度に調整しても、送電コイルユニット１、２の電流の位相差が概略１８０度とならない可能性がある。これに対して、第２の実施形態では、各送電コイルユニットの電流の位相を検出し、これらの差に応じて交流電源２１１、２１２の少なくとも一方の位相を制御することで、各送電コイルユニットの電流の位相差を概略１８０度に調整できる。
電流位相制御部６２の具体的な動作例としては、交流電源２１１、２１２の少なくとも一方の位相を逐次ずらしながら、位相差が概略１８０度となる条件を探索しても良い。また、位相同期ループにおいて一般的に用いられるように、位相比較器を用いたフィードバック回路を採用しても良い。
また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、送電側および受電側に無線部を配置し、変換比調整信号１、２を、ＤＣ−ＤＣ変換器３２１、３２２に無線通信を介して通知してもよい。
以上、本実施形態によれば、各送電コイルユニットの電流の位相を検出し、これらの差に応じて交流電源２１１、２１２の少なくとも一方の位相を制御することにより、交流電源２１１、２１２の電圧位相差が概略１８０度のときに各送電コイルユニットの電流の位相差が概略１８０度にならない場合であっても、各送電コイルユニットの電流の位相差を概略１８０度に調整できる。
（第３の実施形態）
図２３に、第３の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成図を示す。第１の実施形態との差分としては、受電側に、電流振幅検出部７１１と、電流位相検出部７１２と、受電電流振幅制御部（第２制御部）７２が追加されている。また、図１２で示した第１の実施形態の変形例のように、交流電源が系統ごとに配置されている。すなわち、系統１に対して交流電源２１１、系統２に対して交流電源２１２が配置されている。
電流振幅検出部７１１は、受電コイルユニット１の出力電流の振幅を検出する。電流位相検出部７１２は、受電コイルユニット２の出力電流の振幅を検出する。受電電流振幅制御部７２は、電流位相検出部６１１、６１２で検出された振幅が一致または概略一致するように、交流電源振幅調整信号１、２の少なくとも一方を生成する。電流振幅検出部７１１は、交流電源２１１、２１２に接続されており、生成した交流電源振幅調整信号１、２を、交流電源２１１、２１２に出力する。これにより、交流電源２１２の少なくともいずれか一方の振幅を調整する。交流電源２１１、２１２は、入力された交流電源振幅調整信号１、２に応じて、交流電流の振幅を調整する。このようにすることで、受電側のコイルから発生する磁界を概略逆位相、かつ概略同一振幅とすることができ、よって受電側のコイルから発生する磁界による放射エミッションを低減できる。
すなわち、受電側のコイルも磁界を発生するため、放射エミッションの発生源となり得る。放射エミッションの発生源となる場合には、送電側と同様に、受電側の２つのコイルから発生する磁界を概略逆位相、かつ概略同一振幅とすることで相殺することが望ましい。各送電コイルユニットおよび受電コイルユニットの共振周波数と、送電周波数とが概略一致している場合には、送電側のコイル同士の電流の位相差と、受電側のコイル同士の電流の位相差とは概略同一となるため、送電側のコイル２９１、２９２の電流位相差が概略逆位相であれば、受電側のコイル３９１とコイル３９２の電流も概略逆位相となることが期待される。よって、各交流電源の位相が概略逆位相となるようにしつつ、受電側のコイルの電流振幅を概略同一とするよう制御することで、受電側のコイルから発生する磁界に応じた放射エミッションを低減できる。以下、受電側のコイル３９１とコイル３９２の電流の振幅を、交流電源２１１、２１２の電圧振幅の調整により、概略同一となるよう調整できる理由について詳細に説明する。
図２４に、図６に示した１系統の無線電力伝送装置において交流電源の電圧振幅と、受電側のコイル電流との関係の計算結果のグラフの例を示す。電圧振幅を増加することで、受電側のコイル電流は単調に大きくなり、電圧振幅を減少することで、受電側のコイル電流は単調に小さくなる。このように、１系統の無線電力伝送装置である場合、交流電源の電圧振幅を変更することにより、受電電流を増減させることが可能である。図２４のグラフは、各コイルのインダクタンスや、各コイル間の結合係数などに依存するが、各送電コイルユニット及び受電コイルユニットの共振周波数と、送電周波数とが概略一致している場合には、同様の傾向が示される。
第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る無線電力伝送装置は２つの系統が並列に接続されていると考えることができる。すなわち、前述したように、受電側のコイル３９１は、送電側のコイル２９１と主として結合しており、他のコイルとの結合は相対的に弱い。また、受電側のコイル３９２は送電側のコイル２９２と主として結合しており、他のコイルとの結合は相対的に弱い。このとき、主結合のみを考慮して近似すると、系統１（送電コイルユニット２２１と受電コイルユニット３１１、整流器３２１、ＤＣ−ＤＣ変換器３３１を含む経路）と、系統２（送電コイルユニット２２２と受電コイルユニット３１２、整流器３２２、ＤＣ−ＤＣ変換器３３２を含む経路）との２つの系統が並列に接続されていると考えることができる。つまり、近似的には、各系統の応答は、図６で示した１系統の構成における応答とほぼ同一となる。
このとき、系統１について、交流電源２１１の振幅を変更することにより、コイル３９１の電流は、図２４と同様の特性で変更される。この際、系統２におけるコイル３９２の電流は、コイル２９１とコイル３９２の間の結合により交流電源２１１の出力振幅の変更の影響を受けるものの、コイル２９１とコイル３９２の結合は、コイル２９１とコイル３９１の間の主結合に比べて弱い。このため、交流電源２１１の出力振幅の変更による電流変化は、コイル３９１の方がコイル３９２よりも大きくなる。すなわち、交流電源２１１の振幅の変更により、コイル３９１の電流をコイル３９２の電流に対して相対的に増加、または減少させることができる。同様に、交流電源２１２の振幅の変更により、コイル３９２の電流を、コイル３９１の電流に対して相対的に増加、または減少させることができる。
受電電流振幅制御部７２の動作例として、コイル３９１とコイル３９２の電流を一致または概略一致させるには、次のように調整すれば良い。コイル３９１の電流がコイル３９２の電流よりも大きい場合には、コイル３９１の電流が減少するよう、交流電源２１１の出力振幅を減少させる。または、コイル３９２の電流が増加するよう、交流電源２１２の出力振幅を増加させる。一方、コイル３９１の電流がコイル３９２の電流よりも小さい場合には、コイル３９１の電流が増加するよう、交流電源２１１の出力振幅を増加させる。または、コイル３９２の電流が減少するよう交流振幅２１２の出力振幅を減少させる。これを繰り返すことにより、コイル３９１とコイル３９２の電流を近づけることができる。
交流電源の振幅の調整方法は、第１の実施形態における電圧変換比の各種の動作フローと同様の手法が、第２の実施形態でも適用できる。
ここで、送電電流振幅制御部５２の動作（送電コイルユニット１、２の電流振幅調整）と、受電電流振幅制御部７２の動作（受電コイルユニット１、２の電流振幅調整）は、同時に（並行して）行ってもよいし、同時に行われないように制御してもよい。後者の場合、送電コイルユニット１、２の電流振幅調整と、受電コイルユニット１、２の電流振幅調整を、時分割として一定時間ごと、または交互に切替えながら行っても良い。このような構成とすることで、送電側および受電側の一方のみの調整が常に選択され、２つの調整の干渉を低減し、安定性を向上することが可能となる。
本実施形態は、負荷としてバッテリを用いる場合において特に好適である。以下、このことについて詳しく述べる。
図２５に、図６に示した１系統の無線電力伝送装置において、負荷としてバッテリを接続した場合の、送電コイルユニットの電流と、交流電源の電圧振幅との関係のグラフＧ１１、および、受電コイルユニットの電流と、交流電源の電圧振幅との関係のグラフＧ１２を示す。図２６に、同場合における、送電コイルユニットの電流と、ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の関係のグラフＧ２１、および受電コイルユニットの電流と、ＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の関係のグラフＧ２２を示す。
図２５のグラフＧ１１、Ｇ１２を比較して分かるように、送電コイルユニットの電流変化は、受電コイルユニットの電流変化に比べて十分に小さい。また、図２６のグラフＧ２１、Ｇ２２を比較して分かるように、受電コイルユニットの電流変化は、送電コイルユニットの電流変化に比べて十分に小さい。
すなわち、送電電流を制御するためにＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比を変更した場合に受電電流に与える影響は十分小さく、かつ受電電流を制御するために交流電源の電圧振幅を変更した場合に送電電流に与える影響は十分小さい。よって、２つの制御は干渉しにくいと言える。
図２３に示した構成では、受電コイルユニット１、２の出力である交流電流の振幅を計測したが、代わりに、整流器３２１、３２２の出力であるＤＣ電流の振幅を計測してもよい。ＤＣ電流の電流振幅検出部を、整流器３２１の後段に接続した構成例を図２７に示す。図１５と同様のフルブリッジフルブリッジ接続のダイオード整流器の後段に、ＤＣ電流の電流振幅検出部２７０１が接続されている。なお、フルブリッジ接続の出力側には、平滑用のコンデンサ２７０２が接続されている。交流電流の振幅の代わりに、ＤＣ電流の振幅を用いて、交流電源の電圧振幅を制御することが可能である。以下、この理由について説明する。なお、図２３では、整流器３２１の後段にＤＣ電流の電流振幅検出部を接続する例を示したが、整流器３２２の場合も同様にして接続すればよい。
整流器の効率が１００％であり、整流器入力電流が正弦波状、かつ整流器出力に抵抗性負荷が接続されている場合には、理想整流器の入力交流電流の基本波成分ＩＡＣと出力ＤＣ電流ＩＤＣの間に、次のような関係が成立する。
Figure 0006271805
つまり、ＤＣ電流の観測により、交流電流の振幅に関する情報が把握できるため、図２７のようにＤＣの電流振幅検出部によりＤＣ電流を計測し、これを用いて交流電源の電圧振幅を調整することができる。このような構成とすることで、交流電流を計測するよりも、電流の計測が容易となる。
第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、送電側および受電側に無線部を配置し、変換比調整信号１、２をＤＣ−ＤＣ変換器３２１、３２２に無線通信を介して通知してもよい（図２０、図２１参照）。また、当該送電側および受電側に配置した無線部を用いて、交流電源振幅調整信号１、２を、交流電源２１１、２１２に無線通信を介して通知してもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
２０：送電部
３０：受電部
２１：交流電源
２２１：送電コイルユニット１
２２２：送電コイルユニット２
２８１、２８２、８０３、１２１１、１６１３、１７１３、１８１３、１９１３：容量
２９１、２９２、３９１、３９２、１６０４、１７０４、１８０１、１９０４、８０１、８０２、２８２ａ、２８２ｂ、２９２ａ、２９２ｂ：コイル
３１１：受電コイルユニット１
３２１、３２２：整流器
３３１、３３２：ＤＣ−ＤＣ変換器
３１２：受電コイルユニット２
３４：負荷
３８１、３８２、１２１１：容量
５１１、７１１、５１２、７１２、２７０１：電流振幅検出部
５２：送電電流振幅制御部
７２：受電電流振幅制御部
３１０：ＤＣ電源
１２０１〜１２０４、Ｍ１〜Ｍ４：スイッチング素子
１２０１ａ〜１２０４ａ、１５０１〜１５０４、１６０１、１６０２、１７０１、１７０２、１８０２、１８０４、１９０１、１９０２、１９１２、１９２２：ダイオード
１６１１、１７１１、１８１１、１９１１、１６１２、１７１２、１８１２、１９１２：出力端子
２００１、２００２：無線部
６１１：電流位相検出部
６１２：電流位相検出部
６２：電流位相制御部

Claims (20)

  1. 第１の送電コイルと前記第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、第２の送電コイルと前記第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、を含む送電部と、
    第１の受電コイルと前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、第２の受電コイルと前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、を含む受電部とを備え、
    前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、
    前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい、
    無線電力伝送装置を制御する制御装置であって、
    前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する第１制御部
    を備えた制御装置。
  2. 前記第１および第２の検出値の差または比に応じて、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する
    請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記差が小さくなるように、または、前記差が所定の範囲に含まれるように、または、前記比が所定の値に近づくように、または前記比が所定の範囲に含まれるように、前記第１および第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する
    請求項２に記載の制御装置。
  4. 前記第１の検出値は、交流電源から前記第１送電コイルユニットに入力される交流電流の振幅を表し、
    前記第２の検出値は、前記交流電源または別の交流電源から前記第２送電コイルユニットに入力される交流電流の振幅を表す
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御装置。
  5. 第１の直流電源により生成される直流電流を第１のインバータにより変換した交流電流が前記第１送電コイルユニットに入力され、第２の直流電源により生成される直流電流を第２のインバータにより変換した交流電流が前記第２送電コイルユニットに入力され
    前記第１の検出値は、前記第１のインバータに入力される前記直流電流の振幅を表し、
    前記第２の検出値は、前記第２のインバータに入力される前記直流電流の振幅を表す
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御装置。
  6. 前記受電部は、無線通信を行う無線部を含み、
    前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御するための制御信号を、無線で前記受電部に送信する第１無線部
    を備えた請求項１ないし５のいずれか一項に記載の制御装置。
  7. 前記送電部は、無線通信を行う無線部を含み、
    前記送電部から前記第１および第２の検出値を無線で受信する第２無線部
    を備えた請求項１ないし５のいずれか一項に記載の制御装置。
  8. 前記無線電力伝送装置は、前記第１の送電コイルユニットに交流電流を供給する第１の交流電源と、前記第２の送電コイルユニットに交流電流を供給する第２の交流電源とを含み、
    前記第１の受電コイルユニットの電流振幅に関する第３検出値と、前記第２の受電コイルユニットの電流振幅に関する第４の検出値とに基づき、前記第１の交流電源の出力電圧と前記第２の交流電源の出力電圧との少なくとも一方を制御する第２制御部
    を備えた請求項１ないし７のいずれか一項に記載の制御装置。
  9. 前記第２制御部は、前記第３および第４の検出値の差または比に応じて、前記第１の交流電源部の出力電圧と前記第２の交流電源部の出力電圧の少なくとも一方を制御する
    請求項８に記載の制御装置。
  10. 前記第２制御部は、前記差が小さくなるように、または、前記差が所定の範囲に含まれるように、または、前記比が所定の値に近づくように、または前記比が所定の範囲に含まれるように、前記第１および第２の交流電源の出力電圧の少なくとも一方を制御する
    請求項９に記載の制御装置。
  11. 前記第３の検出値は、前記第１整流器に入力される交流電流の振幅を表し、
    前記第４の検出値は、前記第２整流器に入力される交流電流の振幅を表す
    請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の制御装置。
  12. 前記第３の検出値は、前記第１整流器から出力される直流電流の振幅を表し、
    前記第４の検出値は、前記第２整流器から出力される直流電流の振幅を表す
    請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の制御装置。
  13. 前記送電部は、無線通信を行う無線部を備え、
    前記第１の交流電源の出力電圧と前記第２の交流電源の出力電圧との少なくとも一方を制御する制御信号を無線で前記送電部に送信する第３無線部
    を備えた請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の制御装置。
  14. 前記受電部は、無線通信を行う無線部を備え、
    前記第３および第４の検出値を無線で前記受電部から受信する第４無線部
    を備えた請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の制御装置。
  15. 前記第１制御部と前記第２制御部とを同時に動作しないように制御する
    請求項８ないし１４のいずれか一項に記載の制御装置。
  16. 前記送電部は、前記第１の送電コイルユニットに交流電流を供給する第１の交流電源と、前記第２の送電コイルユニットに交流電流を供給する第２の交流電源とを備えており、
    前記第１の送電コイルユニットと前記第２の送電コイルユニットに流れる電流の位相が逆位相または略逆位相となるように、前記第１の交流電源と前記第２の交流電源を制御する第３制御部
    を備えた請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の制御装置。
  17. 第１の受電コイルと前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、第２の受電コイルと前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、を備えた受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
    第１の送電コイルと、前記第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、
    第２の送電コイルと、前記第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、
    前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する制御部と
    を備え、
    前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、
    前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい
    送電装置。
  18. 第１の送電コイルと第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、第２の送電コイルと第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、を含む送電装置から無線で電力を受電する受電装置であって、
    第１の受電コイルと、前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、
    第２の受電コイルと、前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、
    前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、
    前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、
    前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、
    前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、
    前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する制御部とを備え
    前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、
    前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい
    受電装置。
  19. 第１の送電コイルと前記第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、第２の送電コイルと前記第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、を含む送電部と、
    第１の受電コイルと前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、第２の受電コイルと前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、を含む受電部と、
    前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する制御部とを備え、
    前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、
    前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい、
    無線電力伝送装置。
  20. 第１の送電コイルと前記第１の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の送電コイルユニットと、第２の送電コイルと前記第２の送電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の送電コイルユニットと、を含む送電部と、
    第１の受電コイルと前記第１の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第１の受電コイルユニットと、第２の受電コイルと前記第２の受電コイルに直列に接続された容量とを含む第２の受電コイルユニットと、前記第１の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第１の整流器と、前記第１の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２の受電コイルユニットで受電された電力を直流に変換する第２の整流器と、前記第２の整流器で変換された直流電力の電圧をＤＣ−ＤＣ変換する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、を含む受電部とを備え、
    前記第１の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第１の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きく、
    前記第２の送電コイルと前記第２の受電コイルとの結合係数の絶対値は、前記第２の送電コイルと前記第１の受電コイルとの結合係数の絶対値よりも大きい、
    無線電力伝送装置を制御する制御方法であって、
    前記第１の送電コイルユニットの電流振幅に関する第１の検出値と、前記第２の送電コイルユニットの電流振幅に関する第２の検出値とに基づき、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比と前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器の電圧変換比の少なくとも一方を制御する
    制御方法。
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