JP6345584B2 - 非接触給電システムの周波数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電システムの周波数制御方法に関する。すなわち、路面等の送電側から車輌等の受電側に、非接触で電力を供給する非接触給電システムにおいて、電源周波数を最適周波数に制御する周波数制御方法に関するものである。

《技術的背景》
ケーブル等の機械的接触なしで、例えば電気自動車（ＥＶ）にワイヤレス給電する非接触給電システム（ＷＰＴ）が、需要に基づき開発，実用化されつつある。
この非接触給電システムでは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、路面等に定置された送電側の共振回路の送電コイルから、車輌等に搭載された受電側の共振回路の受電コイルに対し、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度のエアギャップ存し、近接対応位置しつつ電力を供給する（後述する図３の（１）図も参照）。

《位置ずれ等について》
このような非接触給電システムによる給電に際しては、定置された送電コイルに対し、車輌等に搭載された受電コイルが、位置ずれなく所期のギャップで、正確に対応位置していることが理想である。
しかしながら実際は、コイル間の位置ずれが不可避的に発生し易く、位置ずれなく車輌等を停車させることは極めて困難である。
すなわち、図３の（２）図，（３）図に示したように、送電コイル１を受電コイル２に対し、ギャップＧを介しＸ，Ｙ，Ｚ方向に位置ずれなく、対応位置させて停車させることは容易でなく、前後方向（進行方向），左右方向，上下方向（車高）の位置ずれが、発生し易い状況にある。
そして、このような位置ずれ発生により、送電コイル１と受電コイル２間のギャップＧが変化する。より詳しく言うと、コイル芯間距離であるギャップ長ＭＧが、所期した距離寸法から変化してしまう。

このような非接触給電システムとしては、例えば、次の特許文献１，２に示されたものが挙げられる。
特開２０１２−０１６１０６号公報 特開２０１２−１４３１０６号公報

《問題点》
さてそこで、このような従来の非接触給電システムについては、次の課題が指摘されていた。
上述したギャップＧの変化つまりギャップ長ＭＧの変化によって、送電コイル１，受電コイル２の共振回路の共振周波数も変化し、いわゆる共振点ずれにより電力供給効率が低下する、という問題が指摘されていた。
これらについて、更に詳述する。まず図４の（１）図は、ギャップ長ＭＧと、送電コイル１のインダクタンスＬとの関係グラフであり、後述する表１中に記載した実測値に基づく。
図中Ｌ_Ｏは、図２等に示した受電側に設けたスイッチＳを開放した場合の、送電コイル１端子Ｔ，Ｔ間の開放インダクタンスである。Ｌ_Ｓは、同スイッチＳを短絡した場合の短絡インダクタンスである。
又、送電コイル１と受電コイル２共通に設定される共振回路の共振周波数ｆは、次の数式１にて与えられる。なおＣは、共振用コンデンサのキャパシタンスである。

さてそこで、図４の（１）図のグラフに示したように、ギャップ長ＭＧの変化によって、送電コイル１のインダクタンスＬも変化する。このようにインダクタンスＬが変化するので、数１の数式により、必要とされる共振周波数ｆも所期のものから変化してしまい、共振点ずれが発生する。もって、低効率の電力伝送状態となる。
すなわち、ギャップ長ＭＧ変化に伴い、ギャップ長ＭＧに対応すべき共振回路の共振周波数ｆも所期の値から変化してしまうので、元のギャップ長ＭＧ用の共振周波数ｆそして電源周波数のままでは、共振点ずれとなる。もって、コイル間伝送効率そして電源インバータ効率が、高く維持できなくなり低下する。
コイルのインピーダンスが過大となり、電源インバータの運転力率が１から離隔し、その出力電流の出力電圧に対する位相差が０度から大きくずれ、スイッチング損失が拡大するようになる。

《小さなギャップ長ＭＧ変化による大きなインダクタンスＬ変化》
ここで、上述した共振点ずれに関連して、小さなギャップ長ＭＧ変化により、大きなインダクタンスＬ変化が生じる点について、補足しておく。
まず、送電コイル１と受電コイル２間の電磁結合の結合度合は、結合係数Ｋであらわされるが（図２の（１）図等を参照）、この結合係数ＫとインダクタンスＬとの関係は、次の数式２で与えられる。
そして、前述した図４の（１）図のギャップ長ＭＧとインダクタンスＬとのデータと、この数式２とに基づき、図４の（２）図に示した、ギャップ長ＭＧと結合係数Ｋとの関係グラフが得られる。

この図４の（２）図のように、コイル間に位置ずれが生じ、ギャップ長ＭＧが変化すると、電磁結合状態が変化して、結合係数Ｋが変化する。Ｋ値は０〜１の値をとり、位置ずれ・ギャップ長ＭＧが小ならＫ値は１に近づき、大なら０に近づく。ギャップ長ＭＧと結合係数Ｋとは、逆比例の関係にある。
そして、上述した数２の数式によりインダクタンスＬの変化幅は、結合係数Ｋの二乗Ｋ^２に比例して変化する。つまりはギャップ長ＭＧの二乗に比例して変化することになる。
従って、小さなギャップ長ＭＧの変化が、大きなインダクタンスＬの変化となり、前述した共振点ずれが発生することになる。
ところで、非接触給電システムでは、現在、小さなギャップ長ＭＧのもとでの大出力給電が、脚光をあびつつある。結合係数Ｋが０．２や，０．３以上程度での大出力給電が見直されつつある状況にあり、上述した小さなギャップＧ下における変化が、重要テーマとなっている。

《本発明について》
本発明の非接触給電システムの周波数制御方法は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、電力供給効率が向上，維持され、第２に、しかもこれが、簡単容易に自動的に実現可能な、非接触給電システムの周波数制御方法を、提案することを目的とする。

《各請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
請求項１については、次のとおり。
請求項１の周波数制御方法は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側の共振回路の送電コイルから、負荷に接続された受電側の共振回路の受電コイルに、エアギャップを存し非接触で近接対応しつつ、電力を供給する非接触給電システムに関する。
そして、電力供給効率の向上，維持のため、該ギャップに対応した共振周波数と一致するように、電源周波数を最適周波数に制御する。
すなわち、オフラインデータ法により、まず、開放インダクタンスおよび結合係数を、準備しておいた関係データに適用して、それぞれ対応するギャップ長を推測する。そして両者の平均ギャップ長を、準備しておいた関係データに適用して最適周波数を取得すること、を特徴とする。

請求項２については、次のとおり。
請求項２の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項１において、受電側の出力ラインのスイッチオフ状態における上記関係データ１，２，３を、予め準備する。
そして、該スイッチオフ状態で送電側の電源を起動して、該送電コイルの開放インダクタンス、および該送電コイル・受電コイル間の結合係数を得る。もって、得られた開放インダクタンスを上記関係データ１に適用すると共に、得られた結合係数を上記関係データ２に適用し、もって求められた両推測ギャップ長により平均ギャップ長を算出する。
そしてこの平均ギャップ長を、上記関係データ３に適用して対応する最適周波数を取得し、もって、該電源を最適周波数で運転すると共に、該スイッチオンして給電を開始すること、を特徴とする。
請求項３については、次のとおり。
請求項３の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項２において、上記関係データ１は、ギャップ長と、該送電コイルの開放インダクタンスとの関係データである。
上記関係データ２は、ギャップ長と、結合係数との関係データである。上記関係データ３は、ギャップ長と、該電源の力率が１の近似値になる最適周波数と、の関係データである。
そして開放インダクタンスは、該送電コイルの電圧と電流の測定値に基づき算出され、もって上記関係データ１に適用して、推測ギャップ長１が得られる。
結合係数は、該送電コイルの電圧測定値、該受電コイルの電圧測定値、該送電コイルの巻数、および該受電コイルの巻数に基づき算出され、もって上記関係データ２に適用して、推測ギャップ長２が得られる。
そして最適周波数は、この推測ギャップ長１と推測ギャップ長２の平均ギャップ長を、上記関係データ３に適用して取得されること、を特徴とする。

請求項４については、次のとおり。
請求項４の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項２又は３において、更にオンラインデータ法により、給電中に該負荷の抵抗値を得ると共に、この負荷抵抗値をパラメーターとした該電源の出力電流位相の周波数特性を、演算して解析することにより最適周波数を取得する。
給電中は、このように取得された最適周波数にて該電源を運転することにより、給電中の負荷変動に即応可能となっていること、を特徴とする。
請求項５については、次のとおり。
請求項５の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項４において、負荷抵抗値は、受電側の負荷電圧と負荷電流の測定値に基づき算出される。
そして最適周波数は、上記周波数特性において、該電源の出力電流の出力電圧に対する位相差が０の近似値となる周波数を、パラメーターの負荷抵抗値に対応して求めることにより取得すること、を特徴とする。

請求項６については、次のとおり。
請求項６の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項５において、この制御方法は、制御装置のコンピュータを使用して実施される。
そして上記各測定値が、それぞれのセンサから該コンピュータに送信される。該コンピュータは、上記関係データ１，２，３が格納されると共に、書き込まれた操作プログラムに基づき制御操作を行い、上記推測処理，取得処理，解析処理，算出処理，演算処理し、もって該スイッチや電源に対し指示信号を送出すること、を特徴とする。
請求項７については、次のとおり。
請求項７の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項６において、該コンピュータには、回路解析用のスパイスソフトが格納されている。そして上記関係データ３は、該スパイスソフトを使用して求められ、上記周波数特性の演算処理も該スパイスソフトを使用して実施されること、を特徴とする。
請求項８については、次のとおり。
請求項８の非接触給電システムの周波数制御方法では、請求項１，２，３又は４において、給電は、定置された送電側の該送電コイルに対し、受電側の該受電コイルが対応位置して停止する、停止給電方式にて行われること、を特徴とする。

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）非接触給電システムでは、給電に際し、受電コイルが送電コイルに対し、エアギャップを存し近接対応する。
（２）その際、両者が正確に対応位置せず、位置ずれし易い。もって両者のギャップが変化し、共振回路の共振周波数も変化する。
（３）そこで本発明では、次のような周波数制御方法が採用されている。
（４）まずオフラインデータ法では、関係データ１，２，３が予め準備される。
（５）そして、受電側出力ラインのスイッチオフで電源を起動して、送電コイルの開放インダクタンスと、受電コイル間の結合係数とを取得する。もって、これらを関係データ１，２に適用して、それぞれの推測ギャップ長を得る。
（６）それから、両者の平均ギャップ長を関係データ３に適用して、最適周波数を取得する。
すなわち、そのギャップに対応した共振周波数と一致する該最適周波数で電源が運転され、スイッチオンで負荷への給電が開始される。
（７）給電中は、オンラインデータ法により、給電中の負荷変動に即応した最適周波数とされる。
すなわち、電源の出力電流位相の周波数特性を演算すると共に、これを負荷抵抗値をパラメーターとして解析することにより、最適周波数が取得，補正される。
（８）本発明では、このような周波数制御方法により給電が行われるので、共振点ずれは発生せず、電力供給効率が向上する。
（９）しかも、オフラインデータ法やオンラインデータ法は、構成が簡単であり、コンピュータ等の制御装置による自動化も可能である。
（１０）そこで、本発明に係る非接触給電システムの周波数制御方法は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、電力供給効率が向上，維持されるようになる。
本発明に係る非接触給電システムの周波数制御方法では、まずオフラインデータ法により、ギャップ変化に伴い変化する共振周波数と一致するように、送電側の電源周波数を最適周波数に制御する。もって、ギャップ変化に対応した最適周波数による給電が実現される。
前述したこの種従来技術のように、送電コイルと受電コイル間の位置ずれに伴い、変化するギャップ長，共振周波数に対応できず、共振点ずれが発生する事態は解消される。
そして、更にオンラインデータ法も組み合わせることにより、給電中の負荷変動にも即応可能な、誤差のない最適周波数による給電が可能となる。
本発明では、このように最適周波数制御が実現されるので、電力供給効率が向上，維持される。コイル間伝送効率，電源インバータ効率が向上，維持されるようになる。
コイルのインピーダンスが最小となり、電源インバータの運転力率が１の近似値となり、その出力電流の出力電圧に対する位相差が０度の近似値となって、そのスイッチング損失が削減される。

《第２の効果》
第２に、しかもこれは、簡単容易に自動的に実現可能である。
本発明に係る非接触給電システムの周波数制御方法では、上述した第１の効果つまり電力供給効率の向上，維持が、簡単な構成により容易に実現される。
すなわちオフラインデータ法は、開放インダクタンスや結合係数を関係データに適用してギャップ長を推測し、両者の平均ギャップ長を関係データに適用して、最適周波数を取得するという、簡単な構成よりなる。
オンラインデータ法も、電源の出力電流位相の周波数特性を演算して、負荷抵抗値をパラメーターとして解析することにより、最適周波数を取得するという、簡単な構成よりなる。
又、これらは自動的に実現可能である。すなわち、制御装置のコンピュータを用いて、データ格納，制御操作，各種処理，信号送受信等を行うことにより、オフラインデータ法やオンラインデータ法は自動化可能である。
このように、この種従来技術に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

本発明に係る非接触給電システムの周波数制御方法について、発明を実施するための形態の説明に供し、基本回路図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、回路の要部説明図、（２）図は、回路のブロック図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、非接触給電システムの側面説明図であり、（２）図は、同要部の側面説明図、（３）図は、同要部の平面説明図（位置ずれ有）である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、ギャップ長とインダクタンスの関係データ１のグラフ、（２）図は、ギャップ長と結合係数の関係データ２のグラフ、（３）図は、ギャップ長と最適周波数の関係データ３のグラフである。 同発明を実施するための形態の説明に供し、出力電流位相の周波数特性のグラフである。 同発明を実施するための形態の説明に供し、制御フロー図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。
《非接触給電システムについて》
まず、本発明の前提として、非接触給電装置３の非接触給電システムについて、図１および図３の（１）図を参照して、一般的に説明しておく。
非接触給電装置３は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路４の共振回路の送電コイル１から、負荷Ｒに接続された受電側回路５の受電コイル２に、エアギャップＧを存し近接対応位置しつつ電力を供給する。

このような非接触給電装置３について、更に詳述する。まず、１次側の送電側回路４は、給電スタンド６等の給電エリアにおいて、地面，路面，その他の地上７側に定置配置されている。
これに対し、２次側の受電側回路５は、電気自動車（ＥＶ）や電車等の車輌８，その他の移動体側に搭載される。受電側回路５は、図示のように車載のバッテリー９に接続されるのが代表的であるが、その他の負荷Ｒに直接接続される場合もある。
もって、送電側回路４の送電コイル１と受電側回路５の受電コイル２とは、給電に際し数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度の僅かなエアギャップＧを存して対応位置される。
そして図示のように、受電コイル２が送電コイル１に対し、上側等から対応位置して停止される停止給電方式が代表的である。停止給電方式の場合、受電コイル２と送電コイル１とは、上下等で対をなす対称構造よりなる。
これに対し、受電コイル２が送電コイル１上を低速走行されつつ給電を行う、移動給電方式も可能である。

送電側回路４の送電コイル１は、高周波電源（電源インバータ）１０に接続されている。高周波電源１０は、周波数等交換用インバータよりなり、例えば数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の高周波交流を、送電コイル１に向けて通電する。
受電側回路５の受電コイル２は、図示例ではバッテリー９に接続可能となっており、充電されたバッテリー９にて走行用モータ１１が駆動される。図中１２は、交流を直流に変換するコンバータ（整流部や平滑部）、１３は、直流を交流に変換するインバータ、Ｓは、受電側回路５の出力ラインに設けられたスイッチである。
そして送電側回路４には、並列共振用のコンデンサ１４が設けられ、受電側回路５にも、並列共振用のコンデンサ１５が設けられている。送電コイル１とコンデンサ１４、受電コイル２とコンデンサ１５は、それぞれ共振回路を形成しており、共振によりエアギャップＧの磁路に励磁無効電力が供給され、電力供給量の増大が図られる。
なお図示例では、更に、直列共振用のコンデンサ１６，１７も用いられているが、共振回路としては、並列共振用のコンデンサ１４，１５のみの使用、又は、直列共振用のコンデンサ１６，１７のみの使用も可能である。図中１８はインダクタである。

電磁誘導の相互誘導作用については、次のとおり。給電に際しては、送電コイル１での磁束形成により、受電コイル２に誘導起電力を生成させ、もって送電コイル１から受電コイル２に電力を供給することは、公知公用である。
すなわち送電コイル１に、高周波電源１０から給電交流，励磁電流を印加，通電することにより、自己誘導起電力が発生して磁界が送電コイル１の周囲に生じ、磁束がコイル面に対して直角方向に形成される。そして形成された磁束が、受電コイル２を貫き鎖交することにより、誘導起電力が生成され磁界が誘起される。
このように誘起された磁界を利用して、数ｋＷ以上〜数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ程度の電力供給が可能となっている。送電コイル１側の磁束の磁気回路と、受電コイル２側の磁束の磁気回路は、相互間にも磁束の磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。非接触給電システムの非接触給電装置３では、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、非接触給電が行われる。
非接触給電システムについて、一般的説明は以上のとおり。

《本発明の概要》
以下、本発明の非接触給電システムの周波数制御方法について、各図を参照して説明する。まず、本発明の概要については、次のとおり。
本発明の制御方法は、非接触給電システムにおける電力供給効率の向上，維持のため、ギャップＧに対応した共振周波数ｆに一致するように、電源周波数を最適周波数ｆ_０に制御し、オフラインデータ法を基本とするが、オンラインデータ法も組み合わせられる。

オフラインデータ法については、次のとおり。まず、受電側の出力ラインのスイッチＳオフ状態において、関係データ１，２，３が予め準備される。
そして、スイッチＳオフで送電側の高周波電源１０を起動して、送電コイル１の開放インダクタンスＬ_Ｏ、および送電コイル１・受電コイル２間の結合係数Ｋが取得される。もって、得られた開放インダクタンスＬ_Ｏを、関係データ１に適用すると共に、結合係数Ｋを関係データ２に適用して、それぞれ対応するギャップ長ＭＧ（その１，その２）が、推測される。
そして、推測ギャップ長ＭＧ（その１，その２）両者の平均ギャップ長ＭＧを、関係データ３に適用して対応する最適周波数ｆ_０を取得する。そのギャップ長ＭＧに対応した共振周波数ｆに一致した最適周波数ｆ_０で、高周波電源１０を運転すると共に、スイッチＳオンして給電を開始する。
オンラインデータ法については、次のとおり。まず、給電中に負荷Ｒの抵抗値ｒを得ると共に、高周波電源１０の出力電流位相の周波数特性を演算する。
そして周波数特性を、負荷抵抗値ｒをパラメーターとして解析して、最適周波数ｆ_０を取得する。もって給電中は、取得された最適周波数ｆ_０にて高周波電源１０を運転することにより、給電中の負荷Ｒ変動に即応可能となっている。
本発明の概要は、以上のとおり。以下、このような本発明について、更に詳述する。

《オフラインデータ法（その１）》
オフラインデータ法による制御方法について、まず図１，図４，表１等を参照して、説明する。オフラインデータ法では、まず、オフラインコイルデータが予め作成，準備される。
表１は、作成，準備されたオフラインコイルデータであり、関係データ１（インダクタンスＬ−ギャップ長ＭＧ），関係データ２（結合係数Ｋ−ギャップ長ＭＧ），関係データ３（最適周波数ｆ_０―ギャップ長ＭＧ）を、それぞれ内容とする。
図４は、表１の値を関係データ毎に表わしたものであり、図４の（１）図は関係データ１を、（２）図は関係データ２を、（３）図は関係データ３を表す。

そして関係データ１は、ギャップ長ＭＧと、送電コイル１のインダクタンスＬとの関係データの実測値である。送電側回路４の高周波電源１０を運転すると共に、受電側回路５に設けたスイッチＳを開放した場合のインダクタンスＬ_Ｏ、およびスイッチＳを短絡した場合のインダクタンスＬ_Ｓについて、それぞれ、ギャップ長ＭＧとの関係を表わす。
関係データ２は、ギャップ長ＭＧと、送電コイル１・受電コイル２間結合係数Ｋとの関係データであり、ギャップ長ＭＧと結合係数Ｋ間の実測値であるが、前記数式２によりインダクタンスＬ_Ｏ，Ｌ_Ｓから算出することも可能である。
関係データ３は、ギャップ長ＭＧと、高周波電源１０の力率が１の近似値になる最適周波数ｆ_０との関係データである。この関係データ３は、上述した関係データ１，２の値に基づき、例えば回路解析用のスパイスソフト（公知の電子回路シュミレーション解析用のＳＰＩＣＥソフト）を使用して、最適周波数ｆ_０を求めたものである。
最適周波数ｆ_０とは、高周波電源（電源インバータ）１０の運転力率が、ほぼ１となる周波数のことであり、その出力端の出力電流Ｉ_１の出力電圧Ｖ_１に対する位相差が、ほぼ０度となるような電源周波数である。ギャップ長ＭＧに対応した共振周波数ｆに、一致した電源周波数である。
オフラインデータ法では、まずこのように、オフラインコイルデータが準備される。

《オフラインデータ法（その２）》
さて、このようなオフラインコイルデータの準備を前提として、オフラインデータ法は、図６のステップＳ１〜Ｓ１２を辿ることにより、そのギャップＧつまりギャップ長ＭＧに適した最適周波数ｆ_０での給電が可能となる。
以下これらについて、図１，図４，図６等を参照して説明する。
なお給電は、定置された送電側回路４の送電コイル１に対し、受電側回路５の受電コイル２が対応位置して停止する、停止給電方式にて行われるものとする。つまり給電に際し、送電コイル１と受電コイル２間のギャップＧは、一定とする。

オフラインデータ法では、まず、スイッチＳを開放した無負荷状態で、高周波電源１０を一定周波数で起動する（図６のステップＳ１，２）。
そして、送電コイル１の電圧Ｖ_２，送電コイル１の電流Ｉ_２を測定し、その測定値を次の数式３に代入することにより、開放インダクタンスＬ_Ｏが算出，取得される（ステップＳ３，４）。
もって、得られた開放インダクタンスＬ_Ｏの値を、前述により予め準備されていた関係データ１（表１，図４の（１）図）に適用すれば、突き合わせにより推測ギャップ長ＭＧ（その１）が、読み取られ，推測される（ステップＳ５）。

このようなギャップ長ＭＧ（その１）の推測処理と前後して、図示例ではその後に、ギャップ長ＭＧ（その２）の推測処理が行われる。
まず、受電コイル２の電圧Ｖ_３が測定される（ステップＳ６）。そして、この受電コイル２の開放電圧Ｖ_３の測定値と、前述により測定されていた送電コイル１の電圧Ｖ_２の測定値と、既知数の受電コイル２巻数Ｎ_２と、送電コイル１巻数Ｎ_１とを、次の数式４に代入することにより、結合係数Ｋが算出，取得される（ステップＳ７）。
もって得られた結合係数Ｋの値を、前述により予め準備されていた関係データ２（表１，図４の（２）図）に適用すれば、突き合わせにより推測ギャップ長ＭＧ（その２）が、読み取られ，推測される（ステップＳ８）。

しかる後、上述により得られた推測ギャップ長ＭＧ（その１）と、推測ギャップ長ＭＧ（その２）との和を、２で割って平均値を取り、平均ギャップ長ＭＧとする（ステップＳ９）。なお、このように平均を取ることにより、ギャップ長ＭＧの推定精度が向上せしめられる。
そして、このように求められた平均ギャップ長ＭＧの値を、前述により予め準備されていた関係データ３（表１，図４の（３）図）に適用することにより、平均ギャップ長ＭＧに対応する最適周波数ｆ_０が、取得される（ステップＳ１０）。
もって、受電側回路５のスイッチＳをオンすると共に、高周波電源１０を得られた最適周波数ｆ_０にセットして運転し、もって負荷Ｒへの給電が開始される（ステップＳ１１，１２）。
オフラインデータ法による制御方法では、このようにして、そのギャップ長ＭＧに対応した共振周波数ｆに一致した最適周波数ｆ_０による給電が、実施される。
オフラインデータ法については、以上のとおり。

《オンラインデータ法》
次に、オンラインデータ法による制御方法について説明する。上述したオフラインデータ法を前提としつつ、オンラインデータ法が実施される。
すなわち給電に際しては、まず上述したオフラインデータ法によって得られた、変化したギャップ長ＭＧに対応した共振周波数ｆと一致する最適周波数Ｆ_０によって、高周波電源１０が起動されて、給電が行われる。
しかしながら、このオフラインデータ法で用いられていたデータは、前述した表１等のオフラインコイルデータである。従って、給電中の負荷Ｒの状態によって、実際の最適周波数ｆ_０に若干の誤差が生じるようになる。給電中の負荷Ｒ変動、例えばバッテリー９の充電状態により負荷Ｒが変わることが予想され、負荷抵抗値ｒが変われば、それに伴って最適周波数ｆ_０も変化する。
オフラインデータ法では、定格出力の負荷抵抗値ｒを代表値にとって、表１等のオフラインコイルデータを作成，準備していたので、負荷Ｒ変動に対しては最適周波数ｆ_０の誤差が大きくなる。
オンラインデータ法は、このようなオフラインデータ法による最適周波数ｆ_０の誤差を少なくする。このようなオンラインデータ法について、図６のステップＳ１２〜Ｓ１６、および図１，図５を参照して説明する。

オンラインデータ法では、給電中、受電側回路５の負荷Ｒの電圧Ｖ_４と電流Ｉ_２を測定し、その測定値を下記の数式５に代入することにより、負荷抵抗値ｒが算出，取得される（ステップＳ１３，１４）。
それから高周波電源１０に関し、得られた負荷抵抗値ｒをパラメーターとする図５の出力電流位相の周波数特性が、演算される（ステップＳ１５）。この周波数特性は、例えば前述した回路解析用のスパイスソフトを使用して演算される。

そして最適周波数ｆ_０は、上記周波数特性において、高周波電源１０の出力電流Ｉ_１の出力電圧Ｖ_１に対する位相差が、０の近似値となる周波数を、パラメーターの負荷抵抗値ｒに対応して求めることにより、解析，取得される。
すなわち図５において、負荷抵抗値ｒのパラメーターカーブが、位相角０°と交わる周波数が、最適周波数ｆ_０として解析される。例えば図中、パラメーターの負荷抵抗値ｒ_１のカーブが、高周波電源１０の出力電流位相差０°となるポイントの約９２．８ｋＨｚ程度が、最適周波数ｆ_０となる。
そして給電中は、このように取得された最適周波数ｆ_０にて、高周波電源１０が運転される（ステップＳ１２）。
このようにオンラインデータ法の制御方法により、リアルタイムで最適周波数ｆ_０による給電が可能となり、給電中の負荷Ｒ変動に、その都度，随時即応可能となる。前述したオフラインデータ法による最適周波数ｆ_０の誤差を、確実に補正可能となる。
オンラインデータ法については、以上のとおり。

《制御方式について》
以上説明したオンラインデータ法およびオフライン法による一連の制御は、例えば図２の（２）図に示したように、コンピュータ１９を用いた制御装置２０により、自動的に実施可能である。
すなわち、前述した各測定値が、それぞれのセンサ２１からコンピュータ１９に送信される。
コンピュータ１９は、前述した関係データ１，２，３が格納されると共に、ＲＯＭに書き込まれた操作プログラムに基づきＣＰＵが制御操作を行い（図６を参照）、前述した推測処理，取得処理，解析処理，算出処理，演算処理等を、順次経時的に行う。もってスイッチＳや高周波電源１０に対し、指示信号を送出する。
そして、コンピュータ１９のＲＯＭには、電子回路の動作を解析，シミュレーションするスパイスソフトが格納されている。そして、前述した関係データ３は、スパイスソフトを使用して求められ、前述した周波数特性の演算処理もスパイスソフトを使用して行われる。
制御方式については、以上のとおり。

《作用等》
本発明の非接触給電システムの周波数制御方法は、以上説明したように構成されている。そこで以下のようになる。
（１）代表例の停止給電方式の非接触給電システムでは、給電に際し、車輌８等に搭載された非接触給電装置３の受電側回路５の共振用の受電コイル２が、路面等の地上７側に定置配置された送電側回路４の共振用の送電コイル１に対し、エアギャップＧを存し近接停止される（図３の（１）図等を参照）。

（２）その際、受電コイル２が送電コイル１に対し、正確に対応位置せずに位置ずれし易い（図３の（２）図，（３）図を参照）。
このよううな位置ずれにより、送電コイル１と受電コイル２間のギャップ長ＭＧが変化し、共振周波数ｆも変化する。共振回路の送電コイル１と受電コイル２間のギャップ長ＭＧが変化するので、ギャップ長ＭＧに対応すべき共振周波数ｆも、元のままではなくなる。元の共振周波数ｆのままでは、共振点ずれとなってしまう。

（３）そこで本発明は、オフラインデータ法、更にはオンラインデータ法による、周波数制御方法を採用してなる。

（４）オフラインデータ法では、まず、関係データ１，２，３が予め準備される（表１，図４を参照）。

（５）そしてオフラインデータ法では、受電側回路５の出力ラインのスイッチＳオフで、高周波電源１０を起動する。もって、送電コイル１の開放インダクタンスＬ_Ｏを取得すると共に、送電コイル１・受電コイル２間の結合係数Ｋを取得する（前記数式３，４を参照）。
もって、これらを関係データ１，２に適用して、それぞれのギャップ長ＭＧ（その１，その２）を推測する（図６のステップＳ１〜Ｓ８を参照）。

（６）それから、両者の平均ギャップ長ＭＧを前記関係データ３に適用して、最適周波数ｆ_０を取得する。
そして、そのギャップＧに対応した共振周波数と一致する該最適周波数ｆ_０で、高周波電源１０が運転される。これと共にスイッチＳオンにより、負荷Ｒへの給電が開始される（図６のステップＳ９〜Ｓ１２を参照）。

（７）給電中は、オンラインデータ法により、給電中の負荷Ｒ変動に即応した最適周波数ｆ_０とされる。
すなわちオンラインデータ法では、給電中の負荷抵抗値ｒを得ると共に（前記数式５を参照）、高周波電源１０の出力電流位相の周波数特性を演算する（図５を参照）。
もって、この周波数特性を、パラメーターの負荷抵抗値ｒにて解析することにより、最適周波数ｆ_０が取得，補正，修正され、該最適周波数ｆ_０にて、高周波電源１０が運転される（図６のステップＳ１２からＳ１６を参照）。

（８）本発明の周波数制御方法では、このようにして、ギャップＧ変化に対応すると共に負荷Ｒ変動に対応した最適周波数ｆ_０にて、給電が実施される。
もって、共振点ずれは発生せず、非接触給電システムの電力供給効率が向上，維持される。

（９）しかもこれは、簡単な構成よりなるオフラインデータ法やオンラインデータ法により、容易に実現される。
又、このオフラインデータ法やオンラインデータ法は、制御装置２０により自動化可能である。例えば、制御装置２０をコンピュータ１９にて構成することにより、自動化可能である。
作用等については、以上のとおり。

１ 送電コイル
２ 受電コイル
３ 非接触給電装置
４ 送電側回路
５ 受電側回路
６ 給電スタンド
７ 地上
８ 車輌
９ バッテリー
１０ 高周波電源
１１ モータ
１２ コンバータ
１３ インバータ
１４ コンデンサ
１５ コンデンサ
１６ コンデンサ
１７ コンデンサ
１８ インダクタ
１９ コンピュータ
２０ 制御装置
２１ センサ
ｆ 共振周波数
ｆ_０ 最適周波数
Ｇ （エア）ギャップ
ＭＧ ギャップ長
Ｉ 電流
Ｋ 結合係数
Ｌ インダクタンス
Ｌ_Ｏ 開放インダクタンス
Ｌ_Ｓ 短絡インダクタンス
Ｒ 負荷
ｒ （負荷）抵抗値
Ｓ スイッチ
Ｔ 端子
Ｖ 電圧

Claims (8)

1. 電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側の共振回路の送電コイルから、負荷に接続された受電側の共振回路の受電コイルに、エアギャップを存し非接触で近接対応しつつ、電力を供給する非接触給電システムにおいて、
   電力供給効率の向上，維持のため、該ギャップに対応した共振周波数と一致するように、電源周波数を最適周波数に制御する方法であって、
   オフラインデータ法により、まず、開放インダクタンスおよび結合係数を、準備しておいた関係データに適用して、それぞれ対応するギャップ長を推測し、
   両者の平均ギャップ長を、準備しておいた関係データに適用して最適周波数を取得すること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
2. 請求項１において、受電側の出力ラインのスイッチオフ状態における上記関係データ１，２，３を、予め準備しておき、
   該スイッチオフ状態で送電側の電源を起動して、該送電コイルの開放インダクタンス、および該送電コイル・受電コイル間の結合係数を得、
   もって、得られた開放インダクタンスを上記関係データ１に適用すると共に、得られた結合係数を上記関係データ２に適用し、もって求められた両推測ギャップ長により平均ギャップ長を算出し、
   この平均ギャップ長を、上記関係データ３に適用して対応する最適周波数を取得し、もって、該電源を最適周波数で運転すると共に、該スイッチオンして給電を開始すること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
3. 請求項２において、上記関係データ１は、ギャップ長と該送電コイルの開放インダクタンスとの関係データであり、上記関係データ２は、ギャップ長と結合係数との関係データであり、上記関係データ３は、ギャップ長と該電源の力率が１の近似値になる最適周波数との関係データであり、
   開放インダクタンスは、該送電コイルの電圧と電流の測定値に基づき算出され、もって上記関係データ１に適用して、推測ギャップ長１が得られ、
   結合係数は、該送電コイルの電圧測定値、該受電コイルの電圧測定値、該送電コイルの巻数、および該受電コイルの巻数に基づき算出され、もって上記関係データ２に適用して、推測ギャップ長２が得られ、
   最適周波数は、この推測ギャップ長１と推測ギャップ長２の平均ギャップ長を、上記関係データ３に適用して取得されること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
4. 請求項２又は３において、更にオンラインデータ法により、給電中に該負荷の抵抗値を得ると共に、この負荷抵抗値をパラメーターとした該電源の出力電流位相の周波数特性を、演算して解析することにより最適周波数を取得し、
   給電中は、このように取得された最適周波数にて該電源を運転することにより、給電中の負荷変動に即応可能となっていること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
5. 請求項４において、負荷抵抗値は、受電側の負荷電圧と負荷電流の測定値に基づき算出され、
   最適周波数は、上記周波数特性において、該電源の出力電流の出力電圧に対する位相差が０の近似値となる周波数を、パラメーターの負荷抵抗値に対応して求めることにより取得すること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
6. 請求項５において、この制御方法は、制御装置のコンピュータを用いて実施され、上記測定値がそれぞれのセンサから該コンピュータに送信され、
   該コンピュータは、上記関係データ１，２，３が格納されると共に、書き込まれた操作プログラムに基づき制御操作を行い、上記推測処理，取得処理，解析処理，算出処理，演算処理し、もって該スイッチや電源に対し指示信号を送出すること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
7. 請求項６において、該コンピュータには、回路解析用のスパイスソフトが格納されており、
   上記関係データ３は、該スパイスソフトを使用して求められ、上記周波数特性の演算処理も該スパイスソフトを使用して実施されること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。
8. 請求項１，２，３，又は４において、給電は、定置された送電側の該送電コイルに対し、受電側の該受電コイルが対応位置して停止する、停止給電方式にて行われること、を特徴とする非接触給電システムの周波数制御方法。

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