JP7409344B2 - 非接触送電装置及びその調整方法 - Google Patents

Description

本開示は、非接触送電装置及びその調整方法に関する。

特許文献１には、受電装置に非接触で電力を送電する送電装置が開示されている。特許文献１の送電装置は、高周波電源装置と送電コイルとを結ぶ伝送線路のインピーダンスのリアクタンス成分が受電装置から出力される出力電流に影響を及ぼすことを抑制するために、高周波電源装置と伝送線路との間にコンデンサを設けることが開示されている。

特開２０１６－１９２８５６号公報

しかしながら、伝送線路のリアクタンスは、伝送線路の形状や、周囲環境による影響を受けるため、単にコンデンサを設けるだけでは、伝送線路のインピーダンスのリアクタンス成分が受電装置から出力される出力電流に影響を及ぼすことを十分に抑制できなかった。また、適切な容量のコンデンサを設ける必要があるが、伝送線路のリアクタンス（＋ｊωＬ）は、大きくないので、コンデンサのリアクタンスで相殺しようとすると、大きな容量のコンデンサ（１／（ω^２Ｌ）が必要になるという問題もあった。

本開示の一形態によれば、受電装置（２００）に非接触で電力を供給する送電装置（１００）が提供される。この送電装置は、交流電圧を出力する電力変換ユニット（２０）と、送電コイル（８１）、および、前記送電コイルに接続されたコンデンサ（８２）を有する送電ユニット（８０）と、前記電力変換ユニットと前記送電ユニットとを接続する伝送線路（７０）と、前記電力変換ユニットと前記伝送線路との間に配置される補償器（６０）と、を備え、前記補償器は、前記伝送線路の誘導性リアクタンスよりも大きな誘導性リアクタンスを有する誘導性リアクタンス素子（６１）と、前記伝送線路の誘導性リアクタンスと前記誘導性リアクタンス素子の誘導性リアクタンスとを合わせた誘導性リアクタンスを低減するコンデンサ（６２）とを、接続している。この形態によれば、伝送線路の誘導性リアクタンスよりも大きな誘導性リアクタンスを有する誘導性リアクタンス素子を設けることで、伝送線路の誘導性リアクタンスをほぼ無視できる。その結果、伝送線路の形状等が変わることによる誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。また、誘導性リアクタンス素子を設けることで、送電線路と誘導性リアクタンス素子を合わせた誘導性リアクタンスを相殺して予め定めた周波数におけるリアクタンスを小さくするのに必要なコンデンサの容量を小さくできる。

受電装置である小型モビリティ向けの送電装置を示す説明図である。 小型モビリティを示す説明図である。 送電装置の等価回路図である。 小型モビリティの等価回路図である。 ガウス平面で示す伝送線路と補償器における各構成要素のリアクタンスを示す説明図である。 送電装置の等価回路図である。 補償器の回路図である。 制御装置が実行するコンデンサの容量決定のフローチャートである。 コンデンサの容量と電圧差の関係を示す説明図である。 コンデンサの容量と電圧差の関係を示す説明図である。 第３実施形態における補償器の回路図である。 第４実施形態における補償器の回路図である。 第５実施形態における送電装置の等価回路図である。 電圧と、コンデンサの容量を変えたときの電流を示すグラフである。 第６実施形態における送電装置の等価回路図である。

・第１実施形態：
図１は、受電装置である小型モビリティ２００向けの送電装置１００を示す説明図である。送電装置１００は、交流電源１０と、電力変換ユニット２０と、送電コイル８１とを備える。本実施形態では、送電コイル８１は、４×５のマトリックス状に配置され、コイルユニット８３を構成している。電力変換ユニット２０と送電コイル８１とは、伝送線路７０により接続されている。小型モビリティ２００は、例えば、工場において、部品等を運搬する運搬装置である。小型モビリティ２００は、受電コイル２８１を有しており、受電コイル２８１を用いて送電コイル８１から非接触で電力を受電し、工場内を移動する。

図２は、小型モビリティ２００を示す説明図である。小型モビリティ２００は、バッテリ２１０と、電力変換ユニット２２０と、受電コイル２８１と、を備える。受電コイル２８１は、送電コイル８１と電磁的に結合し、送電コイル８１から交流電力を受電する。電力変換ユニット２２０は、受電コイル２８１が受電した交流電力を、直流に変換する。電力変換ユニット２２０は、例えば、ブリッジ整流回路と平滑コンデンサ（図示せず）を備えている。バッテリ２１０は、電力変換ユニット２２０により直流に変換された電力を蓄電する。バッテリ２１０に直電された電力は、小型モビリティ２００を動作させる電力として用いられる。

図３は、送電装置１００の等価回路図である。送電装置１００は、交流電源１０と、電力変換ユニット２０と、補償器６０と、伝送線路７０と、送電ユニット８０と、を備える。電力変換ユニット２０は、交流電圧を発生し、伝送線路７０を介して交流電圧を送電ユニットに供給する装置である。電力変換ユニット２０は、力率改善回路３０と、インバータ４０と、フィルタ５０と、を備え、力率改善回路３０は、交流電源１０から供給される入力電流に発生する高調波電流を抑制し、力率を１に近づける回路である。インバータ４０は、直流電圧を、予め定めた周波数、例えば、８５ｋＨｚの交流に変換する。フィルタ５０は、コイル５１とコンデンサ５２とから構成されるＬ型フィルタと、コイル５３とコンデンサ５４とから構成されるＬ型フィルタとを直列に接続した構成を有する。

伝送線路７０は、１対の導線で形成されている。伝送線路７０は、電気抵抗ｒ７２と、インダクタンスＬ７１を有する。図３では、電気抵抗ｒ７２、インダクタンスＬ７１を抵抗器、コイルの回路図記号を用いて抵抗器７２、コイル７１として図示している。送電ユニット８０は、直列に接続された送電コイル８１と、コンデンサ８２とを備える。補償器６０は、電力変換ユニット２０と伝送線路７０との間に、直列に接続された誘導性リアクタンス素子であるコイル６１と容量性リアクタンス素子であるコンデンサ６２とを備える。補償器６０については、後述する。

図４は、小型モビリティ２００の等価回路図である。小型モビリティ２００は、受電ユニット２８０と、電力変換ユニット２２０と、バッテリ２１０とを備える。受電ユニット２８０は、直列に接続された受電コイル２８１と、コンデンサ２８２とを備える。

図５は、ガウス平面で示す伝送線路７０と補償器６０における各構成要素のリアクタンスを示す説明図である。ガウス平面において、実軸は電気抵抗を示し、虚軸は、リアクタンスを示す。虚軸のプラス方向へのベクトルが誘導性リアクタンスであり、虚軸のマイナス方向へのベクトルが容量性リアクタンスである。また、虚軸のプラス側が誘導性リアクタンス領域であり、マイナス側が容量性リアクタンス領域である。

補償器６０は、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１に起因する誘導性リアクタンスの影響を抑制する。補償器６０は、上述したように、誘導性リアクタンス素子であるコイル６１と容量性リアクタンス素子であるコンデンサ６２とを備える。先ず、コイル６１を備えない場合について考える。コンデンサ６２は、その容量性リアクタンス（１／（ｊωＣ６２））を用いて、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１に起因する誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）を相殺する。ωは、各周波数であり、電力変換ユニット２０が発生させる交流電圧の周波数をｆとすると、ω＝２πｆである。伝送線路７０の形状がわずかに変化するだけで、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１が変化する。伝送線路７０の形状が変化すると、インダクタンスＬ７１が変化し、リアクタンスが変化し、インピーダンスが変化する。そのため、伝送線路７０の形状の変化に伴い、コンデンサ６２の容量を変化させることで、伝送効率の悪化を抑制する。電力変換ユニット２０から送電ユニット８０に交流電力を送る場合、途中の伝送線路７０での損失をできるだけ小さくすることが求められる。補償器６０がなく伝送線路７０のみが、電力変換ユニット２０から送電ユニット８０の間に設けられているとき、伝送線路７０のコイル７１とコンデンサ６２は、伝送線路７０の誘導性リアクタンスを低減し、次式に示される共振条件をできるだけ満たすものとすることが望ましい。具体的には、
ｊωＬ７１＋１／（ｊωＣ６２）≒０
あるいは、
ｊ（ωＬ７１－１／（ωＣ６２））≒０
を満たすことが望ましい。以下、上記式において、両辺が等しいまたはほぼ等しい場合を含めて、実用上の共振の条件が成立することを、容量性リアクタンス（１／ｊωＣ６２）により誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）を相殺するという。

本開示では、補償器６０は、伝送線路７０に直列に接続されたコイル６１とコンデンサ６２とを備える。コイル６１により、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１と補償器６０のコイル６１のインダクタンスＬ６１の両方を合わせたインダクタンスを増加させる。この結果、誘導性リアクタンス（ｊω（Ｌ７１＋Ｌ６１））が大きくなる。この誘導性リアクタンス（ｊω（Ｌ７１＋Ｌ６１））を補償器６０のコンデンサ６２の容量性リアクタンス（１／（ｊωＣ６２））を用いて低減し、相殺する。ここで、補償器６０のコイル６１のインダクタンスＬ６１を伝送線路７０のインダクタンスＬ７１よりも十分に大きく、例えば、インダクタンスＬ６１をインダクタンスＬ７１の５倍から１０倍程度とすれば、誘導性リアクタンスは、ｊωＬ７１＜＜ｊωＬ６１となる。その結果、伝送線路７０と補償器６０とを合わせた誘導性リアクタンス（ｊω（Ｌ７１＋Ｌ６１））は、ほぼコイル６１の誘導性リアクタンス（ｊωＬ６１）となる。その結果、伝送線路７０の形状の変化が発生しても、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１の影響を無視できる。

この誘導性リアクタンスをちょうど相殺するのに必要なコンデンサ６２の容量Ｃ６２は、１／（ω^２Ｌ７１）である。補償器６０にコイル６１を設けない場合、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１に起因する誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）は小さいので、コンデンサ６２の容量Ｃ６２は、かなり大きな容量となってしまう。一方、補償器６０にコイル６１を設けた場合、補償器６０のコンデンサ６２の容量Ｃ６２は、１／（ω^２（Ｌ７１＋Ｌ６１））でよいので、補償器６０のコイル６１を設けない場合に比べてコンデンサ６２の容量Ｃ６２を小さくできる。また、Ｌ７１＜＜Ｌ６１であれば、伝送線路７０のインダクタンスＬ７１の影響をほぼ無視できるので、補償器６０のコイル６１のインダクタンスのみを考慮して、コンデンサ６２の容量を決めることができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、補償器６０は、直列に接続された、伝送線路７０の誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）よりも大きな誘導性リアクタンス（ｊωＬ６１）を有する誘導性リアクタンス素子（コイル６１）と、コンデンサ６２と、を有するので、伝送線路７０の誘導性リアクタンスをほぼ無視でき、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２の容量性リアクタンスにより相殺することができる。その結果、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。また、コイル６１を設けない場合の伝送線路７０の誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）を相殺するのに必要なコンデンサ６２の容量は１／（ω^２Ｌ７１）であり、コイル６１を設けた場合の伝送線路７０と補償器６０の誘導性リアクタンス（ｊω（Ｌ７１＋Ｌ６１））を相殺するのに必要なコンデンサ６２の容量は１／（ω^２（Ｌ７１＋Ｌ６１））であるので、コイル６１を設けると、設けない場合に比べて、コンデンサ６２の容量を小さくできる。

伝送線路７０と補償器６０の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２の容量性リアクタンスにより相殺することができる場合、伝送線路７０と補償器６０とは、共振しているため、電力変換ユニット２０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（以下「出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔ」と呼ぶ。）と、送電ユニット８０に入力される入力電圧Ｖｉｎの実効値（以下「入力電圧実効値Ｖｅｉｎ」と呼ぶ。）とは、ほぼ等しい。なお、より正確には、入力電圧実効値Ｖｅｉｎは、伝送線路７０の電気抵抗ｒ７２の分だけ出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔから電圧降下する。したがって、Ｖｅｏｕｔ－Ｖｅｉｎが最小となるように、補償器６０のコイル６１のインダクタンスと、コンデンサ６２の容量を定めることができる。例えば、調整段階において、電力変換ユニット２０の出力部と、送電ユニット８０の入力部にそれぞれ電圧計を配置して、コンデンサ６２の容量を変えながら出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎを測定し、Ｖｅｏｕｔ－Ｖｅｉｎが最小となるコンデンサ６２の容量を求め、その後、電圧計を取り外してもよい。

・第２実施形態：
図６は、送電装置１００ａの等価回路図である。第１実施形態では、補償器６０のコイル６１のインダクタンスＬ６１と、コンデンサ６２の容量Ｃ６２と、を手動で決定したが、第２実施形態では、制御装置９０が、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと、入力電圧実効値Ｖｅｉｎとを用いて、補償器６０ａのコンデンサ６２ａの容量Ｃ６２ａを自動的に設定する点で相違する。

図７は、補償器６０ａの回路図である。補償器６０ａは、直列に接続されたコイル６１と、コンデンサ６２ａを備える。コンデンサ６２ａは、３つのコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３と、ＭＯＳ－ＦＥＴで形成された半導体スイッチであるスイッチングトランジスタｔｒ１～ｔｒ６と、ダイオードＤ１～Ｄ６と、を備える。ダイオードＤ１～Ｄ６は、スイッチングトランジスタｔｒ１～ｔｒ６にのドレイン－ソース間に並列に接続されている。このダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５とダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６とは、導通方向が反対向きに接続されている。コンデンサ６２ａ１と、スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２は直列に接続されている。コンデンサ６２ａ２と、スイッチングトランジスタｔｒ３、ｔｒ４は直列に接続され、コンデンサ６２ａ１と、スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２と並列に接続されている。また、コンデンサ６２ａ３と、スイッチングトランジスタｔｒ５、ｔｒ６は直列に接続され、コンデンサ６２ａ１と、スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２と並列に接続されている。

スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２は、同時にオン・オフされる。スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２がオンの時には、補償器６０には、交流電圧が印加されるので、フィルタ５０側が、伝送線路７０側よりも高電圧の時には、フィルタ５０からスイッチングトランジスタｔｒ１、ダイオードＤ１、スイッチングトランジスタｔｒ２を経て伝送線路７０に電流が流れる。逆に、伝送線路７０側が、フィルタ５０側よりも高電圧の時には、伝送線路７０からスイッチングトランジスタｔｒ２、ダイオードＤ２、スイッチングトランジスタｔｒ１を経てフィルタ５０に電流が流れる。すなわち、コンデンサ６２ａ１に充放電電流が流れる。一方、スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２がオフの時には、フィルタ５０側が伝送線路７０側よりも高電圧の場合には、トランジスタＴｒ２、ダイオードＤ２に電流が流れず、伝送線路７０側がフィルタ５０側よりも高電圧の場合には、トランジスタＴｒ１、ダイオードＤ１に電流が流れないため、フィルタ５０と伝送線路７０との間に電流が流れない。すなわち、コンデンサ６２ａ１に充放電電流が流れない。スイッチングトランジスタｔｒ３、ｔｒ４、ダイオードＤ３、Ｄ４、コンデンサ６２ａ２についても同様であり、スイッチングトランジスタｔｒ５、ｔｒ６、ダイオードＤ５、Ｄ５、コンデンサ６２ａ３についても同様である。

制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと、入力電圧実効値Ｖｅｉｎとから、スイッチングトランジスタｔｒ１～ｔｒ６のどのスイッチングトランジスタをオンし、どのスイッチングトランジスタをオフするかを決定し、コイル６１に直列に接続するコンデンサを決定する。なお、制御装置９０は、コンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３の少なくとも１つを接続する。コンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３の容量Ｃ６２ａ１、Ｃ６２ａ２、Ｃ６２ａ３は、同じ容量であってもよく、異なる容量であってもよい。例えば、容量比をＣ６２ａ１：Ｃ６２ａ２：Ｃ６２ａ３＝１：２：４としてもよい。この場合、制御装置９０が、スイッチングトランジスタｔｒ１、ｔｒ２のみをオンにした場合は、コンデンサ６２ａ１のみが接続され、コイル６１に接続されるコンデンサ６２ａの容量が最小となる。また、制御装置９０が、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６の全てをオンにした場合は、コンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３が接続され、コイル６１に接続されるコンデンサ６２ａの容量が最大となる。ガウス平面で、コンデンサ６２ａ１のみが接続された場合のリアクタンスが誘導性領域、すなわち、ｊωＬ６１＞１／（ｊωＣ６２ａ１）であり、コンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３の全てが接続された場合のリアクタンスが容量性領域、すなわち、ｊωＬ６１＜１／（ｊω（Ｃ６２ａ１＋Ｃ６２ａ２＋Ｃ６２ａ３））となることが好ましい。コンデンサ６２ａの容量を増加していくと、リアクタンスが、プラスの値である誘導性領域から、マイナスの値である容量性領域に遷移していき、途中でゼロ点をクロスする。このゼロ点は、共振点であり、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの差が最小となる。本実施形態では、コンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３を切り替える構成としたが、必要な定格電圧を満たす可変容量コンデンサを用いてもよい。

図８は、制御装置９０が実行するコンデンサ６２ａの容量決定のフローチャートである。ステップＳ２００では、制御装置９０は、コンデンサ６２ａの容量を最小に設定する。この状態では、コイル６１の誘導性リアクタンス（ｊωＬ６１）の大きさは、コンデンサ６２ａの容量性リアクタンス（１／（ｊωＣ６２ａ））の大きさよりも大きい。

ステップＳ２１０では、制御装置９０は、電力変換ユニット２０の出力電圧Ｖｏｕｔと、送電ユニット８０に入力される入力電圧Ｖｉｎと、を取得する。ステップＳ２１０では、制御装置９０は、出力電圧Ｖｏｕｔから出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔを取得し、入力電圧Ｖｉｎｔから入力電圧実効値Ｖｅｉｎを取得する。ステップＳ２３０では、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの電圧差ΔＶが判定値ΔＶｔｈ以下か否かを判断する。判定値ΔＶｔｈは、例えば、伝送線路７０の電気抵抗ｒ７２による電圧降下を考慮して定められる。電圧差ΔＶが判定値ΔＶｔｈ以下の場合には、現在のコンデンサ６２ａの容量性リアクタンスで、コイル６１の誘導性リアクタンスっｊωＬ６１を十分に相殺できているので、処理を終了する。電圧差ΔＶが判定値ΔＶｔｈを超える場合には、処理をステップＳ２４０に移行する。

ステップＳ２４０では、制御装置９０は、今回測定したときの電圧差Δが前回測定したときの電圧差ΔＶよりも増加しているか否かを判断する。制御装置９０は、電圧差ΔＶが、増加していない場合には、処理をステップＳ２５０に移行し、増加している場合には、処理をステップＳ２６０に移行する。なお、初めてこのステップＳ２４０を処理する場合には、前回測定したときの電圧差ΔＶが存在しないため、制御装置９０は、ステップＳ２５０に移行する。

ステップＳ２５０では、制御装置９０は、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６のオン・オフを切り替えて、コンデンサ６２ａの容量を１段階増加し、その後、処理をステップＳ２１０に移行する。ステップＳ２６０では、制御装置９０は、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６のオン・オフを切り替えて、コンデンサ６２ａの容量を１段階減少し、処理を終了する。電圧差ΔＶが増加している場合は、コンデンサ６２ａの容量性リアクタンス（１／（ｊωＣ６２ａ））がコイル６１の誘導性リアクタンスよりも大きくなりすぎたため、容量性リアクタンスによって、インピーダンスが増加し、入力電圧実効値Ｖｅｉｎが低下したと考えられるからである。この場合、前回のコンデンサ６２ａの容量の時に出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの電圧差ΔＶを最も小さくできるからである。

図９は、コンデンサ６２ａの容量と電圧差ΔＶの関係を示す説明図である。制御装置９０は、スイッチングトランジスタｔｒ１～ｔｒ６を切り替え、コンデンサ６２ａの容量をＣ１から、Ｃ２、Ｃ３と一段階ずつ上昇させていく。コンデンサ６２ａの容量が増加していくと、電圧差ΔＶが下がっていく。コンデンサ６２ａの容量がＣ４となったとき、電圧差ΔＶ（Ｃ４）は、判定値ΔＶｔｈ以下となる。制御装置９０は、コンデンサ６２ａの容量として、Ｃ４を採用する。なお、図９に示す例では、コンデンサ６２ａの容量をＣ４よりも大きくすると、電位差ΔＶは、極小値を経て増加していく。この電位差ΔＶの増加は、コンデンサ６２ａの容量性リアクタンスによるものである。また、本実施形態では、測定値において、電圧差ΔＶが最初に判定値ΔＶｔｈ以下となる点が、電位差ΔＶが極小値となる点よりも、誘導性領域にあるが、測定値において、電圧差ΔＶが最初に判定値ΔＶｔｈ以下となる点が、電位差ΔＶが極小値となる点よりも容量性領域にあってもよい。

図１０は、コンデンサ６２ａの容量と電圧差ΔＶの関係を示す説明図である。図９との違いは、測定値において、電圧差ΔＶが判定値ΔＶｔｈ以下となる点が存在しない点である。すなわち、図１０は、図８のステップＳ２４０の判定が「Ｎｏ」であり、ステップＳ２５０の判定が「Ｙｅｓ」の場合を示す。図１０に示す例では、コンデンサ６２ａの容量をＣ２とした場合の電位差ΔＶ（Ｃ２）は、判定値ΔＶｔｈよりも大きく、コンデンサ６２ａの容量をＣ３とした場合の電位差ΔＶ（Ｃ３）も判定値ΔＶｔｈよりも大きい。また、電位差ΔＶ（Ｃ３）は、電位差ΔＶ（Ｃ２）よりも大きい。この場合、制御装置９０は、コンデンサ６２ａの容量として、Ｃ２を採用する。この現象は、図１０に示すように、コンデンサ６２ａの容量をＣ２とした場合のリアクタンスが誘導性領域にあり、コンデンサ６２ａの容量をＣ３とした場合のリアクタンスが容量性領域にある場合に発生し得る。また、図には示さないが、コンデンサ６２ａの容量をＣ２、Ｃ３とした場合のリアクタンスがいずれも容量性領域にある場合にも、発生し得る。

以上、第２実施形態によれば、補償器６０ａは、コンデンサ６２ａとして、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３を含み、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ａとして接続するように切り替える。その結果、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎを取得し、伝送線路７０の誘導性リアクタンスの影響を最小にするように、制御できる。その結果、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２ａの容量性リアクタンスにより相殺することができ、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。

本実施形態では、スイッチとして、ＭＯＳ－ＦＥＴであるスイッチングトランジスタを用いたが、他の半導体、例えば、トライアックや、リレーなどの接点型のスイッチを用いてもよい。

本実施形態では、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３を用いたが、ｍ個（ｍは２以上の自然数）のコンデンサであってもよい。また、コイル６１をｎ個（ｎは２以上の自然数）設け、接続されるコイル６１の数の数を調整してもよい。両者をまとめると、補償器６０ａは、ｎ個の誘導性リアクタンス素子であるコイルと、ｍ個のコンデンサ（ｎ、ｍは自然数であり、少なくとも一方は２以上）と、ｎ個のコイルと、ｍ個のコンデンサの組み合わせを変更するスイッチと、を備え、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと、入力電圧実効値Ｖｅｉｎとを用いて、スイッチの切り替えを制御し、ｎ個のコイルとｍ個のコンデンサの組み合わせを制御しても良い。このとき、ｎ個のコイルとｍ個のコンデンサの全ての組み合わせで出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと、入力電圧実効値Ｖｅｉｎとを取得し、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと、入力電圧実効値Ｖｅｉｎとの差が最も小さいコイルとコンデンサの組み合わせを採用してもよい。

・第３実施形態：
図１１は、第３実施形態における補償器６０ｂの回路図である。第２実施形態では、補償器６０ａは、誘導性リアクタンス素子として、コイル６１を用いたが、第３実施形態では、補償器６０ｂは、誘導性リアクタンス素子として、コモンモードチョークコイル６１ｂを用いる。コモンモードチョークコイル６１ｂは、電力変換ユニット２０の高周波ノイズを除去するためのノイズフィルタとして用いられる。コモンモードチョークコイル６１ｂは、鉄心に巻かれた２つのコイルを有するため、インダクタンスを有しており、コモンモードチョークコイル６１ｂを誘導性リアクタンス素子として機能させることができる。補償器６０ｂのコンデンサ６２ｂの構成は、第２実施形態の補償器６０ａのコンデンサ６２ａの構成と同じである。

以上、第３実施形態においても、補償器６０ｂは、コンデンサ６２ｂとして、３個のコンデンサ６２ｂ１、６２ｂ２、６２ｂ３を含み、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ｂ１、６２ｂ２、６２ｂ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ｂとして接続するように切り替える。その結果、制御装置９０は、第２実施形態と同様に、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎを取得し、伝送線路７０の誘導性リアクタンスの影響を最小にするように、制御できる。その結果、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２ｂの容量性リアクタンスにより相殺することができ、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。

・第４実施形態：
図１２は、第４実施形態における補償器６０ｃの回路図である。第２実施形態では、補償器６０ａは、誘導性リアクタンス素子として、コイル６１を用いたが、第４実施形態では、補償器６０ｂは、誘導性リアクタンス素子として、トランス６１ｃを用いる。トランス６１ｃは、鉄心に２つのコイルが巻かれた構造を有するため、インダクタンスを有しており、トランス６１ｃを誘導性リアクタンス素子として機能させることができる。補償器６０ｃのコンデンサ６２ｃの構成は、第２実施形態の補償器６０ａのコンデンサ６２ａの構成と同じである。

以上、第４実施形態においても、補償器６０ｃは、コンデンサ６２ｂとして、３個のコンデンサ６２ｃ１、６２ｃ２、６２ｃ３を含み、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ｃ１、６２ｃ２、６２ｃ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ｂとして接続するように切り替える。その結果、制御装置９０は、第２実施形態と同様に、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎを取得し、伝送線路７０の誘導性リアクタンスの影響を最小にするように、制御できる。その結果、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２ｃの容量性リアクタンスにより相殺することができ、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。

・第５実施形態：
図１３は、第５実施形態における送電装置の等価回路図である。第２実施形態では、制御装置９０は、出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔと入力電圧実効値Ｖｅｉｎとの差によりの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ａとして接続するように切り替えた。第５実施形態では、制御装置９１は、電力変換ユニット２０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの位相と、電力変換ユニット２０から出力される出力電流Ｉｏｕｔの位相との差によりの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ａとして接続するように切り替える点で相違する。

図１４は、出力電圧と、コンデンサ６２ａの容量を変えたときの出力電流Ｉｏｕｔを示すグラフである。補償器６０ａに、コイル６１を接続し、コンデンサ６２の容量をＣ１としたときの出力電流Ｉｏｕｔ（C１）の位相は、出力電圧Ｖｏｕｔの位相よりも遅れている。例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶは、出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ１）が極大となる位相θＩ（Ｃ１）よりも遅れている。コンデンサ６２の容量をＣ１からＣ２に増加すると、出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ２）が極大となる位相θＩ（Ｃ２）は進み、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶに近づく。さらに、コンデンサ６２の容量をＣ３に増加すると、出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ３）が極大となる位相θＩ（Ｃ３）は、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶよりも進む。なお、コンデンサ６２の容量をＣ３よりも増加すると、出力電流Ｉｏｕｔが極大となる位相は、出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ３）が極大となる位相θＩ（Ｃ３）よりも進む。ここで、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶと出力電流圧Ｉｏｕｔ（Ｃ３）が極大となる位相θＩ（Ｃ３）との位相差は、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶと出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ２）が極大となる位相θＩ（Ｃ２）との位相差よりも小さい。したがって、出力電圧Ｖｏｕｔが極大となる位相θＶと出力電流Ｉｏｕｔ（Ｃ３）が極大となる位相θＩ（Ｃ３）との位相差は、最小となる。したがって、制御装置９１は、コンデンサ６２ａの容量として、Ｃ３を採用する。

以上、第５実施形態によれば、補償器６０ａは、コンデンサ６２ａとして、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３を含み、制御装置９１は、電力変換ユニット２０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔの位相と、電力変換ユニット２０から出力される出力電流Ｉｏｕｔの位相との差によりの差により、スイッチングトランジスタｔｒ１からｔｒ６を用いて、３個のコンデンサ６２ａ１、６２ａ２、６２ａ３のうちの少なくとも１つ以上をコンデンサ６２ａとして接続するように切り替える。その結果、制御装置９１は、伝送線路７０の誘導性リアクタンスの影響を最小にするように、制御できる。その結果、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２ａの容量性リアクタンスにより相殺することができ、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。

・第６実施形態：
図１５は、第６実施形態における送電装置の等価回路図である。第６実施形態は、１つの伝送線路７０に複数の送電ユニット８０が接続されている点で、第１～第５実施形態と相違する。しかし、伝送線路７０の構成については、第６実施形態は、第１～第５実施形態と同様の構成である。したがって、第１～第５実施形態と同様に、補償器６０は、直列に接続された、伝送線路７０の誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）よりも大きな誘導性リアクタンス（ｊωＬ６１）を有する誘導性リアクタンス素子（コイル６１）と、コンデンサ６２と、を有するので、伝送線路７０の誘導性リアクタンスをほぼ無視でき、コイル６１の誘導性リアクタンスをコンデンサ６２の容量性リアクタンスにより相殺することができる。その結果、伝送線路７０の形状が変わること等による誘導性リアクタンスの変化の影響を回避できる。また、コイル６１を設けない場合の伝送線路７０の誘導性リアクタンス（ｊωＬ７１）を相殺するのに必要なコンデンサ６２の容量は１／（ω^２Ｌ７１）であり、コイル６１を設けた場合の伝送線路７０と補償器６０の誘導性リアクタンス（ｊω（Ｌ７１＋Ｌ６１）を相殺するのに必要なコンデンサ６２の容量は１／（ω^２（Ｌ７１＋Ｌ６１））であるので、コイル６１を設けると、設けない場合に比べて、コンデンサ６２の容量を小さくできる。

上記第１から第４実施形態、第６実施形態では、電力変換ユニット２０からの出力電圧Ｖｏｕｔの出力電圧実効値Ｖｅｏｕｔ、送電ユニット８０の入力電圧Ｖｉｎの入力電圧実効値Ｖｅｉｎを用いたが、電力変換ユニット２０からの出力電圧Ｖｏｕｔのピーク値と、送電ユニット８０の入力電圧Ｖｉｎのピーク値をもちいてもよい。

上記第３から第６実施形態において、制御装置９０、９１がスイッチング素子を切り替えることで、適切なコンデンサの容量を自動的に設定しているが、第１実施形態と同様に、手動で設定してもよい。

上記各実施形態において、第２実施形態と第５実施形態の組み合わせ、第３実施形態と第４実施形態の組み合わせを含まなければ、任意の実施形態を組み合わせて実施してもよい。

第１実施形態から第６実施形態において、送電ユニット８０の送電コイル８１とコンデンサ８２は、直列接続されているとしたが、並列接続されていてもよい。また、第１実施形態から第６実施形態において、補償回路６０のコイル６１とコンデンサ６２は、直列接続されているとしたが、並列接続されていてもよい。また、複数のコイル、コンデンサで構成してもよい。同様に、伝送線路の誘導性リアクタンスをほぼ無視できるようにできる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、送電装置の他、送電装置の調整方法、非接触給電システム等の形態で実現することができる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…交流電源、２０…電力変換ユニット、３０…力率改善回路、４０…インバータ、５０…フィルタ、５１、５３…コイル、５２、５４…コンデンサ、６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ…補償器、６１…コイル、６１ｂ…コモンモードチョークコイル、６１ｃ…トランス、６２、６２ａ、６２ａ１～６２ａ３、６２ｂ、６２ｂ１～６２ｂ３、６２ｃ、６２ｃ１～６２ｃ３…コンデンサ、７０…伝送線路、７１…コイル、７２…抵抗器、８０…送電ユニット、８１…送電コイル、８２…コンデンサ、８３…コイルユニット、９０、９１…制御装置、１００、１００ａ…送電装置、２００…小型モビリティ、２１０…バッテリ、２２０…電力変換ユニット、２８０…受電ユニット、２８１…受電コイル、２８２…コンデンサ、Ｄ１～Ｄ６…ダイオード、ｔｒ１～ｔｒ６…スイッチングトランジスタ

Claims (16)

1. 受電装置（２００）に非接触で電力を供給する送電装置（１００）であって、
   予め定めた周波数の交流電圧を出力する電力変換ユニット（２０）と、
   送電コイル（８１）、および、前記送電コイルに接続されたコンデンサ（８２）を有する送電ユニット（８０）と、
   前記電力変換ユニットと前記送電ユニットとを接続する伝送線路（７０）と、
   前記電力変換ユニットと前記伝送線路との間に配置される補償器（６０）と、
   を備え、
   前記補償器は、前記伝送線路の誘導性リアクタンスよりも大きな誘導性リアクタンスを有する誘導性リアクタンス素子（６１）と、前記伝送線路の誘導性リアクタンスと前記誘導性リアクタンス素子の誘導性リアクタンスとを合わせた誘導性リアクタンスを低減するコンデンサ（６２）とを、接続している、送電装置。
2. 請求項１に記載の送電装置であって、
   前記コンデンサの容量は、前記伝送線路の誘導性リアクタンスと前記誘導性リアクタンス素子の誘導性リアクタンスとを合わせた誘導性リアクタンスを相殺できる容量性リアクタンスを生じさせる容量である、送電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の送電装置であって、
   前記電力変換ユニットの出力電圧（Ｖｏｕｔ）と、前記送電ユニットの入力電圧（Ｖｉｎ）に応じて、前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量が決められている、送電装置。
4. 請求項３に記載の送電装置であって、
   前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量は、前記出力電圧と前記入力電圧との差が判定値（ΔＶｔｈ）以下となるインダクタンス及び容量である、送電装置。
5. 請求項３に記載の送電装置であって、
   前記補償器は、ｎ個（ｎは自然数）の前記誘導性リアクタンス素子と、ｍ個（ｍは自然数であり、ｎ、ｍの少なくとも一方は２以上）の前記コンデンサ（６２ａ１～６２ａ３）と、ｎ個の前記誘導性リアクタンス素子とｍ個の前記コンデンサの組み合わせを変更するスイッチ（ｔｒ１～ｔｒ６）と、
   を備える、送電装置。
6. 請求項５に記載の送電装置であって、さらに、
   前記出力電圧と、前記入力電圧との電圧差が、判定値（ΔＶｔｈ）以下となるように、前記スイッチによるｎ個の前記誘導性リアクタンス素子と、ｍ個の前記コンデンサの組み合わせの切り替えを制御する制御装置を備える、送電装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の送電装置であって、
   前記電力変換ユニットの出力電圧（Ｖｏｕｔ）と、前記電力変換ユニットから出力される出力電流（Ｉｏｕｔ）に応じて、前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量が決められている、送電装置。
8. 請求項７に記載の送電装置であって、
   前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量は、前記出力電圧の位相と、前記出力電流の位相との差が最小となるインダクタンス及び容量である、送電装置。
9. 請求項７または請求項８に記載の送電装置であって、
   前記補償器は、ｎ個（ｎは自然数）の前記誘導性リアクタンス素子と、ｍ個（ｍは自然数であり、ｎ、ｍの少なくとも一方は２以上）の前記コンデンサと、前記誘導性リアクタンス素子と前記コンデンサの組み合わせを変更するスイッチと、
   を備える、送電装置。
10. 請求項９に記載の送電装置であって、さらに、
    前記出力電圧の位相と、前記出力電流の位相との差が最小となるように、前記スイッチによるｎ個の前記誘導性リアクタンス素子と、ｍ個の前記コンデンサの組み合わせの切り替えを制御する制御装置を備える、送電装置。
11. 請求項５、請求項６、請求項９、請求項１０のうちのいずれか一項に記載の送電装置であって、
    前記スイッチは、半導体スイッチである、送電装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の送電装置であって、
    前記誘導性リアクタンス素子は、コイル（６１）またはトランス（６１ｃ）である、送電装置。
13. 請求項１または請求項１１に記載の送電装置であって、
    前記電力変換ユニットは、コイルを含むノイズフィルタ（６１ｂ）を有し、
    前記誘導性リアクタンス素子として前記ノイズフィルタのコイルを用いる、送電装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の送電装置であって、
    １つの前記電力変換ユニットに２以上の前記送電ユニットが接続されている、送電装置。
15. 交流電圧を出力する電力変換ユニットから、伝送線路を介して、送電コイル、および、前記送電コイルに接続されたコンデンサを有する送電ユニットに電力を供給する送電装置の調整方法であって、
    前記電力変換ユニットと前記伝送線路との間に、前記伝送線路の誘導性リアクタンスよりも大きな誘導性リアクタンスを有する誘導性リアクタンス素子と、コンデンサを配置し、
    前記電力変換ユニットの出力電圧と、前記送電ユニットの入力電圧とを測定し、
    前記出力電圧と前記入力電圧との差が判定値（ΔＶｔｈ）以下となるように、前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量とを調整する、送電装置の調整方法。
16. 交流電圧を出力する電力変換ユニットから、伝送線路を介して、送電コイル、および、前記送電コイルに接続されたコンデンサを有する送電ユニットに電力を供給する送電装置の調整方法であって、
    前記電力変換ユニットと前記伝送線路との間に、前記伝送線路の誘導性リアクタンスよりも大きな誘導性リアクタンスを有する誘導性リアクタンス素子と、コンデンサを配置し、
    前記電力変換ユニットから出力される出力電圧と、前記電力変換ユニットから出力される出力電流とを測定し、
    前記出力電圧の位相と前記出力電流の位相との差が最小となるように、前記誘導性リアクタンス素子のインダクタンスと前記コンデンサの容量とを調整する、送電装置の調整方法。

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