JPWO2017042904A1 - 無線電力伝送システム、送電装置および受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電電圧の立ち上げ時に安定した動作を実現する。【解決手段】本発明の実施形態としての無線電力伝送システムは、交流電圧を発生させる交流電力源と、送電用共振器と、受電用共振器と、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を蓄電池に供給する交流／直流変換器と、交流電圧源と送電用共振器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第１回路と、受電用共振器と交流／直流変換器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第２回路とを備える。前記交流電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ上昇させる間、交流電圧の周波数において、第１回路と、送電用共振器と、受電用共振器と、第２回路と、交流／直流変換器とを含む対象システムの入力電圧と出力電圧間の逆伝達関数の絶対値が、前記交流電圧と蓄電池電圧の除算値以下になるように、第１回路および第２回路における受動素子のパラメータ値が設定されている。

Description

本発明の実施形態は、無線電力伝送システム、送電装置および受電装置に関する。

無線電力伝送技術において、受電側に無線給電する給電部のインピーダンス、給電部から給電を受ける受電部のインピーダンス、受電部で受けた電力を用いる負荷のインピーダンス、および伝送距離など、様々なパラメータに依存して、電力の伝送効率が変化することが知られている。ここで、伝送効率（あるいは単に効率） とは、送電側の電源から供給される電力と、受電側で受電される電力の比のことである。

無線電力伝送を行う際には、受電側のインピーダンスを適切な値に設定して、送電側の電源を立ち上げることが望ましい。適切な値にインピーダンスが設定されていない場合、十分な効率が得られず、電力の増加と共に損失が増大する可能性がある。

従来、低い送電電力でインピーダンス整合の調整を行った後、大電力での送電に移行することで、高効率での大電力の伝送を実現する手法が知られている。また、この際に、送電電力をバッテリー（蓄電池）に充電するために、送電電力および受電電力間の関係に基づき負荷を制御する関数を決定し、当該関数を利用して安定した電力の立ち上げ手法も知られている。さらに、送電周波数を最適化することで、送電電力を安定して立ち上げを行う手法も知られている。

しかしながら、これらのいずれの手法でも、送電電圧の立ち上げ時において急激な電力が受電側に突入し、過電力による回路素子の破損が生じることがあった。

特開２０１２−１０５４６号公報 特開２０１４−１０４７５号公報 特開２０１３−７４６８５号公報

本発明の実施形態は、送電電圧の立ち上げ時に安定した動作を実現することを防止する。

本発明の実施形態としての無線電力伝送システムは、交流電圧を発生させる交流電力源と、前記交流電圧に応じた磁界を発生させる送電用共振器と、前記磁界を介して、交流電力を受電する受電用共振器と、前記交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を蓄電池に供給する交流／直流変換器と、前記交流電圧源と前記送電用共振器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第１回路と、前記受電用共振器と前記交流／直流変換器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第２回路とを備える。

前記交流電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ上昇させる間、前記交流電圧の周波数において、前記第１回路と、前記送電用共振器と、前記受電用共振器と、前記第２回路と、前記交流／直流変換器とを含む対象システムの入力電圧と出力電圧間の逆伝達関数の絶対値が、前記交流電圧と蓄電池電圧の除算値以下になるように、前記第１回路および前記第２回路における前記受動素子のパラメータ値が設定されている。

第１の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図。 図１のシステムの具体例を示す図。 図１のシステムの低域通過フィルタのパラメータ値を決定する例を示す図。 図１のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図。 図５のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 第３の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図。 図７のシステムにおいて送電側および受電側の受動回路の具体例を示す図。 図７のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 図７のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 一般的な無線電力伝送システムの基本構成の概略図 図１１のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 図１１のシステムの送電側および受電側に低域通過フィルタを追加した構成を示す図。 図１３のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性を示す図。 図１３のシステムにおける交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力間の特性の他の例を示す図。

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１１に、無線電力伝送システムの基本構成を示す。この無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを備える。

送電装置は、交流電力源１０２と、送電用コンデンサ１０３と、送電用コイル１０４とを備える。

受電装置は、受電用コイル１０６と、受電用コンデンサ１０５と、交流／直流変換器（整流器）１０７と、蓄電池１０１とを備える。

送電装置における交流電力源１０２は、所定の周波数の交流電力（交流電圧および交流電流）を生成する。交流電力は、一例として高周波電力（高周波電圧および高周波電流）である。交流電力源１０２は、一例として、直流電源と、インバータとを備え、直流電源で生成した直流電圧をインバータにより交流電圧に変換する。この場合、インバータの出力電圧が交流電力源２の出力電圧に対応する。送電用コンデンサ１０３と送電用コイル１０４は互いに直列に接続されて、送電用共振器を構成する。送電用共振器は、交流電圧の周波数と同じまたはほぼ同じ値の共振周波数を有する。送電用コイル１０４は、交流電力源１０２から供給される交流電流に応じた磁界を発生させる。

受電装置における受電用コイル１０６と受電用コンデンサ５とは互いに直列に接続されて、受電用共振器を構成する。受電用共振器は、送電側の交流電力源１０２が生成する交流電力の周波数と同じまたはほぼ同じ値の共振周波数を有する。受電用コイル１０６は、送電用コイル１０４により発生させられた磁界と結合して、磁界に応じた高周波電流を発生させる。すなわち、送電用共振器と受電用共振器間の磁気結合により、非接触に電力が伝送される。交流／直流変換器１０７は、受信共振器で受電された交流電力を直流電力に変換し、蓄電池１０１に供給する。

図１２に、図１１の無線電力伝送システムにおいて、交流電力源１０２の出力電圧（インバータの出力電圧）に対する蓄電池１０１への供給電力（整流器の出力電力）の特性の例を示す。

交流電力源１０２の出力電圧が小さい範囲では、ほぼ一様に蓄電池１０１へ供給される電力が増加する。つまり、交流電力源１０２の出力電圧の増加分に対する蓄電池１０１の供給電力の増加分の比がほぼ一定である。したがって、交流電力源１０２の出力電圧を徐々に立ち上げながら、受電側の負荷インピーダンスを調整して、大電力伝送に移行する場合にも安定した動作が可能である。

ここで近年、無線電力伝送について、高調波の抑圧要求がある。このため、高調波対策として、無線電力伝送システムへ低域通過フィルタなどの導入が検討されている。図１３に、図１１の無線電力伝送システムへ低域通過フィルタを追加した例を示す。

送電装置において、交流電力源１０２と送電用共振器との間に送電側低域通過フィルタ１１０が追加されている。受電装置において、受電用共振器と直流交流変換器１０７との間に受電側低域通過フィルタ１１１が追加されている。

図１４に、図１３の無線電力伝送システムにおいて、交流電力源１０２の出力電圧（インバータの出力電圧）に対する蓄電池１０１への供給電力（整流器の出力電力）の特性の例を示す。

低域通過フィルタを追加した構成では、交流電力源１０２の出力電圧を低い値から徐々に上昇させる場合、出力電圧がある値より小さい範囲では、蓄電池１０１へ供給される電力はゼロまたはほぼゼロであり、３００Ｖ付近の点から徐々に上昇する。しなしながら、ある点（図示の例では３５０Ｖ付近の点）を越えると、出力電圧の増加に対して急激な電力が蓄電池１０１へ供給され、これより以降は、交流電力源１０２の出力電圧に対する蓄電池１０１への供給電力の関係が、一様でなくなる。つまり、交流電力源１０２の出力電圧の増加分に対する蓄電池１０１の供給電力の増加分の比率が一定または略一定でなくなる。例えば、３５０Ｖを越えた後、交流電力源１０２の出力電圧の少しの増加で、蓄電池１０１の供給電力が大きく増加する。このため、交流電力源１０２の出力電圧を制御して、受電側の負荷インピーダンスを調整、すなわち蓄電池１０１への供給電力を制御することは困難である。よって、この構成では、送電電圧を徐々に上昇させながら、無線電力伝送を行う場合に、蓄電池１０１の供給電力を適切に制御できず（受電側のインピーダンスを適切な値に制御できず）、構成部品等へ過電流が流れ込む虞がある。このため、送電側から受電側への無線電力伝送を安全に開始することができない。

この問題に対策する手法として、送電周波数を変化させることが知られている。無線電力伝送に利用できる周波数帯域は、アプリケーションごとに規格化及びその準備がされており、自動車向けでは現状、ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌが定める８１．３８〜９０ｋＨｚの比帯域約１１％（±５．５％）の帯域しか利用できない。そこで、図１３に示されるシステムの送電周波数を+５％シフトした場合において、交流電力源１０２の出力電圧に対する蓄電池１０１への供給電力（整流器の出力電力）の特性の例を図１５に示す。図１５の特性は、図１４の特性に比べれば、若干改善されているものの、依然として、交流電力源１０２の出力電圧に対する蓄電池１０１への供給電力の関係が一様でない。すなわち、特に交流電力源１０２の出力電圧が３１５Ｖ付近の点を越えた後、出力電圧の増加に対して急激な電力が蓄電池１０１へ供給される。交流電力源１０２の出力電圧の増加分に対する蓄電池１０１の供給電力の増加分の比率が一定または略一定でない。このため、図１４を用いて説明したのと同様の理由により、送電側から受電側への無線電力伝送を安全に開始することができない

本実施形態では、送電電圧を徐々に上昇させながら、無線電力伝送を行う場合に、構成部品等への過電流を生じさせることのない、安定した送電電圧の起動を実現可能にするものである。

（第１の実施形態）
図１に本実施形態に係る無線電力伝送システムを示す。この無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを備える。

送電装置は、交流電力源２と、送電側低域通過フィルタ１０と、送電用コンデンサ３と、送電用コイル４とを備える。送電用コンデンサ３のキャパシタンスはＣ_ｒ１、送電用コイル４のインダクタンスは、Ｌ_ｒ１である。

受電装置は、受電用コイル６と、受電用コンデンサ５と、受電側低域通過フィルタ１１と、交流／直流変換器（整流器）７と、蓄電池１とを備える。受電用コンデンサ５のキャパシタンスはＣ_ｒ２、受電用コイル４のインダクタンスは、Ｌ_ｒ２である。ここでは蓄電池１は受電装置に組み込まれているが、受電装置の外側に配置されてもよい。

送電装置における交流電力源２は、所定の周波数の交流電力（交流電圧および交流電流）を生成する。交流電力は、一例として高周波電力（高周波電圧および高周波電流）である。交流電力源２は、一例として、直流電源と、インバータとを備え、直流電源で生成した直流電圧をインバータにより交流電圧に変換する。この場合、インバータの出力電圧が交流電力源２の出力電圧に対応する。送電側低域通過フィルタ１１０は、交流電力源２により生成された交流電流から高周波成分を除去し、除去後の交流電流を出力する。送電用コンデンサ３と送電用コイル４とは直列に接続されており、送電用共振器を構成する。送電用共振器は、一例として交流電力源２が生成する交流電圧の周波数（基本周波数）と同一またはほぼ同一の値の共振周波数を有する。送電用コイル４は、交流電力源２から供給される交流電流に応じて磁界を発生させる。

送電用共振器の構成は、送電用コンデンサ３と送電用コイル４の直列接続以外の構成も可能であり、例えば別の送電用コンデンサが、送電用コイル４の両端子のうち送電用コンデンサ３と反対側の端子に追加されてもよいし、あるいは送電用コンデンサ３に代えて配置されていてもよい。また、送電用コイル４は複数のコイルが直列に接続されたものでもよい。また送電用コイル４内部に磁性体が配置されていてもよい。ここで述べた以外の構成でもよい。

受電装置における受電用コイル６と受電用コンデンサ５とは直列に接続されており、受電用共振器を構成する。受電用共振器は、送電用共振器と同一またはほぼ同一の共振周波数を有する。受電用コイル６は、送電用コイル４により発生させられた磁界と結合して、磁界に応じた交流電流を発生させる。つまり、送電用共振器と受電用共振器間の磁気結合により、送電側から受電側に非接触に電力が伝送される。受電側低域通過フィルタ１１は、受電用共振器から入力される交流電流に含まれる高周波成分を除去して、除去後の交流電流を出力する。交流／直流変換器７は、受信共振器で受電された交流電力を直流電力に変換し、蓄電池１に供給する。交流／直流変換器７は、ブリッジダイオード等、任意の回路で構成できる。

受電用共振器の構成は、受電用コンデンサ５と受電用コイル６の直列接続以外の構成も可能であり、例えば別の受電用コンデンサが、受電用コイル６の両端子のうち受電用コンデンサ５と反対側の端子に追加されてもよいし、あるいは受電用コンデンサ５に代えて配置されていてもよい。また、受電用コイル６は複数のコイルが直列に接続されたものでもよい。また受電用コイル６内に磁性体が配置されていてもよい。ここで述べた以外の構成でもよい。

ここで、送電側低域通過フィルタ１０と、送電用コンデンサ５と、送電用コイル６と、受電用コンデンサ７と、受電用コイル８と、受電側低域通過フィルタ１１９と、交流／直流変換器（整流器）７とが従属接続されたシステム（ここでは対象システムと呼ぶ）を想定する。

本実施形態では、交流電力源の出力電圧を初期値から所望の値まで立ち上げる間、交流電力源の出力電圧の周波数において、対象システムの入力電圧および出力電圧間の逆伝達関数Ｔ（伝達関数は１／Ｔ）が、下記の式１を満足するように、送電側低域通過フィルタ１０および受電側低域通過フィルタ１１を構成する素子のパラメータ値が設定されていることを特徴の１つとしている。ｖ_ｉｎｖは交流電力源２の出力電圧であり、対象システムの入力電圧に対応する。Ｖ_ｂａｔは、蓄電池電圧（バッテリー電圧）であり、対象システムの出力電圧に対応する。｜Ｔ｜は逆伝達関数の絶対値である。したがって、この式は、逆伝達関数Ｔの絶対値の逆数が、対象システムの入力電圧と出力電圧の除算値以下になることを意味している。

この式によれば、逆伝達関数Ｔの絶対値の逆数（すなわち伝達関数の絶対値）にｖ_ｉｎｖを乗じた値が、Ｖ_ｂａｔ以上に維持される。このため、ｖ_ｉｎｖの初期値から出力電圧を徐々に上昇させる場合、蓄電池１へ電力が入力開始された後も、蓄電池１に供給される電力（交流／直流変換器の出力電力）は、出力電圧の増加に応じて、一様またはほぼ一様に変動する。このため、送電電圧の増加に対して、蓄電池１に急激に大きな電力が突入されることは阻止され、送電電圧の安定した立ち上げが可能になる。前述した図１３のシステムでは、送電電圧の増加時に、少なくともこの式１を満たしていない送電電圧の区間が存在しており、例えば送電電圧を上昇させている間、送電側から見た負荷インピーダンスが急激に変動して、蓄電池１に急激に電力が供給されることも生じ得る。このため、部品に過電流等が発生し、図１４又は図１５のような非一様な関係が発生し得る。

以下、上述の式１を満たすように、送電側低域通過フィルタ１０および受電側低域通過フィルタ１１の各素子のパラメータ値を決定する例を示す。具体的に、式１を満たすような、低域通過フィルタのフィルタ特性を表すパラメータ値（本例ではカットオフ周波数）を決定し、当該カットオフ周波数を実現するように各素子のパラメータ値を決定および設定する。所望のカットオフ周波数を実現するように各素子のパラメータ値を決定する方法は、当業者によって自明であるため、以下ではフィルタ特性を表すパラメータ値を決定する例を示す。

図２（Ａ）に、図１の無線電力伝送システムの具体的な構成例を示す。

送電側低域通過フィルタは、直列に接続されたコイルＬ_ｆ１およびコイルＬ_ｆ２と、これらのコイルの接続点に、交流電力源（または送電用共振器のコイルＬ_ｒ１）と並列に接続されたコンデンサＣ_ｆ１とを備える。Ｌ_ｆ１およびＬ_ｆ２は、コイルのインダクタンスを表すが、コイルの参照符号としても利用する。Ｃ_ｆ１は、コンデンサのキャパシタンスを表すが、コンデンサの参照符号としても利用する。

受電側低域通過フィルタは、直列に接続されたコイルＬ_ｆ３およびコイルＬ_ｆ４と、これらのコイルの接続点に、受電用共振器のコイルＬ_ｆ２と並列に接続されたコンデンサＣ_ｆ２とを備える。Ｌ_ｆ３およびＬ_ｆ４は、コイルのインダクタンスを表すが、コイルの参照符号としても利用する。Ｃ_ｆ２は、コンデンサのキャパシタンスを表すが、コンデンサの参照符号としても利用する。

また、交流／直流変換器はダイオードブリッジにより構成されている。Ｒｓは、交流電力源の出力インピーダンス（インバータの出力インピーダンス）である。Ｖ_ｂａｔは蓄電池電圧（バッテリー電圧）である。

送電電圧立ち上げ時の交流／直流変換器７は、蓄電池１の負荷を一定に割合で増加させる働きがあるのみであり、蓄電池１の負荷（Ｒ_ｂａｔ）の代わりに、送電側から見た負荷インピーダンスＺ_ｂａｔ（図２（Ａ）の一点鎖線参照）を考える。蓄電池電圧（バッテリー電圧）Ｖ_ｂａｔ＝３００Ｖ、電力伝送開始時の蓄電池１への供給電力５００Ｗとすると、蓄電池１の負荷（バッテリー負荷）Ｒ_ｂａｔ＝３００^２［Ｖ］／５００［Ｗ］＝１８０Ωとなる。また、送電側から見た交流／直流変換器以降の回路部分の負荷Ｚ_ｂａｔは、交流／直流変換器によるインピーダンス変換を考慮して、Ｚ_ｂａｔ＝（１８０［Ω］）×８／π^２≒１４６［Ω］となる。

図２（Ａ）において、送電側低域通過フィルタ１０、送電用共振器（送電用コンデンサＣ_ｒ１、送電用コイルＬ_ｒ１）と、受電用共振器（受電用コンデンサＣ_ｒ２、受電用コイルＬ_ｒ２）と、受電側低域通過フィルタ１１とが従属接続された対象システムを考える。この対象システムを、図２（Ｂ）の点線に示すように複数の部分回路に区分し、各部分回路のＦ行列をそれぞれＦ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４、Ｆ_５、Ｆ_６、Ｆ_７とする。すなわち、Ｆ_１は、コイルＬ_ｆ１のＦ行列、Ｆ_２は、コンデンサＣ_ｆ１のＦ行列、Ｆ_３は、コイルＬ_ｆ２のＦ行列、Ｆ_４は、送電用共振器（Ｃ_ｒ１、Ｌ_ｒ１）および受電用共振器（Ｃ_ｒ２、Ｌ_ｒ２）を合わせた回路のＦ行列、Ｆ_５は、コイルＬ_ｆ３のＦ行列、Ｆ_６は、コンデンサＣ_ｆ２のＦ行列、Ｆ_７は、コイルＬ_ｆ４のＦ行列である。なお、Ｆ行列は、２端子対回路の特性を表現する４つのパラメータ（Ｆパラメータ）を、行列の各要素に格納したものである。

対象システムのＦ行列をＦ_ａｌｌとすると、Ｆ_ａｌｌは以下で表される。

対象システムの逆伝達関数Ｔは、Ｆ_ａｌｌと、交流電力源の出力インピーダンス（インバータの出力インピーダンス）Ｒｓと、前述した負荷インピーダンスＺ_ｂａｔから、以下で表される。

また各部分回路のＦ行列Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３、Ｆ_４、Ｆ_５、Ｆ_６、Ｆ_７は、以下のように表される。

また、図２（Ａ）の送電側低域通過フィルタおよび受電側低域通過フィルタが、バターワース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）動作するとした場合、カットオフ周波数ｆ_ｃ、電力伝送系（すなわち送電装置側）の負荷インピーダンスＲ_Ｌを用いて、Ｌ_ｆ１、Ｌ_ｆ２、Ｌ_ｆ３、Ｌ_ｆ４、Ｃ_ｆ１、Ｃ_ｆ２は、以下のようになる。
Ｌ_ｆ１＝Ｌ_ｆ２＝Ｌ_ｆ３＝Ｌ_ｆ４＝Ｒ_Ｌ／２πｆ_ｃ
Ｃ_ｆ１＝Ｃ_ｆ２＝１／（２πｆ_ｃＲ_Ｌ×２）
カットオフ周波数ｆ_ｃは、決定すべきパラメータで、ここでは未定である。

送電側共振器および受電側共振器は同一の構成を有するものとし、送電周波数（あるいは共振周波数）ｆ＝８５ｋＨｚ、Ｌ_ｒ１＝Ｌ_ｒ２＝３１．２μＨ、Ｃ_ｒ１＝Ｃ_ｒ２＝１１２．３５ｎＦ、送電用共振器および受電用共振器のコイル間の結合係数ｋ＝０．６とした場合、最適負荷Ｒ_Ｌ＝２πｆｋＬ_ｒ１＝１０Ωである。また、逆伝達関数の絶対値｜Ｔ｜は、前述した式（３）から以下のようになる。

前述した式１に従って、カットオフ周波数ｆｃと、交流電力源の出力電圧（インバータの出力電圧）ｖ_ｉｎｖとの関係を図示すると、図３のようになる。この関係から、例えば電力の投入開始時の交流電力源の出力電圧を２００Ｖ以下にしたい場合は、カットオフ周波数３００ｋＨｚ以上となるように、送電側低域通過フィルタおよび受電側低域通過フィルタにおける各素子のパラメータ値（インダクタンス、キャパシタンス）を決定すればよい。例えば、当該決定したパラメータ値を有する素子を製造し、当該素子を用いて低域通過フィルタを構成すればよい。

このように各素子のパラメータ値が設定された無線電力伝送システムについて、交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖを、５０Ｖから６００Ｖまで５Ｖずつ増加させた場合の蓄電池１に供給される電力を、シミュレーションソフトであるＳＰＩＣＥ（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｅｍｐｈａｓｉｓ）を用いて計算した例を図４に示す。交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖが約３７０Ｖから５Ｖずつ増加するごとに、ほぼ一定量の電力が増加している。よって、交流電力源２の出力電圧の増加に対して、ほぼ一様に電力が増加していることが確認できる。

以上、本発明の実施形態によれば、供給電力に依存して電池負荷が変動する蓄電池へ充電するに際して、規定の電力を超えずに、送電電圧を立ち上げる（あるいは送電電力を立ち上げる）ことが可能となる。

（第２の実施形態）
図５に第２の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す。この無線電力伝送システムは送電装置と受電装置とを備える。

送電装置において、送電側低域通過フィルタ２０と送電用共振器との間に、送電側調整用直列コンデンサ１２と送電側調整用並列コンデンサ１３とが配置されている。直列コンデンサ１２は、送電用共振器のコンデンサ３に直列に接続されており、送電側調整用並列コンデンサ１３は、送電用共振器のコイル４に並列に接続されている。送電側調整用直列コンデンサ１２のキャパシタンスはＣｗであり、送電側調整用並列コンデンサ１３のキャパシタンスはＣｘである。

また、受電装置において、受電側低域通過フィルタ２１と受電用共振器との間に、受電側調整用直列コンデンサ１５と送電側調整用並列コンデンサ１４とが配置されている。受電側調整用直列コンデンサ１５は、受電用共振器のコンデンサ５に直列に接続されており、送電側調整用並列コンデンサ１３は、受電用共振器のコイル６に並列に接続されている。受電側調整用直列コンデンサ１５のキャパシタンスはＣｗ、送電側調整用並列コンデンサ１３のキャパシタンスはＣｙである。本例では、送電側調整用直列コンデンサ１２と受電側調整用直列コンデンサ１５のキャパシタンスＣｗはいずれも同じ値であるとするが、これに限定されるものではない。

なお、送電側低域通過フィルタ２０および受電側低域通過フィルタ２１は、図１の送電側低域通過フィルタ１０および受電側低域通過フィルタ１１と同じである必要はない（つまり第１の実施形態に従って決定されたパラメータ値が設定されている必要はない）。送電側低域通過フィルタ２０および受電側低域通過フィルタ２１は、図１３の送電側低域通過フィルタ１１０および受電側低域通過フィルタ１１１と同じでもよい。上記に述べた以外の構成は、図１と同様である。

本実施形態において、送電側低域通過フィルタ２０と、送電側調整用直列コンデンサ１２と、送電側調整用並列コンデンサ１３と、送電用コンデンサ３と、送電用コイル４と、受電用コイル６と、受電用コンデンサ５と、受電側調整用並列コンデンサ１４と、受電側調整用直列コンデンサ１５と、受電側低域通過フィルタ２１と、交流／直流変換器７とが従属接続された対象システムを想定する。

なお、第１の実施形態の説明で述べたように、交流／直流変換器７は、送電電圧の立ち上げ時は蓄電池１の負荷を一定に割合で増加させる働きがあるのみであるため、送電側から見た交流／直流変換器７以降のインピーダンスを考慮することで、交流／直流変換器７を除去して考えてもよい。

当該対象システムの入力電圧および出力電圧間の逆伝達関数Ｔ（伝達関数は１／Ｔ）が、第１の実施形態における式１を満足するように、送電側調整用直列コンデンサ１２と送電側調整用並列コンデンサ１３と受電側調整用並列コンデンサ１４と受電側調整用直列コンデンサ１５のパラメータ値（キャパシタンス）が選択され、設定されている。よって第１の実施形態の説明で述べたのと同様の理由で、交流電力源の出力電圧と、蓄電池１に供給される電力との関係が一様になる。よって、供給電力に依存して電池負荷が変動する蓄電池への充電に際して、規定の電力を超えずに、送電電圧を立ち上げることが可能となる。

図５の無線電力伝送システムについて、交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖを、５０Ｖから６００Ｖまで５Ｖずつ増加させた場合の蓄電池１に供給される電力を、ＳＰＩＣＥを用いて計算した例を図６に示す。交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖの５０Ｖから、５Ｖずつ出力電圧が増加するごとに、ほぼ一様に送電電力が増加していることが確認できる。

（第３の実施形態）
図７に第３の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す。第１の実施形態では送電装置の交流電力源と送電用共振器間に低域通過フィルタを配置し、および受電装置の受電用共振器と交流／直流変換器間に低域通過フィルタを配置した。本実施形態では、送電装置の交流電力源２と送電用共振器間に受動回路８を配置し、受電装置の受動共振器と交流／直流変換器７間に受動回路９を配置する。受動回路８および受動回路９は、少なくとも１つの受動素子（コンデンサ、コイルまたは抵抗等）を含む回路であれば、何でもよい。前述した送電側低域通過フィルタまたは受電側低域通過フィルタも、受動回路の一例である。また図５に示した送電側低域通過フィルタ２０と送電調整用直列コンデンサ１２と送電調整用並列コンデンサ１３との組も、受動回路の一例である。図５に示した受電側低域通過フィルタ２１と受電調整用直列コンデンサ１５と受電調整用並列コンデンサ１４との組も、受動回路の一例である。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に受動回路の構成を具体化した例を示す。図８（Ａ）は、受動回路８、９をそれぞれコイル５１、５２により構成した場合を示す。コイル５１、５２は、それぞれコンデンサ３、５と直列に接続されているが、コイル４、６の両端子のうちコンデンサ３、５と反対側の端子に直列に接続されてもよい。あるいは、コイル４、６の両側に２つのコイルを配置してもよい。

図８（Ｂ）は、受動回路８、９をそれぞれコンデンサ５３、５４により構成した場合を示す。コンデンサ５３、５４は、それぞれコンデンサ３、５と直列に接続されているが、コイル４、６の両端子のうちコンデンサ３、５と反対側の端子に直列に接続されてもよい。あるいは、コイル４、６の両側に２つのコンデンサを配置してもよい。

図８（Ｃ）は、受動回路８、９をそれぞれトランス回路により構成した場合を示す。送電回路８は、対向するコイル６１、６２と、コイル６１の一端と交流電力源２間に接続されたコンデンサ６３と、コイル６２の一端とコンデンサ３間に接続されたコンデンサ６４を備える。受動回路９は、対向するコイル７１、７２と、コイル７１の一端と交流／直流変換器７間に接続されたコンデンサ７３と、コイル７２の一端とコンデンサ５間に接続されたコンデンサ７４を備える。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示した例はほんの一例に過ぎず、他にもさまざまな回路構成が可能である。例えば図８（Ａ）のコイル５１とコンデンサ３間に別のコンデンサまたは抵抗等を配置してもよいし、コイル５１とコンデンサ３間に、コイル４と並行に別のコンデンサが配置されてもよい。

本実施形態において、受動回路８と、送電用コンデンサ３と、送電用コイル６と、受電用コイル８と、受電用コンデンサ７と、受動回路９と、交流／直流変換器７とが従属接続された対象システムを想定する。

なお、第１の実施形態の説明で述べたように、交流／直流変換器７は、送電電圧の立ち上げ時は蓄電池１の負荷を一定に割合で増加させる働きがあるのみであるため、送電側から見た交流／直流変換器７以降のインピーダンスを考慮することで、交流／直流変換器７を除去して考えてもよい。

当該対象システムの入力電圧および出力電圧間の逆伝達関数Ｔ（伝達関数は１／Ｔ）が、第１の実施形態における式１を満足するように、受動回路８および受動回路９のパラメータ値が選択および設定されている。よって第１の実施形態の説明で述べたのと同様の理由で、交流電力源の出力電圧と、蓄電池１に供給される電力との関係が一様になる。よって、供給電力に依存して電池負荷が変動する蓄電池へ充電するに際して、規定の電力を超えずに、送電電圧を立ち上げることが可能となる。

図７の示した無線電力伝送システムについて、交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖを５０Ｖから６００Ｖまで５Ｖずつ増加させた場合の蓄電池１に供給される電力を、ＳＰＩＣＥを用いて計算した例を図９に示す。交流電力源２の出力電圧ｖ_ｉｎｖの５０Ｖから、出力電圧が５Ｖずつ増加するにごとに、ほぼ一様に送電電力が増加していることが確認できる。

なお、受動回路８または受動回路９内の受動素子として、無線電力伝送システムで発生する寄生成分、すなわち、送電装置または受電装置内で発生する寄生成分（寄生容量、寄生インダクタ、寄生抵抗等）の影響をキャンセルするための素子が含まれていてもよい。これにより、製品（送電装置または受電装置等）の製造ばらつきや、実装状態により発生する寄生成分により、所望の設計から交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力との相関関係（一様な関係）がずれる場合においても、実装後に当該素子を利用（追加等）して当該相関関係の補正が可能となる。これにより、様々な条件化においても安定した電力立ち上げ制御が可能になる。

（第４の実施形態）
図１０に、第４の実施形態に係る無線電力伝送システムを示す。送電装置の交流電力源２と送電用共振器間に受動回路１６を配置し、受電装置の受動共振器と交流／直流変換器７間に受動回路１７を配置する。受動回路１６、１７は、図７の受動回路１６および受動回路１７と同様、少なくとも１つの受動素子（コンデンサ、コイルまたは抵抗等）を含む回路である。受動回路１６、１７内の素子は、負荷制御ユニット１８から供給される負荷制御信号に応じてパラメータ値が変更可能になっている。当該素子は、例えば可変容量コンデンサ、可変インダクタンスコイル、または可変抵抗等である。

負荷制御ユニット１８は、受動回路１６および受動回路１７に接続されており、受動回路１６および受動回路１７にパラメータ値を指定した負荷制御信号を出力する。受動回路１６および受動回路１７は、負荷制御信号に応じて素子のパラメータ値を制御する。これにより、負荷制御ユニット１８は、受動回路１６および受動回路１７を所望のインピーダンスへ制御できる。

本実施形態において、受動回路１６と、送電用コンデンサ３と、送電用コイル４と、受電用コイル６と、受電用コンデンサ５と、受動回路１７と、交流／直流変換器７とが従属接続された対象システムを想定する。

なお、第１の実施形態の説明で述べたように、交流／直流変換器７は、送電電圧の立ち上げ時は蓄電池１の負荷を一定に割合で増加させる働きがあるのみであるため、送電側から見た交流／直流変換器７以降のインピーダンスを考慮することで、交流／直流変換器７を除去して考えてもよい。

対象システムの入力電圧および出力電圧間の逆伝達関数Ｔ（伝達関数は１／Ｔ）が、第１の実施形態における式１を満足するように、受動回路１６および受動回路１７のパラメータ値が設定されている。よって第１の実施形態の説明で述べたのと同様の理由で、交流電力源の出力電圧と、蓄電池１へ入力される電力（交流／直流変換器の出力電力）との関係が一様になり、供給電力に依存して電池負荷が変動する蓄電池への充電に際して、規定の電力を超えずに、送電電圧を立ち上げることが可能となる。また、パラメータ値が設計値に対してずれている場合なども、パラメータ値を外部から調整することで、受動回路１６および受動回路１７の負荷特性を所望の状態に制御できる。また、製品（送電装置または受電装置等）の製造ばらつきや、実装状態により発生する寄生成分により、交流電力源の出力電圧と蓄電池の受電電力との相関関係（一様な関係）が所望の設計からずれる場合においても、実装後に当該素子のパラメータ値を外部から調整することで、当該相関関係の補正が可能となる。これにより、様々な条件化においても安定した電力立ち上げ制御が可能になる。

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。

１：蓄電池
２：交流電力源
３：送電用コンデンサ
４：送電用コイル
５：受電用コンデンサ
６：受電用コイル
７：交流／直流変換器（整流器）
８：受動回路
９：受動回路
１０：送電側低域通過フィルタ
１１：受電側低域通過フィルタ
１６：受動回路
１７：受動回路
１８：負荷制御ユニット
５１、５２、６１、６２、７１、７２：コイル
５３、５４、６３、６４、７３、７４：コンデンサ
１０１：蓄電池
１０２：交流電力源
１０３：送電用コンデンサ
１０４：送電用コイル
１０６：受電用コイル
１０５：受電用コンデンサ
１０７：交流／直流変換器（整流器）

Claims (18)

1. 交流電圧を発生させる交流電力源と、
   前記交流電圧に応じた磁界を発生させる送電用共振器と、
   前記磁界を介して、交流電力を受電する受電用共振器と、
   前記交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を蓄電池に供給する交流／直流変換器と、
   前記交流電圧源と前記送電用共振器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第１回路と、
   前記受電用共振器と前記交流／直流変換器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第２回路とを備え、
   前記交流電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ上昇させる間、前記交流電圧の周波数において、前記第１回路と、前記送電用共振器と、前記受電用共振器と、前記第２回路と、前記交流／直流変換器とを含む対象システムの入力電圧と出力電圧間の逆伝達関数の絶対値が、前記交流電圧と蓄電池電圧の除算値以下になるように、前記第１回路および前記第２回路における前記受動素子のパラメータ値が設定されている
   無線電力伝送システム。
2. 前記第１回路および前記第２回路は、それぞれ低域通過フィルタを含む
   請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 前記第１回路および前記第２回路の少なくとも一方は、前記少なくとも一方の回路に含まれる前記受動素子に関する制御信号を受信し、
   前記少なくとも一方の回路は、前記制御信号に基づいて前記受動素子のパラメータ値を変更する
   請求項１ないし２のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
4. 前記第１回路および前記第２回路の少なくとも一方は、前記少なくとも１つの受動素子として、前記無線電力伝送システム内で発生する寄生成分の影響をキャンセルするための素子を含む
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
5. 前記第１回路における前記少なくとも１つの受動素子は、抵抗、コンデンサ、およびインダクタのうちの少なくとも１つを含み、
   前記第２回路における前記少なくとも１つの受動素子は、抵抗、コンデンサ、およびインダクタのうちの少なくとも１つを含む
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
6. 受電した電力を蓄電池へ供給する受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
   交流電圧を発生させる交流電力源と、
   前記交流電圧に応じて、前記受電装置に結合する磁界を発生させる送電用共振器と、
   前記交流電圧源と前記送電用共振器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第１回路と、を備え、
   前記交流電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ上昇させる間、前記交流電圧の周波数において、前記第１回路と、前記送電用共振器と、前記受電装置とを含む対象システムの入力電圧と出力電圧間の逆伝達関数の絶対値が、前記交流電圧と蓄電池電圧の除算値以下になるように、前記第１回路における前記受動素子のパラメータ値が設定されている
   送電装置。
7. 前記逆伝達関数は、前記第１回路と、前記送電用共振器と、前記磁界を介して前記交流電力を受電する受電用共振器と、前記交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器とを含む前記対象システムの入力電圧と出力電圧との間の逆伝達関数である
   請求項６に記載の送電装置。
8. 前記逆伝達関数は、前記第１回路と、前記送電用共振器と、前記受電用共振器と、前記受電用共振器と前記交流／直流変換器間に配置された、少なくとも１つの受動素子を含む第２回路と、前記交流／直流変換器とを含む前記対象システムの入力電圧と出力電圧との間の逆伝達関数である
   請求項７に記載の送電装置。
9. 前記第１回路は低域通過フィルタを含む
   請求項６ないし８のいずれか一項に記載の送電装置。
10. 前記第１回路は、前記受動素子に関する制御信号を受信し、
    前記第１回路は、前記制御信号に基づいて前記受動素子のパラメータ値を変更する
    請求項６ないし９のいずれか一項に記載の送電装置。
11. 前記第１回路は、前記少なくとも１つの受動素子として、前記送電装置内で発生する寄生成分の影響をキャンセルするための素子を含む
    請求項６ないし１０のいずれか一項に記載の送電装置。
12. 前記第１回路における前記少なくとも１つの受動素子は、抵抗、コンデンサ、およびインダクタのうちの少なくとも１つを含む
    請求項６ないし１１のいずれか一項に記載の送電装置。
13. 送電装置から無線で電力を受電する受電装置であって、
    磁界結合を介して、前記送電装置の送電用共振器から交流電力を受電する受電用共振器と、
    前記交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を蓄電池に供給する交流／直流変換器と、
    前記受電用共振器と前記交流／直流変換器との間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第１回路とを備え、
    前記交流電圧が第１の電圧値から第２の電圧値へ上昇させられる間、前記交流電力の周波数において、前記送電用共振器と、前記受電用共振器と、前記交流／直流変換器とを含む対象システムの入力電圧と出力電圧との間の逆伝達関数の絶対値が、前記交流電圧と蓄電池電圧の除算値以下になるように、前記第１回路における前記受動素子のパラメータ値が設定されている
    受電装置。
14. 前記逆伝達関数は、前記送電装置における交流電力源と前記送電用共振器間に配置され、少なくとも１つの受動素子を含む第２回路と、前記送電用共振器と、前記受電用共振器と、前記交流／直流変換器とを含む前記対象システムの入力電圧と出力電圧との間の逆伝達関数である
    請求項１３に記載の受電装置。
15. 前記第１回路は低域通過フィルタを含む
    請求項１３ないし１４のいずれか一項に記載の受電装置。
16. 前記第１回路は、前記受動素子に関する制御信号を受信し、
    前記第１回路は、前記制御信号に基づいて前記受動素子のパラメータ値を変更する
    請求項１３ないし１５のいずれか一項に記載の受電装置。
17. 前記第１回路は、前記少なくとも１つの受動素子として、前記受電装置内で発生する寄生成分の影響をキャンセルするための素子を含む
    請求項１３ないし１６のいずれか一項に記載の受電装置。
18. 前記第１回路における前記少なくとも１つの受動素子は、抵抗、コンデンサ、およびインダクタのうちの少なくとも１つを含む
    請求項１３ないし１７のいずれか一項に記載の受電装置。

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