JPWO2018159732A1 - ワイヤレス送電装置及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

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Abstract

【課題】特別なセンサを使用することなく、送受電コイル間の対向方向の離間距離を高精度に算出することを実現する。【解決手段】ワイヤレス送電装置Ｕｔは、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス受電装置Ｕｒにワイヤレスで電力伝送するワイヤレス送電装置Ｕｔであって、直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路ＰＳ、及び、電力変換回路ＰＳから供給される交流電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルを含む送電コイルユニットＬｔｕを含む送電回路Ｃｔと、送電コイルから発生する磁束量を制御する制御回路Ｓｔｕと、を備える。制御回路Ｓｔｕは、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値から送電コイルと受電コイルの対向方向の離間距離を算出する。【選択図】図３

Description

本発明は、ワイヤレス送電装置及びワイヤレス電力伝送システムに関する。
相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルとの間の磁気的結合を利用し、１次コイルに与えた交流電流のエネルギーを２次コイルにワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送技術が知られている。
このワイヤレス電力伝送技術では、送電コイルと受電コイルの相対的な位置関係が適切でないまま電力伝送を行うと、想定しない電圧、電流が回路各部に発生し、素子の破損につながることが問題視されている。そこで、電力伝送を開始する前に送電コイルと受電コイルの相対的な位置関係（具体的には、送受電コイル間の対向方向及び対向方向と直交する方向の離間距離）を求め、その結果に基づいて電力伝送を行うことが検討されている。
特許文献１には、送電コイルと受電コイルの相対的な位置関係を求めるための技術が開示されている。この技術では、受電コイルは車両に取り付けられ、送電コイルは駐車場の床面に設置される。送受電コイル間の対向方向（高さ方向）の離間距離は、車両内に設置される車高センサの出力値から算出される。一方、対向方向と直交する方向（水平方向）の離間距離は、送電コイル側に設けられる高周波電源回路の出力インピーダンスに基づいて算出される。
特開２０１６−８６５７７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、送受電コイル間の対向方向の離間距離を求めるために車高センサが必要になる。車高センサのようなセンサの使用はコスト、サイズ、制御の複雑さ等の増大要因となるので、改善が求められていた。
したがって、本発明の目的の一つは、特別なセンサを使用することなく、送受電コイル間の対向方向の離間距離を高精度に推定できるワイヤレス送電装置及びワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。
本発明によるワイヤレス送電装置は、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス送電装置であって、直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、前記送電コイルから発生する磁束量を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値から前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離を算出するワイヤレス送電装置である。なお、本発明によるワイヤレス送電装置は、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス送電装置であって、直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、前記送電コイルに流れる電流を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記送電コイルに流れる電流を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値から前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離を算出するワイヤレス送電装置であるとしてもよい。
送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態においては、送受電コイル間の水平方向の離間距離の変化に対しては送電コイルのインダクタンス値があまり変化しないのに対し、送受電コイル間の対向方向の離間距離の変化に対しては送電コイルのインダクタンス値が大きく変化する。したがって、送受電コイル間の対向方向の離間距離が変化するとワイヤレス送電装置の回路特性値も大きく変化するので、本発明によれば、特別なセンサを使用することなく、送受電コイル間の対向方向の離間距離を高精度に算出することが可能になる。
上記ワイヤレス送電装置において、前記送電回路は、外部電源から供給される電力を変換して前記電力変換回路に前記直流電力を出力する電源回路をさらに含み、前記制御回路は、前記電源回路の出力直流電流、前記電源回路の出力直流電圧、又は、前記直流電力の少なくとも１つを変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御することとしてもよいし、前記電力変換回路は、複数のスイッチング素子を有し、前記制御回路は、前記駆動周波数又は前記複数のスイッチング素子の時比率を変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御することとしてもよい。これらによれば、送電コイルから発生する磁束量を制御回路によって制御することができるので、送電コイルの発生する交流磁界強度を一定とすることが可能になる。
上記ワイヤレス送電装置において、前記送電回路は、前記電力変換回路と前記送電コイルの間にコンデンサ又はインダクタの少なくとも一方を有するインピーダンス変換回路をさらに含み、前記制御回路は、前記インピーダンス変換回路のリアクタンス値を変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御することとしてもよい。これによれば、送電コイルから発生する磁束量を制御回路によって制御することができるので、送電コイルの発生する交流磁界強度を一定とすることが可能になる。
上記ワイヤレス送電装置において、前記送電コイルはインダクタンス値を変更可能に構成されており、前記制御回路は、前記送電コイルのインダクタンス値を変更することにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御することとしてもよい。これによれば、送電コイルから発生する磁束量を制御回路によって制御することができるので、送電コイルの発生する交流磁界強度を一定とすることが可能になる。
このワイヤレス送電装置においてさらに、前記制御回路は、前記ワイヤレス送電装置の回路特性値と同じ種類の回路特性値を制御することにより、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御することとしてもよい。送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した結果としての回路特性値には送電コイルのインダクタンス値の変化が反映されるので、これによれば、送受電コイル間の対向方向の離間距離を高精度に算出することが可能になる。
本発明によるワイヤレス電力伝送システムは、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス送電装置は、上記各ワイヤレス送電装置のいずれかであり、前記ワイヤレス受電装置は、前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、前記制御回路は、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記結合係数と前記ワイヤレス送電装置の回路特性値とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出するワイヤレス電力伝送システムである。これによれば、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御することにより、送受電コイル間の結合係数と整流回路の出力電圧の間の関係が単調となるので、制御回路は、整流回路の出力電圧から送受電コイル間の結合係数を高精度に算出することができる。したがって、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置の回路特性値から得られる情報と合わせ、送受電コイル間の相対位置関係をより高精度に算出することが可能になる。
上記ワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記制御回路は、前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係から伝送可能電力を算出し、算出した前記伝送可能電力に基づいて前記送電回路の動作を制御することとしてもよい。これによれば、制御回路は、算出した相対位置関係における適切な電力制御を行うことができるので、回路各部に想定しない電圧、電流が発生することによる素子の破損を防ぐことが可能になる。
上記各ワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記整流回路の出力端と負荷との接続状態を切り替える切替回路をさらに備え、前記切替回路は、前記制御回路が前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出する場合に、前記整流回路の出力端を開放状態とすることとしてもよい。これによれば、送受電コイル間の結合係数と整流回路の出力電圧との間の関係を負荷に非依存にすることができるので、制御回路は、送受電コイル間の結合係数をより高精度に算出することが可能になる。
上記各ワイヤレス電力伝送システムにおいて、固定抵抗値を有する負荷抵抗と、前記整流回路の出力端と負荷又は前記負荷抵抗との接続状態を切り替える切替回路と、をさらに備え、前記切替回路は、前記制御回路が前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出する場合に、前記整流回路の出力端を前記負荷抵抗に接続させることとしてもよい。これによっても、送受電コイル間の結合係数と整流回路の出力電圧との間の関係を負荷に非依存にすることができるので、制御回路は、送受電コイル間の結合係数をより高精度に算出することが可能になる。
上記各ワイヤレス電力伝送システムにおいて、ユーザに対して情報を報知する報知器をさらに備え、前記制御回路は、前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離と前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの前記対向方向と直交する方向の離間距離を算出し、前記報知器は、前記ユーザに前記送電コイルと前記受電コイルの前記対向方向と直交する方向の離間距離を報知することとしてもよい。これによれば、送受電コイル間の水平方向の離間距離をユーザに通知することができるので、送受電コイルの位置合わせを行う際のユーザの利便性が向上する。
本発明の他の一側面によるワイヤレス電力伝送システムは、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス送電装置は、直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、前記送電コイルから発生する磁束量を制御する制御回路と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、前記制御回路は、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値を取得するとともに、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記回路特性値及び前記結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出する、ワイヤレス電力伝送システムである。なお、本発明の他の一側面によるワイヤレス電力伝送システムは、送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス送電装置は、直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、前記送電コイルに流れる電流を制御する制御回路と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、前記制御回路は、前記送電コイルに流れる電流を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値を取得するとともに、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記回路特性値及び前記結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出する、ワイヤレス電力伝送システムであるとしてもよい。これによれば、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置の回路特性値、及び、送電コイルと受電コイルの結合係数から、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を算出することが可能になるので、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置への電力伝送を実行することが可能になる。また、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさをユーザに対して通知することも可能になる。
本発明によれば、特別なセンサを使用することなく、送受電コイル間の対向方向の離間距離を高精度に算出することが可能になる。
本発明の他の一側面によれば、特別なセンサを使用することなく、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置への電力伝送を実行することが可能になるとともに、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさをユーザに対して通知することが可能になる。
本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの使用状態を示す図である。 （ａ）は、離間距離Ｄの大きさに対する送電コイルのインダクタンス値の変化率を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の横軸を送電コイルと受電コイルの結合係数ｋに置き換えたものである。 本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による制御回路Ｓｔｕの処理フローを示すフロー図である。 本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 本発明の第７の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 本発明の第８の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 送電コイルユニットＬｔｕ及び受電コイルユニットＬｒｕを上から見た図である。 進行方向の位置ずれΔＸの大きさと、送電コイルのインダクタンス値との関係を示す図である。 本発明の第９の実施の形態による送電コイルと受電コイルの相対位置関係の算出の原理を示す図である。 本発明の第９の実施の形態による制御回路Ｓｔｕの処理フローを示すフロー図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下では、初めに図１及び図２を参照して本発明の構成の概要を説明した後、図３以降の各図を参照しながら本発明の構成の詳細について説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの使用状態を示す図である。図１（ａ）は、比較的高い最低地上高を有する電気自動車Ｖｅａ（例えばＳＵＶ）に対して電力を伝送するためにワイヤレス電力伝送システムを用いる例を示し、図１（ｂ）は、比較的低い最低地上高を有する電気自動車Ｖｅｂ（例えばセダン）に対して電力を伝送するためにワイヤレス電力伝送システムを用いる例を示している。
ワイヤレス電力伝送システムは、送電コイルユニットＬｔｕを含むワイヤレス送電装置Ｕｔと、受電コイルユニットＬｒｕを含むワイヤレス受電装置Ｕｒとを有して構成される。図１に示すように、送電コイルユニットＬｔｕは路面に設置される装置であり、図示しない送電コイルを含んで構成される。一方、受電コイルユニットＬｒｕは車両の底面に設置される装置であり、図示しない受電コイルを含んで構成される。ユーザは、電気自動車Ｖｅａ，Ｖｅｂの充電を行う際、それぞれの電気自動車を送電コイルユニットＬｔｕの上方に移動させることにより、送電コイルが生成する磁界の中に受電コイルユニットＬｒｕを配置する。これにより、送電コイルと受電コイルの磁気結合を通じてワイヤレス送電装置Ｕｔからワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送が実行され、こうして伝送された電力によって、電気自動車内の二次電池（図示せず）が充電される。
ところで、ワイヤレス送電装置Ｕｔからワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送を適切に実行するためには、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に応じて、送電コイルから発生する磁束の量を適切に制御する必要がある。そこで本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、電力伝送を開始する前に、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を算出するための処理を実行する。そして、算出された相対位置関係から伝送可能電力を算出し、算出した伝送可能電力に基づいて、内部回路（図１には示していない）の動作を制御するよう構成される。
送電コイルと受電コイルの相対位置関係は、図１に示す離間距離Ｚ，Ｄにより表される。離間距離Ｚは、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向（高さ方向）の離間距離であり、離間距離Ｄは、対向方向と直交する方向（水平方向）の離間距離Ｄである。ワイヤレス送電装置Ｕｔは、電力伝送を開始する前に、これら離間距離Ｚ，Ｄの算出を行う。
図２（ａ）は、離間距離Ｄの大きさに対する送電コイルのインダクタンス値の変化率を示す図である。同図の横軸には離間距離Ｄを示し、縦軸には、離間距離Ｚ＝１４０ｍｍにおける最小インダクタンスとの相違（変化率）を百分率で示している。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の横軸を送電コイルと受電コイルの結合係数ｋに置き換えたものである。結合係数ｋは一般に、離間距離Ｚが同じ値であれば、離間距離Ｄが大きいほど小さな値となる。
図２（ａ）を参照すると理解されるように、送電コイルのインダクタンス値は、水平方向の離間距離Ｄの変化に対してはほとんど変化しない一方、対向方向の離間距離Ｚの変化に対しては大きく変化する。したがって、送電コイルのインダクタンス値が分かれば、離間距離Ｚを求めることができると言える。本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、この原理を利用して離間距離Ｚの算出を行う。
また、本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、ワイヤレス受電装置Ｕｒからの情報に基づき、送電コイルと受電コイルの結合係数ｋを算出する。この結合係数ｋの算出の詳細については第５の実施の形態で説明するが、結合係数ｋには、離間距離Ｚが等しければ離間距離Ｄに依存して変化するという性質がある。したがって、離間距離Ｚが分かっていれば結合係数ｋから離間距離Ｄを求めることができるので、本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、この原理を利用して離間距離Ｄの算出を行う。
ワイヤレス送電装置Ｕｔは、以上のようにして算出した離間距離Ｚ，Ｄに基づいて、伝送可能電力の算出を行う。以下、このような処理を行うワイヤレス送電装置Ｕｔの３つの実施の形態（第１〜第３の実施の形態）について、図３〜図６を参照しながら説明する。また、その後、ワイヤレス送電装置Ｕｔを含むワイヤレス電力伝送システムの５つの実施の形態（第４〜第８の実施の形態）について、図７〜図１１を参照しながら詳しく説明する。
図３は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、図１にも示した受電コイルユニットＬｒｕを含むワイヤレス受電装置Ｕｒとともに、ワイヤレス電力伝送システムＳを構成する。
ワイヤレス送電装置Ｕｔは、送電コイルと受電コイルとの磁気結合によりワイヤレス受電装置Ｕｒにワイヤレスで電力伝送する装置であって、図１にも示した送電コイルユニットＬｔｕの他に、電源回路ＰＣと、電力変換回路ＰＳと、制御回路Ｓｔｕと、電流検出回路Ｄｔｕとを含んで構成される。送電コイルユニットＬｔｕ、電源回路ＰＣ、及び電力変換回路ＰＳは、ワイヤレス送電装置Ｕｔの送電回路Ｃｔを構成する。
電源回路ＰＣは、例えば商用交流電源である外部電源ＰＷから供給される交流電力を所望の直流電力に変換して出力する回路であり、例えばＰＦＣ(Power Factor Correction)回路又は安定化電源によって構成される。
電力変換回路ＰＳは、電源回路ＰＣから供給される直流電力を所定の駆動周波数の交流電力に変換する回路であり、具体的には、複数のスイッチング素子を含むスイッチング電源である。各スイッチング素子は、ブリッジ接続される。スイッチング素子の例としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの素子が挙げられる。
送電コイルユニットＬｔｕは、電力変換回路ＰＳから供給される交流電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルを含む。電力変換回路ＰＳによって生成された交流電力が送電コイルの両端に供給されると、送電コイル内を交流電流が流れ、送電コイルの周囲に交流磁界が発生する。この交流磁界内に受電コイルが入ると、受電コイルに誘導電流が流れる。これにより、ワイヤレス送電装置Ｕｔからワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送が実現される。なお、送電コイルユニットＬｔｕは、送電コイルに接続され、送電コイルとともに共振回路を構成するキャパシタを含んでいても構わない。
電流検出回路Ｄｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕに含まれる送電コイルに流れる電流の値（以下、「送電コイル電流値」という）を検出する回路である。電流検出回路Ｄｔｕは、検出した送電コイル電流値を制御回路Ｓｔｕに出力する。
制御回路Ｓｔｕは、送電コイルと受電コイルの相対位置関係（具体的には、上述した離間距離Ｚ，Ｄ）を算出し、算出した相対位置関係から伝送可能電力を算出し、算出した伝送可能電力に基づいて送電回路Ｃｔの動作を制御する機能を有する回路である。以下、図４のフロー図を参照しながら、制御回路Ｓｔｕの機能について詳しく説明する。
図４は、制御回路Ｓｔｕの処理フローを示すフロー図である。制御回路Ｓｔｕはまず、ワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値を制御することにより、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御する（ステップＳ１）。ここでいう回路特性値としては各種のものが考えられるが、本実施の形態においては、電源回路ＰＣの出力直流電流、電源回路ＰＣの出力直流電圧、電源回路ＰＣから電力変換回路ＰＳに供給される直流電力、電力変換回路ＰＳが生成する交流電力の周波数（上述した駆動周波数）、及び、電力変換回路ＰＳを構成する複数のスイッチング素子の時比率（オンオフのデューティー）の少なくともいずれか１つである。
なお、電源回路ＰＣの出力直流電流、電源回路ＰＣの出力直流電圧、又は、電源回路ＰＣから電力変換回路ＰＳに供給される直流電力をワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値として用いる場合、制御回路Ｓｔｕは、電源回路ＰＣを制御することによりワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値を制御することとなる。一方、電力変換回路ＰＳが生成する交流電力の周波数（上述した駆動周波数）又は電力変換回路ＰＳを構成する複数のスイッチング素子の時比率（オンオフのデューティー）をワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値として用いる場合、制御回路Ｓｔｕは、電力変換回路ＰＳを制御することによりワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値を制御することとなる。
また、制御回路Ｓｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕ内の送電コイルから発生する磁束量が一定かどうかを把握するための監視値として、送電コイル電流値を使用する。つまり、送電コイル電流値が一定となるようにワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値を制御することにより、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御する。送電コイル電流値が一定となっていれば、送電コイルから発生する磁束量も一定であると言えるので、この制御により、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御することが可能になる。なお、本実施の形態では、送電コイルユニットＬｔｕ内の送電コイルから発生する磁束量が一定かどうかを把握するために電流検出回路Ｄｔｕが検出する送電コイル電流値を用いているが、送電コイルから発生する磁束量が一定かどうかを把握できる他の方法を用いても構わない。
次いで制御回路Ｓｔｕは、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値を取得する（ステップＳ２）。ここで取得する回路特性値は、ステップＳ１で制御の対象とした回路特性値と同じものである。そして制御回路Ｓｔｕは、取得した回路特性値から、送電コイルと受電コイルの対向方向の離間距離Ｚを算出する（ステップＳ３）。上述したように、送電コイルのインダクタンス値は離間距離Ｚに依存して変化し、また、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御するために必要となる回路特性値には送電コイルのインダクタンス値の変化が反映されるので、制御回路Ｓｔｕは、ステップＳ２で取得した回路特性値に基づき離間距離Ｚを算出することができる。具体的には、回路特性値と離間距離Ｚのルックアップテーブルを予め用意しておき、取得した回路特性値に対応する離間距離Ｚをこのルックアップテーブルから読み出すことにより、離間距離Ｚの算出を行えばよい。
続いて制御回路Ｓｔｕは、算出した離間距離Ｚと、送電コイルと受電コイルの結合係数ｋ（図２（ｂ）参照）とに基づき、送電コイルと受電コイルの水平方向の離間距離Ｄを算出する（ステップＳ４）。結合係数ｋの取得方法については、後述する第４の実施の形態で説明する。上述したように、結合係数ｋには、離間距離Ｚが等しければ離間距離Ｄに依存して変化するという性質があるので、制御回路Ｓｔｕは、離間距離Ｚと結合係数ｋとに基づき離間距離Ｄを算出することができる。具体的には、離間距離Ｚごとに結合係数ｋと離間距離Ｄのルックアップテーブルを予め用意しておき、ステップＳ３で算出した離間距離Ｚに対応するルックアップテーブルを読み出す。そして、取得した結合係数ｋに対応する離間距離Ｄをこのルックアップテーブルから読み出すことにより、離間距離Ｄの算出を行えばよい。
次に制御回路Ｓｔｕは、算出した相対位置関係（離間距離Ｚ，Ｄ）から、伝送可能電力を算出する（ステップＳ５）。この算出も、具体的には、離間距離Ｚ，Ｄと伝送可能電力のルックアップテーブルを予め用意しておき、算出した離間距離Ｚ，Ｄに対応する伝送可能電力をこのルックアップテーブルから読み出すことによって実行すればよい。
最後に制御回路Ｓｔｕは、算出した伝送可能電力に基づき、送電回路Ｃｔの動作を制御する（ステップＳ６）。具体的には、電源回路ＰＣの動作制御、電力変換回路ＰＳの動作制御のうちのいずれか１つ以上を実行することにより、ステップＳ５で算出した伝送可能電力での伝送を実現する。これにより、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送が実行される。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔによれば、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値から、離間距離Ｚを算出することが可能になる。したがって、車高センサなどの特別なセンサを使用することなく、離間距離Ｚを高精度に算出することが可能になる。また、離間距離Ｄも算出することができるので、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送を実行することが可能になる。
図５は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、インピーダンス変換回路Ｘｔｕを有する点で、第１の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔと相違する。以下、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
インピーダンス変換回路Ｘｔｕは、電力変換回路ＰＳと送電コイルの間に設けられる回路であり、コンデンサ又はインダクタの少なくとも一方を有している。インピーダンス変換回路Ｘｔｕは、送電コイルユニットＬｔｕ、電源回路ＰＣ、及び電力変換回路ＰＳとともに、ワイヤレス送電装置Ｕｔの送電回路Ｃｔを構成する。インピーダンス変換回路Ｘｔｕの具体的な構成例としては、スイッチにより複数のコンデンサ又は複数のインダクタの接続を切り替える例、コンデンサ又はインダクタを可変素子から構成する例などが挙げられる。インピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値は、制御回路Ｓｔｕによって変更可能に構成される。
本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、第１の実施の形態で説明したワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値として、インピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値を使用する。つまり、図４のステップＳ１では、インピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値を制御することにより、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御する。また、図４のステップＳ２では、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるインピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値を取得する。そして図４のステップＳ３では、取得したリアクタンス値から離間距離Ｚを算出する。送電コイルのインダクタンス値の変化は、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御するために必要となるインピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値にも反映されるので、制御回路Ｓｔｕは、取得したリアクタンス値から離間距離Ｚを算出することができる。
図４のステップＳ４以降の処理は基本的には第１の実施の形態で説明したものと同様であるが、ステップＳ６における送電回路Ｃｔの動作制御として、インピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値制御を実行することとしてもよい。なお、このリアクタンス値制御は、電源回路ＰＣの動作制御、電力変換回路ＰＳの動作制御とともに行うこととしてもよいし、単独で行うこととしてもよい。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるインピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値から、離間距離Ｚを算出することが可能になる。したがって、本実施の形態によっても、車高センサなどの特別なセンサを使用することなく、離間距離Ｚを高精度に算出することが可能になる。
図６は、本発明の第３の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔは、送電コイルのインダクタンス値が可変である点で、第１の実施の形態によるワイヤレス送電装置Ｕｔと相違する。以下、第１の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
本実施の形態による送電コイルユニットＬｔｕに含まれる送電コイルは可変インダクタンスのコイルであり、制御回路Ｓｔｕによってインダクタンス値を変更可能に構成される。
本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、第１の実施の形態で説明したワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値として、送電コイルのインダクタンス値を使用する。つまり、図４のステップＳ１では、送電コイルのインダクタンス値を制御することにより、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御する。また、図４のステップＳ２では、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における送電コイルのインダクタンス値を取得する。そして図４のステップＳ３では、取得したインダクタンス値から離間距離Ｚを算出する。図４のステップＳ４以降の処理は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。
図４のステップＳ４以降の処理は基本的には第１の実施の形態で説明したものと同様であるが、ステップＳ６における送電回路Ｃｔの動作制御として、送電コイルユニットＬｔｕに含まれる送電コイルのインダクタンス値制御を実行することとしてもよい。なお、このインダクタンス値制御は、電源回路ＰＣの動作制御、電力変換回路ＰＳの動作制御とともに行うこととしてもよいし、単独で行うこととしてもよい。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における送電コイルのインダクタンス値から、離間距離Ｚを算出することが可能になる。したがって、本実施の形態によっても、車高センサなどの特別なセンサを使用することなく、離間距離Ｚを高精度に算出することが可能になる。
図７は、本発明の第４の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成は、第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳのものと同一である。本実施の形態では、第1の実施の形態では図示及び説明を省略していたいくつかの構成（特に結合係数ｋの算出に関わる構成）についての説明を行う。
図７に示すように、ワイヤレス送電装置Ｕｔは、第１の実施の形態で説明した構成に加え、無線通信モジュールＷｔｕを有して構成される。また、ワイヤレス受電装置Ｕｒは、受電コイルユニットＬｒｕの他に、整流回路ＤＢと、電圧検出回路Ｄｒｕと、無線通信モジュールＷｒｕとを有して構成される。
まずワイヤレス受電装置Ｕｒに着目すると、受電コイルユニットＬｒｕは、ワイヤレス送電装置Ｕｔの送電コイルが発生する交流磁界を介して電力を受電する受電コイルを含んで構成される。なお、受電コイルユニットＬｒｕは、受電コイルに接続され、受電コイルとともに共振回路を構成するキャパシタを含んでいても構わない。整流回路ＤＢは、受電コイルが受電した電力を整流することにより、直流電力を生成する回路である。整流回路ＤＢが生成した直流電力は、負荷Ｌに供給される。負荷Ｌは例えば、ワイヤレス受電装置Ｕｒが設置される車両に設けられる二次電池である。
電圧検出回路Ｄｒｕは、整流回路ＤＢの出力電圧を検出する回路である。無線通信モジュールＷｒｕは無線通信機能を有するモジュールであり、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した出力電圧をワイヤレス送電装置Ｕｔに向けて無線送信する役割を果たす。
次にワイヤレス送電装置Ｕｔに着目すると、無線通信モジュールＷｔｕは無線通信機能を有するモジュールであり、無線通信モジュールＷｒｕが送信した出力電圧を受信可能に構成される。受信した出力電圧は、制御回路Ｓｔｕに供給される。
制御回路Ｓｔｕは、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態で電圧検出回路Ｄｒｕが検出した出力電圧を無線通信モジュールＷｔｕから受け取り、その出力電圧に基づいて、上述したように送電コイルと受電コイルの間の結合係数ｋを取得する（図４のステップＳ４参照）。送電コイルから発生する磁束量が一定であり、かつ、送電コイルと受電コイルの相対位置関係が動いていなければ、結合係数ｋと整流回路ＤＢの出力電圧の間の関係が単調となるので、制御回路Ｓｔｕは、上記処理によって結合係数ｋを算出することができる。具体的には、結合係数ｋと整流回路ＤＢの出力電圧のルックアップテーブルを予め用意しておき、受信した出力電圧に対応する結合係数ｋをこのルックアップテーブルから読み出すことにより、結合係数ｋの算出を行えばよい。こうして取得した結合係数ｋを用いて制御回路Ｓｔｕが行う処理は、第１の実施の形態で説明した通りである。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、ワイヤレス送電装置Ｕｔにおいて、送受電コイル間の結合係数ｋを取得することが可能になる。
図８は、本発明の第５の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳは、ワイヤレス送電装置Ｕｔが報知器Ａｕを有する点で、第４の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳと相違する。以下、第４の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第５の実施の形態との相違点を中心に説明する。
報知器Ａｕは、ユーザに対して情報を報知する機器であり、本実施の形態ではワイヤレス送電装置Ｕｔの一部として設置される。報知器Ａｕが報知する情報は、具体的には制御回路Ｓｔｕが算出した離間距離Ｄである。報知の具体的な方法は、所定のディスプレイ上に離間距離Ｄを示す数値を表示するという方法であってもよいし、離間距離Ｄが所定範囲内にある場合に所定音を発報するという方法であってもよいし、離間距離Ｄが所定範囲内にある場合に所定のランプを点灯させるという方法であってもよい。これによれば、離間距離Ｄをユーザに通知することができるので、ユーザは、離間距離Ｄを確認しながら送受電コイルの位置合わせを行うことが可能になる。つまり、送受電コイルの位置合わせを行う際のユーザの利便性が向上する。
図９は、本発明の第６の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳは、報知器Ａｕがワイヤレス受電装置Ｕｒ内に設けられる点で、第５の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳと相違する。以下、第５の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第７の実施の形態との相違点を中心に説明する。
報知器Ａｕは、ワイヤレス受電装置Ｕｒの一部として設置される他は、第５の実施の形態による報知器Ａｕと同じものである。ただし、制御回路Ｓｔｕが算出した離間距離Ｄは、無線通信モジュールＷｔｕと無線通信モジュールＷｒｕの間で実行される無線通信を通じて、ワイヤレス受電装置Ｕｒ内の報知器Ａｕに供給される。したがって、本実施の形態による報知器Ａｕも、第７の実施の形態による報知器Ａｕと同様に離間距離Ｄをユーザに通知することができるので、ユーザは、離間距離Ｄを確認しながら送受電コイルの位置合わせを行うことが可能になる。つまり、送受電コイルの位置合わせを行う際のユーザの利便性が向上する。
図１０は、本発明の第７の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳは、ワイヤレス受電装置Ｕｒが切替回路ＳＷ１を有する点で、第４の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳと相違する。以下、第４の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第５の実施の形態との相違点を中心に説明する。
切替回路ＳＷ１は、整流回路ＤＢの出力端と負荷Ｌとの接続状態を切り替える回路である。具体的には、整流回路ＤＢの出力端が負荷Ｌに接続された状態と、整流回路ＤＢの出力端が開放されている状態とを切り替えるように構成される。
本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、電圧検出回路Ｄｒｕの検出結果に基づいて送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数ｋを算出しようとする場合に、無線通信モジュールＷｔｕと無線通信モジュールＷｒｕの間で実行される無線通信を介して切替回路ＳＷ１を制御することにより、整流回路ＤＢの出力端を開放状態とする。その他の場合には、整流回路ＤＢの出力端が負荷Ｌに接続された状態とする。これにより、制御回路Ｓｔｕは、整流回路ＤＢが負荷Ｌに接続されていない状態で、結合係数ｋを算出することが可能になる。つまり、送受電コイル間の結合係数ｋと整流回路ＤＢの出力電圧との間の関係を負荷Ｌに非依存にした状態で結合係数ｋを算出することができるので、より高精度に結合係数ｋを算出することが可能になる。
図１１は、本発明の第８の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳは、ワイヤレス受電装置Ｕｒが切替回路ＳＷ１に代えて切替回路ＳＷ２を有する点で、第７の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳと相違する。以下、第７の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、第７の実施の形態との相違点を中心に説明する。
切替回路ＳＷ２は、整流回路ＤＢの出力端と負荷Ｌとの接続状態を切り替える回路である点では切替回路ＳＷ１と同じであるが、負荷Ｌと接続されていない場合の整流回路ＤＢの出力端を固定抵抗値Ｒを有する負荷抵抗に接続する点で、切替回路ＳＷ１と異なる。
本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、電圧検出回路Ｄｒｕの検出結果に基づいて送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数ｋを算出しようとする場合に、無線通信モジュールＷｔｕと無線通信モジュールＷｒｕの間で実行される無線通信を介して切替回路ＳＷ２を制御することにより、整流回路ＤＢの出力端を負荷抵抗に接続させる。その他の場合には、整流回路ＤＢの出力端が負荷Ｌに接続された状態とする。これにより、制御回路Ｓｔｕは、第９の実施の形態と同様に、整流回路ＤＢが負荷Ｌに接続されていない状態で、結合係数ｋを算出することが可能になる。つまり、送受電コイル間の結合係数ｋと整流回路ＤＢの出力電圧との間の関係を負荷Ｌに非依存にした状態で結合係数ｋを算出することができるので、より高精度に結合係数ｋを算出することが可能になる。
次に、本発明の第９の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳについて説明する。本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成は、図面に現れる部分では図９に示した第６の実施の形態によるものと同一である一方、制御回路Ｓｔｕが行う処理の内容の点で、第６の実施の形態と相違する。すなわち、第１〜第８の実施の形態では、送電コイルのインダクタンス値が水平方向の離間距離Ｄの変化に対してほとんど変化しないことを前提として説明したが、後ほど図１３を参照しながら説明するように、このようにインダクタンス値が変化しないのは、主として、進行方向の離間距離が一定の範囲内にあって、かつ、車幅方向の離間距離がある程度の大きさである場合である。そこで本実施の形態では、送電コイルのインダクタンス値が水平方向の離間距離Ｄの変化に対しても変化するとした場合における制御回路Ｓｔｕの処理について、第６の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図１２は、送電コイルユニットＬｔｕ及び受電コイルユニットＬｒｕを上から見た図である。同図には、送電コイルユニットＬｔｕの中心と受電コイルユニットＬｒｕの中心とが一致している場合を示しており、以下では、この場合におけるそれぞれの中心の位置を原点とし、電気自動車の進行方向をＸ軸、車幅方向をＹ軸とする。また、送電コイルと受電コイルの離間距離Ｄを、原点からの進行方向の位置ずれΔＸと、車幅方向の位置ずれΔＹとにより表す。これによれば、Ｄ２＝（ΔＸ）２＋（ΔＹ）２の関係が成り立つ。
図１３は、進行方向の位置ずれΔＸの大きさと、送電コイルのインダクタンス値との関係を示す図である。同図の横軸には進行方向位置ずれΔＸをミリメートル単位で示し、縦軸には送電コイルのインダクタンス値をマイクロヘンリー単位で示している。
図１３に示す曲線Ａ１，Ｂ１，Ｃ１は、車幅方向の位置ずれΔＹが０ｍｍであり、送電コイルユニットＬｔｕと受電コイルユニットＬｒｕの対向方向の離間距離Ｚがそれぞれ１００ｍｍ，１２５ｍｍ，１５０ｍｍである場合を示している。また、図１３に示す曲線Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は、車幅方向の位置ずれΔＹが１００ｍｍであり、離間距離Ｚがそれぞれ１００ｍｍ，１２５ｍｍ，１５０ｍｍである場合を示している。
図２（ａ）に示した例（送電コイルのインダクタンス値が水平方向の離間距離Ｄの変化に対してほとんど変化しない例）は、進行方向の位置ずれΔＸが概ね１００ｍｍ〜２５０ｍｍであり、かつ、車幅方向の位置ずれΔＹが１００ｍｍである場合に対応している。図１３の曲線Ａ２，Ｂ２，Ｃ２から、この場合においては、送電コイルのインダクタンス値が離間距離Ｄに対してほとんど変化しないことが理解される。第１〜第８の実施の形態はこのような場合に特に着目したものであったが、本実施の形態では、図１３に示した曲線Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の全体をカバーする処理を説明する。
図１４は、本実施の形態による送電コイルと受電コイルの相対位置関係の算出の原理を示す図である。上述した原点を中心とする３次元球面座標Ｐ（ｒ，θ，φ）を用いて送電コイルと受電コイルの相対位置関係を表すと、ワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値（例えば、電源回路ＰＣの出力直流電流、電源回路ＰＣの出力直流電圧、電源回路ＰＣから電力変換回路ＰＳに供給される直流電力、電力変換回路ＰＳが生成する交流電力の周波数、及び、電力変換回路ＰＳを構成する複数のスイッチング素子の時比率の少なくともいずれか１つ。これらから求められる送電コイルのインダクタンス値を含む）からｒ，θ，φを求めることができ、送電コイルと受電コイルの間の結合係数ｋからｒを求めることができる。そこで本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、ワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値と結合係数ｋとの組み合わせごとに、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を対応付けてなるルックアップテーブルを予め用意しておき、実際に取得されたこれらの組み合わせに対応する相対位置関係をこのルックアップテーブルから読み出すことにより、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を算出する。
表１は、ルックアップテーブルの一例を示す図である。同表の各欄に示した「０．６ｋＷ／（Δｒａ，Δθａ，Δφａ）」などの文字列のうちスラッシュより前の部分は伝送可能電力を示し、スラッシュより後ろの部分は送電コイルと受電コイルの相対位置関係を示している。Δは、それぞれの値が範囲を持った値として算出されることを示す。図１４には、Δθａ及びΔφａについての範囲の一例を図示している。同図から理解されるように、本実施の形態による算出方法によれば、ｒ，θ，φは、ある程度の誤差を持った範囲の値として算出される。
Figure 2018159732
図１５は、本実施の形態による制御回路Ｓｔｕの処理フローを示すフロー図である。同図と図４を比較すると理解されるように、同図の処理フローは、図４のステップＳ３〜Ｓ５をステップＳ１０で置き換え、ステップＳ６の後段にステップＳ１１，Ｓ１２を追加したものとなっている。
本実施の形態による制御回路Ｓｔｕは、ステップＳ２の処理の後、ステップＳ２で取得したワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値と、第４の実施の形態で説明したようにして取得した結合係数ｋとに基づいて表１に示したルックアップテーブルを参照することにより、送電コイルと受電コイルの相対位置関係、及び、伝送可能電力を算出する（ステップＳ１０）。
続いて制御回路Ｓｔｕは、第１の実施の形態でも説明したように、算出した伝送可能電力に基づいて送電回路Ｃｔの動作を制御する（ステップＳ６）。これにより、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送を実行することが実現される。
また、制御回路Ｓｔｕは、算出した相対位置関係に基づき、進行方向及び車幅方向のそれぞれについて、位置ずれの大きさを算出する（ステップＳ１１）。この処理は、具体的には、３次元球面座標Ｐ（ｒ，θ，φ）をＸＹＺ座標に変換することにより、上述した原点からの進行方向の位置ずれΔＸ及び車幅方向の位置ずれΔＹを算出する処理である。その後、制御回路Ｓｔｕは、図９に示した報知器Ａｕにより、算出した進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさをユーザに対して通知する（ステップＳ１２）。これにより、ユーザは、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさを確認しながら、送受電コイルの位置合わせを行うことが可能になる。
以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、送電コイルのインダクタンス値が水平方向の離間距離Ｄの変化に対して変化する場合であっても、送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態におけるワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値、及び、送電コイルと受電コイルの結合係数ｋから、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を算出することが可能になる。したがって、特別なセンサを使用することなく、送電コイルと受電コイルの相対位置関係に適した電力で、ワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力伝送を実行することが可能になる。
また、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさをユーザに対して通知することができるので、ユーザは、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさを確認しながら送受電コイルの位置合わせを行うことが可能になる。したがって、送受電コイルの位置合わせを行う際のユーザの利便性が向上する。
なお、本実施の形態では、位置ずれの方向及び大きさをワイヤレス受電装置Ｕｒ内の報知器Ａｕからユーザに通知するとしたが、図８に示したようにワイヤレス送電装置Ｕｔ内に報知器Ａｕを設け、この報知器Ａｕからユーザに対して位置ずれの方向及び大きさを通知することとしてもよいのは勿論である。
また、実際の送電コイル及び受電コイルは左右対称ではなく、その結果として、受電コイルが送電コイルに対して車幅方向に一定距離ずれた場合に、そのずれが右向きであった場合と左向きであった場合とで、得られるワイヤレス送電装置Ｕｔの回路特性値及び結合係数ｋが異なる場合がある。これを利用してステップＳ１１において車幅方向の位置ずれの方向をも取得し、進行方向及び車幅方向それぞれの位置ずれの大きさとともにユーザに通知することとしてもよい。これによれば、ユーザの利便性がさらに向上する。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
例えば、送電コイルユニットＬｔｕ内の送電コイルが生成している磁束量を測定するための検知コイルを追加し、電流検出回路Ｄｔｕが検出する送電コイル電流値の代わりに、この検知コイルで検知されている磁束量を用いることとしてもよい。つまり、送電コイルユニットＬｔｕ内の送電コイルから発生する磁束量が一定かどうかを把握するための監視値として、検知コイルで検知されている磁束量を使用してもよい。このようにしても、送電コイルユニットＬｔｕ内の送電コイルから発生する磁束量を一定に制御することが可能になる。
また、第２の実施の形態において、送電コイルユニットＬｔｕに含まれる送電コイルのインダクタンス値を変更可能に構成した場合、ステップＳ６における送電回路Ｃｔの動作制御として、電源回路ＰＣの動作制御、電力変換回路ＰＳの動作制御、インピーダンス変換回路Ｘｔｕのリアクタンス値制御、送電コイルユニットＬｔｕに含まれる送電コイルのインダクタンス値制御のうちのいずれか１つ以上を実行することとしてもよい。
Ａｕ 報知器
Ｃｔ 送電回路
ＤＢ 整流回路
Ｄｒｕ 電圧検出回路
Ｄｔｕ 電流検出回路
Ｌｒｕ 受電コイルユニット
Ｌｔｕ 送電コイルユニット
ＰＳ 電力変換回路
ＰＷ 外部電源
Ｌ 負荷
Ｓ ワイヤレス電力伝送システム
ＳＷ１，ＳＷ２ 切替回路
Ｓｔｕ 制御回路
Ｕｒ ワイヤレス受電装置
Ｕｔ ワイヤレス送電装置
Ｖｅａ，Ｖｅｂ 電気自動車
Ｗｒｕ，Ｗｔｕ 無線通信モジュール
Ｘｔｕ インピーダンス変換回路

Claims (14)

  1. 送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス送電装置であって、
    直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、
    前記送電コイルから発生する磁束量を制御する制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値から前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離を算出するワイヤレス送電装置。
  2. 前記送電回路は、外部電源から供給される電力を変換して前記電力変換回路に前記直流電力を出力する電源回路をさらに含み、
    前記制御回路は、前記電源回路の出力直流電流、前記電源回路の出力直流電圧、又は、前記直流電力の少なくとも１つを変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御する請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
  3. 前記電力変換回路は、複数のスイッチング素子を有し、
    前記制御回路は、前記駆動周波数又は前記複数のスイッチング素子の時比率を変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御する請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
  4. 前記送電回路は、前記電力変換回路と前記送電コイルの間にコンデンサ又はインダクタの少なくとも一方を有するインピーダンス変換回路をさらに含み、
    前記制御回路は、前記インピーダンス変換回路のリアクタンス値を変化させることにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御する請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
  5. 前記送電コイルはインダクタンス値を変更可能に構成されており、
    前記制御回路は、前記送電コイルのインダクタンス値を変更することにより前記送電コイルから発生する磁束量を制御する請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
  6. 前記制御回路は、前記ワイヤレス送電装置の回路特性値と同じ種類の回路特性値を制御することにより、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のワイヤレス送電装置。
  7. 送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記ワイヤレス送電装置は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のワイヤレス送電装置であり、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、
    前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、
    前記制御回路は、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記結合係数と前記ワイヤレス送電装置の回路特性値とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出するワイヤレス電力伝送システム。
  8. 前記制御回路は、前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係から伝送可能電力を算出し、算出した前記伝送可能電力に基づいて前記送電回路の動作を制御する請求項７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  9. 前記整流回路の出力端と負荷との接続状態を切り替える切替回路をさらに備え、
    前記切替回路は、前記制御回路が前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出する場合に、前記整流回路の出力端を開放状態とする請求項７又は８に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  10. 固定抵抗値を有する負荷抵抗と、
    前記整流回路の出力端と負荷又は前記負荷抵抗との接続状態を切り替える切替回路と、をさらに備え、
    前記切替回路は、前記制御回路が前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出する場合に、前記整流回路の出力端を前記負荷抵抗に接続させる請求項７又は８に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  11. ユーザに対して情報を報知する報知器をさらに備え、
    前記制御回路は、前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離と前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの前記対向方向と直交する方向の離間距離を算出し、
    前記報知器は、前記ユーザに前記送電コイルと前記受電コイルの前記対向方向と直交する方向の離間距離を報知する請求項７乃至１０のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  12. 送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス送電装置であって、
    直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、
    前記送電コイルに流れる電流を制御する制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記送電コイルに流れる電流を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値から前記送電コイルと前記受電コイルの対向方向の離間距離を算出するワイヤレス送電装置。
  13. 送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記ワイヤレス送電装置は、
    直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、
    前記送電コイルから発生する磁束量を制御する制御回路と、を備え、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、
    前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、
    前記制御回路は、前記送電コイルから発生する磁束量を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値を取得するとともに、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記回路特性値及び前記結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出する、
    ワイヤレス電力伝送システム。
  14. 送電コイルと受電コイルとの磁気結合により、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記ワイヤレス送電装置は、
    直流電力を駆動周波数の交流電力に変換する電力変換回路、及び、前記電力変換回路から供給される前記交流電力を受けて交流磁界を発生する前記送電コイルを含む送電回路と、
    前記送電コイルに流れる電流を制御する制御回路と、を備え、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記送電コイルが発生する前記交流磁界を介して電力を受電する前記受電コイルと、
    前記受電コイルが受電した電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力電圧を検出する電圧検出回路と、有し、
    前記制御回路は、前記送電コイルに流れる電流を一定に制御した状態における前記ワイヤレス送電装置の回路特性値を取得するとともに、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数を算出し、前記回路特性値及び前記結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相対位置関係を算出する、
    ワイヤレス電力伝送システム。
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