WO2013002319A1

WO2013002319A1 - 電力伝送システム

Info

Publication number: WO2013002319A1
Application number: PCT/JP2012/066513
Authority: WO
Inventors: 山川　博幸
Original assignee: 株式会社エクォス・リサーチ
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2013-01-03
Also published as: CN103620913A; EP2728709A4; US20140111022A1; EP2728709A1; JP2013017254A

Abstract

電力伝送時の最適な周波数を迅速に選定することができ、電力伝送に要する時間を短縮することが可能な電力伝送システムを提供するために、本発明の電力伝送システムは、所定の周波数の交流電力を出力するインバータ部（１３０）と、前記インバータ部（１３０）からの交流電力が入力される送電アンテナ（１４０）と、前記インバータ部（１３０）によって出力される交流電力の周波数を制御すると共に、前記インバータ部（１３０）のインバータ効率を演算する送電制御部（１５０）と、を有し、前記送電アンテナ（１４０）から対向する受電アンテナ（２１０）に対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記送電制御部（１５０）は、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算し、最高となるインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする。

Description

電力伝送システム

　本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。

　近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９－５０１５１０号公報）に開示されている。

　磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ～数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

　上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うために駐車スペースに停車するたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献２（特開２０１０－６８６５７号公報）に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された第２共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第１共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第２共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第１共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第２共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
特表２００９－５０１５１０号公報特開２０１０－６８６５７号公報

　図１６は電力伝送システムで用いられる電力伝送用アンテナの特性を説明する図である。より具体的には、図１６（Ａ）は電力伝送用アンテナの単体の共振特性を示す図であり、図１６（Ｂ）は送電用の電力伝送用アンテナと受電用の電力伝送用アンテナとを近接させたときの送電特性の一例を示す図である。ただし、Ｌは電力伝送用アンテナのインダクタンス成分、Ｃは電力伝送用アンテナのキャパシタンス成分、Ｌｍは送電用の電力伝送用アンテナと受電用の電力伝送用アンテナ同士の相互インダクタンス成分である。

　磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図１６（Ｂ）に示すように、第１極値周波数ｆ_m、第２極値周波数ｆ_eの２つがある場合については、第２極値周波数ｆ_eを選択することが好ましい。第２極値周波数ｆ_eを選択することが好ましい理由は、「発明を実施するための形態」の欄においてより説明するが、より安定した電力伝送を行うことが可能であるからである。

　しかしながら、特許文献２に記載の従来技術では、周波数スイープを行い、上記のような第２極値周波数ｆ_eを迅速に選択することができず、電力伝送の実行に時間を要する、という問題があった。

　上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、所定の周波数の交流電力を出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電力が入力される送電アンテナと、前記インバータ部によって出力される交流電力の周波数を制御すると共に、前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算し、最高となるインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする。

　また、請求項２に係る発明は、所定の周波数の交流電力を出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電力が入力される送電アンテナと、前記インバータ部によって出力される交流電力の周波数を制御すると共に、前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算すると共に、演算されたインバータ効率が、前回に演算されたインバータ効率よりも下がった場合には、前回のインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする。

　本発明に係る電力伝送システムは、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算し、最高となるインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能な第２極値周波数を、迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができるようになる。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムを車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電池の充電プロファイルを示す図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける充電器制御処理のフローチャートを示す図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図である。本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送周波数決定処理のフローチャートを示す図である。スイープによる最適周波数決定プロセスを模式的に説明する図である。周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。電力伝送システムで用いられる電力伝送用アンテナの特性を説明する図である。

　以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図であり、図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、車両の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２１０が配されてなる。

　本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電アンテナ１４０などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から車両に搭載されている受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介し電気エネルギーを伝送する。

　本実施形態に係る電力伝送システム１００は、上記のような利用形態であることから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置関係が電力伝送を行うたびに変化し、最適な電力伝送効率を与える周波数についてもこれに伴い変化することとなる。そこで、車両停車後、すなわち、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、電力伝送時の最適周波数を決定するようにしている。

　車両充電設備（送電側）における整流昇圧部１２０は、商用電源などのＡＣ電源部１１０からの交流電圧を一定の直流に変換するコンバータと、このコンバータからの出力を所定の電圧に昇圧するものである。この整流昇圧部１２０で生成される電圧の設定は送電制御部１５０から制御可能となっている。

　インバータ部１３０は、整流昇圧部１２０から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１４０に入力する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。インバータ部１３０は、例えば図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

　本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１４０が接続される構成となっており、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオフとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。

　上記のようなインバータ部１３０を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は送電制御部１５０から入力されるようになっている。また、インバータ部１３０を駆動させるための周波数は送電制御部１５０から制御することができるようになっている。

　上記のようなインバータ部１３０からの出力は送電アンテナ１４０に供給される。この送電アンテナ１４０は、インダクタンス成分を有する後述するようなコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２１０と共鳴することで、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２１０に送ることができるようになっている。

　なお、インバータ部１３０からの出力を、送電アンテナ１４０に入力する際には、いったん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。

　本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム１００の送電側の送電アンテナ１４０から、受電側の受電アンテナ２１０へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１４０の共振周波数と、受電アンテナ２１０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。

　インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂は送電制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、計測される電圧Ｖ₁及び電流Ｉ₁からインバータ部１３０に入力される入力電力（Ｗ₁＝Ｖ₁×Ｉ₁）、及び、計測される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂からインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ₂＝Ｖ₂×Ｉ₂）を取得することができるようになっている。送電制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、取得された入力電力（Ｗ₁）と出力電力（Ｗ₂）とからインバータ部１３０の効率（Ｗ₁／Ｗ₂）を演算する。

　送電制御部１５０における記憶部１５１は、周波数スイープを行うときに、周波数と演算されたインバータ効率とを対応付けて記憶する一時記憶手段である。送電制御部１５０は、インバータ部１３０の出力電力が所定の電力となるように制御し、インバータ部１３０で出力する交流電圧の周波数を変更しつつ、インバータ部１３０のインバータ効率を演算していき、この記憶部１５１に記憶する。

　送電制御部１５０は、整流昇圧部１２０によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部１３０で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行する。

　次に、車両側に設けられている電力伝送システム１００の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２１０は、送電アンテナ１４０と共鳴することによって、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電するものである。

　受電アンテナ２１０で受電された交流電力は、整流器２２０において整流され、整流された電力は充電器２３０を通して電池２４０に蓄電されるようになっている。充電器２３０は充電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。なお、本実施形態においては、受電側システムの負荷として電池２４０を用い、これに充電を行う例について説明しているが、受電側システムの負荷としては、その他の負荷を用いるようにしてもよい。

　充電器２３０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃は充電制御部２５０によって計測されるようになっている。計測された電圧Ｖ₃及び電流Ｉ₃により、充電制御部２５０は、充電器２３０を制御して、電池２４０の適切な充電プロファイルに沿うように電池２４０の充電を制御することができるように構成されている。充電器２３０は、電池２４０を定電流、定出力、定電圧のいずれかで充電させるかを選択することができるようになっている。

　充電制御部２５０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている充電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。

　充電制御部２５０は　電池２４０の充電プロファイルを記憶すると共に、充電制御部２５０をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムを記憶している。

　図４は電池２４０の充電プロファイル２６０を示す図である。この充電プロファイル２６０は電池２４０の充電プロファイルの一例を示すものであり、電池２４０を充電するためには、その他のプロファイルを用いるようにしてもよい。

　また、図４では電池２４０の蓄電量がほとんどない状態からの充電プロファイルを示すものである。この充電プロファイル２６０においては、まず一定の電流I_constで電池２４０の充電を行う定電流充電（ＣＣ制御）が行われる。次に、電池２４０の端部電圧がＶｆとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電（ＣＶ制御）が行われる。そして、定電圧充電時、電池２４０に流れこむ電流がＩ_minとなったら、充電を終了する。

　次に、充電器２３０を制御するために充電制御部２５０によって実行されるフローチャート（充電プロファイル２６０のアルゴリズム）について説明する。図５は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける充電器２３０の制御処理のフローチャートを示す図である。

　図５において、ステップＳ１００で充電器２３０の制御処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１では、電池２４０の端部電圧Ｖ₃が取得される。ステップＳ１０２においては、Ｖ₃≦Ｖ_fであるかが判定される。

　ステップＳ１０２における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１０３に進み、定電流充電を動作させる。なお、このとき、送電側からみたインピーダンスＺ_NはＺ_CCとなる。

　一方、ステップＳ１０２における判定がＮＯであれば、ステップＳ１０４に進み、定電圧充電を動作させる。このとき、送電側からみたインピーダンスＺ_NはＺ_CCとは異なるＺ_CVとなる。これは、電池の電圧が充電状態により変化し、インピーダンスが変化するためである。

　ステップＳ１０５では、電池２４０に流入する電流Ｉ₃が取得される。ステップＳ１０６においては、Ｉ₃≦Ｉ_minであるかが判定される。

　ステップＳ１０５における判定がＮＯであればステップＳ１０４に戻りループする。一方、ステップＳ１０５における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１０７に進み、充電器２３０を停止して、ステップＳ１０８で充電器２３０の制御処理を終了する。充電器２３０を停止した時には、送電側からみたインピーダンスＺ_Nは、Ｚ_CC及びＺ_CVのいずれとも異なるＺ_OPとなる。

　図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図であり、図７は本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのような形状のコイルに限定されるものではない。例えば、コイル体２７０として円形平板状のものなども利用し得る。このようなコイル体２７０は、受電アンテナ２１０における磁気共鳴アンテナ部として機能する。この「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。

　コイルケース２６０は、受電アンテナ２１０のインダクタンス成分を有するコイル体２７０を収容するために用いられるものである。このコイルケース２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。コイルケース２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、コイルケース２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。コイルケース２６０にパッケージされた受電アンテナ２１０はこの上方開口部２６３側で車両本体部に取り付けられる。コイルケース２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。

　コイル体２７０は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材２７１と、この基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２とから構成されている。渦巻き状をなす導電部２７２の内周側の第１端部２７３、及び外周側の第２端部２７４には導電線路（不図示）が電気接続される。これにより、受電アンテナ２１０によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体２７０はコイルケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。

　磁性シールド体２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド体２８０を構成するためには、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましく、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド体２８０は、コイルケース２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方にある程度の空間を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１４０側で発生する磁力線は、磁性シールド体２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。

　また、コイルケース２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状の金属体蓋部２９０が、シールド体２８０の上方に所定距離をおいて配されるようになっている。このような金属体蓋部２９０に用いる金属材料として任意のものを用いることとができるが、本実施形態においては、例えばアルミニウムを用いている。

　以上のように、本発明の受電アンテナ２１０によれば、コイル体２７０の上方に磁性シールド体２８０が設けられているので、車両底面に受電アンテナ２１０を装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。

　また、上記のような受電アンテナ２１０の構造は、電力伝送システム１００を構成する送電側のアンテナにも適用されている。この場合、図７に示すように、送電アンテナ１４０は、受電アンテナ２１０と水平面に対して面対称（鏡像対称）となるような構造とされている。

　送電アンテナ１４０においても、受電側同様に、コイル体３７０がコイルケース３６０に配され、これと所定距離離されて磁性シールド体３８０が設けられると共に、金属体蓋部３９０によってコイルケース１６０が封止されてなる構造である。

　次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送について説明する。これまで説明したように、電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、実際の充電の前段階において、電力伝送で用いられる電力で周波数スイープを行い、インバータ効率の極値を選定して、これに基づいて、実際の電力伝送でインバータ部１３０を駆動する周波数を決定する。本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、このように最適周波数を選定し、その後、選定された最適周波数によって電力伝送を行う。

　図８は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送周波数決定処理のフローチャートを示す図である。このようなフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。図８において、ステップＳ２００で電力伝送周波数決定処理が開始されると、続く、ステップＳ２０１では、送電制御部１５０は目標出力値が所定の電力値となるように整流昇圧部１２０を設定する。

　また、ステップＳ２０２においては、インバータ部１３０の駆動周波数のスイープを開始する際の上限の値に設定する。

　ステップＳ２０３では、第１電力で電力伝送を実行し、ステップＳ２０４でＶ₁、Ｉ₁、Ｖ₂、Ｉ₂を計測することで、入力電力（Ｗ₁）、出力電力（Ｗ₂）を計測する。ステップＳ２０５では、入力電力（Ｗ₁）、出力電力（Ｗ₂）に基づいて、インバータ部１３０の効率η（＝Ｗ₁／Ｗ₂）を演算する。

　ステップＳ２０６では、演算されたインバータ効率と、周波数とを対応させて記憶部１５１に記憶する。周波数を変更しつつ、インバータ効率を演算することで、この記憶部１５１には、インバータ効率の周波数特性が蓄積されることとなる。

　ステップＳ２０７では、今回算出されたインバータ効率が、前回算出されたインバータ効率より大きいか否かが判定される。ステップＳ２０７の判定がＮＯであれば、ステップＳ２０８に進む。一方、ステップＳ２０７の判定がＹＥＳであれば、周波数を所定分（Δｆ）下げて設定した上で、ステップＳ２０３に戻りループする。

　ステップＳ２０７の判定がＮＯであるときに進むステップＳ２０８では、記憶部１５１に記憶されている前回のインバータ効率を与える周波数を、実際の電力伝送を行う際の最適な周波数として選定する。

　上記のようなステップＳ２０３乃至ステップＳ２０９のループにより、探索される最適周波数が具体的にどのようなものであるかを、図９を参照して説明する。図９はスイープによる最適周波数決定プロセスを模式的に説明する図である。

　図９は本実施形態に係る電力伝送システム１００で想定されている電力伝送効率の周波数特性の一例を示している。図８に示すアルゴリズムによれば、上限値の周波数から、Δｆずつ周波数を下げながら、インバータ効率を求めるようにしている。そして、今回のループで算出されたインバータ効率が、前回のループで算出されたインバータ効率より小さくなったときには、前回のインバータ効率を与える周波数を、電力伝送を行う際の最適周波数として決定するものである。

　図９に示す例では、上限値の周波数が与えるインバータ効率η₁から順次、Δｆずつ周波数を下げながら、インバータ効率（η₂、η₃、η₄・・・）を求めていく。η₁からη₆までの間には、ステップＳ２０７での判定はＹＥＳとなるので、ステップＳ２０３に戻りループする。一方、インバータ効率η₇が算出されると、η₇＞η₆が成立しないので、ステップＳ２０７での判定はＮＯとなり、ステップＳ２０８に進み、前回ループ時のインバータ効率η₆を与える周波数を、電力伝送を行う際の最適周波数として決定する。

　以上のように、本発明に係る電力伝送システムは、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算すると共に、演算されたインバータ効率が、前回に演算されたインバータ効率よりも下がった場合には、前回のインバータ効率を与える周波数周波数を選定して電力伝送を行うものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能な第２極値周波数を、迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができるようになる。その詳細は後に説明する
　ここで、電力伝送効率の周波数特性におけるパターンについて説明する。図１０は本実施形態に係る電力伝送システムにおける周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。

　図１０（Ａ）は受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０とが最も適切に配置されているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。図１０（Ａ）に示すように、２つの極値を与える周波数が２つある。周波数が低い方の極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極値周波数を第２極値周波数として定義する。

　図１０（Ａ）から図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）と進むにつれて、受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０と間の位置のずれがより大きくなっているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。

　図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）に示すように、伝送効率の極値を与える周波数が1つである場合には、ステップＳ２０８においては、この極値の周波数が選定されることとなる。一方、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示すように極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、本実施形態においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。

　以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。

　図１１は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。

　また、図１２は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。

　なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ　Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ　Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。

　次に、本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。

　図１３は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。図１３（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１３（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ₃）、電流（Ｉ₃）の変動の様子を示す図である。図１３に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。

　以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。

　一方、図１４は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１４（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ₁）、電流（Ｉ₁）の変動の様子を示す図であり、図１４（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ₃）、電流（Ｉ₃）の変動の様子を示す図である。図１４に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。

　以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。

　図１３の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１４の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１４に示す特性の方が、電池２４０（負荷）にとっては好ましいので、本実施形態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。

　このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で行うことが可能となる。

　また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池２４０（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。

　また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。

　これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。

　これまで説明したように、本実施形態に係る電力伝送システム１００におけるスイープ動作としては、まず、インバータ部１３０の駆動周波数を上限の値に設定し、その上限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）下げつつスイープを行うようにしている。かりに、この逆のスイープ動作、すなわち、インバータ部１３０の駆動周波数を下限の値に設定し、その下限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）上げていくスイープ動作を行うとすると、第１極値周波数が第２極値周波数より低い周波数であるために、第１極値周波数が最適な周波数として選定されてしまう可能性がある。前述したとおり、第１極値周波数よりも第２極値周波数で実際の電力伝送を行った方がより好ましい。このために、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上限の周波数から、順次周波数を所定分（Δｆ）下げつつスイープを行い、最適周波数として、確実に第２極値周波数が選択されるようにしている。

　さて再び図８に戻り、ステップＳ２１０に進み、最適周波数の決定処理を終了する。

　以上、本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

　また、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能な第２極値周波数を、迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができるようになる。

　次に、以上のように決定された最適周波数によって行われる実際の充電の電力伝送の処理について説明する。図１５は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。このフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。ステップＳ３００で電力伝送処理が開始されると、続く、ステップＳ３０１では、送電制御部１５０は目標出力値が第１電力（例、１．５ｋＷ）となるように整流昇圧部１２０を設定する。

　また、ステップＳ３０２では、インバータ部１３０の駆動周波数を、先の最適周波数決定処理で決定された最適周波数に設定して、ステップＳ３０３で電力伝送を実行する。

　ステップＳ３０４では、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂によって、出力電力を計測する。

　ステップＳ３０５では、計測された出力電力が第１電力より小さくなったか否かが判定される。インバータ部１３０が第１電力を出力可能であるときは、受電側充電器２３０では定電流にて充電動作しており、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_CCとなっているときである。これに対して、受電側で定出力充電から定電圧充電に移行すると、受電側充電器２３０では定電圧にて充電動作が開始され、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_CVとなる。このようなインピーダンスの変化があると、インバータ部１３０から出力される電力は第１電力より小さくなってしまう。ステップＳ３０５では上記のような受電側の変化を捉えるものである。

　ステップＳ３０５の判定がＮＯであるときにはステップＳ３０３に戻りループし、ステップＳ３０５での判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３０６に進み、インバータ部１３０への出力電圧が変化しないように整流昇圧部１２０を設定する。

　ステップＳ３０７では、電力伝送が実行され、ステップＳ３０８では、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂及び電流Ｉ₂によって、出力電力が計測される。

　ステップＳ３０９では、計測された出力電力が第２電力より小さくなったか否かが判定される。インバータ部１３０が第２電力以上で出力可能であるときは、受電側では定電圧充電で動作しており、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_CVとなっているときである。これに対して、受電側で電池２４０の充電が完了し、充電器２３０の動作が停止されると、送電側からみたインピーダンスはＺ_N＝Ｚ_OPとなる。このようなインピーダンスの変化があると、インバータ部１３０から出力される電力は第２電力より小さくなってしまう。ステップＳ３０９では上記のような受電側の変化を捉えるものである。

　ステップＳ３０９の判定がＮＯであるときにはステップＳ３０７に戻りループし、ステップＳ３０９での判定がＹＥＳであるときには、受電側で電池２４０の充電が完了したものであると推定されるので、ステップＳ３１０に進み電力伝送を停止して、ステップＳ３１１で処理を終了する。

　以上のような本発明に係る電力伝送システム１００によれば、受電側の電池２４０の充電時、定出力充電が行われているか、或いは、定電圧充電が行われているか、或いは、充電が停止されているかを、インピーダンスの変化に基づく出力電力の変化により検出して、これに応じて適切な電力を送電側から受電側に伝送することが可能であり、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

産業上の利用性

　本発明の電力伝送システムは、近年、急速に普及しつつある電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムに用いるのに好適なものである。これまでの電力伝送システムでは、効率的なエネルギー伝送が可能な最適周波数を選択するために周波数スイープを行っていたが、極値周波数が２つある磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、従来の周波数スイープを単純に適用することができなかった。そこで、本発明に係る電力伝送システムでは、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算し、最高となるインバータ効率を与える周波数を選定することで、安定して電力伝送を行うことが可能な第２極値周波数を迅速に選定することができるので、電力伝送に要する時間を短縮することができ、産業上の利用性が非常に大きい。

１００・・・電力伝送システム
１１０・・・ＡＣ電源部
１２０・・・整流昇圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電制御部
１５１・・・記憶部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・充電制御部
２６０・・・コイルケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・磁性シールド体
２８５・・・中抜き部
２９０・・・金属体蓋部
３６０・・・コイルケース
３７０・・・コイル体
３８０・・・磁性シールド体
３９０・・・金属体蓋部

Claims

所定の周波数の交流電力を出力するインバータ部と、
前記インバータ部からの交流電力が入力される送電アンテナと、
前記インバータ部によって出力される交流電力の周波数を制御すると共に、前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
前記制御部は、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算し、最高となるインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする電力伝送システム。
所定の周波数の交流電力を出力するインバータ部と、
前記インバータ部からの交流電力が入力される送電アンテナと、
前記インバータ部によって出力される交流電力の周波数を制御すると共に、前記インバータ部のインバータ効率を演算する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
前記制御部は、上限の周波数から所定分周波数を下げつつ、インバータ効率を演算すると共に、演算されたインバータ効率が、前回に演算されたインバータ効率よりも下がった場合には、前回のインバータ効率を与える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする電力伝送システム。