WO2014054395A1

WO2014054395A1 - 送電機器、受電機器及び非接触電力伝送装置

Info

Publication number: WO2014054395A1
Application number: PCT/JP2013/074621
Authority: WO
Inventors: 啓介井上; 近藤　直; 古池　剛; 博樹戸叶; 勝永　浩史; 田口　雄一; 啓介松倉; 裕輝恒川
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2012-10-03
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-04-10
Also published as: JP2014075885A

Abstract

　送電機器は、２次側共振部を有する受電機器に対して非接触で交流電力を送電する。送電機器は、交流電力を出力可能な交流電源と、交流電力が入力される１次側共振部と、交流電源と１次側共振部との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された１次側インピーダンス変換部とを含む。交流電源から出力される交流電力の周波数及び１次側共振部の共振周波数は変更可能である。１次側インピーダンス変換部のインピーダンスは、交流電源から出力される交流電力の周波数及び１次側共振部の共振周波数が変更される場合に可変制御される。

Description

送電機器、受電機器及び非接触電力伝送装置

　本発明は、送電機器、受電機器及び非接触電力伝送装置に関する。

　従来から、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば磁場共鳴を用いた装置が知られている。例えば特許文献１の非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側共振部（１次側コイル）とを有する送電機器を備えている。また、非接触電力伝送装置は、１次側共振部と磁場共鳴可能な２次側共振部（２次側コイル）を有する受電機器を備えている。そして、１次側共振部と２次側共振部とが磁場共鳴することにより、送電機器から受電機器に交流電力が伝送される。

特開２００９－１０６１３６号公報

　上記のような送電機器や受電機器においては、インピーダンスを所望の値にするべくインピーダンス変換部が設けられている場合がある。また、送電機器と受電機器とで仕様が異なること等に起因して、例えば各共振部の共振周波数が異なると、電力伝送が困難となったり、伝送効率が低下したりする場合がある。

　本発明の目的は、インピーダンス変換部が設けられている構成において、仕様の相違に好適に対応することができる送電機器、受電機器及びこれらの機器を備えた非接触電力伝送装置を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明の一態様に係り、２次側共振部を有する受電機器に対して非接触で交流電力を送電可能な送電機器が提供される。前記送電機器は、交流電力を出力可能な交流電源と、前記交流電力が入力される１次側共振部と、前記交流電源と前記１次側共振部との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された１次側インピーダンス変換部とを備えている。前記交流電源から出力される前記交流電力の周波数及び前記１次側共振部の共振周波数は変更可能であり、前記１次側インピーダンス変換部のインピーダンスは、前記交流電源から出力される前記交流電力の周波数及び前記１次側共振部の共振周波数が変更される場合に可変制御される。

　かかる発明によれば、１次側インピーダンス変換部を設けることにより、交流電源の出力端から１次側共振部を見たインピーダンスを所望のインピーダンスにすることができる。また、１次側共振部の共振周波数を変更することにより、１次側共振部の共振周波数を２次側共振部の共振周波数に近づけることができる。これにより、仕様が異なることに起因する伝送効率の低下を抑制することができる。

　かかる構成において、１次側共振部の共振周波数が変更された場合には、交流電源の出力端から１次側共振部を見たインピーダンスが所望のインピーダンスからずれる場合が生じ得る。これに対して、１次側共振部の共振周波数が変更された場合には１次側インピーダンス変換部のインピーダンスを可変制御することにより、交流電源の出力端から１次側共振部を見たインピーダンスを所望のインピーダンスにすることができる。これにより、交流電源の出力端から１次側共振部を見たインピーダンスを所望のインピーダンスとしつつ、仕様の相違に対応することができる。

　本発明の更なる態様に係り、交流電力が入力される１次側共振部を有する送電機器から非接触で前記交流電力を受電可能な受電機器が提供される。前記受電機器は、前記１次側共振部から前記交流電力を受電可能な２次側共振部と、負荷と、前記２次側共振部と前記負荷との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された２次側インピーダンス変換部と、を備えている。前記２次側共振部の共振周波数は変更可能であり、前記２次側インピーダンス変換部のインピーダンスは、前記２次側共振部の共振周波数が変更される場合に可変制御される。

　かかる発明によれば、２次側インピーダンス変換部を設けることにより、２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスを所望のインピーダンスにすることができる。また、２次側共振部の共振周波数を変更することにより、２次側共振部の共振周波数を１次側共振部の共振周波数に近づけることができる。これにより、仕様が異なることに起因する伝送効率の低下を抑制することができる。

　かかる構成において、２次側共振部の共振周波数が変更された場合には、２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスが所望のインピーダンスからずれる場合が生じ得る。これに対して、２次側共振部の共振周波数が変更された場合には２次側インピーダンス変換部のインピーダンスを可変制御することにより、２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスを所望のインピーダンスにすることができる。これにより、２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスを所望のインピーダンスにしつつ、仕様の相違に対応することができる。

　好ましくは、非接触電力伝送装置は、上記態様の送電機器と受電機器とを備えている。
　かかる発明によれば、非接触電力伝送装置において上述した利点が得られる。
　好ましくは、前記１次側インピーダンス変換部のインピーダンス及び前記２次側インピーダンス変換部のインピーダンスの双方は、前記１次側共振部の共振周波数及び前記交流電力の周波数と、前記２次側共振部の共振周波数との少なくとも一方が変更された場合に可変制御される。

　１次側共振部の共振周波数及び交流電力の周波数と、２次側共振部の共振周波数とのいずれか一方が変更された場合には、交流電源の出力端から負荷までのインピーダンス及び２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスの双方が所望のインピーダンスからずれることが想定される。これに対して、本発明によれば、各インピーダンス変換部のインピーダンスを可変制御することにより、交流電源の出力端から負荷までのインピーダンスを所望のインピーダンスし、且つ、２次側共振部の出力端から負荷までのインピーダンスを所望のインピーダンスにすることができる。よって、周波数の変更に好適に追従することができる。

本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の電気的構成を示すブロック図。図１の非接触電力伝送装置の回路図。別例の非接触電力伝送装置の回路図。

　本発明に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）について説明する。
　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、地上に設けられた地上側機器１１と、車両に搭載された車両側機器２１とを含む。地上側機器１１が送電機器（１次側機器）に対応し、車両側機器２１が受電機器（２次側機器）に対応する。

　地上側機器１１は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な高周波電源１２（交流電源）を備えている。高周波電源１２は、系統電力を用いて正弦波の高周波電力を出力可能に構成されている。具体的には、高周波電源１２は、系統電力を直流電力に整流する整流器１２ａと、その直流電力の電圧値を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂとを備えている。また、高周波電源１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂから出力された直流電力を用いて矩形波の高周波電力を生成するＤＣ／ＲＦ変換器１２ｃと、そのＤＣ／ＲＦ変換器１２ｃにて生成された矩形波の高周波電力を正弦波の高周波電力に整形するローパスフィルタ１２ｄと、を備えている。なお、以降の説明においては、正弦波の高周波電力を、単に高周波電力と言う。

　ちなみに、高周波電源１２は、異なる電力値の高周波電力を出力可能に構成されている。詳細には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂは周期的にオンオフ（スイッチング）するスイッチング素子を有している。高周波電源１２は、スイッチング素子のオンオフのデューティ比に応じた電力値の高周波電力を出力するように構成されている。

　高周波電源１２から出力された高周波電力は、非接触で車両側機器２１に伝送され、車両側機器２１に設けられた負荷２２に入力される。具体的には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１及び車両側機器２１間の電力伝送を行うものとして、地上側機器１１に設けられた送電器１３（１次側共振部）と、車両側機器２１に設けられた受電器２３（２次側共振部）とを備えている。

　送電器１３は、並列に接続された１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路を含んでいる。送電器１３の共振周波数は、高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数（以降、単に出力周波数という）と同一に設定されている。受電器２３は、並列に接続された２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路を含んでいる。

　かかる構成によれば、仮に送電器１３の共振周波数と受電器２３の共振周波数とが同一又は磁場共鳴可能な範囲内である場合、高周波電源１２から高周波電力が送電器１３に入力されると、送電器１３と受電器２３とが磁場共鳴する。これにより、受電器２３は送電器１３のエネルギの一部を受け取る。すなわち、受電器２３は、送電器１３から高周波電力を受電する。

　車両側機器２１は、負荷２２として、整流器２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５及び車両用バッテリ２６を備えている。整流器２４は、閾値電圧値で動作するダイオードを有し、受電器２３にて受電した高周波電力を直流電力に整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、周期的にオンオフ（スイッチング）するスイッチング素子を有し、そのスイッチング素子のスイッチングによって、整流器２４にて整流された直流電力の電圧値を異なる電圧値に変換する。なお、車両側機器２１は、車両用バッテリ２６の充電量を検知する検知センサ２７を備えており、当該検知センサ２７によって充電量が把握可能となっている。

　ちなみに、車両用バッテリ２６のインピーダンスは入力される直流電力の電力値に応じて変動する。このため、負荷２２は、インピーダンスＺＬが変動する変動負荷である。
　図１に示すように、地上側機器１１には、高周波電源１２、詳細にはＤＣ／ＤＣコンバータ１２ｂ及びＤＣ／ＲＦ変換器１２ｃ等の制御を行う電源側コントローラ１４が設けられている。また、車両側機器２１には、電源側コントローラ１４と無線通信可能な車両側コントローラ２８が設けられており、コントローラ１４，２８間において情報のやり取りが可能になっている。

　非接触電力伝送装置１０は、複数のインピーダンス変換器３１，３２を備えている。詳細には、地上側機器１１は、高周波電源１２と送電器１３との間に設けられた１次側インピーダンス変換部としての第１インピーダンス変換器３１を備えている。車両側機器２１は、受電器２３と負荷２２との間に設けられた２次側インピーダンス変換部としての第２インピーダンス変換器３２を備えている。

　図２に示すように、第１インピーダンス変換器３１は、第１インダクタ３１ａ及び第１キャパシタ３１ｂからなる逆Ｌ型のＬＣ回路を含んでいる。第２インピーダンス変換器３２は、第２インダクタ３２ａ及び第２キャパシタ３２ｂからなるＬ型のＬＣ回路を含んでいる。

　ここで、本発明者らは、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部が、送電器１３及び受電器２３間の伝送効率に寄与していることを見出した。具体的には、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、相対的に他の抵抗値よりも伝送効率を高くする特定抵抗値Ｒｏｕｔが存在することを見出した。換言すれば、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、所定の抵抗値（第１抵抗値）よりも伝送効率を高くする特定抵抗値Ｒｏｕｔ（第２抵抗値）が存在することを見出した。

　詳細には、仮に送電器１３の入力端に仮想負荷Ｘ１を設けた場合において、仮想負荷Ｘ１の抵抗値をＲａ１とし、受電器２３（詳細には受電器２３の出力端）から仮想負荷Ｘ１までの抵抗値をＲｂ１とすると、特定抵抗値Ｒｏｕｔは√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。

　第２インピーダンス変換器３２は、上記知見に基づいて、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンス（第２インピーダンス変換器３２の入力端のインピーダンス）が特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づく（好ましくは一致する）ように負荷２２のインピーダンスＺＬをインピーダンス変換する。つまり、特定抵抗値Ｒｏｕｔが、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスにおける所望のインピーダンスに対応する。

　ここで、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス、つまり第１インピーダンス変換器３１の入力端のインピーダンスに依存する。なお、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスは、高周波電源１２の出力端から送電器１３側を見たインピーダンスとも言える。

　かかる構成において、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２から所望の電力値の高周波電力が出力されるべく、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づいている状況における送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。例えば、負荷２２の車両用バッテリ２６に対して入力される直流電力の電力値が充電に適した電力値となるのに要する高周波電源１２の出力電力の電力値を、充電に適した電力値の高周波電力とする。そして、高周波電源１２から充電に適した電力値の高周波電力が出力されるための高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス（第１インピーダンス変換器３１の入力端のインピーダンス）を、充電に適した入力インピーダンスＺｔとする。この場合、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが上記充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。なお、充電に適した入力インピーダンスＺｔが、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスにおける所望のインピーダンスに対応する。

　次に、磁場共鳴による電力伝送に支障が生じる場合ついて説明する。送電器１３の共振周波数及び出力周波数（以降、両者を合わせて地上側周波数という）と、受電器２３の共振周波数（以降、車両側周波数という）とが同一である場合には、伝送効率が高くなる。一方、地上側機器１１と車両側機器２１とで仕様が異なる等によって各周波数が異なる場合、伝送効率が低下したり、電力伝送ができなかったりする。

　これに対して、地上側機器１１及び車両側機器２１は、両者間での周波数の相違を補正するための構成を備えている。当該構成について以下に詳細に説明する。
　図１及び図２に示すように、送電器１３は、補正コンデンサ１３ｃとスイッチング素子１３ｄとからなる直列接続体を備えている。直列接続体は１次側コンデンサ１３ｂに対して並列に接続されている。これにより、送電器１３の共振周波数は変更可能となっている。また、ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｃは、矩形波の高周波電力の周波数を変更可能に構成されている。以上のことから、地上側周波数は変更可能となっている。

　なお、ローパスフィルタ１２ｄのカットオフ周波数は、出力周波数の変更に対応できるように設定されているが、これに限られず、電源側コントローラ１４がローパスフィルタ１２ｄのカットオフ周波数を変更できるように構成してもよい。

　なお、上記直列接続体は１つであったが、実際には複数設けられている。このため、各スイッチング素子１３ｄのスイッチング制御を行うことにより、送電器１３及び受電器２３は複数種類の共振周波数を取り得るようになっている。

　電源側コントローラ１４は、スイッチング素子１３ｄのスイッチング動作を制御することにより、送電器１３の共振周波数を変更することができる。また、電源側コントローラ１４は、ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｃを制御することにより、矩形波の高周波電力の周波数を変更することができ、これを通じて出力周波数を変更することができる。

　ここで、特定抵抗値Ｒｏｕｔは、送電器１３及び受電器２３の共振周波数に依存する。また、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎは、出力周波数及び各共振周波数に依存する。このため、仮に地上側周波数が変更された場合、伝送効率が低下したり、所望の電力値の高周波電力が得られなかったりする事態が生じ得る。これに対して、非接触電力伝送装置１０は、地上側周波数の変更に追従するための構成を備えている。当該構成について以下に詳細に説明する。なお、以下の説明においては、送電器１３及び受電器２３が予め定められた基準位置に配置されているとする。

　各インピーダンス変換器３１，３２の定数（インピーダンス）の実部（レジスタンス）及び虚部（リアクタンス）、あるいはそのいずれかは可変（調整可能）となっている。図２に示すように、本実施形態では、各インピーダンス変換器３１，３２の各キャパシタ３１ｂ，３２ｂのキャパシタンスは可変となっている。なお、定数（インピーダンス）は、変換比や、インダクタンスやキャパシタンスとも言える。

　ちなみに、各インピーダンス変換器３１，３２の初期状態の定数は、地上側周波数が予め定められた初期周波数であり、且つ、地上側周波数と車両側周波数とが同一である条件で設定されている。例えば、第２インピーダンス変換器３２の初期状態の定数は、上記条件下であって高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力されている場合に、負荷２２のインピーダンスＺＬを特定抵抗値Ｒｏｕｔに変換する値に設定されている。また、第１インピーダンス変換器３１の初期状態の定数は、上記条件下であって高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力されている場合に、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎを、充電に適した入力インピーダンスＺｔに変換する値に設定されている。

　高周波電源１２と送電器１３との間、詳細には高周波電源１２と第１インピーダンス変換器３１との間には、測定部としての１次側測定器４１が設けられている。１次側測定器４１は、電源側コントローラ１４からの要求に応じて電圧波形及び電流波形を測定し、その測定結果を電源側コントローラ１４に対して送信する。

　受電器２３と負荷２２との間、詳細には受電器２３と第２インピーダンス変換器３２との間には、測定部としての２次側測定器４２が設けられている。２次側測定器４２は、車両側コントローラ２８からの要求に応じて電圧波形及び電流波形を測定し、その測定結果を車両側コントローラ２８に対して送信する。

　また、第２インピーダンス変換器３２と負荷２２との間には、入力される高周波電力の電力値に関わらず同一の抵抗値（インピーダンス）を有する固定抵抗（固定負荷）５１が設けられている。そして、車両側機器２１には、第２インピーダンス変換器３２の接続先を、固定抵抗５１か、負荷２２になるように切り換える切換部としてのリレー５２が設けられている。なお、第２インピーダンス変換器３２の接続先は、受電器２３で受電し第２インピーダンス変換器３２から出力される高周波電力の出力先とも言える。

　各コントローラ１４，２８は、車両用バッテリ２６の充電を行う充電シーケンスにて、地上側周波数の変更を行うとともに、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う。充電シーケンスについて、以下に詳細に説明する。なお、充電シーケンスは、コントローラ１４，２８が互いに情報のやり取りを行いながら実行される。

　先ず、各コントローラ１４，２８は、情報のやり取りを通じて、送電器１３及び受電器２３が予め定められた基準位置に配置されていることを確認する。
　その後、各コントローラ１４，２８は、地上側周波数の初期周波数と車両側周波数とが一致しているか否かを判定する。具体的には、例えば電源側コントローラ１４のメモリには、地上側周波数の初期周波数に関する情報が記憶されており、車両側コントローラ２８のメモリには、車両側周波数に関する情報が記憶されている。そして、各コントローラ１４，２８は、地上側周波数の初期周波数に関する情報と車両側周波数に関する情報とに基づいて、地上側周波数の初期周波数と車両側周波数とが一致しているか否かを判定する。

　両者が一致している場合には、各コントローラ１４，２８は、そのまま電力伝送を開始する。詳細には、電源側コントローラ１４は、充電用の高周波電力が出力されるよう高周波電源１２を制御し、車両側コントローラ２８は、第２インピーダンス変換器３２の接続先が負荷２２となるようにリレー５２を制御する。

　一方、地上側周波数の初期周波数と車両側周波数とが一致していない場合、電源側コントローラ１４は、地上側周波数が車両側周波数に近づく（好ましくは一致する）ように、高周波電源１２及びスイッチング素子１３ｄを制御する。

　地上側周波数の変更によって、地上側周波数と車両側周波数とが一致又は予め定められた許容範囲内で近づいた場合には、車両側コントローラ２８は、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１となるようにリレー５２を制御する。その後、電源側コントローラ１４は、充電用の高周波電力よりも電力値が小さい調整用の高周波電力が出力されるように高周波電源１２を制御する。そして、各コントローラ１４，２８は、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う。

　例えば、先ず、車両側コントローラ２８は、特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくように、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行う。なお、この場合、例えば２次側測定器４２にて測定される電圧波形及び電流波形から導出される各種パラメータ（電力値、力率等）を用いて、特定抵抗値Ｒｏｕｔを特定する。

　第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御が終了した後は、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが上記充電に適した入力インピーダンスＺｔに近づくように、１次側測定器４１の測定結果に基づいて第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う。つまり、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御の後に、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う。

　各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御後、電源側コントローラ１４は、充電用の高周波電力が出力されるように高周波電源１２を制御する。また、車両側コントローラ２８は、第２インピーダンス変換器３２の接続先が負荷２２となるようにリレー５２を制御する。

　ここで、固定抵抗５１の抵抗値（インピーダンス）Ｒｘは、充電用の高周波電力が出力されている状態における負荷２２のインピーダンスＺＬと同一に設定されている。このため、リレー５２の切換が行われた場合であっても、第２インピーダンス変換器３２の出力端以降のインピーダンスが変動しにくくなっている。

　その後、車両側コントローラ２８は、検知センサ２７の検知結果に基づいて、車両用バッテリ２６の充電量が満充電量（終了契機量）となったか否かを判定し、満充電量となった場合には、電源側コントローラ１４にその旨を通知する。電源側コントローラ１４は、その通知を受けて、高周波電力の出力を停止するよう高周波電源１２を制御する。

　本実施形態の作用について以下に説明する。
　第２インピーダンス変換器３２は、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔとなるようにインピーダンス変換しているため、伝送効率の向上が実現されている。

　また、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるようにインピーダンス変換しているため、充電に適した電力値の高周波電力が負荷２２に供給されている。

　ここで、車両側周波数と地上側周波数とが異なる場合には、両者が近づくように地上側周波数が変更される。これにより、両者が異なる周波数である場合であっても、電力伝送が可能となっているとともに、伝送効率の低下が抑制されている。

　かかる構成において、地上側周波数の変更に伴って特定抵抗値Ｒｏｕｔや送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎが変動する。この変動に対応させて、各インピーダンス変換器３１，３２の定数が可変制御される。これにより、地上側周波数の変更に伴う伝送効率の低下等が抑制されている。

　以上詳述した本実施形態は以下の優れた利点を有する。
　（１）地上側機器１１に、定数（インピーダンス）が可変の第１インピーダンス変換器３１が設けられている構成において、地上側周波数を変更可能に構成し、地上側周波数が変更された場合には、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行うものとした。これにより、地上側周波数を車両側周波数に近づけることで、非接触での電力伝送の実現及び伝送効率の低下を抑制しつつ、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスを所望のインピーダンス（充電に適した入力インピーダンスＺｔ）にすることができる。

　特に、電源側コントローラ１４は、地上側周波数の変更に対応させて、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う。これにより、地上側周波数の変更に関わらず、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔとなる。すなわち、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが地上側周波数の変更に関わらず一定値に近づくように、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う。これにより、安定した電力供給が実現されている。

　（２）さらに、地上側周波数が変更される場合には、周波数が変更される側（地上側機器１１）に設けられた第１インピーダンス変換器３１だけではなく、周波数が変更される側とは異なる側（車両側機器２１）に設けられた第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御をも行う。これにより、地上側周波数の変更に伴って受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが所望のインピーダンス（特定抵抗値Ｒｏｕｔ）からずれることを抑制することができ、高い伝送効率を維持することができる。

　（３）地上側周波数の変更及び各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御が行われる場合には第２インピーダンス変換器３２の接続先を固定抵抗５１にした。これにより、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を容易に行うことができる。

　詳細には、仮に第２インピーダンス変換器３２と負荷２２とが接続されている状況において地上側周波数を変更した場合には、その変更に伴って負荷２２に入力される高周波電力の電力値が変動し得る。この場合、負荷２２のインピーダンスＺＬが変動する。このため、各インピーダンス変換器３１，３２においては、特定抵抗値Ｒｏｕｔや送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎの変動に加えて、負荷２２のインピーダンスＺＬの変動にも対応する必要が生じ、定数の可変制御が煩雑となる。

　これに対して、本実施形態によれば、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘは一定であるため、負荷２２のインピーダンスＺＬの変動を考慮することなく、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行うことができる。その結果各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を容易に行うことができる。

　（４）地上側周波数の変更等が終了した後は、第２インピーダンス変換器３２の接続先を負荷２２にする。そして、第２インピーダンス変換器３２が固定抵抗５１に接続されている場合には、充電用の高周波電力よりも電力値が小さい調整用の高周波電力が出力され、第２インピーダンス変換器３２が負荷２２に接続されている場合には、充電用の高周波電力が出力されるように高周波電源１２を制御した。これにより、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う場合に生じ得る電力損失を抑制することができる。

　特に、地上側周波数が変更された状況において高周波電源１２から比較的電力値が高い充電用の高周波電力が出力されると、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス等が所望のインピーダンスからずれることに起因して、高周波電源１２等に過度な負担が付与される場合がある。これに対して、地上側周波数が変更された後の各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御においては、高周波電源１２から比較的電力値が小さい調整用の高周波電力が出力されているため、高周波電源１２等への負担を軽減することができる。

　なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
　実施形態では、地上側周波数を変更しているが、これに限られず、車両側周波数を変更してもよい。例えば、図３に示すように、受電器２３は、補正コンデンサ２３ｃとスイッチング素子２３ｄとからなる直列接続体を備えている。直列接続体は２次側コンデンサ２３ｂに対して並列に接続されている。そして、車両側コントローラ２８は、スイッチング素子２３ｄを制御することにより、受電器２３の共振周波数を変更可能となっている。

　かかる構成においては、地上側周波数と車両側周波数とが異なる場合には、両者が近づく（好ましくは一致する）ように車両側周波数を変更する。そして、各コントローラ１４，２８は、車両側周波数の変更後、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う。この場合、地上側周波数を変更する必要がない分、制御の容易化を図ることができる。但し、車両側周波数を変更可能とするための構成を設置するためのスペース分だけ受電器２３の大型化が懸念される点、及び、車両に搭載される車両側機器２１の方が、設置スペースを確保しにくい点等を鑑みると、地上側周波数を変更する方が好ましい。

　また、地上側周波数及び車両側周波数双方を変更してもよい。
　実施形態では、スイッチング素子１３ｄのスイッチング制御を行うことにより、送電器１３の共振周波数を変更する構成としたが、これに限られない。例えば、１次側コンデンサ１３ｂに代えて可変コンデンサを採用し、電源側コントローラ１４が上記可変コンデンサのキャパシタンスを可変制御することにより、送電器１３の共振周波数を変更してもよい。なお、言うまでもないが、共振周波数を変更するためにキャパシタンスに代えてインダクタンスを可変制御してもよく、キャパシタンス及びインダクタンスの双方を可変制御してもよい。

　実施形態では、地上側周波数の変更に伴い第１インピーダンス変換器３１の定数及び第２インピーダンス変換器３２の定数双方を可変制御するが、これに限られない。例えば、地上側周波数を変更した場合には、第１インピーダンス変換器３１の定数のみを可変制御してもよい。また、車両側周波数を変更する場合にあっては、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行い、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行わなくてもよい。要は、周波数を変更する側に設けられたインピーダンス変換器の定数を可変制御すればよい。

　実施形態では、電源側コントローラ１４が、地上側周波数を変更するとともに第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行うが、これに限られない。例えば、電源側コントローラ１４とは別に、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う専用の回路を設けてもよい。

　実施形態では、地上側機器１１と車両側機器２１との仕様の違いとして周波数の相違を想定したが、これに限られない。例えば、電力伝送方式の違いを想定してもよい。具体的には、例えば送電器及び受電器のうち、一方が電磁誘導方式の共振部であり、他方が磁場共鳴方式の共振部である場合には、磁場共鳴方式にて電力伝送が行われるよう一方側を調整してもよい。この場合であっても、本発明を適用することができる。

　なお、「磁場共鳴方式にて電力伝送が行われるよう一方側を調整」する具体的な構成としては、例えば電磁誘導方式で用いるコイルと協働して共振回路を構成する可変コンデンサを含む構成が考えられる。そして、可変コンデンサのキャパシタンスを可変制御することにより、共振周波数を変更する。なお、上記電力伝送方式の違いを想定する場合には、各コントローラ１４，２８は、互いに情報のやり取りを通じて、電力伝送方式が一致しているか否かを判定するとよい。

　地上側周波数の変更については、地上側周波数と、車両側周波数とが完全に同一となるようにする必要はない。例えば、電力伝送に支障が生じない範囲内で地上側周波数と車両側周波数とがずれていてもよい。要は、車両側周波数と地上側周波数とが近づくよう両者の少なくとも一方を変更すればよい。

　地上側周波数を変更しても、地上側周波数と車両側周波数とが許容範囲内に収まらない場合には、充電シーケンスを中止する構成を有してもよい。
　実施形態では、送電器１３及び受電器２３は基準位置に配置されていたが、これに限られず、基準位置からずれていてもよい。この場合、送電器１３及び受電器２３の相対位置の変動に対応させて、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行ってもよい。これにより、各インピーダンス変換器３１，３２を用いて、周波数の変更と、送電器１３及び受電器２３の相対位置の変動との双方に対応することができる。

　実施形態では、各インピーダンス変換器３１，３２はＬＣ回路で構成されていたが、これに限られない。例えば、第１インピーダンス変換器３１に代えて、インダクタンスが可変の１次側誘導コイルを設けてもよい。１次側誘導コイルは１次側コイル１３ａと協動してトランスを構成する。当該１次側誘導コイル及び送電器１３間は、電磁誘導によって電力伝送される。この場合、１次側誘導コイルが第１インピーダンス変換器３１として機能するように、当該１次側誘導コイルのインダクタンスを設定するとよい。

　同様に、受電器２３と２次側測定器４２との間に、第２インピーダンス変換器３２に代えて、インダクタンスが可変の２次側誘導コイルを設けてもよい。２次側誘導コイルは２次側コイル２３ａと協働してトランスを構成する。受電器２３及び２次側誘導コイル間は、電磁誘導によって電力伝送される。この場合、２次側誘導コイルが第２インピーダンス変換器３２として動作するように、当該２次側誘導コイルのインダクタンスを設定するとよい。

　インピーダンス変換器３１，３２の少なくとも一方を、トランスに置換してもよい。
　第１インピーダンス変換器３１は、力率が改善されるように送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換してもよい。

　第１インピーダンス変換器３１を省略してもよい。また、地上側機器１１に、第１インピーダンス変換器３１とは別に、力率を改善させるインピーダンス変換器を設けてもよい。

　固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘを任意に設定してもよい。この場合、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１から負荷２２に切り換わった場合に、再度第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うとよい。

　実施形態では、調整用の高周波電力と、充電用の高周波電力とで電力値が異なっていたが、これに限られず、両者の電力値を同一に設定してもよい。
　また、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１となっている状況にて、高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力され、その状態で各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御が行われてもよい。

　各インピーダンス変換器３１，３２の具体的な構成は、上記実施形態のものに限定されず、任意である。例えば、π型、Ｔ型等を用いてもよい。
　高周波電源１２から出力される高周波電力の電圧波形は、パルス波形、正弦波等任意である。

　実施形態では、各コンデンサ１３ｂ，２３ｂを設けたが、これらを省略してもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの寄生容量を用いて磁場共鳴が行われる。
　実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴を用いたが、これに限られず、電磁誘導を用いてもよい。

　実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、車両に適用されていたが、これに限られず、他の機器に適用してもよい。例えば、携帯電話のバッテリを充電するのに適用してもよい。

　実施形態では、負荷２２には、整流器２４及び車両用バッテリ２６が含まれていたが、これに限られず、他の電子機器が含まれてもよい。また、入力される電力の電力値に関わらず一定のインピーダンスを有する負荷を採用してもよい。

　実施形態では、リレー５２を制御する主体は車両側コントローラ２８であったが、これに限られず、例えば電源側コントローラ１４であってもよい。また、高周波電源１２の制御の主体は、電源側コントローラ１４に限られず、例えば車両側コントローラ２８であってもよい。同様に、各インピーダンス変換器３１，３２の制御主体は任意である。

　実施形態では、高周波電源１２が設けられていたが、これに限られず、これを省略してもよい。
　送電器１３は、１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路と、その共振回路と電磁誘導で結合する１次側結合コイルとを有してもよい。この場合、上記共振回路は、上記１次側結合コイルから電磁誘導によって高周波電力を受けるように構成される。同様に、受電器２３は、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路と、その共振回路と電磁誘導で結合する２次側結合コイルとを有してもよい。この場合、受電器２３は２次側結合コイルを用いて受電器２３の共振回路から電力を取り出してもよい。

　高周波電源１２は、電力源、電圧源及び電流源のいずれであってもよい。
　高周波電源１２として電力源を採用し、各インピーダンス変換器３１，３２を、インピーダンス整合させるのに用いてもよい。詳細には、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが高周波電源１２の出力インピーダンスと整合するように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換してもよい。また、第２インピーダンス変換器３２は、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが受電器２３の出力端から高周波電源１２までのインピーダンスと整合するように、負荷２２のインピーダンスＺＬをインピーダンス変換してもよい。

　かかる構成においては、１次側測定器４１は、送電器１３から高周波電源１２に向かう反射波電力を測定し、２次側測定器４２は、第２インピーダンス変換器３２から高周波電源１２に向かう反射波電力を測定してもよい。そして、各コントローラ１４，２８は、各反射波電力が小さくなるように各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行うとよい。また、上記構成においては、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を同時に可変制御するとよい。

　なお、上記構成の場合、高周波電源１２の出力インピーダンスと整合するインピーダンスが、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスにおける所望のインピーダンスに対応する。そして、受電器２３の出力端から高周波電源１２までのインピーダンスと整合するインピーダンスが、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスにおける所望のインピーダンスに対応する。

　車両用バッテリ２６の充電が行われている途中で、高周波電源１２から出力されている高周波電力の電力値を変更してもよい。この場合、車両用バッテリ２６のインピーダンスの変動に対応させて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５のスイッチング素子のオンオフのデューティ比を調整することにより、負荷２２のインピーダンスＺＬを一定にしてもよい。なお、この場合、車両用バッテリが「負荷又は変動負荷」に対応し、ＤＣ／ＤＣコンバータが「２次側インピーダンス変換部」に対応する。また、デューティ比の調整は、ＤＣ／ＤＣコンバータのインピーダンスの調整とも言える。つまり、「負荷」には、２次側コイル２３ａにて受電された高周波電力又はそれが整流された直流電力が入力される。

　リレー５２と負荷２２との間に第３インピーダンス変換器を別途設けてもよい。この場合、リレー５２は、第２インピーダンス変換器３２の接続先を、固定抵抗５１か、負荷２２に接続された第３インピーダンス変換器に切り換える。かかる構成においては、高周波電源１２から出力されている高周波電力の電力値が変更されることに応じて、第３インピーダンス変換器の定数を可変制御することにより、第３インピーダンス変換器の入力端から負荷２２までのインピーダンスが一定となるとよい。

　また、上記のように車両側機器２１はインピーダンス変換器を２つ有する構成に限られず、インピーダンス変換器を３つ以上有してもよい。同様に、地上側機器１１はインピーダンス変換器を２つ以上有してもよい。

Claims

　２次側共振部を有する受電機器に対して非接触で交流電力を送電可能な送電機器において、
　前記交流電力を出力可能な交流電源と、
　前記交流電力が入力される１次側共振部と、
　前記交流電源と前記１次側共振部との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された１次側インピーダンス変換部と、を備え、
　前記交流電源から出力される前記交流電力の周波数及び前記１次側共振部の共振周波数は変更可能であり、
　前記１次側インピーダンス変換部のインピーダンスは、前記交流電源から出力される前記交流電力の周波数及び前記１次側共振部の共振周波数が変更される場合に可変制御される送電機器。
　交流電力が入力される１次側共振部を有する送電機器から非接触で前記交流電力を受電可能な受電機器において、
　前記１次側共振部から前記交流電力を受電可能な２次側共振部と、
　負荷と、
　前記２次側共振部と前記負荷との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された２次側インピーダンス変換部と、を備え、
　前記２次側共振部の共振周波数は変更可能であり、
　前記２次側インピーダンス変換部のインピーダンスは、前記２次側共振部の共振周波数が変更される場合に可変制御される受電機器。
　前記２次側共振部の出力端から前記負荷までのインピーダンスの実部には、相対的に他の抵抗値よりも伝送効率を高くする特定抵抗値が存在しており、
　前記２次側インピーダンス変換部は、前記２次側共振部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが前記特定抵抗値に近づくようにインピーダンス変換する請求項２に記載の受電機器。
　前記１次側共振部の入力端に抵抗値がＲａ１の仮想負荷を設けた場合の前記２次側共振部から前記仮想負荷までの抵抗値をＲｂ１とすると、前記特定抵抗値は√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である請求項３に記載の受電機器。
　前記負荷は、入力される電力の電力値に応じてインピーダンスが変動する変動負荷であり、
　前記変動負荷とは別に設けられ、入力される電力の電力値に関わらず同一のインピーダンスを有する固定負荷と、
　前記２次側共振部で受電し前記２次側インピーダンス変換部から出力される電力の出力先を、前記固定負荷か、前記変動負荷に切り換える切換部と、
をさらに備え、
　前記切換部は、前記２次側共振部の共振周波数が変更される場合には、前記２次側共振部で受電し前記２次側インピーダンス変換部から出力される交流電力の出力先を、前記固定負荷とする請求項２～４のうちいずれか一項に記載の受電機器。
　請求項１に記載の送電機器と、
　請求項２に記載の受電機器と、
を備えている非接触電力伝送装置。
　前記１次側インピーダンス変換部のインピーダンス及び前記２次側インピーダンス変換部のインピーダンスの双方は、前記１次側共振部の共振周波数及び前記交流電力の周波数と、前記２次側共振部の共振周波数との少なくとも一方が変更された場合に可変制御される請求項６に記載の非接触電力伝送装置。