WO2015083709A1

WO2015083709A1 - 非接触電力伝送装置

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Publication number: WO2015083709A1
Application number: PCT/JP2014/081893
Authority: WO
Inventors: 田口　雄一
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JP2015109747A

Abstract

非接触電力伝送装置１０は、互いに並列に接続された１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとを有し、且つ、交流電力が供給される送電器１３と、互いに並列に接続された２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとを有し、且つ、送電器１３から非接触で交流電力を受電可能な受電器２３とを備えている。非接触電力伝送装置１０は、受電器２３と負荷２２との間に設けられたインピーダンス変換器２５を備え、当該インピーダンス変換器２５は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるようにインピーダンス変換する。

Description

非接触電力伝送装置

　本発明は非接触電力伝送装置に関する。

　非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送装置として、例えば、交流電力が供給される１次側コイルと、１次側コイルから非接触で交流電力を受電可能な２次側コイルとを備えているものが知られている（例えば特許文献１参照）。かかる非接触電力伝送装置では、例えば１次側コイルと２次側コイルとが磁場共鳴することにより、１次側コイルから２次側コイルに向けて非接触で電力伝送が行われる。また、特許文献１に記載の非接触電力伝送装置は、２次側コイルによって受電された交流電力が供給される負荷を備えている。

特開２００９－１０６１３６号公報

　ここで、２次側コイルが車両等の移動体に搭載されている場合、１次側コイルと２次側コイルとの相対位置が変動する。当該相対位置が変動すると、１次側コイルの入力端から負荷までのインピーダンスが変動する。各コイルの相対位置の変動に起因して、１次側コイルに過度な電流が流れて当該１次側コイルに異常が発生する可能性がある。

　本発明の目的は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、各コイルの相対位置の変動に起因して１次側コイルに過度な電流が流れることを抑制できる非接触電力伝送装置を提供することである。

　本発明の一側面は、非接触電力伝送装置であって、少なくとも１次側コイルを有し、交流電力が供給される送電部と、互いに並列に接続された２次側コイル及び２次側コンデンサを有し、前記送電部から前記交流電力を非接触で受電可能な受電部と、前記受電部と負荷との間に設けられ、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部と、を備え、予め定められた許容範囲内において、前記１次側コイルに流れる電流値が最大となる前記１次側コイル及び前記２次側コイルの相対位置が特定相対位置として用いられ、前記相対位置が前記特定相対位置である場合に、前記１次側コイルに流れる電流値が予め定められた閾値電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスとして用いられ、前記インピーダンス変換部は、前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスよりも高くなるようにインピーダンス変換を行う。

　本発明の一側面は、非接触電力伝送装置であって、少なくとも１次側コイルを有し、交流電力が供給される送電部と、互いに直列に接続された２次側コイル及び２次側コンデンサを有し、前記送電部から前記交流電力を非接触で受電可能な受電部と、前記受電部と負荷との間に設けられ、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部と、を備え、予め定められた許容範囲内において、前記１次側コイルに流れる電流値が最大となる前記１次側コイル及び前記２次側コイルの相対位置が特定相対位置として用いられ、前記相対位置が前記特定相対位置である場合に、前記１次側コイルに流れる電流値が予め定められた閾値電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスとして用いられ、前記インピーダンス変換部は、前記受電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インピーダンスよりも低くなるようにインピーダンス変換を行う。

　この発明によれば、各コイルの相対位置の変動に起因して１次側コイルに過度な電流が流れることを抑制できる。

第１実施形態の非接触電力伝送装置の電気的構成の概要を示す回路図。許容範囲及び特定相対位置を説明するための概念図。第２実施形態の非接触電力伝送装置の電気的構成の概要を示す回路図。第３実施形態の非接触電力伝送装置の電気的構成の概要を示す回路図。第４実施形態の非接触電力伝送装置の電気的構成の概要を示す回路図。

　（第１実施形態）
　以下、非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）を車両に適用した第１実施形態について説明する。

　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、非接触で電力伝送が可能な送電機器１１（送電装置、１次側機器）及び受電機器２１（受電装置、２次側機器）を備えている。送電機器１１は地上に設けられており、受電機器２１は車両に搭載されている。

　送電機器１１は、予め定められた周波数の交流電力を出力可能な交流電源１２を備えている。交流電源１２は、インフラとしての系統電源から系統電力が供給された場合に、当該系統電力を交流電力に変換し、その変換された交流電力を出力可能に構成されている。

　交流電源１２から出力された交流電力は、非接触で受電機器２１に伝送され、受電機器２１に設けられた負荷２２に供給される。詳細には、非接触電力伝送装置１０は、送電機器１１及び受電機器２１間の電力伝送を行うための送電機器１１に設けられた送電器（送電部）１３と、受電機器２１に設けられた受電器（受電部）２３とを備えている。

　送電器１３及び受電器２３は同一の構成となっており、両者は磁場共鳴可能に構成されている。例えば、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有している。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有している。両共振回路の共振周波数は同一に設定されている。

　かかる構成によれば、送電器１３及び受電器２３の相対位置が磁場共鳴可能な位置にある状況において、交流電力が送電器１３（１次側コイル１３ａ）に供給された場合、送電器１３と受電器２３（２次側コイル２３ａ）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から交流電力を受電する。

　ちなみに、交流電源１２から出力される交流電力の周波数は、送電器１３及び受電器２３間にて電力伝送が可能となるよう、送電器１３及び受電器２３の共振周波数に対応させて設定されている。例えば、交流電力の周波数は、送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一に設定されている。なお、これに限られず、電力伝送が可能な範囲内で、交流電力の周波数と、送電器１３及び受電器２３の共振周波数とがずれていてもよい。

　また、送電器１３は例えば地上に配置されており、受電器２３は当該送電器１３と対向配置可能な位置、例えば車両の底部に配置されている。
　受電器２３によって受電された交流電力が供給される負荷２２は、例えば当該交流電力を直流電力に変換する変換部と、当該変換部によって変換された直流電力が供給される車両用バッテリとを有する。これにより、受電器２３によって受電された交流電力を用いて車両用バッテリが充電される。

　送電機器１１は、交流電源１２等の制御を行う送電側コントローラ１４を備えている。送電側コントローラ１４は、交流電源１２のオンオフ制御を行うとともに、交流電源１２から出力される交流電力の電力値を制御する。

　また、受電機器２１は、送電側コントローラ１４と無線通信可能な受電側コントローラ２４を備えている。各コントローラ１４，２４は、互いに情報のやり取りを通じて、電力伝送の開始又は終了等を行う。

　次に、送電器１３（１次側コイル１３ａ）及び受電器２３（２次側コイル２３ａ）の相対位置と１次側コイル１３ａに流れる電流値Ｉ１（以降単に第１電流値Ｉ１ともいう）との関係について説明する。

　既に説明した通り、受電器２３を有する受電機器２１が車両に搭載されているため、送電器１３及び受電器２３の相対位置は変動する。この場合、送電器１３と受電器２３との相対位置に応じて、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺ１（以降単に第１インピーダンスＺ１ともいう）は変動する。第１電流値Ｉ１は、第１インピーダンスＺ１に依存するため、第１インピーダンスＺ１が変動すると、第１電流値Ｉ１も変動する。例えば、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとが並列に接続されている構成においては、第１インピーダンスＺ１が高くなると、第１電流値Ｉ１は高くなる。このため、送電器１３と受電器２３との相対位置の変動に起因して、第１インピーダンスＺ１が過度に高くなり、第１電流値Ｉ１が過度に高くなる場合が生じ得る。

　これに対して、第１実施形態では、第１電流値Ｉ１が過度に高くなることを抑制するための構成を備えている。当該構成について以下に説明する。
　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０の受電機器２１は、受電器２３と負荷２２との間に設けられたインピーダンス変換器２５（インピーダンス変換部）を備えている。例えば、インピーダンス変換器２５（インピーダンス変換部）は、受電器２３と負荷２２との伝送路上に設けられ、第１実施形態では、電力線ＥＬ１，ＥＬ２上に設けられている。インピーダンス変換器２５は、ＬＣ回路で構成されてもよい。例えば、インピーダンス変換器２５は、受電器２３と負荷２２とを接続する電力線ＥＬ１，ＥＬ２上に設けられたインダクタ２５ａ，２５ｂと、各インダクタ２５ａ，２５ｂに対して前段に設けられ、各インダクタ２５ａ，２５ｂに対して並列に接続されたキャパシタ２５ｃと、を有するＬＣ回路を含む。

　ここで、図２に示すように、送電器１３と受電器２３との位置ずれを許容する許容範囲Ｓが予め定められる。当該許容範囲Ｓ内において、第１電流値Ｉ１が最大となる送電器１３と受電器２３との相対位置は、特定相対位置と呼称される。

　許容範囲Ｓは、予め定められた範囲であれば任意であるが、例えば、交流電源１２が所望の電力値（予め定められた特定電力値）の交流電力を出力可能な範囲として設定してもよい。詳述すると、交流電源１２から出力される交流電力の電力値は、第１インピーダンスＺ１に依存する。このため、上記した相対位置が過度に変動した場合、第１インピーダンスＺ１の変動幅が大きくなる。その結果、交流電源１２は、交流電源１２の定格（ドライブ能力）で所望の電力値の交流電力を出力できない場合がある。このため、許容範囲Ｓは、当該許容範囲Ｓにて上記した相対位置が変動して第１インピーダンスＺ１が変動した場合であっても、上記した所望の電力値の交流電力が出力可能な範囲となるよう、交流電源１２の定格（ドライブ能力）に対応させて設定してもよい。

　また、本実施形態における特定相対位置とは、例えば図２に示すように、送電器１３及び受電器２３が円板状に形成されている構成にあっては、送電器１３及び受電器２３が、両者の中心線が一致した状態で対向し、且つ、両者間の距離が、第１電流値Ｉ１が最大となる距離となっている位置が考えられる。

　第１電流値Ｉ１が最大となるということは、第１インピーダンスＺ１が最大となること意味する。この点に着目すれば、特定相対位置とは、許容範囲Ｓ内において第１インピーダンスＺ１が最大となる送電器１３及び受電器２３の相対位置であるとも言える。

　そして、送電器１３及び受電器２３の相対位置が特定相対位置である場合に第１電流値Ｉ１が予め定められた閾値電流値となる受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスＺ２は、特定インピーダンスＺｑと呼称される。閾値電流値は、１次側コイル１３ａの特性に対応させて設定され、例えば１次側コイル１３ａの定格電流値又はそれよりも所定のマージン分だけ低い値などである。

　なお、以降の説明において、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスＺ２は、第２インピーダンスＺ２と呼称される。第２インピーダンスＺ２は、受電器２３の出力端から負荷２２側を見たインピーダンスとも言える。また、第１インピーダンスＺ１は、送電器１３の入力端から負荷２２側を見たインピーダンスであるとも言える。

　かかる構成において、インピーダンス変換器２５は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるように負荷２２のインピーダンスをインピーダンス変換する。換言すれば、インピーダンス変換器２５の定数（インピーダンス）は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるように設定されている。なお、定数とは、変換比とも、インダクタンスともキャパシタンスとも言える。

　かかる構成によれば、第２インピーダンスＺ２が高くなると第１インピーダンスＺ１が低くなり、第１電流値Ｉ１が低くなる。この点、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなっているため、第１インピーダンスＺ１は、送電器１３と受電器２３との相対位置が許容範囲Ｓ内にて変動した場合であっても、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑとなっている場合の値よりも低くなる。これにより、第１電流値Ｉ１は、送電器１３と受電器２３との相対位置が許容範囲Ｓ内にて変動した場合であっても、閾値電流値以下となる。なお、第２インピーダンスＺ２は、インピーダンス変換器２５の入力端のインピーダンスであるとも言える。

　ここで、２次側コイル２３ａに印加される電圧値Ｖ、及び、２次側コイル２３ａに流れる電流値Ｉ２（以降第２電流値Ｉ２ともいう）は、第２インピーダンスＺ２に依存する。詳細には、第２インピーダンスＺ２が高くなると、２次側コイル２３ａに印加される電圧値Ｖ及び第２電流値Ｉ２は高くなる。

　この点、インピーダンス変換器２５によって変換されるインピーダンスである第２インピーダンスＺ２は、第２電流値Ｉ２及び電圧値Ｖに対応させて設定されている。
　例えば、電圧値Ｖが許容電圧値となる第２インピーダンスＺ２を第１上限値とすると、第２インピーダンスＺ２は、上記した第１上限値よりも低くなるように設定されている。許容電圧値とは、例えば２次側コイル２３ａが正常に動作する最大電圧値等が考えられ、例えば２次側コイル２３ａの定格電圧値又はそれよりも所定のマージン分だけ低い値等が考えられる。

　また、第２電流値Ｉ２が許容電流値となる第２インピーダンスＺ２を第２上限値とすると、第２インピーダンスＺ２は、上記した第２上限値よりも低くなるように設定されている。許容電流値とは、例えば２次側コイル２３ａが正常に動作する最大電流値などが考えられ、例えば２次側コイル２３ａの定格電流値又はそれよりも所定のマージン分だけ低い値等が考えられる。

　以上詳述した第１実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
　（１）２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが並列に接続されている構成において、第２インピーダンスＺ２が高くなると、第１電流値Ｉ１が低くなる。この点、第１実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるようにインピーダンス変換するインピーダンス変換器２５を備えている。当該特定インピーダンスＺｑは、送電器１３（１次側コイル１３ａ）及び受電器２３（２次側コイル２３ａ）の相対位置が特定相対位置となっている状況において第１電流値Ｉ１が閾値電流値となるインピーダンスである。そして、特定相対位置とは、許容範囲Ｓ内において第１電流値Ｉ１が最大となる相対位置である。つまり、特定インピーダンスＺｑとは、許容範囲Ｓ内で上記した相対位置が変動する場合における第１電流値Ｉ１の最大値が閾値電流値となる場合の第２インピーダンスＺ２である。これにより、許容範囲Ｓ内において上記した相対位置が変動した場合であっても、第１電流値Ｉ１が閾値電流値よりも高くならない。よって、上記した相対位置の変動に起因して第１電流値Ｉ１が過剰に高くなることを抑制できる。

　（２）２次側コイル２３ａに印加される電圧値Ｖが許容電圧値となる第２インピーダンスＺ２を第１上限値とすると、インピーダンス変換器２５は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高く、且つ、第１上限値よりも低くなるようにインピーダンス変換する。これにより、第２インピーダンスＺ２が第１上限値よりも高くなることに起因して電圧値Ｖが許容電圧値よりも高くなることを回避できる。よって、電圧値Ｖが過剰に高くなることに起因する２次側コイル２３ａの異常を回避できる。

　（３）２次側コイル２３ａに流れる電流値である第２電流値Ｉ２が許容電流値となる第２インピーダンスＺ２を第２上限値とすると、インピーダンス変換器２５は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高く、且つ、第２上限値よりも低くなるようにインピーダンス変換する。これにより、第２インピーダンスＺ２が第２上限値よりも高くなることに起因して第２電流値Ｉ２が許容電流値よりも高くなることを回避できる。よって、第２電流値Ｉ２が過剰に高くなることに起因する２次側コイル２３ａの異常を回避できる。

　（第２実施形態）
　図３に示すように、第２実施形態のインピーダンス変換器３０は、当該インピーダンス変換器３０の定数を変更可能に構成されている。制御部１４，２４は、測定部３１により測定された第１電流値Ｉ１に基づいて、インピーダンス変換部（５３）のインピーダンスを可変制御する。例えば、制御部１４，２４は、送電機器１１に設けられた送電側コントローラ１４と、受電機器２１に設けられた受電側コントローラ２４とを含む。

　例えば、インピーダンス変換器３０は、電力線ＥＬ１，ＥＬ２上に設けられたインダクタ３０ａ，３０ｂと、各インダクタ３０ａ，３０ｂの前段の位置に設けられ、キャパシタンスが可変の可変キャパシタ３０ｃと、を備えている。インピーダンス変換器３０の定数の初期値は、第１実施形態のインピーダンス変換器２５の定数と同一に設定されている。

　また、送電機器１１は、第１電流値Ｉ１を測定する測定部３１を備えている。測定部３１は、測定結果を送電側コントローラ１４に送信する。これにより、送電側コントローラ１４は、第１電流値Ｉ１を特定できる。

　かかる構成において、送電側コントローラ１４は、第１電流値Ｉ１に基づいて、第２インピーダンスＺ２を指示する指示情報を受電側コントローラ２４に送信する。受電側コントローラ２４は、その指示情報に基づいて、インピーダンス変換器３０の定数を可変制御する。

　ここで、交流電源１２から出力される交流電力の電力値が所望の電力値となる第１インピーダンスＺ１が所望の第１インピーダンスと呼称され、第１インピーダンスＺ１が所望の第１インピーダンスとなっている場合の第１電流値Ｉ１が特定電流値と呼称される。当該特定電流値は閾値電流値よりも低い。この場合、送電側コントローラ１４は、第１電流値Ｉ１が特定電流値となるように第２インピーダンスＺ２を指示する。

　例えば、送電側コントローラ１４は、第１電流値Ｉ１が特定電流値よりも高い場合には、第２インピーダンスＺ２が第１上限値及び第２上限値を超えない範囲内で高くなるように受電側コントローラ２４に指示する。受電側コントローラ２４は、上記した指示を受信した場合には、第２インピーダンスＺ２が高くなるようにインピーダンス変換器３０の定数を可変制御する。これにより、第２インピーダンスＺ２が高くなるため、第１インピーダンスＺ１が低くなり、第１電流値Ｉ１が低くなる。よって、第１電流値Ｉ１が特定電流値に近づく。

　同様に、例えば、送電側コントローラ１４は、第１電流値Ｉ１が特定電流値よりも低い場合には、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高い範囲内で低くなるように受電側コントローラ２４に指示する。受電側コントローラ２４は、上記した指示を受信した場合に、第２インピーダンスＺ２が低くなるようにインピーダンス変換器３０の定数を可変制御する。

　以上詳述した本実施形態によれば、（１）～（３）の作用効果に加え、以下の作用効果を奏する。
　（４）インピーダンス変換器３０の定数は可変に構成されている。これにより、第２インピーダンスＺ２を好適に調整できる。よって、第１インピーダンスＺ１を好適に調整でき、この調整を通じて第１電流値Ｉ１を好適に調整できる。

　（５）非接触電力伝送装置１０は、第１電流値Ｉ１を測定する測定部３１と、測定部３１によって測定された第１電流値Ｉ１に基づいて、インピーダンス変換器３０の定数の可変制御を行う制御部としての各コントローラ１４，２４とを備えている。これにより、第１電流値Ｉ１を所望の値（特定電流値）に設定することができる。

　特に、第１電流値Ｉ１（第１インピーダンスＺ１）は、送電器１３及び受電器２３の相対位置に応じて変動する。これに対して、本実施形態では、第１電流値Ｉ１が一定となるように（特定電流値に近づくように）、特定インピーダンスＺｑよりも高い範囲内で第２インピーダンスＺ２を可変制御する。これにより、送電器１３及び受電器２３の相対位置が変動する場合において、第１インピーダンスＺ１の変動幅を小さくすることができる。よって、交流電源１２から所望の電力値の交流電力が出力されるための交流電源１２の対応幅（電力値の可変範囲）を小さくすることができる。

　（第３実施形態）
　図４に示すように、受電機器２１は、受電器２３によって受電された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換部として、整流器４１とＤＣ／ＤＣコンバータ４２とを備えている。受電器２３によって受電された交流電力は、整流器４１によって整流される。そして、整流器４１によって整流された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、スイッチング素子４２ａを有し、当該スイッチング素子４２ａが周期的にオンオフすることにより電圧値変換を行う。電圧値変換された直流電力は、受電機器２１に設けられた車両用バッテリ４３に供給される。これにより、車両用バッテリ４３が充電される。なお、本実施形態では、車両用バッテリ４３が負荷に対応する。すなわち、負荷には、受電器２３（２次側コイル２３ａ）によって受電された交流電力又は当該交流電力が変換された直流電力が供給される。

　ここで、第２インピーダンスＺ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の入力端から車両用バッテリ４３までのインピーダンスに依存する。当該ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の入力端から車両用バッテリ４３までのインピーダンスは、スイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比に依存する。つまり、スイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比は、第２インピーダンスＺ２を規定するものである。つまり、本実施形態のインピーダンス変換部はＤＣ／ＤＣコンバータ４２である。

　かかる構成において、受電側コントローラ２４は、スイッチング素子４２ａが周期的にオンオフするようにスイッチング素子４２ａを制御する。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２のスイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高く、且つ、第１上限値及び第２上限値よりも低くなるように設定されている。

　以上詳述した第３実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
　（６）受電機器２１は、インピーダンス変換部として、周期的にオンオフするスイッチング素子４２ａを有するＤＣ／ＤＣコンバータ４２を備えている。そして、スイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比は、第２インピーダンスＺ２が、特定インピーダンスＺｑよりも高く、且つ、第１上限値及び第２上限値よりも低くなるように設定されている。これにより、（１）～（３）と同様の作用効果を奏する。

　また、スイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比を可変制御することにより、第２インピーダンスＺ２を可変制御することができる。これにより、（４）及び（５）の作用効果を奏する。

　（第４実施形態）
　第４実施形態では、図５に示すように、送電器５１においては、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとが直列に接続されており、受電器５２においては、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが直列に接続されている。

　ここで、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが直列に接続されている場合、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが並列に接続されている場合と比較して、第２インピーダンスＺ２の変化に対する第１電流値Ｉ１の変化が反転する。詳細には、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが並列に接続されている場合、第２インピーダンスＺ２が高くなると第１電流値Ｉ１が低くなったが、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが直列に接続されている場合、第２インピーダンスＺ２が低くなると第１電流値Ｉ１が低くなる。詳細には、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとが直列に接続されている第４実施形態では、第２インピーダンスＺ２が低くなると、第１インピーダンスＺ１が高くなり、第１電流値Ｉ１が低くなる。

　かかる構成において、第４実施形態のインピーダンス変換器５３は、電力線ＥＬ１，ＥＬ２上に設けられたインダクタ５３ａ，５３ｂと、各インダクタ５３ａ，５３ｂの前段の位置に設けられ、各インダクタ５３ａ，５３ｂに対して並列に接続されたキャパシタ５３ｃと、を備えている。

　インピーダンス変換器５３は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低くなるようにインピーダンス変換を行う。換言すれば、インピーダンス変換器５３の定数は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低くなるように設定されている。

　かかる構成によれば、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低いため、第１インピーダンスＺ１は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑとなっている場合のインピーダンスよりも高くなる。これにより、第１電流値Ｉ１が閾値電流値以下となる。

　ここで、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂが直列に接続されている場合、第２インピーダンスＺ２が低くなると、電圧値Ｖ及び第２電流値Ｉ２が高くなる。
　この点、第４実施形態では、電圧値Ｖが許容電圧値となる第２インピーダンスＺ２が第１下限値と呼称され、第２インピーダンスＺ２は上記した第１下限値よりも高くなるように設定されている。また、第２電流値Ｉ２が許容電流値となる第２インピーダンスＺ２が第２下限値と呼称され、第２インピーダンスＺ２は上記した第２下限値よりも高くなるように設定されている。なお、許容電圧値及び許容電流値は、第１実施形態で説明した通りであるため、説明を省略する。また、第４実施形態のインピーダンス変換器５３の定数は固定値である。

　ちなみに、１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂが直列に接続されている場合、第１電流値Ｉ１が最大となるということは、第１インピーダンスＺ１が最小となること意味する。この点に着目すれば、特定相対位置とは、許容範囲Ｓ内において第１インピーダンスＺ１が最小となる送電器１３及び受電器２３の相対位置であるとも言える。

　以上詳述した第４実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
　（７）インピーダンス変換器５３は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低く、且つ、第１下限値及び第２下限値よりも高くなるようにインピーダンス変換を行う。これにより、（１）～（３）と同様の作用効果を奏する。

　また、第４実施形態では、インピーダンス変換部として、定数が固定のインピーダンス変換器５３を用いたが、これに限られず、第２実施形態のように、定数が可変のインピーダンス変換器を用いてもよい。これにより、（４）及び（５）の作用効果を奏する。この場合、第２インピーダンスＺ２の変化に対する第１電流値Ｉ１の変化が第２実施形態と異なっていることに対応させて、第２インピーダンスＺ２の指示を反転させるとよい。

　さらに、インピーダンス変換器５３を省略して、インピーダンス変換部として、第３実施形態にて示したＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いてもよい。この場合であっても、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低くなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２のスイッチング素子４２ａのオンオフのデューティ比を設定することにより、（１）～（３）と同様の作用効果を奏する。また、上記したデューティ比を可変制御することにより（４）及び（５）の作用効果を奏する。

　なお、上記した第１～第４実施形態は以下のように変更してもよい。
　第１実施形態等の送電器１３及び受電器２３と、第４実施形態の送電器５１及び受電器５２とを組み換えてもよい。例えば、１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂが並列に接続された送電器１３に代えて、１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂが直列に接続された送電器５１と、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂが並列に接続された受電器２３との間で電力伝送を行ってもよい。この場合、第２インピーダンスＺ２が高くなると、第１インピーダンスＺ１が高くなり、第１電流値Ｉ１が低くなる。このため、第１実施形態等と同様に、インピーダンス変換器２５は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるようにインピーダンス変換を行うとよい。すなわち、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが並列に接続されている構成においては、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとが並列又は直列のいずれに接続されている場合であっても、インピーダンス変換部は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも高くなるようにインピーダンス変換を行うとよい。

　同様に、例えば送電器１３と、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂが直列に接続された受電器５２との間で電力伝送が行われる構成であってもよい。この場合、第２インピーダンスＺ２が低くなると、第１インピーダンスＺ１が低くなり、第１電流値Ｉ１は低くなる。このため、第４実施形態と同様に、インピーダンス変換器５３は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低くなるようにインピーダンス変換を行うとよい。すなわち、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとが直列に接続されている構成においては、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとが並列又は直列のいずれに接続されている場合であっても、インピーダンス変換部は、第２インピーダンスＺ２が特定インピーダンスＺｑよりも低くなるようにインピーダンス変換を行うとよい。

　インピーダンス変換器２５，３０，５３の具体的な回路構成は任意であり、π型、Ｔ型などを用いてもよい。また、インピーダンス変換部としてトランスを用いてもよい。
　許容範囲Ｓは、交流電源１２の出力電力値との関係で設定されている構成に限られず、例えば送電器１３，５１及び受電器２３，５２間の伝送効率が閾値効率以上となる範囲に設定してもよい。

　第１上限値及び第１下限値は、２次側コイル２３ａの許容電圧値に対応させて設定されていたが、これに限られず、例えば２次側コンデンサ２３ｂの許容電圧値に対応させて設定されていてもよいし、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂの双方の許容電圧値に対応させて設定されていてもよい。例えば、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂの印加電圧値が、２次側コイル２３ａの許容電圧値及び２次側コンデンサ２３ｂの許容電圧値のうち低い方と一致する第２インピーダンスＺ２を第１上限値及び第１下限値として設定してもよい。

　同様に、第２上限値及び第２下限値は、２次側コンデンサ２３ｂの許容電流値に対応させて設定されていてもよいし、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂの双方の許容電流値に対応させて設定されていてもよい。

　１次側コンデンサ１３ｂは、送電器１３，５１内に含まれていたが、これに限られず、送電器１３，５１外にあってもよい。この場合、送電器１３，５１には１次側コイル１３ａのみが含まれていてもよい。要は、送電部とは、互いに並列又は直列に接続された１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂを有し、送電部に交流電力が供給されていればよく、１次側コイル１３ａと１次側コンデンサ１３ｂとがユニット化されている必要はない。

　受電部についても同様であり、２次側コンデンサ２３ｂは、受電器２３，５２内に含まれていたが、これに限られず、受電器２３，５２外にあってもよい。要は、受電部とは、互いに並列又は直列に接続された２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂを有し、送電器１３から非接触で交流電力を受電可能なものであればよく、２次側コイル２３ａと２次側コンデンサ２３ｂとがユニット化されている必要はない。

　交流電源１２は、車両用バッテリの充電状態等に応じて、所望の電力値として複数種類の電力値の交流電力を出力する構成であってもよい。この場合、送電器１３，５１には、複数種類の電力値の交流電力が供給される。かかる構成においては、特定インピーダンスＺｑは、送電器１３，５１及び受電器２３，５２の相対位置が特定相対位置であって、送電器１３，５１に供給される交流電力の電力値が最大値である場合の第１電流値Ｉ１が閾値電流値となる第２インピーダンスＺ２であるとよい。

　また、交流電源１２から出力される交流電力の所望の電力値は１種類でもよい。
　交流電源１２を省略し、系統電力が送電器１３，５１に供給される構成でもよい。
　送電機器１１は、交流電源１２と送電器１３，５１との間に設けられた力率改善回路やインピーダンス変換器を備えていてもよい。

　負荷２２の具体的な構成は任意であり、整流器や車両用バッテリ以外の所定の駆動部であってもよい。
　インピーダンス変換器３０の定数を可変にする構成は任意であり、例えば可変キャパシタや可変インダクタの少なくとも一方を用いる構成であってもよいし、キャパシタとスイッチング素子との直列接続体を複数並列に設け、当該スイッチング素子のオンオフ制御を行うことで合成キャパシタンスを可変にする構成であってもよい。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、少なくとも１つスイッチング素子４２ａを備えていれば、その具体的な回路構成は任意であり、昇圧型、降圧型、昇降圧型のいずれを用いてもよい。

　インピーダンス変換器２５，３０，５３とＤＣ／ＤＣコンバータ４２との双方が設けられている構成であってもよい。この場合、インピーダンス変換器２５，３０，５３の定数を比較的容易に設定することができる。

　第１～第４実施形態では、送電器１３，５１の共振周波数と受電器２３，５２の共振周波数とは同一に設定されていたが、これに限られず、電力伝送が可能な範囲内で両者を異ならせてもよい。

　１次側コンデンサ１３ｂを省略してもよい。この場合、１次側コイル１３ａの寄生容量を用いて磁場共鳴させるとよい。
　第１～第４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。

　受電機器２１の搭載対象は任意である。例えば携帯電話、ロボット、又は電動車いす等に搭載されてもよい。
　送電器１３，５１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。同様に、受電器２３，５２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。

Claims

　非接触電力伝送装置であって、
　少なくとも１次側コイルを有し、交流電力が供給される送電部と、
　互いに並列に接続された２次側コイル及び２次側コンデンサを有し、前記送電部から前記交流電力を非接触で受電可能な受電部と、
　前記受電部と負荷との間に設けられ、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部と、
を備え、
　予め定められた許容範囲内において、前記１次側コイルに流れる電流値が最大となる前記１次側コイル及び前記２次側コイルの相対位置が特定相対位置として用いられ、
　前記相対位置が前記特定相対位置である場合に、前記１次側コイルに流れる電流値が予め定められた閾値電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスとして用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスよりも高くなるようにインピーダンス変換を行う、非接触電力伝送装置。
　前記インピーダンス変換部は、該インピーダンス変換部のインピーダンスを変更可能に構成されている、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
　前記１次側コイルに流れる電流値を測定する測定部と、
　前記電流値に基づいて、前記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制御部と、を備えている請求項１または請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
　前記２次側コイルに印加される電圧値が予め定められた許容電圧値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが第１上限値として用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電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インピーダンスよりも高く、且つ、前記第１上限値よりも低くなるようにインピーダンス変換する請求項１～３のうちいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
　前記２次側コイルに流れる電流値が予め定められた許容電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスは第２上限値として用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが、前記特定インピーダンスよりも高く、且つ、前記第２上限値よりも低くなるようにインピーダンス変換する、請求項１～４のうちいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
　非接触電力伝送装置であって、
　少なくとも１次側コイルを有し、交流電力が供給される送電部と、
　互いに直列に接続された２次側コイル及び２次側コンデンサを有し、前記送電部から前記交流電力を非接触で受電可能な受電部と、
　前記受電部と負荷との間に設けられ、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部と、
を備え、
　予め定められた許容範囲内において、前記１次側コイルに流れる電流値が最大となる前記１次側コイル及び前記２次側コイルの相対位置が特定相対位置として用いられ、
　前記相対位置が前記特定相対位置である場合に、前記１次側コイルに流れる電流値が予め定められた閾値電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが特定インピーダンスとして用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電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インピーダンスよりも低くなるようにインピーダンス変換を行う、非接触電力伝送装置。
　前記インピーダンス変換部は、該インピーダンス変換部のインピーダンスを変更可能に構成されている、請求項６に記載の非接触電力伝送装置。
　前記１次側コイルに流れる電流値を測定する測定部と、
　前記電流値に基づいて、前記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制御部と、
を備えている請求項６または請求項７に記載の非接触電力伝送装置。
　前記２次側コイルに印加される電圧値が予め定められた許容電圧値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが第１下限値として用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが、前記特定インピーダンスよりも低く、且つ、前記第１下限値よりも高くなるようにインピーダンス変換を行う、請求項６～８のうちいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
　前記２次側コイルに流れる電流値が予め定められた許容電流値となる前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが第２下限値として用いられ、
　前記インピーダンス変換部は、前記受電部の出力端から前記負荷までのインピーダンスが、前記特定インピーダンスよりも低く、且つ、前記第２下限値よりも高くなるようにインピーダンス変換を行う、請求項６～９のうちいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。