WO2016125392A1 - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

本開示に係る非接触給電システム（１００）は、送電装置（１０１）と受電装置（１０３）とを備え、送電装置は、電源（１１１）からある周波数の交流電力が入力される送電コイル（１１３）と、周波数を制御する制御部とを含み、受電装置は、ある結合係数で送電コイルと磁気結合される受電コイル（１２１）と、受電コイルに直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉを有する受電側直列素子（１２３）とを含み、虚数インピーダンスは、周波数及び結合係数が所定の値である場合に、電源から受電側を見たときのインピーダンスが結合係数に非依存となるように定められ、制御部は、結合係数が変化した場合、送電装置の送電状況情報と受電装置の受電状況情報との少なくとも一方に基づいて、周波数を変更する。

Description

非接触給電システム

　本開示は、非接触給電システムに関する。
本願は、２０１５年２月６日に日本に出願された、特願２０１５－２２２５２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　近年、送電コイルを含む送電装置から受電コイルを含む受電装置へ電磁誘導や磁界共鳴等を利用して給電を行う非接触給電システムが知られている。このシステムでは、送電コイルによって発生した磁束が受電コイルと鎖交することにより、電力がコイル間を伝送する。そのため、電力伝送の効率（伝送効率）は、送電コイルと受電コイルとの位置関係に影響される。

　非接触給電システムの適用先の１つとして、電気自動車のバッテリ充電が注目され、この場合、受電装置は、車両に搭載される。しかし、運転精度の限界により、充電のために車両を所定位置に正確に合わせて駐車することは困難である。そのため、駐車の度に送電コイルと受電コイルとの位置関係は異なる可能性がある。送電コイルと受電コイルとが所望の位置関係からずれることにより、コイル間の結合係数が変化し、伝送効率が低下することがある。

　従来、コイル間の位置ずれが発生した場合に充電効率の低下を抑える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電力供給装置（送電装置）は、位置ずれの発生により伝送効率が低下すると、インバータ回路（電源）から送電コイルに供給される交流電力の周波数を変更する。この周波数変更により、電力供給装置は、充電効率の改善を図っている。

日本国特開２０１２－１３０１７３号公報

　特許文献１にも記載されているようにインバータ回路から受電側を見たインピーダンスは、送電コイルに供給される電力の周波数及び送受電コイル間の結合係数の関数で表される。そのため、位置ずれが生じ、結合係数が変わったときに、周波数を変更すると、結合係数及び周波数の変化がインピーダンスの変化を招く。このインピーダンスの変化により、所望の電力を給電するためには、インバータ回路の出力交流電圧（又は対応するインバータ回路の入力直流電圧）も変化する。

　インバータ回路の出力電圧が大きくなると、例えば、送電装置の回路素子（インバータ回路のスイッチング素子としてのＦＥＴ（Field Effect Transistor）等）として耐電圧の高い素子を使用する必要があり、素子の大型化を招くことがある。また、インバータ回路の出力電圧が小さくなると、所望の電力を伝送するために、インバータ回路からの出力電流を大きくする必要が生じる。出力電流が大きくなると、この電流が流れる素子や配線でのジュール熱損失が大きくなり、充電効率が低下してしまう。

　従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、結合係数が変化した場合に、電源から受電側を見たインピーダンスの変動を抑えることができる非接触給電システムを提供することにある。

　本開示の非接触給電システムの第１態様は、
　送電装置と受電装置とを備える非接触給電システムであって、
　前記送電装置は、電源からある周波数の交流電力が入力される送電コイルと、前記周波数を制御する制御部とを含み、
　前記受電装置は、ある結合係数で前記送電コイルと磁気結合される受電コイルと、前記受電コイルに直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉを有する受電側直列素子とを含み、
　前記虚数インピーダンスは、前記周波数及び前記結合係数が所定の値である場合に、前記電源から受電側を見たときのインピーダンスが前記結合係数に非依存となるように定められ、
　前記制御部は、前記結合係数が変化した場合、前記送電装置の送電状況情報と前記受電装置の受電状況情報との少なくとも一方に基づいて、前記周波数を変更する、
非接触給電システムである。

　本開示によれば、結合係数が変化した場合に、電源から受電側を見たインピーダンスの変動を抑えることができる。

本開示の第１実施形態に係る非接触給電システムの回路図である。 本開示の第１実施形態に係る非接触給電システムの送電コイル及び受電コイルの設置例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る非接触給電システムの機能ブロック図である。 本開示の第１実施形態に係る送電装置の処理を示すフローチャートである。 本開示の第１実施形態に係る周波数と結合係数との関係の一例を示すグラフである。 本開示の第１実施形態に係る送電装置の別の処理を示すフローチャートである。 本開示の第１実施形態に係る周波数と結合係数との関係の別の例を示すグラフである。 本開示の第２実施形態に係る送電装置の処理を示すフローチャートである。 本開示の第３実施形態に係る送電装置の処理を示すフローチャートである。 本開示の変形例に係る非接触給電システムの回路図である。 本開示の他の変形例に係る非接触給電システムの回路図である。

　本開示の一態様に係る非接触給電システムは、送電装置と受電装置とを備え、前記送電装置は、電源からある周波数の交流電力が入力される送電コイルと、前記周波数を制御する制御部とを含み、前記受電装置は、ある結合係数で前記送電コイルと磁気結合される受電コイルと、前記受電コイルに直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉを有する受電側直列素子とを含み、前記虚数インピーダンスは、前記周波数及び前記結合係数が所定の値である場合に、前記電源から受電側を見たときのインピーダンスが前記結合係数に非依存となるように定められ、前記制御部は、前記結合係数が変化した場合、前記送電装置の送電状況情報と前記受電装置の受電状況情報との少なくとも一方に基づいて、前記周波数を変更する。

　いくつかの態様において、前記受電装置には、電力供給対象として固定負荷が接続され、前記送電状況情報は、前記送電コイルに流れる電流Ｉ_１であり、前記受電状況情報は、前記受電コイルに流れる電流Ｉ_２であり、前記制御部は、

（但し、Ｌ_１は、前記送電コイルの自己インダクタンス、Ｌ_２は、前記受電コイルの自己インダクタンスである。）
を満たすように、前記周波数を変更する。

　いくつかの態様において、前記受電装置には、電力供給対象として固定負荷が接続され、前記送電状況情報は、前記送電コイルに印加される電圧Ｖ_１であり、前記受電状況情報は、前記受電コイルに印加される電圧Ｖ_２であり、前記制御部は、

（但し、Ｌ_１は、前記送電コイルの自己インダクタンス、Ｌ_２は、前記受電コイルの自己インダクタンスである。）
を満たすように、前記周波数を変更する。

　いくつかの態様において、前記受電装置には、電力供給対象として負荷が接続され、前記受電状況情報は、前記負荷に入力される電力、電流及び電圧のいずれか１つの負荷情報であり、前記制御部は、前記負荷情報が所望値に近づくように前記周波数を変更する。

　いくつかの態様において、前記負荷は、変動負荷である。

　いくつかの態様において、前記送電コイル、前記受電コイル及び前記受電側直列素子の少なくとも１つのインピーダンスが変化する。

　いくつかの態様において、前記制御部は、前記電源から出力される電圧の大きさを更に制御し、前記負荷情報が前記所望値に近づくように前記大きさを変更する。

　いくつかの態様において、前記送電状況情報は、前記電源から出力される電流に対する電圧の位相差であり、前記制御部は、前記周波数の変更により前記位相差が閾値未満になると、前記大きさを変更する。

　いくつかの態様において、前記制御部は、前記大きさの変更により前記位相差が前記閾値以上になると、前記周波数を更に変更する。

　いくつかの態様において、前記大きさの最大値が存在し、前記制御部は、前記大きさの制御により当該大きさが最大値になった場合に、前記周波数を変更する。

　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
　図１は、本開示の第１実施形態に係る非接触給電システムの回路図である。非接触給電システム１００は、送電装置１０１と受電装置１０３とを備えている。送電装置１０１は、後述の送電コイル１１３を含み、受電装置１０３は、後述の受電コイル１２１を含む。送電装置１０１は、コイル間の磁気結合により、受電装置１０３に非接触で電力を伝送する。コイル間の磁気結合を利用して電力を伝送する方式は、例えば、電磁誘導方式や磁界共鳴方式である。非接触給電システム１００の適用例としては、例えば、電気自動車（車両）や水中航走体等の移動体、家電製品又は医療機器の充電システムや駆動システムである。送電コイル１１３と受電コイル１２１は、例えば、ソレノイド型やサーキュラー型のコイルである。なお、ソレノイド型とは、コイルを形成する導線が三次元空間的に螺旋状に巻回された態様である。サーキュラー型とは、コイルを形成する導線が平面渦巻状に巻回された態様である。

　送電装置１０１は、ある周波数ｆの交流電力を出力する電源１１１から交流電力が入力される送電コイル１１３と、虚数インピーダンスを有する素子（送電側直列素子）１１５とを含んでいる。すなわち、送電コイル１１３は、電源１１１からある周波数ｆの交流電力を受けるように構成されている。ある周波数ｆの交流電力とは、電源１１１から出力される交流電圧又は交流電流の周波数がｆであることを意味する。素子１１５は、電源１１１と送電コイル１１３とに直列に接続されている。送電コイル１１３の自己インダクタンスをＬ_１とし、送電コイル１１３には、電流Ｉ_１（フェーザ電流）が流れる。なお、フェーザ表示された電流の絶対値は、実効値であっても波高値であってもよい。

　電源１１１は、例えば、インバータ回路のような電源回路や商用電源のような交流（ＡＣ）電源であり、周波数ｆ（角周波数ω）の交流電圧（以下、電源電圧と称する）Ｖ_Ｓ（フェーザ電圧）を出力する。電源１１１により供給された交流電力は、素子１１５を介して送電コイル１１３によって受けられる。インバータ回路は、ハーフブリッジ方式やフルブリッジ方式等の従来公知の方式で実現され得る。なお、フェーザ表示された電圧の絶対値は、実効値であっても波高値であってもよい。

　電源１１１がインバータ回路で実現されている場合、インバータ回路は、複数のスイッチング素子（電界効果トランジスタ等）を含み、これらの素子がスイッチング周波数ｆでスイッチングされることにより、周波数ｆの交流電力が出力される。つまり、インバータ回路出力の周波数を変更するために、スイッチング周波数が制御される。なお、インバータ回路の方式によってはインバータ回路から出力される交流の周波数がスイッチング周波数に一致しないこともある。また、インバータ回路には、直流電力が入力されるが、この直流電力は、例えば、直流（ＤＣ）電源から供給された電力であったり、電力変換回路によって交流電力が直流電力に変換された電力であったりする。電力変換回路は、例えば、整流回路を含み、選択的にＰＦＣ（Power Factor Correction：力率改善）機能や電圧変換機能を有する。電圧変換機能は、例えば、チョッパ回路を用いた非絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータや、トランス等を用いた絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータで実現される。

　素子１１５は、例えば、インダクタ（リアクトル、コイル）やキャパシタ等のリアクタンス素子、又はそれらの組合せの複数の素子により実現され、素子１１５の虚数インピーダンスをｊＺ_Ｓ１ｉ（ｊ：虚数単位、Ｚ_Ｓ１ｉ：虚部）とする。虚部は実数である。素子１１５が複数の素子で構成される場合、例えば、電源１１１の一方の端子とコイル１１３との間（図１の電源１１１とコイル１１３との間の一方の接続線）に１つ素子を設け、電源１１１の他方の端子とコイル１１３との間（図１の電源１１１とコイル１１３との間の他方の接続線）に１つ素子を設けることができる。この場合、素子１１５のインピーダンスは、これら２つの素子の合成インピーダンスとなる。素子がキャパシタである場合、素子１１５のインピーダンスを複数のキャパシタで実現することにより、各キャパシタに印加される電圧を小さくすることができる。よって、耐電圧の低いキャパシタを採用することができ、送電装置１０１の小型化が可能となる。

　受電装置１０３は、ある結合係数ｋで送電コイル１１３と磁気結合するように構成された受電コイル１２１と、虚数インピーダンスを有する素子（受電側直列素子）１２３とを含んでいる。素子１２３は、受電コイル１２１に直列に接続されている。また、素子１２３には、実数インピーダンスを有する負荷１２５が直列に接続されている。負荷１２５は、受電装置１０３の電力供給対象である。受電コイル１２１の自己インダクタンスをＬ_２とし、受電コイル１２１には、電流Ｉ_２（フェーザ電流）が流れる。

　送電コイル１１３及び受電コイル１２１の自己インダクタンスは、結合係数ｋに応じて変わり得る。この場合、結合係数の変動範囲内での変化に応じて、自己インダクタンスの変化範囲が存在する。そこで、送電コイル１１３及び受電コイル１２１の自己インダクタンスを、変化範囲内のいずれかの値に設定してもよい。また、自己インダクタンスを、変化範囲内の値の平均値に設定してもよい。

　素子１２３は、インダクタ（リアクトル、コイル）やキャパシタ等のリアクタンス素子、又はそれらの組合せの複数の素子により実現されるものであり、素子１２３の虚数インピーダンスをｊＺ_Ｓ２ｉとする。負荷１２５は、例えば、電力を蓄積する蓄電デバイス（リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池、大容量の電気二重層キャパシタ等）や電力で駆動される電気機器・電子機器であり、負荷１２５の実数インピーダンスをＺ_２ｒとする。なお、素子１２３が複数の素子で実現される場合、これらの素子の合成インピーダンスは、虚数インピーダンスと実数インピーダンスとで構成され得る。この場合、合成インピーダンスの虚数インピーダンスがｊＺ_Ｓ２ｉとなり、合成インピーダンスの実数インピーダンスと負荷１２５の実数インピーダンスとの合成がＺ_２ｒとなる。また、リアクタンス素子や二次電池以外に電力変換回路が受電コイル１２１に接続されているような場合には、リアクタンス素子と、二次電池と、電力変換回路との合成インピーダンスの実部が負荷１２５の実数インピーダンスＺ_２ｒを構成し、虚部が素子１２３の虚数インピーダンスＺ_Ｓ２ｉを構成する。なお、電力変換回路とは、整流回路や、整流回路とＤＣ－ＤＣコンバータとの組合せ等の種々の回路により実現できる。

　送電コイル１１３と受電コイル１２１との相互インダクタンスＭは、Ｍ^２＝ｋ^２Ｌ_１Ｌ_２の関係式を満たすので、図１の回路方程式は、式（３）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（３）から、Ｉ_１とＩ_２の関係式を求めると、式（４）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　ここで、式（５）が成立すると、式（４）及び式（５）より、式（６）が成立する。以下、式（５）及びこれに相当する条件を最適伝達条件と称する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　次に、式（３）及び式（４）を用いて、送電コイル１１３から受電側を見たインピーダンスＺ_１（送電コイル１１３を含むインピーダンス）を求めると、式（７）になる。なお、式中のＶ_１は、送電コイルに印加される電圧である。また、「ある構成要素から受電側を見たインピーダンス」との記述は、非接触給電システムの送電側を上流側とし、非接触給電システムの受電側を下流側とした場合に、「この構成要素から下流側のインピーダンス」を意味する（以下同様）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　ここで、式（５）が成立するように非接触給電システム１００の各パラメータ（素子のインピーダンス、周波数、結合係数）が決定又は制御されていると、式（６）を代入することにより、式（７）は、式（８）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　よって、電源１１１から受電側を見たインピーダンスＺ_Ｓ（電源１１１を含まないインピーダンス）は、式（９）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（９）より、電源１１１から受電側を見たインピーダンスＺ_Ｓは、受電側の負荷１２５の実数インピーダンスＺ_２ｒと、素子１１５及び１２３の虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ１ｉ及びｊＺ_Ｓ２ｉとで表現され、結合係数ｋを含まない。実数インピーダンスＺ_２ｒと虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ１ｉ及びｊＺ_Ｓ２ｉとは、結合係数ｋに非依存であるため、インピーダンスＺ_Ｓも結合係数ｋに非依存となる。つまり、結合係数が変化しても、式（５）が成立するように周波数ｆが選択されれば（定められれば）、インピーダンスＺ_Ｓ、ひいては電源電圧Ｖ_Ｓ（＝Ｚ_Ｓ／Ｉ_１）は結合係数によって変動しなくなる。式（５）が成立するとは、周波数ｆ、結合係数ｋ、素子１２３の虚数インピーダンスＺ_Ｓ２ｉの組合せが、式（６）を満たすことである。つまり、式（５）が成立するかは、送電装置１０１の素子のインピーダンスと関係しない。また、インピーダンスＺ_Ｓの実部は、負荷１２５のインピーダンスと送電コイル１１３及び受電コイル１２１の自己インダクタンスのみで表現され、素子１１５、１２３のインピーダンスの影響を受けない。

　結合係数ｋが変化する状況としては、例えば、送電コイル１１３と受電コイル１２１との相対的位置関係（図２における車両Ｖの進行方向である前後方向及び車両Ｖの回転方向（旋回方向）である左右方向に関する位置関係）が変わると、結合係数ｋが変わる。また、送電コイル１１３と受電コイル１２１との間隔Ｄ（図２における高さ方向におけるギャップ距離）が変わっても、結合係数ｋが変わる。更に、送電コイル１１３に対する受電コイル１２１の向き又は傾きが変わっても、結合係数ｋが変わる。この場合、変化後の結合係数で式（６）が成立するように周波数を選ぶことにより、インピーダンスＺ_Ｓが変化後の結合係数の影響を受けなくなり、電源電圧Ｖ_Ｓの変動を抑えることができる。以下、上記３つの方向（前後方向、左右方向、高さ方向）の少なくとも１方向において、送電コイル１１３又は受電コイル１２１が所望の位置からずれたり、送電コイル１１３に対する受電コイル１２１の向き又は傾きが所望の向き又は傾きからずれたりすることを位置ずれと表現する。

　なお、式（５）が成立するとは、厳密に等号関係が成立することに限定されるものではない。例えば、測定誤差若しくは制御誤差、又は予め規定される電源電圧Ｖ_Ｓの許容変動範囲等に基づき、誤差範囲を予め定め、Ｉ_１とＩ_２の比と、Ｌ_２とＬ_１の比の平方根との差分が、その誤差範囲に含まれていれば、式（５）は成立しているとみなすことができる。または、上記差分が誤差範囲に含まれていれば、インピーダンスＺ_Ｓは、結合係数ｋに非依存であるとみなせる。

　また、式（９）において、Ｚ_Ｓ１ｉが式（１０）を満たすときには、虚部が打ち消され、式（１１）のようにＺ_Ｓは実部のみとなる。このとき、電源１１１の力率は１００［％］となる。また、Ｚ_Ｓ１ｉの値をあえて式（１０）の値からずらすことにより、Ｚ_Ｓが結合係数ｋに依存することなく、力率を所望の値にすることができる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　続いて、コイル間の結合係数が変化した場合にどのように周波数を変更するかの具体的制御手法について図３を用いて説明する。図３は、本開示の第１実施形態に係る非接触給電システムの機能ブロック図である。

　まず、送電装置１０１の機能ブロックについて説明する。送電装置１０１は、交流電力出力部１４１と、送電部１４３と、送電側検出部１４５と、送電側通信部１４７と、記憶部１４８と、送電側制御部１４９とを備えている。交流電力出力部１４１は、送電部１４３に接続され、送電部１４３は、送電側検出部１４５に接続され、送電側制御部１４９は、交流電力出力部１４１、送電側検出部１４５、送電側通信部１４７及び記憶部１４８に接続されている。なお、交流電力出力部１４１は、送電装置１０１の外部に設けることもできる。また、各機能ブロックの機能は、ハードウェアにより実現される。具体的には、送電部１４３の機能は送電器により、送電側検出部１４５の機能は送電側検出器により、送電側通信部１４７の機能は送電側通信機により、記憶部１４８の機能はメモリにより、送電側制御部１４９の機能は送電側制御器により、それぞれ実現され得る。

　交流電力出力部１４１は、図１の電源１１１に相当し、交流電力を出力する。また、送電部１４３は、図１の送電コイル１１３と素子１１５とに相当し、受電装置１０３の後述の受電部１５１に対して電力を送る。

　送電側検出部１４５は、送電部１４３の送電状況情報を検出し、検出した送電状況情報を送電側制御部１４９に送る。送電状況情報は、送電装置１０１の所定箇所の電流、電圧及び電力の少なくとも１つの値であり、送電側検出部１４５は、電流センサ、電圧センサ又は電力センサである。送電状況情報は、より具体的には、例えば、送電コイル１１３に流れる電流Ｉ_１、送電コイル１１３に印加される電圧Ｖ_１、交流電力出力部１４１の電源電圧Ｖ_Ｓである。電流センサとしては、例えば、電流の通過する電線の周囲に発生する磁界をホール効果により測定するセンサや、電流の通過する電線に抵抗を挿入し抵抗で生じる電位降下を測定するセンサが使用可能である。電圧センサとしては、例えば、抵抗により電圧を分圧しＡＤコンバータで電圧をデジタル値に変換するセンサがある。また、電力センサとしては、例えば、電圧センサと電流センサにより電圧と電流を計測し、電圧と電流を乗じた値を時間的に平均化して電力を求めるセンサがある。

　送電側通信部１４７は、後述の受電側通信部１５５と無線通信を行う。送電側通信部１４７と受電側通信部１５５との通信方式は、例えば、ZigBee（登録商標）やBluetooth（登録商標）等の電波を用いた無線通信あるいは光信号を用いた光通信である。電波を用いた通信方式の場合、送電側通信部１４７はアンテナを有し、光信号を用いた通信方式の場合、送電側通信部１４７は通信用の発光素子や受光素子を有する。

　記憶部１４８は、結合係数に関する情報や素子のインピーダンス（Ｌ_１、Ｌ_２等の値）等の各種情報や、後述の送電側制御部１４９の各機能を記述するプログラム等を記憶し、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性の記憶媒体や、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の記憶媒体で実現される。結合係数に関する情報とは、送電コイル１１３と受電コイル１２１との結合係数を特定するために必要な情報や、式（５）を満たす結合係数ｋと周波数ｆとの組合せの情報である。

　送電側制御部１４９は、送電装置１０１の各機能ブロックをはじめとして送電装置１０１の全体を制御及び管理している。送電側制御部１４９は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）等の任意の好適なプロセッサや、処理ごとに特化した専用のプロセッサ（例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ））によって実現される。送電側制御部１４９は、結合係数が変化した場合に、送電装置１０１の送電状況情報と受電装置１０３の受電状況情報との少なくとも一方に基づいて、電源１１１の周波数を変更するように、構成されている。送電側制御部１４９が行う具体的処理については、後述する。

　次に、受電装置１０３の機能ブロックについて説明する。受電装置１０３は、受電部１５１と、受電側検出部１５３と、受電側通信部１５５と、受電側制御部１５７とを備えている。受電部１５１は、受電側検出部１５３に接続され、受電側検出部１５３及び受電側通信部１５５は、受電側制御部１５７に接続されている。また、各機能ブロックの機能は、ハードウェアにより実現される。具体的には、受電部１５１の機能は受電器により、受電側検出部１５３の機能は受電側検出器により、受電側通信部１５５の機能は受電側通信機により、受電側制御部１５７の機能は受電側制御器により、それぞれ実現され得る。なお、受電装置１０３も、送電装置１０１と同様、受電側制御部１５７の各機能を記述するプログラム等を記憶する記憶部を有するが、図示は省略する。

　受電部１５１は、図１の受電コイル１２１と素子１２３とに相当し、送電部１４３から電力を受け取り、その電力を負荷１２５に供給する。

　受電側検出部１５３は、受電部１５１の受電状況情報を検出し、検出した受電状況情報を受電側制御部１５７に送る。受電状況情報は、受電装置１０３の所定箇所の電流、電圧及び電力の少なくとも１つの値であり、受電側検出部１５３は、電流センサ、電圧センサ又は電力センサである。受電状況情報は、より具体的には、例えば、受電コイル１２１に流れる電流Ｉ_２、受電コイル１２１に印加される電圧Ｖ_２、負荷１２５に印加される電圧Ｖ_Ｌである。電流センサ、電圧センサ及び電力センサの具体的構成は、送電側検出部１４５と同様である。

　受電側通信部１５５は、送電側通信部１４７と無線通信を行う。電波を用いた通信方式の場合、受電側通信部１５５はアンテナを有し、光信号を用いた通信方式の場合、受電側通信部１５５は通信用の発光素子や受光素子を有する。

　受電側制御部１５７は、受電装置１０３の各機能ブロックをはじめとして受電装置１０３の全体を制御及び管理している。受電側制御部１５７は、例えば、ＣＰＵやＤＳＰ等の任意のプロセッサによって実現される。受電側制御部１５７が行う具体的処理については、後述する。

　続いて、位置ずれにより結合係数が変化した場合の送電側制御部１４９及び受電側制御部１５７の具体的制御内容を説明する。以下、素子１２３の虚数インピーダンスは、電源１１１の周波数及び結合係数が所定の値ｆ_１及びｋ_１である場合に、式（５）を満たすように定められる。このｋ_１は位置ずれがない場合の結合係数である。記憶部１４８がこれらの値ｆ_１及びｋ_１を対応付けて記憶している。

＜固定負荷＞
　まず、負荷１２５がインピーダンス一定の固定負荷である場合について図４を参照して説明する。このような負荷１２５は、例えば、純抵抗である電気機器・電子機器である。

　送電側制御部１４９は、位置ずれが生じていないと仮定し、位置ずれ無しに相当する周波数ｆ_１の交流電力を出力するように交流電力出力部１４１を制御する。ここで電源１１１から出力される電圧の大きさは、周波数及び結合係数がｆ_１及びｋ_１である場合に負荷１２５に所望電力が入力されるために必要な電圧である。送電部１４３がこの交流電力を受電部１５１に送る。そして、送電側検出部１４５は、送電コイル１１３に流れる電流Ｉ_１（送電状況情報）を検出し（ステップＳ１０１）、その電流データを送電側制御部１４９に送る。一方、受電側検出部１５３は、受電コイル１２１に流れる電流Ｉ_２（受電状況情報）を検出して、その電流データを受電側制御部１５７に送る。受電側制御部１５７は、受け取った電流データを送電装置１０１に送信するように受電側通信部１５５を制御する。

　すると、送電側通信部１４７が、受電側通信部１５５から電流データを受信し、送電側制御部１４９に送る（ステップＳ１０２）。送電側制御部１４９は、記憶部１４８に記憶されているＬ_１及びＬ_２の値を読み出し、読み出されたＬ_１及びＬ_２の値及び受け取ったＩ_１、Ｉ_２のデータから、式（５）（最適伝達条件）が成立しているかを判断する（ステップＳ１０３）。

　式（５）が成立している場合には（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、送電コイルと受電コイルとは、所望の位置関係にあり、位置ずれはないと判断する。そして、送電側制御部１４９は、周波数を変更せずに、ｆ_１の交流電力を出力し続けるように交流電力出力部１４１を制御する。

　式（５）が成立していない場合には（ステップＳ１０３のＮｏ）、送電側制御部１４９は、送電コイルと受電コイルとの相対的位置関係が所望の位置からずれていると判断する。

　ここで、式（５）を満たす結合係数ｋと周波数ｆの関係について説明する。式（６）は、書き換えると式（１２）となる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　素子及び負荷のインピーダンスが一定である場合、結合係数ｋは、角周波数ω（つまり周波数ｆ）の関数となり、図５の実線のグラフＧ１のようになる。電源１１１や非接触給電システム１００全体の制約として、周波数ｆの可変範囲（ｆ_ｍｉｎ（下限値）≦ｆ≦ｆ_ｍａｘ（上限値））が存在し（定められ）、この可変範囲が、グラフＧ１に対して、図５のように定められている。可変範囲は、例えば、電源１１１が出力可能な電力の周波数範囲の上下限で定められる。周波数の可変範囲において式（５）を満たす結合係数が単調減少である場合には、位置ずれが小さいほど（つまり結合係数が大きくなるほど）、周波数を小さくする必要がある。現在設定されている周波数ｆ_１に対応する結合係数ｋ_１（以下同調結合係数と称する）よりも実際の結合係数ｋ_ｒ（以下実結合係数と称する）が小さい場合には、周波数ｆをｆ_１よりも大きくすることにより式（５）が成立し得る。反対に、同調結合係数ｋ_１よりも実結合係数ｋ_ｒが大きい場合には、周波数ｆをｆ_１よりも小さくすることにより式（５）が成立し得る。つまり、同調結合係数と実結合係数の大小関係が判明すれば、周波数を増加すべきか減少すべきかを特定できる。

　位置ずれにより、同調結合係数と実結合係数とが一致しないと、コイルに流れる電流が変化する。送電側制御部１４９は、検出値であるＩ_１及びＩ_２と、記憶値であるＬ_１及びＬ_２とから、電流の変化量α（αは１より大もしくは小な値）を算出する（式（１３）参照）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（４）の右辺において、素子及び負荷のインピーダンスが一定である場合、位置ずれが原因で変化するパラメータは結合係数のみである。つまり、この変化量αは、結合係数の変化量に対応するため、位置ずれ後の結合係数ｋ_２（つまり実結合係数ｋ_ｒ）は、
ｋ_２＝αｋ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式（１４）
となる。

　よって、送電側制御部１４９は、記憶部１４８に記憶されているｋ_１の値を読み出し、式（１４）より位置ずれ後の結合係数ｋ_２を求め、結合係数ｋ_２のときに式（５）を満足する周波数ｆ_２を、式（６）より算出する。送電側制御部１４９は、この周波数ｆ_２の交流電力を出力するよう交流電力出力部１４１を制御する（ステップＳ１０４）。なお、変更後の周波数ｆ_２の算出は、式（６）を用いずに、以下の式（１５）のように、フィードバック制御（フィードバックゲインはＫ）を用いて実現してもよい。
ｆ_２＝ｆ_１＋Ｋ・（α－１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式（１５）
この場合、最適伝達条件が成立するまで、ステップＳ１０１～Ｓ１０４が繰り返される。

　以上より、周波数変更の具体的制御手法の一例を説明したが、以下では、その変形例として、送電状況情報として送電コイル１１３に印加される電圧Ｖ_１及び受電状況情報として受電コイル１２１に印加される電圧Ｖ_２を用いて周波数を変更する方法を述べる。

　Ｉ_１及びＶ_１の関係と、Ｉ_２及びＶ_２の関係は、以下の式（１６）になるため、式（５）は、式（１７）（最適伝達条件）に書き換えられる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　送電側検出部１４５は、送電コイル１１３に印加される電圧Ｖ_１（送電状況情報）を検出し（ステップＳ１０１）、受電側検出部１５３は、受電コイル１２１に印加される電圧Ｖ_２（受電状況情報）を検出する（ステップＳ１０２）。そして、送電側制御部１４９は、検出された電圧Ｖ_１及びＶ_２が式（１７）を満たすかを判断する（ステップＳ１０３）。

　式（１７）が成立していない場合には（ステップＳ１０３のＮｏ）、送電側制御部１４９は、式（１８）のように電圧の変化量αを算出する。そして、送電側制御部１４９は、式（１４）より位置ずれ後の結合係数ｋ_２を求め、結合係数ｋ_２のときに式（５）を満足する周波数ｆ_２を、式（６）より算出する。送電側制御部１４９は、この周波数ｆ_２の交流電力を出力するよう交流電力出力部１４１を制御する（ステップＳ１０４）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　また、式（１０）が成立している場合は、式（１１）と式（１９）より、式（２０）が成立する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（１０）が成立していない場合は、式（９）のように、インピーダンスＺ_Ｓに虚数部が存在し、電源１１１の力率が１００［％］未満となるので、式（２０）は、式（２１）となる。式（２１）のθは、電源１１１から出力される電流と電圧の位相差である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（２０）又は（２１）より、送電状況情報として電源１１１の出力電圧及び電圧電流位相差を送電側検出部１４５が検出し、受電状況情報として負荷１２５に印加される電圧を受電側検出部１５３が検出し、これらの検出されたデータに基づいて送電側制御部１４９が周波数を変更してもよい。

　ここで、式（５）又は式（１７）が成立するように周波数が選択された場合に負荷１２５に供給される電力について説明する。負荷１２５に供給される電力の所望値をＰ_ｄｏ（固定値）とすると、負荷１２５に印加される電圧Ｖ_Ｌは、式（２２）となる。
Ｖ_Ｌ ^２＝Ｐ_ｄｏ・Ｚ_２ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式（２２）

　負荷１２５が固定負荷であるため、Ｚ_２ｒは固定値である。よって、式（２２）からＶ_Ｌが求まり、式（２１）より、負荷１２５に所望電力を供給するために必要な電源１１１の電圧Ｖ_Ｓが定まる。そして、周波数ｆ_１及び結合係数ｋ_１が式（５）を満足する場合に負荷１２５に所望電力が入力されるために必要な電圧Ｖ_Ｓで電源１１１の電圧を固定する。この状態で、式（５）又は式（１７）が成立するように周波数が選択されれば、式（２１）が成立する。よって、周波数が変わっても負荷１２５に所望の電圧Ｖ_Ｌが印加され、負荷１２５に所望電力が供給される。

　以上より、送電側制御部１４９が、送電側検出部１４５及び受電側検出部１５３の検出結果に基づいて周波数を変更する方法について述べたが、その変形例として、送電側検出部１４５を使用せずに周波数変更を実現する方法を述べる。機能ブロック図としては、送電側検出部１４５がなくなる以外は、図３と同じである。以下、上記の説明と異なるところを中心に説明し、機能部１４１、１４３、１４７、１５１、１５５の機能は、上記の説明と同じであるため、重複する説明は省略する。

　記憶部１４８は、結合係数に関する情報として、受電装置１０３における受電電力と結合係数との関係を記憶する。この関係は、例えば、送電装置１０１が所定周波数（結合係数を求める際には周波数を固定するため）で一定電力を出力しているときの、負荷１２５に供給される電力（供給電力）と結合係数との関係である。なお、以下、結合係数に関する情報は、受電電力と結合係数との関係であるが、この態様に限定されるものではない。結合係数に関する情報として、結合係数と相関関係のあるパラメータを任意に利用することができる。結合係数と相関関係のあるパラメータとは、例えば、受電コイル１２１の電流Ｉ_２である。

　受電側検出部１５３は、負荷１２５に印加される電圧及び負荷１２５へ入力される電流を受電状況情報として検出する電圧センサ及び電流センサである。なお、検出箇所は、負荷１２５に限定されるものではなく、受電側検出部１５３は、素子１２３に関する電圧・電流を測定してもよい。また、検出対象は、電圧・電流に限定されず、電力でもよく、この場合、受電側検出部１５３は電力センサである。

　送電装置１０１が、周波数ｆ_１の交流電力を出力すると、受電部１５１がこの電力を受け取り、受電側検出部１５３は、負荷１２５に関する電圧及び電流を検出して、そのデータを受電側制御部１５７に送る。受電側制御部１５７は、受け取ったデータから負荷１２５で充電（消費）されている電力値を算出する。そして、受電側制御部１５７は、この電力値データを送電装置１０１に送信するように受電側通信部１５５を制御する。

　送電側制御部１４９は、送電側通信部１４７を介して電力値データを受信すると、記憶部１４８に記憶されている受電電力と結合係数との関係を読み出し、受け取った電力値データが、結合係数ｋ_１に対応する電力値と一致するかを判断する。なお、一致するとは、厳密に等式が成り立つことに限定されるものではなく、送電側制御部１４９は、読み出した電力値と受け取った電力値との差分が予め定められた誤差範囲内であれば一致するとみなすこともできる。

　一致している場合には、送電側制御部１４９は、送電コイル１１３と受電コイル１２１とは、所望の位置関係にあり、位置ずれはないと判断する。そして、送電側制御部１４９は、周波数を変更せずに、ｆ_１の交流電力を出力し続けるように交流電力出力部１４１を制御する。

　一致していない場合には、送電側制御部１４９は、送電コイル１１３と受電コイル１２１との相対的位置関係が所望の位置からずれていると判断し、記憶部１４８に記憶されている関係から、受け取った電力値データに対応する結合係数ｋ_２（つまり実結合係数ｋ_ｒ）を特定する。そして、送電側制御部１４９は、結合係数ｋ_２のときに式（５）を満足する周波数ｆ_２を算出し、この周波数ｆ_２の交流電力を出力するよう交流電力出力部１４１を制御する。

＜変動負荷＞
　続いて、負荷１２５が、インピーダンス変動の負荷である場合について図６を参照して説明する。このような負荷１２５は、例えば、蓄電デバイスであり、蓄電デバイスは、蓄積量に応じて電圧が変化し、蓄電デバイスのインピーダンスは、電源１１１が出力する電圧（受電装置１０３が負荷１２５に印加する電圧）と負荷１２５の電圧とに応じて、変化する。そのため、負荷１２５が固定負荷である場合のように電源電圧Ｖ_Ｓを一定とし、式（５）又は式（１７）が成立するように周波数が選択されても、式（２２）のＺ_２ｒが変動するため、負荷１２５に所望電力が入力されない。

　そのため、送電側制御部１４９は、式（５）又は式（１７）が成立するように周波数を選択するのではなく、負荷１２５への電力（負荷情報）が所望値に近づくように電源１１１の周波数を制御する。以下、素子１２３の虚数インピーダンスは、電源１１１の周波数及び結合係数がｆ_１及びｋ_１であり、Ｚ_２ｒが変動範囲内の任意の値である場合に、式（５）を満たすように定められる。また、電源１１１の電圧は、電源１１１の周波数及び結合係数がｆ_１及びｋ_１であり、Ｚ_２ｒがある値である場合に、負荷１２５に所望電力が入力される値である。なお、負荷情報は、電力に限定されるものではなく、負荷１２５に入力される電流又は電圧であってもよい。この場合、送電側制御部１４９は、負荷１２５への電流又は電圧が所望値に近づくように電源１１１の周波数を制御する。

　具体的には、まず、受電側検出部１５３が、負荷１２５への電力（以下、負荷電力と称する）を受電状況情報として検出し、この負荷電力の値（データ）（以下、この値をＰ_ｒｏとする）を受電側制御部１５７に送る。受電側制御部１５７は、この負荷電力の値を送電装置１０１に送信するように受電側通信部１５５を制御する。

　すると、送電側通信部１４７が、受電側通信部１５５から負荷電力の値を受信し、送電側制御部１４９に送る（ステップＳ２０１）。送電側制御部１４９は、記憶部１４８に予め記憶されている所望値Ｐ_ｄｏを読み出し、負荷電力を所望値と比較する（ステップＳ２０２）。

　負荷電力が所望値と一致している場合は（ステップＳ２０２のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、周波数を変更せずに、ｆ_１の交流電力を出力し続けるように交流電力出力部１４１を制御する。なお、一致するとは、厳密に等式が成り立つことに限定されるものではなく、送電側制御部１４９は、負荷電力と所望値との差分が予め定められた誤差範囲内であれば一致するとみなすこともできる。

　負荷電力が所望値と一致していない場合には（ステップＳ２０２のＮｏ）、送電側制御部１４９は、負荷１２５への入力電力が所望値に近づくように電源１１１（交流電力出力部１４１）の周波数を変更する（ステップＳ２０３）。つまり、送電側制御部１４９は、周波数を変更する毎に、ステップＳ２０１及びＳ２０２の処理を繰り返す。変更方法としては、例えば、送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値よりも大きいか小さいかに応じて、周波数を一定量増減させることができる。

　図７のように、周波数の可変範囲において式（５）を満たす結合係数が単調減少である。現在設定されている周波数ｆ_１に対応する同調結合係数ｋ_１よりも実結合係数ｋ_２が小さい場合、負荷電力が所望値よりも大きくなる（式（１４）よりαが小さくなり、後述の式（２６）よりインピーダンスＺ_１が小さくなるため）。そのため、送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値よりも大きい場合には、周波数を一定量大きくする。反対に、負荷電力が所望値よりも小さい場合には、送電側制御部１４９は、周波数を一定量小さくすることができる。

　また、送電側制御部１４９は、負荷電力Ｐ_ｒｏと所望値Ｐ_ｄｏとの差分量に応じて、周波数の変化量を変えることもできる。例えば、送電側制御部１４９は、式（２３）のように、周波数を決定することができる。なお、ｆ_１は、電源１１１の出力電力の周波数として現在設定されている周波数で、ｆ_２は、電源１１１の出力電力の周波数としてこれから設定される変更後の周波数である。Ｋは、任意のゲインである。
ｆ_２＝ｆ_１＋Ｋ・（Ｐ_ｒｏ－Ｐ_ｄｏ）　　　　　　　　　　　　　　　　 式（２３）

　負荷１２５のインピーダンスが変動するため、負荷電力が所望値と一致した場合には、式（５）は成立せず、式（２４）が成立する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　この場合、図７のように、変更後の周波数ｆ_２（対応する角周波数をω_２とする）において式（５）を成立させる結合係数ｋ_２と、実際の結合係数ｋ_ｒとの間にずれが生じている。つまり、式（１４）のように、式（２５）が成立する。
α＝ｋ_ｒ／ｋ_２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式（２５）

　式（２４）及び（２５）が成立している場合、式（７）は、式（６）を用いて、式（２６）となる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　よって、インピーダンスＺ_Ｓは、式（２７）となる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　負荷１２５に入力される電力が所望の値となるためには、電源１１１からの出力電圧が一定である場合、インピーダンスＺ_Ｓは一定である必要がある。負荷１２５のインピーダンスＺ_２ｒが変動するため、インピーダンスＺ_Ｓが一定となるような周波数の変更によりαが変動する。式（２７）から明らかなように、インピーダンスＺ_Ｓは、結合係数に非依存である。

　また、式（１０）が成立している場合、式（２７）は、式（２８）となる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　以上、負荷１２５が固定負荷又は変動負荷である場合の周波数変更について説明してきた。このように本実施形態では、素子１２３の虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉは、電源１１１の周波数及び結合係数がｆ_１及びｋ_１である場合に、電源１１１から受電側を見たときのインピーダンスＺ_Ｓが結合係数に非依存となるように定められ、インピーダンスが一定の負荷１２５（固定負荷）が受電装置１０３に接続されている。この状況において、送電側制御部１４９は、結合係数が変化した場合、送電コイル１１３に流れる電流Ｉ_１と受電コイル１２１に流れる電流Ｉ_２に基づいて、式（５）が成立するように、電源１１１の周波数を変更する。式（５）が成立する限り、電源１１１から受電側を見たときのインピーダンスＺ_Ｓは、式（９）で一定となり、結合係数に非依存となる。これにより、周波数を変化させた場合に、インピーダンスＺ_Ｓが結合係数の変化に因っては変わらないため、インピーダンスＺ_Ｓの変動を抑えることができる。そして、インピーダンスＺ_Ｓが変動し難い分、電源電圧Ｖ_Ｓの変動を抑えることが可能になる。電源１１１からの交流電圧Ｖ_Ｓが変動しにくくなるということは、電源電圧Ｖ_Ｓと相関関係のある送電側の電圧（例えば、送電コイル１１３の両端間の電圧Ｖ_１）も変動しにくくなる。また、電源１１１がインバータ回路で実現されている場合、インバータ回路の入力直流電圧と出力交流電圧とは、連動するため、出力交流電圧Ｖ_Ｓが変動しにくくなるということは、入力直流電圧も変動しにくくなる。この直流電圧を出力する電力変換回路がチョッパ回路を有する場合、電力変換回路の出力端にキャパシタが設けられるが、電力変換回路からの直流電圧の変動が抑えられることにより、このキャパシタの耐電圧を小さくできる。そのため、キャパシタの小型化、ひいては送電装置１０１の小型化が可能になる。

　また、本実施形態では、送電側制御部１４９は、送受電コイルの電流の代わりに、送電コイル１１３に印加される電圧Ｖ_１と受電コイル１２１に印加される電圧Ｖ_２に基づいて、式（１７）が成立するように、電源１１１の周波数を変更する。式（１７）が成立する限り、電源１１１から受電側を見たときのインピーダンスＺ_Ｓは、式（９）で一定となり、結合係数に非依存となる。これにより、周波数を変化させた場合に、インピーダンスＺ_Ｓが結合係数の変化に因っては変わらないため、インピーダンスＺ_Ｓの変動を抑えることができる。

　また、本実施形態では、インピーダンスが一定ではなく変動する負荷１２５が受電装置１０３に接続されている場合、送電側制御部１４９は、負荷１２５に入力される電力（負荷電力）が所望値に近づくように周波数を制御する。周波数の変更により、式（５）や式（１７）が成立しなくても、式（２７）より、電源１１１から受電側を見たときのインピーダンスＺ_Ｓは、式（２５）で表現される結合係数に関する比（割合）αに影響されるのみであり、結合係数の値そのものが影響するわけではないため、結合係数の変化に因るインピーダンスＺ_Ｓの変動を抑えることができる。また、負荷電力が所望値に一致する場合には、インピーダンスＺ_Ｓは、結合係数に非依存となるため、結合係数の変化に因るインピーダンスＺ_Ｓの変動をより抑えることができる。

（第２実施形態）
　第１実施形態では、負荷１２５に所望電力を入力するために、電源１１１の周波数を変更する場合について説明したが、第２実施形態では、周波数だけでなく電源の電圧の大きさ（振幅）も変更する場合について説明する。なお、第２実施形態では、制御される対象が変わるのみで、非接触給電システム構成やこのシステムの機能ブロックは、第１実施形態と同様である。そのため、以下、第２実施形態においても図１及び図３を用いて説明し、重複する説明は省略する。

　電源１１１の周波数ｆの可変範囲（ｆ_ｍｉｎ≦ｆ≦ｆ_ｍａｘ）が存在する場合、式（２７）が一定となる周波数が選択できないことがある。つまり、電源１１１の周波数ｆの変更により、負荷１２５に入力される電力（負荷電力）が所望値に近づいても、所望値に一致しない場合がある。

　そこで、負荷電力が所望値よりも小さい場合、送電側制御部１４９は、電源１１１の出力電圧を大きくする。電源１１１の出力電圧が大きくなると、非接触給電システム１００に流れる電流が大きくなり、負荷電力は大きくなる。よって、送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値に近づくように電源１１１の出力電圧を大きくする。反対に、負荷電力が所望値よりも大きい場合、送電側制御部１４９は、電源１１１の出力電圧を小さくする。

　また、電源１１１や非接触給電システム１００全体の制約として、電源１１１の出力電圧の調整範囲も制限されることがある。例えば、一般的に、送電装置１０１を構成する回路素子には破損しない限界値（耐電圧）が存在するため、素子耐電圧の観点で、電源１１１の出力電圧の上限値が存在する（定められる）。よって、送電側制御部１４９は、まず、電源１１１の出力電圧を上限値に設定することができる。負荷１２５への入力電力が所望電力に達しない場合に、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数ｆを変更することができる。

　さらに、別の制御方法について図８を用いて説明する。ここでは、電源１１１がインバータ回路で実現されている。インバータ回路では、複数のスイッチング素子のスイッチング制御により、直流電力を交流電力に変換する。このスイッチング制御におけるスイッチング損失を抑えるためにソフトスイッチング方式が従来知られている。ソフトスイッチング方式が実現されるためには、電源１１１から出力される電流に対する電圧の位相差（以下、電源位相差と称する）が０［°］以上（つまり、電圧の位相が、電流の位相と同じか、電流の位相よりも進んでいる）である必要がある。この位相差が０［°］である場合は、電源１１１の力率が１００［％］となり、電源１１１での送電効率を最大化できる。しかし、現実的には、測定誤差やノイズ等が存在するため、位相差を０［°］で維持することは困難である。電源１１１から出力される電圧の位相が少しでも電流より遅れてしまうと（すなわち、電源位相差が負の値になると）、ソフトスイッチング方式が実現されなくなるため、電源位相差に関して予め閾値（＞０）が設定され、送電側制御部１４９は、電源位相差が閾値以上になるように電源１１１の周波数ｆ及び電圧Ｖ_Ｓの大きさを制御することができる。この閾値は、記憶部１４８に記憶される。

　まず、受電側検出部１５３が、負荷電力を検出し、その負荷電力の値を受電側制御部１５７に送る。そして、受電側制御部１５７は、負荷電力の値を送電装置１０１に送信するように受電側通信部１５５を制御する。

　すると、送電側通信部１４７が、受電側通信部１５５から負荷電力の値を受信し、送電側制御部１４９に送る（ステップＳ３０１）。送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値と一致するかを判断する（ステップＳ３０２）。

　所望電力が負荷１２５に入力されている場合には（ステップＳ３０２のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数及び電圧の大きさを変更しない。

　所望電力が負荷１２５に入力されていない場合には（ステップＳ３０２のＮｏ）、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数を変更する（ステップＳ３０３）。送電側制御部１４９は、例えば、式（２３）を用いて、変更後の周波数の値を算出することができる。

　周波数が変化すると、素子１１５及び素子１２３のリアクタンス素子のインピーダンスが変化する。そのため、電源１１１からの電流と電圧の関係も変わるため、電源位相差も変化する。そこで、送電側制御部１４９は、送電側検出部１４５の検出結果から電源位相差を求め、記憶部１４８に記憶されている閾値と比較する（ステップＳ３０４）。

　電源位相差が閾値以上である場合（ステップＳ３０４のＮｏ）、送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値になるまで、ステップＳ３０１から同じ処理を繰り返すことができる。

　電源位相差が閾値未満である場合（ステップＳ３０４のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、電源１１１の電圧の大きさを変更する（ステップＳ３０５）。電源１１１の電圧が変化することによって、負荷１２５に印加される電圧Ｖ_Ｌが変化する。これにより、負荷１２５が変動負荷である場合、負荷１２５のインピーダンスＺ_２ｒが変化するため、電源１１１から受電側を見たインピーダンスＺ_Ｓが変化し、電源位相差も変化する。

　そのため、送電側制御部１４９は、電源１１１の電圧の変更により変化した電源位相差を閾値と比較する（ステップＳ３０６）。電源位相差が閾値以上であると（ステップＳ３０６のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、ステップＳ３０１から同じ処理を繰り返すことができ、電源１１１の周波数及び電圧を制御しても、負荷電力が所望値にならない場合は（ステップＳ３０２のＮｏ）、送電側制御部１４９は、周波数を更に変更することができる（ステップＳ３０３）。

　このように本実施形態では、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数だけでなく、負荷電力が所望値に近づくように電源１１１から出力される交流電圧の大きさを変更する。これにより、電源１１１の周波数の可変範囲が存在する場合にも、より確実に負荷電力を所望値に近づけることができる。

　また、本実施形態では、送電側制御部１４９は、周波数の変更により電源位相差が閾値未満になると、電源１１１の出力電圧の大きさを変更する。送電側制御部１４９は、電源１１１の出力電圧を変更することにより、電源位相差が大きくなることがある。これにより、電源１１１がインバータ回路で実現されている場合、ソフトスイッチング方式が実現されやすくなり、スイッチングロスが抑えられる。その結果、電力効率を向上させることが可能となる。

　また、本実施形態では、電源１１１の出力電圧の大きさの変更により、電源位相差が閾値以上になると、送電側制御部１４９は、周波数を更に変更する。電源１１１の出力電圧の変化により電源位相差が大きくなると、ソフトスイッチング方式が維持された状況で、更に周波数の変更が可能になる。これにより、ソフトスイッチング方式を維持しつつ、より確実に負荷電力を所望値に近づけることができる。

（第３実施形態）
　第２実施形態では、電源１１１の周波数を変更した後に電源１１１の電圧の大きさを変更する場合について説明したが、第３実施形態では、電圧の大きさを変更した後に周波数を変更する場合について説明する。なお、第３実施形態では、制御方法が変わるのみで、非接触給電システム構成やこのシステムの機能ブロックは、第１及び第２実施形態と同様である。そのため、以下、第３実施形態においても図１及び図３を用いて説明し、重複する説明は省略する。

　電源１１１又は非接触給電システム１００の制約により、電源１１１が出力可能な電圧の最大値が存在する（定められている）場合がある。例えば、電源１１１がインバータ回路で実現され、インバータ回路の入力には、直流電圧を出力する電力変換回路が設けられることがある。第１実施形態での説明のように、電力変換回路の出力端にキャパシタが設けられている場合、このキャパシタの耐電圧の点でインバータ回路に入力可能な直流電圧の最大値が存在する。インバータ回路の入力直流電圧と出力交流電圧とは、連動するため、電源１１１が出力可能な電圧の最大値が存在する。なお、電源１１１の出力は交流電圧であるため、この最大値は、例えば、交流電圧の実効値や波高値の最大値である。

　本実施形態の制御方法について図９を用いて説明する。まず、受電側検出部１５３が、負荷電力を検出し、その負荷電力の値を受電側制御部１５７に送る。そして、受電側制御部１５７は、負荷電力の値を送電装置１０１に送信するように受電側通信部１５５を制御する。

　すると、送電側通信部１４７が、受電側通信部１５５から負荷電力の値を受信し、送電側制御部１４９に送る（ステップＳ４０１）。送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値と一致するかを判断する（ステップＳ４０２）。

　所望電力が負荷１２５に入力されている場合には（ステップＳ４０２のＹｅｓ）、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数及び電圧の大きさを変更しない。

　所望電力が負荷１２５に入力されていない場合には（ステップＳ４０２のＮｏ）、送電側制御部１４９は、電源１１１の電圧の大きさが最大値であるかを判断する（ステップＳ４０３）。電源１１１の電圧の大きさが最大値ではない場合には（ステップＳ４０３のＮｏ）、送電側制御部１４９は、負荷電力が所望値に近づくように電源１１１の電圧の大きさを変更する（ステップＳ４０４）。つまり、負荷電力が所望値と一致するまで、又は電圧の大きさが最大値になるまで、ステップＳ４０１～Ｓ４０４が繰り返される。

　例えば、負荷電力が所望値よりも小さい場合には、送電側制御部１４９が電源１１１の電圧の大きさを徐々に大きくしていくことにより、負荷電力は所望値に近づく。しかし、電源１１１の電圧の大きさが最大値になっても（ステップＳ４０３のＹｅｓ）、負荷電力が所望値に到達しない場合がある。

　この場合、送電側制御部１４９は、電源１１１の周波数を変更する（ステップＳ４０５）。送電側制御部１４９は、周波数の変更により、負荷電力を所望値に更に近づける。つまり、送電側制御部１４９は、ステップＳ４０１、Ｓ４０２、Ｓ４０３、Ｓ４０５を繰り返し、周波数を徐々に変更し、負荷電力を所望値に更に近づける。周波数の変更は、第１実施形態と同様、例えば式（２３）を用いて実現され得る。

　このように本実施形態では、送電側制御部１４９は、電源１１１の電圧の大きさが最大値になった場合にのみ電源１１１の周波数を変更する。電源１１１の電圧が最大値である状況で周波数が変更されるため、負荷電力は、変更後の周波数で達成可能な電力の最大値となる。つまり、電圧の大きさの変更ではこれ以上負荷電力は大きくならないため、送電側制御部１４９は、周波数の変更で負荷電力を所望値に近づくよう大きくする。電源１１１の電圧の大きさの制御と、電源１１１の周波数の制御とを順々に切り換える必要がなく、電圧の大きさの制御の後は周波数の制御のみが行われるため、送電側制御部１４９の制御処理を簡単化することができる。

　本開示を諸図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

　上述の本開示の実施形態の説明において、式（２４）が成立する場合として負荷１２５のインピーダンスの変動について説明したが、本開示はこの態様に限定されるものではない。例えば、送電コイル１１３、受電コイル１２１及び素子１２３の少なくとも１つのインピーダンスが変化することがある。特に、送電コイル及び受電コイルのインダクタンスＬ_１とＬ_２は、コイルの発熱や送受電コイル間の相対的位置関係により変わる。
そのため、給電前に予め測定した初期値Ｌ_１及びＬ_２と、給電中の実際値Ｌ_１ｒ及びＬ_２ｒとの間にズレが生じる。そのため、式（５）の関係式が満たされるように、初期値Ｌ_１及びＬ_２を用いて非接触給電システムが設計されると、給電中の実際値Ｌ_１ｒ及びＬ_２ｒとコイル電流との関係においては、式（２９）のように誤差εが発生する。つまり、式（５）ではなく、式（２９）が成立する場合に負荷電力が所望値となる。なお、送電コイル１１３及び受電コイル１２１のインダクタンスＬ_１とＬ_２の変化を取り上げているが、素子１２３のインピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉが変わった場合にも、電流Ｉ_１及びＩ_２が変化し、式（２９）が成立する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　また、上述の本開示の実施形態の説明において、最適伝達条件が成立しているかの判断（ステップＳ１０３）は送電側制御部１４９が行うとして説明したが、本開示はこの態様に限定されるものではない。例えば、送電装置１０１が送電状況情報を受電装置１０３に送信することにより、受電側制御部１５７が、最適伝達条件の成立を判断することができる。

　また、上述の本開示の実施形態の説明において、負荷電力と所望値との比較（ステップＳ２０２及びＳ３０２）は送電側制御部１４９が行うとして説明したが、本開示はこの態様に限定されるものではない。例えば、受電装置１０３が記憶部を有し、記憶部が所望値を記憶している場合、受電側制御部１５７が負荷電力と所望値とを比較することができる。そして、受電側制御部１５７は、比較結果に応じて、電源１１１の周波数を変更する指示を送電装置１０１に送るように受電側通信部１５５を制御することができる。

　また、上述の本開示の実施形態の説明では、非接触給電システム内における電圧や電流が、正弦波であることを前提としているが、これらの電圧や電流が、正弦波ではなく、複数の周波数成分を含む場合には、本開示は、基本波成分に対して適用され得る。

　また、送電コイル、受電コイル及び各素子に抵抗成分が存在する場合は、抵抗成分を無視して理想的なインダクタンス（コイル）やキャパシタンスとみなすことにより、本開示は適用され得る。更に、非接触給電システム内の配線における抵抗成分及びリアクタンス成分が存在する場合も、これらの抵抗成分及びリアクタンス成分を無視することにより、本開示は適用され得る。

　また、上述の本開示の実施形態の説明では、例えば、閾値「以上」または閾値「未満」のような表現の技術的思想が意味する内容は必ずしも厳密な意味ではなく、送電装置の仕様に応じて、基準となる値を含む場合又は含まない場合の意味を包含するもの。例えば、閾値「以上」とは、比較対象が閾値以上になった場合のみならず、閾値を超えた場合も含意し得るものとする。また、例えば、閾値「未満」とは、比較対象が閾値未満になった場合のみならず、閾値以下になった場合も含意し得るものとする。

　また、上述の本開示の実施形態の説明では、送電コイル１１３及び受電コイル１２１に直列に虚数インピーダンスを有する素子１１５及び１２３が接続されている場合について説明したが、本開示はこの態様に限定されるものではない。例えば、図１０や図１１に示されるような回路構成であっても、上述の本開示の実施形態と同様の制御方法により周波数を変更することができる。

　図１０の非接触給電システム２００は、送電装置２０１と、受電装置２０３とを備えている。送電装置２０１は、電源２１１から交流電力が入力される送電コイル２１３と、素子（送電側直列素子）２１５と、素子（送電側並列素子）２１７とを含んでいる。受電装置２０３は、受電コイル２２１と、素子（受電側直列素子）２２３と、素子（受電側並列素子）２２７とを含んでいる。これらの構成要素２１１、２１３、２１５、２２１、２２３、２２５は、送電装置１０１及び受電装置１０３の構成要素１１１、１１３、１１５、１２１、１２３、１２５とそれぞれ同一であるため、重複する説明は省略する。

　素子２１７は、送電コイル２１３に並列に接続され、且つ素子２１５よりも送電コイル側に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｐ１ｉを有している。すなわち、素子２１７は、素子２１５よりも送電コイル２１３に近い位置で送電コイル２１３に並列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｐ１ｉを有している。この接続関係を言い換えると、素子２１５は、送電コイル２１３に直列に接続され、且つ素子２１７よりも電源側に接続されている。また、素子２２７は、受電コイル２２１に並列に接続され、且つ素子２２３よりも受電コイル側に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｐ２ｉを有している。すなわち、素子２２７は、素子２２３よりも受電コイル２２１に近い位置で受電コイル２２１に並列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｐ２ｉを有している。素子２１７及び２２７は、例えば、インダクタ（リアクトル、コイル）やキャパシタ等のリアクタンス素子、又はそれらの組合せの複数の素子により実現される。

　図１０の回路方程式を立てると、式（３０）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（５）が成立するように非接触給電システム２００の各パラメータが決定又は制御されているとすると、素子２１７から受電側を見たインピーダンスＺ_１（素子２１７を含むインピーダンス）を求めると式（３１）になり、結合係数ｋを含まない形となる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　ここで、式（３２）が成立するように送電側並列素子２１７及び受電側並列素子２２７のインピーダンスの値が決定されていると、式（３１）及び式（３２）より、式（３３）が成立する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　よって、電源２１１から受電側を見たインピーダンスＺ_Ｓ（電源２１１を含まないインピーダンス）は、式（３４）になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　式（３４）より、式（５）及び式（３２）が成立している場合には、電源２１１から受電側を見たインピーダンスＺ_Ｓは、結合係数に非依存となり、上述の本開示の実施形態の式（９）と同じ形で表現される。よって、周波数及び結合係数がある値である場合に、式（５）及び式（３２）が成立するように素子２１７、２２３及び２２７のインピーダンスが定められていれば、上述の本開示の実施形態と同様の周波数変更制御を適用できる。

　また、図１１の非接触給電システム３００は、送電装置３０１と、受電装置３０３とを備えている。送電装置３０１は、電源３１１から交流電力が入力される送電コイル３１３と、素子３１５と、素子３１７と、素子（送電側直列素子）３１９とを含んでいる。受電装置３０３は、受電コイル３２１と、素子３２３と、素子３２７と、素子（受電側直列素子）３２９とを含んでいる。これらの構成要素３１１、３１３、３１５、３１７、３２１、３２３、３２５、３２７は、送電装置２０１及び受電装置２０３の構成要素２１１、２１３、２１５、２１７、２２１、２２３、２２５、２２７とそれぞれ同一であるため、説明は省略する。

　素子３１９は、送電コイル３１３に直列であって、素子３１７よりも送電コイル側に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_{Ｓ１ｉ－２}を有している。すなわち、素子３１９は、素子３１７よりも送電コイル３１３に近い位置で送電コイル３１３に直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_{Ｓ１ｉ－２}を有している。素子３２９は、受電コイル３２１に直列であって、受電側並列素子３２７よりも受電コイル側に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_{Ｓ２ｉ－２}を有している。素子３２９は、素子３２７よりも受電コイル３２１に近い位置で受電コイル３２１に直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_{Ｓ２ｉ－２}を有している。図１及び図１０の場合と同様に、回路方程式を解くと、式（５）、式（３２）及び式（３５）が成立する場合には、式（９）（又は式（３４））が成立する。よって、周波数及び結合係数がある値である場合に、式（５）、式（３２）及び式（３５）が成立するように素子３１７、３１９、３２３、３２７及び３２９のインピーダンスが定められていれば、上述の本開示の実施形態と同様の周波数変更制御を適用できる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

本開示によれば、結合係数が変化した場合に、電源から受電側を見たインピーダンスの変動を抑えることができる非接触給電システムを提供する。

　１００　非接触給電システム
　１０１　送電装置
　１０３　受電装置
　１１１　電源
　１１３　送電コイル
　１１５　素子
　１２１　受電コイル
　１２３　素子（受電側直列素子）
　１２５　負荷
　１４１　交流電力出力部
　１４３　送電部
　１４５　送電側検出部
　１４７　送電側通信部
　１４８　記憶部
　１４９　送電側制御部
　１５１　受電部
　１５３　受電側検出部
　１５５　受電側通信部
　１５７　受電側制御部

Claims (10)

1. 　送電装置と受電装置とを備える非接触給電システムであって、
   　前記送電装置は、電源からある周波数の交流電力が入力される送電コイルと、前記周波数を制御する制御部とを含み、
   　前記受電装置は、ある結合係数で前記送電コイルと磁気結合される受電コイルと、前記受電コイルに直列に接続され、虚数インピーダンスｊＺ_Ｓ２ｉを有する受電側直列素子とを含み、
   　前記虚数インピーダンスは、前記周波数及び前記結合係数が所定の値である場合に、前記電源から受電側を見たときのインピーダンスが前記結合係数に非依存となるように定められ、
   　前記制御部は、前記結合係数が変化した場合、前記送電装置の送電状況情報と前記受電装置の受電状況情報との少なくとも一方に基づいて、前記周波数を変更する、
   非接触給電システム。
2. 　請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記受電装置には、電力供給対象として固定負荷が接続され、
   　前記送電状況情報は、前記送電コイルに流れる電流Ｉ_１であり、
   　前記受電状況情報は、前記受電コイルに流れる電流Ｉ_２であり、
   　前記制御部は、
   

   

   　　　　　　　　　　　　　　　　　　
   （但し、Ｌ_１は、前記送電コイルの自己インダクタンス、Ｌ_２は、前記受電コイルの自己インダクタンスである。）
   を満たすように、前記周波数を変更する、
   非接触給電システム。
3. 　請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記受電装置には、電力供給対象として固定負荷が接続され、
   　前記送電状況情報は、前記送電コイルに印加される電圧Ｖ_１であり、
   　前記受電状況情報は、前記受電コイルに印加される電圧Ｖ_２であり、
   　前記制御部は、
   

   

   　　　　　　　　　　　　　　　　　　
   （但し、Ｌ_１は、前記送電コイルの自己インダクタンス、Ｌ_２は、前記受電コイルの自己インダクタンスである。）
   を満たすように、前記周波数を変更する、
   非接触給電システム。
4. 　請求項１に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記受電装置には、電力供給対象として負荷が接続され、
   　前記受電状況情報は、前記負荷に入力される電力、電流及び電圧のいずれか１つの負荷情報であり、
   　前記制御部は、前記負荷情報が所望値に近づくように前記周波数を変更する、
   非接触給電システム。
5. 　請求項４に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記負荷は、変動負荷である、
   非接触給電システム。
6. 　請求項４又は５に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記送電コイル、前記受電コイル及び前記受電側直列素子の少なくとも１つのインピーダンスが変化する、
   非接触給電システム。
7. 　請求項４乃至６のいずれか一項に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記制御部は、前記電源から出力される電圧の大きさを更に制御し、前記負荷情報が前記所望値に近づくように前記大きさを変更する、
   非接触給電システム。
8. 　請求項７に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記送電状況情報は、前記電源から出力される電流に対する電圧の位相差であり、
   　前記制御部は、前記周波数の変更により前記位相差が閾値未満になると、前記大きさを変更する、
   非接触給電システム。
9. 　請求項８に記載の非接触給電システムにおいて、
   　前記制御部は、前記大きさの変更により前記位相差が前記閾値以上になると、前記周波数を更に変更する、
   非接触給電システム。
10. 　請求項７に記載の非接触給電システムにおいて、
    　前記大きさの最大値が存在し、
    　前記制御部は、前記大きさの制御により当該大きさが最大値になった場合に、前記周波数を変更する、
    非接触給電システム。
     
     
     
     

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