WO2019176375A1

WO2019176375A1 - 送電装置、受電装置、無線給電システム

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Publication number: WO2019176375A1
Application number: PCT/JP2019/003950
Authority: WO
Inventors: 宮崎　英樹; 孝徳山添; 井戸　寛
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2019-09-19
Also published as: JP2021083138A

Abstract

交流磁界を用いて安全に通信ができる。そのため送電装置は、交流磁界を放出して無線給電を行う一次コイルと、交流磁界の強度を時系列変化させることで交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部とを備え、送電制御部が一次側情報を重畳する場合の交流磁界の強度は、送電制御部が一次側情報を重畳しない場合の交流磁界の強度よりも弱い。

Description

送電装置、受電装置、無線給電システム

　本発明は、送電装置、受電装置、および無線給電システムに関する。

　近年、電気自動車等において、地上側に設けられた送電装置から車両側に設けられた受電装置に対して無線により給電を行う無線給電システムが実現されつつある。こうした無線給電システムでは、磁界共振や磁界誘導を利用した無線給電技術が注目されている。磁界誘導とは、地上側の送電装置に設けられたコイルに交流電流を流すことで磁界（磁束）を発生し、この磁界を車両側の受電装置に設けられたコイルで受けて交流電流を生じさせることにより、送電装置から受電装置への無線給電を実現するものである。一方、磁界共振とは、送電装置と受電装置にそれぞれコイルを設ける点は磁界誘導と同じであるが、送電装置のコイルに流れる電流の周波数を受電装置のコイルの共振周波数に一致させることにより、送電装置と受電装置の間に共振を生じさせる。これにより、送電装置のコイルと受電装置のコイルを磁気的に結合し、高効率の無線給電を実現している。

　上述した無線給電技術に関して、下記の特許文献１が知られている。特許文献１には、交流電力を生成する電源回路と、前記電源回路により生成される前記交流電力を充電装置へ非接触で伝達するコイルと、前記充電装置から前記コイルを介して第１の情報を受信すると共に、前記コイルを介して前記充電装置へ第２の情報を送信する電力系通信機と、前記充電装置との間で無線通信を行う無線通信機と、前記充電装置との間で充電に係わる情報をやり取りして充電動作を制御する制御回路と、を有し、前記無線通信機が前記第１の情報または前記第２の情報の少なくとも一方を前記充電装置から無線通信で受信し、通信接続を行った後に、前記制御回路は、前記電源回路から前記充電装置へ電力を供給する動作を開始することを特徴とする給電装置が開示されている。

特開２０１３－２３３０２７公報

　電気自動車等に利用される無線給電システムでは、安全性の観点で改善の余地がある。

　本発明の第１の態様による送電装置は、交流磁界を放出して無線給電を行う一次コイルと、前記交流磁界の強度を時系列変化させることで前記交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部とを備え、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳する場合の前記交流磁界の強度は、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳しない場合の前記交流磁界の強度よりも弱い。
　本発明の第２の態様による受電装置は、地上側に設置された一次コイルを備える送電装置から放出される交流磁界を二次コイルで受けて無線給電される受電装置であって、前記二次コイルを含む受電側回路と、前記受電側回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部と、前記動作周波数を時系列変化させることで前記交流磁界に影響を与えて前記送電装置に二次側情報を伝達する受電制御部とを備える。
　本発明の第３の態様による無線給電システムは、交流磁界を放出して送電装置から受電装置に無線給電を行う無線給電システムであって、前記送電装置は、前記交流磁界を放出する一次コイルと、前記交流磁界の強度を時系列変化させることで前記交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部と、前記交流磁界が受けた影響を前記一次コイルが接続された電子回路において検出する検出部とを備え、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳する場合の前記交流磁界の強度は、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳しない場合の前記交流磁界の強度よりも弱く、前記受電装置は、前記二次コイルを含む受電側回路と、前記受電側回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部と、前記動作周波数を時系列変化させることで前記交流磁界に影響を与えて前記送電装置に二次側情報を伝達する受電制御部と、前記交流磁界の強度の時系列変化を検出する検出部とを備え、前記送電制御部は、前記時系列変化に基づき前記一次側情報を検出する。

　本発明によれば、交流磁界を用いて安全に通信ができる。

本発明の一実施形態に係る無線給電システムの構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る送電装置の構成例を示す図である。本発明の一実施形態に係る受電装置の構成例を示す図である。図４（ａ）は第２の通信における上り側通信を示す概略図である。図４（ｂ）は第２の通信における下り側通信を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る無線給電システムの処理フローを示す図である。変形例１における受電装置２００の構成例を示す図である。変形例１における第２の通信における下り側通信を示す概略図である。

　以下、図面を参照して、本発明に係る受電装置の実施の形態について説明する。

（無線給電システム１の構成）
　図１は、本発明の一実施形態に係る無線給電システム１の構成を示す図である。図１に示す無線給電システム１は、電気自動車等の車両への無線給電において利用されるものであり、車両付近の地上側に設置された送電装置１００と、車両側装置とを有する。車両側装置とは、車両にそれぞれ搭載された受電装置２００、電池３００、負荷４００、および電池監視装置５００である。図１ではある１つの車両側装置のみを示しているが、送電装置１００は様々な車両側装置と組み合わせて使用できる。

　送電装置１００は、送電駆動制御部１１０、通信部１２０、交流電源１３０、電力変換部１４０、送電制御部１５０、地上側コンデンサＣｚ、および一次コイルＬ１を備える。
送電制御部１５０は、送電駆動制御部１１０および通信部１２０と情報の授受を行う。送電制御部１５０は、通常は通信部１２０を用いて受電装置２００と通信を行うが、通信部１２０の故障などを検出すると送電駆動制御部１１０が制御する交流磁界を用いて受電装置２００と通信を行う。送電制御部１５０の詳細な構成は後述する。送電制御部１５０は、地上側コンデンサＣｚの電圧を測定する不図示の電圧計とも接続される。送電駆動制御部１１０は、電力変換部１４０の動作を制御する。

　通信部１２０は、たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１やブルートゥース（登録商標）に対応する通信モジュールである。通信部１２０は、送電制御部１５０の制御により、受電装置２００が備える通信部２２０との間で無線通信を行う。この通信部１２０と通信部２２０の無線通信により、無線給電の際に必要な各種情報が送電装置１００と受電装置２００の間で交換される。たとえば、一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数、すなわち一次コイルＬ１から放出される交流磁界の周波数等の情報が、通信部１２０から通信部２２０に送信される。また、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）や劣化状態、充電時の許容電流等の情報が、通信部２２０から通信部１２０に送信される。

　以下では、送電装置１００から受電装置２００に送信される情報を「一次側情報」とも呼び、受電装置２００から送電装置１００に送信される情報を「二次側情報」とも呼ぶ。
前述のように、送電制御部１５０が通信部１２０の不具合などを検出すると、送電制御部１５０は交流磁界を用いて一次側情報を送信する。

　交流電源１３０は、たとえば商用電源であり、所定の交流電力を電力変換部１４０に供給する。電力変換部１４０は、送電駆動制御部１１０の制御により、交流電源１３０から供給された交流電力を用いて所定の周波数および電流値の交流電流を一次コイルＬ１に出力する。一次コイルＬ１は、車両の下に位置する地上側に設置されており、電力変換部１４０から流される交流電流に応じた交流磁界を車両に向けて空中に放出する。これにより、車両への無線給電を行う。

　受電装置２００は、受電制御部２１０、通信部２２０、交流電流検出部２３０、受電駆動制御部２４０、電力変換部２５０、二次コイルＬ２、共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘを備える。共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘは、二次コイルＬ２に接続されており、二次コイルＬ２とともに受電側共振回路を構成する。この受電側共振回路の共振周波数は、二次コイルＬ２および共振コイルＬｘがそれぞれ有するインダクタンスと、共振コンデンサＣｘが有する静電容量値とに応じて決定される。なお、共振コイルＬｘおよび共振コンデンサＣｘはそれぞれ複数の素子により構成されていてもよい。また、共振コイルＬｘの一部または全部を二次コイルＬ２のインダクタンスで代用してもよい。

　受電制御部２１０は、通信部２２０および受電駆動制御部２４０の動作を制御することで、受電装置２００全体の制御を行う。通信部２２０は、受電制御部２１０の制御により、送電装置１００が備える通信部１２０との間で無線通信を行い、送電装置１００と受電装置２００の間で交換される前述のような各種情報を送受信する。通信部２２０が受信した一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数等の情報は、通信部２２０から受電制御部２１０に出力される。

　交流電流検出部２３０は、一次コイルＬ１から放出された交流磁界を二次コイルＬ２が受けることで二次コイルＬ２を含む受電側共振回路に流れる交流電流を検出する。そして、検出した交流電流に応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧を発生させ、受電駆動制御部２４０に出力する。受電駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０から入力された交流電圧に基づいて、受電側共振回路に流れる交流電流の周波数や大きさを取得することができる。

　受電駆動制御部２４０は、受電制御部２１０の制御により、電力変換部２５０が有する複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。このとき受電駆動制御部２４０は、交流電流検出部２３０が検出した受電側共振回路に流れる交流電流に基づいて、各スイッチング素子のスイッチング動作のタイミングを変化させる。なお、スイッチング動作のタイミングを変化させる具体的な方法は後述する。

　電力変換部２５０は、複数のスイッチング素子を有しており、複数のスイッチング素子をそれぞれスイッチング動作させることで、受電側共振回路に流れる交流電流を制御するとともに整流し、交流電力から直流電力への変換を行う。電力変換部２５０には充放電可能な電池３００が接続されており、電力変換部２５０から出力される直流電力を用いて電池３００が充電される。なお、電力変換部２５０と電池３００の間には、電池３００への入力電圧を平滑化するための平滑コンデンサＣ０が接続されている。

　電池３００には、負荷４００が接続される。負荷４００は、電池３００に充電された直流電力を利用して、車両の動作に関する様々な機能を提供する。負荷４００には、たとえば車両駆動用の交流モータや、電池３００の直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給するインバータなどが含まれる。

　電池監視装置５００はセンサを備え、接続されている電池３００の様々な情報を測定する。たとえば電池監視装置５００は、電池３００の電圧、温度、および内部抵抗を測定して測定値を受電駆動制御部２４０に出力する。受電駆動制御部２４０は、電池監視装置５００から入力された測定値を受電制御部２１０に伝達する。ただし電池監視部６００は測定値を受電制御部２１０に直接出力してもよい。すなわち電池監視装置５００が測定した測定値が受電制御部２１０に伝達される経路は任意であり、測定値が受電制御部２１０まで伝達されればよい。

（送電装置１００の詳細）
　図１の無線給電システム１のうち、送電装置１００の詳細について説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る送電装置１００の構成例を示す図である。

　一次コイルＬ１は、送電コイルＬｚ、送電コンデンサＣｚ、および電流センサ１４５と直列に接続され、送電側共振回路を構成する。一次コイルＬ１は、電力変換回路１４２に接続される。送電コンデンサＣｚの両端の電圧は、電圧センサ１４６により測定され、送電制御部１５０に出力される。

　電力変換回路１４２は、直列接続された２つのＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ１、Ｓ２と、直列接続された２つのＭＯＳトランジスタＳ３、Ｓ４とを有する。ＭＯＳトランジスタＳ１、Ｓ２の直列回路と、ＭＯＳトランジスタＳ３、Ｓ４の直列回路とは、平滑コンデンサＶｄｃに対して互いに並列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４は、送電駆動制御部１１０からのゲート駆動信号に応じて、ソース－ドレイン間を導通状態から切断状態へ、または切断状態から導通状態へと切り替えるスイッチング動作をそれぞれ行う。このスイッチング動作により、ＭＯＳトランジスタＳ１、Ｓ３を上アームのスイッチング素子としてそれぞれ機能させるとともに、ＭＯＳトランジスタＳ２、Ｓ４を下アームのスイッチング素子としてそれぞれ機能させることができる。ＭＯＳトランジスタＳ１、Ｓ２間の接続点Ｏ３と、ＭＯＳトランジスタＳ３、Ｓ４間の接続点Ｏ４には、一次コイルＬ１を含む送電側共振回路がそれぞれ接続されている。そのため、ＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４をそれぞれ適切なタイミングでスイッチング動作させることで、送電側共振回路に流れる交流電流ｉｐの制御および整流を行うことができる。

　一次コイルＬ１を含む送電側共振回路には交流電流ｉｐが流れるので、地上側コンデンサＣｚの両端の電圧は時間の経過とともに変化する。一次コイルＬ１が発生させる交流磁界が他から影響を受けない状態（以下、「無外乱状態」と呼ぶ）では、地上側コンデンサＣｚの両端の電圧は充電駆動信号Ｓｃｐに同期して変化する。以下では無外乱状態での地上側コンデンサＣｚの両端の電圧をｆ（Ｓｃｐ）と表現する。すなわち、無外乱状態では次の式１の等式が成り立つ。
　　Ｖｃｚ－ｆ（Ｓｃｐ）＝０・・・（１）

　送電駆動制御部１１０は、電流取得部１１１、駆動信号生成部１１２およびゲート駆動回路１１３を有する。

　電流取得部１１１は、電流センサ１４５から出力される交流電流ＩＬを取得し、駆動信号生成部１１２に出力する。

　駆動信号生成部１１２には、電流取得部１１１が取得した交流電流ＩＬに加えて、送電制御部１５０から基本駆動信号Ｓｒｐが入力される。基本駆動信号Ｓｒｐは、送電駆動制御部１１０から電力変換回路１４２に出力されてＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４のスイッチング動作を制御するゲート駆動信号の元となる交流信号であり、その周波数はあらかじめ決定されている。送電制御部１５０はたとえば不図示の不揮発性メモリから基本駆動信号Ｓｒｐを読み取り、送電駆動制御部１１０に出力する。なお、基本駆動信号Ｓｒｐは、たとえばＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４にそれぞれ対応する４つの矩形波の組み合わせであり、オン（導通状態）に対応するＨレベルと、オフ（切断状態）に対応するＬレベルとが、周波数ｆで交互に繰り返される。ただし、ＭＯＳトランジスタＳ１とＳ２、Ｓ３とＳ４がそれぞれ同時にオンとならないように、これらに対応する矩形波の各組み合わせでは、２つの矩形波におけるＨレベルの間には所定の保護期間が設けられる。

　駆動信号生成部１１２は、送電制御部１５０から入力された交流電流ＩＬに基づいて、受電制御部２１０から入力された基本駆動信号Ｓｒｐの位相を調整し、充電駆動信号Ｓｃｐを生成する。そして、生成した充電駆動信号Ｓｃｐをゲート駆動回路１１３および送電制御部１５０に出力する。

　ゲート駆動回路１１３は、駆動信号生成部１１２から入力された充電駆動信号Ｓｃｐに基づくゲート駆動信号をＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４のゲート端子へそれぞれ出力し、ＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４をそれぞれスイッチング動作させる。これにより、電力変換回路１４２において、ＭＯＳトランジスタＳ１～Ｓ４がスイッチング素子としてそれぞれ機能し、一次コイルＬ１から放出される交流磁界を生成するために送電側共振回路に流れる交流電流ｉｐの制御や、直流電力から交流電力への変換が行われる。

　本実施形態の送電装置１００は、以上説明したような動作を行うことにより、受電装置２００に交流磁界を放出できる。

（受電装置２００の詳細）
　図１の無線給電システム１のうち、受電装置２００の詳細について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る受電装置２００の構成例を示す図である。

　図３に示すように、交流電流検出部２３０は、たとえばトランスＴｒを用いて構成される。一次コイルＬ１から放出された交流磁界による磁束が二次コイルＬ２と鎖交すると、二次コイルＬ２に起電力が生じ、二次コイルＬ２を含む受電側共振回路に交流電流ｉが流れる。この交流電流ｉがトランスＴｒの一次側コイルに流れると、トランスＴｒの二次側コイルの両端に、交流電流ｉに応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧Ｖｇが発生する。これにより、交流電流検出部２３０は交流電流ｉの検出を行うことができる。なお、受電側共振回路に流れる交流電流ｉを検出できるものであれば、トランスＴｒ以外のものを用いて交流電流検出部２３０を構成してもよい。

　電力変換部２５０は、直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴであるＱ１、Ｑ２を有する。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２は、受電駆動制御部２４０からのゲート駆動信号に応じて、ソース－ドレイン間を導通状態から切断状態へ、または切断状態から導通状態へと切り替えるスイッチング動作をそれぞれ行う。このスイッチング動作により、ＭＯＳトランジスタＱ１を上アームのスイッチング素子として機能させるとともに、ＭＯＳトランジスタＱ２を下アームのスイッチング素子として機能させることができる。ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２間の接続点Ｏと、ＭＯＳトランジスタＱ２のソース端子には、二次コイルＬ２を含む受電側共振回路がそれぞれ接続されている。そのため、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれ適切なタイミングでスイッチング動作させることで、受電側共振回路に流れる交流電流ｉの制御および整流を行うことができる。

　なお、図３では２つのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をスイッチング素子として用いたハーフブリッジ構成の電力変換部２５０を例示したが、４つのＭＯＳトランジスタをスイッチング素子として用いたフルブリッジ構成の電力変換部２５０としてもよい。以下では図３に示したハーフブリッジ構成の電力変換部２５０による動作例を説明するが、フルブリッジ構成とした場合でも基本的な動作は同様である。

　受電駆動制御部２４０は、電圧取得部２４１、駆動信号生成部２４３およびゲート駆動回路２４４を有する。

　電圧取得部２４１は、交流電流検出部２３０（トランスＴｒ）から出力される交流電圧Ｖｇを取得し、駆動信号生成部２４３に出力する。

　駆動信号生成部２４３には、電圧取得部２４１が取得した交流電圧Ｖｇに加えて、受電制御部２１０から基本駆動信号Ｓｒが入力される。基本駆動信号Ｓｒは、受電駆動制御部２４０から電力変換部２５０に出力されてＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチング動作を制御するゲート駆動信号の元となる交流信号であり、その周波数は送電装置１００の一次コイルＬ１に流れる電流の周波数に応じて決定される。具体的には、通信部２２０は、送電装置１００の一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数ｆを表す情報を通信部１２０から受信すると、これを受電制御部２１０に出力する。受電制御部２１０は、通信部２２０から周波数ｆの情報が入力されると、この周波数ｆに応じた基本駆動信号Ｓｒを生成し、受電駆動制御部２４０に出力する。なお、基本駆動信号Ｓｒは、たとえばＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２にそれぞれ対応する２つの矩形波の組み合わせであり、オン（導通状態）に対応するＨレベルと、オフ（切断状態）に対応するＬレベルとが、周波数ｆで交互に繰り返される。ただし、ＭＯＳトランジスタＱ１とＱ２が同時にオンとならないように、２つの矩形波におけるＨレベルの間には所定の保護期間が設けられる。

　駆動信号生成部２４３は、受電制御部２１０から入力された交流電圧Ｖｇに基づいて、受電制御部２１０から入力された基本駆動信号Ｓｒの位相を調整し、充電駆動信号Ｓｃを生成する。そして、生成した充電駆動信号Ｓｃをゲート駆動回路２４４に出力する。

　ゲート駆動回路２４４は、駆動信号生成部２４３から入力された充電駆動信号Ｓｃに基づくゲート駆動信号をＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２のゲート端子へそれぞれ出力し、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２をそれぞれスイッチング動作させる。これにより、電力変換部２５０において、ＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２がスイッチング素子としてそれぞれ機能し、一次コイルＬ１から放出された交流磁界に応じて受電側共振回路に流れる交流電流ｉの制御や、交流電力から直流電力への変換が行われる。

　本実施形態の受電装置２００は、以上説明したような動作を行うことにより、送電装置１００から無線給電を受けて電池３００を充電することができる。

（第２の通信手段）
　送電装置１００と受電装置２００は、原則として通信部１２０および通信部２２０を用いて無線通信を行う。以下では通信部１２０および通信部２２０を用いた通信を第１の通信と呼ぶ。そして、通信部１２０や通信部２２０が故障した場合や通信のノイズが大きい場合は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２の間で送信される交流磁界を用いて通信を行う。以下では、交流磁界を用いた通信を第２の通信と呼ぶ。

　送電装置１００および受電装置２００はそれぞれ、通信部１２０および通信部２２０の通信状態をそれぞれ監視して異常を検出した際に、個別に第１の通信から第２の通信に切り替えてもよいし、交流磁界を用いて何らかの情報を受信すると第１の通信から第２の通信に切り替えてもよい。

　まず、第２の通信における送電装置１００から受電装置２００への情報の送信（以下、「上り側通信」と呼ぶ」）を説明する。送電装置１００は、一次コイルＬ１から放出する交流磁界を弱めることで、交流磁界に情報を重畳する。交流磁界を弱めるとは、出力を低下させることであり、最大限に弱めると出力を停止することになる。送電制御部１５０は、駆動信号生成部１１２に出力する基本駆動信号Ｓｒｐを停止する、または駆動信号生成部１１２に充電駆動信号Ｓｃｐの生成を一時的に停止させることで一次コイルＬ１による交流磁界の放出を停止させることができる。なお基本駆動信号Ｓｒｐや充電駆動信号Ｓｃｐの停止には、信号をゼロレベルとすることだけでなく、ある値でホールドすることも含まれる。

　受電装置２００の受電制御部２１０は、交流磁界が変化したことを交流電流検出部２３０の出力を用いて検出する。ただし送電装置１００と受電装置２００は、交流磁界を用いた通信について事前に取り決めを行っており、充電終了による交流磁界の放出停止などと区別するために、スタートビットなどの通信の開始を示す特別なパターンを用いる。

　図４（ａ）は、第２の通信における上り側通信を示す概略図である。図４（ａ）に示す例では、交流磁界の放出を２進法の「１」、交流磁界の放出停止を２進法の「０」としている。ただし磁界の強度を変化させることで交流磁界に情報を重畳してもよい。また、交流磁界の放出のオン・オフと強度変化とを組み合わせて３種類以上の状態を実現し、多値の情報を送信してもよい。

　次に、第２の通信における受電装置２００から送電装置１００への情報の送信（以下、「下り側通信」と呼ぶ）を説明する。受電装置２００は、受電側共振回路を基本駆動信号Ｓｒとは異なる周波数、たとえば基本駆動信号Ｓｒの半分や２倍の周波数で動作させることで交流磁界に影響を与え、送電装置１００へ情報を伝達する。

　図４（ｂ）は、第２の通信における下り側通信を示す概略図である。図４（ｂ）は、縦軸にＶｃｚとｆ（Ｓｃｐ）の差を示し、横軸に時間の経過を示す図である。受電装置２００が基本駆動信号Ｓｒとは異なる周波数で受電側共振回路を動作させると、一次コイルＬ１が出力する交流磁界はその影響を受けて、一次コイルＬ１に接続される送電側共振回路に影響を及ぼす。具体的には、送電側共振回路において地上側コンデンサＣｚの電圧が増加する。そのため送電制御部１５０は、駆動信号生成部１１２から受信する充電駆動信号Ｓｃｐと、不図示の電圧計から取得するＶｃｚを用いて図４（ｂ）に示す情報を取得できる。

　送電制御部１５０は、無外乱状態での地上側コンデンサＣｚの両端の電圧であるｆ（Ｓｃｐ）と、測定された地上側コンデンサＣｚの両端の電圧であるＶｃｚの差がゼロである場合を２進法の「０」、両者の差がゼロでない場合を２進法の「１」として解釈する。

　以上説明したように、一次コイルＬ１が放出する交流磁界を弱める、または受電装置２００の駆動周波数を制御することにより第２の通信を行う。第２の通信を行う場合は、第２の通信を行わない場合に比べて受電装置２００の電池３００に蓄積される電力が少ない。上り側通信を行う場合は、一次コイルＬ１が出力する交流磁界が弱まるからである。下り側通信を行う場合は、受電装置２００の受電側共振回路の動作周波数が基本駆動信号Ｓｒとは異なる周波数となり、交流磁界から取り出せるエネルギーが減少するからである。

（無線給電の概要フロー）
　無線給電システム１を用いた無線給電の流れについて説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る無線給電システム１の処理フローを示す図である。受電装置２００、電池３００および負荷４００を搭載した車両が所定の充電位置に駐車されると、無線給電システム１において図５の処理フローが開始される。

　ステップＳ１０では、地上側の送電装置１００から車両側の受電装置２００に対して、充電の問い合わせを行う。ここでは、たとえば送電装置１００から受電装置２００へ所定の通信メッセージを送信することにより、充電の問い合わせを行う。

　ステップＳ２０では、ステップＳ１０で充電の問い合わせを受けた受電装置２００から送電装置１００に対して、充電時における電池３００の許容電流を通知する。このとき受電装置２００は、たとえば予め測定した電池３００の充電状態や劣化状態に基づいて許容電流を決定し、その許容電流の値を示す情報を、通信部２２０から送電装置１００の通信部１２０へ送信する。なお、充電が不要な場合は、その旨を受電装置２００から送電装置１００へ通知してもよい。この場合、ステップＳ３０以降の処理は実行されずに、図５の処理フローが終了する。

　ステップＳ３０では、送電装置１００において電流量を決定し、受電装置２００への送電を開始する。このとき送電装置１００は、ステップＳ２０で受電装置２００から通知された許容電流に対応する出力電流値と、自身の定格電流値とを比較し、いずれか小さい方を選択して電流量を決定する。そして、送電駆動制御部１１０により電力変換部１４０を制御して、決定した電流量に応じた交流電流を一次コイルＬ１に流すことで、一次コイルＬ１に交流磁界を発生させて送電を開始する。なお、このときさらに、一次コイルＬ１に流れる交流電流の周波数ｆを表す情報を送電装置１００から受電装置２００へ送信することで、受電装置２００の受電制御部２１０において、周波数ｆに応じた前述の基本駆動信号Ｓｒを生成できるようにすることが好ましい。あるいは、ステップＳ１０で充電の問い合わせを行う際に、送電装置１００から受電装置２００へ周波数ｆを通知してもよい。

　ステップＳ４０では、受電装置２００において、一次コイルＬ１から放出された交流磁界を受けて二次コイルＬ２を含む受電側共振回路に流れる交流電流ｉに応じて、電力変換部２５０の駆動制御処理を行う。ここでは、受電駆動制御部２４０の各部において前述のような処理をそれぞれ実施することで、送電装置１００から受電した交流電流に応じた電力変換部２５０の駆動制御を行う。これにより、定電流（ＣＣ）モードで電池３００の充電を実施する。

　ステップＳ５０では、受電装置２００において、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）が所定の値、たとえば８０％以上になったか否かを判定する。その結果、ＳＯＣが８０％未満であれば、ステップＳ４０の駆動制御処理を繰り返し、ＳＯＣが８０％以上になったら、定電流モードから定電圧（ＣＶ）モードに移行してステップＳ６０に進む。

　ステップＳ６０では、受電装置２００から送電装置１００に対して、現在の電池３００の充電状態に応じた充電電流を通知する。このとき受電装置２００は、現在の電池３００の充電状態に基づいて、ステップＳ２０で通知した許容電流よりも小さな値で充電電流を決定し、その充電電流の値を示す情報を、受電装置２００から送電装置１００へ送信する。

　ステップＳ７０では、受電装置２００において、ステップＳ４０と同様の駆動制御処理を行うことにより、定電圧（ＣＶ）モードで電池３００の充電を実施する。

　ステップＳ８０では、受電装置２００において、電池３００の充電状態（ＳＯＣ）が満充電の１００％に達したか否かを判定する。その結果、ＳＯＣが１００％未満であれば、ステップＳ６０に戻って電池３００の充電を継続し、ＳＯＣが１００％に達したらステップＳ９０に進む。

　ステップＳ９０では、電池３００の充電を終了する。ここでは、たとえば受電装置２００から送電装置１００へ所定の通信メッセージを送信することにより、送電停止を指示する。送電装置１００では、この送電停止指示に応じて一次コイルＬ１への通電を遮断することで、送電を停止する。送電装置１００からの送電が停止されたら、受電装置２００において電力変換部２５０の動作を停止することで、電池３００の充電を終了する。

　ステップＳ９０で電池３００の充電を終了したら、図５の処理フローを終了する。これにより、無線給電システム１の無線給電が完了する。以上説明した各ステップのうち、ステップＳ１０、Ｓ２０、Ｓ６０では通信が行われる。

　上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）送電装置１００は、交流磁界を放出して無線給電を行う一次コイルＬ１と、交流磁界の強度を時系列変化させることで交流磁界に情報を重畳する送電制御部１５０とを備える。送電制御部１５０が情報を重畳する場合の交流磁界の強度は、送電制御部が一次側情報を重畳しない場合の交流磁界の強度よりも弱い。そのため交流磁界を用いた通信を行った場合に交流磁界の強度が弱くなるので、過充電の恐れがなく安全である。仮により速い周波数で第一情報を重畳した場合には、交流磁界の強度が強くなり過充電となる可能性がある。特に図５のステップＳ６０は充電電流を段階的に減少させる低電圧モードにおける電流の通知なので、この通信が行われることで交流磁界の強度が強くなることは過充電の恐れがあるため好ましくない。上述したように第２の通信では交流磁界の強度が弱くなるためこのような過充電の恐れがなく、安全に通信ができる。

（２）送電制御部１５０は、交流磁界の放出を一時的に停止することで交流磁界に一次側情報を重畳する。強度を最も弱めてゼロとしたのが交流磁界の放出の一時停止である。そのため過充電の危険性をより低減できる。

（３）交流磁界が受けた影響を一次コイルＬ１が接続された送電側共振回路において検出する電圧センサ１４６を備える。送電制御部１５０は、電圧センサ１４６が検出する電圧に含まれている交流磁界が受けた影響に基づき、受電装置２００が出力した二次側情報を検出する。そのため送電装置１００は、交流磁界を用いて受電装置２００から二次情報を受信できる。

（４）電圧センサ１４６は、送電側共振回路において地上側コンデンサＣｚの両端の電圧を測定する。送電制御部１５０は、電圧センサ１４６の測定値から交流磁界の放出のための測定値への影響を除外することで、二次側情報を検出する。

（５）受電装置２００は、地上側に設置された一次コイルＬ１を備える送電装置１００から放出される交流磁界を二次コイルＬ２で受けて無線給電される。受電装置２００は、二次コイルＬ２を含む受電側共振回路と、受電側共振回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部１１２と、動作周波数を時系列変化させることで交流磁界に影響を与えて送電装置１００に二次側情報を伝達する受電制御部２１０とを備える。そのため受電装置２００は、交流磁界を用いて送電装置１００に二次情報を送信できる。またこの際に受電装置２００の電池３００に充電される電力は、第２の通信を行わない場合に比べて少ないので、電池３００の過充電の恐れが少ない安全な通信である。

（６）受電装置２００は、交流磁界の強度の時系列変化を検出する交流電流検出部２３０を備える。受電制御部２１０は、交流磁界の強度の時系列変化に基づき送電装置１００が交流磁界に重畳した一次側情報を検出する。そのため受電装置２００は、交流磁界を用いて送電装置１００から一次情報を受信できる。

（７）無線給電システム１は交流磁界を放出して送電装置１００から受電装置２００に無線給電を行う。送電装置１００は、交流磁界を放出する一次コイルＬ１と、交流磁界の強度を時系列変化させることで交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部１５０と、交流磁界が受けた影響を一次コイルＬ１が接続された送電側共振回路において検出する電圧センサ１４６とを備える。送電制御部１５０が一次側情報を重畳する場合の交流磁界の強度は、送電制御部１５０が一次側情報を重畳しない場合の交流磁界の強度よりも弱い。受電装置２００は、二次コイルＬ２を含む受電側共振回路と、受電側共振回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部２４３と、動作周波数を時系列変化させることで交流磁界に影響を与えて送電装置１００に二次側情報を伝達する受電制御部２１０と、交流磁界の強度の時系列変化を検出する交流電流検出部２３０とを備える。受電制御部２１０は、時系列変化に基づき一次側情報を検出する。そのため送電装置１００と受電装置２００は、交流磁界を用いて一次情報および二次情報を授受できる。

（変形例１）
　図６は、変形例における受電装置２００の構成例を示す図である。受電装置２００は、送電側共振回路において地上側コンデンサＣｚの代わりに地上側トランスＴｚを備えてもよい。地上側トランスＴｚは、送電側共振回路において一次コイルＬ１と直列に接続される。交流電流ｉが地上側トランスＴｚの一次側コイルに流れると、トランスＴｚの二次側コイルの両端に、交流電流ｉｐに応じて周波数と振幅がそれぞれ変化する交流電圧Ｖｓｉｇが発生する。この交流電圧Ｖｓｉｇは不図示の電圧計により測定され、送電制御部１５０に出力される。

　図７は、本変形例の第２の通信における下り側通信を示す概略図である。図７は、縦軸にＶｓｉｇとｆ（Ｓｃｐ）の差を示し、横軸に時間の経過を示す図である。受電装置２００が基本駆動信号Ｓｒとは異なる周波数で受電側共振回路を動作させると、地上側トランスＴｚを流れる電流に基づく交流電圧Ｖｓｉｇの電圧が減少する。そのため送電制御部１５０は、駆動信号生成部１１２から受信する充電駆動信号Ｓｃｐと、不図示の電圧計から取得するＶｓｉｇを用いて図７に示す情報を取得できる。

（変形例２）
　無線給電システム１は、上り側通信および下り側通信のいずれか一方のみを第１の通信とし、他方を第２の通信としてもよい。すなわち上り側通信と下り側通信で交流磁界への重畳の有無が混在してもよい。

（変形例３）
　送電装置１００および受電装置２００は、通信部１２０および通信部２２０を備えなくてもよい。すなわち無線給電システム１は、常に交流磁界を用いて通信を行ってもよい。

　以上説明した実施の形態や変形例において、送電制御部１５０、送電駆動制御部１１０、受電制御部２１０、および受電駆動制御部２４０は、マイクロコンピュータ等で実行されるソフトウェアにより実現してもよいし、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現してもよい。また、これらを混在して使用してもよい。

　上記実施形態では、電気自動車等の車両への無線給電において利用される無線給電システム１を説明したが、車両への無線給電用に限らず、他の用途の無線給電システムに本発明を適用してもよい。

　以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１　無線給電システム
１００　送電装置
１１０　送電駆動制御部
１１１　電流取得部
１１２　駆動信号生成部
１１３　ゲート駆動回路
１３０　交流電源
１４０　電力変換部
１４６　電圧センサ
１５０　送電制御部
２００　受電装置
２１０　送電制御部
２３０　交流電流検出部
２４０　受電駆動制御部
２４１　電圧取得部
２４３　駆動信号生成部
２４４　ゲート駆動回路
２５０　電力変換部

Claims

　交流磁界を放出して無線給電を行う一次コイルと、
　前記交流磁界の強度を時系列変化させることで前記交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部とを備え、
　前記送電制御部が前記一次側情報を重畳する場合の前記交流磁界の強度は、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳しない場合の前記交流磁界の強度よりも弱い送電装置。
　請求項１に記載の送電装置において、
　前記送電制御部は、前記交流磁界の放出を一時的に停止することで前記交流磁界に前記一次側情報を重畳する送電装置。
　請求項１に記載の送電装置において、
　前記交流磁界が受けた影響を前記一次コイルが接続された電子回路において検出する検出部をさらに備え、
　前記送電制御部は、前記検出部が検出する前記交流磁界が受けた影響に基づき、他の装置が出力した二次側情報を検出する送電装置。
　請求項３に記載の送電装置において、
　前記検出部は、前記電子回路において電流または電圧を測定値として測定し、
　前記送電制御部は、前記測定値から前記交流磁界の放出のための前記測定値への影響を除外することで、前記二次側情報を検出する送電装置。
　地上側に設置された一次コイルを備える送電装置から放出される交流磁界を二次コイルで受けて無線給電される受電装置であって、
　前記二次コイルを含む受電側回路と、
　前記受電側回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部と、
　前記動作周波数を時系列変化させることで前記交流磁界に影響を与えて前記送電装置に二次側情報を伝達する受電制御部とを備える受電装置。
　請求項５に記載の受電装置において、
　前記交流磁界の強度の時系列変化を検出する検出部をさらに備え、
　前記受電制御部は、前記時系列変化に基づき前記送電装置が前記交流磁界に重畳した一次側情報を検出する受電装置。
　交流磁界を放出して送電装置から受電装置に無線給電を行う無線給電システムであって、
　前記送電装置は、
　前記交流磁界を放出する一次コイルと、
　前記交流磁界の強度を時系列変化させることで前記交流磁界に一次側情報を重畳する送電制御部と、
　前記交流磁界が受けた影響を前記一次コイルが接続された電子回路において検出する検出部とを備え、
　前記送電制御部が前記一次側情報を重畳する場合の前記交流磁界の強度は、前記送電制御部が前記一次側情報を重畳しない場合の前記交流磁界の強度よりも弱く、
　前記受電装置は、
　前記交流磁界を受ける二次コイルを含む受電側回路と、
　前記受電側回路の動作周波数を設定する駆動信号生成部と、
　前記動作周波数を時系列変化させることで前記交流磁界に影響を与えて前記送電装置に二次側情報を伝達する受電制御部と、
　前記交流磁界の強度の時系列変化を検出する検出部とを備え、
　前記受電制御部は、前記時系列変化に基づき前記一次側情報を検出する無線給電システム。