WO2022244729A1

WO2022244729A1 - ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システム

Info

Publication number: WO2022244729A1
Application number: PCT/JP2022/020378
Authority: WO
Inventors: 秀行中西; 隼輝大堀; 亘土方; 想李; 茂樹小澤
Original assignee: ローレルバンクマシン株式会社; ローレル機械株式会社; ローレル精機株式会社; 国立大学法人東京工業大学
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2022-11-24
Also published as: JP2022176845A

Abstract

【課題】負荷側回路のインピーダンスが変動しても、送電効率の低下を軽減するワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システムを提供する。【解決手段】磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システム１は、送電コイル３２を含む送電側共振回路３６を備えている送電装置３と、受電コイル４１を含む受電側共振回路４３を備え、受電コイル４１を介して受電した電力を負荷に供給する受電装置４と、受電装置４と負荷８との間に設けられ、負荷８に供給される電圧を制御するＤＣ－ＤＣコンバータ７と、負荷側インピーダンスの変動を緩和するインピーダンス調整装置９と、を備えている。

Description

ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システム

　本発明は、ワイヤレス給電システム及び方法並びにワイヤレス受電システムに関するものである。

　近年、磁界共振結合（磁界共鳴）を利用したワイヤレス給電システムの研究開発が進められている。磁界共振結合とは、送電装置の共振回路に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、受電装置の共振回路に伝わって共振することで、各共振回路のコイルで生成された磁界が強固に結合した状態をいう。磁界共振結合を利用したワイヤレス給電は、従来の電磁誘導（磁界結合）を利用したワイヤレス給電と比較して、給電可能距離が長くなるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

　このようなワイヤレス給電システムでは、効率良く送電を行うために、送電装置から視て受電装置及び負荷等を含む負荷側回路のインピーダンス（総合インピーダンス）と、送電装置から視て電源側のインピーダンス（入力側インピーダンス）とが等価に設定されている。

特開２０１８－５０５３６９号公報

　しかしながら、前述した負荷側回路には、例えば、バッテリやモータなどの駆動部材が接続され、このバッテリやモータが負荷となる。そのため、バッテリやモータなどの駆動状態によって、負荷側回路に流れる電流に変動が生じることがある。ワイヤレス給電システムでは、負荷側回路に流れる電流の変動に応じて総合インピーダンスが変動するため、総合インピーダンスと入力側インピーダンスとがマッチングしなくなり、システム内に反射波が生じ、送電効率が著しく低下して送電電力が低下し、その結果、システム障害を招く虞があるという問題があった。

　そこで、負荷側回路のインピーダンスが変動しても、送電効率の低下を軽減するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルを介して受電した電力を負荷に供給する受電装置と、前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの変動を緩和するインピーダンス調整装置と、を備えている。

　また、上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電方法は、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルを介して受電した電力を負荷に供給する受電装置と、前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整装置と、前記負荷における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部と、を備え、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムを用いたワイヤレス給電方法であって、前記インピーダンス調整装置は、前記測定部の測定結果に応じて、前記負荷側インピーダンスの変動を緩和するように調整する。

　また、上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス受電システムは、磁界共鳴方式により電力を受電するワイヤレス受電システムであって、受電コイルを含む受電側共振回路を備え、送電コイルを含む送電装置から送電された電力を前記受電コイルを介して受電し、負荷に供給する受電装置と、前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの変動するインピーダンス変動を緩和するインピーダンス調整装置と、を備えている。

　本発明は、負荷側インピーダンスの変動が緩和されることにより、反射波の発生が抑制され、送電効率の低下やそれに伴うシステム障害の虞を回避することができる。

本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す模式図である。負荷電圧と負荷電流との関係を示すグラフである。負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示すグラフである。本発明の比較例であって、インピーダンス調整装置を有しない回路を示す図である。図１に示す調整対象回路を示す図である。本発明の第１変形例に係るワイヤレス給電システムの要部を示す図である。本発明の第２変形例に係るワイヤレス給電システムの要部を示す図である。本発明の第３変形例に係るワイヤレス給電システムの要部を示す図である。本発明の第４変形例に係るワイヤレス給電システムの要部を示す図である。

　本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システム１について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

　また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

　また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

＜ワイヤレス給電システムの構成＞
　図１は、ワイヤレス給電システム１の構成を示す模式図である。ワイヤレス給電システム１は、磁界共振結合（磁界共鳴）を利用して非接触で給電対象物２に電力を給電する。給電対象物２は、例えば、車両、ロボット飛翔体、水中ロボット、カプセル内視鏡、心臓ペースメーカー等である。ワイヤレス給電システム１は、送電装置３と、受電装置４と、を備えている。

＜送電装置の構成＞
　送電装置３は、給電コイル３１と、送電コイル３２と、コンデンサ３３、３４と、を備えている。

　給電コイル３１及び送電コイル３２は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、銅線内を流れる電流は、内部抵抗の影響によって銅線の中心部よりも表面付近を多く流れる。したがって、給電コイル３１及び送電コイル３２の線材に複数の銅線を撚り合わせたリッツ線を用いた場合には、同一径の１本の銅線と比べて、リッツ線の表面積が大きくなり、より多くの電流を流すことができ、電流損失を抑制できる。

　給電コイル３１には、交流電源５から交流電力が供給される。交流電力は、例えば、周波数１５０ｋＨｚ、電圧１０Ｖに設定されるが、交流電源５の周波数及び電圧は任意に変更可能である。以下、給電コイル３１の交流電源５側の接点を「入力端ＩＥ」という。なお、本実施形態では、給電コイル３１と交流電源５とは、入力端ＩＥを介して直接的に接続されている場合を例に説明するが、給電コイル３１と交流電源５とは、入力端ＩＥを介して直接的に接続されても、交流電源５と入力端ＩＥとの間に設けられた同軸ケーブル等を介して間接的に接続されても構わない。

　給電コイル３１及びコンデンサ３３は、直列に接続されて給電側共振回路３５を構成している。給電コイル３１のインダクタンス及びコンデンサ３３のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が給電コイル３１に流れると、給電コイル３１を貫くように振動磁場が生じる。

　送電コイル３２のコイル軸３２ａは、通常状態において、給電コイル３１のコイル軸３１ａと略平行に配置されている。給電コイル３１と送電コイル３２とは磁界結合しており、給電コイル３１に交流電流が流れると、給電コイル３１をコイル軸方向に貫くように生じる磁束を媒介にして、送電コイル３２にも起電力が生まれる。

　送電コイル３２及びコンデンサ３３は、直列に接続されて送電側共振回路３６を構成している。送電コイル３２のインダクタンス及びコンデンサ３３のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル３２に流れると、送電コイル３２をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。この送電コイル３２で生じた振動磁場が受電装置４の少なくとも一部まで到達する。

＜受電装置の構成＞
　受電装置４は、給電対象物２内に設けられている。受電装置４は、受電コイル４１と、コンデンサ４２と、備えている。

　受電コイル４１は、送電コイル３２とコイル軸方向に間隔を空けて設けられている。受電コイル４１は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、受電コイル４１も給電コイル３１及び送電コイル３２と同様に、線材にリッツ線を用いるのが好ましい。

　受電コイル４１とコンデンサ４２とは、直列に接続されて受電側共振回路４３を構成している。受電コイル４１のインダクタンス及びコンデンサ４２のキャパシタンスによって設定される共振周波数は、送電コイル３２及びコンデンサ３３の共振周波数と一致するように設定されている。これにより、送電コイル３２をコイル軸方向に貫くように生じた磁場の振動によって、受電コイル４１に誘導電流が流れ、受電コイル４１をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。このようにして、送電コイル３２及び受電コイル４１の磁場が共鳴して強固に結合する。

　受電コイル４１が共振受電した交流電力は、整流回路６及びＤＣ－ＤＣコンバータ７を介して負荷８に供給される。負荷８は、給電対象物２を構成するモータやバッテリ等である。

　整流回路６は、４つのダイオード６１がブリッジ上に配置され、受電コイル４１が受電した交流電力に対して全波整流を行い、直流電圧を出力する。なお、符号６２は、整流回路６が出力した直流電圧を平滑化させるコンデンサである。

　ＤＣ－ＤＣコンバータ７は、整流された直流電圧を予め設定された定電圧（例えば、１２Ｖ）に変換する。ＤＣ－ＤＣコンバータ７から出力された電圧は、負荷８に印加される。

＜インピーダンス調整装置の構成＞
　次に、入力端ＩＥから受電装置４側、即ち送電装置３、受電装置４、整流回路６、ＤＣ－ＤＣコンバータ７及び負荷８を含む回路（負荷側回路）のインピーダンス（以下、「総合インピーダンス」という。）が交流電源５の入力インピーダンスに対して所定範囲内に収めるように、ＤＣ－ＤＣコンバータ７から視て負荷８側の回路（調整対象回路）のインピーダンス（以下、「負荷側インピーダンス」という）の変動を緩和させるインピーダンス調整装置９について、図面に基づいて説明する。なお、受電装置４、ＤＣ－ＤＣコンバータ７及びインピーダンス調整装置９は、ワイヤレス受電システムを構成している。

　図１に示すように、インピーダンス調整装置９は、負荷８に対して直列に設けられた第１の可変抵抗９１と、負荷８に対して並列に設けられた第２の可変抵抗９２と、を備えている。

　インピーダンス調整装置９の動作は、コントローラ９３によって制御される。コントローラ９３は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、コントローラ９３の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。コントローラ９３は、抵抗制御部９４と、記憶部９５と、に機能分割される。

　抵抗制御部９４は、記憶部９５に記憶された後述する各種関数及び測定部９６の測定値に基づいて、第１の可変抵抗９１の抵抗値及び第２の可変抵抗９２の抵抗値をそれぞれ制御可能である。そして、第１の可変抵抗９１の抵抗値及び第２の可変抵抗９２の抵抗値が増減されることにより、インピーダンス調整装置９は、調整対象回路の合成インピーダンスを任意に調整することができる。

　記憶部９５には、ＤＣ－ＤＣコンバータ７から出力されて負荷８に供給される負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数、及び負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数がそれぞれ記憶されている。負荷８に供給される負荷電圧及び負荷電流は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７と負荷８との間に設けられた測定部９６により、リアルタイム且つ連続的に測定される。したがって、コントローラ９３は、測定部９６による負荷電圧及び負荷電流の値に基づいて、負荷側インピーダンス及びその変動をリアルタイムに検出することができる。なお、測定部９６は、負荷電圧を測定するものに限定されず、負荷電流を測定するもの等、もしくはその両方であっても構わない。

　具体的には、図２に示すように、負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７への入力電圧がＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動電圧（例えば１２Ｖ）以下であって、ＤＣ－ＤＣコンバータ７が作動していないアイドリング状態（コンバータＯＦＦ）における負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数と、ＤＣ－ＤＣコンバータ７への入力電圧がＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動電力を超えてＤＣ－ＤＣコンバータ７が作動している状態（コンバータＯＮ）における負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数とを含む。

　また、図３に示すように、負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングしている状態（コンバータＯＦＦ）における負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数と、ＤＣ－ＤＣコンバータ７が作動していない状態（コンバータＯＮ）における負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数とを含む。

　なお、負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数及び負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数は、予め実験等により算出されるものであり、図２、３で例示した一次関数のグラフに限定されるものではない。

　このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、測定部９６で測定した負荷側インピーダンスの変動に応じて、インピーダンス調整装置９が負荷側インピーダンスのインピーダンス変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスを即座に調整することができ、入力端ＩＥにおける入力側インピーダンスと総合インピーダンスとの差分をリアルタイムに緩和することができる。

＜インピーダンス調整＞
　次に、インピーダンス調整装置９が実行するインピーダンス調整について、図面に基づいて説明する。

　まず、負荷側インピーダンスが、ＤＣ－ＤＣコンバータ７のオンオフに応じて変動する理由について説明する。なお、本実施形態では、負荷側インピーダンスが、ＤＣ－ＤＣコンバータ７のオンオフに応じて変動する場合を例示して説明するが、負荷側インピーダンスの変動は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７のオンオフだけではなく、例えば、送電コイル３２と受電コイル４１との相対位置の変化、負荷８の駆動状況（出力）の変化等によっても生じ得るものであり、これら様々な要因による負荷インピーダンスの変動の抑制に利用できることは言うまでもない。

　図２に示すように、ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングしている状態（コンバータＯＦＦ）では、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の出力電圧はほぼゼロであり、負荷電流も非常に小さくなる。そして、図３から、負荷電流が小さいときには、負荷側インピーダンスは、極めて大きいことが分かる。

　一方、図２に示すように、ＤＣ－ＤＣコンバータ７が作動している状態（コンバータＯＮ）場合には、ＤＣ－ＤＣコンバータ７への入力電圧に応じた負荷電圧が出力され、負荷電圧に比例して負荷電流が急増する。そして、図３から、負荷電流が大きいときには、負荷側インピーダンスが極めて小さいことが分かる。

　このようして、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態に応じて負荷側インピーダンスが変動することに伴って、負荷側インピーダンスを含む総合インピーダンスが変動するのに対し、入力側インピーダンスは、所定値（例えば５０Ω）で固定されているため、総合インピーダンスと入力側インピーダンスとがマッチングせず、入力端ＩＥにおいて反射波が発生して送電効率が低下したり、送電電力が足りずにシステム障害を招く虞がある。

　そこで、インピーダンス調整装置９は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７が作動状態（コンバータＯＮ）において、負荷側インピーダンスのインピーダンス変動を緩和させる、すなわち負荷側インピーダンスのインピーダンス変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを調整するために、第１の可変抵抗９１の抵抗値、第２の可変抵抗９２の抵抗値を必要に応じてそれぞれ増減させる。

　具体的には、まず、抵抗制御部９４は、測定部９６が測定した負荷電圧及び図２に示す関数に基づいて負荷電流を算出する。また、抵抗制御部９４は、算出した負荷電流及び図３に示す関数に基づいて、負荷側インピーダンスを算出する。

　次に、総合インピーダンスが入力インピーダンスに対して所定範囲（例えば、±１０％）内に収まるように、抵抗制御部９４は、第１の可変抵抗９１の抵抗値、第２の可変抵抗９２の抵抗値を調整する。

　例えば、図４に示すように抵抗要素を有しない回路の場合には、負荷電流が小さく負荷側インピーダンスが大きい状態と、負荷電流が大きく負荷側インピーダンスが小さい状態とを比較すると、負荷側インピーダンスの変動が極めて大きく、図４中の表に例示した各ケース１Ａ、１Ｂにおける負荷側インピーダンスの比率（インピーダンス比率）は、１００倍となる。

　一方、図５に示すように、負荷電流が小さく負荷側インピーダンスＲ０が大きい状態では、抵抗制御部９４は、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を低下させるとともに第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を増加させて、インピーダンス調整後の負荷側インピーダンス（合成インピーダンス）ΣＲを下げる。

　また、負荷電流が大きく負荷側インピーダンスＲ０が小さい状態では、抵抗制御部９４は、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を増加させるとともに第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を低下させて、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを上げる。

　なお、抵抗制御部９４が可変制御する第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１及び第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２は、以下の手順により予め実験等により得られたものである。

　まず、交流電源５の入力側インピーダンス（例えば、５０Ω）と総合インピーダンスとが略等しい場合、すなわち負荷８に定格電力を供給している定格運転時における負荷側インピーダンスである定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）を予め測定しておく。

　次に、測定部９６が測定した負荷８に供給する電圧及び電流の測定結果に基づいて、抵抗制御部９４が、インピーダンス処理前の負荷側インピーダンス（Ｒ０）を算出する。

　負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）以上のときには、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を０Ωとした上で、１／（Ｒ０_ｔｈ）＝（１／Ｒ０）＋（１／Ｒ２）の数式を満たすように、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２が設定される。

　例えば、図５中の表に例示したケース２Ａのように、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２００Ω、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を０Ω、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を６６．７Ωにそれぞれ設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは５０Ωとなる。

　一方、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）より小さいときには、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を極めて大きく設定した上で、（Ｒ０_ｔｈ）－Ｒ０＝Ｒ１の数式を満たすように、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１が設定される。

　例えば、図５中の表に例示したケース２Ｂのように、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２Ω、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を４８Ω、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を∞Ωにそれぞれ設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは５０Ωとなる。

　このようにして、抵抗制御部９４が、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲと定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）とが略一致するように、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１及び第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２をそれぞれ制御する。

　このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システム１であって、送電コイル３２を含む送電側共振回路３６を備えている送電装置３と、受電コイル４１を含む受電側共振回路４３を備え、受電コイル４１を介して受電した電力を負荷に供給する受電装置４と、受電装置４と負荷８との間に設けられ、負荷８に供給される電圧を制御するＤＣ－ＤＣコンバータ７と、負荷側インピーダンスの変動を緩和するインピーダンス調整装置９と、を備えている構成とした。

　この構成により、インピーダンス調整装置９が、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態に応じた負荷側インピーダンスの変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを調整することにより、入力端ＩＥから視た入力側インピーダンスと総合インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。

　また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、インピーダンス調整装置９が、負荷８に対して並列及び直列にそれぞれ設けられた第１の可変抵抗９１、第２の可変抵抗９２を備えている構成とした。

　この構成により、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１及び第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を調整することにより、負荷側インピーダンスＲ０のインピーダンス変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを調整することができる。

　また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、インピーダンス調整装置９が、負荷８に対して並列に設けられた第１の可変抵抗９１と、負荷８に対して直列に設けられた第２の可変抵抗９２と、第１の可変抵抗９１及び第２の可変抵抗９２の各抵抗値Ｒ１、Ｒ２を可変制御する抵抗制御部９４と、を備えている構成とした。

　この構成により、抵抗制御部９４が、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１及び第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を適宜調整可能なため、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲをスムーズに増減させることができる。

　また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、抵抗制御部９４が、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）以上のときには、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２よりも小さくし、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）よりも小さいときには、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１より大きくする構成とした。

　この構成により、抵抗制御部９４は、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲと定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）とが略一致する好ましい状態を維持することができる。

　また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、負荷８における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部９６をさらに備え、インピーダンス調整装置９が、測定部９６の測定結果に応じて、負荷側インピーダンスの調整を行う構成とした。

　この構成により、インピーダンス調整装置９が、測定部９６の測定結果に応じて、負荷側インピーダンスの調整することにより、入力端ＩＥから視た入力側インピーダンスと総合インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端ＩＥにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。

　また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１を用いたワイヤレス給電方法は、送電コイル３２を含む送電側共振回路３６を備えている送電装置３と、受電コイル４１を含む受電側共振回路４３を備え、受電コイル４１を介して受電した電力を負荷に供給する受電装置４と、受電装置４と負荷８との間に設けられ、負荷８に供給される電圧を制御するＤＣ－ＤＣコンバータ７と、負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整装置９と、負荷８における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部９６と、を備え、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システム１を用いたワイヤレス給電方法であって、インピーダンス調整装置９は、測定部９６の測定結果に応じて、負荷側インピーダンスの変動を緩和するように調整する構成とした。

　また、本実施形態に係るワイヤレス受電システムは、磁界共鳴方式により電力を受電するワイヤレス受電システムであって、受電コイル４１を含む受電側共振回路４３を備え、送電コイル３２を含む送電装置３から送電された電力を受電コイル４１を介して受電し、負荷８に供給する受電装置４と、受電装置４と負荷８との間に設けられ、負荷８に供給される電圧を制御するＤＣ－ＤＣコンバータ７と、負荷側インピーダンスの変動するインピーダンス変動を緩和するインピーダンス調整装置９と、を備えている構成とした。

　また、本実施形態に係るワイヤレス受電システムは、負荷８における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部９６をさらに備え、インピーダンス調整装置９が、測定部９６の測定結果に応じて、負荷側インピーダンスの調整を行う構成とした。

　なお、インピーダンス調整装置９は、第１の可変抵抗９１及び第２の可変抵抗９２を備えている構成に限定されず、第１の可変抵抗９１及び第２の可変抵抗９２の何れか一方のみを備えている構成であっても構わない。

　例えば、図６に示すように調整対象回路に第１の可変抵抗９１のみを設けた場合、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）以上のときには、抵抗制御部９４が、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を低下させる。例えば、図６中の表に例示したケース３Ａでは、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２００Ω、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を２Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは２０２Ωとなる。

　一方、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒｏ_ｔｈ）より小さいときには、抵抗制御部９４が、第１の可変抵抗９１の抵抗値を増加させる。例えば、図６中の表に例示したケース３Ｂでは、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２Ω、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を２００Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは２０２Ωとなる。

　このようにして、抵抗制御部９４が、第１の可変抵抗９１の抵抗値Ｒ１を制御することにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態に起因して負荷側インピーダンスＲ０に変動が生じても、負荷側インピーダンスＲ０のインピーダンス変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスΣＲが略一定に維持される。

　また、例えば、図７に示すように第２の可変抵抗９２のみを設けた場合、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒｏ_ｔｈ）以上のときには、抵抗制御部９４が、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を低下させる。例えば、図７中の表に例示したケース４Ａでは、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２００Ω、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を２Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは１．９８Ωとなる。

　一方、負荷側インピーダンスＲ０が定格インピーダンス（Ｒｏ_ｔｈ）より小さいときには、抵抗制御部９４が、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を増加させる。例えば、図７中の表に例示したケース４Ｂでは、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２Ω、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を２００Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは１．９８Ωとなる。

　このようにして、抵抗制御部９４が、第２の可変抵抗９２の抵抗値Ｒ２を制御することにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態に起因して負荷側インピーダンスＲ０に変動が生じても、負荷側インピーダンスＲ０のインピーダンス変動が総合インピーダンスに影響しないように調整対象回路の合成インピーダンスΣＲが略一定に維持される。

　また、インピーダンス調整装置９の抵抗要素は、上述した可変抵抗に限定されず、抵抗値が固定された固定抵抗であっても構わない。

　例えば、図８に示すように負荷８と並列に固定抵抗９７を設けた場合、固定抵抗９７の抵抗値Ｒ３は、実験等により予め算出されたインピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０の最大値及び最小値の略中央値に設定されるのが好ましい。

　図８中の表に例示したケース５Ａ（負荷側インピーダンスが定格インピーダンス以上のとき）では、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２００Ω、固定抵抗９７の抵抗値Ｒ３を１００Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは６６．６Ωとなる。

　一方、図８中の表に例示したケース５Ｂ（負荷側インピーダンスが定格インピーダンスより小さいとき）では、インピーダンス調整前の負荷側インピーダンスＲ０を２Ω、固定抵抗９７の抵抗値Ｒ３を１００Ωに設定すると、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲは１．９６Ωとなる。

　このようにして、図４に示すような抵抗要素を有しない調整対象回路のインピーダンス比率が１００倍であるのに対して、固定抵抗９７を設けた調整対象回路のインピーダンス比率が３４倍に抑制されていることが分かる。したがって、固定抵抗９７を設けた場合であっても、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態に起因する負荷側インピーダンスＲ０のインピーダンス変動が及ぼす総合インピーダンスへの影響を軽減することができる。

　さらに、上述した実施形態及び変形例では、インピーダンス調整装置９が、ＤＣ－ＤＣコンバータ７の作動状態（コンバータＯＮ）において、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを定格インピーダンス（Ｒ０_ｔｈ）に略一致させる場合を例に説明したが、インピーダンス調整装置９は、ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングしている状態（コンバータＯＦＦ）において、負荷側インピーダンスＲ０を下げるように構成しても構わない。

　このようなインピーダンス調整装置９としては、例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ７に対して並行に第３の可変抵抗９８が設けられ、抵抗制御部９４が、第３の可変抵抗９８の抵抗値Ｒ４を可変制御する構成が考えられる。ＤＣ－ＤＣコンバータ７がアイドリングしている状態では、負荷８には十分な電力が供給されていないものの、第３の可変抵抗９８の抵抗値Ｒ４を上げることにより、負荷側インピーダンスＲ０を低減することができる。

　また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

　また、上述した実施形態及び変形例では、負荷側インピーダンスが変動する要因として、ＤＣ－ＤＣコンバータ７のオンオフに伴う負荷電流の変動を例に説明したが、負荷側インピーダンスが変動する要因はこれに限定されるものではない。例えば、給電対象物２の移動に伴って負荷側インピーダンスが変動することも考えられる。

　また、上述した実施形態及び変形例では、調整対象回路の合成インピーダンスΣＲを調整する手段として、負荷８に対して直列に設けられた１つの第１の可変抵抗９１、負荷８に対して並列に設けられた１つの第２の可変抵抗９２、負荷８に対して直列に設けられた１つの固定抵抗９７、及びＤＣ－ＤＣコンバータ７に対して並行に設けられた１つの第３の可変抵抗９８を例示したが、各種抵抗要素はそれぞれ２つ以上であっても構わない。

　また、インピーダンス調整装置９が備えている抵抗要素は、上述した実施形態及び変形例で説明した各種可変抵抗や固定抵抗の組み合わせに限定されず、これらを適宜組み合わせても構わない。

　また、負荷８に対して直列に及び／又は並列に接続する要素として、第１の可変抵抗９１及び第２の可変抵抗９２の他に、コイルやコンデンサを配置しても構わない。

　また、上述した実施形態及び変形例では、インピーダンスの虚部をゼロにして無効電力の発生を抑制するために、給電コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１を全て共振状態とした場合を例に説明した。しかしながら、例えば、給電コイル３１にコンデンサ３３を接続させない場合であっても、入力インピーダンスに無効電力が生じるものの、送電自体は可能であるから、送電コイル３２及び受電コイル４１のみを共振状態としても構わない。

　また、上述した実施形態及び変形例では、ワイヤレス給電システム１を、給電コイル３１、送電コイル３２及び受電コイル４１を備えている３コイルシステムの構成を例に説明したが、給電コイル３１を設けず、送電コイル３２及び受電コイル４１のみを有する２コイルシステムのワイヤレス給電システムとしてもよい。

１　：ワイヤレス給電システム
２　：給電対象物
３　：送電装置
３１：給電コイル
３２：送電コイル
３３、３４：コンデンサ
３５：給電側共振回路
３６：送電側共振回路
４　：受電装置
４１：受電コイル
４２：コンデンサ
４３：受電側共振回路
５　：交流電源
６　：整流回路
６１：ダイオード
６２：コンデンサ
７　：ＤＣ－ＤＣコンバータ（電圧変換回路）
８　：負荷
９　：インピーダンス調整装置
９１：第１の可変抵抗
９２：第２の可変抵抗
９３：コントローラ
９４：抵抗制御部
９５：記憶部
９６：測定部
９７：固定抵抗
９８：第３の可変抵抗
ＩＥ：入力端

Claims

　磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムであって、
　送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、
　受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルを介して受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
　前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、
　前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの変動するインピーダンス変動を緩和するインピーダンス調整装置と、
を備えていることを特徴とするワイヤレス給電システム。
　前記インピーダンス調整装置は、前記負荷に対して並列及び／又は直列に設けられた１つ以上の抵抗要素であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　前記インピーダンス調整装置は、
　前記負荷に対して直列に設けられた第１の抵抗要素と、
　前記負荷に対して並列に設けられた第２の抵抗要素と、
　前記第１の抵抗要素及び第２の抵抗要素の各抵抗値を可変制御する抵抗制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　前記抵抗制御部は、
　前記負荷側インピーダンスが前記負荷に定格電力を供給している状態における前記電圧変換回路から視て負荷側の回路である調整対象回路の定格インピーダンス以上のときには、前記第１の抵抗要素の抵抗値を前記第２の抵抗要素の抵抗値よりも小さくし、
　前記負荷側インピーダンスが、前記負荷に定格電力を供給している状態における前記調整対象回路の定格インピーダンスより小さいときには、前記第２の抵抗要素の抵抗値を前記第１の抵抗要素の抵抗値よりも大きくすることを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電システム。
　前記インピーダンス調整装置は、
　前記負荷に対して直列又は並列に設けられた抵抗要素と、
　前記電圧変換回路の作動状態にかかわらず、前記負荷側インピーダンスが略一定になるように前記抵抗要素の抵抗値を可変制御する抵抗制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　前記インピーダンス調整装置は、前記電圧変換回路に対して並列に設けられた抵抗要素であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　前記負荷における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部をさらに備え、
　前記インピーダンス調整装置は、前記測定部の測定結果に応じて、前記負荷側インピーダンスの調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
　送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、
　受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルを介して受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
　前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、
　前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスを調整するインピーダンス調整装置と、
　前記負荷における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部と、
を備え、磁界共鳴方式により電力を送電するワイヤレス給電システムを用いたワイヤレス給電方法であって、
　前記インピーダンス調整装置は、前記測定部の測定結果に応じて、前記負荷側インピーダンスの変動を緩和するように調整することを特徴とするワイヤレス給電方法。
　磁界共鳴方式により電力を受電するワイヤレス受電システムであって、
　受電コイルを含む受電側共振回路を備え、送電コイルを含む送電装置から送電された電力を前記受電コイルを介して受電し、負荷に供給する受電装置と、
　前記受電装置と負荷との間に設けられ、前記負荷に供給される電圧を制御する電圧変換回路と、
　前記電圧変換回路から視て負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスの変動するインピーダンス変動を緩和するインピーダンス調整装置と、
を備えていることを特徴とするワイヤレス受電システム。
　前記負荷における負荷電流及び／又は負荷電圧を測定する測定部をさらに備え、
　前記インピーダンス調整装置は、前記測定部の測定結果に応じて、前記負荷側インピーダンスの調整を行うことを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス受電システム。