(57)【要約】【課題】負荷のインピーダンスが変動しても好適に交流電圧源から電力を負荷に供給することができる非接触電力伝送装置を提供する。【解決手段】コントローラ２２は、負荷のインピーダンスが変動した場合に共振系の共振周波数と交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整する。コントローラ２２と定数可変回路１５は、共振系の共振周波数と交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整された状態で力率が改善されるようにコンデンサの容量値を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧源と、
前記交流電圧源から電力の供給を受ける１次側共振器と、
前記１次側共振器からの電力を受電する２次側共振器と、
前記２次側共振器により受電された電力が供給される負荷と、
を備え、
少なくとも前記１次側共振器、前記２次側共振器および前記負荷により共振系を構成する非接触電力伝送装置において、
前記負荷のインピーダンスが変動した場合に前記共振系の共振周波数と前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整する周波数調整手段と、
コンデンサ又はインダクタの少なくとも一つを有し、前記周波数調整手段により前記共振系の共振周波数と前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整された状態で力率が改善されるように前記コンデンサの容量値または前記インダクタのインダクタンス値の少なくとも一方を変更する定数変更手段と、
を備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記周波数調整手段は、前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数を前記共振系の共振周波数に近づくように調整することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記周波数調整手段は、前記共振系の共振周波数を前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数に近づくように調整することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の非接触電力伝送装置においては、共鳴系（１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル、負荷）の状態を検出し、この検出結果に基づいてインピーダンス可変回路において共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより高周波電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンスが調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４１９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、負荷のインピーダンスの変動により共振系の共振周波数が変化するので、出力周波数を固定したままでは好適に電力を電送できない場合がある。
本発明の目的は、負荷のインピーダンスが変動しても好適に交流電圧源から電力を負荷に供給することができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明では、交流電圧源と、前記交流電圧源から電力の供給を受ける１次側共振器と、前記１次側共振器からの電力を受電する２次側共振器と、前記２次側共振器により受電された電力が供給される負荷と、を備え、少なくとも前記１次側共振器、前記２次側共振器および前記負荷により共振系を構成する非接触電力伝送装置において、前記負荷のインピーダンスが変動した場合に前記共振系の共振周波数と前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整する周波数調整手段と、コンデンサ又はインダクタの少なくとも一つを有し、前記周波数調整手段により前記共振系の共振周波数と前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整された状態で力率が改善されるように前記コンデンサの容量値または前記インダクタのインダクタンス値の少なくとも一方を変更する定数変更手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、負荷のインピーダンスが変動すると、周波数調整手段により、共振系の共振周波数と交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整される。そして、周波数調整手段により共振系の共振周波数と交流電圧源から出力される交流電力の周波数とが近づくように調整された状態で、定数変更手段により、力率が改善されるようにコンデンサの容量値またはインダクタのインダクタンス値の少なくとも一方が変更される。
【０００７】
その結果、負荷のインピーダンスが変動しても好適に交流電圧源から電力を負荷に供給することができる。
請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、請求項２に記載のように、前記周波数調整手段は、前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数を前記共振系の共振周波数に近づくように調整するようにしても、請求項３に記載のように、前記周波数調整手段は、前記共振系の共振周波数を前記交流電圧源から出力される交流電力の周波数に近づくように調整するようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷のインピーダンスが変動しても好適に交流電圧源から電力を負荷に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。
【図２】負荷抵抗と効率の関係を示す説明図。
【図３】負荷抵抗と効率の関係を示す説明図。
【図４】第２の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、交流電圧源１１と、交流電圧源１１に接続された１次側共振コイル１２と、２次側共振コイル１３と、２次側共振コイル１３に接続された負荷１４と、交流電圧源１１と１次側共振コイル１２との間に設けられた定数可変回路１５を備えている。１次側共振コイル１２および２次側共振コイル１３にはそれぞれコンデンサ１６，１７が並列に接続されている。
【００１１】
１次側共振コイル１２とコンデンサ１６とにより１次側共振器を構成するとともに、２次側共振コイル１３とコンデンサ１７とにより２次側共振器を構成している。そして、１次側共振器と２次側共振器とは磁場共鳴可能に構成されている。また、定数可変回路１５、１次側共振コイル１２、２次側共振コイル１３、負荷１４およびコンデンサ１６，１７は共振系１８を構成する。
【００１２】
つまり、非接触電力伝送装置１０は、交流電圧源１１から電力の供給を受ける１次側共振器と、１次側共振器からの電力を受電する２次側共振器を備えている。
交流電圧源１１は、系統電力を用いて高周波電力（以下、交流電力）を出力可能に構成されている。具体的には、本実施形態では、交流電圧源１１は、スイッチング素子のスイッチング動作によって周波数を変更することが可能であるとともに電圧値又は電流値を変更することで電力値を変更することが可能な電源である。
【００１３】
１次側共振コイル１２、２次側共振コイル１３は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの巻径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次側共振コイル１２、２次側共振コイル１３は、同じ巻径に形成されている。１次側共振コイル１２および２次側共振コイル１３は同じに形成され、各コンデンサ１６，１７として同じコンデンサが使用されている。
【００１４】
定数可変回路１５は、２つの可変コンデンサ１９，２０とインダクタ２１とから構成されている。一方の可変コンデンサ１９は交流電圧源１１に並列に接続され、他方の可変コンデンサ２０は１次側共振コイル１２に並列に接続されている。インダクタ２１は両可変コンデンサ１９，２０間に接続されている。
【００１５】
交流電圧源１１の出力ラインには電圧値及び電流値を検出する検出器２３が接続されている。検出器２３にはコントローラ２２が接続されている。
非接触電力伝送装置１０は、車両に搭載された２次電池に対して非接触充電を行うシステムに適用することができる。具体的には、２次側共振コイル１３、コンデンサ１７および負荷１４（本実施形態では、固定コンデンサと固定インダクタとからなる定数回路と、整流器と、２次電池とからなる）が車両に搭載されている。また、交流電圧源１１、コンデンサ１６、１次側共振コイル１２、定数可変回路１５、検出器２３およびコントローラ２２が、２次電池に非接触状態で電力を供給する充電装置に装備され、この充電装置は地上側設備（充電ステーション）に設けられる。
【００１６】
本実施形態では、コントローラ２２により周波数調整手段が構成されている。また、定数可変回路１５およびコントローラ２２により定数変更手段が構成されている。
次に、このように構成した非接触電力伝送装置１０の作用を説明する。
【００１７】
負荷１４への電力伝送時には、例えば、車両が給電（充電）装置の近くの所定位置に停止した状態で負荷１４への給電が行われる。即ち、２次側共振器により受電された電力が負荷１４に供給される。
【００１８】
コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数が、共振系１８の共振周波数Ａ[Ｈｚ]になり、かつ、電力値が充電に適した電力値αとなるように調整する。次に、コントローラ２２は、検出器２３から検出された電圧値，電流値に基づいて定数可変回路１５の可変コンデンサ１９，２０の容量を調整して力率を改善する。そして、交流電圧源１１から電力の供給を受けた１次側共振器と２次側共振器とが磁場共鳴する。これにより、２次側共振器は１次側共振器のエネルギーの一部を受け取る。すなわち、２次共振器は、１次側共振器から高周波電力を受電する。
【００１９】
図示しない充電量モニターにより２次電池の充電量が閾値以上になったことが検知され、コントローラ２２に２次電池の充電量が閾値以上になった旨が送られると、コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値を充電に適した電力値αから押し込み充電用の電力値βに変更する。すると、負荷１４に入力される電力の電力値が変わり、負荷１４のインピーダンスが変動（以下、負荷変動）する。その結果、共振系１８の共振周波数が、Ａ[Ｈｚ]からＢ[Ｈｚ]に変化する。
【００２０】
そこで、コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値をβに変更した時の共振系１８の共振周波数Ｂ[Ｈｚ]を特定し、交流電圧源１１から周波数Ｂ[Ｈｚ]の交流電力を出力させる。
【００２１】
本実施形態では、コントローラ２２は、交流電圧源１１から電力値がβで、かつ、周波数が異なる複数の交流電力を交流電圧源１１から出力させ、検出器２３で検出される各電圧値，各電流値に基づいて共振系の共振周波数Ｂ[Ｈｚ]を特定する。さらに詳述すると、周波数が異なる複数の交流電力を出力した時に検出される各電圧値，各電流値から各インピーダンス値を算出し、該各インピーダンス値に基づいて共振系の共振周波数Ｂ[Ｈｚ]を特定する。そして、交流電圧源１１から周波数Ｂ[Ｈｚ]の交流電力を出力させる。
【００２２】
次に、コントローラ２２は、検出器２３で検出される各電圧値，各電流値に基づいて定数可変回路１５の可変コンデンサ１９，２０の容量値を調整して力率を改善する。
その結果、交流電圧源１１から電力が好適に負荷１４（例えば２次電池）に供給される。
【００２３】
次に、負荷変動と効率の関係について説明する。
負荷１４に入力される電力の電力値の変化により、負荷変動が起き、「力率状態」と「共振系の共振周波数（効率最大となる周波数）」の２つが変化する。
【００２４】
従って、出力周波数を任意の周波数に固定したまま力率改善を行っても、図２に示すように、最大効率が得られない。つまり、図２では負荷抵抗が例えば８００Ωになったときに効率が６０％程度であり、最大効率が得られない。
【００２５】
これに対し負荷変動時に共振系の共振周波数を探索し、共振系の共振周波数に合うように交流電圧源の出力周波数を変化させ、その状態で、力率を改善するように定数可変回路１５の可変コンデンサ１９，２０の容量を調整する。その結果、図３に示すように、負荷抵抗が約３３０Ωや８００Ωに変化した場合にも効率を９０％近くにすることができる。
【００２６】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）コントローラ２２により、負荷１４に入力される電力の電力値が変化して負荷変動が起こった場合に、共振系１８の共振周波数と交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数とが近づく（合致する）ように調整する。そして、コントローラ２２と定数可変回路１５により、共振系１８の共振周波数と交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数とが合致した状態で、力率を改善するように定数可変回路１５の定数を調整する。よって、負荷変動が起こっても好適に交流電圧源１１から電力を負荷１４に供給することができる。これにより、負荷変動に依存しない最大効率で電力を伝送することができる。
【００２７】
（２）周波数調整手段としてのコントローラ２２により、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数を共振系の共振周波数に合わせることができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００２８】
図１に代わり、本実施形態では図４に示すように、１次側共振コイル１２には可変コンデンサ３０が並列に接続されている。また、２次側共振コイル１３には可変コンデンサ３１が並列に接続されている。コントローラ２２により可変コンデンサ３０の容量および可変コンデンサ３１の容量を調整できるようになっている。本実施形態では、コントローラ２２と可変コンデンサ３０，３１により周波数調整手段が構成されている。
【００２９】
第１の実施形態と同様に、負荷１４への電力伝送時には、例えば、車両が給電（充電）装置の近くの所定位置に停止した状態で負荷１４への給電が行われる。
コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数が、共振系１８の共振周波数Ａ[Ｈｚ]となり、電力値が充電に適した電力値αとなるように調整する。次に、コントローラ２２は、検出器２３から検出された電圧値，電流値に基づいて定数可変回路１５の可変コンデンサ１９，２０の容量値を調整して力率を改善する。
【００３０】
図示しない充電量モニターにより２次電池の充電量が閾値以上になったことが検知され、コントローラ２２に２次電池の充電量が閾値以上になった旨が送られると、コントローラ２２は、交流電圧源１１から、周波数Ａ[Ｈｚ]，電力値βの交流電力が出力されるように調整する。すると、負荷１４に入力される電力の電力値が変わり、負荷変動が起こる。その結果、共振系１８の共振周波数がＡ[Ｈｚ]からＢ[Ｈｚ]に変化する。
【００３１】
そこで、コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値をβに変更した時の共振系１８の共振周波数が、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数Ａ[Ｈｚ]になるように調整する。
【００３２】
本実施形態では、コントローラ２２は、可変コンデンサ３０の容量値及び可変コンデンサ３１の容量値を複数回変化させ、その時、検出器２３で検出される各電圧値，各電流値に基づいて共振系の共振周波数が周波数Ａ[Ｈｚ]となるような可変コンデンサ３０，３１の容量値を特定する。具体的には、例えば、可変コンデンサ３０の容量値及び可変コンデンサ３１の容量値を複数回変化させた時に検出される各電圧値，各電流値から各インピーダンス値を算出し、該各インピーダンス値に基づいて共振系の共振周波数が周波数Ａ[Ｈｚ]となるような可変コンデンサ３０，３１の容量値を特定する。そして、共振系の共振周波数が周波数Ａ[Ｈｚ]となるように可変コンデンサ３０，３１の容量値を調整する。
【００３３】
次に、コントローラ２２は、検出器２３から検出された電圧値，電流値に基づいて定数可変回路１５の可変コンデンサ１９，２０の容量値を調整し力率を改善する。その結果、交流電圧源１１から電力が好適に負荷１４（例えば２次電池）に供給される。
【００３４】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（４）コントローラ２２と可変コンデンサ３０，３１により、共振系の共振周波数を交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数に合わせることができる。
【００３５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・第１の実施形態および第２の実施形態においては、力率を改善するように定数可変回路１５の定数を変更したが、これに限られず、力率を改善し、かつ、負荷１４に予め定められた電力値の電力が入力されるように定数可変回路１５の定数を調整してもよい。
【００３６】
・第１の実施形態においては、負荷変動後、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数が共振系の共振周波数となるように調整したが、これに限られず、負荷変動後に交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数を、負荷変動前に交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数より、負荷変動後の共振系１８の共振周波数Ｂ[Ｈｚ]に近い周波数に調整できればよい。
【００３７】
・第２の実施形態においては、負荷変動後、共振系の共振周波数が交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数Ａ[Ｈｚ]と同じになるように可変コンデンサ３０，３１の容量値を調整したが、これに限られず、共振系１８の共振周波数を、負荷変動後で可変コンデンサ３０，３１の容量値調整前の共振系１８の共振周波数より、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数Ａ[Ｈｚ]に近い周波数に調整できればよい。
【００３８】
・定数可変回路１５は２個の可変コンデンサ１９，２０と１個のインダクタ２１とで構成されるものに限らない。例えば、定数可変回路１５を構成する可変コンデンサ１９，２０のいずれか一方を省略して、定数可変回路１５を１個の可変コンデンサと１個のインダクタ２１とで構成してもよいし、コンデンサ、インダクタのどちらか一方のみで構成してもよい。また、定数可変回路１５を、固定容量のコンデンサと可変インダクタとで構成し、可変インダクタを可変させて定数を変更してもよいし、可変コンデンサと可変インダクタとで構成し、可変コンデンサの容量値と可変インダクタのインダクタンス値とを変更して定数を変更してもよい。要は、定数可変回路１５は、定数を変更することで力率を改善できるものであればどのような構成でもよい。
【００３９】
・車両に設けた定数回路は、少なくともコンデンサかインダクタを有していればよい。また、定数を変更できるものであってもよい。
・共振系１８の共振周波数の調整、交流電圧源１１から出力される交流電力の周波数の調整、及び力率の調整を、マップを用いて行う構成としてもよい。各共振コイル１２，１３の位置ずれが発生しない条件下では、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値から、負荷変動後に変更すべき周波数の値、各可変コンデンサ１９，２０の容量値等を予め算出しておくことができる。
【００４０】
例えば、第１の実施形態においては、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値が電力値βに変更された時（負荷変動時）に変更される共振系１８の共振周波数Ｂ［Ｈｚ］、及び、負荷変動時の力率を改善するために必要な定数可変回路１５の定数（各可変コンデンサ１９，２０の容量値）を予め算出しておくことができる。
【００４１】
したがって、電力値βに対応させて、負荷変動時の共振系１８の共振周波数Ｂ［Ｈｚ］と、負荷変動時において力率を改善する定数可変回路１５の定数とが設定されたマップをコントローラ２２の所定の記憶領域（メモリ）に記憶させておくことができる。この場合、コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値が電力値βに変更された場合、上記マップを参照して、共振系１８の共振周波数Ｂ［Ｈｚ］及び定数可変回路１５の定数を特定し、その特定結果に基づいて交流電圧源１１の周波数を変更するとともに、定数可変回路１５の定数を変更する。これにより、負荷変動時において、検出器２３を用いて負荷変動時の共振系１８の共振周波数Ｂ［Ｈｚ］や、力率を改善するために必要な定数可変回路１５の定数を特定する必要がなくなる。
【００４２】
また、第２の実施形態においては、例えば、電力値βに対応させて、各可変コンデンサ３０，３１の容量値と、定数可変回路１５の定数とが設定されたマップを、上記所定の記憶領域に記憶させておく。コントローラ２２は、交流電圧源１１から出力される交流電力の電力値が電力値βに変更された場合、上記マップを参照して、各可変コンデンサ３０，３１の容量値と、定数可変回路１５の定数とを特定し、その特定結果に基づいて各可変コンデンサ３０，３１の容量値及び定数可変回路１５の定数を変更する。なお、マップは、コントローラ２２とは別の記憶領域に記憶させておいてもよい。
【００４３】
・１次側共振コイル１２、２次側共振コイル１３の外形は、円形に限らず、例えば、四角形や六角形や三角形等の多角形にしたり、あるいは楕円形にしたりしてもよい。
・１次側共振コイル１２および２次側共振コイル１３は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、電線が一平面上に巻回された形状としてもよい。
【００４４】
・第１の実施形態において、コンデンサ１６，１７の代わりに１次側共振コイル１２および２次側共振コイル１３の寄生容量を用いてもよい。この場合、共振系は、１次側共振コイル１２、２次側共振コイル１３、負荷１４で構成される。
【００４５】
・第１の実施形態において、１次側共振コイル、２次側共振コイルの巻径や巻数は、同じに形成されなくてもよく、各コンデンサ１６，１７も同じコンデンサを使用しなくてもよい。
【００４６】
・負荷１４として、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を設けてもよい。
・１次側共振器は１次コイルと１次側共鳴コイルを具備し、２次側共振器は２次側共鳴コイルと２次コイルを具備していてもよい。つまり、１つのコイルで１次側共振器を構成すると共に１つのコイルで２次側共振器を構成するのではなく、１次側共振器は、交流電圧源１１から電力の供給を受ける１次コイルと、１次コイルから電力が電磁誘導により供給される１次側共鳴コイルを具備し、２次側共振器は、１次側共鳴コイルからの電力を磁場共鳴して受電する２次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す２次コイルを具備していてもよい。
【００４７】
・上記実施形態では非接触の電力電送を実現するために磁場共鳴を用いたが、これに限らず、電磁誘導を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０…非接触電力伝送装置、１１…交流電圧源、１２…１次側共振コイル、１３…２次側共振コイル、１４…負荷、１５…定数可変回路、１８…共振系、１９…可変コンデンサ、２０…可変コンデンサ、２１…インダクタ、２２…コントローラ、２３…検出器、３０…可変コンデンサ、３１…可変コンデンサ。
【図１】
2014017893.tif 000003
【図２】
2014017893.tif 000004
【図３】
2014017893.tif 000005
【図４】
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