(57)【要約】【課題】１次側機器及び２次側機器間において非接触で双方向の電力伝送を行うことが可能な非接触電力伝送装置において、いずれの方向の電力伝送においても伝送効率の向上を図ることができる非接触電力伝送装置を提供すること。【解決手段】地上側機器１１に設けられた１次側共振器１３と、車両側機器２１に設けられた２次側共振器２３とが磁場共鳴することにより、地上側機器１１及び車両側機器２１間を非接触で高周波電力が伝送される。ここで、１次側高周波電源１２、各共振器１３，２３及び２次側負荷２２によって形成された充電経路ＥＬ１と、２次側高周波電源２７、各共振器１３，２３及び１次側負荷１４によって形成された放電経路ＥＬ２との共通経路ＥＬ３上に、各インピーダンス変換器３１，３２が設けられている。【選択図】図１
2014030329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側交流電力が入力される１次側コイルを有する１次側機器と、
前記１次側コイルから非接触で前記１次側交流電力を受電可能な２次側コイルを有する２次側機器と、
を備える非接触電力伝送装置において、
前記２次側コイルには２次側交流電力が入力され、
前記１次側コイルは、前記２次側コイルから非接触で前記２次側交流電力を受電可能であり、
前記１次側交流電力を出力する１次側交流電源及び前記１次側コイルと、前記２次側機器に設けられた前記２次側コイル及び２次側負荷とによって形成された第１電力伝送経路上と、
前記２次側交流電力を出力する２次側交流電源及び前記２次側コイルと、前記１次側機器に設けられた前記１次側コイル及び１次側負荷とによって形成された第２電力伝送経路上とに、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部を設けたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記インピーダンス変換部は、前記第１電力伝送経路と前記第２電力伝送経路との共通経路上に設けられてい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１次側交流電力が入力される状態から前記２次側交流電力が入力される状態に切り替わった場合に、前記インピーダンス変換部の定数を変更する変更部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記１次側コイルは１次側共振器を構成しており、
前記２次側コイルは２次側共振器を構成しており、
前記１次側負荷の入力インピーダンスと、前記２次側負荷の入力インピーダンスとは同一であり、
前記１次側共振器と前記２次側共振器とは同一形状であり、
前記インピーダンス変換部として、前記１次側機器に設けられた１次側インピーダンス変換部と、前記２次側機器に設けられた２次側インピーダンス変換部とを備え、
前記変更部は、前記１次側インピーダンス変換部及び前記２次側インピーダンス変換部に前記１次側交流電力が入力された状態で前記１次側インピーダンス変換部に設定された定数を前記２次側インピーダンス変換部に設定するとともに、前記１次側インピーダンス変換部及び前記２次側インピーダンス変換部に前記１次側交流電力が入力された状態で前記２次側インピーダンス変換部に設定された定数を前記１次側インピーダンス変換部に設定することを特徴とする請求項３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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば磁場共鳴を用いたものが知られている。例えば特許文献１の非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側の共振コイルとを有する１次側機器を備えている。また、非接触電力伝送装置は、２次側機器としての車両に設けられ、１次側の共振コイルと磁場共鳴可能な２次側の共振コイルを備えている。そして、１次側の共振コイルと２次側の共振コイルとが磁場共鳴することにより、１次側機器から車両に交流電力が伝送される。当該交流電力は、車両に設けられた車載バッテリの充電に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０６１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、例えば車載バッテリを用いて車両以外の電気機器を駆動させる等、車両を電源として用いることが要求される場合がある。この要求に応えるためには、１次側機器及び２次側機器間で双方向の電力伝送を行うことが可能な非接触電力伝送装置が考えられる。このような非接触電力伝送装置においては、電力伝送経路が異なることに起因して伝送効率が低下することが懸念される。
【０００５】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、１次側機器及び２次側機器間において非接触で双方向の電力伝送を行うことが可能な非接触電力伝送装置において、いずれの方向の電力伝送においても伝送効率の向上を図ることができる非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１次側交流電力が入力される１次側コイルを有する１次側機器と、前記１次側コイルから非接触で前記１次側交流電力を受電可能な２次側コイルを有する２次側機器と、を備える非接触電力伝送装置において、前記２次側コイルには２次側交流電力が入力され、前記１次側コイルは、前記２次側コイルから非接触で前記２次側交流電力を受電可能であり、前記１次側交流電力を出力する１次側交流電源及び前記１次側コイルと、前記２次側機器に設けられた前記２次側コイル及び２次側負荷とによって形成された第１電力伝送経路上と、前記２次側交流電力を出力する２次側交流電源及び前記２次側コイルと、前記１次側機器に設けられた前記１次側コイル及び１次側負荷とによって形成された第２電力伝送経路上とに、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換部を設けたことを特徴とする。
【０００７】
かかる発明によれば、第１電力伝送経路上及び第２電力伝送経路上双方にインピーダンス変換部が設けられているため、いずれの電力伝送経路を用いて電力伝送を行う場合であってもインピーダンス変換が行われる。この場合、いずれの電力伝送経路を用いて電力伝送を行う場合においても、伝送効率が高くなるようにインピーダンス変換することにより、いずれの方向の電力伝送においても、伝送効率の向上を図ることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記インピーダンス変換部は、前記第１電力伝送経路と前記第２電力伝送経路との共通経路上に設けられていることを特徴とする。かかる発明によれば、共通経路上にインピーダンス変換部が設けられているため、各電力伝送経路上にそれぞれインピーダンス変換部を設ける必要がない。このため、構成の簡素化を図ることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記１次側交流電力が入力される状態から前記２次側交流電力が入力される状態に切り替わった場合に、前記インピーダンス変換部の定数を変更する変更部を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、１次側交流電力が入力される状態から２次側交流電力が入力される状態への切替に起因して、インピーダンス変換部の最適な定数（高い伝送効率を得ることができる定数等）が変化する場合がある。この点、本発明によれば、上記切替に基づいてインピーダンス変換部の定数を変更することにより、上記切替の前後の双方において、高い伝送効率を実現することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記１次側コイルは１次側共振器を構成しており、前記２次側コイルは２次側共振器を構成しており、前記１次側負荷の入力インピーダンスと、前記２次側負荷の入力インピーダンスとは同一であり、前記１次側共振器と前記２次側共振器とは同一形状であり、前記インピーダンス変換部として、前記１次側機器に設けられた１次側インピーダンス変換部と、前記２次側機器に設けられた２次側インピーダンス変換部とを備え、前記変更部は、前記１次側インピーダンス変換部及び前記２次側インピーダンス変換部に前記１次側交流電力が入力された状態で前記１次側インピーダンス変換部に設定された定数を前記２次側インピーダンス変換部に設定するとともに、前記１次側インピーダンス変換部及び前記２次側インピーダンス変換部に前記１次側交流電力が入力された状態で前記２次側インピーダンス変換部に設定された定数を前記１次側インピーダンス変換部に設定することを特徴とする。かかる発明によれば、１次側機器及び２次側機器双方にインピーダンス変換部が設けられている。そして、１次側交流電力が入力される状態から２次側交流電力が入力される状態に切り替わった場合に、１次側インピーダンス変換部の定数と、２次側インピーダンス変換部の定数とを入れ替える。詳細には、２次側インピーダンス変換部の定数を、１次側インピーダンス変換部及び２次側インピーダンス変換部に１次側交流電力が入力された状態において１次側インピーダンス変換部に設定された定数に変更し、１次側インピーダンス変換部の定数を、１次側インピーダンス変換部及び２次側インピーダンス変換部に１次側交流電力が入力された状態において２次側インピーダンス変換部に設定された定数に変更する。これにより、１次側交流電力が入力される状態から２次側交流電力が入力される状態への切替が行われた場合であっても、伝送効率の高い状態を維持することができる。また、この場合、２次側交流電力が入力される状態における定数を算出する等の処理が必要ないため、各インピーダンス変換部の定数の変更を容易に行うことができる。
【００１１】
なお、「同一形状」とは、１次側共振器及び２次側共振器において少なくともキャパシタンス及びインダクタンスそれぞれが同一であることを意味する。また、１次側負荷に外部負荷が接続されている場合には、１次側負荷の入力インピーダンスには、上記外部負荷のインピーダンスが含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、いずれの方向の電力伝送においても伝送効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る非接触電力伝送装置の電気的構成を示すブロック図。
【図２】充電経路が形成された非接触電力伝送装置を示す回路図。
【図３】放電経路が形成された非接触電力伝送装置を示す回路図。
【図４】電源側コントローラにて実行される充放電開始処理を示すフローチャート。
【図５】非接触電力伝送装置の別例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）について図面を用いて説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、地上に設けられた地上側機器１１と、車両に搭載された車両側機器２１とを備えている。地上側機器１１が１次側機器（送電機器）に対応し、車両側機器２１が２次側機器（受電機器）に対応する。
【００１５】
非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１から車両側機器２１への電力伝送を行う経路としての第１電力伝送経路ＥＬ１と、車両側機器２１から地上側機器１１への電力伝送を行う経路としての第２電力伝送経路ＥＬ２とを備えている。
【００１６】
先ず、第１電力伝送経路ＥＬ１に係る構成について説明すると、地上側機器１１は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な１次側高周波電源１２（１次側交流電源）を備えている。１次側高周波電源１２は、インフラとしての系統電源から入力される低周波電力を高周波電力に変換するとともに、その変換された高周波電力を出力可能に構成されている。詳細には、１次側高周波電源１２は、系統電源の低周波電力を直流電力に整流する整流器と、整流器により整流された直流電力の電圧を異なる大きさの電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えている。さらに１次側高周波電源１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力された直流電力を用いて高周波電力を生成するＤＣ／ＲＦ変換器とを備えている。
【００１７】
１次側高周波電源１２から出力された高周波電力（１次側交流電力）は、非接触で車両側機器２１に伝送され、車両側機器２１に設けられた２次側負荷２２に入力される。具体的には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１及び車両側機器２１間の電力伝送を行うものとして、地上側機器１１に設けられた１次側共振器１３（１次側共鳴器）と、車両側機器２１に設けられた２次側共振器２３（２次側共鳴器）とを備えている。
【００１８】
１次側共振器１３及び２次側共振器２３は磁場共鳴可能に構成されている。具体的には、図２に示すように、１次側共振器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から構成されている。２次側共振器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から構成されている。両者の共振周波数は同一に設定されている。
【００１９】
かかる構成によれば、高周波電力が１次側共振器１３に入力された場合、１次側共振器１３（１次側コイル１３ａ）と２次側共振器２３（２次側コイル２３ａ）とが磁場共鳴する。これにより、２次側共振器２３は１次側共振器１３のエネルギの一部を受け取る。すなわち、２次側共振器２３は、１次側共振器１３から高周波電力を受電する。
【００２０】
図１に示すように、車両側機器２１には、２次側共振器２３にて受電された高周波電力を直流電力に整流する２次側整流器２４ａが設けられている。２次側整流器２４ａにより整流された直流電力は、車両側機器２１に設けられた２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ｂによって所定の電圧に変換されて、車両側機器２１に設けられた車載バッテリ２５に入力される。
【００２１】
ちなみに、２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ｂと車載バッテリ２５との間には、車載バッテリ２５の充電状況を検知する検知センサ２５ａが設けられている。これにより、車載バッテリ２５の充電状況を把握可能となっている。なお、２次側整流器２４ａ、２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ｂ、検知センサ２５ａ及び車載バッテリ２５が２次側負荷２２を構成する。
【００２２】
また、非接触電力伝送装置１０は、インピーダンス変換（インピーダンス調整）を行う複数のインピーダンス変換器３１，３２を備えている。第１インピーダンス変換器３１は地上側機器１１に設けられており、第２インピーダンス変換器３２は車両側機器２１に設けられている。各インピーダンス変換器３１，３２がインピーダンス変換部に対応する。
【００２３】
１次側高周波電源１２から出力された高周波電力は、第１インピーダンス変換器３１、１次側共振器１３、２次側共振器２３及び第２インピーダンス変換器３２を介して、２次側負荷２２に入力される。すなわち、第１電力伝送経路ＥＬ１は、１次側高周波電源１２→第１インピーダンス変換器３１→１次側共振器１３→２次側共振器２３→第２インピーダンス変換器３２→２次側負荷２２を伝送する経路であると言える。
【００２４】
ちなみに、第１電力伝送経路ＥＬ１が、車載バッテリ２５の充電に係る経路であることに着目すれば、当該第１電力伝送経路ＥＬ１は充電経路ＥＬ１であるとも言える。また、充電経路ＥＬ１を用いて電力伝送を行う場合において、１次側共振器１３は送電器として機能し、２次側共振器２３は受電器として機能する。
【００２５】
次に、第２電力伝送経路ＥＬ２に係る構成について説明する。
車両側機器２１には、車載バッテリ２５に充電されている直流電力を、各共振器１３，２３にて電力伝送可能な高周波電力に変換する変換器２６が設けられている。変換器２６は、車載バッテリ２５（詳細には検知センサ２５ａ）と第２インピーダンス変換器３２との間に設けられているとともに、２次側整流器２４ａ及び２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ｂと並列に設けられている。
【００２６】
変換器２６は、車載バッテリ２５に充電されている直流電力の電圧を、電力伝送に適した大きさに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａと、そのＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａから出力された直流電力を、電力伝送に適した周波数、詳細には各共振器１３，２３の共振周波数と同一周波数の高周波電力に変換するＤＣ／ＲＦ変換器２６ｂとを備えている。
【００２７】
かかる構成によれば、車載バッテリ２５の直流電力は、変換器２６にて高周波電力（２次側交流電力）に変換され、第２インピーダンス変換器３２を介して２次側共振器２３に入力される。すると、２次側共振器２３と１次側共振器１３とが磁場共鳴することにより、１次側共振器１３は、２次側共振器２３から高周波電力を受電する。
【００２８】
また、地上側機器１１には、１次側共振器１３にて受電した高周波電力が第１インピーダンス変換器３１を介して入力される１次側負荷１４が設けられている。１次側負荷１４は、１次側共振器１３と外部負荷Ｘとの間に設けられており、１次側高周波電源１２とは並列に設けられている。
【００２９】
１次側負荷１４は、上記高周波電力を直流電力に整流する１次側整流器１４ａと、その直流電力の電圧を所定の大きさの電圧に変換する１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｂとから構成されている。そして、１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｂにて変換された直流電力は、外部負荷Ｘに入力される。これにより、車載バッテリ２５の直流電力を、車両に係る用途以外に用いることが可能となっている。
【００３０】
以上のとおり、車載バッテリ２５の直流電力は、変換器２６、第２インピーダンス変換器３２、２次側共振器２３、１次側共振器１３及び第１インピーダンス変換器３１を介して、１次側負荷１４に伝送され、外部負荷Ｘに伝送される。すなわち、第２電力伝送経路ＥＬ２は、車載バッテリ２５及び変換器２６からなる２次側高周波電源２７（２次側交流電源）→第２インピーダンス変換器３２→２次側共振器２３→１次側共振器１３→第１インピーダンス変換器３１→１次側負荷１４（→外部負荷Ｘ）を伝送する経路であると言える。
【００３１】
ちなみに、第２電力伝送経路ＥＬ２が、車載バッテリ２５の放電に係る経路であることに着目すれば、当該第２電力伝送経路ＥＬ２は放電経路ＥＬ２であるとも言える。また、放電経路ＥＬ２を用いて電力伝送を行う場合において、２次側共振器２３は送電器として機能し、１次側共振器１３は受電器として機能する。
【００３２】
非接触電力伝送装置１０は、各電力伝送経路ＥＬ１，ＥＬ２を切り替える一対の切替部として１次側リレー１５及び２次側リレー２８を備えている。１次側リレー１５は、地上側機器１１に設けられており、第１インピーダンス変換器３１の接続先を、１次側高周波電源１２と１次側負荷１４のいずれかに切り替える。２次側リレー２８は、車両側機器２１に設けられており、第２インピーダンス変換器３２の接続先を、２次側負荷２２と２次側高周波電源２７のいずれかに切り替える。
【００３３】
かかる構成によれば、１次側リレー１５によって第１インピーダンス変換器３１が１次側高周波電源１２に接続され、２次側リレー２８によって第２インピーダンス変換器３２が２次側負荷２２に接続された場合に、充電経路ＥＬ１が形成される。
【００３４】
一方、１次側リレー１５によって第１インピーダンス変換器３１が１次側負荷１４に接続され、２次側リレー２８によって第２インピーダンス変換器３２が２次側高周波電源２７に接続された場合に、放電経路ＥＬ２が形成される。
【００３５】
地上側機器１１には、１次側高周波電源１２、第１インピーダンス変換器３１及び１次側リレー１５の制御を行う電源側コントローラ１６が設けられている。また、車両側機器２１には、２次側リレー２８、第２インピーダンス変換器３２及び２次側高周波電源２７の制御を行う車両側コントローラ２９が設けられている。各コントローラ１６，２９は無線通信可能に構成されている。各コントローラ１６，２９は、互いに情報のやり取りを行いながら、各リレー１５，２８を制御することにより、電力伝送経路ＥＬ１，ＥＬ２を切り替えることが可能となっている。
【００３６】
ここで、各電力伝送経路ＥＬ１，ＥＬ２のうち、各共振器１３，２３を含む各リレー１５，２８間は共通経路ＥＬ３となっている。そして、その共通経路ＥＬ３上に、各インピーダンス変換器３１，３２が設けられている。
【００３７】
これら各インピーダンス変換器３１，３２について図２を用いて説明する。
図２に示すように、第１インピーダンス変換器３１は、１次側リレー１５と１次側共振器１３との間にある。また、第２インピーダンス変換器３２は、２次側共振器２３と２次側リレー２８との間にある。すなわち、１次側共振器１３及び２次側共振器２３からなるカップラＣの両側に第１インピーダンス変換器３１及び第２インピーダンス変換器３２が設けられている。
【００３８】
第１インピーダンス変換器３１は、第１インダクタ３１ａ及び第１キャパシタ３１ｂからなる逆Ｌ型のＬＣ回路で構成されている。一方、第２インピーダンス変換器３２は、第２インダクタ３２ａ及び第２キャパシタ３２ｂからなるＬ型のＬＣ回路で構成されている。
【００３９】
各インピーダンス変換器３１，３２の定数（インピーダンス）は可変となっている。具体的には、各キャパシタ３１ｂ，３２ｂのキャパシタンスは可変となっている。そして、電源側コントローラ１６は、第１キャパシタ３１ｂのキャパシタンスを可変制御することにより、第１インピーダンス変換器３１の定数を可変制御する。同様に、車両側コントローラ２９は、第２キャパシタ３２ｂのキャパシタンスを可変制御することにより、第２インピーダンス変換器３２の定数を可変制御する。なお、各コントローラ１６，２９が変更部に対応する。また、各インピーダンス変換器３１，３２の定数は、変換比とも、インダクタンスやキャパシタンスとも言える。
【００４０】
ここで、本発明者らは、充電時及び放電時において、伝送効率に寄与する要因（知見）
を見出した。これらの知見について以下に説明する。なお、説明の便宜上、先ず充電時（充電経路ＥＬ１を用いて電力伝送を行う場合）について説明し、その後で放電時（放電経路ＥＬ２を用いて電力伝送を行う場合）について説明する。
【００４１】
図２に示すように、充電時においては、１次側高周波電源１２→第１インピーダンス変換器３１→１次側共振器１３→２次側共振器２３→第２インピーダンス変換器３２→２次側負荷２２という充電経路ＥＬ１で電力伝送が行われる。
【００４２】
かかる状況において、本発明者らは、２次側共振器２３（２次側コイル２３ａ）の出力端から２次側負荷２２までインピーダンスの実部が、１次側共振器１３及び２次側共振器２３間の伝送効率に寄与していることを見出した。具体的には、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスの実部には、他の抵抗値と比較して相対的に高い伝送効率となる特定抵抗値Ｒｏｕｔが存在することを見出した。換言すれば、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスの実部には、所定の抵抗値（第１抵抗値）よりも伝送効率が高くなる特定抵抗値Ｒｏｕｔ（第２抵抗値）が存在することを見出した。
【００４３】
特定抵抗値Ｒｏｕｔは、１次側共振器１３及び２次側共振器２３の構成（各コイル１３ａ，２３ａのインダクタンスや各コンデンサ１３ｂ，２３ｂのキャパシタンス等）、１次側共振器１３及び２次側共振器２３間の距離等によって決定されるものである。
【００４４】
詳細には、図２に示すように、仮に１次側共振器１３の入力端に仮想負荷Ｘ１を設けた場合において、当該仮想負荷Ｘ１の抵抗値をＲａ１とし、２次側共振器２３（詳細には２次側共振器２３の出力端）から仮想負荷Ｘ１までの抵抗値をＲｂ１とすると、特定抵抗値Ｒｏｕｔは√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。
【００４５】
第２インピーダンス変換器３２は、上記知見に基づいて、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンス（第２インピーダンス変換器３２の入力端のインピーダンス）が特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づく（好ましくは一致する）ように２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１をインピーダンス変換する。つまり、第２インピーダンス変換器３２の定数は、２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１を特定抵抗値Ｒｏｕｔに変換する値に設定されている。なお、充電時の第２インピーダンス変換器３２の定数を受電側定数ＺＢとする。
【００４６】
ここで、１次側高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値は、１次側高周波電源１２の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンス、すなわち第１インピーダンス変換器３１の入力端のインピーダンスに依存する。
【００４７】
そこで、第１インピーダンス変換器３１は、１次側高周波電源１２から所望の電力値の高周波電力が出力されるべく、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づいている状況における１次側共振器１３の入力端から２次側負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。
【００４８】
例えば、２次側負荷２２に含まれる車載バッテリ２５に対して入力される直流電力の電力値が充電に適した電力値となるのに要する１次側高周波電源１２の出力電力の電力値を、充電に適した電力値の高周波電力とする。そして、１次側高周波電源１２から充電に適した電力値の高周波電力が出力されるための１次側高周波電源１２の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスを、充電に適した入力インピーダンスＺｔとする。この場合、第１インピーダンス変換器３１は、１次側高周波電源１２の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスが上記充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるように、１次側共振器１３の入力端から２次側負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。つまり、第１インピーダンス変換器３１の定数は、１次側共振器１３の入力端から２次側負荷２２までのインピーダンスＺｉｎを、充電に適した入力インピーダンスＺｔに変換する値に設定されている。なお、充電時の第１インピーダンス変換器３１の定数を送電側定数ＺＡとする。
【００４９】
次に、放電時における各インピーダンス変換器３１，３２について説明する。
図３に示すように、放電時においては、電力伝送の方向が逆になるとともに、電力伝送経路が異なる。具体的には、放電時においては、２次側高周波電源２７→第２インピーダンス変換器３２→２次側共振器２３→１次側共振器１３→第１インピーダンス変換器３１→１次側負荷１４という放電経路ＥＬ２で電力伝送が行われる。この場合、既に説明した通り、各共振器１３，２３の機能が充電時と逆になる。すなわち、２次側共振器２３が送電器として機能し、１次側共振器１３が受電器として機能する。このため、２次側共振器２３側が入力側となり、１次側共振器１３側が出力側となる。よって、各インピーダンス変換器３１，３２の定数が入れ替わるように、各インピーダンス変換器３１，３２の定数が変更される。
【００５０】
ここで、１次側共振器１３及び２次側共振器２３は同一形状である。具体的には、各共振器１３，２３において少なくともキャパシタンス及びインダクタンスそれぞれが同一に設定されている。つまり、１次側共振器１３のキャパシタンスと２次側共振器２３のキャパシタンスとは同一に設定されており、１次側共振器１３のインダクタンスと２次側共振器２３のインダクタンスとは同一に設定されている。また、１次側負荷１４の入力インピーダンスＺＬ２（１次側負荷１４及び外部負荷Ｘのインピーダンス）と、２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１とは同一である。
【００５１】
上記構成において、放電時における各インピーダンス変換器３１，３２の定数は、充電時における各インピーダンス変換器３１，３２の定数を入れ替えたものに設定されている。具体的には、第１インピーダンス変換器３１の定数は受電側定数ＺＢに設定され、第２インピーダンス変換器３２の定数は送電側定数ＺＡに設定される。
【００５２】
次に、各コントローラ１６，２９による制御について説明する。
図１に示すように、車両側コントローラ２９は、車両が充放電可能な位置に配置された場合、詳細には１次側共振器１３と２次側共振器２３とが磁場共鳴可能な位置に車両が配置された場合、充放電可能信号を電源側コントローラ１６に送信する。
【００５３】
電源側コントローラ１６は、充放電可能信号を受信した場合に、充放電開始処理を実行する。当該充放電開始処理について図４のフローチャートを用いて説明する。
先ず、ステップＳ１０１にて、電力伝送を開始するか否かを判定する。具体的には、ユーザから電力伝送の開始を指示する指令が入力されたか否かを判定する。なお、上記指令の入力としては、例えば地上側機器１１に入力端末を設け、その入力端末による入力に基づいて判定してもよい。なお、ユーザからの入力に限られず、適宜自動で判定する構成としてもよい。また、車両に設けられたナビゲーション装置等を入力端末として用いてもよい。この場合、入力された情報を電源側コントローラ１６に送信し、その情報に基づいて判定するとよい。
【００５４】
電力伝送を開始する旨の指令がない場合には、そのまま本処理を終了する一方、電力伝送を開始する旨の指令が入力された場合には、ステップＳ１０２に進み、今回の電力伝送が充電／放電のいずれであるかを判定する。この判定は、上記のようにユーザからの入力によって判定してもよいし、時刻等に基づいて自動で判定してもよい。
【００５５】
今回の電力伝送が充電である場合には、ステップＳ１０３に進み、充電経路ＥＬ１を設定する。具体的には、第１インピーダンス変換器３１の接続先が１次側高周波電源１２となるように１次側リレー１５を制御するとともに、充電経路設定情報を車両側コントローラ２９に送信する。車両側コントローラ２９は、充電経路設定情報を受信したことに基づいて２次側リレー２８を制御し、第２インピーダンス変換器３２と２次側負荷２２とを接続させる。
【００５６】
その後、ステップＳ１０４に進み、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を充電用に設定する。詳細には、第１インピーダンス変換器３１の定数を送電側定数ＺＡに設定し、第２インピーダンス変換器３２の定数を受電側定数ＺＢに設定する。
【００５７】
各インピーダンス変換器３１，３２の定数の設定が完了したら、ステップＳ１０５に進み、１次側高周波電源１２から高周波電力が出力されるように当該１次側高周波電源１２を制御して、本処理を終了する。これにより、車載バッテリ２５の充電が開始される。
【００５８】
一方、今回の電力伝送が放電である場合には、ステップＳ１０２からステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では放電経路ＥＬ２を設定する。具体的には、第１インピーダンス変換器３１の接続先が１次側負荷１４となり、第２インピーダンス変換器３２の接続先が２次側高周波電源２７となるように各リレー１５，２８を制御する。
【００５９】
続くステップＳ１０７では、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を放電用に設定する。具体的には、第１インピーダンス変換器３１の定数を受電側定数ＺＢに設定し、第２インピーダンス変換器３２の定数を送電側定数ＺＡに設定する。
【００６０】
そして、ステップＳ１０８にて、２次側高周波電源２７から高周波電力が出力されるように２次側高周波電源２７（詳細にはＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａ）を制御して、本処理を終了する。これにより、車載バッテリ２５の放電が行われる。
【００６１】
本実施形態の非接触電力伝送装置１０の作用について以下に説明する。
充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２が形成されており、両者を切り替えるリレー１５，２８が設けられている。これにより、各リレー１５，２８を切り替えることにより、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２の切替を行うことが可能となっている。
【００６２】
かかる構成において、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２の共通経路ＥＬ３上に、各インピーダンス変換器３１，３２が設けられており、充電時と放電時とで、各インピーダンス変換器３１，３２の定数が変更される。これにより、充電時及び放電時の双方において、受電器として機能している共振器から負荷までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくとともに、所望の電力値の高周波電力が得られるようになっている。
【００６３】
特に、各共振器１３，２３は同一形状である。そして、２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１と１次側負荷１４の入力インピーダンスＺＬ２とが同一に設定されている。このため、充電から放電に切り替わった場合には、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を入れ替えるだけで、充電時と同様の伝送効率及び電力値が得られる。
【００６４】
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２を形成し、これらを切り替えるリレー１５，２８を設けた。これにより、車載バッテリ２５を、車両以外に設けられた他の機器を駆動させるために使用したり、車載バッテリ２５とは別のバッテリ（蓄電装置）を充電するのに使用したりすることができる。よって、車載バッテリ２５を家庭用電源として利用したり、非常時電源として利用したりすることができ、車載バッテリ２５の用途の自由度の向上を図ることができる。
【００６５】
かかる構成において、これらの電力伝送経路ＥＬ１，ＥＬ２上に各インピーダンス変換器３１，３２を設けた。これにより、充電時及び放電時の双方において、インピーダンス変換を行うことができるため、各負荷１４，２２に対して好適に高周波電力を入力させることができる。よって、充電時及び放電時の双方において高い伝送効率と、所望の電力値の高周波電力の出力とを実現することができる。
【００６６】
（２）各インピーダンス変換器３１，３２を、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２の共通経路ＥＬ３上、具体的には各リレー１５，２８の間に設けた。これにより、充電時及び放電時双方において各インピーダンス変換器３１，３２を兼用することができ、構成の簡素化を図ることができる。
【００６７】
（３）電力伝送が行われる経路が切り替わることに応じて、具体的には充電時と放電時とに応じて、各インピーダンス変換器３１，３２において、最適な定数（高い伝送効率を得ることができる定数又は所望の電力値の高周波電力を得ることができる定数）が変化する。これに対して、本実施形態によれば、充電時と放電時とに応じて、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を変更する構成とした。これにより、充電時及び放電時の双方において高い伝送効率と、所望の電力値の高周波電力の出力とを実現することができる。
【００６８】
（４）各共振器１３，２３を同一形状にするとともに、２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１と１次側負荷１４の入力インピーダンスＺＬ２とを同一に設定した。かかる構成において、充電時と放電時とで各インピーダンス変換器３１，３２の定数を入れ替える構成とした。これにより、充電時と放電時とで、同様の伝送効率等が実現される。
【００６９】
また、上記のように入れ替える構成としたことにより、各コントローラ１６，２９は、放電時の最適な定数を算出する必要がなく、更には複数のデータが設定されたテーブルを参照して導出する必要がない。これにより、放電時、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を最適な定数に容易に変更することができる。また、双方向の電力伝送において、比較的簡素な制御によって、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の変更を実現することができ、充放電の切替に要する時間が長くなる事態を回避することができる。
【００７０】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態では、各インピーダンス変換器３１，３２は、共通経路ＥＬ３上に設けられていたが、これに限られず、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２の個別経路上に設けられている構成としてもよい。例えば、１次側高周波電源１２と１次側リレー１５との間や、２次側リレー２８と２次側負荷２２との間に充電用のインピーダンス変換器を設けてもよい。同様に、２次側高周波電源２７と２次側リレー２８との間や、１次側リレー１５と１次側負荷１４との間に放電用のインピーダンス変換器を設けてもよい。但し、構成の簡素化に着目すれば、共通経路ＥＬ３上に各インピーダンス変換器３１，３２を設ける方が好ましい。
【００７１】
○  実施形態では、地上側機器１１及び車両側機器２１は１つであったが、これに限られず、例えばこれらを２つずつ設け、充電用の地上側機器及び車両側機器と、放電用の地上側機器及び車両側機器とを独立させてもよい。この場合、充電経路ＥＬ１と、放電経路ＥＬ２とが独立する。
【００７２】
○  実施形態では、１次側共振器１３及び２次側共振器２３は１つずつであったが、これに限られず、充電経路ＥＬ１を構成する１次側共振器及び２次側共振器と、放電経路ＥＬ２を構成する１次側共振器及び２次側共振器とを、個別に設けてもよい。
【００７３】
○  各インピーダンス変換器３１，３２を、インピーダンス整合させるのに用いてもよい。詳述すると、充電時において、第１インピーダンス変換器３１は、１次側高周波電源１２の出力インピーダンスと、１次側高周波電源１２の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスとが整合するように、１次側共振器１３の入力端から２次側負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換するものであってもよい。
【００７４】
同様に、充電時において、第２インピーダンス変換器３２は、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスと、２次側共振器２３の出力端から１次側高周波電源１２までのインピーダンスとが整合するように、２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１をインピーダンス変換するものであってもよい。
【００７５】
○  なお、上記構成においては、反射波電力、伝送効率等を測定する測定器を設け、その測定器の測定結果に基づいて充電時又は放電時の各インピーダンス変換器３１，３２の定数を設定（算出）する構成としてもよい。この場合、電力伝送の切替に伴い、測定器の測定結果に基づいて設定された各インピーダンス変換器３１，３２の定数を入れ替えるとよい。つまり、測定器の測定結果に基づいていずれか一方の状態における各インピーダンス変換器３１，３２の定数を導出することで、他方の状態の各インピーダンス変換器３１，３２の定数が自ずと導出される。
【００７６】
○  実施形態では、インピーダンス変換器３１，３２はそれぞれ逆Ｌ型及びＬ型であったが、これに限られず、その具体的な構成は任意である。例えば、Ｌ型又は逆Ｌ型のものに対して直列にコンデンサを別途設ける構成としてもよいし、π型、Ｔ型等を用いてもよい。
【００７７】
○  実施形態では、地上側機器１１及び車両側機器２１それぞれにインピーダンス変換器が１つずつ設けられていたが、設けられるインピーダンス変換器の数は１つに限られない。例えば、図５に示すように、１次側高周波電源１２（１次側リレー１５）と１次側共振器１３との間に２つのインピーダンス変換器４１，４２を設けてもよく、２次側共振器２３と２次側負荷２２（２次側リレー２８）との間に、２つのインピーダンス変換器４３，４４を設けてもよい。この場合、１つのインピーダンス変換器を設ける構成と比較して、インピーダンス変換を容易に行うことが可能となる。
【００７８】
詳細には、例えば充電時において、各コイル１３ａ，２３ａの設計値及び各コイル１３ａ，２３ａ間の距離等によっては、特定抵抗値Ｒｏｕｔと２次側負荷２２の入力インピーダンスＺＬ１との差が大きくなる場合がある。また、２次側共振器２３の出力端から２次側負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づいている状況における１次側共振器１３の入力端から２次側負荷２２までのインピーダンスＺｉｎと、充電に適した入力インピーダンスＺｔとの差が大きくなる場合がある。この場合、高耐圧のコイルやコンデンサを用いる必要が生じ得る。このような素子は現実的でない場合があったり、非常にコストが高かったりする場合がある。
【００７９】
これに対して、上記のように地上側機器１１及び車両側機器２１双方において、２つずつインピーダンス変換器を設けることにより、１つのインピーダンス変換器の定数を小さくすることができるため、上記不都合を回避することができる。放電側についても同様である。
【００８０】
○  なお、上記構成においては、充電時と放電時とで、第１インピーダンス変換器４１の定数と第４インピーダンス変換器４４の定数を入れ替えるとともに、第２インピーダンス変換器４２の定数と第３インピーダンス変換器４３の定数とを入れ替える。
【００８１】
○  また、上記構成においては、地上側機器１１及び車両側機器２１双方に２つずつインピーダンス変換器を設けたが、これに限られず、地上側機器１１及び車両側機器２１のいずれか一方に２つのインピーダンス変換器を設けてもよい。
【００８２】
○  さらに、各インピーダンス変換器３１，３２のうちいずれか一方を省略してもよく、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２に１つずつインピーダンス変換器を設ける構成としてもよい。要は、充電経路ＥＬ１及び放電経路ＥＬ２双方に少なくとも１のインピーダンス変換器が設けられていればよい。この場合、上記１のインピーダンス変換器は、地上側と車両側のいずれに設けられていてもよい。
【００８３】
○  実施形態では、各共振器１３，２３には、キャパシタンスが固定値の各コンデンサ１３ｂ，２３ｂが設けられていたが、これらに代えて、キャパシタンスが可変に構成された１次側可変コンデンサ及び２次側可変コンデンサを設ける構成としてもよい。この場合、各コントローラ１６，２９は、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置に応じて、各可変コンデンサのキャパシタンスの可変制御を行う構成とするとよい。
【００８４】
○  なお、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置としては、各コイル１３ａ，２３ａ間の距離だけでなく、各コイル１３ａ，２３ａの軸線方向、各コイル１３ａ，２３ａの重ね合わせの態様等が含まれている。各コイル１３ａ，２３ａの重ね合わせの態様とは、例えば１次側共振器１３及び２次側共振器２３が上下方向に配置される構成においては、上方から見た場合の１次側コイル１３ａ及び２次側コイル２３ａの位置ずれ等が考えられる。ま
た、上記相対位置に応じた上記可変制御としては、例えば上記相対位置に応じて変動する伝送効率の測定結果に基づく上記可変制御等が考えられる。
【００８５】
○  実施形態では、充電時と放電時とで定数を入れ替える構成としたが、これに限られず、各インピーダンス変換器３１，３２の定数をそれぞれ個別に調整する構成としてもよい。要は、充電時と放電時とで、各インピーダンス変換器３１，３２のうち少なくとも１のインピーダンス変換器の定数を変更すればよい。
【００８６】
○  実施形態では、各インピーダンス変換器３１，３２によって、伝送効率の向上と、所望の電力値の高周波電力の出力との双方が実現されていたが、これに限られず、両者のうち少なくとも一方が実現されるように各インピーダンス変換器３１，３２の定数が設定されていてもよい。例えば充電時において、第２インピーダンス変換器３２の定数が受電側定数ＺＢに設定されており、第１インピーダンス変換器３１の定数が送電側定数ＺＡとは異なる値、例えば力率が「０」となる値に設定されていてもよい。また、充電と放電との切替が行われた場合に、各インピーダンス変換器３１，３２のいずれか一方の定数を変更し、他方の定数を変更しない構成としてもよい。
【００８７】
○  実施形態では、車載バッテリ２５を２次側高周波電源２７の一部として用いたが、これに限られない。例えば、車両の内燃機関によって発電する発電装置が設けられている場合には、その発電装置の交流電力を、第２電力伝送経路ＥＬ２を介して地上側機器１１に伝送してもよい。
【００８８】
○  実施形態では、１次側負荷１４には外部負荷Ｘが接続されていたが、これに限られず、地上側機器１１に設けられた所定の機器に接続されている構成としてもよい。
○  なお、外部負荷Ｘは、所定のインピーダンスを有するものであれば任意である。例えば家庭用のバッテリとしてもよく、系統電力に変換する機器であってもよい。
【００８９】
○  実施形態では、各キャパシタ３１ｂ，３２ｂのキャパシタンスが可変となっていたが、これに限られず、各インダクタ３１ａ，３２ａのインダクタンスを可変にしてもよく、双方を可変にしてもよい。
【００９０】
○  実施形態では、充放電開始処理を電源側コントローラ１６が実行する構成としたが、これに限られず、車両側コントローラ２９が実行する構成としてもよい。
○  また、充放電開始処理の具体的な処理内容としては、上記実施形態に限定されるものではなく、今回の電力伝送が充電／放電のいずれかを選択し、その選択された経路を形成し、その選択に応じた各インピーダンス変換器３１，３２の定数の設定を行うといった一連の動作が行われれば、その具体的な処理態様は任意である。
【００９１】
○  １次側高周波電源１２及び２次側高周波電源２７から出力される高周波電力の電圧波形としては、パルス波形、正弦波等任意である。
○  実施形態では、各コンデンサ１３ｂ，２３ｂを設けたが、これらを省略してもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの寄生容量を用いて磁場共鳴させる。
【００９２】
○  実施形態では、１次側共振器１３の共振周波数と２次側共振器２３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。
【００９３】
○  実施形態では、各共振器１３，２３は同一形状であったが、これに限られず、電力伝送に支障が生じない範囲内で異なっていてもよい。
○  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。
【００９４】
○  実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、車両に適用されていたが、これに限られず、他の機器に適用してもよい。例えば、携帯電話のバッテリを充放電するのに適用してもよい。
【００９５】
○  １次側共振器１３と電磁誘導で結合する１次側結合コイルを別途設けてもよい。この場合、１次側結合コイルと第１インピーダンス変換器３１とを接続し、１次側共振器１３は、上記１次側結合コイルから電磁誘導によって高周波電力を受ける構成とする。同様に、２次側共振器２３と電磁誘導で結合する２次側結合コイルを設け、２次側結合コイルを用いて２次側共振器２３から電力を取り出してもよい。
【００９６】
○  １次側高周波電源１２及び２次側高周波電源２７は、電力源、電圧源及び電流源のいずれであってもよい。また、電圧源としては、内部抵抗が無視可能（０Ω）なものであってもよいし、内部抵抗が所定値（例えば５０Ω）となっているものであってもよい。
【００９７】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記１次側コイル及び前記２次側コイルからなる結合系の両側には、電力伝送が行われる経路を、前記第１電力伝送経路と前記第２電力伝送経路とに切り替える一対の切替部が設けられており、
前記共通経路は、前記一対の切替部の間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
【００９８】
なお、実施形態におけるカップラＣが「前記１次側コイル及び前記２次側コイルからなる結合系」に対応する。
（ロ）前記２次側機器は車両に設けられており、
前記２次側負荷には、車載バッテリが含まれており、
前記第１電力伝送経路は、前記車載バッテリの充電に用いられる充電経路であり、
前記第２電力伝送経路は、前記車載バッテリの放電に用いられる放電経路であることを特徴とする請求項１〜４及び技術思想（イ）のうちいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
【符号の説明】
【００９９】
１０…非接触電力伝送装置、１１…地上側機器（１次側機器）、１２…１次側高周波電源、１３…１次側共振器、１３ａ…１次側コイル、１４…１次側負荷、１５…１次側リレー、１６…電源側コントローラ、２１…車両側機器（２次側機器）、２２…２次側負荷、２３…２次側共振器、２３ａ…２次側コイル、２５…車載バッテリ、２７…２次側高周波電源、２８…２次側リレー、２９…電源側コントローラ、３１…第１インピーダンス変換器（１次側インピーダンス変換部）、３２…第２インピーダンス変換器（２次側インピーダンス変換部）、ＥＬ１…充電経路（第１電力伝送経路）、ＥＬ２…放電経路（第２電力伝送経路）、ＥＬ３…共通経路。
【図１】
2014030329.tif 000003
【図２】
2014030329.tif 000004
【図３】
2014030329.tif 000005
【図４】
2014030329.tif 000006
【図５】
2014030329.tif 000007