(57)【要約】【課題】受電装置から送電装置への通信を行うことなく、受電装置の状態に応じて伝送電力を制御する。【解決手段】送電装置は、インバータ回路と、送電共振器と、計測器と、制御回路とを備える。前記計測器は、前記インバータ回路の入力電圧または出力電圧、および前記インバータ回路の入力電流または出力電流を計測する。前記制御回路は、送電中、前記インバータ回路から出力される交流電力の電圧値を第１の電圧値から第２の電圧値に変更し、変更の前後で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第１の計測値および第２の計測値をそれぞれ取得し、前記第１および第２の計測値を用いた演算を含む処理により、第３の電圧値を決定し、前記インバータ回路から前記第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続する。【選択図】図４
2018221532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電共振器を備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置であって、
インバータ回路と、
前記インバータ回路に接続された送電共振器と、
前記インバータ回路に入力される電圧および前記インバータ回路から出力される電圧の一方、ならびに前記インバータ回路に入力される電流および前記インバータ回路から出力される電流の一方を計測する計測器と、
前記インバータ回路を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記インバータ回路から第１の電圧値を有する交流電力を出力させて前記送電共振器から前記受電共振器に送電している状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第１の計測値を取得し、
前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値に変更した状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第２の計測値を取得し、
前記第１および第２の計測値を用いた演算を含む処理により、第３の電圧値を決定し、
前記インバータ回路から前記第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続する、送電装置。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記第１および第２の計測値を用いた前記演算により、前記受電装置の状態を示す１つ以上のパラメータの値を推定し、
前記１つ以上のパラメータの値と、前記インバータ回路から出力すべき電圧の値との対応関係を規定するデータを参照して、推定した前記パラメータの値から、前記第３の電圧値を決定する、請求項１に記載の送電装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記第１および第２の計測値の取得および前記第３の電圧値の決定を、周期Ｔ１ごとに実行し、
前記第１および第２の計測値から推定される前記受電装置の状態を示す前記１つ以上のパラメータの値が、前回推定したときの前記パラメータの値から変化したとき、前記第３の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる値に設定し、
前記パラメータの値が、前回推定したときの前記パラメータの値と同一であるとき、前記第３の電圧値を前記第１の電圧値と同一の値に設定する、請求項２に記載の送電装置。
【請求項４】
前記１つ以上のパラメータは、前記送電共振器に含まれる送電コイルと前記受電共振器に含まれる受電コイルとの間の相互インダクタンス、前記受電共振器から出力される電圧、前記受電共振器から出力される電流、および前記受電共振器から出力される電力の少なくとも１つを含む、請求項２または３に記載の送電装置。
【請求項５】
前記１つ以上のパラメータは、前記相互インダクタンスを含み、
前記第１の計測値から得られる、前記インバータ回路から出力される電圧および電流の実効値を、それぞれＶ10およびＩ10とし、
前記第２の計測値から得られる、前記インバータ回路から出力される電圧および電流の実効値を、それぞれＶ11およびＩ11とし、
前記相互インダクタンスをＬｍとし、
前記送電共振器の抵抗値をＲ１とし、
前記受電共振器の抵抗値をＲ２とし、
前記インバータ回路の駆動角周波数をωとするとき、
前記制御回路は、
【数１】
2018221532.tif 000017
の演算によって前記相互インダクタンスＬｍを推定する、請求項４に記載の送電装置。
【請求項６】
前記１つ以上のパラメータは、前記受電共振器から出力される電圧、および前記受電共振器から出力される電流の少なくとも一方を含み、
前記受電共振器から出力される電圧をＶ２とし、
前記受電共振器から出力される電流をＩ２とするとき、
前記制御回路は、
【数２】
2018221532.tif 000018
または
【数３】
2018221532.tif 000019
の演算によって前記電圧Ｖ２および前記電流Ｉ１の前記少なくとも一方を推定する、請求項５に記載の送電装置。
【請求項７】
前記制御回路は、前記受電装置が前記送電装置に対して移動しているとき、
周期Ｔ１ごとに、前記第１および第２の計測値を用いた前記演算により、前記相互インダクタンスＬｍ、および前記受電共振器から出力される電圧Ｖ２を推定する第１の処理を実行し、
前記周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに、前回の前記第１の処理において推定された前記電圧Ｖ２の値を用いて、
【数４】
2018221532.tif 000020
の演算によって前記相互インダクタンスＬｍを推定する、請求項６に記載の送電装置。
【請求項８】
前記制御回路は、前記受電装置が前記送電装置に対して静止しているとき、
周期Ｔ１ごとに、前記第１および第２の計測値を用いた前記演算により、前記相互インダクタンスＬｍ、および前記受電共振器から出力される電圧Ｖ２を推定する第１の処理を実行し、
前記周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに、前回の前記第１の処理において推定された前記相互インダクタンスＬｍの値を用いて、
【数５】
2018221532.tif 000021
の演算によって前記電圧Ｖ２を推定する、請求項６または７に記載の送電装置。
【請求項９】
前記受電装置が前記送電装置に対して移動しているか否かを検出するセンサをさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１０】
前記受電装置は移動体である、請求項１から９のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１１】
前記インバータ回路は、複数のスイッチング素子を有し、
前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子の各々に、導通／非導通の状態を決定するパルス信号を供給し、前記パルス信号のデューティ比を調整することにより、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧値を制御する、請求項１から１０のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の送電装置と、
前記受電装置と、を備える、無線電力伝送システム。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれかに記載の送電装置における前記制御回路を備える制御装置。
【請求項１４】
受電共振器を備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置において用いられるプログラムであって、
前記送電装置は、
インバータ回路と、
前記インバータ回路に接続された送電共振器と、
前記インバータ回路に入力される電圧および前記インバータ回路から出力される電圧の一方、ならびに前記インバータ回路に入力される電流および前記インバータ回路から出力される電流の一方を計測する計測器と、
前記インバータ回路を制御する制御回路と、を備え、
前記プログラムは、前記制御回路に、
前記インバータ回路から第１の電圧値を有する交流電力を出力させて前記送電共振器から前記受電共振器に送電している状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第１の計測値を取得し、
前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値に変更した状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第２の計測値を取得し、
前記第１および第２の計測値を用いた演算を含む処理により、第３の電圧値を決定し、
前記インバータ回路から前記第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続することを実行させる、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、無線電力伝送システム、ならびに、当該無線電力伝送システムにおいて用いられる送電装置および制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送電装置から受電装置に無線で電力を伝送する無線電力伝送システム（非接触給電システムとも呼ばれる）の開発が進められている。特許文献１および２は、非接触給電システムの例を開示している。特許文献１および２のシステムでは、無線通信を利用して受電装置から送電装置に受電電圧などの情報をフィードバックし、その情報に基づいて送電装置が伝送電力を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１２／０７３３４９号
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２０１４／１４８１４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２に開示された技術では、受電装置から送電装置に情報をフィードバックするための通信が必要である。本開示の実施形態は、そのような通信を行うことなく、受電装置の状態に応じて伝送電力を適切に制御する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の例示的な実施形態における送電装置は、受電共振器を備える受電装置に無線で電力を伝送する。前記送電装置は、インバータ回路と、前記インバータ回路に接続された送電共振器と、前記インバータ回路に入力される電圧および前記インバータ回路から出力される電圧の一方、ならびに前記インバータ回路に入力される電流および前記インバータ回路から出力される電流の一方を計測する計測器と、前記インバータ回路を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記インバータ回路から第１の電圧値を有する交流電力を出力させて前記送電共振器から前記受電共振器に送電している状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第１の計測値を取得し、前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値に変更した状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第２の計測値を取得し、前記第１および第２の計測値を用いた演算を含む処理により、第３の電圧値を決定し、前記インバータ回路から前記第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続する。
また、本開示の例示的な実施形態における無線電力伝送システムは、上述の送電装置と、受電装置とを備える。本開示の例示的な実施形態における制御装置は、上述の送電装置における制御回路を備える。本開示の例示的な実施形態におけるプログラムは、受電共振器を備える受電装置に無線で電力を伝送する送電装置において用いられる。【０００６】
上記の包括的または具体的な態様は、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現され得る。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の実施形態によれば、受電装置から送電装置への通信を行うことなく、受電装置の状態に応じて伝送電力を適切に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の例示的な実施形態における移動体システムの概要を説明するための図である。
【図２】図２は、本開示の例示的な実施形態における移動体２００の一例を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、充電時における送電コイルユニット１０５と受電コイルユニット２０５との配置関係の一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、本開示の例示的な実施形態における移動体システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、インバータ回路１２０および制御回路１４０の構成例を示す図である。
【図６】図６は、制御回路１４０からスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給されるパルス信号、およびインバータ回路１２０から出力される電圧の波形の一例を示す図である。
【図７】図７は、送電共振器１１０および受電共振器２１０の等価回路を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状および配置関係の一例を説明するための斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、送電コイル１１２をＹ方向から見た場合の形状の例を模式的に示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、受電コイル２１２をＹ方向から見た場合の形状の例を模式的に示す図である。
【図９】図９は、整流器２２０、キャパシタ２３０、および蓄電素子２４５の構成例を示す図である。
【図１０】図１０は、送電装置１００が送電を開始する際の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本開示の例示的な実施形態における無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本開示の例示的な実施形態における無線電力伝送システムの他の等価回路を示す図である。
【図１２】図１２は、本開示の例示的な実施形態における送電時の動作を示すフローチャートである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、インバータ回路１２０の出力電圧Ｖ１の時間変化の一例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、インバータ回路１２０の出力電圧Ｖ１の時間変化の他の例を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、２回の計測に基づく推定と、リアルタイム推定とのタイミングの例を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、周期Ｔ２でリアルタイム推定を行って電圧Ｖ１を制御する場合の電圧Ｖ１の時間変化の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、周期Ｔ１ごとに行われる２回の計測による推定と、周期Ｔ２ごとに行われるリアルタイム推定とを組み合わせた動作の一例を示すフローチャートである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、電圧計測器１３０ａが、ＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている例を示す模式図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、電流計測器１３０ｂが、ＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている構成例を示す模式図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、電圧計測器１３０ａおよび電流計測器１３０ｂの両方がＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている例を示す模式図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、キャパシタ２３０と蓄電素子２４５との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０が接続されている例を示す模式図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａの構成における蓄電素子２４５の代わりにモータなどの負荷抵抗２４０が配置されている例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１０】
従来の非接触給電技術では、給電制御のために、受電装置における電圧、電流、電力、またはインピーダンスなどの情報が、無線通信によって送電装置にフィードバックされる。このような無線通信を実現するために、例えばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信を行う機器が、送電装置および受電装置の両方に用いられる。
【００１１】
しかし、受電装置が、例えば工場または道路などで使用される移動体のような装置である場合、通信干渉またはノイズの影響により、送電装置と受電装置との間で無線通信が正常にできない状況が頻繁に生じるおそれがある。無線通信が切断されると、送電装置は、受電装置の情報を得ることができなくなるため、伝送電力を適切に制御することができなくなる。さらに、無線機器は、通信前の接続および認証に時間を要する。接続および認証が確立するまでは、伝送電力を制御することができない。特に、移動中の受電装置に給電する場合、僅かな時間のロスでも、全体の給電時間に占める割合が高くなるため、給電効率が大きく低下する。さらに、無線機器の搭載はコストの増加を招く。
【００１２】
本発明者は、以上の課題を見出し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者は、電力伝送中に、伝送される交流電力の電圧を短い時間間隔で変化させ、変化の前後で計測した送電側の電圧および電流の情報から、コイル間の相互インダクタンスおよび受電電圧などの情報を推定できることを発見した。この発見により、受電装置から送電装置への通信を行うことなく、受電装置の状態を推定し、その状態に応じて伝送電力を適切に制御することが可能になった。
【００１３】
以下、本開示の実施形態の概要を説明する。
【００１４】
本開示の一態様に係る送電装置は、受電共振器を備える受電装置に無線で電力を伝送する。前記送電装置は、インバータ回路と、前記インバータ回路に接続された送電共振器と、計測器と、前記インバータ回路を制御する制御回路とを備える。前記計測器は、前記インバータ回路に入力される電圧および前記インバータ回路から出力される電圧の一方、ならびに前記インバータ回路に入力される電流および前記インバータ回路から出力される電流の一方を計測する。前記制御回路は、以下の動作を行う。（１）前記インバータ回路から第１の電圧値を有する交流電力を出力させて前記送電共振器から前記受電共振器に送電している状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第１の計測値を取得する。（２）前記インバータ回路から出力される前記交流電力の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる第２の電圧値に変更した状態で、前記計測器によって計測された電圧および電流の第２の計測値を取得する。（３）前記第１および第２の計測値を用いた演算を含む処理により、第３の電圧値を決定し、前記インバータ回路から前記第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続する。
【００１５】
上記の構成により、受電装置から送電装置への通信を行うことなく、受電装置の状態の変化に応じて伝送電力を適切に制御することができる。
【００１６】
送電共振器は送電コイルを含み、受電共振器は受電コイルを含む。制御回路は、例えば、第１および第２の計測値を用いた演算により、受電装置の状態を示す１つ以上のパラメータの値を推定する。当該１つ以上のパラメータの値とインバータ回路から出力すべき電圧の値との対応関係を規定するデータを参照して、推定したパラメータの値から、上記第３の電圧値を決定することができる。そのような対応関係を規定するデータは、例えばテーブルまたは数式もしくは関数の形態で、送電装置内のメモリなどの記録媒体に格納される。当該データは、例えば、コイル間の相互インダクタンスまたは受電共振器から出力される電圧と、インバータ回路の出力電圧との対応関係を規定するテーブルであり得る。
【００１７】
制御回路は、第１および第２の計測値の取得および第３の電圧値の決定を、例えば周期Ｔ１ごとに実行する。制御回路は、第１および第２の計測値から推定される受電装置の状態を示す１つ以上のパラメータの値が、前回推定したときの当該パラメータの値から変化したとき、第３の電圧値を前記第１の電圧値とは異なる値に設定する。他方、制御回路は、当該パラメータの値が、前回推定したときの当該パラメータの値と同一であるとき、第３の電圧値を第１の電圧値と同一の値に設定する。各パラメータの値が、前回推定したときの値から変化したか否かは、そのパラメータの前回の値からの差分または変化率が、閾値を上回っているかを判断することで決定することができる。
【００１８】
上記１つ以上のパラメータは、送電共振器に含まれる送電コイルと受電共振器に含まれる受電コイルとの間の相互インダクタンス、受電共振器から出力される電圧、受電共振器から出力される電流、および受電共振器から出力される電力の少なくとも１つを含み得る。これらのパラメータを推定する具体的な処理については、後述する。
【００１９】
受電装置は、例えば移動体である。「移動体」とは、電力によって駆動または充電される可動物体を意味する。移動体は、例えば、無人搬送車（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＡＧＶ）、電気自動車（ＥＶ）、可動ロボット、無人航空機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ  Ａｅｒｉａｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ、所謂ドローン）であり得る。受電装置は、例えば携帯機器のように、自ら移動しない装置であってもよい。
【００２０】
送電装置は、受電装置が送電装置に対して移動しているか否かを検出するセンサを備えていてもよい。そのようなセンサは、例えば可視光または赤外線を利用したセンサであってもよいし、送電装置の回路内の電圧または電流の変化に基づいて受電装置の移動を検出するセンサであってもよい。
【００２１】
計測器は、２回の計測を比較的短い時間内で連続して実行する。例えば、送電コイルと受電コイルとの間の相互インダクタンスが一定であるとみなせる程度の時間間隔で２回の計測が行われる。この時間間隔は、送電中に受電装置が移動する速度が高いほど、短く設定される。計測器は、制御回路の指示に応答して計測するように構成されていてもよいし、一定の短い時間間隔で常時電圧および電流をモニタするように構成されていてもよい。
【００２２】
制御回路は、様々な方法でインバータ回路の出力電圧（以下、「送電電圧」と呼ぶことがある。）を調整することができる。例えばインバータ回路に含まれる複数のスイッチング素子の各々に供給する制御信号のデューティ比、位相、または周波数を変化させたり、インバータ回路に入力される直流電圧を変化させることによって送電電圧を調整することができる。インバータ回路に入力される直流電圧の制御は、送電装置が、インバータ回路と直流電源との間に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータを備える形態において可能である。そのような形態では、制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータに含まれるスイッチング素子のオン／オフを制御することにより、インバータ回路に入力される直流電圧を変化させることができる。
【００２３】
本開示は、上記の制御回路を備える制御装置、および上記の制御回路が実行する動作を規定するコンピュータプログラム（以下、単にプログラムと称する）も含む。そのようなプログラムは、例えば送電装置内のメモリなどの記録媒体に格納され、制御回路に前述の動作を実行させる。
【００２４】
以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。
【００２５】
（実施形態）
＜構成＞
図１は、本実施形態における移動体システムの概要を説明するための図である。移動体システムは、本開示における無線電力伝送システムの一例である。移動体システムは、例えば工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体システムは、少なくとも１つの無線送電装置（以下、単に「送電装置」と称する。）１００と、少なくとも１つの移動体２００とを備える。移動体２００は、受電装置の一例である。移動体２００は、例えば工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する無人搬送車（ＡＧＶ）であり得る。図１には、４台の送電装置１００と４台の移動体２００とが例示されている。送電装置１００および移動体２００の各々の数は４つに限らず、任意である。
【００２６】
送電装置１００は、移動体２００に無線で電力を伝送する。送電装置１００は、交流電力を空間に送出する送電コイルを含む送電コイルユニット１０５を有する。移動体２００は、受電コイルを含む受電コイルユニット２０５を有する。送電コイルと受電コイルとが磁界共振によって結合することにより、送電コイルから受電コイルに電力が無線で伝送される。このように、本実施形態では、磁界共振結合（「磁界共鳴結合」または「共振磁界結合」と呼ばれることもある。）による無線電力伝送が利用される。磁界共振結合方式の無線電力伝送によれば、電磁誘導による方法と比較して、より長距離の電力伝送が可能である。なお、本開示の技術は、磁界共振結合方式に限らず、電磁誘導方式による無線電力伝送にも適用可能である。よって、本開示は、電磁誘導方式による構成も含む。
【００２７】
移動体２００は、キャパシタおよびモータを備える。受電コイルユニット２０５内の受電コイルが受け取った電力は整流され、キャパシタに蓄えられる。キャパシタには、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの大容量かつ低抵抗なキャパシタが用いられ得る。移動体２００は、キャパシタに蓄えられた電力によってモータを駆動して移動することができる。
【００２８】
移動体２００が移動すると、キャパシタの蓄電量（即ち充電量）が低下する。このため、移動を継続するためには、再充電が必要になる。そこで、移動体２００は、移動中に充電量が所定の閾値を下回ると、送電装置１００の近傍まで移動し、充電を行う。図１に示すように、複数の箇所に送電装置１００が設置されていれば、移動体２００は、最も近い送電装置１００の近傍まで移動すればよいので、移動距離を短縮できる。
【００２９】
このようなシステムは、前述のように、例えば工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体２００は、典型的には物品を積載する荷台を有し、工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する台車として機能する。移動体システムは、工場に限らず、例えば店舗、病院、家庭、その他のあらゆる場所で利用され得る。また、移動体２００は、ＡＧＶに限らず、他の産業機械またはサービスロボットであってもよい。移動体２００は、例えば有人の車両、無人航空機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ  Ａｒｉａｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ、所謂ドローン）または掃除ロボットなどの、移動可能な機構を有する任意の機器であり得る。本開示における受電装置は、移動体に限定されない。電力伝送中に送電コイルと受電コイルとの相対位置が変化し得る任意の無線電力伝送システムに、本開示の技術を適用することができる。
【００３０】
図２は、本実施形態における移動体２００の一例を模式的に示す斜視図である。この移動体２００は、側面に設置された受電コイルユニット２０５と、モータによって駆動される駆動輪２０７を含む複数の車輪と、物品を載せる荷台２０６とを備えている。受電コイルユニット２０５は、受電コイルを含む受電共振器を収納している。
【００３１】
図３は、充電時における送電コイルユニット１０５と受電コイルユニット２０５との配置関係の一例を示す斜視図である。図３には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。以下の説明では、図に示された座標系を用いる。ＸＹ面は、水平面または床面に平行であり、移動体２００が前進する方向をＸ軸の正方向、鉛直上方向をＺ軸の正方向とする。
【００３２】
本願の図面に示されている構造物の向きは、説明のわかり易さを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きを制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【００３３】
図３に示されるように、送電コイルユニット１０５における送電コイル１１２は、Ｘ方向に相対的に長くＺ方向に相対的に短くなるように巻かれた導体線（巻線）を有する。受電コイルユニット２０５における受電コイル２１２も同様に、Ｘ方向に長くＺ方向に短くなるように巻かれた導体線（巻線）を有する。図示されるように、本実施形態における送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状およびサイズは非対称である。本実施形態においては、受電コイル２１２の巻線によって規定される領域の大きさは、送電コイル１１２の巻線によって規定される領域の大きさよりも小さい。
【００３４】
電力伝送は、送電コイル１１２と受電コイル２１２とが対向している状態において行われる。より具体的には、送電コイル１１２の巻線によって規定される面と、受電コイル２１２の巻線によって規定される面（図示される例ではいずれもＸＺ面に平行）とが対向している状態で充電が行われる。これらの面が完全に平行である場合に限らず、相互に傾いていても充電は可能である。
【００３５】
本実施形態では、送電コイル１１２がＸ方向に長い形状を有しているため、移動体２００がＸ方向に少しずれたとしても、コイル間の対向状態が維持され、高い効率での電力伝送を維持できる。
【００３６】
移動体２００は、各種のセンサを用いて、自機の位置および向き、ならびに送電コイル１１２の位置および向きを把握することができる。これにより、自機に最も近い送電装置１００を特定し、その送電装置１００の近傍に移動して高効率な電力伝送が可能な姿勢、すなわち、受電コイル２１２が送電コイル１１２に近接して対向する姿勢をとることができる。移動体２００は、最も近い送電装置１００が他の移動体２００に給電中である場合は、次に近い送電装置１００に移動してもよい。
【００３７】
以下、本実施形態の移動体システムの構成をより詳細に説明する。
【００３８】
図４は、本実施形態の移動体システムの構成を示すブロック図である。
【００３９】
送電装置１００は、外部の直流（ＤＣ）電源５０に接続されたインバータ回路１２０と、インバータ回路１２０に接続された送電共振器１１０と、インバータ回路１２０から出力される電圧を計測する電圧計測器１３０ａと、インバータ回路１２０から出力される電流を計測する電流計測器１３０ｂと、インバータ回路１２０を制御する制御回路１４０と、移動体２００の位置および／または動きを検出するセンサ１５０を備えている。送電共振器１１０は、前述の送電コイル１１２を含む。以下の説明において、電圧計測器１３０ａおよび電流計測器１３０ｂをまとめて「計測器１３０」と呼ぶことがある。本実施形態における計測器１３０は、インバータ回路１２０から出力される電圧および電流を計測する。後述するように、電圧計測器１３０ａは、インバータ回路１２０に入力される電圧を計測してもよい。同様に、電流計測器１３０ｂは、インバータ回路１２０に入力される電流を計測してもよい。
【００４０】
移動体（受電装置）２００は、受電共振器２１０と、受電共振器２１０に接続された整流器（整流回路）２２０と、整流器２２０に接続されたキャパシタ２３０と、キャパシタ２３０に接続された蓄電素子２４５とを有している。受電共振器２１０は、前述の受電コイル２１２を含む。蓄電素子２４５は、電気二重層キャパシタまたはバッテリなどを含む。なお、送電装置１００および移動体２００は、図示されていない他の構成要素を備えていてもよい。また、移動体システムは、必ずしも図４に示されている構成要素の全てを備えている必要はなく、適宜省略することが可能である。
【００４１】
以下、各構成要素をより詳細に説明する。
【００４２】
＜ＤＣ電源＞
ＤＣ電源５０は、所定の大きさの直流電圧を出力する電源である。ＤＣ電源５０は、例えば商用交流電力を、送電装置１００の動作電圧をもつ直流電力に変換して出力するコンバータを含み得る。
【００４３】
＜インバータ回路および制御回路＞
インバータ回路１２０は、ＤＣ電源５０から供給された直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路１２０は、例えばフルブリッジインバータ回路であり得る。フルブリッジインバータ回路は、４つのスイッチング素子のスイッチングのタイミングを調整することによって所望の周波数および電圧値の交流電力を出力することができる。各スイッチング素子は、制御回路１４０から供給されるパルス信号に応じて導通および非導通の状態を切替える。
【００４４】
図５は、インバータ回路１２０および制御回路１４０の構成例を示す図である。図５に示されるインバータ回路１２０は、４つのスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４を有するフルブリッジインバータ回路の構成を有する。各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタであり得る。
【００４５】
制御回路１４０は、制御ＩＣ１４２と、ゲートドライバ１４４と、メモリ１４３とを有する。制御ＩＣ１４２は、メモリ１４３に格納された制御プログラムを実行することにより、インバータ回路１２０に出力させる交流電力の電圧（実効値を意味する。以下同じ。）および周波数を決定する。本実施形態では特に、計測器１３０が計測した電圧Ｖ１および電流Ｉ１の値に基づいて、効率が最大になる電圧または周波数が決定される。この動作の詳細は、後述する。ゲートドライバ１４４は、制御ＩＣ１４２が決定した周波数およびデューティ比をもつパルス信号を、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４のゲートに供給する。これにより、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４の導通（オン）／非導通（オフ）の状態が制御される。なお、制御回路１４０の一部または全体は、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）などの集積回路によって実現され得る。
【００４６】
４つのスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４のうち、スイッチング素子Ｇ１およびＧ４がオン（導通状態）のタイミングでは、ＤＣ電源５０から供給された直流電圧と同じ極性の電圧がインバータ回路１２０から出力される。一方、スイッチング素子Ｇ２およびＧ３がオン（導通状態）のタイミングでは、ＤＣ電源５０から供給された直流電圧と逆の極性の電圧がインバータ回路１２０から出力される。制御回路１４０は、各スイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給するパルス信号のタイミングを調整することにより、所望の周波数および電圧の交流電力をインバータ回路１２０に出力させる。
【００４７】
図６は、制御回路１４０からスイッチング素子Ｇ１〜Ｇ４に供給されるパルス信号、およびインバータ回路１２０から出力される電圧の波形の一例を示す図である。図６において、記号ＥはＤＣ電源５０から出力される電圧の大きさを表し、記号Ｔは周期を表している。インバータ回路１２０の出力電圧Ｖ１がＤＣ電源５０の出力電圧の大きさＥと同じになる期間は、デューティ比ｄｉｎｖによって制御される。すなわち、制御回路１４０は、デューティ比ｄｉｎｖを調整することにより、出力電圧Ｖ１を正弦波で近似した交流電圧の振幅および実効値を調整することができる。
【００４８】
なお、インバータ回路１２０は図５に示す構成に限定されない。例えば、ハーフブリッジ型の構成でもよい。その場合でも、２つのスイッチング素子に与えるゲート駆動パルスのタイミングを調整することにより、所望の交流電圧を出力することができる。インバータ回路１２０は、例えば市販の高周波電源装置によって実現され得る。
【００４９】
＜送電共振器および受電共振器＞
図７は、送電共振器１１０および受電共振器２１０の等価回路を示す図である。送電共振器１１０は、送電コイル１１２によるインダクタンス成分（Ｌ１）と、キャパシタンス成分（Ｃ１）と、抵抗成分（Ｒ１）とを有する直列共振回路である。受電共振器２１０は、受電コイル２１２によるインダクタンス成分（Ｌ２）と、キャパシタンス成分（Ｃ２）と、抵抗成分（Ｒ２）とを有する直列共振回路である。キャパシタンス成分（Ｃ１およびＣ２）は、それぞれ、送電コイル１１２および受電コイル２１２の寄生容量成分であってもよいし、別途設けられたキャパシタによるものでもよい。
【００５０】
送電共振器１１０の共振周波数と、受電共振器２１０の共振周波数とは、ほぼ同じ値に設定される。共振周波数は、特に限定されないが、例えば、５キロヘルツ（ｋＨｚ）以上５０メガヘルツ（ＭＨｚ）以下に設定できる。共振周波数は、より好ましくは、１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚである。各共振器は、直列共振回路に限らず、並列共振回路であってもよい。図示されている構成に限らず、例えば特許文献１に開示されているように、送電共振器１１０に電磁誘導によって結合する一次コイルと、受電共振器２１０に電磁誘導によって結合する二次コイルとを設けてもよい。
【００５１】
図８Ａは、送電コイル１１２および受電コイル２１２の形状および配置関係をより詳細に説明するための斜視図である。なお、図８Ａは、図３の例よりも、送電コイル１１２のＹ方向の幅が小さい例を示している。図８Ａに示す二点鎖線は、コイル１１２、２１２によって規定される面の法線を表している。図８Ｂは、送電コイル１１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示している。図８Ｃは、受電コイル２１２をＹ方向から見た場合の形状を模式的に示している。
【００５２】
送電コイル１１２は、第１の導体線で巻かれた巻線であり、横方向に延びる第１の上側部分１１２ａおよび第１の下側部分１１２ｂと、これらを繋ぐ円弧状の２つの部分とを含む。受電コイル２１２は、第２の導体線で巻かれた巻線であり、横方向に延びる第２の上側部分２１２ａおよび第２の下側部分２１２ｂと、これらを繋ぐ円弧状の２つの部分とを含む。
【００５３】
送電コイル１１２の上側部分１１２ａと下側部分１１２ｂとによって規定される第１の矩形面１１２ｃ（図８Ｂ）、および、受電コイル２１２の第２の上側部分２１２ａと第２の下側部分２１２ｂとによって規定される第２の矩形面２１２ｃ（図８Ｃ）は、水平面に対して垂直または傾斜している。受電コイル１１２は、移動体２００の側面に配置され、電力伝送時において、第２の矩形面２１２ｃが送電コイル１１２の第１の矩形面１１２ｃに対向する。
【００５４】
送電コイル１１２および受電コイル２１２は、図示されている形状に限定されない。例えば、各コイルの形状は、矩形（正方形を含む）または楕円形（円形を含む）であってもよい。各コイル１１２、２１２の構造は、適用されるシステムの構成に応じて適宜変形してもよい。例えば、本実施形態では各コイル１１２、２１２は、Ｘ方向に延びた構造を有しているが、必ずしもこのような構造を有している必要はない。また、必ずしも送電コイル１１２が受電コイル２１２よりも大きいサイズを有している必要はない。送電コイル１１２と受電コイルとが同様の構造を有していてもよい。各コイル１１２の構造は、電力伝送が可能である限り、任意である。
【００５５】
＜整流器、キャパシタ、蓄電素子＞
図９は、整流器２２０、キャパシタ２３０、および蓄電素子２４５の構成例を示す図である。
【００５６】
整流器２２０は、図示されるように、ダイオードブリッジおよび平滑コンデンサを含む全波整流回路であり得る。整流器２２０は、他の種類の全波整流回路であってもよいし、半波整流回路であってもよい。整流器２２０は、受電共振器２１０からの交流電力を直流電力に変換して出力する。
【００５７】
キャパシタ２３０は、整流器２２０に並列に接続されている。キャパシタ２３０は、整流器２２０から蓄電素子２４５に供給される直流電圧の変動を緩和して安定化させるために設けられている。キャパシタ２３０は不要であれば省略してもよい。
【００５８】
蓄電素子２４５は、キャパシタ２３０に並列に接続されている。蓄電素子２４５は、例えばキャパシタまたはバッテリである。蓄電素子２４５は、キャパシタおよびバッテリの両方を有していてもよい。キャパシタとしては、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタを用いることができる。電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタは、内部抵抗が小さい（例えば数十ｍΩ）ため、大電流での充放電を低損失で行うことができる。このため、急速な充電が可能である。また、他の種類のキャパシタと比較して静電容量が大きいため、比較的長時間の連続放電が可能である。バッテリとして、例えばリチウムイオンバッテリなどの、エネルギ密度および充放電効率の高い二次電池を用いることができる。
【００５９】
＜センサ＞
センサ１５０は、移動体２００の位置または動きを検出する。センサ１５０は、例えば光（可視光または近赤外線）を利用したセンサであり得る。センサ１５０は、計測器１３０の出力に基づいて移動体２００の移動を検出するように構成されていてもよい。計測器１３０によって計測される電圧および電流の少なくとも一方の時間変化に基づいて、移動体２００が移動しているか否かを判断することができる。
【００６０】
＜動作＞
次に、送電装置１００の動作を説明する。
【００６１】
図１０は、送電装置１００が送電を開始する際の動作の一例を示すフローチャートである。この例における送電装置１００の制御回路１４０は、電源が投入されると、微弱な送電を行い、受電装置である移動体２００を検出する動作を実行する。移動体２００が近傍に検出されると、制御回路１４０は、移動体２００への給電を開始する。
【００６２】
図１０の例において、制御回路１４０は、電圧Ｖ１を微小な値に設定して微弱送電を開始する（ステップＳ１１）。その状態で、計測器１３０は、インバータ回路１２０から出力される電圧Ｖ１および電流Ｉ１を計測する（ステップＳ１２）。制御回路１４０は、Ｖ１およびＩ１の値に基づいて、移動体２００が受電可能な位置に存在するかを判断する（ステップＳ１３）。移動体２００が受電可能な位置に存在しない場合（ステップＳ１４におけるＮｏ）、制御回路１４０は微弱送電を停止する（ステップＳ１５）。制御回路１４０は、時間Ｔ０が経過した後（ステップＳ１６におけるＹｅｓ）、再度ステップＳ１１の動作を実行する。移動体２００が受電可能な位置に存在する場合（ステップＳ１４におけるＹｅｓ）、制御回路１４０は、出力電圧Ｖ１を増加させて移動体２００への給電を開始する。
【００６３】
ステップＳ１３における受電装置の検出は、例えば、Ｖ１の値に依存する所定の基準値と、Ｉ１の値との差が閾値を超えているか否かに基づいて判断され得る。移動体２００の接近に伴い、送電コイルと受電コイルとの相互インダクタンスが増加する。その影響により、送電装置１００の回路内を流れる電流が変化する。その電流の変化に基づいて、移動体２００の接近を検知できる。
【００６４】
図１０の例では、送電装置１００の回路内の電流および電圧に基づいて移動体２００（受電装置）の接近が検知される。このような検知の方法以外にも、例えばセンサ１５０（図４参照）を利用して移動体２００の接近を検知してもよい。
【００６５】
＜受電装置の状態の推定＞
本実施形態における送電装置１００は、移動体２００への給電中に、移動体２００から送信される情報を利用することなく、移動体２００の状態を推定し、その状態に応じて伝送電力を適切に制御することができる。以下、その方法を具体的に説明する。
【００６６】
以下の説明において、移動体２００の状態を示す情報またはパラメータを「受電パラメータ」と称することがある。受電パラメータは、例えば、コイル間の相互インダクタンス、受電装置の回路内における電流、電圧、電力、インピーダンスのうちの少なくとも１つを含み得る。
【００６７】
図１１Ａは、本実施形態における無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。図１１Ａに示す等価回路は、図１１Ｂのようにも表すことができる。図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、送電共振器１１０に接続されたインバータ回路１２０などの構成要素（図４参照）は、まとめて１つの交流電源として表されている。また、受電共振器２１０に接続された整流器２２０などの構成要素は、まとめて１つの負荷として表されている。負荷の抵抗値をＲＬとする。受電共振器２１０に接続される整流回路などの構成要素は、実際には抵抗成分に加えてリアクタンス成分も有する。しかし、図１１Ａおよび図１１Ｂでは、簡単のため、リアクタンス成分を無視し、負荷を抵抗として表している。伝送される交流電力の角周波数をωとし、相互インダクタンスをＬｍとする。角周波数ωは、インバータ回路１２０の駆動角周波数と同じである。
【００６８】
以下の説明では、交流電圧および交流電流をフェーザ（ｐｈａｓｏｒ）表示で表す。つまり、電圧および電流を複素数として扱う。フェーザ表示において、電圧および電流の絶対値は、それぞれの実効値を表す。
【００６９】
交流電源の電圧および電流のフェーザ表示を、それぞれｖ１およびｉ１とする。交流電源の電圧および電流の実効値を、それぞれＶ１およびＩ１とすると、Ｖ１＝｜ｖ１｜およびＩ１＝｜ｉ１｜である。同様に、負荷の電圧および電流のフェーザ表示を、それぞれｖ２およびｉ２とすると、Ｖ２＝｜ｖ２｜およびＩ２＝｜ｉ２｜である。
【００７０】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示される電圧ｖ１および電流ｉ１は、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧ｖ１および電流ｉ１をそれぞれ表す。負荷に入力される電圧ｖ２および電流ｉ２は、受電共振器２１０から出力される電圧および電流をそれぞれ表す。
【００７１】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示す等価回路の回路方程式より、ｖ１、ｉ１、ｖ２、およびｉ２は、以下の式（１）および（２）を満たす。
【数１】
2018221532.tif 000003
【数２】
2018221532.tif 000004
ここで、ｊは虚数単位である。
【００７２】
以下の説明では、ωが共振角周波数ω０＝１／（Ｌ１Ｃ１）１／２＝１／（Ｌ２Ｃ２）１／２に等しいものとする。ただし、共振条件ω＝ω０が満たされていなくても、ωとω０とのずれが小さければ、以下の議論は有効である。例えば、｜ω−ω０｜／ω０の値が０．０５以下であれば、以下の議論は十分に有効である。
【００７３】
ｖ２＝ＲＬｉ２を式（２）に代入すると、共振条件ωＬ２＝１／ωＣ２から、ｉ２＝ｊ｛ωＬｍ／（Ｒ２＋ＲＬ）｝ｉ１が得られる。この式は、ｉ２の位相がｉ１の位相よりも９０°進むことを示している。この式を用いて式（１）からｉ２を消去すると、ｖ１＝｛Ｒ１／ω２Ｌｍ２／（Ｒ２＋ＲＬ）｝ｉ１が得られる。この式は、ｖ１およびｉ１が、同じ位相を有することを示している。また、ｖ２＝ＲＬｉ２から、ｖ２およびｉ２は、同じ位相を有する。これらの位相関係から、共振条件下では、ｖ１＝Ｖ１ｅｊθ、ｉ１＝Ｉ１ｅｊθ、ｖ２＝ｊＶ２ｅｊθ、およびｉ２＝ｊＩ２ｅｊθと表すことができる。ここでθは位相を表す。これらのｖ１、ｉ１、ｖ２、およびｉ２を式（１）および（２）に代入すると、Ｖ１、Ｉ１、Ｖ２、およびＩ２は、実数のみを含む以下の式（３）および（４）を満たす。
【数３】
2018221532.tif 000005
【数４】
2018221532.tif 000006
【００７４】
式（３）および（４）を解くと、以下の式（５）および（６）が得られる。
【数５】
2018221532.tif 000007
【数６】
2018221532.tif 000008
【００７５】
電圧の実効値Ｖ１は、例えば、送電装置１００における電圧計測器１３０ａによって計測された電圧のリアルタイムの波形を積分することによって得られる。同様に、電流の実効値Ｉ１は、送電装置１００における電流計測器１３０ｂによって計測された電流のリアルタイムの波形を積分することによって得られる。
【００７６】
式（５）および（６）において、Ｖ２、Ｉ２およびＬｍの３つの未知のパラメータが存在する。式の数が未知のパラメータの数よりも少ないため、このままでは、Ｖ２、Ｉ２およびＬｍを計算することはできない。
【００７７】
そこで、本実施形態における送電装置１００は、送電中に、送電電圧の値を変化させ、変化の前後で電圧および電流を計測する。２回の計測によって得られた電圧および電流の値から、Ｌｍ、Ｖ２、Ｉ２の少なくとも１つを推定することができる。以下、この推定方法をより具体的に説明する。
【００７８】
制御回路１４０は、送電中、インバータ回路１２０を駆動して送電コイル１１２から受電コイル１２２に送電する。この状態を第１の状態と称する。制御回路１４０は、第１の状態において、計測器１３０ａ、１３０ｂによってそれぞれ計測された電圧および電流の計測値を取得する。この計測値を第１の計測値と称する。次に、制御回路１４０は、インバータ回路１２０から出力される電圧の値を、第１の状態における電圧値とは異なる第２の値に変更する。この状態を第２の状態と称する。制御回路１４０は、第２の状態において、計測器１３０ａ、１３０ｂによってそれぞれ計測された電圧および電流の計測値を取得する。この計測値を第２の計測値と称する。
【００７９】
第１の計測値の取得から第２の計測値の取得までの時間が十分に短ければ、蓄電素子２４５の電圧Ｖ２の変化は小さい。例えば、第１の計測値の取得から第２の計測値の取得までの時間が０．１秒以下である場合、電圧Ｖ２の変動を０．１Ｖ以下に抑えることができる。このような場合、上記の２回の計測において、Ｖ２は一定であると仮定できる。
【００８０】
第１の計測値から得られる、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧および電流の実効値を、それぞれＶ１０およびＩ１０とする。第２の計測値から得られる、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧の実効値および電流の実効値を、それぞれＶ１１およびＩ１１とする。Ｖ２が一定であると仮定すると、式（５）から、以下の式（７）および（８）が得られる。
【数７】
2018221532.tif 000009
【数８】
2018221532.tif 000010
【００８１】
また、式（６）から以下の式（９）が得られる。
【数９】
2018221532.tif 000011
【００８２】
式（７）から（９）を用いることにより、Ｖ２、Ｉ２およびＬｍの３つの未知のパラメータを計算することができる。
【００８３】
式（７）および（８）からＶ２を消去すると、以下のＬｍの推定式（１０）が得られる。
【数１０】
2018221532.tif 000012
【００８４】
他方、式（７）から以下のＶ２の推定式（１１）が得られる。
【００８５】
【数１１】
2018221532.tif 000013
【００８６】
さらに、式（９）および（１１）から以下のＩ２の推定式（１２）
が得られる。
【数１２】
2018221532.tif 000014
【００８７】
制御回路１４０は、式（１０）から（１２）の演算によって相互インダクタンスＬｍ、受電電圧Ｖ２、および受電電流Ｉ２を推定することができる。これにより、送電装置１００および移動体２００の間で通信することなく、送電装置１００における電圧および電流の情報から、受電装置のパラメータを推定することができる。
【００８８】
制御回路１４０は、推定した受電装置のパラメータに基づいて、例えばＶ２およびＩ２の一方または両方が所望の値になるように、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧値（第３の電圧値）を決定し、決定した電圧値で送電を継続する。これにより、移動体２００が送電中に移動する場合でも、給電を最適化することができる。例えば、伝送効率の低下を抑制したり、給電を安定化したりすることができる。
【００８９】
図５に示すメモリ１４３には、Ｌｍ、Ｖ２、Ｉ２の少なくとも１つのパラメータと、インバータ回路１２０から出力されるべき電圧Ｖ１との対応関係を規定するテーブルまたは数式などのデータが予め格納されている。制御回路１４０は、当該データを参照することにより、推定したパラメータから、電圧Ｖ１の変更後の値を決定することができる。当該データは、第１の計測値から得られる電圧Ｖ１０および電流Ｉ１０と、第２の計測値から得られる電圧Ｖ１１および電流Ｉ１１との組み合わせと、送電すべき電圧Ｖ１との対応関係を規定していてもよい。その場合には、制御回路１４０は、式（１０）から（１２）の演算を行うことなく、当該データを参照することにより、Ｖ１０、Ｉ１０、Ｖ１１、Ｉ１１の組み合わせから送電すべき電圧Ｖ１を決定することができる。
【００９０】
制御回路１４０は、当該データを参照して、第１の計測値から得た電圧の実効値Ｖ１０および電流の実効値Ｉ１０と、第２の計測値から得た電圧の実効値Ｖ１１および電流の実効値Ｉ１１との組み合わせから、相互インダクタンスＬｍなどの受電パラメータを推定する。
【００９１】
メモリ１４３には、移動体２００における電圧Ｖ２と、蓄電素子２４５の充電量との関係を規定するデータが格納されていてもよい。制御回路１４０は、当該データを参照して、電圧Ｖ２から蓄電素子２４５の充電量を推定することができる。制御回路１４０は、充電量が基準値以上であれば、送電装置１００から移動体２００への給電を停止する、といった制御を行うことができる。
【００９２】
制御回路１４０は、受電パラメータを、例えば周期Ｔ１ごとに推定する。周期Ｔ１は、例えば数ミリ秒（ｍｓ）から数秒程度の範囲の値に設定され得る。ある例において、周期Ｔ１は１００ｍｓ程度の時間に設定され得る。制御回路１４０は、パラメータの推定値が、前回推定したときの値から変化した場合には、インバータ回路１２０から出力される電圧Ｖ１を変化させ、それ以外の場合には、電圧Ｖ１を維持する。パラメータの推定値が変化したか否かは、今回の推定値と前回の推定値との差または変化率が、所定の閾値を超えているか否かによって決定され得る。例えば、制御回路１４０は、推定した相互インダクタンスＬｍなどのパラメータの値と、前回推定したときの同じパラメータの値との差または変化率が閾値を超えている場合のみ、電圧Ｖ１を変化させる。
【００９３】
以下、図１２を参照しながら、本実施形態における送電時のパラメータ推定処理を説明する。図１２は、本実施形態における送電時の動作を示すフローチャートである。制御回路１４０は、受電装置の状態を推定する際、まず、インバータ回路１２０に第１の電圧値を有する交流電力を出力させる（ステップＳ１０１）。第１の電圧値は、本実施形態では、既に行っている送電中の交流電圧の実効値である。制御回路１４０は、その状態で計測器１３０によって計測された第１の計測値を取得する（ステップＳ１０２）。第１の計測値は、前述のＶ１０およびＩ１０に相当する。Ｖ１０およびＩ１０は実効値であるため、計測器１３０から出力される計測値が瞬時値である場合、制御回路１４０は、必要な演算を行って電圧の実効値Ｖ１０および電流の実効値Ｉ１０を得る。
【００９４】
次に、制御回路１４０は、インバータ回路１２０に、第１の電圧値とは異なる第２の電圧値を有する交流電力を出力させる（ステップＳ１０３）。つまり、送電電圧Ｖ１をそれまでの第１の電圧値とは異なる第２の電圧値に変更する。第２の電圧値は、第１の電圧値との差が、ノイズ成分の大きさよりも大きくなる値に設定される。例えば、第２の電圧値は第１の電圧値の半分程度の値に設定され得る。第２の電圧値は第１の電圧値よりも大きい値に設定されてもよい。
【００９５】
制御回路１４０は、その状態で、電圧および電流の第２の計測値を取得する（ステップＳ１０４）。第２の計測値は、前述のＶ１１およびＩ１１に相当する。Ｖ１１およびＩ１１は実効値であるため、計測器１３０から出力される計測値が瞬時値である場合、制御回路１４０は、必要な演算を行って電圧の実効値Ｖ１１および電流の実効値Ｉ１１を得る。
【００９６】
次に、制御回路１４０は、第１の計測値（Ｖ１０、Ｉ１０）および第２の計測値（Ｖ１１、Ｉ１１）を用いた演算により、受電装置の状態を示すパラメータＬｍ、Ｖ２、Ｉ２を計算する（ステップＳ１０５）。この計算は、前述の式（１０）〜（１２）を用いて行われる。続いて制御回路１４０は、メモリ１４３に格納されたテーブル等のデータを参照して、推定したパラメータＬｍ、Ｖ２、Ｉ２の値から、インバータ回路１２０に出力させる交流電力の第３の電圧値を決定する（ステップＳ１０６）。制御回路１４０は、インバータ回路１２０に、第３の電圧値を有する交流電力を出力させて送電を継続する（ステップＳ１０７）。その後、制御回路１４０は、前回の計測から時間Ｔ１が経過したかを判断する（ステップＳ１０８）。時間Ｔ１が経過した場合、再びステップＳ１０２からＳ１０７の動作が実行される。この際、先の第３の電圧値は、新たな第１の電圧値として扱われる。各回の処理における第１から第３の電圧値は、前回の値とは異なる値であり得る。
【００９７】
第３の電圧値は、推定したパラメータＬｍ、Ｖ２、Ｉ２の値が前回の値から変化していない場合、第１の電圧値と同一の値に設定される。他方、推定したパラメータＬｍ、Ｖ２、Ｉ２の値が前回の値から変化している場合、第３の電圧値は第１の電圧値とは異なる値に設定される。
【００９８】
図１３Ａは、インバータ回路１２０の出力電圧Ｖ１の時間変化の一例を示す図である。図１３Ａの例では、１回目の推定の後には電圧Ｖ１は変化していない、すなわち、第３の電圧値は第１の電圧値と同じ値に設定されている。他方、２回目および３回目の推定の後には電圧Ｖ１が変化している、すなわち、第３の電圧値は第１の電圧値とは異なる値に設定されている。
【００９９】
図１３Ａに示すように、ステップＳ１０２における第１の計測値（Ｖ１０、Ｉ１０）の取得に要する時間をｔａとする。ステップＳ１０４における第２の計測値（Ｖ１１、Ｉ１１）の取得に要する時間をｔｂとする。ステップＳ１０５およびＳ１０６におけるパラメータ推定および第３の電圧値の決定に要する時間をｔｃとする。図１３Ａの例では、第１の計測値を取得した後、第３の電圧値を決定するまでの時間ｔｂ＋ｔｃにおいて、制御回路１４０は、電圧Ｖ１を第２の電圧値に設定している。この例に限定されず、制御回路１４０は、第２の計測値を取得した後、電圧Ｖ１を第１の計測値に一旦戻してからステップＳ１０５およびＳ１０６の動作を行ってもよい。図１３Ｂは、そのような動作の例を示している。図１３Ｂに示す例では、電圧Ｖ１が第２の計測値に設定される時間はｔｂであり、その後の時間ｔｃにおいて、受電装置のパラメータの推定および第３の電圧値の決定が行われる。
【０１００】
上記の推定方法は、移動体２００への給電開始時および給電中のいずれにおいても適用できる。
【０１０１】
＜受電パラメータのリアルタイム推定＞
上記の例では、例えば図１３Ａに示すように、２回の計測による受電パラメータの推定から、再び２回の計測が始まるまで、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧値は一定に保たれる。より短い周期Ｔ１で受電パラメータを推定して、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧値を変更すれば、移動体２００の動作を、よりきめ細かに制御することができる。しかし、２回の計測および受電パラメータの推定には、ｔａ＋ｔｂ＋ｔｃの時間を要する。また、頻繁に第２の状態にすると、移動体２００の動作に影響を与える可能性がある。
【０１０２】
そこで、２回の計測による受電パラメータの推定は比較的長い周期Ｔ１で行い、さらに短い周期Ｔ２で、１回の計測による受電パラメータの推定を行ってもよい。周期Ｔ２は周期Ｔ１よりも短く、例えばＴ２／Ｔ１は、１／１０００以上１／１０以下に設定され得る。Ｔ１は、例えばＴ２の整数倍であり得る。ある例では、周期Ｔ１は１００ｍｓ程度であり、周期Ｔ２は１ｍｓ程度に設定される。以下の説明において、周期Ｔ２のような十分に短い時間間隔で行われる受電パラメータの推定を、リアルタイム推定と称する。
【０１０３】
図１４Ａは、２回の計測に基づく推定と、リアルタイム推定とのタイミングの例を示す図である。図１４Ａにおいて、２回の計測に基づく推定を推定１と称し、１回の計測に基づく推定（リアルタイム推定）を推定２と称している。図示されるように、推定２は、推定１よりも高い頻度で実行される。
【０１０４】
リアルタイム推定においては、送電中に移動体２００が移動している場合と静止している場合とで異なる方法が適用される。移動体２００が移動している場合、送電コイルと受電コイルとの相対位置が変化するため、相互インダクタンスＬｍが変化し得る。一方、時間Ｔ２の間に受電電圧Ｖ２は大きくは変化しない。そこで、式（５）を変形した以下の式（１３）を用いて、Ｖ２が一定であるものとして、相互インダクタンスＬｍだけをリアルタイムに推定することができる。
【数１３】
2018221532.tif 000015
【０１０５】
式（１３）において、Ｖ１およびＩ１は、計測器１３０ａ、１３０ｂによるリアルタイムの計測から得られる。Ｖ２は、リアルタイム推定を行う前に、式（１１）の演算によって得られた値である。制御回路１４０は、周期Ｔ２ごとに、式（１３）を用いて、Ｌｍをリアルタイムに推定することができる。この場合、変化の小さいＶ２は周期Ｔ１ごとに推定され、変化の大きいＬｍは、より短い周期Ｔ２ごとに推定される。
【０１０６】
この例では、制御回路１４０は、受電装置が送電装置１００に対して移動しているとき、周期Ｔ１ごとに、第１および第２の計測値を用いた演算により、相互インダクタンスＬｍ、および受電コイルから出力される電圧Ｖ２を推定する第１の処理を実行する。そして、周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに、前回の第１の処理において推定された電圧Ｖ２の値を用いて、式（１３）の演算によって相互インダクタンスＬｍを推定する。受電装置が送電装置１００に対して移動していることは、センサ１５０によって検出することができる。
【０１０７】
送電中に移動体２００が停止している場合には、相互インダクタンスＬｍは変化しないが、受電電圧Ｖ２は変化し得る。特に、送電開始時に蓄電素子２４５における充電量がほぼゼロである場合、Ｖ２は大きく変化し得る。そこで、移動体２００が停止している場合には、Ｌｍが一定であるものとして、式（１１）と同じ以下の式（１４）を用いて、Ｖ２だけをリアルタイムに推定することができる。
【数１４】
2018221532.tif 000016
【０１０８】
式（１４）において、Ｖ１およびＩ１は、計測器１３０ａ、１３０ｂによるリアルタイムの計測から得られる。Ｌｍは、リアルタイム推定を行う前に、式（１０）の演算によって得られた値である。制御回路１４０は、周期Ｔ２ごとに、式（１４）を用いて、Ｖ２をリアルタイムに推定することができる。この場合、変化の小さいＬｍは周期Ｔ１ごとに推定され、変化の大きいＶ２は、より短い周期Ｔ２ごとに推定される。
【０１０９】
この例では、制御回路１４０は、受電装置が送電装置１００に対して静止しているとき、周期Ｔ１ごとに、第１および第２の計測値を用いた演算により、相互インダクタンスＬｍ、および前記受電コイルから出力される電圧Ｖ２を推定する第１の処理を実行する。そして、制御回路１４０は、周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに、前回の第１の処理において推定された相互インダクタンスＬｍの値を用いて、式（１４）の演算によって前記電圧Ｖ２を推定する。受電装置が送電装置１００に対して静止していることは、センサ１５０によって検出することができる。
【０１１０】
このように、リアルタイム推定では、Ｌｍ、Ｖ２およびＩ２などの受電パラメータのうち、変化の小さいパラメータは一定であると仮定し、それ以外の変化の大きいパラメータは、リアルタイムに推定される。変化の小さいパラメータには、リアルタイム推定の開始前に行われた２回の計測による推定パラメータが用いられる。
【０１１１】
図１４Ｂは、周期Ｔ２でリアルタイム推定を行って電圧Ｖ１を制御する場合の電圧Ｖ１の時間変化の一例を示す図である。図示されるように、この例における制御回路１４０は、リアルタイム推定によって推定した受電パラメータに基づいて、周期Ｔ２ごとに、インバータ回路１２０から出力される交流電力の電圧値を決定する。制御回路１４０は、前回推定したパラメータと、新しく推定したパラメータとの差または変化率が所定の値を超えたとき、電圧Ｖ１を変更する。これにより、移動体２００の動作を、よりきめ細かに制御することができる。
【０１１２】
図１５は、周期Ｔ１ごとに行われる２回の計測による推定と、周期Ｔ２ごとに行われるリアルタイム推定とを組み合わせた動作の一例を示すフローチャートである。図１５におけるステップＳ２０２からＳ２０５は、２回の計測に基づく推定処理を示している。ステップＳ２１１からＳ２１４は、リアルタイム推定処理を示している。
【０１１３】
この例における制御回路１４０は、周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに、ステップＳ２１１からＳ２１４のリアルタイム推定処理を実行する。制御回路１４０は、ステップＳ２１１において、前回のリアルタイム推定処理の開始から時間Ｔ２が経過したかを判断する。この判断がＹｅｓの場合、制御回路１４０は、ステップＳ２１２において、計測器によって計測された電圧および電流の計測値Ｖ１、Ｉ１を取得する。ステップＳ２１３において、制御回路１４０は、受電パラメータを推定する。前述のように、移動体２００が移動している場合は受電電圧Ｖ２が一定であると仮定し、式（１３）の演算によって相互インダクタンスＬｍを推定する。逆に、移動体２００が静止している場合は、相互インダクタンスＬｍが一定であると仮定し、式（１４）の演算によって受電電圧Ｖ２を推定する。制御回路１４０は、ステップＳ２１４において、推定した受電パラメータに基づいて、テーブルなどを参照して、次に設定すべき送電電圧Ｖ１の値を決定する。
【０１１４】
制御回路１４０は、前回のステップＳ２０２から時間Ｔ１が経過するまで、ステップＳ２１１からＳ２１４を繰り返す。時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ２０２からＳ２０５を実行し、送電電圧Ｖ１の更新値を決定する。ステップＳ２０２からＳ２０５の処理は、図１２を参照して説明した処理と同様であるため、説明を省略する。
【０１１５】
以上の動作により、送電中に受電装置との間で通信を行うことなく、受電パラメータの推定を高い頻度で行うことができる。
【０１１６】
＜電流および電圧の変換＞
上記の推定方法において用いられる電圧の実効値Ｖ１および電流の実効値Ｉ１は、角周波数ωを有する正弦波信号の実効値である。しかし、インバータ回路１２０から出力される電圧は正弦波とは限らず、矩形波の場合もある。そのような場合、制御回路１４０は、計測器１３０によって計測された値を適宜変換した上で前述の演算を行う。
【０１１７】
インバータ回路１２０から出力される電圧の波形は、矩形波であり得る。一方、インバータ回路１２０から出力される電流の波形は、ほぼ正弦波であると考えることができる。上記電圧が、最大値Ｖ１ｍおよび最小値−Ｖ１ｍを有する周期２π／ωの矩形波であるものとする。計測器１３０ａから得られる電圧の実効値をＶ１ｍとし、計測器１３０ｂから得られる電流の実効値をＩ１ｍとする。
【０１１８】
矩形波の電圧の実効値Ｖ１ｍを、正弦波の電圧の実効値Ｖ１としてそのまま用いることはできない。矩形波をフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）級数展開し、角周波数ωの正弦波の成分を有する項２１／２Ｖ１×ｓｉｎ（ωｔ＋θ）の係数Ｖ１を導出することが必要である。これにより、Ｖ１＝（（２×２１／２）／π）Ｖ１ｍとすればよいことがわかる。一方、インバータ回路１２０から出力される電流は正弦波として扱えることから、Ｉ１＝Ｉ１ｍとすることができる。
【０１１９】
受電装置における、蓄電素子１４５の直流電圧値Ｖ２ｄｃおよび直流電流値Ｉ２ｄｃと、受電共振器からの出力電圧の実効値Ｖ２および出力電流の実効値Ｉ２との換算について説明する。
【０１２０】
図４および図９に示すように、受電共振器２１０から出力された交流電力は、整流器２２０およびキャパシタ２３０を介して、直流電力として蓄電素子２４５に蓄電される。蓄電素子２４５において、直流電圧値は、Ｖ２ｄｃ＝（π／（２×２１／２））Ｖ２と推定され、直流電流値は、Ｉ２ｄｃ＝（（２×２１／２）／π）Ｉ２と推定される。したがって、Ｖ２、Ｉ２ではなく、Ｖ２ｄｃ、Ｉ２ｄｃを推定して送電制御を行う場合、制御回路１４０は、上記の式に基づいて、Ｖ２、Ｉ２を、Ｖ２ｄｃ、Ｉ２ｄｃに変換すればよい。
【０１２１】
計測器１３０ａ、１３０ｂの配置、または蓄電素子２４５の部分構成が本実施形態における構成とは異なっていてもよい。その場合でも、計測された電圧の実効値および電流の実効値を、適切な式を用いて換算することにより、本実施形態における処理を適用することができる。
【０１２２】
図１６Ａから図１６Ｃは、電圧計測器１３０ａおよび電流計測器１３０ｂの配置の他の例を示している。図１６Ａは、電圧計測器１３０ａが、ＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている例を示す模式図である。図１６Ｂは、電流計測器１３０ｂがＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている例を示す模式図である。図１６Ｃは、電圧計測器１３０ａおよび電流計測器１３０ｂの両方がＤＣ電源５０とインバータ回路１２０との間に接続されている例を示す模式図である。
【０１２３】
図１６Ａの例では、電圧計測器１３０ａは、インバータ回路１２０に入力される電圧を計測する。電圧計測器１３０ａから得られる電圧の実効値Ｖ１ｍを用いて、インバータ回路１２０から出力される交流電圧の実効値は、Ｖ１＝（（２×２１／２）／π）Ｖ１ｍの演算によって得ることができる。
【０１２４】
図１６Ｂの例では、電流計測器１３０ｂは、インバータ回路１２０に入力される電流を計測する。電流計測器１３０ｂから得られる電流の実効値Ｉ１ｍを用いて、インバータ回路１２０から出力される交流電流の実効値は、Ｉ１＝（π／（２×２１／２））Ｉ１ｍの演算によって得ることができる。
【０１２５】
図１６Ｃの例では、電圧計測器１３０ａおよび電流計測器１３０ｂは、インバータ回路１２０に入力される電圧および電流をそれぞれ計測する。この例では、インバータ回路１２０から出力される交流電圧の実効値はＶ１＝（（２×２１／２）／π）Ｖ１ｍの演算によって得られ、交流電流の実効値はＩ１＝（π／（２×２１／２））Ｉ１ｍの演算によって得ることができる。
【０１２６】
図１７Ａは、キャパシタ２３０と蓄電素子２４５との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０が接続されている例を示す模式図である。図１７Ｂは、図１７Ａの構成における蓄電素子２４５の代わりにモータなどの負荷抵抗２４０が配置されている例を示す模式図である。これらの例において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０から出力される直流電力の電圧および電流に基づいて送電制御を行ってもよい。その場合、制御回路１４０は、前述の処理によって計算したＶ２、Ｉ２の値から、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０から出力される電圧および電流を計算する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５０のデューティ比Ｄが一定の場合、蓄電素子２４５、または負荷抵抗２４０において、直流電圧値は、Ｖ２ｄｃ＝（π／（２×２１／２））Ｖ２Ｄと推定される。直流電流値は、Ｉ２ｄｃ＝（（２×２１／２）／π）Ｉ２／Ｄと推定される。
【０１２７】
＜効果＞
本実施形態によれば、受電装置から送電装置１００への通信を行うことなく、受電装置の位置、インピーダンスなどの状態に応じて伝送電力を適切に制御することができる。このため、例えば工場または道路などの使用環境において生じる通信干渉などの影響を排除することができる。また、通信前の接続および承認による時間ロスも生じない。さらに、電装置１００および移動体２００の両方において、無線機器を搭載する必要がないため、システムのメンテナンス性の向上と、小型化および低コスト化とを図ることができる。
【０１２８】
送電装置および受電装置は、送電中のフィードバック制御とは異なる目的のために通信機器を搭載していてもよい。例えば、送電を開始する前に、送電装置と受電装置との位置合わせを行うために通信が行われる形態も、本開示に含まれる。
【０１２９】
上記の説明における式（１０）〜（１２）、（１３）、（１４）に基づく処理は例示であり、適宜変形して利用することができる。例えば、誤差が小さくなるように必要に応じて式を補正して利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本開示の技術は、例えば無人搬送車（ＡＧＶ）などの移動体への無線電力伝送システムに適用され得る。本開示の技術は、他の産業機械、マルチコプター、サービスロボット等にも適用できる。
【符号の説明】
【０１３１】
５０・・・直流（ＤＣ）電源  １００・・・無線送電装置  １０５・・・送電コイルユニット  １１０・・・送電共振器  １１２・・・送電コイル  １１２ａ・・・第１の上側部分  １１２ｂ・・・第１の下側部分  １１２ｃ・・・第１の矩形面  １２０・・・インバータ回路  １３０・・・電流計測器  １４０・・・制御回路  １４２・・・制御ＩＣ  １４３・・・メモリ  １４４・・・ゲートドライバ  １５０・・・センサ  ２００・・・移動体  ２０５・・・受電コイルユニット  ２０７・・・駆動輪  ２１０・・・受電共振器  ２１２・・・受電コイル  ２１２ａ・・・第２の上側部分  ２１２ｂ・・・第２の下側部分  ２１２ｃ・・・第２の矩形面  ２２０・・・整流器  ２３０・・・キャパシタ  ２４０・・・モータ等の負荷抵抗  ２４５・・・蓄電素子  ２５０・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ
【図１】
2018221532.tif 000022
【図２】
2018221532.tif 000023
【図３】
2018221532.tif 000024
【図４】
2018221532.tif 000025
【図５】
2018221532.tif 000026
【図６】
2018221532.tif 000027
【図７】
2018221532.tif 000028
【図８Ａ】
2018221532.tif 000029
【図８Ｂ】
2018221532.tif 000030
【図８Ｃ】
2018221532.tif 000031
【図９】
2018221532.tif 000032
【図１０】
2018221532.tif 000033
【図１１Ａ】
2018221532.tif 000034
【図１１Ｂ】
2018221532.tif 000035
【図１２】
2018221532.tif 000036
【図１３Ａ】
2018221532.tif 000037
【図１３Ｂ】
2018221532.tif 000038
【図１４Ａ】
2018221532.tif 000039
【図１４Ｂ】
2018221532.tif 000040
【図１５】
2018221532.tif 000041
【図１６Ａ】
2018221532.tif 000042
【図１６Ｂ】
2018221532.tif 000043
【図１６Ｃ】
2018221532.tif 000044
【図１７Ａ】
2018221532.tif 000045
【図１７Ｂ】
2018221532.tif 000046
【国際調査報告】
2018221532.tif 000047
2018221532.tif 000048
2018221532.tif 000049