(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置を流れる電流の電圧及び電流の測定値を取得する測定値取得手段と、
前記送電装置の送電コイルと、当該送電コイルと対をなす受電コイルとの結合係数を含む給電回路理論式を記憶し、前記測定値取得手段により取得された電圧及び電流の一方の測定値と前記給電回路理論式とから、前記送電装置を流れる電流の電圧及び電流の他方の理論値を演算する演算手段と、
前記電圧及び電流の他方の測定値と、前記電圧及び電流の他方の理論値との誤差が最小となるように、前記給電回路理論式の結合係数を探索し、探索された結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの結合状態を推定するコイル結合状態推定手段と、を備える非接触給電装置。
【請求項２】
前記コイル結合状態推定手段は、
前記電圧及び電流の他方の測定値と、前記電圧及び電流の他方の理論値との誤差を演算する誤差演算部と、
前記誤差演算部にて演算された誤差と許容値とを比較する誤差比較部と、
前記誤差が前記許容値以下になるまで前記給電回路理論式の結合係数を更新する結合係数更新部と、を備える請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記送電装置は、前記送電コイルを含む共振回路部に高周波交流電力を供給する高周波交流電源を含み、
前記測定値取得手段は、前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値のみを取得する請求項１又は２に記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記測定値取得手段は、前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値のみを取得する請求項１又は２に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
前記送電装置は、前記送電コイルを含む共振回路部に高周波交流電力を供給する高周波交流電源を含み、
前記測定値取得手段は、
前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値と、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値と、の両方を取得する請求項１又は２に記載の非接触給電装置。
【請求項６】
前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ａと、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ｂと、
前記高周波交流電源の出力部の力率と、
を取得する結合領域判別手段をさらに備え、
前記結合領域判別手段は、前記高周波交流電源の出力部の力率に応じて、前記結合状態推定値Ａ及び前記結合状態推定値Ｂのいずれか一方を出力する請求項５に記載の非接触給電装置。
【請求項７】
前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ａと、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ｂと、
前記高周波交流電源の出力部のインピーダンスと、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部のインピーダンスと、
を取得する結合領域判別手段をさらに備え、
前記結合領域判別手段は、前記２つのインピーダンスの絶対値に応じて、前記結合状態推定値Ａ及び前記結合状態推定値Ｂのいずれか一方を出力する請求項５に記載の非接触給電装置。
【請求項８】
前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ａと、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ｂと、
前記高周波交流電源の出力部のインピーダンスの微分値と、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部のインピーダンスの微分値と、
を取得する結合領域判別手段をさらに備え、
前記結合領域判別手段は、前記２つのインピーダンスの微分値の絶対値の大きさに応じて、前記結合状態推定値Ａ及び前記結合状態推定値Ｂのいずれか一方を出力する請求項５に記載の非接触給電装置。
【請求項９】
前記高周波交流電源の出力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ａと、
前記送電コイルに高周波交流電力が入力される入力部の電圧及び電流の測定値に基づいて前記コイル結合状態推定手段で推定された結合状態推定値Ｂと、
を取得する結合領域判別手段をさらに備え、
前記結合領域判別手段は、前記結合状態推定値Ａ及び前記結合状態推定値Ｂの平均値を出力する請求項５に記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面状の１次コイルを含む送電装置と、平面状の２次コイルを含む受電装置とからなり、１次コイルと２次コイルとを電磁的に結合させて、送電装置が受電装置に対して電力の伝送を行う非接触電力伝送装置において、１次コイルと２次コイルとを位置決めさせるときに、２次コイルの誘起電圧に基づきその位置決めの状態を検出するものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６０９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の非接触給電装置では２次コイルの誘起電圧に基づいて位置決めの状態を検出しているため、誘起電圧が小さくなると正確な測定が難しくなるため位置ズレ量を高精度に検出できなかった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、コイルの位置ズレ量を精度よく検出できる非接触給電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、送電コイルの電流値又は電圧値の一方と結合係数を含む回路理論式とから演算した電圧値又は電流値の理論値と、電圧値又は電流値の測定値との差が最小となるように前記回路理論式の結合係数を探索し、当該探索された結合係数に基づいて送電コイルの位置ズレ量を求めることよって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、送電コイルの電流値又は電圧値の理論値と測定値との差が最小となる結合係数を演算により求めることができ、結合係数は送電コイルの位置ズレ量に相関するので、送電コイルの位置ズレ量を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２Ａ】図１の送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２が対向した状態を示す平面図及び斜視図である。
【図２Ｂ】図１の送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２が対向した状態を示す平面図及び斜視図であり、Ｘ軸方向にずれた場合を示す図である。
【図３】図２Ａ，２Ｂに示す受電コイルＬ２がＸ軸方向およびＺ軸方向にずれた場合の結合係数κの変化の一例を示すグラフである。
【図４】図３において、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離Ｌと結合係数κとの関係を示すグラフである。
【図５】従来技術におけるコイルの位置検出と結合係数との関係を説明するためのグラフである。
【図６Ａ】コイルの位置と充電効率の関係を示すグラフである。
【図６Ｂ】送電電力の駆動周波数が変動した場合のコイルの位置と充電効率の関係を示すグラフである。
【図７】結合係数κの推定可能範囲について本例と従来例とを比較した図（その１）である。
【図８】結合係数κの推定可能範囲について本例と従来例とを比較した図（その２）である。
【図９】結合係数κに対するインピーダンス特性を示すグラフである。
【図１０】図１の共振回路の他の実施形態例を示す回路図である。
【図１１】図１のコイル結合状態推定部を示すブロック図である。
【図１２】図１１のコイル結合状態推定部の制御手順を示すフローチャートである。
【図１３】図１２のステップＳ２〜Ｓ６の制御処理を説明するための図（その１）である。
【図１４】図１２のステップＳ２〜Ｓ６の制御処理を説明するための図（その２）である。
【図１５】図１２のステップＳ２〜Ｓ６の制御処理を説明するための図（その３）である。
【図１６Ａ】給電回路理論式を説明するための等価回路を示す回路図である。
【図１６Ｂ】給電回路理論式に特定の電流値を代入したときの結合係数κと電圧との関係を示すグラフである。
【図１７】図１１のκ更新部で用いられる総当り法を説明するためのグラフである。
【図１８】図１１のκ更新部で用いられるニュートン・ラプソン法を説明するためのグラフである。
【図１９】電流又は電圧の測定誤差による結合係数κの推定精度の違いを説明するためのグラフである。
【図２０】インバータ部の出力部及び送電コイルの入力部の結合係数に対するインピーダンス特性の一例を示すグラフである。
【図２１】インバータ部の出力部及び送電コイルの入力部の結合係数に対するインピーダンス特性の他の例を示すグラフである。
【図２２】インバータ部の出力部及び送電コイルの入力部の結合係数に対するインピーダンス特性のさらに他の例を示すグラフである。
【図２３】本発明の他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２５】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２６】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２７】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図２８】図２７の結合状態領域判別部を示すブロック図である。
【図２９】電流又は電圧の測定誤差による結合係数κの推定精度の違いを説明するためのグラフである。
【図３０】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【図３１】図３０の結合状態領域判別部を示すブロック図である。
【図３２】２つのコイル結合状態推定値の平均値を取ることで推定誤差を抑えることができる一例を示すグラフである。
【図３３】本発明のさらに他の実施の形態を適用した非接触給電システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
《第１実施形態》
図１は本発明の一実施の形態を適用した非接触給電システム１であり、送電装置１０と受電装置５０とを備え、給電スタンドなどに設置される送電装置１０から、車両などに搭載される受電装置５０のバッテリなどの負荷５３に非接触で電力を供給し、充電するシステムである。なお、送電装置１０を車載し、受電装置を地上に配置するシステムであってもよい。
【００１０】
本例の送電装置１０は、商用電源（東日本は周波数５０Ｈｚ，西日本は周波数６０Ｈｚ）などの交流電源部１１と、交流電源部１１から送電される交流電圧を直流電圧に変換する直流電源部１２と、電圧型インバータ部１３と、電圧型インバータ部１３から出力される高周波電力を受電装置５０に非接触で供給する送電コイル（１次コイル）Ｌ１と、送電コイルＬ１と並列に設けられて送電装置１０の共振回路を構成する１次コンデンサＣ１Ｐと、を備える。
【００１１】
直流電源部１２は、ダイオードＤ１とダイオードＤ２、ダイオードＤ３とダイオードＤ４、ダイオードＤ５とダイオードＤ６とのそれぞれが三並列に接続され、それぞれの中間接続点に交流電源部１１の三相出力端子が接続されている。
【００１２】
電圧型インバータ部１３は、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれに逆並列接続されたダイオードＤ７〜Ｄ１０と、直流電圧の平滑コンデンサＣ３とから構成され、直流電源部１２から出力される直流電圧を１〜５０ｋＨｚ程度の高周波交流電力に逆変換する。
【００１３】
そして、スイッチング素子Ｓ１及びＳ２との中間接続点と、スイッチング素子Ｓ３及びＳ４の中間接続点のそれぞれに、送電コイルＬ１と１次コンデンサＣ１Ｐとからなる共振回路が接続されている。なお、スイッチング素子Ｓ１とＳ２との中間接続点及びスイッチング素子Ｓ３とＳ４との中間接続点から共振回路に導出された高周波交流電力の端子部分を高周波交流電源の出力部ともいう。
【００１４】
受電装置５０は、送電装置１０の送電コイルＬ１から電磁誘導作用により非接触状態で高周波交流電力を受電する受電コイル（２次コイル）Ｌ２と、受電コイルＬ２に並列に設けられて受電装置５０の共振回路を構成する２次コンデンサＣ２Ｐと、受電コイルＬ２で受電した高周波交流電力を整流する整流部５１と、平滑コンデンサＣ４と、二次電池のバッテリなどからなる負荷５３と、給電を遮断／導通するリレースイッチ５２と、を備える。
【００１５】
整流部５１は、ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２、ダイオードＤ１３とダイオードＤ１４のそれぞれが並列に接続され、それぞれの中間接続点に、受電コイルＬ２と２次コンデンサＣ２Ｐとで構成された共振回路の出力端子が接続されている。そして、整流部５１の出力端子はリレースイッチ５２を介して負荷５３に接続されている。
【００１６】
なお図示を省略するが、本例の非接触給電システム１は、上述した送電装置１０及び受電装置５０以外に、電圧型インバータ部１３およびリレースイッチ５２を制御する制御部と、負荷５３の充電状態を監視して充電電力の指令値を生成する負荷制御部と、この負荷制御部にて生成した電力指令値を送電装置１０に送信する通信部と、ユーザが充電を開始することを送電装置１０に通知するための充電開始スイッチなどを備える。
【００１７】
電圧型インバータ部１３を制御する制御部は、電圧型インバータ部１３の出力電流の位相を検出する電流位相検出部と、負荷５３の充電状態を監視して充電電力の指令値を生成する負荷制御部にて生成された負荷電力指令から電圧型インバータ部１３のデューティ指令Ｄｔ１，Ｄｔ２を生成するデューティ指令生成部（電圧振幅指令部）と、デューティ指令Ｄｔ１，Ｄｔ２から電圧型インバータ部１３のスイッチングパルスを生成するパルス生成部と、を備える。
【００１８】
そして電圧型インバータ部１３は、この制御部により以下のように制御される。すなわち、デューティ指令生成部では、負荷制御部からの負荷電力指令を受けて、負荷５３に供給される電力が負荷制御部からの指令値に一致するようなデューティ指令Ｄｔ１，Ｄｔ２を生成する。次に三角波キャリア比較方式などを用いてＰＷＭ変調を行い、生成されたデューティ指令Ｄｔ１，Ｄｔ２と三角波キャリアとを比較し、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の制御パルスを生成する。
【００１９】
さらに本例の非接触給電システム１は、コイル結合状態推定部１００を備え、このコイル結合状態推定部１００は、理論値演算部１０１と誤差演算部１０２と誤差比較部１０３とκ更新部１０４とを含む。
【００２０】
理論値演算部１０１は、電圧型インバータ部１３と共振回路（送電コイルＬ１と１次コンデンサＣ１Ｐ）との間、すなわち高周波交流電源の出力部に設けられた検出部２０で検出した電圧及び電流の測定値を入力とし、結合係数κの理論値としてκ候補値ａから順次誤差演算部１０２へ出力する。
【００２１】
誤差演算部１０２は、検出部２０で検出した電圧及び電流の測定値と、理論値演算部１０１で演算された理論値との誤差を演算し、誤差比較部１０３へ出力する。誤差比較部１０３は、誤差演算部１０２で演算された誤差と誤差許容値とを比較し、条件を満たした場合はκ推定値ａをコイル結合状態推定値として外部へ出力する一方、条件を満たさない場合はκ候補値ｂをκ更新部１０４へ出力する。κ更新部７４は、誤差比較部１０３の比較の結果、条件を満たさない場合には当該条件を満たすまでκ候補値ａを次のｂ，ｃ…に順次更新する。なお、これらコイル結合状態推定部１００の動作の詳細は後述する。
【００２２】
次に、図２Ａ，図２Ｂ，図３及び図４を参照して、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数κが変化することを説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２が対向した状態を示す平面図ａ）と、斜視図ｂ），ｃ）である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、Ｘ軸及びＹ軸は、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の平面方向を示し、Ｚ軸は高さ方向を示す。なお、本説明のために、送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２は共に同じ円形形状とされているが、本例は必ずしも円形にする必要はなく、また送電コイルＬ１と受電コイルＬ２とを同一の形状にする必要もない。
【００２３】
いま、送電コイルＬ１を地上に、受電コイルＬ２を車載したとした場合に、図２Ａに示すように、平面方向であるＸ軸、Ｙ軸方向において、受電コイルＬ２が送電コイルＬ１に合致するように車両が駐車場に駐車されればよいが、運転者の技量により、図２Ｂに示すように、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との相対的な位置が、平面方向において、ずれてしまうことがある。また、車両の高さは、車両の種類や積荷量によって異なるため、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との高さ方向Ｚの距離は車高によっても異なる。
【００２４】
図３は、図２Ａ，２Ｂに示すＸ軸方向およびＺ軸方向の受電コイルＬ２に対する結合係数κの変化の一例を示す。図３に示すように、送電コイルＬ１の中心と受電コイルＬ２の中心とが一致する場合（図３のＸ軸の値がゼロに相当）は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の漏れ磁束は少なく、結合係数κは大きくなる（同図の例ではκ＝０．８）。一方、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との位置がＸ軸方向にずれると（あるいはＺ軸方向の高さが変わると）、漏れ磁束が多くなり、図３に示すように結合係数κは小さくなる（同図の例ではκ＝０．１）。
【００２５】
図４は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離Ｌと結合係数κとの関係を示すグラフであり、距離Ｌとは、図２Ａ，２Ｂ及び図３に示した受電コイルＬ２の平面方向Ｘ軸と高さ方向Ｚ軸を用いて、Ｌ＝√（Ｘ２＋Ｚ２）と定義する。なお、この場合は、送電コイルＬ１は固定とし、送電コイルＬ１に対する受電コイルＬ２の距離である。距離Ｌがゼロに近づくほど結合係数κは１に漸近する一方で、距離Ｌが大きくなるほど結合係数κはゼロに漸近する。
【００２６】
ところで、電動歯ブラシやひげ剃りシェーバー等のコードレス化された家電製品や携帯機器の充電に採用されている非接触給電装置は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離が相対的に移動しないため、結合係数κが変動することを想定しなくてもよい。そのため、こうした従来の非接触給電システムでは、図５Ａに示すように送電コイルと受電コイルの位置が所定範囲内にあるか否かを一の閾値によって判断すれば足りるものである。
【００２７】
また、上記家電製品や携帯機器は、充電電力が小さくしかも容易に位置決めが可能であるため、送電コイルと受電コイルとの精密な位置検出が不要である。このため、上記従来技術では受電側コイルの誘起電圧を用いてコイルの位置関係を推定することができる。しかしながら、上記従来技術では、図５Ｂに示すように、コイルの結合状態が弱い場合には位置検出ができず、また位置検出範囲も狭い範囲に限定されるという問題がある。
【００２８】
これに対して、上述したとおり送電コイルＬ１を地上(インフラ側)に設置し、受電コイルＬ２を車両に搭載して、非接触で車両のバッテリ５３を充電するような場合などは、車両の停止状態や車高状態によって結合係数κ（距離Ｌ）は大きく変化する。結合係数κ（距離Ｌ）が変動すると、図６Ａに示すように充電効率が大きく変動し、充電時間や消費電力に悪影響を及ぼすおそれがある。また、図６Ａに示す結合係数κによる充電効率特性は、図６Ｂに示すように送電装置１０の高周波交流電力の駆動周波数ｆ０，ｆ１，ｆ２…によっても変動する。そのため、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との位置関係、すなわち結合状態が検出できなければ、充電効率や最適なインバータ部１３の駆動周波数が把握できない。裏を返せば、コイルの位置関係、すなわち結合状態が検出できれば、充電効率が把握でき、最適な駆動周波数でインバータ部１３を動作させることが可能となる。
【００２９】
図７は本例と従来例のコイル位置（＝結合状態）の推定が可能な範囲を示した図である。従来例は前述のとおり受電コイルＬ２の誘起電圧を推定に用いているため、誘起電圧が検出できない範囲ではコイル位置（＝結合状態）の推定も行えない。これに対して本例では、送電装置１０の電流及び電圧の測定値からコイルＬ１，Ｌ２の結合状態推定を行うため、コイルの位置ズレが大きい範囲、すなわち結合係数κがゼロに近い範囲でも位置ズレの推定が可能となる。
【００３０】
図８は本例と従来例の比較を示す図である。従来例１，２はそれぞれ推定可能範囲内で一の閾値を設定することでコイル位置（＝結合状態）を推定している。そのため、コイルが特定範囲内にあるか否かの判断しか行っていない。これに対して本例では、一の閾値を用いずに測定値と理論値との誤差からコイルの結合状態を推定するので、図８に示すようにリニアな推定が可能となる。なお、従来例においても閾値を細かく設定することでリニアな推定は可能であるが、こうした場合には各コイル位置に対してそれぞれの閾値を設定しなければならない。また、バッテリの負荷状態によって閾値も変わるため、全ての条件を満たすように設定するには大量のメモリが必要となりコストアップにつながるという問題がある。
【００３１】
次に本例のコイル結合状態推定原理を説明する。なお、ここでは一例として送電側共振回路及び受電側共振回路ともに送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２に対して並列にコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐを入れたが、共振回路の構成はこれに限定されず、図１０に示すものを採用することができる。すなわち、図１０のａ）及びｂ）に示すようにコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐを送電コイルＬ１又は受電コイルＬ２に対して直列に接続した共振回路や、図１０のｃ）及びｄ）に示すようにコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐに代えてコイル又はトランスを直列又は並列に接続した共振回路を採用することができる。
【００３２】
結合係数κが変化することで送電コイルＬ１及び受電コイルＬ２の自己インダクタンスと相互インダクタンスが変化するため、送電側共振回路から負荷側を見たインピーダンスは結合係数κによって変化が生じる。この一例として高周波交流電源の出力部（図１の検出部２０が設けられた位置）から負荷側を見たときの結合係数κに対するインピーダンスの絶対値の特性を図９に示す。これより結合係数κと送電装置１０側のインピーダンス（電圧、電流値）には相関関係があることがわかる。よって、送電装置１０のインピーダンスを測定することでコイルＬ１，Ｌ２の結合状態を推定することが可能となる。
【００３３】
図１１は、図１のコイル結合状態推定部１００の一例を示すブロック図である。コイル結合状態推定部１００は、既述したとおり、理論値演算部１０１、誤差演算部１０２、誤差比較部１０３、κ更新部１０４を備える。
【００３４】
理論値演算部１０１は、結合係数κと電流及び電圧の理論的な関係式（以下、給電回路理論式とも言う。）を記憶する。図１６Ａに示す非接触給電システム１の等価回路において、送電装置１０に流れる電流の電圧値をＶ，電流値をＩ，送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の結合係数をκとすると、これら電圧値、電流値及び結合係数の理論的な関係式は、下記数式１のとおり電圧に対する電流の比であるインピーダンス式で表される。数式１において、Ａ〜Ｇは、図１６Ａに示すコンデンサＣ１Ｐ，Ｃ２Ｐ、コイルＬ１，Ｌ２、負荷抵抗ＲＬにより定まる既知のパラメータである。
【数１】
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【００３５】
すなわち、図１６Ａに示す非接触給電システム１の等価回路では、送電装置１０を流れる電流Ｉ及び電圧Ｖは送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数κによって変動し、たとえば図１６Ｂに示すように、ある特定の電流を送電装置１０に流すとそのときの電圧は結合係数κにより変動することになる。逆に言えば、送電装置１０を流れる電流の電圧と電流を測定すれば、上記給電回路理論式を用いて結合係数κを演算により求めることができる。なお、理論値演算部１０１に記憶する給電回路理論式は、上記数式１のインピーダンス式以外にも電流に対する電圧の比を表したアドミタンス式などを用いることができ、さらに簡易的なシミュレータであってもよい。
【００３６】
図１１に戻り、理論値演算部１０１は、κ更新部１０４から出力されたκ候補値ａと、検出部２０で検出された電圧の測定値を入力とし、電流の理論値（計算値）を誤差演算部１０２へ出力する。誤差演算部１０２は、理論値演算部１０１にて演算された電流理論値と、検出部２０にて検出された電流測定値を入力とし、その電流の誤差を誤差比較部１０３へ出力する。
【００３７】
誤差比較部１０３は、誤差演算部１０２にて演算された電流誤差と、κ更新部１０４から出力されたκ候補値ａと、予め定められた電流誤差許容値（範囲）を入力とし、これらからκ候補値ａが妥当であるか判断する。すなわち、誤差演算部１０２にて演算された電流誤差が電流誤差許容値（範囲）である場合は、その前提となったκ候補値が妥当な値であったものとして、当該κ候補値ａをコイル結合状態推定値として出力する。逆に、誤差演算部１０２にて演算された電流誤差が電流誤差許容値（範囲）でなかった場合は、その前提となったκ候補値が妥当な値ではなかったものとして、当該κ候補値ａに代えて新たなκ候補値ｂをκ更新部１０４へ出力する。κ更新部１０４は、誤差比較部１０３から出力されたκ候補値ｂを入力とし、現在のκ候補値ａを次のκ候補値ｂに更新する。
【００３８】
図１２にコイル結合状態推定のフローチャートを示す。まず、検出部２０により送電装置１０を流れる電流の電圧及び電流を測定し（ステップＳ１）、初期κ候補値ａおよび誤差許容値を読み込む（ステップＳ２）。次に、電圧の測定値と初期κ候補値を上記給電回路理論式に代入することで電流の理論値を演算する（ステップＳ３）。そして、この電流の理論値と電流の測定値との誤差値を演算し（ステップＳ４）、その誤差値が誤差許容値以下であるか否かを判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５にて誤差値が誤差許容値以下でない場合は初期κ候補値を次のκ候補値に更新したのち（ステップＳ６）、ステップＳ３に戻り、誤差値が誤差許容値以下になるまでステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、κ候補値の更新を行う。ステップＳ４の誤差値が誤差許容値（理想的にはゼロ）以下になったら更新を止め、そのときのκ候補値ａをコイル結合状態推定値として出力し推定を完了する（ステップＳ７）。
【００３９】
図１２のステップＳ２〜Ｓ６のκ推定過程を、図１３〜１５を用いて模式的に説明する。なお、誤差許容値はゼロとする。図１３は初期κ候補値（ここではκ＝０）における状態を表している。初期κ候補値ａでは誤差値が許容誤差値よりも大きく（ゼロではない）なっており、コイル結合状態推定値とならないことを意味する。よってκ候補値が更新される。
【００４０】
次にκ候補値を更新した状態を図１４に示す。初期κ候補値よりも誤差値は減少しているが、やはり誤差許容値よりも大きくなっている。よってκ候補値はさらに更新される。図１５はκ候補値がκの真値と等しくなった状態を表す。この状態では電流の測定値と理論値が等しくなり誤差値はゼロとなる。よって許容誤差値の条件を満たし、このときのκ候補値がコイル結合状態推定値となる。
【００４１】
なおκ候補値の更新には、図１７に示すような総当り法や、図１８に示すニュートン・ラプソン法などを用いればよい。図１７に示す総当り法は、結合係数κを０〜１までの範囲で所定間隔ごとにスイープさせ（κ０，κ１…，κｎ）、誤差が最も小さくなる結合係数（同図ではκ３）を探索する演算手法である。また、図１８に示すニュートン・ラプソン法は、傾きを利用して最も確からしいκを探索する演算手法であり、まず初期値κ０における傾きを求め、この傾きからＸ軸切片（κ１）を求める。このＸ軸切片κ１の誤差を演算して誤差許容値以下か否かを判断し、誤差許容値以下である場合はそのκ１を推定値とするが、誤差許容値以下でない場合は、次にκ１における傾きを求め、この傾きからＸ軸切片（κ２）を求め、順次これを繰り返し、誤差が最も小さくなる結合係数（同図ではκ３）を探索する。
【００４２】
また、上述した例では電圧の測定値から電流の理論値を算出し、電流の測定値と電流の理論値との誤差より結合係数κの推定を行っているが、電流の測定値を上記給電回路理論式に代入して電圧の理論値を求め、この電圧の理論値と電圧の測定値との誤差から結合係数κを推定してもよい。さらに、上記給電回路理論式の左辺のインピーダンスの測定値と当該インピーダンスの理論値とを比較してインピーダンス誤差を求め、これから結合係数κを推定してもよい。
【００４３】
以上のとおり、本例の非接触給電システム１によれば、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離が大きく、結合係数κが０に近い（結合が弱い）場合には送電装置１０側の無効電力が増加するため、その変化が検出し易くなる。したがって、コイルの結合が弱い場合であってもコイルの結合状態の推定が可能となる。またこの場合に推定される結合係数κは、図８にて説明したとおり離散的な数値ではなく連続した数値であるため、結合係数κの推定精度が高くなる。これらの結果、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との位置ズレ量を精度よく検出することができるので、図６Ａに示すように充電効率を高めることができるとともに、図６Ｂに示すように充電効率が高い駆動周波数を設定することができる。
【００４４】
また、本例の非接触給電システム１によれば、送電装置１０側にてコイルの結合状態を推定するので、受電装置５０側にてコイルの結合状態を推定するのに比べて、電源へのフィードバックに要する通信時間が短縮される。このため、充電中にコイルの位置が変化して緊急停止を必要とする場合などには即座に対応措置することができる。
【００４５】
《第２実施形態》
上記第１実施形態のコイル結合状態推定部１００は、理論的には推定誤差ゼロでの推定が可能である。しかしながら、実際には測定系に誤差が生じ、その影響によって推定誤差が発生する。この測定誤差による推定への影響について図１９を用いて説明する。同図において、「○」は結合係数κ１の測定値１、「×」はκ２の測定値２、実線は理論式におけるインピーダンスの理論値をそれぞれ表している。
【００４６】
測定誤差とは、同κ軸上での理論値とのズレ（ΔＺ１）で表現される。測定誤差が与える推定への影響を、まず測定値１について考える。κ１の状態でインピーダンスを測定した結果が測定値１である。この測定値１と同様のインピーダンスとなるκが推定値（ここではκ１´）となり、推定誤差はκ１−κ１´となる。つまり、測定誤差ΔＺ１が推定に与える影響はκ１−κ１´となる。同様に、測定値２について考えると、測定誤差ΔＺ２が推定に与える影響はκ２−κ２´となる。
【００４７】
ここで、２つの測定値１，２の推定誤差を比較すると、測定値２の誤差方が大きいことが理解される。つまり、測定値１付近のように結合係数κに対してインピーダンスの変化が急峻な領域では、測定誤差による影響は小さいが、測定値２のようなインピーダンス特性がフラットな領域では測定誤差の影響が大きくなる。
【００４８】
さて、図２０にインバータ部１３の出力部（図１の検出部２０の部分）と、送電コイルＬ１のインピーダンス特性とを示す。これより、送電装置１０の高周波交流電源部１１，１２，１３と送電コイルＬ１とでは、インピーダンス特性が急峻になる領域が結合係数κによって異なることが理解される。また、図２１，２２は、図１の送電装置１０および受電装置５０の構成を変更したもののインピーダンス特性を示す。特性の概形や大きさに違いはあるが、変化量の大きい領域は、高周波交流電源１１，１２，１３と送電コイルＬ１とで異なることが理解される。よって、本例では、以下に説明するとおり、上述した高周波交流電源部１１，１２，１３と送電側コイルＬ１の特性を利用した構成とする。
【００４９】
図２３は、本発明の第２実施形態（その１）を適用した非接触給電システム１であり、図１に示す非接触給電システム１に比べて図面上の相違はないが、結合係数κの推定に使用する電流及び電圧の測定値の検出部２０を高周波交流電源部、換言すればインバータ部１３の出力部に限定する点が相違する。その他の構成は既述した第１実施形態と同じであるため、その説明は省略する。
【００５０】
送電装置１０及び受電装置５０の回路構成は設計時に決定されるため、予め高周波交流電源部のインバータ部１３の出力部のインピーダンス特性を把握することは可能である。したがって、設計時にインピーダンス特性が急峻となる領域、つまり推定誤差の小さい領域を把握することができる。この領域が、使用する領域と一致している場合は高周波交流電源部のインバータ部１３の出力部の電流及び電圧を検出すればよい。
【００５１】
図３に示すように、結合係数κは高さによっても変化する。つまり、車両への適用を考えた場合に、横方向のズレがゼロであっても車高によって結合係数κの最大値が０．４であったり０．１であったりする。このように設計（車両）によって高い推定精度が要求される結合係数κの領域が異なるので、インピーダンス特性が急峻な狭域が、このように使用する領域に一致している場合は、本例のようにインバータ部１３の出力部の電流及び電圧のみを検出すればよい。
【００５２】
図２４は、本発明の第２実施形態（その２）を適用した非接触給電システム１であり、図１及び図２３に示す非接触給電システム１に比べて、結合係数κの推定に使用する電圧及び電流の測定値の検出部２１を送電コイルＬ１の入力部に限定する点が相違する。その他の構成は既述した第１実施形態と同じであるため、その説明は省略する。上記と同様の理由で、推定誤差の小さい領域と使用する領域とが一致している場合は、この送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）の電圧及び電流を検出すればよい。
【００５３】
図２５は、本発明の第２実施形態（その３）を適用した非接触給電システム１であり、図１，図２３及び図２４に示す非接触給電システム１に比べて、インバータ部１３の出力部の電圧及び電流の測定値の検出部２０と、その測定値を入力するコイル結合状態推定部１００ａと、送電コイルＬ１の入力部の電圧及び電流の測定値の検出部２１と、その測定値を入力するコイル結合状態推定部１００ｂと、が相違する。
【００５４】
本例では、コイル結合状態推定部１００ａ及び１００ｂを出力することで、コイル結合の弱い状態から強い範囲まで、高い精度でコイル結合状態を推定することが可能となる。なお、２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂをどのように取り扱うかについては後述する。
【００５５】
《第３実施形態》
本例は、図２５に示す実施形態、すなわち結合係数κの推定に測定値として用いる電圧及び電流を、インバータ部１３の出力部（検出部２０）及び送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）両方で検出するシステム構成であり、得られた２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂをどのように取り扱うかについての実施形態である。
【００５６】
上述したとおり、結合係数κに対してインピーダンス特性が急峻であれば測定誤差が推定値に与える影響を抑えることが可能となる。換言すれば、図１９などに示す結合係数κに対するインピーダンス曲線の傾きの絶対値が相対的に大きいほど、測定誤差が大きくても推定値誤差は相対的に小さくなる。本例では、インバータ部１３の出力部（検出部２０）と、送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）のそれぞれのインピーダンス特性を用いるが、この特性には相反関係があるので、どちらか一方の急峻な領域が判別できれば推定誤差の大小判別が可能となる。
【００５７】
そこで本例では、高周波交流電源のインバータ部１３の出力部（検出部２０）の力率を検出することで、この領域の判別を行う。インバータ部１３の出力部のインピーダンスが極大(もしくは極小)になるところで力率は大きくなり、インピーダンスが極大(もしくは極小)から外れると力率は小さくなる。つまり、インバータ部１３の出力部のインピーダンスと力率には相関関係がある。この関係に基づいて力率に閾値を設け、この閾値からどちらのコイル結合状態推定値の推定誤差が小さいかを判別する。
【００５８】
図２６は本例の非接触給電システム１を示すブロック図である。図２５の第２実施形態に係る非接触給電システム１との違いは、インバータ部１３の出力部の力率（皮相電力Ｓに対する有効電力Ｐの割合＝Ｐ／Ｓ）を検出する検出部２０と、この力率、力率閾値及びコイル結合状態推定値ａ，ｂを入力とし、推定誤差の小さいものを判別して一つのコイル結合状態推定値を出力する結合状態領域判別部２００が追加された点である。
【００５９】
本例では、結合状態領域判別部２００にて、インバータ部１３の出力部である検出部２０からの電圧と電流の測定値を入力し、これから力率Ｐ／Ｓを演算する。ここで、検出部２０における電圧と電流の位相差をθとすると、力率Ｐ／Ｓ＝ｃｏｓθであり、電圧と電流の位相差θは検出部２０からの電圧波形と電流波形から検出できるので、力率Ｐ／Ｓを演算することができる。
【００６０】
そして、力率が大きいとインバータ部１３の出力部（検出部２０）のインピーダンスが極大又は極小になり、力率が小さいとインピーダンスは極大又は極小から外れるという相関関係があるので、検出部２０にて測定された電圧及び電流から求められた当該インバータ部１３の出力部の力率が大きい場合にはインピーダンスが極大又は極小になる。したがって、この場合には、図１９にて説明したとおり測定誤差による結合係数κの推定誤差が小さくなるので、インバータ部１３の出力部（検出部２０）の電圧及び電流の測定値を用いたコイル結合状態推定値ａを採用し、これを最終的なコイル結合状態推定値として出力する。これにより、測定誤差の影響が小さい推定値の出力が可能となり、結合係数κ、ひいては送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ズレ量の精度が向上する。
【００６１】
逆に、検出部２０にて測定された電圧及び電流から求められた当該インバータ部１３の出力部の力率が小さい場合にはインピーダンスが極大又は極小から外れることになる。したがって、この場合には、図１９にて説明したとおり測定誤差による結合係数κの推定誤差が大きくなり、逆に送電コイルＬ１の入力部のインピーダンスが極大又は極小となって測定誤差による結合係数κの推定誤差が小さくなるので、送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）の電圧及び電流の測定値を用いたコイル結合状態推定値ｂを採用し、これを最終的なコイル結合状態推定値として出力する。これにより、測定誤差の影響が小さい推定値の出力が可能となり、結合係数κ、ひいては送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ズレ量の精度が向上する。また、測定誤差の影響が少ない結合状態推定値ａ，ｂを判別できるので、広い範囲でコイル結合状態の検出精度を高めることができる。
【００６２】
《第４実施形態》
本例は、図２５に示す実施形態、すなわち結合係数κの推定に測定値として用いる電圧及び電流を、インバータ部１３の出力部（検出部２０）及び送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）の両方で検出するシステム構成であり、第３実施形態に対して、得られた２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂをどのように取り扱うかについての他の実施形態である。
【００６３】
上記第３実施形態では、インバータ部１３の出力部（検出部２０）の力率を検出し、この力率から２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂの推定精度を判別したが、本例では検出部２０，２１それぞれのインピーダンスの大きさを比較することで推定誤差の小さいものを判別する。すなわち、図１９に示すように、インピーダンス特性が急峻である領域はインピーダンスの大きさについても一方よりも大きくなることがわかる。この特性を利用してインピーダンス特性が急峻な領域を判別し、より推定誤差の小さいものを判別する。
【００６４】
図２７は本例の非接触給電システム１を示すブロック図である。図２５の第２実施形態に係る非接触給電システム１との違いは、検出部２０及び２１それぞれの電圧及び電流と、コイル結合状態推定値ａ及びｂを入力とし、コイル結合状態推定値を出力する結合状態領域判別部２００が追加されている点である。
【００６５】
図２８は、図２７の結合状態領域判別部２００を示すブロック図であり、検出部２０の電圧及び電流の測定値からインピーダンスの大きさを演算するインピーダンス演算部２０１と、検出部２１の電圧及び電流の測定値からインピーダンスの大きさを演算するインピーダンス演算部２０２と、これらインピーダンス演算部２０１，２０２の出力からインピーダンスの大きさを比較するインピーダンス比較部２０３と、その比較結果からコイル結合状態推定値ａ及びｂのどちらの推定誤差が小さいか判定してコイル結合状態推定値を出力するコイル結合状態判定部２０４と、を備える。
【００６６】
上述したとおり、図１９に示すようにインピーダンス特性が急峻である領域はインピーダンスの大きさについても一方よりも大きくなるので、検出部２０，２１のインピーダンスの大きい方が測定誤差による推定値の影響が少ない。したがって、コイル結合状態判定部２０４では、検出部２０のインピーダンスの方が大きい場合には、この検出部２０の電圧及び電流の測定値に基づいたコイル結合状態推定値ａをコイル結合状態推定値として選択し、出力する。逆に検出部２１のインピーダンスの方が大きい場合には、この検出部２１の電圧及び電流の測定値に基づいたコイル結合状態推定値ｂをコイル結合状態推定値として選択し、出力する。これにより、測定誤差の影響が小さい推定値の出力が可能となり、結合係数κ、ひいては送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ズレ量の精度が向上する。また、測定誤差の影響が少ない結合状態推定値ａ，ｂを判別できるので、広い範囲でコイル結合状態の検出精度を高めることができる。
【００６７】
《第５実施形態》
本例は、図２５に示す実施形態、すなわち結合係数κの推定に測定値として用いる電圧及び電流を、インバータ部１３の出力部（検出部２０）及び送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）の両方で検出するシステム構成であり、第３実施形態に対して、得られた２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂをどのように取り扱うかについてのさらに他の実施形態である。
【００６８】
上記第３実施形態では、インバータ部１３の出力部（検出部２０）の力率を検出し、この力率から２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂの推定精度を判別したが、本例では検出部２０，２１それぞれのインピーダンスの微分値を比較することで推定誤差の小さいものを判別する。すなわち、図２９に推定誤差の小さいものと大きいものの推定値におけるインピーダンス特性の傾き（微分値）を示す。このように、インピーダンス特性が急峻で推定誤差が小さいものは傾き（微分値の絶対値）が大きくなる。つまり、推定値におけるインピーダンス特性の微分値の絶対値を比較することで誤差の大小を判別できる。
【００６９】
図３０は本例の非接触給電システム１を示すブロック図である。図２５の第２実施形態に係る非接触給電システム１との違いは、コイル結合状態推定値ａおよびｂを入力とし、コイル結合状態推定値を出力する結合状態領域判別部２００を追加した点である。
【００７０】
図３１は、図３０の結合状態領域判別部２００を示すブロック図であり、コイル結合状態推定値ａを入力とし、検出部２０のインピーダンスの微分値を出力する微分値演算部２１１と、コイル結合状態推定値ｂを入力とし、検出部２１のインピーダンスの微分値を出力する微分値演算部２１２と、それらの出力から微分値の大小を判定し、微分値の絶対値が大きい方を出力する微分値比較部２１３と、この出力とコイル結合状態推定値ａ及びｂを入力とし、微分値の絶対値が大きい方のコイル結合状態推定値を出力するコイル結合状態判定部２１４と、を備える。
【００７１】
上述したとおり、インピーダンス特性が急峻で推定誤差が小さいものは微分値の絶対値が大きくなるので、検出部２０，２１のインピーダンスの微分値の絶対値の大きい方が測定誤差による推定値の影響が少ない。したがって、コイル結合状態判定部２１４では、検出部２０のインピーダンスの微分値の絶対値の方が大きい場合には、この検出部２０の電圧及び電流の測定値に基づいたコイル結合状態推定値ａをコイル結合状態推定値として選択し、出力する。逆に検出部２１のインピーダンスの微分値の絶対値の方が大きい場合には、この検出部２１の電圧及び電流の測定値に基づいたコイル結合状態推定値ｂをコイル結合状態推定値として選択し、出力する。これにより、測定誤差の影響が小さい推定値の出力が可能となり、結合係数κ、ひいては送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ズレ量の精度が向上する。また、測定誤差の影響が少ない結合状態推定値ａ，ｂを判別できるので、広い範囲でコイル結合状態の検出精度を高めることができる。
【００７２】
《第６実施形態》
本例は、図２５に示す実施形態、すなわち結合係数κの推定に測定値として用いる電圧及び電流を、インバータ部１３の出力部（検出部２０）及び送電コイルＬ１の入力部（検出部２１）の両方で検出するシステム構成であり、第３実施形態に対して、得られた２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂをどのように取り扱うかについてのさらに他の実施形態である。
【００７３】
上記第３実施形態では、インバータ部１３の出力部（検出部２０）の力率を検出し、この力率から２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂの推定精度を判別したが、本例では２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂを平均することで、推定誤差の影響を抑える。
【００７４】
すなわち、図３２に平均値を取ることで推定誤差を抑えることができる一例を示す。２つのインピーダンス特性がκに対して対象でかつインピーダンス特性が交差するコイル結合状態で推定した結果がκ１´、κ２´である。この状況では２つの推定誤差はκ-κ１´、κ-κ２´となり、これは等しくなり、平均値を取れば推定誤差ゼロのコイル結合状態推定値を得ることができる。なお、これ以外にも測定精度が高く推定誤差が十分に小さい場合であれば平均値を取ることで、より精度の高いコイル結合状態推定値を得ることが可能である。
【００７５】
図３３は本例の非接触給電システム１を示すブロック図である。図２５の第２実施形態に係る非接触給電システム１との違いは、コイル結合状態推定値ａおよびｂを入力とし、その平均値をコイル結合状態推定値として出力する結合状態領域判別部２００を追加した点である。
【００７６】
上述したとおり、２つのコイル結合状態推定値ａ，ｂを平均すれば、それぞれの誤差も小さくなるので、測定誤差の影響が小さい推定値の出力が可能となり、結合係数κ、ひいては送電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ズレ量の精度が向上する。
【００７７】
上記検出部２０，２１は本発明に係る測定値取得手段に相当し、上記理論値演算部１０１は本発明に係る演算手段に相当し、上記誤差演算部１０２、誤差比較部１０３及びκ更新部１０４は本発明に係るコイル結合状態推定手段に相当し、結合状態領域判別部２００は本発明に係る結合領域判別手段に相当する。
【符号の説明】
【００７８】
１…非接触給電システム
１０…送電装置
１１…交流電源部
１２…直流電源部
１３…電圧型インバータ部
Ｄ１〜Ｄ１０…ダイオード
Ｃ１P，Ｃ3…コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ４…ＭＯＳＦＥＴ
Ｌ１…送電コイル
５０…受電装置
Ｌ２…受電コイル
Ｄ１１〜Ｄ１４…ダイオード
Ｃ４，Ｃ２Ｐ…コンデンサ
５１…整流部
５２…リレースイッチ
５３…負荷
１００…コイル結合状態推定部
１０１…理論値演算部
１０２…誤差演算部
１０３…誤差比較部
１０４…κ更新部
２００…結合状態領域判別部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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