(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に整流する第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器と接続され、前記第１の電力変換器により整流された直流電圧を、任意の直流電圧または交流電圧に変換する第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のうち、一方を用いて前記送電側との間の電力の伝送効率を制御し、他方を用いて前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、
を備え、
前記第１の電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、
前記第２の電力変換器は、入出力電圧比と入出力電流比とを制御可能であり、
前記制御器は、前記第２の電力変換器の入出力電圧比と入出力電流比とを制御することで前記伝送効率を制御し、所望の受電電力が得られるように前記第１の電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換えることを特徴とする受電装置。
【請求項２】
磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に整流する第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器と接続され、前記第１の電力変換器により整流された直流電圧を、任意の直流電圧または交流電圧に変換する第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のうち、一方を用いて前記送電側との間の電力の伝送効率を制御し、他方を用いて前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、
を備え、
前記第１の電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、
前記第２の電力変換器は、入出力電圧比と入出力電流比とを制御可能であり、
前記制御器は、前記第１の電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換えることで前記伝送効率を制御し、所望の受電電力が得られるように前記第２の電力変換器の入出力電圧比と入出力電流比とを制御することを特徴とする受電装置。
【請求項３】
磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に変換する電力変換器と、
前記電力変換器を用いて、前記送電側との間の電力の伝送効率および前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、
を備え、
前記電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、
前記制御器は、所望の受電電力が得られるように前記コイルを含む共振回路の共振周波数よりも遅い周波数で、前記電力変換器を前記第１のモードで動作させ、前記所望の受電電力を得るための制御に応じて前記電力変換器を前記第１のモードで動作させる期間以外の期間において、前記共振周波数に同期して、前記電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換えることで、前記送電側との間の伝送効率を制御することを特徴とする受電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の受電装置において、
前記コイルに接続されたコンデンサをさらに備えることを特徴とする受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス電力伝送における受電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側と受電側との間で電力の授受を行うワイヤレス電力伝送の検討が進められている。
【０００３】
ワイヤレス電力伝送の応用例として、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）がある。ワイヤレス電力伝送をＥＶに用いる場合、路面下に送電側の装置（送電装置）を設け、ＥＶに受電側の装置（受電装置）を設け、ＥＶの走行中に給電を行うことで航続距離を向上させることが可能となる。ワイヤレス電力伝送を用いてＥＶなどの移動体に給電する場合、送電側および受電側のコイルの結合状態の変化、受電側の負荷の状況（消費電力など）の変化などに応じて、ワイヤレス電力伝送における電力の伝送効率および受電側の受電電力を制御することが好ましい。
【０００４】
そこで、非特許文献１には、送電側と受電側とが協働することで、伝送効率の制御（効率制御）および受電電力の制御（所望電力制御）の両立を図る技術が検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平松敏幸，黄孝亮，加藤昌樹，居村岳広，堀洋一，「ワイヤレス給電における送電側による最大効率と受電側による所望受電電力の独立制御」電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１３５  Ｎｏ．８（２０１５年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示されている技術においては、送電側と受電側とが協働することで、効率制御および所望電力制御の両立を図っている。しかしながら、ワイヤレス電力伝送のＥＶへの応用などを考えると、受電側のみで効率制御および所望電力制御を両立できることが好ましい。
【０００７】
なお、非特許文献１の図３に示されるように、一般に、受電側のみの制御では、伝送効率および受電電力の一方が定まると、他方も一意的に定まるとされており、受電側のみで効率制御および所望電力制御を両立する手法は確立されていない。
【０００８】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、受電側のみで、ワイヤレス電力伝送における効率制御および所望電力制御を両立することができる受電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る受電装置は、磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に整流する第１の電力変換器と、前記第１の電力変換器と接続され、前記第１の電力変換器により整流された直流電圧を、任意の直流電圧または交流電圧に変換する第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のうち、一方を用いて前記送電側との間の電力の伝送効率を制御し、他方を用いて前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、を備え、前記第１の電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、前記第２の電力変換器は、入出力電圧比と入出力電流比とを制御可能であり、前記制御器は、前記第２の電力変換器の入出力電圧比と入出力電流比とを制御することで前記伝送効率を制御し、所望の受電電力が得られるように前記第１の電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換える。
【００１１】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る受電装置は、磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に整流する第１の電力変換器と、前記第１の電力変換器と接続され、前記第１の電力変換器により整流された直流電圧を、任意の直流電圧または交流電圧に変換する第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器のうち、一方を用いて前記送電側との間の電力の伝送効率を制御し、他方を用いて前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、を備え、前記第１の電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、前記第２の電力変換器は、入出力電圧比と入出力電流比とを制御可能であり、前記制御器は、前記第１の電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換えることで前記伝送効率を制御し、所望の受電電力が得られるように前記第２の電力変換器の入出力電圧比と入出力電流比とを制御する。
【００１３】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る受電装置は、磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルと接続され、前記コイルが受電した交流電圧を直流電圧に変換する電力変換器と、前記電力変換器を用いて、前記送電側との間の電力の伝送効率および前記送電側からの受電電力を制御する制御器と、を備え、前記電力変換器は、前記コイルの受電電力を遮断するように前記コイルを短絡する第１のモードと、前記コイルの受電電力を整流する第２のモードとを備え、前記制御器は、所望の受電電力が得られるように前記コイルを含む共振回路の共振周波数よりも遅い周波数で、前記電力変換器を前記第１のモードで動作させ、前記所望の受電電力を得るための制御に応じて前記電力変換器を前記第１のモードで動作させる期間以外の期間において、前記共振周波数に同期して、前記電力変換器の動作モードを前記第１のモードと前記第２のモードとで切り換えることで、前記送電側との間の伝送効率を制御する。
【００１４】
また、本発明に係る受電装置において、前記コイルに接続されたコンデンサをさらに備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る受電装置によれば、受電側のみで、ワイヤレス電力伝送における効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す受電装置の構成例を示す図である。
【図３】図２に示す受電装置の構成例を示す回路図である。
【図４】図２に示す受電装置の他の構成例を示す回路図である。
【図５】図３に示す電力変換器２２における電流の流れを示す図である。
【図６】図３に示す電力変換器２１の動作モードを説明するための図である。
【図７】図３に示す受電装置の動作例１を説明するための図である。
【図８】図３に示す受電装置の動作例２を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る受電装置の構成例を示す回路図である。
【図１０】図９に示す電力変換器の出力電圧の波形を示す図である。
【図１１】図９に示す受電装置の動作を説明するための図である
【図１２】図９に示す制御器による制御信号の波形の一例を示す図である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の概要について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システム１の概要を示す図である。
【００２０】
図１に示すワイヤレス電力伝送システム１は、交流電源１１からの電力供給に応じて、磁界または電界を利用して電力を送電する送電装置１０と、送電装置１０から電力を受電し、負荷２３に供給する受電装置２０とを備える。
【００２１】
送電装置１０は、等価的には、内部抵抗Ｒ1と、コンデンサＣ1と、コイルＬ1とが直列接続して構成された共振回路を備え、その共振回路に交流電源１１が接続されている。なお、コンデンサＣ1は必須の構成ではなく、コイルＬ1のみであっても、磁界または電界を利用した無線電力伝送により電力を送電することができる。
【００２２】
受電装置２０は、等価的には、内部抵抗Ｒ2と、コンデンサＣ2と、コイルＬ2とが直列接続して構成された共振回路を備え、その共振回路に負荷２３が接続されている。なお、コンデンサＣ2は必須の構成ではなく、コイルＬ2のみであっても、磁界または電界を利用した無線電力伝送により電力を受電することができる。ただし、コンデンサＣ2を設けることで、共振によりさらに効率を改善することができる。
【００２３】
送電装置１０側のコイルＬ1（一次側コイル）と受電装置２０側のコイルＬ2（二次側コイル）とが相対し、コイルＬ1とコイルＬ2との間の電磁誘導作用を利用して、電力の授受が行われる。
【００２４】
ワイヤレス電力伝送における電力の伝送効率η、および、受電装置２０の受電電力Ｐ2はそれぞれ、回路方程式を用いて、以下の式（１）、（２）のように求められる。なお、ＬmはコイルＬ1とコイルＬ2との相互インダクタンスを示し、ＲLは負荷２３の抵抗値（負荷抵抗値）を示し、ω0は共振角周波数を示し、Ｖ10は交流電源１１の出力電圧Ｖ1（交流電圧）の基本波成分を示す。
【００２５】
【数１】
0006548554.tif 000002
【００２６】
式（１）および式（２）から分かるように、見かけ上の負荷抵抗値ＲLが決まれば、伝送効率ηおよび受電電力Ｐ2が決まる。負荷抵抗値ＲLは、コイルＬ2の受電電圧（電圧Ｖ2）により制御することができる。
【００２７】
図２は、ワイヤレス電力伝送システム１の構成例を示す図である。図２においては、送電装置１０および受電装置２０の共振回路を等価回路で示している。
【００２８】
図２に示す受電装置２０は、電力変換器２１，２２と、負荷２３と、制御器２４とを備える。電力変換器２１は第１の電力変換器であり、電力変換器２２は第２の電力変換器である。
【００２９】
送電装置１０が備える交流電源１１からコイルＬ1への電力供給に応じて、電磁誘導作用により、コイルＬ1とコイルＬ2との間で電力の授受が行われる（コイルＬ2が電力を受電する）。電力変換器２１は、ＡＣ／ＤＣ変換器であり、交流電圧であるコイルＬ2の受電電圧（電圧Ｖ2）を直流電圧に整流（変換）する。電力変換器２１としては、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）コンバータを用いることができる。
【００３０】
電力変換器２２は、ＤＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器であり、電力変換器２１により整流された直流電圧を任意の直流電圧または交流電圧に変換して、負荷２３に出力する。なお、電力変換器２２をＤＣ／ＤＣ変換器とするか、ＤＣ／ＡＣ変換器とするかは負荷２３の種類による。また、電力変換器２２をＤＣ／ＤＣ変換器とする場合、必要な電圧に応じて、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータなどを用いることができる。
【００３１】
負荷２３は、電力変換器２２から供給された直流電力または交流電力により動作するバッテリー、モータ、定電力負荷などがある。
【００３２】
制御器２４は、電力変換器２１，２２の動作を制御し、伝送効率ηおよび受電電力Ｐ2の制御を行う。
【００３３】
図３は、ワイヤレス電力伝送システム１の構成例を示す回路図である。図３においては、電力変換器２２がＤＣ／ＤＣ変換器で構成されている例を示している。
【００３４】
まず、送電装置１０の構成について説明する。
【００３５】
図３に示す送電装置１０は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子とダイオードとが逆並列接続されて構成されたスイッチ１１１〜１１４と、直流電源１１５とを備える。スイッチ１１１〜１１４および直流電源１１５は、交流電源１１を構成する。
【００３６】
スイッチ１１１とスイッチ１１２とは直列に接続され、スイッチ１１３とスイッチ１１４とは直列に接続されている。スイッチ１１１およびスイッチ１１２の直列体、および、スイッチ１１３およびスイッチ１１４の直列体は、直流電源１１５に並列に接続されている。また、スイッチ１１１とスイッチ１１２との接続点およびスイッチ１１３とスイッチ１１４との接続点がそれぞれ、送電装置１０のワイヤレス電力伝送に係る共振回路の一端と他端とに接続されている。
【００３７】
スイッチ１１１〜１１４が構成するのは一般的なインバータであるため、その動作の詳細な説明は省略するが、スイッチ１１１〜１１４のオン、オフを制御することで、直流電源１１５から出力された直流電力が交流電力に変換され、送電装置１０の共振回路に供給される。
【００３８】
送電装置１０の共振回路への交流電力の供給に応じて、電磁誘導作用により、受電装置２０側のコイルＬ2にて電力が受電され、電力変換器２１に供給される。
【００３９】
次に、電力変換器２１の構成について説明する。
【００４０】
図３に示す電力変換器２１は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子とダイオードとが逆並列接続されて構成されたスイッチ２１１〜２１４を備える。
【００４１】
スイッチ２１１と２１２とは直列に接続され、スイッチ２１３とスイッチ２１４とは直列に接続されている。スイッチ２１１とスイッチ２１２との接続点およびスイッチ２１３とスイッチ２１４との接続点はそれぞれ、受電装置２０の共振回路の一端と他端とに接続されている。また、スイッチ２１１およびスイッチ２１２の直列体、および、スイッチ２１３およびスイッチ２１４の直列体は、平滑用のコンデンサＣDCに並列に接続されている。
【００４２】
スイッチ２１１〜２１４が構成するのは一般的なコンバータ（ＡＣ／ＤＣ変換器）であるため、その動作の詳細な説明は省略するが、スイッチ２１１〜２１４それぞれのオン、オフの時間幅を制御することで、交流電圧である電圧Ｖ2を直流電圧に整流（変換）することができる。電力変換器２１により得られた直流電圧は、コンデンサＣDCを介して、電力変換器２２に供給される。
【００４３】
次に、電力変換器２２の構成について説明する。
【００４４】
図３に示す電力変換器２２は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子とダイオードとが逆並列接続されて構成されたスイッチ２２１，２２２と、インダクタＬloadと、内部抵抗Ｒloadと、コンデンサＣloadとを備える。
【００４５】
スイッチ２２１とスイッチ２２２とは直列に接続され、スイッチ２２１とスイッチ２２２との接続点には、インダクタＬloadおよびインダクタＬloadの内部抵抗Ｒloadが直列に接続された直列体の一端が接続されている。インダクタＬloadおよび内部抵抗Ｒloadの直列体の他端には、コンデンサＣloadと負荷２３とが並列に接続されている。
【００４６】
スイッチ２２１，２２２、インダクタＬload、内部抵抗ＲloadおよびコンデンサＣloadが構成するのは一般的なコンバータ（ＤＣ／ＤＣ変換器）であるため、その動作の詳細な説明は省略するが、スイッチ２２１のオン、オフを制御することで、コンデンサＣDCの両端の電圧ＶDCが任意のレベルの直流電圧に変換されて、負荷２３に供給される。
【００４７】
なお、上述したように、負荷２３としては、例えば、モータのような、交流電力により動作するものもある。この場合、電力変換器２２としては、ＤＣ／ＡＣ変換器を用いられる。図４は、電力変換器２２として、ＤＣ／ＡＣ変換器を用いた場合の受電装置２０の構成例を示す図である。
【００４８】
図４に示す電力変換器２２は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子とダイオードとが逆並列接続されて構成されたスイッチ２２１〜２２４を備える。
【００４９】
スイッチ２２１とスイッチ２２２とは直列に接続され、スイッチ２２３とスイッチ２２４とは直列に接続されている。スイッチ２２１およびスイッチ２２２の直列体、および、スイッチ２２３およびスイッチ２２４の直列体は、コンデンサＣDCに並列に接続されている。また、スイッチ２２１とスイッチ２２２との接続点およびスイッチ２２３とスイッチ２２４との接続点はそれぞれ、負荷２３の一端と他端とに接続されている。
【００５０】
スイッチ２２１〜２２４が構成するのは一般的なインバータ（ＤＣ／ＡＣ変換器）であるため、その動作の詳細な説明は省略するが、スイッチ２２１〜２２４のオン、オフを制御することで、直流電圧である電圧ＶDCが交流電圧に変換されて、負荷２３に供給される。
【００５１】
次に、本実施形態に係る受電装置２０の動作について説明する。
【００５２】
上述したように、制御器２４は、電力変換器２１および電力変換器２２を用いて、伝送効率ηの制御（効率制御）および受電電力Ｐ2の制御（所望電力制御）を行う。ここで、本実施形態においては、制御器２４は、電力変換器２２を用いて効率制御を行い（伝送効率ηが最大となるようにし）、電力変換器２１を用いて所望電力制御を行う（所望の受電電圧を得る）という動作（動作例１）、あるいは、電力変換器２１を用いて効率制御を行い、電力変換器２２を用いて所望電力制御を行うという動作（動作例２）を行う。以下では、動作例１，２それぞれについて説明する。なお、以下では、電力変換器２２がＤＣ／ＤＣ変換器である場合（図３）を例として説明する。
【００５３】
まず、動作例１について説明する。
【００５４】
上述したように、伝送効率ηは式（１）により与えられる。式（１）より、負荷抵抗値ＲLが決まれば、伝送効率ηが決まることが分かる。したがって、負荷抵抗値ＲLを最適化すれば、伝送効率ηを最大化することができる。動作例１では、電圧ＶDCを電力変換器２２により制御することで、負荷抵抗値ＲLを最適化する。
【００５５】
伝送効率ηが最大となる電圧ＶDCηmaxは、式（１）より以下の式（３）のように表わすことができる。
【００５６】
【数２】
0006548554.tif 000003
【００５７】
制御器２４は、電力変換器２２を制御し、電圧ＶDCが電圧ＶDCηmaxとなるようにする。具体的には、制御器２４は、スイッチ２２１のオン、オフを制御することで、電圧ＶDCが電圧ＶDCηmaxとなるようにする。
【００５８】
スイッチ２２１をオンにし、スイッチ２２２をオフにした場合、図５（ａ）の実線矢印で示すように、コンデンサＣDCからインダクタＬloadと負荷２３とに電流が流れる。その結果、電圧ＶDCは低下する。一方、スイッチ２２１をオフにし、スイッチ２２２をオンにした場合、図５（ｂ）の実線矢印で示すように、インダクタＬloadに蓄積されたエネルギーのみにより、負荷２３に電流が流れる。その結果、電圧ＶDCは上昇する。
【００５９】
このように、スイッチ２２１をオンにし、スイッチ２２２をオフにした場合（図５（ａ））と、スイッチ２２１をオフにし、スイッチ２２２をオンにした場合（図５（ｂ）とを繰り返すことで、電力変換器２２の入力電流および入力電圧（電圧ＶDC）の平均値は変動する。したがって、電力変換器２２の出力電流および出力電圧が一定であるとすると、スイッチ２２１，２２２のオン、オフを切り替えることにより、電力変換器２２の入出力電流比および入出力電圧比、すなわち、電力変換器２２のインピーダンスを制御することができる。
【００６０】
そして、スイッチ２２１のオン、オフを切り替え、電力変換器２２の入出力電流比および入出力電圧比を制御することで、電圧ＶDCが電圧ＶDCηmaxとなるようにすることができる。
【００６１】
負荷抵抗値ＲLが定まると（伝送効率ηが最大となるように制御すると）、式（２）より、受電電力Ｐ2も一意に定まってしまう。しかしながら、本実施形態においては、電力変換器２１の動作を制御することで、所望の受電電力Ｐ2が得られるようにする。
【００６２】
スイッチ２１１，２１３をオンにした場合、コイルＬ2が短絡し、図６（ａ）の実線矢印で示すように、コイルＬ2の受電電流（電流Ｉ2）の正半波は、スイッチ２１１，２１３を介してコイルＬ2側に流れる。また、図６（ａ）の一点鎖線矢印で示すように、電流Ｉ2の負半波は、スイッチ２１３，２１１を介してコイルＬ2側に流れる。すなわち、スイッチ２１１，２１３をオンにした場合、コイルＬ2が短絡して、電力変換器２１内で電流Ｉ2が還流し、後段側（電力変換器２２および負荷２３）に電力が供給されない。
【００６３】
一方、スイッチ２１１，２１４をオフ、スイッチ２１２，２１３をオンにした場合、図６（ｂ）の実線矢印で示すように、電流Ｉ2の正半波は、スイッチ２１２を介して後段側に流れ、後段側からスイッチ２１３を介して、コイルＬ2側に流れる。また、スイッチ２１１，２１４をオン、スイッチ２１２，２１３をオフにした場合、図６（ｃ）の一点鎖線矢印で示すように、電流Ｉ2の負半波は、スイッチ２１４を介して後段側に流れ、後段側からスイッチ２１１を介して、コイルＬ2側に流れる。すなわち、図６（ｂ）および図６（ｃ）の場合には、電流Ｉ2が整流され、後段側に供給される。
【００６４】
以下では、図６（ａ）に示すような、電流Ｉ2が電力変換器２１内で還流し、後段側に電力が供給されない（電力が遮断される）動作モードをショートモード（第１のモード）と称し、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、電流Ｉ2が整流され、後段側に供給される動作モードを整流モード（第２のモード）と称する。なお、本実施形態においては、スイッチ２１１，２１３をオンにすることで、コイルＬ2を短絡させ、後段側に電力が供給されないようにする（電力変換器２１の動作モードをショートモードとする）が、これに限られるものではなく、スイッチ２１２，２１４をオンにすることによっても、コイルＬ2を短絡させ、後段側に電力が供給されないようにすることができる。
【００６５】
上述したように、ショートモードでは、後段への電力供給が遮断され、整流モードでは、後段に電力が供給される。したがって、電力変換器２１の動作モードをショートモードと整流モードとで切り替え、所定期間におけるショートモードで動作する期間と、整流モードで動作する期間との比（Ｄｕｔｙ比）によって、その所定期間における平均的な受電電力Ｐ2を制御することができる。
【００６６】
ショートモードで動作する期間をＴsとし、整流モードで動作する期間をＴrとすると、Ｄｕｔｙ比Ｄは以下の式（４）で表される。
【００６７】
【数３】
0006548554.tif 000004
【００６８】
ショートモードにおける受電電力をＰ2sとし、整流モードにおける受電電力をＰ2rとすると、Ｐ2s＝０であるため、平均受電電力は、以下の式（５）で表される。
【００６９】
【数４】
0006548554.tif 000005
【００７０】
ショートモード時の送信電力Ｐ1sは非常に絞られているが、損失となる（Ｐ1r＞＞Ｐ1s）。したがって、平均効率は、以下の式（６）で表される。
【００７１】
【数５】
0006548554.tif 000006
【００７２】
図７は、電圧Ｖ2、電流Ｉ2、負荷抵抗ＲL、受電電力Ｐ2、伝送効率η、所望電力ＰL’の時間変化を示す図である。
【００７３】
制御器２４は、所望電力ＰL’に応じたＤｕｔｙ比Ｄで、電力変換器２１の動作モードを、整流モードとショートモードとで切り替える。期間Ｔrでは電力が受電され、期間Ｔsでは電力が受電されない。そのため、Ｄｕｔｙ比Ｄを制御することで、受電電力Ｐ2の平均値を所望電力ＰL’とすることができる。
【００７４】
なお、図７に示すように、時刻ｔ１以降の所望電力ＰL’が、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの所望電力ＰL’よりも大きい。そのため、制御器２４は、時刻ｔ１以降におけるＤｕｔｙ比Ｄを、時刻ｔ０から時刻ｔ１におけるＤｕｔｙ比Ｄよりも大きくする。こうすることで、時刻ｔ１以降の受電電力Ｐ2の平均値を大きくすることができる。
【００７５】
また、伝送効率ηが最大となる（負荷抵抗値ＲLが最適値Ｒoptとなる）ように電圧ＶDCを制御しておくことで、期間Ｔrにおいては、伝送効率ηを最大値ηmaxとすることができる。したがって、効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【００７６】
次に、動作例２について説明する。
【００７７】
上述したように、伝送効率ηが最大となる電圧ＶDCηmaxは、式（３）のように表わすことができる。
【００７８】
制御器２４は、電力変換器２１を制御し、電圧ＶDCが式（３）で求められる電圧ＶDCηmaxとなるようにする。具体的には、制御器２４は、期間Ｔrと期間Ｔsとの比（Ｄｕｔｙ比）を制御することで、電圧ＶDCが電圧ＶDCηmaxとなるようにする。
【００７９】
上述したように、ショートモードでは、電力変換器２１の後段に電力が供給されない。したがって、図８に示すように、期間Ｔsでは、コンデンサＣDCからの負荷２３への電力供給により電圧ＶDCが減少する。一方、整流モードでは、電力変換器２１の後段に電力が供給される。したがって、図８に示すように、期間Ｔrでは、ワイヤレス電力伝送による伝送電力が負荷電力に対して十分な場合、コンデンサＣDCに電力が蓄積され、電圧ＶDCが増加する。
【００８０】
そこで、制御器２４は、電圧ＶDCの上限値Ｖhigh（＝ＶDC*＋ΔＶ）と下限値Ｖlow（＝ＶDC*−ΔＶ）とを設定する。なお、ＶDC*は所望の電圧ＶDCであり、ΔＶはヒステリシス幅である。
【００８１】
そして、制御器２４は、電圧ＶDC＞上限値Ｖhighの場合には、電力変換器２１をショートモードで動作させ、電圧ＶDC＜下限値Ｖlowの場合には、電力変換器２１を整流モードで動作させる。こうすることで、図８に示すように、電圧ＶDCを、ＶDC*から上下にヒステリシス幅（ΔV）の範囲内に維持することができる。したがって、式（３）により算出された電圧ＶDCηmaxをＶDC*とし、ΔＶを適切な値（例えば、１Ｖ）に設定することで、電圧ＶDCを概ね電圧ＶDCηmaxに維持することができる。
【００８２】
制御器２４は、電圧ＶDCを電圧ＶDCηmaxとし、伝送効率ηを最大とするとともに、電力変換器２２を制御して、所望電力制御を行う。図５（ａ）および図５（ｂ）に示したように、スイッチ２２１をオンにすると、コンデンサＣDCから電流が流れ、スイッチ２２１をオフにした場合、インダクタＬloadのみから電流が流れる。
【００８３】
スイッチ２２１がオンの状態（図５（ａ））およびスイッチ２２１がオフの状態（図５（ｂ））における状態方程式はそれぞれ、回路方程式より以下の式（７）、式（８）で表される。なお、式（７）および式（８）において、ｉL（ｔ）は負荷電流である。
【００８４】
【数６】
0006548554.tif 000007
【００８５】
状態空間平均化法により、式（７）および式（８）から、以下の式（９）が得られる。
【００８６】
【数７】
0006548554.tif 000008
【００８７】
ここで、ｄ（ｔ）はスイッチ２２１のオン状態の割合である。このモデルは非線形であるたため、ｉL（ｔ）およびｄ（ｔ）を以下のように定義する。なお、Ｄ1は、スイッチ２２１のオン、オフの比である。
【００８８】
【数８】
0006548554.tif 000009
【００８９】
この定義を用いて式（９）を平衡点周りで線形化すると、以下の式（１０）が得られる。
【００９０】
【数９】
0006548554.tif 000010
【００９１】
したがって、Δｄ（ｓ）からΔｉL（ｓ）までの伝達関数ΔＰi（ｓ）は、以下の式（１１）で表される。
【００９２】
【数１０】
0006548554.tif 000011
【００９３】
式（１１）より、平衡点は、所望の受電電力に対応した負荷電流制御の指令値ＩL*とＤＣ／ＤＣ変換器の制約とから、式（１２）で求められる。
【００９４】
【数１１】
0006548554.tif 000012
【００９５】
制御器２４は、電圧ＶDCが電圧ＶDCηmaxとなるように、電力変換器２１のＤｕｔｙ比Ｄを制御するとともに、式（１２）により得られたＤｕｔｙ比Ｄ1でスイッチ２２１のオン、オフを制御する（電力変換器２２の入出力電流比および入出力電圧比を制御する）。こうすることで、負荷電流ＩLを指令値ＩL*に合わせ、所望の受電電力Ｐ2を得ることができる。したがって、効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【００９６】
なお、図４に示したように、電力変換器２２として、ＤＣ／ＡＣ変換器を用いることもできる。この場合にも、指令値ＩL*に応じた負荷電流ＩLが流れるように、スイッチ２２１〜２２４のオン、オフを制御することで、所望の受電電力を得ることができる。
【００９７】
このように本実施形態によれば、受電装置２０は、磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を受電するコイルＬ2と接続され、コイルＬ2が受電した交流電圧を直流電圧に整流する電力変換器２１と、電力変換器２１と接続され、電力変換器２１により整流された直流電圧を、任意の直流電圧または交流電圧に変換して負荷２３に供給する電力変換器２２と、電力変換器２１および電力変換器２２のうち、一方を用いて伝送効率ηを制御し、他方を用いて受電電力Ｐ2を制御する制御器２４とを備える。
【００９８】
そのため、受電側のみで、ワイヤレス電力伝送における効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【００９９】
（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、電力変換器２１，２２のうち、一方を用いて伝送効率ηを制御し、他方を用いて受電電力Ｐ2を制御する例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、１つの電力変換器で効率制御および所望電力制御を両立することも可能である。本発明の第２の実施形態においては、１つの電力変換器で効率制御および所望電力制御を両立する場合の構成例について説明する。
【０１００】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る受電装置２０ａの構成例を示す図である。なお、図９において、図３と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１０１】
図９に示す受電装置２０ａは、図３に示す受電装置２０と比較して、電力変換器２２を削除した点と、制御器２４を制御器２４ａに変更した点とが異なる。
【０１０２】
電力変換器２１は、ＡＣ／ＤＣ変換器であり、電圧Ｖ2を整流して負荷２３に供給する。
【０１０３】
制御器２４ａは、電力変換器２１を用いて、伝送効率ηおよび受電電力Ｐ2を制御する。
【０１０４】
なお、本実施形態においても、コンデンサＣDCと負荷２３との間に電力変換器２２（ＤＣ／ＤＣ変換器あるいはＤＣ／ＡＣ変換器）を設けてもよい。この場合でも、制御器２４ａは、電力変換器２１だけを用いて、伝送効率ηおよび受電電力Ｐ2を制御する。
【０１０５】
次に、制御器２４ａによる電力変換器２１の制御動作について説明する。
【０１０６】
まず、伝送効率ηの制御（伝送効率ηを最大化する制御）について説明する。
【０１０７】
コイルＬ2を含む共振回路の共振周波数と同期させて電力変換器２１を動作させることで、電力の伝送に関与する電圧Ｖ2の基本波成分Ｖ20を制御し、伝送効率ηを最大化することができる。
【０１０８】
図１０は、電力変換器２１を共振周波数と同期させて動作させた場合の、電力変換器２１の出力電圧の波形を示す図である。
【０１０９】
電力変換器２１を共振周波数と同期させて動作させた場合、電力変換器２１の出力電圧は、３つの状態（＋ＶDCである状態、０Ｖである状態、または、−ＶDCである状態）をとる。より詳細には、１周期（共振周波数（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の逆数）の始めからα経過までの期間および１周期の終わりよりもαだけ前から１周期の終わりまでの期間は、出力電圧は０Ｖとなり、その他の期間では、＋ＶDCまたは−ＶDCとなる。以下では、αを位相角と称する。
【０１１０】
図１１は、図１０に示す電力変換器２１の出力波形に電圧Ｖ2および電流Ｉ2を重畳した図である。
【０１１１】
上述したように、１周期の始めからα経過までの期間および１周期の終わりよりもαだけ前から１周期の終わりまでの期間は、出力電圧は０Ｖとなる。つまり、この期間では、電圧Ｖ2および電流Ｉ2が入力されても、電力変換器２１の出力電圧は０Ｖとなり、その他の期間では、電力変換器２１の出力電圧は、＋ＶDCまたは−ＶDCとなる。したがって、位相角αの長さを制御することで、１周期における電力の伝送効率ηが変化することが分かる。
【０１１２】
図１０に示す波形をフーリエ級数展開し、電圧Ｖ2の基本波成分Ｖ20を計算すると、以下の式（１３）で表される。
【０１１３】
【数１２】
0006548554.tif 000013
【０１１４】
伝送効率ηが最大となる位相角αは、式（１３）から以下に示す式（１４）により求められる。
【０１１５】
【数１３】
0006548554.tif 000014
【０１１６】
上述したように、電力変換器２１は、ショートモードと整流モードとで動作可能である。したがって、制御器２４ａは、位相角αが式（１４）で求められる伝送効率ηが最大となる値となるように、電力変換器２１をショートモードで動作させる期間を制御する。こうすることで、伝送効率ηを最大化することができる。
【０１１７】
また、制御器２４ａは、上述した第１の実施形態の動作例１と同様の制御により、所望電力制御を行う。すなわち、制御器２４ａは、ショートモードで動作する期間と、整流モードで動作する期間との比（Ｄｕｔｙ比）によって、受電電力Ｐ2を制御する。ここで、制御器２４ａは、受電電力Ｐ2の制御のためには、共振周波数よりも遅い周波数で電力変換器２１を動作させる（ショートモードと整流モードとを切り替える）。
【０１１８】
図１２は、制御器２４ａによる電力変換器２１の制御信号の波形を示す図である。
【０１１９】
図１２に示すように、制御器２４ａは、所望の受電電力Ｐ2が得られるように、所定の時間間隔で電力変換器２１をショートモードで動作させる。さらに、制御器２４ａは、受電電力Ｐ2の制御のために電力変換器２１をショートモードで動作させる期間Ｔs以外の期間において、電力変換器２１の動作モードをショートモードと整流モードとで切り換えることで、伝送効率ηを制御する。ここで、制御器２４ａは、受電電力Ｐ2の制御のための電力変換器２１の動作モードの切り替えは、共振周波数よりも遅い周波数で行う。また、制御器２４ａは、受電電力Ｐ2の制御のために電力変換器２１をショートモードで動作させる期間Ｔs以外の期間においては、共振周波数に同期して電力変換器２１を動作させ、位相角αを伝送効率ηが最大となるようにする。こうすることで、電力変換器２１だけを用いて、効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【０１２０】
このように本実施形態によれば、受電装置２０ａは、磁界または電界を用いた無線電力伝送により送電側から交流電力を取得するコイルＬ2と接続され、コイルＬ2が取得した交流電力の電圧を直流電圧に整流して負荷２３に供給する電力変換器２１と、電力変換器２１を用いて、伝送効率ηおよび受電電力Ｐ2を制御する制御器２４ａと、を備える。
【０１２１】
そのため、受電側のみで、１つの電力変換器２１だけを用いて、ワイヤレス電力伝送における効率制御および所望電力制御を両立することができる。
【０１２２】
本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【符号の説明】
【０１２３】
１    ワイヤレス電力伝送システム
１０    送電装置
１１    交流電源
２０    受電装置
２１，２２    電力変換器
２３    負荷
２４，２４ａ    制御器
１１１〜１１４，２１１−１２４，２２１〜２２４    スイッチ
１１５    直流電源
【図１】
0006548554.tif 000015
【図２】
0006548554.tif 000016
【図３】
0006548554.tif 000017
【図４】
0006548554.tif 000018
【図５】
0006548554.tif 000019
【図６】
0006548554.tif 000020
【図７】
0006548554.tif 000021
【図８】
0006548554.tif 000022
【図９】
0006548554.tif 000023
【図１０】
0006548554.tif 000024
【図１１】
0006548554.tif 000025
【図１２】
0006548554.tif 000026