(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電装置に電力を供給するための送電装置であって、
前記受電装置の第２コイルに非接触で前記電力を伝送するための第１コイルと、
電源から供給される電力を直流電力に変換する電力変換器と、
前記直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記第１コイルに供給する直流交流変換器と、
前記交流電力の周波数を選択する周波数制御を行う制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第１コイルに対する前記第２コイルの位置ずれ量に関わらず前記直流電力が前記直流交流変換器の耐電力以下となるように、前記周波数を選択する前記周波数制御と、前記直流電力の電圧を低下させる電圧調整制御とを行い、
前記電圧調整制御は、前記周波数制御のみでは前記直流電力が前記直流交流変換器の耐電力を超えてしまう場合に行われる、送電装置。
【請求項２】
受電装置に電力を供給するための送電装置であって、
前記受電装置の第２コイルに非接触で前記電力を伝送するための第１コイルと、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記第１コイルに供給する直流交流変換器と、
前記直流交流変換器の入力に設けられた平滑キャパシタと、
前記交流電力の周波数を選択する周波数制御を行う制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第１コイルに対する前記第２コイルの位置ずれ量に関わらず前記直流電力が前記直流交流変換器の耐電力以下となるように、前記周波数を少なくとも選択し、
前記周波数制御は、前記平滑キャパシタが完全に充電される前に行われる、送電装置。
【請求項３】
前記送電装置内における電気的パラメータを検出する検出器を更に備え、
前記制御器は、前記位置ずれ量が大きくなるにつれて前記電気的パラメータの検出値が大きくなるまたは小さくなるような周波数を選択する、請求項１または２に記載の送電装置。
【請求項４】
前記送電装置内における電気的パラメータを検出する検出器を更に備え、
前記制御器は、前記位置ずれ量と、前記電気的パラメータの検出値との対応関係を予めテーブルとして記憶しており、前記テーブルを参照することにより、前記検出値に対応する位置ずれ量を推定する、請求項１または２に記載の送電装置。
【請求項５】
前記制御器は、前記位置ずれ量と、前記電気的パラメータの検出値との対応関係を予めテーブルとして記憶しており、前記テーブルを参照することにより、前記検出値に対応する位置ずれ量を推定する、請求項３に記載の送電装置。
【請求項６】
前記直流交流変換器の入力に設けられた平滑キャパシタを更に備え、
前記制御器は、前記平滑キャパシタが完全に充電される前に前記周波数制御を行う、請求項１に記載の送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置またはシステムとして、特許文献１および特許文献２が知られている。特許文献１に記載された装置は、電源からの電力を送電コイルに供給する送電回路と、送電回路に流れる電流または送電回路の電圧を測定する測定手段と、受電コイルが送電可能範囲に入ったことまたは送電可能範囲から出たことを検知する検知手段とを備えている。具体的には、電源装置のインバータから出力される交流電力の電圧変化または電流変化を用いて、受電コイルの位置が検知される。
【０００３】
特許文献２に記載されたシステムは、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御する送電制御部とを備えている。送電制御部は、送電アンテナから電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−７３３８０号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１１９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非接触給電システムにおいて、送電装置および受電装置は、コイルまたはコイルに接続されたキャパシタ等を含む。これらの素子のインピーダンスは、直流交流変換器から出力される交流電力の周波数によって変化する。その交流電力の周波数は可変である。特許文献１の装置によって受電コイルの位置の検知を実行する際、直流交流変換器から出力される交流電力の周波数をどの値に設定するかによって、非接触給電システム全体のインピーダンスは変わる。その結果、直流交流変換器の入力電力が変化する。
【０００６】
また、周波数と位置ずれ量の組み合わせによっては、直流交流変換器から受電側を見たインピーダンスが容量性になり得る。この場合、直流交流変換器のスイッチング方式が、ハードスイッチング方式となってしまう。ハードスイッチング方式におけるスイッチング損失は大きく、直流交流変換器の入力電力は大きくなる。すると、この入力電力が直流交流変換器の耐電力を超えてしまうことがある。直流交流変換器の耐電力を上げるためには、直流交流変換器の構成素子として耐電力が高い素子を採用することが考えられる。しかし、直流交流変換器の大型化を招く虞がある。
【０００７】
本発明は、直流交流変換器の大型化を招くことなく、送電側の第１コイルに対して受電側の第２コイルがどのような位置にあっても、直流交流変換器の入力電力が直流交流変換器の耐電力を超えない送電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、受電装置に電力を供給するための送電装置であって、受電装置の第２コイルに非接触で電力を伝送するための第１コイルと、直流電力を交流電力に変換し、交流電力を第１コイルに供給する直流交流変換器と、交流電力の周波数を選択する周波数制御を行う制御器と、を備え、制御器は、第１コイルに対する第２コイルの位置ずれ量に関わらず直流電力が直流交流変換器の耐電力以下となるように、周波数を少なくとも選択する。
【０００９】
通常、第１コイルに対する第２コイルの位置ずれ量は、あらゆる値であり得る。たとえば、第２コイルが第１コイルに正対する程に近い場合もあれば、第１コイルと第２コイルの間の磁気的な結合が無視できるくらい第１コイルと第２コイルが離れている場合もある。後者の場合、第２コイルは送電装置の動作にまったく影響しないので、第２コイルが存在しないのと同じことになる。第２コイルが存在しない場合、直流交流変換器から受電装置側を見たインピーダンスは容量性になり得る。この場合、ハードスイッチング方式となることで、直流電力が大きくなってしまう。ここで、本発明者らは、位置ずれ量の大きさに応じて、交流電力の周波数と直流電力との相関関係に違いが生じることを見出している。その相関関係は、第１コイルの回路トポロジーに基づいて定まることがわかっている。一態様に係る送電装置によれば、制御器は、位置ずれ量に関わらず直流電力が直流交流変換器の耐電力以下となるような周波数で、直流交流変換器に対する周波数制御を行う。どのような位置ずれ量であっても（たとえば第２コイルが存在しない場合であっても）、直流電力が直流交流変換器の耐電力以下となるように周波数制御が行われるため、直流交流変換器の大型化を防止することができる。
【００１０】
いくつかの態様において、送電装置内における電気的パラメータを検出する検出器を更に備え、制御器は、位置ずれ量が大きくなるにつれて電気的パラメータの検出値が大きくなるまたは小さくなるような周波数を選択する。この場合、位置ずれ量の変化と電気的パラメータの変化において、方向性が対応している。この対応関係と検出値とに基づいて、第２コイルが所望の範囲内に位置しているか否かを容易に判定することができる。
【００１１】
送電装置は、電源から供給される電力を直流電力に変換する電力変換器を更に備え、制御器は、第１コイルに対する第２コイルの位置ずれ量に関わらず直流電力が直流交流変換器の耐電力以下となるように、周波数制御に加え、直流電力の電圧を低下させる電圧調整制御を行う。制御器が電圧調整制御を行うことにより、周波数制御では十分に直流電力を抑えられなかった場合であっても、確実に直流電力を耐電力以下とすることができる。周波数域の選択範囲が限られている場合、このような電圧調整制御を併用することにより、確実かつフレキシブルな制御が可能である。
【００１２】
いくつかの態様において、制御器は、位置ずれ量と、電気的パラメータの検出値との対応関係を予めテーブルとして記憶しており、テーブルを参照することにより、検出値に対応する位置ずれ量を推定する。この場合、第２コイルが所望の範囲内に位置しているか否かのみならず、位置ずれ量を推定することもできる。
【００１３】
いくつかの態様において、直流交流変換器の入力に設けられた平滑キャパシタを更に備え、制御器は、平滑キャパシタが完全に充電される前に周波数制御を行う。この場合、負荷への充電動作を開始する前の時間を有効に利用して、第２コイルが所望の範囲内に位置しているか否かを判定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のいくつかの態様によれば、直流交流変換器の大型化を招くことなく、直流交流変換器へ入力される直流電力が直流交流変換器の耐電力を超えない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る送電装置および非接触給電システムの適用例を示す図である。
【図２】図１中の非接触給電システムの回路ブロック図である。
【図３】位置ずれ量と位相差との関係の一例を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ異なる周波数に対する送電装置電力の関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ異なる周波数に対する位相差の関係を示す図である。
【図６】位置ずれ判定処理を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は第１直流電力の電圧制御による送電装置電力の低減を示す図、（ｂ）は平滑キャパシタ充電時における位置ずれ判定処理を説明するための図である。
【図８】直流交流変換器の回路構成の一例を示す図である。
【図９】図４（ａ）〜（ｃ）に示したのとは異なる周波数に対する送電装置電力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１および図２に示されるように、非接触給電システム１は、送電装置２と受電装置３とを備えており、送電装置２から受電装置３に電力を供給するためのシステムである。送電装置２および受電装置３は、たとえば上下方向に離間している。送電装置２は、たとえば駐車場等に設置されている。受電装置３は、たとえば電気自動車ＥＶに搭載されている。非接触給電システム１は、駐車場等に到着した電気自動車ＥＶに対し、磁界共鳴方式または電磁誘導方式等のコイル間の磁気結合を利用して、電力を供給するように構成されている。
【００１８】
送電装置２は、非接触給電のための電力を供給する装置である。送電装置２は、電源ＰＳによって供給された電力から所望の交流電力を生成し、受電装置３に送る。送電装置２は、たとえば駐車場等の路面Ｒに設置される。送電装置２は、たとえば駐車場等の路面Ｒから上方に突出するように設けられた送電コイル装置４を備えている。送電コイル装置４は、第１コイル２１を含み、たとえば扁平な錘台状または直方体状をなしている。送電装置２は、電源ＰＳから所望の交流電力を生成する。生成された交流電力が送電コイル装置４に送られることによって、送電コイル装置４は磁束を発生させる。
【００１９】
受電装置３は、送電装置２から電力を受け取り、負荷Ｌに電力を供給する装置である。受電装置３は、たとえば電気自動車ＥＶに搭載される。受電装置３は、たとえば電気自動車ＥＶの車体（シャーシ等）の底面に取り付けられた受電コイル装置５を備えている。受電コイル装置５は、第２コイル３１を含み、電力供給時において送電コイル装置４と上下方向に離間して対向する。受電コイル装置５は、たとえば扁平な錘台状または直方体状をなしている。送電コイル装置４で発生した磁束が受電コイル装置５に鎖交することによって、受電コイル装置５は誘導電流を発生させる。これにより、受電コイル装置５は、非接触（ワイヤレス）で送電コイル装置４からの電力を受け取る。受電コイル装置５が受け取った電力は、負荷Ｌに供給される。
【００２０】
図２を参照して、非接触給電システム１の回路構成を説明する。図２に示されるように、非接触給電システム１は、電源ＰＳから交流電力Ｐａｃ１を受け、負荷Ｌに負荷電力Ｐｏｕｔを供給するシステムである。電源ＰＳは、商用電源等の交流電源であり、送電装置２に交流電力Ｐａｃ１を供給する。交流電力Ｐａｃ１の周波数は、たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。負荷Ｌは、バッテリ等の直流負荷であってもよく、モータ等の交流負荷であってもよい。
【００２１】
送電装置２は、電源ＰＳから交流電力Ｐａｃ１を供給される。送電装置２は、第１コイル２１と、第１変換器２２と、第１検出器２３（検出器）と、第１通信器２４と、第１制御器２５（制御器）と、を備えている。
【００２２】
第１変換器２２は、電源ＰＳから供給される交流電力Ｐａｃ１を、所望の交流電力Ｐａｃ２に変換し、変換した交流電力Ｐａｃ２を第１コイル２１に供給する回路である。第１変換器２２は、たとえば、後述の周波数制御および電圧調整制御によって交流電力Ｐａｃ１または直流電力Ｐｄｃの大きさを変更することができる。第１変換器２２は、電力変換器２６と、直流交流変換器（DC/AC  converter）２７と、を備えている。
【００２３】
電力変換器２６は、電源ＰＳから供給された交流電力Ｐａｃ１を直流電力Ｐｄｃに変換する交流直流変換器（AC/DC  converter）である。電力変換器２６は、たとえば整流回路である。整流回路は、ダイオード等の整流素子で構成されてもよいし、トランジスタ等のスイッチング素子によって構成されてもよい。電力変換器２６は、ＰＦＣ（Power  Factor  Correction）機能および昇降圧機能をさらに有していてもよい。電力変換器２６は、第１制御器２５によって直流電力Ｐｄｃの電圧Ｖｄｃの大きさを変更するように制御される。電力変換器２６は、たとえば、パルス幅変調で直流電力Ｐｄｃの電圧Ｖｄｃの大きさを変更する。電力変換器２６は、変換した直流電力Ｐｄｃを直流交流変換器２７に供給する。
【００２４】
直流交流変換器２７は、電力変換器２６によって変換された直流電力Ｐｄｃを交流電力Ｐａｃ２に変換する。交流電力Ｐａｃ２の周波数は、たとえば８１．３８ｋＨｚ〜９０ｋＨｚである。直流交流変換器２７は、たとえばインバータ回路である。第１変換器２２は、直流交流変換器２７の出力に設けられたトランスをさらに備えていてもよい。直流交流変換器２７は、第１制御器２５によって交流電力Ｐａｃ２の周波数を変更するように制御される。直流交流変換器２７は、変換した交流電力Ｐａｃ２を第１コイル２１に供給する。
【００２５】
第１コイル２１は、受電装置３に非接触で給電するためのコイルである。第１コイル２１は、第１変換器２２から交流電力Ｐａｃ２を供給されることによって、磁束を発生する。第１コイル２１と第１変換器２２との間には、キャパシタおよびインダクタ（たとえば、リアクトル）が接続されていてもよい。キャパシタ及びインダクタ（以下、共振用キャパシタ及び共振用インダクタとも称する）は、第１コイル２１に並列または直列に接続され、種々の回路トポロジーが形成される。
【００２６】
第１検出器２３は、直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１に関する測定値を取得するための回路を含む。直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１に関する測定値を取得するための回路は、たとえば、電圧センサ、電流センサ、またはその組み合わせである。第１検出器２３は、直流電力Ｐｄｃ、直流電力Ｐｄｃの電圧Ｖｄｃまたは直流電力Ｐｄｃの電流Ｉｄｃを測定する。また、第１検出器２３は、交流電力Ｐａｃ１、交流電力Ｐａｃ１の電圧Ｖａｃ１または交流電力Ｐａｃ１の電流を測定する。第１検出器２３は、取得した測定値を第１制御器２５に出力する。
【００２７】
第１通信器２４は、後述する受電装置３の第２通信器３４と無線で通信を行うための回路である。第１通信器２４は、たとえば、電波を利用する通信方式用のアンテナ、光信号を利用する通信方式用の発光素子および受光素子である。第１通信器２４は、受電装置３から受信した情報を第１制御器２５に出力する。
【００２８】
第１制御器２５は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）およびＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）等の処理装置である。第１制御器２５は、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）および送電装置２の各部と接続するインターフェース回路等を有してもよい。
【００２９】
第１制御器２５は、送電制御の実行にあたり、第１変換器２２を制御することによって交流電力Ｐａｃ１または直流電力Ｐｄｃの大きさを制御する。具体的には、第１制御器２５は、直流交流変換器２７に対する周波数制御を少なくとも行う。ここでいう周波数制御とは、直流交流変換器２７から出力される交流電力Ｐａｃ２の周波数を選択し、選択された周波数（駆動周波数とも称する）で、直流交流変換器２７に対して駆動信号を供給することを意味する。駆動周波数は、選択可能範囲（たとえば、８１．３８ｋＨｚ〜９０ｋＨｚ）内の値であり得る。交流電力Ｐａｃ２の周波数とは、第１変換器２２から出力される交流電力Ｐａｃ２の電圧Ｖａｃ２または電流Ｉａｃ２の周波数である。直流交流変換器２７が周波数を選択するとは、直流交流変換器２７が選択可能範囲から能動的に選択することだけでなく、選択可能範囲で予め選択された周波数を直流交流変換器２７が採用することも含む。
【００３０】
第１制御器２５は、周波数制御に加え、電力変換器２６に対する電圧調整制御を行ってもよい。第１制御器２５は、さらに、第１コイル２１に対して第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを判定する判定処理を行う。第１制御器２５における周波数制御および判定処理の詳細は後述する。
【００３１】
受電装置３は、第２コイル３１と、第２変換器３２と、第２検出器３３と、第２通信器３４と、第２制御器３５と、を備えている。
【００３２】
第２コイル３１は、送電装置２から非接触で供給される電力を受け取るためのコイルである。第１コイル２１によって発生された磁束が第２コイル３１に鎖交することによって、第２コイル３１に交流電力Ｐａｃ３が生じる。第２コイル３１は、交流電力Ｐａｃ３を第２変換器３２に供給する。なお、第２コイル３１と第２変換器３２との間には、キャパシタおよびインダクタ（たとえば、リアクトル）が接続されていてもよい。キャパシタ及びインダクタは、第２コイル３１に並列または直列に接続され、種々の回路トポロジーが形成される。
【００３３】
第２変換器３２は、第２コイル３１が受け取った交流電力Ｐａｃ３を負荷Ｌにとって所望の負荷電力Ｐｏｕｔに変換する回路である。負荷Ｌが直流負荷である場合、第２変換器３２は、交流電力Ｐａｃ３を直流の負荷電力Ｐｏｕｔに変換する交流直流変換器（整流回路）である。この場合、第２変換器３２は、負荷Ｌにとって所望の負荷電力Ｐｏｕｔを出力するために昇降圧機能を含んでいてもよい。この昇降圧機能は、たとえばチョッパ回路またはトランスで実現され得る。第２変換器３２は、交流直流変換器の入力に設けられたトランスをさらに備えていてもよい。
【００３４】
負荷Ｌが交流負荷である場合、第２変換器３２は、交流電力Ｐａｃ３を直流電力に変換する交流直流変換器に加えて、さらに直流交流変換器（インバータ回路）を含む。直流交流変換器は、交流直流変換器によって変換された直流電力を交流の負荷電力Ｐｏｕｔに変換する。第２変換器３２は、交流直流変換器の入力に設けられたトランスをさらに備えていてもよい。なお、第２コイル３１から供給される交流電力Ｐａｃ３が負荷Ｌにとって所望の交流電力である場合には、第２変換器３２は省略され得る。
【００３５】
第２検出器３３は、負荷Ｌに供給される負荷電力Ｐｏｕｔに関する測定値を取得するための回路である。第２検出器３３は、負荷Ｌに供給される負荷電圧、負荷電流または負荷電力Ｐｏｕｔを測定する。第２検出器３３は、たとえば、電圧センサ、電流センサ、またはその組み合わせである。第２検出器３３は、取得した測定値を第２制御器３５に出力する。負荷Ｌは、電力指令値を第２制御器３５に出力する。電力指令値は、負荷Ｌに供給すべき所望の電力の大きさを示す。たとえば負荷Ｌが蓄電池の場合には、電力指令値は、負荷ＬのＳＯＣ（State  Of  Charge）に応じて定められた電流、電圧、または電力の指令値であってもよい。
【００３６】
第２通信器３４は、送電装置２の第１通信器２４と無線で通信を行うための回路である。第２通信器３４により、受電装置３は、送電装置２と通信可能である。第２通信器３４は、たとえば、電波を利用する通信方式用のアンテナ、光信号を利用する通信方式用の発光素子および受光素子である。第２通信器３４は、第２制御器３５から受信した情報を送電装置２に送信する。
【００３７】
第２制御器３５は、ＣＰＵおよびＤＳＰ等の処理装置である。第２制御器３５は、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび受電装置３の各部と接続するインターフェース回路等を含んでいてもよい。第２制御器３５は、第２検出器３３から受信した測定値および負荷Ｌから受信した電力指令値を、第２通信器３４を介して送電装置２に送信する。
【００３８】
なお、たとえば、送電装置２に電源ＰＳに代えて電気自動車の蓄電池が接続され、受電装置３に負荷Ｌに代えて電源ＰＳが接続されることによって、受電装置３から送電装置２に電力を伝送することも可能である。
【００３９】
次に、送電装置２における第１制御器２５の構成および機能について詳細に説明する。上記したように、第１制御器２５は、直流交流変換器２７に対する周波数制御を行うことにより、交流電力Ｐａｃ１または直流電力Ｐｄｃの大きさを制御する。第１制御器２５は、第１コイル２１に対して第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを判定する判定処理を行う。非接触給電システム１の送電装置２では、受電装置３すなわち第２コイル３１が第１コイル２１の近傍に位置するか、第１コイル２１の遠くに位置するかが不明な状態で、第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを判定する。
【００４０】
所望の範囲とは、所定の電力効率を満足し得るよう予め定められた位置ずれ範囲である。所望の範囲とは、事前に、位置ずれを変化させて電力効率を測定し、一定以上の電力効率が得られる位置ずれ量の範囲である。所望の範囲の別の例として、たとえば、最大電力効率に対する電力効率の低下が５％または１０％以内であるような位置ずれ量の範囲とすることもできる。電力効率とは、送電装置内のある箇所での電力に対する、受電装置内のある箇所での電力の割合を示すものである。電力効率は、例えば、送電装置２の直流交流変換器２７の入力の電力（すなわち直流電力Ｐｄｃ）に対する受電装置３の整流器（第２変換器３２）の出力の電力（すなわち負荷電力Ｐｏｕｔ）の割合である。また、所望の範囲は、所定の電力効率ではなく、受電装置３が、この受電装置３に接続されている負荷Ｌに所定の電力（例えば、３ｋＷ）を供給できる位置ずれ量の範囲とすることもできる。
【００４１】
更に、所望の範囲の別の例は、予め定められた非接触給電システム１の使用態様の観点から、非接触給電システム１の仕様書もしくは使用マニュアル等に記載される範囲である。所望の範囲は、電気自動車ＥＶの種類や車格等によって変わり得るが、たとえば、前後方向において１００ｍｍ、左右方向において２００ｍｍといった数値が挙げられる。この場合、使用マニュアルには、「位置ずれは、前後方向で１００ｍｍ、左右方向で２００ｍｍの範囲内であるよう、非接触給電システムをお使いください」等と記載されることが考えられる。
【００４２】
ここで、直流交流変換器２７（直流交流変換器２７の出力）から受電装置３側を見たインピーダンスは、誘導性にもなり得るし、容量性にもなり得る。図３を参照して、上記インピーダンスの変化と、直流交流変換器２７の保護について説明する。図３は、第１コイル２１に対する第２コイル３１の位置ずれ量と、位相差との関係の一例を示す図である。図３の縦軸は、位相差である。位相差は、直流交流変換器２７からの出力電圧（交流電力Ｐａｃ２の電圧Ｖａｃ２）の位相と、出力電流（交流電力Ｐａｃ２の電流Ｉａｃ２）の位相との差である。出力電圧の位相が出力電流の位相よりも進んでいる場合に、位相差は正とされる。言い換えれば、出力電圧の位相に対する出力電流の位相の遅れが、正とされる。
【００４３】
図３の例では、位置ずれ量が小さい場合、すなわち送電コイル装置４と受電コイル装置５とが比較的正対している場合には、位相差は最大である。このように、出力電圧の位相が出力電流の位相よりも進んでいる場合は、インピーダンスは誘導性である。位置ずれ量が大きい場合、すなわち送電コイル装置４から受電コイル装置５が離れている場合には、位相差は小さくなる。このように、出力電圧の位相が出力電流の位相よりも遅れている場合は、インピーダンスは容量性である。位相差が０°を超えてかつ９０°以下の範囲内である場合にインピーダンスは誘導性（Ｌ負荷）であるとされ、この範囲はＬ負荷領域とされる。また位相差が０°未満かつ−９０°以上の範囲内である場合にインピーダンスは容量性（Ｃ負荷）であるとされ、この範囲はＣ負荷領域とされる。
【００４４】
送電装置２において、Ｌ負荷での動作モードが定常動作であり、Ｃ負荷での動作モードは、一般的に望ましくない。これは、Ｃ負荷の場合には送電装置２にかかる負担が非常に大きいためである。具体的には、Ｃ負荷領域においては、直流交流変換器２７がハードスイッチング方式となり、スイッチング損失が大きくなる。そのため、直流交流変換器２７に入力される電力（直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１）は大きくなり、直流交流変換器２７に対する負担が増大する。図３に示される例では、位置ずれ量が大きくなるほど位相差は小さくなり、上記電力が大きくなってしまう。そのため、Ｃ負荷が生じ得る場合でも、直流交流変換器２７の負担を無くす必要がある。
【００４５】
第１制御器２５は、インピーダンスが容量性となった場合に、直流交流変換器２７への直流電力Ｐｄｃが耐電力を超えることを防ぐべく、周波数制御を行う。以下、図４および図５を参照して、周波数と送電装置電力あるいは位相差との関係について説明する。本発明者らは、位置ずれ量の大きさに応じて、交流電力Ｐａｃ２の周波数と直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１（以下、直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１のいずれかを入力電力とも称す）との相関関係に違いが生じることを見出している。その相関関係は、第１コイル２１の回路トポロジーに基づいて定まり得る。言い換えれば、そのような相関関係は、第１コイル２１の回路構成がいかなる形式若しくは形態であっても、その回路構成が明らかになれば、一意に求められ得る。相関関係は、その回路構成に基づいて、当業者によって求められ得る。
【００４６】
図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、異なる周波数に対する送電装置電力の関係を示している。横軸は交流電力Ｐａｃ２の周波数（すなわち駆動周波数）であり、縦軸は送電装置電力（すなわち直流電力Ｐｄｃまたは交流電力Ｐａｃ１）である。これらの周波数は、上述した周波数範囲と同様であり、約８０ｋＨｚ〜９０ｋＨｚの範囲内の周波数である。なお、図中には、直流交流変換器２７に負担となる電力の閾値である、耐電力Ｐｗが併記されている。この耐電力Ｐｗは、Ｃ負荷の場合の閾値である。耐電力Ｐｗとの直接的な比較対象は直流電力Ｐｄｃであるが、交流電力Ｐａｃ１が耐電力Ｐｗと比較されてもよい。交流電力Ｐａｃ１は、直流電力Ｐｄｃよりも電力変換器２６での電力損失分大きい。そのため、交流電力Ｐａｃ１が耐電力Ｐｗ以下であれば、直流電力Ｐｄｃは確実に耐電力Ｐｗ以下となる。
【００４７】
図４（ａ）に示される周波数域では、位置ずれ量に対する電力の変化の方向性が一定である。位置ずれ量が小さい、中程度、大きい、と大きくなるにつれて、電力が大きくなっている。図４（ｂ）に示される周波数域でも、位置ずれ量が大きくなるにつれて、電力が大きくなっている。しかし、図４（ａ）に示される周波数域に比して、異なる位置ずれ間の電力差は小さい。そして、図４（ａ）および図４（ｂ）に示される周波数域では、電力は耐電力Ｐｗよりも常に小さい。図４（ｃ）に示される周波数域では、位置ずれ量に対する電力の変化の方向性が一定ではない。位置ずれ量が大きい、小さい、中程度という順で、電力が大きくなっている。また、位置ずれ量が中程度である場合の低い周波数の領域を除き、電力は耐電力Ｐｗよりも小さい。
【００４８】
図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、異なる周波数に対する位相差の関係を示している。横軸は交流電力Ｐａｃ２の周波数（すなわち駆動周波数）であり、縦軸は位相差（すなわち電圧Ｖａｃ２の位相と電流Ｉａｃ２の位相との差）である。図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示される周波数域と、図４（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに示される周波数域とは、対応している。
【００４９】
図５（ａ）に示される周波数域では、位置ずれ量に対する電力の変化の方向性が一定である。位置ずれ量が小さい、中程度、大きい、と大きくなるにつれて、位相差が小さくなっている。図５（ｂ）に示される周波数域でも、位置ずれ量が大きくなるにつれて、位相差が小さくなっている。しかし、図５（ａ）に示される周波数域に比して、異なる位置ずれ間の位相差の差は小さい。図５（ｃ）に示される周波数域では、位置ずれ量に対する位相差の変化の方向性が一定ではない。位置ずれ量が小さい、大きい、中程度という順で、位相差が小さくなっている。
【００５０】
そこで、送電装置２の第１制御器２５は、直流交流変換器２７に対する駆動周波数として、図４（ａ）〜（ｃ）に示される周波数域のうち、電力が耐電力Ｐｗ以下となるような周波数を予め記憶している。すなわち、第１制御器２５は、位置ずれ量に関わらず、交流電力Ｐａｃ１または直流電力Ｐｄｃが耐電力Ｐｗ以下となるような周波数を選択している。ここで、交流電力Ｐａｃ１に関しては、実効値が用いられてもよいし、ピーク値が用いられてもよい。第１制御器２５は、たとえばメモリ等に駆動周波数を記憶している。第１制御器２５は、１つの固定値を駆動周波数としてもよいし、複数の固定値を駆動周波数とし、その中から１つを適宜選択してもよいし、所定の周波数域内で駆動周波数を変化させてもよい。このように駆動周波数が選択されることにより、送電装置２では、どのような位置ずれ量であっても、直流交流変換器２７が保護されている。
【００５１】
言い換えれば、第１制御器２５は、位相差が最小（インピーダンスがＣ負荷）のときの位置ずれでの直流交流変換器２７の入力電力が耐電力Ｐｗ以下となるような周波数を選択する。なお、図９に示されるような周波数域では、位置ずれ量が大きい場合には常に送電装置電力は耐電力Ｐｗを超えている。したがって、このような周波数域からは、駆動周波数は選択され得ない。
【００５２】
また、第１制御器２５は、図４（ａ）〜（ｃ）および図５（ａ）〜（ｃ）に示される特性のうち、位置ずれ量に対して方向性すなわち規則性がある周波数域を選択している場合には、第２コイル３１がある程度近くにいることを示す閾値を記憶している。例えば、第１コイル２１に対して第２コイル３１が位置すべき所望の範囲が、位置ずれが「小さい」場合から、位置ずれが「小さい」と「中程度」の間の場合までであるとする。ここで、電力に関して方向性がある場合（図４（ａ）参照）には、位置ずれが小さいときに相当する電力と、位置ずれが中程度のときに相当する電力との中間値を閾値として記憶している。位相差に関して方向性がある場合（図５（ａ）参照）には、位置ずれが小さいときに相当する位相差と、位置ずれが中程度のときに相当する位相差との中間値を閾値として記憶している。これらの閾値は、第２コイル３１の位置の判定処理に用いられる。電力および位相差は、送電装置２の電気的パラメータに相当する。
【００５３】
第１制御器２５は、位置ずれ量と、電力および位相差との対応関係を予めテーブルとして記憶してもよい。このテーブルは、たとえば下記の表１のように構成される。なお、第１制御器２５が記憶するテーブルにおいて、送電装置電力が電気的パラメータとされる場合に限られない。他の電気的パラメータが採用されてもよい。
【表１】
0006645241.tif 000002
【００５４】
図３に示される例のように、位置ずれ量が最大になるのは、受電装置３が存在しないときである。位置ずれ量の最小値（０）は、非接触給電システム１の最大電力効率が実現される第１コイル２１と第２コイル３１との位置関係を意味することができる。また、位置ずれ量の最小値（０）は、第１コイル２１のコイル面の中心と第２コイル３１のコイル面の中心とが対向方向において一致することを意味してもよい。また、位置ずれ量の最小値（０）は、非接触給電システム１の仕様書もしくは使用マニュアル等に位置ずれ無しとして規定される第１コイル２１と第２コイル３１との位置関係を意味してもよい。位置ずれがないことを示すこれらの基準位置からのずれを位置ずれとする。
【００５５】
続いて、図６を参照して、第１制御器２５によって実行される処理について説明する。この処理は、たとえば、送電装置２が、送電可能か否かを問い合わせる信号を受電装置３から受けたときに開始する。第１制御器２５による処理は、第１制御器２５による所定の電力（例えば、３ｋＷ）の供給に先立って行われる。
【００５６】
上記したように、第１制御器２５は周波数を選択する（ステップＳ０１）。次に、第１制御器２５は、選択した周波数を駆動周波数とした場合に、直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）は耐電力Ｐｗ以下となるか否かを判定する（ステップＳ０２）。ここで、周波数の選択可能範囲が存在し、選択できる駆動周波数に制限がある場合、駆動周波数の選択により、ある程度は、直流電力Ｐｄｃを小さくできても、耐電力Ｐｗ以下にできない場合がある。
【００５７】
ステップＳ０２において、直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）は耐電力Ｐｗ以下になると判定すると、第１制御器２５は、駆動周波数を示す駆動信号を直流交流変換器２７に出力し、周波数制御を行う（ステップＳ０３）。図８を参照して、周波数制御の一例を説明する。たとえば、直流交流変換器２７が図８に示されるようなインバータ回路である場合には、第１制御器２５は、インバータ回路に含まれるスイッチング素子ａ〜ｄへの駆動信号Ｓａ〜Ｓｄの供給時間を調整して、各スイッチング素子ａ〜ｄがオンとなるタイミングを調整する。その結果、所望の周波数の交流電力Ｐａｃ２が出力される。これらのスイッチング素子ａ〜ｄは、たとえば、ＦＥＴ（Field  Effect  Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等であり、この場合、駆動信号はスイッチング素子のゲートに印加される。なお、周波数制御の具体的な手法は、上記方法に限定されない。
【００５８】
ステップＳ０２において、直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）は耐電力Ｐｗを超えると判定すると、第１制御器２５は、周波数制御に加えて入力電圧制御を行う（ステップＳ０４）。ここでは、第１制御器２５は、周波数制御のみでは直流交流変換器２７の保護が不十分になり得ると判定し、直流交流変換器２７に負担がかからない電圧を選択し、交流電力Ｐａｃ１の電圧を低下させる電圧調整制御を行う。これにより、図７（ａ）に示されるように、直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）は耐電力Ｐｗ以下になる。
【００５９】
続いて、第１制御器２５は、第１検出器２３によって検出された電気的パラメータを取得する（ステップＳ０５）。この電気的パラメータは、直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）、および／または、電圧Ｖａｃ２の位相と電流Ｉａｃ２の位相との位相差である。上記したように、電力や位相差が、位置ずれ量の大きさに応じて値の違いを明確に出している場合には、高精度な判定処理が可能になる。
【００６０】
なお、直流交流変換器２７と第１コイル２１との間に共振用キャパシタや共振用インダクタが設けられる場合には、電気的パラメータは、共振用キャパシタや共振用インダクタの電圧または電流であってもよい。共振用キャパシタや共振用インダクタに関しても、第１コイルの回路トポロジーに基づいて、位置ずれ量の大きさに応じた値の違いを明確に出せる場合がある。よって、高精度な判定処理が可能になる。
【００６１】
次に、第１制御器２５は、第２コイル３１は所望の範囲内に位置するか否かを判定する判定処理を行う（ステップＳ０６）。電気的パラメータとして位相差を用いた場合は、第１制御器２５は、位相差が所定値以上または所定値以下であれば、第２コイル３１は所望の範囲内に位置していると判定する。この所定値とは、たとえば上記した閾値である（図５（ａ）参照）。電気的パラメータとして直流電力Ｐｄｃ（または交流電力Ｐａｃ１）を用いた場合は、第１制御器２５は、直流電力Ｐｄｃが所定値以上または所定値以下であれば、第２コイル３１は所望の範囲内に位置していると判定する。この所定値とは、たとえば上記した閾値である（図４（ａ）参照）。共振用キャパシタ（または共振用インダクタ）が設けられている場合は、第１制御器２５は、共振用キャパシタの電圧が所定値以上または所定値以下であれば、第２コイル３１は所望の範囲内に位置していると判定する。もしくは、第１制御器２５は、共振用キャパシタの電流が所定値以上または所定値以下であれば、第２コイル３１は所望の範囲内に位置していると判定する。
【００６２】
ステップＳ０６において、第２コイル３１は所望の範囲内に位置すると判定すると、第１制御器２５は、受電装置３に対して送電を実施するように送電装置２を制御する（ステップＳ０７）。ステップＳ０６において、第２コイル３１は所望の範囲外に位置すると判定すると、第１制御器２５は、受電装置３に対して送電を実施しない（送電を中止する）ように送電装置２を制御する（ステップＳ０８）。
【００６３】
なお、ステップＳ０６の判定処理に続き、第１制御器２５は、予め記憶した閾値やテーブルに基づいて第２コイル３１の位置ずれ量を算出してもよい。第１制御器２５は、第１通信器２４および第２通信器３４を介して、算出した位置ずれ量を受電装置３側に送信してもよいし、位置ずれ量を送電装置２または受電装置３において表示等してもよい。
【００６４】
以上一連の制御および処理によって、非接触給電システム１では、直流交流変換器２７に入力される直流電力が直流交流変換器２７の耐電力を超えることなく、送電装置２から受電装置３に効率よく電力を供給することができる。
【００６５】
本実施形態の送電装置２によれば、第１制御器２５は、位置ずれ量に関わらず直流電力Ｐｄｃが直流交流変換器２７の耐電力Ｐｗ以下となるような周波数で、直流交流変換器２７に対する周波数制御を行う。どのような位置ずれ量であっても（たとえば第２コイルが存在しない場合であっても）、入力電力が直流交流変換器２７の耐電力Ｐｗ以下となるように周波数制御が行われるため、直流交流変換器の大型化を防止できる。
【００６６】
また、送電装置２内の電気的パラメータは、位置ずれ量の大きさに応じて、交流電力Ｐａｃ２の周波数に対する相関関係を有している。第１制御器２５による判定処理が行われることにより、第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを判定することができる。
【００６７】
第１制御器２５は、位置ずれ量が大きくなるにつれて電気的パラメータの検出値が大きくなるまたは小さくなるような周波数を選択する。よって、位置ずれ量の変化と電気的パラメータの変化において、方向性が対応している。検出値を所定値（閾値）と比較することにより、第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを容易に判定することができる。
【００６８】
第１制御器２５が、直流電力Ｐｄｃの電圧を低下させる電圧調整制御を行うことにより、周波数制御では十分に直流電力Ｐｄｃを抑えられなかった場合であっても、確実に直流電力Ｐｄｃを耐電力Ｐｗ以下とすることができる。周波数域の選択範囲が上記したように限られている場合、このような電圧調整制御を併用することにより、確実かつフレキシブルな制御が可能である。
【００６９】
第１制御器２５は、位置ずれ量と、電気的パラメータの検出値との対応関係を示すテーブルを参照することにより、検出値に対応する位置ずれ量を推定する。よって、第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かのみならず、第２コイル３１に対する第２コイル３１の位置ずれ量を推定することができ、更には位置ずれ量を特定することもできる。
【００７０】
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、図７（ｂ）に示されるように、送電装置２は、直流交流変換器２７の入力に平滑キャパシタを更に備えてもよい。直流交流変換器２７の入力とは、上記実施形態では電力変換器２６と直流交流変換器２７との間である。この場合に、第１制御器２５は、平滑キャパシタが完全に充電される前に周波数制御および判定処理を行ってもよい。
【００７１】
電源装置の場合、運転前に電力変換器２６と直流交流変換器２７の直流平滑コンデンサに充電し、運転動作に入る。第１制御器２５は、周波数を選定し、その周波数で直流交流変換器２７を駆動しておくことにより、キャパシタ充電時のタイミングでも位置ずれを検知することができる。すなわち、負荷Ｌへの充電動作を開始する前の時間を有効に利用して、第２コイル３１が所望の範囲内に位置しているか否かを判定することができる。また、キャパシタ充電時のタイミングでの直流電力Ｐｄｃは、平滑キャパシタが完全に充電されている場合の直流電力Ｐｄｃに比べ低い。そのため、上記の電圧調整制御を実行しなくても、電圧調整制御と同様の効果を得ることができる。なお、図７（ｂ）に示されるように、平滑キャパシタへ充電されている時間帯では、平滑キャパシタの電圧（電圧Ｖｄｃ）は上昇中である。この場合、第１制御器２５は、上昇中の各電圧値に対する閾値を記憶しておき、各閾値を判定処理に利用してもよい。また、電力変換器２６と直流交流変換器２７との間に設けられた平滑キャパシタは、電力変換器２６及び直流交流変換器２７と別体であるキャパシタに限定されるものではなく、電力変換器２６又は直流交流変換器２７ｂの一部として実現されてもよい。更に、平滑キャパシタは、電力変換器２６の後段（出力）及び直流交流変換器２７ｂの前段（入力）に２つに分けられて実現されてもよい。この場合、キャパシタ充電時のタイミングとは、２つの平滑キャパシタのいずれかが完全に充電されていないタイミングである。
【００７２】
また、上記実施形態では、電源ＰＳは交流電源である場合について説明したが、本発明はこの態様に限られない。電源ＰＳは、直流電源であってもよく、例えば太陽光発電装置又は蓄電装置である。電源ＰＳが直流電源である場合、上記実施形態の電力変換器２６は省略され得る。また、電力変換器２６は、直流直流変換器（DC/DC converter）であってもよい。直流直流変換器は、例えばチョッパ回路を用いた非絶縁型の回路であってもよいし、トランスを用いた絶縁型の回路であってもよい。また、電源ＰＳが直流電源である場合、第１検出器２３で測定される電気的パラメータとして、交流電力Ｐａｃ１の代わりに、電源ＰＳから出力される直流電力が含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
１  非接触給電システム
２  送電装置
３  受電装置
２１  第１コイル
２２  第１変換器（変換器）
２３  第１検出器（検出器）
２４  第１通信器
２５  第１制御器（制御器）
２６  電力変換器
２７  直流交流変換器
３１  第２コイル
３２  第２変換器
３３  第２検出器
３４  第２通信器
３５  第２制御器
Ｉｄｃ  電流
Ｉａｃ２  電流
Ｐａｃ１  交流電力
Ｐａｃ２  交流電力
Ｐａｃ３  交流電力
Ｐｄｃ  直流電力
ＰＳ  電源（交流電源）
Ｐｗ  耐電力
Ｖａｃ１  電圧
Ｖａｃ２  電圧
Ｖｄｃ  電圧
【図１】
0006645241.tif 000003
【図２】
0006645241.tif 000004
【図３】
0006645241.tif 000005
【図４】
0006645241.tif 000006
【図５】
0006645241.tif 000007
【図６】
0006645241.tif 000008
【図７】
0006645241.tif 000009
【図８】
0006645241.tif 000010
【図９】
0006645241.tif 000011