(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置から受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
前記送電装置は、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルと、前記送電コイルに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータと、前記送電コイルに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路と、前記送電コイルに流れる交流電流を制御する制御器と、無線受信モジュールを備え、
前記受電装置は、前記交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサと、前記受電コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路が検出した出力電圧値を前記無線受信モジュールに送信する無線送信モジュールを備え、
前記制御器は、前記駆動周波数を前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、本給電前に、前記無線受信モジュールにより受信する前記出力電圧値が目標電圧となる前記本給電よりも低い伝送電力の小給電を行い、前記小給電中における前記電流検出回路が検出する前記交流電流値のピーク値に基づき、前記送電コイルに流れる交流電流を一定に制御することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【請求項２】
送電装置から受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、
前記送電装置は、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルと、前記送電コイルに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータと、前記送電コイルに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路と、前記送電コイルに流れる交流電流を制御する制御器と、無線受信モジュールを備え、
前記受電装置は、前記交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサと、前記受電コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器の出力電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路が検出した出力電圧値を前記無線受信モジュールに送信する無線送信モジュールを備え、
前記制御器は、前記駆動周波数を前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、本給電前に、前記無線受信モジュールにより受信する前記出力電圧値が一定となる前記本給電よりも低い伝送電力の小給電を少なくとも２つ以上の異なる前記出力電圧値にて行い、前記電流検出回路が検出した異なる前記出力電圧値に対応するそれぞれの前記交流電流ピーク値と、異なる前記出力電圧値との相関関係に基づき、前記送電コイルに流れる交流電流を一定に制御することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【請求項３】
前記駆動周波数と前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差は、前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に対して５％以内であることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記インバータの入力電圧を変化させて前記送電コイルに流れる交流電流を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記駆動周波数と前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差が前記受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に対して５％以内となる範囲で前記インバータの駆動周波数を変化させて前記送電コイルに流れる交流電流を制御することを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記インバータの時比率を変化させて前記送電コイルに流れる交流電流を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【請求項７】
前記送電コイルとの間で送電側ＬＣ共振回路を構成する送電側共振コンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
【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システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルとの間の磁気的結合を利用し、１次コイルに与えた交流電流のエネルギーを２次コイルにワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送技術が知られている。
【０００３】
このワイヤレス電力伝送技術では、１次コイルと２次コイルの間の磁気的結合状態や負荷の状態が変化した場合にも、整流器の出力が不安定状態に陥ることにより、出力段の素子の使用可能範囲を超えることがないよう整流器の出力を所定の電圧または電流、もしくは電力に制御することが必要となる。ところで、整流器の出力の安定制御には送電側において受電側の状態を監視する必要があるが、ワイヤレス電力伝送技術は、送電側ユニットと受電側ユニットが物理的に離間している構成上、有線接続の通信手段により受電側の状態を監視することができないことが問題視されている。
【０００４】
このような問題を解決するため、例えば、特許文献１では、交流変換器を制御する送電側制御装置を備える送電装置と、整流器の出力電圧及び出力電流を測定し、その測定結果を送電側制御装置へ送信する測定通信装置を備える受電装置とを有し、送電側制御装置は、測定通信装置から受信した整流器の出力電圧及び出力電流の測定結果に基づいて、整流器の出力電圧及び出力電流が所望値となるように交流変換器を制御することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９８２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、受電側の状態を監視する手段が無線通信の状態や性能に影響される。つまり、無線通信が途絶することにより制御不能に陥る虞や、高速制御が要求される場合に通信速度の制約によって制御の高速化ができないという課題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器の出力電圧を安定に保つとともに、負荷の状態変化に対する整流器の出力電圧制御の応答速度を高速化したワイヤレス電力伝送システム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】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明者が鋭意研究した結果、ワイヤレス電力伝送の駆動周波数を、受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致させることにより、送電コイルに流れる交流電流と整流器の出力電圧に比例関係を生じさせることが可能であることが新たに見出されたため、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電装置から受電装置にワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、送電装置は、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルと、送電コイルに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータと、送電コイルに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路と、送電コイルに流れる交流電流を制御する制御器と、を備え、受電装置は、交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルと、受電コイルとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサと、受電コイルが受電した電力を整流する整流器と、を備え、制御器は、駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルに流れる交流電流を一定に制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、制御器は、駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整している。そのため、送電コイルに流れる交流電流と整流器の出力電圧の間に比例関係を持たせることができる。その結果、送電コイルに流れる交流電流を一定に制御することにより、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器の出力電圧を安定に保つことができる。また、無線通信を制御に使用していないことから、負荷の状態変化に対する整流器の出力電圧制御の応答速度を高速化できる。
【００１１】
好ましくは、駆動周波数と受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差は、受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に対して５％以内であるとよい。この場合、送電コイルに流れる交流電流値と整流器の出力電圧の比例関係を保つことができる。その結果、コイル間の結合状態が不変であれば、送電コイルの電流値を一定制御することで整流器の出力電圧を安定に制御できる。
【００１２】
好ましくは、送電装置に無線受信モジュールをさらに備え、受電装置に、整流器の出力電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路が検出した出力電圧値を無線受信モジュールに送信する無線送信モジュールをさらに備え、制御器は、本給電前に、無線受信モジュールにより受信する出力電圧値が一定となる本給電よりも低い伝送電力の小給電を行い、小給電中における電流検出回路が検出する交流電流値のピーク値に基づき、送電コイルに流れる交流電流を制御するとよい。この場合、所望の出力電圧目標値となるように送電コイルの交流電流を制御することができる。
【００１３】
好ましくは、送電装置に無線受信モジュールをさらに備え、受電装置に、整流器の出力電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路が検出した出力電圧値を無線受信モジュールに送信する無線送信モジュールをさらに備え、制御器は、本給電前に、無線受信モジュールにより受信する出力電圧値が一定となる本給電よりも低い伝送電力の小給電を少なくとも２つ以上の異なる出力電圧値にて行い、電流検出回路が検出した異なる出力電圧値に対応するそれぞれの交流電流ピーク値と、異なる出力電圧値との相関関係に基づき、送電コイルに流れる交流電流を制御するとよい。この場合、任意の出力電圧目標値となるように送電コイルの交流電流を制御することができる。
【００１４】
好ましくは、制御器は、インバータの入力電圧を変化させて送電コイルに流れる交流電流を制御するとよい。この場合、所望のもしくは任意の出力電圧目標値となるように送電コイルに流れる交流電流を制御できる。
【００１５】
好ましくは、制御器は、インバータの駆動周波数を変化させて送電コイルに流れる交流電流を制御するとよい。この場合、所望のもしくは任意の出力電圧目標値となるように送電コイルに流れる交流電流を制御できる。
【００１６】
好ましくは、制御器は、インバータの時比率を変化させて送電コイルに流れる交流電流を制御するとよい。この場合、所望のもしくは任意の出力電圧目標値となるように送電コイルに流れる交流電流を制御できる。
【００１７】
好ましくは、送電コイルとの間で送電側ＬＣ共振回路を構成する送電側共振コンデンサをさらに備えるとよい。この場合、送受電コイル間の離間距離が大きくなった場合にもワイヤレス電力伝送システムの電力伝送効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器の出力電圧を安定に保つとともに、負荷の状態変化に対する整流器の出力電圧制御の応答速度を高速化したワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの構成をＡＣ電源、負荷とともに示すブロック図である。
【図２】図１に示した本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図である。
【図３】図１に示した本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図に相当する、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの構成をＡＣ電源ＰＷ、負荷Ｒとともに示すブロック図である。図２は、図１に示した本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図である。
【００２２】
ワイヤレス電力伝送システムＳ１は、図１に示されるように、送電装置Ｕｔと、受電装置Ｕｒと、を有する。
【００２３】
送電装置Ｕｔは、ＤＣ電源ＰＳと、インバータＩＮＶと、送電コイルユニットＬｔｕと、電流検出回路Ｄｔｕと、制御器Ｓｔｕと、無線受信モジュールＷｔｕと、を有する。受電装置Ｕｒは、整流器ＤＢと、受電コイルユニットＬｒｕと、電圧検出回路Ｄｒｕと、無線送信モジュールＷｒｕと、を有する。
【００２４】
ＤＣ電源ＰＳは、ＡＣ電源ＰＷから供給された交流電力を直流に変換し、インバータＩＮＶに供給する。このようなＤＣ電源ＰＳとしては、制御器Ｓｔｕからの指令に従って出力電圧を可変して直流電力を後述のインバータＩＮＶに出力するものであれば特に制限されず、例えば可変型直流安定化電源、出力電圧可変型のＰＦＣ（力率改善回路）、直流安定化電源やＰＦＣの出力にＤＣＤＣコンバータを接続したもの等が挙げられる。なお、ＡＣ電源ＰＷとしては、交流電力をＤＣ電源ＰＳに供給するものであれば特に制限されず、例えば５０／６０Ｈｚの商用電源等が挙げられる。
【００２５】
インバータＩＮＶは、ＤＣ電源ＰＳから供給される直流電力を交流電力に変換し、送電コイルユニットＬｔｕの送電コイルＬｔに所定の駆動周波数で交流電力を供給する機能を有し、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このようなスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。本実施形態においては、４つのＭＯＳ−ＦＥＴがブリッジ接続されたフルブリッジ型のスイッチング回路を用いた場合について説明する。
【００２６】
送電コイルユニットＬｔｕは、図２に示されるように、送電コイルＬｔを有する。送電コイルＬｔは、銅やアルミニウムなどの導線を巻回して構成され、筐体にパッケージングされている。この送電コイルＬｔは、インバータＩＮＶから電力を受けて交流磁界を発生する。具体的には、送電コイルＬｔは、インバータＩＮＶから所定の駆動周波数の交流電圧が供給されると、交流電流が流れて交流磁界を発生させる。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、送電コイルＬｔは、地中または地面近傍に配設されることとなる。また、送電コイルユニットＬｔｕは、送受電コイル間の磁気的な結合を高めるための磁性体や不要な漏洩磁界を低減するための導電性シールド材を備えていても構わない。
【００２７】
電流検出回路Ｄｔｕは、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を検出し、検出した交流電流ピーク値を電圧信号に変換して、制御器Ｓｔｕに出力する機能を有する。このような電流検出回路Ｄｔｕとしては、例えばＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）などの電流センサを用いた回路が挙げられる。
【００２８】
制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御することにより、ＤＣ電源ＰＳから供給される直流電力を交流電力に変換する、インバータＩＮＶの動作を実現する機能を有する。さらに、本実施形態においては、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整する機能および送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御する機能を有する。ここで、略一致とは、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧の間に比例関係を生じさせることができる範囲でインバータＩＮＶの駆動周波数と後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数を近づけることを意味している。なお、インバータＩＮＶの駆動周波数は後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差が可能な限り小さいことが望ましいが、後述の受電コイルＬｒのインダクタンスのばらつき、または後述の受電側共振コンデンサＣｒのキャパシンタンスのばらつき、あるいは、制御器ＳｔｕによりインバータＩＮＶの駆動周波数を変化させて送電コイルＬｔを流れる交流電流を一定に制御する場合におけるインバータＩＮＶの駆動周波数と後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数とのずれを考慮して、この差が受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に対して５％以内となるように調整されると好ましい。この場合、送電コイルＬｔを流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧の比例関係を保つことができる。なお、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数と後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差を可能な限り小さくする手段として、例えばＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）などの周波数追随機能を有するように構成しても構わない。また、本実施形態では、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御する機能により、送電コイルＬｔに流れる交流電流を所定の目標値に追従するように制御する。具体的には、制御器Ｓｔｕは、以下の３つの方法のいずれかにより、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御する機能を実現する。第一の方法としては、ＤＣ電源ＰＳを制御することによりインバータＩＮＶの入力電圧を変化させて送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する方法である。この方法において、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整している。第二の方法としては、インバータＩＮＶのスイッチング素子の時比率を変化させて送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する方法である。この方法においても、第一の方法と同様に、インバータＩＮＶの駆動周波数を後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整している。第三の方法としては、インバータＩＮＶのスイッチング素子へのゲート駆動電圧の周波数を制御することにより、インバータＩＮＶの駆動周波数を変化させて送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する方法である。この方法においても、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整するため、インバータＩＮＶの駆動周波数と後述の受電側ＬＣ共振回路の共振周波数との差が、受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に対して５％以内とな��範囲で、インバータＩＮＶの駆動周波数を変化させる。第一の方法、第二の方法においては、入力電圧および時比率が送電コイルＬｔに流れる交流電流に対して正の相関を持つため、送電コイルＬｔに流れる交流電流が増加した場合には入力電圧および時比率を減少させ、減少した場合には逆に増加させることで、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御できる。第三の方法においては、送電側および受電側の回路構成によって決まる周波数特性に依るが、送電コイルＬｔに流れる交流電流の増減を打ち消す方向にインバータＩＮＶの駆動周波数を上昇もしくは下降させることで、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御できる。
【００２９】
無線受信モジュールＷｔｕは、制御器Ｓｔｕに接続され、無線送信モジュールＷｒｕが送信する、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した整流器ＤＢの出力電圧値を示す制御信号を受信し、制御器Ｓｔｕに出力する機能を有する。無線通信に用いるプロトコルとしては、例えばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等が挙げられる。
【００３０】
次に、受電装置Ｕｒの構成について説明する。受電コイルユニットＬｒｕは、図２に示されるように、受電コイルＬｒと、受電側共振コンデンサＣｒと、を有する。
【００３１】
受電コイルＬｒは、銅やアルミニウムなどの導線を巻回して構成され、筐体にパッケージングされている。この受電コイルＬｒは、送電コイルＬｔの発生する交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する機能を有する。具体的には、受電コイルＬｒは、送電コイルＬｔが発生する交流磁界を受けると、起電力が発生し交流電流が流れる。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、受電コイルＬｒは、車両下部に搭載されることとなる。また、受電コイルユニットＬｒｕは、送受電コイル間の磁気的な結合を高めるための磁性体や不要な漏洩磁界を低減するための導電性シールド材を備えていても構わない。
【００３２】
受電側共振コンデンサＣｒは、受電コイルＬｒとともに受電側ＬＣ共振回路を構成している。受電側ＬＣ共振回路の共振周波数は、受電コイルＬｒのインダクタンスと受電側共振コンデンサＣｒの静電容量により設定される。この受電側共振コンデンサＣｒは、受電コイルＬｒに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。本実施形態では、受電側共振コンデンサＣｒは、受電コイルＬｒに直列接続されており、ＬＣ直列共振回路を構成している。
【００３３】
整流器ＤＢは、受電コイルユニットＬｒｕの出力に接続され、受電コイルＬｒが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有する。整流器ＤＢとしては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサ及び三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能を備えた変換回路などが挙げられる。この整流器ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両が有する二次電池や回転機が挙げられる。なお、負荷Ｒが交流回転機の場合、ワイヤレス受電装置Ｕｒの整流器ＤＢと負荷Ｒとの間にインバータ（図示しない）を付加して交流回転機に交流電力を供給するように構成する必要がある。
【００３４】
電圧検出回路Ｄｒｕは、整流器ＤＢに接続され、整流器ＤＢの出力電圧を抵抗分圧等で検出し、検出した出力電圧値を制御信号に変換して、無線送信モジュールＷｒｕに出力する機能を有する。
【００３５】
無線送信モジュールＷｒｕは、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した整流器ＤＢの出力電圧値を示す制御信号を、送電装置Ｕｔが備える無線受信モジュールＷｔｕに送信する機能を有する。無線通信に用いるプロトコルとしては、例えばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等が挙げられる。
【００３６】
このような構成を備えることにより、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒが対向することで、送電装置Ｕｔから受電装置Ｕｒにワイヤレスにて電力が伝送されるワイヤレス電力伝送システムＳ１が実現される。
【００３７】
続いて、上述の構成に基づく本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の動作について詳細に説明する。本説明においては、対向配置された送電コイルＬｔと受電コイルＬｒの相対的な位置関係は、動作中において不変であるものとする。また、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御する手段としては、インバータＩＮＶの入力電圧を変化させる方法を用いた場合について説明する。
【００３８】
本実施形態のワイヤレス電力伝送システムＳ１の動作は、２つのステップに分かれる。まず第１のステップは、第２のステップの前に行われ、所望の整流器ＤＢの出力電圧に対応する送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値を取得する小給電のステップである。第２のステップは、第１のステップの後に行われ、送電コイルＬｔに流れる交流電流を目標値に制御しながら所望の電力を伝送する本給電のステップである。ここで、本給電前に行われる小給電は、本給電よりも低い伝送電力に設定されている。
【００３９】
第１のステップにおいて、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの入力電圧を所定の電圧に設定し、小給電を行う。このときのインバータＩＮＶの入力電圧は、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒの相対的な位置関係に依存するが、例えば、第１のステップにおいて受電側に伝送される電力（伝送電力）が、第２のステップにおいて受電側に伝送される電力（伝送電力）の１０〜３０％程度になるような電圧であると好ましい。次に、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整した上で、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した整流器ＤＢの出力電圧値を示す制御信号を無線送信モジュールＷｒｕと無線受信モジュールＷｔｕとの間の無線通信によって取得し、この制御信号に基づいて、インバータＩＮＶの入力電圧を制御して整流器ＤＢの出力電圧を目標電圧（所望の電圧）に略一致させるよう制御する。さらに、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数が受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致し、かつ、整流器ＤＢの出力電圧が目標電圧に略一致した状態における送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を電流検出回路Ｄｔｕにより検出し、この交流電流ピーク値を、第２のステップにおいて一定に制御する送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値に設定する。
【００４０】
第２のステップにおいて、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、電流検出回路Ｄｔｕが検出した送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を、第１のステップで設定した目標値に一定制御しながら、受電装置Ｕｒの受電する電力が所望の電力となるまでインバータＩＮＶの入力電圧を上昇させ、所望の電力到達後も、電力伝送終了まで、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を一定に制御する。ここで、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧が比例関係を持つため、伝送電力が第１のステップから増加した場合にも、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を目標値に一定制御することにより、整流器ＤＢの出力電圧を所望の電圧に一定制御することが可能となる。なお、本実施形態では、無線受信モジュールＷｔｕ、無線送信モジュールＷｒｕ、電圧検出回路Ｄｒｕを用いて整流器ＤＢの出力電圧（出力電圧値を示す制御信号）を送電装置Ｕｔに送信する機能は、第２のステップ中、電力の制御に使用しないが、例えば整流器ＤＢの出力過電圧を監視する等の目的で、第２のステップ中も無線通信の動作を継続させてもよい。
【００４１】
このように、本実施形態では、制御器Ｓｔｕは、本給電前に、無線受信モジュールＷｔｕにより受信する整流器ＤＢの出力電圧値が一定となる本給電よりも伝送電力の低い小給電を行い、小給電中における電流検出回路Ｄｔｕが検出する交流電流値のピークに基づき、本給電時の送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御している。したがって、整流器ＤＢの出力電圧が所望の目標値となるように送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１は、送電装置Ｕｔから受電装置Ｕｒにワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムＳ１であって、送電装置Ｕｔは、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルＬｔと、送電コイルＬｔに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータＩＮＶと、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路Ｄｔｕと、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する制御器Ｓｔｕと、を備え、受電装置Ｕｒは、交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルＬｒと、受電コイルＬｒとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサＣｒと、受電コイルＬｒが受電した電力を整流する整流器ＤＢと、を備え、制御器Ｓｔｕは、駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御している。そのため、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧の間に比例関係を持たせることができる。その結果、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御することにより、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器ＤＢの出力電圧を安定に保つことができる。また、無線通信を制御に使用していないことから、負荷Ｒの状態変化に対する整流器ＤＢの出力電圧制御の応答速度を高速化できる。
【００４３】
また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１においては、送電装置Ｕｔに無線受信モジュールＷｔｕをさらに備え、受電装置Ｕｒに、整流器ＤＢの出力電圧を検出する電圧検出回路Ｄｒｕと、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した出力電圧値を無線受信モジュールＷｔｕに送信する無線送信モジュールＷｒｕをさらに備え、制御器Ｓｔｕは、本給電前に、無線受信モジュールＷｔｕにより受信する出力電圧値が一定となる本給電よりも低い伝送電力の小給電を行い、小給電中における電流検出回路Ｄｔｕが検出する交流電流値のピーク値に基づき、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御している。そのため、所望の出力電圧目標値となるように送電コイルＬｔの交流電流を制御することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムについて説明する。本実施形態では、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の動作の中で、所望の整流器ＤＢの出力電圧に代えて、少なくとも２つ以上の異なる整流器ＤＢの出力電圧にて小給電を行う点において、第１実施形態と相違する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの構成は第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と同様である。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４５】
本実施形態のワイヤレス電力伝送システムの動作は、２つのステップに分かれる。まず第１のステップは、少なくとも２つ以上の異なる整流器ＤＢの出力電圧に対応する送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を取得する小給電のステップであり、第２のステップは、送電コイルＬｔに流れる交流電流を、任意の整流器ＤＢの出力電圧の目標値に対応する送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値に制御しながら所望の電力を伝送する本給電のステップである。なお、第１実施形態と同様、本給電前に行われる小給電は、本給電よりも低い伝送電力に設定されている。
【００４６】
第１のステップにおいて、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの入力電圧を所定の電圧に設定し、小給電を行う。次に、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整した上で、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した整流器ＤＢの出力電圧の信号を無線送信モジュールＷｒｕと無線受信モジュールＷｔｕとの間の無線通信によって取得し、この信号に基づいて、整流器ＤＢの出力電圧を少なくとも２つ以上の異なる電圧目標値に制御する。このときのインバータＩＮＶの入力電圧は、送電コイルＬｔと受電コイルＬｒの相対的な位置関係に依存するが、例えば、第１のステップにおいて受電側に伝送される電力（伝送電力）が第２のステップにおいて受電側に伝送される電力（伝送電力）の１０〜３０％程度になるような電圧であると好ましい。次に、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数が受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、整流器ＤＢの出力電圧が少なくとも２つ以上の異なる電圧目標値に略一致した状態における送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値をそれぞれ電流検出回路Ｄｔｕにより検出し、これらの交流電流ピーク値と、整流器ＤＢの異なる出力電圧との相関関係を求める。
【００４７】
第２のステップにおいて、制御器Ｓｔｕは、整流器ＤＢの出力電圧の目標値を任意に設定する。この目標値は、そのときの送電コイルＬｔと受電コイルＬｒｕの相対的な位置関係におけるワイヤレス電力伝送システムの電力伝送効率、受電コイルＬｒｕに流せる交流電流の許容値などから決定される。次に、制御器Ｓｔｕは、第１のステップで取得した送電コイルＬｔに流れる交流電流と、整流器ＤＢの出力電圧との相関関係に基づき、送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値を算出し、この値を一定に制御する送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値に設定する。なお、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧が比例関係を持つため、例えば、整流器ＤＢの異なる２つの出力電圧に対応する送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を取得し、２点を結ぶ直線近似によって任意の整流器ＤＢの出力電圧に対応する送電コイルＬｔに流れる交流電流の目標値を算出することができる。次に、制御器Ｓｔｕは、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、電流検出回路Ｄｔｕが検出した送電コイルＬｔを流れる交流電流ピーク値を目標値に一定制御しながら、受電装置Ｕｒの受電する電力が所望の電力となるまでインバータＩＮＶの入力電圧を上昇させ、所望の電力到達後も、電力伝送終了まで、インバータＩＮＶの駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を一定に制御する。ここで、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧が比例関係を持つため、伝送電力が第１のステップから増加した場合にも、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を一定に制御することにより、整流器ＤＢの出力電圧を所望の電圧に一定制御することが可能となる。なお、本実施形態においても、無線受信モジュールＷｔｕ、無線送信モジュールＷｒｕ、電圧検出回路Ｄｒｕを用いて整流器ＤＢの出力電圧（出力電圧値を示す制御信号）を送電装置Ｕｔに送信する機能は、第２のステップ中、電力の制御に使用しないが、例えば整流器ＤＢの出力過電圧を監視する等の目的で、第２のステップ中も無線通信の動作を継続させてもよい。
【００４８】
このように、本実施形態では、制御器Ｓｔｕは、本給電前に、無線受信モジュールＷｔｕにより受信する整流器ＤＢの出力電圧値が一定となる本給電よりも低い伝送電力の小給電を少なくとも２つ以上の異なる整流器ＤＢの出力電圧値にて行い、電流検出回路Ｄｔｕが検出した整流器ＤＢの異なる出力電圧値に対応するそれぞれの交流電流ピーク値と、整流器ＤＢの異なる出力電圧値との相関関係に基づき、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御している。したがって、整流器ＤＢの出力電圧が任意の目標値となるように送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御することができる。
【００４９】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電装置Ｕｔから受電装置Ｕｒにワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、送電装置Ｕｔは、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルＬｔと、送電コイルＬｔに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータＩＮＶと、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路Ｄｔｕと、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する制御器Ｓｔｕと、を備え、受電装置Ｕｒは、交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルＬｒと、受電コイルＬｒとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサＣｒと、受電コイルＬｒが受電した電力を整流する整流器ＤＢと、を備え、制御器Ｓｔｕは、駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御している。そのため、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧の間に比例関係を持たせることができる。その結果、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御することにより、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器ＤＢの出力電圧を安定に保つことができる。また、無線通信を制御に使用していないことから、負荷Ｒの状態変化に対する整流器ＤＢの出力電圧制御の応答速度を高速化できる。
【００５０】
また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおいては、送電装置Ｕｔに無線受信モジュールＷｔｕをさらに備え、受電装置Ｕｒに、整流器ＤＢの出力電圧を検出する電圧検出回路Ｄｒｕと、電圧検出回路Ｄｒｕが検出した出力電圧値を無線受信モジュールＷｔｕに送信する無線送信モジュールＷｒｕをさらに備え、制御器Ｓｔｕは、本給電前に、無線受信モジュールＷｔｕにより受信する出力電圧値が一定となる本給電よりも低い伝送電力の小給電を少なくとも２つ以上の異なる出力電圧値にて行い、電流検出回路Ｄｔｕが検出した異なる出力電圧値に対応するそれぞれの交流電流ピーク値と、異なる出力電圧値との相関関係に基づき、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御している。そのため、任意の出力電圧目標値となるように送電コイルＬｔの交流電流を制御することができる。
【００５１】
（第３実施形態）
続いて、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムについて説明する。図３は、図１に示した本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図に相当する、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける領域Ａ１を拡大して示す一部拡大図である。第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電コイルユニットＬｔｕが送電コイルＬｔに加えて送電側共振コンデンサＣｔを備えている点において、第１実施形態と相違する。なお、第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの上記以外の構成ならびに動作は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と同様である。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態では、送電コイルユニットＬｔｕは、送電コイルＬｔと、送電側共振コンデンサＣｔと、を有する。
【００５３】
送電側共振コンデンサＣｔは、送電コイルＬｔとともに送電側ＬＣ共振回路を構成している。送電側ＬＣ共振回路の共振周波数は、送電コイルＬｔのインダクタンスと送電側共振コンデンサＣｔの静電容量により設定される。この送電側共振コンデンサＣｔは、送電コイルＬｔに直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよく、あるいは直列接続と並列接続を組み合わせてもよい。本実施形態では、送電側共振コンデンサＣｔは、送電コイルＬｔに直列接続されており、ＬＣ直列共振回路を構成している。
【００５４】
このように、本実施形態では、送電コイルユニットＬｔｕは、送電コイルＬｔとの間で送電側ＬＣ共振回路を構成する送電側共振コンデンサＣｔをさらに備えている。したがって、送電側ＬＣ共振回路の共振周波数を適切に設定することで、受電側ＬＣ共振回路との間の電磁界結合により、ワイヤレス電力伝送の伝送効率をより一層高めることができる。
【００５５】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電装置Ｕｔから受電装置Ｕｒにワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムであって、送電装置Ｕｔは、電力を受けて交流磁界を発生する送電コイルＬｔと、送電コイルＬｔとの間で送電側ＬＣ共振回路を構成する送電側共振コンデンサＣｔと、送電コイルＬｔに所定の駆動周波数で交流電力を供給するインバータＩＮＶと、送電コイルＬｔに流れる交流電流ピーク値を検出する電流検出回路Ｄｔｕと、送電コイルＬｔに流れる交流電流を制御する制御器Ｓｔｕと、を備え、受電装置Ｕｒは、交流磁界を介してワイヤレスにて電力を受電する受電コイルＬｒと、受電コイルＬｒとともに受電側ＬＣ共振回路を構成する受電側共振コンデンサＣｒと、受電コイルＬｒが受電した電力を整流する整流器ＤＢと、を備え、制御器Ｓｔｕは、駆動周波数を受電側ＬＣ共振回路の共振周波数に略一致するように調整し、かつ、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御している。そのため、送電コイルＬｔに流れる交流電流と整流器ＤＢの出力電圧の間に比例関係を持たせることができる。その結果、送電コイルＬｔに流れる交流電流を一定に制御することにより、本給電中、無線通信を使用することなく、整流器ＤＢの出力電圧を安定に保つことができる。また、無線通信を制御に使用していないことから、負荷Ｒの状態変化に対する整流器ＤＢの出力電圧制御の応答速度を高速化できる。
【００５６】
また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおいては、送電コイルＬｔとの間で送電側ＬＣ共振回路を構成する送電側共振コンデンサＣｔをさらに備えている。そのため、送受電コイル間の離間距離が大きくなった場合にもワイヤレス電力伝送システムの電力伝送効率を高めることができる。
【００５７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明したが、本発明は上述の実施形態に限られることなく、様々な変形や変更が可能である。例えば、上述の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける特徴的構成ならびに機能は、第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムに適用しても構わない。この場合、第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける作用効果に加えて、送受電コイル間の離間距離が大きくなった場合にもワイヤレス電力伝送システムの電力伝送効率を高めることができるという作用効果が得られることとなる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、電気自動車（ＢＥＶ：Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）やプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ−ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの車両へのワイヤレス電力伝送システムに幅広く活用が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
Ｓ１…ワイヤレス電力伝送装置、Ｕｔ…送電装置、ＰＷ…ＡＣ電源、ＰＳ…ＤＣ電源、ＩＮＶ…インバータ、Ｌｔｕ…送電コイルユニット、Ｌｔ…送電コイル、Ｃｔ…送電側共振コンデンサ、Ｄｔｕ…電流検出回路、Ｓｔｕ…制御器、Ｗｔｕ…無線受信モジュール、Ｕｒ…受電装置、ＤＢ…整流器、Ｒ…負荷、Ｌｒｕ…受電コイルユニット、Ｌｒ…受電コイル、Ｃｒ…受電側共振コンデンサ、Ｄｒｕ…電圧検出回路、Ｗｒｕ…無線送信モジュール。
【図１】
0006394632.tif 000002
【図２】
0006394632.tif 000003
【図３】
0006394632.tif 000004