(57)【要約】【課題】非接触給電装置における電力の伝送効率を高める。【解決手段】通電される送電コイルＬ１を有する送電装置１０と、少なくとも磁気的結合によって前記送電装置からの電力を受電する受電コイルＬ２を有する受電装置５０と、前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段１４と、前記送電コイルと前記受電コイルとの距離を検出する検出手段１９と、前記検出手段により検出された距離が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記距離が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段１６と、を備える。【選択図】  図１
2012070463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電される送電コイルを有する送電装置と、
少なくとも磁気的結合によって前記送電装置からの電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとの距離を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された距離が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記距離が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
受電装置に対して、少なくとも磁気的結合によって電力を送電する送電装置を備える非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
通電される送電コイルと、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電コイルと前記受電装置の受電コイルとの距離を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された距離が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記距離が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
少なくとも磁気的結合によって送電装置からの電力を受電する受電装置を備える非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルと前記送電装置の送電コイルとの距離を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された距離が大きいほど前記送電コイルに入力する交流電力の発振周波数を高く設定し、前記距離が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
通電される送電コイルを有する送電装置と、
少なくとも磁気的結合によって前記送電装置からの電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された結合係数が小さいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記結合係数が大きいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
受電装置に対して、少なくとも磁気的結合によって電力を送電する送電装置を備える非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
通電される送電コイルと、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電コイルと前記受電装置の受電コイルとの結合係数を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された結合係数が小さいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記結合係数が大きいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
少なくとも磁気的結合によって送電装置からの電力を受電する受電装置を備える非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルと前記送電装置の送電コイルとの結合係数を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された結合係数が小さいほど前記送電コイルに入力する交流電力の発振周波数を高く設定し、前記結合係数が大きいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
通電される送電コイルを有する送電装置と、
少なくとも磁気的結合によって前記送電装置からの電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
所定電圧の交流電力が入力された場合の前記送電コイルの電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記電流値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
受電装置に対して、少なくとも磁気的結合によって電力を送電する送電装置を備える非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
通電される送電コイルと、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
所定電圧の交流電力が入力された場合の前記送電コイルの電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記電流値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
少なくとも磁気的結合によって送電コイルを有する送電装置からの電力を受電する受電装置を備える非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
所定電圧の交流電力が入力された場合の前記送電コイルの電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流値が大きいほど前記送電コイルに入力する交流電力の発振周波数を高く設定し、前記電流値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１０】
通電される送電コイルを有する送電装置と、
少なくとも磁気的結合によって前記送電装置からの電力を受電する受電コイルを有する受電装置と、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電装置側から見たインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンス値が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記インピーダンス値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１１】
受電装置に対して、少なくとも磁気的結合によって電力を送電する送電装置を備える非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
通電される送電コイルと、
前記送電コイルに交流電力を入力する発振手段と、
前記送電装置側から見たインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンス値が大きいほど前記発振手段による前記交流電力の発振周波数を高く設定し、前記インピーダンス値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１２】
少なくとも磁気的結合によって送電コイルを有する送電装置からの電力を受電する受電装置を備える非接触給電装置であって、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
前記送電装置側から見たインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンス値が大きいほど前記送電コイルに入力する交流電力の発振周波数を高く設定し、前記インピーダンス値が小さいほど前記発振周波数を低く設定する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
前記制御手段は、前記交流電力の発振周波数を離散的又は連続的に設定することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
前記送電装置は、前記送電コイルに並列に接続されたコンデンサを備え、
前記受電装置は、前記受電コイルに並列に接続されたコンデンサと前記受電装置に並列に接続されたコンデンサとを備えることを特徴とする非接触給電装置。
【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】
送電側の一次コイルと受電側の二次コイルとを対向させた状態で一次コイルに交流電流を流し、電磁誘導により二次コイルに誘起される交流電流を整流して電池を充電する非接触給電装置が知られている。この種の給電装置では一次コイルと二次コイルとの位置がずれると電力の伝送効率が低下するため、一次コイルに供給される入力電力が最大となる発振周波数を探し、この発振周波数の電力を供給するものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２０７６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、上記従来技術のように入力電力の最大値を検出し、入力電力が最大となる発振周波数で電力を供給しても、出力電力が最大とならない場合がある。したがって、必ずしも電力の送電効率が高いとはいえない。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、非接触給電装置における電力の伝送効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、送電コイルと受電コイルとの距離を検出し、この距離が大きくなるほど発振周波数を高くし、距離が小さくなるほど発振周波数を低くすることによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの距離は結合係数に相関し、結合係数は出力電力に相関するので、電力の伝送効率を高めることができる。
【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２】図１の制御部１６を示すブロック図である。
【図３】図１の制御部１６にて用いられるキャリアの一例を示す図である。
【図４】図１の制御部１６におけるＳＷパルスの生成例を示すタイムチャートである。
【図５Ａ】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５Ｂ】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６】図５Ａ，５Ｂ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７】図６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８】駆動周波数ｆ１において、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖとインバータ出力電流Ｉｉｎｖとし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフである。
【図９】駆動周波数ｆ２において、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖとインバータ出力電流Ｉｉｎｖとし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフである。
【図１０】結合係数κ＝０〜１の給電範囲における給電可能範囲を示す図である。
【図１１】図１及び図２の周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。
【図１２】距離Ｌと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図１３】結合係数κと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態（第２実施形態）に係る周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。
【図１５】図１４の実施の形態に係る出力電流ｉｉｎｖと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施の形態（第３実施形態）に係る周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施の形態（第４実施形態）に係る周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。
【図１８】図１７の実施の形態に係る入力インピーダンスＺｉｎと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施の形態（第５実施形態）に係る距離Ｌと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図２０】図１９の実施の形態に係る結合係数κ＝０〜１の給電範囲における給電可能範囲を示す図である。
【図２１】本発明のさらに他の実施の形態（第５実施形態の変形）に係る距離Ｌと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図２２】インバータの駆動周波数ｆ１を一定とした場合のインバータ電圧Ｖｉｎｖ、インバータ電流Ｉｉｎｖの特性図である。
【図２３】バッテリ状態（負荷状態）に応じた距離Ｌと周波数値ｆｎとの関係を有する制御マップの一例を示す図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施の形態（第６実施形態）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】図２４の非接触給電システムにおいて、駆動周波数ｆ１とした場合の、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖとインバータ出力電流Ｉｉｎｖとし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフである。
【図２６】図２４の非接触給電システムにおいて、駆動周波数ｆ２とした場合の、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖとインバータ出力電流Ｉｉｎｖとし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフである。
【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。
【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）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１５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と、これらＭＯＳＦＥＴ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１５が接続されている。交流電源部１１、直流電源部１２及び電圧型インバータ部１３を高周波交流電源部１４とも称する。
【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に並列および直列に設けられて受電装置５０の共振回路５２を構成する２次コンデンサＣ２Ｐ，Ｃ２Ｓと、受電コイルＬ２で受電した高周波電力を整流する整流部５１と、二次電池のバッテリなどからなる負荷５３と、を備える。
【００１５】
整流部５１は、互いに直列に接続されたダイオード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，Ｃ２Ｓとで構成された共振回路５２の出力端子が接続されている。そして、整流部５１の出力端子は負荷５３に接続されている。
【００１６】
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を制御する制御部１６を備える。この制御部１６は送電装置１０に設けてもよいし、受電装置５０に設けてもよいし、或いは独立して設けることもできる。また、図示を省略するが、バッテリなどの負荷５３の充電状態を監視し、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に無線通信する、例えばBluetooth（登録商標）などの無線通信部と、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とを備える。
【００１７】
制御部１６は、電圧型インバータ部１３の出力電圧の周波数を制御する周波数制御部１７と、電圧型インバータ部１３の出力電圧のパルス幅を制御し、スイッチングパルスを生成する電圧指令生成部１８とを備える。図２に制御部１６の詳細な構成を示す。
【００１８】
図２に示すように、周波数制御部１７は、周波数指令生成部１７Ａとキャリア生成部１７Ｂとから構成され、周波数指令生成部１７Ａは、電圧型インバータ部１３が出力する電力の周波数指令値ｆｒｅｆを作成し、キャリア生成部１７Ｂは、周波数指令値に基づいてキャリアの振幅Ｖｘを演算し、キャリアを生成する。
【００１９】
例えば、アナログ制御でキャリアを生成する場合は、図３（ａ）に示すようにキャリアの傾きをｄｖ／ｄｔとすると、Ｖｘ＝（ｄｖ／ｄｔ）・（１／ｆｒｅｆ）によりキャリアの振幅Ｖｘを求める。これに対して、デジタル制御の場合は、デジタル発振周波数をｆｃ[Hz]として１カウントずつ増加することでキャリアを生成すると、図３（ｂ）に示すように、Ｖｘ＝ｆｃ／ｆｒｅｆによりキャリアの振幅Ｖｘを求める。ただし、キャリアの振幅Ｖｘは整数である。
【００２０】
図２に戻り、電圧指令生成部１８は、電圧型インバータ部１３の出力電圧振幅指令値Ｖｒｅｆを生成する電圧振幅指令生成部１８Ａと、出力電圧振幅指令値Ｖｒｅｆとキャリアの比較を行ってスイッチングパルスを生成するＳＷパルス生成部１８Ｂとから構成さている。
【００２１】
電圧振幅指令生成部１８Ａは、外部から与えられる電力指令値Ｐｒｅｆから、実験や計算などにより予め求められたマップ等を参照して電圧振幅指令値Ｖｒｅｆを求める。
【００２２】
ＳＷパルス生成部１８Ｂは、図４に示すように、キャリアと電圧振幅指令ＶｒｅｆおよびＶｘとの比較から、以下のようにしてパルスを決定する。
【００２３】
スイッチング素子Ｓ１は、キャリア≦Ｖｘ／２のときＯＮ、キャリア＞Ｖｘ／２のときＯＦＦとし、スイッチング素子Ｓ２は、キャリア≦Ｖｘ／２のときＯＦＦ、キャリア＞Ｖｘ／２のときＯＮとし、スイッチング素子Ｓ３は、キャリア≧Ｖｒｅｆかつキャリア≦Ｖｒｅｆ＋Ｖｘ／２のときＯＮ、キャリア＜Ｖｒｅｆ又はキャリア＞Ｖｒｅｆ＋Ｖｘ／２のときＯＦＦとし、スイッチング素子Ｓ４は、キャリア≧Ｖｒｅｆかつキャリア≦Ｖｒｅｆ＋Ｖｘ／２のときＯＦＦ、キャリア＜Ｖｒｅｆ又はキャリア＞Ｖｒｅｆ＋Ｖｘ／２のときＯＮとする。
【００２４】
また、ＳＷパルス生成部１８Ｂは、スイッチング素子Ｓ１とＳ３との間、および、スイッチング素子Ｓ２とＳ４との間で、正負極間のアーム短絡が発生しないようにデッドタイムを生成する。このようにして、図４のタイムチャートの下に示すように電圧型インバータ部１３の出力線間電圧Ｖｉｎｖが矩形波の交流とされ、正電圧（＋Ｖｄｃ）と負電圧（−Ｖｄｃ）のパルス幅を制御することができる。
【００２５】
なお、電圧型インバータ部１３の制御は上述した鋸波を用いる以外にも、三角波キャリア比較方式を用いてもよい。また、上述した電圧型インバータ部１３の制御方法は一例であって、他の制御方法を用いることもできる。たとえば、電圧や電力などの負荷出力を検出し、電力指令Ｐｒｅｆを設定するフィードバック系で制御構成を組んでもよい。車両では、 バッテリの充電状態をコントロールするバッテリコントローラを搭載しているので、その情報を通信でもらい、電力指令Ｐｒｅｆとしてもよい。また、電圧型インバータ部１３と送電側の共振回路１５との間に絶縁トランスを設け、絶縁トランスの一次側に共振回路を構成するコンデンサを接続してもよい。また、高周波交流電源１４は、三相交流電源１１と、整流器１２と、平滑コンデンサＣ３と、電圧型インバータ部１３とで構成される一例を示したが、高周波交流電源１４はスイッチング電源を含んだものであればよい。
【００２６】
次に、図５および図６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５Ａ及び図５Ｂは、送電コイルＬ１（送電コイル）及び受電コイルＬ２（受電コイル）が対向した状態を示す平面図ａ）と、斜視図ｂ），ｃ）である。図５Ａ及び図５Ｂ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。
【００２７】
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５Ａ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５Ｂ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。
【００２８】
図６は、図５Ａ，５Ｂ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６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６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６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）。
【００２９】
図７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５Ａ，５Ｂ及び図６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。
【００３０】
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、携帯機器の充電に採用されている非接触給電装置や工場のラインで用いられているレールシステムの非接触給電装置は、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、固定化されている結合係数κ（又は距離Ｌ）を前提として、特定の結合係数κの下、受電装置５０の共振回路５２へ効率よく電力が供給されるよう、送電装置１０の共振回路１５及び受電装置５０の共振回路５２に含まれるコンデンサ、インダクタを設計すればよい。
【００３１】
しかしながら、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。そのため、駐車時の位置ズレや車高による結合係数κ（距離Ｌ）の変化に対応するために、所望の出力電力を給電する給電範囲を決める必要がある。所望の出力電力(目標電力)とは、バッテリ５３に充電する充電電力（例えば、６ｋＷ、１０ｋＷ）をいい、給電範囲とは、結合係数κ（距離Ｌ）の変化を許容し、所望の出力電力を給電する範囲をいう。
【００３２】
図８は、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖ（高周波交流電源１４の出力電圧）とインバータ出力電流Ｉｉｎｖ（高周波交流電源１４の出力電流）とし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフである。なお、電圧型インバータ部１３の駆動周波数は一定ｆ１とする。
【００３３】
ここで、電圧型インバータ部１３は、装置の仕様上、許容電圧Ｖｍａｘと許容電流Ｉｍａｘの電源容量を有するため、給電範囲に対して給電可能範囲でしか所望の出力電力を得ることができない。図８の例で説明すると、電圧型インバータ部１３の許容電圧Ｖｍａｘと許容電流Ｉｍａｘで制限を受ける範囲で決まる。ただし、給電可能範囲外は、所望の出力電力値を得ることができないのであって、給電できないわけではない。例えば、所望の出力電力値を６ｋＷとすると、Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘにならないように供給電力を下げるため、給電可能範囲外は５ｋＷ，３ｋＷと供給可能な電力値が下がることになる。
【００３４】
確かに、給電範囲内で必要なインバータ電圧の最大値と電流の最大値を許容値とする電源容量を有するインバータで駆動すれば、給電範囲において所望の出力電力を得ることができる。しかし、これはコストアップに繋がってしまう。
【００３５】
図９は、図８と同様に、縦軸をインバータ出力電圧Ｖｉｎｖとインバータ出力電流Ｉｉｎｖとし、横軸を結合係数κ、および距離Ｌとしたグラフであるが、電圧型インバータ部１３の駆動周波数を図８のｆ１とは異なるｆ２とした例である。インバータの電源容量Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘ、給電範囲は図８と同条件である。
【００３６】
この場合も、インバータの駆動周波数をｆ２にしたため、図９に示す給電可能範囲でしか給電範囲に対して所望の出力電力を得ることができない。電圧型インバータ部１３は、許容電圧Ｖｍａｘと許容電流Ｉｍａｘの電源容量を有するため、インバータの許容電圧Ｖｍａｘと許容電流Ｉｍａｘで制限を受ける範囲で決まるからである。
【００３７】
そこで、本例の非接触給電システム１では、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数κ、具体的には距離Ｌに応じて電圧型インバータ部１３の駆動周波数ｆ１，ｆ２を設定する。この場合に、結合係数κが小さいほど駆動周波数を高く設定し、結合係数κが大きいほど駆動周波数を低く設定する。具体的には、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離Ｌが大きいほど駆動周波数を高く設定し、距離Ｌが小さいほど駆動周波数を低く設定する。
【００３８】
図１０は結合係数κが０〜１の給電範囲における給電可能範囲、すなわち給電範囲内で所望の出力電力（目標電力）を得ることができる範囲を示した図である。従来例では、インバータの駆動周波数が一定という条件で負荷５３の抵抗成分に応じて周波数を可変するため、結合係数κ（距離Ｌ）が変化すると、電源容量Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘで制限を受け、同図１０に示すように給電可能範囲は小さくなる。
【００３９】
これに対し、本例では、電圧型インバータ部１３の駆動周波数（高周波交流電源１４の周波数）を送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の結合係数κ、具体的には距離Ｌに応じて周波数値ｆ１，ｆ２を設定するため、給電範囲を全て給電可能範囲とすることができる。換言すると、インバータ容量（電源容量）を最小に抑えることができるので装置のコストを低減できる（許容電流Ｉｍａｘを下げられる）。
【００４０】
次に図１１を参照して駆動周波数の設定方法について説明する。
図１１は、図１及び図２の周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。周波数指令生成部１７Ａは、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離情報と、バッテリの残電圧や抵抗成分などの負荷情報とを入力値として周波数値ｆｎを決定する周波数テーブル１７Ａ１と、周波数テーブル１７Ａ１から出力された周波数値ｆｎと周波数値の初期値ｆ０とを比較しキャリア生成１７Ｂへ周波数指令ｆｒｅｆを出力する比較器１７Ａ２とを備える。
【００４１】
なお、周波数値の初期値ｆ０は、図２及び図１１におけるキャリアの周波数（図４における各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のパルスの基本成分の周波数）であり、インバータの出力電圧Ｖｉｎｖの基本波成分の周波数である。インバータの出力電圧Ｖｉｎｖは矩形波であるため、本例では基本波成分のことをインバータ駆動周波数と呼ぶ。
【００４２】
本例において、周波数値の初期値ｆ０は使用頻度が高い状態における駆動周波数値が設定されている。図１０で説明すると、所望の出力電力を給電したい給電範囲における結合係数κの大きい状態での周波数値ｆ２が設定されている。換言すると、給電範囲内における距離Ｌが最小の状態における周波数値ｆ２が設定されている。
【００４３】
図１１に戻り、比較器１７Ａ２は、周波数テーブル１７Ａ１から出力された周波数値ｆｎと初期値ｆ０とを比較し、ｆｎが初期値ｆ０と異なる場合は、周波数値ｆｎを採用し、周波数指令ｆｒｅｆとしてキャリア生成部１７Ｂへ出力する。また、周波数テーブル１７Ａ１から出力された周波数値ｆｎが初期値ｆ０と同じ場合は、そのまま初期値ｆ０を周波数指令ｆｒｅｆとしてキャリア生成部１７Ｂへ出力する。
【００４４】
ここで、周波数テーブル１７Ａ１へ入力される距離情報の距離Ｌの検出方法は特に限定されず、例えば、送電コイルＬ１側あるいは受電コイルＬ２側に位置検出カメラ１９（図１参照）を搭載してコイル間の距離を検出してもよいし、または、レーダや距離センサを用いて検出してもよい。
【００４５】
また、図７に示したとおり距離Ｌと結合係数κとは相関関係であるので、結合係数推定器を設け、結合係数κを求めて距離Ｌとしてもよい。なお、結合係数推定器は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との結合係数κを推定するものであり、例えば、送電コイルの電圧（又は電流）と受電コイルの電圧（又は電流）を用いて結合係数κを推定してもよいし、送電コイル側の電圧、電流値を用いて結合係数κを推定してもよい。本例では、周波数テーブル１７Ａ１に距離Ｌ又は結合係数κといった距離情報が入力されれば足り、その具体的手段は特に限定されない。
【００４６】
なお、周波数テーブル１７Ａ１に入力する距離情報の更新は、給電開始時と給電途中で数回程度行うことが好ましい。一旦給電を開始すると送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離Ｌ（結合係数κ）が変化することはそれほど頻繁には起こらないと考えられるからである。ただし、給電中に荷物の出し入れをした場合や車両がパンクした場合は車高（Ｚ方向）が変化するため、距離Ｌが変化する。そのため、給電途中でも距離情報の更新を数回程度行うことが好ましい。この更新回数は特に限定されず、例えば数分毎に更新する。
【００４７】
同様に、周波数テーブル１７Ａ１に入力する負荷情報の更新も、給電開始時と給電途中で数回程度行うことが好ましい。給電開始時は、残電圧や抵抗成分からバッテリの残容量が何％であるかを知らなければならないため負荷情報の入力は必須である。ただし、残電圧や抵抗成分といったバッテリ状態は急変するものではなく、バッテリの充電状態ＳＯＣによるものであるため、給電途中はリアルタイムに更新しなくても数回程度行えばよい。負荷情報は、たとえばバッテリの状態を管理するバッテリコントローラで設定し、更新情報を設定することができる。
【００４８】
次に、図１２及び図１３を用いて周波数テーブル１７Ａ１における処理について説明する。周波数テーブル１７Ａ１は、図１２に示すような距離Ｌと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップを備える。すなわち、距離Ｌが近い場合は相対的に小さい周波数値ｆ２に設定し、距離Ｌが遠い場合は相対的に大きい周波数値ｆ１に設定する（ｆ１＞ｆ２）。この制御マップを有する周波数テーブル１７Ａ１を用いて周波数値ｆｎを決定する。
【００４９】
また、上述したように距離Ｌと結合係数κは相関関係にあるので、図１３に示すような結合係数κと周波数値ｆｎの関係を有する制御マップを備えてもよい。この場合に、結合係数が大きい場合は相対的に低い周波数値ｆ２に設定し、結合係数が小さい場合は相対的に高い周波数値ｆ１に設定する。この制御マップを有する周波数テーブル１７Ａ１を用いて周波数値ｆｎを決定することもできる。
【００５０】
なお、図１２及び図１３に示す制御マップでは、周波数値ｆ１とｆ２が重複しないように設定されているが、周波数値ｆｎを重複させてもよい。ただし、距離Ｌ又は結合係数κに対して周波数値ｆｎが重複している距離Ｌ（結合係数κ）は、周波数値ｆｎがチャタリングしないようにヒステリシス幅などを設け、距離Ｌ又は結合係数κに対して一義的に周波数値ｆｎが求まるように対策することが望ましい。
【００５１】
以上の実施の形態によれば、図１２又は図１３の制御マップを有する周波数テーブルを用いて、電圧型インバータ部１３の駆動周波数を設定するので、図１０に示すように、電源容量（Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘ）が制限された条件下でも所望の電力を給電できる範囲を拡大することができ、電力の伝送効率が高くなる。換言すれば、電源容量を低減でき、コストを低減することができる。
【００５２】
《第２実施形態》
図１４及び図１５は、本発明の第２実施形態を示す要部ブロック図及び制御マップであり、本例は、上述した第１実施形態に比べ、周波数テーブル１７Ａ１に入力される情報が異なり、その他の構成は同じである。したがって、相違する構成を主として説明し、共通する構成については第１実施形態に関する記載を援用する。
【００５３】
図１４は、図１及び図２の周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。本例では、第１実施形態の距離情報に代えて電流情報、具体的にはインバータ出力電流ｉｉｎｖが周波数テーブル１７Ａ１に入力される。なお、バッテリの残電圧や抵抗成分などの負荷情報は、第１実施形態と同様に周波数テーブル１７Ａ１に入力される。
【００５４】
周波数テーブル１７Ａ１に入力される電流情報（インバータ出力電流ｉｉｎｖ）とは、一定電圧Ｖｉｎｖを印加したときのインバータの出力電流ｉｉｎｖである。例えば、給電開始時や給電中において、たとえば２００Ｖなどの所定の電圧を印加したときにインバータから出力される電流値を周波数テーブル１７Ａ１へ入力する。
【００５５】
次に、図１５を参照しながら周波数テーブル１７Ａ１における処理について説明する。周波数テーブル１７Ａ１は、図１５に示すような一定電圧印加時の出力電流（インバータ出力電流ｉｉｎｖ）と周波数値ｆｎの関係を有する制御マップを備える。すなわち、出力電流ｉｉｎｖが小さい場合は相対的に高い周波数値ｆ１に設定し、出力電流ｉｉｎｖが大きい場合は相対的に低い周波数値ｆ２に設定する。この制御マップを有する周波数テーブル１７Ａ１を用いて周波数値ｆｎを決定する。なお、印加する一定電圧は予め周波数テーブル１７Ａ１を備える際に用いた電圧値と同一にする。
【００５６】
ちなみに、出力電流値ｉｉｎｖの検出は、電圧型インバータ部１３の出力回路に電流センサを設けることにより検出することができる。その際の電流値は、特に限定されず、ピークホールド（Ｉｐｋ）や平均値（Ｉａｖｒ）のいずれでもよい。周波数テーブル１７Ａ１の制御マップを作成する条件と一致していればよい。
【００５７】
以上の実施の形態によれば、図１５の制御マップを有する周波数テーブルを用いて、電圧型インバータ部１３の駆動周波数を設定するので、図１０に示すように、電源容量Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘが制限された条件下でも所望の電力を給電できる範囲を拡大することができ、電力の伝送効率が高くなる。換言すれば、電源容量を低減でき、コストを低減することができる。
【００５８】
《第３実施形態》
図１６は、本発明の第３実施形態を示す要部ブロック図であり、上述した第２実施形態に比べ、周波数テーブル１７Ａ１に入力される情報が異なり、その他の構成は同じである。したがって、相違する構成を主として説明し、共通する構成については第１及び第２実施形態に関する記載を援用する。
【００５９】
図１６は、図１及び図２の周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。本例では、第２実施形態の負荷情報を省略し、電流情報、具体的にはインバータ出力情報ｉｉｎｖのみが周波数テーブル１７Ａ１に入力される。
【００６０】
ここで、図１６に示す電流情報（インバータ出力電流ｉｉｎｖ）とは、一定電圧Ｖｉｎｖを印加したときの位相情報θｉｉｎｖを持ったインバータの出力電流ｉｉｎｖである。この交流電流は、大きさと位相を有するため、この２つの情報と一定電圧Ｖｉｎｖを用いて、バッテリなどの負荷の状態も推定することができる。したがって、あらためて負荷情報を入力する必要はなく、電流情報（｜Ｉｉｎｖ｜，θｉｉｎｖ）を入力し、周波数テーブル１７Ａ１によって負荷情報と周波数値ｆｎを設定することができる。
【００６１】
《第４実施形態》
図１７及び図１８は、本発明の第４実施形態を示す要部ブロック図及び制御マップであり、本例は、上述した第２実施形態に比べ、周波数テーブル１７Ａ１に入力される情報が異なり、その他の構成は同じである。したがって、相違する構成を主として説明し、共通する構成については第１及び第２実施形態に関する記載を援用する。
【００６２】
図１７は、図１及び図２の周波数制御部１７の構成を示すブロック図である。本例では、第２実施形態の電流情報に代えて、一定電圧Ｖｉｎｖを印加したときのインバータの出力電流ｉｉｎｖを演算部１７Ａ３に入力し、演算部１７Ａ３でインバータの出力電流値ｉｉｎｖと印加された一定電圧Ｖｉｎｖとから入力インピーダンスＺｉｎを演算し、これを周波数テーブル１７Ａ１の入力とする。なお、バッテリの残電圧や抵抗成分などの負荷情報は、第１実施形態と同様に周波数テーブル１７Ａ１に入力される。
【００６３】
次に、図１８を参照しながら周波数テーブル１７Ａ１における処理について説明する。周波数テーブル１７Ａ１は、図１８に示すようなインバータ出力側から見た入力インピーダンスの絶対値｜Ｚｉｎ｜と周波数値ｆｎとの関係を有する制御マップを備える。すなわち、インピーダンス｜Ｚｉｎ｜が小さい場合は相対的に低い周波数値ｆ２を設定し、インピーダンス｜Ｚｉｎ｜が大きい場合は相対的に高い周波数値ｆ１を設定する。この制御マップを有する周波数テーブル１７Ａ１を用いて周波数値ｆｎを決定する。
【００６４】
ちなみに、入力インピーダンスの絶対値を演算する際に用いる出力電流値ｉｉｎｖの検出は、電圧型インバータ部１３の出力回路に電流センサを設けることより検出することができる。その際の電流値は、特に限定されず、ピークホールド（Ｉｐｋ）や平均値（Ｉａｖｒ）のいずれでもよい。周波数テーブル１７Ａ１の制御マップを作成する条件と一致していればよい。
【００６５】
なお、図１７の周波数テーブル１７Ａ１に負荷情報を入力することに代えて、電流情報（インバータ出力電流）として一定電圧Ｖｉｎｖを印加したときの位相情報θｉｉｎｖを有するインバータ出力電流ｉｉｎｖを入力してもよい。上記第３実施形態にて説明したとおり、入力インピーダンスＺｉｎの演算もインピーダンスの大きさ｜Ｚｉｎ｜と位相θＺｉｎを演算部１７Ａ３から出力すれば、周波数テーブル１７Ａ１にて負荷情報および周波数ｆｎが設定できる。
【００６６】
《第５実施形態》
上述した各実施の形態では、電圧型インバータ部１３の駆動周波数ｆｎを結合係数κ、距離Ｌ、インバータ出力電流値ｉｉｎｖ又はインピーダンスＺｉｎに応じて相対的に高い周波数ｆ１と相対的に低い周波数ｆ２のいずれかに設定したが、３つ以上の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…ｆｎに設定してもよい。
【００６７】
図１９は、図１２に示す第１実施形態の周波数テーブル１７Ａ１が距離Ｌに応じた周波数値ｆｎを４つ設定値として備える場合を示すグラフである。なお、周波数値の設定方法は周波数値ｆｎが２つの場合と同じである。本例では、電圧型インバータ部１３の駆動周波数値を４種類用いて、負荷状態以外に距離Ｌに応じて設定することで、図２０に示すように第１〜第４実施形態よりも給電範囲をさらに拡大することができる。つまり、電源容量Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘが制限された条件下でも所望の電力を給電できる範囲を拡大することができる。したがって、電源容量を低減でき、コストを低減することができる。
【００６８】
なお、周波数設定値の個数は限定されず、給電範囲内がカバーできる個数であればよい。また、図１９に示す例では離散的な４つの駆動周波数ｆ１〜ｆ４を設定したが、図２１に示すように連続的な駆動周波数ｆｎを設定してもよい。
【００６９】
ここで、周波数テーブル１７Ａ１に入力されるバッテリの残電圧や抵抗成分などの負荷情報に関して説明する。 図２２はインバータの駆動周波数ｆ１を一定とした場合のインバータ電圧Ｖｉｎｖ、インバータ電流Ｉｉｎｖの特性図である。図２２（Ａ）は縦軸をインバータ電圧Ｖｉｎｖ、横軸を結合係数κ（距離Ｌ）とし、図２２（Ｂ）は縦軸をインバータ電流Ｉｉｎｖ、横軸を結合係数κ（距離Ｌ）とした特性を示す。
【００７０】
図２２（Ａ）において、図８の特性ＶｉｎｖＡから負荷の状態（バッテリの充電量）が変化した状態をＶｉｎｖＢとして示す。また図２２（Ｂ）において、図８の特性ＩｉｎｖＡから負荷の状態（バッテリの充電量）が変化した状態をＩｉｎｖＢとして示す。
【００７１】
図２２に示すように、バッテリ状態が変化するとインバータ電圧Ｖｉｎｖ、インバータ電流Ｉｉｎｖは変化するので、これにともない給電可能範囲も変化する。そのため、図２３に示すように、バッテリ状態に応じた周波数テーブルも備えておく必要がある。例えば、バッテリ状態Ａとバッテリ状態Ｂなどである。
【００７２】
《第６実施形態》
本発明に係る共振回路１５，５２の構成は特に限定されず種々に変更することができる。図２４は本例に係る非接触給電装置を示すブロック図であり、図１に示す例との違いは、受電装置５０の共振回路５２の構成である。すなわち、本例の受電装置５０の共振回路５２は、受電コイルＬ２と、当該受電コイルＬ２に並列に接続されたコンデンサＣ２Ｐとで構成されている。
【００７３】
図２５は図８、図２６は図９にそれぞれ対応する特性図であり、共振回路１５，５２（送電コイルＬ１の前に並列コンデンサＣ１ｐ、受電コイルＬ２の後に並列コンデンサＣ２ｐ）が違うため、インバータ電流Ｉｉｎｖ及びインバータ電圧Ｖｉｎｖの特性が異なることになる。第１〜第５実施形態に係る共振回路１５，５２に比べて、周波数を一定ｆ１にした場合に給電可能範囲が狭くなる。
【００７４】
しかしながら、図２４の共振回路１５，５２を用いた場合でも、本例のように送電コイルＬ１と受電コイルＬ２との間の距離Ｌ、結合係数κ、インバータ出力電流ｉｉｎｖ、送電装置１０から見たインピーダンスＺｉｎに応じて電圧型インバータ部１３の駆動周波数を設定することで、図１０や図２０に示すように、電源容量Ｖｍａｘ，Ｉｍａｘが制限された条件下でも所望の電力を給電できる範囲を拡大することができる。したがって、電源容量を低減でき、コストを低減することができる。
【００７５】
上記高周波交流電源部１４は本発明に係る発振手段に相当し、上記制御部１６は本発明に係る制御手段に相当し、上記位置検出カメラ１９は本発明に係る検出手段に相当する。
【符号の説明】
【００７６】
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
１４…高周波交流電源部
１５…共振回路
１６…制御部
１７…周波数制御部
１７Ａ…周波数指令生成部
１７Ｂ…キャリア生成部
１８…電圧指令生成部
１８Ａ…電圧振幅指令生成部
１８Ｂ…ＳＷパルス生成部
１９…位置検出カメラ
５０…受電装置
Ｌ２…受電コイル
Ｄ１１〜Ｄ１４…ダイオード
Ｃ２Ｓ，Ｃ２Ｐ…コンデンサ
５１…整流部
５２…共振回路
５３…負荷
【図１】
2012070463.tif 000003
【図２】
2012070463.tif 000004
【図３】
2012070463.tif 000005
【図４】
2012070463.tif 000006
【図５Ａ】
2012070463.tif 000007
【図５Ｂ】
2012070463.tif 000008
【図６】
2012070463.tif 000009
【図７】
2012070463.tif 000010
【図８】
2012070463.tif 000011
【図９】
2012070463.tif 000012
【図１０】
2012070463.tif 000013
【図１１】
2012070463.tif 000014
【図１２】
2012070463.tif 000015
【図１３】
2012070463.tif 000016
【図１４】
2012070463.tif 000017
【図１５】
2012070463.tif 000018
【図１６】
2012070463.tif 000019
【図１７】
2012070463.tif 000020
【図１８】
2012070463.tif 000021
【図１９】
2012070463.tif 000022
【図２０】
2012070463.tif 000023
【図２１】
2012070463.tif 000024
【図２２】
2012070463.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2012070463.tif 000028
【図２６】
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