(57)【要約】      （修正有）【課題】電力伝送時の適切な周波数を選定し、効率的な電力伝送を実行可能な電力伝送システムを提供する。【解決手段】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、送電アンテナに対向し、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する受電アンテナと、送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数を導出する導出部と、送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数に対する、伝送効率が最高となる伝送周波数の関係を記憶するテーブルと、を有する電力伝送システムであって、送電制御部は、前記導出部で導出された送電アンテナと受電アンテナとの間の結合係数と、テーブルとから、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定する。【選択図】図１
2013211933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記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、
前記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制御部と、
前記送電アンテナに対向し、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する受電アンテナと、
前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数を導出する導出部と、
送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数に対する、伝送効率が最高となる伝送周波数の関係を記憶するテーブルと、
を有する電力伝送システムであって、
前記制御部は、前記導出部で導出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数と、前記テーブルとから、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定することを特徴とする電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。
【０００３】
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。
【０００４】
上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、本番の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された第２共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第１共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第２共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第１共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第２共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−６８６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載の電力伝送システムは、電気自動車（ＥＶ）などの車両への充電のためのシステムに用いられることが想定されている。このような電力伝送システムは、車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられ、車両のユーザーは電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、車両に搭載されている受電アンテナによって電力伝送システムからの電力を受電する。
【０００６】
車両を停車スペースに停車させる際には、車両搭載の受電アンテナが、停車スペース側の送電アンテナに対して最も伝送効率が良い位置（送電アンテナと受電アンテナとの間の結合係数が最大である位置、すなわち、例えば、送電アンテナと受電アンテナが同じ形状、同じ大きさのアンテナの場合、前後左右のずれ量がゼロである位置）の関係になるとは限らない。しかしながら、従来技術に係る電力伝送システムにおいては、アンテナ間の位置ずれを把握するものでできないため、送電アンテナと受電アンテナとの間の結合係数（
アンテナ間の位置ずれ量）に基づいた、電力伝送時の適切な周波数を選定することができず、効率的な電力伝送を実行することができない、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、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、前記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、前記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制御部と、前記送電アンテナに対向し、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する受電アンテナと、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数を導出する導出部と、送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数に対する、伝送効率が最高となる伝送周波数の関係を記憶するテーブルと、を有する電力伝送システムであって、前記制御部は、前記導出部で導出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数と、前記テーブルとから、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る電力伝送システムは、前記制御部が前記算出部で算出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数と、前記テーブルとから、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定するものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、結合係数から前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の位置ずれを適切に把握することができ、位置ずれに基づいた、電力伝送時の適切な周波数を選定することができるようになり、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電アンテナと受電アンテナの位置関係の定義を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。
【図６】周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【図７】第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図８】第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図９】２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。
【図１０】２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける結合係数導出・周波数決定処理のフローチャートを示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける結合係数検出周波数を説明する図である。
【図１３】インバータ部１３０に流れる電流と、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数との関係を記憶するデータテーブルの一例を示す図である。
【図１４】送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数と、伝送周波数との関係を記憶するデータテーブルの一例を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電池の充電プロファイルを示す図である。
【図１７】送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数と、伝送周波数との関係を記憶するデータテーブルの一例を示す図である。
【図１８】アンテナ間の結合係数を変動させたときの（Ｖ1，Ｉ1，ｆ）の集合のイメージ図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る電力伝送システムで用い得るテーブル例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図であり、図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、車両の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２１０が配されてなる。
【００１１】
本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電アンテナ１４０などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から車両に搭載されている受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介し電気エネルギー（電力）を伝送する。
【００１２】
車両を停車スペースに停車させる際には、車両搭載の受電アンテナ２１０が、送電アンテナ１４０に対して最も伝送効率が良い位置（送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数が最大となる、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との相対的位置）の関係になるとは限らない。そこで、本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、受電アンテナ２１０と送電アンテナ２１０との相対的位置関係を、結合係数に基づいて把握した上で、電力伝送効率が最高となるように、電力伝送システム１００を行うために最適な周波数を選択するように構成されている。
【００１３】
図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電アンテナ２１０と受電アンテナ２１０の位置関係の定義を説明する図である。送電アンテナ２１０、受電アンテナ２１０はいずれも渦巻き状に巻回された略矩形のコイルである。受電アンテナ２１０が車輌に搭載さているという制約の下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数が最大となる、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との相対的位置を、最適相対的位置として定義すると、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量は、この最適相対的位置からの相違として定義することができる。最適相対的位置からのアンテナ間の位置ずれ量が大きくなればなるほど、結合係数は小さくなる。
【００１４】
送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０が同じ大きさ、同じ形状のアンテナである場合、結合係数を実際の数値として導出しなくても、最適相対的位置からのアンテナ間の位置ずれ量を求めることで、間接的に結合係数を求めていることと同じとなる。また、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０が異なる大きさ、異なる形状であっても、これら大きさ、形状に応じた最適相対的位置からの位置ずれ量と結合係数との関係を予め記憶しておく等によって、結合係数を実際の数値として導出しなくても、位置ずれ量を求めることで、間接的に結合係数を求めていることと同じとなる。
【００１５】
車両充電設備（送電側）における整流昇圧部１２０は、商用電源などのＡＣ電源部１１０からの交流電圧を一定の直流に変換するコンバータと、このコンバータからの出力を所定の電圧に昇圧するものである。この整流昇圧部１２０で生成される電圧の設定は送電制御部１５０から制御可能となっている。
【００１６】
インバータ部１３０は、整流昇圧部１２０から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１４０に入力する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。インバータ部１３０は、例えば図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱA乃至ＱDからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。
【００１７】
本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱBの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子ＱCとスイッチング素子ＱDとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１４０が接続される構成となっており、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオンのとき、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオフとされ、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオンのとき、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。
【００１８】
上記のようなインバータ部１３０を構成するスイッチング素子ＱA乃至ＱDに対する駆動信号は送電制御部１５０から入力されるようになっている。また、インバータ部１３０を駆動させるための周波数は送電制御部１５０から制御することができるようになっている。
【００１９】
上記のようなインバータ部１３０からの出力は送電アンテナ１４０に供給される。この送電アンテナ１４０は、インダクタンス成分を有する後述するようなコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２１０と共鳴することで、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２１０に送ることができるようになっている。
【００２０】
なお、インバータ部１３０からの出力を、送電アンテナ１４０に入力する際には、いったん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。
【００２１】
本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム１００の送電側の送電アンテナ１４０から、受電側の受電アンテナ２１０へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１４０の共振周波数と、受電アンテナ２１０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。
【００２２】
インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2は送電制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、計測される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1からインバータ部１３０に入力される入力電力（Ｗ1＝Ｖ1×Ｉ1）、及び、計測される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2か
らインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ2＝Ｖ2×Ｉ2）を取得することができ
るようになっている。また、これらの計測値は、送電制御部１５０がインバータ部１３０に入力する直流電圧の電圧値と電流値とを制御する際に用いられる。
【００２３】
送電制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、取得された
入力電力（Ｗ1）と出力電力（Ｗ2）とからインバータ部１３０の効率（Ｗ1／Ｗ2）などを演算することができるようになっている。
【００２４】
送電制御部１５０におけるデータテーブル１５１は、インバータ部１３０に流れる電流と、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数（アンテナ間位置ずれ量と逆比例）との関係を記憶する第１のテーブルと、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれと、伝送周波数との関係を記憶する第２のテーブルと、からなる。送電制御部１５０は、入力される計測値とこれらのテーブルとを参照して、電力伝送時における制御を行う。
【００２５】
送電制御部１５０は、整流昇圧部１２０によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部１３０で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行する。
【００２６】
また、通信部１５７は車両側の通信部２５７と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１５７によって受信したデータは送電制御部１５０に転送され、また、送電制御部１５０は所定情報を通信部１５７を介して車両側に送信することができるようになっている。
【００２７】
次に、車両側に設けられている電力伝送システム１００の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２１０は、送電アンテナ１４０と共鳴することによって、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電するものである。
【００２８】
受電アンテナ２１０で受電された交流電力は、整流器２２０において整流され、整流された電力は充電器２3０を通して電池２４０に蓄電されるようになっている。充電器２３
０は充電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。なお、本実施形態においては、受電側システムの負荷として電池２４０を用い、これに充電を行う例について説明しているが、受電側システムの負荷としては、その他の負荷を用いるようにしてもよい。
【００２９】
充電器２３０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ3及び電流Ｉ3は充電制御部２５０によって計測されるようになっている。計測された電圧Ｖ3及び電流Ｉ3により、充電制御部２５０は、充電器２３０を制御して、電池２４０の適切な充電プロファイルに沿うように電池２４０の充電を制御することができるように構成されている。充電器２3０は、
電池２４０を定電流、定出力、定電圧のいずれかで充電させるかを選択することができるようになっている。
【００３０】
充電制御部２５０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている充電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。
【００３１】
充電制御部２５０は  電池２４０の充電プロファイルを記憶すると共に、充電制御部２５０をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムを記憶している。
【００３２】
また、通信部２５７は送電側の通信部１５７と無線通信を行い、送電側システムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２５７によって受信したデータは充電制御部２５０に転送され、また、充電制御部２５０は所定データ（例えば、電圧Ｖ3及び電
流Ｉ3などのデータ）を、通信部２５７を介して送電側に送信することができるようにな
っている。
【００３３】
インターフェイス部２３０は、車両の運転席部に設けられ、ユーザー（運転者）に対し所定の情報などを提供したり、或いは、ユーザーからの操作・入力を受け付けたりするものであり、表示装置、ボタン類、タッチパネル、スピーカーなどで構成されるものである。ユーザーによる所定の操作が実行されると、インターフェイス部２３０から操作データとして充電制御部２５０に送られ処理される。また、ユーザーに所定の情報を提供する際には、充電制御部２５０からインターフェイス部２３０に対して、所定情報を表示するための表示指示データが送信される。
【００３４】
図４は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図であり、図５は本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのような形状のコイルに限定されるものではない。例えば、コイル体２７０として円形平板状のものなども利用し得る。このようなコイル体２７０は、受電アンテナ２１０における磁気共鳴アンテナ部として機能する。この「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。
【００３５】
コイルケース２６０は、受電アンテナ２１０のインダクタンス成分を有するコイル体２７０を収容するために用いられるものである。このコイルケース２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。コイルケース２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、コイルケース２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。コイルケース２６０にパッケージされた受電アンテナ２１０はこの上方開口部２６３側で車両本体部に取り付けられる。コイルケース２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。
【００３６】
コイル体２７０は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材２７１と、この基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２とから構成されている。渦巻き状をなす導電部２７２の内周側の第１端部２７３、及び外周側の第２端部２７４には導電線路（不図示）が電気接続される。これにより、受電アンテナ２１０によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体２７０はコイルケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。
【００３７】
磁性シールド体２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド体２８０を構成するためには、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましく、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド体２８０は、コイルケース２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方にある程度の空間を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１４０側で発生する磁力線は、磁性シールド体２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。
【００３８】
また、コイルケース２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状の金属体蓋部２９０が、シールド体２８０の上方に所定距離をおいて配されるようになっている。このような金属体蓋部２９０に用いる金属材料として任意のものを用いることとができるが、本実施形態においては、例えばアルミニウムを用いている。
【００３９】
以上のように、本発明の受電アンテナ２１０によれば、コイル体２７０の上方に磁性シールド体２８０が設けられているので、車両底面に受電アンテナ２１０を装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
【００４０】
また、上記のような受電アンテナ２１０の構造は、電力伝送システム１００を構成する送電側のアンテナにも適用されている。この場合、図５に示すように、送電アンテナ１４０は、受電アンテナ２１０と水平面に対して面対称（鏡像対称）となるような構造とされている。
【００４１】
送電アンテナ１４０においても、受電側同様に、コイル体３７０がコイルケース３６０に配され、これと所定距離離されて磁性シールド体３８０が設けられると共に、金属体蓋部３９０によってコイルケース１６０が封止されてなる構造である。
【００４２】
次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００における受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０との位置関係に基づく、電力伝送効率の周波数依存性について説明する。図６は本実施形態に係る電力伝送システムにおける周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【００４３】
図６（Ａ）は受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０とが最も適切に配置されているときの状態（位置ずれ量がゼロで、結合係数が最高の状態）に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。図６（Ａ）に示すように、２つの極大値を与える周波数が２つあり、さらにその間に極小値を与える周波数が１つある。周波数が低い方の極大値を与える極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極大値を与える極値周波数を第２極値周波数として定義する。
【００４４】
図６（Ａ）から図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、図６（Ｄ）と進むにつれて、受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０と間の位置のずれ量がより大きくなっているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。
【００４５】
図６（Ｃ）、図６（Ｄ）に示すように、伝送効率の極値を与える周波数が1つである場
合には、この極値の周波数が選定すれば高い伝送効率で電力伝送を行うことができる。一方、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、本実施形態においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００４６】
以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。
【００４７】
図７は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。
【００４８】
また、図８は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電ア
ンテナ２１０の対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。
【００４９】
なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ  Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ  Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。
【００５０】
次に、本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。
【００５１】
図９は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１極値周波数）での特性を示す図である。図９（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図９（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図９に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。
【００５２】
以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。
【００５３】
一方、図１０は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２極値周波数）での特性を示す図である。図１０（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１０に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。
【００５４】
以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
【００５５】
図９の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１０の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１０に示す特性の方が、電池２４０（負荷）にとっては好ましいので、本実施形態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００５６】
このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が
２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で行うことが可能となる。
【００５７】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池２４０（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５８】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５９】
これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。
【００６０】
次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００における電力伝送時の周波数決定のプロセスについてより詳しく説明する。図１１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける結合係数導出・周波数決定処理のフローチャートを示す図である。
【００６１】
ステップＳ１００で、結合係数導出・周波数決定処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１においては、送電制御部１５０は所定の出力値（例、１．５ｋＷ）が出力されるように整流昇圧部１２０を設定する。
【００６２】
次のステップＳ１０２では、インバータ部１３０での駆動周波数が、結合係数検出周波数となるように設定を行う。ここで、結合係数検出周波数について説明する。図１２は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００における結合係数検出周波数を説明する図である。
【００６３】
図１２のグラフにおいて、横軸はインバータ部１３０の駆動周波数を示しており、縦軸はインバータ部１３０に対して入力される電流Ｉ1を示している。また、駆動周波数のう
ち、４８０［ｋＨｚ］は第２極値周波数近傍の周波数（図６（Ａ）参照）であり、４６０［ｋＨｚ］は効率の極小値を与える周波数と第２極値周波数の周波数との中間の周波数近傍（図６（Ａ）参照）である。ここで、本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、結合係数検出周波数として、後者の周波数（４６０［ｋＨｚ］）、すなわち、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の伝送効率が極大となる周波数と、極小となる周波数の間の周波数が選定される。
【００６４】
このような周波数が結合係数検出周波数として選定される理由は、インバータ部１３０における電流Ｉ1の値が、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ量
（結合係数の逆数に比例）に対してセンシティブであることを挙げることができる。
【００６５】
さて、続くステップＳ１０３では、インバータ部１３０における電流Ｉ1が計測される
。ステップＳ１０４では、「計測電流値（電流Ｉ1）＜所定電流値」が成立するか否かが
判定される。ここで、所定電流値とは、位置ずれ量（結合係数の逆数に比例）が判定不可能な電流値であり、例えば図１２に示す例では、所定電流値を０．２Ａ程度に設定することが可能である。
【００６６】
ステップＳ１０４における判定の結果がＹＥＳであるときには、ステップＳ１０７に進み、位置ずれ量（結合係数の逆数に比例）が大きすぎ、電力伝送が不可能であることを、インターフェイス部２３０を利用してユーザーに報知する。
【００６７】
一方、ステップＳ１０４における判定の結果がＮＯであるときには、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、計測電流値（電流Ｉ1）に基づき、データテーブル１５
１における第１のテーブルを参照して結合係数を導出する。これまでに説明したように、第１のテーブルは、インバータ部１３０に流れる電流と、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数との関係を記憶するものである。図１３はこのようなデータテーブルの一例を示す図である。図１３のデータテーブルを用いることによって、例えば、計測電流値（電流Ｉ1）が０．６Ａであるとすると、位置ずれ量は１２ｃｍであるもの
と算出することが可能となる。
【００６８】
続く、ステップＳ１０６においては、データテーブル１５１における第２のテーブルが参照され、導出された結合係数から実際の電力伝送を実行する際の周波数を決定する。これまでに説明したように、第２のテーブルは、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数と、伝送周波数との関係を記憶するものである。図１４はこのようなデータテーブルの一例を示す図である。図１４のデータテーブルを用いることによって、例えば、位置ずれ量が１２ｃｍであるとすると、電力伝送を実行する際の周波数を４７７ｋＨｚと決定することが可能となる。なお、図１４で決定される周波数は、第２極値周波数の近傍であり、電気壁が生じる周波数であり、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
【００６９】
ステップＳ１０８では、結合係数導出・周波数決定処理のフローを終了する。
【００７０】
以上のように、本発明に係る電力伝送システムは、制御部が特定の周波数で前記インバータ部１３０を駆動し、前記インバータ部１３０に流れる電流を測定すると共に、計測された電流と前記データテーブル１５１とから、前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間の結合係数を算出するものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、結合係数から前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間の位置ずれを適切に把握することができ、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【００７１】
また、本発明に係る電力伝送システムは、前記制御部が前記算出部で算出された前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間の結合係数と、前記前記データテーブル１５１とから、前記送電アンテナ１４０から電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定するものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、結合係数から前記送電アンテナ１４０と前記受電アンテナ２１０との間の位置ずれを適切に把握することができ、位置ずれに基づいた、電力伝送時の適切な周波数を選定することができるようになり、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【００７２】
次に、以上のように決定された最適周波数によって行われる実際の充電の電力伝送の処
理について説明する。図１５は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。このフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。
【００７３】
また、図１４は電池２４０の充電プロファイルを示す図である。この充電プロファイルは電池２４０の充電プロファイルの一例を示すものであり、電池２４０を充電するためには、その他のプロファイルを用いるようにしてもよい。
【００７４】
また、図１４では電池２４０の蓄電量がほとんどない状態からの充電プロファイルを示すものである。この充電プロファイルにおいては、まず一定の電流Ｉconstで電池２４０
の充電を行う定電流充電（ＣＣ制御）が行われる。次に、電池２４０の端部電圧がＶｆとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電（ＣＶ制御）が行われる。そして、定電圧充電時、電池２４０に流れこむ電流がＩminとなったら、充電を終了する。
【００７５】
図１５に示す電力伝送処理のフローチャートはこのような充電プロファイルが考慮された上で組み立てられている。
【００７６】
ステップＳ２００で電力伝送処理が開始されると、続く、ステップＳ２０１では、送電制御部１５０は目標出力値が例えば、１．５ｋＷとなるように整流昇圧部１２０を設定する。
【００７７】
また、ステップＳ２０２では、インバータ部１３０の駆動周波数を、先の周波数決定処理で決定された最適周波数に設定して、ステップＳ２０３で電力伝送を実行する。
【００７８】
ステップＳ２０４では、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2によって、出力電力を計測する。
【００７９】
ステップＳ２０５では、計測された出力電力が所定電力より小さくなったか否かが判定される。インバータ部１３０が所定電力を出力可能であるときは、受電側充電器２３０では定電流にて充電動作しており、送電側からみたインピーダンスはＺN＝ＺCCとなってい
るときである。これに対して、受電側で定出力充電から定電圧充電に移行すると、受電側充電器２３０では定電圧にて充電動作が開始され、送電側からみたインピーダンスはＺN
＝ＺCVとなる。このようなインピーダンスの変化があると、インバータ部１３０から出力される電力は所定電力より小さくなってしまう。ステップＳ２０５では上記のような受電側の変化を捉えるものである。
【００８０】
ステップＳ２０５の判定がＮＯであるときにはステップＳ２０３に戻りループし、ステップＳ２０５での判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ２０６に進み、インバータ部１３０への出力電圧が変化しないように整流昇圧部１２０を設定する。
【００８１】
ステップＳ２０７では、電力伝送が実行され、ステップＳ２０８では、電池２４０に対して入力される電流Ｉ3は充電制御部２５０によって計測される。
【００８２】
ステップＳ２０９では、計測された電流Ｉ3はが最小電流Ｉminとなったか否かが判定される。  ステップＳ２０９の判定がＮＯであるときにはステップＳ２０７に戻りループし、ステップＳ２０９での判定がＹＥＳであるときには、受電側で電池２４０の充電が完了したものであると推定されるので、ステップＳ２１０に進み電力伝送を停止して、ステップＳ２１１で処理を終了する。
【００８３】
以上、本発明に係る電力伝送システムは、制御部が特定の周波数で前記インバータ部を
駆動し、前記インバータ部に流れる電流を測定すると共に、計測された電流と前記テーブルとから、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数を算出するものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、結合係数から前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の位置ずれを適切に把握することができ、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【００８４】
また、本発明に係る電力伝送システムは、前記制御部が前記算出部で算出された前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数と、前記前記テーブルとから、前記送電アンテナから電磁場を介して電気エネルギーを伝送する際の伝送周波数を決定するものであり、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、結合係数から前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の位置ずれを適切に把握することができ、位置ずれに基づいた、電力伝送時の適切な周波数を選定することができるようになり、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【００８５】
次に本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態においては、第２のテーブルの構成が異なっているのみで、その他の構成についてはこれまで説明したものと同様である。図１７は、他の実施形態に係る電力伝送システム１００で利用される、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数と、伝送周波数との関係を記憶する第２のデータテーブルの一例を示す図である。
【００８６】
このようなデータテーブルによれば、複数の種別の電池２４０に対応することが可能である。具体的には、他の実施形態における第２のデータテーブルでは、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれ（結合係数の逆数に比例）と、伝送周波数と、電池２４０（負荷）のインピーダンスとの関係が定められたデータテーブルとなっている。
【００８７】
これによれば、例えば、電池２４０のインピーダンスが（ａ）である場合には、左側の点線の囲まれたデータテーブルを用いることで、電力伝送時の周波数を決定し、また、電池２４０のインピーダンスが（ｂ）である場合には、右側の点線の囲まれたデータテーブルを用いることで、電力伝送時の周波数を決定する。
【００８８】
以上のような他の実施形態によれば、先の実施形態と同様の効果を享受することが可能であると共に、複数の種別の電池２４０に対応することが可能である、という新たな効果を奏するものである。
【００８９】
次に本発明の他の実施形態について説明する。第１の実施形態においては、第１のテーブルとして、インバータ部１３０に流れる電流と、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数との関係を記憶しておき、送電制御部１５０がインバータ部１３０に特定の電圧値の直流電圧を入力し、特定の周波数でインバータ部１３０を駆動し、インバータ部１３０に流れる電流を測定し、測定された電流と第１のテーブルとから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数を算出するようにしていた。
【００９０】
一方、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数がパラメータとして種々の値を取るとき、インバータ部１３０に入力される直流電圧の電圧値Ｖ1、電流値Ｉ1とインバータ部１３０の駆動周波数ｆとの間には、例えば、図１８に示すイメージ図のような関係がある。すなわち、アンテナ間の結合係数を種々変動させた場合、（Ｖ1，Ｉ1，ｆ）の集合は、図１８に示す座標系において所定の面を形成する。
【００９１】
このことから、電圧値Ｖ1と駆動周波数ｆとを特定の値としておき、電流値Ｉ1を測定することで、測定された電流値Ｉ1とアンテナ間の結合係数との関係を規定する第１のテー
ブルから、結合係数を求める第１の実施形態以外にも種々の方法があることがわかる。
【００９２】
図１９は本発明の実施形態に係る電力伝送システムで用い得るテーブル例を示す図であり、図１９（Ａ）は、第１の実施形態で用いた第１のテーブル例を示している。
【００９３】
一方、図１９（Ｂ）は他の実施形態に係る、アンテナ間の結合係数を算出する際に用いるテーブル（第３のテーブル）の例を示すものである。
【００９４】
この実施形態では図１９（Ｂ）に示すように、テーブルには、インバータ部１３０に入力される直流電圧の電圧値Ｖ1と、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結
合係数との関係を記憶させておく。そして、送電制御部１５０がインバータ部１３０に特定の電流値の直流電圧を入力し、特定の周波数でインバータ部１３０を駆動し、インバータ部１３０に流れる電圧を測定し、測定された電圧と図１９（Ｂ）に示すテーブル（第３のテーブル）から、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数を算出する。
【００９５】
さらに、図１９（Ｃ）は他の実施形態に係る、アンテナ間の結合係数を算出する際に用いるテーブル（第４のテーブル）の例を示すものである。
【００９６】
この実施形態では図１９（Ｃ）に示すように、テーブルには、インバータ部１３０における駆動周波数ｆと、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数との関係を記憶させておく。そして、送電制御部１５０が、インバータ部１３０に特定の電圧値と特定の電流値の直流電圧を入力した際の、インバータ部１３０の駆動周波数を取得すると共に、取得された周波数とテーブル（第４のテーブル）とから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の結合係数を算出する。
【００９７】
以上のような他の実施形態によっても、結合係数から送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置ずれを適切に把握することができ、効率的な電力伝送を実行することが可能となる。
【００９８】
なお、送電アンテナと受電アンテナとの間の結合係数（位置ずれ量）を検出するためには、上記の方法以外にも、周知のセンサなどにより、直接的に計測するようにしても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１００・・・電力伝送システム
１１０・・・ＡＣ電源部
１２０・・・整流昇圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電制御部
１５１・・・データテーブル
１５７・・・通信部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・充電制御部
２５５・・・インターフェイス部
２５７・・・通信部
２６０・・・コイルケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・磁性シールド体
２８５・・・中抜き部
２９０・・・金属体蓋部
３６０・・・コイルケース
３７０・・・コイル体
３８０・・・磁性シールド体
３９０・・・金属体蓋部
【図１】
2013211933.tif 000003
【図２】
2013211933.tif 000004
【図３】
2013211933.tif 000005
【図４】
2013211933.tif 000006
【図５】
2013211933.tif 000007
【図６】
2013211933.tif 000008
【図７】
2013211933.tif 000009
【図８】
2013211933.tif 000010
【図９】
2013211933.tif 000011
【図１０】
2013211933.tif 000012
【図１１】
2013211933.tif 000013
【図１２】
2013211933.tif 000014
【図１３】
2013211933.tif 000015
【図１４】
2013211933.tif 000016
【図１５】
2013211933.tif 000017
【図１６】
2013211933.tif 000018
【図１７】
2013211933.tif 000019
【図１８】
2013211933.tif 000020
【図１９】
2013211933.tif 000021