(57)【要約】【課題】小規模であって極力短い時間で給電効率を向上させ得るインピーダンス整合を行うことができる非接触給電装置及び方法を提供する。【解決手段】非接触給電装置１は、給電対象としての車両Ｍに対して非接触で給電を行うものであり、車両Ｍに設けられる受電コイル２１とともに電磁気結合回路を形成する給電コイル１３と、給電コイル１３に接続された抵抗装置１２と、給電コイル１３から受電コイル２１への給電効率が最大となるように抵抗装置１２の抵抗値を制御する制御装置１５とを備える。【選択図】図１
2013110784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電対象に対して非接触で給電を行う非接触給電装置であって、
前記給電対象に設けられる受電コイルとともに電磁気結合回路を形成する給電コイルと、
前記給電コイルに接続された抵抗装置と、
前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率が最大となるように前記抵抗装置の抵抗値を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記電磁気結合回路に入力される電力と前記電磁気結合回路から出力される電力とに基づいて、前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率を求めることを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記給電効率が上昇する方向に前記抵抗装置の抵抗値を変化させていき、前記給電効率が低下する直前の抵抗値を前記給電効率が最大となる抵抗値に決定する制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記給電コイルは、前記給電対象に設けられる受電コイルと共鳴するコイルであり、
前記給電コイルと前記受電コイルとの間における電磁界の共鳴によって電力を前記給電対象に非接触で供給する
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
給電対象に対して非接触で給電を行う非接触給電方法であって、
前記給電対象に設けられる受電コイルとともに電磁気結合回路を形成する給電コイルに接続された抵抗装置の抵抗値を制御し、前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率を最大にすることを特徴とする非接触給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電対象に非接触で給電を行う非接触給電装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低炭素社会を実現すべく、ハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の研究が盛んに行われている。ハイブリッド自動車は、動力発生源としてエンジンとモータとを併用する自動車であり、電気自動車は動力発生源としてモータのみを用いる自動車である。これらハイブリッド自動車や電気自動車は、モータを駆動する電力を供給する再充電が可能なリチウムイオン二次電池等のバッテリを備えている。
【０００３】
電気自動車に設けられるバッテリは、基本的には外部の電源装置から供給される電力によって充電される。これに対し、ハイブリッド自動車に設けられるバッテリは、基本的にはエンジンによって駆動される発電機で発電される電力によって充電される。尚、ハイブリッド自動車のうち、所謂プラグイン・ハイブリッド自動車と呼ばれるものは、電気自動車と同様に外部の電源装置から供給される電力によってもバッテリの充電が可能である。
【０００４】
電気自動車やプラグイン・ハイブリッド自動車に設けられるバッテリの充電は、現行のガソリン自動車がガソリンスタンドで給油を行うのと同様に、スタンド型の電源装置が設置された給電ステーションで行われるものと考えられる。しかしながら、現状においては、給電ステーションの数が少なく、しかもスタンド型の電源装置でバッテリを満充電状態にするには数時間程度の時間を要する。このため、現行のガソリン自動車に対する給油を行うのと同様の感覚で、電気自動車やプラグイン・ハイブリッド自動車に搭載されたバッテリの充電が可能になる状況が整備されるには時間を要すると考えられる。
【０００５】
そこで、近年では、既存のインフラに非接触給電装置を並設し、給電対象としての自動車に対する非接触の給電を可能にすることによって、上記の欠点を解消する充電方法が提案されている。この充電方法は、自動車が停車する位置（例えば、交差点における停車位置）に非接触給電装置を設置し、停車している自動車に対して非接触で給電することにより、自動車に搭載されたバッテリの充電を少しずつ頻繁に行う方法である。以下の特許文献１には、自動車に対するものではないが、軌道上に存在する搬送車に対して非接触で給電を行う非接触給電搬送システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８４０７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、給電対象に対して電力を非接触で給電する方式としては、「電磁誘導方式」と「電磁界共鳴方式」とが挙げられる。「電磁誘導方式」は、隣接する２つのコイルの一方のコイル（給電コイル）に電流を流した場合に発生する磁束を媒介して他方のコイル（受電コイル）に起電力が発生するという電磁誘導を利用した非接触の給電方式である。これに対し、「電磁界共鳴方式」は、給電コイルと受電コイルとの間における電磁界の共鳴現象を利用した非接触の給電方式である。
【０００８】
上述した「電磁誘導方式」は、給電効率が給電コイルと受電コイルとの相互インダクタンスに依存するため、給電効率を高めるには給電コイルに対して受電コイルを近接して配置しなければならず用途が限られるという欠点がある。これに対し、上述した「電磁界共鳴方式」は、電磁界の共鳴現象を利用したものであるため、「電磁誘導方式」よりも給電可能な距離を長くすることができると期待されている。
【０００９】
ここで、自動車に搭載されるバッテリの仕様はメーカや車種に応じて多種多様である。このため、上記の「電磁界共鳴方式」の非接触給電装置において給電効率を高めるには、給電コイル及び受電コイルを含む共振回路のインピーダンス整合（インピーダンスマッチング）を行う必要がある。一般的に、インピーダンス整合はＬＣ回路のパラメータ（誘導成分及び容量成分）を調整することによって行われるため、非接触給電装置においてもこのようなＬＣ回路を用いたインピーダンス調整が行われるものと考えられる。
【００１０】
しかしながら、ＬＣ回路のパラメータを変更する機構は大がかりなものとなり、しかも、ＬＣ回路のパラメータ変更によってインピーダンス整合をしようとすると時間が長くなる傾向があるという問題がある。前述した停車位置での効率的なバッテリ充電を実現するには、設置場所に余り制限が無く、停車中におけるバッテリの充電時間を極力長くする必要があることから、小規模であって極力短い時間でインピーダンス整合を行うことができる非接触給電装置が求められる。尚、自動車に対する非接触給電のみならず、産業用途の機器（例えば、制御用機器やモータ等）に対する非接触給電においても、小規模であって極力短い時間でインピーダンス整合を行うことができる非接触給電装置が求められることもある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小規模であって極力短い時間で給電効率を向上させ得るインピーダンス整合を行うことができる非接触給電装置及び方法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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の非接触給電装置は、給電対象（Ｍ）に対して非接触で給電を行う非接触給電装置（１）であって、前記給電対象に設けられる受電コイル（２１）とともに電磁気結合回路を形成する給電コイル（１３）と、前記給電コイルに接続された抵抗装置（１２）と、前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率が最大となるように前記抵抗装置の抵抗値を制御する制御装置（１５）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の非接触給電装置は、前記制御装置が、前記電磁気結合回路に入力される電力と前記電磁気結合回路から出力される電力とに基づいて、前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率を求めることを特徴としている。
また、本発明の非接触給電装置は、前記制御装置が、前記給電効率が上昇する方向に前記抵抗装置の抵抗値を変化させていき、前記給電効率が低下する直前の抵抗値を前記給電効率が最大となる抵抗値に決定する制御を行うことを特徴としている。
また、本発明の非接触給電装置は、前記給電コイルが、前記給電対象に設けられる受電コイルと共鳴するコイルであり、前記給電コイルと前記受電コイルとの間における電磁界の共鳴によって電力を前記給電対象に非接触で供給することを特徴としている。
本発明の非接触給電方法は、給電対象（Ｍ）に対して非接触で給電を行う非接触給電方法であって、前記給電対象に設けられる受電コイル（２１）とともに電磁気結合回路を形成する給電コイル（１３）に接続された抵抗装置（１２）の抵抗値を制御し、前記給電コイルから前記受電コイルへの給電効率を最大にすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、給電対象に設けられる受電コイルとともに電磁気結合回路を形成する給電コイルに接続された抵抗装置を設け、給電コイルから受電コイルへの給電効率が最大となるように制御装置が抵抗装置の抵抗値を制御しているため、小規模であって極力短い時間で給電効率を向上させ得るインピーダンス整合を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による非接触給電装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による非接触給電方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による非接触給電装置における給電効率の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による非接触給電装置及び方法について詳細に説明する。尚、以下では、給電対象がバッテリを搭載したプラグイン・ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両であるものとし、非接触給電装置がバッテリの充電のための電力を車両に対して非接触で給電するものであるとする。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による非接触給電装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、非接触給電装置１は、電源装置１１、抵抗装置１２、給電コイル１３、電力計１４、及び制御装置１５を備えており、バッテリ２４を搭載した車両Ｍに対して非接触で給電を行う。具体的に、非接触給電装置１は、例えば交差点における停車位置、踏切における停車位置、駐車場の駐車位置等に設置され、これらの駐停車位置に駐停車した車両Ｍに対して非接触で給電を行う。
【００１７】
電源装置１１は、車両Ｍに給電する電力を供給する。具体的に、電源装置１１から供給される電力は、例えば車両Ｍに搭載されるバッテリ２４を充電し得る数［Ｗ］〜数百［ｋＷ］程度の交流電力である。尚、電源装置１１から供給される交流電力の周波数は、例えば数［Ｈｚ］〜数百「ｋＨｚ」程度のバッテリ２４の充電に適した周波数である。
【００１８】
抵抗装置１２は、電源装置１１と給電コイル１３との間に設けられ、制御装置１５の制御によって抵抗値が切り替え可能な装置である。この抵抗装置１２は、非接触給電装置１に設けられる給電コイル１３と車両Ｍに設けられる受電コイル２１によって形成される電磁気結合回路のインピーダンス整合をとって、非接触給電装置１から車両Ｍへの給電効率を高めるために設けられる。
【００１９】
上記の電磁気結合回路とは、給電コイル１３と受電コイル２１とが電磁気的に結合して給電コイル１２から受電コイル２１への給電が行われる回路を意味し、「電磁誘導方式」で給電を行う回路と、「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路との何れの回路であっても良い。また、ここにいう「インピーダンス整合」とは、非接触給電装置１側のインピーダンスと車両Ｍ側のインピーダンスとを厳密に合わせるという意味ではなく、多少のインピーダンス不整合はあるものの非接触給電装置１から車両Ｍに供給される電力の給電効率が最大となるように抵抗装置１２の抵抗値を調整することを意味する。尚、抵抗装置１２は、例えばポテンショメータ等の半固定抵抗器、或いは、抵抗値が異なる複数の抵抗素子を切り替え可能に構成された回路を備えており、これらが制御装置１５によって制御されることにより抵抗値が切り替え可能になっている。
【００２０】
給電コイル１３は、電源装置１１から抵抗装置１２を介して供給される電力（交流電力）を非接触で車両Ｍに給電するためのコイルである。ここで、給電コイル１３と受電コイル２１とによって形成される電磁気結合回路が「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路である場合には、給電コイル１３は、車両Ｍに設けられた受電コイル２１と共鳴可能なコイルである。このため、車両Ｍが非接触給電装置１に近接すると、非接触給電装置１に設けられた給電コイル１３と車両Ｍに設けられた受電コイル２１との間において電磁界の共鳴が生じ、電源装置１１からの交流電力が非接触で車両Ｍに供給される。
【００２１】
電力計１４は、非接触給電装置１に設けられる給電コイル１３と車両Ｍに設けられる受電コイル２１によって形成される電磁気結合回路に入力される電力を計測する。制御装置１５は、給電コイル１３から車両Ｍに設けられる受電コイル２１への給電効率が最大となるように抵抗装置１２の抵抗値を制御する。この制御装置１５は、電力計１４の計測結果と車両Ｍに設けられる電力計２２の計測結果とに基づいて給電コイル１３から受電コイル２１への給電効率を求める。
【００２２】
尚、給電コイル１３から受電コイル２１への給電効率は、これらコイルによって形成される電磁気結合回路に入力される電力と出力される電力とを計測すれば正確に求めることができる。しかしながら、電磁気結合回路から出力される電力を計測する電力計（電力計２２）を車両Ｍに設ける必要があり、しかも、その電力計の計測結果を非接触給電装置１の制御装置１５に伝える通信手段も必要になる。このため、非接触給電装置１に設けられる電力計１４の計測結果のみを用いておおよその給電効率を求めるようにしても良い。
【００２３】
具体的に、制御装置１５は、給電効率が上昇する方向に抵抗装置１２の抵抗値を変化させていき、給電効率が低下する直前の抵抗値を、給電効率が最大となる抵抗値に決定する制御を行う。例えば、抵抗値を高い値に設定したときに給電効率が高くなるのであれば、抵抗装置１２の抵抗値を徐々に高くしていき、抵抗値を高くすることによって給電効率が低下し始めたときに、抵抗装置１２の抵抗値を直前の抵抗値に設定する。
【００２４】
次に、非接触給電装置１によって非接触での給電が行われる車両Ｍについて簡単に説明する。車両Ｍは、プラグイン・ハイブリッド自動車や電気自動車等であり、受電コイル２１、電力計２２、充電回路２３、及びバッテリ２４を備える。受電コイル２１は、非接触給電装置１に設けられる給電コイル１３と電磁気結合回路を形成するコイルである。給電コイル１３と受電コイル２１とによって形成される電磁気結合回路が「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路である場合には、受電コイル２１は、給電コイル１３と共鳴可能である。
【００２５】
電力計２２は、給電コイル１３と受電コイル２１とによって形成される電磁気結合回路から出力される電力を計測する。尚、この電力計２２は省略可能である。充電回路２３は、非接触給電装置１の給電コイル１３から受電コイル２１に非接触で給電された電力を用いてバッテリ２４の充電を行う回路である。バッテリ２４は、車両Ｍに搭載されたリチウムイオン二次電池等の二次電池である。
【００２６】
次に、上記構成における非接触給電装置１の動作について説明する。図２は、本発明の一実施形態による非接触給電方法を示すフローチャートである。尚、図２に示すフローチャートの処理は、車両Ｍが非接触給電装置１の設置位置（例えば、交差点における停車位置、踏切における停車位置、駐車場の駐車位置等）に駐停車し、非接触給電装置１から車両１に対する給電が行われた場合に開始される。
【００２７】
処理が開始されると、まず制御装置１５によって抵抗装置１２が制御され、抵抗装置１２の抵抗値が高い値（例えば、１［Ω］だけ高い値）に設定される（ステップＳ１１）。次に、非接触給電装置１に設けられた電力計１４と車両Ｍに設けられた電力計２２の計測結果とに基づいて、抵抗値を高い値にしたことによる給電効率の変化が制御装置１５によって確認される（ステップＳ１２）。給電効率が確認されると、給電効率が向上したか否かが制御装置１５によって判断される（ステップＳ１３）。
【００２８】
給電効率が向上したと判断された場合（ステップＳ１３の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２が制御され、抵抗装置１２の抵抗値が高い値（例えば、１［Ω］だけ高い値）に設定される（ステップＳ１４）。この設定が行われると、給電効率の変化が制御装置１５によって再び確認されて、給電効率が低下したか否かが制御装置１５によって判断される（ステップＳ１５）。
【００２９】
給電効率が低下していないと判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２の抵抗値を高い値（例えば、１［Ω］だけ高い値）に設定する処理が行われる（ステップＳ１４）。つまり、給電効率が低下するまで、抵抗装置１２の抵抗値を徐々に高い値に設定する処理が行われる。これに対し、給電効率が低下したと判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２が制御され、抵抗装置１２の抵抗値を給電効率が低下する直前の抵抗値に設定する制御が行われる（ステップＳ１６）。
【００３０】
他方、給電効率が低下したと判断された場合（ステップＳ１３の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２が制御され、抵抗装置１２の抵抗値が低い値（例えば、１［Ω］だけ低い値）に設定される（ステップＳ１７）。この設定が行われると、給電効率の変化が制御装置１５によって再び確認されて、給電効率が低下したか否かが制御装置１５によって判断される（ステップＳ１８）。
【００３１】
給電効率が低下していないと判断された場合（ステップＳ１８の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２の抵抗値を低い値（例えば、１［Ω］だけ低い値）に設定する処理が行われる（ステップＳ１７）。つまり、給電効率が低下するまで、抵抗装置１２の抵抗値を徐々に低い値に設定する処理が行われる。これに対し、給電効率が低下したと判断された場合（ステップＳ１８の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、制御装置１５によって抵抗装置１２が制御され、抵抗装置１２の抵抗値を給電効率が低下する直前の抵抗値に設定する制御が行われる（ステップＳ１６）。
【００３２】
図３は、本発明の一実施形態による非接触給電装置における給電効率の変化を示す図である。尚、図３に示すグラフは、横軸に抵抗装置１２の抵抗値をとり、縦軸に給電効率ηをとっている。図３に示す通り、車両Ｍに対する給電が開始された時点における抵抗装置１２の抵抗値が図中のＲ１１である場合には、図２に示すステップＳ１１〜Ｓ１６の処理が行われ、これにより抵抗装置１２の抵抗値は給電効率ηが最大（ＭＡＸ）となる抵抗値Ｒ０に設定される。
【００３３】
これに対し、車両Ｍに対する給電が開始された時点における抵抗装置１２の抵抗値が図中のＲ１２である場合には、図２に示すステップＳ１１〜Ｓ１３，Ｓ１７，Ｓ１８の処理が行われ、これにより抵抗装置１２の抵抗値は給電効率ηが最大（ＭＡＸ）となる抵抗値Ｒ０に設定される。つまり、本実施形態では、車両Ｍに対する給電が開始された時点における抵抗装置１２の抵抗値に拘わらず、給電効率ηが最大になるように、抵抗装置１２の抵抗値が制御される。
【００３４】
以上の通り、本実施形態では、車両Ｍに設けられる受電コイル２１とともに電磁気結合回路を形成する給電コイル１３に接続された抵抗装置１２を設け、給電コイルから受電コイルへの給電効率が最大となるように制御装置１５が抵抗装置１２の抵抗値を制御している。このため、従来のように非接触給電装置１側のインピーダンスと車両Ｍ側のインピーダンスとを厳密に合わせるインピーダンス整合を行う場合に比べて、給電効率を向上させ得るインピーダンス整合を小規模且つ短時間で実現することができる。これにより、駐停車した車両Ｍに対する給電時間を長くすることができ、車両Ｍに対する給電を効率良く行うことができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態による非接触給電装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、抵抗装置１２の抵抗値を１［Ω］ずつ高く変化させ又は１［Ω］ずつ低く変化させる例について説明したが、抵抗値を変化させる量は任意に設定することができる。また、上記実施形態では、給電対象がバッテリを搭載したプラグイン・ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両である場合を例に挙げて説明したが、本発明は給電対象が産業用途の機器（例えば、制御用機器やモータ等）である場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１      非接触給電装置
１２    抵抗装置
１３    給電コイル
１５    制御装置
２１    受電コイル
Ｍ      車両
【図１】
2013110784.tif 000003
【図２】
2013110784.tif 000004
【図３】
2013110784.tif 000005