(57)【要約】【課題】位置ずれにより生じる力率の低下を改善した給電システムを提供する。【解決手段】給電制御部２４が、測定器２３により検出された交流電流、交流電圧から高周波電源４０の力率を検出して、受電装置３０に対して送信する。受電装置３０の受電制御部３３が、給電装置２０側で検出された力率に応じて受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を調整して受電装置３０のリアクタンスを調整している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触で電力を受電する受電コイル及び受電コイルに接続された受電コンデンサを有する受電部と、交流電源から供給された交流電力を前記受電コイルに非接触で給電する給電コイル及び前記給電コイルに接続された給電コンデンサを有する給電部と、を備え、
前記交流電源の力率を検出する力率検出手段と、
前記力率検出手段により検出された力率に応じて前記給電部又は前記受電部のリアクタンスを調整する調整手段と、を備えた
ことを特徴とする給電システム。
【請求項２】
前記受電コンデンサ又は前記給電コンデンサは、可変コンデンサから構成され、
前記調整手段が、前記可変コンデンサの静電容量を調整することにより前記リアクタンスを調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
【請求項３】
前記可変コンデンサは、複数のコンデンサと、当該コンデンサ間に設けられたスイッチ素子と、から構成され、前記スイッチ素子のオンオフ状態により静電容量が変化する
ことを特徴とする請求項２に記載の給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電システムに係り、特に、非接触給電を行う給電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が着目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして磁界共鳴方式のものが知られている。
【０００３】
この磁界共鳴方式の給電システムは、コイル及びコンデンサから構成された一対の共振回路から構成されている。この一対の共振回路の一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、互いのコイルが正対位置にあるときに共振して、給電設備の地面に設置された共振回路（給電共振回路）から車両に搭載された共振回路（受電共振回路）に非接触で電力を供給している。
【０００４】
上述した給電システムにおいては、給電共振回路、受電共振回路は、互いのコイルが正対位置にあるときに共振するように、コイルやコンデンサの値が調整されている。しかしながら、自動車を正対位置にぴったり停車させることは難しく位置ずれが生じることが多い。この位置ずれが生じると、給電共振回路と受電共振回路とのインピーダンスの整合が取れずに、給電共振回路−受信共振回路間の伝送効率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、受電共振回路のコイルでの反射量から上記伝送効率を求めて、共振回路のコイルやコンデンサの値を調整し、位置ずれに起因する伝送効率の低下を防ぐことが考えられている（特許文献１、２）。
【０００６】
ところで、位置ずれが生じると給電共振回路−受電共振回路間の伝送効率だけが低下するのではなく、給電共振回路に交流電力を供給する電源から見たリアクタンス成分が変化して力率が低下してしまう。図５は、受電共振回路のリアクタンスと給電共振回路に交流電力を供給する電源の力率との関係を示すグラフである。図中、実線は位置ずれが生じていないときの受電共振回路のリアクタンスと電源の力率との関係を示し、点線は位置ずれが生じているときの受電共振回路のリアクタンスと電源の力率との関係を示す。
【０００７】
同図に示すように、位置ずれが生じていないときには受電共振回路のリアクタンス０付近では、電源側から見たリアクタンス成分も０となるため力率が１００％となる。これに対して、位置ずれが生じると受電共振回路のリアクタンス０付近であっても電源側から見たリアクタンス成分が増加して力率が８５％に落ちてしまう。給電共振回路から伝送される有効電力を一定に保つためには、力率が低下するに従って電源側の電流量を増やさなければならない。
【０００８】
例えば、表１に示すように、位置ずれによって力率ＰＦｉｎが０．９９０から０．８９、０．４８８に低下した場合について考えてみる。力率ＰＦｉｎが０．９９０のときは、電圧実効値Ｖｒｍｓ＝２７１．１Ｖ、電流実効値Ｉｒｍｓ＝１１．２Ａ、皮相電力３０２９Ｗを電源から供給すれば、３Ｋｗを伝送することができる。これに対して、力率ＰＦｉｎが０．８９に低下すると、３Ｋｗを伝送するには、電圧実効値Ｖｒｍｓ＝１７１．１Ｖ、電流実効値Ｉｒｍｓ＝１９．８Ａ、皮相電力３３８６Ｗを電源から供給する必要がある。また、力率ＰＦｉｎが０．４８８まで低下すると、３Ｋｗを伝送するには、電圧実効値Ｖｒｍｓ＝１６６．３Ｖ、電流実効値Ｉｒｍｓ＝３７．０Ａ、皮相電力６１５３Ｗを電源から供給する必要がある。このように電源の電流が増加すると、電源部品での発熱が増え、冷却装置が必要になる。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
しかしながら、図５及び図６を比較しても明らかなように、伝送効率は力率に比べてリアクタンスの変動に応じて変化量が少ない。詳しく説明すると、図６に示すように、位置ずれが生じたとき伝送効率は、リアクタンスが−４〜０の広い範囲において伝送効率が９０％より少し高い値でほとんど変動しない。このため、従来の給電システムのように伝送効率に基づいてコンデンサやコイルの値が調整されると、リアクタンスが−４でも０でも伝送効率としては変わらないため、リアクタンスが０に調整されてしまう恐れがある。しかしながら、リアクタンスが０の範囲に調整されると、力率は８０％に低下してしまう。即ち、従来の給電システムでは伝送効率は改善できるものの力率の低下までは改善できない、という問題が生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−１３５１０８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は、位置ずれにより生じる力率の低下を改善した給電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１記載の発明は、非接触で電力を受電する受電コイル及び受電コイルに接続された受電コンデンサを有する受電部と、交流電源から供給された交流電力を前記受電コイルに非接触で給電する給電コイル及び前記給電コイルに接続された給電コンデンサを有する給電部と、を備え、前記交流電源の力率を検出する力率検出手段と、前記力率検出手段により検出された力率に応じて前記給電部又は前記受電部のリアクタンスを調整する調整手段と、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、前記受電コンデンサ又は前記給電コンデンサは、可変コンデンサから構成され、前記調整手段が、前記可変コンデンサの静電容量を調整することにより前記リアクタンスを調整することを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記可変コンデンサは、複数のコンデンサと、当該コンデンサ間に設けられたスイッチ素子と、から構成され、前記スイッチ素子のオンオフ状態により静電容量が変化することを特徴とする請求項２に記載の給電システムに存する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、位置ずれにより生じる力率の低下を改善することができる。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、簡単にリアクタンスを調整することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、静電容量の可変範囲を自由に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１の給電システムが備える給電装置及び受電装置の配置を説明する図である。
【図３】図１に示す受電コンデンサの詳細を示す回路図である。
【図４】図１に示す制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】受電共振回路のリアクタンスと給電共振回路に交流電力を供給する電源の力率との関係を示すグラフである。
【図６】受電共振回路のリアクタンスと給電共振回路−受電共振回路間の伝送効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態の給電システムについて、図１及び図２を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。図２は、図１の給電システムが備える給電装置及び受電装置の配置を説明する図である。本実施形態の給電システムは、磁界共鳴式を用いて非接触で地面側から車両に電力を供給する。
【００２２】
図１に示すように、給電システム１は、地面Ｇ（図２に示す）に配置される給電部としての給電装置２０と、車両Ｖ（図２に示す）に配置される受電部としての受電装置３０と、を備えている。この車両Ｖは、図２に示すように、エンジン及びモータを有するドライブユニットＤＲＶと、モータに電力を給電する動力用バッテリＢＡＴＴと、を備えている。
【００２３】
上記給電装置２０は、図１に示すように、高周波電源４０から交流電力を後述する受電装置３０に対して非接触で給電する装置である。この高周波電源４０は、例えば、商用電源から高周波電力を生成して、給電装置２０に供給している。給電装置２０は、給電ユニット２１と、整合器２２と、測定器２３と、給電制御部２４と、給電通信部２５と、を備えている。
【００２４】
給電ユニット２１は、図２に示すように、地面Ｇ上に設置されている。給電ユニット２１は、地面Ｇに埋設されていてもよい。また、給電ユニット２１は、図１に示すように、給電コイル２１Ａと、給電コンデンサ２１Ｂと、を有している。
【００２５】
上記給電コイル２１Ａと給電コンデンサ２１Ｂは、互いに直列接続されて所定の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、給電コイル２１Ａと給電コンデンサ２１Ｂとは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
【００２６】
整合器２２は、高周波電源４０と給電コイル２１Ａ及び給電コンデンサ２１Ｂからなる共振回路との間のインピーダンスを整合させるための回路である。
【００２７】
測定器２３は、高周波電源４０の力率を検出するためのものであり、高周波電源４０から供給される交流電流及び交流電圧を測定して、後述する給電制御部２４に対して供給する。
【００２８】
給電制御部２４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する周知のマイクロコンピュータなどで構成され、給電装置２０全体の制御を司る。給電制御部２４は、電力伝送の要求に応じて、高周波電源４０のオンオフ制御を行う。また、給電制御部２４は、測定器２３により測定された交流電流と交流電圧の位相差を求め、求めた位相差を高周波電源４０の力率として検出する。このことから明らかなように、測定器２３及び給電制御部２４が力率検出手段を構成している。
【００２９】
給電通信部２５は、後述する受電装置３０と無線通信を行うためのものであり、給電制御部２４により制御される。給電制御部２４は、この給電通信部２５を制御して、受電装置３０に対して上記検出した力率を送信する。
【００３０】
受電装置３０は、受電ユニット３１と、整流器３２と、受電制御部３３と、受電通信部３４と、を備えている。受電ユニット３１は、図２に示すように、車両Ｖの下面に取り付けられている。受電ユニット３１は、図１に示すように、受電コイル３１Ａと、受電コンデンサ３１Ｂと、を有している。
【００３１】
受電コイル３１Ａと受電コンデンサ３１Ｂとは、互いに直列接続され、給電ユニット２１と同一の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、受電コイル３１Ａと受電コンデンサ３１Ｂとは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
【００３２】
上記受電コンデンサ３１Ｂは、静電容量が可変な可変コンデンサから構成されている。本実施形態では、受電コンデンサ３１Ｂは、図３に示すように、複数のコンデンサＣ１１〜Ｃ１６、Ｃ２１〜Ｃ２６と、コンデンサＣ１４〜Ｃ１６、Ｃ２４〜Ｃ２６間に設けられたスイッチ素子としてのスイッチＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２と、から構成されている。受電コンデンサ３１Ｂは、このスイッチＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２のオンオフ状態により受電ユニット３１に接続されるコンデンサ数が切り替わって、静電容量が変化する。
【００３３】
詳しく説明すると、コンデンサＣ１１〜Ｃ１６は互いに直列接続されている。コンデンサＣ２１〜Ｃ２６は互いに直列接続されている。コンデンサＣ１１〜Ｃ１６と、コンデンサＣ２１〜Ｃ２６とは並列接続されている。スイッチＳＡ１及びスイッチＳＡ２は、コンデンサＣ１５及びＣ１６の接続点と、コンデンサＣ２５及びＣ２６の接続点と、の間に設けられている。スイッチＳＢ１及びＳＢ２は、コンデンサＣ１４及びＣ１５の接続点と、コンデンサＣ２４及びＣ２５の接続点と、の間に設けられている。スイッチＳＹ１は、コンデンサＣ１６及びＣ２６の接続点と、スイッチＳＡ１、ＳＡ２の接続点と、の間に設けられている。スイッチＳＹ２は、スイッチＳＡ１、ＳＡ２の接続点と、スイッチＳＢ１、ＳＢ２の接続点と、の間に設けられている。
【００３４】
以上の構成によれば、スイッチＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２をオンすると、コンデンサ数が最小となり受電コンデンサ３１Ｂの静電容量は最大となる。また、スイッチＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２を全てオフすると、コンデンサ数が最大となり受電コンデンサ３１Ｂの静電容量が最小となる。
【００３５】
整流器３２は、受電ユニット３１が受電した高周波電力を直流電力に変換する。この整流器３２には、例えば、車両Ｖに搭載される動力用バッテリＢＡＴＴの充電に用いられる充電ユニットなどの負荷Ｌが接続される。
【００３６】
受電制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する周知のマイクロコンピュータなどで構成され、受電装置３０全体の制御を司る。受電制御部３３は、調整手段として働き、給電装置２０から送信される力率に応じて受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を調整する。
【００３７】
受電通信部３４は、給電装置２０の給電通信部２５と無線通信を行うためのものであり、受電制御部３３により制御される。受電制御部３３は、この受電通信部３４を制御して、給電装置２０に電力伝送の要求を送信すると共に、給電装置２０から送信される力率を受信する。
【００３８】
上述した給電システム１は、給電設備において、駐車した車両Ｖの動力用バッテリＢＡＴＴの充電操作が行われると、受電制御部３３は受電通信部３４を制御して、給電装置２０に電力伝送要求を送信する。給電装置２０の給電制御部２４は、電力伝送要求を受信すると高周波電源４０をオンして高周波電力を生成する。そして、この高周波電力が給電装置２０に供給されると、給電ユニット２１と受電ユニット３１とが磁界共鳴して、給電ユニット２１から受電ユニット３１へ非接触で電力が伝送される。受電ユニット３１で受電された高周波電力は、整流器３２で直流電力に変換されて、車両Ｖの充電ユニットに供給され、この充電ユニットにより動力用バッテリＢＡＴＴが充電される。
【００３９】
給電システム１においては、上述した高周波電力の伝送時に力率を改善するために、給電制御部２４は、測定器２３により測定された交流電流及び交流電圧から逐次、力率を検出し、検出した力率を受電装置３０に送信する。また、受電制御部３３は、図３に示す力率改善処理を行う。
【００４０】
以下、受電制御部３３が行う力率改善処理について説明する。まず、受電制御部３３は、給電装置２０からの力率を受信して監視する（ステップＳ１）。次に、受電制御部３３は、力率が基準値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。給電コイル２１Ａ及び受電コイル３１Ａに位置ずれがなければ力率は基準値以上となるため、受電制御部３３はステップＳ２でＹと判定し、再びステップＳ１に戻る。
【００４１】
これに対して、給電コイル２１Ａ及び受電コイル３１Ａに位置ずれが生じていると、高周波電源４０から見た負荷L側のリアクタンスＸが増加し、力率が低下する。ところで、リアクタンスＸは、下記の式（１）に示すように、高周波電源４０から見た負荷Ｌ側の誘導性リアクタンスＸＬ（以下「ＸＬ」と略記）と容量性リアクタンスＸＣ（以下「ＸＣ」と略記）との差である。
Ｘ＝ＸＬ−ＸＣ  …（１）
【００４２】
ＸＬは高周波電源４０よりも負荷Ｌ側のインダクタンス成分に依存する値であり、ＸＣは高周波電源４０よりも負荷Ｌ側のキャパシタンス（静電容量）成分に依存する値である。ここで、力率が低下して、リアクタンスＸが増加するということは、ＸＬとＸＣとが等しくなくなり、何れかが大きくなっている。
【００４３】
そこで、力率が基準値よりも下回っている場合（ステップＳ２でＮ）、まず受電制御部３３は受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を一定量増加させ（ステップＳ３）、力率が増加したか否かを判定する（ステップＳ４）。位置ずれによりＸＣ＜ＸＬである場合、ステップＳ３によりＸＣが増加してリアクタンスＸが小さくなり力率が増加する。この場合、受電制御部３３により力率が増加したと判定され（ステップＳ４でＹ）、力率が基準値以上になるまで（ステップＳ５でＹ）、受電コンデンサ３１Ｂの静電容量の増加（ステップＳ３）が繰り返される。
【００４４】
これに対して、位置ずれによりＸＣ＞ＸＬである場合、ステップＳ３によりＸＣが増加してリアクタンスＸがさらに大きくなり力率が低下する。この場合、受電制御部３３は、力率が減少したと判定し（ステップＳ４でＮ）、次に、受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を一定量減少させる（ステップＳ６）。これによりＸＣが減少してリアクタンスＸが小さくなり力率が増加する。受電制御部３３は、力率が基準値以上になるまで（ステップＳ７でＹ）、受電コンデンサ３１Ｂの静電容量の減少（ステップＳ６）を繰り返す。
【００４５】
上述した実施形態によれば、給電制御部２４が、測定器２３により検出された交流電源、交流電圧から高周波電源４０の力率を検出して、受電装置３０に対して送信する。受電装置３０の受電制御部３３が、給電装置２０側で検出された力率に応じて受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を調整して受電装置３０のリアクタンスを調整している。これにより、位置ずれにより生じる力率の低下を改善することができる。
【００４６】
また、上述した実施形態によれば、受電コンデンサ３１Ｂの静電容量を調整することによりリアクタンスを調整しているので、簡単にリアクタンスを調整することができる。
【００４７】
また、上述した実施形態によれば、受電コンデンサ３１Ｂを複数のコンデンサＣ１１〜Ｃ１６、Ｃ２１〜Ｃ２６と、スイッチＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２と、から構成し、スイッチＳＡ１、ＳＡ２、ＳＢ１、ＳＢ２、ＳＹ１、ＳＹ２のオンオフ状態により静電容量を変化させていた。例えば、受電コンデンサ３１Ｂとして静電容量が可変なバリコンを用いることも考えられるが、バリコンでは調整できる範囲が限られている。これに対して、本実施形態の受電コンデンサ３１Ｂの構成によれば、静電容量の可変範囲を自由に設定することができる。
【００４８】
なお、上述した実施形態では、受電コンデンサ３１Ｂを可変にすることによりリアクタンスを調整していたが、これに限ったものではない。本発明は、高周波電源４０から見た負荷Ｌ側のリアクタンスが調整できればよく、例えば、給電装置２０の給電コイル２１Ａや給電コンデンサ２１Ｂが可変に設けられ、給電装置２０のリアクタンスを調整できるようにしてもよい。また、受電装置３０の受電コイル３１Ａを可変に設けて、受電装置３０のリアクタンスを調整できるようにしてもよい。
【００４９】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  給電システム
２０  給電装置（給電部）
２１Ａ  給電コイル
２１Ｂ  給電コンデンサ
２３  測定器（力率検出手段）
２４  給電制御部（力率検出手段）
３０  受電装置（受電部）
３１Ａ  受電コイル
３１Ｂ  受電コンデンサ（可変コンデンサ）
３３  受電制御部（調整手段）
４０  高周波電源（交流電源）
Ｃ１１〜Ｃ１６  コンデンサ
Ｃ２１〜Ｃ２６  コンデンサ
ＳＡ１、ＳＡ２  スイッチ（スイッチ素子）
ＳＢ１、ＳＢ２  スイッチ（スイッチ素子）
ＳＹ１、ＳＹ２  スイッチ（スイッチ素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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