JP2011166994A

JP2011166994A - 給電装置および車両給電システム

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Publication number: JP2011166994A
Application number: JP2010028819A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yamamoto; 幸宏山本; Takeshi Furuike; 剛古池
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: WO2011098888A2; US20120306265A1; EP2533998A2; JP5211088B2; CN102762407A; WO2011098888A3; CN102762407B

Abstract

【課題】簡便な調整で効率のよい給電を実現可能な給電装置および車両給電システムを提供する。
【解決手段】可変コンデンサ１５０，２２０は、それぞれ共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数を調整する。インピーダンス整合装置１５２は、共鳴系の入力インピーダンスを調整する。ＥＣＵ１９０は、ネットワークアナライザ１６０によるＳパラメータの測定結果に基づいて、可変コンデンサ１５０，２２０を制御することによって共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数を電源周波数に調整し、共振周波数の調整後、インピーダンス整合装置１５２を制御することによって共鳴系の入力インピーダンスを共鳴系より高周波電源装置１１０側のインピーダンスに整合させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、送電用コイルと受電装置の受電用コイルとが電磁場を介して共鳴することにより受電装置へ非接触で給電する給電装置および車両給電システムに関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両が大きく注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える再充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド自動車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した自動車や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した自動車等である。

ハイブリッド自動車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド自動車」が知られている。

一方、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電が近年注目されている。このワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、マイクロ波を用いた送電、および共鳴法による送電の３つの技術が知られている。

このうち、共鳴法は、一対の共鳴器（たとえば一対の共鳴コイル）を電磁場（近接場）において共鳴させ、電磁場を介して送電する非接触の送電技術であり、数ｋＷの大電力を比較的長距離（たとえば数ｍ）送電することも可能である。

この共鳴法を用いて車両外部の給電装置から電動車両へワイヤレスで給電する車両給電システムとして、たとえば、特開２００９−１０６１３６号公報に開示されたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−１０６１３６号公報

給電装置の送電用コイルと受電側（車両）の受電用コイルとの位置関係が変化すると、送電用コイルから受電用コイルへの電力伝送効率が変化し、給電装置から受電装置への給電効率が変化する。そこで、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変化しても効率のよい給電を実現することが課題である。また、効率のよい給電を実現するための調整手法もできるだけ簡便であることが望ましい。

それゆえに、この発明の目的は、簡便な調整で効率のよい給電を実現可能な給電装置および車両給電システムを提供することである。

この発明によれば、給電装置は、受電用コイルを含む受電装置へ非接触で給電する給電装置であって、電源装置と、送電用コイルと、第１および第２の調整装置と、検出装置と、制御装置とを備える。電源装置は、所定の周波数を有する電力を発生する。送電用コイルは、電源装置により発生された電力を受け、受電用コイルと電磁場を介して共鳴することにより受電用コイルへ非接触で送電する。第１の調整装置は、送電用コイルの共振周波数を調整する。第２の調整装置は、送電用コイルおよび受電用コイルによって構成される共鳴系の入力インピーダンスを調整する。検出装置は、共鳴系の通過特性および反射特性の少なくとも一方を検出する。制御装置は、検出装置の検出結果に基づいて、第１の調整装置を制御することによって共振周波数を上記所定の周波数に調整し、第２の調整装置を制御することによって共鳴系より電源装置側のインピーダンスに共鳴系の入力インピーダンスを整合させる。

好ましくは、制御装置は、第１の調整装置を制御することによって共振周波数を上記所定の周波数にまず調整し、共振周波数の調整後、第２の調整装置を制御することによってインピーダンス整合を実施する。

また、好ましくは、制御装置は、送電用コイルと受電用コイルとの間のコイル間距離が所定の基準値よりも小さいか否かを判定し、コイル間距離が基準値よりも小さいと判定されると、第１の調整装置を制御することによって共振周波数を調整し、コイル間距離が基準値以上であると判定されると、第２の調整装置を制御することによって共鳴系の入力インピーダンスを調整する。

好ましくは、第１の調整装置は、送電用コイルに設けられる可変コンデンサを含む。
好ましくは、第２の調整装置は、送電用コイルと電源装置との間に設けられるＬＣ回路を含む。ＬＣ回路は、可変コンデンサおよび可変コイルの少なくとも一方を含む。

好ましくは、送電用コイルは、共鳴コイルと、電源装置に接続され、電源装置から受ける電力を電磁誘導によって共鳴コイルへ供給する電磁誘導コイルとを含む。第２の調整装置は、共鳴コイルと電磁誘導コイルとの間の距離を変更することによって共鳴系の入力インピーダンスを調整する。

また、この発明によれば、車両給電システムは、給電装置と、給電装置から給電を受ける車両とを備える。給電装置は、電源装置と、送電用コイルと、第１の調整装置とを含む。電源装置は、所定の周波数を有する電力を発生する。送電用コイルは、電源装置により発生された電力を受け、車両へ非接触で送電するための電磁場を発生する。第１の調整装置は、送電用コイルの共振周波数を調整する。車両は、受電用コイルと、第２の調整装置とを含む。受電用コイルは、給電装置の送電用コイルと電磁場を介して共鳴することにより送電用コイルから非接触で受電する。第２の調整装置は、受電用コイルの共振周波数を調整する。給電装置は、さらに、第３の調整装置と、検出装置と、制御装置と含む。第３の調整装置は、送電用コイルおよび受電用コイルによって構成される共鳴系の入力インピーダンスを調整する。検出装置は、共鳴系の通過特性および反射特性の少なくとも一方を検出する。制御装置は、検出装置の検出結果に基づいて、第１および第２の調整装置を制御することによって送電用コイルおよび受電用コイルの共振周波数を上記所定の周波数に調整し、第３の調整装置を制御することによって共鳴系より電源装置側のインピーダンスに共鳴系の入力インピーダンスを整合させる。

好ましくは、制御装置は、第１および第２の調整装置を制御することによって共振周波数を上記所定の周波数にまず調整し、共振周波数の調整後、第３の調整装置を制御することによってインピーダンス整合を実施する。

また、好ましくは、制御装置は、送電用コイルと受電用コイルとの間のコイル間距離が所定の基準値よりも小さいか否かを判定し、コイル間距離が基準値よりも小さいと判定されると、第１および第２の調整装置を制御することによって共振周波数を調整し、コイル間距離が基準値以上であると判定されると、第３の調整装置を制御することによって共鳴系の入力インピーダンスを調整する。

この発明においては、検出装置の検出結果に基づいて、第１の調整装置を制御することによってコイルの共振周波数が上記所定の周波数に調整され、第２の調整装置を制御することによって共鳴系より電源装置側のインピーダンスに共鳴系の入力インピーダンスを整合させるので、共振周波数の調整とインピーダンスマッチングとを切り分けて調整することができる。したがって、この発明によれば、簡便な調整で効率のよい給電を実現することができる。

この発明の実施の形態１による車両給電システムの全体構成を示す機能ブロック図である。共鳴法による送電に関する部分の等価回路図である。図１に示すインピーダンス整合装置の回路構成の一例を示した図である。共鳴系の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示した第１の図である。共鳴系の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示した第２の図である。共鳴系の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示した第３の図である。図１に示す可変コンデンサの容量を変化させたときの通過特性（Ｓ２１）の変化を示した図である。図１に示す可変コンデンサの容量を変化させたときの反射特性（Ｓ１１）の変化を示した図である。図１に示すインピーダンス整合装置によりインピーダンスマッチングを実施したときの通過特性（Ｓ２１）の変化を示した図である。共鳴コイルの共振周波数の調整および共鳴系のインピーダンスマッチングに関するＥＣＵの処理手順を説明するためのフローチャートである。実施の形態２における、共鳴コイルの共振周波数の調整および共鳴系のインピーダンスマッチングに関するＥＣＵの処理手順を説明するためのフローチャートである。インピーダンスマッチングを行なう他の手法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による車両給電システムの全体構成を示す機能ブロック図である。図１を参照して、この車両給電システムは、給電装置１００と、車両２００とを備える。

給電装置１００は、高周波電源装置１１０と、同軸ケーブル１２０と、電磁誘導コイル１３０と、共鳴コイル１４０とを含む。また、給電装置１００は、可変コンデンサ１５０と、インピーダンス整合装置１５２と、ネットワークアナライザ１６０と、リレー１６２とをさらに含む。さらに、給電装置１００は、通信アンテナ１７０と、通信装置１８０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１９０とをさらに含む。

高周波電源装置１１０は、たとえば系統電源に接続された電源プラグ３５０から受ける系統電力を所定の高周波電力に変換し、その高周波電力を同軸ケーブル１２０へ出力する。なお、高周波電源装置１１０によって生成される高周波電力の周波数は、たとえば１Ｍ〜１０数ＭＨｚの範囲の所定値に設定される。

電磁誘導コイル１３０は、共鳴コイル１４０と所定の間隔をおいて共鳴コイル１４０と略同軸上に配設される。電磁誘導コイル１３０は、電磁誘導により共鳴コイル１４０と磁気的に結合可能であり、高周波電源装置１１０から同軸ケーブル１２０を介して供給される高周波電力を電磁誘導により共鳴コイル１４０へ供給する。

電磁誘導コイル１３０の入力側には、インピーダンス整合装置１５２が設けられる。インピーダンス整合装置１５２は、電磁誘導コイル１３０および共鳴コイル１４０ならびに車両２００に搭載される共鳴コイル２１０および電磁誘導コイル２３０（後述）によって構成される共鳴系の入力インピーダンスをこの共鳴系より高周波電源装置１１０側のインピーダンスに整合させるための装置である。インピーダンス整合装置１５２は、ＥＣＵ１９０から受ける指令に従って共鳴系の入力インピーダンスを調整することができる。

共鳴コイル１４０は、電磁誘導コイル１３０から電磁誘導により電力の供給を受ける。そして、共鳴コイル１４０は、車両２００に搭載された受電用の共鳴コイル２１０と電磁場を介して共鳴することにより車両２００へ非接触で送電する。なお、共鳴コイル１４０は、車両２００の共鳴コイル２１０との距離や共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値（たとえば、Ｑ＞１００）および結合度κ等が大きくなるようにコイル径や巻数が適宜設定される。

共鳴コイル１４０には、可変コンデンサ１５０が設けられ、たとえば共鳴コイル１４０の両端部間に可変コンデンサ１５０が接続される。可変コンデンサ１５０は、ＥＣＵ１９０から受ける指令に従ってその容量が変化し、その容量変化によって共鳴コイル１４０の共振周波数を調整することができる。

ネットワークアナライザ１６０は、電磁誘導コイル１３０および共鳴コイル１４０ならびに車両２００の共鳴コイル２１０および電磁誘導コイル２３０によって構成される共鳴系の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示すＳパラメータを検出するための装置である。ネットワークアナライザ１６０は、端子３２０，３３０を電気的に接続するとともにリレー１６２をオンすることによって共鳴系に接続される。そして、ネットワークアナライザ１６０は、ＥＣＵ１９０からの指令に基づいて共鳴系のＳパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）を測定し、その測定結果をＥＣＵ１９０へ出力する。なお、このネットワークアナライザ１６０には、市販品を用いることができる。

通信アンテナ１７０は、通信装置１８０に接続される。通信装置１８０は、車両２００の通信装置２９０と通信を行なうための通信インターフェースである。

ＥＣＵ１９０は、ネットワークアナライザ１６０によるＳパラメータの測定結果に基づいて、可変コンデンサ１５０，２１０を制御することによって共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数を電源周波数（高周波電源装置１１０から出力される高周波電力の周波数）に調整する。また、ＥＣＵ１９０は、Ｓパラメータの測定結果に基づいて、インピーダンス整合装置１５２を制御することによって共鳴系より高周波電源装置１１０側のインピーダンスに共鳴系の入力インピーダンスを整合させる。

より詳しくは、リレー１６２がオンされてネットワークアナライザ１６０が接続されると、ＥＣＵ１９０は、ネットワークアナライザ１６０によるＳパラメータの測定結果に基づいて、可変コンデンサ１５０，２２０を制御することによって共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数をまず調整する。そして、共振周波数の調整後、ＥＣＵ１９０は、インピーダンス整合装置１５２を制御することによってインピーダンスマッチングを実施する。なお、車両２００の可変コンデンサ２２０に対しては、通信装置１８０，２９０を介してＥＣＵ２８０から調整のための指令が与えられる。

共鳴コイルの共振周波数の調整は、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスが小さい状態、すなわち、後述のように、Ｓパラメータの周波数スペクトルにおいて２つのピークが立たない程度に（すなわち、ピークが１つになる程度に）共鳴コイル１４０，２１０間の距離が確保された状態で行なうことが望ましい。これは、相互インダクタンスが小さい状態においては、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップ変動が生じても共振周波数は変化しないのに対し、相互インダクタンスが大きい状態においては、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップ変動に応じて共振周波数が変化するからである。この点については、後ほど図を用いて説明する。

一方、車両２００は、共鳴コイル２１０と、可変コンデンサ２２０と、電磁誘導コイル２３０と、整流回路２４０と、充電器２５０と、蓄電装置２６０と、動力出力装置２７０と、スイッチ２７５を含む。また、車両２００は、ＥＣＵ２８０と、通信装置２９０と、通信アンテナ３００とをさらに含む。

共鳴コイル２１０は、給電装置１００の共鳴コイル１４０と電磁場を介して共鳴することにより共鳴コイル１４０から非接触で受電する。なお、この共鳴コイル２１０も、給電装置１００の共鳴コイル１４０との距離や共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値（たとえば、Ｑ＞１００）および結合度κ等が大きくなるようにコイル径や巻数が適宜設定される。

共鳴コイル２１０には、可変コンデンサ２２０が設けられ、たとえば共鳴コイル２１０の両端部間に可変コンデンサ２２０が接続される。可変コンデンサ２２０は、ＥＣＵ２８０から受ける指令に従ってその容量が変化し、その容量変化によって共鳴コイル２１０の共振周波数を調整することができる。

電磁誘導コイル２３０は、共鳴コイル２１０と所定の間隔をおいて共鳴コイル２１０と略同軸上に配設される。電磁誘導コイル２３０は、電磁誘導により共鳴コイル２１０と磁気的に結合可能であり、共鳴コイル２１０によって受電された電力を電磁誘導により取出して整流回路２４０へ出力する。

整流回路２４０は、電磁誘導コイル２３０を用いて共鳴コイル２１０から取出された電力（交流）を整流して充電器２５０へ出力する。充電器２５０は、ＥＣＵ２８０からの制御信号に基づいて、整流回路２４０によって整流された電力を蓄電装置２６０の電圧レベルに変換して蓄電装置２６０へ出力する。

蓄電装置２６０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池から成る。蓄電装置２６０は、充電器２５０から供給される電力を蓄えるほか、動力出力装置２７０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置２６０は、その蓄えた電力を動力出力装置２７０へ供給する。なお、蓄電装置２６０として大容量のキャパシタも採用可能であり、給電装置１００から供給される電力や動力出力装置２７０からの回生電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力を動力出力装置２７０へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

動力出力装置２７０は、蓄電装置２６０に蓄えられる電力を用いて車両２００の走行駆動力を発生する。特に図示しないが、動力出力装置２７０は、たとえば、蓄電装置２６０から出力される電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータから駆動力を受ける駆動輪等を含む。なお、動力出力装置２７０は、蓄電装置２６０を充電するための発電機を駆動可能なエンジンを含んでもよい。

ＥＣＵ２８０は、給電装置１００から車両２００への送電を要求する送電要求指令を通信装置２９０へ出力する。そして、給電装置１００から車両２００への給電時、ＥＣＵ２８０は、充電器２５０の動作を制御する。具体的には、ＥＣＵ２８０は、整流回路２４０から出力される電力を蓄電装置２６０の電圧レベルに変換するように充電器２５０を制御する。通信装置２９０は、給電装置１００の通信装置１８０と通信を行なうための通信インターフェースである。通信アンテナ３００は、通信装置２９０に接続される。

図２は、共鳴法による送電に関する部分の等価回路図である。図２を参照して、この共鳴法では、２つの音叉が共鳴するのと同様に、２つの共鳴コイル１４０，２１０が電磁場（近接場）において共鳴することによって、共鳴コイル１４０から共鳴コイル２１０へ電磁場を介して電力が伝送される。

具体的には、たとえば数ＭＨｚ〜１０数ＭＨｚ程度の一定の周波数を有する高周波電力が高周波電源装置１１０から電磁誘導コイル１３０へ供給され、電磁誘導により電磁誘導コイル１３０と磁気的に結合される共鳴コイル１４０へ電力が供給される。共鳴コイル１４０は、コイル自身のインダクタンスと可変コンデンサ１５０とによって電気的に共振可能であり、車両２００側の共鳴コイル２１０と電磁場（近接場）を介して共鳴する。そうすると、共鳴コイル１４０から共鳴コイル２１０へ電磁場を介してエネルギー（電力）が移動する。共鳴コイル２１０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導により共鳴コイル２１０と磁気的に結合される電磁誘導コイル２３０によって取出され、負荷３１０（整流回路２４０（図１）以降の電気システム全般を示す。）へ供給される。

なお、ネットワークアナライザ１６０（図１）によって測定される通過特性（Ｓ２１）は、ポートＰ１，Ｐ２間に形成される共鳴系について（実際には、電磁誘導コイル１３０の入力側にインピーダンス整合装置１５２が設けられる。）、ポートＰ１への入力電力（高周波電源装置１１０から出力される電力）がポートＰ２に到達する比率、すなわちポートＰ１からポートＰ２への伝達係数に対応する。また、反射特性（Ｓ１１）は、ポートＰ１，Ｐ２間に形成される共鳴系について、ポートＰ１への入力電力に対する反射電力の比率、すなわちポートＰ１の反射係数に対応する。

図３は、図１に示したインピーダンス整合装置１５２の回路構成の一例を示した図である。図３を参照して、インピーダンス整合装置１５２は、可変コンデンサ１５４と、可変コイル１５６とを含む。可変コンデンサ１５４は、図示されない高周波電源装置１１０に並列に接続される。可変コイル１５６は、インピーダンス整合装置１５２と図示されない電磁誘導コイル１３０との間に接続される。このインピーダンス整合装置１５２は、可変コンデンサ１５４の容量および可変コイル１５６のインダクタンスの少なくとも一方を変更することによってインピーダンスが変更される。なお、可変コンデンサ１５４および可変コイル１５６のいずれか一方を非可変のもので構成してもよい。

図４〜図６は、共鳴コイル１４０，２１０および電磁誘導コイル１３０，２３０によって構成される共鳴系の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示した図である。図４〜図６は、給電装置１００の共鳴コイル１４０と車両２００の共鳴コイル２１０との間のギャップが互いに異なる場合の通過特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）を示しており、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが最も大きいのが図４であり、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが最も小さいのが図６である。

図４を参照して、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）は、ある特定の周波数（共振周波数）においてピークを有する。なお、この図４では、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが大きいため、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークは１つである。

図５を参照して、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが狭まると、ピーク周波数は変化することなくピーク量が増大する。なお、この図５では、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスの影響により、ピークが２つに分離し始めている。

図６を参照して、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップがさらに狭まると、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスの影響によりピークが２つに分離する。そして、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップ量に応じてピーク周波数が変化する。

すなわち、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスの影響によってＳパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが２つに分離する程度に共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが狭い状態においては、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップ変動に応じてＳパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピーク周波数が変動してしまうので、共振周波数を調整しにくい。そこで、この実施の形態１では、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスが小さい状態、すなわち、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが１つになる程度に共鳴コイル１４０，２１０間の距離が確保された状態で、共鳴コイルの共振周波数がまず調整される。そして、その後、通過特性（Ｓ２１）のピーク値が大きくなるように（反射特性（Ｓ１１）のピーク値が小さくなるように）インピーダンス整合装置１５２（図１）によりインピーダンスマッチングを実施することとしたものである。

図７は、図１に示した可変コンデンサ１５０，２２０の容量を変化させたときの通過特性（Ｓ２１）の変化を示した図である。図７を参照して、可変コンデンサ１５０，２２０の容量を変化させると、通過特性（Ｓ２１）のピーク値はほとんど変化せず、ピーク周波数のみが変化する。したがって、可変コンデンサ１５０，２２０の容量を調整することによって、通過特性（Ｓ２１）を維持しつつ共振周波数を調整できることが分かる。

図８は、図１に示した可変コンデンサ１５０，２２０の容量を変化させたときの反射特性（Ｓ１１）の変化を示した図である。図８を参照して、反射特性（Ｓ１１）についても、可変コンデンサ１５０，２２０の容量を変化させても反射特性（Ｓ１１）のピーク値はほとんど変化せず、ピーク周波数のみが変化する。したがって、可変コンデンサ１５０，２２０の容量を調整することによって、反射特性（Ｓ１１）を維持しつつ共振周波数を調整できることが分かる。

図９は、図１に示したインピーダンス整合装置１５２によりインピーダンスマッチングを実施したときの通過特性（Ｓ２１）の変化を示した図である。図９を参照して、点線はインピーダンスマッチングを実施する前の通過特性（Ｓ２１）を示し、実線はインピーダンスマッチングを実施した後の通過特性（Ｓ２１）を示す。インピーダンス整合装置１５２によって共鳴系の入力インピーダンスを共鳴系より高周波電源装置１１０（図１）側のインピーダンスに整合させることにより、通過特性（Ｓ２１）が向上する。

図１０は、共鳴コイルの共振周波数の調整および共鳴系のインピーダンスマッチングに関するＥＣＵ１９０の処理手順を説明するためのフローチャートである。図１０を参照して、ＥＣＵ１９０は、リレー１６２をオンすることによってネットワークアナライザ１６０を共鳴系に電気的に接続する（ステップＳ１０）。なお、図１の端子３２０，３３０は電気的に接続されているものとする。

ネットワークアナライザ１６０が接続されると、ＥＣＵ１９０は、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）を参照して、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスが小さい状態（すなわち、上述のように、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが１つの状態）で可変コンデンサ１５０，２２０を制御することにより、高周波電源装置１１０が発生する高周波電力の周波数に共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数を調整する（ステップＳ２０）。

そして、ＥＣＵ１９０は、可変コンデンサ１５０，２２０による共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数の調整が終了したか否かを判定する（ステップＳ３０）。たとえば、共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数と、高周波電源装置１１０の発生する高周波電力の周波数との偏差が予め定められた値よりも小さくなると、共振周波数の調整が終了したものと判定される。共振周波数の調整がまだ終了していないと判定されると（ステップＳ３０においてＮＯ）、ステップＳ２０へ処理が戻される。

ステップＳ３０において共振周波数の調整が終了したものと判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１９０は、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）を参照して、インピーダンス整合装置１５２を制御することにより、共鳴系の入力インピーダンスを共鳴系より高周波電源装置１１０側のインピーダンスに整合させる（ステップＳ４０）。

そして、ＥＣＵ１９０は、インピーダンス整合装置１５２によるインピーダンスマッチングが完了したか否かを判定する（ステップＳ５０）。たとえば、通過特性（Ｓ２１）のピーク値が極値をとった場合にインピーダンスマッチングが完了したものと判定される。インピーダンスマッチングがまだ完了していないと判定されると（ステップＳ５０においてＮＯ）、ステップＳ４０へ処理が戻される。

ステップＳ５０においてインピーダンスマッチングが完了したものと判定されると（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１９０は、リレー１６２をオフすることによってネットワークアナライザ１６０を共鳴系から電気的に切離す（ステップＳ６０）。

なお、給電装置１００から車両２００への実際の給電時に共鳴コイル１４０，２１０の位置ずれがある程度発生することが想定される場合には、共鳴コイル１４０，２１０の位置ずれが無い状態で行なわれる調整段階においては、図５に示されるようにＳパラメータのピークが２つに分離し始めた状態にインピーダンスを調整しておくのが望ましい。これにより、実際の給電時に多少の位置ずれが発生する状況において送電効率を最大にすることができる。

一方、給電装置１００から車両２００への実際の給電時に共鳴コイル１４０，２１０間のギャップ変動が大きくなることが想定される場合には、位置ずれの場合とは反対に、Ｓパラメータのピークがやや下がった状態にインピーダンスを調整しておくのが望ましい。これにより、実際の給電時に共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが縮まっても、Ｓパラメータのピークが２つに分離することによる共振周波数のずれの発生を防止することができる。

また、給電装置１００から車両２００への実際の給電時に共鳴コイル１４０，２１０間の位置ずれもギャップ変動も少ないことが分かっている場合には、Ｓパラメータのピークが２つに分離するかしないかの状態に調整するのが望ましい。

なお、上記においては、共鳴コイル１４０，２１０の形状は円形としたが、コイル形状は円形のものに限定されない。但し、実際の給電時において、共鳴コイル１４０，２１０間の位置ずれの方向はランダムと考えられるので、共鳴コイル１４０，２１０の形状は円形が望ましい。

以上のように、この実施の形態１においては、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２）の測定結果に基づいて、可変コンデンサ１５０，２２０を制御することによって共鳴コイルの共振周波数が調整され、インピーダンス整合装置１５２を制御することによって共鳴系のインピーダンスマッチングが実施される。これにより、共振周波数の調整とインピーダンスマッチングとを切り分けて調整することができる。したがって、この実施の形態１によれば、簡便な調整で効率のよい給電を実現することができる。

また、この実施の形態１によれば、相互インダクタンスが小さい状態で共振周波数の調整が先に行なわれ、共振周波数の調整後、インピーダンスマッチングが実施されるので、共振周波数およびインピーダンスの調整を容易に行なうことができる。

［実施の形態２］
上述のように、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップが小さいと、図６に示したように、共鳴コイル１４０，２１０間の相互インダクタンスの影響によりＳパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが２つに分離し、共振周波数にずれが発生する。一方、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップまたは位置ずれが大きいときは、図９において点線で示されるように、インピーダンスマッチングを実施することにより通過特性（Ｓ２１）が向上する。

そこで、この実施の形態２では、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが２つに分離しない程度に共鳴コイル１４０，２１０が最も近いときの共鳴コイル１４０，２１０間の距離を基準として、この基準値よりも共鳴コイル１４０，２１０間の距離が小さいときは、可変コンデンサ１５０，２２０によって共振周波数が調整され、共鳴コイル１４０，２１０間の距離が基準値よりも大きいときは、インピーダンス整合装置１５２によってインピーダンスマッチングが実施される。

この実施の形態２による車両給電システムの全体構成は、図１に示した実施の形態１による車両給電システムと同じである。

図１１は、実施の形態２における、共鳴コイルの共振周波数の調整および共鳴系のインピーダンスマッチングに関するＥＣＵ１９０の処理手順を説明するためのフローチャートである。図１１を参照して、ＥＣＵ１９０は、リレー１６２をオンすることによってネットワークアナライザ１６０を共鳴系に電気的に接続する（ステップＳ１１０）。なお、図１の端子３２０，３３０は電気的に接続されているものとする。

ネットワークアナライザ１６０が接続されると、ＥＣＵ１９０は、共鳴コイル１４０，２１０間の距離が所定の上記基準値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１２０）。なお、この判定は、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）のピークが２つに分離したか否かによって行なってもよいし、距離センサを設けてコイル間距離を実際に測定してもよい。

そして、共鳴コイル１４０，２１０間の距離が基準値よりも小さいと判定されると（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１９０は、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）を参照して、可変コンデンサ１５０，２２０を制御することにより、高周波電源装置１１０が発生する高周波電力の周波数に共鳴コイル１４０，２１０の共振周波数を調整する（ステップＳ１３０）。

一方、共鳴コイル１４０，２１０間の距離が基準値以上であると判定されると（ステップＳ１３０においてＮＯ）、ＥＣＵ１９０は、Ｓパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１）を参照して、インピーダンス整合装置１５２を制御することにより、共鳴系の入力インピーダンスを共鳴系より高周波電源装置１１０側のインピーダンスに整合させる（ステップＳ１４０）。

そして、共振周波数の調整が終了し、あるいはインピーダンスマッチングが完了すると、ＥＣＵ１９０は、リレー１６２をオフすることによってネットワークアナライザ１６０を共鳴系から電気的に切離す（ステップＳ１５０）。

以上のように、この実施の形態２によれば、共鳴コイル１４０，２１０間のギャップまたは位置ずれが発生しても、効率のよい給電を実現することができる。

なお、上記の各実施の形態においては、電磁誘導コイル１３０の入力側にインピーダンス整合装置１５２を設けることによってインピーダンスマッチングを実施するものとしたが、インピーダンスマッチングの手法はこれに限定されるものではない。電磁誘導コイル１３０と共鳴コイル１４０との間の距離を変化させることによって共鳴系の入力インピーダンスを変更可能である。そこで、図１２に示すように、適当な機構または駆動装置によって電磁誘導コイル１３０および共鳴コイル１４０の中心軸に沿って電磁誘導コイル１３０を可動とし、電磁誘導コイル１３０と共鳴コイル１４０との間の距離を変化させることによりインピーダンスマッチングを実施してもよい。

なお、上記において、高周波電源装置１１０は、この発明における「電源装置」の一実施例に対応し、共鳴コイル１４０および電磁誘導コイル１３０は、この発明における「送電用コイル」の一実施例に対応する。また、可変コンデンサ１５０は、この発明における「前記送電用コイルの共振周波数を調整するための第１の調整装置」の一実施例に対応し、インピーダンス整合装置１５２は、この発明における「共鳴系の入力インピーダンスを調整するための第２の調整装置」および「第３の調整装置」の一実施例に対応する。

さらに、ネットワークアナライザ１６０は、この発明における「検出装置」の一実施例に対応し、ＥＣＵ１９０は、この発明における「制御装置」の一実施例に対応する。また、さらに、共鳴コイル２１０および電磁誘導コイル２３０は、この発明における「受電用コイル」の一実施例に対応し、可変コンデンサ２２０は、この発明における「前記受電用コイルの共振周波数を調整するための第２の調整装置」の一実施例に対応する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００給電装置、１１０高周波電源装置、１２０同軸ケーブル、１３０，２３０電磁誘導コイル、１４０，２１０共鳴コイル、１５０，１５４，２２０可変コンデンサ、１５２インピーダンス整合装置、１５６可変コイル、１６０ネットワークアナライザ、１６２リレー、１７０，３００通信アンテナ、１８０，２９０通信装置、１９０，２８０ＥＣＵ、２００車両、２４０整流回路、２５０充電器、２６０蓄電装置、２７０動力出力装置、３１０負荷、３２０，３３０端子、３５０電源プラグ。

Claims

受電用コイルを含む受電装置へ非接触で給電する給電装置であって、
所定の周波数を有する電力を発生する電源装置と、
前記電源装置により発生された電力を受け、前記受電用コイルと電磁場を介して共鳴することにより前記受電用コイルへ非接触で送電するための送電用コイルと、
前記送電用コイルの共振周波数を調整するための第１の調整装置と、
前記送電用コイルおよび前記受電用コイルによって構成される共鳴系の入力インピーダンスを調整するための第２の調整装置と、
前記共鳴系の通過特性および反射特性の少なくとも一方を検出するための検出装置と、
前記検出装置の検出結果に基づいて、前記第１の調整装置を制御することによって前記共振周波数を前記所定の周波数に調整し、前記第２の調整装置を制御することによって前記共鳴系より前記電源装置側のインピーダンスに前記共鳴系の入力インピーダンスを整合させる制御装置とを備える給電装置。
前記制御装置は、前記第１の調整装置を制御することによって前記共振周波数を前記所定の周波数にまず調整し、前記共振周波数の調整後、前記第２の調整装置を制御することによってインピーダンス整合を実施する、請求項１に記載の給電装置。
前記制御装置は、前記送電用コイルと前記受電用コイルとの間のコイル間距離が所定の基準値よりも小さいか否かを判定し、前記コイル間距離が前記基準値よりも小さいと判定されると、前記第１の調整装置を制御することによって前記共振周波数を調整し、前記コイル間距離が前記基準値以上であると判定されると、前記第２の調整装置を制御することによって前記入力インピーダンスを調整する、請求項１に記載の給電装置。
前記第１の調整装置は、前記送電用コイルに設けられる可変コンデンサを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の給電装置。
前記第２の調整装置は、前記送電用コイルと前記電源装置との間に設けられるＬＣ回路を含み、
前記ＬＣ回路は、可変コンデンサおよび可変コイルの少なくとも一方を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の給電装置。
前記送電用コイルは、
共鳴コイルと、
前記電源装置に接続され、前記電源装置から受ける電力を電磁誘導によって前記共鳴コイルへ供給する電磁誘導コイルとを含み、
前記第２の調整装置は、前記共鳴コイルと前記電磁誘導コイルとの間の距離を変更することによって前記入力インピーダンスを調整する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の給電装置。
給電装置と、
前記給電装置から給電を受ける車両とを備え、
前記給電装置は、
所定の周波数を有する電力を発生する電源装置と、
前記電源装置により発生された電力を受け、前記車両へ非接触で送電するための電磁場を発生する送電用コイルと、
前記送電用コイルの共振周波数を調整するための第１の調整装置とを含み、
前記車両は、
前記給電装置の送電用コイルと前記電磁場を介して共鳴することにより前記送電用コイルから非接触で受電するための受電用コイルと、
前記受電用コイルの共振周波数を調整するための第２の調整装置とを含み、
前記給電装置は、さらに
前記送電用コイルおよび前記受電用コイルによって構成される共鳴系の入力インピーダンスを調整するための第３の調整装置と、
前記共鳴系の通過特性および反射特性の少なくとも一方を検出するための検出装置と、
前記検出装置の検出結果に基づいて、前記第１および第２の調整装置を制御することによって前記送電用コイルおよび前記受電用コイルの共振周波数を前記所定の周波数に調整し、前記第３の調整装置を制御することによって前記共鳴系より前記電源装置側のインピーダンスに前記共鳴系の入力インピーダンスを整合させる制御装置と含む、車両給電システム。
前記制御装置は、前記第１および第２の調整装置を制御することによって前記共振周波数を前記所定の周波数にまず調整し、前記共振周波数の調整後、前記第３の調整装置を制御することによってインピーダンス整合を実施する、請求項７に記載の車両給電システム。
前記制御装置は、前記送電用コイルと前記受電用コイルとの間のコイル間距離が所定の基準値よりも小さいか否かを判定し、前記コイル間距離が前記基準値よりも小さいと判定されると、前記第１および第２の調整装置を制御することによって前記共振周波数を調整し、前記コイル間距離が前記基準値以上であると判定されると、前記第３の調整装置を制御することによって前記入力インピーダンスを調整する、請求項７に記載の車両給電システム。