JP6135471B2 - 送電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、送電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送システムに関するものである。

電源ケーブルを用いることなく、例えば電気自動車や携帯機器に、外部から電力を非接触で供給する非接触給電技術が注目されている。

特許文献１には、所定の周波数範囲内で給電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、交流電力の周波数を設定する周波数可変手段を備え、周波数可変手段が所定の周波数範囲内で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の値に応じて交流電力の周波数を設定する非接触電力供給装置が提案されている。具体的には、周波数可変手段が所定の周波数範囲内でインピーダンスの位相がゼロとなる周波数を交流電力の周波数として設定する、または、インピーダンスの絶対値が極小となる周波数を交流電力の周波数として設定している。

特開２０１０−２３３４４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術のように、周波数可変手段が所定の周波数範囲内でインピーダンスの位相がゼロとなる周波数を交流電力の周波数として設定する方法では、位相がゼロの点では、インピーダンスが誘導性領域と容量性領域の境目に当たり、例えば、高周波スイッチング電源にとっては、制御しにくく部品の破損が生じる虞がある。また、周波数可変手段が所定の周波数範囲内でインピーダンスの絶対値が極小となる周波数を交流電力の周波数として設定する方法では、伝送効率が最大とはならず、高効率を維持することができない虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる送電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る送電装置は、受電装置にワイヤレスにて交流電力を伝送する送電装置であって、交流磁界を生成するために交流電圧を出力する電力変換回路と、交流電圧の周波数を制御するための制御回路と、を備え、制御回路は、所定の周波数範囲内において、伝送効率の最も高くなる第１の周波数と、受電装置に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数のうち、高い方の周波数を交流電圧の周波数に設定して電力伝送を行う。

本発明によれば、制御回路が、所定の周波数範囲内において、伝送効率の最も高くなる第１の周波数と、受電装置に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数のうち、高い方の周波数を交流電圧の周波数に設定して電力伝送を行っている。ここで、伝送効率の最も高くなる第１の周波数又は受電装置に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数を電力変換回路の出力する交流電圧の周波数に設定すると、電力伝送効率を高めることができる。これら２つの周波数のうち、高い方の周波数を選定して交流電圧の周波数に設定すると、負荷の変動に対して受電装置に発生する電圧の変動を抑制することができる。そのため、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

好ましくは、電力変換回路に直流電力を供給する電源回路を有し、制御回路は、交流電圧の周波数を設定した後、電力変換回路への供給電圧を交流電圧の周波数を設定する前の供給電圧よりも大きくする。この場合、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

好ましくは、電力変換回路は、スイッチング回路であって、制御回路は、交流電圧の周波数を設定した後、電力変換回路のスイッチング動作のデューティ比を交流電圧の周波数を設定する前のデューティ比から可変させる。この場合、安定給電を維持しつつ、電力変換回路の入力電圧値および入力電流値のバランスを調整することができる。その結果、電力変換回路への過電流又は過電圧などの異常が防止され、部品の破損を防ぐことができる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、上記送電装置と、受電装置と、を備える。本発明によれば、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できるワイヤレス電力伝送システムを得ることができる。

本発明によれば、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる送電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送システムを得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムを示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの周波数探索動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電力変換回路の駆動周波数に対する各種特性を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの周波数探索動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムを示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムを示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電力変換回路の駆動周波数に対する各種特性を示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電力変換回路の駆動周波数に対する負荷に変動が起きた場合の各種特性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１を負荷ＲＬとともに示す構成図である。

ワイヤレス電力伝送システムＳ１は、図１に示されるように、送電装置１００と、受電装置３００を有する。送電装置１００から受電装置３００に向けて、ワイヤレスにて電力が伝送される。

送電装置１００は、電源回路１１０、電力変換回路１２０、送電側検出回路１３０、制御回路１４０、送電側通信手段１５０、送電コイルＬ１を有する。受電装置３００は、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、整流回路３１０、受電側検出回路３２０、演算回路３３０、受電側通信手段３４０を有する。

電源回路１１０は、直流電力を電力変換回路１２０に供給する。電源回路１１０としては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、例えば、スイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置や、高電圧の蓄電池等が挙げられる。

電力変換回路１２０は、電源回路１１０から供給される入力直流電力を交流電力に変換する。電力変換回路１２０としては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。この電力変換回路１２０は、送電コイルＬ１（後述する）に交流電圧を出力する。

送電側検出回路１３０は、電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値を検出する機能を有する。具体的には、電源回路１１０と電力変換回路１２０の間に接続され、入力電圧値の検出手段には、分圧回路等が用いられ、入力電流値の検出手段には電流センサやカレントトランス等が用いられる。ここで、本実施形態に係る「電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値」とは、送電装置１００における電圧値および電流値に相当する。この送電側検出回路１３０により検出された入力電圧値および、入力電流値は、電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４に変換され、制御回路１４０（後述する）に出力される。

制御回路１４０は、送電側検出回路１３０から出力される電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を基に、電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値から送電電力値を算出する。また、制御回路１４０は、電力変換装置１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０が出力する交流電圧の周波数）を制御するとともに、電力変換回路１２０の駆動周波数を所定の周波数範囲内において選定する周波数探索動作を行っている。本実施形態における所定の周波数範囲とは、制御回路１４０が制御する駆動周波数が、誘導性の領域であって、受電装置３００（後述する）に発生する電圧が極大値となる周波数に対して、好ましくは±１０（ｋＨｚ）の範囲であればよく、更に好ましくは±２５（ｋＨｚ）の範囲であればよい。さらに、制御回路１４０は、電力変換回路１２０への供給電圧を制御することにより、送電装置１００の給電動作を制御している。

送電側通信手段１５０は、受電装置３００と通信する機能を有する。具体的には、受電装置３００の受電側通信手段３４０（後述する）に対して、整流回路３１０の出力電圧値、および、受電電力値を要求する要求信号ＳＬ１０を発信する機能と、受電側通信手段３４０から送信される整流回路３１０の出力電圧値および受電電力値の受電側状態信号ＳＬ２０を受信する機能を有する。

送電コイルＬ１は、銅やアルミ等のリッツ線を巻き回して形成されている。その巻き数は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２間の離間距離と所望の電力伝送効率に基づいて適宜設定される。この送電コイルＬ１には、電力変換回路１２０の出力する交流電圧により、交流電流が流れて交流磁界が発生する。つまり、この交流磁界により受電コイルＬ２（後述する）に向けて交流電力が伝送されることとなる。本実施形態のワイヤレス電力伝送システムＳ１を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、送電コイルＬ１は地中または地面近傍に配設される。

受電コイルＬ２は、送電コイルＬ１からの電力を受電可能に構成され、銅やアルミ等のリッツ線を巻き回して形成されている。その巻き数は、送電コイルＬ１と受電コイルＬ２間の離間距離と所望の電力伝送効率に基づいて適宜設定される。本実施形態のワイヤレス電力伝送システムＳ１を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、受電コイルＬ２は車両下部に搭載される。

共振用コンデンサＣ１は、受電コイルＬ２とともにＬＣ共振回路を形成する。本実施形態においては、受電コイルＬ２に直列接続されているが、これに限られない。例えば受電コイルＬ２に並列に接続されていてもよい。

整流回路３１０は、受電コイルＬ２が受電した交流電力を直流電力に変換し、負荷ＲＬに供給する。整流回路３１０としては、半波整流回路や全波整流回路などの複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたブリッジ型回路から構成される。

受電側検出回路３２０は、整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値を検出する機能を有する。具体的には、整流回路３１０と負荷ＲＬの間に接続され、出力電圧値の検出手段には、分圧回路等が用いられ、出力電流値の検出手段には電流センサやカレントトランス等が用いられる。ここで、本実施形態に係る「整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値」とは、受電装置３００に発生する電圧値および電流値に相当する。この受電側検出回路３２０により検出された出力電圧値、および、出力電流値は、電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４に変換され、演算回路３３０に出力される。

演算回路３３０は、受電側検出回路３２０から出力される電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４を基に、整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値から受電電力値を算出する。

受電側通信手段３４０は、送電装置１００と通信する機能を有する。具体的には、送電側通信手段１５０からの要求信号ＳＬ１０を受信すると、受電側検出回路３２０および演算回路３３０に出力電圧値および受電電力値を算出するように要求する機能と、送電装置１００の送電側通信手段１５０に対して、出力電圧値および受電電力値の受電側状態信号ＳＬ２０を送信する機能を有する。ここで、送電側通信手段１５０と受電側通信手段３４０との通信は赤外線通信、無線通信等を用いて行われている。

続いて、図２のフローチャートを参照して、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の周波数探索動作について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の周波数探索動作を示すフローチャートである。

まず、制御回路１４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数を探索する周波数範囲（所定の周波数範囲）における上限値の周波数に設定（初期周波数の設定）して駆動し、予め低く設定された初期電圧（例えば、５０Ｖ〜１５０Ｖ程度）が電源回路１１０から印加されることによって、送電装置１００が駆動する。このとき、出力電圧値０Ｖ、伝送効率０％、初期周波数を制御回路１４０内の探索用メモリに格納することによって、初期化する。（ステップＳ１０１）

続いて、送電側通信手段１５０から受電側通信手段３４０に対して、整流回路３１０の出力電圧値、および、受電電力値を要求する要求信号ＳＬ１０が発信される。受電側通信手段３４０は、送電側通信手段１５０からの要求信号ＳＬ１０を受信すると、受電側検出回路３２０が整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値を検出し、それらに基づく電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４を演算回路３３０に出力する。演算回路３３０は、受け取った電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４を基に、整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値から受電電力値を算出する。検出した出力電圧値および算出した受電電力値は、受電側通信手段３４０によって受電側状態信号ＳＬ２０に変換されて送電側通信手段１５０に送信される。このとき、送電側検出回路１３０が電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値を検出し、それらに基づく電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を制御回路１４０に出力する。制御回路１４０は、受け取った電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を基に、電圧変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値から送電電力値を算出する。そして、制御回路１４０は、算出した送電電力値と、送電側通信手段１５０が受信した受電側状態信号ＳＬ２０を基に得られる受電電力値を利用して、伝送効率を算出する。（ステップＳ１０２）

続いて、制御回路１４０は、探索用メモリに格納されている出力電圧値および伝送効率をステップＳ１０２で算出した出力電圧値および伝送効率に更新する。（ステップＳ１０３）

次に、制御回路１４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数を現在の周波数よりも低い周波数に変更する。（ステップＳ１０４）

続いて、制御回路１４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数をステップＳ１０４にて変更した周波数に設定して駆動する。そして、ステップＳ１０２と同様の処理を行い、出力電圧値と伝送効率を算出する。（ステップＳ１０５）

続いて、制御回路１４０は、探索用メモリに格納されている出力電圧値と、ステップＳ１０５で算出した出力電圧値を比較する。（ステップＳ１０６）

探索用メモリに格納されている出力電圧値とステップＳ１０５で算出した出力電圧値を比較した結果、ステップＳ１０５で算出した出力電圧値が探索用メモリに格納されている出力電圧値よりも大きい場合（ステップＳ１０６Ｙ）、制御回路１４０内の探索用メモリに格納されている出力電圧値および周波数をステップＳ１０５で算出した出力電圧値およびステップＳ１０５で算出した出力電圧値のときの周波数に更新する。（ステップＳ１０７）

探索用メモリに格納されている伝送効率とステップＳ１０５で算出した伝送効率を比較した結果、ステップＳ１０５で算出した伝送効率が探索用メモリに格納されている伝送効率よりも大きい場合（ステップＳ１０８Ｙ）、制御回路１４０内の探索用メモリに格納されている伝送効率および周波数をステップＳ１０５で算出した伝送効率およびステップＳ１０５で算出した伝送効率のときの周波数に更新する。（ステップＳ１０９）

以上、ステップＳ１０９の処理が終了すると、ステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理が繰り返し実行される。ここで、ステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理は、ステップＳ１０４において、電力変換回路１２０の駆動周波数を探索する周波数範囲における下限値に至るまで繰り返し実行される。

但し、このステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理が繰り返し実行される中で、探索用メモリに格納されている出力電圧値とステップＳ１０５で算出した出力電圧値を比較した結果、ステップＳ１０５で算出した出力電圧値が探索用メモリに格納されている出力電圧値以下となると（ステップＳ１０６Ｎ）、制御回路１４０内の探索用メモリに格納されている出力電圧値が最も大きくなる出力電圧値となり、その時の周波数が出力電圧値の最も大きくなる駆動周波数、すなわち受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる駆動周波数として、制御回路１４０内の設定用メモリに格納される。（ステップＳ１１０）

そして、制御回路１４０は、設定用メモリに格納された出力電圧値の最も大きくなる周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定する。（ステップＳ１１２）このように、電力変換回路１２０の駆動周波数が出力電圧値の最も大きくなる周波数に設定されると、周波数探索動作が終了する。（ステップＳ１１３）

あるいは、ステップＳ１０４からステップＳ１０９の処理が繰り返し実行される中で、探索用メモリに格納されている伝送効率とステップＳ１０５で算出した伝送効率を比較した結果、ステップＳ１０５で算出した伝送効率が探索用メモリに格納されている伝送効率以下となると（ステップＳ１０８Ｎ）、制御回路１４０内の探索用メモリに格納されている伝送効率が最も高い伝送効率となり、その時の周波数が伝送効率の最も高くなる駆動周波数として、制御回路１４０内の設定用メモリに格納される。（ステップＳ１１１）

そして、制御回路１４０は、設定用メモリに格納された伝送効率の最も高くなる周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定する。（ステップＳ１１２）このように、電力変換回路１２０の駆動周波数が伝送効率の最も高くなる周波数に設定されると、周波数探索動作が終了する。（ステップＳ１１３）

ここで、本実施形態における周波数探索動作は、制御回路１４０がステップＳ１０４において、高い周波数から低い周波数へと変更する制御を行っているため、ステップＳ１１０で格納された周波数あるいはステップＳ１１１で格納された周波数が出力電圧値の最も大きくなる周波数（受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる周波数）と、伝送効率の最も高くなる周波数のうちの高い方の周波数となる。

上記周波数探索動作が終了し、制御回路１４０が出力電圧値の最も大きくなる周波数と、伝送効率の最も高くなる周波数のうちの高い方の周波数として、ステップＳ１１０で格納された周波数あるいはステップＳ１１１で格納された周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定した後、電源回路１１０の出力電圧を周波数探索動作時の出力電圧よりも大きくする。そして、電源回路１１０の出力電圧を所望の出力電圧まで上昇させると、ワイヤレス電力伝送システムＳ１において、安定した状態で高い電力が出力されるため、電力伝送効率を高く維持することができる。

以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１では、制御回路１４０が、所定の周波数範囲内において、伝送効率の最も高くなる第１の周波数と、受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数のうち、高い方の周波数を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定して電力伝送を行っている。ここで、伝送効率の最も高くなる第１の周波数又は受電装置に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数を電力変換回路の出力する交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定すると、電力伝送効率を高めることができる。これら２つの周波数のうち、高い方の周波数を選定して交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定すると、負荷の変動に対して受電装置に発生する電圧の変動を抑制することができる。そのため、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１においては、電力変換回路１２０に直流電力を供給する電源回路１１０を有し、制御回路１４０は、交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定した後、電力変換回路１２０への供給電圧を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定する前の供給電圧よりも大きくする。この場合、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

ここで、図３を参照して、伝送効率の最も高い駆動周波数と、出力電圧値が最も大きくなる駆動周波数の関係について、例を用いて説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の電力変換回路１２０の駆動周波数に対する各種特性を示すグラフである。

図３に示すグラフは、横軸に電力変換回路１２０の駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）を表示し、縦軸に伝送効率η（％）、整流回路３１０の出力電圧値Ｖｏｕｔ（Ｖ）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンス｜Ｚｉｎ｜（Ｚｉｎ＝Ｒ＋ｊＸ）（Ω）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクアンスＸ（Ω）を表示している。なお、Ｒは回路網の抵抗成分（実数部）であり、ｊは虚数単位である。ここで、図３に示す例においては、ワイヤレス電力伝送システムＳ１の電力変換回路１２０から送電コイルＬ１に出力される交流パルス波の電圧ピーク値が３９０（Ｖ）、ＤＣオフセット０（Ｖ）とした場合の各種特性が示されている。図３に示されるように、伝送効率ηの最も高くなる駆動周波数ｆｅｆｆｐｅａｋは９０．０００（ｋＨｚ）であり、出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数ｆｖｐｅａｋは９３．３３３（ｋＨｚ）となっている。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１では、伝送効率ηの最も高くなる駆動周波数ｆｅｆｆｐｅａｋと、出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数ｆｖｐｅａｋのうち、高い方の周波数を選定している。すなわち、図３に示す例においては、出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数ｆｖｐｅａｋである９３．３３３（ｋＨｚ）が選定されることとなる。この出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数ｆｖｐｅａｋである９３．３３３（ｋＨｚ）は、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクタンスＸが以下の式（１）および式（２）を満たしている。但し、δｆは駆動周波数ｆの変化分であり、δＸはリアクタンスＸの駆動周波数ｆに対する変化分である。
Ｘ＞０ 式（１）
δＸ／δｆ≧０ 式（２）
逆に、伝送効率ηの最も高くなる駆動周波数ｆｅｆｆｐｅａｋである９０．０００（ｋＨｚ）は、図３に示されるように、式（１）を満たしているが式（２）を満たしていない。

ここで、式（１）および式（２）と安定給電との関係について詳細に説明する。まず、式（１）を満たす場合、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＳ１は誘導性の領域で電力伝送を行うこととなる。逆に、式（１）を満たさない場合、ワイヤレス電力伝送システムＳ１は容量性の領域あるいは誘導性の領域と容量性の領域の境目で動作してしまうこととなり、安定した電力伝送を行うことができない。一方、式（２）を満たす場合は、ワイヤレス電力伝送システムＳ１は、電源側から負荷側に対して正の電力を供給する状態となる。逆に、式（２）を満たさない場合、電力が負荷側から電源側に供給される（負荷側から電源側に電力が逆流）、言い換えると負荷側から電力が反射されることとなり、安定した電力供給を行うことができなくなる。つまり、式（１）と式（２）を同時に満たす場合、ワイヤレス電力伝送システムＳ１は、安定した電力伝送を行うことが可能である条件であることとなる。

以上説明したように、伝送効率ηの最も高くなる駆動周波数ｆｅｆｆｐｅａｋと、出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数（受電装置３００に発生する電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数）ｆｖｐｅａｋのうち、高い方の周波数を選定すると、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクタンスＸが式（１）および式（２）を満たすこととなる。言い換えると、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクタンスＸが式（１）および式（２）を満たすときの周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数ｆに設定すると、伝送効率ηの最も高くなる駆動周波数ｆｅｆｆｐｅａｋと、出力電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数（受電装置３００に発生する電圧値Ｖｏｕｔの最も大きくなる駆動周波数）ｆｖｐｅａｋのうち、高い方の周波数を選定した場合と同様に、負荷の変動に対して出力電圧値の変動を抑制することができる。そのため、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

（変形例）
続いて、図４のフローチャートを参照して、ワイヤレス電力伝送システムＳ１の周波数探索動作の変形例について詳細に説明する。図４は、変形例に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１の周波数探索動作を示すフローチャートである。

図４に示された変形例では、制御回路１４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数を探索する周波数範囲における上限値の周波数あるいは下限値の周波数に設定（初期周波数の設定）して駆動し、予め低く設定された初期電圧（例えば、５０Ｖ〜１５０Ｖ程度）が電源回路１１０から印加されることによって、送電装置１００が駆動する。このとき、出力電圧値０Ｖ、伝送効率０％を制御回路１４０内の探索用メモリに格納することによって、初期化する。（ステップＳ２０１）

続いて、送電側通信手段１５０から受電側通信手段３４０に対して、整流回路３１０の出力電圧値、および、受電電力値を要求する要求信号ＳＬ１０が発信される。受電側通信手段３４０は、送電側通信手段１５０からの要求信号ＳＬ１０を受信すると、受電側検出回路３２０が整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値を検出し、それらに基づく電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４を演算回路３３０に出力する。演算回路３３０は、受け取った電圧検出信号３２２および電流検出信号３２４を基に、整流回路３１０の出力電圧値および出力電流値から受電電力値を算出する。検出した出力電圧値および算出した受電電力値は、受電側通信手段３４０によって受電側状態信号ＳＬ２０に変換されて送電側通信手段１５０に送信される。このとき、送電側検出回路１３０が電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値を検出し、それらに基づく電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を制御回路１４０に出力する。制御回路１４０は、受け取った電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を基に、電圧変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値から送電電力値を算出する。そして、制御回路１４０は、算出した送電電力値と、送電側通信手段１５０が受信した受電側状態信号ＳＬ２０を基に得られる受電電力値を利用して、伝送効率を算出する。（ステップＳ２０２）

続いて、ステップＳ２０２で算出した出力電圧値と伝送効率、および、ステップＳ２０２で算出した出力電圧値のときの周波数とステップＳ２０２で算出した伝送効率のときの周波数をそれぞれ制御回路１４０の探索用メモリ内に格納する。（ステップＳ２０３）

次に、制御回路１４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数を探索する周波数範囲において可変し、可変した周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定する。（ステップＳ２０４）ここで、初期周波数を探索する周波数範囲における上限値の周波数に設定した場合は、低い周波数に可変させ、初期周波数を探索する周波数範囲における下限値の周波数に設定した場合は、高い周波数へ可変させる。

続いて、ステップＳ２０４にて設定した周波数が探索する周波数範囲を超えているか否かを判定する。（ステップＳ２０５）ここで、初期周波数を探索する周波数範囲における上限値の周波数に設定した場合は、ステップＳ２０４にて設定した周波数が探索する周波数範囲における下限値の周波数を下回っているか否か判定し、初期周波数を探索する周波数範囲における下限値の周波数に設定した場合は、ステップＳ２０４にて設定した周波数が探索する周波数範囲における上限値の周波数を上回っているか否か判定する。

そして、ステップＳ２０４にて設定した周波数が探索する周波数範囲を超えていないと判定されたときは（ステップＳ２０５Ｎ）、ステップＳ２０２に戻り、ステップＳ２０２からステップＳ２０５の処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ２０４にて設定した周波数が探索する周波数範囲を超えていると判定されたときは（ステップＳ２０５Ｙ）、制御回路１４０の探索用メモリに格納されているステップＳ２０２で算出した出力電圧値のうちの出力電圧値が最も大きくなるときの周波数、すなわち受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる周波数と、ステップＳ２０２で算出した伝送効率のうちの伝送効率が最も高くなるときの周波数を算出する。（ステップＳ２０６）

続いて、ステップＳ２０６で算出した出力電圧値が最も大きくなるときの周波数と、ステップＳ２０６で算出した伝送効率が最も高くなるときの周波数を比較する。（ステップＳ２０７）

ステップＳ２０６で算出した出力電圧値が最も大きくなるときの周波数と、ステップＳ２０６で算出した伝送効率が最も高くなるときの周波数を比較した結果、ステップＳ２０６で算出した出力電圧値が最も大きくなるときの周波数が大きい場合（ステップＳ２０７Ｙ）、制御回路１４０は、ステップＳ２０６で算出した出力電圧値が最も大きくなるときの周波数を制御回路１４０内の設定用メモリに格納する。（ステップＳ２０８）そして、制御回路１４０は、設定用メモリに格納された出力電圧値の最も大きくなる周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定する。（ステップＳ２１０）このように、電力変換回路１２０の駆動周波数が出力電圧値の最も大きくなる周波数に設定されると、周波数探索動作が終了する。（ステップＳ２１２）

ステップＳ２０６で算出した出力電圧値が最も大きくなるときの周波数と、ステップＳ２０６で算出した伝送効率が最も高くなるときの周波数を比較した結果、ステップＳ２０６で算出した伝送効率が最も高くなるときの周波数が大きい場合（ステップＳ２０７Ｎ）、制御回路１４０は、ステップＳ２０６で算出した伝送効率が最も高くなるときの周波数を制御回路１４０内の設定用メモリに格納する。（ステップＳ２０９）そして、制御回路１４０は、設定用メモリに格納された伝送効率の最も高くなる周波数を電力変換回路１２０の駆動周波数に設定する。（ステップＳ２１１）このように、電力変換回路１２０の駆動周波数が伝送効率の最も高くなる周波数に設定されると、周波数探索動作が終了する。（ステップＳ２１２）

以上のように、本変形例によれば、制御回路１４０が、所定の周波数範囲内において、伝送効率の最も高くなる第１の周波数と、受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数のうち、高い方の周波数を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定して電力伝送を行っている。ここで、伝送効率の最も高くなる第１の周波数又は受電装置３００に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数を電力変換回路１２０の出力する交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定すると、電力伝送効率を高めることができる。これら２つの周波数のうち、高い方の周波数を選定して交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定すると、負荷の変動に対して受電装置３００に発生する電圧の変動を抑制することができる。そのため、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

（第２実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ２について詳細に説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ２を負荷ＲＬとともに示す構成図である。第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ２は、第１の制御回路の動作の点において、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と異なっている。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

ワイヤレス電力伝送システムＳ２は、図５に示されるように、送電装置１００と受電装置３００を有する。送電装置１００は、電源回路１１０、電力変換回路１２０、送電側検出回路１３０、制御回路２４０、送電側通信手段１５０、送電コイルＬ１を有する。ここで、電力変換回路１２０は、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。

制御回路２４０は、第１実施形態と同様に、送電側検出回路１３０から出力される電圧検出信号１３２および電流検出信号１３４を基に、電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値から送電電力値を算出する。また、制御回路２４０は、電力変換回路１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０の出力する交流電圧の周波数）を制御するとともに、電力変換回路１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０の出力する交流電圧の周波数）を所定の周波数範囲内において選定する周波数探索動作を行っている。但し、本実施形態では、制御回路２４０が電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を可変制御する点において、第１実施形態と相違する。

制御回路２４０は、周波数探索動作が終了し、出力電圧値の最も大きくなる周波数（受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数）と伝送効率の最も高くなる周波数のうちの高い方の周波数を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）に設定した後、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定する前のデューティ比から可変させる制御を行う。具体的には、交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定する前のデューティ比で電力変換回路１２０を駆動させたときの送電装置１００から受電装置３００に伝送される電力が目標電力を下回っていると、制御回路２４０は、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を大きくするように可変させる。このように、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を大きくすると、電力変換回路１２０を構成しているスイッチング素子（図示しない）の導通時間が長くなる。すなわち、導通時間が長くなると、１回あたりのスイッチング動作による電力伝送時間も長くなり、その結果送電装置１００が受電装置３００に伝送される電力が大きくなる。なお、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を大きくして送電装置１００から受電装置３００に伝送される電力が目標電力を上回ってしまった場合、制御回路２４０は、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を小さくするように可変させる。

逆に、交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定する前のデューティ比で電力変換回路１２０を駆動させたときの送電装置１００から受電装置３００に伝送される電力が目標電力を上回っていると、制御回路２４０は、電力変換回路１２０のスイッチ動作のデューティ比を小さくするように可変させる。このように、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を小さくすると、電力変換回路１２０を構成しているスイッチング素子（図示しない）の導通時間が短くなる。すなわち、導通時間が短くなると、１回あたりのスイッチング動作による電力伝送時間も短くなり、その結果送電装置１００が受電装置３００に伝送される電力が小さくなる。なお、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューディ比を小さくして送電装置１００から受電装置３００に伝送される電力が目標電力を下回ってしまった場合、制御回路２４０は、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を大きくするように可変させる。

ここで、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を可変させた場合、送電装置１００から受電装置３００に伝送される電力を維持した状態で、電力変換回路１２０の入力電圧値および入力電流値のバランスを調整することができる。すなわち、電力変換回路１２０への過電流又は過電圧などの異常が防止され、部品の破損を防ぐことができる。

以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ２では、電力変換回路１２０は、スイッチング回路であって、制御回路２４０は、出力電圧値の最も大きくなる周波数（受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数）と伝送効率の最も高くなる周波数のうちの高い方の周波数に交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定した後、電力変換回路１２０のスイッチング動作のデューティ比を交流電圧の周波数（電力変換回路１２０の駆動周波数）を設定する前のデューティ比から可変させる。この場合、安定給電を維持しつつ、電力変換回路の入力電圧値および入力電流値のバランスを調整することができる。その結果、電力変換回路への過電流又は過電圧などの異常が防止され、部品の破損を防ぐことができる。

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ３について詳細に説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ３を負荷ＲＬとともに示す構成図である。第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ３は、送電装置１００が共振コンデンサＣ２を備えている点において、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と異なっている。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

ワイヤレス電力伝送システムＳ３は、図６に示されるように、送電装置１００と受電装置３００を有する。送電装置１００は、電源回路１１０、電力変換回路１２０、送電側検出回路１３０、制御回路１４０、送電側通信手段１５０、送電コイルＬ１と、共振コンデンサＣ２を有する。受電装置３００は、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、整流回路３１０、受電側検出回路３２０、演算回路３３０、受電側通信手段３４０を有する。なお、電源回路１１０、電力変換回路１２０、送電側検出回路１３０、制御回路１４０、送電側通信手段１５０、送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、整流回路３１０、受電側検出回路３２０、演算回路３３０、受電側通信手段３４０の構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と同様である。

共振用コンデンサＣ２は、送電コイルＬ１とともにＬＣ直列共振回路を形成する。本実施形態においては、送電コイルＬ１に直列接続されているが、これに限られない。例えば送電コイルＬ１に並列に接続されていてもよい。

このように構成されるワイヤレス電力伝送システムＳ３は、送電側および受電側がともにＬＣ直列共振回路を形成しているため、受電装置３００に発生する電圧の極大値が複数存在する場合と単一のみ存在する場合とがある。

まず、図７を参照して、受電装置３００に発生する電圧の極大値が複数存在する場合について詳細に説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電力変換回路１２０の駆動周波数に対する各種特性を示すグラフである。

図７に示すグラフは、横軸に電力変換回路１２０の駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）を表示し、縦軸に伝送効率η（％）、整流回路３１０の出力電圧値Ｖｏｕｔ（Ｖ）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンス｜Ｚｉｎ｜（Ｚｉｎ＝Ｒ＋ｊＸ）（Ω）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクアンスＸ（Ω）を表示している。なお、Ｒは回路網の抵抗成分（実数部）であり、ｊは虚数単位である。ここで、図７に示す例においては、ワイヤレス電力伝送システムＳ３の電力変換回路１２０から送電コイルＬ１に出力される交流パルス波の電圧ピーク値が３９０（Ｖ）、ＤＣオフセット０（Ｖ）とした場合の各種特性が示されている。図７に示されるように、受電装置３００に発生する電圧の極大値は２つ存在している。

制御回路１４０が制御する電力変換回路１２０が出力する交流電圧の周波数が誘導性の領域となるには、受電装置３００に発生する電圧の２つの極大値のうちの低い方の極大値の周波数より大きい周波数となる。本例においては、制御回路１４０が探索する所定の周波数範囲は、受電装置３００に発生する電圧の２つの極大値のうちの高い方の極大値近傍（±２５（ｋＨｚ））の周波数範囲であればよい。したがって、制御回路１４０が所定の周波数範囲内において、上限値の周波数を初期周波数に設定して周波数探索動作を行うと、受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数は、受電装置３００に発生する電圧の２つの極大値のうちの高い方の極大値の周波数となる。一方、伝送効率の最も高くなる周波数は、電圧値の極大値近傍の周波数となる。図７に示されるように、受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数と伝送効率の最も高くなる周波数のうち、高い方の周波数は受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数となる。そして、制御回路１４０が受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数に電力変換回路１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０から発生する交流電圧の周波数）を設定して電力伝送を行う。このとき、受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数は、上述の式（１）と式（２）を同時に満たしているため、負荷ＲＬの変動に対して受電装置３００に発生する電圧の変動を抑制することができ、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。なお、制御回路１４０の周波数探索動作は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と同様であるため、本実施形態では説明は省略する。

次に、図８を参照して、ワイヤレス電力伝送システムＳ３において、受電装置３００に発生する電圧の極大値が単一のみ存在している場合について詳細に説明する。図８は、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの電力変換回路の駆動周波数に対する負荷に変動が起きた場合の各種特性を示すグラフである。

図８に示すグラフは、横軸に電力変換回路１２０の駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）を表示し、縦軸に伝送効率η（％）、整流回路３１０の出力電圧値Ｖｏｕｔ（Ｖ）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンス｜Ｚｉｎ｜（Ｚｉｎ＝Ｒ＋ｊＸ）（Ω）、電力変換回路１２０の出力から見た送電コイルＬ１、受電コイルＬ２、共振用コンデンサＣ１、共振用コンデンサＣ２、負荷ＲＬ等で構成される回路網のインピーダンスの虚部であるリアクアンスＸ（Ω）を表示している。なお、Ｒは回路網の抵抗成分（実数部）であり、ｊは虚数単位である。ここで、図８に示す例においては、ワイヤレス電力伝送システムＳ３の電力変換回路１２０から送電コイルＬ１に出力される交流パルス波の電圧ピーク値が３９０（Ｖ）、ＤＣオフセット０（Ｖ）とし、負荷ＲＬの抵抗値を図７に示す例よりも大きくした場合の各種特性が示されている。図８に示されるように、受電装置３００に発生する電圧の極大値は単一のみ存在している。

制御回路１４０が制御する電力変換回路１２０が出力する交流電圧の周波数が誘導性の領域となるには、受電装置３００に発生する電圧の極大値の周波数より大きい周波数となる。本例においては、制御回路１４０が探索する所定の周波数範囲は、受電装置３００に発生する電圧の極大値の周波数から＋５０（ｋＨｚ）の周波数範囲であればよい。したがって、受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数は、所定の周波数範囲内における下限値近傍の周波数となる。一方、伝送効率の最も高くなる周波数は、受電装置３００に発生する電圧の極大値の周波数から＋２５（ｋＨｚ）近傍の周波数となる。図８に示されるように、受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数と伝送効率の最も高くなる周波数のうち、高い方の周波数は伝送効率の最も高くなる周波数となる。そして、制御回路１４０が伝送効率の最も高くなる周波数に電力変換回路１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０から発生する交流電圧の周波数）を設定して電力伝送を行う。このとき、伝送効率の最も高くなる周波数は、上述の式（１）と式（２）を同時に満たしているため、負荷ＲＬの変動に対して受電装置３００に発生する電圧の変動を抑制することができ、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。なお、制御回路１４０の周波数探索動作は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ１と同様であるため、本実施形態では説明は省略する。

以上のことから、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムＳ３では、受電装置３００に発生する電圧の極大値が複数存在する場合あるいは単一のみ存在する場合のいずれであっても、制御回路１４０が電力変換回路１２０の駆動周波数（電力変換回路１２０の出力する交流電圧の周波数）として、所定の周波数範囲内において受電装置３００に発生する電圧の最も大きくなる周波数と伝送効率の最も高くなる周波数のうち、高い方の周波数に設定することで、負荷ＲＬの変動に対して受電装置３００に発生する電圧の変動を抑制することができる。そのため、電力伝送効率を高く維持しつつ、安定給電を実現できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。また、記載した構成要素は、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一なものが含まれる。さらに、記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

１００…送電装置、１１０…電源回路、１２０…電力変換回路、１３０…送電側検出手段、１３２…電圧検出信号、１３４…電流検出信号、１４０，２４０…制御回路、１５０…送電側通信手段、３００…受電装置、３１０…整流回路、３２０…受電側検出手段、３２２…電圧検出信号、３２４…電流検出信号、３３０…演算回路、３４０…受電側通信手段、Ｃ１，Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｌ１…送電コイル、Ｌ２…受電コイル、ＲＬ…負荷、Ｓ１，Ｓ２…ワイヤレス電力伝送システム、ＳＬ１０…要求信号、ＳＬ２０…受電側状態信号。

Claims (4)

1. 受電装置にワイヤレスにて交流電力を伝送する送電装置であって、
   交流磁界を生成するために交流電圧を出力する電力変換回路と、
   前記交流電圧の周波数を制御するための制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、所定の周波数範囲内において、伝送効率の最も高くなる第１の周波数と、前記受電装置に発生する電圧が最も大きくなる第２の周波数のうち、高い方の周波数を前記交流電圧の周波数に設定して電力伝送を行う送電装置。
2. 前記電力変換回路に直流電力を供給する電源回路を有し、
   前記制御回路は、前記交流電圧の周波数を設定した後、前記電力変換回路への供給電圧を前記交流電圧の周波数を設定する前の供給電圧よりも大きくする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記電力変換回路は、スイッチング回路であって、
   前記制御回路は、前記交流電圧の周波数を設定した後、前記電力変換回路のスイッチング動作のデューティ比を前記交流電圧の周波数を設定する前のデューティ比から可変させる請求項１に記載の送電装置。
4. 請求項１〜３いずれか一項に記載の前記送電装置と、受電装置と、を備えるワイヤレス電力伝送システム。

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