JP6579064B2 - 送電装置及び電力伝送システム - Google Patents

Description

この発明は、送電装置及び電力伝送システムに関し、特に、受電装置へ非接触で送電する送電装置及びそれを備える電力伝送システムに関する。

送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜６参照）。このような電力伝送システムについて、特開２０１４−２０７７９５号公報（特許文献１）は、給電装置（送電装置）から車両（受電装置）へ非接触で給電する非接触給電システムを開示する。この非接触給電システムでは、給電装置は、送電コイルと、インバータと、制御部とを備える。送電コイルは、車両に搭載された受電コイルへ非接触で送電する。インバータは、駆動周波数に応じた交流電流を生成して送電コイルへ出力する。制御部は、バッテリへの充電電力指令とバッテリへの出力電力とを車両側から取得し、出力電力が充電電力指令に追従するようにインバータの駆動周波数をフィードバック制御する（特許文献１参照）。

特開２０１４−２０７７９５号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

上記のような電力伝送システムにおいて、インバータの出力電圧のデューティ（duty）を調整することによって、送電電力の大きさを制御することができる。また、電力が維持される下で送電コイルに流れる電流（以下「送電コイル電流」とも称する。）が最小となるように送電電力の周波数を調整することによって、送電コイルと受電コイルとの間の電力伝送効率を高めることができる。

制御対象に振動信号を与えることにより制御量の極値を探索する公知の極値探索制御を用いて、インバータにより生成される送電電力の周波数を振動させることにより、送電コイル電流が最小となる周波数を探索することが可能である。しかしながら、上記の送電電力制御によってインバータの出力電圧のデューティが最大値に調整されている場合に、送電コイル電流を最小にする上記の極値探索制御が実行されると、送電電力が減少する方向に周波数が調整され（デューティは最大値の状態）、送電電力が低下してしまう場合がある。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、受電装置へ非接触で送電する送電装置及びそれを備える電力伝送システムにおいて、送電電力の低下を抑制することである。

本開示の送電装置は、受電装置へ非接触で送電する送電コイルと、交流の送電電力を生成して送電コイルへ供給するインバータと、インバータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、インバータの出力電圧のデューティを調整することによって送電電力を目標電力に制御する第１の制御部と、インバータを制御することによって送電電力の周波数を調整する周波数制御を実行する第２の制御部とを含む。第２の制御部による周波数制御は、第１の極値探索制御と、第２の極値探索制御とを含む。第１の極値探索制御は、周波数を振動させることによって、送電コイル電流が最小となる周波数を探索する。第２の極値探索制御は、第１の極値探索制御と選択的に動作し、周波数を振動させることによって、送電電力が最大となる周波数を探索する。第２の制御部は、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値に調整されている場合には、第２の極値探索制御を実行し、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値よりも小さい値に調整されている場合に、第１の極値探索制御を実行する。

また、本開示の電力伝送システムは、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置は、受電装置へ非接触で送電する送電コイルと、交流の送電電力を生成して送電コイルへ供給するインバータと、インバータを制御する制御装置とを含む。制御装置は、インバータの出力電圧のデューティを調整することによって送電電力を目標電力に制御する第１の制御部と、インバータを制御することによって送電電力の周波数を調整する周波数制御を実行する第２の制御部とを含む。第２の制御部による周波数制御は、第１の極値探索制御と、第２の極値探索制御とを含む。第１の極値探索制御は、周波数を振動させることによって、送電コイル電流が最小となる周波数を探索する。第２の極値探索制御は、第１の極値探索制御と選択的に動作し、周波数を振動させることによって、送電電力が最大となる周波数を探索する。第２の制御部は、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値に調整されている場合には、第２の極値探索制御を実行し、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値よりも小さい値に調整されている場合に、第１の極値探索制御を実行する。

この送電装置及び電力伝送システムにおいては、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値に調整されている場合には、送電電力が最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御が実行される。これにより、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値に調整されている状態で送電電力が減少する方向に周波数が調整されるのを回避することができる。そして、送電電力が目標を超えると、第１の制御部によってインバータ出力電圧のデューティが最大値よりも小さい値に調整されるので、送電コイル電流が最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御が実行される。このように、この送電装置及び電力伝送システムによれば、送電電力が低下するのを抑制することができる。

本開示によれば、受電装置へ非接触で送電する送電装置及びそれを備える電力伝送システムにおいて、送電電力の低下を抑制することができる。

本開示の実施の形態に従う送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。 インバータのスイッチング波形と出力電圧波形とを示した図である。 図１に示す送電部及び受電部の構成を説明する回路図である。 インバータが起動してからの動作点の推移の一例を示した図である。 電源ＥＣＵにより実行される送電電力制御、第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）、及び第２の極値探索制御（電力最大制御）の制御ブロック図である。 電源ＥＣＵにより実行される極値探索制御（周波数制御）の処理手順を説明するためのフローチャートである。

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、図中同一又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。

図１は、本開示の実施の形態に従う送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この電力伝送システムは、送電装置１０と、受電装置２０とを備える。受電装置２０は、たとえば、送電装置１０から供給され蓄えられた電力を用いて走行可能な車両等に搭載される。

送電装置１０は、力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路２１０と、インバータ２２０と、フィルタ回路２３０と、送電部２４０とを含む。また、送電装置１０は、電源ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２５０と、通信部２６０と、電圧センサ２７０と、電流センサ２７２，２７４とをさらに含む。

ＰＦＣ回路２１０は、商用系統電源等の交流電源１００から受ける電力を整流及び昇圧してインバータ２２０へ供給するとともに、入力電流を正弦波に近づけることで力率を改善する。このＰＦＣ回路２１０には、公知の種々のＰＦＣ回路を採用し得る。なお、ＰＦＣ回路２１０に代えて、力率改善機能を有しない整流器を採用してもよい。

インバータ２２０は、電源ＥＣＵ２５０によって制御され、ＰＦＣ回路２１０から受ける直流電力を、所定の周波数（たとえば数十ｋＨｚ）を有する送電電力（交流）に変換する。インバータ２２０は、電源ＥＣＵ２５０からの制御信号に従ってスイッチング周波数を変更することにより、送電電力の周波数を調整することができる。インバータ２２０によって生成された送電電力は、フィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ供給される。インバータ２２０は、たとえば単相フルブリッジ回路によって構成される。

フィルタ回路２３０は、インバータ２２０と送電部２４０との間に設けられ、インバータ２２０から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路２３０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。

送電部２４０は、インバータ２２０により生成される交流電力（送電電力）をインバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて受け、送電部２４０の周囲に生成される磁界を通じて受電装置２０の受電部３１０へ非接触で送電する。送電部２４０は、受電部３１０へ非接触で送電するための共振回路を含む（図示せず）。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。

電圧センサ２７０は、インバータ２２０の出力電圧Ｖを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。電流センサ２７２は、インバータ２２０に流れる電流すなわちインバータ２２０の出力電流Ｉｉｎｖを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。なお、電圧センサ２７０及び電流センサ２７２の検出値に基づいて、インバータ２２０から送電部２４０へ供給される送電電力を検出することができる。電流センサ２７４は、送電部２４０に流れる電流Ｉｓを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。

電源ＥＣＵ２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理プログラム等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、各種信号を入出力するための入出力ポート等を含み（いずれも図示せず）、上述の各センサ等からの信号を受けるとともに、送電装置１０における各種機器の制御を実行する。たとえば、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送が行なわれるときに、送電電力（交流）をインバータ２２０が生成するようにインバータ２２０のスイッチング制御を実行する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

この実施の形態に従う送電装置１０では、電源ＥＣＵ２５０により実行される主要な制御として、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送の実行時に、送電電力を目標電力にするための制御（以下「送電電力制御」とも称する。）を実行する。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の出力電圧のデューティ（duty）を調整することによって、送電電力を目標電力に制御する。

なお、インバータ２２０の出力電圧のデューティとは、出力電圧波形（矩形波）の周期に対する正（又は負）の電圧出力時間の比として定義される。インバータ２２０のスイッチング素子（オン／オフ期間比０．５）の動作タイミングを変化させることによって、インバータ出力電圧のデューティを最小値０から最大値０．５の間で調整することができる。

図２は、インバータ２２０のスイッチング波形と出力電圧波形とを示した図である。図２を参照して、インバータ２２０は、電圧形のインバータであり、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する。）Ｑ１〜Ｑ４を含んで構成される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、それぞれＲ相の上アーム及び下アームであり、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４は、それぞれＳ相の上アーム及び下アームである。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各々には、還流ダイオードが逆並列に接続される。

オン／オフ期間比０．５で動作するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を図示のようにオン／オフさせることにより、スイッチング周波数で変動する方形波の出力電圧Ｖが生成される。すなわち、インバータ２２０のスイッチング周波数を操作することにより、インバータ２２０によって生成される送電電力の周波数を調整することができる。

Ｔはインバータ２２０のスイッチング周期を示し、Ｔｄは電圧Ｖの出力時間を示す。周期Ｔに対するＴｄの期間比が、インバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティを示す。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のオン／オフタイミングに対してスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のオン／オフタイミングを変化させることによって、インバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティを調整することができる。なお、この図２では、一例としてデューティが０．２５に調整されている場合が示されている。

再び図１を参照して、送電電力の目標電力は、たとえば受電装置２０の受電状況に基づいて生成される。この実施の形態では、受電装置２０において、受電電力の目標値と検出値との偏差に基づいて送電電力の目標電力が生成され、受電装置２０から送電装置１０へ送信される。

また、電源ＥＣＵ２５０は、上述の送電電力制御を実行するとともに、送電電力が維持される下で、送電部２４０に含まれる送電コイル（後述）に流れる電流Ｉｓを最小にするための制御（以下「送電コイル電流制御」とも称する。）を実行する。詳細については後述するが、送電電力が維持される下で、送電コイルに流れる電流Ｉｓが小さいほど、送電部２４０（送電コイル）と受電部３１０（受電コイル）との間の電力伝送効率は高くなる。そこで、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御を実行しつつ、送電コイルに流れる電流Ｉｓが最小となるようにインバータ２２０の駆動周波数（インバータ２２０のスイッチング周波数であり、送電電力の周波数でもある。）を調整する。なお、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の駆動周波数すなわち送電電力の周波数を所定の周波数帯（規格等によって定められ得る。）において調整可能であり、この周波数帯を外れて周波数を調整することはしない。

さらに、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力の周波数を調整することによって、送電電力を最大にするための制御（以下「電力最大制御」とも称する。）を実行可能に構成される。この電力最大制御は、上記の送電コイル電流制御と選択的に動作し、送電電力が最大となるようにインバータ２２０の駆動周波数が調整される。

電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御によってインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）に調整されている場合には、送電電力の周波数を調整することによって上述の電力最大制御を実行する。そして、電力最大制御により送電電力が目標を超え、送電電力制御によってデューティが最大値よりも小さくなると、電源ＥＣＵ２５０は、電力最大制御を送電コイル電流制御に切替える。電源ＥＣＵ２５０によって実行される上記の各制御については、後ほど詳しく説明する。

通信部２６０は、受電装置２０の通信部３７０と無線通信するように構成される。通信部２６０は、受電装置２０から送信される送電電力の目標（目標電力）を受信するほか、電力伝送の開始／停止に関する情報を受電装置２０とやり取りしたり、受電装置２０の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を受電装置２０から受信したりする。

一方、受電装置２０は、受電部３１０と、フィルタ回路３２０と、整流部３３０と、リレー回路３４０と、蓄電装置３５０とを含む。また、受電装置２０は、充電ＥＣＵ３６０と、通信部３７０と、電圧センサ３８０と、電流センサ３８２とをさらに含む。

受電部３１０は、送電装置１０の送電部２４０から出力される電力（交流）を、磁界を通じて非接触で受電する。受電部３１０は、たとえば、送電部２４０から非接触で受電するための共振回路を含む（図示せず）。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。

フィルタ回路３２０は、受電部３１０と整流部３３０との間に設けられ、受電部３１０による受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路３２０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。整流部３３０は、受電部３１０によって受電された交流電力を整流して蓄電装置３５０へ出力する。整流部３３０は、整流器とともに平滑用のキャパシタを含んで構成される。

蓄電装置３５０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電池やニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置３５０は、整流部３３０から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置３５０は、その蓄えられた電力を図示しない負荷駆動装置等へ供給する。なお、蓄電装置３５０として電気二重層キャパシタ等も採用可能である。

リレー回路３４０は、整流部３３０と蓄電装置３５０との間に設けられる。リレー回路３４０は、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電時にオン（導通状態）にされる。電圧センサ３８０は、整流部３３０の出力電圧（受電電圧）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電流センサ３８２は、整流部３３０からの出力電流（受電電流）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電圧センサ３８０及び電流センサ３８２の検出値に基づいて、受電部３１０による受電電力（蓄電装置３５０の充電電力に相当する。）を検出することができる。電圧センサ３８０及び電流センサ３８２は、受電部３１０と整流部３３０との間（たとえば、フィルタ回路３２０と整流部３３０との間）に設けてもよい。

充電ＥＣＵ３６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を含み（いずれも図示せず）、上記の各センサ等からの信号を受けるとともに、受電装置２０における各種機器の制御を行なう。各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

充電ＥＣＵ３６０により実行される主要な制御として、充電ＥＣＵ３６０は、送電装置１０からの受電中に、受電装置２０における受電電力が所望の目標となるように、送電装置１０における送電電力の目標（目標電力）を生成する。具体的には、充電ＥＣＵ３６０は、受電電力の目標と検出値との偏差に基づいて、送電装置１０における送電電力の目標を生成する。そして、充電ＥＣＵ３６０は、生成された送電電力の目標（目標電力）を通信部３７０によって送電装置１０へ送信する。

通信部３７０は、送電装置１０の通信部２６０と無線通信するように構成される。通信部３７０は、充電ＥＣＵ３６０において生成される送電電力の目標（目標電力）を送電装置１０へ送信するほか、電力伝送の開始／停止に関する情報を送電装置１０とやり取りしたり、受電装置２０の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を送電装置１０へ送信したりする。

この電力伝送システムにおいては、送電装置１０において、インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ、交流の送電電力が供給される。送電部２４０及び受電部３１０の各々は、共振回路を含み、送電電力の周波数において共振するように設計されている。

インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ交流の電力が供給されると、送電部２４０の共振回路を構成するコイルと、受電部３１０の共振回路を構成するコイルとの間に形成される磁界を通じて、送電部２４０から受電部３１０へエネルギー（電力）が移動する。受電部３１０へ移動したエネルギー（電力）は、フィルタ回路３２０及び整流部３３０を通じて蓄電装置３５０へ供給される。

図３は、図１に示した送電部２４０及び受電部３１０の構成を説明する回路図である。図３を参照して、送電部２４０は、送電コイル２４２と、キャパシタ２４４とを含む。キャパシタ２４４は、送電コイル２４２に直列に接続されて送電コイル２４２と共振回路を形成する。キャパシタ２４４は、送電部２４０の共振周波数を調整するために設けられる。送電コイル２４２及びキャパシタ２４４によって構成される共振回路の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。なお、この回路図では、送電装置１０において、インバータ２２０と送電部２４０との間のフィルタ回路２３０（図１）の図示は省略されている。

受電部３１０は、受電コイル３１２と、キャパシタ３１４とを含む。キャパシタ３１４は、受電コイル３１２に直列に接続されて受電コイル３１２と共振回路を形成する。キャパシタ３１４は、受電部３１０の共振周波数を調整するために設けられる。受電コイル３１２及びキャパシタ３１４によって構成される共振回路のＱ値も、１００以上であることが好ましい。

なお、特に図示しないが、送電コイル２４２及び受電コイル３１２の構造は特に限定されない。たとえば、送電部２４０と受電部３１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部３１０とが並ぶ方向に沿う軸に巻回される渦巻形状やらせん形状のコイルを送電コイル２４２及び受電コイル３１２の各々に採用することができる。或いは、送電部２４０と受電部３１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部３１０とが並ぶ方向を法線方向とするフェライト板に電線を巻回して成るコイルを送電コイル２４２及び受電コイル３１２の各々に採用してもよい。

ここで、受電コイル３１２のインダクタンスはＬ２であり、キャパシタ３１４のキャパシタンスはＣ２であるものとする。電気負荷３９０は、受電部３１０以降のフィルタ回路３２０、整流部３３０及び蓄電装置３５０（図１）である。インピーダンス３９５は、電気負荷３９０の等価インピーダンスを示し、そのインピーダンス値はＲＬであるものとする。すなわち、インピーダンス３９５は、受電部３１０以降の負荷インピーダンスである（以下では、電気負荷３９０の等価インピーダンスＲＬを「負荷インピーダンスＲＬ」とも称する。）。なお、この負荷インピーダンスＲＬは、電気負荷３９０の回路構成、電気負荷３９０が受ける電力（受電電力）、及び電気負荷３９０に含まれる蓄電装置３５０（図１）の電圧（電気負荷３９０の電圧は蓄電装置３５０によって拘束される。）から算出することができる。

このような回路構成において、送電コイル２４２と受電コイル３１２との間の電力伝送効率ηは、次式にて表される。

ここで、Ｉ１は送電コイル２４２に流れる電流（すなわち電流Ｉｓ）を示し、Ｉ２は受電コイル３１２に流れる電流を示す。また、ｒ１は送電コイル２４２の巻線抵抗を示し、ｒ２は受電コイル３１２の巻線抵抗を示す。電気負荷３９０の電圧は、蓄電装置３５０（図１）によって拘束されるので、電力が維持される下では電流Ｉ２及び負荷インピーダンスＲＬは略一定となる。したがって、式（１）から、電力伝送効率ηは電流Ｉ１の２乗に反比例することが理解される。すなわち、送電コイル２４２に流れる電流Ｉ１が小さいほど電力伝送効率ηは高くなる。

そこで、この実施の形態に従う送電装置１０では、送電電力が維持される下で送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓ（図１）を最小にする送電コイル電流制御が実行される。この送電コイル電流制御には、制御対象に振動信号を与えることにより制御量の極値を探索する極値探索制御が適用される。すなわち、制御の詳細については後述するが、電源ＥＣＵ２５０は、極値探索制御を用いて、送電電力の周波数を振動させることによって、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数を探索する（以下、この極値探索制御（送電コイル電流制御）を「第１の極値探索制御」とも称する。）。

ここで、上述の送電電力制御によってインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）に調整されている場合に上記の第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）が実行されると、デューティが最大値（０．５）のまま送電電力が減少する方向に周波数が調整されて送電電力が低下してしまう場合がある（図４にて後述）。

そこで、この実施の形態に従う送電装置１０では、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御によってインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）に調整されている場合には、送電電力の周波数を調整することによって、送電電力を最大とする電力最大制御を実行する。

この電力最大制御についても、制御対象に振動信号を与えることにより制御量の極値を探索する極値探索制御が適用される。すなわち、制御の詳細については後述するが、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力の周波数を振動させることによって、送電電力が最大となる周波数を探索する（以下、この極値探索制御（電力最大制御）を「第２の極値探索制御」とも称する。）。

第２の極値探索制御によって送電電力が目標電力を超えると、送電電力制御によってインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）よりも小さい値に調整される。送電電力制御によってデューティが最大値よりも小さい値に調整されると、電源ＥＣＵ２５０は、第２の極値探索制御を上記の第１の極値探索制御に切替える。これにより、送電電力制御によって、デューティが最大値よりも小さい範囲において送電電力を目標電力に制御しつつ、第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）によって、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数が探索される。このような制御によって、送電電力が低下するのを抑制しつつ、高い電力伝送効率を追求することができる。

図４は、インバータ２２０が起動してからの動作点の推移の一例を示した図である。なお、この図４では、インバータ２２０の起動時における送電電力Ｐｓの周波数（インバータ２２０のスイッチング周波数）が調整範囲下限の周波数ｆ０である場合について説明される。

図４を参照して、横軸は送電電力Ｐｓの周波数ｆを示し、縦軸はインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティを示す。実線で示される線ＰＬ１〜ＰＬ３の各々は、送電電力Ｐｓの等高線を示す。線ＰＬ２によって示される送電電力Ｐｓは、線ＰＬ３によって示される送電電力Ｐｓよりも大きく、線ＰＬ１によって示される送電電力Ｐｓは、線ＰＬ２によって示される送電電力Ｐｓよりも大きい。図から分かるように、ある送電電力Ｐｓを実現するデューティは、周波数依存性を示す。なお、線ＰＬ２は、送電電力Ｐｓの目標電力Ｐｓｒを示しているものとする。

点線で示される線ＩＬ１〜ＩＬ３の各々は、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓの等高線を示す。線ＩＬ２によって示される電流Ｉｓは、線ＩＬ１によって示される電流Ｉｓよりも小さく、線ＩＬ３によって示される電流Ｉｓは、線ＩＬ２によって示される電流Ｉｓよりも小さい。

インバータ２２０の起動直後は、送電電力Ｐｓと目標電力Ｐｓｒとの乖離が大きいので、送電電力制御によってインバータ出力電圧のデューティが急上昇する。デューティが最大値（０．５）に到達した後は、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒよりも小さい限りは、送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）に調整された状態で周波数制御が実行される。

送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）に調整されている場合に（動作領域Ａ１）、仮に、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）が実行されると、送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）に張り付いた状態で、周波数ｆは低下方向に調整される。なお、この例では、周波数ｆは、調整範囲下限の周波数ｆ０から調整されるので、デューティが最大値（０．５）に達した後、周波数ｆが上昇しないこととなる。このままでは、送電電力Ｐｓは目標電力（線ＰＬ２）に到達しない。

そこで、この実施の形態では、デューティが最大値（０．５）に調整されている場合には（動作領域Ａ１）、送電電力Ｐｓが最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御（電力最大制御）が実行される。これにより、送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）に張り付いた状態で、周波数ｆは上昇方向（電力増大方向）に調整される。

そして、送電電力Ｐｓが目標電力（線ＰＬ２）に達し（点Ｐ１）、さらに送電電力Ｐｓが目標電力を超過するまで周波数ｆが上昇すると、送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）よりも小さい値に調整される（動作領域Ａ２）。デューティが最大値（０．５）よりも小さくなると、周波数制御は、第２の極値探索制御（電力最大制御）から第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）に切替わる。これにより、動作点は、送電電力制御及び第１の極値探索制御によって、線ＰＬ２の近傍を推移しながら電流Ｉｓが最小となる点Ｐ２に調整される（動作領域Ａ３）。

図５は、電源ＥＣＵ２５０により実行される送電電力制御、第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）、及び第２の極値探索制御（電力最大制御）の制御ブロック図である。図５を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御を実行する第１の制御部４００と、第１及び第２の極値探索制御を選択的に実行する第２の制御部５００とを含む。

第１の制御部４００は、減算部４１０と、コントローラ４２０とを含む。減算部４１０は、送電電力の目標を示す目標電力Ｐｓｒから送電電力Ｐｓの検出値を減算し、その演算値をコントローラ４２０へ出力する。送電電力Ｐｓの検出値は、たとえば、図１に示した電圧センサ２７０及び電流センサ２７２の検出値に基づいて算出される。目標電力Ｐｓｒは、たとえば、受電装置２０の受電状況に基づいて受電装置２０において生成され、受電装置２０から送電装置１０へ送信される。

コントローラ４２０は、目標電力Ｐｓｒと送電電力Ｐｓとの偏差に基づいて、インバータ出力電圧のデューティ指令値を生成する。コントローラ４２０は、たとえば、目標電力Ｐｓｒと送電電力Ｐｓとの偏差（減算部４１０の出力）を入力とするＰＩ制御（比例積分制御）を実行することによって操作量を算出し、その算出された操作量をデューティ指令値とする。なお、コントローラ４２０は、デューティ指令値が最大値（０．５）に達しているか否かを第２の制御部５００のコントローラ５５０，５９０へ通知する。

第２の制御部５００は、振動信号生成部５１０と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ（High Pass Filter））５２０，５６０と、乗算部５３０，５７０と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ（Low Pass Filter））５４０，５８０と、コントローラ５５０，５９０と、加算部６００とを含む。

振動信号生成部５１０と、ＨＰＦ５２０と、乗算部５３０と、ＬＰＦ５４０と、コントローラ５５０とによって、第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）が構成される。また、振動信号生成部５１０と、ＨＰＦ５６０と、乗算部５７０と、ＬＰＦ５８０と、コントローラ５９０とによって、第２の極値探索制御（電力最大制御）が構成される。

振動信号生成部５１０は、振幅が十分小さく、かつ低周波数の振動信号を生成する。第１の極値探索制御では、このような振動信号を用いることによって、送電電力の周波数ｆについて、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数への移行が監視される。第２の極値探索制御では、この振動信号を用いることによって、送電電力の周波数ｆについて、送電電力Ｐｓが最大となる周波数への移行が監視される。

第１の極値探索制御について、ＨＰＦ５２０は、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓの検出値を受け、電流Ｉｓの直流成分を除去した信号を出力する。このＨＰＦ５２０は、振動信号生成部５１０により生成される振動信号に基づいて送電電力の周波数ｆを振動させたときの電流Ｉｓの傾き（微分係数）を抽出するものである。

乗算部５３０は、ＨＰＦ５２０から出力される信号（電流Ｉｓの微分係数）に、振動信号生成部５１０により生成される振動信号を乗算し、振動信号と電流Ｉｓとの相関係数を算出する。この相関係数は、周波数ｆを変化させたときの電流Ｉｓの増減方向を示すものである。

ＬＰＦ５４０は、乗算部５３０によって演算された相関係数の直流成分を抽出する。このＬＰＦ５４０の出力は、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作方向（増減方向）を示す。なお、このＬＰＦ５４０は、省略することも可能である。

コントローラ５５０は、ＬＰＦ５４０の出力に基づいて、電流Ｉｓが最小となる周波数へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量（変更量）を算出する。コントローラ５５０は、たとえば、ＬＰＦ５４０の出力信号を入力とするＩ制御（積分制御）を実行することによって、周波数ｆの操作量を算出する。

ここで、コントローラ５５０は、第１の制御部４００のコントローラ４２０から、デューティ指令値が最大値（０．５）に達しているか否かの通知を受ける。そして、デューティ指令値が最大値（０．５）に達していない場合に、コントローラ５５０は、算出された周波数ｆの操作量を加算部６００へ出力する。一方、デューティ指令値が最大値（０．５）に達している場合には、コントローラ５５０は、周波数ｆの操作量を０として出力する。この場合は、後述のように、第２の極値探索制御のコントローラ５９０によって算出された周波数ｆの操作量が加算部６００へ出力される。

一方、第２の極値探索制御について、ＨＰＦ５６０は、送電電力Ｐｓの検出値を受け、送電電力Ｐｓの直流成分を除去した信号を出力する。このＨＰＦ５６０は、振動信号生成部５１０により生成される振動信号に基づいて送電電力の周波数ｆを振動させたときの送電電力Ｐｓの傾き（微分係数）を抽出するものである。

乗算部５７０は、ＨＰＦ５６０から出力される信号（送電電力Ｐｓの微分係数）に、振動信号生成部５１０により生成される振動信号を乗算し、振動信号と送電電力Ｐｓとの相関係数を算出する。この相関係数は、周波数ｆを変化させたときの送電電力Ｐｓの増減方向を示すものである。

ＬＰＦ５８０は、乗算部５７０によって演算された相関係数の直流成分を抽出する。このＬＰＦ５８０の出力は、送電電力Ｐｓが最大となる周波数へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作方向（増減方向）を示す。なお、このＬＰＦ５８０は、省略することも可能である。

コントローラ５９０は、ＬＰＦ５８０の出力に基づいて、送電電力Ｐｓが最大となる周波数へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量（変更量）を算出する。コントローラ５９０は、たとえば、ＬＰＦ５８０の出力信号を入力とするＩ制御（積分制御）を実行することによって、周波数ｆの操作量を算出する。

ここで、コントローラ５９０は、第１の制御部４００のコントローラ４２０から、デューティ指令値が最大値（０．５）に達しているか否かの通知を受ける。そして、デューティ指令値が最大値（０．５）に達している場合に、コントローラ５９０は、算出された周波数ｆの操作量を加算部６００へ出力する。一方、デューティ指令値が最大値（０．５）に達していない場合には、コントローラ５９０は、周波数ｆの操作量を０として出力する。この場合は、上述のように、第１の極値探索制御のコントローラ５５０によって算出された周波数ｆの操作量が加算部６００へ出力される。

そして、加算部６００は、コントローラ５５０，５９０の出力と、振動信号生成部５１０によって生成される振動信号とを加算し、その演算値を最終的な周波数ｆの操作量とする。

このように、第２の制御部５００では、インバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）に達しているか否かによって第１及び第２の極値探索制御が選択的に動作する。具体的には、デューティが最大値（０．５）に達していなければ、第１の極値探索制御（送電コイル電流制御）が動作し、デューティが最大値（０．５）に達している場合には、第２の極値探索制御（電力最大制御）が動作する。これにより、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒに到達していないにも拘わらず送電電力Ｐｓが低下するのを回避することができる。

図６は、電源ＥＣＵ２５０により実行される極値探索制御（周波数制御）の処理手順を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図６を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが常時最大値（０．５）であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、極値探索制御において送電電力Ｐｓの周波数を振動させるところ、周波数を振動させてもデューティが最大値（０．５）から変化しなければ、デューティが常時最大値（０．５）であるものと判定する。

デューティが常時最大値（０．５）であると判定された場合には（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力Ｐｓが最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御を実行する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１０においてデューティが常時最大値（０．５）ではないと判定された場合には（ステップＳ１０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、デューティが常時最大値（０．５）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３０）。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、周波数を振動させた場合にデューティが最大値（０．５）に達しなければ、デューティが常時最大値（０．５）よりも小さいものと判定する。

そして、デューティが常時最大値（０．５）よりも小さいと判定された場合には（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御を実行する（ステップＳ４０）。

一方、ステップＳ３０においてデューティが常時最大値（０．５）よりも小さい値ではないと判定された場合には（ステップＳ３０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、デューティが減少する方向に送電電力の周波数ｆを操作する（ステップＳ５０）。すなわち、デューティが常時最大値（０．５）ではなく、かつ、常時最大値（０．５）よりも小さい値でもない場合とは、周波数の振動に応じて、送電電力制御によりデューティが最大値と最大値よりも小さい値との間を振動する場合であり、この場合は、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒに到達したことを意味する（図４の点Ｐ１）。したがって、この場合には、デューティが減少する方向に周波数ｆが操作される。これにより、デューティは、常時最大値（０．５）よりも小さい状態となり、第２の極値探索制御が実行されることとなる。

以上のように、この実施の形態においては、送電電力制御によってインバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティが最大値（０．５）に調整されている場合には、送電電力Ｐｓが最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御が実行される。これにより、送電電力制御によってデューティが最大値（０．５）に調整されている状態で送電電力Ｐｓが減少する方向に周波数ｆが調整されるのを回避することができる。そして、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒを超えると、デューティが最大値（０．５）よりも小さい値に調整され、これにより、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓが最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御が実行される。このように、この実施の形態によれば、送電電力Ｐｓが低下するのを抑制することができる。

なお、上記の実施の形態では、送電電力制御を実行する第１の制御部４００のコントローラ４２０は、ＰＩ制御を実行するものとしたが、ＰＩ制御に代えて、Ｉ制御やＰ制御（比例制御）を実行するようにしてもよい。

また、上記においては、極値探索制御を実行する第２の制御部５００のコントローラ５５０，５９０は、Ｉ制御を実行するものとしたが、Ｉ制御に代えて、応答速度の向上を見込めるＰＩ制御やＰ制御を実行するようにしてもよい。

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及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。

１０ 送電装置、２０ 受電装置、１００ 交流電源、２１０ ＰＦＣ回路、２２０ インバータ、２３０，３２０ フィルタ回路、２４０ 送電部、２４２，３１２ コイル、２４４，３１４ キャパシタ、２５０ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，２７４，３８２ 電流センサ、３１０ 受電部、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、３９０ 電気負荷、３９５ インピーダンス、４００ 第１の制御部、４１０ 減算部、４２０，５５０，５９０ コントローラ、５００ 第２の制御部、５１０ 振動信号生成部、５２０，５６０ ＨＰＦ、５３０，５７０ 乗算部、５４０，５８０ ＬＰＦ、６００ 加算部。

Claims (2)

1. 受電装置へ非接触で送電する送電コイルと、
   交流の送電電力を生成して前記送電コイルへ供給するインバータと、
   前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記インバータの出力電圧のデューティを調整することによって前記送電電力を目標電力に制御する第１の制御部と、
   前記インバータを制御することによって前記送電電力の周波数を調整する周波数制御を実行する第２の制御部とを含み、
   前記周波数制御は、
   前記周波数を振動させることによって、前記送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御と、
   前記第１の極値探索制御と選択的に動作し、前記周波数を振動させることによって、前記送電電力が最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御とを含み、
   前記第２の制御部は、
   前記第１の制御部によって前記デューティが最大値に調整されている場合には、前記第２の極値探索制御を実行し、
   前記第１の制御部によって前記デューティが前記最大値よりも小さい値に調整されている場合に、前記第１の極値探索制御を実行する、送電装置。
2. 送電装置と、
   受電装置とを備え、
   前記送電装置は、
   前記受電装置へ非接触で送電する送電コイルと、
   交流の送電電力を生成して前記送電コイルへ供給するインバータと、
   前記インバータを制御する制御装置とを含み、
   前記制御装置は、
   前記インバータの出力電圧のデューティを調整することによって前記送電電力を目標電力に制御する第１の制御部と、
   前記インバータを制御することによって前記送電電力の周波数を調整する周波数制御を実行する第２の制御部とを含み、
   前記周波数制御は、
   前記周波数を振動させることによって、前記送電コイルに流れる電流が最小となる周波数を探索する第１の極値探索制御と、
   前記第１の極値探索制御と選択的に動作し、前記周波数を振動させることによって、前記送電電力が最大となる周波数を探索する第２の極値探索制御とを含み、
   前記第２の制御部は、
   前記第１の制御部によって前記デューティが最大値に調整されている場合には、前記第２の極値探索制御を実行し、
   前記第１の制御部によって前記デューティが前記最大値よりも小さい値に調整されている場合に、前記第１の極値探索制御を実行する、電力伝送システム。

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