WO2014045874A1 - 受電機器及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

受電機器（２１）は、１次側コイル（１３ａ）を有する送電機器（１１）から、非接触で交流電力を受電する２次側コイル（２３ａ）と；入力電力の電力値に応じてインピーダンスが変動する変動負荷（２２）と；第１スイッチング素子（３３）を有するＰＦＣ回路（２４）と；第２スイッチング素子（４１）を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（２５）とを備える。ＰＦＣ回路（２４）は、２次側コイル（２３ａ）によって受電された交流電力を整流し、変動負荷のインピーダンスの変動に応じて第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって力率を改善させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ（２５）は、整流された直流電力の電圧を、異なる電圧に変換して変動負荷に出力し、変動負荷のインピーダンスの変動に応じて第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されるように構成されている。

Description

受電機器及び非接触電力伝送装置

　本開示は、受電機器及び非接触電力伝送装置に関する。

　従来から、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば磁場共鳴を用いたものが知られている。例えば特開２００９－１０６１３６号公報の非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側の共振コイルとを有する送電機器を備える。前記文献の非接触電力伝送装置はさらに、１次側の共振コイルと磁場共鳴可能な２次側の共振コイルを有する受電機器を備える。前記文献の非接触電力伝送装置では、１次側の共振コイルと２次側の共振コイルとが磁場共鳴することによって、送電機器から受電機器に交流電力が伝送される。受電機器に伝送された交流電力は、受電機器に設けられた整流器によって直流電力に整流され、車両用バッテリに入力される。これにより、車両用バッテリが充電される。

特開２００９－１０６１３６号公報

　ここで、車両用バッテリのような、入力される直流電力の電力値等に応じてインピーダンスが変動する変動負荷を備えている構成においては、変動負荷のインピーダンスの変動に起因して、伝送効率が低下する場合がある。上述した事情は、磁場共鳴によって非接触の伝力伝送を行う構成に限られず、電磁誘導によって非接触電力伝送を行う構成についても同様である。

　本開示の目的は、変動負荷のインピーダンスの変動に好適に対応することができる受電機器及びその受電機器を備えた非接触電力伝送装置を提供することにある。
　本開示の一側面によれば、受電機器は、交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器から非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；入力される電力の電力値に応じてインピーダンスが変動する変動負荷と；所定の周期でスイッチング動作を行う第１スイッチング素子を有するＰＦＣ回路と；所定の周期でスイッチング動作を行う第２スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。前記ＰＦＣ回路は、前記２次側コイルによって受電された交流電力を整流するとともに、前記変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって力率を改善させるように構成されている。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＰＦＣ回路によって整流された直流電力の電圧を、異なる電圧に変換して前記変動負荷に出力するとともに、前記変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されるように構成されている。

　この態様によれば、変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように、第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって、変動負荷のインピーダンスの変動に起因する力率の低下を抑制することができる。また、変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように、第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって、変動負荷のインピーダンスの変動に起因する伝送効率の低下を抑制することができる。よって、変動負荷のインピーダンスの変動に好適に対応することができる。

　一態様としては、前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの変動に応じて、前記ＰＦＣ回路を流れる電流の包絡線の位相が前記電流に対応する電圧の包絡線の位相に近づくように調整され、前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの変動に応じて、前記ＰＦＣ回路の入力端から前記変動負荷までのインピーダンスの実部が一定となるように調整される。この態様によれば、変動負荷のインピーダンスが変動した場合であっても、力率が高い状態が維持される。また、変動負荷のインピーダンスの変動した場合であっても、ＰＦＣ回路の入力端から変動負荷までのインピーダンスの実部が一定となっている。これにより、変動負荷のインピーダンスの変動に起因する伝送効率の低下を抑制することができる。

　一態様としては、非接触電力伝送装置は、交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と、前記受電機器とを備える。この態様によれば、非接触電力伝送装置において、変動負荷のインピーダンスの変動に好適に対応することができる。

　本開示の他の側面によれば、受電機器であって、交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器から、非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；負荷と；所定の周期でスイッチング動作を行う第１スイッチング素子を有し、前記２次側コイルによって受電された交流電力を整流するように構成されたＰＦＣ回路と；所定の周期でスイッチング動作を行う第２スイッチング素子を有し、前記ＰＦＣ回路によって整流された直流電力の電圧を異なる電圧に変換して前記負荷に出力するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、力率が改善するように設定され、前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記ＰＦＣ回路の入力端から前記負荷までのインピーダンスの実部が予め定められた特定値となるように設定されている。

　なお、上記受電機器において、負荷は、車両用バッテリのような入力される電力値に応じてインピーダンスが変動するものに限定されない。入力される電力値に関わらずインピーダンスが一定のものが、採用されてもよい。
本開示の他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と、本開示の特徴を説明するために付随する図面とによって明らかであろう。

　本開示の新規であると思われる特徴は、特に、添付した請求の範囲において明らかである。目的と利益を伴う本開示は、以下に示す現時点における好ましい実施形態の説明を添付した図面とともに参照することで、理解されるであろう。
図１は、第１実施形態の非接触電力伝送装置の回路図を示す。 図２は、第２実施形態の非接触電力伝送装置の回路図を示す。

　（第１実施形態）
　以下に、本開示に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）が説明される。
　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、地上に設けられた地上側機器１１と、車両に搭載された車両側機器２１とを備える。地上側機器１１が送電機器（１次側機器）に対応し、車両側機器２１が受電機器（２次側機器）に対応する。

　地上側機器１１は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な高周波電源１２（交流電源）を備える。高周波電源１２は、インフラとしての系統電源から入力される電力を高周波電力に変換し、変換された高周波電力を出力可能に構成されている。

　高周波電源１２から出力された高周波電力は、非接触で車両側機器２１に伝送され、車両側機器２１に設けられた車両用バッテリ２２に入力される。具体的には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１と車両側機器２１との間の電力伝送を行うものとして、地上側機器１１に設けられた送電器１３（１次側共振回路）と、車両側機器２１に設けられた受電器２３（２次側共振回路）とを備える。

　送電器１３及び受電器２３は、同一の構成であり、磁場共鳴可能に構成されている。具体的には、送電器１３は、並列に接続された１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路で構成されている。受電器２３は、並列に接続された２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路で構成されている。送電器１３及び受電器２３の共振周波数は、同一に設定されている。

　かかる構成によれば、高周波電力が送電器１３（１次側コイル１３ａ）に入力された場合、送電器１３と受電器２３（２次側コイル２３ａ）とが磁場共鳴する。これにより、受電器２３は、送電器１３のエネルギの一部を受け取る。すなわち受電器２３は、送電器１３から高周波電力を受電する。

　車両側機器２１には、受電器２３によって受電された高周波電力を整流する整流部としてのＰＦＣ回路２４が、設けられている。車両側機器２１には、ＰＦＣ回路２４によって整流された直流電力の電圧を、異なる大きさの電圧に変換して車両用バッテリ２２に出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２５が、設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５から出力された直流電力が車両用バッテリ２２に入力されることによって、車両用バッテリ２２は、充電される。

　車両用バッテリ２２は、複数の電池セルが接続されて構成されている。車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬは、入力される直流電力の電力値に応じて変動する。つまり、車両用バッテリ２２は、入力される直流電力の電力値に応じてインピーダンスＺＬが変動する変動負荷である。

　地上側機器１１には、地上側機器１１の各種制御を行う電源側コントローラ１４が、設けられている。電源側コントローラ１４は、高周波電源１２から出力される高周波電力のオンオフ制御及び電力値制御を行う電力制御部１４ａを備える。電力制御部１４ａは、高周波電源１２から出力される高周波電力を、充電用電力と、当該充電用電力よりも電力値が小さい押し込み充電用電力とに切り換えることが可能に構成されている。押し込み充電用電力は、複数の電池セルから構成された車両用バッテリ２２を、各電池セルの容量ばらつきを補償するように充電するのに用いられる。

　車両側機器２１には、電源側コントローラ１４と無線通信が可能に構成された車両側コントローラ２６が、設けられている。非接触電力伝送装置１０は、電源側コントローラ１４と車両側コントローラ２６との間での情報のやり取りを通じて、電力伝送の開始又は終了等を行う。

　車両側機器２１には、車両用バッテリ２２の充電量を検知する検知センサ２７が、設けられている。検知センサ２７は、その検知結果を車両側コントローラ２６に送信する。これにより、車両側コントローラ２６は、車両用バッテリ２２の充電量を把握することが可能である。

　車両側コントローラ２６は、車両用バッテリ２２の充電量が予め定められた閾値量となったことを検知センサ２７が検知した場合に、その旨の通知を電源側コントローラ１４に送信する。電源側コントローラ１４の電力制御部１４ａは、上記通知を受信したことに基づき、高周波電源１２の出力電力を、充電用電力から押し込み充電用電力に切り換える。

　測定器２８は、車両側機器２１の受電器２３とＰＦＣ回路２４との間に設けられている。測定器２８は、電圧及び電流を測定し、その測定結果を車両側コントローラ２６に送信する。

　ＰＦＣ回路２４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２５の回路構成と、これらの制御に係る構成は、以下に詳細に説明される。
　ＰＦＣ回路２４は、受電器２３によって受電された高周波電力が、測定器２８を介して、入力されるように構成されている。ＰＦＣ回路２４は、入力された高周波電力を整流する。詳細には、ＰＦＣ回路２４は、本実施形態では所謂昇圧チョッパ型力率改善コンバータであり、高周波電力を全波整流するダイオードブリッジ３１を備える。ＰＦＣ回路２４は、チョークコイル３２と、第１スイッチング素子３３とを備える。ダイオードブリッジ３１によって全波整流された高周波電力は、チョークコイル３２に入力される。第１スイッチング素子３３は、チョークコイル３２に並列に接続されている。チョークコイル３２の第１端は、ダイオードブリッジ３１の出力端に接続されている。第１スイッチング素子３３は、例えばｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴで構成され、ドレインはチョークコイル３２の第２端に接続され、ソースは接地されている。ＰＦＣ回路２４は、整流しつつ逆流を抑制するためのダイオード３４と、ダイオード３４に並列に接続されたコンデンサ３５とを備える。ダイオード３４のアノードはチョークコイル３２の第２端及び第１スイッチング素子３３のドレインに接続され、カソードはＰＦＣ回路２４の出力端に接続されている。コンデンサ３５の第１端は、ダイオード３４のカソードに接続され、コンデンサ３５の第２端は接地されている。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、本実施形態では所謂非絶縁降圧チョッパである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、第２スイッチング素子４１と、第２スイッチング素子４１に並列に接続されたダイオード４２と、第２スイッチング素子４１に直列に接続されたコイル４３と、コイル４３に並列に接続されたコンデンサ４４とを備える。第２スイッチング素子４１は、例えばｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴで構成されている。

　第２スイッチング素子４１のドレインは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力端、すなわちＰＦＣ回路２４の出力端に接続されている。第２スイッチング素子４１のソースは、コイル４３の第１端に接続されているとともに、ダイオード４２のカソードに接続されている。ダイオード４２のアノードは、接地されている。コイル４３の第２端は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力端を介して、車両用バッテリ２２に接続されている。コンデンサ４４の第１端はコイル４３の第２端に接続され、コンデンサ４４の第２端は接地されている。

　車両側コントローラ２６は、第１スイッチング素子３３のスイッチング動作（オンオフ）のデューティ比（以降、単に第１デューティ比と称する）を制御する第１デューティ比制御部２６ａを備える。第１デューティ比制御部２６ａは、第１スイッチング素子３３のゲートに所定の周期のパルス信号を出力することによって、第１デューティ比を制御する。第１スイッチング素子３３のスイッチング動作の周期は、高周波電源１２から出力される高周波電力の周期よりも低く設定されている。

　ここで、第１デューティ比制御部２６ａは、力率が改善されるように、第１デューティ比を制御する。力率が改善されるとは、電圧の位相が電流の位相に近づく（力率が「１」に近づく）又は電圧の位相が電流の位相に一致する（力率が「１」になる）ことを意味する。詳細には、チョークコイル３２を流れる電流は、第１デューティ比に依存している。第１デューティ比制御部２６ａは、チョークコイル３２を流れる電流の包絡線の位相とチョークコイル３２に印加される電圧の包絡線の位相とが互いに近づくように、１周期ごとに第１デューティ比を制御する。

　車両側コントローラ２６は、第２スイッチング素子４１のスイッチング動作（オンオフ）のデューティ比（以降、単に第２デューティ比という）を制御する第２デューティ比制御部２６ｂを備える。第２デューティ比制御部２６ｂは、第２スイッチング素子４１のゲートに所定の周期のパルス信号を出力することによって、第２デューティ比を制御する。

　ここで、ＰＦＣ回路２４（測定器２８）の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスＺ１（以降、単に負荷インピーダンスＺ１と称する）の実部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部に依存する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部は、第２デューティ比に依存している。かかる構成において、第２デューティ比制御部２６ｂは、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように、第２デューティ比を制御する。負荷インピーダンスＺ１の実部は、ＰＦＣ回路２４の入力端から車両用バッテリ２２までを１の負荷とした場合の当該負荷のレジスタンスである。

　第１スイッチング素子３３のスイッチング動作のデューティ比の初期値（基準値）および第２スイッチング素子４１のスイッチング動作のデューティ比の初期値（基準値）は、送電器１３及び受電器２３の相対位置が予め定められた基準位置であり、且つ高周波電源１２から出力されている高周波電力が或る値（例えば充電用電力の電力値）である状況において、負荷インピーダンスＺ１の実部が予め定められた特定値となり、かつ、力率が「１」に近づくように、設定されている。

　各デューティ比制御部２６ａ，２６ｂは、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に対応するように、各デューティ比を制御する。例えば、各デューティ比制御部２６ａ，２６ｂは、高周波電源１２から出力される高周波電力が、充電用電力から押し込み充電用電力に切り換わった場合、測定器２８の測定結果に基づき、各デューティ比を可変制御する。

　詳細には、第１デューティ比制御部２６ａは、測定器２８の測定結果に基づき、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬ（詳細には車両用バッテリ２２のリアクタンス）の変動に応じて力率が改善される（「１」に近づく）ように、第１デューティ比を可変制御する。第２デューティ比制御部２６ｂは、測定器２８の測定結果に基づき、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬ（詳細には車両用バッテリ２２のレジスタンス）の変動に応じて第２デューティ比を可変制御することで、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるようにする。言い換えると、第２デューティ比制御部２６ｂは、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように、第２デューティ比を可変制御する。

　車両用バッテリ２２の入力電圧（バッテリ電圧）は、車両用バッテリ２２の仕様によって決まる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の降圧比は、第２デューティ比によって決まる。ＰＦＣ回路２４の昇圧比は、第１デューティ比によって、詳細にはチョークコイル３２を流れる電流の振幅によって決まる。各デューティ比（昇圧比及び降圧比）は、力率の改善と、負荷インピーダンスＺ１の変動の抑制とが両立するように、設定される。

　次に本実施形態の作用が説明される。
　車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬが変動した場合には、第１デューティ比及び第２デューティ比の双方が、調整される。詳細には、力率が改善されるように第１デューティ比の調整（可変制御）が行われ、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように、第２デューティ比の調整（可変制御）が行われる。これにより、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動した場合であっても、力率の低下が抑制され、伝送効率が低下しない。

　力率と、負荷インピーダンスＺ１の虚部との関係に着目すれば、「力率が改善される」とは、「負荷インピーダンスＺ１の虚部が「０」に近づく」とも言える。第１デューティ比は、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に伴う負荷インピーダンスＺ１の虚部の変化を抑制するように調整されるとも言える。負荷インピーダンスＺ１の虚部は、ＰＦＣ回路２４の入力端から車両用バッテリ２２までを１の負荷とした場合の当該負荷のリアクタンスである。

　以上詳述した本実施形態は、以下の優れた効果を奏する。
　（１）車両側機器２１に、第１スイッチング素子３３を有するＰＦＣ回路２４と、第２スイッチング素子４１を有するＤＣ／ＤＣコンバータ２５とが設けられた。車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、力率が改善されるように第１スイッチング素子３３のスイッチング動作のデューティ比（第１デューティ比）は、調整される。車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように、第２スイッチング素子４１のスイッチング動作のデューティ比（第２デューティ比）は、調整される。これにより、力率の改善と、伝送効率の低下の抑制との両立を図ることができる。

　（２）実施形態は、第１デューティ比の調整で力率を改善させ、第２デューティ比の調整で負荷インピーダンスＺ１の実部の調整を行う構成とされた。これにより、可変コンデンサや可変キャパシタ等といった素子を設けることなく、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に追従することができる。

　特に、車両用バッテリ２２は、携帯電話のバッテリ等と比較して大きな充電容量が要求される。このため、比較例として、高耐圧の可変コンデンサが要求される場合がある。そのような素子は、現実的でない場合があったり、非常にコストが高くなったりする場合がある。また、そのような素子は大型になり易いため、設置スペースを確保しにくい。

　これに対して、本実施形態によれば、各デューティ比を調整することによって、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に好適に追従することができ、上記不都合を回避することができる。

　（３）特に、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に追従するものとして、ＰＦＣ回路２４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２５が採用された。したがって、ＰＦＣ回路２４よりも前段側（高周波電源１２から受電器２３まで）において、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動を考慮する必要がない。これにより、高周波電源１２から受電器２３までの各部素子において、上記変動を考慮する必要がない分だけ、これらの構成の簡素化を図ることができる。

　（第２実施形態）
　本実施形態では、図２に示すように、地上側機器１１に第１インピーダンス変換器５１（１次側インピーダンス変換部）が設けられ、車両側機器２１に第２インピーダンス変換器５２（２次側インピーダンス変換部）が設けられている。これら各インピーダンス変換器５１，５２が詳細に説明される。第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付すとともに、その詳細な説明は省略される。

　図２に示すように、第１インピーダンス変換器５１は、高周波電源１２と送電器１３との間に設けられている。第１インピーダンス変換器５１は、第１インダクタ５１ａ及び第１キャパシタ５１ｂからなるＬＣ回路で構成されている。第２インピーダンス変換器５２は、受電器２３と測定器２８との間に設けられている。第２インピーダンス変換器５２は、第２インダクタ５２ａ及び第２キャパシタ５２ｂからなるＬＣ回路で構成されている。

　ここで、本発明者らは、受電器２３（２次側コイル２３ａ）の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部が、送電器１３及び受電器２３間の伝送効率に寄与していることを見出した。具体的には本発明者らは、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部には、他の（所定の）抵抗値と比較して相対的に高い伝送効率となる特定抵抗値Ｒｏｕｔが存在することを見出した。換言すれば本発明者らは、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部には、所定の抵抗値（第１抵抗値）よりも伝送効率が高くなる特定抵抗値（第２抵抗値）が存在することを見出した。

　特定抵抗値Ｒｏｕｔは、送電器１３及び受電器２３の構成、送電器１３及び受電器２３間の距離等によって決定される。送電器１３及び受電器２３の構成は、各コイル１３ａ，２３ａの形状及びインダクタンスや各コンデンサ１３ｂ，２３ｂのキャパシタンス等である。

　詳細には、仮に送電器１３の入力端に仮想負荷Ｘ１が設けられた場合において、仮想負荷Ｘ１の抵抗値をＲａ１と称し、受電器２３（詳細には受電器２３の出力端）から仮想負荷Ｘ１までのインピーダンスをＲｂ１と称すると、特定抵抗値Ｒｏｕｔは、√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。

　第２インピーダンス変換器５２は、上記知見に基づき、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンス（第２インピーダンス変換器５２の入力端のインピーダンス）が、特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づく（好ましくは一致する）ように、負荷インピーダンスＺ１をインピーダンス変換する。

　かかる構成において、ＰＦＣ回路２４は、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、力率が「１」に近づくように動作し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように動作する。

　第１インピーダンス変換器５１は、高周波電源１２の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスが所定値となるように、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づいている状況における送電器１３の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。高周波電源１２の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスとは、第１インピーダンス変換器５１の入力端のインピーダンスとも言える。「所定値」とは、例えば所望の電力値が得られる値等が考えられる。

　次に、本実施形態の作用が説明される。
　第２インピーダンス変換器５２は、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンス（第２インピーダンス変換器５２の入力端のインピーダンス）が、相対的に伝送効率が高くなる特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくように、負荷インピーダンスＺ１をインピーダンス変換している。これにより、伝送効率の向上が実現されている。

　かかる構成において、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬが変動した場合であっても、負荷インピーダンスＺ１（ＰＦＣ回路２４の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンス）の実部は、一定となっている。このため、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬが変動した場合であっても、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスは、特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づいている。よって、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬが変動した場合であっても、伝送効率の高い状態が維持される。

　以上詳述された本実施形態は、上記（１）～（３）の効果に加えて、以下の効果を奏する。
　（４）本発明者らは、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部には、他の抵抗値と比較して、相対的に伝送効率が高くなる特定抵抗値Ｒｏｕｔが存在することを見出した。特定抵抗値Ｒｏｕｔは、送電器１３の入力端に設けた仮想負荷Ｘ１の抵抗値をＲａ１と称し、受電器２３から仮想負荷Ｘ１までのインピーダンスをＲｂ１と称すると、√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくように、負荷インピーダンスＺ１をインピーダンス変換する第２インピーダンス変換器５２が設けられた。これにより、伝送効率の向上を図ることができる。

　かかる構成において、実施形態は、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、ＰＦＣ回路２４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２５を制御する構成とされた。これにより、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に伴う力率の低下を抑制することができるとともに、負荷インピーダンスＺ１の変動に起因して、受電器２３の出力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔからずれることを回避することができる。

　上記実施形態は、以下のように変更されてもよい。
　○　第１実施形態では、第２デューティ比制御部２６ｂは、車両用バッテリ２２のインピーダンスＺＬの変動に応じて、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように制御する構成であったが、これに限定されない。例えば実施形態は、高周波電源１２として電力源を採用し、負荷インピーダンスＺ１の実部が、受電器２３の出力端から高周波電源１２までのインピーダンスの実部に整合するように、負荷インピーダンスＺ１の実部を制御する構成であってもよい。

　○　各実施形態において、厳密には、第２デューティ比は、測定器２８の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスの実部が一定となるように、調整される。但し、測定器２８のインピーダンスがＰＦＣ回路２４の入力端から車両用バッテリ２２までのインピーダンスよりも十分に小さいため、測定器２８のインピーダンスを無視できる。

　○　第１実施形態は、伝送効率が相対的に高くなる特定値としての特定抵抗値Ｒｏｕｔに負荷インピーダンスＺ１の実部が近づくように、第２デューティ比の初期値が設定されている構成であってもよい。

　○　第２実施形態では、各インピーダンス変換器５１，５２の定数（インピーダンス）は固定であったが、これに限定されず、定数は可変とされてもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に応じて、各インピーダンス変換器５１，５２の定数が可変制御されてもよい。これにより、各コイル１３ａ，２３ａの位置ずれが発生している場合であっても、高い伝送効率を維持することができる。

　各コイル１３ａ，２３ａの相対位置は、各コイル１３ａ，２３ａ間の距離だけでなく、各コイル１３ａ，２３ａの軸線方向、各コイル１３ａ，２３ａの重ね合わせの態様等を含む。各コイル１３ａ，２３ａの重ね合わせの態様とは、例えば送電器１３及び受電器２３が上下方向に配置される構成においては、上方から見た場合の１次側コイル１３ａ及び２次側コイル２３ａの位置ずれ等が考えられる。

　各インピーダンス変換器５１，５２の定数が可変である構成においては、例えば第２インピーダンス変換器５２（又は測定器２８）とＰＦＣ回路２４との間に、入力される電力の電力値に関わらず一定の抵抗値（インピーダンス）を有する固定抵抗が、設けられる。第２インピーダンス変換器５２の接続先を、固定抵抗と、ＰＦＣ回路２４とに切り換えるリレーが、設けられる。各インピーダンス変換器５１，５２の定数の可変制御が行われる場合には、第２インピーダンス変換器５２の接続先は、固定抵抗にされる。

　各インピーダンス変換器５１，５２の定数の可変制御が行われる場合には、実施形態は、高周波電源１２から充電用電力よりも電力値が小さい調整用電力が出力されるように、構成されてもよい。この場合、固定抵抗の抵抗値は、負荷インピーダンスＺ１の初期値と同一に設定されるとよい。

　○　第２実施形態における各インピーダンス変換器５１，５２の具体的な構成は、任意である。例えば各インピーダンス変換器５１，５２は、π型、Ｔ型のＬＣ回路で構成されてもよい。構成はＬＣ回路に限定されず、トランス等が用いられてもよい。

　○　第２実施形態では、地上側機器１１及び車両側機器２１に１つずつインピーダンス変換器が設けられていたが、これに限定されない。地上側機器１１及び車両側機器２１のいずれか又は双方に２つずつインピーダンス変換器が、設けられてもよい。

　○　各実施形態において、ＰＦＣ回路２４は昇圧チョッパ型力率コンバータであったが、これに限定されない。力率を改善させつつ、高周波電力を整流することが可能であれば、その具体的な回路構成は任意であり、ＰＦＣ回路２４は降圧型であってもよい。

　○　各実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は非絶縁降圧チョッパであったが、これに限定されない。具体的な回路構成は任意であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は昇圧型であってもよい。

　○　各実施形態では、各スイッチング素子３３，４１は、パワーＭＯＳＦＥＴで構成されていたが、これに限定されず、ＩＧＢＴ等が用いられてもよい。
　○　各実施形態は、測定器２８の測定結果に基づき各デューティ比を可変制御する構成であったが、これに限定されない。実施形態は、例えば予め高周波電源１２の出力電力と、各デューティ比とを対応付けたマップデータを設け、そのマップデータに基づき各デューティ比を決定する構成とされてもよい。

　○　第１実施形態では、各デューティ比の調整する契機として、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値の切換（充電用電力から押し込み充電用電力への切換）が、採用されたが、これに限定されない。実施形態は、例えば、測定器２８の測定結果から定期的に伝送効率を算出し、その算出された伝送効率が予め定められた閾値効率以下である場合に各デューティ比を調整する構成とされてもよい。伝送効率に代えて、車両用バッテリ２２の充電量が、各デューティ比の調整契機として採用されてもよい。

　○　各実施形態では、各デューティ比を制御する各デューティ比制御部２６ａ，２６ｂは、車両側コントローラ２６に設けられていたが、これに限定されない。各デューティ比制御部２６ａ，２６ｂは、電源側コントローラ１４に設けられていてもよく、これら車両側コントローラ２６や電源側コントローラ１４とは別に設けられていてもよい。要は、各デューティ比を制御する主体は、任意である。

　○　各実施形態では、第２デューティ比は、負荷インピーダンスＺ１の実部が一定となるように調整されていたが、これに限定されない。実施形態は、例えば、負荷インピーダンスＺ１の実部が予め定められた許容範囲内で変動するのを許容する態様で第２デューティ比を調整する構成であってもよい。これにより、第２デューティ比を調整することを容易にすることができる。

　○　同様に、力率が予め定められた許容範囲内で変動することが、許容されてもよい。この場合、第１デューティ比を調整することを容易にすることができる。
　○　高周波電源１２から出力される高周波電力の電圧波形は、パルス波形、正弦波等任意である。

　○　高周波電源１２は、電力源や電圧源であってもよく、電流源であってもよい。電圧源は、内部抵抗が無視可能（０Ω）な電圧源（スイッチング電源）や、所定の内部抵抗（例えば５０Ω）を有する電圧源であってもよい。

　○　高周波電源１２は、省略されてもよい。この場合、系統電力は、送電器１３に入力される。
　○　各実施形態では、各コンデンサ１３ｂ，２３ｂを設けたが、これらは、省略されてもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの寄生容量を用いて磁場共鳴させる。

　○　各実施形態では、送電器１３の共振周波数と受電器２３の共振周波数とは同一に設定されていたが、これに限定されない。電力伝送が可能な範囲内で、両者を異ならせてもよい。

　○　各実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴が用いられたが、これに限定されず、電磁誘導が用いられてもよい。
　○　各実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、車両に適用されていたが、これに限定されず、他の機器に適用されてもよい。例えば非接触電力伝送装置１０は、携帯電話のバッテリを充電するのに適用されてもよい。

　○　送電器１３は、１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路と、その共振回路に電磁誘導で結合する１次側誘導コイルとを有する構成であってもよい。この場合、上記共振回路は、上記１次側誘導コイルから電磁誘導によって高周波電力を受ける構成とされる。同様に、受電器２３は、２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路と、その共振回路に電磁誘導で結合する２次側誘導コイルとを有する構成とされ、２次側誘導コイルを用いて受電器２３の共振回路から高周波電力が取り出されてもよい。

　１０…非接触電力伝送装置、１１…地上側機器（受電機器）、１２…高周波電源、１３ａ…１次側コイル、２１…車両側機器（送電機器）、２２…車両用バッテリ（変動負荷）、２３ａ…２次側コイル、２４…ＰＦＣ回路、２５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２６ａ…第１デューティ比制御部、２６ｂ…第２デューティ比制御部、２８…測定器、３３…第１スイッチング素子、４１…第２スイッチング素子。

Claims (7)

1. 　受電機器であって、
   　交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器から非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；
   　入力される電力の電力値に応じてインピーダンスが変動する変動負荷と；
   　所定の周期でスイッチング動作を行う第１スイッチング素子を有するＰＦＣ回路と；
   　所定の周期でスイッチング動作を行う第２スイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備え、
   　前記ＰＦＣ回路は、前記２次側コイルによって受電された交流電力を整流するとともに、前記変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されることによって力率を改善させるように構成され、
   　前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ＰＦＣ回路によって整流された直流電力の電圧を、異なる電圧に変換して前記変動負荷に出力するとともに、前記変動負荷のインピーダンスの変動に対応するように前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比が調整されるように構成されている、受電機器。
2. 　前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの変動に応じて、前記ＰＦＣ回路を流れる電流の包絡線の位相が前記電流に対応する電圧の包絡線の位相に近づくように調整され、
   　前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの変動に応じて、前記ＰＦＣ回路の入力端から前記変動負荷までのインピーダンスの実部が一定となるように調整される、
   　請求項１に記載の受電機器。
3. 　前記２次側コイルの出力端から前記変動負荷までのインピーダンスの実部には、相対的に他の抵抗値よりも伝送効率が高くなる特定抵抗値が存在し、
   　前記受電機器は更に、前記２次側コイルと前記ＰＦＣ回路との間には、前記２次側コイルの出力端から前記変動負荷までのインピーダンスが前記特定抵抗値に近づくようにインピーダンス変換する２次側インピーダンス変換部を備える、
   　請求項１又は２に記載の受電機器。
4. 　前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの虚部の変動に応じて調整され、
   　前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記変動負荷のインピーダンスの実部の変動に対応するように調整される、
   　請求項１～３のうちいずれか一項に記載の受電機器。
5. 　非接触電力伝送装置であって、
   　交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と；
   　請求項１～４のいずれか一項に記載の受電機器と
   を備える、非接触電力伝送装置。
6. 　受電機器であって、
   　交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器から、非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；
   　負荷と；
   　所定の周期でスイッチング動作を行う第１スイッチング素子を有し、前記２次側コイルによって受電された交流電力を整流するように構成されたＰＦＣ回路と；
   　所定の周期でスイッチング動作を行う第２スイッチング素子を有し、前記ＰＦＣ回路によって整流された直流電力の電圧を異なる電圧に変換して前記負荷に出力するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備え、
   　前記第１スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、力率が改善するように設定され、
   　前記第２スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比は、前記ＰＦＣ回路の入力端から前記負荷までのインピーダンスの実部が予め定められた特定値となるように設定されている、受電機器。
7. 　非接触電力伝送装置であって、
   　交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と；
   　請求項６に記載の受電機器と
   を備える、非接触電力伝送装置。

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