電力伝送システム
【課題】電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部１３０と、前記インバータ部１３０からの交流電圧が入力される送電アンテナ１４０と、前記インバータ部１３０によって出力される交流電圧の周波数を制御する送電制御部１５０と、を有し、前記送電アンテナ１４０から対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記送電制御部１５０は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部１３０と、前記インバータ部１３０からの交流電圧が入力される送電アンテナ１４０と、前記インバータ部１３０によって出力される交流電圧の周波数を制御する送電制御部１５０と、を有し、前記送電アンテナ１４０から対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記送電制御部１５０は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。
【０００３】
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。
【０００４】
上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、本番の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献１（特開２０１０−６８６５７号公報）に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された第２共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第１共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第２共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第１共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第２共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−６８６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、伝送効率の極値を与える周波数付近において、受信アンテナが定電流源に動作する周波数と定電圧源として動作する周波数が存在している。定電流源として動作する周波数を使用した場合、負荷側の理由により緊急停止が起きた場合に受信アンテナ端部の電圧が高圧になってしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御すること
を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力伝送システムを車両に搭載した例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。
【図７】周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【図８】第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図９】第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図１０】２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。
【図１１】２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図であり、図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、車両の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２１０が配されてなる。
【００１０】
本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電アンテナ１４０などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から車両に搭載されている受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介し電気エネルギーを伝送する。
【００１１】
本実施形態に係る電力伝送システム１００は、上記のような利用形態であることから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置関係が電力伝送を行うたびに変化し、最適な電力伝送効率を与える周波数についてもこれに伴い変化することとなる。そこで、車両停車後、すなわち、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、電力伝送時の最適周波数を決定するようにしている。
【００１２】
車両充電設備（送電側）における整流昇圧部１２０は、商用電源などのＡＣ電源部１１０からの交流電圧を一定の直流に変換するコンバータと、このコンバータからの出力を所
定の電圧に昇圧するものである。この整流昇圧部１２０で生成される電圧の設定は送電制御部１５０から制御可能となっている。
【００１３】
インバータ部１３０は、整流昇圧部１２０から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１４０に入力する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。インバータ部１３０は、例えば図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱA乃至ＱDからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。
【００１４】
本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱBの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子ＱCとスイッチング素子ＱDとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１４０が接続される構成となっており、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオンのとき、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオフとされ、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオンのとき、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。
【００１５】
上記のようなインバータ部１３０を構成するスイッチング素子ＱA乃至ＱDに対する駆動信号は送電制御部１５０から入力されるようになっている。また、インバータ部１３０を駆動させるための周波数は送電制御部１５０から制御することができるようになっている。
【００１６】
上記のようなインバータ部１３０からの出力は送電アンテナ１４０に供給される。この送電アンテナ１４０は、インダクタンス成分を有する後述するようなコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２１０と共鳴することで、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２１０に送ることができるようになっている。
【００１７】
なお、インバータ部１３０からの出力を、送電アンテナ１４０に入力する際には、いったん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。
【００１８】
本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム１００の送電側の送電アンテナ１４０から、受電側の受電アンテナ２１０へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１４０の共振周波数と、受電アンテナ２１０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。
【００１９】
インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2は送電制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、計測される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1からインバータ部１３０に入力される入力電力（Ｗ1＝Ｖ1×Ｉ1）、及び、計測される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2か
らインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ2＝Ｖ2×Ｉ2）を取得することができ
るようになっている。送電制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、取得された入力電力（Ｗ1）と出力電力（Ｗ2）とからインバータ部１３０の効率（Ｗ1／Ｗ2）を演算する。
【００２０】
送電制御部１５０における記憶部１５１は、周波数スイープを行うときに、周波数と演算されたインバータ効率とを対応付けて記憶する一時記憶手段である。送電制御部１５０
は、インバータ部１３０の出力電力が所定の電力となるように制御し、インバータ部１３０で出力する交流電圧の周波数を変更しつつ、インバータ部１３０のインバータ効率を演算していき、この記憶部１５１に記憶する。
【００２１】
送電制御部１５０は、整流昇圧部１２０によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部１３０で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行する。
【００２２】
次に、車両側に設けられている電力伝送システム１００の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２１０は、送電アンテナ１４０と共鳴することによって、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電するものである。
【００２３】
受電アンテナ２１０で受電された交流電力は、整流器２2０において整流され、整流さ
れた電力は充電器２3０を通して電池２４０に蓄電されるようになっている。充電器２3０は充電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。なお、本実施形態においては、受電側システムの負荷として電池２４０を用い、これに充電を行う例について説明しているが、受電側システムの負荷としては、その他の負荷を用いるようにしてもよい。
【００２４】
充電器２3０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ3及び電流Ｉ3は充電制御部２５
０によって計測されるようになっている。計測された電圧Ｖ3及び電流Ｉ3により、充電制御部２５０は、充電器２3０を制御して、電池２４０の適切な充電プロファイルに沿うよ
うに電池２４０の充電を制御することができるように構成されている。充電器２3０は、
電池２４０を定電流、定出力、定電圧のいずれかで充電させるかを選択することができるようになっている。
【００２５】
充電制御部２５０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている充電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。
【００２６】
充電制御部２５０は 電池２４０の充電プロファイルを記憶すると共に、充電制御部２５０をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムを記憶している。
【００２７】
図４は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図であり、図５は本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのような形状のコイルに限定されるものではない。例えば、コイル体２７０として円形平板状のものなども利用し得る。このようなコイル体２７０は、受電アンテナ２１０における磁気共鳴アンテナ部として機能する。この「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。
【００２８】
コイルケース２６０は、受電アンテナ２１０のインダクタンス成分を有するコイル体２７０を収容するために用いられるものである。このコイルケース２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。コイルケース２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、コイルケース２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。コイルケース２６０にパッケージされた受電アンテナ２１０はこの上方開口部２６３側で車両本
体部に取り付けられる。コイルケース２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。
【００２９】
コイル体２７０は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材２７１と、この基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２とから構成されている。渦巻き状をなす導電部２７２の内周側の第１端部２７３、及び外周側の第２端部２７４には導電線路（不図示）が電気接続される。これにより、受電アンテナ２１０によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体２７０はコイルケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。
【００３０】
磁性シールド体２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド体２８０を構成するためには、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましく、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド体２８０は、コイルケース２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方にある程度の空間を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１０５側で発生する磁力線は、磁性シールド体２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１０５から受電アンテナ２１０への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。
【００３１】
また、コイルケース２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状の金属体蓋部２９０が、シールド体２８０の上方に所定距離をおいて配されるようになっている。このような金属体蓋部２９０に用いる金属材料として任意のものを用いることとができるが、本実施形態においては、例えばアルミニウムを用いている。
【００３２】
以上のように、本発明の受電アンテナ２１０によれば、コイル体２７０の上方に磁性シールド体２８０が設けられているので、車両底面に受電アンテナ２１０を装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
【００３３】
また、上記のような受電アンテナ２１０の構造は、電力伝送システム１００を構成する送電側のアンテナにも適用されている。この場合、図５に示すように、送電アンテナ１０５は、受電アンテナ２１０と水平面に対して面対称（鏡像対称）となるような構造とされている。
【００３４】
送電アンテナ１４０においても、受電側同様に、コイル体３７０がコイルケース３６０に配され、これと所定距離離されて磁性シールド体３８０が設けられると共に、金属体蓋部３９０によってコイルケース１６０が封止されてなる構造である。
【００３５】
次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送について説明する。これまで説明したように、電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、実際の充電の前段階において、電力伝送で用いられる電力で周波数スイープを行い、インバータ効率の極値を選定して、これに基づいて、本番の電力伝送でインバータ部１３０を駆動する周波数を決定する。本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、このように最適周波数を選定し、その後、選定された最適周波数によって電力伝送を行う。
【００３６】
図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。このようなフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。
図６において、ステップＳ１００で電力伝送処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１では、送電制御部１５０は目標出力値が所定の電力値となるように整流昇圧部１２０を設定する。
【００３７】
また、ステップＳ１０２においては、インバータ部１３０の駆動周波数をスイープする下限の値に設定する。
【００３８】
ステップＳ１０３では、第１電力で電力伝送を実行し、ステップＳ１０４でＶ1、Ｉ1、Ｖ2、Ｉ2を計測することで、入力電力（Ｗ1）、出力電力（Ｗ2）を計測する。ステップＳ１０５では、入力電力（Ｗ1）、出力電力（Ｗ2）に基づいて、インバータ部１３０の効率η（＝Ｗ1／Ｗ2）を演算する。
【００３９】
ステップＳ１０６では、演算されたインバータ効率と、周波数とを対応させて記憶部１５１に記憶する。周波数を変更しつつ、インバータ効率を演算することで、この記憶部１５１には、インバータ効率の周波数特性が蓄積されることとなる。
【００４０】
ステップＳ１０７では設定された周波数が、スイープする上限の周波数以上であるか否かが判定される。ステップＳ１０７の判定がＮＯであれば、ステップＳ１１０に進み、周波数を所定分上昇させ設定した上で、ステップＳ１０３に戻りループする。
【００４１】
一方、ステップＳ１０７の判定がＹＥＳであれば全てのスイープを行ったことになるので、ステップＳ１０８に進み、記憶部１５１に記憶されている周波数特性からインバータ効率の極値を与える周波数を選定する。
【００４２】
ここで、電力伝送効率の周波数特性におけるパターンについて説明する。図７は本実施形態に係る電力伝送システムにおける周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【００４３】
図７（Ａ）は受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０とが最も適切に配置されているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。図７（Ａ）に示すように、２つの極値を与える周波数が２つある。周波数が低い方の極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極値周波数を第２極値周波数として定義する。
【００４４】
図７（Ａ）から図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）と進むにつれて、受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０と間の位置のずれがより大きくなっているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。
【００４５】
図７（Ｃ）、図７（Ｄ）に示すように、伝送効率の極値を与える周波数が1つである場
合には、ステップＳ１０８においては、この極値の周波数を選定するようにすればよい。一方、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、本実施形態においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００４６】
以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。
【００４７】
図８は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との
間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。
【００４８】
また、図９は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。
【００４９】
なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。
【００５０】
次に、本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。
【００５１】
図１０は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。図１０（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１０に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。
【００５２】
以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。
【００５３】
一方、図１１は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１１（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１１（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１１に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。
【００５４】
以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
【００５５】
図１０の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１１の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１１に示す特性の方が、電池２４０（負荷）にとっては好ましいので、本実施形
態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００５６】
このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
【００５７】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池２４０（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５８】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５９】
これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。
【００６０】
さて再び図６に戻り、ステップＳ１０９では、ステップＳ１０８で選定された最適周波数によって、電力伝送を実行する。
【００６１】
以上、本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００６２】
１００・・・電力伝送システム
１１０・・・ＡＣ電源部
１２０・・・整流昇圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電制御部
１５１・・・記憶部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・充電制御部
２６０・・・コイルケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・磁性シールド体
２８５・・・中抜き部
２９０・・・金属体蓋部
３６０・・・コイルケース
３７０・・・コイル体
３８０・・・磁性シールド体
３９０・・・金属体蓋部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。
【０００３】
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。
【０００４】
上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、本番の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献１（特開２０１０−６８６５７号公報）に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第１共鳴コイル、及び該第１共鳴コイルと対向配置された第２共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第１共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第２共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第１共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第２共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
【特許文献１】特表２００９−５０１５１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−６８６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、伝送効率の極値を与える周波数付近において、受信アンテナが定電流源に動作する周波数と定電圧源として動作する周波数が存在している。定電流源として動作する周波数を使用した場合、負荷側の理由により緊急停止が起きた場合に受信アンテナ端部の電圧が高圧になってしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御する制御部と、を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、前記制御部は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御すること
を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力伝送システムを車両に搭載した例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。
【図７】周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【図８】第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図９】第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。
【図１０】２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。
【図１１】２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図であり、図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、車両の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２１０が配されてなる。
【００１０】
本実施形態に係る電力伝送システム１００では、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システム１００の送電アンテナ１４０などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１４０から車両に搭載されている受電アンテナ２１０に対して、電磁場を介し電気エネルギーを伝送する。
【００１１】
本実施形態に係る電力伝送システム１００は、上記のような利用形態であることから、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の位置関係が電力伝送を行うたびに変化し、最適な電力伝送効率を与える周波数についてもこれに伴い変化することとなる。そこで、車両停車後、すなわち、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、電力伝送時の最適周波数を決定するようにしている。
【００１２】
車両充電設備（送電側）における整流昇圧部１２０は、商用電源などのＡＣ電源部１１０からの交流電圧を一定の直流に変換するコンバータと、このコンバータからの出力を所
定の電圧に昇圧するものである。この整流昇圧部１２０で生成される電圧の設定は送電制御部１５０から制御可能となっている。
【００１３】
インバータ部１３０は、整流昇圧部１２０から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１４０に入力する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ部を示す図である。インバータ部１３０は、例えば図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱA乃至ＱDからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。
【００１４】
本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱBの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子ＱCとスイッチング素子ＱDとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１４０が接続される構成となっており、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオンのとき、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオフとされ、スイッチング素子ＱBとスイッチング素子ＱCがオンのとき、スイッチング素子ＱAとスイッチング素子ＱDがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。
【００１５】
上記のようなインバータ部１３０を構成するスイッチング素子ＱA乃至ＱDに対する駆動信号は送電制御部１５０から入力されるようになっている。また、インバータ部１３０を駆動させるための周波数は送電制御部１５０から制御することができるようになっている。
【００１６】
上記のようなインバータ部１３０からの出力は送電アンテナ１４０に供給される。この送電アンテナ１４０は、インダクタンス成分を有する後述するようなコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ２１０と共鳴することで、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電アンテナ２１０に送ることができるようになっている。
【００１７】
なお、インバータ部１３０からの出力を、送電アンテナ１４０に入力する際には、いったん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。
【００１８】
本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム１００の送電側の送電アンテナ１４０から、受電側の受電アンテナ２１０へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ１４０の共振周波数と、受電アンテナ２１０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。
【００１９】
インバータ部１３０に対する入力される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1、インバータ部１３０から出力される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2は送電制御部１５０によって計測されるようになっている。これにより、送電制御部１５０は、計測される電圧Ｖ1及び電流Ｉ1からインバータ部１３０に入力される入力電力（Ｗ1＝Ｖ1×Ｉ1）、及び、計測される電圧Ｖ2及び電流Ｉ2か
らインバータ部１３０から出力される出力電力（Ｗ2＝Ｖ2×Ｉ2）を取得することができ
るようになっている。送電制御部１５０は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、取得された入力電力（Ｗ1）と出力電力（Ｗ2）とからインバータ部１３０の効率（Ｗ1／Ｗ2）を演算する。
【００２０】
送電制御部１５０における記憶部１５１は、周波数スイープを行うときに、周波数と演算されたインバータ効率とを対応付けて記憶する一時記憶手段である。送電制御部１５０
は、インバータ部１３０の出力電力が所定の電力となるように制御し、インバータ部１３０で出力する交流電圧の周波数を変更しつつ、インバータ部１３０のインバータ効率を演算していき、この記憶部１５１に記憶する。
【００２１】
送電制御部１５０は、整流昇圧部１２０によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部１３０で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行する。
【００２２】
次に、車両側に設けられている電力伝送システム１００の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ２１０は、送電アンテナ１４０と共鳴することによって、送電アンテナ１４０から出力される電気エネルギーを受電するものである。
【００２３】
受電アンテナ２１０で受電された交流電力は、整流器２2０において整流され、整流さ
れた電力は充電器２3０を通して電池２４０に蓄電されるようになっている。充電器２3０は充電制御部２５０からの指令に基づいて電池２４０の蓄電を制御する。なお、本実施形態においては、受電側システムの負荷として電池２４０を用い、これに充電を行う例について説明しているが、受電側システムの負荷としては、その他の負荷を用いるようにしてもよい。
【００２４】
充電器２3０から電池２４０に対して入力される電圧Ｖ3及び電流Ｉ3は充電制御部２５
０によって計測されるようになっている。計測された電圧Ｖ3及び電流Ｉ3により、充電制御部２５０は、充電器２3０を制御して、電池２４０の適切な充電プロファイルに沿うよ
うに電池２４０の充電を制御することができるように構成されている。充電器２3０は、
電池２４０を定電流、定出力、定電圧のいずれかで充電させるかを選択することができるようになっている。
【００２５】
充電制御部２５０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている充電制御部２５０と接続される各構成と協働するように動作する。
【００２６】
充電制御部２５０は 電池２４０の充電プロファイルを記憶すると共に、充電制御部２５０をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムを記憶している。
【００２７】
図４は本発明の実施形態に係る電力伝送システムに用いられる受電アンテナ２１０の分解斜視図であり、図５は本発明の実施形態に係る電力伝送におけるアンテナ間の電力伝送の様子を示す断面の模式図である。なお、以下の実施形態では、コイル体２７０として矩形平板状のものを例に説明するが、本発明のアンテナはこのような形状のコイルに限定されるものではない。例えば、コイル体２７０として円形平板状のものなども利用し得る。このようなコイル体２７０は、受電アンテナ２１０における磁気共鳴アンテナ部として機能する。この「磁気共鳴アンテナ部」は、コイル体２７０のインダクタンス成分のみならず、その浮游容量に基づくキャパシタンス成分、或いは意図的に追加したコンデンサに基づくキャパシタンス成分をも含むものである。
【００２８】
コイルケース２６０は、受電アンテナ２１０のインダクタンス成分を有するコイル体２７０を収容するために用いられるものである。このコイルケース２６０は、例えばポリカーボネートなどの樹脂により構成される開口を有する箱体の形状をなしている。コイルケース２６０の矩形状の底板部２６１の各辺からは側板部２６２が、前記底板部２６１に対して垂直方向に延在するようにして設けられている。そして、コイルケース２６０の上方においては、側板部２６２に囲まれるような上方開口部２６３が構成されている。コイルケース２６０にパッケージされた受電アンテナ２１０はこの上方開口部２６３側で車両本
体部に取り付けられる。コイルケース２６０を車両本体部に取り付けるためには、従来周知の任意の方法を用いることができる。なお、上方開口部２６３の周囲には、車両本体部への取り付け性を向上するために、フランジ部材などを設けるようにしても良い。
【００２９】
コイル体２７０は、ガラスエポキシ製の矩形平板状の基材２７１と、この基材２７１上に形成される渦巻き状の導電部２７２とから構成されている。渦巻き状をなす導電部２７２の内周側の第１端部２７３、及び外周側の第２端部２７４には導電線路（不図示）が電気接続される。これにより、受電アンテナ２１０によって受電した電力を整流部２０２へと導けるようになっている。このようなコイル体２７０はコイルケース２６０の矩形状の底板部２６１上に載置され、適当な固着手段によって底板部２６１上に固着される。
【００３０】
磁性シールド体２８０は、中抜き部２８５を有する平板状の磁性部材である。この磁性シールド体２８０を構成するためには、比抵抗が大きく、透磁率が大きく、磁気ヒステリシスが小さいものが望ましく、例えばフェライトなどの磁性材料を用いることができる。磁性シールド体２８０は、コイルケース２６０に対して適当な手段により固着されることで、コイル体２７０の上方にある程度の空間を空けて配されるようになっている。このようなレイアウトにより、送電アンテナ１０５側で発生する磁力線は、磁性シールド体２８０を透過する率が高くなり、送電アンテナ１０５から受電アンテナ２１０への電力伝送において、車両本体部を構成する金属物による磁力線への影響が軽微となる。
【００３１】
また、コイルケース２６０の上方開口部２６３においては、前記上方開口部２６３を覆うような矩形平板状の金属体蓋部２９０が、シールド体２８０の上方に所定距離をおいて配されるようになっている。このような金属体蓋部２９０に用いる金属材料として任意のものを用いることとができるが、本実施形態においては、例えばアルミニウムを用いている。
【００３２】
以上のように、本発明の受電アンテナ２１０によれば、コイル体２７０の上方に磁性シールド体２８０が設けられているので、車両底面に受電アンテナ２１０を装着した場合でも、車両本体部を構成する金属物などの影響を抑制して、効率的に電力伝送を行うことが可能となる。
【００３３】
また、上記のような受電アンテナ２１０の構造は、電力伝送システム１００を構成する送電側のアンテナにも適用されている。この場合、図５に示すように、送電アンテナ１０５は、受電アンテナ２１０と水平面に対して面対称（鏡像対称）となるような構造とされている。
【００３４】
送電アンテナ１４０においても、受電側同様に、コイル体３７０がコイルケース３６０に配され、これと所定距離離されて磁性シールド体３８０が設けられると共に、金属体蓋部３９０によってコイルケース１６０が封止されてなる構造である。
【００３５】
次に、以上のように構成される本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送について説明する。これまで説明したように、電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、実際の充電の前段階において、電力伝送で用いられる電力で周波数スイープを行い、インバータ効率の極値を選定して、これに基づいて、本番の電力伝送でインバータ部１３０を駆動する周波数を決定する。本実施形態に係る電力伝送システム１００による電力伝送では、まず、このように最適周波数を選定し、その後、選定された最適周波数によって電力伝送を行う。
【００３６】
図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける電力伝送処理のフローチャートを示す図である。このようなフローチャートは送電制御部１５０によって実行される。
図６において、ステップＳ１００で電力伝送処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１では、送電制御部１５０は目標出力値が所定の電力値となるように整流昇圧部１２０を設定する。
【００３７】
また、ステップＳ１０２においては、インバータ部１３０の駆動周波数をスイープする下限の値に設定する。
【００３８】
ステップＳ１０３では、第１電力で電力伝送を実行し、ステップＳ１０４でＶ1、Ｉ1、Ｖ2、Ｉ2を計測することで、入力電力（Ｗ1）、出力電力（Ｗ2）を計測する。ステップＳ１０５では、入力電力（Ｗ1）、出力電力（Ｗ2）に基づいて、インバータ部１３０の効率η（＝Ｗ1／Ｗ2）を演算する。
【００３９】
ステップＳ１０６では、演算されたインバータ効率と、周波数とを対応させて記憶部１５１に記憶する。周波数を変更しつつ、インバータ効率を演算することで、この記憶部１５１には、インバータ効率の周波数特性が蓄積されることとなる。
【００４０】
ステップＳ１０７では設定された周波数が、スイープする上限の周波数以上であるか否かが判定される。ステップＳ１０７の判定がＮＯであれば、ステップＳ１１０に進み、周波数を所定分上昇させ設定した上で、ステップＳ１０３に戻りループする。
【００４１】
一方、ステップＳ１０７の判定がＹＥＳであれば全てのスイープを行ったことになるので、ステップＳ１０８に進み、記憶部１５１に記憶されている周波数特性からインバータ効率の極値を与える周波数を選定する。
【００４２】
ここで、電力伝送効率の周波数特性におけるパターンについて説明する。図７は本実施形態に係る電力伝送システムにおける周波数と電力伝送効率との関係を示す図である。
【００４３】
図７（Ａ）は受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０とが最も適切に配置されているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。図７（Ａ）に示すように、２つの極値を与える周波数が２つある。周波数が低い方の極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極値周波数を第２極値周波数として定義する。
【００４４】
図７（Ａ）から図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）と進むにつれて、受電アンテナ２１０と送電アンテナ１４０と間の位置のずれがより大きくなっているときの状態に対応する電力伝送効率の周波数特性を示している。
【００４５】
図７（Ｃ）、図７（Ｄ）に示すように、伝送効率の極値を与える周波数が1つである場
合には、ステップＳ１０８においては、この極値の周波数を選定するようにすればよい。一方、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、本実施形態においては、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００４６】
以下、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。
【００４７】
図８は第１極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との
間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。
【００４８】
また、図９は第２極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、送電アンテナ１４０に流れる電流と、受電アンテナ２１０に流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ１４０や受電アンテナ２１０の対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。
【００４９】
なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては準用している。
【００５０】
次に、本発明において、極値を与える周波数として、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。
【００５１】
図１０は２つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数（第１周波数）での特性を示す図である。図１０（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１０（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１０に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。
【００５２】
以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。
【００５３】
一方、図１１は２つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数（第２周波数）での特性を示す図である。図１１（Ａ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う送電側の電圧（Ｖ1）、電流（Ｉ1）の変動の様子を示す図であり、図１１（Ｂ）は電池２４０（負荷）の負荷変化変動に伴う受電側の電圧（Ｖ3）、電流（Ｉ3）の変動の様子を示す図である。図１１に示すような特性によれば、受電側で電池２４０（負荷）の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。
【００５４】
以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池２４０側からみて受電アンテナ２１０が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ２１０が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池２４０などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ２１０の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
【００５５】
図１０の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図１１の特性においては、受電側の電池２４０（負荷）にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図１１に示す特性の方が、電池２４０（負荷）にとっては好ましいので、本実施形
態においては、第１極値周波数、第２極値周波数の２つがある場合については、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
【００５６】
このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
【００５７】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池２４０（負荷）にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際にインバータ部１３０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５８】
また、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０からみて整流器２２０が電圧源として見えるので、充電制御により電池２４０への出力が変動した際に整流昇圧部１２０の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、充電器２３０が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
【００５９】
これに対して、２つの極値を与える周波数が２つある場合には、送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、充電器２３０が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。
【００６０】
さて再び図６に戻り、ステップＳ１０９では、ステップＳ１０８で選定された最適周波数によって、電力伝送を実行する。
【００６１】
以上、本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が２つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を決定することができ、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００６２】
１００・・・電力伝送システム
１１０・・・ＡＣ電源部
１２０・・・整流昇圧部
１３０・・・インバータ部
１４０・・・送電アンテナ
１５０・・・送電制御部
１５１・・・記憶部
２１０・・・受電アンテナ
２２０・・・整流器
２３０・・・充電器
２４０・・・電池
２５０・・・充電制御部
２６０・・・コイルケース
２６１・・・底板部
２６２・・・側板部
２６３・・・（上方）開口部
２７０・・・コイル体
２７１・・・基材
２７２・・・導電部
２７３・・・第１端部
２７４・・・第２端部
２８０・・・磁性シールド体
２８５・・・中抜き部
２９０・・・金属体蓋部
３６０・・・コイルケース
３７０・・・コイル体
３８０・・・磁性シールド体
３９０・・・金属体蓋部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、
前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御する制御部と、
を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
前記制御部は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする電力伝送システム。
【請求項１】
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
前記インバータ部からの交流電圧が入力される送電アンテナと、
前記インバータ部によって出力される交流電圧の周波数を制御する制御部と、
を有し、前記送電アンテナから対向する受電アンテナに対して、電磁場を介して電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
前記制御部は、負荷側からみてアンテナ部が定電圧源として見える周波数を選定して電力伝送を行うように制御することを特徴とする電力伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１７２２８（Ｐ２０１２−２１７２２８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９０３５（Ｐ２０１１−７９０３５）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]