JP2010252446A - 非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御システムを簡素化可能な非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システムを提供する。
【解決手段】給電設備１の一次自己共振コイル３０と受電装置２の二次自己共振コイル６０とが電磁場を介して共鳴することにより給電設備１から受電装置２へ非接触で給電が行なわれる。制御装置４０は、高周波電源装置１０を制御することによって一次自己共振コイル３０から二次自己共振コイル６０への給電を制御する。ここで、制御装置４０は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０と間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータに基づいて一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０と間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する。
【選択図】図１

Description

この発明は、非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システムに関し、特に、給電設備と給電設備から受電する受電装置との各々に設けられる共鳴器を電磁場を介して共鳴させることにより受電装置へ非接触で給電を行なう非接触給電設備、非接触受電装置および非接触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（たとえば一対の自己共振コイル）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（たとえば、特許文献１や非特許文献１参照）。

国際公開第２００７／００８６４６号パンフレット

アンドレ・クルス（Andre Kurs）、他５名、"ワイヤレス パワー トランスファー バイア ストロングリィ カップルド マグネティック レゾナンス（Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances）"、［online］、２００７年７月６日、サイエンス（SCIENCE）、第３１７巻、ｐ．８３−８６、［平成２００７年８月１７日検索］、インターネット＜URL：http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf＞

共鳴法を用いた非接触給電を電動車両などの実システムに適用する場合には、制御システムの簡素化が課題である。たとえば、給電設備と受電装置（たとえば給電設備から給電を受ける車両）との間で通信を行なうことなく給電設備において受電装置の存在または受電装置との距離を判断できれば、給電設備と受電装置との間の通信制御を不要にできる。しかしながら、上記文献では、そのような課題については特に検討されていない。

それゆえに、この発明の目的は、制御システムを簡素化可能な非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システムを提供することである。

この発明によれば、非接触給電設備は、送電用共鳴器と、電源装置と、制御装置とを備える。送電用共鳴器は、受電装置の受電用共鳴器と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送電する。電源装置は、送電用共鳴器に接続され、所定の高周波電圧を発生する。制御装置は、電源装置を制御することによって送電用共鳴器から受電用共鳴器への給電を制御する。ここで、制御装置は、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化する、送電用共鳴器の入力部から受電用共鳴器を見たインピーダンスの周波数特性に基づいて、給電制御を実行する。なお、インピーダンスは、次式によってＳ１１パラメータに変換できるので、以下では、インピーダンスの代わりにＳ１１パラメータによって給電制御を実行するとして記述する。

Ｓ１１＝（Ｚ１−Ｚ０）／（Ｚ１＋Ｚ０） …（１）
ここで、Ｚ１は、送電用共鳴器の入力部から受電用共鳴器側を見たインピーダンスを示し、Ｚ０は、入力部から電源装置側を見たインピーダンスを示す。また、Ｚ１は、送電用共鳴器に入力される電圧Ｖ１と送電用共鳴器に入力される電流Ｉ１を用いて、次式によって表される。

Ｚ１＝Ｖ１／Ｉ１ …（２）
好ましくは、制御装置は、Ｓ１１パラメータに基づいて送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する。

好ましくは、制御装置は、Ｓ１１パラメータに基づいて推定された距離が所定値以下のとき、受電装置への給電を実行する。

好ましくは、制御装置は、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータの振幅特性に基づいて、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離を推定する。

また、好ましくは、制御装置は、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータの位相特性に基づいて、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離を推定する。

好ましくは、制御装置は、Ｓ１１パラメータに基づいて受電装置の受電要否および受電装置への給電可否を判定し、受電装置へ給電可能と判定されたとき、Ｓ１１パラメータの特異点に基づいて決定される共振周波数を有する電圧を発生するように電源装置を制御する。

好ましくは、非接触給電設備は、電流測定手段と、電圧測定手段とをさらに備える。電流測定手段は、送電用共鳴器に入力される電流を検出する。電圧測定手段は、送電用共鳴器に入力される電圧を検出する。そして、制御装置は、所定の周波数帯における複数の周波数で所定の小電力が受電装置へ出力されるように電源装置を制御し、電圧測定手段によって検出される電圧および電流測定手段によって検出される電流に基づいてＳ１１パラメータを算出する。

好ましくは、送電用共鳴器は、一次コイルと、一次自己共振コイルとを含む。一次コイルは、電源装置に接続される。一次自己共振コイルは、一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する。

また、この発明によれば、非接触受電装置は、受電用共鳴器と、インピーダンス変更装置とを備える。受電用共鳴器は、給電設備の送電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより給電設備から非接触で受電する。インピーダンス変更装置は、給電設備からの受電要否を給電設備においてインピーダンスの周波数特性に基づいて判定可能なように、給電設備からの受電要否に応じてインピーダンスを変更する。

好ましくは、インピーダンス変更装置は、給電設備からの受電を終了するとき、給電設備においてＳ１１パラメータに基づいて受電終了を検知可能なように入力インピーダンスを変更する。

また、この発明によれば、非接触給電システムは、所定の高周波電力を出力可能な給電設備と、給電設備から非接触で受電可能な受電装置とを備える。給電設備は、電源装置と、送電用共鳴器と、制御装置とを含む。電源装置は、所定の高周波電圧を発生する。送電用共鳴器は、電源装置に接続され、電源装置から電力を受けて電磁場を発生する。制御装置は、電源装置を制御することによって送電用共鳴器から受電用共鳴器への給電を制御する。受電装置は、受電用共鳴器を含む。受電用共鳴器は、電磁場を介して送電用共鳴器と共鳴することにより送電用共鳴器から非接触で受電する。制御装置は、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータに基づいて給電制御を実行する。

好ましくは、制御装置は、Ｓ１１パラメータに基づいて送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する。

好ましくは、制御装置は、Ｓ１１パラメータに基づいて推定された距離が所定値以下のとき、受電装置への給電を実行する。

好ましくは、受電装置は、インピーダンス変更装置をさらに含む。インピーダンス変更装置は、給電設備からの受電を終了するとき、当該受電装置のインピーダンスを変更可能に構成される。制御装置は、受電装置においてインピーダンス変更装置によりインピーダンスが変更されたときの予め求められたＳ１１パラメータ特性を用いて、受電終了に伴なう受電装置のインピーダンスの変更をＳ１１パラメータに基づいて検知し、その検知結果に基づいて受電装置への給電を停止する。

好ましくは、送電用共鳴器は、一次コイルと、一次自己共振コイルとを含む。一次コイルは、電源装置に接続される。一次自己共振コイルは、一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する。受電用共鳴器は、二次自己共振コイルと、二次コイルとを含む。二次自己共振コイルは、電磁場を介して一次自己共振コイルと共鳴することにより一次自己共振コイルから受電する。二次コイルは、二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出す。

この発明においては、送電用共鳴器と受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータに基づいて給電制御が実行されるので、給電設備と受電装置との間で通信を行なうことなく給電設備において受電装置の存在または受電装置との距離を判断することができる。したがって、この発明によれば、給電設備と受電装置との間の通信制御を不要にできる。その結果、制御システムを簡素化することができる。

この発明の実施の形態による非接触給電システムの全体構成図である。 共鳴法による送電に関する部分の等価回路図である。 図２に示す回路網のＳ１１パラメータの振幅特性を示した図である。 一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間の距離を変化させた場合の極小点の周波数差と、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間の距離との対応関係を示した図である。 極小点が１つになる距離よりも一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間の距離が長いときのＳ１１パラメータの振幅の大きさと、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間の距離との対応関係を示した図である。 図２に示す回路網のＳ１１パラメータの位相特性を示した図である。 Ｓ１１パラメータ算出時に走査した周波数範囲における位相特性の最小値から最大値までの変化幅と、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間の距離との対応関係を示した図である。 図１に示すインピーダンス変更部において二次コイルと負荷との間の線路が開放されたときのＳ１１パラメータの位相特性を示した図である。 図１に示す制御装置により実行される給電制御の処理手順を示すフローチャートである。 制御装置により実行されるＳ１１パラメータ演算処理の手順を示すフローチャートである。 図１に示す受電装置を搭載した電動車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成図である。

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。

図１は、この発明の実施の形態による非接触給電システムの全体構成図である。図１を参照して、非接触給電システムは、給電設備１と、受電装置２とを備える。給電設備１は、高周波電源装置１０と、一次コイル２０と、一次自己共振コイル３０と、制御装置４０と、電流測定手段５０と、電圧測定手段５５とを含む。

高周波電源装置１０は、一次コイル２０に接続され、制御装置４０から受ける駆動信号に基づいて所定の高周波電圧（たとえば数ＭＨｚ〜１０数ＭＨｚ程度）を発生することができる。高周波電源装置１０は、たとえば正弦波インバータ回路から成り、制御装置４０によって制御される。

一次コイル２０は、一次自己共振コイル３０と概ね同軸上に配設され、電磁誘導により一次自己共振コイル３０と磁気的に結合可能に構成される。そして、一次コイル２０は、高周波電源装置１０から供給される高周波電力を電磁誘導により一次自己共振コイル３０へ給電する。

一次自己共振コイル３０は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、受電装置２の二次自己共振コイル６０（後述）と電磁場を介して共鳴することにより受電装置２へ非接触で電力を送電する。なお、Ｃ１は、一次自己共振コイル３０の浮遊容量を示すが、コンデンサを実際に設けてもよい。

電流測定手段５０は、一次コイル２０に入力される電流Ｉを検出し、その検出値を制御装置４０へ出力する。電圧測定手段５５は、一次コイル２０に入力される電圧Ｖを検出し、その検出値を制御装置４０へ出力する。電流測定手段５０は、たとえば電流センサから成り、電圧測定手段５５は、たとえば電圧センサから成る。

制御装置４０は、高周波電源装置１０を制御するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号を高周波電源装置１０へ出力する。そして、制御装置４０は、高周波電源装置１０を制御することによって一次自己共振コイル３０から受電装置２の二次自己共振コイル６０への給電を制御する。

ここで、制御装置４０は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離に応じて変化する、界面１００から一次コイル２０側を見たＳ１１パラメータ（以下「前記Ｓ１１パラメータ」と称する。）に基づいて一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する。より詳しくは、制御装置４０は、前記Ｓ１１パラメータに基づいて推定された距離が所定値以下のとき、給電設備１から受電装置２への給電制御を実行し、前記Ｓ１１パラメータに基づいて推定された距離が上記所定値よりも大きいときは給電制御を実行しない。

なお、前記Ｓ１１パラメータは、一次コイル２０、一次自己共振コイル３０、ならびに受電装置２の二次自己共振コイル６０および二次コイル７０から成る回路網の入力ポート（一次コイル２０の入力）における反射係数であり、給電設備１から受電装置２への給電開始前や、給電中においても所定の頻度で定期的に算出される。なお、上記回路網におけるＳ１１パラメータの特性については、後ほど詳しく説明する。

また、後述のように、受電装置２において受電終了に伴ない受電装置２のインピーダンスが変更されるところ、制御装置４０は、受電装置２におけるインピーダンスの変更をＳ１１パラメータに基づいて検知し、その検知結果に基づいて給電設備１から受電装置２への給電を停止する。なお、制御装置４０の機能構成についても、後ほど詳しく説明する。

一方、受電装置２は、二次自己共振コイル６０と、二次コイル７０と、インピーダンス変更部８０とを含む。

二次自己共振コイル６０も、上述した一次自己共振コイル３０と同様に両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電設備１の一次自己共振コイル３０と電磁場を介して共鳴することにより給電設備１から非接触で電力を受電する。なお、Ｃ２は、二次自己共振コイル６０の浮遊容量を示すが、コンデンサを実際に設けてもよい。

二次コイル７０は、二次自己共振コイル６０と概ね同軸上に配設され、電磁誘導により二次自己共振コイル６０と磁気的に結合可能に構成される。そして、二次コイル７０は、二次自己共振コイル６０により受電された電力を電磁誘導により取出し、その取出された電力をインピーダンス変更部８０を介して負荷３へ出力する。

インピーダンス変更部８０は、二次コイル７０と負荷３との間に設けられ、負荷３のインピーダンスが変化する場合にインピーダンス変更部８０の入力インピーダンスを一定に調整する。一例として、インピーダンス変更部８０は、入力インピーダンスを調整可能なコンバータから成る。

また、インピーダンス変更部８０は、給電設備１からの受電終了を指示する信号ＳＴＰに基づいて入力インピーダンスを所定値に変更する。すなわち、給電設備１からの受電終了が指示されると、インピーダンス変更部８０によって受電装置２のインピーダンスが所定値に変更される。そして、この受電終了に伴なう受電装置２のインピーダンスの変更は、給電設備１の制御装置４０によりＳ１１パラメータに基づいて検知される。

なお、負荷３のインピーダンスが変化しない場合には、電路を遮断可能なスイッチや、可変インピーダンス装置などによってインピーダンス変更部８０を構成してもよい。

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、同じ固有振動数を有する２つのＬＣ共振コイルが電磁場（近接場）において共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへ電磁場を介して電力が伝送される。

具体的には、一次コイル２０に高周波電源装置１０を接続し、電磁誘導により一次コイル２０と磁気的に結合される一次自己共振コイル３０へたとえば数ＭＨｚ〜１０数ＭＨｚ程度の高周波電力を給電する。一次自己共振コイル３０は、コイル自身のインダクタンスと浮遊容量Ｃ１とによるＬＣ共振器であり、一次自己共振コイル３０と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル６０と電磁場（近接場）を介して共鳴する。そうすると、一次自己共振コイル３０から二次自己共振コイル６０へ電磁場を介してエネルギー（電力）が移動する。二次自己共振コイル６０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導により二次自己共振コイル６０と磁気的に結合される二次コイル７０によって取出され、負荷３へ供給される。

なお、上記のＳ１１パラメータは、ポートＰ１，Ｐ２間に形成される、一次コイル２０、一次自己共振コイル３０、二次自己共振コイル６０および二次コイル７０から成る回路網について、ポートＰ１への入力電力（高周波電源装置１０から出力される電力）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２に示した回路網のＳ１１パラメータの振幅特性を示した図である。図３を参照して、縦軸はＳ１１パラメータの振幅を示し、横軸は高周波電源装置１０から回路網に供給される高周波電力の周波数を示す。曲線ｋ１１は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ１のときのＳ１１パラメータの振幅特性を示し、曲線ｋ１２は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ２（＞Ｄ１）のときのＳ１１パラメータの振幅特性を示す。また、曲線ｋ１３は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ３（＞Ｄ２）のときのＳ１１パラメータの振幅特性を示し、曲線ｋ１４は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ４（＞Ｄ３）のときのＳ１１パラメータの振幅特性を示す。

なお、曲線ｋ１１，ｋ１２，ｋ１３は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が近いために給電設備１から受電装置２へ十分な給電が可能な場合を示し、曲線ｋ１４は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離（Ｄ４）が離れすぎているために給電設備１から受電装置２へ十分な給電が行なえない場合を示す。

図３に示されるように、共鳴法による送電を実現する図２に示した回路網のＳ１１パラメータの振幅特性は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が近づくと２つの極小点（特異点）が発生し、距離が近づくにつれて極小点の周波数（ｆ１１，ｆ１２）が離れる。また、距離が遠ざかるにつれて極小点の周波数（ｆ１１，ｆ１２）が近づき、ある一定の距離Ｄｂで２つの極小点が１つになる。さらに、極小点が１つになる距離Ｄｂから遠ざかるにつれて、Ｓ１１パラメータの振幅は大きくなるという特徴を有する。そこで、この実施の形態においては、給電設備１から受電装置２への給電開始にあたり、図４に示される、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を変化させた場合の極小点の周波数差と、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離との対応関係を予め求めておく。そして、図４に示した対応関係に基づいて、極小点が１つになる距離Ｄｂよりも一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が短い場合においては、図２に示した回路網のＳ１１パラメータを算出し、その算出されたＳ１１パラメータの振幅に表われる極小点の周波数差から一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することが可能である。あるいは、図５に示される、極小点が１つになる距離Ｄｂよりも一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が長いときのＳ１１パラメータの振幅の大きさと、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離との対応関係を予め求めておく。そして、図５に示した対応関係に基づいて、極小点が１つになる距離Ｄｂよりも一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が長い場合においては、図２に示した回路網のＳ１１パラメータを算出し、その算出されたＳ１１パラメータの振幅の大きさから一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することが可能である。そして、推定された距離が所定値以下のとき、給電設備１から受電装置２への給電を開始することとしたものである。

なお、Ｓ１１パラメータの振幅特性に代えて、Ｓ１１パラメータの位相特性に基づいて一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定してもよい。

図６は、図２に示した回路網のＳ１１パラメータの位相特性を示した図である。図６を参照して、縦軸はＳ１１パラメータの位相を示し、横軸は高周波電源装置１０から回路網に供給される高周波電力の周波数を示す。曲線ｋ２１は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ１のときのＳ１１パラメータの位相特性を示し、曲線ｋ２２は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ２（＞Ｄ１）のときのＳ１１パラメータの位相特性を示す。また、曲線ｋ２３は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ３（＞Ｄ２）のときのＳ１１パラメータの位相特性を示し、曲線ｋ２４は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ４（＞Ｄ３）のときのＳ１１パラメータの位相特性を示す。

なお、曲線ｋ２１，ｋ２２，ｋ２３は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が近いために給電設備１から受電装置２へ十分な給電が可能な場合を示し、曲線ｋ２４は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離（Ｄ４）が離れすぎているために給電設備１から受電装置２へ十分な給電が行なえない場合を示す。

図６に示されるように、共鳴法による送電を実現する図２に示した回路網のＳ１１パラメータの位相特性は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が近づくと２つの極小点および極大点が発生し、距離が近づくにつれて、所定の周波数範囲にある極小点と極大点との間で位相特性の変化の傾きが最大になる点（特異点）の周波数（ｆ２１，ｆ２２）が離れる。また、距離が遠ざかるにつれて、所定の周波数範囲にある極小点と極大点との間で位相特性の変化の傾きが最大になる点（特異点）の周波数（ｆ２１，ｆ２２）が近づき、ある一定の距離Ｄｂで２つの極小点および極大点が１つになる。さらに、極小点および極大点が１つになる距離Ｄｂから遠ざかると、ある一定の距離Ｄｃで極小点および極大点はなくなり、位相特性は単調関数になるという特徴を有する。一方、Ｓ１１パラメータ算出時に走査した周波数範囲における位相特性の最小値から最大値までの変化幅Δθは、距離が遠ざかるにつれて大きくなるという特徴を有する。

そこで、給電設備１から受電装置２への給電開始にあたり、図４に示した、所定の周波数範囲にある極小点と極大点との間で位相特性の変化の傾きが最大になる点の周波数差と、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離との対応関係を予め求めておく。そして、図４に示した対応関係に基づいて、極小点および極大点が１つになる距離Ｄｂよりも一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が短い場合においては、図２に示した回路網のＳ１１パラメータを算出し、その算出されたＳ１１パラメータの位相に表われる、所定の周波数範囲にある極小点と極大点との間で位相特性の変化の傾きが最大になる点の周波数差から、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することが可能である。あるいは、図７に示される、Ｓ１１パラメータ算出時に走査した周波数範囲における位相特性の最小値から最大値までの変化幅Δθと、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離との対応関係を予め求めておく。そして、図７に示した対応関係に基づいて、極小点および極大点が１つになる距離Ｄｂよりも一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が短い場合においては、図２に示した回路網のＳ１１パラメータを算出し、その算出されたＳ１１パラメータの位相に表われる、Ｓ１１パラメータ算出時に走査した周波数範囲における位相特性の最小値から最大値までの変化幅Δθから、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することが可能である。

図８は、図１に示したインピーダンス変更部８０において二次コイル７０と負荷３との間の線路が開放されたときのＳ１１パラメータの位相特性を示した図である。図８を参照して、縦軸はＳ１１パラメータの位相を示し、横軸は高周波電源装置１０から回路網に供給される高周波電力の周波数を示す。曲線３１は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ１のときのＳ１１パラメータの位相特性を示し、曲線３２は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ２（＞Ｄ１）のときのＳ１１パラメータの位相特性を示す。また、曲線３３は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離がＤ３（＞Ｄ２）のときのＳ１１パラメータの位相特性を示す。図８に示されるように、共鳴法による送電を実現する図２に示した回路網のＳ１１パラメータの位相特性は、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離によらず、単調関数で表されるという特徴を有する。

受電装置２（図１）において受電終了に伴ない受電装置２のインピーダンスが所定値に変更されると、Ｓ１１パラメータの位相特性は、図８のように変化する。そこで、この実施の形態においては、受電装置２の受電終了にあたり、図２に示した回路網のＳ１１パラメータを算出し、その算出されたＳ１１パラメータの位相特性が単調関数であれば、受電装置２におけるインピーダンスの変化すなわち受電終了を給電設備１側で検知することができる。

図９は、図１に示した制御装置４０により実行される給電制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図９を参照して、制御装置４０は、後述のＳ１１パラメータ演算処理によって得られる、走査周波数ｆ１〜ｆｍ（ｍは２以上の自然数）のＳ１１パラメータに基づいて、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を計算する（ステップＳ１０）。たとえば、図３や図６で説明したように、Ｓ１１パラメータの振幅特性または位相特性に基づいて、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が推定される。

次いで、制御装置４０は、走査周波数ｆ１〜ｆｍのＳ１１パラメータに基づいて、受電装置２（図１）における受電要否を判断する（ステップＳ２０）。たとえば、図８で説明したように、算出されたＳ１１パラメータの位相特性と図８に示す位相特性との比較結果に基づいて、受電装置２における受電要否が判断される。

そして、制御装置４０は、給電設備１から受電装置２へ大電力（給電電力）を出力可能か否かを判定する（ステップＳ３０）。詳しくは、ステップＳ１０において推定された一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が所定値以下であり、かつ、ステップＳ２０において受電装置２において受電が要求されていると判断されたとき、制御装置４０は、給電設備１から受電装置２へ大電力を出力可能と判定する。なお、上記所定値は、給電設備１から受電装置２への給電を実施可能な値に設定される。

ステップＳ３０において給電設備１から受電装置２へ大電力を出力可能と判定されると（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、制御装置４０は、算出されたＳ１１パラメータに基づいて共振周波数ｆ０を決定する（ステップＳ４０）。この共振周波数ｆ０は、Ｓ１１パラメータの振幅特性に表われる極小点あるいは位相特性に表われる、所定の周波数範囲にある極小点と極大点との間で位相特性の変化の傾きが最大になる点における周波数である。

そして、制御装置４０は、その決定された共振周波数ｆ０を有する大電力（給電電力）が給電設備１から受電装置２へ出力されるように、高周波電源装置１０を制御するための駆動信号を生成して高周波電源装置１０へ出力する（ステップＳ５０）。

なお、ステップＳ３０において給電設備１から受電装置２へ大電力を出力可能でないと判定されると（ステップＳ３０においてＮＯ）、大電力の出力が停止される（ステップＳ６０）。なお、給電設備１から受電装置２へ大電力が出力されていない場合には、大電力の出力が禁止される。

図１０は、制御装置４０により実行されるＳ１１パラメータ演算処理の手順を示すフローチャートである。Ｓ１１パラメータは、所定の周波数帯を所定間隔で走査することによって得られる。具体的には、たとえば図６や図８に示される周波数範囲が所定の周波数帯として設定され、その周波数帯において所定間隔で順次変化するｍ個の走査周波数ごとにＳ１１パラメータが算出される。なお、図１０に示されるフローチャートの処理は、図９に示した給電制御の処理に一定周期で割り込み、図９に示したフローチャートの処理と比較して十分に短い周期で実行される。

図１０を参照して、制御装置４０は、まずカウント値ｎに１を設定する（ステップＳ１１０）。次いで、制御装置４０は、走査周波数ｆｎを有する小電力（本格的な給電時よりも小さい電力）が給電設備１から受電装置２へ出力されるように、高周波電源装置１０を制御するための駆動信号を生成して高周波電源装置１０へ出力する（ステップＳ１２０）。

次いで、制御装置４０は、一次コイル２０に入力される電流Ｉの検出値を電流測定手段５０から取得し、一次コイル２０に入力される電圧Ｖの検出値を電圧測定手段５５から取得し、併せて位相差を取得する（ステップＳ１３０）。そして、制御装置４０は、それらの取得した情報に基づいて、走査周波数ｆｎのＳ１１パラメータを次式によって算出する（ステップＳ１４０）。

Ｓ１１＝（（Ｖ／Ｉ）−Ｚ０）／（（Ｖ／Ｉ）＋Ｚ０） …（３）
ここで、Ｚ０は、一次コイル２０の電力入力部から高周波電源装置１０側を見たインピーダンスを示す。そして、走査周波数ｆｎのＳ１１パラメータが算出されると、制御装置４０は、カウント値ｎがｍよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。カウント値ｎがｍよりも小さいと判定されると（ステップＳ１５０においてＹＥＳ）、制御装置４０は、カウント値ｎに（ｎ＋１）を設定し（ステップＳ１６０）、ステップＳ１２０へ処理を移行する。一方、ステップＳ１５０においてカウント値ｎがｍ以上であると判定されると（ステップＳ１５０においてＮＯ）、制御装置４０は、ステップＳ１７０へ処理を移行し、一連の処理が終了する。

なお、上記の制御を行なうにあたって、Ｓ１１パラメータを算出するために、ネットワークアナライザのように方向性結合器を用いた手法でも同様に実現できる。また、Ｓパラメータの代わりに、ＺパラメータやＹパラメータなどを用いても同様に実現できる。

図１１は、図１に示した受電装置２を搭載した電動車両の一例として示されるハイブリッド自動車の構成図である。図１１を参照して、ハイブリッド自動車２００は、蓄電装置２１０と、システムメインリレーＳＭＲ１と、昇圧コンバータ２２０と、インバータ２３０，２３２と、モータジェネレータ２４０，２４２と、エンジン２５０と、動力分割装置２６０と、駆動輪２７０とを含む。また、ハイブリッド自動車２００は、二次自己共振コイル６０と、二次コイル７０と、インピーダンス変更部８０と、整流器２８０と、システムメインリレーＳＭＲ２と、車両ＥＣＵ２９０とをさらに含む。

ハイブリッド自動車２００は、エンジン２５０およびモータジェネレータ２４２を動力源として搭載する。エンジン２５０およびモータジェネレータ２４０，２４２は、動力分割装置２６０に連結される。そして、ハイブリッド自動車２００は、エンジン２５０およびモータジェネレータ２４２の少なくとも一方が発生する駆動力によって走行する。エンジン２５０が発生する動力は、動力分割装置２６０によって２経路に分割される。すなわち、一方は駆動輪２７０へ伝達される経路であり、もう一方はモータジェネレータ２４０へ伝達される経路である。

モータジェネレータ２４０は、交流回転電機であり、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ２４０は、動力分割装置２６０を介してエンジン２５０の運動エネルギーを用いて発電する。たとえば、蓄電装置２１０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称される。）が予め定められた値よりも低くなると、エンジン２５０が始動してモータジェネレータ２４０により発電が行なわれ、蓄電装置２１０が充電される。

モータジェネレータ２４２も、交流回転電機であり、モータジェネレータ２４０と同様に、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ２４２は、蓄電装置２１０に蓄えられた電力およびモータジェネレータ２４０により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。そして、モータジェネレータ２４２の駆動力は、駆動輪２７０に伝達される。

また、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、運動エネルギーや位置エネルギーとして車両に蓄えられた力学的エネルギーが駆動輪２７０を介してモータジェネレータ２４２の回転駆動に用いられ、モータジェネレータ２４２が発電機として作動する。これにより、モータジェネレータ２４２は、走行エネルギーを電力に変換して制動力を発生する回生ブレーキとして作動する。そして、モータジェネレータ２４２により発電された電力は、蓄電装置２１０に蓄えられる。

動力分割装置２６０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から成る。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン２５０のクランクシャフトに連結される。サンギヤは、モータジェネレータ２４０の回転軸に連結される。リングギヤはモータジェネレータ２４２の回転軸および駆動輪２７０に連結される。

システムメインリレーＳＭＲ１は、蓄電装置２１０と昇圧コンバータ２２０との間に配設され、車両ＥＣＵ２９０からの信号に応じて蓄電装置２１０を昇圧コンバータ２２０に電気的に接続する。昇圧コンバータ２２０は、正極線ＰＬ２の電圧を蓄電装置２１０の出力電圧以上の電圧に昇圧する。なお、昇圧コンバータ２２０は、たとえば直流チョッパ回路から成る。インバータ２３０，２３２は、それぞれモータジェネレータ２４０，２４２を駆動する。なお、インバータ２３０，２３２は、たとえば三相ブリッジ回路から成る。

二次自己共振コイル６０、二次コイル７０およびインピーダンス変更部８０は、図１で説明したとおりである。整流器２８０は、二次コイル７０によって取出された交流電力を整流する。システムメインリレーＳＭＲ２は、整流器２８０と蓄電装置２１０との間に配設され、車両ＥＣＵ２９０からの信号に応じて整流器２８０を蓄電装置２１０に電気的に接続する。

車両ＥＣＵ２９０は、走行モード時、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をそれぞれオン，オフにする。そして、車両ＥＣＵ２９０は、車両の走行時、アクセル開度や車両速度、その他種々のセンサからの信号に基づいて、昇圧コンバータ２２０およびモータジェネレータ２４０，２４２を駆動するための信号を生成し、その生成した信号を昇圧コンバータ２２０およびインバータ２３０，２３２へ出力する。

また、給電設備１（図１）からハイブリッド自動車２００への給電が行なわれるとき、車両ＥＣＵ２９０は、システムメインリレーＳＭＲ２をオンにする。これにより、二次自己共振コイル６０によって受電された電力が蓄電装置２１０へ供給される。そして、蓄電装置２１０のＳＯＣが上限値を超えると、車両ＥＣＵ２９０は、インピーダンス変更部８０へインピーダンスの変更指令を出力する。なお、上述のように、インピーダンス変更部８０によるインピーダンスの変更は、給電設備１においてＳ１１パラメータに基づいて検知され、給電設備１からハイブリッド自動車２００への給電が停止する。

なお、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をともにオンさせることによって、車両の走行中に給電設備１から受電することも可能である。

なお、インピーダンス変更部８０がリレースイッチの場合、システムメインリレーＳＭＲ２は無くてもよい。また、整流器２８０と蓄電装置２１０との間に、整流器２８０により整流された直流電力を蓄電装置２１０の電圧レベルに電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。

以上のように、この実施の形態においては、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離に応じて変化するＳ１１パラメータに基づいて、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離が推定される。そして、その推定された距離に基づいて給電制御が実行されるので、給電設備１と受電装置２との間で通信を行なうことなく給電設備１において受電装置２の存在または受電装置２との距離を判断することができる。また、この実施の形態においては、受電装置２において受電終了に伴ない受電装置２のインピーダンスが変更される。そして、そのインピーダンスの変更を給電設備１においてＳ１１パラメータに基づいて検知するようにしたので、給電設備１と受電装置２との間で通信を行なうことなく給電設備１において受電装置２の受電終了を検知できる。したがって、この実施の形態によれば、給電設備１と受電装置２との間の通信制御を不要にできる。その結果、制御システムを簡素化することができる。

なお、上記の実施の形態においては、Ｓ１１パラメータに基づいて一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行するものとしたが、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することなく、Ｓ１１パラメータに基づいて直接給電制御を実行してもよい。たとえば、給電を実施するか否かのＳ１１パラメータのしきい値を、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離に基づいて予め決定しておくことによって、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を推定することなくＳ１１パラメータに基づいて給電制御を実行可能である。

また、上記の実施の形態においては、インピーダンス変更部８０は、負荷３のインピーダンスが変化する場合にインピーダンス変更部８０の入力インピーダンスを一定に調整するものとしたが、この機能は、必ずしも必要なものではない。負荷３のインピーダンスが変化すると、共振周波数が変化してしまい、Ｓ１１パラメータによって推定した一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離に誤差が生じる。しかしながら、この誤差を許容できる場合には、負荷３のインピーダンス変化に応じて入力インピーダンスを一定に調整する機能は不要であり、インピーダンス変更部８０は、給電設備１からの受電終了を指示する信号ＳＴＰに基づいて入力インピーダンスを所定値に変更する機能のみを備えていればよい。また、負荷３のインピーダンスがそもそも変化しない場合には、受電中に負荷３のインピーダンス変化に応じて入力インピーダンスを一定に調整する機能をインピーダンス変更部８０が備えていなくても、一次自己共振コイル３０と二次自己共振コイル６０との間の距離を精度よく推定することが可能である。

また、上記の実施の形態においては、一次コイル２０を用いて電磁誘導により一次自己共振コイル３０への給電を行ない、二次コイル７０を用いて電磁誘導により二次自己共振コイル６０から電力を取出すものとしたが、一次コイル２０を設けることなく高周波電源装置１０から一次自己共振コイル３０へ直接給電し、二次コイル７０を設けることなく二次自己共振コイル６０から電力を直接取出してもよい。

また、上記においては、一対の自己共振コイルを共鳴させることによって送電するものとしたが、共鳴体として一対の自己共振コイルに代えて一対の高誘電体ディスクを用いてもよい。高誘電体ディスクは、高誘電率材から成り、たとえばＴｉＯ₂やＢａＴｉ₄Ｏ₉、ＬｉＴａＯ₃等が用いられる。

また、上記においては、受電装置２を搭載した電動車両の一例として、動力分割装置２６０によりエンジン２５０の動力を分割して駆動輪２７０とモータジェネレータ２４０とに伝達可能なシリーズ／パラレル型のハイブリッド自動車について説明したが、この発明は、その他の形式のハイブリッド自動車にも適用可能である。すなわち、たとえば、モータジェネレータ２４０を駆動するためにのみエンジン２５０を用い、モータジェネレータ２４２でのみ車両の駆動力を発生する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド自動車や、エンジン２５０が生成した運動エネルギーのうち回生エネルギーのみが電気エネルギーとして回収されるハイブリッド自動車、エンジンを主動力として必要に応じてモータがアシストするモータアシスト型のハイブリッド自動車などにもこの発明は適用可能である。また、この発明は、エンジン２５０を備えずに電力のみで走行する電気自動車や、直流電源として蓄電装置２１０に加えて燃料電池をさらに備える燃料電池車にも適用可能である。

なお、上記において、一次自己共振コイル３０および一次コイル２０は、この発明における「送電用共鳴器」の一実施例を形成し、二次自己共振コイル６０および二次コイル７０は、この発明における「受電用共鳴器」の一実施例を形成する。また、インピーダンス変更部８０は、この発明における「インピーダンス変更装置」の一実施例を形成する。

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。

１ 給電設備、２ 受電装置、３ 負荷、１０ 高周波電源装置、２０ 一次コイル、３０ 一次自己共振コイル、４０ 制御装置、５０ 電流測定手段、５５ 電圧測定手段、６０ 二次自己共振コイル、７０ 二次コイル、８０ インピーダンス変更部、２００ ハイブリッド自動車、２１０ 蓄電装置、２２０ 昇圧コンバータ、２３０，２３２ インバータ、２４０，２４２ モータジェネレータ、２５０ エンジン、２６０ 動力分割装置、２７０ 駆動輪、２８０ 整流器、２９０ 車両ＥＣＵ、Ｃ１，Ｃ２ 浮遊容量、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー、ＰＬ１，ＰＬ２ 正極線、ＮＬ 負極線。

Claims (15)

1. 受電装置の受電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより前記受電装置へ非接触で送電する送電用共鳴器と、
   前記送電用共鳴器に接続され、所定の高周波電圧を発生する電源装置と、
   前記電源装置を制御することによって前記送電用共鳴器から前記受電用共鳴器への給電を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するインピーダンスの周波数特性に基づいて給電制御を実行する、非接触給電設備。
2. 前記制御装置は、前記インピーダンスの周波数特性に基づいて前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する、請求項１に記載の非接触給電設備。
3. 前記制御装置は、前記インピーダンスの周波数特性に基づいて推定された距離が所定値以下のとき、前記受電装置への給電を実行する、請求項２に記載の非接触給電設備。
4. 前記制御装置は、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離に応じて変化する前記インピーダンスの周波数特性の振幅特性に基づいて、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離を推定する、請求項２または請求項３に記載の非接触給電設備。
5. 前記制御装置は、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離に応じて変化する前記インピーダンスの周波数特性の位相特性に基づいて、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離を推定する、請求項２または請求項３に記載の非接触給電設備。
6. 前記制御装置は、前記インピーダンスの周波数特性に基づいて前記受電装置の受電要否および前記受電装置への給電可否を判定し、前記受電装置へ給電可能と判定されたとき、前記インピーダンスの周波数特性の特異点に基づいて決定される共振周波数を有する電圧を発生するように前記電源装置を制御する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の非接触給電設備。
7. 前記送電用共鳴器に入力される電流を検出する電流測定手段と、
   前記送電用共鳴器に入力される電圧を検出する電圧測定手段とをさらに備え、
   前記制御装置は、所定の周波数帯における複数の周波数で所定の小電力が前記受電装置へ出力されるように前記電源装置を制御し、前記電圧測定手段によって検出される電圧および前記電流測定手段によって検出される電流に基づいて前記インピーダンスの周波数特性を算出する、請求項１から請求項６のいずれかに記載の非接触給電設備。
8. 前記送電用共鳴器は、
   前記電源装置に接続される一次コイルと、
   前記一次コイルから電磁誘導により給電され、前記電磁場を発生する一次自己共振コイルとを含む、請求項１から請求項７のいずれかに記載の非接触給電設備。
9. 給電設備の送電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより前記給電設備から非接触で受電する受電用共鳴器と、
   前記給電設備からの受電要否を前記給電設備においてインピーダンスの周波数特性に基づいて判定可能なように、前記給電設備からの受電要否に応じてインピーダンスを変更するインピーダンス変更装置とを備える非接触受電装置。
10. 前記インピーダンス変更装置は、前記給電設備からの受電を終了するとき、前記給電設備において前記インピーダンスの周波数特性に基づいて受電終了を検知可能なように入力インピーダンスを変更する、請求項９に記載の非接触受電装置。
11. 所定の高周波電力を出力可能な給電設備と、
    前記給電設備から非接触で受電可能な受電装置とを備え、
    前記給電設備は、
    所定の高周波電圧を発生する電源装置と、
    前記電源装置に接続され、前記電源装置から電力を受けて電磁場を発生する送電用共鳴器と、
    前記電源装置を制御することによって前記送電用共鳴器から前記受電用共鳴器への給電を制御する制御装置とを含み、
    前記受電装置は、前記電磁場を介して前記送電用共鳴器と共鳴することにより前記送電用共鳴器から非接触で受電する受電用共鳴器を含み、
    前記制御装置は、前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離に応じて変化するインピーダンスの周波数特性に基づいて給電制御を実行する、非接触給電システム。
12. 前記制御装置は、前記インピーダンスの周波数特性に基づいて前記送電用共鳴器と前記受電用共鳴器との間の距離を推定し、その推定された距離に基づいて給電制御を実行する、請求項１１に記載の非接触給電システム。
13. 前記制御装置は、前記インピーダンスの周波数特性に基づいて推定された距離が所定値以下のとき、前記受電装置への給電を実行する、請求項１２に記載の非接触給電システム。
14. 前記受電装置は、前記給電設備からの受電を終了するとき、当該受電装置のインピーダンスを変更可能に構成されたインピーダンス変更装置をさらに含み、
    前記制御装置は、前記受電装置において前記インピーダンス変更装置によりインピーダンスが変更されたときの予め求められたインピーダンスの周波数特性を用いて、受電終了に伴なう前記受電装置のインピーダンスの変更を前記インピーダンスの周波数特性に基づいて検知し、その検知結果に基づいて前記受電装置への給電を停止する、請求項１１または請求項１３のいずれかに記載の非接触給電システム。
15. 前記送電用共鳴器は、
    前記電源装置に接続される一次コイルと、
    前記一次コイルから電磁誘導により給電され、前記電磁場を発生する一次自己共振コイルとを含み、
    前記受電用共鳴器は、
    前記電磁場を介して前記一次自己共振コイルと共鳴することにより前記一次自己共振コイルから受電する二次自己共振コイルと、
    前記二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出す二次コイルとを含む、請求項１１から請求項１４のいずれかに記載の非接触給電システム。

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