JP2013074685A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率の低下を抑制する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、送電アンテナ１４０から受電アンテナ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、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前記送電アンテナ１４０と、前記インバータ部１３０から前記送電アンテナ１４０に入力される電圧の位相と、前記送電アンテナ１４０に流れる電流の位相とを検出する検出部と、前記検出部による検出結果に基づいて、前記インバータ部１３０における周波数を制御する制御部１５０と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

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。

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。

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。

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、実際の充電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。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報

磁気共鳴アンテナを用いた非接触による電力伝送システムにおいては、送電アンテナと受電アンテナとの位置関係や、受電アンテナに接続される負荷の状態によって、送電アンテナを駆動する際、伝送効率が最大となる最適周波数が変動する。図１４は負荷の増大に応じて、送電アンテナを駆動する最適周波数が（ａ）→（ｂ）→（ｃ）と変化することを例示している。

また、送電アンテナを駆動するための電力はインバータから供給されるが、インバータの出力を上昇させる過程においても、負荷の変動が図１５に示すように生じることで、やはり送電アンテナの最適駆動周波数が変化する。

また、受電アンテナに接続される負荷が電池である場合には、電池の充電過程で充電方式が、定電力充電から定電圧充電に移行することに伴い負荷状態が変動する。この結果、
伝送効率が最大となる送電アンテナを駆動する最適周波数が変動する。

上記のような各種の負荷の変動を無視し、一定の周波数で大電力の給電を行った場合、電力の伝送効率が悪化する、という問題があった。さらには、このような給電を継続し続けた場合には、送電アンテナに想定以上の大電流が流れ、システムが破壊にいたる可能性がある、という問題もあった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、送電アンテナから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、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前記送電アンテナと、前記インバータ部から前記送電アンテナに入力される電圧の位相と、前記送電アンテナに流れる電流の位相とを検出する検出部と、前記検出部による検出結果に基づいて、前記インバータ部における周波数を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電力伝送システムにおいて、前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値内になるように、前記インバータ部における周波数を制御することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システムにおいて、前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値より遅れている場合、前記インバータ部における周波数を下げることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力伝送システムにおいて、前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値より進んでいる場合、前記インバータ部における周波数を上げることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力伝送システムにおいて、前記制御部は、前記検出部による検出結果に基づいて、さらに前記インバータ部から出力される電圧値を制御することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電力伝送システムにおいて、前記制御部は電流の位相と電圧の位相との差が所定値以内である場合、前記インバータ部から出力される電圧値を所定値上げることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムによれば、インバータ部から前記送電アンテナに入力される電圧の位相と、前記送電アンテナに流れる電流の位相とを検出する検出部による検出結果に基づいて、インバータ部における周波数を制御する構成であるので、各種の負荷変動に基づく、電流電圧の位相差の変動に応じて、適切にインバータ部における周波数を制御することができ、電力伝送効率の低下を抑制することが可能となると共に、送電アンテナに想定以上の大電流が流れることがなく、システムを安定的に運用することが可能となる。

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。 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。 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。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムで検出される電圧値・電流値の関係を説明する図である。 電池の充電プロファイルとインバータ部の制御の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるインバータ制御処理のフローチャート（その１）を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるインバータ制御処理のフローチャート（その２）を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるインバータ制御処理のフローチャート（その３）を示す図である。 送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。 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。 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。 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。 負荷の変動に伴う送電アンテナの最適駆動周波数の変化を説明する図である。 出力電力の変動に伴う負荷変動を説明する図である。

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。

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。

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際には、送電アンテナに入力される電圧の位相と、電流の位相との関係により最適周波数を決定するようにしている。

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。

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Ｑ_A乃至Ｑ_D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。

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Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_D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Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオフとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_D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。

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Ｑ_A乃至Ｑ_D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。

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。

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。

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。

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。

また、送電制御部１５０では、上記のような構成によりインバータ部１３０から出力される電圧Ｖ₂の位相、電流Ｉ₂の位相についても検出され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、検出された電圧Ｖ₂の位相、及び電流Ｉ₂の位相の差を演算する。

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
るが、このような制御を行う際には制御プログラム１６０が参照されることによって周波数などが決定される。制御プログラム１６０は、記憶手段に記憶され、送電制御部１５０によって参照可能に構成されている。

また、通信部１７０は車両側の通信部２７０と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１７０によって受信したデータは送電制御部１５０に転送され処理されるようになっている。また、送電制御部１５０は所定情報を、通信部１７０を介して車両側に送信することができるようになっている。

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。

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。

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には
、電流センサおよび電圧センサが設けられており、出力電圧をフィードバック制御することにより、電池２４０を定電流充電モード、定電力充電モード、定電圧充電モードのいずれかの充電モード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。

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。

充電制御部２５０と接続されている充電プロファイル２６０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が記憶されている。図５は電池２４０の充電プロファイル２６０を示す図である。この充電プロファイル２６０は電池２４０の充電プロファイルの一例を示すものであり、電池２４０を充電するためには、その他のプロファイルを用いるようにしてもよい。

また、図５では電池２４０の蓄電量がほとんどない状態からの充電プロファイルを示すものである。この充電プロファイル２６０においては、まず一定の電力Ｐ_constで電池２
４０の充電を行う定出力充電（ＣＰ制御）が行われる。次に、電池２４０の端部電圧がＶｆとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電（ＣＶ制御）が行われる。そして、定電圧充電時、電池２４０に流れこむ電流がＩ_minとなったら、充電を終了する。

また、通信部２７０は車両側の通信部２７０と無線通信を行い、送電側システムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２７０によって受信したデータは充電制御部２５０に転送され処理されるようになっている。また、充電制御部２５０は所定情報を、通信部２７０を介して送電側に送信することができるようになっている。例えば、充電制御部２５０は、定電力（ＣＰ）充電モード、或いは定電圧（ＣＶ）充電モードのどの充電モードで、電池２４０の充電を行っているかに係る情報を車両充電設備側のシステムに送信することができるようになっている。

以上のように構成される電力伝送システム１００において、インバータ部１３０から送電アンテナ１４０に入力される電圧Ｖ₂と、送電アンテナ１４０に流れる電流Ｉ₂の関係を図４に基づいて説明する。

図４（Ａ）は、電圧Ｖ₂と電流Ｉ₂の位相差が所定値内にある場合を示しており、この場合、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０に対して効率的に電力伝送を行うことが可能となると共に、さらに、送電アンテナ１４０に流れる電流も許容範囲内に収束する。

また、図４（Ｂ）は電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定の値より遅れている場合を示しており、この場合、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０に対して効率的に電力伝送を行うことができず、さらに、送電アンテナ１４０に流れる電流も増大する。

また、図４（Ｃ）は電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定の値より進んでいる場合を示しており、この場合、送電アンテナ１４０から受電アンテナ２１０に対して効率的に電力伝送を行うことができず、さらに、送電アンテナ１４０に流れる電流も増大する。

次に、以上のように構成される電力伝送システム１００におけるインバータ部１３０の制御処理のフローについて説明する。

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インバータ制御処理のフローチャート（その１）を示す図であり、図５の（Ｉ）の期間におけるインバータ部１３０の制御の際に用いられるものである。この図５の（Ｉ）の期間では、インバータ部１３０の出力を０から目標電力値までに上昇させる出力上昇制御が実行される。このようなフローは送電制御部１５０によって実行されるものであり、制御プログラム１６０に記憶されてなるものである。また、送電制御部１５０はこのフローに基づいて、整流昇圧部１２０及びインバータ部１３０の制御を行う。

図６において、ステップＳ１００でインバータ制御処理が開始されると、続く、ステップＳ１０１では、電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定値以上遅れているか否かが判定される。

ステップＳ１０１における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ１０５に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量下げる制御を行う。一方、ステップＳ１０１における判定がＮＯである場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定値以上進んでいるか否かが判定される。ステップＳ１０２における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ１０４に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量上げる制御を行う。一方、ステップＳ１０２における判定がＮＯである場合には、ステップＳ１０３に進み、インバータ部１３０から出力される電圧を所定量上げる制御を行う。

ステップＳ１０６では、インバータ部１３０から出力される電力値が目標値まで到達したか否かが判定され、当該判定がＹＥＳである場合には、次に定電力充電モード時の制御（フローその２）へと移行する。一方、当該判定がＮＯである間は、電力値が目標値となるまでステップＳ１０１乃至ステップＳ１０６の間をループする。

図７は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるインバータ制御処理のフローチャート（その２）を示す図であり、図５の（ＩＩ）の期間におけるインバータ部１３０の制御の際に用いられるものである。この図５の（ＩＩ）の期間では、定電力充電モード（ＣＰモード）に対応するような制御が実行される。このようなフローは送電制御部１５
０によって実行されるものであり、制御プログラム１６０に記憶されてなるものである。また、送電制御部１５０はこのフローに基づいて、整流昇圧部１２０及びインバータ部１３０の制御を行う。

図７において、ステップＳ２００でインバータ制御処理が開始されると、続く、ステップＳ２０１では、電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定値以上遅れているか否かが判定される。

ステップＳ２０１における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ２０５に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量下げる制御を行う。一方、ステップＳ２０１における判定がＮＯである場合にはステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、電圧Ｖ₂の位相より電流Ｉ₂の位相が、所定値以上進んでいるか否かが判定される。ステップＳ２０２における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ２０４に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量上げる制御を行う。一方、ステップＳ２０２における判定がＮＯである場合には、ステップＳ２０３に進み、インバータ部１３０から出力される電力が目標値より大きいか否かが判定される。

ステップＳ２０３における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ２０６に進み、インバータ部１３０から出力する電圧を所定量下げる。一方、ステップＳ２０３における判定がＮＯである場合にはステップＳ２０７に進み、インバータ部１３０から出力する電圧を所定量上げる。

ステップＳ２０８では、定電力充電モードが終了したか否かが判定される。当該判定がＹＥＳである場合には、次に定電圧充電モード時の制御（フローその３）へと移行する。一方、当該判定がＮＯである間は、定電力充電モード時の制御を継続するように、ステップＳ２０１乃至ステップＳ２０８の間をループする。

図８は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるインバータ制御処理のフローチャート（その３）を示す図であり、図５の（ＩＩＩ）の期間におけるインバータ部１３０の制御の際に用いられるものである。この図５の（ＩＩＩ）の期間では、定電圧充電モード（ＣＶモード）に対応するような制御が実行される。このようなフローは送電制御部１５０によって実行されるものであり、制御プログラム１６０に記憶されてなるものである。また、送電制御部１５０はこのフローに基づいて、整流昇圧部１２０及びインバータ部１３０の制御を行う。

図８において、ステップＳ３００でインバータ制御処理が開始されると、続く、ステップＳ３０１では、電圧Ｖ₂の位相より電流ＩＩ₂の位相が、所定値以上遅れているか否かが判定される。

ステップＳ３０１における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ３０５に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量下げる制御を行う。一方、ステップＳ３０１における判定がＮＯである場合にはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、電圧Ｖ₂の位相より電流ＩＩ₂の位相が、所定値以上進んでいるか否かが判定される。ステップＳ３０２における判定がＹＥＳである場合にはステップＳ３０４に進み、インバータ部１３０における駆動周波数を所定量上げる制御を行う。一方、ステップＳ３０２における判定がＮＯである場合には、ステップＳ３０３に進み、定電圧充電モードが終了したか否かが判定される。当該判定がＹＥＳである場合には、ステップＳ３０６に進み処理を終了し、一方、当該判定がＮＯである間は、定電圧充電モード時
の制御を継続するように、ステップＳ３０１乃至ステップＳ３０６の間をループする。

以上のような本発明に係る電力伝送システムによれば、インバータ部１３０から前記送電アンテナ１４０に入力される電圧の位相と、前記送電アンテナ１４０に流れる電流の位相とを検出する検出部による検出結果に基づいて、インバータ部１３０における周波数を制御する構成であるので、各種の負荷変動に基づく、電流電圧の位相差の変動に応じて、適切にインバータ部１３０における周波数を制御することができ、電力伝送効率の低下を抑制することが可能となると共に、送電アンテナ１４０に想定以上の大電流が流れることがなく、システムを安定的に運用することが可能となる。

ここで、ワイヤレス電力伝送システムにおける伝送効率の極値を与える周波数について説明する。前記システムの電力伝送時においては、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。このような２つのうちのいずれの周波数を選択する方がシステムにとって最適であるかについて説明する。

図９は送電アンテナ１４０と受電アンテナ２１０とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図９に示すように、第１極値周波数ｆ_m、第２極値周波数ｆ_eの２つがあるが、電力伝送を行うときには、これらのいずれかの周波数でこれを行うことが好ましい。

図１０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のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２１０のコイル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のコイルや受電アンテナ２１０のコイル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。

また、図１１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のコイルに流れる電流と、受電アンテナ２１０のコイル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のコイルや受電アンテナ２１０のコイル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。

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。

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。

図１２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１２（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１２（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１２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。

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。

一方、図１３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１３（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１３（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１３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。

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。

図１２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１３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１３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。

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迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で行うことが可能となる。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、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、充電制御部２５０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。

また、２つの極値を与える周波数が２つある場合に、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、充電制御部２５０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。

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、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、充電制御部
２５０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。

ただし、本発明に係る電力伝送システムにおけるインバータ部の周波数制御方法は、極値が２つとなる送電アンテナ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場合、磁気壁が生じる極値周波数を選定する場合のいずれにも利用することができるし、さらに、共振点付近での極値が１つしかない場合でも有効に利用することができる。

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
１６０・・・制御プログラム
１７０・・・通信部
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・・・充電プロファイル
２７０・・・通信部

Claims (6)

1. 送電アンテナから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、
   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前記送電アンテナと、
   前記インバータ部から前記送電アンテナに入力される電圧の位相と、前記送電アンテナに流れる電流の位相とを検出する検出部と、
   前記検出部による検出結果に基づいて、前記インバータ部における周波数を制御する制御部と、を有することを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値内になるように、前記インバータ部における周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値より遅れている場合、前記インバータ部における周波数を下げることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記制御部は電流の位相が電圧の位相より所定値より進んでいる場合、前記インバータ部における周波数を上げることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力伝送システム。
5. 前記制御部は、前記検出部による検出結果に基づいて、さらに前記インバータ部から出力される電圧値を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力伝送システム。
6. 前記制御部は電流の位相と電圧の位相との差が所定値以内である場合、前記インバータ部から出力される電圧値を所定値上げることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電力伝送システム。

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