非接触給電装置および非接触給電方法

本発明は、移動体に搭載された蓄電装置に、移動体外部の電源から非接触で給電するための技術に関する。

近年、環境に配慮した移動体として、電気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充電可能な蓄電装置とを搭載する。しかしながら、電気自動車に搭載できるほど小型・軽量の蓄電装置では大容量のものがない。そのため電気自動車の利用者は頻繁に充電を繰り返さなければならない。またその充電作業は重いケーブルを抜き挿ししなければならず手間となる。

その解決法として、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ある。下記非特許文献1で提唱された共鳴法は電力を比較的長距離伝送することが可能な技術であり、近年特に注目されている。

また、磁界共振結合における自己共振周波数を利用したワイヤレス電力伝送は下記非特許文献2に記載され、ワイヤレス送電による給電装置は下記特許文献1〜3に記載のものが提案されている。

特許第4453741号公報

特開2010−233442号公報

特開2010−252446号公報

“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”、2007年7月6日、サイエンス(SCIENCE)、第317巻、pp.83−86

加藤昌樹、居村岳広、内田利之、堀洋一、「磁界共振結合における自己共振周波数を利用したワイヤレス電力伝送」、平成22年電気学会産業応用部門大会

しかしながら、前記共鳴法では、一次コイルと二次コイルの共振周波数を正確に合わせなければ高効率で電力伝送できないため、共振周波数を合わせる制御が必要となる。

また前記特許文献1では、電気自動車側で受電電力の検出を行い、通信により給電装置に受電状況を送信し、給電装置の制御を行う。この方法では、通信装置を装備することが必要であるため、電気自動車・給電装置ともにコスト高となってしまうだけでなく、通信方式が一致する電気自動車、給電装置の組み合わせでなければ、充電ができないという問題がある。

また前記特許文献2や特許文献3では、インピーダンスを測定することにより共振周波数の探索を行なっている。これらの提案では、インピーダンスの測定を周波数の走査によって行なっており、その結果、共振周波数の探索が走査周波数間隔で行なわれることになる。

共鳴法では、受電電力と送電高周波電力の周波数との関係を示す図5のように、Qが高く、共振がとても短い周波数範囲にあるため、これらの方法で共振周波数f₀を求めるには非常に細かい周波数走査間隔によらなければ探索することができず、現実的ではない。また、探索した周波数は共振周波数f₀とは異なるため、もっとも効率の高い周波数での電力伝送を行うことができない。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、無線通信を行なうことなく高効率の電力伝送を可能とした非接触給電装置、方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項1に記載の非接触給電装置は、移動体外部の一次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、前記一次コイルから電力を受電可能に構成された二次コイルと、前記二次コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器によって整流された電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から電力の供給を受けて駆動力を発生する電動機とを備えた移動体に対して、給電を行う給電装置であって、前記二次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、高周波電力を前記二次コイルへ送電可能に構成された一次コイルと、移動体外部の電力を、磁場を共鳴させて前記移動体へ送電可能な高周波電力に変換し、前記一次コイルに供給する高周波電力ドライバと、前記高周波電力ドライバの出力電力の周波数を変化可能範囲で変化させたときの、一次コイルへの送信電流および送信電圧を周波数とともに逐次記録し、これによって磁場の共鳴による前記一次コイルと二次コイルとの間の電力伝送の等価回路パラメータを推定する演算手段と、前記演算手段により推定された等価回路パラメータから、周波数に応じた前記二次コイルの受電電力を推定し、該推定した受電電力が最大となるように前記高周波電力ドライバの周波数を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項2に記載の非接触給電装置は、移動体外部の一次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、前記一次コイルから電力を受電可能に構成された二次コイルと、前記二次コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器によって整流された電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から電力の供給を受けて駆動力を発生する電動機とを備えた移動体に対して、給電を行う給電装置であって、前記二次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、高周波電力を前記二次コイルへ送電可能に構成された一次コイルと、移動体外部の電力を、磁場を共鳴させて前記移動体へ送電可能な高周波電力に変換し、前記一次コイルに供給する高周波電力ドライバと、前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変化可能範囲で変化させたときの一次コイルへの送信電流および送信電圧を、前記容量およびインダクタンスとともに逐次記録し、これによって磁場の共鳴による前記一次コイルと二次コイルとの間の電力伝送の等価回路パラメータを推定する演算手段と、前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変化可能範囲で変化させる機能を有し、前記演算手段により推定された等価回路パラメータから、前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方に応じた前記二次コイルの受電電力を推定し、該推定した受電電力が最大となるように前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変更して一次コイルの共振周波数を調整する調整手段と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項3に記載の非接触給電方法は、移動体外部の一次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、前記一次コイルから電力を受電可能に構成された二次コイルと、前記二次コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器によって整流された電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から電力の供給を受けて駆動力を発生する電動機とを備えた移動体に対して、給電を行う給電方法であって、高周波電力ドライバが、移動体外部の電力を、磁場を共鳴させて前記移動体へ送電可能な高周波電力に変換し、該周波数を変化させながら前記一次コイルに供給する送電ステップと、演算手段が、前記送電ステップ実行中の高周波電力ドライバの出力電力の周波数を変化可能範囲で変化させたときの、一次コイルへの送信電流および送信電圧を周波数とともに逐次記録し、これによって磁場の共鳴による前記一次コイルと二次コイルとの間の電力伝送の等価回路パラメータを推定する等価回路パラメータ推定ステップと、制御手段が、前記推定された等価回路パラメータから、周波数に応じた前記二次コイルの受電電力を推定する受電電力推定ステップと、前記推定された受電電力が最大となるように前記高周波電力ドライバの周波数を制御する制御ステップと、を備えたことを特徴としている。

また、請求項4に記載の非接触給電方法は、移動体外部の一次コイルと磁場の共鳴により磁気的に結合され、前記一次コイルから電力を受電可能に構成された二次コイルと、前記二次コイルが受電した電力を整流する整流器と、前記整流器によって整流された電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から電力の供給を受けて駆動力を発生する電動機とを備えた移動体に対して、給電を行う給電方法であって、高周波電力ドライバが、移動体外部の電力を、磁場を共鳴させて前記移動体へ送電可能な高周波電力に変換し、前記一次コイルに供給する送電ステップと、演算手段が、前記送電ステップ実行中の、前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変化可能範囲で変化させたときの一次コイルへの送信電流および送信電圧を、前記容量およびインダクタンスとともに逐次記録し、これによって磁場の共鳴による前記一次コイルと二次コイルとの間の電力伝送の等価回路パラメータを推定する等価回路パラメータ推定ステップと、調整手段が、前記等価回路パラメータ推定ステップにより推定された等価回路パラメータから、前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方に応じた前記二次コイルの受電電力を推定する受電電力推定ステップと、前記推定した受電電力が最大となるように前記一次コイルの容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変更して一次コイルの共振周波数を調整する調整ステップと、を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、移動体への共鳴法によるワイヤレス送電において、移動体側の受電部分を最小の構成とすることでコストを削減でき、通信方式が一致する移動体と給電装置の組み合わせが不要で、どのような移動体へも適用が容易で、且つ無線通信を行なわずに受電電力が最大となる状態での給電装置から移動体への電力の供給が可能となり、高効率な電力伝送ができる。

(1)請求項1〜4に記載の発明によれば、移動体、例えば電気自動車側で受電電力を検出し、その受電状況を無線通信により送信する必要がないため、電気自動車、給電装置ともに簡単な構成とすることができ、コストの低廉化を図ることができる。

また、従来のように通信方式が一致する電気自動車、給電装置の組み合わせとする必要はないので、どのような電気自動車(移動体)へも適用が容易である。

更に無線通信を行なわずに、受電電力が最大となる状態で給電装置から移動体への電力の供給が可能となる高効率な電力伝送を実施することができる。 (2)請求項3,4に記載の発明によれば、無線通信を行なわずに、受電電力が最大となる状態で送電が可能となる高効率な電力伝送を実施することができる。

本発明の実施例1の構成図。

本発明の実施例2の構成図。

共鳴法による電力伝送の等価回路図。

図3の等価回路を変形した等価回路図。

共鳴法による電力伝送における送電高周波電力の周波数と受電電力の関係を示す特性図。

共鳴法による電力伝送における送電高周波電力の周波数と受電電力の関係を表し、(a)は結合係数kが小さい場合の特性図、(b)は結合係数kが大きい場合の特性図。

本発明の実施例1における送電高周波電力の周波数と受電電力推定値の関係を示す特性図。

本発明の実施例2における一次コイルの容量と受電電力推定値の関係を示す特性図。

本発明の実施例2における一次コイルのインダクタンスと受電電力推定値の関係を示す特性図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。以下の実施例1、2は、本発明を、外部電源から非接触で給電される移動体、例えば電気自動車に適用した実施形態を示している。

図1は実施例1の装置構成を示している。図1において100は、例えば電気自動車から成る移動体200に非接触で給電を行う給電装置である。この給電装置100は、例えば系統電源から成る交流電源110、高周波電力ドライバ120、演算手段としての演算装置130、移動体200が置かれる地面近傍に配設された一次コイル140および制御手段としての制御装置150を備えている。

移動体200には、二次コイル210、整流器220、蓄電装置230および蓄電装置230に蓄えられた電力により移動体200を駆動させる電動機240が搭載されている。

前記給電装置100の高周波電力ドライバ120は、交流電源110から受ける電力を、磁場を共鳴させて一次コイル140から移動体200側の二次コイル210へ送電可能な高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次コイル140へ供給する。

一次コイル140は移動体200の二次コイル210と磁場の共鳴により磁気的に結合され、給電装置100から前記移動体200へ電力を供給可能に構成される。

演算装置130は、高周波電力ドライバ120の送電電流・電圧から、前記一次コイル140と二次コイル210を含む、共鳴法による電力伝送の等価回路パラメータを推定する。

制御装置150は、演算装置130で推定した等価回路パラメータをもとに、一次コイル140の送電電力の周波数と二次コイル210の受電電力の推定値の関係を求める。そして、推定した受電電力が最大となるように、高周波電力ドライバ120の周波数を制御する。

二次コイル210は、移動体200の車体下部に配設され、受電した電力を整流器220へ出力する。整流器220は、二次コイル210から受ける高周波の交流電力を整流して蓄電装置230へ出力する。

図1の装置において、交流電源110から一次コイル140に電力が供給されると、一次コイル140と移動体200の二次コイル210とが磁場の共鳴により磁気的に結合され、一次コイル140から二次コイル210へ電力が供給される。そして、二次コイル210によって受電された電力は、整流器220によって整流されて蓄電装置230に蓄えられる。

したがって、本実施例1の給電装置100によれば、移動体外部の電源からワイヤレスで充電電力を移動体200へ供給し、移動体200に搭載された蓄電装置230を充電することができる。

この際、演算装置130によって、給電装置100側の一次コイル140と移動体200側の二次コイル210を含む、共鳴法による電力伝送の等価回路パラメータを推定し、該推定された等価回路パラメータから、制御装置150が二次コイル210の受電電力を推定し、その推定した受電電力が最大となるように一次コイル140の送電電力の周波数を制御するので、移動体外部の交流電源110から効率的に移動体200へ電力を供給することができる。

次に、上記のように構成された装置の動作を詳細に説明する。

まず、共鳴法による電力伝送は、一次コイル140のインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁、および二次コイル210のインダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂を用いることにより、図3のような等価回路として表すことができることが知られている(例えば非特許文献2参照)。

ここで、L_mは2つのコイルの相互インダクタンスを示す。結合係数kを導入するとL_mは以下のように表せる。

また、図3の等価回路を変形すると、図4の等価回路になる。

共鳴法による電力伝送では、一次コイル140へ供給する高周波電力の周波数(送電高周波電力の周波数)と二次コイル210に供給される電力(受電電力)は図5のような関係となることが知られている。すなわち、供給される電力は2つのコイルの共振周波数f₀にて最大値となる。

また結合係数kにより、送電高周波電力の周波数と二次コイル210に供給される受電電力の関係は図6(a),(b)のように変化し、kが小さくなれば、最大電力を送信できる周波数幅が小さくなることも知られている(非特許文献2参照)。

この共振周波数f₀は一次コイルの容量およびインダクタンスの変化により変化する。また結合係数kは主に一次コイルと二次コイルのコアの特性や2つのコイルの位置関係により変化する。

本発明の給電装置100では、まず小電力で一次コイル140へ電力を供給して一次コイル140から二次コイル210に電力伝送が行われることにより、一次コイル140と二次コイル210の等価回路のパラメータ(図4に示した等価回路のインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁、インダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_M)を推定し、その後、大電力を一次コイル140へ供給して、一次コイル140から二次コイル210に電力伝送が行われ、この二次コイル210から蓄電装置230の充電を開始する。

すなわち図1において、移動体200を任意の位置に固定(停車)して電力伝送を行う時、まず高周波電力ドライバ120の出力する高周波電力の周波数を変化可能範囲で変化させながら小電力で一次コイル140を介して二次コイル210に電力伝送が行われる。

ここで、図4に示した等価回路のインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁は給電装置100のパラメータであり、回路定数の計算やシミュレーション、または試運転などにより求めておき、それらのデータは例えば演算装置130が保持する。

演算装置130では、前記周波数変化時の一次コイル140への送信電流および送信電圧を周波数とともに逐次記録し、周波数の変化可能範囲全ての送信電流および送信電圧を記録する。

これにより、図4に示した等価回路のインダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_Mを推定する。

そして前記保持していたインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁および推定したインダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_M(図4の等価回路のパラメータ)を制御装置150に送信する。

制御装置150では、前記送信された等価回路パラメータを用いることにより、周波数に応じた二次コイル210の受電電力を推定し、図7のような周波数−受電電力推定値の関係を導き出す。

その後、受電電力の推定値が最大となる周波数、すなわち共振周波数f₀の高周波電力を高周波電力ドライバ120から供給させるよう、高周波電力ドライバ120を制御し、充電を開始する。これにより、無線通信を行なわずに受電電力が最大となる状態で二次コイル210への電力の供給が可能となり、高効率の電力伝送ができる。

図2は実施例2の装置構成を示しており、図1と同一部分は同一符号をもって示している。本実施例2における移動体200は、実施例1の移動体200と同一に構成されている。

300は本実施例2の給電装置であり、図1の給電装置100と異なる点は、演算装置130で求めた等価回路パラメータに基づいて高周波電力ドライバ120を制御する制御装置150に代えて、一次コイル140の容量およびインダクタンスを変更させる機能を有し、演算装置130により推定された等価回路パラメータから、前記一次コイル140の容量およびインダクタンスの少なくとも一方に応じた二次コイル210の受電電力を推定し、該推定した受電電力が最大となるように一次コイル140の容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変更して一次コイル140の共振周波数を調整する調整装置160を設けた点にあり、その他は図1と同一に構成されている。

本実施例2においても、前記実施例1と同様に、まず小電力で一次コイル140へ供給して一次コイル140から二次コイル210に電力伝送が行われることにより、一次コイル140と二次コイル210の等価回路のパラメータ(図4に示した等価回路のインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁、インダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_M)を推定し、その後、大電力を一次コイル140へ供給して、一次コイル140から二次コイル210に電力伝送が行われ、この二次コイル210から蓄電装置230の充電を開始する。

すなわち図2において、移動体200を任意の位置に固定(停車)して電力伝送を行う時、調整装置160により一次コイル140の容量(C₁)およびインダクタンス(L₁)の少なくとも一方を変化可能範囲で変化させながら小電力で一次コイル140を介して二次コイル210に電力伝送が行われる。

尚、図4に示した等価回路のインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁は給電装置100のパラメータであり、回路定数の計算やシミュレーション、または試運転などにより求めておき、それらのデータは例えば演算装置130が保持する。

演算装置130では、前記容量およびインダクタンスの少なくとも一方を変化させた時の一次コイル140への送信電流および送信電圧を、容量およびインダクタンスとともに逐次記録し、変化可能範囲全ての送信電流および送信電圧を記録する。

これにより、図4に示した等価回路のインダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_Mを推定する。

そして前記保持していたインダクタンスL₁、浮遊容量C₁、内部抵抗R₁および推定したインダクタンスL₂、浮遊容量C₂、内部抵抗R₂、相互インダクタンスL_M(図4の等価回路のパラメータ)を調整装置160に送信する。

調整装置160では、前記送信された等価回路パラメータを用いることにより、一次コイル140の容量、インダクタンスに応じた二次コイル210の受電電力を推定し、図8のような容量−受電電力推定値の関係、または図9のようなインダクタンス−受電電力推定値の関係、あるいはその両方を導き出す。

その後、受電電力の推定値が最大となるC₀またはL₀となるよう一次コイル140を変化させ、蓄電装置230への充電を開始する。これにより、無線通信を行なわずに受電電力が最大となる状態で交流電源110から移動体200に電力の供給が可能となり、高効率の電力伝送ができる。

尚、本発明は電気自動車に限らず、非接触で電力の供給が行われる他の移動体にも適用することができる。

また、移動体外部の電源も交流電源に限らず直流電源からの電力を高周波電力に変換する構成であっても良い。

100、300…給電装置 110…交流電源 120…高周波電力ドライバ 130…演算装置 140…一次コイル 150…制御装置 160…調整装置 200…移動体 210…二次コイル 220…整流器 230…蓄電装置 240…電動機