JP5888201B2 - 受電機器、及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、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。例えば特許文献１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ている。また、非接触電力伝送装置は、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ている。そして、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り、送電機器から受電機器に交流電力が伝送される。受電機器にて受電された交流電力は、受電機器に設けられたバッテリの充電に用いられる。

特開２００９−１０６１３６号公報

上記のような非接触電力伝送装置においては、例えばバッテリ等といった、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が設けられている場合や、各コイルの位置ずれが発生する場合には、伝送効率が低下し易い。

なお、上述した事情は、磁場共鳴を用いて非接触の電力伝送を行うものに限られず、電磁誘導を用いて非接触の電力伝送を行うものについても同様である。
本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、伝送効率の低下を抑制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。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、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次側コイルを備えた受電機器において、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、前記２次側コイルと前記変動負荷との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された第１のインピーダンス変換部及び第２のインピーダンス変換部と、前記変動負荷とは別に設けられ、入力される電力の電力値に関わらず同一のインピーダンスを有し、かつインピーダンスを制御することができない固定負荷と、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる場合には、前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記固定負荷となり、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後には、前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記第２のインピーダンス変換部及び前記変動負荷となるよう切り換える切換部と、を備え、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後、前記第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われることなく前記変動負荷への電力伝送が開始され、その後前記両コイルの相対位置の変動ではなく前記変動負荷のインピーダンスが変動する場合に前記第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われることを特徴とする。

かかる発明によれば、第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる場合には、２次側コイルで受電し第１のインピーダンス変換部から出力される交流電力の出力先が固定負荷となっているため、変動負荷のインピーダンスの変動を考慮せずに第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御を行うことができる。これにより、各コイルの位置ずれに対応したインピーダンスの可変制御を容易に行うことができる。

また、第１のインピーダンス変換部の可変制御の終了後は、２次側コイルで受電し第１のインピーダンス変換部から出力される交流電力の出力先が第２のインピーダンス変換部及び変動負荷となり、第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われることなく変動負荷への電力伝送が開始される。その後、両コイルの相対位置の変動ではなく変動負荷のインピーダンスが変動する場合に第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる。これにより、各コイルの位置ずれ及び変動負荷のインピーダンスの変動双方に好適に対応することができ、それを通じて伝送効率の低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、交流電力を出力可能な交流電源、及び前記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１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルを有する受電機器と、を備えた非接触電力伝送装置において、前記受電機器として請求項１に記載の受電機器を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、非接触電力伝送装置において、各コイルの位置ずれ及び変動負荷のインピーダンスの変動双方に好適に対応することができる。

請求項３に記載の発明は、前記交流電源は、電力値が相対的に大小となる大交流電力及び小交流電力を出力可能であり、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる場合には、前記交流電源から前記小交流電力が出力され、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後は前記交流電源から前記大交流電力が出力されるよう前記交流電源を制御する電源制御手段を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われている間は、小交流電力を出力することにより、第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御中の電力損失を低減することができる。よって、第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御を、少ない消費電力で実行することができる。

請求項４に記載の発明は、前記送電機器は、前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された第３のインピーダンス変換部を備え、前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記固定負荷となっている状態において、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御と、前記第３のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御とを行う可変制御手段を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、２次側コイルで受電し第１のインピーダンス変換部から出力される交流電力の出力先が固定負荷となっている状態において、第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御と、第３のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御とを行う。これにより、変動負荷のインピーダンスの変動を考慮せずに、両インピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御を行うことができるため、両インピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の容易化を図ることができる。

この発明によれば、伝送効率の低下を抑制することができる。

非接触電力伝送装置の回路図。 （ａ），（ｂ）は送電器と受電器との相対位置を説明するための概念図。 別例の非接触電力伝送装置の回路図。

以下、本発明に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）について説明する。
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とを備えている。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）を備えている。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、その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に設けられた負荷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及び車両側機器２１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）とを備えている。

送電器１３及び受電器２３は同一の構成となっており、両者は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。両者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、高周波電源１２から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。

受電器２３にて受電された高周波電力が入力される負荷２２には、高周波電力を直流電力に整流するものであって、予め定められた閾値電圧値が印加されることで動作する半導体素子（ダイオード）を有する整流器（整流部）と、その直流電力が入力される車両用バッテリ（蓄電装置）とが含まれている。受電器２３にて受電された高周波電力は、車両用バッテリの充電に用いられる。

なお、地上側機器１１には、高周波電源１２等の地上側機器１１の制御を行う電源側コントローラ１４が設けられている。また、車両側機器２１には、電源側コントローラ１４と無線通信可能に構成された車両側コントローラ２４が設けられている。非接触電力伝送装置１０は、各コントローラ１４，２４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。各コントローラ１４，２４が「可変制御手段」に対応し、電源側コントローラ１４が「電源制御手段」に対応する。

車両側機器２１には、車両用バッテリの充電量を検知する検知センサ２５が設けられている。検知センサ２５は、検知結果を車両側コントローラ２４に対して送信する。これにより、車両側コントローラ２４は、車両用バッテリの充電量を把握することが可能となっている。

非接触電力伝送装置１０は、複数のインピーダンス変換器３１〜３３を備えている。詳細には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１において高周波電源１２と送電器１３との間に設けられた第３のインピーダンス変換部としての第１インピーダンス変換器３１を備えているとともに、車両側機器２１において受電器２３と負荷２２との間に設けられた第２インピーダンス変換器３２及び第３インピーダンス変換器３３を備えている。第２インピーダンス変換器３２が「第１のインピーダンス変換部」に対応し、第３インピーダンス変換器３３が「第２のインピーダンス変換部」に対応する。第２インピーダンス変換器３２は受電器２３に接続されており、第３インピーダンス変換器３３は負荷２２に接続されている。

第１インピーダンス変換器３１は、第１インダクタ３１ａ及び第１キャパシタ３１ｂからなる逆Ｌ型のＬＣ回路で構成されている。第２インピーダンス変換器３２は、第２インダクタ３２ａ及び第２キャパシタ３２ｂからなるＬ型のＬＣ回路で構成されている。第３インピーダンス変換器３３は、第３インダクタ３３ａ及び第３キャパシタ３３ｂからなる逆Ｌ型の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）の出力端から負荷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、受電器２３の出力端から負荷２２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、受電器２３の出力端から負荷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Ｒｏｕｔ（第２抵抗値）が存在することを見出した。

詳細には、仮に送電器１３の入力端に仮想負荷Ｘ１を設けた場合において、当該仮想負荷Ｘ１の抵抗値をＲａ１とし、受電器２３（詳細には受電器２３の出力端）から仮想負荷Ｘ１までの抵抗値をＲｂ１とすると、特定抵抗値Ｒｏｕｔは√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。

第２インピーダンス変換器３２及び第３インピーダンス変換器３３は、上記知見に基づいて、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンス（第２インピーダンス変換器３２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２２のインピーダンスＺＬをインピーダンス変換する。

ここで、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス、すなわち第１インピーダンス変換器３１の入力端のインピーダンスに依存する。

かかる構成において、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２から所望の電力値の高周波電力が出力されるべく、受電器２３の出力端から負荷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の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。例えば、負荷２２の車両用バッテリに対して入力される直流電力の電力値が充電に適した電力値となるのに要する高周波電源１２の出力電力の電力値を、充電に適した電力値の高周波電力とする。そして、高周波電源１２から充電に適した電力値の高周波電力が出力されるための高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス（第１インピーダンス変換器３１の入力端のインピーダンス）を、充電に適した入力インピーダンスＺｔとする。この場合、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンスが上記充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する。なお、充電に適した入力インピーダンスＺｔが「所定のインピーダンス」に対応する。

ここで、特定抵抗値Ｒｏｕｔは、送電器１３及び受電器２３の構成（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）、送電器１３及び受電器２３の相対位置によって決定されるものである。このため、送電器１３及び受電器２３が予め定められた基準位置からずれた場合、すなわち送電器１３及び受電器２３の相対位置が変動した場合、特定抵抗値Ｒｏｕｔは変動する。

送電器１３及び受電器２３の相対位置の変動としては、例えば、図２（ａ）に示すように、送電器１３の全体と受電器２３の全体とが対向する位置を基準位置として設定している状況において、両者がずれた状態で配置される場合がある。また、図２（ｂ）に示すように、車両における車両側機器２１の搭載態様や、車両の車高のばらつき等によって、送電器１３及び受電器２３間の距離が変動し得る。

また、負荷２２に含まれている車両用バッテリは、入力される直流電力の電力値に応じてそのインピーダンスが変動する。つまり、負荷２２は、入力される電力の電力値に応じてインピーダンスＺＬが変動（変化）する変動負荷２２である。

このように、特定抵抗値Ｒｏｕｔや変動負荷２２のインピーダンスＺＬが変動すると、伝送効率が低下したり所望の電力値の高周波電力が得られなかったりする事態が生じ得る。これに対して、本非接触電力伝送装置１０は、送電器１３及び受電器２３間の相対位置の変動や、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に追従するための構成を備えている。当該構成について説明する。

図１に示すように、各インピーダンス変換器３１〜３３の定数（インピーダンス）は、実部（レジスタンス）及び虚部（リアクタンス）、あるいはそのいずれかが可変（調整可能）となっている。本実施形態では、図１に示すように、各インピーダンス変換器３１〜３３の各キャパシタ３１ｂ〜３３ｂのキャパシタンスは可変となっている。なお、定数（インピーダンス）は、変換比とも、インダクタンスやキャパシタンスとも言える。

第２インピーダンス変換器３２の初期状態の定数は、送電器１３及び受電器２３が基準位置に配置され、高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力されている状況において、第３インピーダンス変換器３３の定数が初期状態の第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスを特定抵抗値Ｒｏｕｔに変換する値である。また、第１インピーダンス変換器３１の初期状態の定数は、送電器１３及び受電器２３が予め定められた基準位置に配置されており、且つ、高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力されている状況において、送電器１３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスＺｉｎを、充電に適した入力インピーダンスＺｔに変換する値に設定されている。

高周波電源１２と送電器１３との間、詳細には高周波電源１２と第１インピーダンス変換器３１との間には、測定部としての１次側測定器４１が設けられている。１次側測定器４１は電源側コントローラ１４に電気的に接続されており、当該電源側コントローラ１４からの要求に応じて電圧波形及び電流波形を測定し、その測定結果を電源側コントローラ１４に対して送信する。

受電器２３と変動負荷２２との間、詳細には受電器２３と第２インピーダンス変換器３２との間には、測定部としての２次側測定器４２が設けられている。２次側測定器４２は車両側コントローラ２４に電気的に接続されており、当該車両側コントローラ２４からの要求に応じて電圧波形及び電流波形を測定し、その測定結果を車両側コントローラ２４に対して送信する。各コントローラ１４，２４は、各測定器４１，４２の測定結果に基づいて各インピーダンス変換器３１〜３３の定数を可変制御する。

また、第２インピーダンス変換器３２と第３インピーダンス変換器３３との間には、入力される高周波電力の電力値に関わらず同一の抵抗値（インピーダンス）を有する固定抵抗（固定負荷）５１が設けられている。そして、車両側機器２１には、第２インピーダンス変換器３２の接続先が、固定抵抗５１か、変動負荷２２が接続された第３インピーダンス変換器３３になるように切り換える切換部としてのリレー５２が設けられている。なお、第２インピーダンス変換器３２の接続先は、受電器２３で受電し第２インピーダンス変換器３２から出力される高周波電力の出力先とも言える。

各コントローラ１４，２４は、車両用バッテリの充電を行う充電シーケンスにて、各インピーダンス変換器３１〜３３の定数の可変制御とともに、リレー５２の制御を行う。上記充電シーケンスについて以下に詳細に説明する。なお、本充電シーケンスは、各コントローラ１４，２４が互いに情報のやり取りを行いながら実行する。

先ず、各コントローラ１４，２４は、情報のやり取りを通じて、車両が充電可能な位置、詳細には送電器１３と受電器２３とが磁場共鳴可能な位置に配置されていることを確認する。

その後、車両側コントローラ２４は、リレー５２を制御することにより、第２インピーダンス変換器３２の接続先を固定抵抗５１に設定する。
続いて、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２から予め設定された調整用の高周波電力（小交流電力）が出力されるように高周波電源１２を制御する。

その後、各コントローラ１４，２４は、各測定器４１，４２の測定結果を把握する。そして、各コントローラ１４，２４は、電力伝送に支障が無いか否かを判定する。例えば、先ず各コントローラ１４，２４は、伝送効率が予め定められた閾値効率以上であるか否かを判定する。

伝送効率が閾値効率以上でない場合には、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔからずれていることが想定される。この場合、車両側コントローラ２４は、特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくように、第２インピーダンス変換器３２の定数を可変制御する。なお、この場合、例えば２次側測定器４２にて測定される電圧波形及び電流波形から導出される各種パラメータ（電力値、力率等）を用いて、特定抵抗値Ｒｏｕｔを特定する。

第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御によって、伝送効率が閾値効率以上となったことを確認した場合には、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２から出力されている高周波電力の電力値（１次側測定器４１にて測定される高周波電力の電力値）が調整用の高周波電力の電力値と一致しているか否かを判定する。高周波電源１２から出力されている高周波電力の電力値が調整用の高周波電力の電力値からずれている場合には、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔからずれていることが想定される。この場合、電源側コントローラ１４は、充電に適した入力インピーダンスＺｔに近づくように、１次側測定器４１の測定結果に基づいて第１インピーダンス変換器３１の定数を可変制御する。つまり、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御の後に、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う。

なお、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行っても、伝送効率が閾値効率未満、又は、高周波電源１２からの出力電力の電力値が調整用の高周波電力の電力値からずれる場合には、電力伝送に支障があるとして、充電を中止するとともに、その旨を報知する。

電力伝送に支障がない場合には、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２から調整用の高周波電力よりも電力値が大きい充電用の高周波電力（大交流電力）が出力されるように高周波電源１２を制御する。また、車両側コントローラ２４は、リレー５２を制御して、第２インピーダンス変換器３２の接続先を第３インピーダンス変換器３３に変更する。

ここで、固定抵抗５１の抵抗値（インピーダンス）Ｒｘと、充電用の高周波電力が出力されている状態における第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスとが近づく（好ましくは一致する）ように、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘ及び第３インピーダンス変換器３３の初期状態の定数が設定されている。このため、リレー５２の切換が行われた場合であっても、第２インピーダンス変換器３２の出力端以降のインピーダンスが変動しにくくなっている。

その後、車両側コントローラ２４は、充電中定期的に車両用バッテリの充電量を把握する。そして、車両側コントローラ２４は、車両用バッテリの充電量が変更契機量となった場合に、電源側コントローラ１４にその旨の通知を行う。電源側コントローラ１４は、上記通知を受けて、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値を変更する。当該電力値の変更に伴い、変動負荷２２のインピーダンスＺＬが変動し、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔからずれる。

これに対応させて、車両側コントローラ２４は、上記電力値の変更に関わらず、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが一定（特定抵抗値Ｒｏｕｔ）となるように、第３インピーダンス変換器３３の定数を可変制御する。詳細には、車両側コントローラ２４は、第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスが一定となるように、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に対応させて第３インピーダンス変換器３３の定数を可変制御する。

その後、車両側コントローラ２４は、検知センサ２５の検知結果に基づいて、車両用バッテリの充電量が満充電量（終了契機量）となったか否かを判定し、満充電量となった場合には、電源側コントローラ１４にその旨を通知する。電源側コントローラ１４は、その通知を受けて、高周波電力の出力を停止するよう高周波電源１２を制御する。

次に本実施形態の作用について説明する。
第２インピーダンス変換器３２は、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔとなるようにインピーダンス変換しているため、伝送効率の向上が実現されている。

また、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるようにインピーダンス変換しているため、充電に適した電力値の高周波電力が変動負荷２２に供給されている。

ここで、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動（基準位置からのずれ）に対応させて、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う場合には、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１に切り換わる。これにより、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御において、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動を考慮する必要がない。

一方、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御の後は、リレー５２によって、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１から第３インピーダンス変換器３３に切り換わる。その後、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値が変更された場合には、第３インピーダンス変換器３３の定数の可変制御が行われる。この場合、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御は行われない。

以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた効果を奏する。
（１）車両側機器２１に、定数（インピーダンス）が可変の第２インピーダンス変換器３２及び第３インピーダンス変換器３３を設け、第２インピーダンス変換器３２を受電器２３に接続し、第３インピーダンス変換器３３を変動負荷２２に接続した。そして、変動負荷２２とは別に固定抵抗５１を設け、第２インピーダンス変換器３２の接続先が、固定抵抗５１か、第３インピーダンス変換器３３及び変動負荷２２になるように切り換えるリレー５２を設けた。そして、第２インピーダンス変換器３２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３２の接続先を固定抵抗５１にする構成とした。これにより、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動を考慮することなく、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うことができるため、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に対応した定数の可変制御を容易に行うことができる。

詳細には、仮に第２インピーダンス変換器３２と第３インピーダンス変換器３３とが接続されている状況において第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うと、第３インピーダンス変換器３３の入力端に入力される高周波電力の電力値が変動し得る。このため、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に対応するべく、第３インピーダンス変換器３３の定数の可変制御を行う必要が生じる。すなわち、第２インピーダンス変換器３２の定数、及び第３インピーダンス変換器３３の定数の双方を同時に可変制御する必要が生じ、制御が煩雑となる。これに対して、本実施形態によれば、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘは一定であるため、第３インピーダンス変換器３３の定数を可変制御することなく、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うことができる。これにより、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に対応した定数の可変制御を容易に行うことができる。

一方、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御の終了後には、第２インピーダンス変換器３２の接続先を、変動負荷２２に接続された第３インピーダンス変換器３３にし、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に対応させて、第３インピーダンス変換器３３の定数を可変制御する構成とした。これにより、第２インピーダンス変換器３２の定数を可変制御することなく、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に追従（対応）することができる。よって、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動（各コイル１３ａ，２３ａの位置ずれ）及び変動負荷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る。

特に、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に追従するインピーダンス変換器（第１インピーダンス変換器３１及び第２インピーダンス変換器３２）と、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に追従するインピーダンス変換器（第３インピーダンス変換器３３）とが区別されている。これにより、一方の変動に対して追従することに起因して他方の変動に追従することができないといった不都合を回避することができる。よって、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動及び変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動の双方に対して、好適に追従することができる。

（２）各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御が行われる場合には、充電用の高周波電力よりも電力値が小さい調整用の高周波電力が出力されるように構成し、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御の終了後には、充電用の高周波電力が出力される構成とした。これにより、各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う場合に生じる電力損失を低減することができる。

（３）ここで、変動負荷２２には整流器が含まれており、当該整流器には、閾値電圧値で動作するダイオードが含まれている。この場合、仮に第２インピーダンス変換器３２と第３インピーダンス変換器３３とが接続されている状況で調整用の高周波電力が出力されている場合において、整流器の入力電圧値が閾値電圧値よりも低い場合には、整流器（ダイオード）が動作しない。この場合、整流器以降のインピーダンス（車両用バッテリのインピーダンス）が反映されないため、適切な第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うことができない。かといって、調整用の高周波電力の電力値を大きくすることは、電力損失の増大化の観点から好ましくない。特に、変動負荷２２に入力される高周波電力の電圧値は、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置によって変動する。このため、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置に関わらず、変動負荷２２にダイオードの閾値電圧値以上の電圧値が入力されるように調整用の高周波電力の電力値を設定すると、調整用の高周波電力の電力値が大きくなり易い。

これに対して、本実施形態によれば、調整用の高周波電力が出力されている状況においては、第２インピーダンス変換器３２の接続先は、ダイオードのような半導体素子を有しない固定抵抗５１となっているため、上記のような不都合が生じない。これにより、調整用の高周波電力の電力値を小さくすることができ、調整に係る電力損失を低減することができる。

（４）固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘと、充電用の高周波電力が出力されている状況における第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスとが近づくように、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘと第３インピーダンス変換器３３の初期状態の定数とを設定した。これにより、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１から第３インピーダンス変換器３３に切り換わった場合であっても、第２インピーダンス変換器３２の出力端以降のインピーダンスが変動しにくい。よって、リレー５２の切換によって、再度各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う必要が生じにくいため、制御の簡素化を図ることができる。

（５）本発明者らは、受電器２３の出力端から変動負荷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。そして、第２インピーダンス変換器３２は、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値Ｒｏｕｔに近づくようにインピーダンス変換する構成とした。これにより、伝送効率の向上を図ることができる。

そして、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に伴い、特定抵抗値Ｒｏｕｔが変動することに対応させて、第２インピーダンス変換器３２の定数を可変制御する構成とした。これにより、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置が変動した場合であっても、高い伝送効率を維持することができる。

（６）受電器２３の出力端から変動負荷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の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換する第１インピーダンス変換器３１を設けた。詳細には、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるようにインピーダンス変換する。これにより、車両用バッテリの充電を好適に行うことができる。

また、電源側コントローラ１４は、各コイル１３ａ，２３ａの位置ずれに対応させて、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行うことにより、上記位置ずれに関わらず、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔとなるようにした。すなわち、電源側コントローラ１４は、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２のインピーダンスが各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に関わらず一定値に近づくように、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う構成とした。これにより、安定した電力供給が実現されている。

（７）上記送電器１３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスＺｉｎは、第２インピーダンス変換器３２の定数によって変動する。この点に着目し、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行った後に、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行う構成とした。これにより、無駄な可変制御が行われることを回避することができる。

詳述すると、例えば第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を行った後に、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行う構成とすると、第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御によって、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔからずれてしまう。このため、再度、第１インピーダンス変換器３１の定数の可変制御を要することとなる。

これに対して、本実施形態によれば、先に第２インピーダンス変換器３２の定数の可変制御を行うことによって、上記不都合を回避することができる。これにより、制御の簡素化を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、各インピーダンス変換器３１〜３３はＬＣ回路で構成されていたが、これに限られない。例えば、図３に示すように、第１インピーダンス変換器３１に代えて、１次側コイル１３ａと協動してトランスを構成するものであってインダクタンスが可変の１次側誘導コイル６１を設け、当該１次側誘導コイル６１及び送電器１３間を、電磁誘導によって電力伝送する構成としてもよい。この場合、１次側誘導コイル６１が第１インピーダンス変換器３１として機能するように、当該１次側誘導コイル６１のインダクタンスを設定するとよい。

同様に、受電器２３と２次側測定器４２との間に、第２インピーダンス変換器３２に代えて、２次側コイル２３ａと協働してトランスを構成するものであってインダクタンスが可変の２次側誘導コイル６２を設け、受電器２３及び２次側誘導コイル６２間を、電磁誘導によって電力伝送する構成としてもよい。この場合、２次側誘導コイル６２が第２インピーダンス変換器３２として動作するように、当該２次側誘導コイル６２のインダクタンスを設定するとよい。

○ 各インピーダンス変換器３１〜３３のうち少なくとも１のインピーダンス変換器を、トランスに置換してもよい。
○ 第１インピーダンス変換器３１は、力率が改善されるように（所定のインピーダンスのリアクタンスが０に近づくように）、送電器１３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換するものであってもよい。

○ 実施形態では、３つのインピーダンス変換器３１〜３３が設けられていたが、これに限られない。例えば、第１インピーダンス変換器３１を省略する構成としてもよい。また、地上側機器１１に、第１インピーダンス変換器３１とは別に、力率を改善させるインピーダンス変換器を設けてもよい。

○ 実施形態では、第３インピーダンス変換器３３の定数が可変であったが、これに限られず、第３インピーダンス変換器３３の定数が固定であってもよい。この場合、変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動に追従するように第２インピーダンス変換器３２の定数を可変制御するとよい。但し、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動、及び変動負荷２２のインピーダンスＺＬの変動の双方に好適に追従することができる点に着目すれば、第３インピーダンス変換器３３の定数を可変とするとよい。また、第１インピーダンス変換器３１の定数を固定としてもよい。

○ 固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘを任意に設定してもよい。この場合、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘに対応させて、充電用の高周波電力が出力されている状況における第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスが固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘと一致するように、第３インピーダンス変換器３３の初期状態の定数を設定すればよい。逆に、第３インピーダンス変換器３３の定数を任意に設定し、その第３インピーダンス変換器３３の定数に対応させて、固定抵抗５１の抵抗値Ｒｘを設定してもよい。

○ 実施形態では、調整用の高周波電力と、充電用の高周波電力とで電力値が異なっていたが、これに限られず、両者の電力値を同一に設定してもよい。
○ また、第２インピーダンス変換器３２の接続先が固定抵抗５１となっている状況にて、高周波電源１２から充電用の高周波電力が出力される構成とし、その状態で各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行う構成としてもよい。

○ 高周波電源１２から出力されている高周波電力の電力値が調整用の高周波電力の電力値と一致しているか否かの判定に代えて、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが充電に適した入力インピーダンスＺｔと一致しているか（又は両者の差が許容範囲内か）否かの判定を行ってもよい。

○ 各インピーダンス変換器３１〜３３の具体的な構成は、上記実施形態のものに限定されず、任意である。例えば、π型、Ｔ型等を用いてもよい。
○ 高周波電源１２から出力される高周波電力の電圧波形としては、パルス波形、正弦波等任意である。

○ 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、これに限られず、電力伝送が可能な範囲内で両者を異ならせてもよい。
○ 実施形態では、送電器１３と受電器２３とは同一の構成であったが、これに限られず、異なる構成であってもよい。

○ 実施形態では、各コンデンサ１３ｂ，２３ｂを設けたが、これらを省略してもよい。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。
○ 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を用いたが、これに限られず、電磁誘導を用いてもよい。

○ 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、これに限られず、他の機器に適用してもよい。例えば、携帯電話のバッテリを充電するのに適用してもよい。

○ 実施形態では、変動負荷２２には、整流器及び車両用バッテリが含まれていたが、これに限られず、他の電子機器を含むものであってもよい。
○ 実施形態では、リレー５２を制御する主体は車両側コントローラ２４であったが、これに限られず、例えば電源側コントローラ１４であってもよい。また、高周波電源１２の制御の主体は、電源側コントローラ１４に限られず、例えば車両側コントローラ２４であってもよい。同様に、各インピーダンス変換器３１〜３３の制御主体は任意であり、例えば各コントローラ１４，２４のうち一方のみが制御する構成としてもよいし、各コントローラ１４，２４とは別に専用の制御部を設けてもよい。

○ 実施形態では、高周波電源１２が設けられていたが、これに限られず、これを省略してもよい。
○ 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、その共振回路と電磁誘導で結合する１次側結合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次側結合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する。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、その共振回路と電磁誘導で結合する２次側結合コイルとを有し、２次側結合コイルを用いて受電器２３の共振回路から電力を取り出してもよい。

○ 高周波電源１２は、電力源、電圧源及び電流源のいずれであってもよい。
○ 高周波電源１２として電力源を採用し、各インピーダンス変換器３１〜３３を、インピーダンス整合させるのに用いてもよい。詳細には、第１インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが高周波電源１２の出力インピーダンスと整合するように、送電器１３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスＺｉｎをインピーダンス変換するものであってもよい。この場合、高周波電源１２の出力インピーダンスと整合するインピーダンスが、「所定のインピーダンス」に対応する。

また、第２インピーダンス変換器３２は、受電器２３の出力端から変動負荷２２までのインピーダンスが受電器２３の出力端から高周波電源１２までのインピーダンスと整合するように、第３インピーダンス変換器３３の入力端から変動負荷２２までのインピーダンスをインピーダンス変換するものであってもよい。

かかる構成においては、１次側測定器４１は、送電器１３から高周波電源１２に向かう反射波電力を測定し、２次側測定器４２は、第２インピーダンス変換器３２から高周波電源１２に向かう反射波電力を測定する構成としてもよい。そして、各コントローラ１４，２４は、各反射波電力が小さくなるように各インピーダンス変換器３１，３２の定数の可変制御を行うとよい。また、上記構成においては、各インピーダンス変換器３１，３２の定数を同時に可変制御するとよい。

○ 地上側機器１１に、２つ以上のインピーダンス変換器を設けてもよい。また、車両側機器２１に３つ以上のインピーダンス変換器を設けてもよい。
○ 第３インピーダンス変換器３３に代えて、整流器と車両用バッテリとの間に、周期的にスイッチングするスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。この場合、変動負荷２２のインピーダンスＺＬは、スイッチング素子のオンオフのデューティ比に依存するため、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値に応じて、デューティ比を調整することにより変動負荷２２のインピーダンスＺＬを一定にすることができる。なお、この場合、車両用バッテリが「変動負荷」に対応し、ＤＣ／ＤＣコンバータが「第２のインピーダンス変換部」に対応する。また、デューティ比の調整は、ＤＣ／ＤＣコンバータのインピーダンスの調整とも言える。つまり、「変動負荷」は、２次側コイル２３ａにて受電された高周波電力又はそれが整流された直流電力が入力されるものである。

○ なお、第３インピーダンス変換器３３に加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。この場合、第３インピーダンス変換器３３の定数を固定として、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子のオンオフのデューティ比を調整するとよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に記載する。
（イ）前記変動負荷には、
ダイオードを有し、前記２次側コイルにて受電した交流電力を直流電力に整流する整流部と、
前記直流電力が入力されることにより充電される車両用バッテリと、
が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の受電機器。

（ロ）前記第２のインピーダンス変換部のインピーダンスは、前記両コイルの相対位置の変動ではなく前記変動負荷のインピーダンスが変動する場合、前記第２のインピーダンス変換部の入力端から前記変動負荷までのインピーダンスが一定となるように可変制御されることを特徴とする請求項１又は技術的思想（イ）に記載の受電機器。

（ハ）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、
前記第１のインピーダンス変換部は、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ことを特徴とする請求項１及び技術的思想（イ），（ロ）のうちいずれか一項に記載の受電機器。

（ニ）前記１次側コイルの入力端に抵抗値がＲａ１の仮想負荷を設けた場合の前記２次側コイルから前記仮想負荷までの抵抗値をＲｂ１とすると、前記特定抵抗値は√（Ｒａ１×Ｒｂ１）であることを特徴とする技術的思想（ハ）に記載の受電機器。

（ホ）前記第３のインピーダンス変換部は、前記交流電源の出力端から前記変動負荷までのインピーダンスが所定のインピーダンスに近づくように、前記１次側コイルの入力端から前記変動負荷までのインピーダンスをインピーダンス変換するものであることを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。

（ヘ）前記可変制御手段は、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御を行った後に、前記第３のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御を行うことを特徴とする請求項４又は技術的思想（ホ）に記載の非接触電力伝送装置。

１０…非接触電力伝送装置、１１…地上側機器（送電機器）、１２…高周波電源、１３…送電器、１３ａ…１次側コイル、１４…電源側コントローラ（電源制御手段）、２１…車両側機器（受電機器）、２２…負荷（変動負荷）、２３…受電器、２３ａ…２次側コイル、２４…車両側コントローラ、３１…第１インピーダンス変換器（第３のインピーダンス変換部）、３２…第２インピーダンス変換器（第１のインピーダンス変換部）、３３…第３インピーダンス変換器（第２のインピーダンス変換部）、４１，４２…測定器、５１…固定抵抗（固定負荷）、５２…リレー（切換部）。

Claims (4)

1. 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次側コイルを備えた受電機器において、
   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、
   前記２次側コイルと前記変動負荷との間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された第１のインピーダンス変換部及び第２のインピーダンス変換部と、
   前記変動負荷とは別に設けられ、入力される電力の電力値に関わらず同一のインピーダンスを有し、かつインピーダンスを制御することができない固定負荷と、
   前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる場合には、前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記固定負荷となり、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後には、前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記第２のインピーダンス変換部及び前記変動負荷となるよう切り換える切換部と、
   を備え、
   前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後、前記第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われることなく前記変動負荷への電力伝送が開始され、その後前記両コイルの相対位置の変動ではなく前記変動負荷のインピーダンスが変動する場合に前記第２のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われることを特徴とする受電機器。
2. 交流電力を出力可能な交流電源、及び前記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１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルを有する受電機器と、
   を備えた非接触電力伝送装置において、
   前記受電機器として請求項１に記載の受電機器を備えていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
3. 前記交流電源は、電力値が相対的に大小となる大交流電力及び小交流電力を出力可能であり、
   前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御が行われる場合には、前記交流電源から前記小交流電力が出力され、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御の終了後は前記交流電源から前記大交流電力が出力されるよう前記交流電源を制御する電源制御手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記送電機器は、前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられ、インピーダンスが可変に構成された第３のインピーダンス変換部を備え、
   前記２次側コイルで受電し前記第１のインピーダンス変換部から出力される前記交流電力の出力先が前記固定負荷となっている状態において、前記第１のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御と、前記第３のインピーダンス変換部のインピーダンスの可変制御とを行う可変制御手段を備えていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の非接触電力伝送装置。