特許 6590112 双方向ワイヤレス電力伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6590112

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】双方向ワイヤレス電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20191007BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20191007BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/05

   H02J50/12

   H02J7/00 301D

【請求項の数】14

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2019-503593(P2019-503593)

(86)(22)【出願日】2018年5月23日

(86)【国際出願番号】JP2018019865

(87)【国際公開番号】WO2018216734

(87)【国際公開日】20181129

【審査請求日】2019年1月23日

(31)【優先権主張番号】特願2017-104824(P2017-104824)

(32)【優先日】2017年5月26日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100125874

【弁理士】

【氏名又は名称】川端 純市

(72)【発明者】

【氏名】川浪 洋資

(72)【発明者】

【氏名】市川 敬一

(72)【発明者】

【氏名】末定 剛

【審査官】 早川 卓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１５−５３７４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６０３８３８６（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１１−０６１８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１４８３６９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｊ７／００−７／１２

Ｈ０２Ｊ７／３４−７／３６

Ｈ０２Ｊ５／００

Ｈ０１Ｍ１０／４２−１０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で電界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムであって、
前記第１電力伝送装置は、
一端が第１二次電池に接続される第１スイッチング回路と、
一端が前記第１スイッチング回路の他端に接続される第１トランスと、
前記第１トランスの他端に接続される第１電力伝送電極と、を含む第１電力伝送回路を備え、
前記第２電力伝送装置は、
一端が第２二次電池に接続される第２スイッチング回路と、
一端が前記第２スイッチング回路の他端に接続される第２トランスと、
前記第２トランスの他端に接続される第２電力伝送電極と、を含む第２電力伝送回路を備え、
前記第１電力伝送回路と前記第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記第１電力伝送電極と前記第２電力伝送電極との間の容量結合を介して、前記第１トランスと前記第２トランスとを含む複合共振回路が構成され、
伝送電力を検出して、前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動する制御回路を備え、
前記制御回路は、
前記第１電力伝送装置及び前記第２電力伝送装置の一方から他方に電力を伝送させる際、
前記複合共振回路の並列共振周波数を動作周波数の基準周波数として前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
前記基準周波数で駆動中に前記伝送電力が制御目標よりも小さくなった場合において、前記電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、前記動作周波数を、前記基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する、双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項2】

前記第１電力伝送回路と前記第２電力伝送回路とは、前記第１電力伝送電極と前記第２電力伝送電極との間の距離が前記第１電力伝送電極及び前記第２電力伝送電極の平面方向の最長長さよりも短い近接状態にあるときに、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記近接状態において、前記第１電力伝送電極と前記第２電力伝送電極との間の容量結合を介して、前記第１トランスと前記第２トランスとを含む複合共振回路が構成される、請求項１に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項3】

前記制御回路は、前記基準周波数での動作において、前記伝送電力が前記制御目標よりも大きい場合は、前記デューティ比を低下させる、請求項１または２に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項4】

前記制御回路は、前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を、同一の動作周波数で同期して駆動し、同期整流を行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項5】

前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路は、ともにフルブリッジ回路である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項6】

前記制御回路は、前記伝送電力を、前記一方の電力伝送装置のスイッチング回路の入力電流と前記他方の電力伝送装置のスイッチング回路の出力電流とのうち少なくとも一方に基づいて検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項7】

前記複合共振回路は、前記他方の電力伝送装置の二次電池による負荷が大きくなるほど前記並列共振周波数における入力インピーダンスが小さくなるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項8】

第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で磁界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムであって、
前記第１電力伝送装置は、
一端が第１二次電池に接続される第１スイッチング回路と、
一端が前記第１スイッチング回路の他端に接続される第１容量回路と、
前記第１容量回路の他端に接続される第１電力伝送コイルと、を含む第１電力伝送回路を備え、
前記第２電力伝送装置は、
一端が第２二次電池に接続される第２スイッチング回路と、
一端が前記第２スイッチング回路の他端に接続される第２容量回路と、
前記第２容量回路の他端に接続される第２電力伝送コイルと、を含む第２電力伝送回路を備え、
前記第１電力伝送回路と前記第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記第１電力伝送コイルと前記第２電力伝送コイルとの間の誘導結合を介して、前記第１容量回路と前記第２容量回路とを含む複合共振回路が構成され、
伝送電力を検出して、前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動する制御回路を備え、
前記制御回路は、
前記第１電力伝送装置及び前記第２電力伝送装置の一方から他方に電力を伝送させる際、
前記複合共振回路の並列共振周波数を動作周波数の基準周波数として前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
前記基準周波数で駆動中に前記伝送電力が制御目標よりも小さくなった場合において、前記電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、前記動作周波数を、前記基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する、双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項9】

前記第１電力伝送回路と前記第２電力伝送回路とは、前記第１電力伝送コイルと前記第２電力伝送コイルとの間の距離が前記第１電力伝送コイル及び前記第２電力伝送コイルの中心軸方向における最長長さよりも短い近接状態にあるときに、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記近接状態において、前記第１電力伝送コイルと前記第２電力伝送コイルとの間の誘導結合を介して、前記第１容量回路と前記第２容量回路とを含む複合共振回路が構成される、請求項８に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項10】

前記制御回路は、前記基準周波数での動作において、前記伝送電力が前記制御目標よりも大きい場合は、前記デューティ比を低下させる、請求項８または９に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項11】

前記制御回路は、前記第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路を、同一の動作周波数で同期して駆動し、同期整流を行う、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項12】

前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路は、ともにフルブリッジ回路である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項13】

前記制御回路は、前記伝送電力を、前記一方の電力伝送装置のスイッチング回路の入力電流と前記他方の電力伝送装置のスイッチング回路の出力電流とのうち少なくとも一方に基づいて検出する、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【請求項14】

前記複合共振回路は、前記他方の電力伝送装置の二次電池による負荷が大きくなるほど前記並列共振周波数における入力インピーダンスが小さくなるように構成されている、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の双方向ワイヤレス電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、電界結合方式を採用したワイヤレス電力伝送システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５７４１７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来ワイヤレス給電は電源から給電対象への単方向の電力伝送に用いられてきたが、近年バッテリー間のエネルギー交換等、双方向の電力伝送への応用が期待されている。

【0005】

しかし、上記特許文献１は送電回路（左）から受電回路（右）への単方向の電力伝送を実現したものである。単方向の電力伝送システムでは、送電回路はスイッチング回路、受電回路は整流回路で構成されるので、非対称に設計されることが多い。さらに単方向の電力伝送システムでは、送電トランス、送電電極、受電電極、及び受電トランスから構成される回路網は、送電側から受電側への電力伝送に最適化され非対称に設計される為、原理的に逆方向の電力伝送を実現することが非常に困難であった。

【0006】

本発明は、第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で双方向にワイヤレスで電力を伝送可能な双方向ワイヤレス電力伝送システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一の態様に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で電界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムである。
第１電力伝送装置は、
一端が第１二次電池に接続される第１スイッチング回路と、
一端が第１スイッチング回路の他端に接続される第１トランスと、
第１トランスの他端に接続される第１電力伝送電極と、を含む第１電力伝送回路を備える。
第２電力伝送装置は、
一端が第２二次電池に接続される第２スイッチング回路と、
一端が第２スイッチング回路の他端に接続される第２トランスと、
第２トランスの他端に接続される第２電力伝送電極と、を含む第２電力伝送回路を備える。
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
第１電力伝送電極と第２電力伝送電極との間の容量結合を介して、第１トランスと第２トランスとを含む複合共振回路が構成される。
伝送電力を検出して、第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動する制御回路を備える。
制御回路は、
第１電力伝送装置及び第２電力伝送装置の一方から他方に電力を伝送させる際、
複合共振回路の並列共振周波数を動作周波数の基準周波数として第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
基準周波数で駆動中に伝送電力が制御目標よりも小さくなった場合において、電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、動作周波数を、基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する。

【0008】

本発明の一の態様に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置と第２電力伝送装置との間で磁界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムである。
第１電力伝送装置は、
一端が第１二次電池に接続される第１スイッチング回路と、
一端が第１スイッチング回路の他端に接続される第１容量回路と、
第１容量回路の他端に接続される第１電力伝送コイルと、を含む第１電力伝送回路を備える。
第２電力伝送装置は、
一端が第２二次電池に接続される第２スイッチング回路と、
一端が第２スイッチング回路の他端に接続される第２容量回路と、
第２容量回路の他端に接続される第２電力伝送コイルと、を含む第２電力伝送回路を備える。
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
第１電力伝送コイルと第２電力伝送コイルとの間の誘導結合を介して、第１容量回路と第２容量回路とを含む複合共振回路が構成されている。
伝送電力を検出して、第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動する制御回路を備える。
制御回路は、
第１電力伝送装置及び第２電力伝送装置の一方から他方に電力を伝送させる際、
複合共振回路の並列共振周波数を動作周波数の基準周波数として第１スイッチング回路及び第２スイッチング回路のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
基準周波数で駆動中に伝送電力が制御目標よりも小さくなった場合において、電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、動作周波数を、基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、第１電力伝送装置及び第２電力伝送装置の回路は電気的に対称に構成されているので、双方向電力伝送の動作が可能となる。また、駆動周波数及びデューティ比を制御することで伝送電力を制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図

【図2】複合共振回路の等価回路を示す図

【図3】複合共振回路の入力インピーダンスの周波数特性を示す図

【図4】複合共振回路の出力電力の周波数特性を示す図

【図5】送電装置として機能する電力伝送装置のコントローラの電力制御のフローチャート

【図6】実施形態２に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図

【図7】複合共振回路の等価回路を示す図

【図8】複合共振回路の入力インピーダンスの周波数特性を示す図

【図9】複合共振回路の出力電力の周波数特性を示す図

【図10】実施形態２の第１の変形例に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図

【図11】実施形態２の第２の変形例に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図

【図12】実施形態１に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムにおける第１電力伝送電極と第２電力伝送電極との近接状態を説明した図

【図13】実施形態２に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムにおける第１電力伝送コイルと第２電力伝送コイルとの近接状態を説明した図

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の実施形態について説明する。

【0012】

図１は、本実施形態に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図である。双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０とを備える。

【0013】

第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、それぞれ、電界結合方式により電力を伝送する送電装置及び受電装置として動作可能である。第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、例えばバッテリ間での双方向電力伝送を行うものである。このバッテリは、例えば産業機器や携帯電子機器に内蔵されるものである。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。

【0014】

第１電力伝送装置１０は、二次電池Ｂ１を備える。

【0015】

二次電池Ｂ１には、スイッチング回路Ｓ１が接続されている。スイッチング回路Ｓ１は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４を有するフルブリッジ回路として構成されている。スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴにより構成されるとともにゲートにドライバ（Ｄｒｉｖｅｒ）が接続されている。各ドライバは、コントローラ１５（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に接続されている。コントローラ１５は、ドライバを介してスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４のＯＮ，ＯＦＦを制御する。具体的に、コントローラ１５は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１４とスイッチング素子Ｑ１２，Ｑ１３とを交互にＯＮ，ＯＦＦさせる。また、コントローラ１５は、ＯＮ，ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）及びデューティ比を制御することができる。コントローラ１５には、二次電池Ｂ１に入出力される電流を検出する電流センサ１６が接続されている。

【0016】

スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点とスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４の接続点とには、トランスＴ１の１次コイルＬ１１が接続されている。

【0017】

トランスＴ１の２次コイルＬ１２には、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２が接続されている。２次コイルＬ１２の巻数は、１次コイルＬ１１の巻数よりも大きく設定されている。トランスＴ１の２次コイルＬ１２に並列に接続されたキャパシタＣ１は、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間の浮遊容量である。

【0018】

スイッチング回路Ｓ１、トランスＴ１、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２は、本発明の第１電力伝送装置における第１電力伝送回路の一例である。

【0019】

第２電力伝送装置２０は、二次電池Ｂ２を備える。

【0020】

二次電池Ｂ２には、スイッチング回路Ｓ２が接続されている。スイッチング回路Ｓ２は、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４を有するフルブリッジ回路として構成されている。スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴにより構成されるとともにゲートにドライバ（Ｄｒｉｖｅｒ）が接続されている。各ドライバは、コントローラ２５（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に接続されている。コントローラ２５は、ドライバを介してスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４のＯＮ，ＯＦＦを制御する。具体的に、コントローラ２５は、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２４とスイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２３とを交互にＯＮ，ＯＦＦさせる。また、コントローラ２５は、ＯＮ，ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）及びデューティ比を制御することができる。コントローラ２５には、二次電池Ｂ２に入出力される電流を検出する電流センサ２６が接続されている。

【0021】

スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２の接続点とスイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２４の接続点とには、トランスＴ２の１次コイルＬ１１が接続されている。

【0022】

トランスＴ２の２次コイルＬ１２には、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２が接続されている。２次コイルＬ１２の巻数は、１次コイルＬ１１の巻数よりも大きく設定されている。トランスＴ２の２次コイルＬ２２に並列に接続されたキャパシタＣ２は、アクティブ電極２１とパッシブ電極２２との間の浮遊容量である。

【0023】

スイッチング回路Ｓ２、トランスＴ２、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２は、本発明の第２電力伝送装置における第２電力伝送回路の一例である。

【0024】

ここで、第１電力伝送装置１０のアクティブ電極１１と第２電力伝送装置２０のアクティブ電極２１との間にキャパシタＣａａが構成され、第１電力伝送装置１０のパッシブ電極１２と第２電力伝送装置２０のパッシブ電極２２との間にキャパシタＣｐｐが構成される。キャパシタＣａａ、キャパシタＣｐｐ、キャパシタＣ１、及びキャパシタＣ２は、容量結合回路Ｃｘを構成する。

【0025】

なお、第１電力伝送装置１０のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２と、第２電力伝送装置２０のアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２とを、図１のように所定の対向状態としたときには、より容量結合を高めることができる。

【0026】

図１のような所定の対向状態は、図１２のような近接状態であってもよい。近接状態とは、対向状態にある第１電力伝送電極（第１電力伝送装置１０のアクティブ電極１１及びパッシブ電極１２）と第２電力伝送電極（第２電力伝送装置２０のアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２）との間の距離が、第１電力伝送電極（第１電力伝送装置１０のアクティブ電極１１、パッシブ電極１２）、及び第２電力伝送電極（第２電力伝送装置２０のアクティブ電極２１、パッシブ電極２２）の平面方向の最長長さよりも短い状態である。平面方向の最長長さとは、第１電力伝送電極及び第２電力伝送電極の平面形状が図１２に示すような例えば矩形や正方形である場合には、対角線の長さである。また、第１電力伝送電極及び第２電力伝送電極の平面形状が楕円である場合には長径である。また、第１電力伝送電極及び第２電力伝送電極の平面形状が台形や菱形である場合には、２本の対角線のうち長い方の対角線の長さである。なお、図１２では、対向状態にある第１電力伝送電極の平面形状及び平面方向の最長長さと、第２電力伝送電極の平面形状及び平面方向の最長長さとが同じである場合を例示したが、これに限られない。すなわち、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とが後述するように電気的に対称となる限り、両者の平面形状や平面方向の最長長さは異なってもよい。そして、両者の平面方向の最長長さが異なる場合においては、近接状態とは、対向状態にある第１電力伝送電極と第２電力伝送電極との間の距離が、第１電力伝送電極の平面方向の最長長さと第２電力伝送電極の平面方向の最長長さとのうち短い方の最長長さよりも短い状態であるとする。

【0027】

また、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されている。より具体的には、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とのうちのいずれの側から他方を視た場合でも、入力インピーダンス及び共振周波数が同一またはほぼ同一となるように構成されている。なお、各回路の構成要素の個々の特性や、配置、構造に差がある場合でも、第１電力伝送回路と第２電力伝送回路のいずれの側から他方を視た場合でも、入力インピーダンス及び共振周波数が同一またはほぼ同一であるときには、両者の回路は電気的に対称であるとする。

【0028】

なお、上記の所定の対向状態において、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とは、より電気的に対称となるように構成される。

【0029】

第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、前述したように、送電装置及び受電装置のいずれとしても動作可能である。以下において、第１電力伝送装置１０が送電装置として動作し、第２電力伝送装置２０が受電装置として動作する場合について説明する。

【0030】

送電装置としての第１電力伝送装置１０において、スイッチング回路Ｓ１は、二次電池の直流電圧をフルブリッジ回路で交流電圧に変換してトランスＴ１に出力する。つまり、スイッチング回路Ｓ１はＤＣ−ＡＣ変換回路（インバータ）として機能する。スイッチング回路Ｓ１により生成された交流電圧は、トランスＴ１により昇圧され、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間に印加される。つまり、トランスＴ１は昇圧トランスとして機能する。

【0031】

このとき、アクティブ電極１１，２１の間に形成されたキャパシタＣａａと、パッシブ電極１２，２２の間に形成されたキャパシタＣｐｐによる電界結合により、第２電力伝送装置２０のアクティブ電極２１とパッシブ電極２２との間に交流電圧が誘起される。誘起された交流電圧は、トランスＴ２を介して降圧され、スイッチング回路Ｓ２に出力される。ここで、電力伝送時、第１電力伝送装置１０のスイッチング回路Ｓ１のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４と、第２電力伝送装置２０のスイッチング回路Ｓ２のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４とを、同期してＯＮ，ＯＦＦするように制御する。これにより、第２電力伝送装置２０では、スイッチング回路Ｓ２はＡＣ−ＤＣ変換回路（整流回路）として機能する。そのため、トランスＴ２からスイッチング回路Ｓ２に出力された交流電圧は、スイッチング回路Ｓ２により整流されて直流電圧に変換され、二次電池Ｂ２に印加される。このとき二次電池Ｂ２に印加される電圧は、送電装置として機能している第１電力伝送装置１０のコントローラ１５により、非充電状態の二次電池Ｂ２の電圧よりも高い所定の電圧となるように制御されている。そのため、第１電力伝送装置１０の二次電池Ｂ１の電力が第２電力伝送装置２０に伝送されその二次電池Ｂ２が充電されることとなる。なお、スイッチング回路Ｓ１とスイッチング回路Ｓ２の同期をとる手段として、コントローラ１５とコントローラ２５との間で同期信号の通信を行ってもよいし、コントローラ２５がトランスＴ２から出力される交流信号のタイミングを検出して自動的に同期してもよい。第１電力伝送装置１０のコントローラ１５と第２電力伝送装置２０のコントローラ２５との間の通信は、伝送電力中に信号を含めることで行ってもよいし、第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０がそれぞれ有する無線通信手段や有線通信手段等を利用して行ってもよい。また、コントローラ２５がスイッチング回路Ｓ２のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４をＯＦＦとしてもよい。その場合は、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４に寄生するボディーダイオードが整流回路として機能する。必要に応じて、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４それぞれに並列にダイオードを取り付けることも可能である。さらに、コントローラ２５によるスイッチング回路Ｓ２の同期制御とダイオードによる整流とを併用してもよい。

【0032】

以上では第１電力伝送装置１０が送電装置、第２電力伝送装置２０が受電装置として動作する場合について説明したが、第２電力伝送装置２０が送電装置として動作し、第１電力伝送装置１０が受電装置として動作する場合は、上述したのとは逆に第２電力伝送装置２０の二次電池Ｂ２の電力が第１電力伝送装置１０に伝送されその二次電池Ｂ１が充電されることとなる。

【0033】

その場合において、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０は、前述したように、ほぼ同一の回路構成を有するとともに、ほぼ同一の電気的特性を有するように構成され、両者の回路はほぼ対称であるので、第１電力伝送装置１０から第２電力伝送装置２０へ電力を送電する場合と、第２電力伝送装置２０から第１電力伝送装置１０へ電力を送電する場合とで、ほぼ同じ条件で電力を伝送することができる。

【0034】

本実施形態では、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０との間で効率の高い電力伝送を可能とするため、上記所定対向状態において複合共振回路が形成されるように構成している。以下、この点について説明する。

【0035】

図２は、複合共振回路の等価回路を示す図である。原理を説明するため、変圧比を表す理想トランスを省略している。図２（ａ）に示す入力端子ＩＮ１，ＩＮ２は、図１の接続点ｐ１１，ｐ１２に相当し、スイッチング回路Ｓ１が接続される。図２（ａ）に示す出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２は、図１の接続点ｐ２１，ｐ２２に相当し、スイッチング回路Ｓ２が接続される。図２（ａ）では、トランスＴ１およびトランスＴ２のそれぞれをＴ型等価回路で表している。また、容量結合回路Ｃｘを、３個のキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃｃからなるπ型等価回路で表している。Ｌ１は、図１のトランスＴ１の２次コイルＬ１２の自己インダクタンスであり、Ｌ２は、トランスＴ２の２次コイルＬ２２の自己インダクタンスである。ｋ１はトランスＴ１の結合係数であり、ｋ２はトランスＴ２の結合係数である。ωＬ１／Ｑｘ１はトランスＴ１の抵抗成分であり、ωＬ２／Ｑｘ２はトランスＴ２の１次コイルＬ２１の抵抗成分である。

【0036】

トランスＴ１単体及びトランスＴ２単体はそれぞれ誘導性を示し、容量結合回路Ｃｘは容量性を示すが、本実施形態では、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から複合共振回路を視たときに、トランスＴ１と容量結合回路Ｃｘとを組み合わせた部分が容量性となるように、各要素のキャパシタンスやインダクタンスが設定されている。これにより、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から視た複合共振回路は、容量性と誘導性が並列に設けられた並列共振回路を形成し、所定の周波数で並列共振を生じる。

【0037】

なお、本実施形態では、上述したように第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０とが対称回路となるように構成されているので、図２（ｂ）に示すように、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２と出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２とを図２（ａ）とは入れ替えた場合でも、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から複合共振回路を視たときに、トランスＴ２と容量結合回路Ｃｘとを組み合わせた部分が容量性となり、これにより、入れ替えた入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から視た複合共振回路は、容量性と誘導性が並列に設けられた並列共振回路を形成する。そのため、所定の周波数で並列共振を生じることとなる。

【0038】

図３は、図２の等価回路で示される複合共振回路の入力インピーダンス（Ｉｎｐｕｔ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）特性を示す図である。図３は、複合共振回路の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２側を視た入力インピーダンスを示したものである。ｆ０は複合共振回路の並列共振周波数である。ｆ０は例えば５００ｋＨｚである。入力インピーダンスは並列共振周波数ｆ０で高くなる。特に、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２がｏｐｅｎのときに、入力インピーダンスは最も高くなる。なお、負荷（二次電池Ｂ２の消費電力）が最も小さく、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に電流が流れない状態は、等価的に負荷側オープンとみなせる。複合共振回路の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２にＴａｒｇｅｔ Ｌｏａｄ（目標負荷（設計上の最大負荷））が接続されると、つまり受電側の消費電力が最も大きい場合、共振特性が急峻ではなくなり入力インピーダンスは低下する。これは、受電側のトランスＴ２の出力側に負荷の抵抗成分が付加されるためである。

【0039】

この特性によると、ワイヤレス電力伝送システムを並列共振周波数ｆ０で動作させたときに、負荷が小さくなった場合には、複合共振回路の入力インピーダンスが大きくなり、その結果、ワイヤレス電力伝送システムの伝送電力（回路に流れる電流）が小さくなる。一方、負荷が大きくなった場合には、複合共振回路の入力インピーダンスが小さくなり、その結果、ワイヤレス電力伝送システムの伝送可能電力が大きくなる。また、負荷が大きくなると、並列共振周波数ｆ０での入力インピーダンスが小さくなるので、伝送電力（回路に流れる電流）が大きくなる。この特性により、ある負荷範囲では、動作周波数を並列共振周波数ｆ０、デューティ比を最大値（５０％）としたままでも（これらを制御しなくても）、負荷に応じた電力伝送ができる。

【0040】

図４は、複合共振回路の出力電力の周波数特性を示す図である。図４に示すように、複合共振回路の出力電力は、並列共振周波数ｆ０において極小値をとり、その前後では大きくなる。そのため、動作周波数を制御することで、伝送電力を制御できる。例えば、負荷（二次電池Ｂ２の消費電力）が大きくなり共振周波数の動作では伝送電力が足りなくなった場合、動作周波数を並列共振周波数ｆ０よりも高い側または低い側にずらすことで、入力インピーダンスを小さくして、伝送電力を大きくすることができる。一方、負荷が小さくなってきた場合には、動作周波数を並列共振周波数ｆ０に近づけることで、入力インピーダンスを高くして、伝送電力を小さくすることができる。なお、図４の例では、特に並列共振周波数ｆ０よりも高い側の一定範囲では、動作周波数が高くなるほど出力電力が顕著に増加する。そこで、本実施形態のコントローラ１５，２５は、動作周波数を並列共振周波数ｆ０よりも高い所定の範囲（ｆ１までの範囲）で制御することで、送電電力を制御するようにしている。以下に、コントローラ１５，２５による制御について説明する。

【0041】

図５は、送電装置として機能する方の電力伝送装置のコントローラの電力制御のフローチャートである。なお、以下の説明では、適宜、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０のうち、送電装置として機能する方の電力伝送装置を送電側電力伝送装置といい、受電装置として機能する方の電力伝送装置を受電側電力伝送装置といい、符号を省略して説明する。また、それらに含まれる構成要素についても適宜符号を省略して説明する。

【0042】

送電側電力伝送装置のコントローラは、そのスイッチング回路のスイッチング素子を、デフォルトの駆動周波数、及びデフォルトのデューティ比で動作させるように、ドライバを制御する（Ｓ１１）。デフォルトの駆動周波数は、複合共振回路の並列共振周波数ｆ０である。デフォルトのデューティ比は５０％である。なお並列共振周波数ｆ０は、トランスＴ１，Ｔ２やアクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２などの回路構成部品に品質バラツキがあることで、基準の動作周波数に対して所定範囲でずれる場合があるが、このようなずれは本件の範囲内に含まれる。

【0043】

送電側電力伝送装置のコントローラは、そのスイッチング回路に入力する入力電流の電流値（以下「入力電流値」という）を電流センサにより計測する（Ｓ１２）。受電側電力伝送装置の負荷（消費電力）は、上記入力電流値にほぼ比例するため、入力電流値に基づいて電力を計測（推定）するものである。

【0044】

送電側電力伝送装置のコントローラは、入力電流の電流値が許容範囲内か否か、つまり伝送電力の大きさが適切であるか否かを判断する（Ｓ１３）。許容範囲は予め設定されている。

【0045】

許容範囲内である場合（Ｓ１３でＹＥＳ）、つまり伝送電力の大きさが適切である場合、送電側電力伝送装置のコントローラは、当該電力伝送装置のスイッチング回路のスイッチング素子を、現在の駆動周波数及びデューティ比で引き続き動作させるように、ドライバを制御する（Ｓ１４）。

【0046】

ステップＳ１３で許容範囲の下限を下回る場合、つまり伝送電力が不足している場合、コントローラは、現在のデューティ比が５０％か否かを判断する（Ｓ１５）。

【0047】

現在のデューティ比が５０％である場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、送電側電力伝送装置のコントローラは、駆動周波数を所定周波数幅上昇させる又は所定周波数幅低下させる（Ｓ１６）。これにより、駆動周波数が並列共振周波数ｆ０から離れていき、図４で説明したように、送信可能電力が増加することとなる。そのため、入力電流が許容範囲内に向かって増加することとなる。つまり、送信可能電力が増加することとなる。所定周波数幅は予め設定された値であり、並列共振周波数ｆ０が５００ｋＨｚである場合、例えば１ｋＨｚである。

【0048】

現在のデューティ比が５０％でない場合（Ｓ１５でＮＯ）、送電側電力伝送装置のコントローラは、デューティ比を所定量上昇させる。これにより、送信可能電力が増加し、入力電流が許容範囲内に向かって増加することとなる。所定量は予め設定された値であり、例えば１％である。

【0049】

ステップＳ１３で許容範囲の上限を超える場合、コントローラは、現在の駆動周波数がデフォルト周波数ｆ０であるか否かを判断する（Ｓ１８）。

【0050】

現在の駆動周波数がデフォルト周波数ｆ０である場合（Ｓ１８でＹＥＳ）、送電側電力伝送装置のコントローラは、所定量デューティ比を低下させる（Ｓ１９）。現在の駆動周波数がデフォルト周波数ｆ０（並列共振周波数）である場合、入力インピーダンスは極大となっているため、駆動周波数を変化させても伝送電力を低下させることはできない。そのため、デューティ比を低下させて、伝送電力を低下させ、制御目標である目標電力に近づけるものである。この制御により、入力電流（送信可能電力）が許容範囲内に向かって減少することとなる。

【0051】

現在の駆動周波数がデフォルト周波数ｆ０でない場合（Ｓ１８でＮＯ）、送電側電力伝送装置のコントローラは、駆動周波数を所定周波数幅低下させる又は所定周波数幅上昇させる（Ｓ２０）。これにより、駆動周波数が並列共振周波数ｆ０に接近していき、図４に示されるように、送信可能電力が低下することとなる。そのため、入力電流（送信可能電力）が許容範囲内に向かって減少することとなる。

【0052】

（実施形態１の第１の変形例）
実施形態１では、送電側電力伝送装置のコントローラは、当該送電側電力伝送装置の電流センサで検出された電流値に基づいて図５のフローチャートの制御を行う。しかし、送電側電力伝送装置のコントローラは、受電側電力伝送装置の電流センサで検出された電流値に基づいて、図５のフローチャートの制御を行うようにしてもよい。この場合、コントローラ間の通信により出力電流値を取得するようにすればよい。

【0053】

（実施形態１の第２の変形例）
実施形態１では、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０の両方に電流センサが設けられている。しかし、電流センサは、いずれか一方にのみ設けられてもよい。この場合、電流センサが設けられていない側の電力伝送装置のコントローラは、電流センサが設けられている側の電力伝送装置のコントローラから電流値の情報を取得し、取得した電流値に基づいて、図５のフローチャートの制御を行うようにしてもよい。この場合、電流値は通信により取得するようにすればよい。

【0054】

（実施形態１の第３の変形例）
実施形態１では、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０の両方がコントローラを備えている。しかし、コントローラを、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０の外部に１個だけ設け、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０はそれぞれ通信部を備え、外部のコントローラから制御信号を受けてスイッチング回路の制御を行うようにしてもよい。

【0055】

（実施形態２）
実施形態１及びその変形例では、電界結合方式を採用した双方向ワイヤレス電力伝送システムについて説明した。しかし、本発明は、磁界結合方式を採用した双方向ワイヤレス電力伝送システムにも適用可能である。以下、磁界結合方式を採用した双方向ワイヤレス電力伝送システムについて、電界結合方式を採用した双方向ワイヤレス電力伝送システムとの相違点を中心として説明する。

【0056】

図６は、実施形態２に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図である。双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０とを備える。

【0057】

第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、それぞれ、磁界結合方式により電力を伝送する送電装置及び受電装置として動作可能である。第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、例えばバッテリ間での双方向電力伝送を行うものである。このバッテリは、例えば産業機器や携帯電子機器に内蔵されるものである。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。

【0058】

第１電力伝送装置１０は、二次電池Ｂ１を備える。二次電池Ｂ１には、スイッチング回路Ｓ１が接続されている。二次電池Ｂ１及びスイッチング回路Ｓ１は、実施形態１と同様の構成を有する。 スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２の接続点とスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４の接続点とに、容量回路Ｃｘ１が接続されている。容量回路Ｃｘ１は、差動型回路で構成され、直列または並列に接続された４個のキャパシタＣｓ１１，Ｃｐ１１，Ｃｐ１２を有する。容量回路Ｃｘ１には送受電コイルＬ１が接続されている。

【0059】

第２電力伝送装置２０は、二次電池Ｂ２を備える。二次電池Ｂ２には、スイッチング回路Ｓ２が接続されている。二次電池Ｂ２及びスイッチング回路Ｓ２は、実施形態１と同様の構成を有する。 スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２の接続点とスイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２４の接続点とに、容量回路Ｃｘ２が接続されている。容量回路Ｃｘ２は、差動型回路で構成され、直列または並列に接続された４個のキャパシタＣｓ２１，Ｃｐ２１，Ｃｐ２２を有する。容量回路Ｃｘ２には送受電コイルＬ２が接続されている。

【0060】

ここで、第１電力伝送装置１０の送受電コイルＬ１と第２電力伝送装置２０の送受電コイルＬ２とは、後述する誘導結合回路Ｌｘを構成する。

【0061】

なお、第１電力伝送装置１０の送受電コイルＬ１と、第２電力伝送装置２０の送受電コイルＬ２とを、図６のように所定の対向状態としたときには、より誘導結合を高めることができる。

【0062】

図６のような所定の対向状態は、図１３に示すような近接状態であってもよい。近接状態とは、対向状態にある第１電力伝送コイル（第１電力伝送装置１０の送受電コイルＬ１）と第２電力伝送コイル（第２電力伝送装置２０の送受電コイルＬ２）との間の距離が、送受電コイルＬ１及び送受電コイルＬ２のコイル中心軸方向の最長長さよりも短い状態である。なお、図１３では、対向状態にある第１電力伝送コイルのコイル中心軸方向の最長長さと、第２電力伝送コイルのコイル中心軸方向の最長長さとが同じである場合を例示したが、これに限られない。すなわち、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とが後述するように電気的に対称となる限り、両者のコイル中心軸方向の最長長さは異なってもよい。そして、コイル中心軸方向の最長長さが異なる場合においては、近接状態とは、対向状態にある第１電力伝送コイルと第２電力伝送コイルとの間の距離が、第１電力伝送コイルのコイル中心軸方向の最長長さと第２電力伝送コイルのコイル中心軸方向の最長長さとのうち短い方の最長長さよりも短い状態であるとする。

【0063】

また、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とは、後述するように電気的に対称となるように構成される。

【0064】

なお、上記の対向状態において、第１電力伝送装置１０の第１電力伝送回路と第２電力伝送装置２０の第２電力伝送回路とは、より電気的に対称となるように構成される。

【0065】

第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、前述したように、送電装置及び受電装置のいずれとしても動作可能である。以下において、第１電力伝送装置１０が送電装置として動作し、第２電力伝送装置２０が受電装置として動作する場合について説明する。

【0066】

送電装置としての第１電力伝送装置１０において、スイッチング回路Ｓ１は、二次電池の直流電圧をフルブリッジ回路で交流電圧に変換して容量回路Ｃｘ１に出力する。つまり、スイッチング回路Ｓ１はＤＣ−ＡＣ変換回路（インバータ）として機能する。スイッチング回路Ｓ１により生成された交流電圧は、容量回路Ｃｘ１を介して送受電コイルＬ１に印加される。

【0067】

このとき、第１電力伝送装置１０の送受電コイルＬ１と第２電力伝送装置２０の送受電コイルＬ２との間に形成された相互インダクタンスによる磁界結合により、第２電力伝送装置２０の送受電コイルＬ２に交流電圧が誘起される。誘起された交流電圧は、容量回路Ｃｘ２を介してスイッチング回路Ｓ２に出力される。第２電力伝送装置２０では、実施形態１同様にスイッチング回路Ｓ２はＡＣ−ＤＣ変換回路（整流回路）として機能する。そのため、容量回路Ｃｘ２からスイッチング回路Ｓ２に出力された交流電圧は、スイッチング回路Ｓ２により整流されて直流電圧に変換され、二次電池Ｂ２に印加される。このとき二次電池Ｂ２に印加される電圧は、送電装置として機能している第１電力伝送装置１０のコントローラ１５により、非充電状態のときの二次電池Ｂ２の電圧よりも高い所定電圧となるように制御されている。そのため、第１電力伝送装置１０の二次電池Ｂ１の電力が第２電力伝送装置２０に伝送されその二次電池Ｂ２が充電されることとなる。

【0068】

以上では第１電力伝送装置１０が送電装置、第２電力伝送装置２０が受電装置として動作する場合について説明したが、第２電力伝送装置２０が送電装置として動作し、第１電力伝送装置１０が受電装置として動作する場合は、上述したのとは逆に第２電力伝送装置２０の二次電池Ｂ２の電力が第１電力伝送装置１０に伝送されその二次電池Ｂ１が充電されることとなる。

【0069】

その場合において、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０は、前述したように、ほぼ同一の回路構成を有するとともに、ほぼ同一の電気的特性を有するように構成され、両者の回路はほぼ対称であるので、第１電力伝送装置１０から第２電力伝送装置２０へ電力を送電する場合と、第２電力伝送装置２０から第１電力伝送装置１０へ電力を伝送する場合とで、ほぼ同じ条件で電力を伝送することができる。

【0070】

本実施形態では、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０との間で効率の高い電力伝送を可能とするため、上記所定対向状態において複合共振回路が形成されるように構成している。以下、この点について説明する。

【0071】

図７は、複合共振回路の等価回路を示す図である。図７（ａ）に示す入力端子ＩＮ１，ＩＮ２は、図６の接続点ｐ１１，ｐ１２に相当し、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、スイッチング回路Ｓ１が接続される。図７（ａ）に示す出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２は、図６の接続点ｐ２１，ｐ２２に相当し、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２には、スイッチング回路Ｓ２が接続される。 図７（ａ）では、容量回路Ｃｘ１，Ｃｘ２のそれぞれを３個のキャパシタＣｓ１１，Ｃｐ１１，Ｃｐ１２からなるπ型等価回路で表している。また、送受電コイルＬ１及び送受電コイルＬ２を含む誘導結合回路ＬｘのそれぞれをＴ型等価回路で表している。Ｌ１１＋Ｌｍは、送受電コイルＬ１の自己インダクタンスであり、Ｌ２１＋Ｌｍは、送受電コイルＬ２の自己インダクタンスであり、Ｌｍは、送受電コイルＬ１と送受電コイルＬ２の相互インダクタンスである。

【0072】

容量回路Ｃｘ１，Ｃｘ２はそれぞれ容量性を示し、誘導結合回路Ｌｘは誘導性を示すが、本実施形態では、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から複合共振回路を視たときに、容量回路Ｃｘ１と誘導結合回路Ｌｘとを組み合わせた部分が誘導性となるように、各要素のキャパシタンスやインダクタンスが設定されている。これにより、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から視た複合共振回路は、容量性と誘導性が並列に設けられた並列共振回路を形成し、所定の周波数で並列共振を生じる。

【0073】

なお、本実施形態では、上述したように第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０とが対称回路となるように構成されているので、図７（ｂ）に示すように、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２と出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２とを図７（ａ）とは入れ替えた場合でも、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から複合共振回路を視たときに、容量回路Ｃｘ２と誘導結合回路Ｌｘとを組み合わせた部分が誘導性となり、これにより、入れ替えた入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から視た複合共振回路は、容量性と誘導性が並列に設けられた並列共振回路を形成する。そのため、所定の周波数で並列共振を生じることとなる。

【0074】

図８は、図８の等価回路で示される複合共振回路の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。図８は、複合共振回路の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２から出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２側を視た入力インピーダンスを示したものである。ｆ０は複合共振回路の並列共振周波数である。ｆ０は例えば５００ｋＨｚである。入力インピーダンスは、並列共振周波数ｆ０で高くなる。特に、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２がｏｐｅｎのときに、入力インピーダンスは最も高くなる。なお、負荷（二次電池Ｂ２の消費電力）が最も小さく、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に電流が流れない状態は、等価的に負荷側オープンとみなせる。複合共振回路の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に目標負荷（設計上の最大負荷）が接続されると、つまり受電側の消費電力が最も大きい場合、共振特性が急峻ではなくなり入力インピーダンスは低下する。これは、受電側の容量回路Ｃｘ２の二次側に負荷の抵抗成分が付加されるためである。

【0075】

この特性によると、実施形態１で説明したのと同様に、ワイヤレス電力伝送システムを並列共振周波数ｆ０で動作させたときに、負荷が小さくなった場合には、複合共振回路の入力インピーダンスが大きくなり、その結果、ワイヤレス電力伝送システムの伝送電力（回路に流れる電流）が小さくなる。一方、負荷が大きくなった場合には、複合共振回路の入力インピーダンスが小さくなり、その結果、ワイヤレス電力伝送システムの伝送可能電力が大きくなる。また、負荷が大きくなると、並列共振周波数ｆ０での入力インピーダンスが小さくなるので、伝送電力（回路に流れる電流）が大きくなる。この特性により、ある負荷範囲では、動作周波数を並列共振周波数ｆ０、デューティ比を最大値（５０％）としたままでも（これらを制御しなくても）、負荷に応じた電力伝送ができる。

【0076】

図９は、複合共振回路の出力電力の周波数特性を示す図である。図９に示すように、複合共振回路の出力電力は、並列共振周波数ｆ０において最も小さく、その前後では大きくなる。そのため、動作周波数を制御することで、伝送電力を制御できる。例えば、負荷（二次電池Ｂ２の消費電力）が大きくなり共振周波数の動作では伝送電力が足りなくなった場合、動作周波数を並列共振周波数ｆ０よりも高い側または低い側にずらすことで、入力インピーダンスを小さくして、伝送電力を大きくすることができる。一方、負荷が小さくなってきた場合には、動作周波数を並列共振周波数ｆ０に近づけることで、入力インピーダンスを高くして、伝送電力を小さくすることができる。なお、図９の例では、特に並列共振周波数ｆ０よりも低い側の一定範囲では、動作周波数が低くなるほど出力電力が増加する。そこで、本実施形態のコントローラ１５，２５は、動作周波数を並列共振周波数ｆ０よりも低い所定の範囲（ｆ１までの範囲）で制御することで、送電電力を制御するようにしている。以下に、コントローラ１５，２５による制御について説明する。

【0077】

第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０のコントローラ１５，２５の電力制御は、実施形態１の図５のフローチャートによりほぼ同様に行うことができるが、ステップＳ１６及びＳ２０のみ処理が若干異なる。すなわち、ステップＳ１６では、駆動周波数を低下させ、ステップＳ２０では、駆動周波数を上昇させる。これにより、図９の特性に応じた伝送電力の制御が可能となる。

【0078】

（実施形態２の第１の変形例）
図１０は、実施形態２の第１の変形例に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図である。図１０の双方向ワイヤレス電力伝送システムでは、第１電力伝送装置１０の容量回路Ｃｘ１が、６個のキャパシタＣｓ１１，Ｃｐ１１，Ｃｐ１２を有して構成されている。また、第２電力伝送装置２０の容量回路Ｃｘ２が、６個のキャパシタＣｓ２１，Ｃｐ２１，Ｃｐ２２を有して構成されている。それ以外の構成は、実施の形態２と同様である。また、等価回路は、特に図示しないが図７と同様の回路となる。このような構成によっても、実施の形態２と同様の効果が得られる。

【0079】

（実施形態２の第２の変形例）
図１１は、実施形態２の第２の変形例に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムの回路図である。図１１の双方向ワイヤレス電力伝送システムでは、第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０は、それぞれ、シングルエンド型の回路で構成されている。そして、第１電力伝送装置１０の容量回路Ｃｘ１が、３個のキャパシタＣｓ１１，Ｃｐ１１，Ｃｐ１２を有して構成されている。また、第２電力伝送装置２０の容量回路Ｃｘ２が、３個のキャパシタＣｓ２１，Ｃｐ２１，Ｃｐ２２を有して構成されている。また、スイッチング回路Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、ハーフブリッジ型の回路で構成されている。

【0080】

スイッチング回路Ｓ１のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴにより構成されるとともにゲートにドライバ（Ｄｒｉｖｅｒ）が接続されている。各ドライバは、コントローラ１５（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に接続されている。コントローラ１５は、ドライバを介してスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のＯＮ，ＯＦＦを制御する。具体的に、コントローラ１５は、スイッチング素子Ｑ１１とスイッチング素子Ｑ１２とを交互にＯＮ，ＯＦＦさせる。また、コントローラ１５は、ＯＮ，ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）及びデューティ比を制御することができる。

【0081】

スイッチング回路Ｓ２は、ハーフブリッジ型の回路で構成されている。スイッチング回路Ｓ２のスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴにより構成されるとともにゲートにドライバ（Ｄｒｉｖｅｒ）が接続されている。各ドライバは、コントローラ２５（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に接続されている。コントローラ２５は、ドライバを介してスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２のＯＮ，ＯＦＦを制御する。具体的に、コントローラ２５は、スイッチング素子Ｑ２１とスイッチング素子Ｑ２２とを交互にＯＮ，ＯＦＦさせる。また、コントローラ２５は、ＯＮ，ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）及びデューティ比を制御することができる。

【0082】

上記以外の構成は、実施の形態２と同様である。また、等価回路は、特に図示しないが図７と同様の回路となる。このような構成によっても、実施の形態２と同様の効果が得られる。

【0083】

（実施形態２のその他の変形例）
実施形態２及びその第１、第２の変形例では、容量回路Ｃｘ１，Ｃｘ２は、３〜６個のキャパシタを有しているが、これに限定されるものではない。容量回路Ｃｘ１，Ｃｘ２は、少なくとも１個の直列接続のキャパシタと少なくとも１個の並列接続のキャパシタを有していればよい。

【0084】

（実施形態１，２及びそれらの変形例のまとめ）
実施形態１に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０との間で電界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムである。
第１電力伝送装置１０は、
一端が第１二次電池Ｂ１に接続される第１スイッチング回路Ｓ１と、
一端が第１スイッチング回路Ｓ１の他端に接続される第１トランスＴ１と、
第１トランスＴ１の他端に接続されるアクティブ電極１１及びパッシブ電極１２（第１電力伝送電極）と、を含む第１電力伝送回路を備える。
第２電力伝送装置２０は、
一端が第２二次電池Ｂ２に接続される第２スイッチング回路Ｓ２と、
一端が第２スイッチング回路Ｓ２の他端に接続される第２トランスＴ２と、
第２トランスＴ２の他端に接続されるアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２（第２電力伝送電極）と、を含む第２電力伝送回路を備える。
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２（第１電力伝送電極）とアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２（第２電力伝送電極）との間の容量結合を介して第１トランスＴ１と第２トランスＴ２とを含む複合共振回路が構成される。
伝送電力を検出して、第１スイッチング回路Ｓ１及び第２スイッチング回路Ｓ２のうち少なくとも電力を送電する側を駆動するコントローラ１５，２５（制御回路）を備える。
コントローラ１５，２５（制御回路）は、
第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０の一方から他方に電力を伝送させる際、
複合共振回路の並列共振周波数ｆ０を動作周波数の基準周波数として第１スイッチング回路Ｓ１及び第２スイッチング回路Ｓ２のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
基準周波数で駆動中に伝送電力が制御目標である目標電力よりも小さくなった場合において、電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、動作周波数を、基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する。

【0085】

これによれば、第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０の回路は電気的に対称に構成されているので、双方向電力伝送の動作が可能となる。また、駆動周波数及びデューティ比を制御することで伝送電力を制御できる。

【0086】

実施形態１に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムにおいて、
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２（第１電力伝送電極）とアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２（第２電力伝送電極）との間の距離がアクティブ電極１１及びパッシブ電極１２（第１電力伝送電極）及びアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２（第２電力伝送電極）の平面方向の最長長さよりも短い近接状態にあるときに、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記近接状態において、アクティブ電極１１及びパッシブ電極１２（第１電力伝送電極）とアクティブ電極２１及びパッシブ電極２２（第２電力伝送電極）との間の容量結合を介して、第１トランスＴ１と第２トランスＴ２とを含む複合共振回路が構成される。

【0087】

これによれば、第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とが、より電気的に対称となる。

【0088】

実施形態２に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムは、第１電力伝送装置１０と第２電力伝送装置２０との間で磁界結合方式により双方向にワイヤレスで電力を伝送する双方向ワイヤレス電力伝送システムである。
第１電力伝送装置１０は、
一端が第１二次電池Ｂ１に接続される第１スイッチング回路Ｓ１と、
一端が第１スイッチング回路Ｓ１の他端に接続される第１容量回路Ｃｘ１と、
第１容量回路Ｃｘ１の他端に接続される送受電コイルＬ１（第１電力伝送コイル）と、を含む第１電力伝送回路を備える。
第２電力伝送装置２０は、
一端が第２二次電池Ｂ２に接続される第２スイッチング回路Ｓ２と、
一端が第２スイッチング回路Ｓ２の他端に接続される第２容量回路Ｃｘ２と、
第２容量回路Ｃｘ２の他端に接続される送受電コイルＬ２（第２電力伝送コイル）と、を含む第２電力伝送回路を備える。
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、電気的に対称となるように構成されているとともに、
送受電コイルＬ１（第１電力伝送コイル）と送受電コイルＬ２（第２電力伝送コイル）との間の誘導結合を介して第１容量回路Ｃｘ１と第２容量回路Ｃｘ２とを含む複合共振回路が構成されている。
伝送電力を検出して、第１スイッチング回路Ｓ１及び第２スイッチング回路Ｓ２のうち少なくとも電力を送電する側を駆動するコントローラ１５，２５（制御回路）を備える。
コントローラ１５，２５（制御回路）は、
第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０の一方から他方に電力を伝送させる際、
複合共振回路の並列共振周波数ｆ０を動作周波数の基準周波数として第１スイッチング回路Ｓ１及び第２スイッチング回路Ｓ２のうち少なくとも電力を送電する側を駆動し、
基準周波数で駆動中に伝送電力が制御目標である目標電力よりも小さくなった場合において、電力を送電する側のデューティ比が最大の場合は、動作周波数を、基準周波数よりも高い周波数または低い周波数に変更する。

【0089】

これによれば、第１電力伝送装置１０及び第２電力伝送装置２０の回路が電気的に対称に構成されていることで、双方向電力伝送が可能となる。また、駆動周波数を制御することで伝送電力を制御できる。

【0090】

実施形態２に係る双方向ワイヤレス電力伝送システムにおいて、
第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とは、送受電コイルＬ１（第１電力伝送コイル）と送受電コイルＬ２（第２電力伝送コイル）との間の距離が送受電コイルＬ１（第１電力伝送コイル）及び送受電コイルＬ２（第２電力伝送コイル）の最長長さよりも短い近接状態にあるときに、電気的に対称となるように構成されているとともに、
前記近接状態において、送受電コイルＬ１（第１電力伝送コイル）と送受電コイルＬ２（第２電力伝送コイル）との間の誘導結合を介して、第１トランスＴ１と第２トランスＴ２とを含む複合共振回路が構成される。

【0091】

これによれば、第１電力伝送回路と第２電力伝送回路とが、より電気的に対称となる。

【0092】

また、実施形態１，２において、
コントローラ１５，２５（制御回路）は、基準周波数での動作において、伝送電力が制御目標である目標電力よりも大きい場合は、デューティ比を低下させる。

【0093】

駆動周波数がデフォルト周波数ｆ０（並列共振周波数ｆ０）である場合、入力インピーダンスは極大となっており、駆動周波数を変化させても伝送電力を低下させることはできない。そのため、デューティ比を小さくして、伝送電力を低下させ、制御目標である目標電力に近づける。

【0094】

また、実施形態１，２において、
コントローラ１５，２５（制御回路）は、第１スイッチング回路Ｓ１及び第２スイッチング回路Ｓ２を、同一の動作周波数で同期して駆動し、同期整流を行う。

【0095】

また、実施形態１，２において、
第１スイッチング回路Ｓ１と第２スイッチング回路Ｓ２は、ともにフルブリッジ回路である。

【0096】

これにより、送電側において、動作周波数とオン・デューティ比を制御して送電電力を調整できるとともに、受電側において、送電側に対応した同期整流ができる。

【0097】

また、実施形態１，２において、
コントローラ１５，２５（制御回路）は、伝送電力を、一方の電力伝送装置のスイッチング回路の入力電流と他方の電力伝送装置のスイッチング回路の出力電流とのうち少なくとも一方に基づいて検出する。

【0098】

これにより、スイッチング回路の入力電流や出力電流に基づいて適切に伝送電力の大きさを制御できる。

【0099】

また、実施形態１，２において、
複合共振回路は、他方の電力伝送装置の二次電池による負荷が大きくなるほど並列共振周波数ｆ０における入力インピーダンスが小さくなるように構成されている。

【0100】

これにより、駆動周波数やデューティ比を制御しなくても方の電力伝送装置の二次電池による負荷が大きくなると、並列共振周波数ｆ０における入力インピーダンスが小さくなり、大きな電力を伝送できるようになる。

【0101】

（その他の実施の形態）
実施形態１，２及びそれらの変形例は、本発明の一例を説明したものである。本発明において、各実施形態の特徴部分を組み合わることも可能である。また、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、上述の実施の形態に対して、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【符号の説明】

【0102】

１０ 第１電力伝送装置
１１ アクティブ電極
１２ パッシブ電極
１５ コントローラ
１６ 電流センサ
２０ 第２電力伝送装置
２１ アクティブ電極
２２ パッシブ電極
２５ コントローラ
２６ 電流センサ
Ｂ１ 二次電池
Ｂ２ 二次電池
Ｃｘ 容量結合回路
Ｃｘ１ 容量回路
Ｃｘ２ 容量回路
Ｌ１ 送受電コイル
Ｌ２ 送受電コイル
Ｌ１１ １次コイル
Ｌ１２ ２次コイル
Ｌ２１ １次コイル
Ｌ２２ ２次コイル
Ｌｘ 誘導結合回路
Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４ スイッチング素子
Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４ スイッチング素子
Ｓ１ スイッチング回路
Ｓ２ スイッチング回路
Ｔ１ トランス
Ｔ２ トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】