特許 7253223 無線給電システム、送電装置、及びコントローラ

(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】

(24)【登録日】2023-03-29

(45)【発行日】2023-04-06

(54)【発明の名称】無線給電システム、送電装置、及びコントローラ

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20230330BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

H02J7/00 301D

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018195710

(22)【出願日】2018-10-17

(65)【公開番号】P2020065359

(43)【公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-10-15

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３０年２月２０日，立命館大学大学院２０１７年度後期理工学研究科修士論文公聴会 平成３０年３月４日，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＲＩＳＰ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ２０１８，信号処理学会（ＲＩＳＰ） 平成３０年３月６日，ＲＩＳＰ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ２０１８ 平成３０年７月２５日，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４，ｐ．１６１－１６４，信号処理学会

(73)【特許権者】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100111567

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 寛

(72)【発明者】

【氏名】福井 正博

(72)【発明者】

【氏名】本多 由宇人

【審査官】大濱 伸也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０２１７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９０６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１４６７８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】平松敏幸ほか，ワイヤレス給電における送電側による最大効率と受電側による所望受電電力の独立制御，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１３５ Ｎｏ．８，日本，一般社団法人 電気学会，2015年08月01日，８４７－８５４

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線給電回路の一次回路を含む送電回路と、
前記無線給電回路の二次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路と、
前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、
を備え、
前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、
前記受電回路は、充電制御される蓄電池を含み、前記負荷変動は、前記充電制御によって生じる負荷変動であり、
前記コントローラは、前記電圧及び前記負荷推定値に基づいて、前記受電回路の受電電力推定値を演算し、前記受電電力推定値の減少に基づいて、前記送電回路による送電電力不足を検知した場合、前記第１コンバータを制御し、送電電力を大きくする
無線給電システム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記無線給電回路の伝送効率改善のため前記入力インピーダンスが最適化されるよう前記第１コンバータを制御する
請求項１に記載の無線給電システム。

【請求項3】

前記第１コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータである
請求項１又は２に記載の無線給電システム。

【請求項4】

無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路と、
前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、
を備え、
前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、
前記受電回路は、充電制御される蓄電池を含み、前記負荷変動は、前記充電制御によって生じる負荷変動であり、
前記コントローラは、前記電圧及び前記負荷推定値に基づいて、前記受電回路の受電電力推定値を演算し、前記受電電力推定値の減少に基づいて、前記送電回路による送電電力不足を検知した場合、前記第１コンバータを制御し、送電電力を大きくする
送電装置。

【請求項5】

無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路のためのコントローラであって、
前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、
前記受電回路は、充電制御される蓄電池を含み、前記負荷変動は、前記充電制御によって生じる負荷変動であり、
前記コントローラは、
前記受電回路へ無線給電する前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて、前記無線給電のための回路の入力インピーダンスを演算する処理と、
前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算する処理と、
前記電圧及び前記負荷推定値に基づいて、前記受電回路の受電電力推定値を演算し、前記受電電力推定値の減少に基づいて、前記送電回路による送電電力不足を検知した場合、前記第１コンバータを制御し、送電電力を大きくする処理と、
を実行するコントローラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、無線給電システム、送電装置、及びコントローラに関する。

【背景技術】

【0002】

無線給電には、電磁誘導方式のほか、特許文献１に開示の磁界共振方式がある。無線給電は、例えば、電気自動車などに搭載された蓄電池への充電への活用が検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１１７４５１号公報

【発明の概要】

【0004】

無線給電においては、受電側において負荷変動が生じることがある。負荷変動は、例えば、受電側が蓄電池を有している場合に生じる。蓄電池、特にリチウムイオン蓄電池への充電は、蓄電池の状態に応じた充電電流又は充電電圧の最適化が求められる。充電電流又は充電電圧の最適化が、受電側における負荷変動を引き起こす。

【0005】

負荷変動は、無線給電の効率低下等の原因となるため、受電側の負荷変動への対処が望まれる。受電側の負荷変動への対処を送電側で行おうとした場合、送電側が、受電側の状態を把握する必要がある。送電側が、受電側の状態を把握するには、例えば、受電側が、受電側の状態を通信によって送電側へ通知することが考えられる。この場合、送受電間での通信機能が必須となる。このため、通信を行うことなく、送電側が、受電側の負荷変動へ対処できることが望まれる。

【0006】

本開示のある側面は、無線給電システムに関する。開示の無線給電システムは、無線給電回路の一次回路を含む送電回路と、前記無線給電回路の二次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路と、前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、を備える。

【0007】

本開示において他の観点からみた無線給電システムは、無線給電回路の一次回路を含む送電回路と、前記無線給電回路の二次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路と、コントローラと、を備え、前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、前記コントローラは、前記電圧及び前記電流から演算される前記無線給電回路の入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう前記第１コンバータを制御する。

【0008】

本開示の他の側面は、送電装置である。開示の送電装置は、無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路と、前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、を備える。

【0009】

本開示において他の観点からみた送電装置は、無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路と、コントローラと、を備え、前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、前記コントローラは、前記電圧及び前記電流から演算される前記無線給電回路の入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう前記第１コンバータを制御する。

【0010】

本開示のさらに他の側面は、コントローラである。開示のコントローラは、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて、前記無線給電のための回路の入力インピーダンスを演算する処理と、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算する処理と、を実行する。

【0011】

本開示において他の観点からみたコントローラは、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて、前記無線給電のための回路の入力インピーダンスを演算する処理と、前記入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを制御する処理と、を実行する。

【0012】

更なる詳細は、後述の実施形態として説明される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、無線給電システムの回路図である。

【図2】図２は、無線給電回路の等価回路図である。

【図3】図３は、見せかけの負荷の説明図である。

【図4】図４は、入力インピーダンスから見せかけの負荷を演算するための説明図である。

【図5】図５は、充電状態停止検知の説明図である。

【図6】図６は、最適入力インピーダンスの説明図である。

【図7】図７は、実験結果を示す図である。

【図8】図８は、動作フローチャートである。

【図9】図９は、動作フローチャートである。

【図10】図１０は、最適点追従の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜１．無線給電システム、送電装置、及びコントローラの概要＞

【0015】

（１）実施形態に係る無線給電システムは、無線給電回路の一次回路を含む送電回路と、前記無線給電回路の二次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路と、前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、を備える。この無線給電システムによれば、送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて受電回路の負荷推定値を演算することができる。したがって、受電回路において負荷変動が生じても、送電側において、負荷状態を把握することができる。よって、送受電回路間で通信を行うことなく、送電側が、受電側の負荷変動へ対処できる。

【0016】

（２）前記コントローラは、前記入力インピーダンス及び前記負荷推定値に基づいて、前記受電回路の受電電力推定値を演算することができる。

【0017】

（３）前記送電回路は、前記電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを備え、前記コントローラは、前記無線給電回路の伝送効率改善のため前記入力インピーダンスが最適化されるよう前記第１コンバータを制御することができる。

【0018】

（４）実施形態に係る無線給電システムは、無線給電回路の一次回路を含む送電回路と、前記無線給電回路の二次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路と、コントローラと、を備え、前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、前記コントローラは、前記電圧及び前記電流から演算される前記無線給電回路の入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう前記第１コンバータを制御することができる。この無線給電システムによれば、受電回路において負荷変動が生じても、送受電回路間で通信を行うことなく、伝送効率を改善することができ、受電側の負荷変動に対処できる。

【0019】

（５）前記第１コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータであるのが好ましい。

【0020】

（６）前記受電回路は、充電制御される蓄電池を含み、前記負荷変動は、前記充電制御によって生じる負荷変動であってもよい。

【0021】

（７）前記受電回路は、前記充電制御のため、前記電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第２コンバータを備え、前記負荷変動は、前記第２コンバータによって生じてもよい。

【0022】

（８）前記第２コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータであるのが好ましい。

【0023】

（９）実施形態に係る送電装置は、無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路と、前記送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて前記無線給電回路の入力インピーダンスを演算し、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算するコントローラと、を備える。

【0024】

（１０）他の観点からみた実施形態に係る送電装置は、無線給電回路の一次回路を含み、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路と、コントローラと、を備え、前記送電回路は、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを更に含み、前記コントローラは、前記電圧及び前記電流から演算される前記無線給電回路の入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう前記第１コンバータを制御する。

【0025】

（１１）実施形態に係るコントローラは、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて、前記無線給電のための回路の入力インピーダンスを演算する処理と、前記入力インピーダンスに基づいて前記受電回路の負荷推定値を演算する処理と、を実行する。

【0026】

（１２）他の観点からみた実施形態に係るコントローラは、負荷変動が生じる受電回路へ無線給電する送電回路において計測される電圧及び電流に基づいて、前記無線給電のための回路の入力インピーダンスを演算する処理と、前記入力インピーダンスが、無線給電の伝送効率改善のため最適化されるよう、前記送電回路における電圧及び電流の少なくとも一方を変換する第１コンバータを制御する処理と、を実行する。

【0027】

＜２．無線給電システム、送電装置、及びコントローラの例＞

【0028】

図１は、実施形態に係る無線給電システム１０を示している。無線給電システム１０は、例えば、電気自動車又はモバイル機器のように蓄電池を備えた装置に対して、充電のために給電する。なお、給電は、蓄電池を備えていない装置に対して行われてもよい。

【0029】

無線給電システム１０は、送電回路２０と受電回路３０とを備える。送電回路２０は、無線給により、受電回路３０へ無線給電する。また、無線給電システム１０は、無線給電回路４０を含む。無線給電回路４０は、送電回路２０に設けられた一次回路４１と、受電回路３０に設けられた二次回路４６と、を含む。無線給電は、例えば、電磁誘導方式又は共鳴方式である。図１に示す無線給電回路４０においては、共鳴方式の一種である磁界共鳴方式が採用されている。磁界共鳴方式の無線給電回路４０は、一次回路４１及び二次回路４６のコンデンサ４４，４８が共振することで、一次回路４１及び二次回路４６のコイル４３，４７間の相互誘電において結合に関与しないエネルギーを保存する。これにより、エネルギーの損失を抑制し、電磁誘導方式よりも長い距離の伝送をすることが可能となる。なお、無線給電は、マイクロ波を用いた方式又はレーザーを用いた方式などであってもよい。

【0030】

実施形態の無線給電システム１０は、送電回路２０等を備える送電装置２００と、受電回路３０等を備える送電装置２００と、を備える。実施形態の送電装置２００は、コントローラ２６を備える。コントローラ２６は、送電装置２００における制御・演算などの様々な処理を実行する。コントローラ２６は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。マイクロコンピュータは、記憶装置に記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、送電装置２００における制御・演算などの様々な処理を実行する。

【0031】

実施形態の送電回路２０は、直流電源２２と第１コンバータとしてのＤＣ／ＤＣコンバータ２４とを備える。直流電源２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に対して、直流電力を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、直流電圧を変換する回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される電圧は、デューティ（Duty）比の調整により制御される。デューティ比は、コントローラ２６によって調整される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、無線給電回路４０の一次回路４１に含まれるフルブリッジ回路４２に対して直流電力を出力する。フルブリッジ回路４２は、与えられた直流電力から高周波を生成し、出力する。

【0032】

高周波は、コイル４３，４７を介して、無線給電回路４０の二次回路４６に伝送される。二次回路４６に含まれる整流器４９は、高周波を整流する。実施形態の受電回路３０は、第２コンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、蓄電池３４と、を備える。整流器４９は、整流により得られた直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティ比の調整は、受電装置３００が備える充電コントローラ（Charging IC）３６によって行われる。蓄電池３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２から出力された充電電流により蓄電される。

【0033】

蓄電池３４は、例えば、リチウムイオン電池である。実施形態において、充電コントローラ３６は、最適充電のため、蓄電池３４の状態に応じた充電制御を行う。充電制御のため、充電コントローラ３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティ比を調整する。充電制御の結果、蓄電池への充電電圧（Ｖ_out）及び充電電流（Ｉ_out）が変動する。充電電圧（Ｖout）及び充電電流（Ｉout）の変動により、蓄電池３４の状態に応じて、負荷である蓄電池３４の抵抗（充電負荷Ｒ_charge）が変動する。すなわち、受電回路３０において負荷変動が生じる。

【0034】

無線給電において、受電側の負荷変動は、無線給電の効率の低下と伝送電力（受電電力）の変化とを生じさせる。図２は、負荷変動による伝送効率の低下と伝送電力の変化を示している。図２に示す回路は、磁界共鳴方式の無線給電回路４０の等価回路を示している。図２において、ＨＦは、高周波源である。Ｃ_１はコンデンサ４４の容量を示し、Ｌ_１はコイル４３の自己インダクタンスを示し、Ｒ_１はコイル４３の寄生抵抗を示す。Ｌ_ｍは、コイル４３，４７の相互インダクタンスを示す。Ｃ_２はコンデンサ４８の容量を示し、Ｌ_２はコイル４７の自己インダクタンスを示し、Ｒ_２はコイル４７の寄生抵抗を示す。Ｒ_ｌは、終端負荷を示す。

【0035】

図２に示す式（１）は、無線給電回路４０の伝送効率ηを示す。また、図２に示す式（２）は、無線給電回路４０の伝送電力（受電電力）Ｐを示す。式中のωは、無線給電回路４０の駆動周波数の角周波数である。なお、式（１）及び（２）中のＸ及びＹは、それぞれ、図２中の式（３）及び式（４）によって表される。

【0036】

式（１）及び式（２）には、それぞれ、終端負荷Ｒ_ｌが含まれている。したがって、終端負荷Ｒ_ｌの負荷変動が生じると、伝送効率η及び伝送電力Ｐが変動する。なお、式（１）及び式（２）において、終端負荷Ｒ_ｌ以外のパラメータは、無線給電回路４０の設計時に決まる固定パラメータである。したがって、伝送効率η及び伝送電力（受電電力）Ｐの変動は、専ら、終端負荷Ｒ_ｌの負荷変動によって生じる。

【0037】

図２に示す無線給電の終端負荷Ｒ_ｌは、受電回路３０においては、二次回路４６の出力からみた出力インピーダンスに相当する。実施形態においては、二次回路４６と蓄電池３４との間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２が設けられているため、無線給電の終端負荷Ｒ_ｌは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の入力側からみた負荷に対応する。以下では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の入力側からみた負荷を、見せかけの負荷Ｚ_plという。

【0038】

終端負荷Ｒ_ｌに対応する見せかけの負荷Ｚ_plは、図３の式（５）によって表される。式（５）に示すように、負荷Ｚ_plは、蓄電池３４の負荷Ｒ_charge（式（６）参照）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のDuty（式（７）参照）と、によって決まる。

【0039】

受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２による充電制御を行うと、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のDuty（式（７）参照）が調整され、充電電圧（Ｖout）及び充電電流（Ｉout）が変動する。充電電圧（Ｖout）及び充電電流（Ｉout）が変更すると、式（６）に基づき、蓄電池３４の負荷Ｒ_chargeが変動する。また、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２による充電制御を行うと、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティ比Dutyも変動する。したがって、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２による充電制御を行うと、式（５）に基づき、負荷Ｚ_plが変動することがわかる。負荷Ｚ_plの変動により、伝送効率η及び伝送電力（受電電力）Ｐが変動する。この結果、充電の最適化のため充電制御を行うと、伝送効率ηが変動し、伝送効率ηを最適に維持することができない。

【0040】

一方、伝送効率ηを最適にするには、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２を、伝送効率ηを最適にする伝送効率制御に用いることが考えられる。伝送効率ηは、負荷Ｚ_plによって決まり、式（５）に示すように、負荷Ｚ_plは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のDutyによって決まる。したがって、負荷Ｚ_plを最適化することにより、伝送効率ηを最適化することができる。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のDutyを、伝送効率制御のために最適化すると、充電を最適化できなくなる。すなわち、伝送効率制御と充電制御において、デューティ比の最適条件は異なるため、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２において伝送効率制御を行うと、充電を最適化できない。このように、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２による制御だけでは、伝送効率改善と最適充電とは両立しない。

【0041】

そこで、本実施形態では、伝送効率改善と最適充電とを両立させる。具体的には、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２による充電制御を許容しつつ、送電側において伝送効率改善のための伝送効率制御を行う。ここで、伝送効率制御を送電側において行うには、送信側において、受電電力を把握することが考えられる。例えば、受電装置３００が、受電電力を計測し、計測した受電電力を、無線通信によって送電装置２００へ送信することが考えられる。送電装置２００において送電電力は把握可能であるから、送電装置２００は、（受電電力／送信電力）の演算を行うことで、伝送効率ηを算出することができる。送電装置２００は、例えば、算出された伝送効率ηを最大効率点追従（ＭＥＰＴ）により、最大化させることができる。しかし、送電側が受電電力を把握するには、送電装置２００及び受電装置３００それぞれが通信機能を持つ必要がある。

【0042】

これに対して、送電装置２００及び受電装置３００それぞれが通信機能を持っていなくても、送電装置２００において、伝送効率制御を行うことができる。送電装置２００及び受電装置３００それぞれが通信機能を持たないことで、無線給電システム１０全体の簡素化が可能である。なお、本実施形態においても通信は行ってもよいが、通信の非必須化は、特に受電装置３００が、ＩｏＴ向け小型センサデバイスなど、小型化・低コスト化が求められる装置である場合に有効である。

【0043】

ただし、送電装置２００が、受電装置３００の状態（受電電力など）を通信によって把握することができない場合、ＭＥＰＴの適用による伝送効率最適化は行えない。すなわち、ＭＥＰＴにより伝送効率ηを最適化するには、伝送効率ηの算出のため受電電力の把握が必要であるが、通信を行わない場合いは、伝送効率ηの直接算出が困難である。また、送電装置２００が、受電装置３００の状態を通信によって把握することができない場合、受電側の充電停止状態を検知が困難になる。すなわち、無線給電システムを利用した給電では、送電電力不足により、受電側において充電停止が起きることがある。しかし、送電装置２００が、受電装置３００の状態を把握できなければ、送電装置２００は、そのような充電停止状態を検知することができない。本実施形態では、これらの課題に対処することができる。

【0044】

本実施形態では、送電装置２００単独で伝送効率改善を行うため、送電装置２００のコントローラ２６は、送電回路２０において計測される電圧及び電流を用いる。本実施形態では、送電回路２０において計測される電圧及び電流によって、受電側の見せかけの負荷Ｚ_plが算出される。

【0045】

実施形態の送電回路２０においては、計測可能な電圧及び電圧としては、例えば、図４に示すように、直流電源２２の出力電圧Ｖ_in1及び出力電流Ｉ_in1、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧Ｖin2及び出力電流Ｉin2、及びフルブリッジ回路の出力電圧及び出力電流がある。フルブリッジ回路の出力電圧及び出力電流は高周波であるのに対して、直流電源２２の出力電圧Ｖ_in1及び出力電流Ｉ_in1、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧Ｖin2及び出力電流Ｉin2は直流であるため、計測が容易である。また、見せかけの負荷Ｚ_plを演算するに際して、直流電源２２の出力電圧Ｖ_in1及び出力電流Ｉ_in1を用いると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４のフィルター的効果を考慮した演算が必要となって演算が複雑になる。これに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の電圧Ｖ_in2及び電流Ｉ_in2を用いると、見せかけの負荷Ｚ_plの演算が容易となる。そこで、コントローラ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の電圧Ｖ_in2及び電流Ｉ_in2を演算に用いる。電圧Ｖ_in2及び電流Ｉ_in2は、図示しない電圧センサ及び電流センサによって計測され、コントローラ２６に与えられる。

【0046】

コントローラ２６は、計測された電圧Ｖ_in2及び電流Ｉ_in2から、無線給電回路４０への入力電力を演算するほか、無線給電回路４０の入力インピーダンスＺ_in2を、図４の式（８）に従って計算する。無線給電回路４０においては、入力インピーダンスＺ_in2は、出力インピーダンスと相関関係があり、図４の式（９）のように表される。したがって、コントローラ２６は、式（９）に従って、入力インピーダンスＺ_in2から、無線給電回路４０の出力インピータンスに対応する見せかけの負荷Ｚ_plの推定値を演算することができる。なお、式（９）において、ω_０は、共振角周波数である。式（９）において、入力インピーダンスＺ_in2以外のパラメータは、無線給電回路４０の設計時又は事前測定により決まる既知パラメータであるため、入力インピーダンスＺ_in2が決まれば、負荷Ｚ_plの推定値を演算することができる。

【0047】

このように、実施形態のコントローラ２６は、受電回路３０における負荷Ｚ_plの推定値を、送電回路２０において計測されたパラメータＶ_in2，Ｉ_in2によって演算できる。したがって、受電回路３０において充電制御を行うことにより負荷Ｚ_plが変動しても、変動した負荷Ｚ_plを送電側で把握することができる。

【0048】

また、コントローラ２６は、図４の式（１０）に従い、負荷Ｚ_plの推定値に基づいて、受電電力（伝送電力）Ｐの推定値を演算することができる。式（１０）において、負荷Ｚ_pl及び電圧Ｖ_in2以外のパラメータは、無線給電回路４０の設計時に又は事前測定により決まる既知パラメータであるため、負荷Ｚ_pl及び電圧Ｖ_in2が決まれば、受電電力Ｐの推定値を演算することができる。

【0049】

このように、実施形態では、送電側で計測可能なパラメータＶ_in2，Ｉ_in2に基づいて、送受間で通信を行わなくても、負荷Ｚ_pl又は受電電力Ｐなどの受電側の状態値を推定することができる。

【0050】

受電電力Ｐは、例えば、送電側のコントローラ２６が、送電電力不足による蓄電池３４への充電停止状態を検知するために用いられる。図５は、受電電力Ｐにより、受電電力Ｐを推定した結果を示している。図５において、縦軸は、受電電力Ｐを示し、横軸は、直流電源２２の出力電圧Ｖ_in1を示す。図５において、太線は受電電力Ｐの推定値を示し、細線は受電電力Ｐの真値を示す。

【0051】

図５に示すように、電圧Ｖ_in1が１０Ｖよりも大きい範囲では、受電電力Ｐは、推定値及び真値ともに約０．２Ｗであり、受電電力Ｐを正しく推定できている。また、受電電力Ｐの真値は、電圧Ｖ_in1が１０Ｖよりもやや低い値から０Ｖへ向かって急激に減少している。受電電力Ｐが小さいということは送電電力不足を示しており、受電側において充電停止が生じる。受電電力Ｐの推定値も、同様に、電圧Ｖ_in1が１０Ｖよりもやや低い値において、急激に減少しており、真値と同様の傾向を示している。したがって、コントローラ２６は、受電電力Ｐの推定値に基づいて、受電側の要求電力に対する送電電力不足の領域（図５では、電圧Ｖ_in1が１０Ｖよりもやや低い値から０Ｖまでの領域）を検知することができる。コントローラ２６は、送電電力不足を検知した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４のデューティ比Duty₁を調整し、送電電力を大きくする制御をすることができる。

【0052】

ここで、無線給電の伝送効率を最適化するための、無線給電の終端負荷の最適条件Ｚ_optは、図６の式（１１）によって表される。また、図４に示す式（９）を、無線給電回路４０の入力インピーダンスＺ_in2の式として表すと、図６の式（１２）のとおりである。本発明者らは、式（１１）に示す終端負荷の最適条件Ｚ_optを、式（１２）の負荷Ｚ_plに代入することで、無線給電の伝送効率を最適化するための最適入力インピーダンスが、図６の式（１３）のように表されることを見出した。

【0053】

図６は、入力インピーダンスＺ_in2と伝送効率との関係を示している。図において、縦軸は、伝送効率ηを示し、横軸は、入力インピーダンスＺ_in2を示している。図６に示すように、入力インピーダンスの値を最適化する（入力インピーダンスの値を最適インピーダンスにする）ことで、伝送効率ηを向上させることができる。すなわち、コントローラ２６は、入力インピーダンスＺ_in2の値を調整することで、伝送効率ηを最大にする出力インピーダンスを得ることができる。その結果、入力インピーダンスの値を最適化することで、伝送効率ηを最適化することができる。

【0054】

図７は、伝送効率改善のための実験結果を示している。実験においては、図１に示す無線給電システム１０を実施例とした。実施例においては、コイル４３，４７のインダクタンスを５．８μＦとした、一次側及び二次側の寄生容量は０．０８ｎＦである。共振用コンデンサ４４，４８は、８１ｐＦとした。コイル４３，４７のコイル径は１８０ｍｍとし、コイル４３，４７のワイヤ径は１ｍｍとした。無線給電による伝送距離は５０ｍｍとし、共振周波数は６．７８ＭＨｚとした。

【0055】

また、実験においては、図１の無線給電システム１０において、送電側のＤＣ／ＤＣコンバータ２４を省略し、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２で充電制御だけを行うものを、比較例とした。比較例における各パラメータ値は、実施例と同様である。

【0056】

実験では、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって充電電流を切り替えた際に生じる伝送効率低下量を、実施例と比較例とで比較した。図７において、横軸は、充電電流を示し、縦軸は、伝送効率を示している。なお、図７に示す実験結果では、実施例を、Proposed method又はＰの表記で示し、比較例を、Conventional method又はＣの表記で示した。

【0057】

図７Ａ及び図７Ｂは、同じ実験結果を示している。図７Ａに示すように、比較例では、充電電流が０．０５Ａである場合に比べて、伝送効率が最大２６％も低下する。なお、図７Ａにおいて、伝送効率の最も大きな低下は、充電電流が０．２５Ｖのときに生じている。

【0058】

これに対して、図７Ｂに示すように、実施例では、伝送効率は、最大８％の低下にすぎない。すなわち、比較例では、伝送効率が最大で２６％低下するのに対して、実施例では、伝送効率の低下は最大８％に抑えられている。このように、実施例では、充電制御に伴う充電電流の変化による伝送効率低下を大幅に抑制できる。したがって、実施例によれば、受電側で充電制御を行いつつ、送電側での充電効率改善制御を行うことで、充電の最適化と伝送効率の両立が可能である。

【0059】

＜３．無線給電システムの動作例＞

【0060】

図８及び図９は、図１に示す無線給電システム１０における動作例のフローチャートを示している。まず、ステップＳ１１において、受電装置３００の充電コントローラ３６が、受電側の充電制御を開始する。ステップＳ１２において、充電コントローラ３６は、蓄電池３４の状態（蓄電池状態）を充電電流等から計算し、蓄電池状態から、目標充電電流Ｉ_outを決定する。このとき、充電電圧Ｖ_outが固定であるため、充電負荷Ｒ_chargeが決まる。

【0061】

ステップＳ２１において、送電装置２００のコントローラ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧Ｖ_in2をリファレンス値（例えば、２０Ｖ）に調整する。コントローラ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧Ｖ_in2及び出力電流Ｉ_in2の計測値を常時取得している。コントローラ２６は、ステップＳ２２において、出力電圧Ｖ_in2及び出力電流Ｉ_in2の計測値から、入力インピーダンスＺ_in2を演算し、入力インピーダンスＺ_in2から出力インピーダンスＺ_plを演算する。

【0062】

ステップＳ２３において、コントローラ２６は、出力インピーダンスＺ_plから、受電装置３００の要求電力Ｐ_dを推定する。

【0063】

ステップＳ２４において、コントローラ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４のデューティ比Duty₁を調整した場合に、送電電力不足にならないかをチェックする。チェックのため、コントローラ２６は、Duty_{1_limit}＜Duty₁+ΔDuty₁を満たすか否かの判定をする。ここで、Duty_{1_limit}は、要求電力Ｐdを満足可能な一次側デューティ比Duty₁の限界値である。ΔDuty₁は、一次側デューティ比の調整量である。

【0064】

デューティ比Duty₁を調整しても、Duty_{1_limit}＜Duty₁+ΔDuty₁が満たされる場合、ステップＳ２５において、コントローラ２６は、一次側デューティ比Duty₁を調整する。一次側デューティ比Duty₁の調整に伴い、Ｖ_in2，Ｉ_in2，Ｖ_out，Ｉ_outが変化する（ステップＳ２６）。

【0065】

Ｉ_outの変化に伴い、充電コントローラ３６は、ステップＳ１４において、充電電流Ｉ_outを目標値にするため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティ比Duty₂を調整し、ステップＳ２７へ続く。

【0066】

ステップＳ２４において、Duty_{1_limit}＜Duty₁+ΔDuty₁が満たされないと判断された場合、すなわち、送電電力不足になる場合、ステップＳ２４からステップＳ２７へジャンプする。

【0067】

ステップＳ２７において、コントローラ２６は、出力電圧Ｖ_in2及び出力電流Ｉ_in2の計測値から、入力インピーダンスＺ_in2を演算する。続いて、コントローラ２６は、ステップＳ２８において、入力インピーダンスＺ_in2から出力インピーダンスＺ_plを演算する。

【0068】

ステップＳ２９において、コントローラ２６は、出力インピーダンスＺ_plから、伝送電力（受電電力）Ｐを推定する。

【0069】

ステップＳ３０において、コントローラ２６は、伝送電力（受電電力）Ｐが、受電装置３００の要求電力Ｐ_dを上回っているか判定する。すなわち、Ｐ＞Ｐ_dを満たすか否かを判断する。

【0070】

伝送電力（受電電力）Ｐが、受電装置３００の要求電力Ｐ_dを上回っている場合、ステップＳ３２へ進み、そうでない場合には、ステップＳ３１へ進む。

【0071】

ステップＳ３１において、コントローラ２６は、要求電力Ｐdを満足可能な一次側デューティ比Duty₁の限界値Duty_{1_limit}を更新する。更新は、現在の一次側デューティ比Duty₁を、限界値Duty_{1_limit}に代入することで行われる。ステップＳ３１の後、ステップＳ２１に戻る。

【0072】

ステップＳ３２において、コントローラ２６は、最適入力インピーダンスＺ_optと現在の入力インピーダンスＺ_in2との差分Ｚ_subを求める。

【0073】

ステップＳ３３において、コントローラ２６は、現在の入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optであるか否かを判断する。現在の入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optではない場合、ステップＳ３４，Ｓ３５，Ｓ３６の処理によって、入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optに近づくよう調整される。

【0074】

すなわち、ステップＳ３４において、コントローラ２６は、現在の入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optに近づく方向へ調整されているか否かを判断する。この判断は、現在の差分Ｚ_subが、１ループ前の差分Ｚ_{sub_pre}よりも小さいか否かの判断によって行われる。現在の差分Ｚ_subが、１ループ前の差分Ｚ_{sub_pre}よりも小さければ、現在の入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optに近づく方向へ調整されていると判断される。すなわち、図１０に示す動作点から、最適点に近い動作点Ａへ調整されている、と判断される。

【0075】

ステップＳ３４において、現在の入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optに近づく方向へ調整されていない（すなわち、図１０の動作点Ｂのように遠ざかる方向へ調整されている）と判断された場合、コントローラ２６は、一次側デューティ比Duty₁の調整量ΔDuty₁の正負を判定させる。

【0076】

ステップＳ３６において、コントローラ２６は、現在の差分Ｚ_subを、差分Ｚ_{sub_pre}に代入することで、差分Ｚ_{sub_pre}を更新する。その後、ステップＳ２４に戻る。

【0077】

以上の処理を繰り返すことにより、入力インピーダンスＺ_in2が、最適入力インピーダンスＺ_optに近づく方向へ調整され、伝送効率を改善することができる。

【0078】

＜４．付記＞

【0079】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0080】

１０ ：無線給電システム
２０ ：送電回路
２２ ：直流電源
２４ ：ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１コンバータ）
２６ ：マイクロコンピュータ（コントローラ）
３０ ：受電回路
３２ ：ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２コンバータ）
３４ ：蓄電池
３６ ：充電コントローラ
４０ ：無線給電回路
４１ ：一次回路
４２ ：フルブリッジ回路
４３ ：コイル
４４ ：コンデンサ
４６ ：二次回路
４７ ：コイル
４８ ：コンデンサ
４９ ：整流器
２００ ：送電装置
３００ ：受電装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】