(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】2024-11-05
(45)【発行日】2024-11-13
(54)【発明の名称】受電装置、送電電圧制御方法および水中給電システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/80 20160101AFI20241106BHJP
H02J 50/12 20160101ALI20241106BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20241106BHJP
B63C 11/00 20060101ALI20241106BHJP
【ＦＩ】
H02J50/80
H02J50/12
H02J7/00 301D
B63C11/00 C
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020198636
(22)【出願日】2020-11-30
(65)【公開番号】P2022086557
(43)【公開日】2022-06-09
【審査請求日】2023-11-02
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度「（海中移動体へ大電力を送る革新的ワイヤレス給電に関する研究）」の委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】八木 達雄
(72)【発明者】
【氏名】山口 修一郎
【審査官】辻丸 詔
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０２８８３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２１０１１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０２２８０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０２０－５１６２２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３４２０２４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１７６３１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】ロシア国特許出願公開第０２７４４０６４（ＲＵ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ５０／８０
Ｈ０２Ｊ ５０／１２
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｂ６３Ｃ １１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水中を移動可能な受電装置であって、前記水中において送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部と、
蓄電池を有し、前記受電部で受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電する電源部と、
前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサと、
前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサにより検出された前記整流電圧値と前記第２のセンサにより検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定する受電側プロセッサと、
前記受電側プロセッサにより決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する通信部と、を備える、
受電装置。
【請求項2】
前記受電側プロセッサは、前記第１のセンサにより検出された前記整流電圧値が所定範囲内でない場合に、前記第２のセンサにより検出された前記充電電流値に基づいて前記送電電圧値を決定する、
請求項１に受電装置。
【請求項3】
前記受電側プロセッサは、前記第２のセンサにより検出される充電電流値と前記送電電圧値との対応関係を示すテーブルを保持し、前記テーブルに基づいて前記充電電流値に対応する前記送電電圧値を決定する、
請求項２に記載の受電装置。
【請求項4】
前記通信部は、前記送電装置との間で、電力線通信を用いて前記送電電圧値を送信する、
請求項１に記載の受電装置。
【請求項5】
水中を移動可能な受電装置が行う送電電圧制御方法であって、前記水中において送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電し、
蓄電池を有する電源部において、受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電し、
前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出し、
前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出し、
検出された前記整流電圧値と検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定し、
決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する、
送電電圧制御方法。
【請求項6】
水中を移動可能な受電装置と送電装置とを含む水中給電システムであって、前記受電装置は、
前記水中において前記送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部と、
蓄電池を有し、前記受電部で受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電する電源部と、
前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサと、
前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサにより検出された前記整流電圧値と前記第２のセンサにより検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定する受電側プロセッサと、
前記受電側プロセッサにより決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する通信部と、を備え、
前記送電装置は、
前記受電装置から送信された前記送電電圧値に基づいて、前記受電装置にワイヤレスで伝送する電力を制御する、
水中給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、受電装置、送電電圧制御方法および水中給電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、水中において、受電装置（例えば水中航走体）との間で磁気共鳴方式を用いて非接触で電力を伝送する送電装置（例えば水中基地局）が開示されている。この送電装置は、送電用共鳴コイルと、風船と、風船制御機構とを備える。送電用共鳴コイルは、磁界共鳴方式により受電装置の受電用共鳴コイルに非接触で電力を伝送する。風船は、送電用共鳴コイルを内包する。風船制御機構は、風船を電力伝送時に膨張させることにより、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間の水を排除する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－０１５９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、特許文献１のように水中で送電装置から受電装置へ電力を伝送することを想定する。自立型無人潜水機（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の水中航走体（つまり受電装置）内に充電用電源としてＤＣ／ＤＣ電源を採用する場合、受電装置に搭載される整流器（つまり二次側の受電装置に誘起された交流電圧を直流電圧に変換する整流器）を介してＤＣ／ＤＣ電源に供給される入力電圧は受電装置内の充電電流に応じて変動する。一方で、充電電流は充電開始時点から段階的に増加される必要があるが、受電装置内に搭載される蓄電池（いわゆるバッテリ）の状況に応じて適宜可変する必要がある。このため、充電電流が適時変動することを踏まえて、入力電圧を適切な範囲内に制御できなければ、ＤＣ／ＤＣ電源の電圧変換効率が低下したり、使用定格を満たさなかったりする（例えば作動が停止）という課題があった。
【0005】
本開示は、上述した従来の状況に鑑みて案出され、搭載される蓄電池への充電電流に応じて一次側から二次側への送電電圧を適切に制御し、二次側でのＤＣ／ＤＣ電源の効率劣化を抑制する受電装置、送電電圧制御方法および水中給電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示は、水中を移動可能な受電装置であって、前記水中において送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部と、蓄電池を有し、前記受電部で受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電する電源部と、前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサと、前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサと、前記第１のセンサにより検出された前記整流電圧値と前記第２のセンサにより検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定する受電側プロセッサと、前記受電側プロセッサにより決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する通信部と、を備える、受電装置を提供する。
【0007】
また、本開示は、水中を移動可能な受電装置が行う送電電圧制御方法であって、前記水中において送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電し、蓄電池を有する電源部において、受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電し、前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出し、前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出し、検出された前記整流電圧値と検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定し、決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する、送電電圧制御方法を提供する。
【0008】
また、本開示は、水中を移動可能な受電装置と送電装置とを含む水中給電システムであって、前記受電装置は、前記水中において前記送電装置からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部と、蓄電池を有し、前記受電部で受電された受電電力に基づいて前記蓄電池を充電する電源部と、前記受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサと、前記電源部による前記蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサと、前記第１のセンサにより検出された前記整流電圧値と前記第２のセンサにより検出された前記充電電流値とに基づいて、前記送電装置からワイヤレスで伝送される前記電力に対応する送電電圧値を決定する受電側プロセッサと、前記受電側プロセッサにより決定された前記送電電圧値を前記送電装置に送信する通信部と、を備え、前記送電装置は、前記受電装置から送信された前記送電電圧値に基づいて、前記受電装置にワイヤレスで伝送する電力を制御する、水中給電システムを提供する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、搭載される蓄電池への充電電流に応じて一次側から二次側への送電電圧を適切に制御でき、二次側でのＤＣ／ＤＣ電源の効率劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態１に係る水中給電システムが設置される使用環境例を模式的に示す図
【図2】実施の形態１に係る水中給電システムのハードウェア構成例を示す図
【図3】受電側プロセッサの機能構成例を詳細に示すブロック図
【図4】受電装置における充電電流に対する整流電圧の特性例を示すグラフ
【図5】送電装置からの送電電圧ごとの、受電装置における充電電流に対する整流電圧の特性例を示すグラフ
【図6】電流センサにより検出される充電電流の値と送電装置に通知するべき送電電圧制御値との対応関係例を示すテーブル
【図7】実施の形態１に係る受電装置の送電電圧の決定に関する動作手順例を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係る受電装置、送電電圧制御方法および水中給電システムを具体的に開示した実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【0012】
図１は、実施の形態１に係る水中給電システム１０００が設置される使用環境例を模式的に示す図である。水中給電システム１０００は、送電装置１００と、受電装置２００と、複数のコイルＣＬとを有する（図２参照）。送電装置１００は、受電装置２００に対して、複数のコイルＣＬを介して、磁気共鳴方式に従ってワイヤレス（つまり無接点）で電力を伝送する。配置されるコイルＣＬの数は、ｎ（ｎ：２以上の整数）個であり、任意である。
【0013】
コイルＣＬは、例えば環状に形成され、樹脂のカバーにより被覆されることで絶縁される。コイルＣＬは、例えばキャブタイヤケーブル、ヘリカルコイル、あるいはスパイラルコイルにより形成される。ヘリカルコイルは、同一平面内ではなく、磁気共鳴方式による電力の伝送方向に沿って、螺旋状に巻回された環状のコイルである。スパイラルコイルは、同一平面内においてスパイラル形状に形成された環状のコイルである。スパイラルコイルの採用により、コイルＣＬの薄型化が可能となる。ヘリカルコイルの採用により、巻回されたコイルＣＬの内部の空間を広く確保できる。なお、図１ではスパイラルコイルの例が図示されている。
【0014】
電力伝送に使用されるコイルＣＬは、送電コイルＣＬＡおよび受電コイルＣＬＢを含む。送電コイルＣＬＡは、一次コイル（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｉｌ）である。受電コイルＣＬＢは、二次コイル（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｉｌ）である。コイルＣＬは、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢとの間に配置された少なくとも１つの中継コイルＣＬＣ（Ｂｏｏｓｔｅｒ Ｃｏｉｌ）を含んでよい。中継コイルＣＬＣは、送電コイルの一例である。中継コイルＣＬＣが複数ある場合には、それぞれの中継コイルＣＬＣ同士は略平行に配置され、中継コイルＣＬＣにより形成される開口面の半分以上が重なる。複数の中継コイルＣＬＣ間の間隔は、例えば中継コイルＣＬＣの半径以上確保される。中継コイルＣＬＣは、送電コイルＣＬＡによる電力伝送を補助する。
【0015】
送電コイルＣＬＡは、送電装置１００に設けられる（図２参照）。受電コイルＣＬＢは、受電装置２００に設けられる（図２参照）。中継コイルＣＬＣは、送電装置１００に設けられても、受電装置２００に設けられても、送電装置１００および受電装置２００とは別に設けられてもよい。中継コイルＣＬＣは、一部が送電装置１００に設けられ、他の一部が受電装置２００に設けられてもよい。
【0016】
送電装置１００は、その一部が船舶５０に設置されてもよいし、その他の箇所（例えば陸上に設置された給電設備１２００）に配置されてよい。受電装置２００は、移動可能な水中航走体７０（例えば潜水艇、水底掘削機）に設定されてよいし、固定的に設置される水中設備（例えば地震計、監視カメラ、地熱発電機）に設置されてもよい。図１では、水中航走体７０の一例として潜水艇が図示されている。各コイルＣＬは、水中（例えば海中）に配置されている。
【0017】
水中航走体７０は、例えば遠隔操作無人探査機（ＲＯＶ：Ｒｅｍｏｔｅｌｙ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、無人潜水艇（ＵＵＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、あるいは自立型無人潜水機（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）でよい。
【0018】
船舶５０の一部は、水面９０（例えば海面）より上部つまり水上に存在し、船舶５０の他の一部は、水面９０よりも下部つまり水中（例えば海中）に存在する。船舶５０は、水上（例えば海上）で移動可能であり、例えばデータ取得場所の水上（例えば海上）へ自由に移動可能である。船舶５０に設置された送電装置１００と送電コイルＣＬＡとの間は、電力ケーブル２８０により接続される。電力ケーブル２８０は、水上のコネクタを介して、送電装置１００内のドライバ１５１（図２参照）と接続される。
【0019】
水中航走体７０は、水中を潜行し、船舶５０からの指示に基づいて所定のデータ取得ポイントへ自由に移動可能である。船舶５０からの指示は、各コイルＣＬを介した通信により伝送されてもよいし、その他の通信方法により伝送されてもよい。
【0020】
各コイルＣＬは、例えば等間隔に配置される。隣り合うコイルＣＬ間の距離（コイル間隔）は、例えば５ｍである。コイル間隔は、例えばコイルＣＬの直径の半分程度の長さである。伝送周波数は、水中（例えば海中）での磁界強度の減衰量を考慮すると、例えば４０ｋＨｚ以下であり１０ｋＨｚ未満とされることが好ましい。また、１０ｋＨｚ以上の送信周波数で電力伝送する場合には、電波法の規定に基づいて所定のシミュレーションを行う必要があり、１０ｋＨｚ未満の場合にはこの作業を省略できる。なお、伝送周波数が低周波であるほど、電力伝送距離が長くなり、コイルＣＬが大きくなり、コイル間隔が長くなる。なお、伝送周波数は、例えば通信信号が重畳される場合、４０ｋＨｚよりも高い周波数でもよい。
【0021】
伝送周波数は、コイルＣＬのインダクタンス、コイルＣＬの直径、コイルのＣＬの巻き数等のコイル特性に基づき定まる。コイルＣＬの直径は、例えば数ｍ～数１０ｍである。また、コイルＣＬの太さが太い程、つまりコイルＣＬの線径が大きい程、コイルＣＬでの電気抵抗が減り、電力損失が小さくなる。また、コイルＣＬを介して伝送される電力は、例えば５０Ｗ以上であり、ｋＷオーダーでもよい。
【0022】
また、送電装置１００は、コイルの線材が巻かれる、１つ以上のボビンｂｎを備えてよい。ボビンｂｎの材料は、非導電性あるいは弱磁性の材料（例えばポリ塩化ビニル、アクリル、ポリエステル等の樹脂）が用いられる。なお、ボビンｂｎの材料は、誘電性を有してもよい。例えば、ボビンｂｎの材料としてポリ塩化ビニルを用いると、安価で入手し易く、加工し易くなる。ボビンｂｎが非導電性を有することで、送電装置１００は、コイルＣＬに流れる交流電流に起因して発生する磁界が、ボビンｂｎに吸収されることを抑制できる。図１では、水中給電（例えば海中給電）を行うために、水中に浮遊するボビンｂｎ１０を含む給電スタンドと、海底に配置されたボビンｂｎ１１を含む給電スタンドとが設置されている。
【0023】
ボビンｂｎ１０を含む給電スタンドでは、筒状のボビンｂｎ１０の外周には、送電コイルＣＬＡ１１および中継コイルＣＬＣ１１が巻回されて配置されている。送電コイルＣＬＡ１１には、電力ケーブル２８０が接続されており、海上に係留している船舶５０から電力ケーブル２８０を介して電力が供給される。電力ケーブル２８０は、この給電スタンドを海中で浮遊状態に支持する。浮遊状態では、筒状のボビンｂｎ１０の両側の開口は、水平方向を向いてよい。水中航走体７０は、浮遊状態にある給電スタンドの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンｂｎ１０の内部に留まって受電してよい。
【0024】
ボビンｂｎ１１を含む給電スタンドは、海底９１０に埋め込まれた２本の支柱１１０１の上部に固定される。この給電スタンドの出入口は、水平方向を向いてよい。給電スタンドでは、筒状のボビンｂｎ１１に送電コイルＣＬＡ１２が巻回されて配置されているが、中継コイルＣＬＣは配置されていない。送電コイルＣＬＡ１２には、例えば海底９１０に這わされた電力ケーブル２８０Ａが接続され、給電設備１２００から電力ケーブル２８０Ａを介して電力が供給されてよい。水中航走体７０は、海底９１０に設置された給電スタンドの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンｂｎ１１の内部に留まって受電してよい。
【0025】
図２は、実施の形態１に係る水中給電システム１０００のハードウェア構成例を示す図である。前述したように、水中給電システム１０００は、送電装置１００と、受電装置２００と、複数のコイルＣＬとを有する。
【0026】
送電装置１００は、ＡＣ電源１１０と、ＡＤＣ（ＡＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２０と、送電側プロセッサ１３０と、情報通信回路１４０と、送電回路１５０とを備える。
【0027】
ＡＤＣ１２０は、送電側プロセッサ１３０からの指示に基づいて、送電用電源の一例としてのＡＣ電源１１０から供給される交流電力を、送電側プロセッサ１３０からの送電電圧制御値に対応する直流電力に変換する。変換された直流電力は、送電回路１５０へ送られる。
【0028】
送電側プロセッサ１３０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を用いて構成され、送電装置１００の各部（例えばＡＣ電源１１０、ＡＤＣ１２０、情報通信回路１４０、送電回路１５０）の動作を統括して制御する。
【0029】
通信部の一例としての情報通信回路１４０は、例えばＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）通信に対応したＰＬＣアダプタと、受電装置２００との間で通信される通信データを変調あるいは復調するための変復調回路とを有する。この変復調回路はＰＬＣアダプタ内に設けられてもよく、ＰＬＣアダプタの構成例は例えば特開２０１９－１７６３１６号公報に開示されている。情報通信回路１４０は、例えば送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、ＰＬＣアダプタ（図示略）およびコイルＣＬを介して送信する。情報通信回路１４０は、例えば受電装置２００から送電装置１００へのデータを、コイルＣＬおよびＰＬＣアダプタを介して受信する。このデータには、例えば水中航走体７０により水中探査もしくは水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信回路１４０は、水中航走体７０がデータ収集等の作業を行いながら、水中航走体７０（言い換えると、受電装置２００）との間で迅速にデータ通信できる。
【0030】
送電回路１５０は、ドライバ１５１、共振回路１５２、整合回路１５３を含む。ドライバ１５１は、ＡＤＣ１２０からの直流電力を所定の周波数の交流電圧（例えばパルス波形）に変換する。共振回路１５２は、コンデンサＣＡと送電コイルＣＬＡとを含んで構成され、ドライバ１５１からのパルス波形の交流電圧から正弦波波形の交流電圧を生成する。送電コイルＣＬＡは、ドライバ１５１から印加される交流電圧に応じて、所定の共振周波数で共振する。なお、送電コイルＣＬＡは、整合回路１５３により、送電装置１００の出力インピーダンスにインピーダンス整合される。
【0031】
なお、ドライバ１５１が変換することで得られる交流電圧の周波数は、送電装置１００と受電装置２００との間での電力伝送の伝送周波数に相当し、共振周波数に相当する。伝送周波数は、例えば、各コイルＣＬのＱ値に基づき設定されてよい。
【0032】
受電装置２００は、受電回路２１０と、電源回路２２０と、受電側プロセッサ２３０と、情報通信回路２４０と、整流電圧センサ２５０と、電流センサ２６０とを備える。
【0033】
受電部の一例としての受電回路２１０は、整流回路２１１、共振回路２１２、整合回路２１３を含む。整流回路２１１は、受電コイルＣＬＢに誘起された交流電力を直流電力に変換して動力源としての直流電圧（言い換えると、整流電圧）を電源回路２２０に供給する。共振回路２１２は、コンデンサＣＢと受電コイルＣＬＢとを含んで構成され、送電コイルＣＬＡから送電された交流電力を受電する。なお、受電コイルＣＬＢは、整合回路２１３により、受電装置２００の入力インピーダンスにインピーダンス整合される。
【0034】
電源部の一例としての電源回路２２０は、ＤＣ／ＤＣ電源回路２２１、充電制御回路２２２、蓄電池の一例としての二次電池２２３を含む。ＤＣ／ＤＣ電源回路２２１は、水中給電システム１０００での二次電池２２３への充電用電源として、１つ以上の汎用的な回路部品（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）が使用された電源回路を構成し、受電回路２１０からの直流電圧（整流電圧）を昇圧、降圧等して充電制御回路２２２に供給する。充電制御回路２２２は、ＤＣ／ＤＣ電源回路２２１から供給される直流の電源電圧（整流電圧）に基づいて、二次電池２２３の種別に応じた充電電流を二次電池２２３に供給して二次電池２２３の充電もしくは放電を制御する。蓄電池の一例としての二次電池２２３は、送電装置１００から伝送された電力を蓄電する。二次電池２２３は、例えばリチウムイオン電池である。
【0035】
ここで、図４および図５を参照して、実施の形態１に係る受電装置２００における充電電流値と整流電流値との特性例について説明する。図４は、受電装置２００における充電電流に対する整流電圧の特性例を示すグラフである。図５は、送電装置１００からの送電電圧ごとの、受電装置２００における充電電流に対する整流電圧の特性例を示すグラフである。図４および図５のそれぞれの横軸は充電電流値であり、図４および図５のそれぞれの縦軸は整流電圧値を示す。
【0036】
図４に示すように、実施の形態１に係る水中給電システム１０００において、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧が一定となる場合、受電装置２００の充電電流が増加すると、整流回路２１１を介して電源回路２２０に供給される直流電圧（言い換えると、整流電圧）は減少するという特性ＰＴＹ１が見られる。図５に示すように、送電電圧がＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５）となる場合にも、図４と同様な特性（つまり充電電流が増加すると直流電圧が減少するという特性）が見られる。図５において、Ｖａ，Ｖｂは、ＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率が最も良くなる適正動作範囲の下限，上限となる基準電圧値である。つまり、整流電圧値が基準電圧値Ｖａ～Ｖｂの間であれば、ＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率が最も良くなる。
【0037】
そこで、実施の形態１では、受電装置２００は、電源回路２２０のＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率が最も良くなるように受電装置２００の整流電圧値が基準電圧値Ｖａ～Ｖｂの間となっていない場合には、電源回路２２０において検出される充電電流に応じて、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧を可変に制御する。例えば、整流電圧値が基準電圧値Ｖａ～Ｖｂの間となっていなく、かつ充電電流値が「０～Ｉ１」である場合には、受電装置２００は、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧を「Ｖ１」となるように送電電圧制御値を決定する（図６参照）。これにより、受電装置２００は、電源回路２２０のＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率の劣化を抑制できる。
【0038】
受電側プロセッサ２３０は、例えばＣＰＵを用いて構成され、受電装置２００の電源回路２２０による二次電池２２３への充電もしくは放電を制御する。例えば、受電側プロセッサ２３０は、上述した整流電圧および充電電流の各検出値（後述参照）に基づいて、受電装置２００から送電装置１００への帰還制御において整流電圧を周期的に制御するための周期割込み処理を実行する（図７参照）。周期割込み処理は、例えば１０ｍｓごとに実行される。受電側プロセッサ２３０の詳細は図３を参照して後述する。
【0039】
通信部の一例としての情報通信回路２４０は、例えばＰＬＣ通信に対応したＰＬＣアダプタと、送電装置１００との間で通信される通信データを変調あるいは復調するための変復調回路とを有する。この変復調回路はＰＬＣアダプタ内に設けられてもよく、ＰＬＣアダプタの構成例は例えば特開２０１９－１７６３１６号公報に開示されている。情報通信回路２４０は、例えば送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、コイルＣＬおよびＰＬＣアダプタを介して受信する。情報通信回路２４０は、例えば受電装置２００から送電装置１００へのデータを、ＰＬＣアダプタおよびコイルＣＬを介して送信する。このデータには、例えば水中航走体７０により水中探査もしくは水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信回路２４０は、水中航走体７０がデータ収集等の作業を行いながら、船舶５０（言い換えると、送電装置１００）との間で迅速にデータ通信できる。
【0040】
第１のセンサの一例としての整流電圧センサ２５０は、受電回路２１０から電源回路２２０に供給される直流電圧（言い換えると、整流電圧）を、上述した周期割込み処理のタイミングと同期して検出して受電側プロセッサ２３０に送る。
【0041】
第２のセンサの一例としての電流センサ２６０は、電源回路２２０の充電制御回路２２２が二次電池２２３に供給している電流（つまり充電電流）を、上述した周期割込み処理のタイミングと同期して検出して受電側プロセッサ２３０に送る。
【0042】
なお、中継コイルＣＬＣは、送電コイルＣＬＡおよび受電コイルＣＬＢと同様に、コンデンサＣＣとともに共振回路を構成する。つまり、本実施の形態では、共振回路が水中において多段に配置されることで、磁気共鳴方式により電力が伝送される。
【0043】
ここで、図２を参照して、送電装置１００から受電装置２００への電力伝送について簡単に説明する。
【0044】
送電装置１００の共振回路１５２では、送電装置１００の送電コイルＣＬＡに電流が流れると送電コイルＣＬＡの周囲に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、共振回路１５２での共振周波数と同一の周波数で共振する中継コイルＣＬＣを含む共振回路に伝達される。
【0045】
中継コイルＣＬＣを含む共振回路では、磁場の振動により中継コイルＣＬＣに電流が励起され、電流が流れ、中継コイルＣＬＣの周囲に更に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、共振回路１５２での共振周波数と同一の周波数で共振する他の中継コイルＣＬＣを含む共振回路、受電コイルＣＬＢを含む共振回路２１２にそれぞれ伝達される。
【0046】
受電装置２００の共振回路２１２では、中継コイルＣＬＣの磁場の振動により、受電コイルＣＬＢに交流電力が誘起される。誘起された交流電力が整流回路２１１により整流され、電源回路２２０において所定の電圧に変換されて充電電流が流れることで、二次電池２２３が充電される。
【0047】
次に、受電側プロセッサ２３０の構成例について、図３を参照して説明する。図３は、受電側プロセッサ２３０の機能構成例を示すブロック図である。受電側プロセッサ２３０は、メモリ２３１、ＡＤ変換部２３２、整流電圧判定部２３３、メモリ２３４、ＡＤ変換部２３５、送電電圧判定部２３６を含む。
【0048】
メモリ２３１は、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧の帰還制御を行う必要があると判断するための目安（基準）となる電圧範囲の下限である基準電圧値Ｖａおよび同電圧範囲の上限である基準電圧値Ｖｂを記憶する。基準電圧値Ｖａは基準電圧値Ｖｂより小さい（Ｖａ＜Ｖｂ、図５参照）。
【0049】
ＡＤ変換部２３２は、周期割込み処理の度に整流電圧センサ２５０により検出された現在の整流電圧値をデジタル値に変換し、デジタル値の整流電圧値を整流電圧判定部２３３に送る。
【0050】
整流電圧判定部２３３は、メモリ２３１に記憶されている基準電圧値Ｖａ，ＶｂとＡＤ変換部２３２により変換された現在の（最新の）整流電圧値とを比較し、現在の整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きい値であるか否かを判定する。整流電圧判定部２３３は、前述の判定結果を送電電圧判定部２３６に送る。
【0051】
メモリ２３４は、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧の帰還制御を行う際に送電電圧制御値を判定するための目安（基準）となる充電電流値（図６のテーブル参照）を記憶する。
【0052】
ＡＤ変換部２３５は、周期割込み処理の度に電流センサ２６０により検出された現在の充電電流値をデジタル値に変換し、デジタル値の充電電流値を送電電圧判定部２３６に送る。
【0053】
送電電圧判定部２３６は、整流電圧判定部２３３からの判定結果が「現在の整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きい」時、メモリ２３４から読み出したテーブル（図６参照）とＡＤ変換部２３５の出力とを比較する。送電電圧判定部２３６は、前述のテーブル（図６参照）とＡＤ変換部２３５の出力との比較結果に基づいて、一次側（つまり送電装置１００）に帰還制御させるべき送電電圧値を決定する。ここで、図６を参照して、送電電圧制御値を判定するための目安（基準）となる充電電流値を説明する。
【0054】
図６は、電流センサ２６０により検出される充電電流の値と送電装置１００に通知するべき送電電圧制御値との対応関係例を示すテーブルである。このテーブルは、電流センサ２６０により検出される充電電流値と、この充電電流値に応じて送電装置１００に帰還制御させるべき適切な送電電圧制御値とを対応付けて登録しており、例えばメモリ２３４に保存される。
【0055】
例えば、送電電圧判定部２３６は、整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいであって、かつ充電電流値が「０～Ｉ１」の時には、送電電圧制御値を「Ｖ１」と決定する。
【0056】
例えば、送電電圧判定部２３６は、整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいであって、かつ充電電流値が「Ｉ１～Ｉ２」の時には、送電電圧制御値を「Ｖ２」と決定する。
【0057】
例えば、送電電圧判定部２３６は、整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいであって、かつ充電電流値が「Ｉ２～Ｉ３」の時には、送電電圧制御値を「Ｖ３」と決定する。
【0058】
例えば、送電電圧判定部２３６は、整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいであって、かつ充電電流値が「Ｉ３～Ｉ４」の時には、送電電圧制御値を「Ｖ４」と決定する。
【0059】
例えば、送電電圧判定部２３６は、整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいであって、かつ充電電流値が「Ｉ４～Ｉ５」の時には、送電電圧制御値を「Ｖ５」と決定する。
【0060】
情報通信回路２４０は、送電電圧判定部２３６により決定された送電電圧制御値を、一次側（つまり送電装置１００）の情報通信回路１４０に送信する。情報通信回路１４０は、二次側（つまり受電装置２００）の情報通信回路２４０から送信された送電電圧制御値を受信して送電側プロセッサ１３０に送る。送電側プロセッサ１３０は、情報通信回路１４０からの送電電圧制御値に基づいて、送電電圧制御値に対応する直流電力の送電回路１５０への供給をＡＤＣ１２０に実行させる。
【0061】
次に、実施の形態１に係る受電装置２００における送電装置１００からの送電電圧制御値の決定に関する動作手順例について、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態１に係る受電装置の送電電圧の決定に関する動作手順例を示すフローチャートである。図７の周期割込み処理は、主に受電側プロセッサ２３０により所定の周期（Ｘミリ秒）ごとに実行される。Ｘは例えば１０である。
【0062】
図７において、受電側プロセッサ２３０は、電流センサ２６０により検出された現在の充電電流値をＡＤ変換部２３５から取得するとともに（Ｓｔ１）、整流電圧センサ２５０により検出された現在の整流電圧値をＡＤ変換部２３２から取得する（Ｓｔ２）。受電側プロセッサ２３０は、ステップＳｔ２で取得された現在の整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいか否かを判定する（Ｓｔ３）。現在の整流電圧値が基準電圧値Ｖａから基準電圧値Ｖｂの間であると判定された場合には（Ｓｔ３、ＮＯ）、現在の整流電圧値がＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率が最も良い範囲の値となっているので現在の送電電圧を可変する必要が無いとして、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0063】
受電側プロセッサ２３０は、現在の整流電圧値が基準電圧値Ｖａより小さいもしくは基準電圧値Ｖｂより大きいと判定した場合には（Ｓｔ３、ＹＥＳ）、現在の整流電圧値がＤＣ／ＤＣ電源回路２２１の効率が最も良くなる範囲の値となっていないので、充電電流値に応じて一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧を可変する必要があると決定する。
【0064】
先ず、受電側プロセッサ２３０は、ステップＳｔ１で取得された現在の充電電流値が０（ゼロ）からＩ１までの間であるか否かを判定する（Ｓｔ４、図６参照）。受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値が０（ゼロ）からＩ１までの間であると判定した場合には（Ｓｔ４、ＹＥＳ）、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧をＶ１となるように送電電圧制御値を算出して決定する（Ｓｔ５）。ステップＳｔ５の後、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0065】
受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値が０（ゼロ）からＩ１までの間ではないと判定した場合には（Ｓｔ４、ＮＯ）、ステップＳｔ１で取得された現在の充電電流値がＩ１からＩ２までの間であるか否かを判定する（Ｓｔ６、図６参照）。受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ１からＩ２までの間であると判定した場合には（Ｓｔ６、ＹＥＳ）、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧をＶ２となるように送電電圧制御値を算出して決定する（Ｓｔ７）。ステップＳｔ７の後、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0066】
受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ１からＩ２までの間ではないと判定した場合には（Ｓｔ６、ＮＯ）、ステップＳｔ１で取得された現在の充電電流値がＩ２からＩ３までの間であるか否かを判定する（Ｓｔ８、図６参照）。受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ２からＩ３までの間であると判定した場合には（Ｓｔ８、ＹＥＳ）、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧をＶ３となるように送電電圧制御値を算出して決定する（Ｓｔ９）。ステップＳｔ９の後、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0067】
受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ２からＩ３までの間ではないと判定した場合には（Ｓｔ８、ＮＯ）、ステップＳｔ１で取得された現在の充電電流値がＩ３からＩ４までの間であるか否かを判定する（Ｓｔ１０、図６参照）。受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ３からＩ４までの間であると判定した場合には（Ｓｔ１０、ＹＥＳ）、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧をＶ４となるように送電電圧制御値を算出して決定する（Ｓｔ１１）。ステップＳｔ１１の後、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0068】
受電側プロセッサ２３０は、現在の充電電流値がＩ３からＩ４までの間ではないと判定した場合には（Ｓｔ１０、ＮＯ）、一次側（つまり送電装置１００）からの送電電圧をＶ５となるように送電電圧制御値を算出して決定する（Ｓｔ１２９）。ステップＳｔ１２の後、受電装置２００の周期割込み処理が終了する。
【0069】
以上により、実施の形態１に係る受電装置２００は、水中を移動可能であって、水中において送電装置１００からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部（例えば受電回路２１０）と、蓄電池（例えば二次電池２２３）を有し、受電部で受電された受電電力に基づいて蓄電池を充電する電源部（例えば電源回路２２０）と、受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサ（例えば整流電圧センサ２５０）と、電源部による蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサ（例えば電流センサ２６０）と、第１のセンサにより検出された整流電圧値と第２のセンサにより検出された充電電流値とに基づいて、送電装置１００からワイヤレスで伝送される電力に対応する送電電圧値（例えば送電電圧制御値）を決定する受電側プロセッサ２３０と、受電側プロセッサ２３０により決定された送電電圧値を送電装置１００に送信する通信部（例えば情報通信回路２４０）と、を備える。
【0070】
また、実施の形態１に係る送電電圧制御方法は、水中を移動可能な受電装置２００により実行される。具体的には、送電電圧制御方法は、水中において送電装置１００からワイヤレスで伝送された電力を受電し、蓄電池を有する電源部において、受電された受電電力に基づいて蓄電池を充電し、受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出し、電源部による蓄電池への充電電流値を検出し、検出された整流電圧値と検出された充電電流値とに基づいて、送電装置１００からワイヤレスで伝送される電力に対応する送電電圧値を決定し、決定された送電電圧値を送電装置１００に送信する。
【0071】
また、実施の形態１に係る水中給電システム１０００は、水中を移動可能な水中航走体７０内に搭載される受電装置２００と送電装置１００とを含む。受電装置２００は、水中において送電装置１００からワイヤレスで伝送された電力を受電する受電部と、蓄電池を有し、受電部で受電された受電電力に基づいて蓄電池を充電する電源部と、受電電力に基づいて整流された整流電圧値を検出する第１のセンサと、電源部による蓄電池への充電電流値を検出する第２のセンサと、第１のセンサにより検出された整流電圧値と第２のセンサにより検出された充電電流値とに基づいて、送電装置１００からワイヤレスで伝送される電力に対応する送電電圧値を決定する受電側プロセッサ２３０と、受電側プロセッサ２３０により決定された送電電圧値を送電装置１００に送信する通信部と、を備える。送電装置１００は、受電装置２００から送信された送電電圧値に基づいて、受電装置２００にワイヤレスで伝送する電力を制御する。
【0072】
これにより、水中給電システム１０００あるいは受電装置２００は、水中航走体７０内に搭載される蓄電池（例えば二次電池２２３）への充電電流に応じて一次側（つまり送電装置１００）から二次側（つまり受電装置２００）への送電電圧を適切に制御できる（つまり、整流電圧値が受電装置２００に搭載される電源部の効率が最も良くなる範囲になるように制御できる）。したがって、水中給電システム１０００あるいは受電装置２００は、二次側（つまり受電装置２００）でのＤＣ／ＤＣ電源の効率劣化を抑制できる。
【0073】
また、受電側プロセッサ２３０は、第１のセンサにより検出された整流電圧値が所定範囲内（例えば基準電圧値Ｖａ～Ｖｂの範囲）でない場合に、第２のセンサにより検出された充電電流値に基づいて送電電圧値を決定する。これにより、水中給電システム１０００あるいは受電装置２００は、電源回路２２０に供給された整流電圧値が基準電圧値Ｖａ～Ｖｂの間であるか否かに応じて、送電電圧値を簡易に決定できて処理負荷の軽減を図ることができる。
【0074】
また、受電側プロセッサ２３０は、第２のセンサにより検出される充電電流値と送電電圧値との対応関係を示すテーブル（図６参照）を保持し、テーブルに基づいて充電電流値に対応する送電電圧値を決定する。これにより、水中給電システム１０００あるいは受電装置２００は、充電電流値に応じて送電電圧制御値を簡易に決定できて処理負荷の軽減を図ることができる。
【0075】
また、受電装置２００は、送電装置１００との間で、電力線通信（つまりＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ））を用いて送電電圧値を送信する。これにより、受電装置２００と送電装置１００との間がポジションフリーとなる場合でも、電力線を介したデータ通信によって送電装置１００と受電装置２００との間で安定的に通信が行える。
【0076】
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【0077】
上述した本実施の形態では、受電装置２００は、海底に設置された発電機等でもよい。この場合、受電装置２００は、水中に固定的に設置される。このように、海底に固定的に設置された構造物であって、構造物を移動させて充電することが困難である場合でも、送電装置１００が受電装置２００に近付くことで、水中での電力伝送効率を向上して充電できる。
【0078】
上述した本実施の形態では、送電コイルＣＬＡおよび複数の中継コイルＣＬＣの配列方向が海水中で横向き（水平方向）に配置されたが、縦向き（垂直方向）に配置されてもよい。縦向きの場合、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣの面は、水面と略平行となる。縦向きに配置される場合、ＡＵＶ８００に搭載される受電コイルＣＬＢも磁界方向に合わせるように縦向きに搭載されてもよい。つまり、受電コイルＣＬＢの面が水面と略平行となってよい。また、送電コイルＣＬＡおよび中継コイルＣＬＣが連結体を介して接続される送電コイル構造体の場合、送電コイル構造体が縦向きに配置されても、水中航走体７０は、送電コイルに対し水平方向に進入および退出可能でよい。一方、送電コイルＣＬＡおよび中継コイルＣＬＣがボビンｂｎに巻回されて配置される送電コイルの場合に、送電コイルが縦向きに配置された場合、水中航走体７０は、ボビンｂｎの上端および下端に位置するボビンｂｎの開口部から送電コイルの内側に進入してよい。
【産業上の利用可能性】
【0079】
本開示は、搭載される蓄電池への充電電流に応じて一次側から二次側への送電電圧を適切に制御し、二次側でのＤＣ／ＤＣ電源の効率劣化を抑制する受電装置、送電電圧制御方法および水中給電システムとして有用である。
【符号の説明】
【0080】
５０ 船舶
７０ 水中航走体
１００ 送電装置
１１０ ＡＣ電源
１２０ ＡＤＣ
１３０ 送電側プロセッサ
１４０、２４０ 情報通信回路
１５０ 送電回路
１５１ ドライバ
１５２、２１２ 共振回路
１５３、２１３ 整合回路
２００ 受電装置
２１０ 受電回路
２１１ 整流回路
２２０ 電源回路
２２１ ＤＣ／ＤＣ電源回路
２２２ 充電制御回路
２２３ 二次電池
２３０ 受電側プロセッサ
２３１、２３４ メモリ
２３２、２３５ ＡＤ変換部
２３３ 整流電圧判定部
２３６ 送電電圧判定部
２５０ 整流電圧センサ
２６０ 電流センサ
１０００ 水中給電システム
ＣＬＡ 送電コイル
ＣＬＢ 受電コイル
７０ 水中航走体
１００ 送電装置
１１０ ＡＣ電源
１２０ ＡＤＣ
１３０ 送電側プロセッサ
１４０、２４０ 情報通信回路
１５０ 送電回路
１５１ ドライバ
１５２、２１２ 共振回路
１５３、２１３ 整合回路
２００ 受電装置
２１０ 受電回路
２１１ 整流回路
２２０ 電源回路
２２１ ＤＣ／ＤＣ電源回路
２２２ 充電制御回路
２２３ 二次電池
２３０ 受電側プロセッサ
２３１、２３４ メモリ
２３２、２３５ ＡＤ変換部
２３３ 整流電圧判定部
２３６ 送電電圧判定部
２５０ 整流電圧センサ
２６０ 電流センサ
１０００ 水中給電システム
ＣＬＡ 送電コイル
ＣＬＢ 受電コイル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】