WO2012102302A1 - 非接触給電装置および非接触給電方法 - Google Patents

非接触給電装置および非接触給電方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a technique for supplying power to a power storage device mounted on a mobile body in a non-contact manner from a power source outside the mobile body.
  • Non-Patent Document 1 is a technique that can transmit electric power for a relatively long distance, and has attracted particular attention in recent years.
  • Patent Document 2 wireless power transmission using a self-resonant frequency in magnetic resonance coupling is described in the following Non-Patent Document 2, and power feeding devices using wireless power transmission are proposed in Patent Documents 1 to 3 below.
  • Patent Document 1 the received electric power is detected on the electric vehicle side, the power reception status is transmitted to the power feeding device through communication, and the power feeding device is controlled.
  • the communication device since it is necessary to equip the communication device, both the electric vehicle and the power supply device are expensive. There is a problem that you can not.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 the resonance frequency is searched for by measuring the impedance.
  • the impedance is measured by scanning the frequency, and as a result, the search for the resonance frequency is performed at the scanning frequency interval.
  • This invention solves the said subject,
  • the objective is to provide the non-contact electric power feeder and method which enabled highly efficient electric power transmission, without performing wireless communication.
  • the contactless power supply device for solving the above-described problem is a secondary that is magnetically coupled to a primary coil outside a moving body by resonance of a magnetic field and is configured to receive power from the primary coil.
  • a coil a rectifier that rectifies the power received by the secondary coil, a power storage device that stores the power rectified by the rectifier, and an electric motor that receives the power supply from the power storage device and generates a driving force.
  • a power feeding device that feeds power to a moving body, the primary coil being magnetically coupled to the secondary coil by resonance of a magnetic field, and configured to transmit high-frequency power to the secondary coil, and the moving body External power is converted into high-frequency power that can be transmitted to the mobile body by resonating the magnetic field, and the high-frequency power driver that supplies the primary coil, and the transmission current and voltage of the high-frequency power driver,
  • a calculation means for estimating an equivalent circuit parameter of power transmission between the primary coil and the secondary coil due to field resonance, and a received power of the secondary coil is estimated from an equivalent circuit parameter estimated by the calculation means.
  • control means for controlling the frequency of the transmitted power so that the estimated received power is maximized.
  • the control unit estimates the received power of the secondary coil according to the transmitted power from the equivalent circuit parameter estimated by the calculation unit.
  • the frequency of the high-frequency power driver is controlled so that the estimated received power is maximized.
  • the control unit is configured to perform the second control according to at least one of the capacitance and inductance of the primary coil from the equivalent circuit parameter estimated by the calculation unit.
  • the received power of the primary coil is estimated, and the resonance frequency of the primary coil is adjusted by changing at least one of the capacity and inductance of the primary coil so that the estimated received power is maximized.
  • a non-contact power feeding method in which a secondary coil that is magnetically coupled to a primary coil outside a moving body by resonance of a magnetic field and configured to receive power from the primary coil;
  • a moving body including a rectifier that rectifies the power received by the next coil, a power storage device that stores the power rectified by the rectifier, and an electric motor that receives a supply of power from the power storage device and generates a driving force.
  • a power supply method for supplying power wherein a high-frequency power driver converts power outside the moving body into high-frequency power that can be transmitted to the moving body by resonating a magnetic field, and changes the frequency to the primary coil.
  • the power transmission step to supply and the power transmission between the primary coil and the secondary coil by the resonance of the magnetic field from the transmission current / voltage of the high-frequency power driver that is executing the power transmission step
  • An equivalent circuit parameter estimating step for estimating an equivalent circuit parameter; a received power estimating step in which the control means estimates the received power of the secondary coil from the estimated equivalent circuit parameter; and the estimated received power is a maximum
  • a control step for controlling the frequency of the transmission power so that
  • the received power estimation step includes the step of estimating the secondary coil according to the transmission power from the equivalent circuit parameter estimated by the equivalent circuit parameter estimation step. Received power is estimated, and the control step controls the frequency of the high-frequency power driver so that the estimated received power is maximized.
  • the received power estimation step includes at least one of a capacitance and an inductance of the primary coil based on the equivalent circuit parameter estimated by the equivalent circuit parameter estimation step.
  • the control step changes the capacity of the primary coil and / or the inductance of the primary coil so that the estimated received power is maximized, and sets the resonance frequency of the primary coil. It is characterized by adjusting.
  • the cost can be reduced by minimizing the power receiving part on the mobile body side, and the combination of the mobile body and the power feeding device with the same communication method is unnecessary. It can be easily applied to any mobile body, and power can be supplied from the power supply device to the mobile body in a state where the received power is maximized without performing wireless communication, so that highly efficient power transmission can be performed. .
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram obtained by modifying the equivalent circuit of FIG. 3.
  • the characteristic view which shows the relationship between the frequency of the transmission high frequency electric power in the electric power transmission by a resonance method, and received electric power.
  • the relationship between the frequency of transmitted high-frequency power and the received power in power transmission by the resonance method is shown, (a) is a characteristic diagram when the coupling coefficient k is small, and (b) is a characteristic diagram when the coupling coefficient k is large.
  • the characteristic view which shows the relationship between the frequency of the transmission high frequency electric power in Example 1 of this invention, and receiving power estimated value.
  • the characteristic view which shows the relationship between the capacity
  • the characteristic view which shows the relationship between the inductance of the primary coil in Example 2 of this invention, and received electric power estimated value.
  • Examples 1 and 2 below show an embodiment in which the present invention is applied to a moving body, for example, an electric vehicle, which is supplied with electric power from an external power source without contact.
  • FIG. 1 shows an apparatus configuration of the first embodiment.
  • reference numeral 100 denotes a power supply apparatus that supplies power to a moving body 200 made of, for example, an electric vehicle in a non-contact manner.
  • the power supply apparatus 100 includes, for example, an AC power supply 110 including a system power supply, a high-frequency power driver 120, a calculation apparatus 130 as calculation means, a primary coil 140 disposed near the ground on which the moving body 200 is placed, and control as control means.
  • a device 150 is provided.
  • the mobile body 200 is equipped with a secondary coil 210, a rectifier 220, a power storage device 230, and an electric motor 240 that drives the mobile body 200 with electric power stored in the power storage device 230.
  • the high-frequency power driver 120 of the power supply apparatus 100 converts the power received from the AC power source 110 into high-frequency power that can be transmitted from the primary coil 140 to the secondary coil 210 on the moving body 200 side by resonating the magnetic field. The high frequency power thus supplied is supplied to the primary coil 140.
  • the primary coil 140 is magnetically coupled to the secondary coil 210 of the moving body 200 by magnetic field resonance, and is configured to be able to supply power from the power supply apparatus 100 to the moving body 200.
  • the arithmetic unit 130 estimates an equivalent circuit parameter of power transmission by the resonance method including the primary coil 140 and the secondary coil 210 from the transmission current / voltage of the high-frequency power driver 120.
  • the control device 150 obtains the relationship between the frequency of the transmitted power of the primary coil 140 and the estimated value of the received power of the secondary coil 210 based on the equivalent circuit parameter estimated by the arithmetic device 130. Then, the frequency of the high-frequency power driver 120 is controlled so that the estimated received power is maximized.
  • the secondary coil 210 is disposed at the lower part of the vehicle body of the moving body 200 and outputs the received power to the rectifier 220.
  • Rectifier 220 rectifies high-frequency AC power received from secondary coil 210 and outputs the rectified power to power storage device 230.
  • the primary coil 140 and the secondary coil 210 of the moving body 200 are magnetically coupled by magnetic field resonance, and the primary coil 140 Electric power is supplied to the next coil 210. Then, the electric power received by the secondary coil 210 is rectified by the rectifier 220 and stored in the power storage device 230.
  • charging power can be supplied to the mobile body 200 wirelessly from a power source outside the mobile body, and the power storage device 230 mounted on the mobile body 200 can be charged.
  • the arithmetic device 130 estimates the equivalent circuit parameters of the power transmission by the resonance method including the primary coil 140 on the power feeding device 100 side and the secondary coil 210 on the moving body 200 side, and from the estimated equivalent circuit parameters
  • the control device 150 estimates the received power of the secondary coil 210 and controls the frequency of the transmitted power of the primary coil 140 so that the estimated received power is maximized.
  • power can be supplied to the mobile body 200.
  • power transmission by the resonance method is performed by using the inductance L 1 , stray capacitance C 1 , internal resistance R 1 of the primary coil 140, and the inductance L 2 , stray capacitance C 2 , and internal resistance R 2 of the secondary coil 210. It is known that it can be expressed as an equivalent circuit as shown in FIG. 3 (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • L m represents the mutual inductance of the two coils.
  • L m can be expressed as follows.
  • the frequency of the high-frequency power supplied to the primary coil 140 (frequency f of the transmitted high-frequency power) and the power supplied to the secondary coil 210 (received power P) have a relationship as shown in FIG. It has been known. That is, the supplied electric power becomes a maximum value at the resonance frequency f 0 of the two coils.
  • FIG. 6A shows the case where the coupling coefficient k is small
  • FIG. 6B shows the case where the coupling coefficient k is large. It is also known that the frequency width at which the maximum power can be transmitted is reduced if k is reduced (see Non-Patent Document 2).
  • This resonance frequency f 0 changes with changes in the capacitance and inductance of the primary coil.
  • the coupling coefficient k changes mainly depending on the core characteristics of the primary coil and the secondary coil and the positional relationship between the two coils.
  • the power feeding apparatus 100 of the present invention first, power is supplied to the primary coil 140 with low power and power is transmitted from the primary coil 140 to the secondary coil 210, so that an equivalent circuit of the primary coil 140 and the secondary coil 210 is obtained.
  • the parameters (inductance L 1 , stray capacitance C 1 , internal resistance R 1 , inductance L 2 , stray capacitance C 2 , internal resistance R 2 , mutual inductance L M of the equivalent circuit shown in FIG. 4) are estimated, and then large Electric power is supplied to the primary coil 140, power is transmitted from the primary coil 140 to the secondary coil 210, and charging of the power storage device 230 is started from the secondary coil 210.
  • the primary coil when power is transmitted with the moving body 200 fixed (stopped) at an arbitrary position, first, the primary coil is operated with low power while changing the frequency of the high-frequency power output from the high-frequency power driver 120 within a changeable range. Power is transmitted to the secondary coil 210 via 140.
  • the inductance L 1 , stray capacitance C 1 , and internal resistance R 1 of the equivalent circuit shown in FIG. 4 are parameters of the power supply device 100, and are obtained by calculation or simulation of circuit constants or trial operation.
  • the arithmetic device 130 holds the data.
  • the transmission current and the transmission voltage to the primary coil 140 at the time of the frequency change are sequentially recorded together with the frequency, and the transmission current and the transmission voltage in the entire frequency changeable range are recorded.
  • the control device 150 estimates the received power of the secondary coil 210 according to the frequency by using the transmitted equivalent circuit parameter, and the frequency f-received power estimated value P es of the transmission high-frequency power as shown in FIG. To derive a relationship.
  • the high-frequency power driver 120 is controlled so as to supply the high-frequency power at the frequency at which the estimated value P es of the received power is maximum, that is, the high-frequency power having the resonance frequency f 0 , and charging is started. Thereby, it is possible to supply power to the secondary coil 210 in a state where the received power is maximized without performing wireless communication, and highly efficient power transmission can be performed.
  • FIG. 2 shows an apparatus configuration of the second embodiment, and the same parts as those in FIG.
  • the moving body 200 in the second embodiment is configured in the same manner as the moving body 200 in the first embodiment.
  • Reference numeral 300 denotes a power supply apparatus according to the second embodiment, which is different from the power supply apparatus 100 of FIG. 1 in that a primary device is used instead of the control device 150 that controls the high-frequency power driver 120 based on the equivalent circuit parameters obtained by the arithmetic device 130. It has a function of changing the capacity and inductance of the coil 140 and estimates the received power of the secondary coil 210 according to at least one of the capacity and inductance of the primary coil 140 from the equivalent circuit parameters estimated by the arithmetic unit 130.
  • the adjustment device 160 for adjusting the resonance frequency of the primary coil 140 by changing at least one of the capacity and the inductance of the primary coil 140 so that the estimated received power is maximized is provided. It is configured identically.
  • the primary coil 140 is supplied to the primary coil 140 with a small electric power, and power is transmitted from the primary coil 140 to the secondary coil 210.
  • the parameters of the equivalent circuit 210 (inductance L 1 , stray capacitance C 1 , internal resistance R 1 , inductance L 2 , stray capacitance C 2 , internal resistance R 2 , mutual inductance L M of the equivalent circuit shown in FIG. 4) are estimated. Thereafter, a large amount of power is supplied to the primary coil 140, power is transmitted from the primary coil 140 to the secondary coil 210, and charging of the power storage device 230 is started from the secondary coil 210.
  • the inductance L 1 , stray capacitance C 1 , and internal resistance R 1 of the equivalent circuit shown in FIG. 4 are parameters of the power supply apparatus 100, and are obtained by calculation or simulation of circuit constants or trial operation. Is held by the arithmetic unit 130, for example.
  • the arithmetic device 130 sequentially records the transmission current and transmission voltage to the primary coil 140 when changing at least one of the capacitance and inductance, together with the capacitance and inductance, and records the transmission current and transmission voltage in the entire changeable range. To do.
  • the adjustment device 160 estimates the received power of the secondary coil 210 according to the frequency by using the transmitted equivalent circuit parameter, and the primary coil capacitance C-received power estimated value P es as shown in FIG. relationship, or primary coil inductance L- received power estimate P es relationship as shown in FIG. 9, or derive both.
  • the primary coil 140 is changed so that the estimated value P es of the received power becomes the maximum C 0 or L 0, and charging of the power storage device 230 is started.
  • power can be supplied from the AC power source 110 to the moving body 200 in a state where the received power is maximized without performing wireless communication, and highly efficient power transmission can be performed.
  • the present invention is not limited to an electric vehicle, and can be applied to other mobile objects to which power is supplied in a non-contact manner.
  • the power source outside the mobile body is not limited to the AC power source, and may be configured to convert the power from the DC power source into high frequency power.

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Abstract

【課題】無線通信を行なうことなく高効率の電力伝送を可能とする。 【解決手段】二次コイル２１０を備えた移動体２００に対して、給電を行う給電装置１００であって、前記二次コイル２１０と磁場の共鳴により磁気的に結合され、高周波電力を二次コイル２１０へ送電可能に構成された一次コイル１４０と、交流電源１１０の電力を、磁場を共鳴させて前記移動体２００へ送電可能な高周波電力に変換し、前記一次コイル１４０に供給する高周波電力ドライバ１２０と、高周波電力ドライバ１２０の送電電流・電圧から、共鳴法による前記一次コイル１４０から二次コイル２１０への電力伝送の等価回路パラメータを推定する演算装置１３０と、演算装置１３０により推定された等価回路パラメータから、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高周波電力ドライバ１２０を制御する制御装置１５０とを備えた。

Description

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送電電流・電圧から、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、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送電電力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、請求項１において、前記制御手段は、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、送電電力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装置は、請求項１において、前記制御手段が、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、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送電電流・電圧から、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、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送電電力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。
　又請求項５に記載の非接触給電方法は、請求項４において、前記受電電力推定ステップは、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、送電電力に応じた前記二次コイルの受電電力を推定し、前記制御ステップは、前記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ことを特徴としている。
　また請求項６に記載の非接触給電方法は、請求項４において、前記受電電力推定ステップは、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し、前記制御ステップは、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１～３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４～６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、Ｌm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Ｌmは以下のように表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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ｆ）と二次コイル２１０に供給される電力（受電電力Ｐ）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、送電高周波電力の周波数ｆと二次コイル２１０に供給される受電電力Ｐの関係は、結合係数ｋが小さい場合を示す図６（ａ）、結合係数ｋが大きい場合を示す図６（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ＬM）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ＬM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ＬM（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のような送電高周波電力の周波数ｆ－受電電力推定値Ｐesの関係を導き出す。
　その後、受電電力の推定値Ｐes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ＬM）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ＬM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ＬM（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、周波数に応じた二次コイル２１０の受電電力を推定し、図８のような一次コイルの容量Ｃ－受電電力推定値Ｐesの関係、または図９のような一次コイルのインダクタンスＬ－受電電力推定値Ｐes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Ｐes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

Claims (6)

  1. 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送電電流・電圧から、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、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送電電力の周波数を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする非接触給電装置。
  2. 前記制御手段は、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、送電電力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ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
  3. 前記制御手段は、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ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
  4. 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送電電流・電圧から、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、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送電電力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する非接触給電方法。
  5. 前記受電電力推定ステップは、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、送電電力に応じた前記二次コイルの受電電力を推定し、
    　前記制御ステップは、前記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ことを特徴とする請求項４に記載の非接触給電方法。
  6. 前記受電電力推定ステップは、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し、
    　前記制御ステップは、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ことを特徴とする請求項４に記載の非接触給電方法。
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