WO2012172900A1

WO2012172900A1 - 共鳴型非接触給電システム

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Publication number: WO2012172900A1
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Inventors: 田口　雄一; 山口　敦
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Publication date: 2012-12-20
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Abstract

電源部から電力が供給される共鳴系は、少なくとも一次側共鳴コイル、二次側共鳴コイル及び負荷により構成される。そして、前記電源部の出力周波数ｆ_ｏが、周波数ｆ_１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２，周波数ｆ_３≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_４，・・・，周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲のいずれかに設定される。前記周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１，ｆ_２ｎ（ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜・・・＜ｆ_２ｎ－１＜ｆ_２ｎ）は、前記共鳴系に前記周波数の電力を供給した時における前記共鳴系の入力インピーダンスをＺ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，・・・，Ｚ_２ｎ－１，Ｚ_２ｎとしたとき、Ｚ_１＝Ｚ_２，Ｚ_３＝Ｚ_４，・・・，Ｚ_２ｎ－１＝Ｚ_２ｎとなる周波数である。

Description

共鳴型非接触給電システム

　本発明は、共鳴型非接触給電システムに関する。

　従来、磁場共鳴を利用して電力を伝送することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、設計、製造が容易な非接触電力伝送装置の設計方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の非接触電力伝送装置の設計方法では、共鳴系の入力インピーダンスと周波数との関係をグラフにした場合の、前記入力インピーダンスが極大となる周波数と、前記入力インピーダンスが極大となる周波数よりも高くかつ入力インピーダンスが極小となる周波数との間に交流電源の周波数を設定する。

国際公開第２００７／００８６４６号特開２０１０－１１４９６４号公報

　ところが、特許文献１には磁場共鳴を行う共鳴系の共鳴周波数の具体的な特定方法が示されていない。そのため、効率良く電力を伝送する共鳴型非接触給電システムを設計、製造することが難しかった。特許文献２には、共鳴系の共鳴周波数の具体的な特定方法が開示されており、共鳴型の非接触電力伝送装置を容易に設計することができる。

　本発明の目的は、設計、製造が容易で、電力伝送効率が高い共鳴型非接触給電システムを提供することにある。

　前記の目的を達成するため、本発明の一態様は、電源部と、前記電源部から電力の供給を受ける一次側共鳴コイルとを備えた給電設備と、前記一次側共鳴コイルからの電力を磁場共鳴して受電する二次側共鳴コイルと、前記二次側共鳴コイルが受電した電力が供給される負荷とを備えた受電設備とを備え、少なくとも前記一次側共鳴コイル、前記二次側共鳴コイル及び前記負荷により共鳴系を構成する共鳴型非接触給電システムである。そして、前記電源部の出力周波数ｆ_ｏが、周波数ｆ_１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２，周波数ｆ_３≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_４，・・・，周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲のいずれかに設定され、前記周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１，ｆ_２ｎ（ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜・・・＜ｆ_２ｎ－１＜ｆ_２ｎ）は、前記共鳴系に前記周波数の電力を供給した時における前記共鳴系の入力インピーダンスをＺ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，・・・，Ｚ_２ｎ－１，Ｚ_２ｎとしたとき、Ｚ_１＝Ｚ_２，Ｚ_３＝Ｚ_４，・・・，Ｚ_２ｎ－１＝Ｚ_２ｎとなる周波数である。

　この態様では、電源部の出力周波数ｆ_ｏが上記の条件を満足するため、電力伝送効率を高くすることができる。また、共鳴型非接触給電システムを設計する場合、電源部の出力周波数は電波法で使用が許容されている条件を満たす周波数に設定する必要があり、その周波数が共鳴型非接触給電システムの共鳴系の共鳴周波数あるいは共鳴周波数に近い値に設定する必要がある。この発明の共鳴型非接触給電システムでは、共鳴系を構成する一次共鳴コイル、二次共鳴コイル等の部品として負荷に伝送すべき電力の大きさに対応した部品を用いて構成した共鳴系の共鳴周波数を、電波法で使用が許容されている条件を満たす周波数となるように、容易に設定することができる。したがって、共鳴型非接触給電システムの設計、製造が容易になる。

　本発明の一態様において、前記給電設備及び前記受電設備の少なくとも一方には、前記電源部から供給を受けた電力を電磁誘導により前記一次側共鳴コイルに供給する誘導コイルあるいは前記二次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す誘導コイルが設けられ、少なくとも前記誘導コイル、前記一次側共鳴コイル、前記二次側共鳴コイル及び前記負荷により共鳴系が構成されている。

　共鳴型非接触給電システムが、給電設備と受電設備との間で非接触給電を行うためには、少なくとも一次側共鳴コイル及び二次側共鳴コイルの二つの共鳴コイルが存在すればよい。しかし、電源部から供給を受けた電力を電磁誘導により一次側共鳴コイルに供給する誘導コイル及び二次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す誘導コイルのうちの少なくとも一方の誘導コイルが設けられている方が、整合状態に調整することが容易となる。また、一次側共鳴コイル、二次側共鳴コイル及び２つの誘導コイルの全てを備えた構成の方が、整合状態に調整することがより容易となる。

　本発明の一態様において、前記誘導コイルは、前記給電設備及び前記受電設備の両方に設けられている。したがって、誘導コイルが給電設備あるいは受電設備の一方のみに設けられた場合に比べて、整合状態に調整するのが容易となる。

　本発明の一態様において、前記給電設備は、前記共鳴系の入力インピーダンスと前記共鳴系の入力端から前記電源部側をみたインピーダンスとの整合を行う整合器と、前記整合器を調整する整合器制御手段（整合器制御部）とを備えている。この発明では、給電設備に装備された整合器が、整合器制御手段により共鳴系の入力インピーダンスと、前記共鳴系の入力端から前記電源部側をみたインピーダンスとの整合を行うように調整される。したがって、共鳴系の入力インピーダンスが変化しても電力の伝送効率を良好な状態に維持することができる。また、受電設備の情報を入手せずに給電設備で共鳴系の入力インピーダンスの変化に対応することができる。

　本発明によれば、設計、製造が容易で、電力伝送効率が高い共鳴型非接触給電システムを提供することができる。

一実施形態の共鳴型非接触充電システムの構成図。図１のシステムを一部省略して示す回路図。異なる周波数で電力を供給した場合の入力インピーダンスの実部と虚部との関係を示すグラフ。高周波電源の出力周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフ。第２の実施形態の共鳴型非接触充電システムを一部省略して示す回路図。異なる周波数で電力を供給した場合の入力インピーダンスの実部と虚部との関係を示すグラフ。高周波電源の出力周波数と電力伝送効率の関係を示すグラフ。

　（第１の実施形態）
　以下、本発明を車載バッテリを充電するための共鳴型非接触充電システムに具体化した第１の実施形態を図１～図４にしたがって説明する。

　図１に示すように、共鳴型非接触給電システムとしての共鳴型非接触充電システムは、地上側に設けられる給電設備１０と、移動体としての車両に搭載された受電設備３０とで構成されている。

　給電設備１０は、電源部としての高周波電源１１と、高周波電源１１の出力部に接続された整合器１２と、一次側コイル１３と、インピーダンス測定手段（インピーダンス測定部）１４と電源側コントローラ１５とを備えている。インピーダンス測定手段１４として電力測定器と位相測定器が使用されている。

　受電設備は、二次側コイル３１と、整流器３２と、充電器３３と、充電器３３に接続されたバッテリ（二次電池）３４と、車両側コントローラ３５とを備えている。整流器３２、充電器３３及びバッテリ３４は負荷を構成する。

　一次側コイル１３、二次側コイル３１及び負荷（整流器３２、充電器３３及びバッテリ３４）により共鳴系が構成される。

　図２に示すように、一次側コイル１３は、誘導コイルとしての一次コイル１３ａと、一次側共鳴コイル１３ｂとで構成されている。一次コイル１３ａは、整合器１２を介して高周波電源１１に接続されている。一次コイル１３ａと一次側共鳴コイル１３ｂとは同軸上に位置するように配設され、一次側共鳴コイル１３ｂにはコンデンサＣが接続されている。一次コイル１３ａは、一次側共鳴コイル１３ｂに電磁誘導で結合され、高周波電源１１から一次コイル１３ａに供給された交流電力が電磁誘導で一次側共鳴コイル１３ｂに供給される。

　図２に示すように、整合器１２は、２つの可変コンデンサ１６，１７とインダクタ１８とから構成されている。一方の可変コンデンサ１６は高周波電源１１に接続され、他方の可変コンデンサ１７は一次コイル１３ａに並列に接続されている。インダクタ１８は両可変コンデンサ１６，１７間に接続されている。整合器１２は、可変コンデンサ１６，１７の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。

　インピーダンス測定手段１４は一次側コイル１３の一次コイル１３ａに接続され、その測定結果が電源側コントローラ１５に出力される。電源側コントローラ１５は、インピーダンス測定手段１４の測定結果に基づいて整合器１２を共鳴系の入力インピーダンスと、共鳴系の入力端から高周波電源１１側をみたインピーダンスとの整合を行うように調整する。共鳴系の入力端から高周波電源１１側をみたインピーダンスとは、言い換えると本実施の形態では、電源部（高周波電源１１）から共鳴系の入力端までのインピーダンスである。電源側コントローラ１５は整合器制御手段（整合器制御部）としても機能する。

　二次側コイル３１は、誘導コイルとしての二次コイル３１ａと二次側共鳴コイル３１ｂとで構成されている。二次コイル３１ａと二次側共鳴コイル３１ｂとは同軸上に位置するように配設され、二次側共鳴コイル３１ｂにはコンデンサＣが接続されている。二次コイル３１ａは、二次側共鳴コイル３１ｂに電磁誘導で結合され、共鳴により一次側共鳴コイル１３ｂから二次側共鳴コイル３１ｂに供給された交流電力が電磁誘導で二次コイル３１ａに供給される。二次コイル３１ａは、整流器３２に接続されている。この実施形態では、一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂは同じに形成され、各コンデンサＣとして同じ容量値のコンデンサが使用されている。

　高周波電源１１は、その出力周波数ｆ_ｏが、電波法で使用が許容されている条件を満たす。また、出力周波数ｆ_ｏが、ｆ_１≦ｆ_ｏ≦ｆ_２，ｆ_３≦ｆ_ｏ≦ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦ｆ_２ｎの範囲のいずれかに存在するように設定されている。

　次に前記のように構成された共鳴型非接触充電システムの設計方法を説明する。

　この設計方法は、共鳴系に異なる周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，・・・，ｆ_ｎ（ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜・・・＜ｆ_２ｎ－１＜ｆ_２ｎ）の電力を供給した時における共鳴系の入力インピーダンスをＺ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，・・・，Ｚ_２ｎ－１，Ｚ_２ｎとしたとき、Ｚ_１＝Ｚ_２，Ｚ_３＝Ｚ_４，・・・，Ｚ_２ｎ－１＝Ｚ_２ｎとなる周波数が存在する。そして、このとき共鳴系の共鳴周波数ｆ_ｏ１，ｆ_ｏ２，ｆ_ｏ３，・・・，ｆ_ｏｎは、ｆ_１≦ｆ_ｏ１≦ｆ_２，ｆ_３≦ｆ_ｏ２≦ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏｎ≦ｆ_２ｎの範囲に存在するという本願発明者の知見に基づいていなされている。なお、インピーダンスをＺ_ｉ＝Ｒ_ｉ＋ｊＸｉとすると、Ｚ_１＝Ｚ_２とは、Ｒ_１＝Ｒ_２かつＸ_１＝Ｘ_２である。

　共鳴型非接触充電システムを設計する際には、共鳴系の構成部品となる整合器１２、一次側コイル１３、二次側コイル３１及び負荷（整流器３２、充電器３３及びバッテリ３４）の仕様の概要を決める。次に共鳴系を組み立て、その共鳴系に電波法で使用が許容されている条件を満たす周波数の出力を行う電源部から、異なる周波数で電力を供給し、そのときの共鳴系の入力インピーダンスを測定する。入力インピーダンスの測定には、例えば、電力測定器と位相測定器が使用される。そして、測定結果に基づいて入力インピーダンスが同じになる電源部の周波数の組があるかを調べる。測定した周波数範囲内に入力インピーダンスが同じとなる２つの周波数（例えば、ｆ_１，ｆ_２）の組が存在すれば、共鳴系の共鳴周波数はｆ_１，ｆ_２の間に存在することになる。測定した周波数範囲内に入力インピーダンスが同じとなる周波数の組が存在しなければ、電源部の出力周波数の間隔を狭めたり、測定する周波数範囲を広げたりして再測定する。次に電源部の出力を周波数ｆ_１～ｆ_２の範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定する。測定結果から電力伝送効率が最大となる周波数が共鳴系の共鳴周波数となる。その結果に基づいて使用する電源部の出力周波数と共鳴系の共鳴周波数とが同じ値になるように共鳴系が設計される。なお、測定した周波数範囲内に入力インピーダンスが同じとなる周波数の組が複数組存在する場合もある。そのような場合には、例えば、最も低い周波数の組の周波数範囲内の電力伝送効率が最大となる周波数を特定し、その結果に基づいて共鳴系の設計を行う。

　この実施形態では、共鳴型非接触充電システムの設計、製造時に、先ず電源部（高周波電源１１）を設定し、その電源部から出力される出力周波数に共鳴系の共鳴周波数が合うように、共鳴系の構成部品の仕様を設定する。そのため、電源部として出力周波数を広い範囲で出力可能な構成や、出力周波数の増減量の微調整機能を備えていない構成を採用でき、電源部が安価になる。

　出力インピーダンスが５０Ωで固定されている一般の高周波電源を使用して、出力周波数を９．５０ＭＨｚ～１１．００ＭＨｚの範囲で変更して共鳴系の入力インピーダンスを測定した場合の入力インピーダンスの実部と虚部との関係を図３に示す。出力周波数は、９．５０ＭＨｚから０．０２５ＭＨｚずつ増加するように変更して行った。なお、図３において、Ｐｓで示す点が出力周波数９．５０ＭＨｚに対応する点で、Ｐｅで示す点が出力周波数１１．００ＭＨｚに対応する点である。

　図３に示すように、共鳴系の入力インピーダンスは高周波電源の出力周波数の増加に対応して単純に変化するのではなく、周波数が９．５０ＭＨｚ～１０．１０ＭＨｚでは周波
数の増加に伴って入力インピーダンスの実部及び虚部とも増加し、その後、周波数１０．１８ＭＨｚまでは周波数の増加に伴って入力インピーダンスの実部は増加し、虚部は減少した。また、周波数のさらなる増加に伴って入力インピーダンスの実部及び虚部とも減少する状態、実部は減少して虚部は増加する状態、実部及び虚部とも増加する状態、実部は増加して虚部は減少する状態、実部及び虚部とも減少する状態、実部は減少して虚部は増加する状態となるように変化した。

　図３において、ｆ_１で示す点の入力インピーダンスＺ_１と、ｆ_２で示す点の入力インピーダンスＺ_２がほぼ等しい。

　ｆ_１＝１０．３２５ＭＨｚ、Ｚ_１＝４６．７＋ｊ４．６９
　ｆ_２＝１０．９２５ＭＨｚ、Ｚ_２＝５１．６＋ｊ４．８５
　実験ではデータを細かく採っていないため、厳密にはＺ_１＝Ｚ_２となっていないが、高周波電源の出力周波数の増加量を０．０２５ＭＨｚより小さな間隔でデータを採れば、図３に示す曲線の交点に対応する周波数のうち小さい方の周波数がｆ_１になり、大きい方の周波数がｆ_２になり、ｆ_１とｆ_２でＺ_１＝Ｚ_２になると考えられる。

　高周波電源の出力周波数を９．５ＭＨｚ～１１．０ＭＨｚの範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定した結果を図４に示す。図４から共鳴系における電力伝送効率が最大（９５．０５％）になる周波数１０．５７５ＭＨｚが共鳴系の共鳴周波数ｆｏになる。この共鳴周波数ｆ_ｏ（１０．５７５ＭＨｚ）は、ｆ_１（１０．３２５ＭＨｚ）とｆ_２（１０．９２５ＭＨｚ）との間の値になり、ｆ_１≦ｆ_ｏ≦ｆ_２の関係を満たす。

　電力伝送効率が最大になる周波数がｆ_１とｆ_２との間以外に存在しないことを確認するため、高周波電源の出力周波数を９．５ＭＨｚ～１１．０ＭＨｚの範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定したが、電力伝送効率が最大になる周波数はｆ_１とｆ_２との間に存在することが確認された。したがって、共鳴周波数ｆ_ｏの値は、高周波電源の出力周波数を周波数ｆ_１～ｆ_２の範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定することにより確認することができる。

　次に前記のように構成された共鳴型非接触充電システムの作用を説明する。

　車両に搭載されたバッテリ３４に充電を行う場合には、車両が給電設備１０の近くの所定位置に停止した状態でバッテリ３４への充電が行われる。電源側コントローラ１５は、充電要求信号を入力すると、高周波電源１１から一次コイル１３ａに共鳴系の共鳴周波数である出力周波数ｆ_ｏで高周波電力を出力させる。なお、充電要求信号は車両側コントローラ３５から出力されるか、給電設備１０に設けられている図示しないスイッチを操作することにより出力される。

　そして、高周波電源１１から一次コイル１３ａに共鳴系の共鳴周波数で高周波電力が出力され、電磁誘導により電力が供給された一次コイル１３ａに磁場が発生する。この磁場が一次側共鳴コイル１３ｂと二次側共鳴コイル３１ｂとによる磁場共鳴により増強される。増強された二次側共鳴コイル３１ｂ付近の磁場から二次コイル３１ａにより電磁誘導を利用して交流電力が取り出され、整流器３２で整流された後、充電器３３によりバッテリ３４に充電される。

　電源側コントローラ１５は、インピーダンス測定手段１４の検出信号を入力し、その検出信号に基づいて共鳴系の入力インピーダンスを確認し、共鳴系の入力インピーダンスと、共鳴系の入力端から高周波電源１１側をみたインピーダンスとの整合を行うように、整合器１２の調整を行う。

　バッテリ３４への充電時には、バッテリ３４の充電状態が変化し、共鳴系の入力インピーダンスが変化する。

　しかし、充電中、電源側コントローラ１５はインピーダンス測定手段１４の検出信号に基づいて、共鳴系の入力インピーダンスを確認し、共鳴系の入力インピーダンスと、共鳴系の入力端から電源部（高周波電源１１）側をみたインピーダンスとの整合を行うように整合器１２を調整する。そのため、バッテリ３４の充電状態が変化しても給電設備１０から受電設備３０へ電力が効率良く供給され、充電が効率良く行われる。

　車両側コントローラ３５は、バッテリ３４が満充電になると、充電器３３による充電を停止するとともに、電源側コントローラ１５に充電終了信号を送信する。また、満充電に達する前であっても、例えば、運転者により充電停止指令が入力されると、充電器３３による充電を停止するとともに、電源側コントローラ１５に充電終了信号を送信する。電源側コントローラ１５は、充電終了信号を受信すると電力伝送（給電）を終了する。

　この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。

　（１）共鳴型非接触充電システムは、高周波電源１１と、高周波電源１１から電力の供給を受ける一次側共鳴コイル１３ｂとを備えた給電設備１０と、一次側共鳴コイル１３ｂからの電力を磁場共鳴して受電する二次側共鳴コイル３１ｂと、二次側共鳴コイル３１ｂが受電した電力が供給される負荷とを備えた受電設備３０とを備えている。給電設備１０には、高周波電源１１から供給を受けた電力を電磁誘導により一次側共鳴コイル１３ｂに供給する誘導コイル（一次コイル１３ａ）が設けられており、少なくとも一次コイル１３ａ、一次側共鳴コイル１３ｂ、二次側共鳴コイル３１ｂ及び負荷により共鳴系が構成される。そして、電源部（高周波電源１１）の出力周波数ｆ_ｏが、周波数ｆ_１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２，周波数ｆ_３≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_４，・・・，周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲のいずれかに設定されている。周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１，ｆ_２ｎ（ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜・・・＜ｆ_２ｎ－１＜ｆ_２ｎ）は、共鳴系に前記周波数の電力を供給した時における共鳴系の入力インピーダンスをＺ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，・・・，Ｚ_２ｎ－１，Ｚ_２ｎとしたとき、Ｚ_１＝Ｚ_２，Ｚ_３＝Ｚ_４，・・・，Ｚ_２ｎ－１＝Ｚ_２ｎとなる周波数である。したがって、設計、製造が容易で、電力伝送効率を高くすることができる。そして、出力周波数ｆ_ｏが、共鳴系の共鳴周波数に設定されていれば、電力の伝送効率が最大になる。

　（２）共鳴型非接触充電システムの設計において、システムを構成する電源部（例えば高周波電源）の出力周波数を共鳴系の共鳴周波数に設定する場合、共鳴系の構成部品の仕様の概要を決める。次に共鳴系を組み立て、その共鳴系に電波法で使用が許容されている条件を満たす周波数の出力を行う電源部から、異なる周波数で電力を供給し、そのときの共鳴系の入力インピーダンスを測定する。測定結果に基づいて入力インピーダンスが同じになる電源部の周波数を調べ、異なる周波数ｆ_１，ｆ_２における入力インピーダンスＺ_１，Ｚ_２が同じになる組み合わせを見出す。そして、その周波数ｆ_１～ｆ_２の範囲で電力伝送効率が最大になる周波数が共鳴系の共鳴周波数となる。したがって、共鳴系の共鳴周波数の設定が容易になる。

　（３）共鳴型非接触充電システムは、給電設備１０に高周波電源１１から供給を受けた電力を電磁誘導により一次側共鳴コイル１３ｂに供給する誘導コイル（一次コイル１３ａ）が設けられ、受電設備３０に磁場共鳴により一次側共鳴コイル１３ｂから二次側共鳴コイル３１ｂに供給された交流電力が電磁誘導で供給される誘導コイル（二次コイル３１ａ）が設けられている。したがって、誘導コイルとして一次コイル１３ａあるいは二次コイル３１ａの一方のみ備えた構成に比べて、整合状態に調整するのが容易となる。

　（４）給電設備１０は、共鳴系の入力インピーダンスと共鳴系の入力端から電源部（高周波電源１１）側をみたインピーダンスとの整合を行う整合器１２と、整合器１２を調整する整合器制御手段とを備えている。したがって、共鳴系の入力インピーダンスが変化しても電力の伝送効率を良好な状態に維持することができる。また、受電設備３０の情報を入手せずに給電設備１０で負荷の変化に対応することができる。

　（第２の実施形態）
　次に、本発明を具体化した第２の実施形態を図５～図７にしたがって説明する。この実施形態では、共鳴系を構成するコイルの数が給電設備１０及び受電設備３０とも一つである点が前記第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

　図５に示すように、一次側共鳴コイル１３ｂは、整合器１２を介して高周波電源１１に接続されている。二次側共鳴コイル３１ｂは、整流器３２に接続されている。即ち、一次側コイル１３は、誘導コイルとしての一次コイル１３ａを備えずに一次側共鳴コイル１３ｂのみで構成され、二次側コイル３１は、誘導コイルとしての二次コイル３１ａを備えずに二次側共鳴コイル３１ｂのみで構成されている。

　この実施形態においては、車両に搭載されたバッテリ３４に充電を行う場合には、高周波電源１１から一次側共鳴コイルに共鳴系の共鳴周波数で高周波電力が出力され、一次側共鳴コイル１３ｂと二次側共鳴コイル３１ｂとによる磁場共鳴により増強される。そして、二次側共鳴コイル３１ｂから出力される交流電力が整流器３２で整流された後、充電器３３によりバッテリ３４に充電される。

　共鳴系を構成するコイルの数が一次側及び二次側とも一つの場合でも、第１の実施形態の場合と同様な方法で共鳴系充電システムを設計できることを確認するため、第１の実施形態における実施例１と同様な実験を行った。但し、高周波電源の出力周波数の範囲が第１の実施形態の場合の実施例１より低い周波数範囲で行った。出力周波数を５０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの範囲で変更して共鳴系の入力インピーダンスを測定した場合の入力インピーダンスの実部と虚部との関係を図６に示す。出力周波数は、５０ｋＨｚから１ｋＨｚずつ増加するように変更して行った。なお、図６において、Ｐｓで示す点が出力周波数５０ｋＨｚに対応する点で、Ｐｅで示す点が出力周波数２００ｋＨｚに対応する点である。

　図６に示すように、共鳴系の入力インピーダンスは高周波電源の出力周波数の増加に対応して単純に変化するのではなく、周波数が５０ｋＨｚ～１１４ｋＨｚでは周波数の増加に伴って入力インピーダンスの実部及び虚部とも増加し、その後、周波数１２１ｋＨｚまでは周波数の増加に伴って入力インピーダンスの実部は増加し、虚部は減少した。また、周波数のさらなる増加に伴って入力インピーダンスの実部及び虚部とも減少する状態、実部は減少して虚部は増加する状態、実部及び虚部とも増加する状態、実部は増加して虚部は減少する状態、実部及び虚部とも減少する状態、実部は減少して虚部は増加する状態となるように変化した。

　図６において、ｆ_１で示す点の入力インピーダンスＺ_１と、ｆ_２で示す点の入力インピーダンスＺ_２がほぼ等しい。

　ｆ_１＝１２３ｋＨｚ、Ｚ_１＝１６８．５７＋ｊ２．４９
　ｆ_２＝１７１ｋＨｚ、Ｚ_２＝１６２．０＋ｊ４．１２
　実験ではデータを細かく採っていないため、厳密にはＺ_１＝Ｚ_２となっていないが、高周波電源の出力周波数の増加量を１ｋＨｚより小さな間隔でデータを採れば、図６に示す曲線の交点に対応する周波数のうち小さい方の周波数がｆ_１になり、大きい方の周波数がｆ_２になり、ｆ_１とｆ_２でＺ_１＝Ｚ_２になると考えられる。

　高周波電源の出力周波数を５０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定した結果を図７に示す。図７から共鳴系における電力伝送効率が最大（９８．８０％）になる周波数１４０ｋＨｚが共鳴系の共鳴周波数ｆ_ｏになる。この共鳴周波数ｆ_ｏ（１４０ｋＨｚ）は、ｆ_１（１２３ｋＨｚ）とｆ_２（１７１ｋＨｚ）との間の値になり、ｆ_１≦ｆ_ｏ≦ｆ_２の関係を満たす。

　電力伝送効率が最大になる周波数がｆ_１とｆ_２との間以外に存在しないことを確認するため、高周波電源の出力周波数を５０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定したが、電力伝送効率が最大になる周波数はｆ_１とｆ_２との間に存在することが確認された。したがって、共鳴周波数ｆ_ｏの値は、高周波電源の出力周波数を周波数ｆ_１～ｆ_２の範囲で変化させて各周波数における電力伝送効率を測定することにより確認することができる。

　この第２の実施形態においては、第１の実施形態の効果（１）、（２）及び（４）と基本的に同様の効果を得ることができる他に次の効果を得ることができる。

　（５）給電設備１０及び受電設備３０とも共鳴系を構成するコイルの数が一つのため、共鳴系の小型化を図ることができ、受電設備３０を車両に搭載する際の搭載スペースの確保が容易になるとともに搭載位置の自由度が大きくなる。

　実施形態は前記両実施形態に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

　○　高周波電源１１の出力周波数ｆ_ｏは共鳴系の共鳴周波数に限らず、共鳴型非接触給電システムとして所望の性能（電力伝送効率）を達成する範囲内で、共鳴周波数から多少ずれた値としてもよい。

　○　共鳴型非接触給電システムが、給電設備１０と受電設備３０との間で非接触給電を行うためには、一次コイル１３ａ、一次側共鳴コイル１３ｂ、二次コイル３１ａ及び二次側共鳴コイル３１ｂの全てが必須ではなく、第２の実施形態のように誘導コイルとしての一次コイル１３ａ及び二次コイル３１ａの両方を省略してもよい。また、誘導コイルとしての一次コイル１３ａ及び二次コイル３１ａのいずれか一方を省略してもよい。しかし、一次コイル１３ａ、一次側共鳴コイル１３ｂ、二次コイル３１ａ及び二次側共鳴コイル３１ｂの全てを備えた構成の方が、整合状態に調整するのが容易である。

　○　電源部は高周波電源に限らず、例えば、商用電源から供給される交流電力の周波数を変換して出力するものであってもよい。

　○　インピーダンス測定手段１４は一次側コイル１３の入力インピーダンスを測定する構成に限らず、整合器１２の入力端のインピーダンスを測定する構成としてもよい。この場合は、整合器１２は共鳴系の一部を構成する。したがって、整合器１２は共鳴系のインピーダンスを調整することができ、整合器１２を調整することにより、共鳴系のインピーダンスの変化が抑制される。

　○　共鳴型非接触充電システムは、インピーダンス測定手段１４を備えていなくてもよい。その場合、共鳴型非接触充電システムの設計、製造時における共鳴系のインピーダンスの測定は、外付けの電力測定器及び位相測定器を用いて計測する。

　○　電源部の出力周波数ｆ_ｏは共鳴系の共鳴周波数ではなくても、周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲にあればよい。電源部の出力周波数ｆ_ｏが周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲にあれば、それ以外の周波数よりも電力伝送効率が高くなる。

　○　充電器３３と整流器３２との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、インピーダンス測定手段１４の測定結果に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを制御してもよい。

　○　共鳴型非接触充電システムの設計、製造時に、共鳴系の構成部品を設定した後、共鳴系の共鳴周波数となる出力周波数を出力可能な電源部を設定するようにしてもよい。しかし、電源部を設定した後、その電源部から出力される出力周波数に共鳴系の共鳴周波数が合うように、共鳴系の構成部品の仕様を変えて共鳴系の周波数を調整した方が、電源部を安価にすることができる。

　○　受電設備３０にも整合器を設けてもよい。例えば、二次コイル３１ａと整流器３２との間に整合器を設け、車両側コントローラ３５がその整合器の調整を行うようにしてもよい。第２の実施形態のように、共鳴系に設けられたコイルが一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂの２つの場合は、給電設備１０及び受電設備３０の両方に整合器を設けることが好ましい。

　○　整合器１２を二次側（受電設備３０側）にだけ設けてもよい。また、整合器１２を一次側（給電設備１０側）及び二次側（受電設備３０側）のいずれにも設けない構成としてもよい。

　○　整流器３２は充電器３３に内蔵されていてもよい。

　○　充電器３３を設けずに、二次側コイル３１から出力される交流電流を整流器３２で整流した後、バッテリ３４に直接充電するようにしてもよい。

　○　整合器１２は、２つの可変コンデンサ１６，１７とインダクタ１８を備えた構成に限らず、例えば、インダクタ１８として可変インダクタを備えた構成や、可変インダクタと２つの非可変コンデンサとからなる構成としてもよい。

　○　整合器として可変でない構成の整合器を採用してもよい。
○　整合器に代えて力率改善回路（ＰＦＣ回路）を設けてもよい。この場合は、インピーダンス測定手段１４に代えて位相差測定手段（位相差測定部）を設ける。

　○　移動体としての車両は運転者を必要とする車両に限らず無人搬送車でもよい。

　○　共鳴型非接触充電システムは、車両に搭載されたバッテリ３４に対して非接触充電を行うシステムに限らない。例えば、船舶や自走式のロボット等の移動体に装備されたバッテリ、あるいは携帯電話機や携帯用パソコン等の携帯用の電子機器に装備されたバッテリに対して非接触充電を行うシステムであってもよい。

　○　共鳴型非接触給電システムは共鳴型非接触充電システムに限らず、ロボット等の移動体に装備された電気機器に対して電力を供給する装置に適用してもよい。

　○　共鳴型非接触給電システムは、動力源としては非接触電力伝送を受けずに通常の電力で駆動されるコンベア等の移送手段（移送部）により定められた作業位置に移動され、かつ定電力で駆動されるモータを負荷として備えた装置に受電設備３０を装備した構成としてもよい。

　○　一次コイル１３ａ及び二次コイル３１ａの径は、一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂの径と同じに形成されている構成に限らず、小さくても大きくてもよい。

　○　第２の実施形態において、一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂは巻き数が複数のコイルに限らず、巻き数数が１巻きのコイルを使用してもよい。

　○　一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂに接続されたコンデンサＣを省略してもよい。しかし、コンデンサＣを接続した構成の方が、コンデンサＣを省略した場合に比べて、共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、コンデンサＣを省略した場合に比べて、一次側共鳴コイル１３ｂ及び二次側共鳴コイル３１ｂの小型化が可能になる。

　以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。

　（１）請求項４に記載の発明において、前記給電設備は、前記共鳴系の入力インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段を備え、前記インピーダンス測定手段の測定結果に基づいて前記共鳴系の入力インピーダンスと、共鳴系の入力端から前記電源部側をみたインピーダンスとの整合を行うように前記整合器を調整する整合器制御手段を備えている。

　（２）前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記受電設備は前記負荷として整流器、充電器及びバッテリを備えている。

　（３）前記技術的思想（１）又は（２）に記載の発明において、前記受電設備は車両に装備されている。

　（４）請求項１～請求項４及び前記技術的思想（１）～（３）のいずれか一項に記載の発明において、前記高周波電源の出力周波数は電波法で使用が許容されている条件を満たす。

Claims

　電源部と、前記電源部から電力の供給を受ける一次側共鳴コイルとを備えた給電設備と、
　前記一次側共鳴コイルからの電力を磁場共鳴して受電する二次側共鳴コイルと、前記二次側共鳴コイルが受電した電力が供給される負荷とを備えた受電設備とを備え、
　少なくとも前記一次側共鳴コイル、前記二次側共鳴コイル及び前記負荷により共鳴系を構成する共鳴型非接触給電システムであって、
　前記電源部の出力周波数ｆ_ｏが、周波数ｆ_１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２，周波数ｆ_３≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_４，・・・，周波数ｆ_２ｎ－１≦ｆ_ｏ≦周波数ｆ_２ｎの範囲のいずれかに設定され、
　前記周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_４，・・・，ｆ_２ｎ－１，ｆ_２ｎ（ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜・・・＜ｆ_２ｎ－１＜ｆ_２ｎ）は、前記共鳴系に前記周波数の電力を供給した時における前記共鳴系の入力インピーダンスをＺ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，・・・，Ｚ_２ｎ－１，Ｚ_２ｎとしたとき、Ｚ_１＝Ｚ_２，Ｚ_３＝Ｚ_４，・・・，Ｚ_２ｎ－１＝Ｚ_２ｎとなる周波数である共鳴型非接触給電システム。
　前記給電設備及び前記受電設備の少なくとも一方には、前記電源部から供給を受けた電力を電磁誘導により前記一次側共鳴コイルに供給する誘導コイルあるいは前記二次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す誘導コイルが設けられ、少なくとも前記誘導コイル、前記一次側共鳴コイル、前記二次側共鳴コイル及び前記負荷により共鳴系が構成されている請求項１に記載の共鳴型非接触給電システム。
　前記誘導コイルは、前記給電設備及び前記受電設備の両方にそれぞれ設けられている請求項２に記載の共鳴型非接触給電システム。
　前記給電設備は、前記共鳴系の入力インピーダンスと前記共鳴系の入力端から前記電源部側をみたインピーダンスとの整合を行う整合器と、前記整合器を調整する整合器制御手段とを備えている請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の共鳴型非接触給電システム。