CN112313857A - 行驶中非接触供电系统以及非接触供电装置 - Google Patents

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Abstract

行驶中非接触供电系统使用沿着道路的行驶方向设置的多个初级线圈(112)和装设于车辆(200)的次级线圈(212)，在车辆行驶期间向车辆供电。初级线圈(112)和次级线圈(212)中的一方为单相线圈，另一方为多相线圈。

Description

行驶中非接触供电系统以及非接触供电装置
相关申请的援引
本申请以2018年6月26日申请的申请号2018-120335的日本专利申请以及2019年2月28日申请的申请号2019-035163的日本专利申请为基础主张优先权，并将其公开全部作为参照引入本申请。
技术领域
本发明涉及在车辆的行驶期间非接触地向车辆供电的技术。
背景技术
在JP2015-521456A中，公开了一种在车辆的行驶期间非接触地向车辆供电的技术。根据该现有技术，设置于道路的初级线圈和装设于车辆的次级线圈分别构成为三相线圈。
发明内容
根据现有技术，由于初级线圈和次级线圈这二者是三相线圈，因此行驶期间的功率脉动较小，但是存在装置大型化且成本增大这样的问题。因此，期望能在抑制功率脉动的同时简化装置结构的技术。
根据本发明的一方式，提供一种行驶中非接触供电系统，使用沿着道路的行驶方向设置的多个初级线圈和装设于车辆的次级线圈，在所述车辆行驶期间向所述车辆供电。在该行驶中非接触供电系统中，所述初级线圈和所述次级线圈中的一方为单相线圈，另一方为多相线圈。
根据上述行驶中非接触供电系统，由于初级线圈和次级线圈中的一方为单相线圈，另一方为多相线圈，因此能以简单的结构来进行功率脉动较少的供电。
附图说明
图1是表示行驶中非接触供电系统的整体结构的框图。
图2A是表示初级线圈为三相且次级线圈为单相的线圈结构的说明图。
图2B是表示初级线圈为两相且次级线圈为单相的线圈结构的说明图。
图2C是表示初级线圈为单相且次级线圈为三相的线圈结构的说明图。
图2D是表示初级线圈为单相且次级线圈为两相的线圈结构的说明图。
图3A是表示S-S方式(初级侧串联次级侧串联方式)的谐振电路的说明图。
图3B是表示P-P方式(初级侧并联次级侧并联方式)的谐振电路的说明图。
图3C是表示P-S方式(初级侧并联次级侧串联方式)的谐振电路的说明图。
图3D是表示S-P方式(初级侧串联次级侧并联方式)的谐振电路的说明图。
图3E是表示PS-P方式(初级侧并联串联次级侧并联方式)的谐振电路的说明图。
图3F是表示其他谐振电路的说明图。
图4A是表示针对各线圈结构和谐振方式的组合的线圈效率的说明图。
图4B是表示针对各线圈结构和谐振方式的组合的功率脉动的说明图。
图4C是表示针对各线圈结构和其他的谐振方式的组合的功率脉动的说明图。
图5是表示线圈结构的评价结果的说明图。
图6A是表示初级线圈为多相且次级线圈为单相时的逆变器输出的说明图。
图6B是表示初级线圈为单相且次级线圈为多相时的逆变器输出的说明图。
图7A是表示初级线圈为单相且次级线圈为三相时的功率脉动的说明图。
图7B是表示初级线圈为单相且次级线圈为两相时的功率脉动的说明图。
图8A是表示对于图8B和图8C成为基准的结构的功率脉动的说明图。
图8B是表示次级线圈的两相线圈的错开宽度比初级线圈的相当于电角度90度的长度大的结构的功率脉动的说明图。
图8C是表示次级线圈的磁性体轭部的长度比初级线圈的相当于电角度360度的长度大的结构的功率脉动的说明图。
图9A是表示两相的次级线圈的机械相位与初级线圈/次级线圈的耦合系数的平方的二阶分量的振幅之间的关系的图表。
图9B是表示两相的次级线圈的机械相位与互感之间的关系的图表。
图9C是表示两相的次级线圈的机械相位与功率脉动之间的关系的图表。
图10A是表示对于图10B和图10C成为基准的三相的次级线圈的功率脉动的说明图。
图10B是表示三相的次级线圈的各线圈的错开宽度比初级线圈的相当于电角度120度的长度大的结构的功率脉动的说明图。
图10C是表示三相的次级线圈的磁性体轭部的长度比初级线圈的相当于电角度360度的长度大的结构的功率脉动的说明图。
图11A是表示将三相的次级线圈的线圈边端部配置于磁性体轭部的外侧的结构的说明图。
图11B是表示三相的次级线圈中的中央的线圈的线圈面积比其他线圈的线圈面积小的结构的说明图。
图12A是示出了将三相的次级线圈中的中央的线圈设于比其他线圈距磁性体轭部的距离大的位置的结构的说明图。
图12B是示出了三相的次级线圈的各线圈距磁性体轭部的距离依次变大的结构的说明图。
图13A是示出了三相的次级线圈的各线圈的卷绕方式相同的结构的说明图。
图13B是示出了三相的次级线圈的各线圈的卷绕方式交替反向的结构的说明图。
图14A是示出了五相的次级线圈的各线圈的卷绕方式相同的结构的说明图。
图14B是示出了五相的次级线圈的各线圈的卷绕方式交替反向的结构的说明图。
图15A是示出了三相的次级线圈的z方向上的配置的说明图。
图15B是示出了三相的次级线圈的各线圈的长度较短的结构和配置的说明图。
图16A是示出了紧密地配置初级线圈的磁性体轭部时的功率脉动的说明图。
图16B是示出了在初级线圈的磁性体轭部设有间隙时的功率脉动的说明图。
图17A是示出了送电电路的电路结构和电流路径的例子的说明图。
图17B是示出了能使用图17A的送电电路实现的其他电流路径的说明图。
具体实施方式
如图1所示，行驶中非接触供电系统包括：设置于道路RS的非接触供电装置100；以及在道路RS上行驶的车辆200，并且是能在车辆200行驶期间从非接触供电装置100向车辆200供电的系统。车辆200例如构成为电动汽车、混合动力车。在图1中，x轴方向表示车辆200的行驶方向，y轴方向表示车辆200的宽度方向，z轴方向表示铅锤上方。后述的其他图中的x、y、z轴的方向也表示与图1相同的方向。
非接触供电装置100包括：多个送电线圈部110；向多个送电线圈部110供给交流电压的多个送电电路120；向多个送电电路120供给直流电压的电源电路130；以及受电线圈位置检测部140。
多个送电线圈部110沿着道路RS的行驶方向设置。各个送电线圈部110包括初级线圈。初级线圈也称为“送电线圈”。在后面对送电线圈部110的具体的结构例进行说明。初级线圈不需要构成为送电线圈部110，只要沿着道路RS的行驶方向设置有多个初级线圈即可。
多个送电电路120是将从电源电路130供给的直流电压转换为高频的交流电压并施加于送电线圈部110的初级线圈的逆变器电路。电源电路130是将直流电压向送电电路120供给的电路。例如，电源电路130构成为对外部电源的交流电压进行整流并输出直流电压的AC/DC转换器电路。电源电路130输出的直流电压不必完全是直流电压，也可以包括一定程度的波动(纹波)。
受电线圈位置检测部140对装设于车辆200的受电线圈部210的位置进行检测。受电线圈位置检测部140也可以例如，根据多个送电电路120中的送电电力、送电电流的大小检测受电线圈部210的位置，或者，也可以利用与车辆200的无线通信、对车辆200的位置进行检测的位置传感器来检测受电线圈部210的位置。根据由受电线圈位置检测部140检测出的受电线圈部210的位置，多个送电电路120使用靠近受电线圈部210的一个以上的送电线圈部110来执行送电。
车辆200包括：受电线圈部210、受电电路220、主电池230、电动发电机240、逆变器电路250、DC/DC转换器电路260、辅助设备电池270、辅助设备280、以及控制装置290。
受电线圈部210包括次级线圈，是通过与送电线圈部110的初级线圈之间的电磁感应来产生感应电动势的装置。次级线圈也称为“受电线圈”。受电电路220是将从受电线圈部210输出的交流电压转换成适于主电池230充电的直流电压的电路。例如，受电电路220构成为包括将交流电压转换成直流电压的整流电路以及使上述直流电压升压的DC/DC转换器电路的电路。从受电电路220输出的直流电压能用于主电池230的充电，并且，也能用于辅助设备电池270的充电、电动发电机240的驱动以及辅助设备280的驱动。
主电池230是输出了用于驱动电动发电机240的较高的直流电压的二次电池。电动发电机240作为三相交流电动机动作，产生用于使车辆200行驶的驱动力。电动发电机240在车辆200减速时作为发电机动作，产生三相交流电压。当电动发电机240作为电动机动作时，逆变器电路250将主电池230的直流电压转换成三相交流电压并向电动发电机240供给。当电动发电机240作为发电机动作时，逆变器电路250将电动发电机240输出的三相交流电压转换成直流电压并向主电池230供给。
DC/DC转换器电路260将主电池230的直流电压转换成更低的直流电压并向辅助设备电池270和辅助设备280供给。辅助设备电池270是输出了用于驱动辅助设备280的较低的直流电压的二次电池。辅助设备280是空调装置、电动助力转向装置等的周边装置。
控制装置290控制车辆200内的各部。控制装置290在接受行驶中非接触供电时，控制受电电路220来执行受电。
如图2A所示，送电线圈部110具有初级线圈112和磁性体轭部114。受电线圈部210具有次级线圈212和磁性体轭部214。在本例中，初级线圈112构成为包括U相线圈112u、V相线圈112v、以及W相线圈112w的三相线圈。三个线圈112u、112v、112w是星形接线或者三角接线。次级线圈212构成为单相线圈。各线圈112u、112v、112w、212构成为具有两圈以上的匝数的集中绕组线圈，但是在图2A中简化地描述。表示各线圈的线圈线的圆圈中所标注的黑点“·”和叉号“×”表示电流方向为相反方向。后述其他的图也一样。
磁性体轭部114、214是所谓的背轭，用于提高线圈112、212的周边的磁通密度。送电线圈部110的磁性体轭部114配置于初级线圈112的里侧。“初级线圈112的里侧”是指初级线圈112与次级线圈212之间的间隙的相反侧。同样地，受电线圈部210的磁性体轭部214配置于次级线圈212的里侧。除了磁性体轭部114、214之外，也可以将磁性体铁芯设于初级线圈112和次级线圈212。此外，也可以在磁性体轭部114、214的里侧分别设置非磁性金属制的磁屏蔽板。
图2A描绘了由初级线圈112的三个线圈112u、112v、112w产生的三相的电压波形U、V、W。施加于初级线圈112的交流电压的频率被设定成足够高的频率，使得关于从初级线圈112向次级线圈212的送电，即使在车辆200行驶期间，次级线圈212也可以视为几乎停止。在图2A中，当假设次级线圈212在x方向(向右)以恒定速度移动时，可以用下式计算出次级线圈212的移动频率f212。
f212＝1/{p112/v212}…(1)
此处，p112是初级线圈112的节距[m]，v212是次级线圈212的移动速度[m/s]。
可以认为上述移动频率f212是次级线圈212沿着多个初级线圈112的排列方向行进时的频率。例如，当行驶中非接触供电期间的次级线圈212的移动频率f212为几十Hz～几百Hz的范围时，施加于初级线圈112的交流电压的频率被设定为几十kHz～几百kHz的范围的值。这样，当将施加于初级线圈112的交流电压的频率设定为比次级线圈212的移动频率f212足够大的值时，关于从初级线圈212向次级线圈212的送电，即使在车辆200的行驶期间，次级线圈212也可以视为几乎停止。不过，当车辆200行驶时，由于初级线圈112和次级线圈212的彼此的位置关系发生变化，因此送电电力会产生波动(功率脉动)。在后面说明该功率脉动。
如图2B所示，也可以将初级线圈112设为包括A相线圈112a和B相线圈112b的两相线圈，将次级线圈212设为单相线圈。在图2B中，描绘了由初级线圈112的两个线圈112a、112b产生的两相的电压波形A、B。在图2A和图2B中，初级线圈112不限于两相或三相，也可以为四相以上。换言之，当次级线圈212为单相线圈时，初级线圈112可以构成为两相以上的多相线圈。
如图2C所示，也可以将初级线圈112设为单相线圈，将次级线圈212设为三相线圈。或者，如图2D所示，也可以将初级线圈112设为单相线圈，将次级线圈212设为两相线圈。次级线圈212不限于两相或三相，也可以设为四相以上。换言之，当初级线圈112为单相线圈时，次级线圈212可以构成为两相以上的多相线圈。
从以上的说明可知，优选的是，将初级线圈112和次级线圈212中的一方设为单相线圈，将另一方设为多相线圈。根据该结构，与初级线圈112和次级线圈212这二者均为多相线圈的情况相比，能够以简单的结构进行行驶期间的功率脉动较少的供电。对于这方面在后面进一步说明。
如图3A至图3F所示，送电线圈部110和受电线圈部210分别包括谐振电容器116、216。以下是使用谐振电容器116、216的典型谐振方式。
(1)S-S方式(初级侧串联次级侧串联方式)
如图3A所示，S-S方式是初级线圈112及其谐振电容器116串联连接，次级线圈212及其谐振电容器216也串联连接的谐振方式。
(2)P-P方式(初级侧并联次级侧并联方式)
如图3B所示，P-P方式是初级线圈112及其谐振电容器116并联连接，次级线圈212及其谐振电容器216也并联连接的谐振方式。
(3)P-S方式(初级侧并联次级侧串联方式)
如图3C所示，P-S方式是初级线圈112及其谐振电容器116并联连接，次级线圈212及其谐振电容器216串联连接的谐振方式。
(4)S-P方式(初级侧串联次级侧并联方式)
如图3D所示，S-P方式是初级线圈112及其谐振电容器116串联连接，次级线圈212及其谐振电容器216并联连接的谐振方式。
图3E和图3F示出了其他谐振方式。图3E是设有与初级线圈112并联连接的谐振电容器116p和与初级线圈112串联连接的谐振电容器116s的例子。图3F是进一步将线圈113a、113b串联连接到图3E的谐振电容器116s，并且在两个线圈113a、113b之间的连接点处连接有谐振电容器116p的一端的示例。图3E和图3F的谐振方式在谐振电容器与初级线圈112和次级线圈212中的每一个并联连接这方面与图3B所示的P-P方式相同。虽然在图3E和图3F的示例中谐振电容器216与次级线圈212并联连接，但是次级线圈212一侧可以应用任意的谐振方式。
作为谐振方式，优选使用谐振电容器116并联连接到初级线圈112的谐振方式。次级线圈212也相同。其原因在于，当使用与线圈并联连接的谐振电容器时，谐振电流对初级线圈112和次级线圈212的耦合系数的依赖性变小，因此能减小行驶期间的功率脉动。
可以将图3A至图3F中说明的各种谐振方式与图2A至图2D中说明的各种线圈结合任意组合。虽然在图3A至图3F中，为了便于说明，初级线圈112和次级线圈212分别被绘制为一个线圈，但是如图2A至图2D说明的那样，优选将初级线圈112和次级线圈212的一方设为单相线圈，将另一方设为多相线圈。
如图4A和图4B所示，与次级线圈212的行驶方向位置相对应的供电特性根据线圈结构和谐振方式的组合而不同。此处，作为线圈结构，使用了初级线圈112和次级线圈212均为单相的结构，以及初级线圈112为单相而次级线圈212为两相的结构这两个线圈结构。此外，作为谐振方式，使用了S-S方式和P-P方式这两种谐振方式。此外，对于两种线圈结构以及两种谐振方式的四种组合，在车辆200以恒定速度行驶的条件下，通过仿真评估了供电特性。作为供电特性，评估了图4A所示的线圈效率和图4B所示的功率脉动。
如图4A所示，线圈效率取决于次级线圈212的行驶方向位置。次级线圈212的行驶方向位置是指，次级线圈212相对于沿着车辆200的行驶方向(图2C的x方向)的多个初级线圈112的相对位置。当初级线圈112和次级线圈212均为单相时，在次级线圈212的行驶方向位置中存在线圈效率变为零的位置。线圈效率为零意味着次级线圈212不能接受电力。另一方面，当初级线圈112为单相且次级线圈212为两相时，线圈效率不会变为零，并且线圈效率也稳定在较高的值。尤其是，在P-P方式的情况下，由于与S-S方式相比，线圈效率更高并且更稳定，因此优选。当次级线圈212为三相以上时，图4A的趋势也相同。
如图4B所示，当初级线圈112为单相且次级线圈212为两相时，与初级线圈112和次级线圈212均为单相的情况相比，由于行驶期间的功率脉动也较小而优选。功率脉动是通过将输出功率的最大值除以最小值而得到的值。当初级线圈112和次级线圈212均为单相时，行驶期间的功率脉动较大，因此用于输出相同的平均功率的瞬时功率变大，存在导致设备的大型化、高成本化这样的问题。此外，也存在次级侧的电力不稳定、由于向主电池230的输入电力的波动导致电池劣化的问题。与此相对，当初级线圈112为单相且次级线圈212为两相时，行驶期间的功率脉动足够小，因此可以解决上述问题。尤其是，P-P方式由于与S-S方式相比功率脉动更小而优选。尽管省略了图示，但是P-P方式与S-P方式和P-S方式相比功率脉动更小。当次级线圈212为三相以上时，图4B的趋势也相同。
如图4C所示，即使将图3E、图3F的方式用作谐振方式，也可以充分降低功率脉动。当次级线圈212为三相以上时，该趋势也相同。
图5所示的各种线圈结构#1至#4的特性是通过进行与图4A和图4B所示的仿真相同的仿真而得到的结果。此处，作为线圈结构，对初级线圈112为单相或多相，次级线圈212为单相或多相的四种线圈结构#1～#4进行比较。从线圈效率的观点来看，如图4A说明的那样，与初级线圈112和次级线圈212均为单相的结构#1相比，优选初级线圈112和次级线圈212中的至少一方为多相的结构#2至#4。对于功率脉动，如图4B说明的那样，与初级线圈112和次级线圈212均为单相的结构#1相比，优选初级线圈112和次级线圈212中的至少一方为多相的结构#2至#4。
位置波动鲁棒性是指当初级线圈112和次级线圈212的相互的位置在y方向、z方向上偏离最佳位置时，对线圈效率的影响。位置波动鲁棒性较高意味着，即使初级线圈112和次级线圈212在y方向、z方向上位置偏移，线圈效率也不会波动太大。对于位置波动鲁棒性，与初级线圈112和次级线圈212均为单相的结构#1相比，优选初级线圈112和次级线圈212中的至少一方为多相的结构#2至#4。
基础设施成本(“基础设施·成本”的缩写)是用于非接触供电装置100和车辆200的供电的结构所需的成本。从基础设施成本的观点来看，可以评价为初级线圈112和次级线圈212均为单相的结构#1最好，但是初级线圈112为单相且次级线圈212为多相的结构#3也足够优异。另一方面，与初级线圈112为单相且次级线圈212为多相的结构#3相比，初级线圈112为多相且次级线圈212为单相的结构#2的基础设施成本稍高。此外，初级线圈112和次级线圈212均为多相的结构#4由于基础设施成本最高而并不优选。
考虑到图5所示的四种特性，优选初级线圈112和次级线圈212中的一方是单相而另一方是多相的结构#2和#3，尤其优选初级线圈112是单相且次级线圈212是多相的结构#3。
如与图6A和图6B比较所示，从逆变器效率的观点来看，初级线圈112为单相且次级线圈212为多相的结构与初级线圈112为多相且次级线圈212为单相的结构相比更优选。图6A的线圈结构与图2A相同，其中初级线圈112为三相且次级线圈212为单相。图6B的线圈结构与图2C相同，其中初级线圈112为单相且次级线圈212为三相。在图6A和图6B的下部，绘制了送电电路120的逆变器的输出电压和输出电流的变化。
如图6A所示，当将初级线圈112设为多相时，初级线圈112的各相和次级线圈212的耦合系数存在差异。在图6A的状态下，初级线圈112的U相线圈112u和次级线圈212的耦合系数大于初级线圈112的其他相的线圈112v、112w和次级线圈212的耦合系数。当多个相的耦合系数不同时，多个相的阻抗也不同，因此，即使对多个相施加相同的相电压，多个相中的电流也不同，导致电流不均衡。当产生了电流的不均衡时，发生相位的错开，其结果是，使送电电路120的逆变器的功率因数变差。功率因数变差使逆变器的损耗增加。
另一方面，如图6B所示，通过将初级线圈112设为单相，可以提高送电电路120的逆变器的功率因数，从而能减小逆变器的损耗。此外，当将初级线圈112设为单相时，能通过简化送电线圈部110、送电电路120，具体地减少元件数量并简化绕组形状来实现低成本化。
如与图7A和图7B比较所示，当将初级线圈112设为单相时，从减小行驶期间的功率脉动的观点来看，与将次级线圈212设为三相相比，更优选将次级线圈212设为两相。图7A的线圈结构与图2C相同，其中初级线圈112为单相且次级线圈212为三相。图7B的线圈结构与图2D相同，其中初级线圈112为单相且次级线圈212为两相。在图7A和图7B的下部，绘制了送电电路120的逆变器的输出电力的变化。
如图7A所示，当将次级线圈212设为三相时，成为配置于三个线圈212u、212v、212w的中央的线圈212u和配置于端部的线圈212v、212w这样的线圈配置。其结果是，三相的电气特性(即，阻抗)产生不均衡，并且由于该不均衡而产生功率脉动。当产生了不均衡时，输出电力的频率变为输出电压、输出电流的频率的两倍。另一方面，如图7B所示，当将次级线圈212设为两相时，两相的线圈212a、212b配置于彼此等效的位置，因此不会在两相之间产生电气特性的差异。其结果是，当将次级线圈212设为两相时，与将次级线圈212设为三相的情况相比，存在功率脉动较小的优点。
图8A是作为图8B和图8C的基准的结构，示出了与图7B相同的线圈结构。在图8A中，图示了以下的参数。
·Da：初级线圈112的相当于电角度360度的长度。这与多个初级线圈112的节距相等。
·Db：在车辆200的前后方向上测得的次级线圈212的第一相线圈212a和第二相线圈212b之间的错开宽度。
·L214：在车辆200的前后方向上测得的用于次级线圈212的磁性体轭部214的长度。
在图8A的示例中，Db＝Da/4并且L214＝Da。Da/4是初级线圈112的相当于电角度90度的长度。
图8B示出了次级线圈212的第一相线圈212a和第二相线圈212b之间的错开宽度Db比图8A大，使Db＞Da/4的情况。如图8A所示，当Db＝Da/4时，配置成第一相线圈212a的去路的线圈线和返路的线圈线中的一方存在于受电线圈部210的端部，另一方存在于中央。其结果是，导致由端部侧的线圈线产生的磁通减弱，第一相线圈212a的磁位置等效地移动到受电线圈部210的中央。第二相线圈212b也相同。当将次级线圈212设为两相时，在两相的线圈212a、212b的磁位置没有错开次级线圈212的电角度的一个周期的1/4的情况下，两相的线圈212a、212b的电动势会产生不均衡，由此产生功率脉动。因此，在图8B中，将第一相线圈212a和第二相线圈212b之间的错开宽度Db设定为比初级线圈112的相当于电角度90度的长度Da/4大。通过以这种方式使两相的线圈212a、212b的设置位置错开，能使它们的磁相对位置接近次级线圈212的电角度的一个周期的1/4，从而能减小功率脉动。虽然不管次级线圈212的相数如何，都可以获得上述效果，但是当将次级线圈212设为两相线圈时，效果尤其明显。
图8C示出了用于次级线圈212的磁性体轭部214的长度L214比图8A大，使L214＞Da的情况。如上所述，根据图8A的结构，由于配置成第一相线圈212a的去路的线圈线和返路的线圈线中的一方存在于磁性体轭部214的端部，另一方存在于中央，因此导致两相的线圈212a、212b的电动势产生不均衡，由此产生功率脉动。因此，在图8C中，将磁性体轭部214的长度L214改变成比图8A大，并且设定为比初级线圈112的相当于电角度360度的长度Da大。其结果是，能使两相的线圈212a、212b的磁相对位置接近次级线圈212的电角度的一个周期的1/4，从而能减小功率脉动。虽然不管次级线圈212的相数如何，都可以获得上述效果，但是当将次级线圈212设为两相线圈时，效果尤其明显。
如图9A所示，根据使用两相的次级线圈212时的仿真结果，初级线圈/次级线圈之间的耦合系数k的平方的二阶分量的振幅取决于次级线圈212的机械相位(电角度表示“°”)。“耦合系数k的平方的二阶分量的振幅”是耦合系数k的平方值k2的最大值与最小值之差。关于耦合系数k的平方值k2，例如，在图2D和图7B所示的结构中，当将次级线圈212的A相线圈212a和初级线圈112的耦合系数设为k1a，并且将次级线圈212的B相线圈212b和初级线圈112的耦合系数设为k1b时，k2＝k1a2+k1b2成立。“次级线圈212的机械相位”与上述图8A的错开宽度Db相同，意味着用初级线圈112的电角度表示在车辆的前后方向上测得的第一相线圈212a和第二相线圈212b的错开宽度Db。理想地，不管初级线圈112和次级线圈212的相对位置如何，耦合系数k的平方值k2(＝k1a2+k1b2)是恒定的。但是，实际上，由于耦合系数k的平方值k2根据初级线圈112和次级线圈212的相对位置而略有变化，因此耦合系数k的平方的二阶分量不会为零。此外，通常，耦合系数k的振幅与次级线圈212的受电电压成正比，并且受电电力与受电电压的平方成正比，因此，作为受电电力的二阶分量的功率脉动与耦合系数k的平方的二阶分量的振幅成正比。考虑到上述特性，为了减小功率脉动，优选使耦合系数k的平方的二阶分量的振幅尽可能减小。具体地，优选以使耦合系数k的平方的二阶分量的振幅在0至0.001的范围内的方式构成次级线圈212。此外，在图9A的仿真结果中，优选将次级线圈212的机械相位设定为初级线圈112的相当于电角度107±2度的范围内的值。
此外，根据图9B所示的仿真结果，次级线圈212的第一相线圈和第二相线圈的互感Mab也取决于次级线圈212的机械相位(电角度表示“°”)。由于次级线圈212的互感Mab会导致无效电力，因此优选的是，为了减小功率脉动，使次级线圈212的互感Mab的绝对值尽可能减小。具体地，优选的是，将次级线圈212构成为使次级线圈212的互感Mab控制在0±0.01μH的范围内。此外，在图9B的仿真结果中，优选将次级线圈212的机械相位设定为初级线圈112的相当于电角度115±2度的范围内的值。
此外，根据图9C所示的仿真结果，功率脉动本身取决于次级线圈212的机械相位(电角度表示“°”)。在该仿真结果中，为了减小功率脉动，优选将次级线圈212的机械相位设定为初级线圈112的相当于电角度102±6度的范围内的值，进一步优选设定为相当于102±4度的范围内的值，最优选设定为相当于102±2度的范围内的值。图9C的结果相当于既考虑了图9A中说明的耦合系数k的平方的二阶分量的振幅的影响，又考虑了图9B中说明的互感Mab的影响时的结果。虽然图9A至图9C中说明的次级线圈212的机械相位的优选范围彼此不同，但是可以考虑其他情况来适当选择采用其中哪个范围。另外，图9A至图9C是在初级线圈112和次级线圈212不沿y方向偏离的状态下，即在初级线圈112和次级线圈212的彼此的中心线一致的状态下进行了仿真的结果。
图10A～图10C示出了当使用三相的次级线圈212时与上述图8A～图8C相同的结构。在图10A中，图示了以下的参数。
·Da：初级线圈112的相当于电角度360度的长度。
·Db：在车辆200的前后方向上测得的次级线圈212的各相的线圈212v、212u、212w的错开宽度。
·L214：在车辆200的前后方向上测得的用于次级线圈212的磁性体轭部214的长度。
在图10A的示例中，Db＝Da/3并且L214＝Da。Da/3是初级线圈112的相当于电角度120度的长度。此外，在图10A的下部，描绘了伴随车辆的行驶的送电电力的变化。
图10B示出了使三相的次级线圈212的三个线圈212v、212u、212w的错开宽度Db比图10A大，使Db＞Da/3的情况。如图10A所示，当Db＝Da/3时，配置成V相线圈212v的去路的线圈线和返路的线圈线中的一方存在于受电线圈部212的端部，另一方存在于中央。其结果是，导致由端部侧的线圈线产生的磁通减弱，V相线圈212v的磁位置等效地移动到受电线圈部212的中央。W相线圈212w也同样。当将次级线圈212设为三相时，在三相的线圈212v、212u、212w的磁位置没有错开次级线圈212的电角度的一个周期的1/3的情况下，三相的线圈212v、212u、212w的电动势会产生不均衡，由此产生功率脉动。因此，在图10B中，将各线圈212v、212u、212w的错开宽度Db设定为比初级线圈112的相当于电角度120度的长度Da/3大。通过以这种方式使三相的线圈212v、212u、212w的设置位置错开，能使它们的磁相对位置接近次级线圈212的电角度的一个周期的1/3，从而能减小功率脉动。即使在次级线圈212的相数大于3的情况下，也可以获得上述效果。具体地，当将次级线圈212的相数M设为三以上的整数时，优选将在车辆的前后方向x上测得的M个线圈的相互的错开宽度Db设定为比初级线圈112的相当于电角度(360÷M)度的长度大。另外，次级线圈212的相数M通常是质数。
图10C示出了用于次级线圈212的磁性体轭部214的长度L214比图10A大，使L214＞Da的情况。如上所述，根据图10A的结构，由于配置成对于V相线圈212v和W相线圈212w的每一个，去路的线圈线和返路的线圈线中的一方存在于磁性体轭部214的端部，另一方存在于中央，因此导致各线圈212v、212u、212w的电动势产生不均衡，由此产生功率脉动。因此，在图10C中，将磁性体轭部214的长度L214改变成比图10A大，并且设定为比初级线圈112的相当于电角度360度的长度Da大。其结果是，能使三相的线圈212v、212u、212w的磁相对位置接近次级线圈212的电角度的一个周期的1/3，从而能减小功率脉动。不管次级线圈212的相数如何，都可以获得上述效果。即，当将次级线圈212的相数M设为3以上时，在车辆的前后方向x上测得的M个线圈的相互的错开宽度Db优选设定为比初级线圈112的相当于电角度(360÷M)度的长度大。
也可以如图11A所示，当从垂直于磁性体轭部214的表面的方向观察三相的次级线圈212时，将次级线圈212的线圈边端部Ce配置于磁性体轭部214的外侧。在本例中，W相的线圈212w被划分为主线圈部Mc和线圈边端部Ce。主线圈部Mc是沿着车辆的宽度方向y延伸的线圈部分，线圈边端部Ce是沿着车辆的前后方向x延伸的线圈部分。其他相的线圈212u、212v也相同。当设置成将线圈边端部Ce配置于磁性体轭部214的外侧时，能使线圈边端部Ce的磁通穿过的磁路的磁阻大于主线圈部Mc的磁通穿过的磁路的磁阻。此处，“线圈边端部Ce的磁通”是指根据流过线圈边端部Ce的电流而生成的磁通。“主线圈部Mc的磁通”也同样地是指根据流过主线圈部Mc的电流而生成的磁通。如以上在图10A和图10C的比较中说明的那样，当磁性体轭部214的长度L214较短时，三个线圈212v、212u、212w的互感在相之间变得不均衡，会成为功率脉动的原因。因此，若将线圈边端部Ce配置于磁性体轭部214的外侧，则可以减少互感的不均衡，并且减小功率脉动。即使在次级线圈212的相数超过3的情况下，也可以获得上述效果。
也可以如图11B所示，当从垂直于磁性体轭部214的表面的方向观察次级线圈212时，将存在于三个线圈212v、212u、212w的中央的特定的相的线圈212u的线圈面积Su设定为比其他相的线圈212v、212w的线圈面积Sv、Sw小。此处，“线圈面积”是指被一个线圈包围的区域的面积。在上述的图11A的示例中，同沿着车辆200的宽度方向x的U相线圈212u与V相线圈212v之间的距离以及U相线圈212u与W相线圈212w之间的距离相比，V相线圈212v与W相线圈212w之间的距离更长。因此，V相/W相之间的互感Mvw比其他互感Muv、Mwu小，由于互感的均衡较差，因此成为功率脉动的原因。与此相对，如图11B所示，若使存在于中央的特定的相的线圈212u的线圈面积Su小于其他相的线圈212v、212w的线圈面积Sv、Sw，会使互感Muv，Mwu变小，因此能使三个互感Muv、Mvw和Mwu均衡为基本相等，并且能减小功率脉动。即使在次级线圈212的相数超过3的情况下，也可以获得上述效果。
也可以如图12A所示，将配置于三相的次级线圈212中的中央的U相线圈212u设置于与其他相的线圈212v、212w相比距磁性体轭部214的距离更大的位置。在上述图10A的示例中，三个线圈212v、212u、212w均配置为与磁性体轭部214的表面接触。在这种情况下，同沿着车辆200的宽度方向x的U相线圈212u与V相线圈212v之间的距离以及U相线圈212u与W相线圈212w之间的距离相比，V相线圈212v与W相线圈212w之间的距离更长。因此，V相/W相之间的互感Mvw比其他互感Muv、Mwu小，由于互感的均衡较差，因此成为功率脉动的原因。与此相对，如图12A所示，当将U相线圈212u设置在距磁性体轭部214的距离比其他相的线圈212v、212w大的位置，互感Muv、Mwu会变小，因此，能使三个互感Muv、Mvw、Mwu均衡，从而能减小功率脉动。
也可以如图12B所示，不仅是位于中央的U相线圈212u，还将另一相的线圈(例如，V相线圈212v)也设置于远离磁性体轭部214的位置。在这种情况下，在三个线圈212v、212u、212w中，优选将各线圈配置成线圈越靠近沿着车辆的前后方向x的排列顺序的中央，距磁性体轭部214的距离越大。这样，可以进一步均衡三个互感Muv、Mvw、Mwu，从而能进一步减小功率脉动。
另外，与图12A和图12B相同的结构可以应用于次级线圈212的相数为3以上的情况。即，当将相数M设为3以上时，将存在于沿着车辆的前后方向x排列的M个线圈中的中央的特定相的线圈设置于比其他相的线圈距磁性体轭部214的距离大的位置。此外，进一步优选的是，在M个线圈中，将各线圈配置成线圈越靠近沿着车辆的前后方向x的排列顺序的中央，距磁性体轭部214的距离越大。此外，在这些结构中，当如上述图11A说明的那样将次级线圈212的线圈边端部Ce配置于磁性体轭部214的外侧，能进一步减小功率脉动。
如图13A所示，也可以采用三相的次级线圈212的各线圈212w、212u和212v的卷绕方式相同的结构。图13A的下部示出了流过各线圈的线圈线的电流的方向。在这种情况下，为了使相邻的各相之间的相位差为120度，三个线圈212w、212u、212v的相互的错开宽度Db设定为初级线圈112的相当于电角度120度的值。
也可以如图13B所示，在三相的次级线圈212中，特定的一相的线圈212u的卷绕方式与其他相的线圈212v、212w相反。在这种情况下，为了将相邻的各相之间的相位设为120度，可以将三个线圈212v、212u、212w的相互的错开宽度Db设定为初级线圈112的相当于电角度60度的值。此时，相邻的V相线圈212v与U相线圈212u之间的错开宽度Db相当于电角度60度，但是由于U相线圈212u的卷绕方式为反向，因此U相线圈212u的电流的相位成为-180度，使V相线圈212v和U相线圈212u的相位差成为120度(＝|60-180|)。另外，虽然沿车辆的前后方向x的各个线圈的长度L212可以任意设定，但是当将各个线圈的长度L212维持为与图13A相同时，图13B的次级线圈212的整体的长度L1b比图13A的次级线圈212的整体的长度L1a小。这样，在三相的次级线圈212中，使各相的线圈的卷绕方式按照线圈沿着车辆的前后方向x的排列顺序交替地反向，由此能减小次级线圈212的整体尺寸。
如图14A所示，对于五相的次级线圈212，也可以采用各线圈212a～212e的卷绕方式相同的结构。在这种情况下，为了使相邻的各相之间的相位差为72度，五个线圈212a～212e的相互的错开宽度Db被设定为初级线圈112的相当于电角度72度的值。
也可以如图14B所示，使五相的次级线圈212的各线圈的卷绕方式按照线圈的排列顺序反向。在这种情况下，为了将相邻的各相之间的相位设为72度，可以将三个线圈的相互的错开宽度Db设定为初级线圈112的相当于电角度36度的值。另外，当将各个线圈的沿着车辆的前后方向x的长度L212维持为与图14A相同时，图14B的次级线圈212的整体的长度L2b比图14A的次级线圈212的整体的长度L2a小。这样，在五相的次级线圈212中，也使各相的线圈的卷绕方向按照线圈沿着车辆的前后方向x的排列顺序交替地反向，由此能减小次级线圈212的整体尺寸。
图13B和图14B中说明的线圈的优选卷绕方式可以应用于次级线圈212的相数M为3以上的情况。通常，当次级线圈212的相数M为3以上的整数时，优选将至少一相的线圈的卷绕方向设为与其他相的线圈的卷绕方向不同的方向，尤其优选使卷绕方向交替地反向。此外，优选的是，将在车辆的前后方向x上测得的M个线圈的相互的错开宽度Db设定为比初级线圈112的相当于电角度(360÷M÷2)度的长度大。不过，当使错开宽度Db比初级线圈112的相当于电角度(360÷M)度的长度过大时，次级线圈212的尺寸反而可能会变大。考虑到这一点，优选将在车辆的前后方向x上测得的M个线圈的相互的错开宽度Db设定为初级线圈112的相当于电角度(360÷M÷2)度以上(360÷M÷2+20)度以下的范围内的值。当采用上述任意一种结构时，能减小次级线圈212的整体尺寸。
图15A示出了图13B所示的三相的次级线圈212的三个线圈212v、212u、212w的平面配置以及z方向上的配置。z方向是垂直于磁性体轭部214的表面的方向。另外，在图15A中，为了图示的方便，省略了磁性体轭部214的图示。在本例中，在车辆的前后方向x上测得的各个线圈的长度L212被设定为180度，并且三个线圈212v、212u、212w沿着z方向依次层叠，因此次级线圈212的z方向上的整体高度H1a相对较大。
如图15B所示，通过使各个线圈的在车辆的前后方向x上测得的长度L212比图15A小，可以减小次级线圈212的整体高度H1b。此时，线圈的长度L212优选满足下式(2)。
L212≤180-180÷M×N-Wc…(2)
此处，M是次级线圈212的相数，N是1以上(M-2)以下的整数，Wc是各线圈的绕组宽度。此外，上式(2)的右侧由初级线圈112的电角度表示。
由于当N＝1时，上式(2)的右侧最大，因此考虑到这点，可以将上式(2)改写为下式(3)。
L212≤180-180÷M-Wc…(3)
在三相线圈的情况下，N只能为1，因此上式(2)和(3)是相同的。
当三相的次级线圈212的各线圈的长度L212满足上式(2)或者(3)时，如图15B的下部所示，可以使两个线圈212v、212w以没有彼此交叉的状态在距磁性体轭部214高度相同的位置排列配置，并且能使剩下一个线圈212u在上述线圈上层叠。其结果是，由于可以使次级线圈212的z方向上的整体高度H1b比图15A中的高度H1a小而优选。上式(2)或(3)可以应用于相数M为3以上的情况。此时，优选的是，在满足上式(2)或(3)的基础上，将M个线圈中的两个以上线圈排列配置于距磁性体轭部214高度相同的位置处。
如图16A和图16B比较所示，从减小功率脉动的观点来看，优选在用于初级线圈112的磁性体轭部114设置间隙114g。图16A的线圈结构与图2D相同，其中初级线圈112为单相且次级线圈212为两相。用于初级线圈112的磁性体轭部114无间隙地排列。在图16A中，描绘了仅对中央的初级线圈112通电而没有对两端的初级线圈112通电时产生的主磁通MF和漏磁通LF。当多个磁性体轭部114无间隙地排列时，磁通也会扩散到未通电的初级线圈112的磁性体轭部114，因此漏磁通LF变大，其结果是可能会发生电磁干扰、人体暴露和金属过热等不良情况。假设提高磁性体轭部114的磁阻，那么漏磁通LF减小，但是可能会使效率下降，或者由于磁通密度分布的畸变使功率脉动增加。
另一方面，在图16B中，磁性体轭部114具有间隙114g，该间隙114g设置于初级线圈112的除了线圈线存在的位置以外的位置。具体地，在相当于相邻的初级线圈112的边界的位置处分别设有间隙114g。当设置有在初级线圈112的除了线圈线存在的位置以外的位置处形成的间隙114g时，间隙114g作为磁间隙发挥作用，因此可以减小漏磁通LF。此外，由于主磁通MF不穿过间隙114g，所以主磁通MF不会由于间隙114g降低，供电性能也不会降低。其结果是，由于消除了图16A中说明的不良情况，因此能提高效率并且减小功率脉动。另外，由于只要使间隙114g作为磁间隙发挥作用即可，因此也可以形成为缝隙，或者也可以形成为在缝隙填充有树脂、非磁性金属等非磁性体的结构。
如图17A所示，送电电路120优选构成为具有两个开关的半桥电路。在图17A中，示出了包括三个相邻的送电电路120_1、120_2、120_3、三个初级线圈112_1、112_2、112_3以及三个谐振电容器116_1、116_2、116_3的电路结构的例子。为了方便区分三个电路，在电路元件的符号的末尾标注了追加符号“_1”，“_2”和“_3”。当不需要区分时，使用没有追加符号“_1”、“_2”和“_3”的符号进行说明。
各个送电电路120连接到电源电路130并且从电源电路130接受直流电压。送电电路120具有：高侧开关21；低侧开关22；以及与这两个开关21、22并联连接的电容器23。可以省略电容器23。向开关21、22供给开关信号的开关信号生成电路省略了图示。高侧开关21与低侧开关22之间的连接点NP经由谐振电容器116连接到初级线圈112的一端。多个初级线圈112彼此串联连接。相邻的初级线圈112之间的连接点CP经由谐振电容器116连接到一个送电电路120的高侧开关21与低侧开关22之间的连接点NP。
在图17A中，用虚线表示电流路径CR的一例。该电流路径CR是当第一送电电路120_1的高侧开关21_1和第三送电电路120_3的低侧开关22_3接通而其他开关断开时形成的路径。在这种状态下，两个初级线圈112_1、112_2作为一组初级线圈工作。当电流沿与电流路径CR相反的方向流动时，第一送电电路120_1的低侧开关22_1和第三送电电路120_3的高侧开关21_3接通，其他开关断开。
图17B示出了在与图17A相同的电路结构中形成与图17A不同的电流路径CR1、CR2的例子。第一电流路径CR1是使第一送电电路120_1的低侧开关22_1和第二送电电路120_2的高侧开关21_2接通而形成的路径。第二电流路径CR2是使第二送电电路120_2的高侧开关21_1和第三送电电路120_3的低侧开关22_3接通而形成的路径。在这种状态下，两个初级线圈112_1、112_2分别作为初级线圈工作。在图17A和图17B中，由于初级线圈112和谐振电容器116在电流路径中的连接状态不同，所以谐振条件也不同。因此，根据使用图17A和图17B的哪个电流路径，将谐振电容器116的电容预先设定为适当的值。
根据图17A和图17B的电路结构，可以使用具有高侧开关21和低侧开关22的简单结构的送电电路120来进行送电，因此与使用由全桥电路构成的送电电路的情况相比，可以减少开关元件的数量。
本发明不限于上述的实施方式及其变形例，在不脱离其主旨的范围内可以以各种方式实施。此外，上述各种特征结构只要不互相矛盾，就可以任意组合并采用。

Claims (21)

1.一种行驶中非接触供电系统，
使用沿着道路的行驶方向设置的多个初级线圈(112)和装设于车辆(200)的次级线圈(212)，在所述车辆行驶期间向所述车辆供电，
所述初级线圈和所述次级线圈中的一方为单相线圈，另一方为多相线圈。
2.如权利要求1所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
所述初级线圈为单相线圈，所述次级线圈为多相线圈。
3.如权利要求2所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
所述次级线圈是由第一相线圈和第二相线圈构成的两相线圈。
4.如权利要求3所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述车辆的前后方向上测得的所述第一相线圈和所述第二相线圈的错开宽度(Db)设定得比所述初级线圈的相当于电角度90度的长度即Da/4大。
5.如权利要求3所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述车辆的前后方向上测得的所述第一相线圈和所述第二相线圈的错开宽度(Db)被设定为所述初级线圈的相当于电角度102±6度的范围内的值。
6.如权利要求3所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
所述第一相线圈和所述第二相线圈的互感处于0±0.01μH的范围内。
7.如权利要求3所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
所述初级线圈和所述次级线圈的耦合系数的平方的二阶分量的振幅处于0到0.001的范围内。
8.如权利要求3～7中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述次级线圈设有磁性体轭部(214)，
在所述车辆的前后方向上测得的用于所述次级线圈的所述磁性体轭部的长度(L214)设定得比所述初级线圈的相当于电角度360度的长度(Da)大。
9.如权利要求2所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
当将M设为3以上的整数时，所述次级线圈是由M个线圈构成的M相线圈。
10.如权利要求9所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
将在所述车辆的前后方向上测得的M个所述线圈的相互的错开宽度(Db)设定为比所述初级线圈的相当于电角度360÷M度的长度大。
11.如权利要求9或10所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在沿着所述车辆的前后方向排列的M个所述线圈中的中央存在的特定相的线圈设定为与其他相的线圈相比线圈面积更小。
12.如权利要求9～11中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述次级线圈设有磁性体轭部(214)，
在沿着所述车辆的前后方向排列的M个所述线圈中的中央存在的特定相的线圈设置于距所述磁性体轭部的距离比其他相的线圈距所述磁性体轭部的距离大的位置。
13.如权利要求12所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
M个所述线圈具有：沿着所述车辆的前后方向延伸的线圈边端部(Ce)；以及沿着所述车辆的宽度方向延伸的主线圈部(Mc)，
当从垂直于所述磁性体轭部的表面的方向观察M个所述线圈时，所述线圈边端部配置于所述磁性体轭部的外侧。
14.如权利要求9～13中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
M个所述线圈中的至少一相的线圈的卷绕方向与其他相的线圈的卷绕方向不同。
15.如权利要求14所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
M个所述线圈的卷绕方向按照M个所述线圈沿着所述车辆的前后方向的排列顺序交替为反向。
16.如权利要求14或15所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
将在所述车辆的前后方向上测得的M个所述线圈的相互的错开宽度(Db)设定为所述初级线圈的相当于电角度360÷M÷2度以上、电角度360÷M÷2+20度以下的范围内的值。
17.如权利要求9～16中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
当将Wc设为各线圈的绕组宽度时，在所述车辆的前后方向上测得的各线圈的长度被设定为所述初级线圈的相当于电角度180-180÷M-Wc度的值以下。
18.如权利要求1～17中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述初级线圈设有磁性体轭部(114)，
用于所述初级线圈的所述磁性体轭部具有间隙，该间隙设于所述初级线圈的除了线圈线存在的位置以外的位置。
19.如权利要求1～18中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，
在所述初级线圈并联连接有第一谐振电容器(116)，
在所述次级线圈并联连接有第二谐振电容器(216)。
20.如权利要求1～19中任一项所述的行驶中非接触供电系统，其特征在于，还包括：
电源电路(130)，该电源电路供给直流电压；以及
多个送电电路(120)，该多个送电电路分别具有连接到所述电源电路的高侧开关(21)和低侧开关(22)，并向多个所述初级线圈供给交流电压，
多个所述初级线圈彼此串联连接，
相邻的所述初级线圈之间的连接点经由谐振电容器(116)连接到多个所述送电电路中的一个送电电路的所述高侧开关与所述低侧开关之间的连接点。
21.一种非接触供电装置(100)，用于权利要求1～20中任一项所述的行驶中非接触供电系统，该非接触供电装置包括：
多个所述初级线圈(112)；
电源电路(130)，该电源电路供给直流电压；以及
多个送电电路(120)，该多个送电电路将所述电源电路的直流电压转换为交流电压并向多个所述初级线圈供给。
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