JP2014150648A - 車両用ワイヤレス給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電界共鳴方式でワイヤレス電力伝送を行うことにより、位置ずれによる伝送効率の低下を抑制した車両用ワイヤレス給電装置を提供する。
【解決手段】車両用ワイヤレス給電装置１００では、外部から受電して所定周波数の電力を出力する送電回路１１１と、送電回路１１１から入力した所定周波数の電力をワイヤレスで送電する送電カプラー１１２とを備える送電部１１０が地面１０に設けられ、送電カプラー１１２からワイヤレスで所定周波数の電力を受電する受電カプラー１２２と、受電カプラー１２２から所定周波数の電力を入力して直流に変換する受電回路１２１とを備える受電部１２０が車両２０に搭載されている。地面に設置された送電カプラー１１２から車両底部に設置された受電カプラー１２２へのワイヤレス給電が、電界共鳴方式を用いて行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両にワイヤレスで給電する車両用ワイヤレス給電装置に関し、特に電界共鳴方式によりワイヤレスで車底側から車両に給電する車両用ワイヤレス給電装置に関するものである。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車などの電動自動車の普及に伴って、これら電動自動車への給電が容易に行える設備を整備することが強く望まれている。電動自動車には大容量の蓄電池が搭載され、これを充電するのに時間がかかることから、例えば駐車中に手間をかけずに充電できるような装置が配備されているのが望ましい。

駐車中に手間をかけずに充電できるようにする手段として、ワイヤレスで電力伝送が可能な電磁誘導や磁界共鳴による方式を用いるものが注目されている。ワイヤレスで電力伝送を行う手段を用いた場合には、車両を所定の場所に駐車させるだけで給電を開始させることができ、給電用のケーブルを車両に接続するなどの手間が不要となる。

ワイヤレスで車両に給電するワイヤレス電力伝送システム等の技術が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送システムでは、車体下部に二次自己共振コイルと二次コイルを有する受電装置が設置され、地面側に一次コイルと一次自己共振コイルを有する送電装置が設置されている。一次コイルは一次自己共振コイルより車両に近い側に配置され、二次コイルも二次自己共振コイルより地面に近い側に配置されている。これにより、電磁共鳴による給電と電磁誘導による給電のいずれかを選択して給電できる構成としている。

特開２０１０−２６８６６５号公報

しかしながら、従来のワイヤレス電力伝送システム等では、電磁共鳴の方式として磁界共鳴方式が用いられているため、送電側の共鳴コイルと受電側の共鳴コイルとの間で位置ずれがあると、伝送効率が大幅に低下してしまうと言った問題があった。特許文献１に記載のワイヤレス電力伝送システムでも、電磁共鳴に磁界共鳴方式を用いていることから、一次自己共振コイルと二次自己共振コイルとの間で位置ずれがあると伝送効率が大幅に低下してしまうといった問題がある。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、電界共鳴方式でワイヤレス電力伝送を行うことにより、位置ずれによる伝送効率の低下を抑制した車両用ワイヤレス給電装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の第１の態様は、外部電源から受電して所定の周波数の電力を出力する送電回路と、前記送電回路から前記所定の周波数の電力を入力してワイヤレスで送電する送電カプラーとを有する送電部と、前記送電カプラーから前記所定の周波数の電力をワイヤレスで受電する受電カプラーと、前記受電カプラーから前記所定の周波数の電力を入力して負荷に給電する受電回路とを有する受電部と、を備え、前記送電カプラーと前記受電カプラーの共振周波数が前記所定の周波数に等しく設定されており、前記送電カプラー及び前記受電カプラーがそれぞれ地面及び車両の底部に設置され、前記車両が停止して前記送電カプラーと前記受電カプラーとが対向するときに前記送電カプラーから前記受電カプラーに電界共鳴によりワイヤレスで電力伝送されることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラー及び前記受電カプラーはそれぞれ、所定の間隔を設けて配置された２つの板状電極と、前記２つの板状電極に直列に接続されたコイルと、を有していることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラー及び前記受電カプラーは、前記共振周波数においてそれぞれに形成される電流経路の両端を結んだ向きが前記車両の進行方向と直交するように設置されていることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラーと前記受電カプラーのいずれか一方は、前記車両の進行方向の寸法が他方より長くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラーは、前記車両の幅方向のずれを目視で低減するために前記地面上に設けられた左右の補助ラインの間の所定の位置に設置されていることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラーは、前記車両を停止させるための車両止めから所定の距離の位置に設置されていることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記受電部は、前記送電カプラーに対する前記受電カプラーの相対的な位置を検知するための位置センサを備え、前記位置センサで検知された前記受電カプラーの相対的な位置が不適切であると判定すると、前記車両の運転者に移動を促す情報を出力することを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電カプラー及び前記受電カプラーは、それぞれ金属製の遮蔽ボックス内に収納されていることを特徴とする。

本発明の車両用ワイヤレス給電装置の他の態様は、前記送電部は、前記送電カプラーより前記車両側に位置する前記地面に設けられた送電側中継カプラーと、前記送電側中継カプラーに対し前記送電カプラーを相対的に移動させる駆動部と、を備え、前記受電部は、前記受電カプラーより前記地面側に位置する前記車両に設けられた受電側中継カプラーと、前記受電側中継カプラーに対し前記受電カプラーを相対的に移動させる別の駆動部と、を備え、前記送電側中継カプラーと前記受電側中継カプラーとの間の距離の変化に対応させて、前記駆動部により前記送電側中継カプラーと前記送電カプラーとの間の距離を調整し、かつ前記別の駆動部により前記受電側中継カプラーと前記受電カプラーとの間の距離を調整することで、前記送電カプラーと前記受電カプラーのインピーダンスを整合させることを特徴とする。

本発明によれば、電界共鳴方式でワイヤレス電力伝送を行うことにより、位置ずれによる伝送効率の低下を抑制した車両用ワイヤレス給電装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置の全体構成を示すブロック図及び送受電カプラーの斜視図である。 第１実施形態の車両用ワイヤレス給電装置のスミスチャート及び伝送効率の周波数特性の一例を示すグラフである。 第１実施形態の車両用ワイヤレス給電装置が備える送受電カプラーの外形寸法の一例を示す斜視図である。 カプラー間の横ずれの影響を、電界共鳴を行う送受電カプラーと磁界共鳴を行う送受電カプラーとで比較したグラフである。 磁界共鳴を行う送受電カプラーの斜視図である。 第１実施形態の車両用ワイヤレス給電装置が備える外形寸法の異なる送受電カプラーにおけるカプラー間の横ずれの影響を示すグラフである。 車両の移動に伴う第１実施形態の送電カプラーと受電カプラーとの相対的な位置関係の一例を示す模式図である。 車両の移動に伴う第１実施形態の送電カプラーと受電カプラーとの相対的な位置関係の別の一例を示す模式図である。 車両止めが設けられていないときの車両の移動に伴う第１実施形態の送電カプラーと受電カプラーとの相対的な位置関係の一例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置が備える送受電カプラーの斜視図である。 第２実施形態の送電カプラーと受電カプラーとの間の位置ずれによる伝送効率への影響を示すグラフである。 車両止めが設けられていないときの停車時の第２実施形態の送電カプラーと受電カプラーとの相対的な位置関係の一例を示す模式図である。 送受電カプラーに近接して金属地板が配置された状態を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置が備える金属遮蔽ボックスに収納された送受電カプラーの斜視図である。 第３実施形態の金属遮蔽ボックスに収納された送受電カプラーに近接して金属地板が配置された状態を示す斜視図である。 送受電カプラー間距離が拡大したときの各カプラーの配置を示す斜視図及びスミスチャートである。 送受電カプラー間距離が縮小したときの各カプラーの配置を示す斜視図及びスミスチャートである。 本発明の第４実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置の構成を示す側面図である。 第４実施形態の車両用ワイヤレス給電装置において、送受電カプラー間距離が拡大したときの各カプラーの配置を示す斜視図及びスミスチャートである。 第４実施形態の車両用ワイヤレス給電装置において、送受電カプラー間距離が縮小したときの各カプラーの配置を示す斜視図及びスミスチャートである。 本発明の第５実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置が備える送受電カプラーの構成を示す斜視図である。

本発明の好ましい実施の形態における車両用ワイヤレス給電装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、第１実施形態の車両用ワイヤレス給電装置１００の全体構成を示すブロック図であり、同図（ｂ）は車両用ワイヤレス給電装置１００が備える送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の斜視図である。

本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置１００は、地面（グランド）１０に設けられる送電部１１０と、車両２０に搭載される受電部１２０とを備えており、送電部１１０から受電部１２０にワイヤレスで給電される構成となっている。送電部１１０は、外部から受電して所定周波数の電力を出力する送電回路１１１と、送電回路１１１から入力した所定周波数の電力をワイヤレスで送電する送電カプラー１１２とを備えている。また受電部１２０は、送電カプラー１１２からワイヤレスで所定周波数の電力を受電する受電カプラー１２２と、受電カプラー１２２から所定周波数の電力を入力して直流に変換する受電回路１２１とを備えている。受電回路１２１で直流に変換された電力は、車両２０に搭載されているバッテリ２１に供給されて蓄電される。

上記のように、送電部１１０から受電部１２０への給電は、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２へのワイヤレス電力伝送によって行われる。また、送電カプラー１１２を地面１０に配設するとともに、受電カプラー１２２を車両２０の車底部に配設することで、車両２０を移動させて送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とを対向させることができ、両者が対向したときにワイヤレス給電が可能となる。

本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置１００では、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２へのワイヤレス給電を、電界共鳴方式を用いて行わせる。電界共鳴を行うように構成された送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の斜視図を、図１（ｂ）に示す。なお図１（ｂ）では、説明容易のために直交座標系を定義している。以降の説明では、同じ直交座標系を用いて説明する。

送電カプラー１１２は、Ｙ方向に所定の間隔を設けて同一のＸＹ平面上に配置された同一寸法の矩形状の２つの平板電極１１３（それぞれ１１３ａ、１１３ｂとする）と、２つの平板電極１１３のそれぞれに直列に接続されたコイル１１４（それぞれ１１４ａ、１１４ｂとする）を有している。同様に、受電カプラー１２２は、Ｙ方向に所定の間隔を設けて同一のＸＹ平面上に配置された同一寸法の矩形状の２つの平板電極１２３（それぞれ１２３ａ、１２３ｂとする）と、２つの平板電極１２３のそれぞれに直列に接続されたコイル１２４（それぞれ１２４ａ、１２４ｂとする）を有している。

送電カプラー１１２は、２つの平板電極１１３と、一端がそれぞれの平板電極１１３に接続された２つのコイル１１４とでＬＣ共振回路を構成しており、コイル１１４の他端（給電点１１５）が送電回路１１１に接続されて給電される。また受電カプラー１２２は、２つの平板電極１２３と、一端がそれぞれの平板電極１２３に接続された２つのコイル１２４とでＬＣ共振回路を構成しており、コイル１２４の他端（給電点１２５）が受電回路１１１に接続されて負荷（バッテリ２１）への給電が行われる。２つの平板電極１１３ａと１１３ｂとの間及び２つの平板電極１２３ａと１２３ｂとの間で、それぞれＹ方向の電界が形成される。

送電カプラー１１２の平板電極１１３と受電カプラー１２２の平板電極１２３とが電界共鳴して効率よく電力伝送できるようにするには、ＬＣ回路の共振周波数である送電カプラー１１２の共振周波数と受電カプラー１２２の共振周波数とを一致させるのが好ましい。また、送電カプラー１１２の２つの平板電極１１３と受電カプラー１２２の２つの平板電極１２３とのＺ方向の距離（カプラー間距離）によっても、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２への電力伝送の効率が変化する。

本実施形態のワイヤレス給電装置１００の特性として、スミスチャート（Ｓ１１特性）及び伝送効率（η２１）の周波数特性の一例を図２に示す。ここでは、共振周波数ｆ０を２７．１２ＭＨｚ、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とのカプラー間距離を２００ｍｍ、及び送電側カプラー１１２の特性インピーダンスを５０Ωとしたときのシミュレーション結果を示している。また、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の各外形寸法を図３に示す値とし、平板電極１１３、１２３を厚さ０．０７ｍｍの銅箔で形成し、コイル１１４、１２４を線径１ｍｍの銅線で形成している。

図２（ａ）に示すスミスチャートより、共振周波数付近で送電カプラー１１２のインピーダンスの実部（抵抗）が略５０Ω（図中矢印で示す）となっており、受電カプラー１２２とインピーダンス整合していることがわかる。また、図２（ｂ）に示す伝送効率の周波数特性より、共振周波数ｆ０＝２７．１２ＭＨｚで伝送効率が略９６％（図中矢印で示す）の最大値となっている。これより、本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置１００は、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２に効率よく給電できることがわかる。

上記シミュレーション結果に示すように、本実施形態のワイヤレス給電装置１００は、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが横方向（Ｘ方向、Ｙ方向）にずれることなく正確に対向しているときは、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２に高い伝送効率で給電することができる。しかし、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが横方向にずれると、伝送効率は低下する。電界共鳴を行う本実施形態の送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間の横ずれの影響を、磁界共鳴を行うカプラー間の横ずれの影響と比較したものを図４に示す。図４は、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２のそれぞれの中心が一致して正確に対向している状態からの横ずれ量（［ｍｍ］）を横軸に示し、伝送効率（［％］）を縦軸に示している。

なお、ここでは共振周波数ｆ０を１３．５６ＭＨｚ、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２のそれぞれの外形寸法を５００ｍｍ×５００ｍｍ、及びカプラー間距離を３００ｍｍとしている。また、比較対象の磁界共鳴を行うカプラーを図５に示す。図５では、磁界共鳴を行うカプラーのそれぞれの共鳴コイル９１、９２の斜視図が示されており、各共鳴コイル９１、９２で囲まれたそれぞれの面積が平板電極１１３、１２３の面積と略等しくなるように、それぞれの径を５２０ｍｍとしている。

図４では、本実施形態のワイヤレス給電装置１００の伝送効率として、平板電極１１３及び１２３で形成される電界の向きと直交するＸ方向に位置ずれしたときの伝送効率（符号Ｓ１で示す。以下同様。）と、電界の向きと平行なＹ方向に位置ずれしたときの伝送効率（Ｓ２）を示している。ここで、電界の向きとは、共振周波数においてカプラー１１２（及び１２２）の２つの平板電極１１３（及び１２３）に形成される電流経路の両端を結んだ向きとする。図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）には共振周波数において送電カプラー１１２、受電カプラー１２２に形成される電流経路を模式的に点線で示す。それぞれのカプラーに形成される電流経路の両端は▽で示した位置であり、両端を結ぶ向き、つまり電界の向きは、矢印←→で示す方向となる。また、磁界共鳴のカプラーでは、Ｘ方向に位置ずれしたときの伝送効率（Ｓ３）とＹ方向に位置ずれしたときの伝送効率（Ｓ４）で差はなく、両者が重なっている。

図４より、電界の向きと平行なＹ方向に位置ずれしたときの伝送効率（Ｓ２）は、ずれ量とともに大きく低下するのに対し、電界の向きと直交するＸ方向に位置ずれしたときの伝送効率（Ｓ１）は低下量が小さいことがわかる。また、磁界共鳴のカプラーの伝送効率は、電界共鳴のＸ方向に位置ずれしたときの伝送効率とＹ方向に位置ずれしたときの伝送効率との中間的な低下量となっている。これより、電界共鳴を行う本実施形態のワイヤレス給電装置１００では、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが電界の向きと直交する方向に位置ずれする場合には、伝送効率の低下を小さくすることができる。すなわち、本実施形態のワイヤレス給電装置１００は、電界の向きと直交する方向の位置ずれに強いことがわかる。

図４では、共振周波数ｆ０＝１３．５６ＭＨｚ、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２のそれぞれの外形寸法を５００ｍｍ×５００ｍｍ、及びカプラー間距離を３００ｍｍとしたときの横ずれ量に対する伝送効率を示したが、共振周波数やカプラーの寸法等が異なるときにも同様の特性が得られる。別の例として、共振周波数ｆ０＝２７．１２ＭＨｚ、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２のそれぞれの外形寸法を２５０ｍｍ×２５０ｍｍ、及びカプラー間距離を２００ｍｍとしたときの横ずれ量に対する伝送効率の変化を図６に示す。同図からも、電界共鳴を行う本実施形態のワイヤレス給電装置１００は、電界の向きと直交する方向（Ｘ方向）の位置ずれに強いことがわかる。

図４、６では、電界の向きと直交する方向の横ずれ量がカプラーの外形寸法程度まで大きくなると、伝送効率が６０％程度まで低下しており、伝送効率の劣化が顕著になっている。電界の向きと直交する方向の横ずれ量がカプラーの外形寸法以上となると、垂直方向（Ｚ方向）に見た送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との重なりがなくなる状態となる。これより、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが、垂直方向に見て一部でも重なりがある場合には、６０％以上の伝送効率が得られることになる。

受電カプラー１２２を搭載した車両２０が、送電カプラー１１２が設置された地面１０上の所定の位置に停車して受電するまでの過程を、図７を用いて以下に説明する。同図は、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の平面図であり、同図（ａ）は車両２０が送電部１１０に向かって移動するときの状態を示し、同図（ｂ）は車両２０が停止したときの状態を示している。図７では、地面１０の車両通行位置に目視用の補助ライン１１が左右に設けられ、車両の停止位置に車止め１２が左右に設けられている。

本実施形態のワイヤレス給電装置１００では、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の電界の向きと直交する方向（Ｘ方向）の位置ずれに強いことから、位置ずれが生じやすい車両２０の進行方向を、電界の向きと直交する方向（Ｘ方向）とするのがよい。そこで、左右両側の補助ライン１１の中心線を対称軸として電界の向きがこれと直交するように送電カプラー１１２を地面１０の所定位置に設置するとともに、車両２０の車底部の幅方向中央に受電カプラー１２２を搭載するのがよい。

車両２０の受電カプラー１２２が送電カプラー１１２から高い伝送効率で受電できるように位置合わせするために、図７（ａ）に示す車両移動時には車両２０が地面１０に設けられた補助ライン１１に沿って目視にて移動する。そして、車両２０が車両止め１２の位置まで来て停車したとき（図７（ｂ））、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが対向する適正位置となるように、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２がそれぞれ地面１０及び車両２０に設置されている。

車両２０が上記の適正位置に停車したか否かを判定できるようにするために、車両２０に位置センサ１３０（図１）を設けるのがよい。位置センサ１３０は、例えば送電カプラー１１２またはその近傍に設けられた基準点（図示せず）にレーザ光等を照射し、その反射光から位置を検知できるように構成することができる。位置センサ１３０で得られた位置情報は、受電回路１２１に通知される。

受電回路１２１は、位置センサ１３０から位置情報を入力すると、車両２０の停車位置が適正か否かを判定する。その結果、停車位置が適正であると判定すると、受電カプラー１２２を介して送電カプラー１１２からの受電を開始する。そして、受電カプラー１２２から入力した電力を直流に変換し、これをバッテリ２１に供給して充電させる。

図７では、車両２０が車両止め１２で停車したときに送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが対向する適正位置となる例を示したが、車両２０が車両止め１２で停車しても送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが対向する適正位置とならない場合も生じる。そのような一例を図８に示す。図８では、車両２０が補助ライン１１に沿って目視にて移動し（図８（ａ））、車両止め１２の位置まで来たときに停車した状態（図８（ｂ））を示している。

図８に示す例では、車両２０の車底部に搭載された受電カプラー１２２の位置が、図７に示した場合よりも車両の前方あるいは後方に移動している。そのため、車両２０が車両止め１２の位置で停車しても、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間で車両２０の進行方向に位置ずれが生じている。

本実施形態のワイヤレス給電装置１００では、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２を、それぞれの電界の向きが車両２０の進行方向（車両前後方向）と直交する方向となるように設置している。図８（ｂ）に示す位置ずれは、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２で発生する電界の向きと直交する方向のずれとなっており、かつ送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間に垂直方向の重なりがあることから、受電回路１２１は伝送効率の低下が小さいと判断して送電カプラー１１２からの受電を開始する。

上記説明のように、本実施形態のワイヤレス給電装置１００では、車両の進行方向と電界の向きとが直交するように送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２が設置されていることから、車両２０の停車位置が進行方向にずれて送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが進行方向にずれた場合でも、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間に重なりがあるときは、高い伝送効率で送電カプラー１１２から受電カプラー１２２に電力伝送することが可能となる。

地面１０に車両止め１２が設けられておらず、停車したときの送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間の位置ずれがさらに大きくなる一例を図９に示す。図９では、送電カプラー１１２の地面１０への配置及び受電カプラー１２２の車両２０への配置は図７に示した例と同じとしており、地面１０に車両止め１２が設けられていない点が図７と異なるとしている。この場合、車両２０は補助ラインに沿って移動し（図９（ａ））、停車位置と思われる位置で停車することになる（図９（ｂ））。しかし、車両止めが設けられていないと、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とが対向するように停車させるのは容易ではなく、図９（ｂ）では送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間に垂直方向の重なりがない位置に停車した例を示している。

図９（ｂ）に例示するように、車両２０が適切でない位置に停車した場合には、受電回路１２１は、車両２０に搭載された位置センサ１３０から入力した位置情報をもとに停車位置が不適切であると判定する。そして、受電カプラー１２２を介した送電カプラー１１２からの受電を開始しない。それとともに、運転者に対して車両２０の移動を要求するメッセージを表示部１４０に出力するように受電回路１２１を構成することができる。

本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置１００によれば、電界共鳴方式の送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２を用い、それぞれの電界の向きが車両の進行方向と直交する方向となるように各カプラーを設置することで、車両停止時に送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間で車両進行方向に位置ずれが生じても、電界共鳴型カプラーの特性により高い伝送効率でワイヤレス電力伝送を行うことが可能となる。

（第２実施形態）
図９に示す一例を用いて説明したように、停車位置に車両止め１２が設置されていないと、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２とを対向させて垂直方向の重なりをできるだけ大きくするように停車させるのが容易でない。このような車両進行方向の位置ずれによる伝送効率の低下を改善することが可能な本発明の第２の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置を、図１０を用いて説明する。図１０は、第２実施形態の車両用ワイヤレス給電装置２００が備える送電カプラー２１２の構成を示す斜視図である。

本実施形態の送電カプラー２１２は、車両の進行方向の寸法を第１実施形態の送電カプラー１１２より拡大している。車両の進行方向は、送電カプラー２１２で形成される電界の向きと直交する方向であり、この方向に送電カプラー２１２の寸法を拡大することで、車両の停車位置がずれて受電カプラー１２２との間で電界の向きと直交する方向に位置ずれが生じても伝送効率の低下を回避することが可能となる。送電カプラー２１２の電界の向きに直交する方向の寸法拡大は、送電カプラー２１２の２枚の平板電極２１３を、電界の向きに直交する方向に延伸することで可能であり、２枚の平板電極２１３の間隔を変更する必要はない。

図１０では、送電カプラー２１２と受電カプラー１２２の寸法の一例を示している。受電カプラー１２２の寸法は、図１（ｂ）に示した第１実施形態のものと同じ２５０ｍｍ×２５０ｍｍとしている。これに対し送電カプラー２１２の寸法は、電界の向きと平行な方向の寸法を受電カプラー１２２と同じ２５０ｍｍとする一方、電界の向きと直交する方向の寸法を７１２．５ｍｍとしている。このとき共振周波数ｆ０＝２７．１２ＭＨｚである。本実施形態の送電カプラー２１２を用いた場合には、電界の向きと直交する方向に４８１．２５ｍｍ以上の位置ずれが生じるまでは、送電カプラー２１２と受電カプラー１２２との間の垂直方向の重なりが形成され、高い伝送効率が得られる。

本実施形態の送電カプラー２１２と受電カプラー１２２との間の位置ずれによる伝送効率への影響を、図１１を用いて説明する。図１１は、横軸を電界の向きと直交するＹ方向の位置ずれ量を示し、縦軸は所定の周波数帯域内における伝送効率のピーク値を示している。ここで、Ｙ方向の位置ずれ量は、送電カプラー２１２の中心と受電カプラー１２２の中心との間のＹ方向のずれ量を表している。

図１１では、Ｙ方向のずれ量が０〜４６２．５ｍｍの間における伝送効率ピーク値を示しているが、少なくとも４６２．５ｍｍまでのＹ方向ずれ量では伝送効率ピーク値がほとんど低下しないことが示されている。従って、送電カプラー２１２と受電カプラー１２２との間の位置ずれ量が４６０ｍｍ程度以下となるように車両を停車させることで、伝送効率をほとんど低下させることなく送電カプラー２１２から受電カプラー１２２へのワイヤレス電力伝送が可能となる。

車両止め１２が設けられていない地面１０に本実施形態の送電カプラー２１２が設置され、送電カプラー２１２から受電可能となるように車両２０を停車させた一例を図１２に示す。図１２は、車両２０が補助ラインに沿って移動し、停車位置と思われる位置で停車した状態を示している。このとき、車両止め１２が設けられていないため、運転者は送電カプラー２１２と受電カプラー１２２のそれぞれの中心がほぼ一致するように停車させるのは困難である。しかし、送電カプラー２１２が進行方向に長く配置されていることから、受電カプラー１２２がこれと重なるように停車させるのは比較的容易である。また、受電カプラー１２２は、その全体が送電カプラー２１２と重なっていない場合でも、その一部が送電カプラー２１２と重なっていれば高い伝送効率で受電することができる。

上記では、車両止めがない場合を例に、本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置２００により、送電カプラー２１２と受電カプラー１２２との間で位置ずれが生じても伝送効率の低下を抑制できることを説明した。車両止めがない場合に限定されず、例えば受電カプラー１２２の搭載位置が車両の前後方向に異なる場合でも、位置ずれによる伝送効率の低下を抑制することができる。本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置２００は、電動フォークリフトなど、車両止めを設置するのが難しい場所で利用される車両に対して、特に好適に用いることができる。

（第３実施形態）
第１実施形態のワイヤレス給電装置１００あるいは第２実施形態のワイヤレス給電装置２００において、送電カプラー１１２（または２１２）あるいは受電カプラー１２２に金属地板が近接すると、カプラー間のワイヤレス電力伝送の特性が劣化するおそれがある。一例として、外形寸法２５０ｍｍ×２５０ｍｍの第１実施形態の送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２のそれぞれと同一平面上に、それぞれのカプラーを取り囲むように金属地板３１、３２が配置された状態の斜視図を図１３（ａ）に示す。ここで、金属地板３１、３２の外形寸法を１０００ｍｍ×１０００ｍｍとし、カプラーが配置される切り抜き部の寸法を４５０ｍｍ（電界の向きと平行な方向）×３５０ｍｍ（電界の向きと直交する方向）とする。

送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間のカプラー間距離は、第１実施形態と同じ２００ｍｍとしており、金属地板３１と３２との間の距離も２００ｍｍとする。第１実施形態のワイヤレス給電装置１００では、送電側カプラー１１２及び受電カプラー１２２の特性インピーダンスはともに５０Ωとなって整合が図られており、共振周波数ｆ０＝２７．１２ＭＨｚで最大９６％程度の伝送効率が得られている。

これに対し、カプラー１１２、１２２と同一平面上にそれぞれ金属地板３１、３１が配置されると、共振周波数ｆ０が変化してインピーダンス不整合損が増大し、カプラー間の伝送効率が低下する。図１３（ａ）に示す例では、共振周波数ｆ０が２６．１ＭＨｚとなり、そのときのインピーダンスが約２６Ω、伝送効率が８１％となって特性が劣化している。

送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２に金属地板が別の状態で近接した斜視図を図１３（ｂ）に示す。同図では、金属地板３３、３４がカプラー１１２、１２２と平行の別の平面上に近接して配置されている。金属地板３３、３４の外形寸法を、一例として１０００ｍｍ×１０００ｍｍとし、カプラー１１２，１２２と金属地板３３、３４との間のそれぞれの離間距離を１００ｍｍとする。この場合も、共振周波数ｆ０が変化してインピーダンス不整合損が増大し、カプラー間の伝送効率が低下する。図１３（ｂ）に示す例では、共振周波数ｆ０が２５．９ＭＨｚとなり、そのときのインピーダンスが約３１Ω、伝送効率が８９％となって特性が劣化している。

そこで、カプラーに金属地板が近接しても特性が劣化しないようにするために、本発明の第３の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置では、カプラー１１２、１２２を所定の金属遮蔽ボックス内に収納する構成としている。本発明の第３の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置を、図１４を用いて説明する。図１４は、第３実施形態の車両用ワイヤレス給電装置において、金属遮蔽ボックス３４１、３４２にそれぞれ収納された送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の斜視図を示している。

金属遮蔽ボックス３４１は、図１４における上面が開口面となっており、その他の面は金属で形成されており、金属遮蔽ボックス３４２は、図１４における底面が開口面となっており、その他の面は金属で形成されている。金属遮蔽ボックス３４１、３４２のそれぞれの高さを１００ｍｍとし、送電カプラー１１２を金属遮蔽ボックス３４１の開口面である上面に配置し、受電カプラー１２２を金属遮蔽ボックス３４２の開口面である底面に配置している。そして、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間のカプラー間距離を、第１実施形態と同じ２００ｍｍにしている。本実施形態のワイヤレス給電装置では、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２がそれぞれ金属遮蔽ボックス３４１、３４２に収納された状態において、共振周波数ｆ０＝２６．９ＭＨｚで特性インピーダンスが約５０Ω、カプラー間の伝送効率が最大値の９６％となるように調整されている。

本実施形態の金属遮蔽ボックス３４１、３４２にそれぞれ収納されたカプラー１１２、１２２に、金属地板が近接して配置されたときの特性への影響を以下に説明する。図１５（ａ）に、金属遮蔽ボックス３４１、３４２にそれぞれ収納されたカプラー１１２、１２２と同一平面上にそれぞれ金属地板３１、３２が配置されたときの斜視図を示し、図１５（ｂ）に、金属遮蔽ボックス３４１、３４２にそれぞれ収納されたカプラー１１２、１２２と離間距離１００ｍｍでそれぞれ金属地板３３、３４が配置されたときの斜視図を示している。図１５（ａ）に示す金属地板３１、３２及び図１５（ｂ）に示す金属地板３３、３４は、カプラー１１２、１２２に対する相対位置がそれぞれ図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示したものと同じにしている。

金属遮蔽ボックス３４１、３４２にそれぞれ収納されたカプラー１１２、１２２と同一平面上にそれぞれ金属地板３１、３２が配置された図１５（ａ）の状態のときは、共振周波数ｆ０＝２７．２ＭＨｚ、そのときのインピーダンスが約４３Ω、伝送効率が９５％となり、周波数変動及びインピーダンス不整合が低減されて高い伝送効率が得られている。 また、金属地板３３、３４が離間距離１００ｍｍで配置された図１５（ｂ）の状態のときは、共振周波数ｆ０＝２７．２ＭＨｚ、そのときのインピーダンスが約５０Ω、伝送効率が９６％となり、図１５（ａ）のときと同様に、周波数変動及びインピーダンス不整合が低減されて高い伝送効率が得られている。

上記説明のように、本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置では、送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２をそれぞれ金属遮蔽ボックス３４１、３４２に収納し、予め調整することにより、各カプラーに金属地板が近接しても、送電カプラー１１２から受電カプラー１２２に高い伝送効率で給電を行うことが可能となっている。よって、本実施形態のワイヤレス給電装置は、送電カプラー１１２を地面１０に設置し、受電カプラー１２２を車両２０に搭載する車両用のワイヤレス給電装置として好適な特性を有している。

（第４実施形態）
第１実施形態のワイヤレス給電装置１００等では、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間のカプラー間距離を一定としていた。しかし、受電カプラー１２２を搭載する車両２０は、車種等によって車底部の地面１０からの高さが異なっている。そのため、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間のカプラー間距離が車種等によって異なってしまう。カプラー間距離が適正値から変化すると、インピーダンスが不整合となって伝送効率が低下すると言った問題が生じる。

送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間のカプラー間距離が適正値の４００ｍｍのときに、共振周波数ｆ０＝１３．５６ＭＨｚでインピーダンスが約５０Ωとなって高い伝送効率が得られるワイヤレス給電装置において、カプラー間距離が変化したことによる特性変化を以下に説明する。図１６は、カプラー間距離が４００ｍｍから６００ｍｍに拡大したときの送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の配置（同図（ａ））及びスミスチャート（同図（ｂ））を示している。また、図１７は、カプラー間距離が４００ｍｍから２００ｍｍに近接したときの送電カプラー１１２及び受電カプラー１２２の配置（同図（ａ））及びスミスチャート（同図（ｂ））を示している。

図１６（ａ）に示すカプラー間距離が４００ｍｍから６００ｍｍに拡大したときは、同図（ｂ）に示すようにインピーダンスが５０Ωより低くなって不整合となり、伝送効率は４５％に低下する。また、図１７（ａ）に示すカプラー間距離が４００ｍｍから２００ｍｍに近接したときは、同図（ｂ）に示すようにインピーダンスが５０Ωより高くなって不整合となり、伝送効率は３３％に低下する。

そこで、本発明の第４の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置では、送電カプラー１１２と受電カプラー１２２との間にさらに中継カプラーを備える構成とし、送電カプラー及び受電カプラーと中継カプラーとの距離を調整することで、インピーダンスを整合させて高い伝送効率が得られるようにしている。本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置４００の構成を、図１８を用いて説明する。図１８は、ワイヤレス給電装置４００の構成を示す側面図である。

本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置４００は、送電部４１０が送電カプラー４１２に加えて送電側中継カプラー４４１を備えており、受電部４２０が受電カプラー４２２に加えて受電側中継カプラー４４２を備えている。送電側中継カプラー４４１及び受電側中継カプラー４４２は、送電カプラー４１２と受電カプラー４２２との間に配置されており、送電側中継カプラー４４１が地面１０の表面に設置され、受電側中継カプラー４４２が車両２０の車底部に搭載されている。送電側中継カプラー４４１及び受電側中継カプラー４４２は、それぞれが有する２つのコイルの給電ポート間をショートさせている。

送電側中継カプラー４４１と受電側中継カプラー４４２との距離は、車両２０の車種等によって変化する。送電側中継カプラー４４１と受電側中継カプラー４４２との距離が適切でないとき、送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間、及び受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間、のそれぞれの距離を調整することで、インピーダンスを整合させて伝送効率を改善させることが可能となっている。

ワイヤレス給電装置４００は、送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離を調整するために、送電カプラー４１２を垂直方向に移動させる駆動部４５１を送電部４１０に備えている。同様に、受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を調整するために、受電カプラー４２２を垂直方向に移動させる駆動部４５２を受電部４２０に備えている。

送電回路４１１は、受電部４２０側に送電を開始する前に、低い電力で受電部４２０側に送電を行う。そして、送電カプラー４１２から受電カプラー４２２への伝送効率が所定値以上になるまで、送電回路４１１が駆動部４５１を制御して送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離を調整し、受電回路４２１が駆動部４５２を制御して受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を調整する。

本実施形態のワイヤレス給電装置４００において、送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離及び受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を調整することで、送電カプラー４１２から受電カプラー４２２への伝送効率が改善される一例を図１９、２０に示す。図１９は、図１６に対応させて送電側中継カプラー４４１と受電側中継カプラー４４２との間の距離が４００ｍｍから６００ｍｍに拡大したときの各カプラーの配置（同図（ａ））及びスミスチャート（同図（ｂ））を示している。また、図２０は、図１７に対応させて送電側中継カプラー４４１と受電側中継カプラー４４２との間の距離が４００ｍｍから２００ｍｍに近接したときの各カプラーの配置（同図（ａ））及びスミスチャート（同図（ｂ））を示している。

図１９（ａ）では、送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離、及び受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を、ともに５００ｍｍに調整している。このとき、図１９（ｂ）に示すようにインピーダンスが５０Ω側に移動して伝送効率が９２％に改善される。また、図２０（ａ）では、送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離、及び受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を、ともに２８０ｍｍに調整している。このとき、図２０（ｂ）に示すようにインピーダンスが５０Ω側に移動して伝送効率が９７％に改善される。このように、本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置４００では、カプラー間距離の変化によってインピーダンスが低くなる場合及び高くなる場合のいずれでも、インピーダンスを整合させて高い伝送効率を得ることができる。

本実施形態の車両用ワイヤレス給電装置４００は、送電カプラー４１２と受電カプラー４２２との間に送電側中継カプラー４４１及び受電側中継カプラー４４２を備え、送電カプラー４１２を移動させて送電カプラー４１２と送電側中継カプラー４４１との間の距離を調整し、同様に受電カプラー４２２を移動させて受電カプラー４２２と受電側中継カプラー４４２との間の距離を調整することが可能な構成となっている。これにより、車種等によって送電側中継カプラー４４１と受電側中継カプラー４４２との間の距離が変化しても、インピーダンスを整合させて高い伝送効率が得られるようにすることが可能である。

（第５実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る車両用ワイヤレス給電装置を、図２１を用いて説明する。図２１は、第５実施形態の車両用ワイヤレス給電装置が備える送電カプラー５１２の構成を示す斜視図である。図２１（ａ）に再掲する第１実施形態の送電カプラー１１２では、２枚の平板電極１１３（１１３ａ、１１３ｂ）の間隔を３４．４ｍｍとし、電界の向きと平行な方向（Ｙ方向）の幅を２５０ｍｍとしていた。これに対し、図２１（ｂ）に示す本実施形態では、２枚の平板電極１１３の間隔を１５８ｍｍとし、電界の向きと平行な方向（Ｙ方向）の幅を３５０ｍｍとしている。

本実施形態の送電カプラー５１２では、２枚の平板電極１１３の間隔を電界の向きと平行な方向に拡大することで、平板電極１１３と垂直（Ｚ方向）の正面方向（対面方向）への電界の広がりを増大させることが可能となる。その結果、カプラー間の結合係数が大きくなってインピーダンスが整合する方向に補償される。これにより、電界の向きと平行な方向に送電カプラー５１２と受電カプラー１２２とが位置ずれした場合でも、カプラー間の電界の結合度が保持されるため、伝送効率の低下を抑制することができる。

上記説明では、送電カプラー５１２について、電界の向きと平行な方向に幅を拡大する実施形態を説明したが、これに限定されず受電カプラーの電界の向きと平行な方向の幅を拡大しても同様の効果が得られる。あるいは、送電カプラーと受電カプラーの両方の幅を拡大してもよい。但し、車両に搭載される受電カプラーの幅を拡大することは、車両の設置スペース上の制約から難しいことがある。

なお、２枚の平板電極の間隔を拡大すると容量Ｃが低下する。そのため、所定の共振周波数が得られるようにコイルを大きくしてインダクタンスＬを大きくする必要がある。その結果、コイルにおける交流抵抗が増大して伝送効率のピーク値が低下することになる。しかしながら、電界の向きと平行な方向のカプラー間の位置ずれに対しロバストなワイヤレス給電装置を提供することができる。

上記各実施形態では、本発明の車両用ワイヤレス給電装置を電気車両（ＥＶ）等に搭載する場合を例に説明したが、これに限らず、例えばフォークリフトやプラグインハイブリッド車に搭載して用いることも可能である。本実施の形態における記述は、本発明に係る車両用ワイヤレス給電装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における車両用ワイヤレス給電装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ 地面
１１ 補助ライン
１２ 車両止め
２０ 自動車
３１、３２、３３、３４ 金属地板
１００、２００、４００ 車両用ワイヤレス給電装置
１１０、２１０、４１０ 送電部
１１１、４１１ 送電回路
１１２、２１２、４１２ 送電カプラー
１１３、１２３、２１３ 平板電極
１１４、１２４ コイル
１１５、１２５ 給電点
１２０、４２０ 受電部
１２１、４２１ 受電回路
１２２、４２２ 受電カプラー
１３０ 位置センサ
１４０ 表示部
３４１、３４２ 金属遮蔽ボックス
４４１ 送電側中継カプラー
４４２ 受電側中継カプラー
４５１、４５２ 駆動部

Claims (9)

1. 外部電源から受電して所定の周波数の電力を出力する送電回路と、前記送電回路から前記所定の周波数の電力を入力してワイヤレスで送電する送電カプラーとを有する送電部と、
   前記送電カプラーから前記所定の周波数の電力をワイヤレスで受電する受電カプラーと、前記受電カプラーから前記所定の周波数の電力を入力して負荷に給電する受電回路とを有する受電部と、を備え、
   前記送電カプラーと前記受電カプラーの共振周波数が前記所定の周波数に等しく設定されており、
   前記送電カプラー及び前記受電カプラーがそれぞれ地面及び車両の底部に設置され、
   前記車両が停止して前記送電カプラーと前記受電カプラーとが対向するときに前記送電カプラーから前記受電カプラーに電界共鳴によりワイヤレスで電力伝送される
   ことを特徴とする車両用ワイヤレス給電装置。
2. 前記送電カプラー及び前記受電カプラーはそれぞれ、所定の間隔を設けて配置された２つの板状電極と、前記２つの板状電極に直列に接続されたコイルと、を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
3. 前記送電カプラー及び前記受電カプラーは、前記共振周波数においてそれぞれに形成される電流経路の両端を結んだ向きが前記車両の進行方向と直交するように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
4. 前記送電カプラーと前記受電カプラーのいずれか一方は、前記車両の進行方向の寸法が他方より長くなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
5. 前記送電カプラーは、前記車両の幅方向のずれを目視で低減するために前記地面上に設けられた左右の補助ラインの間の所定の位置に設置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
6. 前記送電カプラーは、前記車両を停止させるための車両止めから所定の距離の位置に設置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
7. 前記受電部は、
   前記送電カプラーに対する前記受電カプラーの相対的な位置を検知するための位置センサを備え、
   前記位置センサで検知された前記受電カプラーの相対的な位置が不適切であると判定すると、前記車両の運転者に移動を促す情報を出力する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
8. 前記送電カプラー及び前記受電カプラーは、それぞれ金属製の遮蔽ボックス内に収納されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。
9. 前記送電部は、前記送電カプラーより前記車両側に位置する前記地面に設けられた送電側中継カプラーと、前記送電側中継カプラーに対し前記送電カプラーを相対的に移動させる駆動部と、を備え、
   前記受電部は、前記受電カプラーより前記地面側に位置する前記車両に設けられた受電側中継カプラーと、前記受電側中継カプラーに対し前記受電カプラーを相対的に移動させる別の駆動部と、を備え、
   前記送電側中継カプラーと前記受電側中継カプラーとの間の距離の変化に対応させて、前記駆動部により前記送電側中継カプラーと前記送電カプラーとの間の距離を調整し、かつ前記別の駆動部により前記受電側中継カプラーと前記受電カプラーとの間の距離を調整することで、前記送電カプラーと前記受電カプラーのインピーダンスを整合させる
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の車両用ワイヤレス給電装置。

Images