JP2014195350A - 電動車両給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両が走行していても地面側の送電装置から電動車両に無線で共振により電力を伝送でき、しかも送電装置が大規模にならない電動車両給電システムを提供する。
【解決手段】この電動車両給電システム１の送電装置２は、環状に形成されており地面表面に沿って直線状に延伸する直線延伸部分２１ａ、２１ａ’を有する送電線路２１と、送電線路２１と直列に設けられた送電側コンデンサ２２と、送電線路２１に電力を送出する交流電源２３と、を備えて送電線路２１と送電側コンデンサ２２が送電側共振器２０を構成しており、電動車両３は、主コイル３１と、主コイル３１と直列に設けられた受電側コンデンサ３２と、主コイル３１に結合する副コイル３２と、を備えて主コイル３１と受電側コンデンサ３２が受電側共振器３０を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、地面側から電動車両に無線で電力を伝送する電動車両給電システムに関する。

近年、蓄電池に蓄えられた電力を用いて車輪をモータにより駆動する電気自動車が普及しつつある。この電気自動車は、一般には、蓄電池に蓄えられた電力が少なくなると、所定の駐車スペースに駐車して、充電用ケーブルを充電設備に接続して充電する。

これに対して、充電用ケーブルを用いないで、地面側から無線で電気自動車に電力を伝送しその蓄電池を充電する種々の提案がなされている。無線の電力伝送には、結合共振器方式、電磁誘導方式、放射電磁波方式などがある。例えば、特許文献１には、電動車両（電気自動車を含む。）側と地面側に共振コイルを設け、それらを共振させることで電力を伝送する結合共振器方式の電動車両給電システムが記載されている。電動車両側の共振コイルは、車体下部又は車輪に設けられている。また、地面側の共振コイルは中心軸を鉛直方向にして巻かれている。

特許文献２には、電気自動車の車輪の中に複数の発電コイルをそれらの中心軸が車輪中心に向くように周回させて設け、地面側には道路の伸びる方向に互いに離間して複数の起磁部材を配置し、起磁部材から発電コイルに電磁誘導により電力を伝送する方式の電動車両給電システムが記載されている。この電動車両給電システムでは、電気自動車が走行していても起磁部材から発電コイルに電力を伝送することができる、としている。

特表２００９−１０６１３６号公報 特開２０１１−１３５７７２号公報

特許文献１のような結合共振器方式の電動車両給電システムは、高い電力伝送効率を得ることができる。また、駐車スペースと充電時間を考慮すると、特許文献２のように電動車両が走行していても電力を伝送できるのが望ましい。しかし、特許文献１の電動車両給電システムを走行する電動車両に用いるには、地面側の共振コイルを複数設けることになると考えられるが、その場合の地面側の送電装置は大規模なものとなる。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、電動車両が停止していても、或いは走行していても、地面側の送電装置から電動車両に無線で共振により電力を伝送でき、しかも送電装置が大規模にならない電動車両給電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の電動車両給電システムは、地面側の送電装置から電動車両に無線で電力を伝送し得る電動車両給電システムであって、前記送電装置は、環状に形成されており地面表面に沿って直線状に延伸する直線延伸部分を少なくとも１つ有する送電線路と、該送電線路と直列に設けられた送電側コンデンサと、前記送電線路に電力を送出する交流電源と、を備えて前記送電線路と前記送電側コンデンサが送電側共振器を構成しており、前記電動車両は、主コイルと、該主コイルに結合する副コイルと、を備えて前記主コイルが受電側共振器を構成していることを特徴とする。

請求項２に記載の電動車両給電システムは、請求項１に記載の電動車両給電システムにおいて、前記主コイルは、前記電動車両の車輪の内部に収容されておりその回転軸のまわりを周回して巻かれていることを特徴とする。

請求項３に記載の電動車両給電システムは、請求項１又は２に記載の電動車両給電システムにおいて、前記主コイルと直列に受電側コンデンサが設けられており、前記主コイルと該受電側コンデンサが前記受電側共振器を構成していることを特徴とする。

請求項４に記載の電動車両給電システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動車両給電システムにおいて、前記送電装置の送電線路は、前記直線延伸部分を２つ有していることを特徴とする。

本発明に係る電動車両給電システムによれば、電動車両が停止していても、或いは走行していても、送電装置から電動車両に共振により電力を伝送でき、しかも送電装置が大規模にならないようにすることができる。

本発明の実施形態に係る電動車両給電システムの模式的な正面図である。 同上の電動車両給電システムの等価回路図である。 同上の電動車両給電システムの送電装置の模式的な平面図である。 同上の電動車両給電システムの１つの実験構成を示す写真である。 同上の電動車両給電システムのもう１つの実験構成を示す写真である。 同上の電動車両給電システムの実験結果を示す特性図である。 同上の電動車両給電システムの実験方法を説明するための模式平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る電動車両給電システム１は、図１及び図２に示すように、地面側の送電装置２から電動車両３に無線で電力を伝送し得る電動車両給電システムである。なお、図１においては、後述する受電側コンデンサ３２、３２’の図示は省略している。

送電装置２は、送電線路２１と送電側コンデンサ２２と交流電源２３とを備えている。送電線路２１は、図３に示すように、環状に形成されており、地面表面に沿って直線状に延伸する２つの直線延伸部分２１ａ、２１ａ’を有している。送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’は、例えば、断面長方形の板状（図１参照。）、又は断面円形のケーブル状などとすることができる。この送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’は、長く延伸することによってインダクタンス成分を有することになる。直線延伸部分２１ａ、２１ａ’は、電流が流れると、その延伸方向に対して周回する磁場を生成する。

また、送電側コンデンサ２２は、送電線路２１と直列に設けられている。また、交流電源２３は、送電線路２１に電力を送出するものである。そして、送電線路２１と送電側コンデンサ２２が送電側共振器２０を構成することになる。

また、道路では、図３に示すように、送電装置２を複数設け、隣接する送電装置２、２は、送電線路２１、２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ同士が一直線を成すように、また、直線延伸部分２１ａ’、２１ａ’同士が一直線を成すように、配置することができる。送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’の長さは、例えば、１０ｍ〜２０ｍとすることができる。

電動車両３の１個の車輪３ａの内部には、車輪３ａの回転軸のまわりを周回して巻かれた主コイル３１が収容されている。また、受電側コンデンサ３２が主コイル３１と直列に設けられている。また、主コイル３１に結合する副コイル３３が設けられている。こうして、主コイル３１と受電側コンデンサ３２が受電側共振器３０を構成している。

また、電動車両３のもう１個の車輪３ａ’（上記車輪３ａの左右の片方）の内部には、車輪３ａ’の回転軸のまわりを周回して巻かれた主コイル３１’が収容されている。また、受電側コンデンサ３２’が主コイル３１’と直列に設けられている。また、主コイル３１’に結合する副コイル３３’が設けられている。こうして、主コイル３１’と受電側コンデンサ３２’が受電側共振器３０’を構成している。

車輪３ａ、３ａ’の中の主コイル３１、３１’は、電動車両３の左右の車輪３ａ、３ａ’が送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’の直上あたりにあるとき（図１参照。）、直線延伸部分２１ａ、２１ａ’からの磁場をコイル３１、３１’のほぼ軸方向に受ける。また、車輪３ａ、３ａ’の中に主コイル３１、３１’を設けているのは、送電線路２１の単位長さあたりのインダクタンス成分は比較的小さくなり易いので、電動車両３の主コイル３１、３１’を送電線路２１の近くに有るようにして送電線２１から受ける磁界をできるだけ大きくするためである。なお、車輪３ａ、３ａ’の近傍であって車輪３ａ、３ａ’でない部分に主コイル３１、３１’を設けることも、場合によっては可能である。

また、受電側コンデンサ３２、３２’は、主コイル３１、３１’が有する寄生容量で代用して、特に設けないことが可能な場合も有る。その場合、主コイル３１、３１’のそれぞれの両端は開放状態とすることができる。

送電側共振器２０は、交流電源２３により励振される。電動車両３の左右の車輪３ａ、３ａ’が送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’の直上あたりにあるとき、受電側共振器３０と送電側共振器２０は共振し、また、受電側共振器３０’と送電側共振器２０は共振する。それにより、送電装置２から電動車両３の受電側共振器３０、３０’に電力が伝送される。伝送された受電側共振器３０、３０’の電力は、電磁誘導により副コイル３３、３３’に送られ、そして、蓄電池が含まれる負荷３４に送られる。

このような電動車両給電システム１では、送電装置２の送電線路２１の直線延伸部分２１ａ、２１ａ’の直上あたりに左右の車輪３ａ、３ａ’が有るようにすると、電動車両３が停止していても、或いは走行していても、送電装置２から電動車両３に共振により電力を伝送できる。また、送電装置２の送電側共振器２０のインダクタンス成分は送電線路２１で形成しているので、送電装置２は大規模な設備とはならない。なお、この電動車両給電システム１を駐車スペースで使用する場合は、環状の送電線路２１を駐車スペースにおさめることも可能である。

また、送電装置２の送電線路２１は、直線延伸部分２１ａのみとし、直線延伸部分２１ａ’を設けないことも可能である。また、片方の車輪３ａ’の主コイル３１’、受電側コンデンサ３２’、副コイル３３’を省略することも可能である。これらの場合、車輪３ａの主コイル３１、受電側コンデンサ３２、副コイル３３のみを用いて電力の電送が行われることになる。また、主コイル３１’、受電側コンデンサ３２’、副コイル３３’が設けられる車輪３ａ’を、車輪３ａと同じ側の前後の残りの車輪とすることも可能である。また、電動車両３の車輪全部を同様の構成にして、伝送される電力を増大させることも可能である。

次に、電動車両給電システム１の実験について述べる。図４及び図５に示すように、送電装置２の送電線路２１としての線径1ｍｍのワイヤを、長方形の約２０ｃｍの長辺と約８ｃｍの短辺を成すように敷設した。この２個の長辺が直線延伸部分２１ａ、２１ａ’となっている。車輪３ａ、３ａ’の主コイル３１、３１’は、線径1ｍｍのワイヤを直径約３ｃｍの円形に約２６回巻いて長さ（軸方向の長さ）Ｌを約２ｃｍとした。副コイル３３、３３’は、線径1ｍｍのワイヤを絶縁層を介して主コイル３１、３１’の周りに約１回巻いた。受電側コンデンサ３２、３２’は寄生容量で代用した。図４は、車輪３ａ、３ａ’が左右に有るようにした場合の実験構成を示す。図５は、車輪３ａ、３ａ’が送電線路２１の直線延伸部分２１ａ’の前後に有るようにした場合の実験構成を示す。

図６に、実験結果の通過特性Ｓ_２１を示す。曲線ａは車輪３ａ、３ａ’が左右に有るようにした場合、曲線ｂは車輪３ａのみしかない場合、曲線ｃは車輪３ａ、３ａ’が前後に有るようにした場合の最大の通過特性Ｓ_２１の値を示している。図６の横軸は、図７に示すように、送電線路２１の直線延伸部分２１ａ（及び２１ａ’）の位置を主コイル３１、３１’の軸方向の中央位置からずらして行ったときのずれの大きさｄ（単位は、主コイル３１、３１’の軸方向の長さＬ）である。なお、ずれの大きさｄが０．５×Ｌよりも小さいと、送電線路２１の直上には主コイル３１、３１’が存在し、ずれの大きさｄが０．５×Ｌよりも大きいと、送電線路２１の直上から主コイル３１、３１’ははずれることになる。

曲線ａによると、通過特性Ｓ_２１の値は約−３ｄＢになることができるので、送電装置２の送電線路２１から主コイル３１、３１’に電力が実用的に伝送可能であることが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

１ 電動車両給電システム
２ 送電装置
２１ 送電装置２を構成する送電線路
２１ａ、２１ａ’ 送電線路２１の直線延伸部分
２２ 送電装置２を構成する送電側コンデンサ
２３ 送電装置２を構成する交流電源
３ 電動車両
３ａ、３ａ’ 電動車両３の車輪
３１、３１’ 電動車両３を構成する主コイル
３２、３２’ 電動車両３を構成する受電側コンデンサ
３３、３３’ 電動車両３を構成する副コイル

Claims (4)

1. 地面側の送電装置から電動車両に無線で電力を伝送し得る電動車両給電システムであって、
   前記送電装置は、環状に形成されており地面表面に沿って直線状に延伸する直線延伸部分を少なくとも１つ有する送電線路と、該送電線路と直列に設けられた送電側コンデンサと、前記送電線路に電力を送出する交流電源と、を備えて前記送電線路と前記送電側コンデンサが送電側共振器を構成しており、
   前記電動車両は、主コイルと、該主コイルに結合する副コイルと、を備えて前記主コイルが受電側共振器を構成していることを特徴とする電動車両給電システム。
2. 請求項１に記載の電動車両給電システムにおいて、
   前記主コイルは、前記電動車両の車輪の内部に収容されておりその回転軸のまわりを周回して巻かれていることを特徴とする電動車両給電システム。
3. 請求項１又は２に記載の電動車両給電システムにおいて、
   前記主コイルと直列に受電側コンデンサが設けられており、前記主コイルと該受電側コンデンサが前記受電側共振器を構成していることを特徴とする電動車両給電システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動車両給電システムにおいて、
   前記送電装置の送電線路は、前記直線延伸部分を２つ有していることを特徴とする電動車両給電システム。