JP2016039718A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑制した非接触給電装置を提供する。【解決手段】受電コイル３０に対して、少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、交流電源に接続された送電コイル１０と、送電コイル１０と絶縁された状態で、送電コイル１０のコイル面に沿うように配置された複数の中継コイルとを備え、送電コイル１０は、中継コイルを介して受電コイル３０に電力を送り、送電コイル１０と複数の中継コイルとの間のそれぞれの相互インダクタンスが一定である。【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触給電装置に関するものである。

従来より、電力を伝送する無接点電力伝送装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。この無接点電力伝送装置は、交流電力を供給するための電力伝送回路と、電力伝送回路から交流電力が供給される複数の送電コイルと、複数の送電コイルから電磁誘導を用いて非接触で電力伝送される受電コイルとを備える。また、複数の送電コイルのそれぞれに対して、交流電力を供給するか否かを切り替えるスイッチ手段と、送電コイルの近傍に受電コイルの有無を検出する位置検出手段とを備える。そして、位置検出手段が送電コイルの近傍に受電コイルがあることを検出した場合に、スイッチ手段は、位置検出手段の検出信号に基づいて、受電コイルが近接している送電コイルのみから電力が送電されるように、切り替えている。

特開２０１１−１３０５６９号公報

しかしながら、上記従来の無接点電力伝送装置は、スイッチ手段及び位置検出手段を、複数の送電コイルにそれぞれ設ける必要があるため、スイッチの数及びセンサの数が多くなり、コストが増加するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、コストを抑制した非接触給電装置を提供することである。

本発明は、送電コイルと複数の中継コイルとの間のそれぞれ相互インダクタンスを一定にし、かつ、送電コイルと絶縁された状態で、当該送電コイルのコイル面に沿うように複数の中継コイルを配置する。そして、中継コイルを介して、送電コイルから受電コイルに非接触で電力を供給することによって上記課題を解決する。

本発明は、受電コイルの位置に応じて、給電に必要な磁束を発生させる中継コイルを切り替えることができ、送電側のコイルを切り替えるスイッチ等を設けなくてもよいため、コストを抑制することができる。

図１は本実施形態に係る非接触給電システムの概要図である。 図２は送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの斜視図である。 図３は、送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの正面図、側面図、及び斜視図である。 図４は、送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの設計条件を示す表である。 図５は本実施形態に係る非接触給電システムの等価回路図である。 図６（ａ）は中継コイル及び受電コイルの側面図を示し、図６（ｂ）はコイル位置に対する結合係数の特性を示すグラフである。 図７（ａ）は中継コイル及び受電コイルの側面図を示し、図７（ｂ）はコイル位置に対する結合係数の特性を示すグラフである。 図８（ａ）は中継コイル及び受電コイルの側面図を示し、図８（ｂ）はコイル位置に対する結合係数の特性を示すグラフである。 図９（ａ）は中継コイル及び受電コイルの側面図を示し、図９（ｂ）はコイル位置に対する結合係数の特性を示すグラフである。 図１０（ａ）は、受電コイルの位置ずれが０ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。図１０（ｂ）は、受電コイルの位置ずれが５０ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。図１０（ｃ）は、受電コイルの位置ずれが７５ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。 図１１は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図１２は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図１３は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図１４（ａ）は、受電コイルの位置ずれが０ｍｍである場合の駆動周波数に対する電流ゲインの特性を示すグラフである。図１４（ｂ）は、受電コイルの位置ずれが５０ｍｍである場合の駆動周波数に対する電流ゲインの特性を示すグラフである。図１４（ｃ）は、受電コイルの位置ずれが７５ｍｍである場合の駆動周波数に対する電流ゲインの特性を示すグラフである。 図１５は、各コイルに流れる電流を示すグラフである。 図１６は、本実施形態に係る非接触給電システムを走行中の車両に適用した場合に、走行中の車両の概要図である。 図１７は、本実施形態に係る非接触給電システムを駐車中の車両に適用した場合に、駐車中の車両の概要図である。 図１８は本発明の他の実施形態に係る送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの斜視図である。 図１９は、送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの正面図、側面図、及び斜視図である。 図２０は、送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの設計条件を示す表である。 図２１は本実施形態に係る非接触給電システムの等価回路図である。 図２２（ａ）は、受電コイルの位置ずれが０ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。図２２（ｂ）は、受電コイルの位置ずれが９０ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。図２２（ｃ）は、受電コイルの位置ずれが１８５ｍｍである場合の、中継コイル及び受電コイルの側面図を示す。 図２３は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図２４は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図２５は、各コイルの自己インダクタンスと、各コイル間の結合係数を示す表である。 図２６は、駆動周波数に対する電流ゲインの特性を示すグラフである。 図２７は、各コイルに流れる電流を示すグラフである。 図２８は本発明の他の実施形態に係る送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの斜視図である。 図２９は、送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの正面図、側面図、及び斜視図である。 図３０は送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの斜視図であり、鎖交磁束を説明するための図である。 図３１は、各コイルに流れる電流を示すグラフである。 図３２は本発明の他の実施形態に係る送電コイル、中継コイル、及び受電コイルの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》

図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電システムの概要図である。非接触給電システムは、地上に設けられた非接触給電装置と、移動体である車両との間で、非接触で電力を供給するシステムである。非接触給電システムは、地上に設けられる送電側のユニットと、車両に設けられる受電側のユニットにより構成されている。

送電側のユニットは、系統電源１、高周波電源部２、共振回路３、送電コイル１０、及び中継コイル２０を備えている。なお、図１では、中継コイル２０は図示されていない。

系統電源１は家庭用の交流電源である。高周波電源部２は、系統電源１から出力される交流電力を高周波の交流電力に変換する装置である。高周波電源部２は、コンバータ２ａ、整流回路２ｂ、及びインバータ２ｃを有している。コンバータ２ａは、系統電源１から出力された交流を直流に変換し、変換された直流電圧を昇圧する。整流回路２ｂは、コンバータ２ａから出力された電圧を整流しつつ、整流された電圧をインバータ２ｃに出力する。インバータ２ｃは、整流回路２ｂにより整流された直流の電力を、高周波の交流電力に変換して、共振回路３に出力する。これにより、高周波電源部２は、数１０ｋ〜数１００ｋＨｚの交流電力を発生し、当該交流電力を共振回路３に出力する。

共振回路３は、送電コイル１０の電流を増幅させるために、送電コイル１０と共に、電流を共振させる回路を形成する。共振回路３は、例えば、一対の電源ラインの間に接続されたコンデンサと、送電コイル１０により、ＬＣ共振回路を形成する。なお、共振回路３の回路構成は、ＬＣ回路に限らず他の共振回路でもよい。

送電コイル１０は、共振回路３を介して交流電源に接続されている。当該交流電源は、系統電源１及び高周波電源部２に相当する。送電コイル１０は、コイル面が車両の駐車スペースの地面と平行になるように、駐車スペースに設けられている。また、送電コイル１０は、受電コイル３０との磁気的な作用により、受電コイル３０に対して非接触で電力を供給するためのコイルである。本実施形態では、磁気的な作用として、コイル間の磁気的な共鳴（コイル間の共振現象）を利用して、非接触で電力を供給する。また後述するように、送電コイル１０は、中継コイル２０を介して受電コイル３０に対して電力を非接触で送る。中継コイル２０の具体的構成は後述する。

次に、受電側のユニットを説明する。受電側のユニットは、受電コイル３０、共振回路４、整流コンバータ５、平滑コンデンサ６、スイッチ７、及びバッテリ８を備えている。

受電コイル３０は、送電コイル１０から送られる電力を受電するためのコイルである。受電コイル３０は、コイル面が車両のシャシに沿うように、車両のシャシの下部に設けられている。

共振回路４は、受電コイル３０と共に共振させる回路である。共振回路４は、例えば、一対の電源ラインの間に接続されたコンデンサと、受電コイル３０により、ＬＣ共振回路を形成する。なお、共振回路４の回路構成は、ＬＣ回路に限らず他の共振回路でもよい。

整流コンバータ５は、共振回路４から出力される交流電力を直流電力に整流するための回路である。整流コンバータ５は、複数のダイオードをブリッジ状に接続された回路である。平滑コンデンサ６は、整流コンバータ５から出力された電圧を平滑する素子である。スイッチ７は、平滑コンデンサ６とバッテリ８との間に接続されている。

バッテリ８は、非接触給電システムにおける負荷である。図１の例では、非接触給電システムを、車載バッテリの充電システムとして用いているため、負荷としてバッテリ８が接続されている。なお、負荷はバッテリ８に限らず、例えば走行中の車両に対して電力を供給する場合には、負荷はモータであってもよい。

共振回路３の共振周波数は、共振回路４の共振周波数と一致又は近傍になるように、設計されている。また高周波電源部２の駆動周波数は、共振回路３、４の共振周波数と一致又は近傍になるように設計されている。送電コイル１０及び受電コイル３０の相互インダクタンスは、コイルの共振現象により電力を送電できるように、設計されている。

次に、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の構成を、図２及び図３を用いて説明する。図２は、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の斜視図を示し、図３（ａ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の正面図を示し、図３（ｂ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の側面図を示し、図３（ｃ）は送電コイル１０及び中継コイル２０の平面図を示す。

送電コイル１０は、コイル面が矩形状になるように形成されている。送電コイル１０は、単一のループ上のコイルである。送電コイル１０を形成する辺のうち、Ｘ方向に沿う辺の長さは、Ｙ方向に沿う辺よりも長く、Ｘ方向が送電コイル１０の長手方向となる。また、ＸＹ平面は、駐車スペースの地表面と平行な面である。

中継コイル２０は、複数のコイル２１〜２６を有している。複数のコイル２１〜２６は、それぞれ単一のループ上のコイルであって、それぞれ独立したコイルである。また複数のコイル２１〜２６は、それぞれのコイル面が矩形状になるように形成されている。コイル２１を形成する辺のうち、Ｙ方向に沿う辺の長さは、Ｘ方向に沿う辺の長さより長く、コイル２１のＹ方向に沿う辺の長さは送電コイル１０のＹ方向に沿う辺の長さと等しい。複数のコイル２２〜２６の形状は、コイル２１と同様である。コイル２１のＹ方向に沿う一辺は、送電コイル１０のＹ方向に沿う一辺の上に配置されている。複数のコイル２１〜２６は、互いに一定の間隔（Ｄ）を空けつつ、送電コイル１０上で、Ｘ方向に沿って並べられている。

複数のコイル２１〜２６は、送電コイル１０と絶縁された状態で、送電コイル１０のコイル面に沿うように配置されている。送電コイル１０は、共振回路３等を介して系統電源１に接続されている。中継コイル２０は共振回路３に接続されておらず、系統電源１にも接続されていない。これにより、送電コイル１０と中継コイル２０との間は、直流的に絶縁されている。なお、中継コイル２０を構成するコイルの数は、６個に限らず、２〜５個でもよく、７個以上であってもよい。

コイル２１〜２６の自己インダクタンスはそれぞれ等しくなるように設計されている。

また送電コイル１０と複数のコイル２１〜２６との間のそれぞれのインダクタンスは一定である。送電コイル１０とコイル２１〜２６との間の相互インダクタンス（Ｍ）は、Ｍ＝κ×√（Ｌ_ｐ×Ｌ_ｊ）で表される。なお、κは送電コイル１０と複数のコイル２１〜２６との間の結合係数を示し、Ｌ_ｐは送電コイル１０の自己インダクタンス、Ｌ_ｊは複数のコイル２１〜２６のそれぞれの自己インダクタンスを示す。そして、送電コイル１０とコイル２１〜２６との間のそれぞれの相互インダクタンス（Ｍ_１〜Ｍ_６）がそれぞれ一定値で等しくなるように、各コイルの配置、コイルの大きさ、及びコイルの形状等が、設計段階で調整されている。なお、Ｍ_１は送電コイル１０とコイル２１との間の相互インダクタンスを表し、Ｍ_２〜Ｍ_６は、コイル２２からコイル２６と、送電コイル１０との間のそれぞれの相互インダクタンスを表している。

受電コイル３０は、コイル面が矩形状になるように形成されている。受電コイル３０は、単一のループ上のコイルである。受電コイル３０を形成する辺のうち、Ｙ方向に沿う辺の長さは、送電コイル１０及び中継コイル２０のＹ方向に沿う辺の長さと等しい。また、受電コイル３０のＸ方向に沿う辺の長さは、送電コイル１０のＸ方向に沿う辺の長さより短く、コイル２１のＸ方向に沿う辺の長さより長い。

また、コイル２１〜２６のＸ方向の長さＬ_ｊとし、受電コイル３０のＸ方向の長さをＬ_ｓとした場合に、各長さ（Ｌ_ｊ、Ｌ_ｓ）と複数のコイル２１〜２６の間隔（Ｄ）との間には、下記式（１）を満たす。

送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０は上記の式（１）を満たすように設計されている。

送電コイル１０と受電コイル３０との間のＺ方向には、隙間（ＧＡＰ：高さ方向の間隔）が空けられている。なお、以下では送電コイル１０と受電コイル３０との間の隙間をＧとも称している。送電側ユニットが設けられている地上の高さと、受電側ユニットが設けられているシャシの高さの違いにより、隙間（Ｇ）が生じる。

図４に、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０のサイズを示す。図４において「Ｘ」はＸ方向に沿う辺の長さを示し、「Ｙ」はＹ方向に沿う辺の長さを示す。「ＧＡＰ」は送電コイル１０と受電コイル３０との間の隙間（Ｇ）の長さを示す。図４に示す「中継コイル」は、コイル２１の大きさを示しており、「間隔」はコイル２１とコイル２２との間の間隔（Ｄ）である。コイル２２〜２６のサイズは、コイル２１のサイズと同じであり、コイル２２〜２６のそれぞれの間隔は、コイル２１とコイル２２との間の間隔（Ｄ）と同じである。なお、各コイルのサイズは、図４に限らず他のサイズでもよい。

次に、送電コイル１０から受電コイル３０への電力供給について、図５を用いて説明する。図５に、本実施形態に係る非接触給電システムの等価回路を示す。送電部１００は、非接触給電システムの１次側の構成（送電側のユニット）に対応し、受電部２００は、非接触給電システムの２次側の構成（受電側のユニット）に対応する。なお、図５において、系統電源１、共振回路３、整流コンバータ５、平滑コンデンサ６、及びスイッチ７の図示を省略している。また図５において、共振回路４は、受電コイル３０に対してコンデンサを直列に接続しているが、共振回路４は、受電コイル３０のインダクタンスと共振させることができれば、受電コイル３０に対してコンデンサを並列に接続してもよい。

上記のとおり、複数のコイル２１〜２６のコイル面は、送電コイル１０のコイル面と重なっており、送電コイル１０と複数のコイル２１〜２６との間の相互インピーダンスは一定である。高周波電源部２から高周波の交流が送電コイル１０に流れると、送電コイル１０と中継コイル２０との間は磁気結合が生じ、送電コイル１０からコイル２１〜２６に印加される電圧は一定になる。このような状態で、受電コイル３０が、複数のコイル２１〜２６のうち一部のコイル２１〜２６と対向すると、対向するコイル２１〜２６と受電コイル３０との間が磁気的に結合する。中継コイル２０と受電コイル３０と間の結合係数は、受電コイル３０と対向するコイル２１〜２６の部分で大きくなり、受電コイル３０と対向しないコイル２１〜２６の部分で小さくなる。中継コイル２０から２次側をみたときに、受電コイル３０と対向するコイル２１〜２６のインピーダンスは、受電コイル３０と対向しないコイル２１〜２６のインピーダンスよりも低くなる。そのため、送電コイル１０の電流は、受電コイル３０と対向するコイル２１〜２６に流れる。そして、当該対向するコイル２１〜２６と受電コイル３０との間の磁気結合により、電力が当該対向するコイル２１〜２６から受電コイル３０に供給される。これにより、送電コイル１０は中継コイル２０を介して、受電コイル３０に対して非接触で電力を送る。

次に、上記の式（１）で示される各コイルのＸ方向の長さについて、図６〜図９を用いて説明する。受電コイル３０のＸ方向の長さは５００（ｍｍ）とし、中継コイル２０及び受電コイル３０のＹ方向の各長さは等しいとする。図６〜図９において、中継コイル２０に含まれる各コイルのＸ方向の長さが変わっており、（ａ）は中継コイル２０及び受電コイル３０の側面図を示し、（ｂ）は結合係数の推移を示している。結合係数は、中継コイル２０と受電コイル３０との間の結合係数である。また結合係数の推移は、受電コイル３０がＸ方向に移動したときの推移を示している。なお、図６（ｂ）〜図９（ｂ）の横軸に示す「コイル位置」について、「コイル位置（０）」は、Ｘ方向に移動する受電コイル３０がコイル２１と対向する直前の状態を示しており、各図６（ａ）〜図９（ａ）に示す状態を示す。そして、受電コイル３０が、図６（ａ）〜図９（ａ）に示す状態からＸ方向に移動すると、コイル位置の値が大きくなる。また、図６（ｂ）〜図９（ｂ）に示す結合係数の推移は、説明を容易にするために、コイル２１〜２６の間隔（Ｄ）は考慮していない。

図６の例では、コイル２１及びコイル２２のＸ方向の長さは、受電コイル３０のＸ方向の長さと等しい。図６（ｂ）に示すコイル１のグラフは、コイル２１と受電コイル３０との間の結合係数を示し、コイル２のグラフはコイル２２と受電コイル３０との間の結合係数を示す。

図６に示すように、受電コイル３０がコイル２１と対向する直前の状態から、受電コイル３０がＸ方向に移動すると、コイル２１と受電コイル３０との間の結合係数が上昇する。受電コイル３０が、図６（ａ）に示す位置から５００ｍｍ移動すると、Ｘ方向へのコイル間の位置ずれがない状態で、受電コイル３０はコイル２１と対向する。このとき、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値となる。さらに、受電コイル３０がＸ方向へ移動すると、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は下がる。

すなわち、コイル２１、２２のＸ方向の長さと受電コイル３０が等しい場合には、受電コイル３０とコイル２１、２２との間の結合係数が、各コイル２１、２２に対してコイル位置の一点で最大値をとる。そのため、受電コイル３０のＸ方向への移動に対して、中継コイル２０の反応区間が狭くなってしまう。中継コイル２０の反応区間は、中継コイル２０が受電コイル３０と磁気的に結合し、中継コイル２０が受電コイル３０に十分な電力を供給できる区間である。

図７の例では、コイル２１〜２３のＸ方向の長さは、受電コイル３０のＸ方向の長さの８０％としている。図７のコイル１〜３のグラフは、コイル２１〜２３と受電コイル３０との間のそれぞれの結合係数を示す。

図７の例では、受電コイル３０が図７（ａ）に示す位置からＸ方向に移動し、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値となる。さらに、受電コイル３０がＸ方向に移動した場合に、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値を維持する。

すなわち、コイル２１〜２３のＸ方向の長さが受電コイル３０のＸ方向の長さよりも短くすることで、中継コイル２０の反応区間が、図６の場合と比較して長くなる。そのため、本実施形態では、式（１）に示すように、中継コイル２０の長さは受電コイル３０の長さ以下としている。

図８の例では、コイル２１〜２５のＸ方向の長さは、受電コイル３０のＸ方向の長さの５０％としている。図８のコイル１〜５のグラフは、コイル２１〜２５と受電コイル３０との間のそれぞれの結合係数を示す。

図８の例では、受電コイル３０が図８（ａ）に示す位置からＸ方向に移動し、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値となる。受電コイル３０がＸ方向にさらに移動すると、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値で維持する。受電コイル３０がＸ方向にさらに移動し、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数が下がり始めたときに、受電コイル３０とコイル２２との間の結合係数が最大値となる。受電コイル３０がＸ方向にさらに移動すると、受電コイル３０とコイル２２との間の結合係数は最大値で維持する。

そのため、受電コイル３０と結合するコイル２１〜２５が、受電コイル３０のＸ方向への移動に対して、スムーズに切り替わる。また、中継コイル２０の反応区間が、受電コイル３０のＸ方向への移動に対して、連続した状態となる（図８（ｂ）を参照）。

図９の例では、コイル２１〜２７のＸ方向の長さは、受電コイル３０のＸ方向の長さの５０％未満としている。図９のコイル１〜７のグラフは、コイル２１〜２７と受電コイル３０との間のそれぞれの結合係数を示す。なお、本実施形態において、中継コイル２０は６個のコイル２１〜２６で構成されているが、図９の例では説明の関係で、中継コイル２０は７個のコイル２１〜２７で構成されていると仮定する。

図９の例では、受電コイル３０が図９（ａ）に示す位置からＸ方向に移動し、まず、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数は最大値となる。受電コイル３０がＸ方向にさらに移動すると、受電コイル３０とコイル２１との間の結合係数が最大値から下がる前に、受電コイル３０とコイル２２との間の結合係数が最大値となる。受電コイル３０がＸ方向にさらに移動すると、受電コイル３０とコイル２１、２２との間の各結合係数が最大値から下がる前に、受電コイル３０とコイル２３との間の結合係数も最大値となる。

すなわち、中継コイル２０の反応区間が、隣り合うコイル２１〜２７間で重複するため、受電コイル３０と結合するコイル２１〜２７が、受電コイル３０のＸ方向への移動に対して、スムーズに切り替わらない。ゆえに、中継コイル２０の長さは受電コイル３０の長さの半分以上にすることで、受電コイル３０のＸ方向への移動に対して、中継コイル２０を構成するコイル２１〜２６がスムーズに切り替わる。

さらに、図８、９では、複数のコイル２１〜２６間の間隔（Ｄ）を省略したが、間隔（Ｄ）を含めると、中継コイル２０の長さ（Ｌ_ｊ）の適した範囲は、（Ｌ_ｓ−Ｄ）／２≦Ｌ_ｊとなる。ゆえに、本実施形態では、式（１）に示すように、中継コイル２０の長さ（Ｌ_ｊ）は、長さ［（Ｌ_ｓ−Ｄ）／２］以上としている。

次に、図４の表のように、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０を設計した場合において、受電コイル３０の位置と結合係数との関係を説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の側面図を示す。図１０（ａ）の例では、受電コイル３０がコイル２３、２４と対向し、コイル２１、２２、２５、２６と対向しない。このときのコイル位置を０ｍｍとする。図１０（ｂ）では、受電コイル３０は、コイル２４と対向し、コイル２５の一部と対向し、コイル２３と対向しない。また図１０（ｂ）では、受電コイル３０が、図１０（ａ）のコイル位置に対して、Ｘ方向に５０ｍｍずれている。図１０（ｃ）では、受電コイル３０は、コイル２４、２５と対向し、コイル２３と対向しない。また図１０（ｃ）では、受電コイル３０が、図１０（ａ）のコイル位置に対して、Ｘ方向に７５ｍｍずれている。

図１１〜図１３は、図１０（ａ）〜（ｃ）の各状態における結合係数と自己インダクタンスを示している。図１１〜図１３において、Ｎｏ．Ｐは送電コイル１０を表し、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６はコイル２１〜２６を表し、Ｎｏ．Ｓは受電コイル３０を表す。

また、図１１〜１３の表の見方を説明する。Ｎｏ．ＰとＮｏ．Ｐに対応する枠内の数字（μＨの単位を付した数字）は送電コイル１０の自己インダクタンスを示しており、Ｎｏ．１とＮｏ．１に対応する枠内の数字はコイル２１の自己インダクタンスを示す。Ｎｏ．２〜６及びＮｏ．Ｓについても同様である。また、Ｎｏ．ＰとＮｏ．１に対応する枠内の数字（単位が付されていない数字）は送電コイル１０とコイル２１との間の結合係数を示す。例えば、図１１において、Ｎｏ．２とＮｏ．３に対応する枠内の数字は０．０３４となっており、コイル２２とコイル２３との間の結合係数が０．０３４であることを示す。他のＮｏ．についても同様である。

コイル２１〜２６と受電コイル３０との結合に着目すると、図１１に示すように、受電コイル３０がコイル２３、２４と対向する場合には、Ｎｏ．３とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字、及び、Ｎｏ．４とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字が０．１６９となっており、最も高い。

また図１２に示すように、受電コイル３０がコイル２４と対向し、受電コイル３０がコイル２５の一部と対向する場合には、Ｎｏ．４とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字が０．１７６となっており最も高い。また、Ｎｏ．５とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字も、他のコイル２１〜２３、２６の結合と比較して高くなっている。

また図１３に示すように、受電コイル３０がコイル２５、２６と対向する場合には、Ｎｏ．４とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字、及び、Ｎｏ．５とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字が０．１６９となっており、最も高い。

さらに、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す各コイルの位置関係に対して、駆動周波数と電流ゲインとの関係を図１４に示す。駆動周波数は、高周波電源部２の駆動周波数である。電流ゲインは中継コイル２０に流れる電流のゲインを示している。なお、電流ゲインは、中継コイル２０から２次側をみたときのアドミッタンスで表している。また、図１４（ａ）のグラフは、図１０（ａ）に示す各コイルの位置関係におけるゲイン特性を示し、図１４（ｂ）、（ｃ）のグラフは、図１０（ｂ）、（ｃ）に示す各コイルの位置関係におけるゲイン特性を示している。

各コイルの位置関係が図１０（ａ）に示す状態のときに、駆動周波数が２０ｋＨｚに設定された場合には、図１４（ａ）に示すように、全てのコイル２１〜２６の電流ゲインが低くなっている。一方、駆動周波数が２１ｋＨｚに設定された場合には、コイル２３、２４の電流ゲインは、他のコイル２１、２２、２５、２６の電流ゲインと比較して高くなっている。すなわち、中継コイル２０のうち、コイル２３、２４の電流ゲインが他のコイルの電流ゲインよりも高くなるように、駆動周波数を設定する。そして、高周波電源部２が設定された駆動周波数で駆動することで、受電コイル３０と対向するコイル２３、２４から、強い磁界が発生する。

各コイルの位置関係が図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示す状態のときも同様に、中継コイル２０のうち、受電コイル２０と対向するコイルの電流ゲインが、他のコイルの電流ゲインよりも高くなるように、駆動周波数を設定する。高周波電源部２は、設定された駆動周波数で駆動する。

本実施形態では、受電コイル３０が中継コイル２０上を移動する際に、受電コイル３０と対向するコイル２１〜２６の電流ゲインが高くなるように、駆動周波数を一定の周波数で設定する。例えば、図１４の例では、駆動周波数が２１ｋＨｚの近傍の値に設定されれば、受電コイル３０の位置に対して、受電コイル３０と対向するコイル２１〜２６の電流ゲインが高くなる。

図４に示す表のように、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０を設計した場合に、受電コイル３０の位置に対する各コイルの電流値の特性を図１５に示す。図１５の横軸に示されるＮｏ．Ｓ、Ｎｏ．Ｐ、Ｎｏ．１〜６は、図１１〜１３と同様である。また縦軸の電流は各コイルに流れる電流である。図１５のグラフ「０ｍｍ位置」は、受電コイル３０の位置ズレが０ｍｍであり、図１０（ａ）に相当する。またグラフ「５０ｍｍ位置」、「７５ｍｍ位置」は、受電コイル３０の位置ズレが５０ｍｍ及び７５ｍｍであり、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）にそれぞれ相当する。なお、高周波電源部２の駆動周波数は一定の周波数であり、高周波電源部２の出力電圧は一定とする。

図１５に示すように、受電コイル３０の位置が、送電コイル１０上でＸ方向にずれたとしても、受電コイル３０の位置に合うように、電流を流すコイル２１〜２６が切り替わる。そのため、受電コイル３０を流れる電流はほぼ一定に保たれる。すなわち、本実施形態では、スイッチ等を用いて送電側の複数のコイルを切り替えるような制御を行うことなく、受電コイル３０の位置に合わせて磁界を発生させるコイル２１〜２６を切り替えることができる。

上記のように、本実施形態では、送電コイル１０と複数のコイル２１〜２６との間のそれぞれ相互インダクタンスを一定にし、かつ、送電コイル１０と絶縁された状態で、送電コイル１０のコイル面に沿うように複数のコイル２１〜２６を配置する。そして、コイル２１〜２６を介して、送電コイル１０から受電コイル３０に非接触で電力を供給する。これにより、受電コイル３０の位置に応じて、磁束を発生させるコイル２１〜２６を切り替える切替制御を実行できる。また、受電コイル３０の位置検出用のセンサ、又は、送電側のコイルを切り替えるためのスイッチを設けることなく、当該切替制御を実行できる。その結果として、コストを抑制することができる。

図１６及び図１７を用いて、本実施形態に係る非接触給電システムの車両への適用例を示す。非接触給電システムは、走行中の車両にも、駐車中の車両にも適用可能である。図１６は非接触給電システムを走行中の車両に適用した場合の概念図を示し、図１７は非接触給電システムを駐車中の車両に適用した場合の概念図を示す。

図１６において、ＡＣ電源５００は、送電部１００のうち、コイル以外の構成を含んでいる。車両３００のシャシの中央部分には、受電コイル３０が設けられている。なお、受電コイル３０の図示は省略している。

車両３００は、送電コイル１０の長手方向を進行方向にして走行する。そして、図１６に示す状態では、受電コイル３０がコイル２３に対向するため、コイル２３で強い磁界が発生する。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、非接触給電装置を備えた駐車スペースに、車両が駐車している状態を示している。図１７（ａ）の例では、車両３００は所定の駐車スペースの中央部分に駐車している。一方、図１７（ｂ）の例では、車両３００は、所定の駐車スペースにおいて、中央部分よりもＸ方向にずれて駐車している。

送電コイル１０の長手方向はＸ方向となり、車両３００の進行方向はＹ方向となる。すなわち、送電コイル１０の長手方向と車両３００の進行方向は直交している。図１７（ａ）に示す状態では、受電コイル３０はコイル２３、２４に対向するため、コイル２３、３４で強い磁界が発生する。一方、図１７（ｂ）では、受電コイル３０の位置がＸ方向にずれることで、受電コイル３０はコイル２４、２５に対向するため、コイル２５、３６で強い磁界が発生する。これにより、本実施形態では、車両３００の駐車位置がＸ方向にずれたとしても、磁界を発生させるコイル２１〜２６を切り替えることができる。

上記の中継コイル２０及びコイル２１〜２６が本発明の「中継コイル」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムを説明する。本実施形態では、上述した第１実施形態に対して、中継コイルの形状及び送電側の制御の一部が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

図１８は、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の斜視図を示し、図１９（ａ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の正面図を示し、図１９（ｂ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の側面図を示し、図１９（ｃ）は送電コイル１０及び中継コイル２０の平面図を示す。

送電コイル１０及び受電コイル３０の形状は、第１実施形態と同様である。中継コイル２０は、複数のコイル２１〜２３を有している。コイル２１〜２３のＸ方向の長さが、第１実施形態に係るコイル２１〜２６の長さよりも長くなっている。コイル２１〜２３のＸ方向の長さは、第１実施形態に係るコイル２１〜２６の長さと同じである。またコイル２１〜コイル２３のＸ方向の長さは、Ｙ方向の長さと同じである。各コイル２１〜２３の間隔（Ｄ）は、第１実施形態に係る各コイル２１〜２６の間隔よりも広くなっている。

図２０に、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０のサイズを示す。なお、図２０の「Ｘ」等の表記は、図４の表記と同様である。なお、各コイルのサイズは、図２０に示すサイズに限らず他のサイズでもよい。

次に、送電部１００の制御について、図２１を用いて説明する。図２１は本実施形態に係る非接触給電システムの等価回路を示す。受電部２００の構成は、第１実施形態と同様である。送電部１００は、高周波電源部２等に加えて、電流センサ９及びコントローラ４００を備えている。なお、図２１と同様に、系統電源１等の構成の図示は省略している。

電流センサ９は送電コイル１０に流れる電流を測定するためのセンサである。電流センサ９は測定して電流測定値をコントローラ４００に出力する。

コントローラ４００は、高周波電源部２から送電コイル１０に出力される電力を制御するためのコントローラである。コントローラ４００は、送電コイル１０に流れる電流が電流指令値と一致するように、高周波電源部２の出力電圧を制御している。コントローラ４００は比較器４０１と電圧指令値４０２とを有している。比較器４０１は、電流測定値と電流指令値とを比較する。電流指令値は、送電コイル１０に対して所定の電流値を流すための指令値であって、例えば受電側のバッテリ８に要求される電力に応じて決まる値である。本実施形態では、電流指令値を一定値とする。比較器４０１は、電流測定値と電流指令値との差分を電圧演算器４０２に出力する。

電圧演算器４０２は、差分に基づいて、送電コイル１０の電流が電圧指令値と一致するように電圧指令値を演算する。電圧指令値は、高周波電源部２の出力電圧の指令値である。そして、電圧演算器４０２は電圧指令値を高周波電源部２に出力する。高周波電源部２は、出力電圧が電圧指令値と一致するように駆動する。

次に、図２０に示す表のように、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０を設計した場合において、受電コイル３０の位置と結合係数との関係を説明する。図２２（ａ）〜（ｃ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の側面図を示す。図２２（ａ）の例では、受電コイル３０はコイル２３、に対向し、コイル２１、２３と対向しない。このときのコイル位置を０ｍｍとする。図２２（ｂ）では、受電コイル３０は、コイル２２の位置及びコイル２３の一部と対向し、コイル２１と対向しない。また図２２（ｂ）では、受電コイル３０が、図２２（ａ）のコイル位置に対してＸ方向に９０ｍｍずれている。図２２（ｃ）では、受電コイル３０は、コイル２３と対向し、コイル２１、２２と対向しない。また図２２（ｃ）では、受電コイル３０が、図２２（ａ）のコイル位置に対してＸ方向に１８５ｍｍずれている。

図２３〜図２５は、図２２（ａ）〜（ｃ）の各状態における結合係数と自己インダクタンス示している。図２３〜図２５において、Ｎｏ．Ｐは送電コイル１０を表し、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３はコイル２１〜２３を表し、Ｎｏ．Ｓは受電コイル３０を表す。なお、図２３〜図２５の表の見方は、図１１〜１３の表の見方と同様である。

コイル２１〜２３と受電コイル３０との結合に着目すると、図２３に示すように、受電コイル３０がコイル２２と対向する場合には、Ｎｏ．２とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字（結合係数）が０．１６９となっており、最も高い。また図２５に示すように、受電コイル３０がコイル２３と対向する場合には、Ｎｏ．３とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字（結合係数）が０．１６９となっており、最も高い。

図２４に示すように、受電コイル３０がコイル２２の一部及びコイル２３の一部と対向する場合には、Ｎｏ．２とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字（結合係数）とＮｏ．３とＮｏ．Ｓに対応する枠内の数字（結合係数）が少し高くなっているが、図２３及び図２５に示した最大の結合係数と比較すると、結合係数は低い。

さらに、図２２（ａ）に示すコイルの位置関係に対して、駆動周波数と電流ゲインとの関係を図２６に示す。駆動周波数は、高周波電源部２の駆動周波数である。電流ゲインは中継コイル２０に流れる電流のゲインを示している。電流ゲインは、図１４と同様にアドミッタンスで表している。

図２６に示すように、駆動周波数が所定の周波数帯域内に設定されることで、コイル２２の電流ゲインが他のコイル２１、２３の電流ゲインよりも高くなる。そのため、本実施形態は、受電コイル３０がコイル２３と対向した状態で、コイル２２の電流ゲインが他のコイル２１、２３の電流ゲインよりも高くなるように、駆動周波数を設定する。図２６の例では、駆動周波数は２１．８ｋＨｚに設定される。

そして、コントローラ４００は、設定した駆動周波数で高周波電源部２を駆動させた状態で、受電側からの要求電力が受電コイル３０で発生するように、給電コイルの電流を設定する。また、コントローラ４００は、受電コイル３０の位置によらず、給電コイルの電流が設定値で保たれるように、電流指令値を一定にした状態で、高周波電源部２の出力電圧を制御する。

次に、図２０に示す表のように、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０を設計した場合に、受電コイル３０の位置に対する各コイルの電流値の特性を図２７に示す。図２７の「Ｎｏ．Ｐ」等の表記は、図２３〜２５と同様である。また、図２７のグラフ「０ｍｍ位置」は、受電コイル３０のコイル位置が０ｍｍであり、図２２（ａ）に相当する。またグラフ「９０ｍｍ位置」、「１８５ｍｍ位置」は、受電コイル３０のコイル位置が９０ｍｍ及び１８５ｍｍであり、図２２（ｂ）及び図２２（ｃ）にそれぞれ相当する。

図２７（ａ）では、上記のコントローラ４００のような制御を行わず、高周波電源部２の出力電圧が一定になるように制御した場合の特性である。一方、図２７（ｂ）では、上記のコントローラ４００のような制御を行った場合の特性である。

受電コイルのコイル位置が９０ｍｍのときは、中継コイル２０と受電コイル３０との結合が悪く、図２４に示すように、コイル２２、２３と受電コイル３０との間の結合係数が少し高くなる程度である。そして、出力電圧が一定に保たれると、図２７（ａ）に示すように、各コイル２１〜２３の電流が大きくなる。そして、各コイル２１〜２３の電流増加は損失の増加となる。

一方、本実施形態では、受電コイル３０の位置ズレが０ｍｍから９０ｍｍになり、中継コイル２０と受電コイル３０との結合が悪くなると、送電コイル１０から中継コイル２０に送られる電力が減る分、送電コイル１０の電流が大きくなる。送電コイル１０の電流が大きくなると、コントローラ４００は、コイル１０の電流を電流指令値と一致させるように、高周波電源部２の出力電圧を下げる。そして、結果的には、送電コイル１０の電流は一定値で推移する。そのため、本実施形態では、受電コイル３０の位置がずれた場合でも、各コイル２１〜２３の電流が大きくならない。

本実施形態では、給電コイルに流れる電流を一定にするように、高周波電源部２から送電コイル１０に出力される電圧を制御している。これにより、受電コイル３０の位置ずれによらず、中継コイル２０の電流増加を抑制することができる。その結果として、損失を低減することが可能となる。

上記のコントローラ４００が本発明の「制御部」に相当する。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムを説明する。本実施形態では、上述した第２実施形態に対して、送電コイルの形状が異なる。これ以外の構成は上述した第２実施形態と同じであり、第１実施形態及び第２実施形態の記載を適宜、援用する。

図２８は、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の斜視図を示し、図２９（ａ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の正面図を示し、図２９（ｂ）は送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の側面図を示し、図２９（ｃ）は送電コイル１０及び中継コイル２０の平面図を示す。

中継コイル２０及び受電コイル３０の形状は、第２実施形態と同様である。送電コイル１０は、コイル部１１、１３、１５と、交差部１２、１４を有している。コイル部１１、１３、１５は、矩形状のコイル面を形成するためのコイル線であって、矩形を形成する４辺のうち、２辺又は３辺の部分を形成している。コイル部１１、１５は、３辺に相当する位置からコイル面を囲っている。コイル部１３は、平行な２辺に相当する位置からコイル面を囲っている。

交差部１２は、コイル線を交差させつつ、コイル部１１とコイル部１３との間を接続している。交差部１４は、コイル線を交差させつつ、コイル部１３とコイル部１５との間を接続している。そして、送電コイル１０の３つコイル面のうち、１つ目のコイル面はコイル部１１と交差部１２により囲まれており、２つ目のコイル面はコイル部１３と交差部１２、１４により囲まれており、３つ目のコイル面はコイル部１５と交差部１４により囲まれている。そして、３つのコイル面の大きさは、コイル２１〜２３の大きさと等しい。なお、交差部１２、１４を形成する分、送電コイル１０の各コイル面の大きさは、交差部１２、１４を形成する分、コイル２１〜２３の大きさより大きくなってもよい。

図３０及び図３１を用いて、送電コイル１０と中継コイル２０との間の鎖交磁束を説明する。図３０（ａ）は第２実施形態に係る送電コイル１０と中継コイル２０の斜視図を示す。図３０（ｂ）は本実施形態に係る送電コイル１０と中継コイル２０の斜視図を示す。図３０において、矢印は鎖交磁束を表している。

図３１は、受電コイル３０の位置に対する各コイルの電流値の特性を示す。図３１（ａ）は図３０（ａ）に示すコイルの電流特性を示し、図３１（ｂ）は図３０（ｂ）に示すコイルの電流特性を示す。なお、図３０の「Ｎｏ．Ｐ」等の表記は、図２７と同様である。また、グラフの「０ｍｍ位置」、「１８５ｍｍ位置」は、図２２の（ａ）（ｃ）に相当する。

受電コイル３０の位置が、「０ｍｍ位置」から「１８５ｍｍ位置」にずれた場合に、受電コイル３０に流れる電流の変化量（ΔＩ_１、ΔＩ_２）をみると、本実施形態における変化量（ΔＩ_２）は、第２実施形態における（ΔＩ_１）よりも小さくなっている。すなわち、送電コイル１０を図３０（ａ）に示すような形状にすることで、受電コイル３０の位置に対して、受電コイル３０の電流の変動を抑制できる。

《第４実施形態》
本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムを説明する。本実施形態では、上述した第１実施形態に対して、中継コイル２０の形状と中継コイル２０に磁性体を設けている点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜３実施形態の記載を適宜、援用する。

図３２は、送電コイル１０、中継コイル２０、及び受電コイル３０の斜視図を示す。送電コイル１０及び受電コイル３０の形状は、第１実施形態と同様である。中継コイル２０は、複数のコイル２１〜２７を有する。コイル２１、２２及びコイル２４〜２７には、磁性体４１、４２、４４〜４７がそれぞれ設けられている。

磁性体４１、４２、４４〜４７は、各コイル２１、２２、２４〜２７と送電コイル１０との間の相互インダクタンスを一定にしつつ、各相互インダクタンスを等しくするための部材である。磁性体４１、４２、４４〜４７は、フェライト等により形成される。また磁性体４１、４２、４４〜４７は、各コイル２１、２２、２４〜２７のコイル面に沿うように形成されている。

これにより、本実施形態では、相互インダクタンスを設定する際に、中継コイル２０のサイズ及び形状の設計自由度を増すことができる。その結果として、受電コイル３０の位置ズレに対する許容範囲を広げることができる。なお、相互インダクタンスを設定する際には、コイル２１〜２７のターン数を調整してもよい。

１…系統電源
２…高周波電源部
３、４…共振回路
５…整流ブリッジ
６…平滑コンデンサ
７…スイッチ
８…バッテリ
１０…送電コイル
２０…中継コイル
２１〜２７…コイル
３０…受電コイル
４００…コントローラ
４０１…比較部
４０２…電圧指令演算部

Claims (3)

1. 受電コイルに対して、少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
   交流電源に接続された送電コイルと、
   前記送電コイルと絶縁された状態で、前記送電コイルのコイル面に沿うように配置された複数の中継コイルとを備え、
   前記送電コイルは、前記中継コイルを介して前記受電コイルに電力を送り、
   前記送電コイルと前記複数の中継コイルとの間のそれぞれの相互インダクタンスが一定である
   ことを特徴とする非接触給電装置。
2. 請求項１記載の非接触給電装置において、
   前記受電コイルの長さ、前記中継コイルの長さ、及び、前記複数の中継コイルの間隔の長さが下記式（１）を満し、
   前記送電コイルの長さは、前記送電コイルの長手方向の長さであり、
   前記受電コイルの長さ、前記中継コイルの長さ、及び、前記複数の中継コイルの間隔の長さは、前記長手方向と同じ方向の長さである
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   

   

   ただし、Ｌ_ｓは前記受電コイルの長さであり、Ｌ_ｊは前記中継コイルの長さであり、Ｄは前記間隔の長さである。
3. 請求項１又は２に記載の非接触給電装置において、
   前記交流電源から前記送電コイルに出力される電圧を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記送電コイルに流れる電流を一定にする
   ことを特徴とする非接触給電装置。

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