JP2017076654A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動車向けの非接触給電システムにおいて、１次コイルと２次コイルとの間に位置ずれが発生しても電力伝送効率を良好に保つ。【解決手段】地上に設置された送電コイル（６１）と車体下面に設置された受電コイル（１１）とが対向して送電コイル（６１）と受電コイル（１１）との間で非接触給電を行う非接触給電システムにおいて、送電コイル（６１）が１個のスパイラルコイルで構成されており、受電コイル（１１）が複数のスパイラルコイル（１１ａ、１１ｂ）に分割されており、複数のスパイラルコイル（１１ａ、１１ｂ）が受電コイル１１の外縁形状を複数に分割した各形状を外縁形状として有する。【選択図】図６

Description

本発明は、非接触給電システムに関し、特に、地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとの間で非接触給電を行うプラグインハイブリッド車や電気自動車用の非接触給電システムに好適な技術に関する。

外部電力でバッテリ充電されるプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）では、充電ケーブルの接続作業の煩わしさ、衣服の汚れ、雨天時の不安などから、ワイヤレスでの給電（非接触給電）のニーズが高くなっている。

非接触給電には、地上側の１次コイルと車上側の２次コイルとの間の電磁誘導を利用する電磁誘導式と、磁界共鳴を利用する磁界共鳴式とがある。このうち電磁誘導式は、電力伝送効率が非常に高いが、１次コイルと２次コイルとを十分に近づけなければならないという特徴がある。一方、磁界共鳴式は、１次コイルと２次コイルとの距離がある程度大きくてもよいが、電磁誘導式に比べて電力伝送効率が低いという特徴がある。従来、給電部（１次コイル）と受電部（２次コイル）との位置ずれがあっても車体外の漏れ磁束の影響を抑制する電磁誘導式の非接触給電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、従来、複数の送受電コイルの組み合わせを持ち、車の位置ずれに応じて対抗するコイルを使用する非接触給電装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−４９２３０号公報 特開２０１５−１９５５１号公報

非接触給電システムで使用されるコイルのタイプとしてヘリカルコイルとスパイラルコイルがあるが、自動車用の非接触給電システムの国際標準化において、１次コイルおよび２次コイルとしてスパイラルコイルを採用することが決定した。スパイラルコイルは、ヘリカルコイルに比べて位置ずれ（横ずれ）に弱いため、コイルの位置ずれ対策が重要になる。

上記問題に鑑み、本発明は、自動車向けの非接触給電システムにおいて、１次コイルと２次コイルとの間に位置ずれが発生しても電力伝送効率を良好に保つことを課題とする。

本発明の一局面に従った非接触給電システムは、地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとが対向して送電コイルと受電コイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、送電コイルが１個のスパイラルコイルで構成されており、受電コイルが複数のスパイラルコイルに分割されており、複数のスパイラルコイルが受電コイルの外縁形状を複数に分割した各形状を外縁形状として有するものである。

これによると、受電コイルが複数のスパイラルコイルに分割されていることにより、送電コイルに対して受電コイルが位置ずれしても、各スパイラルコイルで発生する起電力を足し合わせて受電コイル全体として大きな電力を発生させることができる。

具体的には、複数のスパイラルコイルは受電コイルの外縁形状を車幅方向に２等分した２個のスパイラルコイルである。

これによると、車幅方向の位置ずれに対応することができる。

また、具体的には、複数のスパイラルコイルは受電コイルの外縁形状を車幅方向に３分割した３個のスパイラルコイルである。

これによると、車幅方向の位置ずれにより細やかに対応することができる。

好ましくは、３個のスパイラルコイルのうち両端のスパイラルコイルの車幅方向の幅を送電コイルと受電コイルとの位置ずれ許容量に等しくする。

これによると、送電コイルと受電コイルとの位置ずれ許容範囲内で電力伝送効率を良好に保つことができる。

また、具体的には、複数のスパイラルコイルは受電コイルの外縁形状を車長方向および車幅方向に４分割した４個のスパイラルコイルである。

これによると、車長方向および車幅方向の位置ずれに対応することができる。

上記非接触給電システムは、複数のスパイラルコイルのそれぞれに発生する起電力を整流する複数の整流回路を備え、複数の整流回路の出力が直列接続または並列接続されていてもよい。

本発明によると、送電コイル（１次コイル）と受電コイル（２次コイル）との間に位置ずれが発生しても電力伝送効率を良好に保つことができる。

本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略図 一例に係る送電コイルの平面図および断面図 一例に係る受電コイル（２分割）の平面図および断面図 複数に分割されたスパイラルコイルを電気的に直列接続した電気回路図 複数に分割されたスパイラルコイルを電気的に並列接続した電気回路図 図３の受電コイルが設置された車体の下面図 送電コイルと受電コイルとの位置ずれがない場合とある場合の磁束を説明する図 送電コイルと受電コイルとの位置ずれと結合係数との関係を示すグラフ 別例に係る受電コイル（３分割）が設置された車体の下面図 さらに別例に係る受電コイル（４分割）が設置された車体の下面図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者（ら）は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略を示す。例えば、本実施形態に係る非接触給電システムは、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの自動車１００のバッテリ３０をワイヤレスで充電する磁界共鳴式の非接触給電システムである。

本実施形態に係る非接触給電システムにおいて、地上に地上装置２００および送電ユニット６０が設置されている。自動車１００と地上装置２００とは無線３００により通信できるようになっている。自動車１００は、バッテリ３０の充電量を判断し、地上装置２００に対して無線３００を通じて適宜給電の開始／停止を要求する。地上装置２００は、自動車１００からの要求に従って自動車１００への電気エネルギーの供給／停止をコントロールする。

自動車１００へ電気エネルギーを供給する場合、地上装置２００は、商用電力（ＡＣ電源）から８５ｋＨｚ帯（８１．３８ｋ〜９０ｋＨｚ）の３ｋＷクラスの高周波電流を生成する。地上装置２００が生成した高周波電流はケーブル２０１を通じて送電ユニット６０に通電される。送電ユニット６０には図略の送電コイル（１次コイル）が収容されており、当該送電コイルに高周波電流が通電されることで送電ユニット６０に強力な磁界が発生する。

一方、自動車１００において、車体下面に受電ユニット１０が設置されている。バッテリ３０を充電する場合、受電ユニット１０が送電ユニット６０と上下に対向する位置に来るように自動車１００を移動させる。受電ユニット１０と送電ユニット６０とのギャップは１００〜１６０ｍｍである。

受電ユニット１０には図略の受電コイル（２次コイル）およびコンデンサからなる共振回路が収容されており、当該受電コイルが送電ユニット６０で発生した磁界に晒されることで当該共振回路が共鳴して受電ユニット１０に高周波電流が発生する。受電ユニット１０に発生した高周波電流は整流器２０により直流電流に変換されてバッテリ３０に充電される。このように、本実施形態に係るシステムでは、地上装置２００から自動車１００へ磁界共鳴によりワイヤレスで電気エネルギーが供給される。

バッテリ３０にはインバータ４０が接続されている。自動車１００を走行させる場合、インバータ４０がバッテリ３０に蓄電された直流電流を交流電流に変換して自動車１００の動力源である電動モータ５０を駆動する。

図２は、一例に係る送電コイルの平面図および断面図である。送電ユニット６０には送電コイル６１が収容されている。送電コイル６１は、直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線６２を円形の渦巻き状に２段８回巻きしたスパイラルコイルであり、外径は３５０ｍｍ、内径は２６０ｍｍである。送電コイル６１は、フェライトなどの磁性体で形成された円盤状のコイルコア６３上に取り付けられている。コイルコア６３の直径は４００ｍｍである。

図３は、一例に係る受電コイル（２分割）の平面図および断面図である。受電ユニット１０には受電コイル１１が収容されている。受電コイル１１は、その円形の外縁形状（直径３５０ｍｍ）を２等分するように２個の半円形のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに分割されている。スパイラルコイル１１ａ、１１ｂは、いずれも直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線１２を半円形の渦巻き状に１段８回巻きしたコイルであり、外形の半径は１７５ｍｍ、内径の半径は１３０ｍｍである。スパイラルコイル１１ａ、１１ｂは、それぞれ、フェライトなどの磁性体で形成された半円盤状のコイルコア１３ａ、１３ｂ上に取り付けられている。コイルコア１３ａ、１３ｂの半径は２００ｍｍである。

なお、受電コイル１１の形状は送電コイル６１の形状と同じにする必要はない。例えば、受電コイル１１の外径および内径を上記よりも１００ｍｍずつ小さく（外径２５０ｍｍ、内径１６０ｍｍ）してもよい。このように受電コイル１１を小型化することで、受電ユニット１０のコストを低減することができ、また、受電ユニット１０の取り付け作業が容易になる。

また、送電コイル６１および受電コイル１１ともに円形である必要はない。例えば、送電コイル６１および／または受電コイル１１を車幅方向に長い長円形や楕円形にしてもよい。

図４は、複数に分割されたスパイラルコイルを電気的に直列接続した電気回路図の例である。スパイラルコイル１１ａ、１１ｂに共振コンデンサ１４ａ、１４ｂがそれぞれ接続され、ＬＣ共振回路を構成している。整流回路１５ａ、１５ｂにこれらＬＣ共振回路がそれぞれ接続されている。整流回路１５ａ、１５ｂは、それぞれ、ＬＣ共振回路に発生した高周波電流を全波整流して直流電流を出力する。整流回路１５ａの正出力端子はリアクトル１６の一端に接続され、整流回路１５ａの負出力端子は整流回路１６ｂの正出力端子に接続されている。そして、平滑コンデンサ１７が、リアクトル１６の他端と整流回路１６ｂの負出力端子に接続されている。

図５は、複数に分割されたスパイラルコイルを電気的に並列接続した電気回路図の例である。スパイラルコイル１１ａ、１１ｂに共振コンデンサ１４ａ、１４ｂがそれぞれ接続され、ＬＣ共振回路を構成している。整流回路１５ａ、１５ｂにこれらＬＣ共振回路がそれぞれ接続されている。整流回路１５ａ、１５ｂは、それぞれ、ＬＣ共振回路に発生した高周波電流を全波整流して直流電流を出力する。整流回路１５ａ、１５ｂの正出力端子はリアクトル１６の一端に接続されている。そして、平滑コンデンサ１７が、リアクトル１６の他端と整流回路１６ａ、１６ｂの負出力端子に接続されている。

このように、スパイラルコイル１１ａ、１１ｂが接続された整流回路１６ａ、１６ｂの出力を直列接続してもよいし、あるいは並列接続してもよい。

なお、図４および図５に示した電気回路においてリアクトル１６は省略可能である。

図６は、図３の受電コイルが設置された車体の下面図である。受電ユニット１０は、例えば、車両後部の左右後輪の間に設置されている。自動車１００の下面は鉄やアルミニウムなどでできたアンダーカバー１０１で覆われており、受電ユニット１０に収容された受電コイル１１はそのようなアンダーカバー１０１に取り付けられている。より詳細には、受電コイル１１を構成するスパイラルコイル１１ａ、１１ｂが取り付けられたコイルコア１３ａ、１３ｂがアンダーカバー１０１に取り付けられている。

ここで重要なのは、受電ユニット１０が、スパイラルコイル１１ａ、１１ｂが車幅方向の左右に位置するような向きでアンダーカバー１０１に取り付けられるということである。すなわち、受電ユニット１０が取り付けられた状態において、受電コイル１１は、外縁形状を車幅方向に２等分した２個のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂで構成される。

このようにスパイラルコイル１１ａ、１１ｂを車幅方向の左右に配置する理由は、自動車１００がバッテリ充電のために所定位置に駐車する場合、車長方向の位置は車止めにより規制できるのに対して車幅方向にはそのようなものがなく車幅方向の位置が規制できないため、送電ユニット６０に対する受電ユニット１０の車幅方向の位置ずれが発生し易いと考えられるからである。

図７は、送電コイルと受電コイルとの位置ずれがない場合とある場合の磁束を説明する図である。同図は、送電コイル６１と受電コイル１１を平面視した図である。なお、便宜のため、受電コイル１１を送電コイル６１よりも小さく描いている。

送電コイル６１に高周波電流が通電されることで送電コイル６１に磁束７０で示したような磁界が発生する。送電コイル６１で発生した磁束７０がスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに伝わることにより、磁界共鳴によりスパイラルコイル１１ａ、１１ｂのそれぞれに高周波電流が発生する。

送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれがない場合、受電コイル１１を構成するスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに伝わる磁束７０の向きは同じになる。一方、受電コイル１１の位置がずれてスパイラルコイル１１ａが送電コイル６１の平面視内側、スパイラルコイル１１ｂが送電コイル６１の平面視外側にあるとき、受電コイル１１を構成するスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに伝わる磁束７０の向きは互いに逆向きになる。

もし、受電コイル１１が１個の円形のスパイラルコイルで構成されていた場合、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれが大きくなると受電コイル１１に伝わる磁束７０が打ち消し合って弱まり、受電コイル１１に発生する起電力が低下してしまう。一方、本実施形態のように受電コイル１１を複数のスパイラルコイル（例えば、スパイラルコイル１１ａ、１１ｂ）に分割することで、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれが大きくなっても各スパイラルコイルにおいて互いに独立に起電力が発生する。したがって、各スパイラルコイルで発生した起電力を足し合わせることで、受電コイル１１全体として大きな電力を発生させることができる。

図７の例では、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれがない場合とある場合とでスパイラルコイル１１ｂに発生する起電圧の向きが反転するため、スパイラルコイル１１ａとスパイラルコイル１１ｂの電気的な接続を切り替える必要がある。そこで、図４および図５に示したように、スパイラルコイル１１ａ、１１ｂともに直流に整流後に直列接続または並列接続することで、各スパイラルコイルに発生する起電圧の向きにかかわらず、各スパイラルコイルで発生した起電力を足し合わせることができるようになっている。

次に、本実施形態に係る非接触給電システムにおける電力伝送効率の実証結果を示す。図８は、送電コイルと受電コイルとの位置ずれと結合係数との関係を示すグラフである。ここで、送電コイル６１および受電コイル１１ともに外径を３５０ｍｍ、内径を２６０ｍｍとする。「コイルずれ」は送電コイル６１および受電コイル１１の中心どうしのずれを指し、送電コイル６１および受電コイル１１の中心が合っている場合（図７の「（ａ）コイル位置ずれなし」の状態）をコイルずれ０ｍｍである。一方、図７の「（ｂ）コイル位置ずれあり」の状態はコイルずれ１２０ｍｍに相当する。

受電コイル１１が１個の円形のスパイラルコイルで構成されている従来例、および、受電コイル１１が２個のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに分割された本実施形態のいずれも、コイルずれが大きくなるに従って送電コイル６１と受電コイル１１との結合係数が低下する。しかし、コイルずれが７０ｍｍを超えた辺りから、本実施形態の方が従来例よりも結合係数を高めに維持することができている。すなわち、受電コイル１１を２個のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂに分割した効果が現れている。

受電コイル１１の分割数は３以上でもよい。受電コイル１１を３個以上のスパイラルコイルに分割することで、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれにより細やかに対応することができる。

例えば、受電コイル１１が送電コイル６１に対して車幅方向にずれる場合、受電コイル１１の右端または左端の一部が送電コイル６１の平面視外側に出て受電コイル１１の大部分は送電コイル６１の平面視内側にあることが考えられる。そこで、受電コイル１１を車幅方向に３分割してもよい。図９は、別例に係る受電コイル（３分割）が設置された車体の下面図である。受電コイル１１は、その円形の外縁形状を車幅方向に３分割した３個のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有する。ここで、両端のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂよりも真ん中のスパイラルコイル１１ｃを大きめにしておく。

特に、両端のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂの車幅方向の幅を、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれ許容量（例えば１００ｍｍ）に合わせることが好ましい。これにより、送電コイル６１と受電コイル１１との位置ずれ許容範囲内で電力伝送効率を良好に保つことができる。

また、受電コイル１１が送電コイル６１に対して車長方向にずれることも考慮すると、受電コイル１１を車長方向および車幅方向に４分割してもよい。図１０は、さらに別例に係る受電コイル（４分割）が設置された車体の下面図である。受電コイル１１は、その円形の外縁形状を車長方向および車幅方向に４分割した４個のスパイラルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有する。各スパイラルコイルの形状および大きさは同じである。このように、受電コイル１１を車長方向および車幅方向に４分割することで、車長方向のずれに対しても対応することができる。

なお、受電コイル１１をさらに多くのスパイラルコイルに分割することも可能であるが、スパイラルコイルの数が増えるとその分電気抵抗も大きくなるため、受電コイル１１の分割数は２〜４が適当である。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

上記では、便宜のため、磁界共鳴式の非接触給電システムを例に本発明における技術を説明したが、本発明は、磁界共鳴式の非接触給電システムに限定されず、電磁誘導式の非接触給電システムにも適用可能である。

１１ 受電コイル
１１ａ スパイラルコイル
１１ｂ スパイラルコイル
１１ｃ スパイラルコイル
１１ｄ スパイラルコイル
６１ 送電コイル
１６ａ 整流回路
１６ｂ 整流回路

Claims (7)

1. 地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとが対向して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、
   前記送電コイルが１個のスパイラルコイルで構成されており、
   前記受電コイルが複数のスパイラルコイルに分割されており、
   前記複数のスパイラルコイルが前記受電コイルの外縁形状を複数に分割した各形状を外縁形状として有する
   ことを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記複数のスパイラルコイルが前記受電コイルの外縁形状を車幅方向に２等分した２個のスパイラルコイルである、請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記複数のスパイラルコイルが前記受電コイルの外縁形状を車幅方向に３分割した３個のスパイラルコイルである、請求項１に記載の非接触給電システム。
4. 前記３個のスパイラルコイルのうち両端のスパイラルコイルの車幅方向の幅が前記送電コイルと前記受電コイルとの位置ずれ許容量に等しい、請求項３に記載の非接触給電システム。
5. 前記複数のスパイラルコイルが前記受電コイルの外縁形状を車長方向および車幅方向に４分割した４個のスパイラルコイルである、請求項１に記載の非接触給電システム。
6. 前記複数のスパイラルコイルのそれぞれに発生する起電力を整流する複数の整流回路を備え、
   前記複数の整流回路の出力が直列接続されている、請求項１に記載の非接触給電システム。
7. 前記複数のスパイラルコイルのそれぞれに発生する起電力を整流する複数の整流回路を備え、
   前記複数の整流回路の出力が並列接続されている、請求項１に記載の非接触給電システム。

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