JP2020156307A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行車両への給電効率を落とさずに漏洩磁束が削減できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】受電コイル６０が走行路上で隣接する送電コイル３１１，３１２の中間位置にあるとき、送電コイル３１１又は３１２の一方のみで受電コイル６０に給電する方が、送電コイル３１１，３１２の両方で給電するより給電効率が高い範囲では、送電コイル３１１又は３１２の一方だけに通電し他方は遮断する。送電コイル３１１，３１２の両方で給電する方が送電コイル３１１又は３１２の一方で給電するより給電効率が高い範囲では、送電コイル３１１，３１２の両方で給電する。【選択図】図２

Description

本発明は、走行する移動体に非接触で給電を行う非接触給電装置に関し、移動体への給電効率を落とさずに、漏洩磁束を低減できるようにしたものである。

従来から、電気自動車やプラグインハイブリッド車のバッテリーに非接触で電力を供給する種々のワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ：Wireless Power Transfer / Transmission）システムが開発されている。
図１２は、下記特許文献１に記載された、走行中の移動体に非接触で給電を行うＷＰＴシステムを示している。

ＷＰＴシステムは、一般に、直流から高周波交流を生成する高周波発生装置４０と、高周波交流の通電により高周波磁界を発生する送電コイル１〜４と、ＷＰＴの効率を高めるために送電側回路に挿入される送電側共振コンデンサＣ１１〜Ｃ１４と、鎖交する高周波磁束により高周波交流を発生するする受電コイル２０と、ＷＰＴの効率を高めるために受電側回路に挿入される受電側共振コンデンサＣ２と、高周波交流を直流に変換して出力する整流器５１とを備えている。
図１２の高周波発生装置４０では、ＡＣ／ＤＣコンバータが商用周波数の交流から直流を生成し、インバータが直流から高周波交流を生成している。

このように磁界を用いて非接触で電力を伝送するＷＰＴシステムでは、送電側共振コンデンサ及び受電側共振コンデンサを加えることで高効率・高力率の送電が可能になる。図１２では複数の送電側共振コンデンサＣ１１〜Ｃ１４を用いているが、システム全体で共振するコンデンサを選ぶことにより、送電側共振コンデンサ及び受電側共振コンデンサをそれぞれ１つにすることができる。

ＷＰＴシステムによる受電電力は、数ワットレベルから数十キロワットレベルまで及んでいる。小電力の伝送は、スマートフォンや歯ブラシ、固定電話の子機等の充電に採用されている。
高周波発生装置が発生する周波数は、２０ｋＨｚから数ＭＨｚまで幅がある。自動車に応用するＷＰＴシステムでは、８５ｋＨｚを中心とした帯域で電力伝送することが検討されている。

キロワットレベルの大電力を送電するＷＰＴシステムで使用される高周波発生装置の効率は、デバイスの改良により年々向上している。ＳｉＣ系半導体デバイスを用いて２０ｋＨｚから２００ｋＨｚ程度の周波数を発生する製品が開発されている。また、ＧａＮ系半導体デバイスを用いて数ＭＨｚレベルの周波数を発生する高周波発生装置が研究開発されている。

送電側共振コンデンサ及び受電側共振コンデンサは、送電コイル及び受電コイルに対する接続の仕方を変えることで、送電側・受電側の入出力の電流電圧特性が変化することが知られている。例えば、送電側共振コンデンサと送電コイルとを直列に接続し、受電側共振コンデンサと受電コイルとを直列に接続するシステムでは、送電側が定電圧で送電すると受電側は定電流となり、受電側の後段に接続する負荷にほぼ依存しない定電流特性を得ることができる。

共振コンデンサは、例えば、送電側コイルと受電側コイルにそれぞれ共振コンデンサを接続する場合、その値Ｃを、それぞれのコイルの自己インダクタンスＬに共振するように、
Ｃ＝１/ω²Ｌ （ωは、高周波交流の基本周波数）
と設定することで高効率・高力率での送電が可能になることが知られている。
しかしながら、実用のシステムにおいては、高周波電源に接続している負荷が容量性になってしまうと、高周波電源に使用されているデバイスの発熱が大きくなることや、最悪の場合、高周波電源が破壊されてしまうことが知られている。
そのため、実用では、共振コンデンサの接続の仕方に応じて、共振コンデンサの値を大きく、または、小さくすることによって高周波電源と接続されている負荷が誘導性とならないようにする必要がある。
例えば、送電側、受電側それぞれに共振コンデンサを直列に配置する場合は、送電側共振コンデンサは小さく、受電側コンデンサは大きく設定する必要がある。その容量値は伝送される電力や電圧によって変わってくるが、容量の変化量は、１つの共振コンデンサで設定する場合、おおよそ１０％程度であれば、効率、力率ともに大きな変動がなく電力伝送を行うことが可能である。

送電コイルと送電側共振コンデンサとから成る送電器は、高周波発生装置と直接接続しなくても良い。
例えば、送電器と高周波発生装置とをフィルタを介して接続することもできる。このようにすると、高周波発生装置から発生される基本周波数以外の成分である高調波成分が送電器に伝達するのを防止できる。また、後述する結合係数の変化による電流電圧特性の変化をフィルタによって緩和することができ、高周波発生装置に関する制御の負担を減らすことができる。さらに、送電器側に高調波成分が伝達しないため、漏洩磁界を低減させることもできる。
また、受電コイルと受電側共振コンデンサとから成る受電器と整流器とを、フィルタを介して接続する場合も同様の効果が得られる。

磁界を用いたＷＰＴシステムは、結合係数の低いトランスと捉えることができる。一般的なトランスは、送電コイル及び受電コイルのコア間の空隙が狭く設定されているため、結合係数ｋが高く、０．９９〜０．７程度である。
しかし、磁界を用いたＷＰＴシステムでは、送電コイルと受電コイルとの空隙が広いため、結合係数は高くても０．５程度である。自動車用のＷＰＴシステムでは、結合係数が一般的に０．２〜０．１であり、ある条件下では、０．１を下回り、０．０５以下となることもある。
そのため、ＷＰＴシステムでは、送電側共振コンデンサ及び受電側共振コンデンサの果たす役割が極めて大きい。

さて、図１２のＷＰＴシステムでは、車両の走行路に沿って複数の送電コイル１、２、３、４が飛び石状に配置されている。各送電コイル１、２、３、４に高周波電源４０から高周波交流が供給され、各送電コイル１、２、３、４は、高周波磁界を発生する。そのため、車両の床外面に搭載された受電コイル２０は、車両が走行中であっても、最寄りの送電コイルから発生された高周波磁界を受けることができ、鎖交する高周波磁束から、蓄電素子５３を充電するための直流を生成することができる。

しかし、このシステムでは、受電コイル２０の受電に寄与していない送電コイル１、３、４からも高周波磁界が発生する、という問題がある。こうした漏洩磁界は、生態系や電子機器等に影響を及ぼすことが懸念されている。

下記特許文献２には、こうした点を改善するため、走行路に沿って飛び石状に配置した送電コイルの各々をスイッチを介して電源に接続し、走行中の車両の受電コイルに対して送電が可能な一つの送電コイルだけに電源から電力を供給するＷＰＴシステムが開示されている。
このシステムは、図１３に示すように、各送電コイル４に電源１から電力を供給する送電回路の電流又は電圧を測定する測定手段５と、測定手段５の測定結果に基づいてスイッチ３の開閉を制御するコントローラ１００とを備えている。

このコントローラ１００は、別の手段で車両２００の進入を検知すると、ＳＷ（１）を閉、他のスイッチを開とする。そして、測定手段５の測定結果に基づいて、送電コイル４（１）の送電可能範囲に受電コイル７が進入し、退出したかを検知する。受電コイル７が送電コイル４（１）の送電可能範囲から退出したことを検知すると、ＳＷ（２）を閉、他のスイッチを開として、送電コイル４（２）の送電可能範囲への受電コイル７の進入、退出を検知する。以下、この手順を順次繰り返す。

なお、特許文献２には、受電コイル７が送電コイル４（１）の送電可能範囲から退出したときのＳＷ（１）の開は、退出時から所定時間が経過した後（ただし、受電コイル７が送電コイル４（２）の送電可能範囲に進入する前）でも良く、また、ＳＷ（２）の閉は、ＳＷ（１）の開から所定時間が経過した後（ただし、受電コイル７が送電コイル４（２）の送電可能範囲に進入する前）でも良いと記載されている。

特開２０１４−１４７１６０号公報 特開２０１５−７３３８０号公報

しかし、特許文献２に記載されたＷＰＴシステムでは、受電コイルへの送電を実行中の送電コイルが常に一つであるため、走行車両の受電コイルが送電コイルと次の送電コイルとの中間に位置するとき、走行車両への給電ができないため、走行車両が受け取る電力量が低下するとともに給電効率が低下するという問題点がある。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、走行車両への給電効率を落とすこと無く、漏洩磁束の削減を図ることができる非接触給電装置を提供することを目的としている。

本発明は、走行路に沿って配置された複数の送電コイルから、走行する移動体に設けられた受電コイルに非接触で給電が行われる非接触給電装置であって、前記送電コイルと、該送電コイルに直列に接続する共振コンデンサと、前記送電コイル及び共振コンデンサへの通電／非通電を選択するスイッチとを備える複数の送電ユニットと、前記送電ユニットに高周波交流を供給する高周波発生装置と、を備え、前記複数の送電ユニットの前記送電コイルが、前記走行路に沿って間隔を空けて配置されている。そして、前記受電コイルの中心が走行路上で隣接する二つの送電ユニットの送電コイル間にあるとき、前記複数の送電ユニットの前記スイッチにより、隣接する前記送電ユニットの一方に属する送電コイルだけが通電され、その他の送電ユニットに属する送電コイルが非通電とされる第１の状態と、隣接する前記送電ユニットの両方に属する送電コイルが通電され、その他の送電ユニットに属する送電コイルが非通電とされる第２の状態と、のいずれかが選択される。前記受電コイルが、少なくとも、隣接する前記送電ユニットの送電コイルに近接する第１の所定範囲の範囲内にあるときには、前記第１の状態が選択され、前記受電コイルが、少なくとも、隣接する前記送電ユニットの送電コイル間の中央地点を含む第２の所定範囲の真上にあるときには、前記第２の状態が選択される。
この非接触給電装置では、受電コイルが走行路上で隣接する送電コイルの中間位置にあるときでも、隣接する二つの送電コイルから給電が行われるため、給電効率の低下が抑えられる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記第２の所定範囲の中心位置を、隣接する前記送電ユニットの送電コイル間の中央地点に設定することが望ましい。
二つの送電コイルを同時に駆動する場合、その中央地点で給電効率が最も高くなり、中央地点から離れる程、対称的に給電効率が低下する。

また、本発明の非接触給電装置において、前記第１の所定範囲は、前記受電コイルに対して、隣接する前記送電ユニットの一方に属する送電コイルから送電するときの給電効率が、前記送電ユニットの両方に属する送電コイルから送電するときの給電効率より高い範囲であり、前記第２の所定範囲は、前記受電コイルに対して、隣接する前記送電ユニットの両方に属する送電コイルから送電するときの給電効率が、前記送電ユニットの一方に属する送電コイルから送電するときの給電効率より高い範囲である。
そのため、受電コイルが走行路上で隣接する送電コイルの中間位置にあるときでも、給電効率の低下が避けられる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記複数の送電ユニットが前記高周波発生装置に並列に接続されている。

また、本発明の非接触給電装置では、前記送電ユニットの前記送電コイルが、直列接続された複数の送電コイルであっても良い。
各送電ユニットに含まれる複数の送電コイルを、走行路の進行方向に配列することで、スイッチの数を減らし、コストの上昇を抑えることができる。また、各送電ユニットに含まれる複数の送電コイルを、走行路の幅方向に配列する場合は、移動体の横ずれによる給電効率の低下を抑えることができる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記第１の状態を選択する前記スイッチの操作と、前記第２の状態を選択する前記スイッチの操作との切替えを、前記高周波発生装置から複数の前記送電ユニットに供給される電力の力率に基づいて行うことができる。
この力率は、受電側からの情報を必要とせず、送電側の情報だけで測定することができる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記第１の状態を選択する前記スイッチの操作と、前記第２の状態を選択する前記スイッチの操作との切替えを、前記走行路を走行する前記移動体の受電コイルの位置に基づいて行うことができる。
例えば、走行路に試験車両を走らせて、第１の状態から第２の状態への切替地点、及び、第２の状態から第１の状態への切替地点を調査し、記憶すれば、以後、それらの地点を通過する受電コイルを検出して、スイッチの切替えを実施することができる。

また、本発明の非接触給電装置では、隣接する前記送電ユニットの送電コイルの端部間距離をＤとするとき、前記送電コイルの端部から、該送電コイルから離れる方向に移動する前記受電コイルまでの距離が凡そＤ／３とＤ／２との間にあるときに、前記第１の状態の選択から前記第２の状態の選択への切替えを行い、前記送電コイルの端部から、該送電コイルから離れる方向に移動する前記受電コイルまでの距離が凡そＤ／２と７Ｄ／１０との間にあるときに、前記第２の状態の選択から前記第１の状態の選択への切替えを行うことが望ましい。
こうした切替えにより、受電コイルが送電コイルに正対していないときの給電効率の低下が抑えられることは、実験により確かめられている。

また、本発明の非接触給電装置では、前記送電コイルの端部から前記受電コイルまでの距離が４Ｄ／１０、又はその近傍であるとき、前記第１の状態の選択から前記第２の状態の選択への切替えを行い、前記送電コイルの端部から前記受電コイルまでの距離が６Ｄ／１０、又はその近傍であるとき、前記第２の状態の選択から前記第１の状態の選択への切替えを行うことが望ましい。
そうすることで給電効率の低下が一層抑えられる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記走行路への移動体の進入を知らせる外部信号又はセンサの検知信号に基づいて、前記走行路の最初の位置に配置された前記送電ユニットの前記スイッチを駆動し、前記第１の状態を選択する必要がある。
それ以後のスイッチ操作は、前述するように、高周波発生装置から送電ユニットに供給される電力の力率や、移動体の検出位置に基づいて行うことができる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記共振コンデンサの容量をＣ、前記送電コイルの自己インダクタンスをＬ、隣接した二つの前記送電コイルの間の中央位置に前記受電コイルを配置したときに生じる前記二つの送電コイル間の相互インダクタンスをＭ、前記高周波発生装置により供給される高周波交流の基本周波数をωとするとき、前記Ｃが凡そ以下の式を満たすようにする。
Ｃ＝１／｛ω²（Ｌ＋Ｍ）｝
二つの送電コイル間の相互インダクタンスＭを考慮して共振コンデンサの容量Ｃを設定することで高周波発生装置からの入力電力や入力電流が過大になることを防止できる。

本発明の非接触給電装置は、走行車両への給電効率と給電電力量を落とすこと無く、漏洩磁束の削減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電装置を模式的に示す図 本発明の実施形態に係る非接触給電装置の回路構成を示す図 図１の非接触給電装置で行うスイッチの切替え操作を説明する図 送電コイルからの距離に基づいて行うスイッチの切替え操作を説明する図 実験装置を示す図 図５の実験装置における受電コイルの移動を示す図 図５の実験装置の回路図 （ａ）給電効率の変化、及び（ｂ）力率の変化に関する測定データを示す図 出力電力の変化に関する測定データを示す図 力率計の構成を示す図 送電ユニットに含まれる複数の送電コイルの一例を示す図 特許文献１に記載されたＷＰＴシステムを示す図 特許文献２に記載されたＷＰＴシステムを示す図

まず、本発明の基礎となった実験について説明する。
図５は、この実験装置を示している。この装置では、走行路に設置された送電コイルに相当する同一平面形状のコイルＬ１及びＬ２を、図６に示すように、相互の中心間距離が６００ｍｍとなるように配置し、それらと１３５ｍｍの空隙を保って受電コイルに相当するコイルＬ３がコイルＬ１及びＬ２と平行に移動できるように構成している。コイルＬ３の形状は車両に搭載することを考慮してコイルＬ１及びＬ２より小さい。

このコイルＬ１及びＬ２を送電コイルとし、コイルＬ３を受電コイルとする非接触給電装置の駆動回路は、図７のように表すことができる。コイルＬ１の共振コンデンサＣｓ１、コイルＬ２の共振コンデンサＣｓ２及びコイルＬ３の共振コンデンサＣｓ３は、それぞれコイルと直列に配置している。
送電コイルと共振する共振コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２の容量は、コイルＬ１、Ｌ２の自己インダクタンスだけでなく、コイルＬ１とコイルＬ２との間の相互インダクタンスＭ₁₂を考慮して、
Ｃｓｉ＝１／｛ω²（Ｌｉ＋Ｍ₁₂）｝（ｉは1または２）
と設定する必要がある。
相互インダクタンスＭ₁₂を考慮せずに、Ｃｓｉ＝１／ω²Ｌｉとすると、コイルＬ１及びＬ２への入力電力及び入力電流が過大になることが実験により判明している。

図８（ａ）は、この装置でコイルＬ３を、図６のｘ＝０位置からｘ＝３００位置（即ち、コイルＬ１とＬ２の中央位置）まで動かしながら、給電効率（給電電力と受電電力との比）を測定した結果について示している。図８（ａ）において、曲線（１）は、コイルＬ１にのみ通電し、コイルＬ２は非通電としたときの給電効率を示し、曲線（２）は、コイルＬ１及びＬ２に通電したときの給電効率を示している。
図８（ｂ）は、この装置でコイルＬ３を、図６のｘ＝０位置からｘ＝３００位置まで動かしながら、供給電力の力率を測定した結果について示している。図８（ｂ）において、曲線（３）は、コイルＬ１にのみ通電し、コイルＬ２は非通電としたときの力率を示し、曲線（４）は、コイルＬ１及びＬ２に通電したときの力率を示している。
図９は、この装置でコイルＬ３を、図６のｘ＝０位置からｘ＝３００位置まで動かしながら、コイルＬ３側の出力電力を測定した結果について示している。図９において、曲線（５）は、コイルＬ１にのみ通電し、コイルＬ２は非通電としたときの出力電力を示し、曲線（６）は、コイルＬ１及びＬ２に通電したときの出力電力を示している。

なお、コイルＬ２にのみ通電し、コイルＬ１を非通電としたとき、及び、コイルＬ１及びＬ２に通電したときのｘ＝３００位置からｘ＝６００位置までの給電効率及び力率は、ｘ＝３００の線を対称軸として図８（ａ）及び図８（ｂ）を反転させたときの特性となる。

この実験結果から、次のことが言える。
（１）移動体の走行路に飛び石状に複数の送電コイルを配置して、この送電コイルから移動体の受電コイルに非接触で給電する場合、受電コイルが、隣接する二つの送電コイルの中間に位置するとき、一方の送電コイルのみを起動して給電を行った方が、隣接する二つの送電コイルを起動して給電を行うよりも給電効率が高くなる領域と、隣接する二つの送電コイルを起動して給電を行う方が、一方の送電コイルのみを起動して給電を行うよりも給電効率が高くなる領域とが存在する。
（２）そのため、一方の送電コイルのみを起動して給電を行った方が給電効率が高くなる領域では、その一方の送電コイルのみを起動し、また、隣接する二つの送電コイルを起動して給電を行う方が給電効率が高くなる領域では、二つの送電コイルを起動すれように送電コイルの起動を切り替えれば、移動体への給電効率が向上する。
（３）「一方の送電コイルのみを起動して給電を行った方が給電効率が高くなる領域」は、その送電コイルに隣接する領域であり、「隣接する二つの送電コイルを起動して給電を行う方が給電効率が高くなる領域」は、二つの送電コイル間の中央地点を中心とする領域である。
（４）図８（ａ）の特性と図８（ｂ）の特性とがほぼ同じであるから、供給電力の力率に基づいて（２）の切替え時期を判断することが可能である。
（５）図９の特性から、受電側の出力電力に基づいて（２）の切替時期を判断することは困難である。

なお、（４）で言う供給電力の力率は、供給電力の有効電力を皮相電力で割ったものであるから、図１０に示すように、有効電力を測定する電力計Ｗと、皮相電力を測定する電流計Ａ及び電圧計Ｖとを組合せて求めることができ、送電側で得られる情報だけで力率の算出が可能である。また、有効電力は、電圧と電流の瞬時値が測定可能な電流計と電圧計とを用いて電流値と電圧値の瞬時値を測定し、それらを乗算した乗算値を高周波電源の１周期にわたって積分しても求めることができる。

本発明は、こうした知見に基づいて創作したものである。
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置を模式的に示している。
この装置では、送電コイル３１と、送電コイル３１に直列に接続された共振コンデンサ３２と、スイッチ３３とから成る送電ユニット３０の複数個が、走行路に沿って、互いに間隔を空けて設置されている。
各送電ユニット３０は、高周波電源４０に並列接続されており、高周波電源４０は、商用周波数の交流を直流に変換した後、高周波交流に変換して各送電ユニット３０に供給する。各送電ユニット３０のスイッチ３３は、この高周波交流を送電コイル３１及び共振コンデンサ３２に供給するかどうかを選択する。

図２は、この非接触給電装置の回路構成を示している。ここでは、説明上、送電ユニット３０が送電ユニット３０１と送電ユニット３０２の二つの場合を示しているが、送電ユニット３０の数は多くても良い。
この装置では、各送電ユニット３０１、３０２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御するコントローラ５０と、高周波電源４０から送電ユニット３０１、３０２に供給される電力の力率を計測する力率計５１とを有しており、力率計５１は、計測した力率をコントローラ５０に伝え、コントローラ５０は、その力率に基づいて各送電ユニット３０１、３０２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。

次に、コントローラ５０による、スイッチの制御について説明する。
図３は、図８（ｂ）の図の横軸（受電コイル６０の移動位置を表す）を、三つの送電ユニットが存在する範囲にまで拡張した図に相当する。
図３において、上欄の曲線１は、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１のみをオン（導通）にしたときの力率計５１の測定結果と受電コイル６０の移動位置との関係を表し、曲線２は、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２のみをオンにしたときの力率計５１の測定結果と受電コイル６０の移動位置との関係を表し、曲線３は、第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３のみをオンにしたときの力率計５１の測定結果と受電コイル６０の移動位置との関係を表し、曲線４は、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１と第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２とをオンにし、第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３をオフ（非道通）にしたときの力率計５１の測定結果と受電コイル６０の移動位置との関係を表し、また、曲線５は、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２と第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３とをオンにし、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１をオフにしたときの力率計５１の測定結果と受電コイル６０の移動位置との関係を表している。

この図から、曲線１と曲線４とが交差する地点までは、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１のみをオンにし、曲線４が曲線１に交差した地点から曲線２に交差する地点までは、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１と第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２とをオンにして第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３をオフにし、曲線２が曲線４に交差した地点から曲線５に交差する地点までは、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２のみをオンにし、曲線５が曲線２に交差した地点から曲線３に交差する地点までは、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２と第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３とをオンにして第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１をオフにし、曲線３が曲線５に交差した地点以降は、第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３のみをオンにするスイッチ操作を行えば、受電コイル６０への給電効率を最も高くできることが分かる。さらに、高周波電源の力率も高くできるため、高周波電源に使用されている素子の負担を減らすこともできる。

このように、曲線１〜５の交差位置で各送電ユニットのスイッチの切り替えを行うことができれば、受電コイル６０への給電効率を最大にできる。
しかし、各送電ユニットのスイッチの切り替えが曲線１〜５の交差位置から多少ズレたとしても、受電コイル６０への給電効率を高くできることは明らかである。

少なくとも、曲線１が曲線４より所定値以上高い範囲（第１の範囲）では、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１のみをオンにし、曲線４が曲線１及び曲線２より所定値以上高い範囲（第２の範囲）では、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１と第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２とをオンにし、曲線２が曲線４及び曲線５より所定値以上高い範囲（第３の範囲）では、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２のみをオンにし、曲線５が曲線２及び曲線３より所定値以上高い範囲（第４の範囲）では、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２と第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３とをオンにし、そして、曲線３が曲線５より所定値以上高い範囲（第５の範囲）では、第３の送電ユニットのスイッチＳＷ３のみをオンにする、という切替操作を行うだけでも受電コイル６０への給電効率を高くすることができる。
「第１の範囲」「第３の範囲」及び「第５の範囲」は、送電ユニットの送電コイルに近接する範囲であり、「第２の範囲」及び「第４の範囲」は、送電コイル間の間隙の中央地点を中心に含む範囲である。
ここで、「所定値」は、図８（ａ）の実験結果等を参考に設定することができ、所定値を、例えば０．１程度に設定すれば十分な効果が得られることが分かる。

図３において１０１で示す範囲は、ＳＷ１のみをオンにする状態から、ＳＷ１及びＳＷ２をオンにする状態への切替え操作が許容される範囲を示し、１０２で示す範囲は、ＳＷ１及びＳＷ２をオンにする状態からＳＷ２のみをオンにする状態への切替え操作が許容される範囲を示している。また、１１１で示す範囲は、ＳＷ２のみをオンにする状態から、ＳＷ２及びＳＷ３をオンにする状態への切替え操作が許容される範囲を示し、１１２で示す範囲は、ＳＷ２及びＳＷ３をオンにする状態からＳＷ３のみをオンにする状態への切替え操作が許容される範囲を示している。
また、図３では、この切替操作によりＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の各スイッチがオンとなる時間帯を示している。

こうした各送電ユニットのスイッチの切替え操作を行うためには、走行路に進入した移動体の受電コイルの位置を確認する必要があるが、図３の曲線１〜５に示すように、受電コイルの位置に応じて力率計５１で検出される力率が変化するから、それを利用してスイッチの切替えを行うことができる。

例えば、走行路に試験車両を走らせ、その移動位置に応じてＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を順番にオンにして力率を測定し、図３の曲線１、２、３を求める。また、ＳＷ１及びＳＷ２をオンにして試験車両を走らせ、図３の曲線４を測定し、ＳＷ２及びＳＷ３をオンにして試験車両を走らせ、図３の曲線５を測定する。測定結果を合成することで走行路における図３に相当する特性グラフを得ることができる。
走行路を実車両が走行するときは、走行路に進入する実車両を別途の手段で確認してＳＷ１をオンにし、以後は、力率計５１で検出される力率の変化に基づいて受電コイルの位置を推定し、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３等の切替えを実行する。
走行路への進入車両の確認は、センサで検知しても良いし、走行路に進入する車両が信号を発し、それを受信して確認するようにしても良い。

また、試験車両の走行試験で得られた図３に相当する特性グラフから、範囲１０１、１０２、１１１、１１２に相当する走行路上の位置、或いは、曲線１〜５の交点の位置を特定し、走行路のそれらの位置にセンサを設けて通過する車両を検出するようにすれば、車両の位置の情報に基づいてＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３等の切替えが可能になる。

実験結果から、図４に示すように、第１の送電ユニットの送電コイルの端から第２の送電ユニットの端までの間隔をＤとするとき、第１の送電ユニットの送電コイルの端から受電コイルまでの距離がＤ／３〜Ｄ／２のときに第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１と第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２とをオンにする切替操作を行い、第１の送電ユニットの送電コイルの端からＤ／２〜７Ｄ／１０のときに第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２のみをオンにする切替操作を行うことで給電効率が向上することが分かっている。
また、第１の送電ユニットのスイッチＳＷ１と第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２とをオンにする切替操作の距離を４Ｄ／１０に近づけ、第２の送電ユニットのスイッチＳＷ２のみをオンにする切替操作の距離を６Ｄ／１０に近づけることで給電効率がさらに向上することが分かっている。
この実験結果に基づいて実際の走行路での車両検出位置を設定しても良い。

このように、この非接触給電装置では、走行車両の受電コイルの近くにある一つの送電コイル、又はその送電コイルと隣接する送電コイルとが駆動されて給電効率の向上が図られる。また、その他の送電コイルへの通電は遮断されるため、漏洩磁束の発生が抑制できる。

なお、これまで、送電ユニットに含まれる送電コイルの数が一つの場合について説明したが、送電ユニットに複数の送電コイルが含まれるようにしても良い。各送電ユニットに含まれる複数の送電コイルを、走行路の進行方向に配列することで、スイッチの数を減らし、コストの上昇を抑えることができる。
また、図１１に示すように、送電ユニットに含まれる複数の送電コイル１７１、１７２を直列接続して走行路の幅方向に配列すれば、移動体の横ずれによる給電効率の低下を抑えることができる。

本発明の非接触給電装置は、走行車両への給電効率を落とすこと無く、漏洩磁束の削減を図ることが可能であり、電気自動車やプラグインハイブリット車等、各種移動体の走行中給電に広く利用することができる。

３０ 送電ユニット
３１ 送電コイル
３２ 共振コンデンサ
３３ スイッチ
４０ 高周波電源
５０ コントローラ
５１ 力率計
１７１ 送電コイル
１７２ 送電コイル
３０１ 送電ユニット
３０２ 送電ユニット

Claims (11)

1. 走行路に沿って配置された複数の送電コイルから、走行する移動体に設けられた受電コイルに非接触で給電が行われる非接触給電装置であって、
   前記送電コイルと、該送電コイルに直列に接続する共振コンデンサと、前記送電コイル及び共振コンデンサへの通電／非通電を選択するスイッチとを備える複数の送電ユニットと、
   前記送電ユニットに高周波交流を供給する高周波発生装置と、
   を備え、前記複数の送電ユニットの前記送電コイルが、前記走行路に沿って間隔を空けて配置され、
   前記受電コイルの中心が走行路上で隣接する二つの送電ユニットの送電コイル間にあるとき、前記複数の送電ユニットの前記スイッチにより、
   隣接する前記送電ユニットの一方に属する送電コイルだけが通電され、その他の送電ユニットに属する送電コイルが非通電とされる第１の状態と、
   隣接する前記送電ユニットの両方に属する送電コイルが通電され、その他の送電ユニットに属する送電コイルが非通電とされる第２の状態と、
   のいずれかが選択され、
   前記受電コイルが、少なくとも、隣接する前記送電ユニットの送電コイルに近接する第１の所定範囲の範囲内にあるときには、前記第１の状態が選択され、
   前記受電コイルが、少なくとも、隣接する前記送電ユニットの送電コイル間の中央地点を含む第２の所定範囲の真上にあるときには、前記第２の状態が選択される、
   非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   前記第２の所定範囲の中心位置が、隣接する前記送電ユニットの送電コイル間の中央地点にある、非接触給電装置。
3. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   前記第１の所定範囲は、前記受電コイルに対して、隣接する前記送電ユニットの一方に属する送電コイルから送電するときの給電効率が、前記送電ユニットの両方に属する送電コイルから送電するときの給電効率より高い範囲であり、
   前記第２の所定範囲は、前記受電コイルに対して、隣接する前記送電ユニットの両方に属する送電コイルから送電するときの給電効率が、前記送電ユニットの一方に属する送電コイルから送電するときの給電効率より高い範囲である、非接触給電装置。
4. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   前記複数の送電ユニットが前記高周波発生装置に並列に接続されている、非接触給電装置。
5. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   前記送電ユニットの前記送電コイルが、直列接続された複数の送電コイルから成る、非接触給電装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の非接触給電装置であって、
   前記第１の状態を選択する前記スイッチの操作と、前記第２の状態を選択する前記スイッチの操作との切替えが、前記高周波発生装置から複数の前記送電ユニットに供給される電力の力率に基づいて行われる、非接触給電装置。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の非接触給電装置であって、
   前記第１の状態を選択する前記スイッチの操作と、前記第２の状態を選択する前記スイッチの操作との切替えが、前記走行路を走行する前記移動体の受電コイルの位置に基づいて行われる、非接触給電装置。
8. 請求項７に記載の非接触給電装置であって、
   隣接する前記送電ユニットの送電コイルの端部間距離をＤとするとき、
   前記送電コイルの端部から、該送電コイルから離れる方向に移動する前記受電コイルまでの距離が凡そＤ／３とＤ／２との間にあるときに、前記第１の状態の選択から前記第２の状態の選択への切替えが行われ、
   前記送電コイルの端部から、該送電コイルから離れる方向に移動する前記受電コイルまでの距離が凡そＤ／２と７Ｄ／１０との間にあるときに、前記第２の状態の選択から前記第１の状態の選択への切替えが行われる、非接触給電装置。
9. 請求項８に記載の非接触給電装置であって、
   前記送電コイルの端部から前記受電コイルまでの距離が４Ｄ／１０、又はその近傍であるとき、前記第１の状態の選択から前記第２の状態の選択への切替えが行われ、
   前記送電コイルの端部から前記受電コイルまでの距離が６Ｄ／１０、又はその近傍であるとき、前記第２の状態の選択から前記第１の状態の選択への切替えが行われる、非接触給電装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の非接触給電装置であって、
    前記走行路への移動体の進入を知らせる外部信号又はセンサの検知信号に基づいて、前記走行路の最初の位置に配置された前記送電ユニットの前記スイッチが駆動し、前記第１の状態が選択される、非接触給電装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の非接触給電装置であって、
    前記共振コンデンサの容量をＣ、前記送電コイルの自己インダクタンスをＬ、隣接した二つの前記送電コイルの間の中央位置に前記受電コイルを配置したときに生じる前記二つの送電コイル間の相互インダクタンスをＭ、前記高周波発生装置により供給される高周波交流の基本周波数をωとするとき、前記Ｃが凡そ以下の式を満たす、非接触給電装置。
    Ｃ＝１／｛ω²（Ｌ＋Ｍ）｝