JP5347619B2 - 非接触給電装置及び電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導型の非接触給電装置及び電気自動車に関する。

従来、給電側の１次コイルと受電側の２次コイルとを磁気結合させて給電側から受電側に非接触で電力を伝送する電磁誘導型の非接触給電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の非接触給電装置では、受電側の負荷の等価的な抵抗成分が変化しても給電側の高周波電源部から供給する電力の力率を維持して効率的な電力伝送を行えるようにするために、抵抗検出回路により負荷の抵抗成分を検出し、検出された負荷の抵抗成分に応じて高周波電源部が生成する高周波電力の周波数を制御するようにしている。

特開２００２−２７２１３４号公報

特許文献１に記載の技術は、１次コイルと２次コイルの相対位置に変化がないことを前提として、電源電力の周波数制御により力率を高く保って効率的な電力伝送を実現している。このため、１次コイルと２次コイルの相対位置が変化することが想定される用途、例えば、電気ステーションの給電設備から電気自動車に電力を伝送してバッテリを充電するといった用途で本技術を採用した場合には、電気自動車の停車位置がずれた場合などに、１次コイルと２次コイルの相対位置のずれによってコイル同士の相互インダクタンスが小さくなり、効率の良い電力伝送が行えなくなるといった問題がある。

本発明は、以上のような従来技術の問題に鑑みて創案されたものであって、１次コイルと２次コイルの相対位置が変化する場合であっても、コイル同士の相互インダクタンスを大きくとって効率的な電力伝送を行うことができる非接触給電装置及びこれを利用した電気自動車を提供することを目的としている。

本発明は、受電側回路の２次コイルを複数の分割コイルで構成するとともに、これら複数の分割コイルの極性を、各分割コイルに鎖交する磁束の極性に応じて個別に切り替えられるようにすることで、上述した課題を解決する。

本発明によれば、２次コイルを構成する複数の分割コイルの極性を各分割コイルに鎖交する磁束の極性に応じて切り替えることで、１次コイルに対する２次コイルの相対位置のずれにより２次コイル内で極性の違う鎖交磁束が打ち消し合って鎖交磁束の総量が減少するといった不都合を有効に抑制することができる。したがって、１次コイルと２次コイルとの相対位置が変化した場合でも、１次コイルと２次コイルとの相互インダクタンスを大きくとって効率的な電力伝送を行うことができる。

本発明を適用した非接触給電装置の概略構成を示す構成図である。 ２次コイルを単一コイルで構成した場合における１次コイルと２次コイルとの相対位置関係を説明する模式図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置と１次コイルに一定のＤＣ電流を通電したときに２次コイルに鎖交する磁測量との関係を示すグラフ図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置と１次コイルに一定のＤＣ電流を通電したときに２次コイルに鎖交する磁測量との関係を示すグラフ図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置のずれ量がゼロの場合の１次コイルが発生する磁界中における２次コイルの位置を示す図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置のずれ量が３００ｍｍの場合の１次コイルが発生する磁界中における２次コイルの位置を示す図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置のずれ量が５００ｍｍの場合の１次コイルが発生する磁界中における２次コイルの位置を示す図である。 １次コイルに対する相対位置のずれによる２次コイルの鎖交磁束への影響を簡易的に示した模式図である。 コイル極性反転回路が備える極性反転スイッチの動作を説明する図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置を検出する機構の一例を示す模式図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置をパターン化したときの各パターンを説明する模式図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置と各分割コイルの極性との対応関係を表す対応マップの一例を示す図である。 微弱な検査用パルス電圧を１次コイルに印加するパルス電圧印加部と、１次コイルに検査用パルス電圧を印加したときに２次コイルの各分割コイルに流れる誘導電流を検出する電流センサとを設けた構成を示す模式図である。 パルス電圧印加部から１次コイルに微弱な検査用パルスを印加したときに、電流センサにより検出される各分割コイルの電流波形の一例を示す図である。 給電側から受電側に伝送される電力量を計測するパワーメータを設けた構成を示す模式図である。 ２次コイルを構成する複数の分割コイルのコイルせん断方向における径の合計値を、１次コイルのコイルせん断方向における径よりも大きくした例を説明する模式図である。 １次コイルと２次コイルとの相対位置にずれがない状態で、１次コイルの両端部の位置が２次コイルを構成するいずれかの分割コイルの端部の位置と一致するようにした例を説明する模式図である。 左右両端の分割コイルの径を小さくすることで、１次コイルと２次コイルとの相対位置がずれた場合でも１次コイル端部における磁束の廻りこみの影響を低減できることを説明する模式図である。 電気ステーションにおいて電気自動車に対して給電を行う様子を示す模式図である。 ２次コイルを複数の分割コイルで構成してこれら複数の分割コイルの極性を個別に切り替えられるようにすることの効果を説明するグラフ図である。 図２０における実施例１、比較例１、実施例２、比較例２のコイルの構成を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明を適用した非接触給電装置の概略構成を示す構成図である。本実施形態の非接触給電装置は、給電側の１次コイル１４と受電側の２次コイル２１とを磁気結合させて給電側から受電側に非接触で電力を伝送する電磁誘導型の非接触給電装置であり、特に、電気ステーションの給電設備から電気自動車に電力を伝送して、電気自動車のバッテリ２３を充電するための装置として構成されている。

この非接触給電装置において、給電側は電気ステーションに設置された固定の給電設備として実現され、商用周波数の交流電源部１１と、交流電源部１１からの交流を直流に変換する整流器１２と、整流器１２の直流出力を任意の交流に変換するインバータ１３と、インバータ１３で生成された高調波電流が通電される１次コイル１４とを備えた構成とされる。

一方、受電側は電気自動車に設置された車載設備として実現され、給電側の１次コイル１４と磁気結合して誘導起電力を発生する２次コイル２１と、２次コイル２１に発生する誘導起電力を直流に変換する整流器２２と、整流器２２の直流出力により充電されるバッテリ２３とを備える。また、特に本実施形態の非接触給電装置においては、受電側の２次コイル２１が複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成されているとともに、これら２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を個別に切り替えることが可能なコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃが接続され、さらにこれらコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を制御するコントローラ２５が設けられている。

固定設備である給電側の１次コイル１４と電気自動車に設置された受電側の２次コイル２１との間の磁気結合により電気自動車に電力伝送する非接触給電装置においては、電気自動車の停車位置が所定の給電位置からずれることによって、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化することが想定される。このように１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化する状況であっても効率的な電力伝送を行えるようにするために、本実施形態の非接触給電装置では、２次コイル２１を複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成して、これら複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を個別に切り替えられるようにしている。以下、２次コイル２１を単一のコイルで構成した場合との対比により、本実施形態に特徴的な上述した構成の優位性について説明する。

図２は、２次コイル２１を単一コイルで構成した場合の１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置関係を説明する模式図であり、電気ステーションの給電設備として路面に設置される１次コイル１４と、電気自動車の車体底部に設置される２次コイル２１とを、路面に対して平行な方向に見た場合を想定したモデル図である。この図２において、電気自動車の停車位置に応じて１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化するのは、路面に平行な方向となる図の左右方向である。以下、この方向を「コイルせん断方向」と呼び、コイルせん断方向における１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置のずれ量をＸとする。なお、図２中のＺは１次コイル１４と２次コイル２１との対向面間の距離（ギャップ）であり、電気自動車の最低地上高に応じて定まる値である。

図２に示したモデル図を用い、１次コイル１４に一定のＤＣ電流を通電したときの２次コイル２１に鎖交する磁測量を、Ｘ，Ｚとの関係で示したのが図３及び図４である。これら図３及び図４において、横軸はコイルせん断方向における１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置のずれ量Ｘの大きさを示し、縦軸が１次コイル１４通電時に２次コイル２１に鎖交する磁束の量を示している。なお、図３の縦軸＋側が図２における上向きの磁束、−側が図２における下向きの磁束を表しており、図４の縦軸は２次コイル２１に鎖交する磁束量の絶対値を示している。

これら図３及び図４から分かるように、１次コイル１４と２次コイル２１との間でコイルせん断方向における相対位置にずれがないＸ＝０付近では、１次コイル１４への通電により２次コイル２１に多くの磁束が鎖交するが、２次コイル２１が単独コイルで構成されている場合は、Ｘが大きくなるに従って２次コイル２１に鎖交する磁束量が急激に減少し、Ｘがある値（図３及び図４の例ではＸ＝３００ｍｍ）になると、２次コイル２１に鎖交する磁束量が０となる。そして、Ｘがさらに大きくなると今度は鎖交磁束の極性が反転して−方向に磁束が鎖交するが、ある値（図３及び図４の例ではＸ＝５００ｍｍ）をピークにして鎖交磁束は次第に減少していく。このような関係は、１次コイル１４と２次コイル２１との対向面間の距離Ｚが変化しても、同様の傾向となる。

以上の現象は、１次コイル１４と２次コイル２１とのコイルせん断方向における相対位置の変化によって、１次コイル１４への通電により発生する磁界の中で２次コイル２１がどのような位置となるかを考えると分かり易い。

図５乃至図７は１次コイル１４への通電により発生する磁束分布に対する２次コイル２１の位置を示した図であり、図５は、図３及び図４の例でＸ＝０のときの１次コイル１４が発生する磁界中における２次コイル２１の位置を示し、図６は、図３及び図４の例でＸ＝３００ｍｍのときの１次コイル１４が発生する磁界中における２次コイルの位置を示し、図７は、図３及び図４に示す例でＸ＝５００ｍｍのときの１次コイル１４が発生する磁界中における２次コイル２１の位置を示している。なお、図５乃至図７のいずれにおいても、１次コイル１４と２次コイル２１の対向面間の距離Ｚは５０ｍｍとしている。

図５に示すように、１次コイル１４と２次コイル２１との間でコイルせん断方向における相対位置にずれがない場合（Ｘ＝０）には、図中の矢印Ａで示す上向きの磁束が２次コイル２１に一様に鎖交しており、２次コイル２１に鎖交する磁束量は大きくなる。これに対して、図６に示すように、Ｘ＝３００ｍｍになると、図中矢印Ａで示す上向きの磁束と図中矢印Ｂで示す下向きの磁束とが２次コイル２１内で混在し、これら上向き磁束と下向き磁束とがキャンセルするため、結果的に２次コイル２１に鎖交する磁束量が０となる。つまり、この状態は電力を伝送することができない状態である。また、図７に示すように、Ｘ＝５００ｍｍになると、２次コイル２１に鎖交する磁束は全て図中矢印Ｂで示す下向きの磁束となり、極性が反転する。

図８は、１次コイル１４に対する相対位置のずれによる２次コイル２１の鎖交磁束への影響を簡易的に示した模式図である。図８（ａ）のように、１次コイル１４と２次コイル２１との間でコイルせん断方向における相対位置にずれがなければ、１次コイル１４の通電により発生する磁束は２次コイル２１に一様に鎖交するが、図８（ｂ）のように、相対位置にずれが生じると、１次コイル１４の端部での磁束の廻りこみの影響で２次コイル２１の一部で極性が異なる磁束が鎖交してキャンセルされ、総鎖交磁束量が減少することになる。そこで、本実施形態の非接触給電装置においては、図８（ｃ）に示すように、２次コイル２１を複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ（ここでは分割コイルの数が３つの場合を例示している）で構成し、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃのコイル極性を各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに鎖交する磁束の極性に応じて切り替えられるようにすることで、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化する場合であっても、１次コイル１４と２次コイル２１との相互インダクタンスを大きくとれるようにして、２次コイル２１における総鎖交磁束の減少を抑制し、１次側（給電側）から２次側（受電側）へと効率的な電力伝送を行えるようにしている。

本実施形態の非接触給電装置において、２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、各々が電気的に独立したコイルとして構成され、図８（ｃ）に示したように、コイルせん断方向において重複することなく隣接するように配置される。なお、本例では２次コイル２１の分割数（分割コイルの個数）を３つとして説明しているが、２次コイル２１の分割数は特に限定されるものではなく、想定される相対位置ずれ量や要求される電力伝送の効率、コストとの兼ね合いなどにより最適な数を選択すればよい。

本実施形態の非接触給電装置において、２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性は、コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃによって各々個別に切り替えられる。つまり、図１に示したように、分割コイル２１ａにはコイル極性反転回路２４ａ、分割コイル２１ｂにはコイル極性反転回路２４ｂ、分割コイル２１ｃにはコイル極性反転回路２４ｃがそれぞれ接続され、さらにこれらが直列に接続された構成とされる。各コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、図９に示すような極性反転スイッチを有しており、コントローラ２５の制御に従ってこの極性反転スイッチが図９（ａ）のように動作することによりコイル極性をプラス側、図９（ｂ）のように動作することでコイル極性をマイナス側に切り替える。

コントローラ２５は、１次コイル１４の通電時に２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに各々鎖交する個々の鎖交磁束の極性に応じて、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに接続されたコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を制御する。ここで、２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに各々鎖交する磁束の極性は、上述したように、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置によって変化するものである。したがって、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置を検出する機構を設けておけば、コントローラ２５は、その相対位置の検出結果に基づいてコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を適切に制御することが可能になる。

図１０は、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置を検出する機構の一例を示す模式図である。この図１０に示す相対位置検出機構は、１次コイル１４の上面（２次コイル２１に対向する面）に設けられた位置検出パターン３１を、２次コイル２１の中央部付近に設置された読み取りセンサ３２により読み取ることによって、１次コイル１４に対する２次コイル２１の相対位置を検出する構成となっている。本実施形態の非接触給電装置では、このような相対位置検出機構を設けて読み取りセンサ３２の出力をコントローラ２５に入力することで、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置、つまり２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに各々鎖交する各磁束の極性に応じて、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を適切に切り替えることができる。

ここで、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置に基づいてコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を制御する手法の具体的な一例について、図１１及び図１２を参照して説明する。

２次コイル２１を３つの分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成した場合、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置を、例えば図１１（ａ）〜（ｄ）に示す４つのパターンに分類する。図１１（ａ）に示すパターン１は、１次コイル１４と２次コイル２１のコイルせん断方向における相対位置にずれがない状態である。図１１（ｂ）に示すパターン２は、コイルせん断方向における相対位置が僅かにずれて、１次コイル１４の端部が図中左側の分割コイル２１ａの領域に位置する状態である。図１１（ｃ）に示すパターン３は、コイルせん断方向における相対位置がさらにずれて、１次コイル１４の端部が中央の分割コイル２１ｂの領域に位置する状態である。図１１（ｄ）のパターン４は、コイルせん断方向における相対位置がさらに大きくずれて、１次コイル１４の端部が図中右側の分割コイル２１ｃの領域に位置する状態である。

１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がパターン１の場合は、２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を全てプラス側にすることで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量が最大となる。また、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がパターン２の場合は、分割コイル２１ａの極性をマイナス側、分割コイル２１ｂと分割コイル２１ｃの極性をプラス側にすることで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量が最大となる。また、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がパターン３の場合は、分割コイル２１ａと分割コイル２１ｂの極性をマイナス側、分割コイル２１ｃの極性をプラス側にすることで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量が最大となる。また、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がパターン４の場合は、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を全てマイナス側にすることで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量が最大となる。

以上のような１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置と、それに対応する２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性との関係を、例えば図１２のような対応マップとしてコントローラ２５の内部メモリなどに記憶させておく。これにより、コントローラ２５は、対応マップを参照することで、上述した相対位置検出機構により検出された１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置に基づいて、コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を適切に制御して、２次コイル２１に鎖交する磁束が多くなるように各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性を適切に切り替えることができる。なお、１次，２次コイルの相対位置と各分割コイルの極性との関係は、分割コイルのコイル数や１次コイルに対する各分割コイルの大きさなど、非接触給電装置の特性によって様々であるため、事前に実機を用いた実験や計算などにより最適な対応関係を求めてマップを作成し、記憶させておく。

次に、コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの切り替え動作を制御する方法の他の例について説明する。

図１３は、微弱な検査用パルス電圧を１次コイル１４に印加するパルス電圧印加部４１と、１次コイル１４に検査用パルス電圧を印加したときに２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに流れる誘導電流を検出する電流センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃとを設けた構成を示す模式図である。パルス電圧印加部４１から微弱な検査用パルスを１次コイル１４に印加すると、２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃには誘導電流が流れることになるが、その誘導電流の極性及び振幅は、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの１次コイル１４に対する相対位置に応じて変化することになる。したがって、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに流れる誘導電流を各々検出する電流センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃの出力をコントローラ２５に入力すれば、各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性が最適になるように、コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を適切に制御することができる。

例えば、パルス電圧印加部４１から１次コイル１４に微弱な検査用パルスを印加したときに、電流センサ４２ａにより検出される分割コイル２１ａの電流波形として図１４（ａ）に示すような波形が得られ、電流センサ４２ｂにより検出される分割コイル２１ｂの電流波形として図１４（ｂ）に示すような波形が得られ、電流センサ４２ｃにより検出される分割コイル２１ｃの電流波形として図１４（ｃ）に示すような波形が得られた場合、分割コイル２１ａの極性のみが反転するようにコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を制御することで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量を多くすることができる。

図１５は、給電側から受電側に伝送される電力量を計測するパワーメータ５０を設けた構成を示す模式図である。パワーメータ５０の出力は、給電側の１次コイル１４に通電している電力伝送用交流が変化していなければ、給電側から受電側に最も効率よく電力伝送が行われている状態で最大となる。したがって、パワーメータ５０の出力をコントローラ２５に入力すれば、コイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃを操作することで２次コイル２１を構成する各分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性の組み合わせを微小時間ずつ順次切り替えながらパワーメータ５０の出力をモニタリングすることによって、給電側から受電側に最も効率よく電力伝送を行うことが可能な分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性の組み合わせを探索することができる。そして、パワーメータ５０の出力が最大となる分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの極性の組み合わせが探索されたら、その組み合わせとなるようにコイル極性反転回路２４ａ，２４ｂ，２４ｃの動作を制御することによって、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量を多くすることができる。なお、パワーメータ５０としては、この種の非接触給電装置において通常の電力伝送制御用に設けられているものを用いればよい。

ところで、以上説明した本実施形態の非接触給電装置では、２次コイル２１を構成する複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃのコイルせん断方向における径の合計値が、１次コイル１４のコイルせん断方向における径とほぼ等しく、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置にずれがない状態で、１次コイル１４のコイル端部の位置と左右両端の分割コイル２１ａ，２１ｃの端部の位置とが一致する構成となっている。しかしながら、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置にずれが生じた場合でもコイル間の相互インダクタンスを大きくとれるようにするには、図１６に示すように、２次コイル２１を構成する複数の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃのコイルせん断方向における径の合計値Ｌ１を、１次コイル１４のコイルせん断方向における径Ｌ２よりも大きくすることが有効である。

ただし、この図１６に示した２次コイル２１の構成では、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置にずれがない状態のときに、１次コイル１４のコイル端部の位置と分割コイル２１ａ，２１ｃの端部の位置とが一致しないため、相対位置ずれがない状態であっても磁束の廻りこみにより分割コイル２１ａ，２１ｃにて一部の鎖交磁束がキャンセルされ、総鎖交磁束量が減少する。そこで、このような磁束の廻りこみによる影響を回避するために、図１７に示すように、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置にずれがない状態で、１次コイル１４のコイルせん断方向における両端部の位置が、２次コイル２１を構成するいずれかの分割コイル（図１７の例では分割コイル２１ａ，２１ｃ）のコイルせん断方向における端部の位置と一致するように、２次コイル２１を構成する分割コイルの数及びその配置を定めることが望ましい。

また、図１７に示す構成とした場合でも、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置にずれが生じると、左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅにて鎖交磁束のキャンセルが生じることになる。この左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅにおける鎖交磁束のキャンセルは、図１８（ａ）に示すように、左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅのコイルせん断方向における径を小さくすることで有効に抑制することができる。すなわち、左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅにて生じる鎖交磁束のキャンセルは、上述したように、１次コイル１４のコイル端部での磁束の廻りこみの影響によるものである。したがって、図１８（ｂ）に示すように、左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅのコイルせん断方向における径が大きい場合には、その磁束の廻りこみの影響も大きくなる。これに対して、図１８（ａ）のように、左右両端の分割コイル２１ｄ，２１ｅのコイルせん断方向における径を、両端部以外の分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃのコイルせん断方向における径以下にしておけば、１次コイル１４の端部における磁束の廻りこみの影響を小さくして、鎖交磁束のキャンセルを生じにくくすることが可能となる。なお、この特性は、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置ずれ量や１次コイル１４と２次コイル２１との対向面間の距離（ギャップ）に依存した特性であるため、小径とする分割コイルの寸法や個数などは、非接触給電装置において想定される相対位置ずれ量や対向面間の距離に応じて最適な値に設定することが望ましい。

ところで、本実施形態の非接触給電装置は、上述したように、電気ステーションの給電設備から電気自動車に電力を伝送してバッテリ２３を充電するための装置として構成されており、図１９に示すように、給電側の１次コイル１４は路面Ｒに設置され、受電側の２次コイル２１は電気自動車Ｖの車体底部に設置される。ここで、電気ステーションには、通常、電気自動車Ｖを所定の給電位置に停車させるための輪留め６０が設置されており、電気自動車Ｖの後輪をこの輪留め６０に接触させた状態で給電を行うことが多い。このため、電気自動車Ｖの前後方向においては、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がさほど変化することはなく、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がずれるのは、主に電気自動車Ｖの車幅方向（図１９の紙面に対して垂直な方向）となる。したがって、２次コイル２１を構成する各分割コイルは、電気自動車Ｖの車幅方向に沿って重複することなく隣接するように配置されることが望ましい。

図２０は、本実施形態の特徴的な構成、つまり、２次コイル２１を複数の分割コイルで構成してこれら複数の分割コイルの極性を個別に切り替えられるようにした場合の効果を説明する図であり、実施例１、比較例１、実施例２、比較例２について、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置ずれ量Ｘと２次コイル２１に鎖交する鎖交磁束との関係を計算によって求めた結果をグラフ化したものである。なお、実施例１は、図２１（ａ）に示すように、２次コイル２１を３つの分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成し、且つ、分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの径の合計値を１次コイル１４の径と略等しくした場合の例であり、比較例１は、図２１（ｂ）に示すように、２次コイル２１を単一のコイルで構成し、且つ、２次コイル２１の径を１次コイル１４の径と略等しくした場合の例である。また、実施例２は、図２１（ｃ）に示すように、２次コイル２１を４つの分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで構成し、且つ、分割コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの径の合計値を１次コイル１４の径よりも大径とした場合の例であり、比較例１は、図２１（ｄ）に示すように、２次コイル２１を単一のコイルで構成し、且つ、２次コイル２１の径を１次コイル１４の径よりも大径とした場合の例である。

図２０に示した計算結果から分かるように、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置ずれ量Ｘが大きくなると２次コイル２１に鎖交する鎖交磁束は減少するが、実施例１や実施例２では、２次コイル２１を構成する分割コイルの極性を切り替えることで鎖交磁束を一時的に増加させることができ、比較例１や比較例２に比べて、相対位置ずれによる鎖交磁束の減少を抑制することができる。また、比較例１や比較例２では２次コイル２１に鎖交する鎖交磁束が０になる点（電力伝送が行えない点）が見られるが、実施例１や実施例２では、このような鎖交磁束が０になる点がなくなっている。

以上、具体的な例を挙げながら説明したように、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を複数の分割コイルで構成してこれら複数の分割コイルの極性を個別に切り替えられるようにしたことで、給電側の１次コイル１４への通電により生じる磁束が２次コイル２１に鎖交する際に、１次コイル１４に対する相対位置のずれにより２次コイル２１内で極性の違う磁束が鎖交して結果的に総鎖交磁束が減少するような現象を回避することができる。したがって、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化する場合にもコイル間の相互インダクタンスを大きくとることができ、給電側から受電側への電力伝送を効率的に行うことができる。また、２次コイル２１内で極性が異なる磁束同士が完全に打ち消しあって等価的に鎖交磁束が０となる現象を回避することができるので、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置が比較的大きく変化する用途においても、安定した電力伝送が可能となる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置を検出する相対位置検出機構を設け、コントローラ２５が、この相対位置検出機構により検出されたコイル間の相対位置に基づいてコイル極性反転回路の動作を制御することで、２次コイル２１を構成する各分割コイルの極性を適切に切り替えて、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量を多くすることができる。さらに、この場合には、分割コイルの極性を短時間で切り替えることができるので、特に電気自動車を移動させながら瞬時に給電を行うような用途においても、電気自動車に対して効率的に電力伝送を行うことができる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、１次コイル１４に微弱なパルス電圧を印加したときに各分割コイルに流れる誘起電流を電流センサで検出し、その電流波形の極性及び振幅に基づいてコントローラ２５がコイル極性反転回路の動作を制御することで、２次コイル２１を構成する各分割コイルの極性を適切に切り替えて、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量を多くすることができる。さらに、この場合には、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置を検出する機構を設ける必要がないため構成を簡略化することができ、さらに実際に電力伝送用の交流を通電する前に分割コイルの極性の切り替えを行うことができるので、損失が少ない。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、１次コイル１４への交流通電時に給電側から受電側に伝送される電力量をパワーメータ５０で計測し、コントローラ２５が、２次コイル２１を構成する各分割コイルの極性の組み合わせを微小時間ずつ順次切り替えながらパワーメータ５０の出力が最大となる分割コイルの極性の組み合わせが探索し、その組み合わせとなるようにコイル極性反転回路の動作を制御することで、２次コイル２１に鎖交する総鎖交磁束量を多くすることができる。さらに、この場合には、もともと電力伝送制御用に設けられているパワーメータ５０を用いて分割コイルの極性の切り替えを適切に行うことができるので、装置構成をより一層簡略化することができる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を構成する各分割コイルを、１次コイル１４に対して相対位置が変化する方向であるコイルせん断方向において重複することなく隣接するように配置することによって、複数のコイルを用いながらも２次コイル２１で無駄なく磁束を捕捉させることができる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を構成する複数の分割コイルのコイルせん断方向における径の合計値を、１次コイル１４のコイルせん断方向における径よりも大きくすることで、１次コイル１４と２次コイル２１の相対位置が変化した場合にも、これらコイル同士の相互インダクタンスが低下する割合を低減できる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を構成する複数の分割コイルのコイルせん断方向における径の合計値を、１次コイル１４のコイルせん断方向における径よりも大きくした場合に、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置ずれがゼロの状態で２次コイル２１を構成する分割コイルのいずれかの端部の位置が１次コイル１４の端部の位置と一致するようにすることで、相対位置ずれがない状態での１次コイル１４の端部における磁束の廻りこみの影響で２次コイル２１の総鎖交磁束量が減少する不都合を有効に回避することができ、効率の良い電力伝送を行うことができる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を構成する複数の分割コイルのうち、両端部に位置する分割コイルの径を両端部以外の分割コイルの径以下とすることで、１次コイル１４と２次コイル２１との相対位置がずれた場合での１次コイル１４の端部における磁束の廻りこみの影響を緩和させることができ、さらに効率的な電力伝送を行うことができる。

また、本実施形態の非接触給電装置によれば、２次コイル２１を構成する各分割コイルを、電気自動車の車幅方向に沿って重複することなく隣接するように配置することによって、電気ステーションで電気自動車に給電を行う際に位置ずれが生じやすい方向に各分割コイルが並んだ状態とすることができ、分割コイルの並ぶ方向を一方向のみとしながら効率の良い電力伝送を実現することができる。

なお、以上説明した実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１４ 一次コイル
２１ ２次コイル
２１ａ〜２１ｅ 分割コイル
２４ａ〜２４ｃ コイル極性反転回路
２５ コントローラ
３１ 位置検出パターン
３２ 読み取りセンサ
４１ パルス電圧印加部
４２ａ〜４２ｃ 電流センサ
５０ パワーメータ

Claims (10)

1. 給電側の１次コイルと受電側の２次コイルとを磁気結合させて給電側から受電側に非接触で電力を伝送する電磁誘導型の非接触給電装置において、
   前記２次コイルを構成する複数の分割コイルと、
   前記複数の分割コイルの極性を個別に切り替え可能なコイル極性切替手段と、
   前記複数の分割コイルに各々鎖交する鎖交磁束の極性に応じて前記コイル極性切替手段の切り替え動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記１次コイルと前記２次コイルの相対位置を検出する相対位置検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記相対位置検出手段の検出結果に基づいて前記コイル極性切替手段の切り替え動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記１次コイルに検査用パルス電圧を印加するパルス電圧印加手段と、
   前記パルス電圧印加手段が前記１次コイルに検査用パルス電圧を印加したときに前記２次コイルを構成する各分割コイルに流れる誘導電流を各々検出する電流検出手段とをさらに備え、
   前記制御手段は、前記電流検出手段により検出された各分割コイルの電流波形の極性及び振幅に基づいて前記コイル極性切替手段の切り替え動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
4. 給電側から受電側に伝送される電力量を計測する電力計測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記２次コイルを構成する複数の分割コイルの極性の組み合わせを順次切り替えながら前記電力計測手段により計測される電力量が最大となる組み合わせパターンを探索し、探索した組み合わせパターンとなるように前記コイル極性切替手段の切り替え動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
5. 前記１次コイルに対して前記２次コイルの相対位置が変化することが想定される方向をコイルせん断方向としたときに、前記２次コイルを構成する複数の分割コイルは、前記コイルせん断方向に重複することなく隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
6. 前記２次コイルを構成する複数の分割コイルの前記コイルせん断方向における径の合計値が、前記１次コイルの前記コイルせん断方向における径よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の非接触給電装置。
7. 前記１次コイルと前記２次コイルの前記コイルせん断方向におけるずれ量がゼロの状態のときに、前記１次コイルの前記コイルせん断方向における両端部の位置が、前記２次コイルを構成する複数の分割コイルのうちのいずれかの分割コイルの前記コイルせん断方向における端部の位置に一致することを特徴とする請求項６に記載の非接触給電装置。
8. 前記２次コイルを構成する複数の分割コイルのうち、両端部に位置する分割コイルの前記コイルせん断方向における径が、両端部以外の分割コイルの前記コイルせん断方向における径以下とされていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
9. 固定の給電設備の１次コイルとの間で磁気結合することで誘導起電力を発生する２次コイルと、前記２次コイルに発生する誘導起電力を直流に変換する電力変換器と、前記電力変換器の直流出力により充電されるバッテリとを備える電気自動車において、
   前記２次コイルが複数の分割コイルにより構成されているとともに、前記複数の分割コイルの極性を個別に切り替え可能なコイル極性切替手段と、前記複数の分割コイルに各々鎖交する鎖交磁束の極性に応じて前記コイル極性切替手段の動作を制御する制御手段とが設けられていることを特徴とする電気自動車。
10. 前記２次コイルを構成する複数の分割コイルは、電気自動車の車幅方向に沿って重複することなく隣接して配置されていることを特徴とする請求項９に記載の電気自動車。

Images