JP5530848B2 - コイルユニット、非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、車両および非接触電力給電システム - Google Patents

Description

本発明は、コイルユニット、非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、車両および非接触電力給電システムに関する。

従来から、コイルユニットは、特開２００３−７９５９７号公報や特開２００８−６７８０７号公報にも記載されているように磁気共鳴撮像装置に利用されている。近年、環境に対する関心の高まりから、電気自動車やハイブリッド車両が注目されており、車両に搭載されたバッテリを外部から非接触で充電する方法として、コイルユニットを用いた電磁誘導方式や共鳴方式の充電方法が着目されている。

そして、たとえば、特開平７−６７２７０号公報に記載の非接触給電装置は、地面に埋設した一次コイルと、車両に搭載された二次コイルとを備え、二次コイルに発生した誘導電流を利用して、車両に搭載されたバッテリを充電している。

特開２０１０−７３９７６号公報に記載ワイヤレス電力伝送装置は、電気自動車に搭載された受電装置と、給電装置とを備え、給電装置は、電力送電用の通信コイルを含み、受電装置は、電力受電用の通信コイルを含む。電力送電用の通信コイルは一次コイルと、共鳴コイルとを含み、電力受電用の通信コイルは、一次コイルと、共鳴コイルとを含む。電力受電用の通信コイルと電力送電用の通信コイルとは、共鳴型電力伝達方式で電力をワイヤレスで送電している。

特開２００３−７９５９７号公報 特開２００８−６７８０７号公報 特開平７−６７２７０号公報 特開２０１０−７３９７６号公報

電磁誘導方式の非接触電力送電方法では、一次コイルと二次コイルとの間で電力の送電が可能な距離は短く、一次コイルと二次コイルとを近接させる必要がある。このため、ある程度の送電距離や受電距離を要する場合には不向きな送電方式である。その一方で、特開２０１０−７３９７６号公報に記載ワイヤレス電力伝送装置においては、共鳴型電力伝達方式が採用されており、電磁誘導方式よりも送電距離および受電距離を長くすることができる。

しかし、共鳴型電力伝達方式が採用された電力送電装置においても、電力送電用の共鳴コイルと、電力受電用の共鳴コイルとが位置ずれした場合には、送電効率および受電効率が著しく低下する。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電磁共鳴を利用して電力の送電および受電の少なくとも一方が可能な共振コイルを備えたコイルユニットにおいて、相手側の共振コイルと位置ずれしたとしても、電力の送電効率または受電効率の低下の抑制が図られたコイルユニット、非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、車両および非接触電力給電システムを提供することである。

本発明に係るコイルユニットは、間隔をあけて配置された第１自己共振コイルとの電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくとも一方を行なう第２自己共振コイルを含むコイルユニットである。上記第２自己共振コイルは、複数の単位コイルを含み、上記各単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされる。好ましくは、上記単位コイルは、互いに隣り合うように配置される。好ましくは、上記単位コイルの巻き数は、一巻きである。好ましくは、上記第２自己共振コイルは、１つの導線から形成される。

好ましくは、複数の単位コイルは環状に配置される。好ましくは、上記単位コイルは、仮想線を中心に対称となるように４つ配置される。好ましくは、第１自己共振コイルの共振周波数と、第２自己共振コイルの共振周波数は一致している。上記第２自己共振コイルとの間で電力の送電および受電の少なくとも一方が可能とされた第１自己共振コイルに周波数が共振周波数とされた電流を流すことで第１近接場を第１自己共振コイルの周囲に形成し、第２自己共振コイルは、第１近接場が位置する領域内に位置することで、第１自己共振コイルから電力を受電可能とされる。上記第２自己共振コイルは、周波数が共振周波数とされた電流が流れることで、第２自己共振コイルの周囲に第２近接場を形成可能とされる。上記第２近接場が形成された領域内に第１自己共振コイルが位置することで、第２自己共振コイルは、第１自己共振コイルに電力を送電可能とされる。

本発明に係る非接触電力送電装置は、上記外部電源から電力が供給され、第２自己共振コイルに電力を送電する第１電磁誘導コイルと、上記コイルユニットとを備える。本発明に係る非接触電力受電装置は、上記コイルユニットと、第２自己共振コイルから電力を受電する第２電磁誘導コイルとを備える。

本発明に係る車両は、上記非接触電力受電装置と、上記第２電磁誘導コイルから電力が供給される蓄電装置とを備える。好ましくは、上記複数の単位コイルは、車両の幅方向中央部を通り、車両の前後方向に延びる仮想軸線に対して対称となるように配置される
好ましくは、上記複数の単位コイルは、車両の幅方向に延びる仮想軸線に対して対称となるように配置される。

本発明に係る日接触電力給電システムは、第１自己共振コイルを含む第１コイルユニットと、第１自己共振コイルとの電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくとも一方を行う第２自己共振コイルを含む第２コイルユニットとを備えた非接触電力給電システムである。上記第１自己共振コイルは、互いに隣り合う複数の第１単位コイルを含み、上記第２自己共振コイルは、互いに隣り合う複数の第２単位コイルを含む。各第１単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされ、各第２単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされる。好ましくは、上記第１単位コイルは、互いに隣り合うように配置され、第２単位コイルは、互いに隣り合うように配置される。

本発明に係るコイルユニット、非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、車両および非接触電力給電システムによれば、共振コイル同士が位置ずれしたとしても、電力の受電効率および送電効率を高く維持することができる。

基本的な非接触給電システムを示す全体構成図である。 共鳴法による送電の原理を説明するための図である。 電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 車両に搭載されたコイルユニット１０１を模式的に示す斜視図である。 二次共振コイル１１０を模式的に示す平面図である。 周波数が二次共振コイル１１０の共鳴周波数（共振周波数）とされた電流が二次共振コイル１１０に流れたときの様子を模式的に示す平面図である。 給電装置２００に搭載されたコイルユニット２０１を模式的に示す斜視図である。 一次共振コイル２４０を模式的に示す平面図である。 周波数が一次共振コイル２４０の共鳴周波数とされた電流が一次共振コイル２４０に流れたときの様子を模式的に示す平面図である。 車両１００の蓄電装置１５０を充電するときにおいて、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の相対的な位置関係を模式的に示す斜視図である。 近接場ＮＦ２と二次共振コイル１１０とを上方から平面視したときの模式図である。 近接場ＮＦ２と二次共振コイル１１０とを上方から平面視したときの模式図である。 比較例としての電力給電システムを模式的に示す平面図である。 二次共振コイルとして円形の共振コイルを採用した例を模式的に示す平面図である。 図１、図１０および図１２に示す電力給電システムにおいて、伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１３に示す電力給電システムにおいて、伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。 二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の変形例を模式的に示す斜視図である。 図１３に示す比較例としての給電システムを模式的に示す斜視図である。 図１７に示す電力給電システムの伝送効率を示すグラフである。 図１８に示す伝送効率を示すグラフである。 車両１００に複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を採用し、一次共振コイル２４０に円形コイルを採用した例を模式的に示す模式図である。 複数の単位コイルを含む一次共振コイル２４０をコイルユニット２０１に搭載し、円形コイルを二次共振コイル１１０として車両１００に搭載した例を模式的に示す模式図である。 複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。 複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。 複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。 複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。 複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、基本的な非接触給電システムを示す全体構成図である。図１を参照して、非接触給電システムは、車両１００と、給電装置２００とを備える。

車両１００は、コイルユニット１０１と、整流器１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、蓄電装置１５０と、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する。）１６０と、モータ１７０と、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８０とを含む。

なお、車両１００の構成は、モータにより駆動される車両であれば、図１に示される構成に限らない。たとえば、車両１００は、モータと内燃機関とを備えるハイブリッド車両や、燃料電池を備える燃料電池自動車、電気自動車などを含む。

コイルユニット１０１は、二次共振コイル１１０と、二次共振コイル１１０に設けられたキャパシタ１１５と、二次電磁誘導コイル１２０とを含む。二次共振コイル１１０は、たとえば車体下部に設置される。二次共振コイル１１０は、ＬＣ共振器であり、給電装置２００に設けられたコイルユニット２０１の一次共振コイル２４０と電磁場を介して共鳴することにより給電装置２００から電力を受電または送電の少なくとも一方を行う。なお、二次共振コイル１１０の容量成分は、所定の容量を得るためにキャパシタ１１５が二次共振コイル１１０に設けられているが、コイルの寄生容量で対応可能である場合には、キャパシタ１１５を設けなくてもよい。

二次共振コイル１１０は、給電装置２００の一次共振コイル２４０との距離や、一次共振コイル２４０および二次共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、一次共振コイル２４０と二次共振コイル１１０との共鳴強度を示すＱ値（たとえば、Ｑ＞１００）およびその結合度を示すκ等が大きくなるように形成されている。

二次電磁誘導コイル１２０は、二次共振コイル１１０と同軸上に設置され、電磁誘導により二次共振コイル１１０と磁気的に結合可能である。この二次電磁誘導コイル１２０は、二次共振コイル１１０により受電された電力を電磁誘導により取出して整流器１３０へ
出力する。

整流器１３０は、二次電磁誘導コイル１２０によって取出された交流電力を整流して直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４０へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、車両ＥＣＵ１８０からの制御信号に基づいて、整流器１３０によって整流された電力を蓄電装置１５０の電圧レベルになるように変換して蓄電装置１５０へ出力する。なお、車両を走行しながら給電装置２００から受電する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、整流器１３０によって整流された電力をシステム電圧に変換してＰＣＵ１６０へ直接供給してもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、必ずしも必要ではなく、二次電磁誘導コイル１２０によって取出された交流電力が整流器１３０によって整流された後に蓄電装置１５０に直接与えられるようにしてもよい。

蓄電装置１５０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池を含んで構成される。蓄電装置１５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から供給される電力を蓄えるほか、モータ１７０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置１５０は、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給する。なお、蓄電装置１５０として大容量のキャパシタも採用可能であり、給電装置２００から供給される電力やモータ１７０からの回生電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

ＰＣＵ１６０は、蓄電装置１５０から出力される電力、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から直接供給される電力によってモータ１７０を駆動する。また、ＰＣＵ１６０は、モータ１７０により発電された回生電力（交流電力）を直流電力に変換して蓄電装置１５０へ出力し、蓄電装置１５０を充電する。モータ１７０は、ＰＣＵ１６０によって駆動され、車両走行のための駆動力を発生して駆動輪へ出力する。また、モータ１７０は、駆動輪や、ハイブリッド車両の場合には図示されないエンジンから受ける運動エネルギによって発電し、その発電した回生電力をＰＣＵ１６０へ出力する。

車両ＥＣＵ１８０は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の受信や各機器へ
の制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。なお、図１においては、車両ＥＣＵ１８０が、車両１００の走行制御、および給電装置２００からの電力の受電制御の両方を行なう構成としているが、制御装置の構成はこれに限定されない。すなわち、車両１００が、機器ごとあるいは機能ごとに対応した制御装置を個別に備える構成とすることもできる。たとえば、受電制御を主として行なうための受電ＥＣＵを備える構成としてもよい。

車両ＥＣＵ１８０は、給電装置２００から車両１００への給電時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御する。車両ＥＣＵ１８０は、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御することによって、整流器１３０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４０との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。また、車両ＥＣＵ１８０は、車両の走行時は、車両の走行状況や蓄電装置１５０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称される。）に基づい
てＰＣＵ１６０を制御する。

一方、給電装置２００は、交流電源２１０と、高周波電力ドライバ２２０と、コイルユニット２０１とを含む。コイルユニット２０１は、一次電磁誘導コイル２３０と一次共振コイル２４０と、一次共振コイル２４０に設けられたキャパシタ２４５とを含む。

交流電源２１０は、車両外部の電源であり、たとえば商用電源である。高周波電力ドライバ２２０は、交流電源２１０から受ける電力を高周波の電力に変換し、その変換した高
周波電力を一次電磁誘導コイル２３０へ供給する。なお、高周波電力ドライバ２２０が生成する高周波電力の周波数は、たとえば１Ｍ〜数十ＭＨｚである。

一次電磁誘導コイル２３０は、一次共振コイル２４０と同軸上に設置され、電磁誘導により一次共振コイル２４０と磁気的に結合可能である。そして、一次電磁誘導コイル２３０は、高周波電力ドライバ２２０から供給される高周波電力を電磁誘導により一次共振コイル２４０へ給電する。

一次共振コイル２４０は、たとえば地面近傍に設置される。一次共振コイル２４０は、二次共振コイル１１０と同様にＬＣ共振器であり、車両１００の二次共振コイル１１０と電磁場を介して共鳴することにより車両１００へ電力を送電または車両１００から電力を受電する。なお、一次共振コイル２４０の容量成分は、所定の容量を得るためにキャパシタ２４５が一次共振コイル２４０に設けられているが、一次共振コイル２４０の寄生容量で対向可能な場合には、キャパシタ２４５は必須ではない。

この一次共振コイル２４０も、車両１００の二次共振コイル１１０との距離や、一次共振コイル２４０および二次共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値（たとえば、Ｑ＞１００）および結合度κ等が大きくなるように形成されている。

図２は、共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図２を参照して、この共鳴法では、２つの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する２つのＬＣ共振器が電磁場（近接場）において共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへ電磁場を介して電力が伝送される。

具体的には、高周波電源３１０に一次電磁誘導コイル３２０を接続し、電磁誘導により一次電磁誘導コイル３２０と磁気的に結合される一次共振コイル３３０へ、１Ｍ〜数十ＭＨｚの高周波電力を給電する。一次共振コイル３３０は、コイル自身のインダクタンスと寄生容量（コイルにキャパシタが接続される場合には、キャパシタの容量を含む）とによるＬＣ共振器であり、一次共振コイル３３０と同じ共振周波数を有する二次共振コイル３４０と電磁場（近接場）を介して共鳴する。そうすると、一次共振コイル３３０から二次共振コイル３４０へ電磁場を介してエネルギ（電力）が移動する。二次共振コイル３４０へ移動したエネルギ（電力）は、電磁誘導により二次共振コイル３４０と磁気的に結合される二次電磁誘導コイル３５０によって取出され、負荷３６０へ供給される。なお、共鳴法による送電は、一次共振コイル３３０と二次共振コイル３４０との共鳴強度を示すＱ値がたとえば１００よりも大きいときに実現される。

なお、図１との対応関係について説明すると、図１の交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０は、図２の高周波電源３１０に相当する。また、図１の一次電磁誘導コイル２３０および一次共振コイル２４０は、それぞれ図２の一次電磁誘導コイル３２０および一次共振コイル３３０に相当し、図１の二次共振コイル１１０および二次電磁誘導コイル１２０は、それぞれ図２の二次共振コイル３４０および二次電磁誘導コイル３５０に相当する。そして、図１の整流器１３０からモータ１７０までが負荷３６０として総括的に示されている。

図３は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図３を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電磁界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電磁界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電磁界」と称される。

「静電磁界」は、波源からの距離とともに急激に電磁界の強度が減少する領域であり、
共鳴法では、この「静電磁界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギ（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電磁界」が支配的な近接場において、同じ固有振動数を有する一対の共鳴器（たとえば一対のＬＣ共振器）を共鳴させることにより、一方の共鳴器（一次共振コイル）から他方の共鳴器（二次共振コイル）へエネルギ（電力）を伝送する。この「静電磁界」は遠方にエネルギを伝播しないので、遠方までエネルギを伝播する「輻射電磁界」によってエネルギ（電力）を伝送する電磁界に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギ損失で送電することができる。
（この段落以降が新規）
図４は、車両に搭載されたコイルユニット１０１を模式的に示す斜視図である。この図４に示すように、コイルユニット１０１は、二次共振コイル１１０と、二次電磁誘導コイル１２０と、二次共振コイル１１０に設けられたキャパシタ１１５とを含む。二次共振コイル１１０は、複数の単位コイル１１１，１１２，１１３，１１４を含む。各単位コイル１１１〜１１４は、互いに隣り合うように配置されている。

二次共振コイル１１０は、１つの導線から形成されており、導線を巻回することで単位コイル１１１〜１１４が形成されている。このため、各単位コイル１１１〜１１４に電力を供給する機構または各単位コイル１１１〜１１４から電力を受電する機構を１つに集約することができる。この図４に示す例においては、１つの二次電磁誘導コイル１２０で各単位コイル１１１〜１１４から電力を受電したり、各単位コイル１１１〜１１４に電力を送電したりしている。各単位コイル１１１〜１１４の巻き数は一巻きであり、二次共振コイル１１０の高さ方向のコンパクト化が図られている。

図５は、二次共振コイル１１０を模式的に示す平面図である。単位コイル１１１〜１１４は、二次共振コイル１１０の仮想中心線Ｏ１を中心として、環状に配列しており、仮想中心線Ｏ１を中心として対称となるように配置されている。なお、この図４および図５に示す例においては、仮想中心線Ｏの周囲に４つの単位コイルが、仮想中心線Ｏ１を中心に対称となるように配置されている。各単位コイル１１１〜１１４は、いずれも、同一の仮想平面上に配列している。なお、単位コイルの個数は４つに限られるものではなく、２つ以上設けられておればよい。

図５中の方向Ｄ１〜Ｄ４は、受電時または送電時に二次共振コイル１１０に生じる電流が流れる方向を模式的に示したもである。この図５において、各単位コイル１１１〜１１４の巻回方向はいずれも同じ方向とされており、受電および送電時に各単位コイル１１１〜１１４を流れる電流の方向Ｄ１〜Ｄ４は、いずれも同一の方向に流れる。二次共振コイル１１０全体としては、一巻きのコイルに方向Ｄ５に電流が流れているものと近似することができる。

各単位コイル１１１〜１１４に同一の方向に電流が流れることで、単位コイル１１１〜１１４から発せられる磁界の方向が同じ向きとなっており、各単位コイル１１１〜１１４に、周波数が二次共振コイル１１０の共鳴周波数とされた電流が流れることで近接場が形成される。

図６は、周波数が二次共振コイル１１０の共鳴周波数（共振周波数）とされた電流が二次共振コイル１１０に流れたときの様子を模式的に示す平面図である。

この図６に示すように、二次共振コイル１１０に共鳴周波数の電流が流れることで、二次共振コイル１１０の周囲に近接場ＮＦ１が形成される。近接場ＮＦ１は、単位コイル１１１の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ１と、単位コイル１１２の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ２と、単位コイル１１３の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ３と、単位コイル１１４の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ４とを含む。なお、この図６に示す近接場が形成される領域は強度の高い領域を模式的に示したものに過ぎない。

図７は、給電装置２００に搭載されたコイルユニット２０１を模式的に示す斜視図である。この図７に示すように、コイルユニット２０１は、一次電磁誘導コイル２３０と、一次共振コイル２４０と、一次共振コイル２４０に設けられたキャパシタ２４５とを含む。なお、本実施の形態に係る電磁共鳴による非接触電力給電システムにおいては、一次電磁誘導コイル２３０および二次電磁誘導コイル１２０は必須の構成ではない。

一次共振コイル２４０は、複数の単位コイル２４１〜２４４を含み、単位コイル２４１〜２４４は互いに隣り合うように配置されている。一次共振コイル２４０と二次共振コイル１１０とは、実質的に同一の形状となるように形成されており、一次共振コイル２４０の共鳴周波数と、二次共振コイル１１０の共鳴周波数とは一致している。

一次共振コイル２４０は、１つの導線から構成されており、導線を巻き回すことで、単位コイル２４１〜２４４が形成されている。単位コイル２４１〜２４４の巻き数は、一巻きであり、一次共振コイル２４０の高さ方向のコンパクト化が図られている。

図８は、一次共振コイル２４０を模式的に示す平面図であり、この図８に示すように、単位コイル２４１〜２４４は仮想中心線Ｏ２を中心に環状に配列しており、仮想中心線Ｏ２を中心に対称となるように配置されている。なお、図７および図８に示す例においても、４つの単位コイル２４１〜２４４が対称となるように配置されている。なお、単位コイル２４１〜２４４も同一仮想平面上に配列している。

図８中の方向Ｄ６〜Ｄ９は、受電時または送電時に一次共振コイル２４０に流れる電流の方向を模式的に示したものである。この図９において、各単位コイル２４１〜２４４の巻回方向はいずれも同一の方向とされており、受電時および送電時に各単位コイル２４１〜２４４に流れる電流の方向Ｄ６〜Ｄ９はいずれも同一の方向に流れる。一次共振コイル２４０全体としては、一巻きのコイルに方向Ｄ１０方向に電流がながれているものと近似することができる。

各単位コイル２４１〜２４４に同一の方向に電流が流れることで、単位コイル２４１〜２４４から発せられる磁界の方向が同じ向きとなる。そして、単位コイル２４１〜２４４に、周波数が一次共振コイル２４０の共鳴周波数とされた電流が流れることで近接場が形成される。

図９は、周波数が一次共振コイル２４０の共鳴周波数とされた電流が一次共振コイル２４０に流れたときの様子を模式的に示す平面図である。

この図９に示すように、一次共振コイル２４０に周波数が共鳴周波数とされた電流が流れることで、一次共振コイル２４０の周囲に近接場ＮＦ２が形成される。近接場ＮＦ２は、単位コイル２４１の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ５と、単位コイル２４２の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ６と、単位コイル２４３の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ７と、単位コイル２４４の周囲に形成された単位近接場ＵＮＦ８とを含む。

図１０は、車両１００の蓄電装置１５０を充電するときにおいて、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の相対的な位置関係を模式的に示す斜視図である。

蓄電装置１５０を充電するときには、一次共振コイル２４０の上方に二次共振コイル１１０が位置するように、車両１００が給電装置２００の上方に停車する。

その後、一次共振コイル２４０には、周波数が共鳴周波数とされた交流電流が流れ、図９に示すような近接場ＮＦ２が形成される。

図１１は、近接場ＮＦ２と二次共振コイル１１０とを上方から平面視したときの模式図である。この図１１においては、二次共振コイル１１０と一次共振コイル２４０とは、水平方向に一致しておらず、図中の「ｘ」方向に互いに位置ずれしている。

また、図１２も、近接場ＮＦ２と二次共振コイル１１０とを上方から平面視したときの模式図である。この図１２においては、二次共振コイル１１０と一次共振コイル２４０とは、互いに図中の「ｘ」方向および「ｙ」方向に位置ずれしている。

ここで、本実施の形態に係るコイルユニットによれば、２つの共振コイルが位置ずれしたとしても、高い充電効率を維持することができることについて、比較例を用いて説明する。図１３は、比較例としての電力給電システムを模式的に示す平面図である。

比較例に係る給電システムは、円形の一次共振コイル２５０と、円形の二次共振コイル２５１とを含み、一次共振コイル２５０および二次共振コイル２５１は同一径のコイルである。図１３に示すように、一次共振コイル２５０に周波数が共鳴周波数の交流電流を流すことで、一次共振コイル２５０の周囲に近接場ＮＦ３が形成される。一次共振コイル２５０と二次共振コイル２５１とは、図中の「ｘ」方向に位置ずれしている。

ここで、まず、図１１に示された二次共振コイル１１０と、図１３に示された二次共振コイル２５１とを比較する。

図１３に示す二次共振コイル１１０と近接場ＮＦ３との交差部分は、平面視すると、２箇所で交わっている。その一方で、図１１に示す二次共振コイル１１０と、近接場ＮＦ２との交差部分は、少なくとも２箇所以上存在することは明らかである。

また、図１２に示すように、二次共振コイル１１０が「ｘ」方向のみならず、「ｙ」方向にずれた場合においても、二次共振コイル１１０と近接場ＮＦ２との交差部分は、少なくとも２箇所以上であることは明らかである。

このように、本実施の形態に係るコイルユニットを採用することで、二次共振コイルと一次共振コイルとが水平面方向に位置ずれしたとしても、二次共振コイルが一次共振コイルによって形成された近接場を通る部分が多く、受電効率の低下を抑制することができる。その結果、車両に搭載された蓄電装置１５０への充電効率も高く維持することができる。

なお、図１１および図１２に示す例では、車両１００に搭載された蓄電装置１５０を充電するために、一次共振コイル２４０に共鳴周波数の電力を供給して、近接場ＮＦ２を形成し、この近接場ＮＦ２を介して、二次共振コイル１１０に電力を受電させている。

その一方で、蓄電装置１５０に蓄電された電力を給電装置２００に供給するために、二次共振コイル１１０に共鳴周波数の交流電流を流し、近接場ＮＦ１を形成し、近接場ＮＦ１を介して一次共振コイル２４０に電力を受電させてもよい。

この場合においても、図１１および図１２に示す例と同様に、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０が相対的に位置ずれしたとしても、二次共振コイル１１０と近接場ＮＦ１と交差部分は、少なくとも２箇所以上となる。このため、蓄電装置１５０からの電力を給電装置２００に送電する送電効率を高く維持することができる。

また、図１１および図１２に示す例においては、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０のいずれにおいても、複数の単位コイルを備えた共振コイルを採用した例について説明したが、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の一方を複数の単位コイルを備えた共振コイルとしてもよい。

図１４は、二次共振コイルとして円形の共振コイルを採用した例を模式的に示す平面図である。この図１４において、一点鎖線で示す二次共振コイル２５２が正常に位置決めされた状態における二次共振コイル２５２であり、実線で示す二次共振コイル２５２は、正常に位置決めされた位置から位置ずれした二次共振コイル２５２を示す。

この図１４からも明らかなように、実線で示された二次共振コイル２５２と、近接場ＮＦ２との交差部分は、少なくとも２箇所以上であることは明らかである。このため、この図１４に示す例においても、共振コイルが相対的に位置ずれしたとしても、高い受電効率および送電効率を維持することができることが分かる。

図１５は、図１、図１０および図１２に示す電力給電システムにおいて、伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラブである。図１６は、図１３に示す電力給電システムにおいて、伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。

なお、図１２に示す二次共振コイル１１０の縦寸法および横寸法をＬ１とし、一次共振コイル２４０を二次共振コイル１１０と同一の形状とする。図１２に示すＬ２の大きさは、たとえば、Ｌ１を１（ｍ）程度とするときには、１（ｍｍ）程度とする。そして、図１３において、二次共振コイル２５１および一次共振コイル２５０の直径をＬ１とする。

なお、シミュレーションソフトとしては、ＦＥＫＯ（（３次元電磁界解析シミュレータ）：ＥＭＳＳ社製）を採用した。

図１５および図１６において、横軸は、「ｘ」方向の位置ずれ量「ｄｘ」を示し、縦軸は、「ｙ」方向の位置ずれ量「ｄｙ」を示す。そして、図１０に示すように、一次共振コイルおよび二次共振コイルの高さ方向（図１０中の「ｚ」方向）の距離「ｄｚ」は、いずれも一定（たとえば、０．２ｍ）としている。なお、図１３における一次共振コイル２５０および二次共振コイル２５１の高さ方向の距離と、図１２および図１０に示す二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の高さ方向の距離は一致させている。

図１５および図１６において、領域Ｒ１が最も伝送効率の高い領域を示し、領域Ｒ２、領域Ｒ３、領域Ｒ４および領域Ｒ５となるにしたがって伝送効率が低下することを示す。ここで、図１５および図１６からも明らかなように、図１５に示す領域Ｒ１の方が、図１６に示す領域Ｒ１よりも面積が大きいことが分かる。

このため、図１０および図１２に示す電力給電システムの方が位置ずれしたとしても、高い給電効率を維持することができることがわかる。

なお、上述の例においては、単位コイルの形状として、円形状または円形に近い形状を採用した例について説明したが、単位コイルの形状についてはこれに限られない。

たとえば、図１７は、二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の変形例を模式的に示す斜視図である。この図１７に示す例においては、二次共振コイル１１０の単位コイル１１１〜１１４を方形形状とし、一次共振コイル２４０の単位コイル２４１〜２４４も同様に方形形状としている。たとえば、各単位コイル１１１〜１１４，２４１〜２４４は一辺の長さが等しい正方形形状とされている。

図１８は、図１３に示す比較例としての給電システムを模式的に示す斜視図である。
図１９は、図１７に示す電力給電システムの伝送効率を示すグラフであり、図２０は、図１８に示す伝送効率を示すグラフである。

図２０に示すグラフは、図１８に示す一次共振コイル２５０および二次共振コイル２５１の直径Ｌ１を１（ｍ）、一次共振コイル２５０および二次共振コイル２５１の高さ方向の距離（ｄｚ）を０．１４５（ｍ）としたときの伝送効率を示す。

そして、図１９に示す領域Ｒ１および領域Ｒ２などの伝送効率が高い領域と、図２０に示す領域Ｒ１および領域Ｒ２などの伝送効率が高い領域とが同じ位置となるように、図１７に示す長さＬ３を調整した結果、Ｌ３を０．８（ｍ）とすることで図１９に示す伝送効率の高い領域を図２０に示す伝送効率の高い領域に一致させることができた。

一辺の長さＬ３が０．８（ｍ）とされた二次共振コイル１１０は、図１８に示す直径Ｌ１を１（ｍ）とした二次共振コイル２５１よりもコンパクトなものとなっている。このように、伝送効率を一致させたときには、複数の単位コイルを含む共振コイルを採用した方が共振コイルのコンパクト化を図ることができることがわかった。

図２１は、車両１００に複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を採用し、一次共振コイル２４０に円形コイルを採用した例を模式的に示す模式図である。

この図２１に示すように、複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を車両１００に搭載することで、コイルユニット１０１のコンパクト化を図ることができ、車両１００の居住空間を広く確保することができる。

さらに、車両１００側に複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を採用することで、コイルユニット２０１に搭載する一次共振コイル２４０として、円形コイルや複数の単位コイルを含むコイル等を採用することができ、コイルユニット２０１の設計の自由度を確保することができる。

図２２は、複数の単位コイルを含む一次共振コイル２４０をコイルユニット２０１に搭載し、円形コイルを二次共振コイル１１０として車両１００に搭載した例を模式的に示す模式図である。

この図２２に示す例においては、円形コイルを二次共振コイル１１０として採用することで、二次共振コイル１１０の軽量化を図ることができる。特に、二次共振コイル１１０として円形コイルを採用することで、二次共振コイル１１０を支持するボビンの構造を簡易なものとすることができ、コイルユニット１０１のコンパクト化を図ることができる。コイルユニット１０１のコンパクト化を図ることで、車両１００の居住空間を広く確保することができる。

図２３は、複数の単位コイルを含む二次共振コイル１１０を搭載したときの状態を模式的に示す車両の一部平面図である。図２３に示すように、単位コイル１１１〜１１４は、車両１００の幅方向中央部を通り、前後方向に延びる仮想中心線Ｏ３に対して対称となるように配置されている。図２３に示す状態においては、二次共振コイル１１０は、一次共振コイル２４０に対して、右側に位置ずれしている。

図２４に示す状態では、二次共振コイル１１０は、一次共振コイル２４０に対して左側に位置ずれしている。ここで、図２３に示す状態における二次共振コイル１１０と近接場ＮＦ２との交差部分と、図２４に示す状態における二次共振コイル１１０と近接場ＮＦ２との交差部分とは、左右対称となっている。このため、図２３における一次共振コイル２４０および二次共振コイル１１０の間の給電効率と、図２４における一次共振コイル２４０および二次共振コイル１１０の給電効率とは一致する。

このため、一次共振コイル２４０に対して二次共振コイル１１０が右側に位置ずれした場合と、左側に位置ずれした場合とで、給電効率に差が生じることを抑制することができる。

図２５に示すように、単位コイル１１１〜１１４は、車両１００の幅方向に延びる仮想中心線Ｏ４に対して対称となるように配置されている。図２５に示す状態では、二次共振コイル１１０は一次共振コイル２４０より後方側に位置ずれしている。図２６に示す状態では、二次共振コイル１１０は一次共振コイル２４０の前方側に位置ずれしている。

ここで、単位コイル１１１〜１１４は、仮想中心線Ｏ４に対して対称に配置されているため、図２５に示す二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０の間の給電効率と、図２６に示す二次共振コイル１１０および一次共振コイル２４０との間の給電効率とは、一致する。

単位コイル１１１〜１１４は、上述のように、仮想中心線Ｏ３，Ｏ４に対して対称となるように配置されているため、図２３から図２６に示すように、二次共振コイル１１０が一次共振コイル２４０に対して右側に位置ずれした場合と、左側に位置ずれした場合と、前側に位置ずれした場合と、後ろ側に位置ずれした場合とのいずれにおいても、二次共振コイル１１０および近接場ＮＦ２の重なり態様は一致する。

この結果、二次共振コイル１１０が一次共振コイル２４０に対して前後左右のいずれの方向に位置ずれした場合においても、給電効率が位置ずれ方向によって大きく異なることを抑制することができる。

なお、車両１００における二次共振コイル１１０の搭載態様としては、上記図２３等のような例に限られない。たとえば、図２７に示すような搭載態様であってもよい。

この図２７に示す例においては、単位コイル１１１および単位コイル１１３は仮想中心線Ｏ３上に配列し、二次共振コイル１１０および単位コイル１１４は仮想中心線Ｏ４に配列している。この図２７に示す搭載態様によれば、各斜め方向（右前方向、右後方向、左前方向、左後方向など）に位置ずれしたとしても、各位置ずれ方向によって給電効率が著しくことなることを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、本発明は、コイルユニット、非接触電力送電装置、非接触電力受電装置、車両および非接触電力給電システムに適用することができる。

１００ 車両、１０１，２０１ コイルユニット、１１０，２５１，２５２，３４０ 二次共振コイル、１１１，１１２，１１３，１１４，２４１，２４２，２４３，２４４ 単位コイル、１１５，２４５ キャパシタ、１２０，３５０ 二次電磁誘導コイル、１３０ 整流器、１４０ コンバータ、１５０ 蓄電装置、１７０ モータ、２００ 給電装置、２１０ 交流電源、２２０ 高周波電力ドライバ、２３０ 一次電磁誘導コイル、２４０ 一次共振コイル、３１０ 高周波電源、ＮＦ１，ＮＦ２，ＮＦ３ 近接場、ＵＮＦ１，ＵＮＦ２，ＵＮＦ３，ＵＮＦ４，ＵＮＦ５，ＵＮＦ６，ＵＮＦ７，ＵＮＦ８ 単位近接場。

Claims (11)

1. 間隔をあけて配置された第１自己共振コイルとの電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくとも一方を行なう第２自己共振コイルを含むコイルユニットであって、
   前記第２自己共振コイルは、一つの導線から形成され、重なりがないよう配置された複数の単位コイルを含み、各単位コイルの巻き数は１巻きであり、
   各前記単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされた、コイルユニット。
2. 前記単位コイルは、互いに隣り合うように配置された、請求項１に記載のコイルユニット。
3. 複数の前記単位コイルは環状に配置された、請求項１または請求項２に記載のコイルユニット。
4. 前記単位コイルは、仮想線を中心に対称となるように４つ配置された、請求項１から請求項３のいずれかに記載のコイルユニット。
5. 前記第１自己共振コイルの共振周波数と、前記第２自己共振コイルの共振周波数は一致しており、
   前記第２自己共振コイルとの間で電力の送電および受電の少なくとも一方が可能とされた前記第１自己共振コイルに周波数が前記共振周波数とされた電流を流すことで第１近接場を前記第１自己共振コイルの周囲に形成し、前記第２自己共振コイルは、前記第１近接場が位置する領域内に位置することで、前記第１自己共振コイルから電力を受電可能とされ、
   前記第２自己共振コイルは、周波数が前記共振周波数とされた電流が流れることで、前記第２自己共振コイルの周囲に第２近接場を形成可能とされ、前記第２近接場が形成された領域内に前記第１自己共振コイルが位置することで、前記第２自己共振コイルは、前記第１自己共振コイルに電力を送電可能とされた、請求項１から請求項４のいずれかに記載のコイルユニット。
6. 外部電源から電力が供給され、前記第２自己共振コイルに電力を送電する第１電磁誘導コイルと、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載のコイルユニットと、
   を備えた、非接触電力送電装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のコイルユニットと、
   前記第２自己共振コイルから電力を受電する第２電磁誘導コイルと、
   を備えた、非接触電力受電装置。
8. 請求項７に記載の非接触電力受電装置と、
   前記第２電磁誘導コイルから電力が供給される蓄電装置と、
   を備えた車両。
9. 複数の前記単位コイルは、車両の幅方向中央部を通り、車両の前後方向に延びる仮想軸線に対して対称となるように配置された、請求項８に記載の車両。
10. 複数の前記単位コイルは、車両の幅方向に延びる仮想軸線に対して対称となるように配置された、請求項８または請求項９に記載の車両。
11. 第１自己共振コイルを含む第１コイルユニットと、
    前記第１自己共振コイルとの電磁共鳴によって電力の送電および受電の少なくとも一方を行う第２自己共振コイルを含む第２コイルユニットと、
    を備えた非接触電力給電システムであって、
    前記第１自己共振コイルは、一つの導線から形成され、重なりがないよう配置された複数の第１単位コイルを含み、各第１単位コイルの巻き数は１巻きであり、
    前記第２自己共振コイルは、一つの導線から形成され、重なりがないよう配置された複数の第２単位コイルを含み、各第２単位コイルの巻き数は１巻きであり、
    各前記第１単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされ、
    各前記第２単位コイルが形成する磁界の方向は同じ向きとされた、
    非接触電力給電システム。

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