JP5829923B2

JP5829923B2 - 非接触電力伝送システムの構成方法

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Publication number: JP5829923B2
Application number: JP2012003124A
Authority: JP
Inventors: 直樹稲垣; 堀　智; 智堀; 隆伸田端
Original assignee: Kojima Industries Corp
Current assignee: Kojima Industries Corp
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: JP2013143847A

Description

本発明は、車両搭載用受電器および車両用送電器に関し、特に、電磁波によって電力の供給を受ける機器、および電磁波によって電力を供給する機器の改良に関する。

エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、繰り返し充放電が可能な二次電池が搭載される。モータジェネレータは、二次電池から供給される電力に基づいて車両を駆動する。また、モータジェネレータは回生制動を行い、二次電池は回生制動に基づく発電電力によって充電される。さらに、ハイブリッド自動車はジェネレータを備え、ジェネレータをエンジンで駆動することによって発電が行われ、二次電池が充電される。

しかし、回生制動に基づく発電電力やエンジンおよびジェネレータによる発電電力では、二次電池を充電するための電力量が十分でないことがある。そこで、外部充電装置が搭載された電動車両が普及しつつある。外部充電装置には、商用電源コンセントから電力を取得するものの他、一般家庭、公共施設、娯楽施設等における駐車場やサービスステーションに設けられた電力供給装置によって非接触充電を行うものが提案されている。

非接触充電用の電力供給装置には、電力伝送用の電磁波を発生する送電コイルが設けられている。他方、電動車両には、電力伝送用の電磁波を受波する受電コイルが設けられている。電力供給装置から電動車両には、送電コイル側の回路と受電コイル側の回路との結合共振（共鳴）によって電力が伝送される。なお、特許文献１および２には、非接触充電を行うシステムが記載されている。

これらの特許文献に記載されている非接触充電システムは、図１１に示されるように、電力発生回路１、給電側コイル２、送電コイル３、受電コイル４、負荷側コイル５、および、負荷回路６を備える。給電側コイル２は、電磁誘導によって電力発生回路１から送電コイル３に電力を供給する。送電コイル３は、給電側コイル２から供給された電力に基づいて電磁波を送波する。受電コイル４は、送電コイル３から送波された電磁波を受波する。この際、受電コイル４と送電コイル３は結合共振し、共振伝送によって送電コイル３から受電コイル４に電力が伝送される。受電コイル４は、受波した電磁波に基づく電力を電磁誘導によって負荷側コイル５に供給する。負荷側コイル５は、受電コイル４から供給された電力を負荷回路６に出力する。

国際公開第２０１０／０７４１０６号パンフレット特開２０１０−１１４９６４号公報

特許文献１および２に示されている非接触充電システムでは、多数のコイルが用いられており、システムが大型となるという問題があった。システムを小型化するためには、送電コイル３を電力発生回路１に直接接続し、受電コイル４を負荷回路６に直接接続する構成も考えられる。しかし、このような構成では、電力供給回路と送電コイル３とのインピーダンス整合、および、受電コイル４と負荷回路６とのインピーダンス整合が困難となるという問題があった。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、車両搭載用の二次電池を電磁波を用いて充電する機器を小型化すると共に、そのような機器のインピーダンス整合状態を良好にすることを目的とする。

本発明に基づいて構成される、車両搭載用二次電池を充電するための電磁波を受波する車両搭載用受電器は、望ましくは、導線で形成された非共振ループと、前記車両搭載用二次電池に対する充電回路と前記非共振ループとの間に接続され、前記非共振ループと共に共振回路を形成するインピーダンス整合回路と、を備え、前記インピーダンス整合回路は、前記非共振ループにおける２つの接続端の間に接続されたキャパシタを少なくとも含む。

また、本発明に基づいて構成される、受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を送波する車両用送電器は、望ましくは、導線で形成された非共振ループと、電力を発生する電力発生回路と、前記非共振ループとの間に接続され、前記非共振ループと共に共振回路を形成するインピーダンス整合回路と、を備え、前記インピーダンス整合回路は、前記非共振ループにおける２つの接続端の間に接続されたキャパシタを少なくとも含む。

また、本発明は、導線で形成された２つの非共振ループと、各非共振ループに接続されるインピーダンス整合回路と、を備える非接触電力伝送システムの構成方法において、導線で形成された２つの共振ループによって形成される結合共振回路の等価回路を原型等価回路として決定するステップと、２つの前記非共振ループ、および、前記インピーダンス整合回路によって形成される結合共振回路の等価回路が、前記原型等価回路に一致するよう、前記インピーダンス整合回路の回路定数を決定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、車両搭載用の二次電池を電磁波を用いて充電する機器を小型化すると共に、そのような機器のインピーダンス整合状態を良好にすることができる。

本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成を示す図である。送電側整合部および送電コイル、ならびに、受電コイルおよび受電側整合部の回路図である。送電側整合部の実体回路図である。送電側整合部の実体回路図である。電磁気的に結合する２つの共振ループを示す図である。電磁気的に結合する２つの共振ループの等価回路を示す図である。原型等価回路を示す図である。影像インピーダンスの周波数特性の例を示す図である。磁界主結合方式の原型等価回路を示す図である。非共振ループ型回路の等価回路を示す図である。従来の非接触充電システムの構成を示す図である。

（１）非接触充電システムの構成
図１には、本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成が模式的に示されている。このシステムは、駐車場、サービスステーション等、電動車両２０を停車させる場所に非接触充電用の電力供給装置１０を設けたものである。電力供給装置１０は、充電エリア３２下方に配置された送電コイル１８を備えている。電動車両２０は、受電コイル２２を備えており、充電のときには送電コイル１８の上方に受電コイル２２が位置するよう停車する。電力供給装置１０は、送電コイル１８から電力伝送用の電磁波を送波する。電動車両２０は、受電コイル２２において受波された電磁波に基づく電力によって、電動車両２０に搭載された二次電池３０を充電する。

非接触充電システムの具体的な構成について説明する。電力供給装置１０は、電力発生回路１２、同軸ケーブル１４、送電側整合部１６、および送電コイル１８を備える。電力発生回路１２は、充電エリア３２またはその近傍、あるいは充電エリア３２の近傍の建造物内に設置されている。電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４および送電側整合部１６を介して送電コイル１８が接続されている。

送電側整合部１６および送電コイル１８は、電力伝送用の電磁波を送波する送電器としての機能を有する。送電コイル１８には、送波する電磁波の波長よりも短い導線を周回させた非共振ループが用いられる。この非共振ループの１次共振周波数は、送波する電磁波の周波数よりも高い。非共振ループの巻数は、薄型化の観点から１回としてもよいが、複数回であってもよい。送電コイル１８は、充電エリア３２における電動車両２０が停車する面と、導線が周回する面とがほぼ平行となるよう配置されている。

送電側整合部１６は、送電コイル１８と共に共振回路を形成し、さらに、同軸ケーブル１４の接続端から送電側整合部１６を臨んだインピーダンスと、電力発生回路１２側を臨んだインピーダンスとを整合させる。

電動車両２０は、受電コイル２２、受電側整合部２４、同軸ケーブル２６、充電回路２８、および、二次電池３０を備える。受電コイル２２は、受電側整合部２４および同軸ケーブル２６を介して充電回路２８に接続され、充電回路２８には二次電池３０が接続されている。受電コイル２２および受電側整合部２４は、電力伝送用の電磁波を受波する受電器としての機能を有する。

受電コイル２２には、送電コイル１８と同様、受波する電磁波の波長よりも短い導線を周回させた非共振ループが用いられる。この非共振ループの１次共振周波数は、受波する電磁波の周波数よりも高い。非共振ループの巻数は、薄型化の観点から１回としてもよいが、複数回であってもよい。受電コイル２２は、充電エリア３２における電動車両２０が停車する面と、導線が周回する面とがほぼ平行となるよう電動車両２０内に配置されている。

受電側整合部２４は、受電コイル２２と共に共振回路を形成し、さらに、同軸ケーブル２６の接続端から受電側整合部２４を臨んだインピーダンスと、充電回路２８側を臨んだインピーダンスとを整合させる。

（２）送電側整合部および受電側整合部の構成
図２（ａ）には、送電側整合部１６および送電コイル１８の回路図が示されている。送電側整合部１６は、共振整合用インダクタ３４−１、共振整合用インダクタ３４−２および共振整合用キャパシタ３６を備える。共振整合用インダクタ３４−１は、送電側端子Ｔ₁と送電コイル１８の一端との間に接続されている。共振整合用インダクタ３４−２は、送電側端子Ｔ₂と送電コイル１８の他端との間に接続されている。共振整合用キャパシタ３６は、送電コイル１８の両端に接続されている。

図２（ｂ）には、受電側整合部２４および受電コイル２２の回路図が示されている。受電側整合部２４は、共振整合用インダクタ３８−１、共振整合用インダクタ３８−２および共振整合用キャパシタ４０を備える。共振整合用インダクタ３８−１は、受電側端子Ｓ₁と受電コイル２２の一端との間に接続されている。共振整合用インダクタ３８−２は、受電側端子Ｓ₂と受電コイル２２の他端との間に接続されている。共振整合用キャパシタ４０は、受電コイル２２の両端に接続されている。

ここでは、送電側整合部１６および受電側整合部２４において、共振整合用インダクタを用いた構成について説明した。設計条件によっては、共振整合用インダクタの箇所を短絡し、共振整合用キャパシタのみを用いる構成が可能である。

後述するように、送電側整合部１６および受電側整合部２４の各回路定数は、結合共振する２つの共振ループに特性を近似させる等価回路近似法に基づき決定する。この等価回路近似法においては、初めに、結合共振する２つの共振ループを原型回路として定める。そして、その２つの共振ループの等価回路を原型等価回路として決定する。一方、送電側整合部１６、送電コイル１８、受電コイル２２、および、受電側整合部２４についても等価回路を導き出し、その等価回路が上記の原型等価回路に一致するよう各設計定数を決定する。

原型等価回路に対応する共振ループは、共振ループを形成する導線が１波長程度の長さを有するため、非接触充電システムが大型になるという欠点を有する。本実施形態に係る等価回路近似法によれば、送電コイル１８および受電コイル２２に非共振ループを用いることで、非接触充電システムを小型化することができる。

図３には、送電側整合部１６の実体回路図が示されている。送電側整合部１６は、同軸コネクタ４４、バラン４６、共振整合用インダクタ３４−１、３４−２、共振整合用キャパシタ３６が実装される回路基板４２を備える。図２に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付する。

同軸ケーブル１４の外導体および内導体は、それぞれ、同軸コネクタ４４の外導体および内導体に接続されている。同軸コネクタ４４の外導体および内導体は、それぞれ、バラン４６の接地端子および不平衡端子に接続されている。共振整合用インダクタ３４−１の一端は、基板パターン４８によって、バラン４６の２つの平衡端子の一方に接続され、共振整合用インダクタ３４−１の他端は、基板パターン４８によって、送電コイル１８の一端に接続されている。共振整合用インダクタ３４−２の一端は、基板パターン４８によって、バラン４６の２つの平衡端子の他方に接続され、共振整合用インダクタ３４−２の他端は、基板パターン４８によって、送電コイル１８の他端に接続されている。共振整合用キャパシタ３６は、基板パターン４８によって送電コイル１８の両端に接続されている。

同軸ケーブル１４が不平衡モードの伝送を行うのに対し、送電コイル１８は平衡モードの入力端子を有する。そこで、バラン４６は、不平衡モードによる伝送形態を平衡モードの伝送形態に変換し、同軸ケーブル１４と送電コイル１８との間で伝送モード変換を行う。

なお、同軸ケーブル１４と送電コイル１８との間の伝送モード不整合が問題とならない場合には、図４に示されるように、バランを用いない構成としてもよい。この場合、送電コイル１８の一端と同軸コネクタ４４の内導体との間には、図２および図３の共振整合用インダクタ３４−２および３４−２に対し２倍のインダクタンスを有する共振整合用インダクタ３４−３が接続される。また、送電コイル１８の他端は同軸コネクタ４４の外導体に接続される。

ここでは、図３および図４を参照し、電力供給装置１０における送電側整合部１６について具体的な構成例を説明した。電動車両２０における受電コイル２２と同軸ケーブル２６とを接続する受電側整合部２４についても、送電側整合部１６と同様の構成を採用することができる。

（３）非接触充電システムの動作
非接触充電システムの動作について図１に戻って説明する。電力発生回路１２は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆ_pの電力を同軸ケーブル１４を介して送電側整合部１６および送電コイル１８に供給する。送電コイル１８は、電力発生回路１２から供給された電力に基づいて周波数ｆ_pの電磁波を送波する。

受電コイル２２は、送電コイル１８から送波された周波数ｆ_pの電磁波を受波する。受電コイル２２および受電側整合部２４は、受波した電磁波に基づく電力を同軸ケーブル２６を介して充電回路２８に出力する。充電回路２８は、受電コイル２２および受電側整合部２４から与えられた電力を直流電力に変換し、二次電池３０に供給する。これによって二次電池３０の充電が行われる。

送電コイル１８から受電コイル２２への電力伝送は、送電側整合部１６、送電コイル１８、受電コイル２２および受電側整合部２４による結合共振によって行われる。すなわち、電動車両２０が、送電コイル１８の上方に受電コイル２２が位置するよう停車することで、送電コイル１８と受電コイル２２とが電磁気的に結合可能となる。送電コイル１８は、送電側整合部１６と共に送電側の共振回路を形成し、受電コイル２２は、受電側回路２４と共に受電側の共振回路を形成する。そして、これらの共振回路が結合共振し、送電コイル１８から受電コイル２２への電力伝送が行われる。これによって、送電コイル１８と受電コイル２２とを機械的に接触させることなく、電力供給装置１０から電動車両２０に電力を供給することができる。

本実施形態に係る非接触充電システムにおいては、送電コイル１８および受電コイル２２には、伝送される電磁波の波長よりも短い導線を周回させた非共振ループが用いられる。さらに、送電側整合部１６および受電側整合部２４は、それぞれ、電力発生回路１２と送電コイル１８とのインピーダンス整合、および、受電コイル２２と充電回路２８とのインピーダンス整合を行う。これによって、送電コイル１８および受電コイル２２を小型化してシステムを小型化すると共に、インピーダンス整合状態を良好にすることができる。

（４）等価回路近似法
（Ａ）概要
等価回路近似法は、結合共振する２つの共振ループに特性が近似されるよう、送電側整合部１６、送電コイル１８、受電コイル２２、および、受電側整合部２４（以下、非共振ループ型回路とする。）の設計定数を決定するものである。この方法においては、初めに、結合共振する２つの共振ループを原型回路として定め、その等価回路を原型等価回路として決定する。一方、非共振ループ型回路についても等価回路を導き出し、その等価回路が原型等価回路に一致するよう、非共振ループ型回路の設計定数を決定する。

（Ｂ）原型等価回路の決定
（Ｂ−１）原型回路および原型等価回路
図５には、電磁気的に結合する２つの共振ループ５０および５２が原型回路として示されている。各共振ループの１周の長さはおよそ１波長であり、配置位置に応じて２つの共振ループが結合共振する。図５に示される例では、各共振ループにおいて導線が周回する平面は平行であるものとし、共振ループ間の距離をｄとしている。また、ａは各ループの半径を示し、ｒは導線断面の半径を示す。

図６には２つの共振ループの等価回路が示されている。送電側端子Ｔ₁およびＴ₂は、共振ループ５０の接続端に対応し、受電側端子Ｓ₁およびＳ₂は、共振ループ５２の接続端に対応する。この２共振ループ等価回路は左右対称の構成を有する。左半分は、インダクタＬ₀、インダクタＬ₁およびキャパシタＣ₁による並列接続回路Ｌ₁Ｃ₁、ならびに、インダクタＬ₂およびキャパシタＣ₂による並列接続回路Ｌ₂Ｃ₂を備える。インダクタＬ₀の一端は送電側端子Ｔ₁に接続されている。インダクタＬ₀の他端と送電側端子Ｔ₂との間には、並列接続回路Ｌ₁Ｃ₁が接続されている。さらに、インダクタＬ₀の他端には、並列接続回路Ｌ₂Ｃ₂の一端が接続されている。

同様に、右半分においては、インダクタＬ₀の一端は受電側端子Ｓ₁に接続されている。インダクタＬ₀の他端と受電側端子Ｓ₂との間には、並列接続回路Ｌ₁Ｃ₁が接続されている。さらに、インダクタＬ₀の他端には、並列接続回路Ｌ₂Ｃ₂の一端が接続されている。また、送電側端子Ｔ₂および受電側端子Ｓ₂は、共通帰線Ｇによって接続され、左側の並列接続回路Ｌ₂Ｃ₂と右側の並列接続回路Ｌ₂Ｃ₂とは直列接続されている。

２共振ループ等価回路は、図７に示される原型等価回路に変形することができる。この原型等価回路は、誘導性Ｔ型回路５４と容量性Π型回路５６とを並列接続し、左右にインダクタＬ₀を直列接続したものである。誘導性Ｔ型回路５４は、左右のシリーズインダクタＬ_aおよびシャントインダクタＬ_bからなる。

左側のインダクタＬ₀の一端は送電側端子Ｔ₁に接続され、左側のインダクタＬ₀の他端は左側のシリーズインダクタＬ_aの一端に接続されている。右側のインダクタＬ₀の一端は受電側端子Ｓ₁に接続され、右側のインダクタＬ₀の他端は右側のシリーズインダクタＬ_aの一端に接続されている。左右のシリーズインダクタＬ_aは直列に接続され、これらの接続節点と共通帰線Ｇとの間には、シャントインダクタＬ_bが接続されている。誘導性Ｔ型回路５４の左右のシリーズインダクタＬ_aはＬ_s−Ｌ_mのインダクタンスを有し、誘導性Ｔ型回路５４のシャントインダクタＬ_bは、Ｌ_mのインダクタンスを有する。

容量性Π型回路５６は、左右のシャントキャパシタＣ_aおよびシリーズキャパシタＣ_bからなる。左側のシャントキャパシタＣ_aは、左側のインダクタＬ₀および左側のシリーズインダクタＬ_aの接続節点と、送電側端子Ｔ₂との間に接続されている。右側のシャントキャパシタＣ_aは、右側のインダクタＬ₀および右側のシリーズインダクタＬ_aの接続節点と、受電側端子Ｓ₂との間に接続されている。シリーズキャパシタＣ_bは、左右のシャントキャパシタＣ_aの上側の各一端の間に接続されている。容量性Π型回路５６の左右のシャントキャパシタＣ_aは、Ｃ_s−Ｃ_mのキャパシタンスを有し、容量性Π型回路５６のシリーズキャパシタＣ_bは、Ｃ_mのキャパシタンスを有する。

ここで、後述のＬ₁、Ｌ₂、Ｃ₁、およびＣ₂を用いて、インダクタンスＬ_sおよびＬ_mは、（数１）によって表され、キャパシタンスＣ_sおよびＣ_mは、（数２）によって表される。

このようにして、図６の２共振ループ等価回路から図７の原型等価回路を導くことができる。原型等価回路の具体的な各回路定数は、その影像インピーダンスの周波数特性が所望の特性となるよう決定する。

（Ｂ−２）原型等価回路の影像インピーダンス
ここでは、影像インピーダンス理論の観点から、原型等価回路のインピーダンス特性について説明する。影像インピーダンスは、送電側端子Ｔ₁およびＴ₂にインピーダンスＺ₁を接続し、受電側端子Ｓ₁およびＳ₂にインピーダンスＺ₂を接続した場合において、送電側端子Ｔ₁およびＴ₂から原型等価回路側を臨んだインピーダンスがＺ₁となり、受電側端子Ｓ₁およびＳ₂から、原型等価回路側を臨んだインピーダンスがＺ₂となるようなインピーダンスＺ₁およびＺ₂として定義される。本明細書において検討している原型等価回路は左右対称であるため、影像インピーダンスＺ₁およびＺ₂は等しくなり、以下の説明においてはＺ_I（＝Ｚ₁＝Ｚ₂）と表すものとする。

ここで、図６の原型等価回路を対称節点Ｈ₁およびＨ₂で折半し、対称節点Ｈ₁およびＨ₂を開放した場合において、送電側端子Ｔ₁およびＴ₂から原型等価回路側を臨んだインピーダンスを偶励振インピーダンスＺ_openとする。また、対称節点Ｈ₁およびＨ₂を短絡した場合において、送電側端子Ｔ₁およびＴ₂から原型等価回路側を臨んだインピーダンスを奇励振インピーダンスＺ_shortとする。この場合、影像インピーダンスＺ_I、偶励振インピーダンスＺ_open、および奇励振インピーダンスＺ_shortの間には、次の（数３）に示すような関係がある。

偶励振インピーダンスＺ_openには、共振周波数ｆ_seおよび反共振周波数ｆ_peがあり、奇励振インピーダンスＺ_shortには、共振周波数ｆ_soおよび反共振周波数ｆ_poがある。（数３）は、共振周波数ｆ_seおよびｆ_so、ならびに、反共振周波数ｆ_peおよびｆ_poを用いて、一般的に（数４）のように表される。

図８には、ｆ_seおよびｆ_poが、ｆ_peより大きくｆ_soより小さい場合について、（数４）で与えられる影像インピーダンスの周波数特性の例が示されている。これは、後述する磁界主結合方式についての周波数特性である。実線は、影像インピーダンスＺ_Iが実数となる周波数範囲における特性を示し、破線は影像インピーダンスＺ_Iが虚数となる周波数範囲における特性を示す。

影像インピーダンス理論の分野において広く知られているように、影像インピーダンスが実数である周波数範囲においては、信号源インピーダンスおよび負荷インピーダンスが影像インピーダンスに一致するときに整合条件が成立する。したがって、使用周波数において影像インピーダンスが実数となり、その影像インピーダンスが取り得る範囲が広い程、広い範囲に亘ってインピーダンス整合条件を成立させることができる。

これを図８の周波数特性の例で検討すると、ｆ_se＜ｆ_poが成立する場合には、ｆ_pe＜ｆ＜ｆ_seが成立する周波数範囲、およびｆ_po＜ｆ＜ｆ_soが成立する周波数範囲において影像インピーダンスが実数となり、インピーダンス整合条件を成立させることが可能であることが図８（ａ）から明らかである。また、ｆ_po＜ｆ_seが成立する場合には、ｆ_pe＜ｆ＜ｆ_poが成立する周波数範囲、およびｆ_se＜ｆ＜ｆ_soが成立する周波数範囲でインピーダンス整合条件を成立させることが可能であることが図８（ｂ）から明らかである。

（Ｂ−３）原型等価回路と共振周波数および反共振周波数との関係
原型等価回路の各回路定数は、具体的には、次の（数５）〜（数１１）のように共振周波数および反共振周波数を用いて表される。これらの関係は、リアクタンス関数である偶励振インピーダンスＺ_openを連分数展開した式、ならびに、リアクタンス関数である奇励振インピーダンスＺ_shortを連分数展開した式から導くことができる。

したがって、影像インピーダンスＺ_Iについて所望の周波数特性を決定することにより、その共振周波数および反共振周波数を定め、さらに、偶励振の低周波インダクタンスＬ_lfeを定めると、（数１）、（数２）、（数５）〜（数１１）に基づいて、図７の原型等価回路の回路定数を決定することができる。

ここで、Ｌ_1oおよびＣ_1oは、次の（数１０）および（数１１）によって与えられる。

（Ｂ−４）磁界主結合方式の原型等価回路
２つの共振ループの結合係数ｋについて、次の（数１２）の関係が成立する方式は、磁界主結合方式と称される。本実施形態に係る非接触充電システムは磁界主結合方式を採用する。なお、（数１２）おいて不等号を逆にした関係が成立するものは電界主結合方式と称される。

非共振ループ型回路においては、Ｃ_m≒０として近似できる。この場合、原型等価回路は、図７の原型等価回路についてキャパシタＣ_b＝Ｃ_mの箇所を開放した図９の等価回路となる。本実施形態においては、図９に示される磁界主結合方式の原型等価回路に非共振ループ型回路の等価回路を一致させることとなる。

（Ｃ）非共振ループ型回路
（Ｃ−１）非共振ループ型回路の等価回路
図１０には、非共振ループ型回路の等価回路が示されている。図９に示される原型等価回路の回路素子と区別するため、図１０においては符号の右上に「Ｄ」の符号を付する。送電側整合部１６は、共振整合用インダクタＬ₀ ^Dおよび共振整合用キャパシタＣ_a ^Dを備える。共振整合用インダクタＬ₀ ^Dの一端は、送電側端子Ｔ₁ ^Dに接続されている。共振整合用キャパシタＣ_a ^Dは、共振整合用インダクタＬ₀ ^Dの他端と送電側端子Ｔ₂ ^Dとの間に接続されている。

同様に、受電側整合部２４は、共振整合用インダクタＬ₀ ^Dおよび共振整合用キャパシタＣ_a ^Dを備える。共振整合用インダクタＬ₀ ^Dの一端は、受電側端子Ｓ₁ ^Dに接続されている。共振整合用キャパシタＣ_a ^Dは、共振整合用インダクタＬ₀ ^Dの他端と送電側端子Ｓ₂ ^Dとの間に接続されている。

送電コイル１８および受電コイル２２は、左右のシリーズインダクタＬ_a ^DおよびシャントインダクタＬ_b ^Dからなる誘導性Ｔ型回路５８によって表されている。左側のシリーズインダクタＬ_a ^Dの一端は、送電側整合部１６の共振整合用キャパシタＣ_a ^Dの上側の一端に接続され、右側のシリーズインダクタＬ_a ^Dの一端は、受電側整合部２４の共振整合用キャパシタＣ_a ^Dの上側の一端に接続されている。左右のシリーズインダクタＬ_a ^Dの接続節点と共通帰線Ｇとの間には、シャントインダクタＬ_b ^Dが接続されている。左右のシリーズインダクタＬ_a ^DはＬ_s ^D−Ｌ_m ^Dのインダクタンスを有し、シャントインダクタＬ_b ^Dは、Ｌ_m ^Dのインダクタンスを有する。

（Ｃ−２）非共振ループ型回路の回路定数の決定
図１０に示された非共振ループ型回路の等価回路は、図９に示された磁界主結合方式の原型等価回路と同一の構成を有する。そこで、図１０に示された各回路素子の定数を、図９に示された各回路素子の定数に一致させることで、非共振ループ型回路の伝送特性を、２つの共振ループによる伝送特性に近似させることができる。

具体的には、送電コイル１８を構成する非共振ループ、および受電コイル２２を構成する非共振ループについて定まるインダクタンスＬ_s ^DおよびＬ_m ^Dが、それぞれ、図９に示された誘導性Ｔ型回路５４のインダクタンスＬ_sおよびＬ_mに一致するよう、送電コイル１８および受電コイル２２の形状および位置を決定する。

また、送電側整合部１６および受電側整合部２４の共振整合用インダクタＬ₀ ^Dのインダクタンスは、図９に示される原型等価回路のインダクタＬ₀のインダクタンスに一致させる。さらに、送電側整合部１６および受電側整合部２４の共振整合用キャパシタＣ_a ^Dのキャパシタンスは、図９に示される原型等価回路のキャパシタＣ_aのキャパシタンスに一致させる。

このようにして決定された共振整合用インダクタＬ₀ ^Dのインダクタンスの半分の値を、図２および図３に記載の共振整合用インダクタ３４−１、３４−２、３８−１および３８−２のインダクタンスとする。また、このようにして決定された共振整合用キャパシタＣ_s ^Dのキャパシタンスを、図２および図３に記載の共振整合用のキャパシタ３６および４０のキャパシタンスとする。

（Ｄ）共振整合用インダクタを用いない構成例
上記では、送電側整合部１６および受電側整合部２４に、共振整合用インダクタが用いられた構成について説明した。送電コイル１８および受電コイル２２の構成によっては、共振整合用インダクタの箇所を短絡し、共振整合用キャパシタのみを用いる構成とすることも可能である。その場合、原型等価回路の影像インピーダンスは、（数１３）のように表され、（数１３）におけるＣ_sは（数１４）のように表される。

また、周波数ｆ_p＝（ｆ_sｆ_e）^1/2における影像インピーダンスＺ_I＝Ｒ₀は、（数１５）のように表される。

（表１）には２つの共振ループ間の距離ｄを変化させたときの原型等価回路におけるインダクタンスＬ_s、Ｌ_m、結合係数ｋ、キャパシタンスＣ_s、および、周波数ｆ_pにおける影像インピーダンスＲ₀の計算結果が示されている。ただし、２つの非共振ループのそれぞれの半径をａ＝２５ｃｍ、導線断面の半径をｒ＝３．５ｍｍとし、周波数ｆ_pを１００ｋＨｚとした。この表より、例えば、整合インピーダンスを５０Ωとするには、非共振ループ型回路の各回路定数を、ｄ＝０．６ｍの場合における各回路定数に一致させればよいことが明らかである。

なお、上記では、電動車両について説明したが、本発明に係る非接触充電システムは、その他の電気機器における非接触電力伝送に用いることが可能である。

１，１２電力発生回路、２給電側コイル、３，１８送電コイル、４，２２受電コイル、５負荷側コイル、６負荷回路、１０電力供給装置、１４，２６同軸ケーブル、１６送電側整合部、２０電動車両、２４受電側整合部、２８充電回路、３０二次電池、３２充電エリア、３４−１，３４−２，３８−１，３８−２，３４−３共振整合用インダクタ、３６，４０共振整合用キャパシタ、４２回路基板、４４同軸コネクタ、４６バラン、４８基板パターン、５０，５２共振ループ、５４，５８誘導性Ｔ型回路、５６容量性Π型回路。

Claims

導線で形成された２つの非共振ループと、
各非共振ループに接続されるインピーダンス整合回路と、
を備える非接触電力伝送システムの構成方法において、
導線で形成された２つの共振ループによって形成される結合共振回路の等価回路を原型等価回路として決定するステップと、
２つの前記非共振ループ、および、前記インピーダンス整合回路によって形成される結合共振回路の等価回路が、前記原型等価回路に一致するよう、前記インピーダンス整合回路の回路定数を決定するステップと、
を含むことを特徴とする非接触電力伝送システムの構成方法。