JP5867511B2 - 送電装置、受電装置および電力伝送システム - Google Patents

Description

この発明は、送電装置、受電装置、および電力伝送システムに関し、特に、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送技術に関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両が注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える再充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド自動車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した自動車や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した自動車等である。

ハイブリッド自動車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、車両外部の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド自動車」が知られている。

特開２０００−９２７２７号公報（特許文献１）は、電気自動車やプラグイン・ハイブリッド自動車等のバッテリを充電するための充電装置を開示する。この充電装置においては、車両の停止が検知されると、マニピュレータにより給電カプラーを移動させて電気自動車の充電カプラーに給電カプラーを接続する。マニピュレータには、ベースに昇降体が昇降可能に設けられ、この昇降体に水平な第１アームがその一端でもって回転可能に設けられる。そして、第１アームの先端に水平な第２アームがその一端でもって回転可能に設けられ、第２アームの先端に給電カプラーが設けられる。このような構成により、充電カプラーと給電カプラーとの接続を円滑に行なうことができる（特許文献１参照）。

一方、電力伝送方法として、電源コードや電力ケーブルを用いない非接触電力伝送が近年注目されている。この非接触電力伝送技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、マイクロ波を用いた送電、および所謂共鳴型の送電の３つの技術が知られている。このうち、共鳴型の送電は、互いに同じ固有周波数を有する一対の共振器（たとえば一対の共振コイル）を用いて電磁場（近接場）を介して非接触で電力を伝送するものであり、数ｋＷの大電力を比較的長距離（たとえば数ｍ）送電することも可能であるとして大きく注目されている。

特開２０００−９２７２７号公報 特開２０１０−２４６３４８号公報 特開２００９−１０６１３６号公報 特開２０１０−１８３８１２号公報 特開２０１０−１８３８１３号公報

非接触の電力伝送を効率的に実現するためには、送電装置の送電部と受電装置の受電部との位置合わせを行なう必要がある。特に、車両への給電に非接触送電を適用する場合、受電部の車載位置は車両によって異なり、また、送電装置に対する停車位置によっても送電部と受電部との位置関係は変化する。上記の特許文献１では、このような課題およびその解決手段については検討されていない。

それゆえに、この発明の目的は、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムにおいて、送電装置の送電部と受電装置の受電部との位置合わせ手法を提供することである。

この発明によれば、送電装置は、受電装置へ非接触で電力を出力する送電装置であって、第１のコイルと、複数の第２のコイルと、移動装置とを備える。第１のコイルは、受電装置へ非接触で電力を伝送する。複数の第２のコイルの各々は、電源から受ける電力を第１のコイルへ非接触で供給するためのものである。移動装置は、第１のコイルを複数の第２のコイルに対して相対的に移動させる。

好ましくは、複数の第２のコイルは、１本の導線によって構成される。
好ましくは、送電装置は、切替部をさらに備える。切替部は、複数の第２のコイルと電源との間に設けられ、複数の第２のコイルのうち、第１のコイルに最も近接するコイルを電源に電気的に接続するとともに残余のコイルを電源から電気的に切離す。

また、好ましくは、送電装置は、切替部をさらに備える。切替部は、複数の第２のコイルと電源との間に設けられ、複数の第２のコイルのうち、受電装置への送電効率を最良にするコイルを電源に電気的に接続するとともに残余のコイルを電源から電気的に切離す。

好ましくは、受電装置は、車両に搭載される。複数の第２のコイルは、車両の駐車スペースの車両前後方向に沿って配設される。

好ましくは、第１のコイルの固有周波数と、受電装置の受電用コイルの固有周波数との差は、第１のコイルの固有周波数または受電用コイルの固有周波数の±１０％以下である。

好ましくは、第１のコイルと受電用コイルとの結合係数は０．１以下である。
好ましくは、第１のコイルは、第１のコイルと受電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、第１のコイルと受電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、受電用コイルへ送電する。

また、この発明によれば、受電装置は、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、第１のコイルと、複数の第２のコイルと、移動装置とを備える。第１のコイルは、送電装置から非接触で受電する。複数の第２のコイルの各々は、第１のコイルから非接触で電力を取出して電気負荷へ出力するためのものである。移動装置は、第１のコイルを複数の第２のコイルに対して相対的に移動させる。

好ましくは、複数の第２のコイルは、１本の導線によって構成される。
好ましくは、受電装置は、切替部をさらに備える。切替部は、複数の第２のコイルと電気負荷との間に設けられ、複数の第２のコイルのうち、第１のコイルに最も近接するコイルを電気負荷に電気的に接続するとともに残余のコイルを電気負荷から電気的に切離す。

また、好ましくは、受電装置は、切替部をさらに備える。切替部は、複数の第２のコイルと電気負荷との間に設けられ、複数の第２のコイルのうち、送電装置からの受電効率を最良にするコイルを電気負荷に電気的に接続するとともに残余のコイルを電気負荷から電気的に切離す。

好ましくは、当該受電装置は、車両に搭載される。複数の第２のコイルは、車両の前後方向に沿って配設される。

好ましくは、第１のコイルの固有周波数と、送電用コイルの固有周波数との差は、第１のコイルの固有周波数または送電用コイルの固有周波数の±１０％以下である。

好ましくは、第１のコイルと送電用コイルとの結合係数は０．１以下である。
好ましくは、第１のコイルは、第１のコイルと送電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、第１のコイルと送電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、送電用コイルから受電する。

また、この発明によれば、電力伝送システムは、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムである。送電装置は、第１のコイルと、複数の第２のコイルと、移動手段とを備える。第１のコイルは、受電装置へ非接触で電力を伝送する。複数の第２のコイルの各々は、電源から受ける電力を第１のコイルへ非接触で供給するためのものである。移動手段は、受電装置と第１のコイルとの位置関係に基づいて、複数の第２のコイルのいずれかから第１のコイルへ給電可能な範囲において第１のコイルを移動させる。受電装置は、受電部と、電気負荷とを備える。受電部は、第１のコイルから出力される電力を非接触で受電する。電気負荷は、受電部によって受電された電力を受ける。

また、この発明によれば、電力伝送システムは、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムである。送電装置は、電源と、送電部とを備える。送電部は、電源から供給される電力を受電装置へ非接触で出力する。受電装置は、第１のコイルと、複数の第２のコイルと、移動手段とを備える。第１のコイルは、送電部から非接触で受電する。複数の第２のコイルの各々は、第１のコイルから非接触で電力を取出して電気負荷へ出力するためのものである。移動手段は、送電部と第１のコイルとの位置関係に基づいて、複数の第２のコイルのいずれかが第１のコイルから非接触で電力を取出可能な範囲において第１のコイルを移動させる。

この発明によれば、電源との配線が不要な第１のコイルだけを移動させるので、移動に伴なう電力ケーブルの劣化が生じることがない。

この発明の実施の形態１による電力伝送システムの全体構成図である。 図１に示す送電部を送電方向から見た平面図である。 図１に示す受電部を受電方向から見た平面図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示した図である。 送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示した図である。 送電装置から車両への電力伝送時の等価回路図である。 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。 送電部において共振コイルを移動させたときのＳ１１パラメータの変化を示した図である。 実施の形態２における送電部を送電方向から見た平面図である。 実施の形態３における送電部を送電方向から見た平面図である。

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返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この電力伝送システムは、送電装置１００と、受電装置としての車両２００とを備える。

送電装置１００は、電源部１１０と、整合器１２０と、送電部１３０と、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」と称する。）１４０と、通信部１５０とを含む。電源部１１０は、所定の周波数を有する交流電力を発生する。一例として、電源部１１０は、図示されない系統電源から電力を受けて高周波の交流電力を発生する。そして、電源部１１０は、ＥＣＵ１４０からの指令に従って、電力の発生および停止ならびに出力電力を制御する。

整合器１２０は、電源部１１０と送電部１３０との間に設けられ、内部のインピーダンスを変更可能に構成される。一例として、整合器１２０は、可変コンデンサとコイルとによって構成され、可変コンデンサの容量を変化させることによってインピーダンスを変更することができる。この整合器１２０においてインピーダンスを調整することによって、送電装置１００のインピーダンスを車両２００のインピーダンスと整合させることができる（インピーダンスマッチング）。

送電部１３０は、電源部１１０から高周波の交流電力の供給を受ける。そして、送電部１３０は、送電部１３０の周囲に発生する電磁界を介して車両２００の受電部２１０へ非接触で電力を出力する。ここで、送電部１３０には、送電部１３０に含まれる送電用の共振コイルと、車両２００の受電部２１０に含まれる受電用の共振コイルとの位置合わせを、ＥＣＵ１４０からの指令に従って行なうための移動手段が設けられる。移動手段を含む送電部１３０の具体的な構成、および送電部１３０から受電部２１０への電力伝送については、後ほど詳しく説明する。

ＥＣＵ１４０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、電源部１１０、整合器１２０、および送電部１３０を制御する。具体的には、ＥＣＵ１４０は、電源部１１０の動作開始指令および停止指令、ならびに電源部１１０の出力電力の目標値を示す電力指令値を生成して電源部１１０へ出力する。また、ＥＣＵ１４０は、整合器１２０を制御することによって、送電装置１００のインピーダンスを車両２００のインピーダンスと整合させる。また、ＥＣＵ１４０は、送電部１３０に設けられる上記の移動手段（後述）を制御するための指令を生成して送電部１３０へ出力する。通信部１５０は、送電装置１００が車両２００と通信を行なうための通信インターフェースである。

一方、車両２００は、受電部２１０と、整流器２２０と、蓄電装置２３０と、動力出力装置２４０と、ＥＣＵ２５０と、通信部２６０とを含む。受電部２１０は、送電部１３０から出力される高周波の交流電力を電磁界を介して非接触で受電する。なお、受電部２１０の具体的な構成についても、後ほど説明する。整流器２２０は、受電部２１０によって受電された交流電力を整流して蓄電装置２３０へ出力する。

蓄電装置２３０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によって構成される。蓄電装置２３０は、整流器２２０から受ける電力を蓄えるほか、動力出力装置２４０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置２３０は、その蓄えた電力を動力出力装置２４０へ供給する。なお、蓄電装置２３０として大容量のキャパシタも採用可能である。

動力出力装置２４０は、蓄電装置２３０に蓄えられる電力を用いて車両２００の走行駆動力を発生する。特に図示しないが、動力出力装置２４０は、たとえば、蓄電装置２３０から電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータによって駆動される駆動輪等を含む。なお、動力出力装置２４０は、蓄電装置２３０を充電するための発電機と、発電機を駆動可能なエンジンを含んでもよい。

ＥＣＵ２５０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、車両２００における種々の制御を実行する。通信部２６０は、車両２００が送電装置１００と通信を行なうための通信インターフェースである。

図２は、図１に示した送電部１３０を送電方向から見た平面図である。図２を参照して、送電部１３０は、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４と、共振コイル３１６と、キャパシタ３１８と、レール３２０と、リレー３２２，３２４，３２６と、シールドボックス３２８とを含む。

電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４は、シールドボックス３２８内において固設される。一例として、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４は、車両２００の駐車スペースの車両前後方向に沿って配列される。隣接する電磁誘導コイルの重なり具合（重ならない場合も含む。）については、配置スペースと、重なり具合の程度に応じて変化する送電効率とに基づいて適宜設計される。

電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４は、それぞれリレー３２２，３２４，３２６を介して電源部１１０（図示せず）に接続される。リレー３２２，３２４，３２６は、ＥＣＵ１４０（図１）によって制御され、可動の共振コイル３１６の位置に応じて、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のうち、車両２００への送電効率が最良となる電磁誘導コイルに対応するリレーがオンされ、残余のリレーはオフされる。一例として、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のうち、共振コイル３１６に最も近接する電磁誘導コイルに対応するリレーがオンされ、残余のリレーがオフされる。なお、オンされるリレーは、必ずしも１つである必要はなく、共振コイル３１６の位置に応じて複数のリレーをオンさせてもよい。リレー３２２，３２４，３２６に接続される３対の電力線は、シールドボックス３２８内において互いに接続され、１本の電力線に纏められてシールドボックス３２８外に取出される。

共振コイル３１６は、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４と所定の間隔を空けて設けられ、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のいずれかから受電可能な範囲においてシールドボックス３２８内を移動可能に構成される。一例として、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４の配列方向に沿ってレール３２０が配設され、レール３２０上を共振コイル３１６が移動することによって、車両２００の受電部２１０と共振コイル３１６との位置関係に応じて共振コイル３１６を移動させることができる。

なお、図２では、電磁誘導コイル３１０に対向する位置に共振コイル３１６が配置された状態について例示されているが、図示の関係上、電磁誘導コイル３１０に対して共振コイル３１６の位置を少しずらして記載されている。

共振コイル３１６は、キャパシタ３１８とともにＬＣ共振回路を形成する。なお、後述するように、車両２００の受電部２１０においてもＬＣ共振回路が形成される。そして、共振コイル３１６およびキャパシタ３１８によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、受電部２１０のＬＣ共振回路の固有周波数との差は、前者の固有周波数または後者の固有周波数の±１０％以下である。キャパシタ３１８は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、共振コイル３１６の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ３１８を設けない構成としてもよい。

レール３２０は、共振コイル３１６から車両２００の受電部２１０（図示せず）への良好な送電効率を実現するために、車両２００の受電部２１０と共振コイル３１６との位置関係に応じて共振コイル３１６を移動させるための移動手段である。レール３２０は、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のいずれかから共振コイル３１６へ給電可能な範囲において共振コイル３１６が移動できるように配設される。一例として、レール３２０は、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４の配列方向に沿って配設され、レール３２０上を共振コイル３１６が可動なようにレール３２０に共振コイル３１６が取付けられる。

シールドボックス３２８は、外部への電磁波の漏洩を防止するための箱であり、たとえば銅で構成してもよいし、安価な部材で構成してその内面または外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。

この送電部１３０においては、共振コイル３１６が電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のいずれかから受電可能な範囲で共振コイル３１６を移動可能である。以下、電磁誘導コイル３１０に対応する位置に共振コイル３１６がある場合について代表的に説明すると、電磁誘導コイル３１０に対応するリレー３２２がオンされ、残余のリレー３２４，３２６はオフされる。そして、電源部１１０から電磁誘導コイル３１０へ高周波の交流電力が供給されると、電磁誘導コイル３１０は、共振コイル３１６と磁気的に結合し、電源部１１０から受けた高周波電力を電磁誘導により共振コイル３１６へ供給する。共振コイル３１６は、電磁誘導コイル３１０から高周波電力を受けると周囲に電磁場（近接場）を形成し、車両２００の受電部２１０の共振コイル（図示せず）へ非接触で電力を出力する。

共振コイル３１６は、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４から所定の指標に従って選択されるコイルに対応する位置に配置される。一例として、共振コイル３１６が対向位置にあるときにＳ１１パラメータが最小となる電磁誘導コイルが選択され、その選択された電磁誘導コイルに対向する位置に共振コイル３１６は配置される。なお、Ｓ１１パラメータは、送電部１３０および車両２００の受電部２１０によって形成される回路網の入力ポート（送電部１３０の入力）における反射係数であり、市販のネットワークアナライザによって容易に検出することができる。なお、Ｓ１１パラメータに代えて、上記回路網の通過特性を示すＳ２１パラメータや、電源部１１０への反射電力、車両２００における受電状況（受電電力や受電電圧）等を用いて、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のいずれかを選択してもよい。

なお、図２では、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４および共振コイル３１６のコイル形状は角型であるが、コイル形状は図示される形状に限定されるものではなく、たとえば円形であってもよい。また、図２では、各コイルは１ループであるが、複数ループで構成してもよい。

図３は、図１に示した受電部２１０を受電方向から見た平面図である。図３を参照して、受電部２１０は、共振コイル３５０と、キャパシタ３５２と、電磁誘導コイル３５４と、シールドボックス３５６とを含む。

共振コイル３５０は、シールドボックス３５６内において固設される。共振コイル３５０は、キャパシタ３５２とともにＬＣ共振回路を形成する。なお、上述のように、送電装置１００の送電部１３０においてもＬＣ共振回路が形成される。そして、共振コイル３５０およびキャパシタ３５２によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、送電部１３０のＬＣ共振回路の固有周波数との差は、前者の固有周波数または後者の固有周波数の±１０％以下である。なお、キャパシタ３５２は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、共振コイル３５０の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ３５２を設けない構成としてもよい。

電磁誘導コイル３５４は、シールドボックス３５６内において、共振コイル３５０に対向する位置に固設される。なお、この図３でも、図示の関係上、共振コイル３５０に対して電磁誘導コイル３５４の位置を少しずらして記載されている。

この受電部２１０においては、共振コイル３５０は、送電装置１００の送電部１３０の共振コイル３１６から電磁場（近接場）を介して非接触で受電する。電磁誘導コイル３５４は、電磁誘導により共振コイル３５０と磁気的に結合し、共振コイル３５０によって受電された交流電力を電磁誘導により共振コイル３５０から取出して整流器２２０（図１）へ出力する。

なお、図３でも、共振コイル３５０および電磁誘導コイル３５４のコイル形状は角型であるが、コイル形状は図示される形状に限定されるものではなく、たとえば円形であってもよい。また、図３でも、各コイルは１ループであるが、複数ループで構成してもよい。

次に、送電装置１００から車両２００への電力伝送について説明する。この電力伝送システムにおいては、送電部１３０の固有周波数と、受電部２１０の固有周波数との差は、送電部１３０の固有周波数または受電部２１０の固有周波数の±１０％以下である。このような範囲に送電部１３０および受電部２１０の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができる。一方、上記の固有周波数の差が±１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％よりも小さくなり、電力伝送時間が長くなるなどの弊害が生じる。

なお、送電部１３０（受電部２１０）の固有周波数とは、送電部１３０（受電部２１０）を構成する電気回路（共振回路）が自由振動する場合の振動周波数を意味する。なお、送電部１３０（受電部２１０）の共振周波数とは、送電部１３０（受電部２１０）を構成する電気回路（共振回路）において、制動力または電気抵抗を零としたときの固有周波数を意味する。

図４および図５を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図４は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。また、図５は、送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示す図である。

図４を参照して、電力伝送システム８９は、送電部９０と、受電部９１とを備える。送電部９０は、第１コイル９２と、第２コイル９３とを含む。第２コイル９３は、共振コイル９４と、共振コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。受電部９１は、第３コイル９６と、第４コイル９７とを備える。第３コイル９６は、共振コイル９９とこの共振コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

共振コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。また、共振コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、第２コイル９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、第３コイル９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。

ｆ１＝１／｛２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2｝・・・（１）
ｆ２＝１／｛２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2｝・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を図６に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共振コイル９４および共振コイル９９の相対的な位置関係は固定とし、さらに、第２コイル９３に供給される電流の周波数は一定である。

図５に示すグラフのうち、横軸は固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は一定周波数での電力伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記の式（３）によって示される。

（固有周波数のズレ）＝｛（ｆ１−ｆ２）／ｆ２｝×１００（％）・・・（３）
図５からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が０％の場合には、電力伝送効率は１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は４０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は１０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は５％程度となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、第３コイル９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を実用的なレベルに高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が第３コイル９６の固有周波数の５％以下となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定すると、電力伝送効率をさらに高めることができるのでより好ましい。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（ＪＭＡＧ（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

再び図１を参照して、送電部１３０および受電部２１０は、送電部１３０と受電部２１０との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、送電部１３０と受電部２１０との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、非接触で電力を授受する。送電部１３０と受電部２１０との結合係数κは０．１以下であり、送電部１３０と受電部２１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部１３０から受電部２１０へ電力が伝送される。

上記のように、この電力伝送システムにおいては、送電部１３０と受電部２１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部１３０と受電部２１０との間で非接触で電力が伝送される。電力伝送における、このような送電部１３０と受電部２１０との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」、「電界（電場）共振結合」等という。「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

送電部１３０と受電部２１０とが上記のようにコイルによって形成される場合には、送電部１３０と受電部２１０とは、主に磁界（磁場）によって結合し、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」が形成される。なお、送電部１３０と受電部２１０とに、たとえば、メアンダライン等のアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部１３０と受電部２１０とは、主に電界（電場）によって結合し、「電界（電場）共鳴結合」が形成される。

図６は、送電装置１００から車両２００への電力伝送時の等価回路図である。図６を参照して、送電装置１００において、共振コイル３１６は、キャパシタ３１８とともにＬＣ共振回路を形成する。車両２００においても、共振コイル３５０は、キャパシタ３５２とともにＬＣ共振回路を形成する。そして、共振コイル３１６およびキャパシタ３１８によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、共振コイル３５０およびキャパシタ３５２によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数との差は、前者の固有周波数または後者の固有周波数の±１０％以下である。

送電装置１００において、選択された電磁誘導コイル３１０（または３１２，３１４）へ電源部１１０から高周波の交流電力が供給され、電磁誘導コイル３１０（または３１２，３１４）を用いて共振コイル３１６へ電力が供給される。そうすると、共振コイル３１６と車両２００の共振コイル３５０との間に形成される磁界を通じて共振コイル３１６から共振コイル３５０へエネルギー（電力）が移動する。共振コイル３５０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導コイル３５４を用いて取出され、整流器２２０以降の電気負荷３８０へ伝送される。

図７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７を参照して、電磁界は主に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波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ー（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、互いに近接する固有周波数を有する一対の共振器（たとえば一対の共振コイル）を共振させることにより、一方の共振器（一次側共振コイル）から他方の共振器（二次側共振コイル）へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電磁界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電磁界」によりエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。

図８は、送電部１３０において共振コイル３１６を移動させたときのＳ１１パラメータの変化を示した図である。図８を参照して、横軸は伝送電力の周波数を示し、縦軸はＳ１１パラメータを示す。一例として、曲線ｋ１１は、電磁誘導コイル３１０に対向する位置に共振コイル３１６が移動したときのＳ１１パラメータを示し、曲線ｋ１２，１３は、それぞれ電磁誘導コイル３１２，３１４に対向する位置に共振コイル３１６が移動したときのＳ１１パラメータを示す。なお、周波数ｆｔは、電源部１１０によって生成される交流電力の周波数である。このケースでは、Ｓ１１パラメータが最小となる電磁誘導コイル３１２が選択される。

なお、上記においては、送電部１３０は、３つの電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４を有するものとしたが、送電部１３０が有する電磁誘導コイルの数は３つに限定されるものではなく、２つでもよいし、３つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、上記のように必ずしも同じである必要はない。電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

以上のように、この実施の形態１においては、送電装置１００の送電部１３０において複数の電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４が設けられる。そして、車両２００と送電部１３０の共振コイル３１６との位置関係に基づいて、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４のいずれかから共振コイル３１６へ給電可能な範囲において共振コイル３１６を移動させるための移動手段（レール３２０）が設けられる。したがって、この実施の形態１によれば、電源部１１０との配線が不要な共振コイル３１６だけを移動させるので、移動に伴なう電力線（電力ケーブル等）の劣化が生じることがない。また、共振コイル３１６を移動させることができるので、共振コイル３１６を複数設けることなく広範囲の電力伝送を実現することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４は、別々の導線によって構成されるが、複数の電磁誘導コイルを１つの導線によって構成してもよい。

実施の形態２による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した実施の形態１による電力伝送システムと同じである。

図９は、実施の形態２における送電部１３０Ａを送電方向から見た平面図である。図９を参照して、送電部１３０Ａは、電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａと、共振コイル３１６と、キャパシタ３１８と、レール３２０と、シールドボックス３２８とを含む。

電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａは、基本的に実施の形態１における電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４と同位置に配設され、１本の導線によって構成される。これにより、電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａを構成するための配線が低減されるとともに、リレー３２２，３２４，３２６（図２）を不要にできる。

なお、送電部１３０Ａのその他の構成は、実施の形態１における送電部１３０と同じである。なお、上記においても、送電部１３０Ａは、３つの電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａを有するものとしたが、送電部１３０Ａが有する電磁誘導コイルの数は３つに限定されるものではなく、２つでもよいし、３つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、必ずしも同じである必要はなく、電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａが１本の導線によって構成されるので、実施の形態１と電磁誘導コイルを構成するための配線が低減され、リレー３２２，３２４，３２６（図２）も不要にできる。

［実施の形態３］
上記の実施の形態１，２では、送電部１３０，１３０Ａにおける複数の電磁誘導コイルは直線的に配設され、共振コイル３１６も直線的に可動としたが、この実施の形態３では、複数の電磁誘導コイルが二次元的に配設され、共振コイルも二次元的に可動な構成が示される。

実施の形態３による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した実施の形態１による電力伝送システムと同じである。

図１０は、実施の形態３における送電部１３０Ｂを送電方向から見た平面図である。図１０を参照して、送電部１３０Ｂは、電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６と、共振コイル３１６と、キャパシタ３１８と、レール３２０，３７８と、シールドボックス３２８とを含む。

電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６は、シールドボックス３２８内において固設される。電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６は、二次元的に配設され、一例として行列状に配設される。電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６は、１本の導線によって構成される。なお、電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６を別々の導線によって構成し、電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６の各々と電源部１１０（図１）との間にリレーを設けてもよい。

レール３２０，３７８は、共振コイル３１６から車両２００の受電部２１０（図示せず）への良好な送電効率を実現するために、車両２００の受電部２１０と共振コイル３１６との位置関係に応じて共振コイル３１６を移動させるための移動手段である。レール３２０，３７８は、電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６のいずれかから共振コイル３１６へ給電可能な範囲において共振コイル３１６が移動できるように配設される。一例として、レール３２０は、ｘ方向（たとえば駐車スペースの車両前後方向）に沿って配設され、レール３２０上を共振コイル３１６が可動なようにレール３２０に共振コイル３１６が取付けられる。レール３７８は、ｙ方向（たとえば駐車スペースの車両左右方向）に沿って配設され、レール３７８上をレール３２０が可動なようにレール３７８にレール３２０が取付けられる。

なお、上記において、送電部１３０Ｂは、４つの電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６を有するものとしたが、送電部１３０Ｂが有する電磁誘導コイルの数は４つに限定されるものではなく、４つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、必ずしも同じである必要はなく、電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態１，２と同様の効果が得られるとともに、共振コイル間の位置合わせを二次元的に行なうことができる。

［実施の形態４］
上記の実施の形態１では、送電装置１００の送電部１３０において共振コイルを可動としたが、この実施の形態４では、車両２００の受電部において共振コイルを可動とする。

この実施の形態４による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した電力伝送システムの構成と同じである。そして、車両２００の受電部２１０Ａは、図２に示した送電部１３０の構成と同じである。一方、送電装置１００の送電部１３０Ｃは、図３に示した受電部２１０の構成と同じである。すなわち、この実施の形態４では、車両２００側において共振コイルが可動に構成され、送電装置１００側においては、共振コイルは固設される。

なお、この実施の形態４においても、受電部２１０Ａが有する電磁誘導コイルの数は３つに限定されるものではなく、２つでもよいし、３つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、上記のように必ずしも同じである必要はなく、電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

この実施の形態４によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。
［実施の形態５］
この実施の形態５においても、車両の受電部において共振コイルを可動とし、さらに、複数の電磁誘導コイルが１つの導線によって構成される。

この実施の形態５による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した電力伝送システムの構成と同じである。そして、車両２００の受電部２１０Ｂは、図９に示した送電部１３０Ａの構成と同じである。一方、送電装置１００の送電部１３０Ｃは、図３に示した受電部２１０の構成と同じである。すなわち、この実施の形態５では、車両２００側において、共振コイルが可動に構成されるとともに、電磁誘導コイルが１つの導線によって構成される。送電装置１００側においては、共振コイルは固設される。

なお、この実施の形態５においても、受電部２１０Ｂが有する電磁誘導コイルの数は３つに限定されるものではなく、２つでもよいし、３つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、上記のように必ずしも同じである必要はなく、電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

この実施の形態５によれば、実施の形態２と同様の効果が得られる。
［実施の形態６］
この実施の形態６においては、車両の受電部において、複数の電磁誘導コイルが二次元的に配設され、共振コイルが二次元的に可動とされる。

この実施の形態６による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した電力伝送システムの構成と同じである。そして、車両２００の受電部２１０Ｃは、図１０に示した送電部１３０Ｂの構成と同じである。一方、送電装置１００の送電部１３０Ｃは、図３に示した受電部２１０の構成と同じである。すなわち、この実施の形態６では、車両２００側において、複数の電磁誘導コイルが二次元的に配設され、共振コイルも二次元的に可動に構成される。送電装置１００側においては、共振コイルは固設される。

なお、この実施の形態６においても、実施の形態３で付言したように、各電磁誘導コイルを別々の導線によって構成し、各電磁誘導コイルと整流器２２０（図１）との間にリレーを設けてもよい。また、受電部２１０Ｃは、４つの電磁誘導コイルを有するものとしたが、受電部２１０Ｃが有する電磁誘導コイルの数は４つに限定されるものではなく、４つより多くてもよい。また、電磁誘導コイルの形状と共振コイルの形状とは、必ずしも同じである必要はなく、電磁誘導コイルの大きさと共振コイルの大きさとについても、必ずしも同じである必要はない。

この実施の形態６によれば、実施の形態３と同様の効果が得られる。
［実施の形態７］
実施の形態１〜３では、送電装置側において共振コイルが可動に構成され、車両側では共振コイルは固設とされた。一方、実施の形態４〜６では、車両側において共振コイルが可動に構成され、送電装置側では共振コイルは固設とされた。この実施の形態７では、送電装置および車両の双方において、共振コイルが可動とされる。

この実施の形態７による電力伝送システムの全体構成は、図１に示した電力伝送システムの構成と同じである。そして、送電装置１００は、図２に示した送電部１３０を含み、車両２００の受電部２１０Ａは、送電部１３０の構成と同じである。すなわち、この実施の形態７では、送電装置１００および車両２００の双方において共振コイルが可動である。

なお、送電部１３０に代えて、図９に示した送電部１３０Ａや、図１０に示した送電部１３０Ｂの構成を採用してもよい。また、受電部２１０Ａに代えて、図９に示した受電部２１０Ｂや、図１０に示した受電部２１０Ｃの構成を採用してもよい。

この実施の形態７によれば、共振コイル間の位置合わせをより柔軟に行なうことができる。

なお、上記の各実施の形態においては、複数の電磁誘導コイルに対して共振コイルを相対的に移動させるものとしたが、複数の電磁誘導コイルに対応させて共振コイルを複数設けてもよい。これにより、広範囲の電力伝送を実現することができる。

また、上記の各実施の形態においては、送電装置１００（一次側）の送電部１３０（１３０Ａ〜１３０Ｃ）と車両２００（二次側）の受電部２１０（２１０Ａ〜２１０Ｃ）とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部から受電部へ非接触で電力が伝送されるものとしたが、電磁誘導により送電部から受電部へ非接触で電力を伝送するシステムにもこの発明は適用可能である。なお、送電部と受電部との間で電磁誘導により電力伝送が行なわれる場合には、送電部と受電部との結合係数κは、１．０に近い値となる。

また、上記の各実施の形態においては、送電装置１００から車両２００へ電力を伝送するものとしたが、この発明は、受電装置が車両以外の電力伝送システムにも適用可能である。

なお、上記において、共振コイル３１６は、この発明における「第１のコイル」の一実施例に対応し、電磁誘導コイル３１０，３１２，３１４、電磁誘導コイル３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａ、および電磁誘導コイル３７０，３７２，３７４，３７６は、この発明における「複数の第２のコイル」の一実施例に対応する。また、レール３２０およびレール３７８は、この発明における「移動手段」の一実施例に対応し、リレー３２２，３２４，３２６は、この発明における「切替部」の一実施例に対応する。

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、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、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。

１００ 送電装置、１１０ 電源部、１２０ 整合器、１３０，１３０Ａ〜１３０Ｃ 送電部、１４０，２５０ ＥＣＵ、１５０，２６０ 通信部、２００ 車両、２１０，２１０Ａ〜２１０Ｃ 受電部、２２０ 整流器、２３０ 蓄電装置、２４０ 動力出力装置、３１０，３１２，３１４，３１０Ａ，３１２Ａ，３１４Ａ，３５４，３７０，３７２，３７４，３７６ 電磁誘導コイル、３１６，３５０ 共振コイル、３１８，３５２ キャパシタ、３２０，３７８ レール、３２２，３２４，３２６ リレー、３２８，３５６ シールドボックス、３８０ 電気負荷。

Claims (18)

1. 受電装置へ非接触で電力を出力する送電装置であって、
   前記受電装置へ非接触で電力を伝送するための第１のコイルと、
   各々が電源から受ける電力を前記第１のコイルへ非接触で供給するための複数の第２のコイルと、
   前記第１のコイルを前記複数の第２のコイルに対して相対的に移動させるための移動装置とを備え、
   前記複数の第２のコイルは、平面に沿って、各々のコイル軸が前記平面に垂直になるように並べて配置され、
   前記移動装置は、前記平面に沿って前記第１のコイルを移動させるように構成される、送電装置。
2. 前記複数の第２のコイルは、１本の導線によって構成される、請求項１に記載の送電装置。
3. 前記複数の第２のコイルと前記電源との間に設けられ、前記複数の第２のコイルのうち、前記第１のコイルに最も近接するコイルを前記電源に電気的に接続するとともに残余のコイルを前記電源から電気的に切離す切替部をさらに備える、請求項１に記載の送電装置。
4. 前記複数の第２のコイルと前記電源との間に設けられ、前記複数の第２のコイルのうち、前記受電装置への送電効率を最良にするコイルを前記電源に電気的に接続するとともに残余のコイルを前記電源から電気的に切離す切替部をさらに備える、請求項１に記載の送電装置。
5. 前記受電装置は、車両に搭載され、
   前記複数の第２のコイルは、前記車両の駐車スペースの車両前後方向に沿って配設される、請求項１に記載の送電装置。
6. 前記第１のコイルの固有周波数と、前記受電装置の受電用コイルの固有周波数との差は、前記第１のコイルの固有周波数または前記受電用コイルの固有周波数の±１０％以下である、請求項１に記載の送電装置。
7. 前記第１のコイルと前記受電装置の受電用コイルとの結合係数は０．１以下である、請求項１に記載の送電装置。
8. 前記第１のコイルは、前記第１のコイルと前記受電装置の受電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、前記第１のコイルと前記受電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記受電用コイルへ送電する、請求項１に記載の送電装置。
9. 送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、
   前記送電装置から非接触で受電するための第１のコイルと、
   各々が前記第１のコイルから非接触で電力を取出して電気負荷へ出力するための複数の第２のコイルと、
   前記第１のコイルを前記複数の第２のコイルに対して相対的に移動させるための移動装置とを備え、
   前記複数の第２のコイルは、平面に沿って、各々のコイル軸が前記平面に垂直になるように並べて配置され、
   前記移動装置は、前記平面に沿って前記第１のコイルを移動させるように構成される、受電装置。
10. 前記複数の第２のコイルは、１本の導線によって構成される、請求項９に記載の受電装置。
11. 前記複数の第２のコイルと前記電気負荷との間に設けられ、前記複数の第２のコイルのうち、前記第１のコイルに最も近接するコイルを前記電気負荷に電気的に接続するとともに残余のコイルを前記電気負荷から電気的に切離す切替部をさらに備える、請求項９に記載の受電装置。
12. 前記複数の第２のコイルと前記電気負荷との間に設けられ、前記複数の第２のコイルのうち、前記送電装置からの受電効率を最良にするコイルを前記電気負荷に電気的に接続するとともに残余のコイルを前記電気負荷から電気的に切離す切替部をさらに備える、請求項９に記載の受電装置。
13. 当該受電装置は、車両に搭載され、
    前記複数の第２のコイルは、前記車両の前後方向に沿って配設される、請求項９に記載の受電装置。
14. 前記第１のコイルの固有周波数と、前記送電装置の送電用コイルの固有周波数との差は、前記第１のコイルの固有周波数または前記送電用コイルの固有周波数の±１０％以下である、請求項９に記載の受電装置。
15. 前記第１のコイルと前記送電装置の送電用コイルとの結合係数は０．１以下である、請求項９に記載の受電装置。
16. 前記第１のコイルは、前記第１のコイルと前記送電装置の送電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、前記第１のコイルと前記送電用コイルとの間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記送電用コイルから受電する、請求項９に記載の受電装置。
17. 送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムであって、
    前記送電装置は、
    前記受電装置へ非接触で電力を伝送するための第１のコイルと、
    各々が電源から受ける電力を前記第１のコイルへ非接触で供給するための複数の第２のコイルと、
    前記受電装置と前記第１のコイルとの位置関係に基づいて、前記複数の第２のコイルのいずれかから前記第１のコイルへ給電可能な範囲において前記第１のコイルを移動させるための移動手段とを備え、
    前記複数の第２のコイルは、平面に沿って、各々のコイル軸が前記平面に垂直になるように並べて配置され、
    前記移動手段は、前記平面に沿って前記第１のコイルを移動させるように構成され、
    前記受電装置は、
    前記第１のコイルから出力される電力を非接触で受電する受電部と、
    前記受電部によって受電された電力を受ける電気負荷とを備える、電力伝送システム。
18. 送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムであって、
    前記送電装置は、
    電源と、
    前記電源から供給される電力を前記受電装置へ非接触で出力する送電部とを備え、
    前記受電装置は、
    前記送電部から非接触で受電するための第１のコイルと、
    各々が前記第１のコイルから非接触で電力を取出して電気負荷へ出力するための複数の第２のコイルと、
    前記送電部と前記第１のコイルとの位置関係に基づいて、前記複数の第２のコイルのいずれかが前記第１のコイルから非接触で電力を取出可能な範囲において前記第１のコイルを移動させるための移動手段とを備え、
    前記複数の第２のコイルは、平面に沿って、各々のコイル軸が前記平面に垂直になるように並べて配置され、
    前記移動手段は、前記平面に沿って前記第１のコイルを移動させるように構成される、電力伝送システム。

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