JP5884698B2 - 非接触受電装置 - Google Patents

Description

この発明は非接触受電装置に関し、特に、交流電力受電して直流電力に変換する整流器を備える非接触受電装置に関する。

近年、携帯電話などの小型機器から電気自動車などの大型装置まで、種々の装置に非接触の給電が検討され、一部は実現されている。非接触で給電が可能になると、機器のバッテリ充電や機器使用中の給電等の際に充電ケーブルで機器と電源を接続する手間が軽減されユーザにとって便利である。

このような非接触で給電を行なう回路の一例が、特開２０１０−１４２０３６号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１０−１４２０３６号公報

上記特開２０１０−１４２０３６号公報では、交流で送電された電力を整流する整流平滑回路としてダイオードブリッジ回路を用いている。しかし、整流ダイオードによる整流は、高いリップル電圧が発生するので、素子耐圧が高い整流ダイオードを用いる必要がある。素子耐圧が高い整流ダイオードは、損失が高くなるとともに素子寸法やコストも増加する。したがって、リップル電圧を低減させることが望ましい。

この発明の目的は、整流素子に印加されるリップル電圧が低減された非接触受電装置を提供することである。

この発明は、要約すると、非接触受電装置であって、非接触で送電装置からの交流電力を受電する受電部と、受電部で受電された交流電力を直流電力に変換する整流器とを備える。整流器は、受電部から受電電力を受ける入力端子と、整流素子を有し、入力端子に加えられた交流電力を直流電力に整流する整流回路と、整流回路が整流した後の直流電力を出力するノードに一方端が接続されるコイル対と、コイル対の他方端に接続されるＹ型コンデンサ回路と、負荷に対して直流電力を出力する出力端子と、出力端子とＹ型コンデンサ回路との間に接続される平滑コンデンサとを含む。

好ましくは、非接触受電装置は、コイル対の一方端に接続される第２のＹ型コンデンサ回路をさらに備える。

好ましくは、送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含む。送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、送電部の固有周波数または受電部の固有周波数の±１０％以下である。

好ましくは、送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含む。送電部と受電部との結合係数は０．３以下である。

好ましくは、送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含む。受電部は、受電部と送電部との間に形成される特定の周波数で振動する磁界、および、受電部と送電部との間に形成される特定の周波数で振動する電界の少なくとも一方を通じて、送電部から受電する。

本発明によれば、整流素子に印加されるリップル電圧が低減されるので、耐圧が低く寸法が小さく損失が低い整流素子を採用することが可能となる。

この発明の実施の形態に従う車両給電システム（非接触給電システム）１０の全体構成図である。 図１に示した車両給電システム１０の詳細構成図である。 送電装置２００から車両１００への電力伝送時の等価回路図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 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す図である。 固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、送電部２２０に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。 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。 図２の整流器１８０の構成の検討例を示した図である。 本実施の形態で用いられる整流器１８０の構成を示した回路図である。 図８の検討例の整流器に生じる電圧リップルを説明するための波形図である。 図９の整流器に生じる電圧リップルを説明するための図である。 整流器の変形例を示した図である。

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。

（非接触給電システムの構成）
図１は、この発明の実施の形態に従う車両給電システム（非接触給電システム）１０の全体構成図である。図１を参照して、車両給電システム１０は、車両１００と、送電装置２００とを備える。車両１００は、受電部１１０と、通信部１６０とを含む。また、送電装置２００は、電源装置２１０と、送電部２２０と、通信部２３０とを含む。

受電部１１０は、たとえば車体底面に設置され、送電装置２００の送電部２２０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１１０の
詳細な構成については、送電部２２０の構成、ならびに送電部２２０から受電部１１０への電力伝送とともに、後ほど説明する。通信部１６０は、車両１００が送電装置２００と通信を行なうための通信インターフェースである。

送電装置２００における電源装置２１０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、電源装置２１０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し、その発生した交流電力を送電部２２０へ供給する。

送電部２２０は、たとえば駐車場の床面に設置され、電源装置２１０から高周波の交流電力の供給を受ける。そして、送電部２２０は、送電部２２０の周囲に発生する電磁界を介して車両１００の受電部１１０へ非接触で電力を出力する。なお、送電部２２０の詳細な構成についても、受電部１１０の構成、ならびに送電部２２０から受電部１１０への電力伝送とともに、後ほど説明する。通信部２３０は、送電装置２００が車両１００と通信を行なうための通信インターフェースである。

車両給電システム１０においては、送電装置２００の送電部２２０から車両１００の受電部１１０へ非接触で電力が伝送される。

図２は、図１に示した車両給電システム１０の詳細構成図である。図２を参照して、送電装置２００は、上述のように、電源装置２１０と、送電部２２０と、車両検出部２７０とを含む。電源装置２１０は、通信部２３０に加えて、制御装置である送電ＥＣＵ２４０と、電源部２５０と、整合器２６０と、ユーザインターフェース（Ｉ／Ｆ）部２８０とをさらに含む。また、送電部２２０は、共振コイル２２１と、キャパシタ２２２と、電磁誘導コイル２２３とを含む。

電源部２５０は、送電ＥＣＵ２４０からの制御信号ＭＯＤによって制御され、商用電源４００などの交流電源から受ける電力を高周波の電力に変換する。そして、電源部２５０は、その変換した高周波電力を、整合器２６０を介して電磁誘導コイル２２３へ供給する。

また、電源部２５０は、図示されない電圧センサ，電流センサによってそれぞれ検出される送電電圧Ｖｔｒおよび送電電流Ｉｔｒを送電ＥＣＵ２４０へ出力する。

整合器２６０は、送電装置２００と車両１００との間のインピーダンスをマッチングさせるための回路である。整合器２６０は、電源部２５０と送電部２２０との間に設けられ、回路のインピーダンスを変更することができる。整合器２６０は、任意の構成を採用することができるが、一例として、可変キャパシタとコイルとによって構成され（図示せず）、可変キャパシタ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２６０においてインピーダンスを変更することによって、送電装置２００のインピーダンスを車両１００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）。なお、図２においては、整合器２６０は、電源部２５０と分離して設けられる構成として記述されているが、電源部２５０が整合器２６０の機能を含むようにしてもよい。

車両検出部２７０は、車両１００が送電装置２００の送電可能範囲内に存在していることを検出する。車両検出部２７０は、たとえば、レーザ、赤外線、超音波などの非接触型のセンサや、リミットスイッチなどの接触型センサ、あるいは車重を検知する荷重センサなどの任意のセンサを用いることができる。

Ｉ／Ｆ部２８０は、ユーザ操作の入力およびユーザへの情報の出力を行なう。Ｉ／Ｆ部２８０は、たとえば、ユーザ操作によって送電対象の車両の選択や外部充電の開始を指示する指令を受ける。また、Ｉ／Ｆ部２８０は、送電状態や課金情報をユーザに提供する。

共振コイル２２１は、車両１００の受電部１１０に含まれる共振コイル１１１へ非接触で電力を転送する。なお、受電部１１０と送電部２２０との間の電力伝送については、図３を用いて後述する。

通信部２３０は、上述のように、送電装置２００と車両１００との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、車両１００側の通信部１６０と情報ＩＮＦＯの授受を行なう。通信部２３０は、通信部１６０から送信される車両情報、ならびに、送電の開始および停止を指示する信号等を受信し、受信したこれらの情報を送電ＥＣＵ２４０へ出力する。また、通信部２３０は、送電ＥＣＵ２４０からの送電電圧Ｖｔｒおよび送電電流Ｉｔｒを含む情報を車両１００へ送信する。

送電ＥＣＵ２４０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入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、電源装置２１０における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。

車両１００は、受電部１１０および通信部１６０に加えて、ユーザインターフェース（Ｉ／Ｆ）部１６５と、充電リレーＣＨＲ１７０と、整流器１８０と、蓄電装置１９０と、システムメインリレーＳＭＲ１１５と、駆動装置１５５と、制御装置である車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００と、電圧センサ１９５と、電流センサ１９６とを含む。

駆動装置１５５は、パワーコントロールユニットＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０と、動力伝達ギヤ１４０と、駆動輪１５０とを含む。受電部１１０は、共振コイル１１１と、キャパシタ１１２と、電磁誘導コイル１１３とを含む。

なお、本実施の形態においては、車両１００として電気自動車を例として説明するが、蓄電装置に蓄えられた電力を用いて走行が可能な車両であれば車両１００の構成はこれに限られない。車両１００の他の例としては、エンジンを搭載したハイブリッド車両や、燃料電池を搭載した燃料電池車などが含まれる。

共振コイル１１１は、送電装置２００に含まれる共振コイル２２１から非接触で電力を受電する。

整流器１８０は、電磁誘導コイル１１３からＣＨＲ１７０を介して受けた交流電力を整流し、その整流された直流電力を蓄電装置１９０に出力する。整流器１８０としては、たとえば、後に図８〜図１２で説明するようにダイオードブリッジおよび平滑用のキャパシタを含む構成とすることができる。

整流器１８０として、スイッチング制御を用いて整流を行なう、いわゆるスイッチングレギュレータを用いることも可能である。整流器１８０が受電部１１０に含まれる場合には、発生する電磁場に伴うスイッチング素子の誤動作等を防止するために、ダイオードブリッジのような静止型の整流器とすることがより好ましい。

ＣＨＲ１７０は、受電部１１０と整流器１８０との間に電気的に接続される。ＣＨＲ１７０は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ２により制御され、受電部１１０から整流器１８０への電力の供給と遮断とを切換える。

蓄電装置１９０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置１９０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。

蓄電装置１９０は、整流器１８０に接続される。そして、蓄電装置１９０は、受電部１１０で受電されかつ整流器１８０で整流された電力を蓄電する。また、蓄電装置１９０は、ＳＭＲ１１５を介してＰＣＵ１２０とも接続される。蓄電装置１９０は、車両駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ１２０へ供給する。さらに、蓄電装置１９０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。蓄電装置１９０の出力は、たとえば２００Ｖ程度である。

なお、図２には示されていないが、受電電圧と蓄電装置１９０の充電電圧とが異なる場合には、整流器１８０と蓄電装置１９０との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータのような電力変換装置を設けるようにしてもよい。また、送電装置２００と同様に、インピーダンスマッチングを行なう整合器が設けられてもよい。

蓄電装置１９０には、いずれも図示しないが、蓄電装置１９０の電圧ＶＢおよび入出力される電流ＩＢを検出するための電圧センサおよび電流センサが設けられる。これらの検出値は、車両ＥＣＵ３００へ出力される。車両ＥＣＵ３００は、この電圧ＶＢおよび電流ＩＢに基づいて、蓄電装置１９０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称する。）を演算する。

ＳＭＲ１１５は、蓄電装置１９０とＰＣＵ１２０との間に電気的に接続される。そして、ＳＭＲ１１５は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１によって制御され、蓄電装置１９０とＰＣＵ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。

ＰＣＵ１２０は、いずれも図示しないが、コンバータやインバータを含む。コンバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＣにより制御されて蓄電装置１９０からの電圧を変換する。インバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩにより制御されて、コンバータで変換された電力を用いてモータジェネレータ１３０を駆動する。

モータジェネレータ１３０は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。

モータジェネレータ１３０の出力トルクは、動力伝達ギヤ１４０を介して駆動輪１５０に伝達される。車両１００は、このトルクを用いて走行する。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１５０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、ＰＣＵ１２０によって蓄電装置１９０の充電電力に変換される。

また、モータジェネレータ１３０の他にエンジン（図示せず）が搭載されたハイブリッド自動車では、エンジンおよびモータジェネレータ１３０を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が発生される。この場合、エンジンの回転による発電電力を用いて、蓄電装置１９０を充電することも可能である。

通信部１６０は、上述のように、車両１００と送電装置２００との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、送電装置２００の通信部２３０と情報ＩＮＦＯの授受を行なう。通信部１６０から送電装置２００へ出力される情報ＩＮＦＯには、車両ＥＣＵ３００からの車両情報や、送電の開始および停止を指示する信号が含まれる。

車両ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ、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入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００における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。

電圧センサ１９５は、電磁誘導コイル１１３に並列に接続され、受電部１１０で受電された受電電圧Ｖｒｅを検出する。電流センサ１９６は、電磁誘導コイル１１３とＣＨＲ１７０とを結ぶ電力線に設けられ、受電電流Ｉｒｅを検出する。検出された受電電圧Ｖｒｅおよび受電電流Ｉｒｅは車両ＥＣＵ３００に送信され、伝送効率の演算に用いられる。

Ｉ／Ｆ部１６５は、ユーザ操作の入力およびユーザへの情報の出力を行なう。Ｉ／Ｆ部１６５は、たとえば、ユーザ操作による外部充電の開始を指示する指令を受ける。また、Ｉ／Ｆ部１６５は、受電部１１０と送電部２２０との位置情報や、蓄電装置１９０の充電状態などの情報をユーザに提供する。

なお、図２においては、受電部１１０および送電部２２０に、電磁誘導コイル１１３，２２３がそれぞれ設けられる構成を示したが、受電部１１０および送電部２２０に電磁誘導コイル１１３，２２３が設けられない構成とすることも可能である。この場合には、図２には示されないが、送電部２２０においては共振コイル２２１が整合器２６０に接続され、受電部１１０においては共振コイル１１１がＣＨＲ１７０を介して整流器１８０に接続される。

（電力伝送の原理）
図３は、送電装置２００から車両１００への電力伝送時の等価回路図である。図３を参照して、送電装置２００の送電部２２０は、共振コイル２２１と、キャパシタ２２２と、電磁誘導コイル２２３とを含む。

電磁誘導コイル２２３は、共振コイル２２１と所定の間隔をおいて、たとえば共振コイル２２１と略同軸上に設けられる。電磁誘導コイル２２３は、電磁誘導により共振コイル２２１と磁気的に結合し、電源装置２１０から供給される高周波電力を電磁誘導により共振コイル２２１へ供給する。

共振コイル２２１は、キャパシタ２２２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１００の受電部１１０においてもＬＣ共振回路が形成される。共振コイル２２１およびキャパシタ２２２によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、受電部１１０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。そして、共振コイル２２１は、電磁誘導コイル２２３から電磁誘導により電力を受け、車両１００の受電部１１０へ非接触で送電する。

なお、電磁誘導コイル２２３は、電源装置２１０から共振コイル２２１への給電を容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル２２３を設けずに共振コイル２２１に電源装置２１０を直接接続してもよい。また、キャパシタ２２２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２２１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２２２を設けない構成としてもよい。

車両１００の受電部１１０は、共振コイル１１１と、キャパシタ１１２と、電磁誘導コイル１１３とを含む。共振コイル１１１は、キャパシタ１１２とともにＬＣ共振回路を形成する。上述のように、共振コイル１１１およびキャパシタ１１２によって形成されるＬ
Ｃ共振回路の固有周波数と、送電装置２００の送電部２２０における、共振コイル２２１およびキャパシタ２２２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％である。そして、共振コイル１１１は、送電装置２００の送電部２２０から非接触で受電する。

電磁誘導コイル１１３は、共振コイル１１１と所定の間隔をおいて、たとえば共振コイル１１１と略同軸上に設けられる。電磁誘導コイル１１３は、電磁誘導により共振コイル１１１と磁気的に結合し、共振コイル１１１によって受電された電力を電磁誘導により取出して電気負荷装置１１８へ出力する。なお、電気負荷装置１１８は、整流器１８０（図２）以降の電気機器を包括的に表わしたものである。

なお、電磁誘導コイル１１３は、共振コイル１１１からの電力の取出しを容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル１１３を設けずに共振コイル１１１に整流器１８０を直接接続してもよい。また、キャパシタ１１２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１１１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１１２を設けない構成としてもよい。

送電装置２００において、電源装置２１０から電磁誘導コイル２２３へ高周波の交流電力が供給され、電磁誘導コイル２２３を用いて共振コイル２２１へ電力が供給される。そうすると、共振コイル２２１と車両１００の共振コイル１１１との間に形成される磁界を通じて共振コイル２２１から共振コイル１１１へエネルギ（電力）が移動する。共振コイル１１１へ移動したエネルギ（電力）は、電磁誘導コイル１１３を用いて取出され、車両１００の電気負荷装置１１８へ伝送される。

上述のように、この電力伝送システムにおいては、送電装置２００の送電部２２０の固有周波数と、車両１００の受電部１１０の固有周波数との差は、送電部２２０の固有周波数または受電部１１０の固有周波数の±１０％以下である。このような範囲に送電部２２０および受電部１１０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可能性がある。

なお、送電部２２０（受電部１１０）の固有周波数とは、送電部２２０（受電部１１０）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２２０（受電部１１０）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実質的に零としたときの固有周波数は、送電部２２０（受電部１１０）の共振周波数とも呼ばれる。

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５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、縦軸は一定周波数の電流における電力伝送効率（％）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２を参照して、送電装置２００の送電部２２０および車両１００の受電部１１０は、送電部２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部２２０から受電部１１０へ電力が伝送される。

そして、送電部２２０と受電部１１０との間の結合係数（κ）は、たとえば、０．３以下程度であり、好ましくは、０．１以下である。当然のことながら、結合係数（κ）を０．１〜０．３程度の範囲も採用することができる。結合係数（κ）は、このような値に限定されるものでなく、電力伝送が良好となる種々の値をとり得る。

ここで、送電部２２０の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と送電部２２０に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、送電部２２０に供給される電流の周波数との関係について説明する。送電部２２０から受電部１１０に電力を伝送するときの電力伝送効率は、送電部２２０および受電部１１０間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２２０および受電部１１０の固有周波数（共振周波数）をｆ０とし、送電部２２０に供給される電流の周波数をｆ３とし、送電部２２０および受電部１１０の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。

図６は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、送電部２２０に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。図６を参照して、横軸は、送電部２２０に供給される電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、送電部２２０に供給される電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、送電部２２０に供給される電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。

たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、送電部２２０に供給される電流の周波数を一定として、キャパシタ２２２やキャパシタ１１２のキャパシタンスを変化させることで、送電部２２０と受電部１１０との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、送電部２２０に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２２２およびキャパシタ１１２のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、送電部２２０および受電部１１０に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置２００の整合器２６０を利用する手法や、車両１００において整流器１８０と蓄電装置１９０との間に設けられるコンバータ（図示せず）を利用する手法などを採用することも可能である。

また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、送電部２２０に供給される電流の周波数を調整する手法である。たとえば、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、周波数ｆ４またはｆ５の電流を送電部２２０に供給する。周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数ｆ６の電流を送電部２２０に供給する。この場合においては、エアギャップＡＧの大きさに合わせて送電部２２０および受電部１１０に流れる電流の周波数を変化させることになる。

第１の手法では、送電部２２０を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、送電部２２０を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が送電部２２０に供給される。送電部２２０に特定の周波数の電流が流れることで、送電部２２０の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部１１０は、受電部１１０と送電部２２０との間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２２０から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、送電部２２０に供給される電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、送電部２２０および受電部１１０の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、送電部２２０に供給される電流の周波数を調整する場合がある。

なお、上記の説明では、共振コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共振コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、送電部２２０に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が送電部２２０の周囲に形成される。そして、この電界を通して、送電部２２０と受電部１１０との間で電力伝送が行なわれる。

この電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電磁界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。

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。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電磁界」と「誘導電磁界」と「静電磁界」との強さが略等しくなる距離は、λ／２πと表わすことができる。

「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、この実施の形態に係る電力伝送システムでは、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、近接する固有周波数を有する送電部２２０および受電部１１０（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２２０から他方の受電部１１０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）を伝送する電磁波に比べて、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。

このように、この電力伝送システムにおいては、送電部２２０と受電部１１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部２２０と受電部１１０との間で非接触で電力が伝送される。そして、送電部２２０と受電部１１０との間の結合係数（κ）は、たとえば、０．３以下程度であり、好ましくは、０．１以下である。当然のことながら、結合係数（κ）を０．１〜０．３程度の範囲も採用することができる。結合係数（κ）は、このような値に限定されるものでなく、電力伝送が良好となる種々の値をとり得る。

なお、電力伝送における、上記のような送電部２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０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２２０と受電部１１０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８は、図２の整流器１８０の構成の検討例を示した図である。図８を参照して検討例である整流器１８０Ｘは、交流電力を受ける端子Ｔ１，Ｔ２と、端子Ｔ１およびＴ２に与えられた交流電力を整流する整流ブリッジ回路３０２と、整流ブリッジ回路３０２が整流後の直流電力を出力する端子に接続されるインピーダンスバランス（ＩＢ）回路３０４と、負荷に対して直流電力を出力する出力端子Ｔ３，Ｔ４と、出力端子Ｔ３，Ｔ４とＩＢ回路３０４との間に接続される平滑コンデンサ回路３０５およびフィルタ３０６とを含む。なお、各回路の内部構成については、図９で説明する。

非接触受電用のＡＣ／ＤＣコンバータ（整流器１８０Ｘ）は、高周波の交流電力を安定な直流電力に変換し、負荷（図２では蓄電装置１９０）に直流電力を供給する。

しかし、図８の構成では、整流ブリッジ回路３０２のダイオード３１２，３１４，３１６，３１８に高いリップル電圧が印加される場合がある。ＩＢ回路３０４に含まれるＹ型コンデンサ３２０，３２２のためにＹ型コンデンサが小容量（たとえば１ｎＦ〜５ｎＦ）の場合にはｖ（ｔ）＝１／Ｃ・∫ｉ（ｔ）・ｄｔの関係で電圧が高くなる。この場合は耐圧の高いダイオードで整流ブリッジ回路３０２を構成しなければならなくなる。

図９は、本実施の形態で用いられる整流器１８０の構成を示した回路図である。図９を参照して、整流器１８０は、交流電力を受ける入力端子Ｔ１，Ｔ２と、整流素子を有し、入力端子Ｔ１，Ｔ２に加えられた交流電力を直流電力に整流する整流ブリッジ回路３０２と、整流ブリッジ回路３０２が整流した後の直流電力を出力するノードＮ１，Ｎ２に一方端が接続されるコイル対４０２，４０４と、コイル対４０２，４０４の他方端に接続されるインピーダンスバランス（ＩＢ）回路３０４と、負荷に対して直流電力を出力する出力端子Ｔ３，Ｔ４と、出力端子Ｔ３，Ｔ４とＩＢ回路３０４との間に接続される平滑コンデンサ回路３０５およびフィルタ３０６とを含む。

整流ブリッジ回路３０２は、入力端子Ｔ１とノードＮ１との間に接続されるダイオード３１２と、入力端子Ｔ１とノードＮ２との間に接続されるダイオード３１４と、入力端子Ｔ２とノードＮ１との間に接続されるダイオード３１６と、入力端子Ｔ２とノードＮ２との間に接続されるダイオード３１８とを含む。

ダイオード３１２は、ノードＮ１から入力端子Ｔ１に向かう向きが順方向に設定される。ダイオード３１４は、入力端子Ｔ１からノードＮ２に向かう向きが順方向に設定される。ダイオード３１６は、ノードＮ１から入力端子Ｔ２に向かう向きが順方向に設定される。ダイオード３１８は、入力端子Ｔ２からノードＮ２に向かう向きが順方向に設定される。

ＩＢ回路３０４は、Ｙ型コンデンサ３２０，３２２と、コイル３２４，３２６とを含む。コンデンサ３２０は、コイル３２４の一方端と接地ノードとの間に接続される。コンデンサ３２２は、コイル３２６の一方端と接地ノードとの間に接続される。

平滑コンデンサ回路３０５は、コイル３２４の他方端とコイル３２６の他方端との間に並列接続されるコンデンサ３０８，３１０を含む。

フィルタ３０６は、コモンモードチョークコイル３３２とラインバイパスコンデンサ３２８，３３０とを含む。

図９に示した整流器１８０は、図８に示した検討例の整流器１８０Ｘに加えてコイル４０２，４０４を含む。コイル４０２，４０４をＹ型コンデンサ３２０，３２２と組み合わせて用いることにより、矢印ＡＲ１に示す経路に共振を発生させる。するとノードＮ１、Ｎ２間に生じる電圧リップルは、共振の振動によってピークが小さくなる。

図１０は、図８の検討例の整流器に生じる電圧リップルを説明するための波形図である。図８、図１０を参照して、波形Ｗ２は、Ｙ型コンデンサ３２０，３２２の各々に発生するリップル電圧である。波形Ｗ１は、ノードＮ１とノードＮ２の間に発生するリップル電圧である。波形Ｗ１の波高値Ｖ２は波形Ｗ２の波高値Ｖ１の２倍である。

図１１は、図９の整流器に生じる電圧リップルを説明するための図である。図９、図１１を参照して、波形Ｗ３は、Ｙ型コンデンサ３２０，３２２の各々に発生するリップル電圧である。波形Ｗ４は、コイル４０２，４０４の各々に発生する電圧である。そして波形Ｗ５は、ノードＮ１とノードＮ２の間に発生するリップル電圧である。

ノードＮ１とノードＮ２の間には、コイル４０２、コンデンサ３２０、コンデンサ３２２、コイル４０４が直列に接続されている。したがって、波形Ｗ５は、波形Ｗ３の電圧と波形Ｗ４の電圧を加えた値を２倍した電圧を示す。

波形Ｗ５のピーク電圧Ｖ３は、図１０の波形Ｗ１のピーク電圧Ｖ２よりも大幅に減少している。本願発明者が行なった回路シミュレーションでは、電圧Ｖ３は電圧Ｖ２のおよそ半分に低減された。

このように、ノードＮ１とノードＮ２の間に生じるリップル電圧が大幅に低減するので、ダイオード３１２，３１４，３１６，３１８として、耐圧が低く損失が少ないものを採用することが可能となる。

図１２は、整流器の変形例を示した図である。図１２に示した整流器１８０Ａは、図９に示した整流器１８０に加えて、ノードＮ１とノードＮ２に接続されるＹ型コンデンサ５０２，５０４をさらに含む。他の部分の構成については、整流器１８０Ａは整流器１８０と同様であるので説明は繰返さない。

Ｙ型コンデンサ５０２，５０４を接続することによってコイル４０２，４０４に流れる電流変化がより激しくなる。コンデンサ５０２，５０４の容量を適切に調整すれば、コイルに発生する損失ｗ＝∫ｖｉ・ｄｔを低減させることができる。

最後に再び図を参照して本実施の形態について総括する。図２、図９を参照して、本実施の形態の非接触受電装置は、非接触で送電装置２００からの交流電力を受電する受電部１１０と、受電部１１０で受電された交流電力を直流電力に変換する整流器１８０とを備える。整流器１８０は、受電部１１０から受電電力を受ける入力端子Ｔ１，Ｔ２と、整流素子３１２，３１４，３１６，３１８を有し、入力端子Ｔ１，Ｔ２に加えられた交流電力を直流電力に整流する整流ブリッジ回路３０２と、整流ブリッジ回路３０２が整流した後の直流電力を出力するノードＮ１，Ｎ２に一方端が接続されるコイル対４０２，４０４と、コイル対４０２，４０４の他方端に接続されるインピーダンスバランス回路３０４と、負荷に対して直流電力を出力する出力端子Ｔ３，Ｔ４と、出力端子Ｔ３，Ｔ４とインピーダンスバランス回路３０４との間に接続される平滑コンデンサ回路３０５およびフィルタ３０６とを含む。

好ましくは、図１２に示すように、インピーダンスバランス回路３０４は、電力線対に接続される第１のＹ型コンデンサ回路３２０，３２２を含む。非接触受電装置は、コイル対４０２，４０４の一方端に接続される第２のＹ型コンデンサ回路５０２，５０４をさらに備える。

好ましくは、図２に示すように、送電装置２００は、電力を非接触で供給するための送電部２２０を含む。送電部２２０の固有周波数と受電部１１０の固有周波数との差は、送電部２２０の固有周波数または受電部１１０の固有周波数の±１０％以下である。

好ましくは、送電装置２００は、電力を非接触で供給するための送電部２２０を含む。送電部２２０と受電部１１０との結合係数は０．３以下である。

好ましくは、送電装置２００は、電力を非接触で供給するための送電部２２０を含む。受電部１１０は、受電部１１０と送電部２２０との間に形成される特定の周波数で振動する磁界、および、受電部１１０と送電部２２０との間に形成される特定の周波数で振動する電界の少なくとも一方を通じて、送電部２２０から受電する。

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。

１０ 車両給電システム、８９ 電力伝送システム、９０，２２０ 送電部、９１，１１０ 受電部、９２ 第１コイル、９３ 第２コイル、９４，９９，１１１，２２１ 共振コイル、９５，９８，１１２，２２２ キャパシタ、９６ 第３コイル、９７ 第４コイル、１００ 車両、１１３，２２３ 電磁誘導コイル、１１５ システムメインリレー、１１８ 電気負荷装置、１３０ モータジェネレータ、１４０ 動力伝達ギヤ、１５０ 駆動輪、１５５ 駆動装置、１６０，２３０ 通信部、１６５，２８０ Ｉ／Ｆ部、１７０ 充電リレー、１８０，１８０Ａ，１８０Ｘ 整流器、１９０ 蓄電装置、１９５ 電圧センサ、１９６ 電流センサ、２００ 送電装置、２１０ 電源装置、２４０ 送電ＥＣＵ、２５０ 電源部、２６０ 整合器、２７０ 車両検出部、３００ 車両ＥＣＵ、３０２ 整流ブリッジ回路、３０４ インピーダンスバランス回路、３０５ 平滑コンデンサ回路、３０６ フィルタ、３０８，３１０ コンデンサ、３１２，３１４，３１６，３１８ ダイオード、３２０，３２２，５０２，５０４ Ｙ型コンデンサ、３２４，３２６，４０２，４０４ コイル、３２８，３３０ ラインバイパスコンデンサ、３３２ コモンモードチョークコイル、４００ 商用電源、４０２，４０４ コイル対、Ｎ１，Ｎ２ ノード、ＰＣＵ パワーコントロールユニット、Ｔ１，Ｔ２ 入力端子、Ｔ３，Ｔ４ 出力端子。

Claims (5)

1. 非接触で送電装置からの交流電力を受電する受電部と、
   前記受電部で受電された交流電力を直流電力に変換する整流器とを備え、
   前記整流器は、
   前記受電部から受電電力を受ける入力端子と、
   整流素子を有し、前記入力端子に加えられた交流電力を直流電力に整流する整流回路と、
   前記整流回路が整流した後の直流電力を出力するノードに一方端が接続されるコイル対と、
   前記コイル対の他方端に接続され、前記コイル対と組み合わせて用いることによって共振を発生させるＹ型コンデンサ回路と、
   負荷に対して直流電力を出力する出力端子と、
   前記出力端子と前記Ｙ型コンデンサ回路との間に接続される平滑コンデンサとを含む、非接触受電装置。
2. 前記非接触受電装置は、
   前記コイル対の前記一方端に接続される第２のＹ型コンデンサ回路をさらに備える、請求項１に記載の非接触受電装置。
3. 前記送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含み、
   前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記送電部の固有周波数または前記受電部の固有周波数の±１０％以下である、請求項１に記載の非接触受電装置。
4. 前記送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含み、
   前記送電部と前記受電部との結合係数は０．３以下である、請求項１に記載の非接触受電装置。
5. 前記送電装置は、電力を非接触で供給するための送電部を含み、
   前記受電部は、前記受電部と前記送電部との間に形成される特定の周波数で振動する磁界、および、前記受電部と前記送電部との間に形成される特定の周波数で振動する電界の少なくとも一方を通じて、前記送電部から受電する、請求項１に記載の非接触受電装置。

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