JP5909714B2 - 車両用充給電システム - Google Patents

Description

本発明は、車両外部から車両へ非接触でエネルギを供給する車両用充給電システムに関する。

環境問題への注目が高まる中、電池と電気モータとを用いて走行する電気自動車への期待が高まっている。電気自動車の充給電の方法として、有線接続による方式だけでなく、非接触での無線充給電方式が検討されている。一方、電池重量および電池コストを考慮すると、車両に搭載できる電池容量には限界がある。電池容量の限界は航続距離の限界に直結するため、走行中の車両に対する充給電技術に期待が高まっている。

非接触での電力伝送方式として、特許文献１に記載の共振磁界結合方式が提案されている。この方式は、共振アンテナ間の共振モード間結合を利用するため、従来の電磁誘導方式に比べて、より長距離高効率の電力伝送が可能である。特に共振磁界を利用することにより、共振電界を利用した場合と比較して、周辺生体への影響も回避できるものと考えられている。

共振磁界結合方式による無線電力伝送方式は、従来の電磁誘導方式と比較して、伝送距離の飛躍的な増大を可能とする。すなわち、共振アンテナ間の結合の強さを示す結合係数ｋが各アンテナの減衰定数Γ１、Γ２の積の１／２乗と比較して大きい場合、良好なエネルギ伝送が可能である。共振磁界結合方式による無線電力伝送システムは、結合係数ｋが１よりも小さいものの、共振の低損失性を示すＱ値が高い共振回路を用いることによって伝送効率を高めた電磁誘導システムとみなすことができる。但し、ｋ≒１である電磁誘導方式とは異なり、共振磁界結合方式ではｋ≠１であるため、発振部と送電アンテナとの間、および整流部と受電アンテナとの間のブロック間インピーダンス整合を保った状態でしか高効率の電力伝送は生じない。

特許文献２には、特許文献１の技術を車両の充給電に応用した例が開示されている。例えば、駐車中充給電時に、路面に配置された送電アンテナと車両側に配置された受電アンテナとの間に生じる相対的な位置ずれに対して、送電アンテナおよび受電アンテナの複数配置により対応することが開示されている。

また、特許文献３には、電磁誘導方式による車両への電力伝送システムにおいて、主に駐車中充電時の左右方向の駐車位置ずれに対する対策例が開示されている。このシステムでは、受電側、送電側にそれぞれ２つのアンテナを配置し、その振幅と位相とを個別に制御することにより、上記位置ずれに対応するとしている。

米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４−Ａ１号明細書（図６、図１１） 特開２００９−１０６１３６号公報 米国特許出願公開第２００８／０２６５６８４−Ａ１号明細書（図３）

本発明は、車両の走行中充給電、および駐車中充給電の両システムにおいて、送電アンテナと受電アンテナとの間の相対的な位置変化が伝送特性を不安定にする問題を新たに指摘し、これを解決する。

共振磁界結合方式の車両用充給電システムでは、走行中または駐車中の充給電の際に、送電アンテナに対する車両内の受電アンテナの相対位置が車両の進行方向に向かって左右にずれることにより、共振磁界結合方式の電力伝送特性が不安定になる。

特に、走行中の車両は、走行レーンの中央を走行するだけでなく、走行レーンの端に沿って走行する場合も多い。そのため、走行中の車両の左右方向の相対的な位置ずれの量は、駐車中の車両の左右方向の相対的な位置ずれの量に比べ、大きくなることが想定される。特許文献３は、駐車中の送電アンテナの位置と受電アンテナの位置とが車両進行方向に向かって左右にずれることによる伝送特性の不安定化に対する解決策を開示している。しかしながら、特許文献３に開示された技術では、アンテナ数の増大を招き、コストの点で問題となる。さらに、高効率の充給電が期待できない上、走行中充給電システムへの適用が困難である。

また、駐車中充給電システムにおいても、車両進行方向に向かって左右方向の位置ずれは発生する。左右方向の位置ずれなく停車するよう、運転者に過度の運転技術を要求する制限を課せば、位置ずれは起きない。しかし、そのような制限を課すことは、非接触充給電システムを採用する利点を損ねてしまう。よって、駐車中充給電システムにおいても、左右方向の位置ずれに対して、特性の安定性を保証する仕組みが必要である。しかしながら、特許文献２には、走行中充給電や駐車中充給電に対応するシステムを構成する際に生じる課題、及びその課題を解決する方法は開示されていない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものである。走行中または駐車中の車両の充給電の際に生じる、特に車両進行方向に向かって左右方向の位置ずれに対して安定な特性を維持しながら、充給電を行うことを可能とする車両用充給電システムを提供する。

本発明の車両用充給電システムは、路面上または路面下に設けられた少なくとも１つの送電アンテナと、少なくとも１台の車両に設けられた受電アンテナとを含む車両用充給電システムであって、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナは、共振磁界によって互いに結合する共振器対であり、車両進行方向をＹ方向、前記車両進行方向に垂直な方向をＸ方向とするとき、前記送電アンテナのＹ方向の長さおよびＸ方向の長さは、それぞれ、前記受電アンテナのＹ方向の長さおよびＸ方向の長さよりも大きく、前記送電アンテナのＸ方向の長さをＷ１、前記送電アンテナと前記受電アンテナの対向距離をＨとするとき、０．１１×Ｗ１≦Ｈ≦０．２６×Ｗ１を満足し、前記送電アンテナと前記受電アンテナとが対向するときに前記送電アンテナから前記受電アンテナに非接触で電力を供給する。

本発明の車両用充給電システムに使用される車両は、前記受電アンテナと、前記受電アンテナが前記送電アンテナから受け取ったエネルギによって動作する負荷とを備えている。

本発明の送電アンテナは、前記車両用充給電システムに用いられる。

本発明の受電システムは、前記車両用充給電システムに使用される受電アンテナと、前記受電アンテナが前記送電アンテナから受け取ったＲＦエネルギを直流エネルギまたは前記ＲＦエネルギよりも低い周波数の交流エネルギに変換して出力する電力変換部とを備える。

本発明の車両用充給電システムによれば、車両の位置ずれに対して安定した特性の充給電機能を、簡素なシステムで実現することが可能となる。そのため、低コスト化、軽量化が可能となる。また、本発明の車両用充給電システムは安定した充給電特性を提供するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ、レギュレータなどの回路ブロックを省略することが可能となる。その結果、総合的な給電効率の向上、および充給電時間の短縮が可能となる。

本発明の実施の形態１における車両用充給電システムの上面模式図 本発明の実施の形態１における車両用充給電システムの側面模式図 本発明の実施の形態１における車両用充給電システムの等価回路図 本発明の実施の形態１における車両用充給電システムの構成ブロック図 本発明の実施の形態１における駐車中充給電システムの上面模式図 本発明の実施の形態１における走行中充給電システムの上面模式図 本発明の実施の形態１における送電アンテナが複数配置された例の上面模式図 本発明の実施の形態１における車両用充給電システムの構成ブロック図 本発明の実施の形態１の変形例における車両用充給電システムの等価回路図 実施例１ａのインピーダンス変動特性図 実施例１ｂのインピーダンス変動特製図 実施例１ａのＸ＝０におけるＹ方向の移動に対する送電アンテナの最適インピーダンス変動特性図 実施例１ａのＸ＝Ｘ０におけるＹ方向の移動に対する受電アンテナの最適インピーダンス変動特性図

本発明の好ましい実施形態における車両用充給電システムは、主に磁界の近接成分を利用した共振アンテナ間の共振磁界結合によって、車両への充給電を無線で行う。以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。以下の説明において、同一の構成要素には同じ参照符号を付している。

（実施形態１）
本発明の実施形態１における車両用充給電システムは、走行中の車両への充電、給電のうち少なくとも一方を行う走行中充給電システム、または駐車中の車両への充電、給電のうち少なくとも一方を行う駐車中充給電システムとして用いられる。なお、本明細書において、「充電」とは車両内に設けられた二次電池を充電し車両を駆動するための電力を蓄えることを指す。また、「給電」とは車載の駆動用電気モータなどの負荷に電力を供給することを指す。本実施形態の車両用充給電システムは、路面上または路面下に設けられた送電アンテナと、車両に設けられた受電アンテナとを備えている。送電アンテナと受電アンテナとが共振磁界結合することにより、無線で電力が伝送される。

図１Ａは、本実施形態における車両用充給電システムの上面透視模式図である。また、図１Ｂは、図１Ａを側面から見たときの模式図である。説明のために、図１Ａに示すＸＹＺ座標を導入する。車両１０１の前後方向を±Ｙ方向、車両１０１の進行方向１０３に向かって左右方向を±Ｘ方向、車両１０１の上下方向を±Ｚ方向とする。特に説明がない場合、送電アンテナ１０５はＸＹ平面に配置された矩形形状のインダクタを含むものとする。送電アンテナ１０５の重心を座標原点（Ｘ＝Ｙ＝Ｚ＝０）とし、送電アンテナ１０５は移動しないものとする。また、受電アンテナ１０７もＸＹ平面に平行に配置された矩形形状のインダクタを含むものとする。送電アンテナ１０５のＸ方向サイズをＷ１、Ｙ方向サイズをＬ１とし、受電アンテナ１０７のＸ方向サイズをＷ２、Ｙ方向サイズをＬ２とする。なお、本明細書においてアンテナのＸ方向またはＹ方向のサイズとは、各方向における長さを意味するものとする。また、図１Ｂに示すように、受電アンテナ１０７が配置された面のＺ座標Ｈは、送電アンテナ１０５の配置面を基準とする受電アンテナ１０７の配置面の高さに相当する。

後述するように、送電アンテナ１０５のＸ方向サイズＷ１およびＹ方向サイズＬ１は、それぞれ受電アンテナ１０７のＸ方向サイズＷ２およびＹ方向サイズＬ２よりも大きく設定される。したがって、送電アンテナ１０５の面積は受電アンテナ１０７の面積よりも大きく設定される。さらに、車両１０１のＸ方向の位置ずれに対して伝送特性の安定性を高めるために、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との対向距離Hは、後述するように、０．１１×Ｗ１≦Ｈ≦０．２６×Ｗ１の条件を満足するように設定される。図示される受電アンテナ１０７は、正方形に近い形状を有しているが、本発明はこの形状に限られるものではない。

走行中充給電システム、駐車中充給電システムのいずれにおいても、送電アンテナ１０５はＹ方向に長い形状を有していることが好ましい。特に、走行中充給電システムにおいては、送電アンテナ１０５の面積は受電アンテナ１０７の面積よりも十分大きく設定されることが好ましい。受電アンテナ１０７の重心のＸＹ座標は、車両１０１の重心のＸＹ座標と同一に設定されることが好ましいが、必ずしも同一でなくとも本発明の効果は得られる。

次に、本実施形態の車両用充給電システムの構成要素を説明する。図２Ａは本実施形態の車両用充給電システムに用いられる回路構成の一部を示している。なお、図２Ａに示す構成は本実施形態における一例であり、本発明はこの回路構成に限られない。例えば、各回路ブロック間にフィードバック制御の機能ブロックなどを必要に応じて追加してよい。

本実施形態の車両用充給電システムは、路面に設置された送電部１２２と車両１０１に設置された受電部１２４とを有している。送電部１２２は、電源１１２から出力されるエネルギ（電力）を受け取りＲＦエネルギに変換して出力する発振部１１４と、発振部１１４から出力されたＲＦエネルギから共振磁界を発生させる送電アンテナ１０５とを備えている。受電部１２４は、送電アンテナ１０５が発生した共振磁界と結合してＲＦエネルギを受け取る受電アンテナ１０７と、受電アンテナ１０７が受け取ったＲＦエネルギを直流エネルギに変換し出力する整流部１１６とを備えている。

車両１０１は、電源制御部１１７、二次電池１２０および負荷１１８をさらに有している。二次電池１２０および負荷１１８は、整流部１１６が出力した直流エネルギによって充電され、または動作する。電源制御部１１７は、整流部１１６から負荷１１８または二次電池１２０へのエネルギ出力を制御する。電源制御部１１７はまた、二次電池１２０に蓄えられた電力を負荷１１８に供給するための制御も行う。

ここで、二次電池１２０は、どのような二次電池でもよい。例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などが利用可能である。負荷１１８は、電気モータとそれに接続される駆動回路とを含む。また、電気で動作する他の機器を含んでいても良い。なお、本実施形態の車両１０１は、電気モータを動力源とする車両であるが、本発明の車両用充給電システムは、内燃機関を動力源とする車両にも適用可能である。そのような車両に本発明の車両用充給電システムが用いられた場合、例えば無線電力伝送によって受け取った電力を利用して車載の照明などを動作させるガソリンエンジン車などが実現可能である。

電源１１２には、商用電源（１００Ｖ／２００Ｖ）または大電力を供給可能に設計された給電装置などが用いられる。後段の発振部１１４への出力エネルギは直流成分に変換されていることが好ましい。発振部１１４には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器を用いることができるし、ドハーティ増幅器を用いることもできる。歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを配置することにより、高効率な正弦波を生成してもよい。整流部１１６には、例えば両波整流回路、ブリッジ整流回路、高倍圧整流回路等が適用可能である。また、同期整流方式を用いてもダイオード整流方式を用いても実現可能である。

送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７は、少なくともインダクタ回路と容量回路とを含んでいる。各アンテナのインダクタ回路は、ループ形状またはスパイラル形状を有している。送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７は、所定の周波数ｆｐで共振する共振回路となるよう設計されている。各アンテナの容量回路は、チップ容量素子などの集中定数回路素子で実現されていてもよいし、インダクタ配線に沿って分布的に生じる分布定数回路素子として少なくともその一部が実現されていてもよい。

なお、図２Ａでは、送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７のいずれにおいても、インダクタ回路と容量回路とが直列接続されているが、必ずしもこの構成である必要はない。各アンテナにおいて、インダクタ回路および容量回路は直列接続されていてもよいし、並列接続されていてもよい。一方のアンテナでは直列接続され、他方のアンテナでは並列接続されていても本実施形態の効果に変わりはない。

また、送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７は、金属加工により単一配線から構成されていてもよいし、損失を低減するために複数本の撚り線からなるリッツ線を用いて構成されていてもよい。

受電アンテナ１０７は、好ましくは車両１０１の底面に設けられる。受電アンテナ１０７は、その下面と車両１０１の底面とが同一平面に位置するように車両内部に格納されていてもよいし、車両底面から下側に突き出た形状で設置されていてもよい。送電アンテナ１０５は、その表面と路面１０２とが同一平面に位置するように路面１０２に設置されていてもよいし、路面１０２よりも深い位置に埋設されていてもよい。送電アンテナ１０５は路面１０２から一定の深さに埋設されていてもよいし、送電アンテナ１０５の部分によって設置される位置が異なっていてもよい。

本実施形態では、送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７を構成する各インダクタ回路の形状は矩形としているが、本発明はこの形状に限定されない。両アンテナは楕円形状でもよいし、±Ｙ方向に非対称な形状であってもよい。但し、Ｘ方向の磁界密度分布変動の吸収が、本発明の車両用充給電システムの動作原理である。車両への受電アンテナ１０７の配置幅が限定された場合、配置幅を最大限利用して、矩形形状とすることが好ましい。各アンテナが矩形形状を有する場合、その形状は厳密に矩形ではなく、角部分で一定以上の曲率を有することが好ましい。急激な配線角度の変化は、電流の集中および周辺空間の磁界密度の集中を招き、好ましくないからである。

次に、各回路ブロック間のインピーダンス整合について図２Ｂを参照しながら説明する。

図２Ｂは、本実施形態の車両用充給電システムの構成ブロック図と、各回路ブロックの入出力インピーダンスとを示している。ここで、図２Ａに記載の構成要素のうち、電源制御部１１７と二次電池１２０の回路ブロックは省略している。ここで、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との間の電力伝送効率を最大化する送電アンテナ１０５の入力インピーダンスおよび受電アンテナ１０７の出力インピーダンスを、それぞれ送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスＺＴｘ０および受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＴｒ０とする。

回路ブロック間のＲＦエネルギの多重反射を抑制し、総合発電効率を最適化するために、発振部１１４の出力インピーダンスＺＴｏと送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスＺＴｘ０とを一致させることが好ましい（整合条件１）。同様に、受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＲｘ０と整流部１１６の入力インピーダンスＺＲｉとを一致させることが好ましい（整合条件２）。さらに、入力インピーダンスＺＲｉで整流部１１６が動作した時の出力インピーダンスＺＲｏと負荷インピーダンスＲＬとを一致させることが好ましい（整合条件３）。以上の整合条件１〜３を同時に満足させることにより、伝送効率を最大化することができる。

次に、車両への充給電時の無線電力伝送について説明する。

車両が移動し、送電アンテナ１０５が設置された領域上に受電アンテナ１０７が侵入すると、送電アンテナ１０５から受電アンテナ１０７への電力伝送が可能になる。車両１０１は、受電アンテナ１０７に伝送された電力から、車両１０１に搭載された二次電池１２０への充電、もしくは車両１０１の駆動回路等の負荷１１８への給電が可能である。負荷１１８への給電により、車両の電気モータや照明などを動作させることができる。

本実施形態において、送電アンテナ１０５の面積は受電アンテナ１０７の面積よりも十分大きいため、送電アンテナ１０５を構成するインダクタと受電アンテナ１０７を構成するインダクタとの間の結合係数ｋは１を大幅に下回る。そのため、従来の電磁誘導方式を用いた場合、高効率の電力伝送は不可能である。本実施形態では、送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７は、共にほぼ同一の共振周波数で共振する共振器対を形成し、両アンテナのＱ値は共に高く設計されている。そのため、インダクタ間の結合係数ｋが１を大幅に下回っても高い伝送効率の電力伝送が可能となる。

次に、送電アンテナ１０５および受電アンテナ１０７の好ましいサイズと配置について説明する。

車両用充給電システムには、高精度な位置補正を支援する自動走行（もしくは停車）システムを導入することなく、安定した伝送特性を維持することが求められる。そのためには、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との間に相対的な位置ずれが生じた際の伝送特性を把握し、対策を検討する必要がある。以下、Ｙ方向（車両の前後方向）およびＸ方向（車両の横方向）の位置ずれに対して安定した伝送特性を維持できるアンテナのサイズと配置について説明する。

まず、Ｙ方向の位置ずれについて説明する。送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との間の相対的なＹ方向の位置ずれに対し、安定した伝送特性を確保することは重要である。なぜなら、走行中の車両１０１は、送電アンテナ１０５に対して充給電中も進行方向に向かって常に移動するし、駐車する車両も駐車スペースへ進入する際に、前後方向に移動するからである。Ｙ方向の位置ずれに対してシステムが許容度を有するために、送電アンテナ１０５のＹ方向サイズＬ１は受電アンテナ１０７のＹ方向サイズＬ２よりも大きく設定される。すなわち、以下の式１を満たす。
（式１） Ｌ１＞Ｌ２

走行中充給電システムにおいては、送電アンテナ１０５のＹ方向サイズＬ１は好ましくは車両１０１のＹ方向サイズよりも大きい値に設定される。Ｌ１は、例えば数メートルから数百メートルに設定されることが好ましい。このように、Ｌ１をＬ２よりも大きくすることにより、送電アンテナ１０５の上をＹ方向に移動する車両１０１に対して安定した充給電特性を維持することが可能となる。

また、駐車中充給電システムでは、車両１０１は、駐車スペースに前進しながら、または後進しながら侵入する。運転者が車両１０１を停止させるときに、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７とが対向する厳密な車両１０１の位置を意識させないためには、受電アンテナ１０７の車両１０１への搭載位置（Ｙ座標）を車両のＹ座標の中心付近に設定することが好ましい。また、車両設計の自由度を向上させるため、送電アンテナ１０５のＹ方向サイズＬ１を車両１０１のＹ方向サイズとほぼ等しい長さに設定することが好ましい。ここで「ほぼ等しい」とは、車両１０１のＹ方向サイズに対する送電アンテナ１０５のＹ方向サイズＬ１の割合が２０％〜３００％の範囲内にあることを意味するものとする。図３は、以上の条件を満足する駐車中充給電システムの上面透視模式図である。この構成により、車両前方部底面、車両後方部底面のいずれに受電アンテナ１０７が配置されても電力伝送が可能となる。

次に、Ｘ方向の位置ずれについて説明する。本発明の車両用充給電システムでは、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との間の相対的なＸ方向の位置ずれに対しても安定した伝送特性を確保する必要がある。なぜなら、走行中の車両１０１は、充給電中もＸ方向にずれる可能性があるし、駐車する車両も駐車スペースに侵入するたびにＸ方向がずれることが一般的であるからである。

走行中または駐車中の、送電アンテナ１０５に対する車両１０１のＸ方向の相対的な位置ずれに対してシステムが許容性を有するために、送電アンテナ１０５の幅Ｗ１、は受電アンテナ１０７の幅Ｗ２より広く設定される。すなわち、以下の式２を満たす。
（式２） Ｗ１＞Ｗ２

また、受電アンテナ１０７の車両１０１への搭載位置（Ｘ座標）は、車両のＸ座標の中心付近に設定されることが好ましい。

図４は、以上の条件を満たす走行中充給電システムにおいて、車両１０１が走行中に状態０から状態１へとＸ方向にずれている例を示している。図示される状態０は、車両１０１が走行レーンの中央を走行している状態（Ｘ＝０）である。また、状態１は、車両１０１が走行レーンの右端に位置し、受電アンテナ１０７の全面積が辛うじて送電アンテナ１０５と対向している状態（Ｘ＝Ｘ０）である。Ｘ０は以下の式３で表される。
（式３） Ｘ０＝（Ｗ１−Ｗ２）／２

したがって、以下の式４の範囲内で車両が移動しても、受電アンテナ１０７の全面積が送電アンテナ１０５と対向するため、高効率のエネルギ伝送が可能となる。
（式４） −Ｘ０≦Ｘ≦Ｘ０

しかしながら、送電アンテナ１０５の外径で囲まれた領域および送電アンテナ１０５の外部の領域の磁界密度の空間分布がＸ座標に依存していることから、式４の範囲内の位置ずれに対して安定した電力伝送特性を維持することは困難である。すなわち、状態０における送電アンテナの最適入力インピーダンスＺＴｘ０は、状態１における送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスＺＴｘ１と異なる。同様に、状態０における受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＲｘ０は、状態１における受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＲｘ１と異なる。

ここで、ＺＴｘ０に対するＺＴｘ１の変動比率ＦＴｘ、およびＺＲｘ０に対するＺＲｘ１の変動比率ＦＲｘを、それぞれ以下の式５、６で定義する。
（式５） ＦＴｘ＝ＺＴｘ１／ＺＴｘ０
（式６） ＦＲｘ＝ＺＲｘ１／ＺＲｘ０

すると、式５、６で表されるＦＴｘ、ＦＲｘがそれぞれ１から逸脱するほど、Ｘ方向の位置ずれに対して伝送特性が不安定になる。インピーダンスの変動は、発振部１１４と送電アンテナ１０５との間および受電アンテナ１０７と整流部１１６との間のエネルギの反射、不要な電力損失や回路の温度上昇、漏洩ノイズを引き起こす。そのため、受電エネルギの電圧が設計値とずれる可能性が生じる。その結果、電圧安定のために電源制御部にレギュレータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧制御機能を導入せざるを得なくなり、エネルギ利用効率の低下を招く。

本願発明者は、上記の課題を新たに発見し、検討した結果、上記課題によってもたらされる電力伝送特性の不安定性を緩和する条件を導出した。すなわち、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との対向距離Hは、以下の式７の条件を満足するように設定される。
（式７） ０．１１×Ｗ１≦Ｈ≦０．２６×Ｗ１

式７の条件を満足させることにより、車両１０１のＸ方向の位置ずれに対して、電力伝送特性の不安定性を緩和させることができる。具体的には、図４に示される状態０から状態１へ車両が充給電されながら移動する際に、送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスと受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスとの間の変動幅を約２1％以内に抑えることが可能となる。その結果、負荷１１８の電圧変動幅を約１０％以内に抑えることができる（実施例１参照）。

より好ましくは、以下の式８の条件を満たすように各アンテナは構成される。
（式８） ０．１２×Ｗ１≦Ｈ≦０．２２×Ｗ１

式８の条件を満足させることにより、送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスと受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスとの間の変動幅を約１０．２５％以内に抑えることが可能となる。その結果、負荷１１８の電圧変動幅を約５％以内に抑えることができる。

さらに好ましくは、以下の式９の条件を満たすように各アンテナは構成される。
（式９） ０．１５×Ｗ１≦Ｈ≦０．１９×Ｗ１

式９の条件を満足させることにより、送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスと受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスとの間の変動幅を約６．０９％以内に抑えることが可能となる。その結果、負荷１１８の電圧変動幅を約３％以内に抑えることができる。

上記の式７〜９で示される条件を満足することにより、車両のＸ方向の位置ずれに対する伝送特性の安定性を高めることができる。

さらに、駐車中充給電システムにおいては、送電アンテナ１０５のＸ方向サイズは車両幅程度に設計されることが好ましい。また、走行中充給電システムにおいては、送電アンテナ１０５のＸ方向サイズは、車両走行エリアの幅程度の拡がりをもって設計されることが好ましい。送電アンテナ１０５の幅が車両走行エリアの幅よりも大きい構成では、複数レーンを一台の送電アンテナでカバーすることになる。その場合、通行車両数の変動による負荷の変動を招く可能性があるため、好ましくない。

なお、走行中充給電システムでは、車両は走行レーンの中心軸付近を走行することが多い。そのため、送電アンテナ１０５は、その中心部が走行レーンの中央に位置するように配置されることが好ましい。

以上の条件を満たすようにアンテナのサイズおよび配置を決定することにより、本実施形態の車両用充給電システムでは、車両１０１のＸ方向およびＹ方向の位置ずれに対して、伝送特性を安定化させることが可能となる。

以上説明した車両用充給電システムは、一つの送電アンテナ１０５を備えていたが、送電アンテナ１０５を複数備えていてもよい。例えば、車両進行方向１０３に沿って複数の送電アンテナ１０５からなる送電アンテナ群を路面に配置することができる。図５はそのような構成を示す上面透視模式図である。このような構成は、特に走行中充給電システムにおいて有用である。車両１０１の走行中、車両１０１の位置に対向した送電アンテナ１０５が車両１０１内の受電アンテナ１０７に対し連続してエネルギ伝送を行うことにより、走行中の車両１０１への継続的な充給電が可能となる。

次に、走行中充給電システムと駐車中充給電システムとの整合性について説明する。

本実施形態の車両用充給電システムは、走行中充給電システムに用いられる送電アンテナ１０５と駐車中充給電システムに用いられる送電アンテナ１０５とを同時に含んでいてもよい。さらに、走行中充給電システムの一部を構成する受電部１２４（受電アンテナ１０７と整流部１１６とを含む）は、同時に駐車中充給電システムの受電部１２４を構成するよう設計することが可能である。言い換えれば、走行中にも駐車中にも単一の機器で充給電が可能な機能を車両に付与することができる。

図６は、両システムにおける、各回路ブロックでのインピーダンスおよび負荷での電流・電圧を示している。なお、図２Ａに記載の構成要素のうち、電源制御部と二次電池の回路ブロックは省略している。走行中充給電システムと駐車中充給電システムとでは、送電アンテナ１０５と受電アンテナ１０７との間の結合係数ｋは異なる。そのため、図示される各パラメータ値は、走行中充給電システムと駐車中充給電システムとでは必ずしも同一の値とはならない。例えば、走行中充給電システムにおける受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＲｘ０＿１は、駐車中充給電システムにおける受電アンテナ１０７の最適出力インピーダンスＺＲｘ０＿２と異なる値であってもよい（以下、「＿１」は走行中充給電システム、「＿２」は駐車中充給電システムでのパラメータであることを示す）。同様に、発振部１１４の最適出力インピーダンスＺＴｏ＿１とＺＴｏ＿２、送電アンテナ１０５の最適入力インピーダンスＺＴｘ０＿１とＺＴｘ０＿２、整流部１１６の最適入力インピーダンスＺＲｉ＿１とＺＲｉ＿２、負荷１１８の最適入力インピーダンスＲＬ＿１とＲＬ＿２とは、それぞれ異なる値をとってよい。整流部１１６は、ＺＲｉ＿１とＺＲｉ＿２の両方の入力インピーダンスに対して高効率で動作することが好ましい。

また、負荷１１８（充電器等）への入力電圧（整流部１１６からの出力電圧）（Ｖ＿１とＶ＿２）は、負荷１１８の入力電圧の許容範囲内に収まるよう設計することが好ましい。さらに好ましくは、Ｖ＿１とＶ＿２とはほぼ等しい値となるように設計される。ここで「ほぼ等しい」とは、Ｖ＿１／Ｖ＿２の値が０．８〜１．２の範囲内にあることを意味するものとする。Ｖ１／Ｖ２の値が０．８〜１．２の範囲内である場合、レギュレータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧制御機能の動作特性が良好な条件範囲で使用できるため、エネルギ利用効率を高く維持することができる。さらに好ましくは、Ｖ１／Ｖ２の値は０．９〜１．１の範囲内に設計される。Ｖ１／Ｖ２の値が０．９〜１．１の場合は、対電圧変動特性に優れた電池を用いる場合において、上記電圧制御機能を排除することが可能となる。また、Ｖ１／Ｖ２の値が０．９５〜１．０５の範囲内にある場合は、一般的な電池を用いる場合においても、上記電圧制御機能を排除することが可能となる。さらに、Ｖ１／Ｖ２の値が０．９７〜１．０３の範囲内にある場合は、電池の耐電圧変動特性を向上させることなく容量やコストなどの特性仕様を追求した電池を、電圧制御機能抜きで用いることが可能となり、より優位な効果が生じる。また、上記説明では電池を例に挙げて説明したが、動力部などの負荷についても、同様のことが言える。

なお、本実施形態では、負荷１１８に含まれる電気モータは、整流部１１６から出力される直流（ＤＣ）エネルギによって動作する直流モータであるが、直流モータではなく交流モータを用いることも可能である。交流モータを用いる場合、例えば以下の２つの構成が可能である。第１の構成は、図２Ａにおける電源制御部１１７が直流（ＤＣ）から交流（ＡＣ）への変換を行い、当該ＡＣエネルギを交流モータに送出する構成である。この構成においては、交流モータにはＡＣエネルギを供給するが、二次電池１２０にはＤＣエネルギを供給するように電源制御部１１７は構成される。第２の構成は、整流部１１６の代わりに周波数変換部１１９を用いる構成である。周波数変換部１１９は、受電アンテナ１０７が受け取ったＲＦエネルギをそれよりも低い周波数の交流（ＡＣ）エネルギに変換する回路である。この第２の構成では、周波数変換部１１９から出力される交流エネルギが交流モータに供給される。図７は、第２の構成における回路ブロックの一例を示している。図７に示す構成では、周波数変換部１１９から出力されるＡＣエネルギが電源制御部１１７を介して交流モータ（負荷１１８）に供給される。一方、二次電池１２０を充電する際には、電源制御部１１７は交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）への変換を行い、ＤＣエネルギを二次電池１２０に送出する。周波数変換部１１９を用いる場合においては、周波数変換部１１９の入出力インピーダンスを負荷や他の回路ブロックのインピーダンスに整合させることが好ましい。

また、図７に示す周波数変換部１１９を用いる場合でも、上記の実施形態と同様、受電アンテナ１０７は、複数の異なる送電アンテナの各々との間で非接触の電力伝送を行うことが可能である。ここで、１つの送電アンテナと受電アンテナ１０７との間の結合係数は、他の送電アンテナと受電アンテナ１０７との間の結合係数と異なっていてもよい。これらの結合係数が異なる場合であっても、負荷１１８や二次電池１２０の入力電圧がほぼ等しくなるようにシステムが設計されていることが好ましい。

以下、本実施形態の効果を従来技術と比較しながら説明する。

本実施形態の車両用充給電では、送電アンテナの面積は受電アンテナの面積よりも十分大きい。このような構成において車両の位置ずれへの対策を講じた技術は、従来文献には開示されていない。本実施形態の車両用充給電システムによれば、車両のＸ方向、Ｙ方向への位置ずれに対する伝送特性の安定性を共に向上させることができる。

特許文献２では、駐車中の車両に対する充給電に際して、車両や路面に複数のアンテナを配置することによってＸ方向の位置ずれに対応している。しかしながら、複数のアンテナの設置は、低コスト化や小型化の障害になるため、好ましくない。さらに、伝送ブロックにアンテナを切り替えるスイッチを新たに導入しなければならないため、スイッチの挿入損失による伝送効率の低下が懸念される。特許文献２にはそのような伝送効率の低下を回避する構成が開示されていない。

本発明では、送電アンテナから受電アンテナへのエネルギ伝送は、受電アンテナが送電アンテナ上の空間に位置した場合に限定される。これは、両アンテナを構成するインダクタ間の結合係数が極端に低下すると高効率伝送が困難になるからである。

一方、電磁誘導方式による特許文献３の構成では、車両の左右方向の位置ずれを改善すべく導入した構成の結果、効率の一層の低下を招くことになってしまう。特許文献３の道路側送電装置の構成では、本発明の送電アンテナの半分の幅のアンテナエレメントが配置されることになる。また、車両側も同様に、限られた車両幅に対して左右２つのアンテナエレメントが配置される。送電側、受電側それぞれ２つのアンテナエレメントにより、４つの組み合わせが考えられる。特許文献３の手法は、いずれの組み合わせでも強い結合となる条件下で、かつ各組み合わせ間の伝送に対し振幅位相制御を個別に行うことによって初めて高効率且つ安定した伝送を提供できる。しかし、実際には４つの結合のうち、少なくとも２つの結合はインダクタ間の相対距離が必ず遠くなる組み合わせにならざるを得ない。特に、車両の横方向の位置ずれが大きくなるほど、全結合が良好な伝送効率を達成することは困難になる。また、各伝送経路の制御を行う制御素子や切替素子の挿入損分だけ伝送効率が低下する問題を回避する手段が開示されていない。

また、従来技術には、進行波である電磁波を用いて送電アンテナから受電アンテナへエネルギ伝送する車両用充給電システムもある（例えば、特開２００２−１５２９９６号公報）。しかし、この従来技術は、共振磁界結合を用いる本発明の車両用充給電システムとは原理が異なる。この従来技術においては、受電アンテナの形状がＷ２＞Ｌ２であっても、本発明の受電アンテナ構成においてもたらされる、左右方向の車両位置ずれに対する許容度向上の効果は見出せない。むしろ、進行波を放射するアンテナにおいて左右方向に開口幅を拡大することは、左右方向の放射半値幅を低減し、位置ずれに対する許容度が低下すると考えられる。よって、本発明の効果は共振磁界結合方式において、送電アンテナのサイズが受電アンテナのサイズに対して大きい場合においてのみ発現する特有の効果である。

以下、本発明の実施例１を説明する。

本発明の有利な効果を実証するべく、図１Ａ、図１Ｂに示す構成に基づき、車両用充給電システムの実施例１ａ、１ｂによる解析を行った。実施例１ａでは、Ｗ１＝２５０ｃｍ、Ｌ１＝１０００ｃｍ、Ｗ２＝Ｌ２＝６５ｃｍとした。実施例１ｂでは、Ｗ１およびＬ１は実施例１ａと同一の値とし、Ｗ２＝４３．３ｃｍ、Ｌ２＝８６．７ｃｍとした。送電アンテナおよび受電アンテナの共振周波数はともに５００ｋＨｚとなるよう設計した。伝送損失を低減させるため、送電アンテナおよび受電アンテナの配線としてリッツ線を採用した。

送電アンテナおよび受電アンテナの入出力端子をネットワークアナライザに接続し、小信号入力条件で通過／反射特性を測定し、アンテナ間の伝送効率を最大化する最適インピーダンス値を測定した。図４に示す状態１の配置（Ｘ＝Ｘｏ）で測定を行った後、図４に示す状態０の配置（Ｘ＝０）に車両位置を移動させて測定を行った。２回の測定結果から、車両の進行方向に向かって左右方向の位置ずれに対する伝送特性の安定度を見積もった。以上の測定を、Ｙ＝０の条件で、複数通りのＨの値に対して行うことにより、インピーダンス変動特性のＨ依存性を評価した。

表１は、実施例１ａ、１ｂにおける評価の結果を示している。また、図８、図９はそれぞれ、実施例１ａ、１ｂにおけるインピーダンス変動特性のＨ依存性を示している。ここで、ΔＦＴｘおよびΔＦＲｘは、それぞれ送電アンテナおよび受電アンテナのインピーダンス変動を表している。ΔＦＴｘおよびΔＦＲｘの値がゼロに近いほど、Ｘ方向の位置ずれに対するシステム耐性が優位である。

各実施例において、インピーダンス整合を完全に行った場合の最大伝送効率は、状態１、状態０で大きな変化はなかった。よって、状態１において伝送電力を最大化した場合の受電電圧ＶＲｉ＿１は状態０での受電電圧ＶＲｉ＿０およびＦＲｘを用いて以下の式１０で表される。
（式１０）ＶＲｉ＿１＝ＶＲｉ＿０×（ＦＲｘ）＾０．５

式１０より、負荷または二次電池の電圧変動幅が１０％まで許容される場合、ＦＲｘの変動幅は２１％までが許容されることになる。表１より、Ｈ／Ｗ１の値が式７の条件を満たす範囲内であれば、電圧変動幅を約１０％以内にできることがわかる。また、負荷または二次電池の電圧変動幅が５％まで許容される場合、ＦＲｘの変動幅は１０．２５％までが許容されることになる。この場合、表１より、Ｈ／Ｗ１の値が式８の条件を満たす範囲内であれば、電圧変動幅を約５％以内にできることがわかる。また、負荷または二次電池の電圧変動幅が３％まで許容される場合、ＦＲｘの変動幅は６．０９％までが許容されることになる。この場合、表１より、Ｈ／Ｗ１の値が式９の条件を満たす範囲内であれば、電圧変動幅を約３％以内にできることがわかる。すなわち、式７〜９に相当する各Ｈの範囲において、本発明の車両用充給電システムは安定した伝送特性が得られることが証明された。また、式７〜９に相当する各Ｈの範囲において、ＺＴｘ値の極端な変動がないため、送電アンテナと送信機ブロック間での信号反射を低減できる。そのため、発振部ブロックの回路で用いるデバイスの耐圧特性仕様を過剰に見積もる必要がない。

次に、実施例１ａの構成でＨ＝０．１７５７×Ｗ１とし、Ｘ＝０及びＸ＝Ｘ０の２状態を保ったまま、車両をＹ軸方向へ移動させた。図１０は、このときのインピーダンスＺＴｘ１およびＺＴｘ０のＹ依存性を示している。同様に、図１１は、インピーダンスＺＲｘ１およびＺＲｘ０のＹ依存性を示している。図１０、１１において、値は全てＹ＝０での値を基準に規格化した。図１０、図１１より、Ｙ軸方向の移動に対するインピーダンス変動は、送電側および受電側のいずれの端子においても６％以内に収まっている。したがって、車両進行方向の移動に対しても本発明の車両充給電システムが良好な伝送特性を維持できることが証明された。

さらに、電源及び発振部を送電アンテナに接続し、整流部および負荷を受電アンテナに接続し、各接続点でインピーダンス整合条件を満足させた。このような構成において、送電アンテナから車両内の二次電池への充電を行うことができた。

また、Ｌ１を２５０ｃｍに減じた車両充給電システムのインピーダンス変動特性も同様に測定した。この場合も、上記と同様に式７〜９の条件で本発明の効果が得られた。

本発明にかかる車両用充給電システムは、電気自動車への走行中充給電システム、駐車中充給電システムとして利用できる。本発明は、電気自動車に限らず、電動バイク、移動ロボット等のあらゆる車両の充給電に応用できる。

１０１ 車両
１０２ 路面
１０３ 車両進行方向
１０５ 送電アンテナ
１０７ 受電アンテナ
１１２ 電源
１１４ 発振部
１１６ 整流部
１１７ 電源制御部
１１８ 負荷
１１９ 周波数変換部
１２０ 二次電池
１２２ 送電部
１２４ 受電部

Claims (21)

1. 路面上または路面下に設けられた少なくとも１つの送電アンテナと、少なくとも１台の車両に設けられた受電アンテナとを含む車両用充給電システムであって、
   前記送電アンテナおよび前記受電アンテナは、共振磁界によって互いに結合する共振器対であり、
   車両進行方向をＹ方向、前記車両進行方向に垂直な方向をＸ方向とするとき、
   前記送電アンテナのＹ方向の長さおよびＸ方向の長さは、それぞれ、前記受電アンテナのＹ方向の長さおよびＸ方向の長さよりも大きく、
   前記送電アンテナのＸ方向の長さをＷ１、前記送電アンテナと前記受電アンテナの対向距離をＨとするとき、
   ０．１１×Ｗ１≦Ｈ≦０．２６×Ｗ１
   を満足し、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとが対向するときに前記送電アンテナから前記受電アンテナに非接触で電力を供給する車両用充給電システム。
2. ０．１２×Ｗ１≦Ｈ≦０．２２×Ｗ１
   を満足する請求項１に記載の車両用充給電システム。
3. ０．１５×Ｗ１≦Ｈ≦０．１９×Ｗ１
   を満足する請求項２に記載の車両用充給電システム。
4. 電源から受けとったエネルギをＲＦエネルギに変換して前記送電アンテナに送出する発振部を有し、
   前記車両は、前記受電アンテナが前記送電アンテナから受けとったＲＦエネルギを直流エネルギまたは前記ＲＦエネルギよりも周波数の低い交流エネルギに変換して出力する電力変換部を有する請求項１から３のいずれかに記載の車両用充給電システム。
5. 前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の伝送効率を最大化する前記送電アンテナの入力インピーダンスは、前記発振部の出力インピーダンスと一致する請求項４に記載の車両用充給電システム。
6. 前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の伝送効率を最大化する前記受電アンテナの出力インピーダンスは、前記電力変換部の入力インピーダンスと一致する請求項４または５に記載の車両用充給電システム。
7. 前記車両は、前記電力変換部が出力する前記直流エネルギまたは前記交流エネルギによって動作する負荷を有している、請求項４から６のいずれかに記載の車両用充給電システム。
8. 前記負荷の入力インピーダンスは、前記電力変換部の出力インピーダンスと一致する請求項７に記載の車両用充給電システム。
9. 前記少なくとも１つの送電アンテナは、第１の送電アンテナと第２の送電アンテナとを含み、
   前記第１の送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数は、前記第２の送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数と異なっており、
   前記第１の送電アンテナと前記受電アンテナとが電力伝送を行うときの前記負荷の入力電圧は、前記第２の送電アンテナと前記受電アンテナとが電力伝送を行うときの前記負荷の入力電圧とほぼ等しくなるように設計されている、請求項７または８に記載の車両用充給電システム。
10. 前記車両は、二次電池を有し、
    前記受電アンテナが前記送電アンテナから受け取ったエネルギによって前記二次電池を充電する請求項１から９のいずれかに記載の車両用充給電システム。
11. 前記路面に垂直な方向から見たとき、前記受電アンテナの中心部は、前記車両の前記Ｘ方向における中心線付近に位置している、請求項１から１０のいずれかに記載の車両用充給電システム。
12. 前記路面に垂直な方向から見たとき、前記受電アンテナの中心部は、前記車両の前記Ｙ方向における中心線付近に位置している、請求項１から１１のいずれかに記載の車両用充給電システム。
13. 前記送電アンテナのＹ方向の長さは、前記車両のＹ方向の長さとほぼ等しい、請求項１から１２のいずれかに記載の車両用充給電システム。
14. 前記送電アンテナのＹ方向の長さは、前記車両のＹ方向の長さよりも大きい請求項１から１２のいずれかに記載の車両用充給電システム。
15. 前記路面に垂直な方向から見たとき、前記送電アンテナの中心部は、走行レーンの前記Ｘ方向における中心線付近に位置している、請求項１から１４のいずれかに記載の車両用充給電システム。
16. 前記少なくとも１つの送電アンテナは、Ｙ方向に沿って配列された複数の送電アンテナを含み、
    前記車両の移動に伴って前記受電アンテナが前記複数の送電アンテナの各々と対向するとき、前記受電アンテナに対向する送電アンテナから前記受電アンテナに順次電力伝送を行う請求項１から１５のいずれかに記載の車両用充給電システム。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載の車両用充給電システムに使用される車両であって、
    前記受電アンテナと、
    前記受電アンテナが前記送電アンテナから受け取ったエネルギによって動作する負荷と、
    を有する車両。
18. 前記負荷は、電気モータである、請求項１７に記載の車両。
19. 内燃機関を動力源とする、請求項１７または１８に記載の車両。
20. 請求項１から１６のいずれかに記載の車両用充給電システムに使用される送電アンテナ。
21. 請求項１から１６のいずれかに記載の車両用充給電システムに使用される受電アンテナと、
    前記受電アンテナが前記送電アンテナから受け取ったＲＦエネルギを直流エネルギまたは前記ＲＦエネルギよりも周波数の低い交流エネルギに変換して出力する電力変換部とを備える受電システム。

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