JP5958258B2 - 非接触給電システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電システムおよびその制御方法に関し、より特定的には、走行中の車両に対して非接触で送電が可能な送電装置における課金制御に関する。

電源コードや送電ケーブルを用いない非接触のワイヤレス電力伝送が近年注目されており、車両外部の電源（以下「外部電源」とも称する。）によって車載の蓄電装置を充電可能な電気自動車やハイブリッド車両等への適用が提案されている。

さらに、このような非接触での電力伝送を用いて、車両走行中に給電を行なうシステムが検討されている。

２０１２−０３５７８９号公報（特許文献１）は、走行車両に非接触で給電可能な非接触給電システムを開示する。２０１２−０３５７８９号公報（特許文献１）の非接触給電システムにおいては、複数の給電装置が配置された走行路（以下、「給電レーン」とも称する。）の入り口に監視用通信装置が設けられる。そして、給電システムの管理装置は、給電レーンへの進入車両から通信装置を介して取得された車両情報に基づいて当該車両が給電対象車両であるか否かを判定し、給電対象車両である場合には、当該車両に対応した給電方法を用いて給電を開始する。

特開２０１２−０３５７８９号公報

２０１２−０３５７８９号公報（特許文献１）に開示される非接触給電システムにおいては、給電車両への課金処理は、給電レーンの各給電装置からの給電完了情報に基づいて、区間の最終給電装置を車両が通過したことに応答して実行される。

しかしながら、たとえば、高速道路のように複数の走行レーンがある場合、車両への給電が開始された後に、当該車両が最終給電装置に到達するまでに給電レーンから他の走行レーンに移動したような場合には、適切に課金処理が実行できず、給電量に対応する料金を徴収できないおそれが生じ得る。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、走行中の車両に非接触で電力を供給可能な非接触給電システムにおける課金処理を適切に行なうことである。

本発明による非接触給電システムは、送電部と、第１および第２の通信部と、制御装置とを備え、走行中の車両に非接触で電力を送電することが可能である。送電部は、車両の走行路に沿って配置され、車両の受電部に電力を送電するように構成される。第１および第２の通信部は、走行路に沿って互いに位置を隔てて設けられ、車両と通信することが可能である。制御装置は、車両への送電動作の制御および送電動作に伴う徴収金額の設定を行なう。制御装置は、第１の通信部からの情報に基づいて車両への送電を開始するとともに所定金額を徴収金額に設定する。そして、制御装置は、第２の通信部からの情報に基づいて、車両に対して実際に送電した電力量または車両が実際に受電した電力量に対応する料金と所定金額との差額により徴収金額を修正する。

好ましくは、所定金額は、走行路において、第１の通信部が配置される場所から第２の通信部が配置される場所までの間に、送電部から供給可能な最大電力に対応する料金以上に設定される。

好ましくは、制御装置は、車両への送電を開始後、予め定められた期間内に第２の通信部からの情報が受信されない場合には、所定金額を徴収金額として確定する。

好ましくは、送電部は、第１の通信部と第２の通信部との間に配置される。
好ましくは、送電部ならびに第１および第２の通信部は、車両の進行方向に沿って、第１の通信部、送電部、第２の通信部の順に配置される。

好ましくは、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、送電部と受電部との結合係数は０．１以下である。
好ましくは、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。

本発明による非接触給電システムの制御方法は、走行中の車両に非接触で電力を送電するための非接触給電システムについての制御方法である。非接触給電システムは、車両の走行路に沿って配置され、車両の受電部に電力を送電するように構成された送電部と、走行路に沿って互いに位置を隔てて設けられ、車両と通信可能に構成された第１および第２の通信部とを含む。制御方法は、第１の通信部からの情報に基づいて車両への送電を開始するステップと、送電の開始の際に所定金額を徴収金額に設定するステップと、第２の通信部からの情報に基づいて、車両に対して実際に送電した電力量または車両が実際に受電した電力量に対応する料金を算出するステップと、料金と所定金額との差額により徴収金額を修正するステップとを備える。

本発明によれば、走行中の車両に非接触で電力を供給可能な非接触給電システムにおける課金処理を適切に行なうことができる。

本実施の形態に従う非接触給電システムの全体概略図である。 図１の非接触給電システムにおける、送電装置および車両の詳細を示す全体ブロック図である。 非接触給電システムの他の例における、送電装置および車両の詳細を示す全体ブロック図である。 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。 固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、送電部に供給される電流の周波数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。 本実施の形態における課金処理の概要を説明するための図である。 本実施の形態において、送電装置の管理制御部で実行される課金処理の詳細を説明するためのフローチャートである。 本非接触給電システムを一般道路に適用した場合の一例を示す図である。

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。

［非接触給電システムの構成］
図１は、本実施の形態に従う非接触給電システム１０の全体概略図である。非接触給電システム１０は、たとえば、高速道路などに設けられ、走行中の車両に電力を供給することが可能である。

非接触給電システム１０は、送電装置２００を備える、送電装置２００は、制御装置である管理制御部２５０と、ネットワーク回線２４０と、電源装置２１０と、複数の送電部２２０Ａ〜２２０Ｙ（以下、包括的に、「送電部２２０」とも称する。）と、通信部２３０Ａ，２３０Ｂ（以下、包括的に「通信部２３０」とも称する。）とを備える。

送電部２２０は、高速道路における特定の走行路に沿って、走行路に埋め込まれるように配置される。なお、以下の説明においては、送電部２２０が配置された走行路を「給電レーン２０」と称し、その他の走行レーンを「一般レーン３０」と称する。

送電部２２０は、図２および図４等で後述するように、電磁界を発生させるコイルであり、この電磁界を介して、給電対象の車両１００に設けられる受電部に電力を伝達する。

各送電部は、電源装置２１０に電気的に並列に接続される。電源装置２１０は、ネットワーク回線２４０を介して管理制御部２５０から受信した指令に従って、各送電部に電力を供給する。

給電レーン２０において、送電部２２０の入口および出口には、下方を車両１００が通過可能な開始ゲート４０および終了ゲート４５がそれぞれ設けられる。開始ゲート４０および終了ゲート４５には、それぞれ通信部２３０Ａ，２３０Ｂが設置される。通信部２３０は、下方を通過する車両１００と無線通信を行なうことができる。

なお、開始ゲート４０および終了ゲート４５は、通信部２３０と車両１００との間で通信が可能であれば、必ずしも門型の構成には限られない。たとえば、車両の側方または斜め上方に通信部２３０を配置するものであってもよい。また、図１においては、開始ゲート４０および終了ゲート４５が送電部２２０の直前および直後にそれぞれ配置されている場合が例として示されているが、たとえば、ＥＴＣ（Electric Toll Collection System）を用いた高速道路の料金徴収の場合と同様に、高速道路のインターチェンジの入口および出口のゲートを採用してもよい。

開始ゲート４０に設置された通信部２３０Ａは、下方を通過した車両１００から無線通信により車両情報を受信し、ネットワーク回線２４０を介して、受信した情報を管理制御部２５０へ送信する。管理制御部２５０は、受信した車両情報により車両１００が給電対象の車両である場合には、電源装置２１０に指令を出力して、車両１００への送電を開始する。

終了ゲート４５に設置された通信部２３０Ｂは、下方を通過した車両１００から車両情報を受信して管理制御部２５０へ送信するとともに、車両１００が給電レーン２０を走行している間に車両１００へ送電した電力量、または車両１００から受信した車両１００が実際に受電した電力量に対応する料金を含む課金情報を車両１００へ送信する。車両１００では、送信された課金情報がユーザに通知される。

この送電された電力についての料金は、たとえば管理制御部２５０から、ネットワーク回線２４０または図示しない他のネットワーク回線を通じて、銀行またはクレジット会社等に伝達され、予め登録されたユーザの口座からこの料金が引き落とされる。

なお、図１においては、給電レーンの送電部の入口に開始ゲート４０が設けられ、出口に終了ゲート４５が設けられる構成を例が示されているが、それに加えて、開始ゲート４０と終了ゲート４５との間に、１つ以上の中間ゲート（図示せず）をさらに設けてもよい。たとえば、開始ゲート４０から終了ゲート４５までの距離が非常に長いような場合には、終了ゲート４５に到達するまでにユーザが一般レーンに車線変更してしまう可能性が高くなる。そのため、中間ゲートを適宜設けて、その中間ゲートまでの料金を順次確定していくことによって、適切な課金処理が実行できるようになる。この場合、中間ゲートに設けられる通信部は、図１の終了ゲート４５の通信部２３０Ｂとして機能するとともに、開始ゲート４０の通信部２３０Ａとしても機能することになる。また、中間ゲートは、たとえば、電力供給元である電力会社の管轄が切換わり、料金体系が変わる地点にも設けられる。

ネットワーク回線２４０は、電源装置２１０および通信部２３０と、管理制御部２５０との間で情報の授受を行なうことが可能な無線または有線の通信回線である。ネットワーク回線２４０は、たとえば、インターネット回線や電話回線のような公衆回線であってもよいし、本システム独自の回線であってもよい。なお、管理制御部２５０が、給電レーン２０の近くに設置される場合には、ネットワーク回線２４０を用いずに、電源装置２１０および通信部２３０を管理制御部２５０に直接接続するようにしてもよい。

管理制御部２５０は、非接触給電システム１０の統括的な制御を行なう制御装置であり、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等を含んで構成される。

上述のように、管理制御部２５０は、通信部２３０によって取得した車両情報に基づいて、当該車両１００が給電対象であるか否かを判断するとともに、車両１００の走行に同期させながら車両１００への送電の開始および終了を制御する。また、管理制御部２５０は、電源装置２１０から車両１００に対して実際に送電した電力量を積算し、積算された電力量に対応した料金の徴収金額を決定する。そして、通信部２３０を介して、この料金を含む課金情報を車両１００へ送信する。料金の詳細な決定手法は、図９および図１０で詳述する。

図２は、本実施の形態に従う非接触給電システム１０における車両１００および送電装置２００の構成の詳細を示す図である。図２を参照して、送電装置２００は、図１で示したように、電源装置２１０、送電部２２０、通信部２３０および管理制御部２５０を含む。

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、商用電源４００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。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へ非接触で電力を伝達する。

電源装置２１０は、通信部２１２と、送電ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１４と、電源部２１６と、整合器２１８とを含む。また、送電部２２０Ａは、共振コイル２２１Ａと、キャパシタ２２２Ａと、電磁誘導コイル２２３Ａとを含む。送電部２２０Ｂは、共振コイル２２１Ｂと、キャパシタ２２２Ｂと、電磁誘導コイル２２３Ｂとを含む。なお、共振コイル２２１Ａ，２２１Ｂ、キャパシタ２２２Ａ，２２２Ｂおよび電磁誘導コイル２２３Ａ，２２３Ｂについても、以下の説明では、それぞれ包括的に「共振コイル２２２」，「キャパシタ２２２」，「電磁誘導コイル２２３」とも称する。

電源部２１６は、送電ＥＣＵ２１４からの制御信号ＭＯＤによって制御され、商用電源４００などから受ける交流電力を高周波の電力に変換する。そして、電源部２１６は、その変換した高周波電力を、整合器２１８を介して電磁誘導コイル２２３へ供給する。

また、電源部２１６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ＥＣＵ２１４へ出力する。

整合器２１８は、送電部２２０の入力インピーダンスを調整するためのものであり、典型的には、たとえばリアクトルとキャパシタとを含んで構成される。

なお、図２には示されていないが、電源装置２１０は、送電部２２０を切換えるための切換部を有してもよい。この場合には、車両１００の走行に対応して送電部が順次切換えられ、電源部２１６に接続された送電部に対して電力が供給される。

電磁誘導コイル２２３は、電磁誘導により共振コイル２２１と磁気的に結合可能である。電磁誘導コイル２２３は、電源部２１６から供給された高周波電力を、電磁誘導によって共振コイル２２１に伝達する。

共振コイル２２１は、電磁誘導コイル２２３から伝達された電力を、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４を用いて後述する。

通信部２１２は、管理制御部２５０との間で通信を行なうための通信インターフェースであり、図１で示されるように、ネットワーク回線２４０を介して管理制御部２５０と情報ＰＷＲの授受を行なう。通信部２１２は、管理制御部２５０から送信される各送電部において送電すべき電力を受信し、受信したこれらの情報を送電ＥＣＵ２１４へ出力する。また、通信部２１２は、送電ＥＣＵ２１４からの送電電圧Ｖｔｒおよび送電電流Ｉｔｒの情報、ならびに各送電部において実際に送電された電力を管理制御部２５０へ送信する。

送電ＥＣＵ２１４は、いずれも図２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、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と、整合器１７０と、整流器１８０と、充電リレーＣＨＲ１８５と、蓄電装置１９０と、システムメインリレーＳＭＲ１１５と、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、車両ＥＣＵ３００と、通信部１６０と、電圧センサ１９５と、電流センサ１９６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。電磁誘導コイル１１３は、電磁誘導により共振コイル１１１と磁気的に結合可能である。この電磁誘導コイル１１３は、共振コイル１１１により受電された電力を電磁誘導により取出し、整合器１７０を介して整流器１８０へ出力する。

整合器１７０は、共振コイル１１１により受電された電力を供給する負荷の入力インピーダンスを調整するためのものであり、送電側の整合器２１８と同様に、たとえばリアクトルおよびキャパシタを含んで構成される。

整流器１８０は、整合器１７０を介して電磁誘導コイル１１３から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、ダイオードブリッジおよび平滑用のキャパシタ（いずれも図示せず）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。

ＣＨＲ１８５は、整流器１８０と蓄電装置１９０との間に電気的に接続される。ＣＨＲ１８５は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ２により制御され、整流器１８０から蓄電装置１９０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。

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、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、車両情報ＩＮＦＯおよび課金情報ＣＨＲＧ等の情報の授受を行なう。通信部１６０から送電装置２００へ出力される車両情報ＩＮＦＯには、車両を識別するための車両ＩＤ、電力伝送効率および車両１００が実際に受電した電力量などの情報が含まれる。通信部１６０が送電装置２００から受信する課金情報ＣＨＲＧには、送電装置２００からのトータルの送電電力およびそれに対応して課金された料金情報などが含まれる。

車両ＥＣＵ３００は、いずれも図２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、整流器１８０とＣＨＲ１８５とを結ぶ経路の間に接続され、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と整合器１７０とを結ぶ電力線に設けられ、受電電流Ｉｒｅを検出する。受電電圧Ｖｒｅおよび受電電流Ｉｒｅの検出値は、車両ＥＣＵ３００に送信され、電力伝送効率の演算等に用いられる。

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、図３の非接触給電システム１０Ａにおける受電部１１０Ａおよび送電部２２５Ａ，２２５Ｂのように電磁誘導コイル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、送電部２２５Ａ，２２５Ｂにおいては共振コイル２２６Ａ，２２６Ｂが整合器２１８を介して電源部２１６に接続され、受電部１１０においては共振コイル１１１Ａが整合器１７０を介して整流器１８０に接続される。

また、車両におけるインピーダンス調整手段として、図２における整合器１７０に代えてまたは加えて、整流器１８０により整流された直流電圧の電圧変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）が設けられる構成であってもよい。

［電力伝送の原理］
図４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４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ＬＣ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、受電部１１０によって受電された電力を利用する電気機器であり、具体的には、整合器１７０（図１）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５および図６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５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６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５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６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６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４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との結合係数κは０．１以下が好ましく、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。

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７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７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。

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の水平方向のズレ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８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８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との間で非接触によって電力が伝送される。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。

［徴収金額の決定手法］
上述のような、車両走行中に電力伝送が可能な非接触給電システムにおいては、車両が開始ゲートを通過し、管理制御部により車両情報が取得されたことによって、送電部からの送電が開始される。そのため、図１における車両１００Ａのように、開始ゲートを通過せずに、開始ゲートと終了ゲートとの間の途中から給電レーンに進入したような場合には、送電部から送電は実行されない。

しかしながら、車両が開始ゲートを通過して送電が開始された後、終了ゲートに到達するまでに、たとえば障害物等を避けるためあるいは故意に給電レーンから一般レーンに移動することによって終了ゲートを通過しなかった場合には、実際の送電量に対応した料金を徴収できない状態が生じ得る。

そのため、本実施の形態においては、図９に示すように、車両への送電電力の徴収金額について、車両１００が開始ゲート４０を通過して送電が開始されるときに、所定金額を徴収金額として設定し、車両１００が終了ゲート４５を通過したときに、送電部２２０からの実際の送電電力または車両１００の実際の受電電力に対応する金額と上記の徴収金額との差額を精算する。すなわち、送電開始後に車両が給電レーンから移動して終了ゲートを通過しなかった場合であっても、上記の所定金額についてはユーザの口座から徴収することができる。

この所定金額は、たとえば、開始ゲートから終了ゲートまでの間において、電源装置から送電可能な最大電力量に対応する最大金額に設定され、終了ゲートにおいて実際の送電電力量または車両１００の実際の受電電力に対応した金額との差額が返金される。このように最大金額に設定すると、終了ゲートを通過しなかった場合には、ユーザは実際に送電された電力量または車両１００の実際の受電電力に対応した金額よりも多い金額の料金を支払うことになる。そのため、ユーザに対して、終了ゲートを通過することについてのインセンティブを与えることができるので、ユーザが受電途中で給電レーンから故意に移動してしまうことを抑制することができる。

なお、上述のように、走行中の電力送電においては、送電部と受電部との間の位置決めを常に最適な状態に維持することは困難であるので、実際に車両で受電される電力は、電源装置から送電可能な最大電力と比べると低くなってしまう。そのため、たとえば、障害物等を回避するために、給電レーンから移動せざるを得ないような不測の事態の場合に、上記のような最大金額を徴収することは、ユーザに対して酷である場合がある。したがって、上記の所定金額については、実際の電力送電効率等を勘案して最大金額よりも低い金額に設定し、終了ゲートにおける精算時に過不足する金額の追加徴収あるいは返金を行なうようにしてもよい。

また、上記の所定金額は固定金額としてもよいし、たとえば、車両に搭載される蓄電装置の容量およびＳＯＣ等に基づいて可変に設定するようにしてもよい。あるいは、昼夜電量差を考慮して、昼夜の時間で可変に設定するようにしてもよい。

図１０は、本実施の形態において、管理制御部２５０で実行される課金処理の詳細を説明するためのフローチャートである。なお、図１０に示されるフローチャート中の各ステップについては、管理制御部２５０に予め格納されたプログラムがメインルーチンから呼び出されて、所定周期もしくは所定の条件が成立したことに応答して実行されることによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。

図１および図１０を参照して、管理制御部２５０は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、通信部２３０Ａからの情報に基づいて、車両１００が開始ゲート４０を通過したか否かを判定する。

車両１００が開始ゲート４０を通過していない場合（Ｓ１００にてＮＯ）は、車両１００への電力供給が開始されないので、管理制御部２５０は以降の処理をスキップして処理を終了する。

車両１００が開始ゲート４０を通過した場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）は、処理がＳ１１０に進められ、管理制御部２５０は、通信部２３０Ａからの車両情報に含まれる車両ＩＤを取得する。

そして、車両ＩＤから車両１００が給電対象の車両であることが認識された場合には、管理制御部２５０は、Ｓ１２０にて徴収金額を当該システムの最大課金金額に設定し、Ｓ１３０にて送電部２２０からの送電動作を開始する。

管理制御部２５０は、車両１００が給電レーンを走行している間に、各送電コイルによって供給した実際の電力量を積算して記憶する（Ｓ１４０）。そして、Ｓ１５０にて、管理制御部２５０は、通信部２３０Ｂからの情報に基づいて、車両１００が終了ゲート４５を通過したか否かを判定する。

車両１００が終了ゲート４５を通過した場合（Ｓ１５０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１７０に進められ、管理制御部２５０は、送電部２２０による送電動作を終了するとともに、積算された実送電量に対応した徴収金額を演算により求める。そして、Ｓ１２０で決定した課金金額から実送電量に対応した徴収金額を差し引いて最終的な徴収金額を確定する。すなわち、返金処理が実行される。なお、積算された実送電量に代えて、車両１００から送信される車両１００が実際に受信した電力量を積算し、その積算された実受電量に対応した徴収金額を用いるようにしてもよい。

一方、車両１００が終了ゲート４５を通過していない場合（Ｓ１５０にてＮＯ）は、処理がＳ１６０に進められ、管理制御部２５０は、送電開始から所定期間が経過したか否かを判定する。

所定期間が経過していない場合（Ｓ１６０にてＮＯ）は、処理がＳ１４０に戻されて、管理制御部２５０は、車両１００が依然として給電レーンを走行中であると判断して、送電動作を継続しながら実際に送電した電力を順次積算する。

所定期間が経過した場合（Ｓ１６０にてＹＥＳ）は、管理制御部２５０は、なんらかの理由により、車両１００が終了ゲート４５を通過せずに給電レーン２０から移動してしまったものと判断する。そして、管理制御部２５０は、送電動作を終了するとともに、Ｓ１２０で設定した最大課金金額を徴収金額として確定し処理を終了する。

図１０には示されていないが、その後、確定された徴収金額が、ユーザの所定口座から引き落とされる。

なお、上記の所定期間については、予め定められた固定時間であってもよいし、たとえば開始ゲート４０通過時の車両１００の速度および開始ゲート４０から終了ゲート４５までの距離に基づいて演算される時間のように可変に設定してもよい。

このような処理に従って制御を行なうことによって、車両走行中に非接触で電力を送電することができる非接触給電システムにおいて、送電開始後に、送電終了地点に到達するまでに車両が給電レーンから移動した場合であっても、適切に課金処理を行なって送電電力または受電電力に対する料金を徴収することが可能となる。

なお、上記の説明においては、非接触給電システムが高速道路のような車両専用道路に設置される場合を例として説明したが、非接触給電システムは、たとえば、図１１に示されるように市街地における一般道路に適用することも可能である。このような場合には、たとえば、途中に脇道のない道路における２つの交差点間に送電部を設置するようにしてもよい。

また、この場合には、通信部として道路交通情報システム（Vehicle Information and Communication System：ＶＩＣＳ（登録商標））を利用したり、信号機にその機能を持たせたりするようにしてもよい。

さらに、終了ゲートについては、図１において給電レーンに加えて一般レーンにも配置するようにしてもよい。この場合には、たとえ、送電途中に給電レーンから一般レーンに車両が移動した場合であっても、車両が確実に終了ゲートを通過できるので、徴収金額の精算を確実に行なわせることが可能となる。

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、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。

１０，１０Ａ 非接触給電システム、２０ 給電レーン、３０ 一般レーン、４０ 開始ゲート、４５ 終了ゲート、８９ 電力伝送システム、９０，２２０，２２０Ａ〜２２０Ｙ，２２５Ａ，２２５Ｂ 送電部、９１，１１０，１１０Ａ 受電部、９２，９３，９６，９７ コイル、９４，９９，１１１，１１１Ａ，２２１，２２１Ａ，２２１Ａ，２２１Ｂ，２２１Ｂ，２２２，２２６Ａ，２２６Ｂ 共振コイル、９５，９８，１１２，２２２，２２２Ａ，２２２Ｂ キャパシタ、１００，１００Ａ，１００Ｂ 車両、１１３，２２３，２２３Ａ，２２３Ｂ 電磁誘導コイル、１１５ ＳＭＲ、１１８ 電気負荷装置、１２０ ＰＣＵ、１３０ モータジェネレータ、１４０ 動力伝達ギヤ、１５０ 駆動輪、１６０，２１２，２３０，２３０Ａ，２３０Ｂ 通信部、１７０，２１８ 整合器、１８０ 整流器、１８５ ＣＨＲ、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、２１４ 送電ＥＣＵ、２１６ 電源部、２４０ ネットワーク回線、２５０ 管理制御部、３００ 車両ＥＣＵ、４００ 商用電源。

Claims (8)

1. 走行中の車両に非接触で電力を送電するための非接触給電システムであって、
   前記車両の走行路に沿って配置され、前記車両の受電部に電力を送電するように構成された送電部と、
   前記走行路に沿って互いに位置を隔てて設けられ、前記車両と通信可能に構成された第１および第２の通信部と、
   前記車両への送電動作の制御および前記送電動作に伴う徴収金額の設定を行なうように構成された制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第１の通信部からの情報に基づいて前記車両への送電を開始するとともに所定金額を前記徴収金額に設定し、前記第２の通信部からの情報に基づいて、前記車両に対して実際に送電した電力量または前記車両が実際に受電した電力量に対応する料金と前記所定金額との差額により前記徴収金額を修正し、
   前記車両は、蓄電装置を含み、
   前記制御装置は、前記蓄電装置の充電状態を示す情報に応じて前記所定金額を可変に設定する、非接触給電システム。
2. 前記制御装置は、前記車両への送電を開始後、予め定められた期間内に前記第２の通信部からの情報が受信されない場合には、前記所定金額を前記徴収金額として確定する、請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記送電部は、前記第１の通信部と前記第２の通信部との間に配置される、請求項１に記載の非接触給電システム。
4. 前記送電部ならびに前記第１および第２の通信部は、前記車両の進行方向に沿って、前記第１の通信部、前記送電部、前記第２の通信部の順に配置される、請求項３に記載の非接触給電システム。
5. 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に記載の非接触給電システム。
6. 前記送電部と前記受電部との結合係数は０．１以下である、請求項１に記載の非接触給電システム。
7. 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に記載の非接触給電システム。
8. 走行中の車両に非接触で電力を送電するための非接触給電システムの制御方法であって、
   前記非接触給電システムは、
   前記車両の走行路に沿って配置され、前記車両の受電部に電力を送電するように構成された送電部と、
   前記走行路に沿って互いに位置を隔てて設けられ、前記車両と通信可能に構成された第１および第２の通信部とを含み、
   前記車両は、蓄電装置を含み、
   前記制御方法は、
   前記第１の通信部からの情報に基づいて前記車両への送電を開始するステップと、 送電の開始の際に所定金額を徴収金額に設定するステップと、
   前記第２の通信部からの情報に基づいて、前記車両に対して実際に送電した電力量または前記車両が実際に受電した電力量に対応する料金を算出するステップと、
   前記料金と前記所定金額との差額により前記徴収金額を修正するステップと、
   前記蓄電装置の充電状態を示す情報に応じて前記所定金額を可変に設定するステップとを備える、非接触給電システムの制御方法。

Images