JP6260693B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電装置に関するものである。

１次側コイルが巻回された平板状の１次側コアと、２次側コイルが巻回された平板状の２次側コアとを有し、１次側コア及び２次側コアの板面が空間を隔てて対向する状態で１次側コイルから２次側コイルへの非接触給電を行う非接触給電装置が開示されている（特許文献１）。

特開２０１１−５０１２７号公報

しかしながら、非接触給電装置において、上記の２次側コイルを２次側に用いて、２次側コアの板面と対向する面に沿ってコイル線を巻回させたループ上のコイルを、１次側に用いた場合には、１次側コイルと２次側コイルが互いに正対するときに、２次側コイルの両端部において、２次側コイルに鎖交する磁束の向きが２次側コイルの中心点を境に逆になり、当該両端部で受電される電圧が打ち消し合ってしまう。そのため、２次側コイルで受電される受電電圧がゼロになり、２次側コイルは電力を受け取れない、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、受電コイルの受電電圧を向上させた非接触給電装置を提供することである。

本発明は、互いのコイル軸を共有にした複数のコイルを有する受電コイルと、当該複数のコイルに接続されて、コイルとの接続を切り替える切替手段を備え、当該切替手段により、複数のコイルを鎖交する各磁束に応じて複数のコイルの極性を切り替えることによって上記課題を解決する。

本発明は、受電コイルに含まれるコイルの極性が切り替わることで、受電コイルを鎖交する磁束に対して、受電コイルの受電電圧が加算されるため、受電電圧を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電装置のブロック図である。 図１の送電コイルを説明するための図であり、（ａ）は送電コイルの斜視図を、（ｂ）は送電コイルの平面図である。 図１の受電コイルを説明するための図であり、（ａ）は受電コイルの構成を概念的に表した図であり、（ｂ）は受電コイルの平面図である。 比較例に係る非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。 比較例に係る非接触給電装置において、送電コイルの位置に対する受電コイルの位置ずれと、受電電圧との関係を示したグラフである。 図１の非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。 図１の非接触給電装置において、受電コイルの位置ずれと、受電電圧との関係を示したグラフである。 図７に示した、位置ずれに対する受電電圧の特性のうち、位置ずれが０からｘ／２までの範囲内の特性を示した図である。 図１の受電側の複数のコイルの極性と、コイル間の接続を説明するための概念図である。 図１の切替回路の回路図であり、（ａ）はコイルの端子の接続を順方向した状態の回路図を示し、（ｂ）はコイルの端子の接続を逆方向した状態の回路図を示し、（ｃ）はコイルの端子の接続を開放した状態の回路図を示す。 図１のコントローラの制御手順を示すフローチャートである。 受電コイルの位置ずれに対する受電電圧の特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置において、受電コイルの位置ずれと、複数のコイルの各受電電圧との関係を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置において、受電側の複数のコイルの極性と、コイル間の接続を説明するための概念図である。 比較例に係る非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。 受電コイルの位置ずれに対する受電電圧の特性を示すグラフである。 受電コイルの位置ずれに対する受電電圧の特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置のブロック図である。本例の非接触給電装置は、例えば、電気自動車等の車両のバッテリを充電する際に、地上側から車両のバッテリに向けて非接触電力を供給するための装置である。本発明に係る非接触給電装置は、車両のバッテリの充電システムに限らず、他のシステムにも適用可能である。

非接触給電装置は、交流電源１と、整流回路２と、インバータ３と、共振回路４と、送電コイル５と、受電コイル６と、電圧センサ７と、切替回路８と、共振回路９と、整流回路１０と、負荷１１と、コントローラ１２を備えている。なお、図１では、交流電源１及び負荷１１は、便宜上、非接触給電装置の構成の一部として記載されている。

交流電源１は、商用周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力を出力するための電源である。整流回路２は、交流電源１から出力される交流電力を直流に整流する回路である。整流回路２は交流電源１とインバータ３との間に接続されている。

インバータ３は、ＩＧＢＴ等の複数のスイッチング素子をブリッジ状に接続した変換回路を有している。インバータ３は、整流回路２の出力である直流電力を高周波（例えば、数ｋＨｚから数百Ｈｚ程度）の交流電力に変換し、共振回路４に出力する。

共振回路４は、送電コイル５と共に、送電側の交流電力を共振させるための回路である。共振回路４は、送電コイル５に対して直列又は並列に接続されたコンデンサを有している。共振回路４は、インバータ３から出力される交流電圧又は交流電流の振幅、位相を調整することで、インバータ３の出力電力を設定する回路でもある。共振回路４はインバータ３と送電コイル５との間に接続されている。

送電コイル５は、交流電源１から、整流回路２等を介して電力の供給を受けるコイルであり、交流電源１から供給された電力を、受電コイル６に送電するコイルでもある。

受電コイル６は、送電コイルから非接触で送電される電力を受電するコイルである。受電コイル６は、互いのコイル軸を共有にした複数のコイル６１〜６３を有している。受電コイル６が送電コイル５と対向した場合には、送電コイル５と受電コイル６との間には隙間が形成される。

以下、図２及び図３を用いて、送電コイル５及び受電コイル６の構成を説明する。図２（ａ）は送電コイル５の斜視図であり、図２（ｂ）は送電コイル５の平面図である。

送電コイル５は、同一平面上で巻線を渦巻き状に多数巻くことより構成されている。巻線で形成されたループに沿う表面が送電コイル５のコイル面（巻線面）となる。そして、非接触給電装置のうち送電側（１次側）の構成が地上に設けられる場合に、送電コイル５は地上に設けられ、送電コイル５のコイル面が地表（ＸＹ平面）に沿うように設けられている。また送電コイル５のコイル軸は、地表の面に対して垂直方向（Ｚ方向）となる。以下、図２に示すようなコイル形状を、ディスク型とも称する。

図３（ａ）は受電コイル６の構成を概念的に表した図であり、図３（ｂ）は受電コイル６の平面図である。受電コイル６は、独立した複数のコイル６１〜６３を有している。コイル６１〜６３は１本のソレノイド型のコイルを３つに分割することで構成されている。コイル６１は、直方体状のコア６４の側面に巻線を多数巻くことで構成されている。コイル６２、６３も、コイル６１と同様に、コア６４に対して巻線を多数巻くことで構成されている。コイル６１〜６３の巻線を巻く方向は、それぞれ同じ方向である。また、コイル６１及びコイル６３が、コア６４の両端部分に配置され、コイル６２がコイル６１とコイル６３との間に配置されている。

コイル６２の両端部分に相当する二つの端子は、コイル６１及びコイル６３の接続端子とは接続されていない。また、コイル６２、６３の端子も、他のコイル６１〜６３の端子とは直接、接続されていない。また、コイル６１〜６３は互いにコイル軸を共有している。コイル６１のコイル軸、コイル６２のコイル軸、及び、コイル６３のコイル軸は、同一線上に並べられている。またコイル６１〜６３のコイル面は、互いに異なる面で平行になるように並べられている。

非接触給電装置のうち受電側（２次側）の構成が車両に設けられる場合には、複数のコイル６１〜６３のコイル軸が車両の進行方向となるように、受電コイル６は車両に設けられている。以下、図３に示すようなコイル形状を、ソレノイド型とも称する。なお、図３では、ソレノイド型の受電コイル６が３つのコイル６１〜６３で構成されているが、巻線をコアに対して螺旋状に巻くことで形成される単一のコイルも、ソレノイド型のコイルとして総称する。

図１に戻り、電圧センサ７は、受電コイル６に含まれる複数のコイル６１〜６３に誘起される電圧をそれぞれ検出するセンサである。電圧センサ７は複数のコイル６１〜６３の各接続端子間に、それぞれ接続されている。切替回路８は、複数のコイル６１〜６３のそれぞれの接続を切り替える回路であって、受電コイル６と共振回路９との間に接続されている。切替回路８は、複数のコイル６１〜６３にそれぞれ接続されている。また、切替回路８は、複数のコイル６１〜６３を鎖交する各磁束に応じて、複数のコイル６１〜６３の極性をそれぞれ切り替える。コイル６１〜６３を鎖交する磁束は、送電コイル５から受電コイル６への送電の際に、送電コイル５で発生する磁束である。なお、複数のコイル６１〜６３の極性及び切替回路８の詳細な構成は後述する。

共振回路９は、受電コイル６と共に、受電側の交流電力を共振させるための回路である。共振回路９は、受電コイル６に対して直列又は並列に接続されたコンデンサを有している。共振回路９は、受電コイル６により受電される交流電圧又は交流電流の振幅、位相を調整することで、整流回路１０への出力電力を設定する回路でもある。共振回路９は切替回路８と整流回路１０との間に接続されている。

整流回路１０は、共振回路９から出力される交流電力を直流に整流する回路である。共振回路９及び整流回路１０は、受電コイル６で受電した電力を、切替回路８を介して負荷に出力する回路である。負荷１１は、整流回路１０から出力される電力によって充電されるバッテリである。なお、負荷１１はバッテリに限らず、例えばモータであってもよい。

ここで、送電側のコイルが１つのディスク型のコイルにより構成され、受電側のコイルが１つのソレノイド型のコイルにより構成された場合（比較例）に、受電側の電圧（受電電圧）について説明する。図４は、比較例に係る非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。比較例では、受電側のコイルが、１つのソレノイド型のコイルにより構成されている。その他の構成は、図１に示した構成と同じである。

受電コイルの中心点と送電コイル５の中心点がＺ軸上にあり、受電コイルが送電コイル５と正対したとする。このとき、ディスク型の送電コイル５から出力される磁束は、送電コイル５のコイル面の中心点から、受電コイルに向かいつつ、放射線状に拡がる。そして、受電コイルを鎖交する磁界により、受電コイルで受電される電圧は、図４のように示される。

受電コイルを３つに分割した上で、磁束と受電電圧との関係を説明する。受電コイルは、Ｘ軸方向への両端部分と、当該両端部分に挟まれる中央部分に分けたとする。ただし、受電コイルは一本のソレノイド型のコイルで構成されているため、３つに分けられた各部分の電圧分布は、実際には計測できないが、説明の便宜上、各部分に相当する電圧を図４では示している。

受電コイルのうち、Ｚ軸上に位置する部分では、受電コイルを鎖交する磁束は、コイル軸（Ｘ軸に平行）に対して直交している。そのため、受電コイルの中央部分において、受電磁束（鎖交磁束）はゼロとなり、受電電圧はゼロになる。

ソレノイド型の受電コイルのＸ軸方向への両端のうち、Ｘ軸の正方向に位置する端部では、磁束はＸ軸の正方向に向かう。一方、Ｘ軸の負方向に位置する端部では、磁束はＸ軸の負方向に向かう。すなわち、Ｘ軸方向への両端に位置するコイルにおいて、磁束の方向が逆向きになる。

また、コイルの極性を、磁束が入る方をプラスとして、磁束が出る方をマイナスとして表すと、Ｘ軸の正方向に位置する端部における極性と、Ｘ軸の負方向に位置する端部における極性が反対になる。そのため、Ｘ軸の正方向に位置する端部における受電電圧は＋Ｖとなる。Ｘ軸の負方向に位置する端部における受電電圧は−Ｖとなる。すなわち、受電コイル全体では、両端部分における受電電圧が打ち消し合うため、受電コイルにおける受電電圧はゼロとなる。

次に、比較例に係る非接触給電装置において、送電コイル５に対する受電コイルの位置と、受電コイルの受電電圧との関係について、図５を用いて説明する。図５は、送電コイル５の位置に対する受電コイルの位置ずれと、受電電圧との関係を示したグラフである。

Ｘ軸方向の座標について、送電コイル５の中心点を「０」とする。送電コイル５のｘ軸方向に沿う長さは「ｘ」であり、送電コイル５の両端の位置は、座標で表され、それぞれ「−ｘ/２」、「ｘ/２」とする。そして、受電コイルの中心点が、送電コイル５の中心点を通るｚ軸上にある場合に、位置ずれ（Ｘ）が「０」となる。また、受電コイルの中心点が送電コイル５の「−ｘ／２」の点を通るｚ軸上にある場合に、位置ずれ（Ｘ）が「−ｘ／２」となる。受電コイルの中心点が送電コイル５の「ｘ／２」の点を通るｚ軸上にある場合に、位置ずれ（Ｘ）が「ｘ／２」となる。なお、説明を容易にするために、Ｙ方向の位置ずれは無いものとする。

送電コイル５に対する受電コイルの位置ずれが「−ｘ/２」である場合に、受電電力は−Ｖ（最小）となる。そして、受電コイルの中心点が送電コイル５の中心点に近づくにつれて、受電電力が徐々に「０」に近づき、受電コイルが送電コイル５に正対した場合に、受電電力がゼロになる。そして、受電コイルの位置ずれが「０」から大きくなるほど、受電電力が増加し、位置ずれが「ｘ/２」である場合に、受電電力は＋Ｖ（最大）となる。

上記のように、比較例において、送電コイル５と受電コイルが正対する場合には、受電電力がゼロになり、受電コイルが受電電力を受け取れない状態になってしまう。そのため、本発明は、受電コイル６を複数のコイル６１〜６３で構成しつつ、各コイル６１〜６３を鎖交する磁束に応じて、各コイル６１〜６３の極性をそれぞれ切り替えている。

本発明の非接触給電装置において、複数コイル６１〜６３の極性を変えることで、受電電力が向上する原理を、図６及び図７を用いて説明する。図６は、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。図７は、送電コイル５の位置に対する受電コイル６の位置ずれと、複数のコイル６１〜６３の各受電電圧との関係を示したグラフである。なお、図６において、座標の表示方法、送電コイル５の大きさ等は図４と同様である。また、図７に示す位置ずれは、コイル６２の中心点（Ｘ方向の中心点）の位置ずれを表している。位置ずれを表す、Ｘ方向の座標の表記は、図５と同様である。図７において、グラフＡはコイル６１の受電電力を示し、グラフＢはコイル６２の受電電力を示し、グラフＣはコイル６３の受電電力を示す。

送電コイル５への通電により発生する磁束の向きは、比較例と同様である。コイル６１を鎖交する磁束はＸ軸の負方向に向かう。コイル６３を鎖交する磁束はＸ軸の正方向に向かう。また、コイル６２を鎖交する磁束は、コイル軸（Ｘ軸に平行）に対して直交している。そのため、コイルの極性を変更する前には、コイル６１、コイル６２、及びコイル６３の受電電圧は、−Ｖ、０、＋Ｖとなる。

そして、コイルの極性を変えることなく、コイル６１からコイル６３を直列に接続した場合には、受電コイル６の受電電力は、比較例と同様に、ゼロになってしまう。そのため、本発明は、コイル６１の極性を反転させて、コイル６１の受電電力を、−Ｖから＋Ｖに変更する。これにより、極性を変更した後には、コイル６１、コイル６２、及びコイル６３の受電電圧は、＋Ｖ、０、＋Ｖとなる。そして、極性反転後のコイル６１とコイル６３が直列に接続されれば、受電コイル６の受電電力が２Ｖとなる。

また、図７に示すように、コイル６１〜６３の各受電電圧は、送電コイル５に対する受電コイル６の位置ずれに応じて、異なる特性を示す。位置ずれ（Ｘ＝０）のときには、図６で示したとおり、コイル６１、６３の磁束の値は有限値であり（ゼロではない）、コイル６１とコイル６３との間で極性が反対になるため、コイル６１又はコイル６３のいずれか一方のコイルの極性が反転することで、受電コイル６の受電電圧が大きくなる。また、例えば、受電コイル６の位置が、送電コイル５と正対していた位置（Ｘ＝０に相当）から少しずれて、送電コイル５の位置に対する受電コイル６の位置ずれがｘ_ｐになった場合には、コイル６３の極性が、コイル６１、６２の極性と反対向きになっている。そのため、コイル６３の極性が反転することで、受電コイル６の受電電圧が大きくなる。

なお、極性の反転は、コイルに流れる電流の向きを反転させればよい。例えば、コイル６１及びコイル６３の巻線を巻く方向が同じ状態で、コイル６１、６３の両端の端子を、端子ａ、端子ｂとする。電流が、端子ａから端子ｂの向きで、コイル６１及びコイル６３にそれぞれ流れたときには、コイル６１に流れる電流の方向と、コイル６３に流れる電流の方向が同じ方向となる。このような状態で、コイル６３の極性を反転させるためには、コイル６３に流れる電流の方向が端子ｂから端子ａになるように、コイル６３の接続を変えればよい。なお、コイル６１〜６３の接続については、切替回路８の詳細な構成と合わせて、後述する。

次に、図８及び図９を用いて、受電コイル６の位置ずれに対する、コイル６１〜６３の極性とコイル６１〜６３の接続状態について説明する。図８は、図７に示した、位置ずれに対する受電電圧の特性のうち、位置ずれが０からｘ／２までの範囲内の特性を示した図である。図９は、コイル６１〜６３の極性と、コイル６１〜６３のコイル間の接続を説明するための概念図である。なお、図８に示された（１）〜（３）と図９に示された（１）〜（３）はそれぞれ対応している。例えば、受電コイル６の位置ずれが「０」の場合に、コイル６１〜６３の極性及びコイル間の接続は図９の（１）のような状態となる。なお、説明の便宜上、図７及び図８に示す電圧の単位を、１マス当たり５Ｖ（ボルト）とする。

受電コイル６が送電コイル５と正対した場合には、受電コイル６の位置ずれが「０」になる（図８の（１）の状態に相当）。このとき、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、１５Ｖ、０Ｖ、−１５Ｖである。コイル６２の受電電圧はゼロのため、コイル６２が他のコイル６１、６３に接続されてとしても、コイル６２は電力を受電できず、またコイル６１、６３から流れる電流がコイル６２を流れる分、コイル損失（銅損）が発生する。そのため、コイル６２は、他のコイル６１、６３と接続せずに、コイル６２の両端子が開放される。このように、本発明は、複数のコイル６１〜６３のうち、受電電力がゼロのコイル６１、６３を開放状態とすることで、コイル損失を抑制し、電力効率を向上させている。

また、コイル６３の受電電圧は−１５Ｖであり、コイル６３の極性がコイル６１の極性と逆向きになっているため、コイル６３の極性が変更される。そして、図９の（１）に示すように、コイル６１とコイル６３が直列に接続される。

受電コイル６の位置ずれが「ｘ／４」になった場合には（図８の（２）の状態に相当）、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、１０Ｖ、１０Ｖ、−１０Ｖである。コイル６３の極性が、コイル６１及びコイル６２の極性と逆向きになっているため、コイル６３の極性が変更される。そして、図９の（２）に示すように、コイル６１〜コイル６３が直列に接続される。

受電コイル６の位置ずれが「ｘ／２」になった場合には（図８の（３）の状態に相当）、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、０Ｖ、１５Ｖ、０Ｖである。コイル６１、６３の受電電力はゼロのため、コイル６１、６３の両端子はそれぞれ開放される。そして、図９の（３）に示すように、コイル６２が切替回路８を介して共振回路９に接続される。

次に、切替回路８の構成とコイル６１〜６３の接続を、図１０を用いて説明する。図１０は切替回路８の回路図であり、（ａ）はコイル６１の端子の接続を順方向した状態の回路図を示し、（ｂ）はコイル６１の端子の接続を逆方向した状態の回路図を示し、（ｃ）はコイル６１の端子の接続を開放した状態の回路図を示す。なお、図１０では、コイル６１と接続するための回路構成を示しているが、切替回路８は、コイル６１との接続部分の回路と同様に、コイル６２及びコイル６３と接続するための回路も有している。なお、コイル６２及びコイル６３と接続するための回路は、コイル６１との接続回路と同様なため、説明を省略する。

図１０に示すように、切替回路８は、スイッチ８１とスイッチ８２を有している。スイッチ８１はコイル６１の両端の端子のうち一方の端子に接続されており、スイッチ８２はコイル６１の他方の端子に接続されている。スイッチ８１、スイッチ８２はａ接点とｂ接点の間を切り替えるスイッチである。またスイッチ８１、８２は、ａ接点及びｂ接点に接続されてない開放状態も可能である。そして、二つのａ接点が、出力端子となる２端子（Ｃ_１、Ｃ_２）にそれぞれ接続されている。また二つのｂ接点が、出力端子（Ｃ_１、Ｃ_２）にそれぞれ接続されている。出力端子（Ｃ_１、Ｃ_２）は、コイル６２、６３と接続するための切替回路８又は共振回路９に接続されている。

コイル６１の極性を変更しない場合には、スイッチ８１、８２はａ接点に接続される。図１０に示すように、コイル６１の巻線方向に対して、一方のコイル端子を「＋」、他方のコイル端子を「−」とすると、スイッチ８１、８２がａ接点に接続された場合には、出力端子「Ｃ_１」は「＋」となり、出力端子「Ｃ_２」は「−」となる（図１０（ａ）を参照）。これにより、切替回路８は、コイル６１との接続を順方向の接続状態とし、コイル６１の極性を変更させないようにする。

コイル６１の極性を変更する場合には、スイッチ８１、８２はｂ接点に接続される。図１０（ｂ）に示すように、スイッチ８１、８２がｂ接点に接続された場合には、出力端子「Ｃ_１」は「−」となり、出力端子「Ｃ_２」は「＋」となる。これにより、切替回路８は、コイル６１との接続を逆方向の接続状態とし、コイル６１の極性を切り替える。

コイル６１の接続を開放状態とする場合には、スイッチ８１、８２はａ接点及びｂ接点に接続されない。図１０（ｃ）に示すように、スイッチ８１、８２がａ、ｂ接点に接続されない場合には、出力端子「Ｃ_１、Ｃ_２」はコイル６２、６３と接続されず、共振回路９とも接続されない。これにより、切替回路８は、コイル６１との接続を開放状態とする。

また、詳細な回路構成は図示していないが、切替回路８は、コイル６１との接続回路、コイル６２との接続回路、及び、コイル６３との接続回路を、選択的に直列接続できるような回路構成となっており、またこれらの接続回路及び直列接続された接続回路と、共振回路９とを接続できるような回路構成になっている。

次に、図１１を用いて、コントローラ１２の制御について説明する。図１１はコントローラ１２の制御フローを示すフローチャートである。なお、図１１に示すコイルＡ、Ｂ、Ｃは、コイル６１〜６３に相当する。

上記のように、コイル６１〜６３の極性は、コイル６１〜６３の受電電圧の「＋」、「−」と相関性をもっている。そのため、コントローラ１２は、コイル６１〜６３を１つずつ接続しつつ、各コイル６１〜６３にそれぞれ接続された電圧センサ７を用いて、コイル６１〜６３の受電電圧を検出する。そして、コントローラ１２は、電圧センサ７の検出電圧に基づいてコイル６１〜６３の極性を判定しつつ、その判定結果に応じて切替回路８を制御している。以下、制御手段の具体的な制御フローを説明する。

ステップＳ１にて、コントローラ１２は切替回路８を制御して、コイル６１を切替回路８に接続し、コイル６２、６３を開放状態とする。ステップＳ２にて、コントローラ１２は、コイル６１に接続されている電圧センサ７により、コイル６１の受電電圧（Ｖ_Ａ）を検出する。

ステップＳ３にて、コントローラ１２は切替回路８を制御して、コイル６２を切替回路８に接続し、コイル６１、６３を開放状態とする。ステップＳ４にて、コントローラ１２は、コイル６２に接続されている電圧センサ７を用いて、コイル６２の受電電圧（Ｖ_Ｂ）を検出する。

ステップＳ５にて、コントローラ１２は切替回路８を制御して、コイル６３を切替回路８に接続し、コイル６１、６２を開放状態とする。ステップＳ６にて、コントローラ１２は、コイル６３に接続されている電圧センサ７を用いて、コイル６３の受電電圧（Ｖ_Ｃ）を検出する。また、コイル６３の受電電圧（Ｖ_Ｃ）を検出後、コントローラ１２は切替回路８を制御してコイル６３を一旦、開放状態とする。

ステップＳ７にて、コントローラ１２は、コイル６１の検出電圧（Ｖ_Ａ）が正であるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ａ）が正である場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御して、コイル６１との接続を順方向の接続状態とする（ステップＳ８）。一方、検出電圧（Ｖ_Ａ）が正ではない場合には、ステップＳ９にて、コイル６１の検出電圧（Ｖ_Ａ）がゼロであるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ａ）がゼロである場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６１との接続の開放状態とする（ステップＳ１０）。検出電圧（Ｖ_Ａ）がゼロでない場合（検出電圧（Ｖ_Ａ）が負である場合）には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６１との接続を逆方向の接続状態とする（ステップＳ１１）。

ステップＳ１２にて、コントローラ１２は、コイル６２の検出電圧（Ｖ_Ｂ）が正であるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ｂ）が正である場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６２との接続を順方向の接続状態とする（ステップＳ１３）。一方、検出電圧（Ｖ_Ｂ）が正ではない場合には、ステップＳ１４にて、コイル６２の検出電圧（Ｖ_Ｂ）がゼロであるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ｂ）がゼロである場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６２との接続の開放状態とする（ステップＳ１５）。検出電圧（Ｖ_Ｂ）がゼロでない場合（検出電圧（Ｖ_Ｂ）が負である場合）には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６２との接続を逆方向の接続状態とする（ステップＳ１６）。

ステップＳ１７にて、コントローラ１２は、コイル６３の検出電圧（Ｖ_Ｃ）が正であるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ｃ）が正である場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６３との接続を順方向の接続状態とする（ステップＳ１８）。一方、検出電圧（Ｖ_Ｃ）が正ではない場合には、ステップＳ１９にて、コイル６３の検出電圧（Ｖ_Ｃ）がゼロであるか否かを判定する。検出電圧（Ｖ_Ｃ）がゼロである場合には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６３との接続の開放状態とする（ステップＳ２０）。検出電圧（Ｖ_Ｃ）がゼロでない場合（検出電圧（Ｖ_Ｃ）が負である場合）には、コントローラ１２は、切替回路８を制御してコイル６３との接続を逆方向の接続状態とする（ステップＳ２１）。

ステップＳ２２にて、コントローラ１２は、切替回路８を制御して、複数のコイル６１〜６３のうち、順方向又は逆方向に接続されたコイル６１〜６３同士を直列に接続する。そして、図１１に示した制御フローが終了する。

上記制御フローの終了後、コントローラ１２は、負荷１１であるバッテリの状態を管理しつつ、受電コイル６で受電した電力により、バッテリを充電する。

次に、本発明の非接触給電装置において、受電コイル６の位置ずれに対する受電電圧の特性を、比較例と比較しつつ説明する。図１２は、受電コイル６の位置ずれに対する受電電圧の特性を示すグラフである。グラフａは本発明の特性を示し、グラフｂは比較例の特性を示す。なお比較例の構成は、上記と同様である。

図１２に示すように、比較例では、受電コイルが送電コイル５と正対した場合に、受電コイルの両端部分を鎖交する互いに逆向きの磁束によって、当該両端部分における受電電圧が打ち消し合い、受電コイルの受電電圧はゼロとなる。そのため、受電コイルは電力を受け取れない。

一方、本発明では、受電コイルが送電コイル５と正対した場合に、受電コイル６の一端に相当するコイル６３の極性が変更されているため、受電電圧が打ち消されることはなく、磁束が加算され、受電電圧が高くなる。そのため、受電コイル６は電力を最大限受電できる。

上記のように、本発明は、互いのコイル軸を共有にした複数のコイル６１〜６３を有する受電コイル６と、複数のコイル６１〜６３との接続を切り替える切替回路を備え、切替回路８により、複数のコイル６１〜６３を鎖交する各磁束に応じて複数のコイル６１〜６３の極性を切り替える。これにより、受電コイルを鎖交する磁束に対して、受電コイル６の受電電圧が加算されるため、受電電圧を向上させることができる。その結果として、受電電力を高めることができる。

また本発明は、電圧センサ７の検出電圧が正である場合には、コイル６１〜６３との接続を順方向とし、検出電圧が負である場合には、コイル６１〜６３との接続を逆方向とし、検出電圧がゼロの場合には、コイル６１〜６３との接続を開放状態とする。これにより、コイル６１〜６３の極性を変えつつ、受電電圧を加算できるため、受電電力を向上させることができる。また、誘起電圧が零のコイル６１〜６３は開放させることにより、コイル電流が流れないため、コイル損失を抑えることができ、電力効率が向上する。

また本発明は、順方向で接続されたコイル６１〜６３と、逆方向で接続されたコイル６１〜６３とを直列に接続する。これにより、受電電圧を加算できるため、負荷１１に供給する電圧を高めることができる。その結果として、負荷１１への出力電力を高めることができる。

なお、上記の説明における電圧分布について（特に、図４、６に示す電圧の分布）、受電コイル６を通過する磁束は交流のため、実際には、受電電圧の＋（正）、０、−（負）は時間と共に変化するが、受電分布は、同時刻（同タイミング）で検出されたときの電圧の分布を示している。電圧の検出タイミングを同時にするには、例えば、インバータ３の出力電圧（矩形波）の立ち上がり時にトリガーをかけて、このトリガーのタイミングで、センサが電圧を検出すればよい。

また、本発明及び比較例において、受電側のコイルを鎖交する磁束は、そのコイルの誘起電圧とほぼ等しいため（Ｖ＝Ｌ×ｄφ／ｄｔの式を参照）、受電コイルを鎖交する磁束と受電電力とを等価的に扱っている。

また、切替回路８の回路は、図９に示した回路に限らず他の回路でもよい。

なお、本発明は、電圧センサ７の検出電圧に基づいてコイル６１〜６３の極性を判定したが、送電コイル５に対する電圧センサ７の位置に応じてコイル６１〜６３の極性を判定してもよい。図７に示したように、コイル６１〜６３の受電電圧は受電コイル６の位置ずれと相関性をもっている。そして、コイル６１〜６３の受電電圧の正、負は、コイル６１〜６３の極性と等価関係にある。そのため、受電コイル６の位置ずれが確認できれば、コイル６１〜６３の極性も判定できる。なお、受電コイル６の位置ずれは、地上側又は車両側に設けられた位置センサ、カメラ等により検出すればよい。

また受電コイル６を構成するコイル６１〜６３の個数は３つに限らず、２つでも、４つ以上であってもよい。受電コイル６を構成するコイル数が多いほど、磁束分布を細かく判定することができるため、受電電圧を向上させることができる。

上記の電圧センサ７が本発明の「電圧検出手段」に相当し、切替回路８が本発明の「切替手段」に相当し、コントローラ１２が本発明の「制御手段」に相当し、共振回路９及び整流回路１０が本発明の「出力手段」に相当する。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置を説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、検出電圧に応じた複数のコイル６１〜６３の接続状態が異なる。これ以外の構成は、上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

コントローラ１２は、複数のコイル６１〜６３にそれぞれ接続された電圧センサ７の検出電圧を取得し、各検出電圧の絶対値を比較する。そして、コントローラ１２は、検出電圧の絶対値の比較結果に応じて、切替回路８を制御する。コントローラ１２は、検出電圧の絶対値が等しい複数のコイル６１〜６３を並列に接続する。コントローラ１２は、検出電圧の絶対値が異なる複数のコイル６１〜６３を直列に接続する。またコントローラ１２は、検出電圧がゼロであるコイル６１〜６３を、開放状態にする。

図１３及び図１４を用いて、受電コイル６の位置ずれに対する、コイル６１〜６３の極性とコイル６１〜６３の接続状態について説明する。図１３は、図７に示した、位置ずれに対する受電電圧の特性のうち、位置ずれが０からｘ／２までの範囲内の特性を示した図である。図１４は、コイル６１〜６３の極性と、コイル６１〜６３のコイル間の接続を説明するための概念図である。なお、図１３に示された（１）〜（３）と図１４に示された（１）〜（３）はそれぞれ対応している。例えば、受電コイル６の位置ずれが「０」の場合に、コイル６１〜６３の極性及びコイル間の接続は、図１３の（１）のような状態となる。なお、説明の便宜上、図１３に示す電圧の単位を、１マス当たり５Ｖ（ボルト）とする。

受電コイル６が送電コイル５と正対した場合には、受電コイル６の位置ずれが「０」になる（図１３の（１）の状態に相当）。このとき、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、１５Ｖ、０Ｖ、−１５Ｖである。コイル６２の受電電圧はゼロのため、コイル６２の両端子は開放される。

また、コイル６３の受電電圧は−１５Ｖであり、コイル６３の極性がコイル６１の極性と逆向きになっているため、コイル６３の極性が変更される。また、コイル６１とコイル６３の受電電圧の絶対値が等しいため、図１４の（１）に示すように、コイル６１とコイル６３が並列に接続される。

受電コイル６の位置ずれが「ｘ／４」になった場合には（図１３の（２）の状態に相当）、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、１０Ｖ、１０Ｖ、−１０Ｖである。コイル６３の極性が、コイル６１及びコイル６２の極性と逆向きになっているため、コイル６３の極性が変更される。また、コイル６１〜６３の各受電電圧の絶対値が等しいため、図１４の（２）に示すように、コイル６１〜コイル６３が並列に接続される。

受電コイル６の位置ずれが「３ｘ／８」になった場合には（図１３の（３）の状態に相当）、コイル６１〜６３の受電電圧（Ａ、Ｂ、Ｃ）は、５Ｖ、約１４Ｖ、−５Ｖである。コイル６３の極性が、コイル６１及びコイル６２の極性と逆向きになっているため、コイル６３の極性が変更される。コイル６２の受電電圧の絶対値はコイル６１、６３の受電電圧の絶対値と異なり、コイル６１、６３の受電電圧の絶対値は等しい。そのため、図１４の（３）に示すように、コイル６１とコイル６３が並列に接続され、コイル６１、６３の並列回路とコイル６２が直列に接続される。

磁束（Φ）はコイルのインダクタンス（Ｌ）とコイル（Ｉ）を流れる電流との乗算した値であるため（Φ＝Ｌ×Ｉ）、コイルに蓄積されるエネルギ（Ｅ）は、Ｅ＝１／２・Ｌ・Ｉ^２となる。この式より、コイルに蓄積されるエネルギ（Ｅ）を大きくするには、コイルに流れる電流（Ｉ）は大きい方がよい。そのため、本発明は、受電電圧の絶対値が等しいコイルを並列に接続することで、並列接続されたコイルに流れる電流を大きくしている。そして、共振回路９に含まれるコンデンサ等の回路パラメータを調整し、受電コイル６と負荷１１との間で、インピーダンスマッチングを図ることで、受電コイル６に蓄積された大きなエネルギが低損失で負荷１１に供給されるため、負荷１１で取り出される電力が高くなる。

次に、コントローラ１２の制御について説明する。電圧センサ７を用いて複数のコイル６１〜６３の各受電電圧を検出する制御、検出電圧に基づいてコイル６１〜６３の極性を判定する制御は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。また、コイル６１〜６３の検出電圧の判定結果に応じて、コイル６１〜６３の端子の接続を、順方向、逆方向、又は開放に切り替える制御も、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

コイル６１〜６３の検出電圧に応じた、コイル６１〜６３の端子の接続形態を確定させた後、コントローラ１２は、コイル６１〜６３の各検出電圧の絶対値を算出しつつ、それぞれの絶対値を比較する。そして、複数のコイル６１〜６３のうち、検出電圧の絶対値が同じコイルを特定する。コントローラ１２は、切替回路８を制御して検出電圧の絶対値が同じコイル６１〜６３同士を並列に接続する。また、コントローラ１２、切替回路８を制御して、検出電圧の絶対値が異なるもの同士を直列に接続する。なお、コントローラ１２、切替回路８を制御して、検出電圧の絶対値がゼロであるコイルの端子は開放させる。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係る非接触給電装置を説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、送電コイル５をソレノイド型のコイルで構成した点が異なる。これ以外の構成は、これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１又は第２実施形態の記載を適宜、援用する。

送電コイル５は、ソレノイド型のコイルである。送電コイル５のコイル軸が車両の進行方向と平行になるように、送電コイル５は地上側に配置されている。送電コイル５のコイル軸に沿う方向の長さは、受電コイル６のコイル軸に沿う方向の長さと同じである。送電コイル５は、受電コイル６のように、複数のコイルに分割されておらず、１つのコイルで構成されている。

次に、送電側のコイルが１つのソレノイド型のコイルにより構成され、受電側のコイルが１つのソレノイド型のコイルにより構成された場合（比較例）に、受電側の電圧（受電電圧）について説明する。図１５は、比較例に係る非接触給電装置において、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。ただし、図１５に示すように、送電コイル５の位置に対して、受電コイルの位置がＸ軸の正方向にｘ／２分、ずれているとする。比較例では、受電側のコイルが、１つのソレノイド型のコイルにより構成されている。その他の構成は本発明と同じである。なお、受電コイル及び送電コイル５のＸ方向の長さはｘとする。

送電コイル５への通電により発生した磁束は、Ｘ＝０の位置にある受電コイルの端部から、コイル内に入り、Ｘ軸の正方向に向かって通る。そして、磁束は、Ｘ＝ｘ／２の位置にある受電コイルの中央部分から出て、送電コイル５に戻る。また、送電コイル５への通電により発生した磁束は、Ｘ＝ｘの位置にある受電コイルの端部から、コイル内に入り、Ｘ軸の負方向に向かって通る。そして、磁束は、Ｘ＝ｘ／２の位置にある受電コイルの中央部分から出て、送電コイル５に戻る。

受電コイルを３つに分割した上で、磁束と受電電圧との関係を説明する。受電コイルを鎖交する磁束は、Ｘ＝ｘ／２の位置でＺ軸上では、コイル軸に対して直交する。そのため、受電コイルの中央部分では、磁束（鎖交磁束）はゼロとなり、受電電圧はゼロになる。

受電コイルの両端部分では、磁束がＸ軸の正方向と負方向で逆向きになる。そのため、受電コイルの両端部分における受電電圧は、−Ｖと＋Ｖとなる。そして、受電コイル全体では、両端部分における受電電圧が打ち消し合うため、受電コイルにおける受電電圧はゼロとなる。すなわち、受電コイルの位置ずれがｘ／２のときに、比較例に係る非接触給電装置は、受電電力を２次側で受け取ることができない。また、受電コイルが送電コイル５に正対したときの位置ずれ（Ｘ＝０）から、受電コイルの位置ずれが大きくなるほど、受電電圧が徐々に減少し、受電コイルの位置ずれが「ｘ／２の」ときに、受電電圧がゼロになる。

一方、本発明は、受電コイル６を複数のコイル６１〜６３により構成しつつ、複数のコイル６１〜６３を鎖交する各磁束に応じてコイル６１〜６３の極性を切り替えている。以下、図１６及び図１７を用いて、送電コイル５がソレノイド型のコイルで構成した場合でも、本発明が受電電力を向上できる原理について説明する。

図１６は、コイル間の磁束分布（φ）と、受電電圧を説明するための概念図である。図１７は、送電コイル５の位置に対する受電コイル６の位置ずれと、受電コイル６の受電電圧との関係を示したグラフである。なお、図１６において、座標の表示方法、送電コイル５の大きさ等は図１５と同様である。図１７のグラフａは本発明の特性を示し、グラフｂは比較例の特性を示す。

送電コイル５への通電により発生する磁束の向きは、比較例と同様である。そのため、コイルの極性を変更する前には、コイル６１、コイル６２、及びコイル６３の受電電圧は、−Ｖ、０、＋Ｖとなる。

本発明では、コイル６１の極性に対してコイル６３の極性が逆向きになっているため、コイル６３の極性を反転させて、コイル６１の受電電力を、−Ｖから＋Ｖに変更する。これにより、極性を変更した後には、コイル６１、コイル６２、及びコイル６３の受電電圧は、＋Ｖ、０、＋Ｖとなる。そして、極性反転後のコイル６１とコイル６３が直列に接続されれば、受電コイル６の受電電力が２Ｖとなる。

また、図１７に示すように、受電コイルの位置ずれが「ｘ／２」である場合に、比較例では受電コイルの電圧（受電電圧）がゼロであったが、本発明では受電電圧がゼロよりも大きくなっている。また、比較例では、受電コイルの位置ずれが、Ｘ＝０から大きくなるほど、受電電圧が徐々に減少している。一方、本発明では、受電コイルの位置ずれがＸ＝０より大きくなっても、受電電圧は、位置ずれ（Ｘ＝０）のときの受電電圧より大きくなる。

上記のように、本発明は、送電コイル５をソレノイド型のコイルで構成したとしても、第１実施形態と同様に、受電電圧を向上させることができる。

なお、他の比較例に係る非接触給電装置として、送電コイルを複数のコイルで構成する場合も考えられる。しかしながら、以下に説明するように、送電コイルのみを複数のコイルで構成したとしても、本発明のように受電電圧の向上を得ることはできない。

他の比較例では、送電側のコイルが３つコイル（ディスク型）で構成され、受電側のコイルが１つのディスク型のコイルで構成されたとする。１つのコイル形状は、送電側と受電側で同一とする。送電側の複数のコイルは、Ｘ軸に沿って隣接して並べられており、送電側の１つのコイルのＸ方向の長さと受電側のコイルのＸ方向の長さは同じ（ｘ／２）とする。Ｙ方向のコイルの長さも、送電側と受電側とで同じとする。そして、他の比較例では、Ｚ軸方向からみたときに、受電側のコイルと重なる送電側のコイルのみが通電される。なお、送電側及び受電側のコイルの巻線方向等、コイルの特性は同じとする。

図１８に、受電コイル６の位置ずれに対する受電電圧の特性を示す。図１８において、グラフａが本発明の特性を示し、グラフｂが他の比較例の特性を示す。グラフｂに示すように、他の比較例では、受電側のコイルが送電側の１つのコイルと正対しているときが、受電電力が最も大きくなる。すなわち、他の比較例において、受電側のコイルは、送電側の１つのコイルに相当する、ｘ／２分の長さのコイルで発生した磁束しか受け取ることができないため、受電電圧が低くなってしまう。一方、本発明は、受電コイル６がＸ＝ｘ分の長さのコイルで発生した磁束を受け取ったとしても、受電電圧を打ち消さないように、コイル６１〜６３の極性を切り替えているため、受電電圧が加算され、受電電圧を向上させることができる（グラフａを参照）。

１…交流電源
２…整流回路
３…インバータ
４…共振回路
５…送電コイル
６…受電コイル
６１〜６３…コイル
７…電圧センサ
８…切替回路
９…共振回路
１０…整流回路
１１…負荷

Claims (5)

1. 送電コイルから非接触で送電される電力を受電する複数の受電コイルと、
   前記複数の受電コイルとの接続を切り替える切替手段と、
   前記複数の受電コイルに接続され、前記複数の受電コイルに誘起される電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、
   前記受電コイルにより受電した電力を、前記切替手段を介して負荷に出力する出力手段と、
   前記切替手段を制御する制御手段を備え、
   前記切替手段は、
   前記複数の受電コイルに接続され、
   前記受電コイルの端子の接続を順方向にする順方向接続、前記端子の接続を逆方向にする逆方向接続、及び、前記端子を開放する開放状態に切り替え、
   前記複数の受電コイルの極性を切り換える回路であり、
   前記制御手段は、
   前記電圧検出手段により検出される検出電圧がゼロの場合には、前記受電コイルとの接続を前記開放状態とする
   ことを特徴とする非接触給電装置。
2. 請求項１記載の非接触給電装置において、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出される検出電圧に基づいて前記極性を判定し、判定結果に応じて前記切替手段を制御する
   ことを特徴とする非接触給電装置。
3. 請求項２記載の非接触給電装置において、
   前記制御手段は、
   前記検出電圧が正である場合には、前記受電コイルとの接続を前記順方向接続とし、
   前記検出電圧が負である場合には、前記受電コイルとの接続を前記逆方向接続とする
   ことを特徴とする非接触給電装置。
4. 請求項３に記載の非接触給電装置において、
   前記切替手段は、
   前記複数の受電コイルのうち、前記検出電圧の絶対値が等しい前記複数の受電コイルを並列に接続し、
   前記複数の受電コイルのうち、前記検出電圧の絶対値が異なる前記複数の受電コイルを直列に接続する
   ことを特徴とする非接触給電装置。
5. 請求項３に記載の非接触給電装置において、
   前記切替手段は、
   前記順方向接続で接続する前記受電コイルと前記逆方向接続で接続する前記受電コイルを直列に接続する
   ことを特徴とする非接触給電装置。

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