JP6551974B2 - 整合装置および移動体給電システム - Google Patents

Description

本発明は、給電線路に沿って移動する負荷に電力を供給する際にインピーダンス整合をとるための整合装置およびそれを備えた移動体給電システムに関する。

移動体への無線電力伝送方式として、磁気共鳴方式または電界結合方式を用いることが主流となっている。磁気共鳴方式を用いた無線電力伝送では、平行２線からなる給電線路が路面下に埋設され、給電線路に沿って移動する移動体に設けられた受電コイルにより受電が行われる。電界結合方式を用いた無線電力伝送としては、タイヤ集電方式が提案されている（特許文献１および非特許文献１）。タイヤ集電方式では、路面下に２枚の鉄板（路面電極）からなる給電線路が埋設され、タイヤと給電線路との間の電界結合により移動体に電力が伝送される。

特開２０１２−１７５８６９号公報 大平孝、"電化道路電気自動車"、自動車技術、特集：進化する道路関連技術、ｖｏｌ．６７、ｎｏ．１０、ｐｐ．４７−５０、Ｏｃｔ．２０１３ 鈴木良輝、崎原孫周、坂井尚貴、大平孝、遠藤哲夫、藤岡友美、"右手左手複合系電化フロア上のバッテリーレス電動カート走行実験―定在波電圧節の解消による走行中連続給電の実現―"、信学技報ＷＰＴ２０１４−１００、ｖｏｌ．１１４、ｎｏ．５２４、ｐｐ．３７−４０、Ｍａｒ．２０１５

移動体への無線電力伝送では、移動体の位置に応じて電源側から見た入力インピーダンスが変化する。したがって、移動体の負荷への電力伝送効率を向上させるためには、負荷の各位置においてインピーダンス整合をとる必要がある。ここで、給電線路の長さが伝送周波数での１／４波長を超えると、定在波が生じる。定在波節の位置に負荷が近づくほど、入力インピーダンスの実部は０または無限大に近づくため、電力伝送効率が低下する。

定在波節による電力伝送効率の低下の問題を解決するために、左手系回路を給電線路内に装荷することにより定在波節を抑制する技術が提案されている（非特許文献２）。この技術によれば、給電線路に左手系回路を１／４波長以下の間隔で周期的に挿入する必要がある。そのため、給電線路が長距離になると左手系回路の設置コストが増加する。

本発明の目的は、コストの増加を抑制しつつ給電線路に沿って移動する負荷に高い電力伝送効率で電力を供給することを可能にする整合装置およびそれを備えた移動体給電システムを提供することである。

本発明者は、種々の検討およびシミュレーションを繰り返した結果、給電線路の終端に可変リアクタを接続し、給電線路上の負荷の位置に応じて可変リアクタのリアクタンス値を変化させることにより給電線路に発生する定在波を変化させることが可能であることを見出し、以下の発明に想到した。

（１）第１の発明に係る整合装置は、給電線路の一端に接続された電源装置から、給電線路に沿って移動する移動体の負荷に電力を供給する際に、インピーダンス整合をとるための整合装置であって、給電線路の一端に接続された第１の可変リアクタと、給電線路の他端に接続された第２の可変リアクタと、給電線路上の移動体の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段により検出された位置に基づいて第１および第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御することにより給電線路に発生する定在波を変化させて電源装置と移動体の負荷とのインピーダンス整合をとる制御手段とを備える。

その整合装置においては、電源装置から見た給電線路の始端に第１の可変リアクタが接続され、電源装置から見た給電線路の終端に第２の可変リアクタが接続される。給電線路の終端に接続される第２の可変リアクタのリアクタンス値を変化させることにより給電線路に発生する定在波を変化させることができる。そのため、給電線路に沿って移動する負荷に追従して第２の可変リアクタのリアクタンス値を動的に変化させることにより、定在波節が負荷の位置に発生せずに定在波腹が負荷の位置に発生するように定在波を変化させることが可能である。

上記の構成によれば、位置検出手段により検出された位置に基づいて第１および第２の可変リアクタのリアクタンス値が制御されることにより給電線路に発生する定在波が変化され、電源装置と移動する負荷とのインピーダンス整合がとられる。また、給電線路の全長が長い場合でも、複数の整合回路を追加することなく第１および第２の可変リアクタによりインピーダンス整合をとることが可能である。そのため、整合装置のコストが増加しない。

したがって、コストの増加を抑制しつつ給電線路に沿って移動する負荷に高い電力伝送効率で電力を供給することが可能となる。

（２）給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上または当該円周の外側の領域に負荷のインピーダンスが存在するように、負荷のインピーダンスと特性インピーダンスとの関係が設定されてもよい。

この場合、負荷が給電線路上のどの位置にあっても、または負荷が特殊解に対応する特定の位置にある場合を除いて、電源装置と負荷とのインピーダンス整合を正確にとることができる。

（３）給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上に負荷のインピーダンスが存在するように、負荷のインピーダンスと特性インピーダンスとの関係が設定されてもよい。

この場合、負荷が給電線路上のどの位置にあっても、電源装置と負荷とのインピーダンス整合を正確にとることができる。

（４）給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、第１の可変リアクタは電源装置の一方の端子と第１の線路の一端との間および電源装置の他方の端子と第２の線路の一端との間にそれぞれ接続され、第２の可変リアクタは第１の線路の他端と第２の線路の他端との間に接続され、制御手段は、給電線路の一端から見た入力インピーダンスの実部の値が給電線路の特性インピーダンスに等しくなるように第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御し、入力インピーダンスの虚部の値が相殺されるように第１の可変リアクタのリアクタンス値を制御してもよい。

この構成によれば、一対の第１の可変リアクタが電源装置に直列に接続される。この場合、第１および第２の可変リアクタを用いて電源装置と負荷とのインピーダンス整合がとられるので、第１および第２の可変リアクタの各々によるリアクタンス値の調整の自由度が高い。

（５）給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、電源装置の一方の端子は第１の線路の一端に接続され、電源装置の他方の端子は第２の線路の一端に接続され、第１の可変リアクタは第１の線路の一端と第２の線路の一端との間に接続され、第２の可変リアクタは第１の線路の他端と第２の線路の他端との間に接続され、制御手段は、給電線路の一端から見た入力アドミタンスの実部の値が給電線路の特性アドミタンスに等しくなるように第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御し、給電線路の一端から見た入力インピーダンスの虚部の値が相殺されるように第１の可変リアクタのリアクタンス値を制御してもよい。

この構成によれば、第１の可変リアクタが電源装置に並列に接続される。この場合、第１および第２の可変リアクタを用いて電源装置と負荷とのインピーダンス整合がとられるので、第１および第２の可変リアクタの各々によるリアクタンス値の調整の自由度が高い。

（６）第２の発明に係る整合装置は、給電線路の一端に接続された電源装置から、給電線路に沿って移動する移動体の負荷に電力を供給する際に、インピーダンス整合をとるための整合装置であって、給電線路の他端に接続された可変リアクタと、給電線路上の移動体の位置を検出する位置検出手段と、位置検出手段により検出された位置に基づいて可変リアクタのリアクタンス値を制御することにより給電線路に発生する定在波を変化させて電源装置と移動体の負荷とのインピーダンス整合をとる制御手段とを備える。

その整合装置においては、電源装置から見た給電線路の終端に可変リアクタが接続される。可変リアクタのリアクタンス値を変化させることにより給電線路に発生する定在波を変化させることができる。そのため、給電線路に沿って移動する負荷に追従して可変リアクタのリアクタンス値を動的に変化させることにより、定在波節が負荷の位置に発生せずに定在波腹が負荷の位置に発生するように定在波を変化させることが可能である。

上記の構成によれば、位置検出手段により検出された位置に基づいて可変リアクタのリアクタンス値が制御されることにより給電線路に発生する定在波が変化され、電源装置と移動する負荷とのインピーダンス整合がとられる。また、給電線路の全長が長い場合でも、複数の整合回路を追加することなく可変リアクタによりインピーダンス整合をとることが可能である。そのため、整合装置のコストが増加しない。

したがって、コストの増加を抑制しつつ給電線路に沿って移動する負荷に高い電力伝送効率で電力を供給することが可能となる。

（７）給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上に負荷のインピーダンスが存在するように、負荷のインピーダンスと特性インピーダンスとの関係が設定されてもよい。

この場合、給電線路上のどの位置にあっても、電源装置と負荷とのインピーダンス整合を正確にとることができる。

（８）給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、電源装置の一方の端子は第１の線路の一端に接続され、電源装置の他方の端子は第２の線路の一端に接続され、可変リアクタは第１の線路の他端と第２の線路の他端との間に接続され、制御手段は、給電線路における負荷の位置から給電線路の他端を見た入力インピーダンスと負荷のインピーダンスとの合成インピーダンスの実部の値が給電線路の特性インピーダンスと等しくかつ合成インピーダンスの虚部の値が０となるように可変リアクタのリアクタンス値を制御してもよい。

この場合、給電線路上のどの位置にあっても、電源装置と負荷とのインピーダンス整合を正確にとることができる。

（９）第３の発明に係る移動体給電システムは、給電線路と、給電線路に沿って移動可能な移動体と、給電線路の一端に接続され、給電線路を通して移動体の負荷に電力を供給する電源装置と、第１または第２の発明に係る整合装置とを備える。

この移動体給電システムにおいては、第１または第２の発明に係る整合装置が用いられるので、コストの増加を抑制しつつ給電線路に沿って移動する負荷に高い電力伝送効率で電力を供給することが可能となる。

本発明によれば、コストの増加を抑制しつつ給電線路に沿って移動する負荷に高い電力伝送効率で電力を供給することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。 図１の移動体給電システムの等価回路図である。 給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとした場合のスミスチャートである。 可変リアクタによるインピーダンス整合が可能な負荷インピーダンスの範囲を示すスミスチャートである。 負荷が給電線路上のどの位置に存在する場合でもインピーダンス整合が可能となる負荷インピーダンスの範囲を示すスミスチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。 図６の移動体給電システムの等価回路図である。 給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとした場合のスミスチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。 図９の移動体給電システムの等価回路図である。 位置検出部における距離の算出方法の一例を示す図である。 シミュレーションに用いた２ポート回路網を示す図である。 負荷の各位置でのＳパラメータの算出結果を示す図である。 負荷の各位置における終端リアクタンスの値を示す図である。

以下、本発明に係る整合装置および移動体給電システム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。

（１）第１の実施の形態
（ａ）移動体給電システムの構成
図１は本発明の第１の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。図１の移動体給電システム１００は、電源装置１、一対の給電線路２ａ，２ｂ、移動体３、一対の可変リアクタ４ａ，４ｂ、可変リアクタ５、および制御部６を備える。移動体３は、受電装置７および位置検出部８を含む。

一対の給電線路２ａ，２ｂは、帯状の導体からなり、路面上または路面内に平行に配置される。給電線路２ａ，２ｂの各々は、特性インピーダンスｚ_０を有する。移動体３は、例えば自動車等の車両であり、給電線路２ａ，２ｂ上を矢印Ｘの方向に移動可能に構成される。移動体３の受電装置７は、例えば整流回路およびバッテリにより構成される。受電装置７の一対の電源端子は、タイヤ９ａ，９ｂを介して給電線路２ａ，２ｂに電界結合される。なお、移動体３の受電装置７の一対の電源端子が給電線路２ａ，２ｂに磁界結合されてもよい。あるいは、受電装置７の一対の電源端子に接続される一対の接点が物理的に給電線路２ａ，２ｂに接触してもよい。受電装置７は、負荷インピーダンスｚ_Ｌを有する。

電源装置１は交流電力を供給する交流電源である。電源装置１は、内部インピーダンスｚ_ｓを有する。電源装置１に直列に一対の可変リアクタ４ａ，４ｂが接続される。具体的には、電源装置１の一方の電源端子と給電線路２ａの一端（以下、始端と呼ぶ。）との間に可変リアクタ４ａが接続される。また、電源装置１の他方の電源端子と給電線路２ｂの一端（以下、始端と呼ぶ。）との間に可変リアクタ４ｂが接続される。一方の給電線路２ａの他端（以下、終端と呼ぶ。）と他方の給電線路２ｂの他端（以下、終端と呼ぶ。）との間に可変リアクタ５が接続される。

位置検出部８は、給電線路２ａ，２ｂ上での移動体３の位置を検出する。具体的には、位置検出部８は、給電線路２ａ，２ｂの始端から移動体３までの距離を移動体３の位置として検出する。位置検出部８は、移動体３の外部に設けられてもよい。位置検出部８の構成は特に限定されず、給電線路２ａ，２ｂの始端から移動体３までの距離を検出することが可能な種々の構成を用いることができる。例えば、位置検出部８は、移動体３が給電線路２ａ，２ｂの始端に位置するときからのタイヤ９ａ，９ｂの回転数をカウントし、カウント値およびタイヤ９ａ，９ｂの直径に基づいて移動体３が移動した距離を算出してもよい。また、位置検出部８がＧＰＳ（全地球測位システム）を用いて移動体３から給電線路２ａ，２ｂの始端までの距離を検出してもよく、光学センサ等の種々のセンサを用いて移動体３から給電線路２ａ，２ｂの始端までの距離を検出してもよい。さらに、後述する図１１の方法を用いて給電線路２ａ，２ｂの始端から移動体３までの距離を算出することができる。

制御部６は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）および記憶装置等からなり、位置検出部８により検出された移動体３の位置に基づいて可変リアクタ４ａ，４ｂ，５のリアクタンス値を調整する。この場合、制御部６は、可変リアクタ４ａ，４ｂ，５のリアクタンス値を動的に制御することにより、給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に定在波節が生じないように定在波を変化させる。本実施の形態では、制御部６は、定在波腹が給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に追従するように定在波を変化させる。

図１の移動体給電システム１００において、可変リアクタ４，４ｂ，５、制御部６および位置検出部８が整合回路を構成する。

図２は図１の移動体給電システム１００の等価回路図である。図２の等価回路では、給電線路２の始端と電源装置１の一方の電源端子との間に可変リアクタ４が接続される。給電線路２の全体の長をＬとし、給電線路２上の移動体３（図１）の位置をＰａとする。給電線路２上の移動体３（図１）の位置Ｐａを給電線路２の始端から移動体３までの距離ａで表す。給電線路２の位置Ｐａと電源装置１の他方の電源端子との間に負荷８０が接続される。本実施の形態では、負荷８０は図１の受電装置７である。

（ｂ）可変リアクタ４ａ，４ｂ，５の制御
理論解析の簡単化のために、給電線路２を無損失とする。位相定数をβ［ｒａｄ／ｍ］で表す。可変リアクタ４のインピーダンスをｊｘ_ｓ［Ω］とし、給電線路２の特性インピーダンスをｚ_０［Ω］とし、負荷８０のインピーダンス（以下、負荷インピーダンスと呼ぶ。）をｚ_Ｌ＝ｒ_Ｌ＋ｊｘ_Ｌ［Ω］とし、可変リアクタ５のインピーダンスをｊｘ_ｔ［Ω］とする。可変リアクタ４のリアクタンスｘ_ｓを始端リアクタンスｘ_ｓと呼び、可変リアクタ５のリアクタンスｘ_ｔを終端リアクタンスｘ_ｔと呼ぶ。

また、電源装置１の内部インピーダンスをｚ_ｓ（＝ｚ_０）とする。さらに、給電線路２の始端から見た入力インピーダンスをＺ_ｉｎとし、給電線路２の位置Ｐａから見た入力インピーダンスをＺ_ｉｎ１とする。

図３は給電線路２の特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャートである。ここで、給電線路２の特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとしたとき、可変リアクタ４によりインピーダンス整合をとるための入力インピーダンスＺ_ｉｎの範囲は、図３に太い実線で示すようにｚ_０と∞（無限大点）とを結ぶ線分を直径とする円の円周Ｃ１上であることが必要である。この条件は次式で表される。

上式（１）に示すように、入力インピーダンスＺ_ｉｎの実部（Ｒｅ｛Ｚ_ｉｎ｝）が特性インピーダンスｚ_０と等しいことが必要である。上式（１）の条件を満足する終端リアクタンスｘ_ｔが存在すれば、インピーダンス整合が可能となる。

給電線路２の位置Ｐａから見た入力インピーダンスＺ_ｉｎ１は次式で表される。

負荷インピーダンスｚ_Ｌと入力インピーダンスＺ_ｉｎ１との合成インピーダンスｚ_Ｌ／／Ｚ_ｉｎ１は次式で表される。

上式（３）より入力インピーダンスＺ_ｉｎは次式で表される。

上式（１）および（４）より次式が導かれる。

上式（５）をリアクタンスｘ_ｔについて解くと、次式が得られる。

上式（６）におけるＰ、Ｑ、Ｒ、ＳおよびＴは、下記式（７）〜（１１）で表される。

ここで、上式（７）で表されるＰに注目すると、平方根の中は０以上である必要があるため、次式の条件が存在する。

上式（１２）は、特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャート上において、０Ωとｚ_０ｃｏｓ^２βａとを結ぶ線分を直径とする円の円周上またはその円周の外側の領域に負荷インピーダンスｚ_Ｌが存在するときにインピーダンス整合が可能であることを示している。

図４は可変リアクタ４によるインピーダンス整合が可能な負荷インピーダンスｚ_Ｌの範囲を示すスミスチャートである。図４では、ｃｏｓ^２βａ＝１とした場合に、インピーダンス整合が可能な負荷インピーダンスｚ_Ｌの範囲をハッチングで示している。

図１の受電装置７の負荷インピーダンスｚ_Ｌは上式（１２）の条件を満たすように設定される。

また、入力インピーダンスＺ_ｉｎの虚部（Ｉｍ｛Ｚ_ｉｎ｝）が可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓにより相殺されるように、可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓは次式の条件により求められる。

また、負荷８０が給電線路２の始端から｛（２ｎ＋１）π｝／２［ｒａｄ］の距離の位置にあるとき（ａ＝｛（２ｎ＋１）π｝／２［ｒａｄ］の場合）に新たな整合条件が発生する。ここで、ｎは自然数である。この場合の入力インピーダンスＺ_ｉｎは以下のようにして求められる。まず、次の近似式を用いる。

上式（２）および（１４）より、入力インピーダンスＺ_ｉｎ１は次式のようになる。

よって、上式（３）、（４）および（１５）より、入力インピーダンスＺ_ｉｎは次式のようになる。

上式（１）および（１６）より、以下の条件式が導かれる。

上式（１７）は特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャート上において、０Ωとｚ_０とを結ぶ線分を直径とする円の円周上に負荷インピーダンスｚ_Ｌが存在するときにインピーダンス整合が可能であることを示している。したがって、負荷８０が給電線路２上のどの位置に存在する場合でもインピーダンス整合をとるためには、上式（１７）を満足する必要がある。

図５は負荷８０が給電線路２上のどの位置に存在する場合でもインピーダンス整合が可能となる負荷インピーダンスｚ_Ｌの範囲を示すスミスチャートである。図５に太い実線で示すように、負荷インピーダンスｚ_Ｌが０Ωとｚ_０とを結ぶ線分を直径とする円の円周Ｃ２上に存在する場合に、負荷８０が給電線路２上のどの位置にあっても、インピーダンス整合をとることが可能となる。したがって、負荷インピーダンスｚ_Ｌが円周Ｃ２上に存在するように、負荷インピーダンスｚ_Ｌまたは給電線路２の特性インピーダンスｚ_０の少なくとも一方が予め設定されることが好ましい。

なお、負荷インピーダンスｚ_Ｌが図４のスミスチャートの円周Ｃ２の外側の領域に存在する場合には、負荷８０が給電線路２の始端から｛（２ｎ＋１）π｝／２［ｒａｄ］の距離の位置以外にあるときに、インピーダンス整合をとることが可能となる。

また、可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓと可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔとの関係は、上式（１３）より次式で表される。

以上のように、上式（６）を満足するように可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔを制御し、上式（１８）を満足するように可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓを制御することにより、負荷８０が給電線路２上のどの位置にあるときでも、給電線路２と負荷８０とのインピーダンス整合をとることが可能となる。

（ｃ）効果
図１の制御部６は、上式（６）および（１８）に従う距離ａと終端リアクタンスｘ_ｔおよび始端リアクタンスｘ_ｓとの関係を関係式またはデータとして予め記憶する。制御部６は、位置検出部８により検出された移動体３の位置（距離ａ）および記憶した関係に基づいて、終端リアクタンスｘ_ｔおよび始端リアクタンスｘ_ｓを算出し、可変リアクタ５のリアクタンス値を算出した終端リアクタンスｘ_ｔの値に調整しかつ可変リアクタ４ａ，４ｂのリアクタンス値を算出した始端リアクタンスｘ_ｓの値に調整する。この場合、給電線路２ａ，２ｂに沿って移動する移動体３の位置に定在波腹が発生しかつ定在波節が発生しない。したがって、移動体３が給電線路２ａ，２ｂのどの位置にあるときでも、電源装置１から受電装置７に電力を高い電力伝送効率で供給することができる。

また、給電線路２ａ，２ｂの全長が長い場合でも、複数の整合回路を追加することなく可変リアクタ４ａ，４ｂ，５によりインピーダンス整合をとることが可能である。そのため、整合装置および移動体給電システム１００のコストが増加しない。

（２）第２の実施の形態
（ａ）移動体給電システムの構成
図６は本発明の第２の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。図６の移動体給電システム１０１が図１の移動体給電システム１００と異なるのは以下の点である。

図６の移動体給電システム１０１は、図１の一対の可変リアクタ４ａ，４ｂの代わりに可変リアクタ１０を備える。可変リアクタ１０は、電源装置１に並列に接続される。具体的には、可変リアクタ１０は、給電線路２ａの始端と給電線路２ｂの始端との間に接続される。

図６の移動体給電システム１０１において、可変リアクタ５，１０、制御部６および位置検出部８が整合装置を構成する。

制御部６は、位置検出部８により検出された移動体３の位置に基づいて可変リアクタ５，１０のリアクタンス値を調整する。この場合、制御部６は、可変リアクタ５，１０のリアクタンス値を動的に制御することにより、給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に定在波節が生じないように定在波を変化させる。本実施の形態では、制御部６は、定在波腹が給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に追従するように定在波を変化させる。

図７は図６の移動体給電システム１０１の等価回路図である。図７の等価回路では、電源装置１の一方の電源端子と他方の電源端子との間に可変リアクタ１０が接続される。

（ｂ）可変リアクタ４ａ，４ｂ，１０の制御
可変リアクタ１０のインピーダンスをｊｘ_ｓ［Ω］とする。また、可変リアクタ４のリアクタンスｘ_ｓを始端リアクタンスｘ_ｓと呼ぶ。

図８は給電線路２の特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャートである。ここで、給電線路２の特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとしたとき、可変リアクタ１０によりインピーダンス整合をとるための入力インピーダンスＺ_ｉｎの範囲は、図８に太い実線で示すように０Ωとｚ_０とを結ぶ線分を直径とする円の円周Ｃ３上であることが必要である。この条件は次式で表される。

上式（１９）に示すように、入力インピーダンスＺ_ｉｎの逆数（入力アドミタンスＺ_ｉｎ ^−１）の実部（Ｒｅ｛Ｚ_ｉｎ ^−１｝）が特性インピーダンスｚ_０の逆数（特性アドミタンス１／ｚ_ｏ）と等しいことが必要である。上式（１９）の条件を満足する終端リアクタンスｘ_ｔが存在すれば、インピーダンス整合が可能となる。

給電線路２の始端から見た入力インピーダンスをＺ_ｉｎは、上式（４）で表される。

上式（１９）および（４）より終端リアクタンスｘ_ｔは、次式により表される。

上式（２０）におけるＰ、Ｑ、Ｒ、ＳおよびＴは、下記式（２１）〜（２５）で表される。

ここで、上式（２１）で示されるＰに注目すると、平方根の中は０以上である必要があるため、次式の条件が存在する。

上式（２６）は、特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャート上において、０Ωとｚ_０ｓｉｎ^２βａとを結ぶ線分を直径とする円の円周上またはその円周の外側の領域に負荷インピーダンスｚ_Ｌが存在するときにインピーダンス整合が可能であることを示している。

ｓｉｎ^２βａ＝１とした場合に、インピーダンス整合が可能な負荷インピーダンスｚ_Ｌの範囲は図４にハッチングで示された範囲と同様である。

図６の受電装置７の負荷インピーダンスｚ_Ｌは上式（２６）の条件を満たすように設定される。

また、入力インピーダンスＺ_ｉｎの虚部（Ｉｍ｛Ｚ_ｉｎ ^−１｝^−１）が可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓにより相殺されるように、可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓは次式の条件により求められる。

また、負荷８０が給電線路２の始端からｎπ［ｒａｄ］の距離の位置にあるとき（ａ＝ｎπ［ｒａｄ］の場合）に新たな整合条件が発生する。この場合の入力インピーダンスＺ_ｉｎは以下のようにして求められる。まず、次式が成り立つ。

上式（２）および（２８）より、入力インピーダンスＺ_ｉｎ１は次式のようになる。

よって、上式（３）、（４）および（２９）より、入力インピーダンスＺ_ｉｎは次式のようになる。

上式（１９）および（２９）より、以下の条件式が導かれる。

上式（３１）は特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャート上において、０Ωとｚ_０とを結ぶ線分を直径とする円の円周上に負荷インピーダンスｚ_Ｌが存在するときにインピーダンス整合が可能であることを示している。したがって、負荷８０が給電線路２上のどの位置に存在する場合でもインピーダンス整合をとるためには、上式（３１）を満足する必要がある。

負荷インピーダンスｚ_Ｌが図５に太い実線で示された円周Ｃ２上に存在する場合に、負荷８０が給電線路２上のどの位置にあっても、インピーダンス整合をとることが可能となる。したがって、負荷インピーダンスｚ_Ｌが円周Ｃ２上に存在するように、負荷インピーダンスｚ_Ｌまたは給電線路２の特性インピーダンスｚ_０の少なくとも一方が予め設定されることが好ましい。

なお、負荷インピーダンスｚ_Ｌが図４のスミスチャートの円周Ｃ２の外側の領域に存在する場合には、負荷８０が給電線路２の始端からｎπ［ｒａｄ］の距離の位置以外にあるときに、インピーダンス整合をとることが可能となる。

以上のように、上式（２０）を満足するように可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔを制御し、上式（２７）を満足するように可変リアクタ４の始端リアクタンスｘ_ｓを制御することにより、負荷８０が給電線路２上のどの位置にあるときでも、給電線路２と負荷８０とのインピーダンス整合をとることが可能となる。

（ｃ）効果
図１の制御部６は、上式（２０）および（２７）に従う距離ａと終端リアクタンスｘ_ｔおよび始端リアクタンスｘ_ｓとの関係を関係式またはデータとして予め記憶する。制御部６は、位置検出部８により検出された移動体３の位置（距離ａ）および予め記憶した関係に基づいて、終端リアクタンスｘ_ｔおよび始端リアクタンスｘ_ｓを算出し、可変リアクタ５のリアクタンス値を算出した終端リアクタンスｘ_ｔの値に調整しかつ可変リアクタ１０のリアクタンス値を算出した始端リアクタンスｘ_ｓの値に調整する。この場合、給電線路２ａ，２ｂに沿って移動する移動体３の位置に定在波腹が発生しかつ定在波節が発生しない。したがって、移動体３が給電線路２ａ，２ｂのどの位置にあるときでも、電源装置１から受電装置７に電力を高い電力伝送効率で供給することができる。

また、給電線路２ａ，２ｂの全長が長い場合でも、複数の整合回路を追加することなく可変リアクタ５，１０によりインピーダンス整合をとることが可能である。そのため、整合装置および移動体給電システム１００のコストが増加しない。

（３）第３の実施の形態
（ａ）移動体給電システムの構成
図９は本発明の第３の実施の形態に係る整合装置を備えた移動体給電システムの構成を示すブロック図である。図９の移動体給電システム１０２が図１の移動体給電システム１００と異なるのは以下の点である。

図９の移動体給電システム１０２には、図１の可変リアクタ４ａ，４ｂが設けられず、可変リアクタ５のみが設けられる。

制御部６は、位置検出部８により検出された移動体３の位置に基づいて可変リアクタ５のリアクタンス値を調整する。この場合、制御部６は、可変リアクタ５のリアクタンス値を動的に制御することにより、給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に定在波節が生じないように定在波を変化させる。本実施の形態では、制御部６は、定在波腹が給電線路２ａ，２ｂ上の移動体３の位置に追従するように定在波を変化させる。

（ｂ）可変リアクタ１０の制御
図１０は図９の移動体給電システム１０２の等価回路図である。図１０の等価回路では、可変リアクタ５のみが給電線路２の終端に接続される。

ここで、給電線路２の位置Ｐａから見た入力インピーダンスをＺ_ｉｎとする。可変リアクタ５のみによりインピーダンス整合をとるためには、次式の条件を満足することが必要である。

ここで、上式（３２）は、負荷インピーダンスｚ_Ｌと入力インピーダンスＺ_ｉｎとの合成インピーダンスの実部（Ｒｅ｛ｚ_Ｌ／／Ｚ_ｉｎ｝）が給電線路２の特性インピーダンスｚ_ｏに等しいことを表す。また、上式（３３）は、負荷インピーダンスｚ_Ｌと入力インピーダンスＺ_ｉｎとの合成インピーダンスの虚部（Ｉｍ｛ｚ_Ｌ／／Ｚ_ｉｎ｝）が０に等しいことを表す。

上式（３２）および（３３）の条件を満足する可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔは次式で表される。

ただし、負荷インピーダンスｚ_Ｌが次式の条件を満足することが必要である。

上式（３５）は、図５に示したように、特性インピーダンスｚ_０を基準インピーダンスとした場合のスミスチャート上において、０Ωとｚ_０とを結ぶ線分を通る円の円周Ｃ２上に負荷インピーダンスｚ_Ｌが存在するときにインピーダンス整合が可能であることを示している。上式（３５）の条件は、第１および第２の実施の形態において、移動体３が特定の位置に存在する際の式（１７）で表される負荷インピーダンスｚ_Ｌの条件と一致する。

したがって、負荷８０が給電線路２上のどの位置に存在する場合でもインピーダンス整合をとるためには、上式（３５）の条件を満足する必要がある。この場合、負荷インピーダンスｚ_Ｌが図５の円周Ｃ２上に存在するように、負荷インピーダンスｚ_Ｌまたは給電線路２の特性インピーダンスｚ_０の少なくとも一方が予め設定される。

以上のように、上式（３４）を満足するように可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔを制御することにより、負荷８０が給電線路２上のどの位置にあるときでも、給電線路２と負荷８０とのインピーダンス整合をとることが可能となる。

（ｃ）効果
図９の制御部６は、上式（３４）に従う距離ａと終端リアクタンスｘ_ｔとの関係を関係式またはデータとして予め記憶する。制御部６は、位置検出部８により検出された移動体３の位置（距離ａ）および記憶した関係に基づいて、終端リアクタンスｘ_ｔを算出し、可変リアクタ５のリアクタンス値を算出した終端リアクタンスｘ_ｔの値に調整する。この場合、給電線路２ａ，２ｂに沿って移動する移動体３の位置に定在波腹が発生しかつ定在波節が発生しない。したがって、移動体３が給電線路２ａ，２ｂのどの位置にあるときでも、電源装置１から受電装置７に電力を高い電力伝送効率で供給することができる。

また、給電線路２ａ，２ｂの全長が長い場合でも、複数の整合回路を追加することなく可変リアクタ５によりインピーダンス整合を行うことが可能である。そのため、整合装置および移動体給電システム１０２のコストが増加しない。

（４）位置検出部８における距離の算出方法の一例
図１１は位置検出部８における距離の算出方法の一例を示す図である。図１１の例では、インピーダンス測定システム２００により入力インピーダンスＺ_ｉｎが測定される。給電線路２の長さＬ、特性インピーダンスＺ_０、位相定数β、負荷インピーダンスｚ_Ｌおよび終端リアクタンスｘ_ｔの値は既知である。次式より距離ａを算出することができる。

インパーダンス測定システム２００は、公知の方法で入力インピーダンスＺ_ｉｎを測定することができる。入力インピーダンスＺ_ｉｎの測定には、例えば、「崎原孫周、大平 孝、“高機能オシロスコープを用いた非線形負荷インピーダンス測定：メビウス変換による定式化と実証実験”、信学技報、ｖｏｌ．１１２．ｎｏ．４５９、ＭＷ２０１２−１９０、ｐｐ．１６９−１７３、Ｍａｒｃｈ ２０１３」に記載された方法を利用することができる。

（５）実施例
図９および図１０の移動体給電システム１００のシミュレーションを行った。図１２はシミュレーションに用いた２ポート回路網を示す図である。

図１２の２ポート回路網において、給電線路２の特性インピーダンスをｚ_０＝１５０とし、ポートＰ１のインピーダンスを給電線路２の特性インピーダンスｚ_０に等しい値とし、ポートＰ２の負荷インピーダンスをｚ_Ｌ＝９０−ｊ７３．５とし、給電線路２の全体の長さＬを１３．５６ＭＨｚでの波長とした。負荷の位置Ｐａ（距離ａ）を０ｄｅｇ、４５ｄｅｇおよび９０ｄｅｇとし、ＳパラメータＳ_２１（挿入損失）を算出した。

図１３は負荷の各位置でのＳパラメータＳ_２１の算出結果を示す図である。図１３の縦軸はＳ_２１［ｄＢ］を表し、横軸は距離ａ［ｄｅｇ］を表す。図１３において、実線は負荷の位置（距離ａ）が０ｄｅｇであるときにインピーダンス整合をとった場合のＳ_２１を表し、破線は負荷の位置（距離ａ）が４５ｄｅｇであるときにインピーダンス整合をとった場合のＳ_２１を表し、点線は負荷の位置（距離ａ）が９０ｄｅｇであるときにインピーダンス整合をとった場合のＳ_２１を表す。図１３から分かるように、負荷の各位置でＳ_２１の値が最大となるようにインピーダンス整合をとることが可能である。

図１４は負荷の各位置における終端リアクタンスｘ_ｔの値を示す図である。図１４の縦軸は終端リアクタンスｘ_ｔ［Ω］を表し、横軸は負荷の位置（距離ａ［ｄｅｇ］）を表す。図１４から終端リアクタンスｘ_ｔの値が−∞から＋∞の範囲で変化することが分かる。

上記のシミュレーションの結果から、図９および図１０の移動体給電システム１０２によれば、負荷の位置（距離ａ）に応じて可変リアクタ５の終端リアクタンスｘ_ｔを調整することにより負荷の各位置でＳパラメータＳ_２１の値が最大となるように定在波を変化させることが可能である。

（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

第１の実施の形態では、可変リアクタ４ａ，４ｂ，４が第１の可変リアクタの例であり、可変リアクタ５が第２の可変リアクタの例である。第２の実施の形態では、可変リアクタ１０が第１の可変リアクタの例であり、可変リアクタ５が第２の可変リアクタの例である。第３の実施の形態では、可変リアクタ５が可変リアクタの例である。第１〜第３の実施の形態では、給電線路２ａ，２ｂ，２が給電線路または第１および第２の線路の例であり、位置検出部８が位置検出手段の例であり、制御部６が制御手段の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載された構成要素と同様の構成または機能を有する他の種々の要素を用いることができる。

１ 電源装置
２，２ａ，２ｂ 給電線路
３ 移動体
４，４ａ，４ｂ，５，１０ 可変リアクタ
６ 制御部
７ 受電装置
８ 位置検出部
９ａ，９ｂ タイヤ
８０ 負荷
１００，１０１，１０２ 移動体給電システム

Claims (9)

1. 給電線路の一端に接続された電源装置から、給電線路に沿って移動する移動体の負荷に電力を供給する際に、インピーダンス整合をとるための整合装置であって、
   前記給電線路の前記一端に接続された第１の可変リアクタと、
   前記給電線路の他端に接続された第２の可変リアクタと、
   前記給電線路上の移動体の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段により検出された位置に基づいて前記第１および第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御することにより前記給電線路に発生する定在波を変化させて前記電源装置と前記移動体の負荷とのインピーダンス整合をとる制御手段とを備える、整合装置。
2. 前記給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと前記基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上または当該円周の外側の領域に前記負荷のインピーダンスが存在するように、前記負荷のインピーダンスと前記特性インピーダンスとの関係が設定される、請求項１記載の整合装置。
3. 前記給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと前記基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上に前記負荷のインピーダンスが存在するように、前記負荷のインピーダンスと前記特性インピーダンスとの関係が設定される、請求項１記載の整合装置。
4. 前記給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、
   前記第１の可変リアクタは前記電源装置の一方の端子と前記第１の線路の一端との間および前記電源装置の他方の端子と前記第２の線路の一端との間にそれぞれ接続され、
   前記第２の可変リアクタは前記第１の線路の他端と前記第２の線路の他端との間に接続され、
   前記制御手段は、前記給電線路の前記一端から見た入力インピーダンスの実部の値が前記給電線路の特性インピーダンスに等しくなるように前記第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御し、前記入力インピーダンスの虚部の値が相殺されるように前記第１の可変リアクタのリアクタンス値を制御する、請求項２または３記載の整合装置。
5. 前記給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、
   前記電源装置の一方の端子は前記第１の線路の一端に接続され、前記電源装置の他方の端子は前記第２の線路の一端に接続され、
   前記第１の可変リアクタは前記第１の線路の前記一端と前記第２の線路の前記一端との間に接続され、
   前記第２の可変リアクタは前記第１の線路の他端と前記第２の線路の他端との間に接続され、
   前記制御手段は、前記給電線路の前記一端から見た入力アドミタンスの実部の値が前記給電線路の特性アドミタンスに等しくなるように前記第２の可変リアクタのリアクタンス値を制御し、前記給電線路の前記一端から見た入力インピーダンスの虚部の値が相殺されるように前記第１の可変リアクタのリアクタンス値を制御する、請求項２または３記載の整合装置。
6. 給電線路の一端に接続された電源装置から、給電線路に沿って移動する移動体の負荷に電力を供給する際に、インピーダンス整合をとるための整合装置であって、
   前記給電線路の他端に接続された可変リアクタと、
   前記給電線路上の移動体の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段により検出された位置に基づいて前記可変リアクタのリアクタンス値を制御することにより前記給電線路に発生する定在波を変化させて前記電源装置と前記移動体の前記負荷とのインピーダンス整合をとる制御手段とを備える、整合装置。
7. 前記給電線路の特性インピーダンスを基準インピーダンスとするスミスチャートにおいて、０Ωと前記基準インピーダンスとを結ぶ線分を直径とする円の円周上に前記負荷のインピーダンスが存在するように、前記負荷のインピーダンスと前記特性インピーダンスとの関係が設定される、請求項６記載の整合装置。
8. 前記給電線路は、並列に配置された第１および第２の線路を含み、
   前記電源装置の一方の端子は前記第１の線路の一端に接続され、前記電源装置の他方の端子は前記第２の線路の一端に接続され、
   前記可変リアクタは前記第１の線路の他端と前記第２の線路の他端との間に接続され、
   前記制御手段は、前記給電線路における前記負荷の位置から前記給電線路の他端を見た入力インピーダンスと前記負荷のインピーダンスとの合成インピーダンスの実部の値が前記給電線路の特性インピーダンスと等しくかつ前記合成インピーダンスの虚部の値が０となるように前記可変リアクタのリアクタンス値を制御する、請求項６または７記載の整合装置。
9. 給電線路と、
   前記給電線路に沿って移動可能な移動体と、
   前記給電線路の一端に接続され、前記給電線路を通して前記移動体の負荷に電力を供給する電源装置と、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の整合装置とを備える、移動体給電システム。

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