JP7447463B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本開示は、非接触給電装置に関する。

特許文献１には、高周波電源と各送電コイルとの間に電流制御素子が配置されたワイヤレス給電システムが開示されている。電流制御素子には、例えば可飽和リアクトルのように、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値未満のときインピーダンスが上昇し、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値以上のとき、インピーダンスが低下する素子が用いられている。これにより、受電コイルと対向していない送電コイルに配置された電流制御素子のインピーダンスが上昇して、高周波電源から送電コイルへの電流供給が抑制されている。

特開２０１９－７１７１９号公報

しかしながら、従来技術のように、電流制御素子を送電コイルに直列に接続する構成は、送電コイルと送電共振コンデンサを直列に接続する直列共振方式の送電共振回路に対しては適用できず、汎用性が低い。また、電流制御素子のリアクタンス成分によって、送電共振回路の共振特性に影響を与えて送電特性を低下させてしまう可能性がある。また、電流制御素子として例示されている可飽和リアクトルは、インピーダンスを高くするためにはインダクタンスを大きくする必要があるため、電流制御素子として使用する可飽和リアクトルが大型化してしまう可能性がある。

本開示の一形態によれば受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電装置（１００，１００Ｂ～１００Ｄ）が提供される。この非接触給電装置は、予め定めた動作周波数の交流電力を出力する送電出力回路（１３０）と、前記交流電力を前記受電装置に送電する送電部（１０５，１０５Ｂ，１０５Ｃ）であって、送電コイル（１１２）と共振コンデンサ（１１６）とから構成される送電共振回路（１１０）と、前記送電コイルに磁気的に結合された特性可変コイル（１２２，１２２Ｃ）と特性可変コンデンサ（１２６）とが接続された閉回路で構成された１つ以上の特性可変回路（１２０，１２０＿１，１２０＿２，１２０Ｃ）と、を備える。前記特性可変回路は、前記送電部から前記受電装置への送電時において、前記動作周波数が前記送電共振回路の共振周波数の近傍となるような周波数特性を有し、前記送電部から前記受電装置への非送電時において、前記動作周波数における前記送電コイルのリアクタンスが、前記送電時における前記送電コイルのリアクタンスに比べて大きくなるような周波数特性を有する。
この形態の非接触給電装置によれば、非送電時において、動作周波数における送電コイルのリアクタンスが、送電時における送電コイルのリアクタンスに比べて大きくなることで、送電出力回路から送電部への電流の供給を抑制することが可能である。これにより、電力を送電しない送電コイルでの損失、及び、漏洩磁束の低減を図ることができる。また、従来技術の電流制御素子のように、送電コイルに直列に接続された電流制御素子を用いずに、送電時における送電出力回路から送電部への電流の供給と、非送電時における送電出力回路から送電部への電流の供給の抑制と、を制御することできる。これにより、従来技術に比べて汎用性の高い技術を提供することができる。

第１実施形態の非接触給電装置の回路構成図。 送電コイルと特性可変コイルの配置関係の一例を示す説明図。 送電コイルの周波数特性の一例を示す説明図。 送電コイルと特性可変コイルの結合係数による送電コイルのインダクタンスの可変幅の変化を示す説明図。 特性可変コイルのＱ値による送電コイルのインダクタンスの可変幅の変化を示す説明図。 第２実施形態の非接触給電装置の回路構成図。 送電コイルと特性可変コイルの配置関係の一例を示す説明図。 送電コイルの周波数特性の一例を示す説明図。 第３実施形態の非接触給電装置の回路構成図。 送電コイルの周波数特性の一例を示す説明図。 第１実施形態の非接触給電装置を適用した車両用非接触給電装置の概略構成図。

Ａ．第１実施形態：
図１には、受電装置２００に非接触で電力の供給が可能な第１実施形態の非接触給電装置１００の構成が示されている。

非接触給電装置１００は、電源回路１４０と、送電出力回路１３０と、送電出力回路１３０に並列に接続された複数の送電部１０５と、を備えている。各送電部１０５は送電共振回路１１０と、特性可変回路１２０と、を備えている。それぞれの送電共振回路１１０は、送電出力回路１３０に並列に接続されている。

送電共振回路１１０は、共振により受電装置２００への電力の供給を実行する回路である。送電共振回路１１０は、例えば、送電コイル１１２と、送電コイル１１２に直列に接続された共振コンデンサ１１６と、を有している。送電出力回路１３０は、電源回路１４０から供給される直流電力を予め定められた動作周波数の交流電力に変換して送電共振回路１１０に供給する回路である。送電出力回路１３０は、例えば、インバータ回路として構成される。電源回路１４０は、例えば、外部電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータ回路として構成される。

なお、各送電共振回路１１０の送電コイル１１２は、例えば、それぞれのコイル面が水平方向に沿うように配列される。コイル面は、コイルを形成する配線によって囲まれ、コイルを流れる電流に応じた磁束を出力する面として機能する。

送電共振回路１１０と対をなす特性可変回路１２０は、特性可変コイル１２２と、特性可変コンデンサ１２６とが直列に接続された閉回路で構成されている。この特性可変回路１２０は、図２に示すように、自身の特性可変コイル１２２が、対をなす送電共振回路１１０の送電コイル１１２のコイル面に沿った一方の横側に配置されて、送電コイル１１２に磁気的に結合された状態となるように配置されている。なお、図１では、送電コイル１１２と特性可変コイル１２２とが磁気的に結合された状態にあることを２本の平行な直線にて示している。

ここで、特性可変コイル１２２の配置は、図２に示した状態に限定されるものではなく、送電コイル１１２のコイル面に沿った他方の横側に配置されていても良く、送電コイル１１２のコイル面の上方側に配置されていても良い。すなわち、特性可変コイル１２２が、対をなす送電共振回路１１０の送電コイル１１２に磁気的に結合された状態となるように配置されていれば、その配置の位置に特に限定はない。

特性可変コイル１２２と送電コイル１１２との間の磁気的な結合の状態の違いは、結合係数の違いとして表される。結合係数は、送電コイル１１２に対する特性可変コイル１２２の配置関係に応じて、－１よりも大きく＋１未満の値をとる。

なお、図２に示した送電コイル１１２は、コア３１０にループ状の導線３１２が形成されたコア有り構造のコイルを例に示している。また、特性可変コイル１２２は、ループ状の導線３２２によって構成されたコア無し構造のコイルを例に示している。なお、特性可変コイル１２２も、送電コイル１１２と同様にコア有り構造のコイルとしても良い。

受電装置２００は、電子機器や電気自動車等のように、電力を利用して作動する種々の装置に搭載される。受電装置２００は、受電共振回路２１０と、受電回路２２０と、バッテリ２３０と、を備えている。

受電共振回路２１０も、送電共振回路１１０と同様に、直列に接続された受電コイル２１２と、共振コンデンサ２１６と、を有している、送電共振回路１１０及び受電共振回路２１０には、一次直列二次直列コンデンサ方式（「ＳＳ方式」とも呼ばれる）が適用されている。また、送電側が単相の送電コイル１１２で構成され、受電側が単相の受電コイル２１２で構成された送電側単相－受電側単相の非接触給電方式が適用されている。受電共振回路２１０は、送電共振回路１１０と同じ共振周波数で共振し、受電コイル２１２と送電コイル１１２との間が磁気的に結合された共振結合の状態において、受電コイル２１２に誘導された交流の電力を得る回路である。

受電回路２２０は、例えば、受電共振回路２１０で得られた交流の電力を直流の電力に変換し、負荷としてのバッテリ２３０に充電する回路である。バッテリに充電された電力は、受電装置２００が搭載された装置において電力として利用される。

なお、図１は、受電装置２００の受電コイル２１２のコイル面が、非接触給電装置１００の１番目の送電部１０５の送電コイル１１２のコイル面の上方に配置されている状態が例として示されている。この場合、受電コイル２１２は、１番目の送電コイル１１２、及び、１番目の送電コイル１１２と磁気的に結合された状態にある特性可変コイル１２２に磁気的に結合された状態にある。

受電コイル２１２が上方に配置されている１番目の送電部１０５では、送電共振回路１１０の入力インピーダンスＺｐが小さな値Ｚｐ０となり、送電コイル１１２には、動作周波数ｆ０の出力電流Ｉｐとして値Ｉｐ０の電流（以下、「駆動電流Ｉｐ０」とも呼ぶ）が送電出力回路１３０から供給される。この場合、受電コイル２１２には、受電コイル２１２と送電コイル１１２との間の共振結合により誘導される動作周波数ｆ０の電流が流れて、送電共振回路１１０から受電共振回路２１０を介して受電装置２００に電力の供給が実行される。

これに対して、受電コイルが上方に配置されていない２番目以降の他の送電部１０５では、送電共振回路１１０の入力インピーダンスＺｐが値Ｚｐ０よりも大きな値となり、送電コイル１１２には、出力電流Ｉｐとして、駆動電流Ｉｐ０に比べて小さな電流しか流れなくなる。これにより、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２を有する送電部１０５の送電共振回路１１０では無駄な電力の消費の抑制が可能であり、また、漏洩磁束の低減及び送電効率の向上が可能である。

ここで、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、以下で説明するように、特性可変回路１２０の有無、すなわち、特性可変コイル１２２と送電コイル１１２との間の磁気的な結合の有無に応じて変化する。

送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、特性可変回路１２０が無い場合、図３に二点鎖線で示すように、一定の値Ｌｐ０となる。これに対して、特性可変回路１２０が有る場合、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、図３に実線および破線で示すように、周波数に応じて変化する。送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性は、特性可変回路１２０のインピーダンスの周波数特性に従って発生し、特性可変回路１２０の共振周波数ｆｖよりも低周波数側で誘導性の特性を示し、高周波側で容量性の特性を示す。

また、特性可変回路１２０の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖは、受電コイル２１２の上方配置の有無、すなわち、特性可変コイル１２２と受電コイル２１２との間の磁気的な結合の有無に応じて変化する。具合的には、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖは、受電コイル２１２の上方配置が無い場合に比べて、受電コイル２１２の上方配置が有る場合のほうが大きくなる。これにより、特性可変回路１２０の共振周波数ｆｖは、受電コイル２１２の上方配置が無い場合に比べて、受電コイル２１２の上方配置が有る場合のほうが低くなる。

従って、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性は、図３に示すように、受電コイル２１２の上方配置が無い場合に比べて受電コイル２１２の上方配置が有る場合のほうが低周波側にシフトする。

そこで、第１実施形態では、以下で説明するように、送電共振回路１１０及び特性可変回路１２０の各回路定数を設定している。

まず、特性可変回路１２０が無い場合において、送電共振回路１１０の送電コイル１１２のインダクタンスＬｐ及び共振コンデンサ１１６のキャパシタンスＣｐの基準値を、送電共振回路１１０の共振周波数が動作周波数ｆ０に等しい周波数となるような値に設定する。ここで、「動作周波数ｆ０に等しい周波数」は、完全な一致だけでなく動作周波数ｆ０に等しい周波数としても差し支えないような動作周波数ｆ０の近傍周波数を含む。本例では、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐ及び共振コンデンサ１１６のキャパシタンスＣｐの基準値はＬｐ＝Ｌｐ０及びＣｐ＝Ｃｐ０に設定されており、送電コイル１１２の動作周波数ｆ０におけるリアクタンスＸｐは、Ｘｐ＝Ｘｐ０に設定されている。

なお、受電共振回路２１０の受電コイル２１２のインダクタンスＬｓ及び共振コンデンサ２１６のキャパシタンスＣｓも、動作周波数ｆ０に等しい共振周波数となるような値に設定される。

また、特性可変回路１２０について、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖを、以下のように設定する。

特性可変コイル１２２と受電コイル２１２との間に磁気的な結合の有無（以下、「受電コイル２１２の有無」とも呼ぶ）に応じて、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐが図３に示した実線と破線の周波数特性に変化するように、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの基準値を設定する。なお、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの基準値は、受電コイル２１２が無い場合の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの値である。本例では、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの基準値はＬｖ＝Ｌｖｒ及びＣｖ＝Ｃｖｒに設定されており、この場合の特性可変回路１２０の共振周波数ｆｖは動作周波数ｆ０に等しい値ｆｖ０よりも高い周波数に設定されている。なお、特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの基準値Ｃｖｒは、特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖの値Ｌｖ０と特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの値とから定まる特性可変回路１２０の共振周波数ｆｖを動作周波数ｆ０に等しい値ｆｖ０とするキャパシタンスの値Ｃｖ０とされている。

受電コイル２１２が有る場合の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖは、受電コイル２１２と特性可変コイル１２２の磁気的な結合の状態に依存して、特性可変回路１２０の共振周波数ｆｖが、受電コイル２１２が無い場合の周波数よりも低い動作周波数ｆ０に等しい値ｆｖ０となるような基準値Ｌｖｒよりも大きな値に変化する。本例では、受電コイル２１２が有る場合の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖの値をＬｖ＝Ｌｖ０として示している。言い換えると、受電コイル２１２が無い場合の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖの値である基準値Ｌｖｒは、受電コイル２１２が有る場合の値Ｌｖ０よりも小さい値に設定されている。

以上のように送電共振回路１１０及び特性可変回路１２０の各回路定数が設定されている場合、各送電部１０５の送電共振回路１１０は、受電コイル２１２の有無に応じて以下のように動作する。

受電コイル２１２の上方配置が有る１番目の送電部１０５の送電コイル１１２（図１参照）は、図３に実線で示すように、インダクタンスＬｐの値が送電共振回路１１０の共振点の値Ｌｐ０となる。これにより、この送電コイル１１２を含む送電共振回路１１０の共振周波数ｆｐは動作周波数ｆ０に等しい値ｆｐ０となる。この結果、図１に示すように、動作周波数ｆ０の動作点における送電共振回路１１０の入力インピーダンスＺｐが小さな値Ｚｐ０となって、動作周波数ｆ０の出力電流Ｉｐとして大きな値の駆動電流Ｉｐ０が送電出力回路１３０から供給される。これにより、受電コイル２１２が上方に配置されている送電コイル１１２を有する送電部１０５の送電共振回路１１０から受電共振回路２１０を介して受電装置２００に電力の供給が可能となる。

一方、受電コイル２１２の上方配置が無い２番目以降の他の送電部１０５の送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、図３に破線で示すように、送電共振回路１１０の共振点の共振周波数ｆｖは値ｆｐ０よりも高い値となる。これにより、この送電コイル１１２の動作周波数ｆ０の動作点におけるインダクタンスＬｐの大きさ｜Ｌｐ｜は基準値Ｌｐ０よりも大きな値Ｌｐ１（図３参照）となり、動作周波数ｆ０におけるリアクタンスＸｐは基準値Ｘｐ０よりも大きくなる（図１参照）。この結果、図１に示すように、送電共振回路１１０の入力インピーダンスＺｐが、受電コイル２１２がある場合の値Ｚｐ０よりも大きな値となって、動作周波数ｆ０の出力電流Ｉｐとして駆動電流Ｉｐ０に比べて小さな電流しか流れなくなる。これにより、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２を有する送電部１０５の送電共振回路１１０では無駄な電力の消費の抑制が可能であり、また、漏洩磁束の低減及び送電効率の向上が可能である。

以上説明した構成では、送電共振回路１１０の送電コイル１１２に対して受電装置２００の受電コイル２１２が磁気的な結合を発生するような状態にある場合において、送電共振回路１１０の共振によって入力インピーダンスＺｐがＺｐ＝Ｚｐｏと小さくなる。また、送電コイル１１２に対して受電コイル２１２が磁気的な結合を発生しないような状態にある場合において、送電共振回路１１０の非共振によって入力インピーダンスＺｐがＺｐ＞Ｚｐ０と大きくなる。これにより、送電出力回路１３０は、受電コイル２１２が磁気的に結合している送電コイル１１２を有する送電共振回路１１０に対して、比較的小さい入力インピーダンスＺｐ＝Ｚｐ０に対応した大きな出力電流Ｉｐ＝Ｉｐ０を供給することができる。一方、送電出力回路１３０は、受電コイル２１２が磁気的に結合していない送電コイル１１２を有する送電共振回路１１０に対して、比較的大きな入力インピーダンスＺｐ＞Ｚｐ０によって電流の供給を抑制することができる。これにより、１つの送電出力回路１３０で、並列に接続された複数の送電部１０５の送電共振回路１１０を駆動する場合において、電力を送電しない送電コイル１１２での無駄な電力の損失の低減及び漏洩磁束の低減を図ることができる。また、従来技術の電流制御素子のように、送電コイルに直列に接続された電流制御素子を用いずに、送電時における送電出力回路１３０から送電部１０５への電流の供給と、非送電時における送電出力回路１３０から送電部１０５への電流の供給の抑制と、を制御することできる。

ここで、図４は、周波数に依存して変化する送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの最大値と最小値の差、すなわち、特性可変幅(図３参照）と、送電コイル１１２と特性可変コイル１２２との間の結合係数と、の関係について示している。図４から分かるように、結合係数の大きさが大きいほど特性可変幅は大きくなる。この特性可変幅が大きいほど、送電を行なわない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの大きさ、すなわち、送電コイル１１２のリアクタンスＸｐが大きくなるように設定することが可能であり、送電を行なわない送電部１０５の送電共振回路１１０の入力インピーダンスＺｐをより大きくして、送電コイル１１２に流れる電流をより低く抑えることができる。以上のことから、特性可変コイル１２２は、対をなす送電コイル１１２との結合係数の大きさがより大きくなるように設計されることが好ましい。例えば、特性可変コイル１２２を送電コイル１１２に可能な限り近づけて配置することが好ましい。また、特性可変コイル１２２の軸心を送電コイル１１２の軸心に可能な限り一致させるように配置することが好ましい。また、特性可変コイル１２２のコイル径を送電コイル１１２のコイル径と同一の構造とすることが好ましい。

また、図５は、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの特性可変幅(図３参照）と、特性可変コイル１２２のＱ値と、の関係について示している。図５から分かるように、特性可変コイル１２２のＱ値が大きいほど特性可変幅は大きくなる。以上のことから、特性可変コイル１２２のＱ値がより大きくなるように設計されることが好ましい。例えば、特性可変コイル１２２のリアクタンスが大きくなるように、コア有り構造のコイルとすることや、コイルの巻数を大きくして自己インダクタンスを大きくすることが好ましい。また、コイルの等価直列抵抗（ＥＳＲ）が小さくなるように、コイルの巻線にリッツ線等の高周波特性や温度特性に優れた導線を使うことや、コイルの巻線の断面を大きくすること、コイル長を短くすることが好ましい。

Ｂ．第２実施形態：
図６に示す第２実施形態の非接触給電装置１００Ｂは、第１実施形態の非接触給電装置１００（図１参照）における送電部１０５に換えて送電部１０５Ｂを備えている。送電部１０５Ｂは、複数、本例では、２つの特性可変回路１２０＿１，１２０＿２を備えている点が送電部１０５と異なっている。

第１の特性可変回路１２０＿１の特性可変コイル１２２は、図７に示すように、第１実施形態と同様に（図２参照）、送電コイル１１２に対して横方向に配置されている。第２の特性可変回路１２０＿２の特性可変コイル１２２は、図７に示すよう、送電コイル１１２に磁気的に結合された状態となるように、送電コイル１１２に対して垂直方向に配置されている。この配置の場合、第１の特性可変回路１２０＿１の特性可変コイル１２２は、送電コイル１１２との間の磁気的な結合が差動結合、すなわち、負の結合係数を有する結合となり、第２の特性可変回路１２０＿２の特性可変コイル１２２は、送電コイル１１２との間の磁気的な結合が和動結合、すなわち、正の結合係数を有する結合となっている。

２つの特性可変回路１２０＿１，１２０＿２を有する構成の場合においても、図８に実線および破線で示すように、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、周波数に応じて変化する周波数特性を有している。また、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性は、第１実施形態における送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性（図３参照）と同様に、受電コイル２１２の上方配置が無い場合に比べて受電コイル２１２の上方配置が有る場合のほうが低周波側にシフトする。

そこで、第１実施形態と同様に、送電共振回路１１０及び特性可変回路１２０＿１，１２０＿２の各回路定数を設定する（図６参照）。送電コイル１１２のインダクタンスＬｐ及び共振コンデンサ１１６のキャパシタンスＣｐの基準値は、Ｌｐ＝Ｌｐ０及びＣｐ＝Ｃｐ０に設定されており、送電コイル１１２の動作周波数ｆ０におけるリアクタンスＸｐは、Ｘｐ＝Ｘｐ０に設定されている。

また、第１の特性可変回路１２０＿１の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ１及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖ１の基準値は、Ｌｖ１＝Ｌｖｒ１＜Ｌｖ０＿１及びＣｖ１＝Ｃｖ０＿１に設定されている。また、第２の特性可変回路１２０＿２の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ２及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖ２の基準値は、Ｌｖ２＝Ｌｖｒ２＜Ｌｖ０＿２及びＣｖ２＝Ｃｖ０＿２に設定されている。なお、Ｌｖ０＿１及びＣｖ０＿１は、受電コイル２１２の上方配置が有る場合において、送電共振回路１１０の共振周波数が動作周波数ｆ０となるように設定される第１の特性可変回路１２０＿１の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ１の値及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖ１の値である。また、Ｌｖ０＿２及びＣｖ０＿２も、受電コイル２１２の上方配置が有る場合において、送電共振回路１１０の共振周波数が動作周波数ｆ０となるように設定される第２の特性可変回路１２０＿２の特性可変コイル１２２のインダクタンスＬｖ２の値及び特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖ２の値である。

上記のように送電共振回路１１０及び特性可変回路１２０＿１，１２０＿２の各回路定数を設定することにより、受電コイル２１２が上方に配置されている送電コイル１１２のインダクタンスＬｐを、図８に実線で示すように、送電共振回路１１０の共振周波数が動作点の動作周波数ｆ０に等しくなる値Ｌｐ０とすることができる。これにより、図６に示すように、動作周波数ｆ０の出力電流Ｉｐとして大きな値の駆動電流Ｉｐ０を送電出力回路１３０から供給することができる。

また、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性を、図８に破線で示すように、高周波側にシフトさせることができる。これにより、動作周波数ｆ０の動作点における送電コイル１１２のインダクタンスＬｐを、大きさ｜Ｌｐ｜が基準値Ｌｐ０よりも大きくなる値－Ｌｐ２（図８参照）とすることができ、動作周波数ｆ０におけるリアクタンスＸｐを基準値Ｘｐ０よりも大きくすることができる（図６参照）。この結果、動作周波数ｆ０の出力電流Ｉｐとして、駆動電流Ｉｐ０に比べて小さな電流しか流れなくなるようにすることができる。これにより、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２を有する送電部１０５の送電共振回路１１０では無駄な電力の消費の抑制が可能であり、また、漏洩磁束の低減及び送電効率の向上が可能である。

ここで、第１実施形態では、図３に示したように、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐを、受電コイル２１２が上方に配置されている場合の共振点における値Ｌｐ０よりも正側の値、すなわち、誘導性側の値にしか設定することができない。これに対して、第２実施形態では、図８に示すように、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの値を、容量性側の値にも設定することができる。また、特性可変回路１２０＿１，１２０＿２の回路定数及び配置を調整して、受電コイル２１２の有無に応じた周波数特性のシフト量を調整することができるので、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの値を、誘導性側の値から容量性側の値のいずれかに設定することができ、設定の範囲を広げることが可能である。

なお、図８に示した送電コイル１１２のインダクタンスＬｐは、特性可変回路１２０＿１，１２０＿２のそれぞれのインピーダンスの周波数特性が合成された周波数特性に依存して、複数の共振点を有している。また、図８に示した送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性は、特性可変回路１２０＿１，１２０＿２の回路定数の設定状態や、送電コイル１１２と特性可変コイル１２２との配置状態による結合状態によって変化する。

そこで、特性可変コイル１２２の配置は、図７に示した状態に限定されるものではなく、種々の位置関係とすることが可能である。すなわち、特性可変コイル１２２が、対をなす送電共振回路１１０の送電コイル１１２に磁気的に結合された状態となるように配置され、送電コイル１１２と特性可変コイル１２２との間の結合係数及び特性可変コイル１２２間の結合係数のそれぞれが、送電コイル１１２の周波数特性として所望の特性が得られるように配置されていれば良い。

また、特性可変回路の数は、２つに限定されるものではなく、３以上の複数の特性可変回路を備える構成としても良い。

また、複数の特性可変回路のうち、少なくとも一つの特性可変回路の特性可変コイルは、送電コイルとの間の磁気的な結合が差動結合、すなわち、負の結合係数を有する結合となるように配置され、他の少なくとも一つの特性可変回路の特性可変コイルは、送電コイルとの間の磁気的な結合が和動結合、すなわち、正の結合係数を有する結合となるように配置されていることが好ましい。このようにすれば、送電コイルのインダクタンスの周波数特性を複数の共振点を有する特性とすることができ、送電コイルのインダクタンスの値を、誘導性側の値から容量性側の値のいずれかに設定することができ、設定の範囲を広げることが可能である。

また、上記したように、送電コイルのインダクタンスは、複数の特性可変回路のそれぞれのインピーダンスの周波数特性が合成された周波数特性に依存して、複数の共振点を有する。複数の特性可変回路の周波数特性は、それぞれ、共振周波数に依存して決定される。従って、複数の特性可変回路の共振周波数がそれぞれ異なるように設計することが好ましい。このようにすれば、送電コイルのインダクタンスの周波数特性を複数の共振点を有する特性とすることができ、送電コイルのインダクタンスの値を、誘導性側の値から容量性側の値のいずれかに設定することができ、設定の範囲を広げることが可能である。

なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、特性可変コイルは、対をなす送電コイルとの結合係数の大きさがより大きくなるように設計されることが好ましい。また、特性可変コイルのＱ値がより大きくなるように設計されることが好ましい。

Ｃ．第３実施形態：
図９に示す第３実施形態の非接触給電装置１００Ｃは、第１実施形態の非接触給電装置１００（図１参照）における送電部１０５に換えて送電部１０５Ｃを備えている。送電部１０５Ｃは、特性可変回路１２０に換えて特性可変回路１２０Ｃを備えている点が送電部１０５と異なっている。特性可変回路１２０Ｃは、特性可変コイル１２２に換えて特性可変コイル１２２Ｃを備えている点が特性可変回路１２０と異なっている。特性可変コイル１２２Ｃには、インダクタンスが可変可能な可変インダクタが用いられている。

第１実施形態と同様に、送電共振回路１１０の送電コイル１１２のインダクタンスＬｐ及び共振コンデンサ１１６のキャパシタンスＣｐの基準値は、Ｌｐ＝Ｌｐ０及びＣｐ＝Ｃｐ０に設定されており、送電コイル１１２の動作周波数ｆ０におけるリアクタンスＸｐはＸｐ＝Ｘｐ０に設定されている。

特性可変回路１２０Ｃの特性可変コンデンサ１２６のキャパシタンスＣｖの基準値はＣｖ＝Ｃｖｒ＝Ｃｖ０に設定されている。特性可変コイル１２２ＣのインダクタンスＬｖは以下のように設定される。

受電コイル２１２が送電コイル１１２の上方に配置されている場合には、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐがＬｐ＝０となり、特性可変回路１２０Ｃの共振周波数ｆｖが動作周波数ｆ０に等しい値ｆｖ０となるように、特性可変コイル１２２ＣのインダクタンスＬｖがＬｖ＝Ｌｖ０に設定される。

これに対して受電コイル２１２が送電コイル１１２の上方に配置されていない場合には、特性可変回路１２０Ｃの共振周波数ｆｖがｆｖ＞ｆｖ０あるいはｆｖ＜ｆｖ０となるように、特性可変コイル１２２ＣのインダクタンスＬｖがＬｖ＜Ｌｖ０あるいはＬｖ＞Ｌｖ０に設定される。

なお、特性可変コイル１２２Ｃの設定の変更は、例えば、各送電部１０５Ｃに備えられる不図示の物体検知センサにより、送電コイル１１２の上方に配置される受電装置２００の受電コイル２１２の有無を検知することにより実行することができる。

図１０に示すように、ｆｖ＞ｆ０の場合には、動作周波数ｆ０におけるインダクタンスＬｐがＬｐ＞Ｌｐ０の誘導性側の値となるように送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性を高周波側にシフトさせることができる。また、ｆｖ＜ｆ０の場合には、動作周波数ｆ０におけるインダクタンスＬｐがＬｐ＜Ｌｐ０の容量性側の値となり、その大きさ｜Ｌｐ｜が｜Ｌｐ｜＞Ｌｐ０でリアクタンスＸｐがＸｐ＞Ｘｐ０となるように、送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの周波数特性を低周波側にシフトさせることができる。

第３実施形態では、受電コイル２１２が上方に配置されていない場合、特性可変回路１２０Ｃの共振周波数ｆｖがｆｖ＞ｆｖ０あるいはｆｖ＜ｆｖ０となるように、特性可変コイル１２２ＣのインダクタンスＬｖをＬｖ＜Ｌｖ０、あるいは、Ｌｖ＞Ｌｖ０に設定することができる。これにより、受電コイル２１２が上方に配置されていない送電コイル１１２のインダクタンスＬｐの値を、誘導性側の値から容量性側の値のいずれかに設定することができ、設定の範囲を広げることが可能である。

なお、上記実施形態では、特性可変コイルに可変インダクタンスを用いて、特性可変コイルのインダクタンスを変化させることで、特性可変回路の共振周波数を変化させる構成を例に説明している。しかしながら、これに限定されるものではなく、特性可変コンデンサに可変コンデンサを用いて、特性可変コンデンサのキャパシタンスを変化させることで、特性可変回路の共振周波数を変化させる構成であってもよい。また、特性可変コイルのインダクタンス及び特性可変コンデンサのキャパシタンスの両方を変化させることで、特性可変回路の共振周波数を変化させる構成であってもよい。

なお、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、特性可変コイルは、対をなす送電コイルとの結合係数の大きさがより大きくなるように設計されることが好ましい。また、特性可変コイルのＱ値がより大きくなるように設計されることが好ましい。

Ｄ．第４実施形態：
第１実施形態の非接触給電装置１００（図１参照）は、車両用非接触給電システムの非接触給電装置１００Ｄとして適用可能である。

図１１に示す車両用非接触給電システムは、車両走行路ＲＳの走路に沿って敷設された非接触給電装置１００Ｄから車両ＶＨに搭載された受電装置２００Ｄに対して電力を供給することが可能な給電システムである。

非接触給電装置１００Ｄは、非接触給電装置１００（図１参照）と同様に、複数の送電部１０５と、複数の送電部１０５に交流電力を供給する送電出力回路１３０と、送電出力回路１３０に直流電力を供給する電源回路１４０と、を備えている。

各送電部１０５は、送電共振回路１１０と特性可変回路１２０と、を備えている。

送電共振回路１１０は、車両走行路ＲＳ上に敷設された不図示の送電コイル１１２及び共振コンデンサ１１６（図１参照）を有している。各送電共振回路１１０の送電コイル１１２は、車両走行路ＲＳの走路に沿って順に敷設されている。

図１１において、ｘ方向は送電共振回路１１０の送電コイル１１２が配列されている水平方向を示し、ｙ方向はｘ方向に垂直な水平方向を示し、ｚ方向はｘ及びｙに垂直な上方向を示す。

車両ＶＨに搭載された受電装置２００Ｄは、受電装置２００（図１参照）と同様に、受電共振回路２１０と、受電回路２２０と、バッテリ２３０と、を備えている。

受電共振回路２１０は、受電コイル２１２及び共振コンデンサ２１６（図１参照）を有している。少なくとも、受電コイル２１２は、車両ＶＨの底部に、送電共振回路１１０の送電コイル１１２（図１参照）に対向するように設置されている。

受電回路２２０は、受電共振回路２１０で得られた交流電力を直流電力に変換し、負荷としてのバッテリ２３０に充電する回路である。バッテリ２３０に充電された電力は、不図示のモータ等を駆動するために利用される。

この車両用非接触給電システムの非接触給電装置においても、上記実施形態の非接触給電装置と同様の効果を得ることができる。

なお、図示及び説明は省略するが、車両用非接触給電システムの非接触給電装置として、第２，第３実施形態の非接触給電装置１００Ｂ，１００Ｃ（図６，図９参照）を適用することも可能である。

Ｅ．他の実施形態：
（１）上記実施形態の非接触給電装置は、複数の送電共振回路を備える構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、１つの送電共振回路を備える構成であってもよい。この構成においても、電力を送電しない送電コイルでの無駄な電力の損失の低減及び漏洩磁束の低減を図ることができる。また、従来技術の電流制御素子のように、送電コイルに直列に接続された電流制御素子を用いずに、送電時における送電出力回路から送電部への電流の供給と、非送電時における送電出力回路から送電部への電流の供給の抑制と、を制御することできる。

（２）上記実施形態では、直列共振を利用した送電共振回路および受電共振回路を例に説明したが、これに限定されるものではなく、並列共振を利用した送電共振回路および受電共振回路としてもよく、いずれか一方は直列共振で他方は並列共振を利用した共振回路としてもよい。従って、並列共振を利用した構成だけでなく直列共振を利用した構成の場合にも適用することができるので、従来技術に比べて汎用性の高い技術を提供することができる。

（３）上記実施形態では、送電側の送電コイル１１２も受電側の受電コイル２１２も単相の場合を例に説明している。しかしながら、これに限定されるものではない。送電側を複数相の送電コイルの構成としてもよい。また、受電側を複数相の受電コイルの構成としてもよい。例えば、送電側は単相の導電コイルで受電側は２相あるいは３相以上の複数相の受電コイルの構成としてもよい。また、送電側は２相あるいは３相以上の複数相の送電コイルの構成で、受電側は単相、あるいは、複数相の受電コイルの構成であってもよい。

（４）上記実施形態では、特性可変回路の特性可変コンデンサを独立した部品として備える場合を例に説明したが、特性可変コイルの浮遊容量を特性可変コンデンサとして利用すする構成としてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００，１００Ｂ～１００Ｄ…非接触給電装置、１０５，１０５Ｂ，１０５Ｃ…送電部、１１０…送電共振回路、１１２…送電コイル、１１６…共振コンデンサ、１２０，１２０＿１，１２０＿２…特性可変回路、１２０Ｃ…特性可変回路、１２２…特性可変コイル、１２２Ｃ…特性可変コイル、１２６…特性可変コンデンサ、１３０…送電出力回路、１４０…電源回路、２００，２００Ｄ…受電装置、２１０…受電共振回路、２１２…受電コイル、２１６…共振コンデンサ、２２０…受電回路、２３０…バッテリ、３１０…コア、３１２，３２２…導線、ＲＳ…車両走行路、ＶＨ…車両

Claims (10)

1. 受電装置に非接触で電力を供給する非接触給電装置（１００，１００Ｂ～１００Ｄ）であって、
   予め定めた動作周波数の交流電力を出力する送電出力回路（１３０）と、
   前記交流電力を前記受電装置に送電する送電部（１０５，１０５Ｂ，１０５Ｃ）であって、送電コイル（１１２）と共振コンデンサ（１１６）とから構成される送電共振回路（１１０）と、前記送電コイルに磁気的に結合された特性可変コイル（１２２，１２２Ｃ）と特性可変コンデンサ（１２６）とが接続された閉回路で構成された１つ以上の特性可変回路（１２０，１２０＿１，１２０＿２，１２０Ｃ）と、を有する送電部と、
   を備え、
   前記特性可変回路は、
   前記送電部から前記受電装置への送電時において、前記動作周波数が前記送電共振回路の共振周波数の近傍となるような周波数特性を有し、
   前記送電部から前記受電装置への非送電時において、前記動作周波数における前記送電コイルのリアクタンスが、前記送電時における前記送電コイルのリアクタンスに比べて大きくなるような周波数特性を有する、
   非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、
   複数の前記送電部が前記送電出力回路に対して並列に接続されている、非接触給電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置であって、
   前記特性可変回路の周波数特性は、前記送電コイルと前記受電装置に含まれる受電コイルとの間の磁気的な結合についての前記送電時における状態と前記非送電時における状態の変化に従って変化する、非接触給電装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置（１００Ｃ）であって、
   前記送電時と前記非送電時における前記特性可変回路（１２０Ｃ）の周波数特性の変化は、前記特性可変コイル（１２２Ｃ）のインダクタンスと前記特性可変コンデンサのキャパシタンスの少なくとも一方を変化させることで実行される、非接触給電装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置（１００Ｂ）であって、
   前記送電部（１０５Ｂ）は、複数の前記特性可変回路（１２０＿１，１２０＿２）を有し、
   前記送電コイルのインダクタンスは、前記送電共振回路について複数の共振周波数を発生させる周波数特性を有する、非接触給電装置。
6. 請求項５に記載の非接触給電装置であって、
   少なくとも１つの前記特性可変回路（１２０＿２）の特性可変コイル（１２２）の前記送電コイルに対する磁気的な結合は和動結合とされ、他の少なくとも１つの前記特性可変回路（１２０＿１）の特性可変コイル（１２２）の前記送電コイルに対する磁気的な結合は差動結合とされる、非接触給電装置。
7. 請求項５に記載の非接触給電装置であって、
   少なくとも１つの前記特性可変回路（１２０＿２）の特性可変コイル（１２２）は前記送電コイルに対して垂直方向に配置され、他の少なくとも１つの前記特性可変回路（１２０＿１）の特性可変コイル（１２２）は前記送電コイルに対して水平方向に配置される、非接触給電装置。
8. 請求項５に記載の非接触給電装置であって、
   各特性可変回路の共振周波数はそれぞれ異なる周波数に設定される、非接触給電装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の非接触給電装置であって、
   前記送電コイルのインダクタンスは、
   前記送電時において、前記動作周波数が前記送電共振回路の共振周波数となるような特性を有し、
   前記非送電時において、前記動作周波数において誘導性あるいは容量性となるような特性を有する、非接触給電装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の非接触給電装置であって、
    前記特性可変回路の前記特性可変コンデンサは、前記特性可変コイルの浮遊容量である、非接触給電装置。

Images