JPWO2015121977A1 - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

受電コイル２１に対して、少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、コイル面を互いに平行な位置に配置しつつ、コイル面の面積が異なる複数の送電コイル１１а〜１１ｃと、受電コイル２１を検出する受電コイル検出手段と、受電コイル検出手段の検出結果に基づいて、電源から励磁コイルに出力される電力を制御する制御手段とを備え、制御手段は、受電コイル２１のコイル面の面積、及び、受電コイル２１と送電コイル１１а〜１１ｃとの間の距離に応じて、複数の送電コイル１１а〜１１ｃのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択する。

Description

本発明は非接触給電装置に関するものである。

給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、給電共振コイルから受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給システムに関して、給電共振コイルは線径１ｍｍの銅線材を給電共振コイル径に合わせて複数回巻いており、給電共振コイルのコイル径Ｄに対して受電共振コイルのコイル径Ｅを小さくし、給電共振コイルのコイル径と受電共振コイルのコイル径との比が、１００：７から１００：１５までの範囲内である無線電力供給システムが開示されている（特許文献１）。

特開２０１２−２２２９８９号公報

しかしながら、上記の無線電力供給システムでは、受電共振コイルのコイル面の形状又は受電共振コイルと送電共振コイルとの間の距離が、電力を受電する側の装置等によって異なる場合には、送電コイルが低下するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、電力を受電する側の装置等により、受電コイルのコイル面の面積、又は、受電コイルと送電コイルとの間の距離が異なる場合でも、送電効率の低下を抑制できる非接触給電装置を提供する。

本発明は、コイル面の面積が異なる複数の送電コイルを、コイル面が互いに平行な位置になるよう配置しつつ、受電コイルのコイル面の面積、及び、受電コイルと送電コイルとの間の距離に応じて、複数の送電コイルのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源から励磁コイルに出力される電力を制御することによって上記課題を解決する。

本発明は、送電側のコイルのコイル面が受電コイルのコイル面に対して最適なコイル面となるように、複数の送電コイルからコイルを選択した上で励磁させているため、送電コイルと受電コイルとの間の結合が高まり、送電効率の低下を抑制することができる。

本実施形態に係る非接触給電システムのブロック図である。 図１の送電コイルと受電コイルの斜視図である。 図１の送電コイルの大きさ（サイズ）に対する結合係数の特性を示すグラフである 図１のコイル間距離に対する送電コイルの大きさの特性を示すグラフである。 図１の受電コイルの大きさとコイル間距離（Ｇ）との比（Ｇ/Ｄ２）に対する、受電コイルの大きさと送電コイルの大きさの比（Ｄ１/Ｄ２）の特性を示すグラフである。 図１の送電コイルの斜視図である。 （ａ）１つの送電コイルに１Ａ（アンペア）の電流を通電したときの、磁束密度のＺ方向の成分の特性を示すグラフである。（ｂ）送電コイル１１ａ及び送電コイル１１ｂに１Ａ及び２Ａの電流をそれぞれ通電したときの、磁束密度のＺ方向の成分の特性を示すグラフである。 図１の送電コイル及び受電コイルの断面図である。 図１の受電コイルのサイズに対する電流振幅比の特性を示すグラフである。 図１のメモリに記録されるマップを説明するための図である。 図１の制御器及び受電コイル検出部の制御フローを示すフローチャートである。 図１送電コイル及び受電コイルのコイル面積を説明するための図であって、（ａ）はループ状のコイルの斜視図を示し、（ｂ）はソレノイド状のコイルの斜視図を示す。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムにおいて、送電コイル及び受電コイルの平面図である。 図１３の送電コイル及び受電コイルの側面図である。 本発明の他の実施形態に係る非接触給電システムにおいて、送電コイル及び受電コイルの平面図である。 図１５の送電コイル及び受電コイルの側面図である。 図１５の送電コイルの斜視図である。 図１の送電コイルのピッチ長に対する結合係数の特性を示すグラフである。 図１送電コイル及び受電コイルのコイル面積を説明するための図であって、図１５の送電コイルの斜視図である。

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非接触給電システムのブロック図である。本例の非接触給電システムは、地上に設けられた非接触給電装置と、移動体である車両との間で、非接触で電力を供給するシステムである。非接触給電システムは、地上に設けられる送電側のユニットと、車両に設けられる受電側のユニットにより構成されている。

最初に地上側のユニットについて説明する。地上側のユニットは給電装置１０と交流電源３０とを備えている。給電装置１０は、例えば、車両を駐車するための駐車スペースに設けられている。交流電源３０は１００Ｖ又は２００Ｖの家庭用の電源である。

給電装置１０は、送電コイル１１ａ〜１１ｃと、共振コンデンサ１２ａ〜１２ｃと、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃと、インバータ１４と、制御器１５と、メモリ１６と、受電コイル検出部１７と、通信器１８とを備えている。

送電コイル１１ａ〜１１ｃは、受電コイル２１に対して少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を送電するコイルである。本例は、磁気的な共振を利用して、電力を送電している。送電コイル１１ａ〜１１ｃは、コイル面を互いに平行に配置しつつ、コイル面の面積が互いに異なるように構成された複数のコイルである。送電コイル１１ａ〜１１ｃは、それぞれ円形状をコイル面とするコイルである。コイル面は、コイルとして作用する面を示しており、図１の例では円形状の面である。送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面の直径（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｂ、Ｄ_１ｃ）は、互いに異なっており、送電コイル１１ａの直径（Ｄ_１ａ）の直径が最も短く、送電コイル１１ｃの直径（Ｄ_１ｃ）の直径が最も長い。コイル面の法線方向からみたときに、送電コイル１１ａ〜１１ｃの各コイル面は重なっている。本例では、送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面は同一平面状に並べられている。そして、送電コイル１１ａ〜１１ｃは、導線を１回又は複数回巻いて構成されている。

受電コイル２１を備えた車両が所定の駐車スペースに駐車されると、送電コイル１１ａ〜１１ｃは受電コイル２１と所定の距離を保って、受電コイル２１の下側（地面に近い側）に位置付けられる。送電コイル１１ａ〜１１ｃは互いに独立したコイルである。送電コイル１１ａ〜１１ｃは、駐車スペースの地表に沿うように設置されている。

共振コンデンサ１２ａ〜１２ｃは、送電コイル１１ａ〜１１ｃにそれぞれ接続されている。共振コイル１２ａ〜１２ｃは、送電コイル１１ａ〜１１ｃと共に共振回路を形成するためのコンデンサである。

振幅調整回路１３ａ〜１３ｃは、インバータ１４からコイル１１ａ〜１１ｃに出力される交流電流の振幅を調整する回路であって、共振コンデンサ１２ａ〜１２ｃとインバータ１４との間に接続されている。振幅調整回路１３ａ〜１３ｃは制御器１５により制御される。また、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃは、制御器１５の制御により、インバータ１４の出力電力を、送電コイル１１ａ〜１１ｃに選択して供給する回路でもある。例えば、振幅調整回路１３ａ、１３ｂが動作し、振幅調整回路１３ｃが停止している場合には、インバータ１４の電力は送電コイル１１ａ、１１ｂに供給され、電流は送電コイル１１ａ、１１ｂに流れ、電流は送電コイル１１ｃに流れない。これにより、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃのうち、電流を流すコイルと、電流を流さないコイルとが選択的に切り変えられるように構成されている。

インバータ１４は交流電源３０から入力される交流電力を変換して、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃ及び共振コンデンサ１２ａ〜１２ｃを介して、送電コイル１１ａ〜１１ｃに交流電力を出力するための変換回路である。

制御器１５は受電コイル検出部１７の検出結果に応じて、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃ及びインバータ１４を制御するコントローラである。メモリ１６は、送電コイル１１ａ〜１１ｃと受電コイル２１との間の距離、受電コイル２１の大きさ、及び送電コイル１１ａ〜１１ｃに流れる電流振幅との関係を示すマップを記録している。なお、メモリ１６のマップについては後述する。

受電コイル検出部１７は、通信器１８を用いて、受電コイル２１の位置、受電コイル２１の大きさ、及び送電コイル１１ａ〜１１ｃと受電コイル２１との間の距離（以下、コイル間距離とも称す）を検出し、検出結果を制御器１５に出力する。受電コイル検出部１７は、受電コイル２１の位置を検出する際には、例えば通信器１８により赤外線信号又は超音波信号等を発信して、その信号の反射波から受電コイル２１の位置を検出する。また、受電コイル検出部１７は、受電コイル２１の位置から、コイル間距離を検出してもよい。

受電コイル検出部１７は、通信器１８を用いて、受電コイル２１の大きさを示す情報を車両側から受信することで、受電コイル２１の大きさを検出する。受電コイル２１の大きさの情報は、車両側のメモリ２６に記録されている。また、車両の車高の情報がメモリ２６に記録されている場合には、受電コイル検出部１７は、通信器１８を用いて車両の車高情報を受信し、当該車高情報からコイル間の距離を検出してもよい。通信器１８はアンテナを有しており、車両側の通信器２８と無線で通信する。

次に車両側のユニットを説明する。車両側のユニットは、受電コイル２１と、共振コンデンサ２２と、負荷２３と、メモリ２６と、通信器２８とを備えている。これらの構成は車両に設けられている。

受電コイル２１は、送電コイル１１ａ〜１１から供給される電力を受電するコイルである。受電コイル２１は、送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面と平行なコイル面を有した円形状のコイルである。受電コイル２１は単一のループ状コイルである。受電コイル２１のコイル面の直径（Ｄ_２）は、送電コイル１１ｃのコイル面の直径よりも小さい。受電コイル２１は、車両のシャシに沿うように設けられている。

共振コンデンサ２２は、受電コイル２１に接続され、受電コイル２１と供に共振回路を形成するためのコンデンサである。負荷２３は、バッテリ又はモータ等である。なお、負荷２３に含まれるバッテリが、受電コイル２１で受電した電力で充電される場合には、バッテリと受電コイル２１との間に、交流を直流に変換するためのインバータ等が接続される。

メモリ２６は、受電コイル２１の大きさの情報、受電コイル２１の位置情報、車高情報、及び負荷２３のバッテリ情報等を記録している。通信器２８はアンテナを有しており、車両側の通信器２８と無線で通信する。通信器２８は、メモリ２６に記録されている情報を地上側ユニットに送信する。

次に、送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び受電コイル２１の大きさ、コイル間距離、及び結合係数（κ）の関係について説明する。なお、本例の送電コイル１１ａ〜１１ｃは複数のコイルであるが、ここでは説明のために、１つの送電コイル１１のみとする。図２は、送電コイル１１と受電コイル２１の斜視図である。Ｄ_１は送電コイル１１の直径を示し、Ｄ_２は受電コイル２１の直径を示し、Ｇはコイル間距離（ギャップ）を示す。

受電コイル２１の大きさ（直径）を５００ｍｍで固定しつつ、各ギャップ（５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍ）について送電コイル１１の大きさ（直径）を変化させた場合の結合係数の特性をとると、図３のような特性になる。図３は、送電コイル１１の大きさ（サイズ）に対する結合係数の特性を示すグラフである。図３に示すように、結合係数は、送電コイル１１の直径の１点でピークをとる。例えば、ギャップが５０ｍｍの場合には、送電コイル１１の直径が５０ｍｍのときに、結合係数はピーク値（０．３６）をとる。

また、ギャップが大きくなるほど、結合係数は低下するが、結合係数のピーク値をとる送電コイル１１の直径は、ギャップが大きくなるほど、大きくなっている（図３の丸印を参照）。

結合係数（κ）は発生する磁束と相手コイルを鎖交する磁束との比率を表している。送電コイル１１の大きさと受電コイル２１の大きさが同じであって（図３で、Ｄ_１＝Ｄ_２＝５００ｍｍに相当）、かつ、ギャップが小さい場合には、送電コイル１１で発生する磁束の多くが受電コイル２１に鎖交するため、結合係数が大きくなる。一方、送電コイル１１及び受電コイル２１の大きさが同じであり、かつ、ギャップが大きい場合には、送電コイル１１で発生する磁束が受電コイル２１に鎖交せずに短絡するため、結合係数が小さくなってしまう。

すなわち、図３に示すように、送電コイル１１の大きさと受電コイル２１の大きさ（直径）とを５００ｍｍで同じ大きさにして、ギャップ（Ｇ）を５０ｍｍから１００ｍｍに大きくすると、結合係数が下がる（Ｇ：１００ｍｍのグラフで、Ｄ_１＝５００ｍｍのときに相当する）。この状態から、送電コイル１１の大きさを適正な大きさ（Ｄ_１＝約５５０ｍｍ）に大きくすると、結合係数が上がり最大値をとる（Ｇ：１００ｍｍのグラフのピーク値に相当）。

また、受電コイル２１の大きさ（Ｄ_２）が５００ｍｍで、送電コイル１１の大きさ（Ｄ_１）が５５０ｍｍで、ギャップ（Ｇ）が１００ｍｍから小さくなると、結合係数はピーク値より小さくなる。この状態では、図２のＺ方向でみたときに、送電コイル１１と受電コイル２１との重なる部分において、受電コイル２１は鎖交磁束を受け取ることができるが、重ならない部分の磁束は受電コイル２１を鎖交しないため、結合係数が低下する。

上記のように、結合係数（κ）を大きくするためには、受電コイル２１の大きさとコイル間距離（ギャップ）に対して、適切な送電コイル１１の大きさが存在する。

さらに、図４及び図５を用いて、結合係数（κ）、送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び受電コイル２１の大きさとコイル間距離の関係を一般化する。図４は、コイル間距離（Ｇ）を横軸にし、結合係数（κ）を最大にする送電コイルの大きさ（Ｄ_１）を縦軸にして、受電コイル２１の大きさ毎（Ｄ_２＝４００、５００、６００（ｍｍ））の特性を示すグラフである。図５は、受電コイル２１の大きさとコイル間距離（Ｇ）との比（Ｇ/Ｄ_２）を横軸にし、結合係数（κ）を最大にする、受電コイルの大きさと送電コイルの大きさの比（Ｄ_１/Ｄ_２）を縦軸にして、受電コイル２１の大きさ毎（Ｄ_２＝４００、５００、６００（ｍｍ））の特性を示すグラフである。

図４に示されるように、受電コイル２１の大きさが同じであれば、ギャップが大きくなるほど、結合係数を最大化させるための送電コイルの大きさ（Ｄ_１）は大きくなる。また、ギャップの大きさが同じであれば、受電コイル２１の大きさが大きくなるほど、結合係数を最大化させるための送電コイルの大きさ（Ｄ_１）は小さくなる。

また、図４に示すように、受電コイル２１の大きさを変えたとしても、コイル間距離と結合係数を最大化させるための送電コイル１１の大きさとの関係は相似していることが分かる、そのため、図５に示すように、受電コイル２１の大きさ（Ｄ_２）で、図４に示す特性を規格化すると、受電コイル２１の大きさによらず、コイル間距離と結合係数を最大化させるための送電コイル１１の大きさとの関係が一致することが分かる。

さらに、図５に示す特性を、式で表すと以下のように表される。

ただし、結合係数がピーク値をとる場合には、θ＝２３°となり、結合係数がピーク値から１０％低下までの範囲とすると、２１°≦θ≦２５°となる。

また、送電コイル１１のコイル面積をＳ_１とし、受電コイル２１のコイル面の面積Ｓ_２とすると、コイル面積（Ｓ_１、Ｓ_２）はコイル径（Ｄ_１、Ｄ_２）を用いて、それぞれ以下の式（２）で表される。

そして、式（１）に式（２）を代入しつつ、コイル面積（Ｓ_１）で上記の関係式を表すと、式（３）のようになる。

すなわち、受電コイル２１のコイル面の大きさ（Ｄ_２又はＳ_２）とコイル間距離（Ｇ）が定まれば、結合係数を大きくする送電コイル１１の大きさ（Ｄ_１又はＳ_１）が定まることになる。そのため、受電コイル２１のコイル面の面積、及び、コイル間距離に応じて、送電コイル１１のコイル面の大きさが適切な大きさに変われば、結合係数は高い状態となる。

本例とは異なり、送電コイル１１が単一のループコイルで形成されている場合には、受電コイル２１の大きさ等に応じて、ループの大きさを変えることができればよいが、コイルの構成が複雑になってしまう。

そのため、本発明のシステムは、送電コイル１１を複数のコイルで構成し、複数のコイルの中から電流を流すコイルを選択しつつ、コイルに流す電流振幅を調整することで、複数のコイルを合成しコイル面の面積を自在に変えられる擬似的なコイルを形成している。

以下、送電コイル１１ａ〜１１ｃの選択と、送電コイル１１ａ〜１１ｃの電流振幅について説明する。図６は、送電コイル１１ａ、１１ｂの斜視図を示す。送電コイル１１ａのコイル面の直径（φ_１）は４００ｍｍとし、送電コイル１１ｂのコイル面の直径（φ_２）は８００ｍｍとする。そして、送電コイル１１ａ及び送電コイル１１ｂにそれぞれ１Ａ（アンペア）の電流を通電したときの磁束密度のＺ方向の成分を図７（ａ）に示す。磁束密度のＺ方向の成分は送電コイル１１ａ、１１ｂの中心点ＯからＺ方向（正方向）で高さ（２００ｍｍ）の成分である。そして、高さ（２００ｍｍ）からＸ方向に沿って径（Ｒ_Ｏ）をとりつつ、横軸を径（Ｒ_Ｏ）、縦軸を磁束密度のＺ方向成分としたときの特性が図７（ａ）に示されている。ただし、図７（ａ）に示す２つのグラフは、送電コイル１１ａのみに１Ａの電流を流したときの特性と、送電コイル１１ｂのみに１Ａの電流を流したときの特性をそれぞれ示している。

送電コイル１１ａ、１１ｂはループ状のコイルであるため、磁束はコイル線をループするように通る。そのため、径（Ｒ_０）をゼロから徐々に大きくした場合に、Ｚ方向の磁界は、ある径を境に上向きから下向きに反転する。図７（ａ）に示すように、送電コイル１１ａのみに１Ａの電流を流したときには、径（Ｒ_０）が３４０ｍｍのときに、Ｚ方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。また、送電コイル１１ｂのみに１Ａの電流を流したときには、径（Ｒ_０）が４８０ｍｍのときに、Ｚ方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。

次に、送電コイル１１ａに２Ａの電流を流しつつ、送電コイル１１ｂに１Ａの電流を流したときの特性を図７（ｂ）を用いて説明する。磁束密度の計測条件は上記と同様である。図７（ｂ）に示すように、径（Ｒ_０）が４５０ｍｍのときに、Ｚ方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。図７（ａ）と比較した場合に、複数の送電コイル１１ａ、１１ｂに電流を流すことで、送電コイル１１ａの磁束特性と、送電コイル１１ｂの磁束特性との間の中間的な磁束特性が得られる。すなわち、所定の比率の振幅をもつ電流を２つの送電コイル１１ａ、１１ｂに流すことで、１つの送電コイルが擬似的にあるような磁束特性を得ることができ、さらに、１つの擬似的な送電コイルは、２つの送電コイル１１ａ、１１ｂとは異なるサイズ（コイル面の面積）にすることができる。

本例の非接触給電システムでは、電流を流すために選択する送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び選択したコイルに流す電流振幅の大きさが、マップにより決まっている。マップは、受電コイル２１のコイル面の面積及びコイル間距離に対する、選択コイル及び電流振幅との対応関係を示しており、メモリ１６に記録されている。

メモリ１６のマップは、以下の方法で作成される。図８は送電コイル１１ａ、１１ｂ及び受電コイル２１の断面図を示し、図９は受電コイル２１のサイズに対する送電コイル１１ａ、１１ｂの電流振幅比の特性を示したグラフである。

図８に示すように、送電コイル１１ａ、１１ｂのコイル面の中心点を原点として、座標をとり、受電コイル２１の中心点と送電コイル１１ａ、１１ｂの中始点が、Ｚ軸上にあるとする。また、図８は、ＸＺ平面（図２を参照）の断面において、受電コイル２１を座標（ｘ、ｚ）及び座標（−ｘ、ｚ）で表す。またコイル間距離（Ｇ）は１００ｍｍとする。送電コイル１１ａの直径（Ｄ_１ａ）は４００ｍｍ、送電コイル１１ｂの直径（Ｄ_１ｂ）は８００ｍｍとする。

そして、座標（ｘ、ｚ）及び座標（−ｘ、ｚ）において、Ｚ方向成分の磁束密度がゼロになるような送電コイル１１ａ、１１ｂの電流比を、受電コイル２１のコイル面の直径（受電コイルサイズ）に応じて求めると、図９に示すような特性となる。ただし、Ｉａは送電コイル１１ａの電流振幅を示し、Ｉｂは送電コイル１１ｂの電流振幅を示す。

座標（ｘ、ｚ）及び座標（−ｘ、ｚ）において、Ｚ方向成分の磁束密度がゼロになる場合には、座標（−ｘ、ｚ）から座標（−ｘ、ｚ）の範囲内ではＺ方向の磁束密度は正方向になり、当該範囲外ではＺ方向の磁束密度は負方向になる。例えば、受電コイル２１の大きさが８４０ｍｍのときには、送電コイル１１ａ、１１ｂの電流振幅の比（Ｉｂ／Ｉａ）が１／１に設定されれば、受電コイル２１のコイル面に対して、最も効率よく磁束を鎖交させることができる。これにより、コイル間距離をある値に固定しつつ、受電コイル２１の大きさに応じて、選択すべき送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び電流振幅比の関係を得ることができる。また、受電コイル２１の大きさを固定しつつコイル間距離を変化させれば、コイル間距離に応じて、選択すべき送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び電流振幅比の関係を得ることができる。

上記のような作成方法で、受電コイル２１の大きさ及びコイル間距離に応じた、選択すべき送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び電流振幅比の関係をマップで表すと、図１０のように表される。

図１０はマップを説明するためのグラフである。横軸は受電コイル２１の大きさを示し、縦軸はコイル間距離を示す。受電コイル２１の大きさは、コイル面の径の大きさ又はコイル面の面積の大きさで示される。また「コイル１」は送電コイル１１ａを示し、「コイル２」は送電コイル１１ｂを示し、「コイル３」は送電コイル１１ｃを示す。Ｉ_１は送電コイル１１ａに流す電流振幅を示し、Ｉ_２は送電コイル１１ｂに流す電流振幅を示し、Ｉ_３は送電コイル１１ｃに流す電流振幅を示す。

例えば受電コイル２１の大きさ（面積）がＳａであり、コイル間距離がＧａである場合には、送電コイル１１ａ及び送電コイル１１ｂに電流を流し、電流振幅の比（Ｉ_１：Ｉ_２）は１対１となる。また、例えば受電コイル２１の大きさ（面積）がＳｂであり、コイル間距離がＧｂである場合には、送電コイル１１ｂ及び送電コイル１１ｃに電流を流し、電流振幅の比（Ｉ_２：Ｉ_３）は２対１となる。

そして、マップに基づいて選択された複数の送電コイル１１а〜１１ｃに、設定された電流振幅で電流が流れると、選択された複数の送電コイル１１а〜１１ｃが励磁する。さらに、励磁されたコイルの合成コイルと受電コイル２１との間には、式（３）が成立するため、励磁されたコイルの合成コイルのコイル面積がＳ_１で表わされる。

制御器１５は、受電コイル検出部１７を用いて受電コイル２１の大きさとコイル間距離を検出し、マップを参照して、検出結果（受電コイル２１の大きさとコイル間距離）に対応する選択コイル及び電流振幅を演算する。制御器１５は、選択したコイルに対応する振幅調整回路１３ａ〜１３ｃを動作させて、選択しないコイルに対応する振幅調整回路１３ａ〜１３ｃを停止させる。そして、制御器１５は、演算した振幅比になるように、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃ及びインバータ１４を制御して、選択した送電コイル１１ａ〜１１ｃに対して、演算した電流振幅比の電流を流す。これにより、制御器１５は、受電コイル２１のコイル面の面積、及び、送電コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源３０から励磁コイルに出力される電力を制御している。

次に、制御器１５及び受電コイル検出部１７の制御フローを、図１１を用いて説明する。図１１は制御器１５及び受電コイル検出部１７の制御フローを示すフローチャートである。なお、図１１の制御フローは、車両の進入を検出してから、給電を開始するまでの制御フローである。

ステップＳ１にて、受電コイル検出部１７は、通信器１８を用いて、受電コイル２１の位置を検出することで、地上側ユニットを備えた駐車スペースに車両の進入があったか否かを判定する。車両の進入があった場合には、受電コイル検出部１７は起動信号を制御器１５に送信し、制御器１５は当該起動信号を受信することでメインのシステムを起動させる。

ステップＳ３にて、制御器１５は受電コイル検出部１７を用いて、受電コイル２１の大きさを検出する。ステップＳ４にて、制御器１５は受電コイル検出部１７を用いて、コイル間距離を検出する。ステップＳ５にて、制御器１５はメモリ１６に記録されているマップを参照しつつ、検出した受電コイル２１の大きさ及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルを選択する。励磁するコイルは実際に電流を流すコイルである。ステップＳ６にて、制御器１５はメモリ１６に記録されているマップを参照しつつ、検出した受電コイル２１の大きさ及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルの電流振幅比を設定する。ステップＳ８にて、制御器１５は、設定した電流振幅比の電流が励磁させるコイル（選択コイル）に流れるように、振幅調整回路１３ａ〜１３ｃ及びインバータ１４を制御して、給電を開始する。そして、図１１に示す制御フローが終了する。

上記のように、本例は、受電コイル２１を検出しつつ、受電コイル２１のコイル面の面積、及び、コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源３０から励磁コイルに出力される電力を制御している。これにより、送電コイル１１ａ〜１１ｃから発生した磁束の広がりを考慮した上で、受電コイル２１のコイル面の面積に対して最適な送電コイル面積を設定できるので、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。

一般的に、非接触給電システムを電子機器等の用途に用いる場合には、給電電力が数Ｗ以下であり、コイル間のギャップの変動に対して、損失よりも安定した出力性能が求められる。そのためコイル間の効率が４０〜５０％程度であっても、十分に成立する。一方、電気自動車等の移動体に非接触給電システムを適用した場合には、数ｋＷ以上の給電電力が求められる。例えば、負荷２３に含まれるバッテリの電池容量が２４ｋＷｈである場合には、３ｋＷの給電で８時間を必要とする。そのため、損失が大きい場合には、給電させる際の出力を上げることになり、コイルの温度が高くなり、長時間の連続給電に影響を及ぼす可能性がある。また、コイル温度を下げる冷却設備が必要となるため、システムのコスト増となり、また装置の大型化にもなる。

さらに、電気自動車等に対して電力を供給する場合には、地上側のユニットは、様々な車種に対応することが求められる。すなわち、受電コイル２１の位置及びコイル間の距離は、車種によって異なるため、送電側ユニットが１つの充電器コイルの位置及び大きさのみを想定して設計されると、位置または大きさが変わった場合に、送電効率が低下する。

また、あらゆる受電コイル２１に対応するためには、送電コイルの数を多くして、受電コイルのコイル面の大きさとコイル間距離に応じて、適切なサイズのコイルが１つだけ選択できるような構成も考えられる。しかしながら、多くの車種に対応させるためには、送電コイルの数が膨大になってしまう。

本例は、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃを少ない個数で構成しつつ、受電コイルのコイル面の大きさとコイル間距離に応じて、適切なコイル面の大きさの送電コイルとなるように、合成コイルを形成している。そのため、受電コイル２１の大きさ等が異なる場合でも、送電効率を高い状態で保つことができる。その結果として、コイル温度の上昇も抑制できる。さらに、送電コイルの数が少ない分、地上側ユニットの小型化及びコスト減を実現できる。

また本発明は、励磁する送電コイル１１ａ〜１１ｃと受電コイルとの間で、式（３）の関係式を満たすように、送電コイル１１ａ〜１１ｃに流す電流を制御している。これにより、送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面の面積が、受電コイル２１のコイル面に対して最適な面積になるため、コイル間の結合係数を高めることができる。

また本例は、送電コイル１１ａ〜１１ｃにうち選択した複数のコイルに、同時に電力を供給する。これにより、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃによる磁束を合成して、磁束分布を、最適なコイル面積をもつコイルに近づけることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。

また本例は、受電コイル２１のコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃに流す電流の振幅を設定する。これにより、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃによる磁束を合成して、磁束分布を、最適なコイル面積をもつコイルに近づけることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。

また本例の送電コイル１１ａ〜１１ｃは、コイル面の法線方向から見たときに互いのコイル面が重なる位置に配置されている。これにより、送電コイル１１ａ〜１１ｃと受電コイル２１が正対した場合には、どの送電コイル１１ａ〜１１ｃに電流を流しても、受電コイル２１に対して磁束を送ることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。

また本例では、バッテリ情報（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ等）を送信するための通信器１８、２８を用いて、受電コイル２１の情報を送信している。そのため、受電コイル２１のコイル情報を送信するために専用の通信機を別途設けなくてもよい。

なお、本例は、受電コイル２１のコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、電流振幅比を設定したが、電流振幅の代わりに、電流位相を設定してもよい。

なお、送電コイル１１ａ〜１１ｃ又は受電コイル２１ｃのコイル面の面積について、図１２（ａ）に示すように、送電コイル１１ａ〜１１ｃ又は受電コイル２１ｃがループ状のコイルである場合には、図１２（ａ）の円Ｐで囲った部分がコイル面の面積となる。一方、送電コイル１１ａ〜１１ｃ又は受電コイル２１ｃがソレノイド型である場合には、図１２（ａ）の矩形Ｑで囲った部分がコイル面の面積となる。

上記の受電コイル検出部１７が本発明の「受電コイル検出手段」に相当し、制御器１５が本発明の「制御手段」に相当する。

《第２実施形態》
図１３、１４は、発明の他の実施形態に係る非接触給電システムのコイル形状を説明するための図である。本例では上述した第１実施形態に対して、送電コイル１１ａ〜１１ｃの形状が異なる。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。

図１３は送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び受電コイル２１の平面図を示し、図１４は送電コイル１１ａ〜１１ｃ及び受電コイル２１の側面図を示す。なお図１３の矢印は車両の進行方向を示している。

送電コイル１１ａ〜１１ｃは矩形状のコイルである。送電コイル１１ａ〜１１ｃのＹ方向の長さは、受電コイル２１の直径（５００ｍｍ）より少し長い程度であって、送電コイル１１ａの長さ（Ｄ_１ａ）が５５０ｍｍ、送電コイル１１ｂの長さ（Ｄ_１ｂ）が６００ｍｍ、送電コイル１１ｃの長さ（Ｄ_１ｃ）が７００ｍｍである。一方、送電コイル１１ａ〜１１ｃのＹ方向の長さは、受電コイル２１の直径（５００ｍｍ）よりも随分長い。コイル間距離（Ｇ）は２００ｍｍである。送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面は、矩形状で囲われる部分である。

制御器１５は、第１実施形態と同様に、受電コイル２１を検出しつつ、受電コイル２１のコイル面の面積、及び、コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル１１ａ〜１１ｃのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源３０から励磁コイルに出力される電力を制御している。

走行中の車両に対して非接触で電力を供給するためには、ループ状の複数の送電コイル１が、車両の進行方向に沿って並べるような構成も考えられる。このとき、受電コイルは、車両の速度より、時速数十km〜百kmで移動することになる。そのため、受電コイルが車両の進行方向に並べられたコイルを通過する時間は、数十ミリ秒〜百数十ミリ秒となり、この時間で通電コイルを切り替えなければ、受電コイルは連続した磁界を受け取ることができない。ゆえに、このようなシステム構成では、インフラコストが膨大になってしまう。

実施形態２に係るシステムでは、車両の進行方向のコイル長が、車両の幅方向のコイル長さに対して、十分長くすることで、コストと給電性能のバランスを図ることができる。そして、送電コイル１１ａ〜１１ｃの幅（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｂ、Ｄ_１ｃ）は、第１実施形態に係る送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面の直径（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｂ、Ｄ_１ｃ）と同様に決めつつ、受電コイルのコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルが選択に切り替えられ、電流振幅が設定される。これにより、走行する移動体に対して給電するシステムにおいても、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。

《第３実施形態》
図１５、１６は、発明の他の実施形態に係る非接触給電システムのコイル形状を説明するための図である。本例では上述した第１実施形態に対して、送電コイル１１ａ〜１１ｃの形状が異なる。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。

送電コイル１１ａ〜１１ｃは、コイル面をＸＹ平面と平行になるように、走行路面に設けられている。送電コイル１１ａ〜１１ｃは、Ｚ方向に重ねて配置されている。送電コイル１１ａ〜１１ｃの大きさについて、車両の進行方向であるＸ方向への長さは受電コイル２１のＸ方向の長さ（Ｄ_２）と比較して十分に長く、Ｙ方向への長さは、受電コイル２１のＹ方向の長さ（Ｄ_２）より少し長い。

送電コイル１１ａ〜１１ｃは、導線を曲げることでループ状のコイルを複数有している。そして、ループ状のコイルの面積は、送電コイル１１ａ〜１１ｃ毎で異なるように形成されており、送電コイル１１ｃのコイル面の面積が最も大きい。

また、送電コイル１１ａ〜１１ｃは、ＸＹ平面において導線を交差させて、交差した部分を境に複数のループ状のコイルを形成している。送電コイル１１ａ〜１１ｃのピッチ長（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｃ、Ｄ_１ｃ）はそれぞれ異なっており、送電コイル１１ａのピッチ長（Ｄ_１ａ）が最も短い。また、送電コイル１１ａ〜１１ｃのピッチ長（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｃ、Ｄ_１ｃ）は、導線交差した部分（交差した点）の間隔にも相当する。送電コイル１１ａ〜１１ｃのＹ方向の長さは、対応するピッチ長（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｃ、Ｄ_１ｃ）とそれぞれ等しい。

そして、隣り合うループ状のコイルについて、送電コイル１１ａ〜１１ｃのうち、制御器１５により選択されたコイルに交流電流が流れると、隣接するループ状コイルのうち一方のコイルには交流電流が時計回りに流れ、他方のコイルには交流電流が反時計回りに流れる。すなわちｘ方向で隣り合うループ状のコイルにおいて、ループ状に流れる交流電流の導通方向は、交差した部分を境に、互いに逆方向になっている。

第２実施形態と同様に、本例のシステムでは、車両の進行方向のコイル長が、車両の幅方向のコイル長さに対して、十分長くすることで、コストと給電性能のバランスを図ることができる。

図１５に示すような、コイル線を交差させるコイル（ラダーコイル）では、隣接する交叉ループ間で磁界が逆向きになるため、漏洩磁界も低減できる。そして、ピッチ長を短くすれば、隣同士でより磁界がキャンセルし易くなり、漏洩磁界は低減できる。しかしながら、ピッチ長は所定の長さ以下なると、結合係数も小さくなる点を考慮しなければならない。

以下、図１７、図１８を用いて、ピッチ長と結合係数との関係について説明する。図１７は送電コイル１１ｃ及び受電コイル２１の斜視図を示し、図１８はピッチ長に対する結合係数の特性を、コイル間距離（Ｇ）毎で示したグラフである。なお、送電コイル１１ｃのＸ方向の長さは５ｍ、Ｙ方向の長さは０．７ｍとし、受電コイル２１を０．５ｍ四方の矩形状のコイルとする。

図１８に示すように、結合係数は、ピッチ長に対して、ある１点でピーク値をととり、ピッチ長が、ピークをとるピッチ長より小さくなると、結合係数は急激に減少する。すなわち、図１８に示す特性から分かるように、図１７に示すラダーコイルにおいて、コイル面の面積が一定以上あったとしても、ピッチ長はある程度の長さを必要とする。

そして、送電コイル１１ａ〜１１ｃのピッチ長（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｂ、Ｄ_１ｃ）は、第１実施形態に係る送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面の直径（Ｄ_１ａ、Ｄ_１ｂ、Ｄ_１ｃ）と同様に決めつつ、受電コイルのコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルが選択に切り替えられ、電流振幅が設定される。これにより、走行する移動体に対して給電するシステムにおいても、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。

なお、送電コイル１１ａ〜１１ｃのコイル面の面積について、図１９に示すように、送電コイル１１ａ〜１１ｃがラダーコイルである場合には、図１９の矩形Ｒで囲った部分がコイル面の面積となる。

１０…給電装置
１１ａ〜１１ｃ…送電コイル
１２ａ〜１２ｃ…共振コンデンサ
１３ａ〜１３ｃ…振幅調整回路
１４…インバータ
１５…制御器
１６…メモリ
１７…受電コイル検出部
１８…通信器
２１…受電コイル

Claims (5)

1. 受電コイルに対して、少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
   コイル面を互いに平行な位置に配置しつつ、前記コイル面の面積が異なる複数の送電コイルと、
   前記受電コイルを検出する受電コイル検出手段と、
   前記受電コイル検出手段の検出結果に基づいて、電源から励磁コイルに出力される電力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記受電コイルのコイル面の面積、及び、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離に応じて、前記複数の送電コイルのうち励磁させるコイルを前記励磁コイルとして選択する
   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、
   前記励磁コイルと前記受電コイルとの間は
   

   

   の関係式を満たす
   ことを特徴とする非接触給電装置。
   ただし、
   Ｓ_１は前記励磁コイルを合成した合成コイルのコイル面の面積を示し、
   Ｓ_２は前記受電コイルのコイル面の面積を示し、
   Ｇは前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を示し、
   θは２１°以上から２５°以下までの間とする。
3. 請求項１又は２記載の非接触給電装置において、
   前記制御手段は、
   前記電源から複数の前記励磁コイルに同時に電力を出力する
   ことを特徴とする非接触給電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
   前記制御手段は、
   前記受電コイルのコイル面の面積、及び、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離に応じて、前記電源から複数の前記励磁コイルに流す電流の振幅又は位相を設定する
   ことを特徴とする非接触給電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
   前記複数の送電コイルは、
   前記コイル面の法線方向から見たときに互いのコイル面が重なる位置に、配置されている
   ことを特徴とする非接触給電装置。

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