WO2011118404A1

WO2011118404A1 - 給電装置

Info

Publication number: WO2011118404A1
Application number: PCT/JP2011/055641
Authority: WO
Inventors: 天野　也寸志; 真士市川
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-09-29
Also published as: CN102835002A; EP2551991A1; US20130009462A1; JP2011200052A

Abstract

　車両充電システムは、道路（１０）側に設けられた複数の一次自己共振コイル（２０，２２）と、車両（１４）に設けられた複数の二次自己共振コイル（２４，２６）とを含み、一次自己共振コイル（２０，２２）から二次自己共振コイル（２４，２６）へ給電する。それぞれの一次自己共振コイル（２０，２２）は、隣り合う一次自己共振コイル（２０，２２）に対し互いの共振周波数を異ならせる。それぞれの二次自己共振コイル（２４，２６）は、隣り合う二次自己共振コイル（２４，２６）に対し互いの共振周波数を異ならせる。

Description

給電装置

　本発明は、第１部分に設けられた複数の一次コイルと、第２部分に設けられた複数の二次コイルとを備え、一次コイルから二次コイルへ給電する給電装置に関する。

　従来から、電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両において、車輪を駆動する走行用モータをバッテリから供給される電力により駆動することが考えられている。例えば、ハイブリッド車両は、走行用モータとエンジンとを搭載し、走行用モータとエンジンとの少なくとも一方を車両の駆動源として使用する。

　このような電動車両では、バッテリの充電電力がなくなると、エンジンにより発電機を駆動し、発電機により発電した電力をバッテリに供給し、充電したり、古いバッテリを新しいバッテリに交換したり、外部交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換後、バッテリに供給し、充電することが考えられている。例えば、プラグインハイブリッド車と呼ばれる車両の場合、家庭用電源等の外部電源に接続されたコンセントに充電ケーブルの片側に設けられたプラグを接続し、充電ケーブルの他側に設けられたプラグを車両に設けた充電口に接続することで充電することが考えられている。これに対して、固定側に設けられた一次コイルから、移動体である車両側に設けられた二次コイルへワイヤレスで給電する移動体給電装置を用いて、車両にワイヤレスで外部電源から電力を送電し、バッテリを充電することが考えられている。

　例えば、特許文献１に記載されているように、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電である、共鳴法を用いた送電により、車両外部の電源から車載の蓄電装置への充電を可能とする充電システムが知られている。この充電システムは、電動車両と、給電装置とを備える。電動車両は、給電装置の一次共振コイルと電磁場の共鳴により電磁気的に結合され、一次共振コイルから高周波電力を受電可能な二次共振コイルと、二次共振コイルから電磁誘導によって受電可能に構成される二次コイルと、整流器と、蓄電装置とを含む。整流器は、二次コイルが受電した電力を整流し、蓄電装置は、整流器によって整流された電力を蓄電する。また、特許文献１には、車両側において、二次共振コイルと二次コイルとの一方または両方を複数セットとしたり、給電装置側において、一次共振コイルと一次コイルとの一方または両方を複数セットとすることが記載されている。

　また、特許文献２には、移動体の移動経路に設けられた多数の給電モジュールと、移動体に設けられた多数の受電モジュールとを備える非接触給電装置が記載されている。給電モジュールは、給電回路を給電用コイルに一体化している。受電モジュールは、受電回路を受電用コイルに一体化している。交流電源からの交流は、給電モジュールで高周波の正弦波に変換され、それぞれの給電用コイルに供給して高周波磁界を発生させる。移動体に設けた受電用コイルが給電用コイルに近接しているときに、受電用コイルに給電用コイルの間で発生する誘導起電力が受電され、受電された電力は整流された後、移動体を駆動させる電動モータ等の負荷へ供給するとされている。

特開２００９－１０６１３６号公報特開２００６－１２１７９１号公報

　上記の特許文献１に記載された充電システムの場合、ワイヤレス送電である、共鳴法を用いた送電により、車両外部の電源から車載の蓄電装置への充電を可能としているが、固定側の一次共振コイルと、移動体側の二次共振コイルとをそれぞれ複数ずつ設けることは記載されていない。このため、車両の走行中に車両外部の給電装置から車載の蓄電装置へ送電する場合に、複数の一次共振コイルから複数の二次共振コイルで受電するようにし、個々のコイル当たりで送電または受電する電力を低減する面から改良の余地がある。個々のコイル当たりで送電または受電する電力が大きくなると銅損等により損失が大きくなる可能性がある。

　これに対して、特許文献２に記載された非接触給電装置の場合、複数の給電用コイル及び受電用コイルを設けているため、複数の給電用コイルから複数の受電用コイルに同時に送電して個々のコイル当たりで送電または受電する電力を低くできる可能性がないとはいえない。ただし、複数のコイルとして互いに同じ共振周波数のコイルを使用する場合には、電磁界共鳴を使った共鳴方式によりコイル間で送受電する場合に、近くに位置するコイル同士が共振して高い伝送効率での送電を行えない可能性がある。また、移動体の移動に伴ってコイル間の位置関係が変化する場合に共振周波数が変化することにより、送電する電力の周波数設定が複雑になる可能性がある。

　また、このような移動体給電装置に限定しない給電装置の構成で、第１部分に設けられた一次コイルから第２部分に設けられた二次コイルへ給電する場合でも、上記と同様に電磁界共鳴を使用した送受電を行う場合に伝送効率を高くすることが求められている。

　本発明は、給電装置において、複数の一次コイルと複数の二次コイルとを使用して、電磁界共鳴を使用した送受電を行う場合でも伝送効率を高くすることを目的とする。

　本発明に係る給電装置は、第１部分に設けられた複数の一次コイルと、第２部分に設けられた複数の二次コイルとを備え、一次コイルから二次コイルへ給電する給電装置であって、それぞれの一次コイルは、隣り合う一次コイルに対し互いの共振周波数を異ならせており、それぞれの二次コイルは、隣り合う二次コイルに対し互いの共振周波数を異ならせていることを特徴とする給電装置である。

　また、本発明に係る給電装置において、好ましくは、複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、複数の一次コイルは、互いに共振周波数が異なる少なくとも１の第１一次コイルと少なくとも１の第２一次コイルとを含み、第１一次コイルと第２一次コイルとは、移動体の移動方向に関して交互に配置しており、複数の二次コイルは、互いに共振周波数が異なる少なくとも１の第１二次コイルと少なくとも１の第２二次コイルとを含み、第１二次コイルと第２二次コイルとは、移動体の移動方向に関して交互に配置している。

　また、本発明に係る給電装置において、好ましくは、複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、複数の二次コイルは、移動体の移動方向に沿って一列に配置されており、複数の一次コイルは、移動体の移動に伴って、複数の二次コイルに上下方向に対向可能に一列に配置されている。

　また、本発明に係る給電装置において、好ましくは、複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、複数の二次コイルは、移動体の移動方向に沿って複数列に配置されており、複数の一次コイルは、移動体の移動に伴って、複数の二次コイルの対応する列に上下方向に対向可能に複数列に配置されている。

　また、本発明に係る給電装置において、好ましくは、それぞれの一次コイルは、隣り合う一次コイルに対し、互いに半径と軸方向長さと巻き数とのいずれか１以上を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせており、それぞれの二次コイルは、隣り合う二次コイルに対し、互いに半径と軸方向長さと巻き数とのいずれか１以上を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせている。

　また、本発明に係る給電装置において、好ましくは、複数の一次コイル及び二次コイルの一方または両方のそれぞれに接続されたコンデンサを備え、複数の一次コイル及び二次コイルの一方または両方のそれぞれは、隣り合う一次コイルまたは隣り合う二次コイルに対し、それぞれに接続したコンデンサの容量を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせている。

　本発明に係る給電装置によれば、複数の一次コイルと複数の二次コイルとを使用して、電磁界共鳴を使用した送受電を行う場合でも伝送効率を高くできる。

本発明の第１の実施の形態の給電装置である車両充電システムを示す全体構成図である。図１において、二次蓄電側コイルから蓄電部に充電し、蓄電部によりモータを駆動するための回路を示す図である。第１の実施の形態において、道路側の一次自己共振コイルと、車両側の二次自己共振コイルとが対向した様子を示す模式図である。第１の実施の形態において、互いに隣り合う２種類の一次自己共振コイルまたは二次自己共振コイルを示す斜視図である。本発明の範囲から外れる比較例において、互いに共振周波数が同じ２の一次コイルと、互いに共振周波数が同じ２の二次コイルとを配置し、一次コイルと二次コイルとを対向させた様子を示す模式図である。図５の配置位置で１の一次コイルから自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果の１例を示す図である。一次コイル及び二次コイルをそれぞれ１のみ設けて、一次コイル及び二次コイルを対向させた様子を示す模式図である。図７の配置位置で一次コイルから自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果の１例を示す図である。第１の実施の形態の効果を確認するために行ったシミュレーションに使用した構成を示す模式図である。図９のコイル構成で、それぞれの組が軸方向に正対する一次コイルと二次コイルとにより構成される２の組が互いに大きく離れて存在すると仮定した場合に、一次コイルから自己及び対向する二次コイルに電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果の１例を示す図である。図９の配置構成で、１の一次コイルから自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果を示す図である。図９の配置構成で、別の一次コイルから自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果を示す図である。第１の実施の形態において、互いに隣り合う２種類の一次自己共振コイルまたは二次自己共振コイルの別例の第１例を示す斜視図である。第１の実施の形態において、互いに隣り合う２種類の一次自己共振コイルまたは二次自己共振コイルの別例の第２例を示す斜視図である。第１の実施の形態において、互いに隣り合う２種類の一次自己共振コイルまたは二次自己共振コイルの別例の第３例を示す斜視図である。本発明に係る第２の実施の形態において、一次自己共振コイル及び二次自己共振コイルが対向する様子を示す略斜視図である。第２の実施の形態において、道路上で車両が移動する場合の一次自己共振コイル及び二次自己共振コイルの配置構成を上方から下方に見た略図である。

［第１の発明の実施の形態］
　以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図４は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１に示すように、本実施の形態の給電装置であり、移動体給電装置である車両充電システムは、第１部分であり、かつ、固定側である道路１０側に設けられた一次自己共振コイル群１２と、第２部分であり、かつ、移動体である車両１４に設けられた二次自己共振コイル群１６とを備え、一次自己共振コイル群１２から二次自己共振コイル群１６へ給電する。すなわち、車両充電システムは、車両１４への給電のために用いられる。このため、車両充電システムは、給電装置１８と、電動車両である車両１４とを備える。

　給電装置１８は、交流電源２８と、複数の一次電源側コイル３０と、一次自己共振コイル群１２と、図示しない制御部である一次側コントローラと、図示しない切換スイッチとを含む。一次自己共振コイル群１２は、それぞれ一次コイルである複数ずつの第１一次自己共振コイル２０及び第２一次自己共振コイル２２により構成する。交流電源２８は、外部電源であり、例えば系統電源である。交流電源２８と各一次電源側コイル３０とは、高周波電力ドライバ３２を介して接続している。また、切換スイッチは、交流電源２８と複数の高周波電力ドライバ３２との間に各高周波電力ドライバ３２で共通に設けている。一次側コントローラは、切換スイッチの接続遮断の切り換えを制御する。切換スイッチの接続により、交流電源２８から各高周波電力ドライバ３２に交流電力が供給される。高周波電力ドライバ３２は、交流電源２８から出力される電力を周波数変換した電力を一次電源側コイル３０へ出力する。

　一次電源側コイル３０は、電磁誘導によって対応する一次自己共振コイル２０（または２２）へ送電可能に構成される。好ましくは、一次電源側コイル３０は、対応する一次自己共振コイル２０（または２２）と同軸上に配置される。一次電源側コイル３０は、交流電源２８からの電力を、対応する一次自己共振コイル２０（または２２）へ出力する。図３に模式図で示すように、各一次自己共振コイル２０，２２は、道路１０の充電専用区間である直線路に、車両１４（図１）の移動方向である直線方向（図３の左右方向）に、第１一次自己共振コイル２０と第２一次自己共振コイル２２とを交互に、かつ、一列に並ぶように配置している。例えば、複数の一次自己共振コイル２０、２２は、軸方向を上下方向に向けるように、直線上に一列等、それぞれの中心軸同士の間隔が同じとなるように配置している。また、第１一次自己共振コイル２０と第２一次自己共振コイル２２とは、後で詳しく説明するように、互いに共振周波数を異ならせている。

　また、図１に示すように、一次電源側コイル３０は、道路１０の直線路の地面近傍に、一次自己共振コイル２０（または２２）の下側にそれぞれ上下方向に略対向するように配置される。また、一次自己共振コイル２０，２２は両端がオープンである非接続のＬＣ共振コイルである。また、高周波電力ドライバ３２は、交流電源２８から出力される電力を、対応する一次自己共振コイル２０（または２２）から車両１４側の対応する二次自己共振コイル２４（または２６）へ送電可能な高周波電力に変換し、その変換した高周波電力を、対応する一次電源側コイル３０へ供給する。

　一方、車両１４は、例えば図示しないエンジンと走行用モータ３４との少なくとも一方を主駆動源とするハイブリッド車両、または走行用モータ３４を主駆動源とする電気自動車である電動車両である。車両１４は、床部付近に配置された二次自己共振コイル群１６と、複数の二次蓄電側コイル３６と、整流器３８と、蓄電部４０と、インバータ回路を含む駆動部４１と、制御部である二次側コントローラ４２（図２）と、走行用モータ４４とを備える。

　二次自己共振コイル群１６は、それぞれ二次コイルである複数ずつの第１二次自己共振コイル２４及び第２二次自己共振コイル２６を含む。また、複数の二次蓄電側コイル３６は、複数の二次自己共振コイル２４、２６に上下方向に対向して配置される。また、整流器３８は、二次蓄電側コイル３６にそれぞれ接続される。

　二次自己共振コイル２４，２６は両端がオープンのＬＣ共振コイルである。複数の二次自己共振コイル２４，２６は、例えば、軸方向を上下方向に向けるように、車両１４の前後方向に並ぶように配置している。図３に模式図で示すように、車両１４（図１）において、車両１４の移動方向である前後方向（図１の左右方向）に、第１二次自己共振コイル２４と第２二次自己共振コイル２６とを交互に、かつ、一列に並ぶように配置している。また、道路１０側に配置される複数の一次自己共振コイル２０，２２は、車両１４の移動に伴って、複数の二次自己共振コイル２４，２６に上下方向に対向可能に一列に配置している。また、第１二次自己共振コイル２４と第２二次自己共振コイル２６とは、後で詳しく説明するように互いに共振周波数を異ならせている。

　二次自己共振コイル２４，２６は、道路１０側の一次自己共振コイル２０，２２に対し電磁場の共鳴により電磁気的に結合され、一次自己共振コイル２０，２２から電力の受電可能に構成される。二次自己共振コイル２４，２６は、蓄電部４０（図１、図２）の電圧、一次自己共振コイル２０，２２と二次自己共振コイル２４，２６との間の距離、一次自己共振コイル２０，２２と二次自己共振コイル２４，２６との共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル２０，２２と二次自己共振コイル２４，２６とのコイルの共振の鋭さを表す値（Ｑ値）及びその結合度を示す値等が大きくなるように巻数が設定されている。

　図２に示すように、二次蓄電側コイル３６は、電磁誘導によって二次自己共振コイル２４，２６（図１）からの電力の受電可能に構成され、好ましくは対応する二次自己共振コイル２４，２６と同軸上に配置される。二次蓄電側コイル３６は、二次自己共振コイル２４，２６から受電した電力を整流器３８へ出力する。整流器３８は、二次蓄電側コイル３６から受ける高周波の交流電力を直流電力に整流して蓄電部４０へ出力する。なお、整流器３８に代えて、二次蓄電側コイル３６から受ける高周波の交流電力を、蓄電部４０に供給する直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。

　蓄電部４０は、充放電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリ等の二次電池により構成している。蓄電部４０は、整流器３８から供給される電力を蓄える以外に、車輪の制動に伴って走行用モータ４４で発電された電力を蓄える機能も有する。蓄電部４０は、二次側コントローラ４２へ電力を供給可能である。なお、蓄電部４０として、大容量のキャパシタを使用することもできる。

　駆動部４１は、蓄電部４０から供給される電力を交流電圧に変換して走行用モータ４４へ出力し、走行用モータ４４を駆動する。また、駆動部４１は、走行用モータ４４により発電された電力を直流電力に整流して蓄電部４０へ出力し、蓄電部４０を充電する。

　走行用モータ４４は、蓄電部４０から駆動部４１を介して電力を供給され、車両駆動力を発生し、その発生した駆動力を車輪へ出力する。

　また、図２に詳しく示すように、蓄電部４０に対し第１スイッチ４６を介して、二次蓄電側コイル３６に接続した整流器３８を接続し、蓄電部４０の正極側及び負極側と駆動部４１との間に第２スイッチ４８を設けている。例えば、二次側コントローラ４２は、運転者によるスイッチ等の操作部の操作に基づいて、第１スイッチ４６と第２スイッチ４８との一方を接続し、他方を遮断することで、走行用モータ４４に電力を供給することにより、走行用モータ４４を駆動するか、または交流電源２８（図１）から蓄電部４０へ充電するかを切換可能としている。

　また、図３に示すように、互いに隣り合う第１一次自己共振コイル２０と第２一次自己共振コイル２２との共振周波数を異ならせている。このため、複数の一次自己共振コイル２０，２２のそれぞれは、隣り合う一次自己共振コイル２０（または２２）に対し互いの共振周波数が異なっている。このために、図４に示すように、隣り合う第１一次自己共振コイル２０及び第２一次自己共振コイル２２同士で半径Ｒ２０，Ｒ２２を異ならせている。すなわち、図３に示すように、一次自己共振コイル群１２は、車両１４（図１）の移動方向（図３の矢印方向）に沿って１つ置きで配置された、同じ第１の半径Ｒ２０を有する第１一次自己共振コイル２０と、２の第１一次自己共振コイル２０の間に配置され、第１の半径Ｒ２０とは異なる第２の半径Ｒ２２を有する第２一次自己共振コイル２２とを含む。そして、互いに隣り合う第１一次自己共振コイルと第２一次自己共振コイルとの共振周波数を異ならせている。このため、複数の一次自己共振コイル２０，２２は、車両１４の移動方向に関して交互に共振周波数が変化している。また、第１一次自己共振コイル２０と、第２一次自己共振コイル２２とは、半径を除いて、軸方向長さ等の他の形状を同じにしている。

　また、複数の二次自己共振コイル２４，２６は、車両１４（図１）の前後方向（図３の矢印方向）に隣り合う二次自己共振コイル２４（または２６）に対し互いの共振周波数が異なっている。このために、図４に示すように、隣り合う第１二次自己共振コイル２４及び第２二次自己共振コイル２６同士で半径Ｒ２４，２６を異ならせている。すなわち、二次自己共振コイル群１６（図３）は、車両１４の移動方向に沿って１つ置きで配置された同じ第１の半径Ｒ２４を有する第１二次自己共振コイル２４と、２の第１二次自己共振コイル２４の間に配置され、第１の半径Ｒ２４とは異なる第２の半径Ｒ２６を有する第２二次自己共振コイル２６とを含む。したがって、複数の二次自己共振コイル２４，２６は、車両１４の移動方向に関して交互に共振周波数が変化している。また、第１二次自己共振コイル２４と、第２二次自己共振コイル２６とは、半径を除いて、軸方向長さ等の他の形状を同じにしている。

　また、第１二次自己共振コイル２４の共振周波数は、第１一次自己共振コイル２０の共振周波数と一致させ、第２二次自己共振コイル２６の共振周波数は、第２一次自己共振コイル２２の共振周波数と一致させている。また、隣り合う二次自己共振コイル２４，２６の中心間の間隔と、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２の中心間の間隔とを、少なくとも複数の一次自己共振コイル２０，２２の一部に対応する部分または全部に対応する部分で同じにしている。なお、図１に示す交流電源２８と一次電源側コイル３０との間に設ける高周波電力ドライバ３２は、２種類の第１一次自己共振コイル２０と第２一次自己共振コイル２２とに応じて２を設けて、２の高周波電力ドライバ３２のそれぞれに、対応する同じ周波数の電力を出力する複数の一次電源側コイル３０を接続することもできる。また、第１一次自己共振コイル２０、第２一次自己共振コイル２２、第１二次自己共振コイル２４、及び第２二次自己共振コイル２６は、それぞれ１以上とすることができる。

　このような本実施の形態で道路１０側から車両１４へ電力を送電する方法は次のようにして行う。すなわち、交流電源２８からすべての一次電源側コイル３０に、高周波電力ドライバ３２を介して周波数変換された電力を供給し、一次電源側コイル３０から電磁誘導によって対応する一次自己共振コイル２０，２２へ電力を送電する。また、一次自己共振コイル２０，２２から車両１４側の二次自己共振コイル２４，２６に、電磁場共鳴により電力を送電し、二次自己共振コイル２４，２６から電磁誘導によって、二次蓄電側コイル３６に電力を送電する。二次蓄電側コイル３６からは整流器３８により、直流に整流された電流が蓄電部４０に送られ、蓄電部４０が充電される。

　本実施の形態によれば、移動体である車両１４が移動する場合でも送電する電力の周波数設定を容易に行えるようにできる。また、複数の一次自己共振コイル２０，２２と複数の二次自己共振コイル２４，２６とを使用して、電磁界共鳴を使用した電力の送受電を行う場合でも伝送効率を高くできる。すなわち、本実施の形態のように、電力の送受電に使用するコイル数を多くすると、個々のコイル当たりで伝送される電力を低減できるため、個々のコイルを流れる電流を低減できる。このため、銅損を低下でき、伝送効率を高くできる。ただし、本実施の形態と異なり、各コイルに同じ共振周波数のコイルを使用する場合には、電磁界共鳴を使った共鳴方式による非接触電力伝送では、伝送効率が悪化する可能性がある。特に、送電側と受電側とのコイルがそれぞれ複数ずつで、送電側コイル及び受電側コイル間で電力を送受電する場合に、送電側の隣り合うコイル同士の距離、及び、受電側の隣り合うコイル同士の距離が近いと、伝送効率が悪化する可能性がある。次にこの理由を詳しく説明する。

　例えば、図５は、本発明の範囲から外れる比較例において、互いに共振周波数が同じ２の一次コイルＣ１，Ｃ２と、互いに共振周波数が同じ２の二次コイルＣ３，Ｃ４とを配置し、一次コイルＣ１，Ｃ２と二次コイルＣ３，Ｃ４とを対向させた様子を示す模式図である。また、図６は、図５の配置位置で１の一次コイルＣ１から自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係の計算結果の１例を示す図である。

　図５では、本実施の形態と同様に、交流電源から高周波ドライバで周波数変換された交流電力を２の一次電源側コイル３０から、それぞれに対向する２の一次自己共振コイルである一次コイルＣ１，Ｃ２に電磁誘導により伝送可能としている。また、各一次コイルＣ１，Ｃ２から、２の二次自己共振コイルである二次コイルＣ３，Ｃ４に伝送された交流電力を、それぞれの二次コイルＣ３，Ｃ４に対向する２の二次蓄電側コイル３６へ電磁誘導により伝送可能としている。

　また、図５に示すように、各コイルＣ１～Ｃ４の半径Ｒを定め（例えば３０ｃｍとし）、隣り合う一次コイルＣ１，Ｃ２同士、及び、隣り合う二次コイルＣ３，Ｃ４同士の間隔ｄをそれぞれ定め（例えば１０ｃｍとして）、１の一次コイルＣ１から１の一次コイルＣ１自身及び別のコイルＣ２～Ｃ４へ電力が伝送される場合の伝送効率と周波数との関係を求める計算、すなわちシミュレーションを行った。また、各コイルＣ１～Ｃ４の形状は、軸方向長さ、巻き数等を含めてすべて同じとしている。図６はそのシミュレーション結果を表している。

　なお、図６では、破線Ｓ１１により、１の一次コイルＣ１から１の一次コイルＣ１自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、一点鎖線Ｓ２１により、１の一次コイルＣ１から隣り合う別の一次コイルＣ２に送電される電力の伝送効率を表している。また、二点鎖線Ｓ３１により、１の一次コイルＣ１から、１の一次コイルＣ１と軸方向に正対する１の二次コイルＣ３に送電される電力の伝送効率を表し、実線Ｓ４１により、１の一次コイルＣ１から、別の一次コイルＣ２と軸方向に正対する別の二次コイルＣ４に送電される電力の伝送効率を表している。なお、以下の図６の説明では、図５に示す符号を用いて説明する。

　図６に示す結果から明らかなように、図５に示すコイル配置の場合には、電源側である１の一次コイルＣ１から受電コイルである各二次コイルＣ３，Ｃ４への送電電力の伝送効率は、伝送効率の最も高い共振周波数点ｆａで、各二次コイルＣ３，Ｃ４への伝送効率の和である８５％程度（＝Ｓ３１＋Ｓ４１）となった。また、別の一次コイルＣ２から別の一次コイルＣ２自身及び別のコイルＣ１，Ｃ３，Ｃ４へ電力が伝送される場合の伝送効率と周波数との関係を求めるシミュレーション結果も、図６の結果と同様になった。

　この場合、図６で、破線Ｓ１１が、別の一次コイルＣ２から別の一次コイルＣ２自身に戻ってくる電力の伝送効率であるＳ２２となり、一点鎖線Ｓ２１が、別の一次コイルＣ２から隣り合う１の一次コイルＣ１に送電される電力の伝送効率であるＳ１２となる。また、二点鎖線Ｓ３１が、別の一次コイルＣ２から、別の一次コイルＣ２と軸方向に正対する別の二次コイルＣ４に送電される電力の伝送効率であるＳ４２となり、実線Ｓ４１が、別の一次コイルＣ２から、１の一次コイルＣ１と軸方向に正対する１の二次コイルＣ３に送電される電力の伝送効率であるＳ３２となる。そして、この場合も、電源側である別の一次コイルＣ２から受電コイルである各二次コイルＣ３，Ｃ４への送電電力の伝送効率は、伝送効率の最も高い共振周波数点で、各二次コイルＣ３，Ｃ４への伝送効率の和である８５％程度（＝Ｓ３２＋Ｓ４２）となった。ただし、送電側、受電側のコイルをそれぞれ１のみ配置し、送電側の１のコイルから受電側の１のコイルに電力が伝送される場合の伝送効率は９５％程度となることが分かっており、上記のように送電側、受電側のコイルをそれぞれ複数ずつ配置した場合には、それぞれの送電側のコイルからの伝送効率はかなり悪化していることが分かる。

　このように伝送効率が悪化する理由として、１の一次コイルＣ１から別の一次コイルＣ２への伝送効率Ｓ２１、及び、別の一次コイルＣ２から１の一次コイルＣ１への伝送効率Ｓ１２が、それぞれ５％程度生じることがある。すなわち、送電側のコイルＣ１，Ｃ２同士が共振して、送電側のコイルＣ１，Ｃ２同士の間で電力が送られてしまっていることがある。このため、本発明者は、同じ共振周波数のコイルＣ１，Ｃ２（またはＣ３，Ｃ４）を送電側と受電側とでそれぞれ複数ずつ配置しても、何ら工夫しない従来構成の場合には、効率向上が必ずしも望めないと考えた。

　一方、送電側のコイル及び受電側のコイルをそれぞれ１ずつとし、１の送電側コイルから１の受電側コイルに送電する場合、すなわち密結合で送受電する場合には、伝送効率が高くなる共振点が２つ存在し、しかもコイル間での伝送効率はそれぞれの共振点で９５％程度と高くなる。例えば、図７は、一次コイル及び二次コイルをそれぞれ１のみ設けて、一次コイル及び二次コイルを対向させた様子を示す模式図である。また、図８は、図７の配置位置で一次コイルから自己及び別のコイルへ電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果の１例を示す図である。

　図７では、一次自己共振コイルである一次コイルＣ１ａと二次自己共振コイルである二次コイルＣ３ａとが、それぞれ１のみ配置される以外は、上記の図５の場合と同様である。図８では、一次コイルＣ１ａから一次コイルＣ１ａ自身及び二次コイルＣ３ａへ電力が伝送される場合の伝送効率と周波数との関係を求める計算、すなわちシミュレーションを行った結果を示している。

　なお、図８では、破線Ｓ１１ａにより、一次コイルＣ１ａから一次コイルＣ１ａ自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、実線Ｓ３１ａにより、一次コイルＣ１ａから二次コイルＣ３ａに送電される電力の伝送効率を表している。

　図８に示す結果から明らかなように、送電側のコイルＣ１ａ及び受電側のコイルＣ３ａがそれぞれ１ずつで、１の送電側コイルＣ１ａから１の受電側コイルＣ３ａに送電する、すなわち密結合で送電する場合には、伝送効率が高くなる共振点が２つ存在し、それぞれの共振点で伝送効率は９５％程度となることが分かる。

　これに対して、送電側のコイル及び受電側のコイルをそれぞれ複数ずつとすると、上記の図６に示すシミュレーション結果から明らかなように、伝送効率が高くなる共振点が、密結合の場合に生じる２つの共振点の中間の周波数帯となり、しかも本発明者が行ったシミュレーションによると、伝送効率が高くなるその周波数は、コイルの位置関係によって変化する。このため、受電側のコイルを備える移動体が移動し、受電側のコイルが送電側のコイルに対し移動する場合に、送電する電力の周波数設定がより複雑になるという不都合が生じる可能性がある。

　これに対して、上記の図１から図４で説明した本実施の形態の場合には、それぞれの一次自己共振コイル２０，２２は、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２に対し互いの共振周波数を異ならせており、それぞれの二次自己共振コイル２４，２６は、隣り合う二次自己共振コイル２４，２６に対し互いの共振周波数を異ならせている。このため、それぞれの組が軸方向に略正対する１の一次自己共振コイルと１の二次自己共振コイルとにより構成される複数の組で、隣り合う組同士の間で異なる周波数で共振し、しかも高い効率で電力を伝送できる。例えばそれぞれの組で、一次自己共振コイル２０（または２２）から二次自己共振コイル２４（または２６）への電力の伝送効率を９５％程度の高い効率にすることができる。

　次に、本実施の形態の効果を確認するために行ったシミュレーション結果を説明する。図９は、本実施の形態の効果を確認するために行ったシミュレーションに使用した構成を示す模式図である。この構成では、互いに共振周波数が異なる２の一次コイルと、互いに共振周波数が異なる２の二次コイルとを配置し、一次コイルと二次コイルとを対向させている。また、図１０は、図９のコイル構成で、それぞれの組が軸方向に正対する一次コイルと二次コイルとにより構成される２の組が互いに大きく離れて、すなわち独立して存在すると仮定した場合に、一次コイルから自己及び対向する二次コイルに電力が送電される場合の伝送効率と周波数との関係のシミュレーション結果の１例を示す図である。

　すなわち図９に示すように、シミュレーションに用いた構成では、一次自己共振コイルである２の一次コイルＣ５，Ｃ６は、形状、すなわち半径Ｒ５，Ｒ６を異ならせることで共振周波数を互いに異ならせている。また、二次自己共振コイルである２の二次コイルＣ７，Ｃ８は、形状、すなわち半径Ｒ７，Ｒ８を異ならせることで共振周波数を互いに異ならせている。それ以外の構成は、上記の図５の場合と同様である。図１０では、各一次コイルＣ５，Ｃ６から各一次コイルＣ５，Ｃ６自身及び軸方向に正対する二次コイルＣ７，Ｃ８のみへ電力が伝送されると仮定した場合の伝送効率と周波数との関係を求める計算、すなわちシミュレーションを行った結果を示している。

　なお、図１０では、破線Ｓ５５により、１の一次コイルＣ５から１の一次コイルＣ５自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、一点鎖線Ｓ７５により、１の一次コイルＣ５から、１の一次コイルＣ５と軸方向に正対する１の二次コイルＣ７に送電される電力の伝送効率を表している。また、二点鎖線Ｓ６６により、別の一次コイルＣ６から、別の一次コイルＣ６自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、実線Ｓ８６により、別の一次コイルＣ６から、別の一次コイルＣ６と軸方向に正対する別の二次コイルＣ８に送電される電力の伝送効率を表している。

　図１０に示すように、それぞれの組で互いに軸方向に正対する一次コイルＣ５（またはＣ６）と二次コイルＣ７（またはＣ８）とにより構成する複数の組のそれぞれでは、互いに異なる周波数で共振し、かつ、９５％程度の効率で電力を送電できる。

　そして、このように異なる周波数で共振する２の組の一次コイルＣ５，Ｃ６及び二次コイルＣ７，Ｃ８を配置して１の一次コイルＣ５から自己または別のコイルへ電力を伝送する場合の効率と周波数とを求めたシミュレーション結果の１例を、図１１に示している。また、同様に、別の一次コイルＣ６から自己または別のコイルへ電力を伝送する場合の効率と周波数とを求めたシミュレーション結果の１例を、図１２に示している。図１１では、二点鎖線Ｓ５５により、１の一次コイルＣ５から１の一次コイルＣ５自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、実線Ｓ６５により、１の一次コイルＣ５から隣り合う別の一次コイルＣ６に送電される電力の伝送効率を表している。また、一点鎖線Ｓ７５により、１の一次コイルＣ５から、１の一次コイルＣ５と軸方向に正対する１の二次コイルＣ７に送電される電力の伝送効率を表し、破線Ｓ８５により、１の一次コイルＣ５から、別の一次コイルＣ６と軸方向に正対する別の二次コイルＣ８に送電される電力の伝送効率を表している。

　また、図１２では、二点鎖線Ｓ６６により、別の一次コイルＣ６から別の一次コイルＣ６自身に戻ってくる電力の伝送効率を表し、実線Ｓ５６により、別の一次コイルＣ６から隣り合う１の一次コイルＣ５に送電される電力の伝送効率を表している。また、破線Ｓ７６により、別の一次コイルＣ６から、１の一次コイルＣ５と軸方向に正対する１の二次コイルＣ７に送電される電力の伝送効率を表し、一点鎖線Ｓ８６により、別の一次コイルＣ６から、別の一次コイルＣ６と軸方向に正対する別の二次コイルＣ８に送電される電力の伝送効率を表している。

　図１１、図１２の結果から明らかなように、本実施の形態では、複数の一次自己共振コイル２０，２２と複数の二次自己共振コイル２４，２６とを使用して、電磁界共鳴を使用した電力の送受電を行う場合でも、それぞれのコイル２０，２２，２４，２６の共振点で、伝送効率を高くできる。なお、図１１、図１２から、それぞれの一次自己共振コイル２０，２２から正対する二次自己共振コイル２４，２６に送電する場合に共振周波数が２存在することが分かるが、これらの共振周波数のいずれか１を電源側の周波数として設定することができる。

　なお、本実施の形態では、複数の一次自己共振コイル２０，２２において、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２に対し互いの共振周波数を異ならせるために、隣り合う第１一次自己共振コイル２０及び第２一次自己共振コイル２２同士で直径を異ならせている。また、複数の二次自己共振コイル２４，２６において、隣り合う二次自己共振コイル２４，２６に対し互いの共振周波数を異ならせるために、隣り合う第１二次自己共振コイル２４及び第２二次自己共振コイル２６同士で直径を異ならせている。ただし、本実施の形態は、このような構成に限定するものではなく、図１３Ａに示すように、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士（または隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士）で、軸方向長さを異ならせることで共振周波数を異ならせることもできる。また、図１３Ｂに示すように、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士（または隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士）で、巻き数、すなわちターン数を異ならせることで共振周波数を異ならせることもできる。なお、図１３Ｂでは、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士（または隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士）で、軸方向長さも異ならせているが、軸方向長さを同じにして、巻き数を異ならせることができるのも勿論である。また、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士と、隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士との一方または両方で、直径と、軸方向長さと、巻き数とのいずれか１以上、すなわち、１または２または３を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせることもできる。

　また、図１３Ｃに示すように、複数の一次自己共振コイル２０，２２及び複数の二次自己共振コイル２４，２６の一方または両方に可変容量コンデンサ５０，５２を接続し、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士（または隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士）で、それぞれに接続した可変容量コンデンサ５０，５２の容量を異ならせることで互いの共振周波数を異ならせることもできる。

　なお、一次自己共振コイル２０，２２と二次自己共振コイル２４，２６とで、隣り合うコイル２０，２２，２４，２６の共振周波数を異ならせるための構成は、電源側と車両側との間で異ならせてもよい。例えば、隣り合う一次自己共振コイル２０，２２の共振周波数を異ならせるために互いに直径を異ならせ、隣り合う二次自己共振コイル２４，２６の共振周波数を異ならせるために互いに軸方向長さを異ならせてもよい。

［第２の発明の実施の形態］
　図１４は、本発明に係る第２の実施の形態において、一次自己共振コイル及び二次自己共振コイルが対向する様子を示す略斜視図である。図１５は、第２の実施の形態において、道路上で車両が移動する場合の一次自己共振コイル及び二次自己共振コイルの配置構成を上方から下方に見た略図である。なお、図１４，１５では、第１の共振周波数を有するコイルを実線で表し、第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数を有する複数のコイルを破線で表している。

　図１４，１５に示すように、本実施の形態では、複数の二次自己共振コイル２４，２６及び二次蓄電側コイル３６（図１、図２参照）は、車両１４の移動方向である前後方向（図１５の左右方向）に沿って複数列（図示の例では２列）に配置している。また、複数の一次自己共振コイル２０，２２及び一次電源側コイル３０（図１参照）は、車両１４の移動に伴って、複数の二次自己共振コイル２４，２６に対応する列で、上下方向（図１４の上下方向、図１５の表裏方向）に対向可能に複数列（図示の例では２列）に配置している。

　すなわち、本実施の形態では、道路１０側に複数の一次自己共振コイル２０，２２を車両１４の移動方向である直線方向（図１５の左右方向）に沿って複数列、例えば２列に配置している。また、複数の一次自己共振コイル２０，２２は、互いに直線方向に隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士、及び、互いに直線方向に対し直交する横方向（図１５の上下方向）に隣り合う一次自己共振コイル２０，２２同士で、共振周波数を異ならせている。このため、第１の共振周波数を有する第１一次自己共振コイル２０と第２の共振周波数を有する第２一次自己共振コイル２２とを、各列で直線方向に交互に配置するとともに、第１一次自己共振コイル２０と第２一次自己共振コイル２２とを横方向に対向させている。

　また、車両１４側に複数の二次自己共振コイル２４，２６を車両１４の移動方向である前後方向（図１５の左右方向）に沿って複数列、例えば２列に配置している。また、複数の二次自己共振コイル２４，２６は、互いに前後方向に隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士、及び、互いに前後方向に対し直交する車両１４の幅方向（図１５の上下方向）に隣り合う二次自己共振コイル２４，２６同士で、共振周波数を異ならせている。このため、互いに共振周波数が異なる第１二次自己共振コイル２４と第２二次自己共振コイル２６とを、各列で車両１４の前後方向に交互に配置するとともに、第１二次自己共振コイル２４と第２二次自己共振コイル２６とが車両１４の幅方向に対向するように配置している。

　また、車両１４の前後方向に隣り合う二次自己共振コイル２４，２６の中心間の間隔と、道路１０の直線方向に隣り合う一次自己共振コイル２０，２２の中心間の間隔とを、少なくとも複数の一次自己共振コイル２０，２２の一部に対応する部分または全部に対応する部分で同じにしている。また、車両１４の幅方向に隣り合う二次自己共振コイル２４，２６の中心間の間隔と、道路１０の横方向に隣り合う一次自己共振コイル２０，２２の中心間の間隔とを同じにしている。

　また、複数の一次電源側コイル３０（図１参照）は、複数の一次自己共振コイル２０，２２に対向配置し、複数の二次蓄電側コイル３６（図１参照）は、複数の二次自己共振コイル２４，２６に対向配置している。

　このような本実施の形態の場合も、道路１０側から車両１４への電力の送電時には、交流電源２８からすべての一次電源側コイル３０に、高周波電力ドライバ３２を介して周波数変換された電力を供給し、一次電源側コイル３０から電磁誘導によって対応する一次自己共振コイル２０，２２へ電力を送電する。また、一次自己共振コイル２０，２２から車両１４側の二次自己共振コイル２４，２６に、電磁場共鳴により電力を送電し、二次自己共振コイル２４，２６から電磁誘導によって、二次蓄電側コイル３６に電力を送電する。

　また、本実施の形態の場合も、車両１４が移動する場合でも送電する電力の周波数設定を容易に行えるようにでき、かつ、複数の一次自己共振コイル２０，２２と複数の二次自己共振コイル２４，２６とを使用して、電磁界共鳴を使用した電力の送受電を行う場合でも伝送効率を高くできる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明を省略する。

　なお、上記では、移動体へ給電する移動体給電装置に本発明を適用した場合を説明したが、給電装置は移動体給電装置に限定するものではない。例えば、固定側または移動体である第１部分に設けられた一次コイルから、固定側の別の部分または移動体である第２部分に設けられた二次コイルへ給電する場合でも、本発明を適用することにより、上記と同様に電磁界共鳴を使用した送受電を行う場合に伝送効率を高くすることができる。

　１０　道路、１２　一次自己共振コイル群、１４　車両、１６　二次自己共振コイル郡、１８　給電装置、２０　第１一次自己共振コイル、２２　第２一次自己共振コイル、２４　第１二次自己共振コイル、２６　第２二次自己共振コイル、２８　交流電源、３０　一次電源側コイル、３２　高周波電力ドライバ、３４　走行用モータ、３６　二次蓄電側コイル、３８　整流器、４０　蓄電部、４１　駆動部、４２　二次側コントローラ、４４　走行用モータ、４６　第１スイッチ、４８　第２スイッチ、５０，５２　コンデンサ。

Claims

　第１部分に設けられた複数の一次コイルと、第２部分に設けられた複数の二次コイルとを備え、
　一次コイルから二次コイルへ給電する給電装置であって、
　それぞれの一次コイルは、隣り合う一次コイルに対し互いの共振周波数を異ならせており、
　それぞれの二次コイルは、隣り合う二次コイルに対し互いの共振周波数を異ならせていることを特徴とする給電装置。
　請求項１に記載の給電装置において、
　複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、
　複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、
　複数の一次コイルは、互いに共振周波数が異なる少なくとも１の第１一次コイルと少なくとも１の第２一次コイルとを含み、
　第１一次コイルと第２一次コイルとは、移動体の移動方向に関して交互に配置しており、
　複数の二次コイルは、互いに共振周波数が異なる少なくとも１の第１二次コイルと少なくとも１の第２二次コイルとを含み、
　第１二次コイルと第２二次コイルとは、移動体の移動方向に関して交互に配置していることを特徴とする給電装置。
　請求項１または請求項２に記載の給電装置において、
　複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、
　複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、
　複数の二次コイルは、移動体の移動方向に沿って一列に配置されており、
　複数の一次コイルは、移動体の移動に伴って、複数の二次コイルに上下方向に対向可能に一列に配置されていることを特徴とする給電装置。
　請求項１または請求項２に記載の給電装置において、
　複数の一次コイルを設けた第１部分は固定側であり、
　複数の二次コイルを設けた第２部分である移動体への給電に用いられ、
　複数の二次コイルは、移動体の移動方向に沿って複数列に配置されており、
　複数の一次コイルは、移動体の移動に伴って、複数の二次コイルの対応する列に上下方向に対向可能に複数列に配置されていることを特徴とする給電装置。
　請求項１から請求項４のいずれか１に記載の給電装置において、
　それぞれの一次コイルは、隣り合う一次コイルに対し、互いに半径と軸方向長さと巻き数とのいずれか１以上を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせており、
　それぞれの二次コイルは、隣り合う二次コイルに対し、互いに半径と軸方向長さと巻き数とのいずれか１以上を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせていることを特徴とする給電装置。
　請求項１から請求項４のいずれか１に記載の給電装置において、
　複数の一次コイル及び二次コイルの一方または両方のそれぞれに接続されたコンデンサを備え、
　複数の一次コイル及び二次コイルの一方または両方のそれぞれは、隣り合う一次コイルまたは隣り合う二次コイルに対し、それぞれに接続したコンデンサの容量を異ならせることで、互いの共振周波数を異ならせていることを特徴とする給電装置。