WO2013051150A1

WO2013051150A1 - 受電装置およびそれを備える車両、ならびに電力伝送システム

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Publication number: WO2013051150A1
Application number: PCT/JP2011/073204
Authority: WO
Inventors: 真士市川
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2013-04-11
Also published as: EP2765681A1; US9721722B2; CN103858315B; CN103858315A; JP5949773B2; EP2765681A4; JPWO2013051150A1; US20140246901A1; EP2765681B1

Abstract

　車両（２００）は、受電部（２１０）と、整流器（２２０）と、電力線（２３０）と、冷却ファン（２４０）とを備える。車両（２００）の受電部（２１０）は、送電装置（１１０）の送電部（１３０）から出力される交流電力を非接触で受電するように構成される。整流器（２２０）は、受電部（２１０）によって受電された電力を整流する。電力線（２３０）は、整流器（２２０）によって整流された電力が出力される。冷却ファン（２４０）は、受電部（２１０）を冷却する。ここで、冷却ファン（２４０）は、電力線（２３０）に電気的に接続され、電力線（２３０）から電力を受けて作動する。

Description

受電装置およびそれを備える車両、ならびに電力伝送システム

　この発明は、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置およびそれを備える車両、ならびに電力伝送システムに関する。

　電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス電力伝送が大きく注目されている。このワイヤレス電力伝送技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、マイクロ波を用いた送電、および所謂共鳴型の送電の３つの技術が知られている。

　たとえば、特開２０１０－２６８６６０号公報（特許文献１）は、共鳴型の電力伝送技術を利用した非接触電力伝達装置を開示する。この非接触電力伝達装置は、送電装置の一次共振コイルから出力される電力を非接触で受電する二次共振コイルと、二次共振コイルを冷却する冷却装置とを備える。

　この非接触電力伝達装置によれば、冷却装置によって二次共振コイルが冷却されることにより二次共振コイルのインピーダンス変化を抑制することができ、その結果、電力の伝送効率を向上させることができる（特許文献１参照）。

特開２０１０－２６８６６０号公報

　上記のワイヤレス電力伝送技術では、高周波の交流電力（たとえばｋＨｚオーダー以上）が送電装置から受電装置へ伝送される。そのため、二次共振コイルに近接して配設される上記冷却装置の電源に車両の補機電源を用いると、二次共振コイルによって受電される電力の高調波が冷却装置の電源線に重畳し、補機電源から電力の供給を受ける補機や電子機器へノイズとして伝播する可能性がある。

　それゆえに、この発明の目的は、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置において、送電装置から受ける電力によって発生するノイズが他の機器へ影響するのを抑制することである。

　この発明によれば、受電装置は、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、受電部と、電力線と、電気機器とを備える。受電部は、送電装置の送電部から出力される交流電力を非接触で受電するように構成される。電力線には、受電部によって受電された電力が出力される。電気機器は、受電部に近接して配設され、上記電力線から電力を受けて作動する。

　好ましくは、受電装置は、シールドボックスをさらに備える。シールドボックスは、受電部を格納する。そして、電気機器は、シールドボックス内に配設される。

　さらに好ましくは、電気機器は、シールドボックス内において上記電力線に電気的に接続される。

　好ましくは、受電装置は、整流部と、電圧変換部とをさらに備える。整流部は、受電部によって受電された電力を整流する。電圧変換部は、整流部によって整流された電力を電圧変換して負荷へ出力する。そして、電気機器は、整流部と電圧変換部との間に電気的に接続される。

　さらに好ましくは、電気機器は、受電部を冷却するための冷却器を含む。受電装置は、電圧制御部をさらに備える。電圧制御部は、受電部により受電される電力が大きいほど高く設定される目標電圧に整流部と電圧変換部との間の電圧が一致するように、電圧変換部を制御する。

　好ましくは、受電装置は、整流部をさらに備える。整流部は、受電部によって受電された電力を整流する。そして、電気機器は、受電部と整流部との間に電気的に接続される。

　好ましくは、受電部の固有周波数と、送電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数または送電部の固有周波数の±１０％以下である。

　好ましくは、受電部と送電部との結合係数は０．１以下である。
　好ましくは、受電部は、受電部と送電部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、送電部から受電する。

　また、この発明によれば、車両は、上述したいずれかの受電装置を備える。
　また、この発明によれば、電力伝送システムは、送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムである。送電装置は、電源部と、送電部とを備える。電源部は、交流電力を生成する。送電部は、電源部から供給される交流電力を受電装置へ非接触で出力するように構成される。受電装置は、受電部と、電力線と、電気機器とを備える。受電部は、送電部から出力される交流電力を非接触で受電するように構成される。電力線には、受電部によって整流された電力が出力される。電気機器は、受電部に近接して配設され、上記電力線から電力を受けて作動する。

　この発明においては、受電部に近接して配設される電気機器は、受電部による受電電力が出力される電力線から電力を受けて作動する。これにより、受電部によって受電された電力の高調波が電気機器から補機電源へ伝播するのが抑制される。したがって、この発明によれば、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置において、送電装置から受ける電力によって発生するノイズが他の機器へ影響するのを抑制することができる。

この発明の実施の形態１による電力伝送システムの全体構成図である。図１に示す車両のＥＣＵによるＤＣ／ＤＣコンバータの制御に関する機能ブロック図である。受電部によって受電される電力と、電力線の電圧との関係を示した図である。電力線の電圧と、冷却ファンの出力との関係を示した図である。電力伝送システムのシミュレーションモデルを示した図である。送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示した図である。送電装置から車両への電力伝送時の等価回路図である。電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。実施の形態２による電力伝送システムの全体構成図である。受電部によって受電される電力と、蓄電装置の電圧との関係を示した図である。蓄電装置の電圧と、冷却ファンの出力との関係を示した図である。変形例による電力伝送システムの全体構成図である。実施の形態３による電力伝送システムの全体構成図である。実施の形態４による電力伝送システムの全体構成図である。図１４に示した受電部の構成を示した図である。電磁誘導による送電部から受電部への電力伝送時の等価回路図である。

　以下、本発明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。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　［実施の形態１］
　図１は、この発明の実施の形態１による電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この電力伝送システムは、送電装置１００と、受電装置としての車両２００とを備える。

　送電装置１００は、電源部１１０と、整合器１２０と、送電部１３０と、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）」と称する。）１４０と、通信部１５０とを含む。電源部１１０は、所定の周波数を有する交流電力を発生する。一例として、電源部１１０は、図示されない系統電源から電力を受けて高周波の交流電力を発生する。そして、電源部１１０は、ＥＣＵ１４０から受ける指令に従って、電力の発生および停止ならびに出力電力を制御する。

　整合器１２０は、電源部１１０と送電部１３０との間に設けられ、内部のインピーダンスを変更可能に構成される。一例として、整合器１２０は、可変コンデンサとコイルとによって構成され、可変コンデンサの容量を変化させることによってインピーダンスを変更することができる。この整合器１２０においてインピーダンスを変更することによって、送電装置１００のインピーダンスを車両２００のインピーダンスと整合させることができる（インピーダンスマッチング）。

　送電部１３０は、電源部１１０から高周波の交流電力の供給を受ける。そして、送電部１３０は、送電部１３０の周囲に発生する電磁界を介して車両２００の受電部２１０へ非接触で電力を出力する。なお、送電部１３０の構成、ならびに送電部１３０から受電部２１０への電力伝送については、後ほど説明する。

　ＥＣＵ１４０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central　Processing　Unit）で実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、電源部１１０および整合器１２０を制御する。通信部１５０は、送電装置１００が車両２００と通信を行なうための通信インターフェースである。

　車両２００は、受電部２１０と、整流器２２０と、電力線２３０と、この発明における「電気機器」の一例としての冷却ファン２４０と、シールドボックス２５０とを含む。また、車両２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０と、蓄電装置２７０と、動力出力装置２８０と、電圧センサ２９０と、ＥＣＵ３００と、補機電源３１０と、通信部３２０とをさらに含む。

　受電部２１０は、送電装置１００の送電部１３０から出力される高周波の交流電力を電磁界を介して非接触で受電する。なお、この受電部２１０の構成についても、送電部１３０の構成、ならびに送電部１３０から受電部２１０への電力伝送とともに、後ほど説明する。整流器２２０は、受電部２１０によって受電された交流電力を整流する。整流器２２０によって整流された電力は、電力線２３０に出力される。

　冷却ファン２４０は、受電部２１０に近接して配設され、受電部２１０を冷却する。ここで、「受電部２１０に近接」とは、冷却ファン２４０が受電部２１０から受電電力の高調波のノイズを強く受けるという意味であり、下記のように受電部２１０とともにシールドボックス２５０内に格納される冷却ファン２４０は、受電部２１０に近接して配設されると言える。そして、冷却ファン２４０は、整流器２２０によって整流された受電電力が出力される電力線２３０に電気的に接続され、電力線２３０から電力を受けて作動する。

　シールドボックス２５０は、受電部２１０、整流器２２０、および冷却ファン２４０を収納し、受電部２１０の周囲に発生する電磁波が周囲に漏洩するのを抑制する。なお、図示されるように、冷却ファン２４０は、シールドボックス２５０内において、電力線２３０に電気的に接続されるのが好ましい。シールドボックス２５０外において、冷却ファン２４０を電力線２３０に電気的に接続することもできるが、この場合は、シールドボックス２５０に配線孔を設ける必要がある。

　電圧センサ２９０は、電力線２３０の電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０は、電力線２３０と蓄電装置２７０との間に設けられ、整流器２２０から電力線２３０へ出力された電力を蓄電装置２７０の電圧レベルに変換して蓄電装置２７０へ出力する。

　蓄電装置２７０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池によって構成される。蓄電装置２７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０から受ける電力を蓄えるほか、動力出力装置２８０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置２７０は、その蓄えた電力を動力出力装置２８０へ供給する。なお、蓄電装置２７０として大容量のキャパシタも採用可能である。

　動力出力装置２８０は、蓄電装置２７０に蓄えられる電力を用いて車両２００の走行駆動力を発生する。特に図示しないが、動力出力装置２８０は、たとえば、蓄電装置２７０から電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータによって駆動される駆動輪等を含む。なお、動力出力装置２８０は、蓄電装置２７０を充電するための発電機と、発電機を駆動可能なエンジンを含んでもよい。

　ＥＣＵ３００は、電力線２３０の電圧ＶＨを電圧センサ２９０から受ける。そして、ＥＣＵ３００は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０の制御や、蓄電装置２７０の充電管理等を行なう。このＥＣＵ３００は、補機電源３１０から電力を受けて作動する。なお、ＥＣＵ３００は、通信部３２０によって送電装置１００と無線通信することができる。

　補機電源３１０は、車両２００に搭載される各種補機（図示せず）やＥＣＵ３００へ電力を供給する。補機電源３１０は、たとえばリチウムイオンやニッケル水素、鉛などの二次電池によって構成される。通信部３２０は、車両２００が送電装置１００と通信を行なうための通信インターフェースである。

　この電力伝送システムにおいては、受電部２１０を冷却するための冷却ファン２４０が設けられる。冷却ファン２４０は、受電部２１０に近接して配設され、電力線２３０に電気的に接続されて電力線２３０から電力を受けて作動する。すなわち、冷却ファン２４０は、受電部２１０とともにシールドボックス２５０内に配設されるために受電部２１０から受電電力の高調波のノイズを受けるところ、冷却ファン２４０は、車両２００に搭載される各種補機やＥＣＵへ電力を供給する補機電源３１０から電力の供給を受けるのではなく、受電部２１０により受電された電力が出力される電力線２３０から電力を受けて作動する。これにより、受電部２１０の受電時に、冷却ファン２４０に重畳するノイズが電源線を介して補機電源３１０へ伝播するのを抑制しつつ、冷却ファン２４０によって受電部２１０が冷却される。

　図２は、図１に示した車両２００のＥＣＵ３００によるＤＣ／ＤＣコンバータ２６０の制御に関する機能ブロック図である。図２を参照して、ＥＣＵ３００は、目標電圧設定部４１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部４２０とを含む。目標電圧設定部４１０は、送電装置１００から車両２００への伝送電力の目標値Ｐと、車両２００の目標インピーダンスＲとに基づいて、電力線２３０（図１）の目標電圧ＶＨｒｅｆを次式により設定する。

　ＶＨｒｅｆ＝√（Ｐ×Ｒ）　…（１）
　受電電力が出力される電力線２３０の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２６０によって上記の目標電圧ＶＨｒｅｆに制御することにより、送電装置１００から車両２００へ伝送される電力の大きさに依存することなく、車両２００のインピーダンスを目標インピーダンスＲに設定することができる。そして、送電装置１００において、整合器１２０（図１）を用いて送電装置１００のインピーダンスを上記のインピーダンスＲに調整することによって、送電装置１００と車両２００とのインピーダンスを整合させることができる。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部４２０は、電圧センサ２９０（図１）によって検出された電圧ＶＨが上記の目標電圧ＶＨｒｅｆに一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２６０を駆動するためのＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を信号ＰＷＤとしてＤＣ／ＤＣコンバータ２６０へ出力する。

　このように、この実施の形態１では、車両２００において、ＥＣＵ３００によってＤＣ／ＤＣコンバータ２６０が制御され、式（１）に示される目標電圧ＶＨｒｅｆに電力線２３０の電圧ＶＨが調整される。式（１）に示されるように、送電装置１００から車両２００へ伝送される電力、すなわち車両２００における受電電力が大きいほど、電力線２３０の電圧ＶＨは高い値に調整される。

　ここで、受電部２１０を冷却するための冷却ファン２４０は、電力線２３０から動作電力を受けるので、受電部２１０の受電電力が大きいほど、冷却ファン２４０の出力は自動的に増大する。このように、送電装置１００から車両２００へ伝送される電力の大きさに応じて冷却ファン２４０の出力が自立的に変化するので、冷却ファン２４０の出力を調整するための特別な制御や機構を設けることなく、冷却ファン２４０によって受電部２１０を効果的に冷却することができる。

　図３は、受電部２１０によって受電される電力と、電力線２３０の電圧ＶＨとの関係を示した図である。また、図４は、電力線２３０の電圧ＶＨと、冷却ファン２４０の出力との関係を示した図である。

　図３を参照して、受電部２１０による受電電力が大きいほど、式（１）に従って電力線２３０の目標電圧ＶＨｒｅｆが高い値に設定されることにより、電圧ＶＨは高い値に調整される。そして、図４を参照して、電力線２３０の電圧ＶＨが高いほど、受電部２１０を冷却する冷却ファン２４０の出力は大きくなる。このように、受電部２１０による受電電力が大きいほど、冷却ファン２４０の出力は大きくなる。

　次に、送電装置１００から車両２００への電力伝送について説明する。再び図１を参照して、この電力伝送システムにおいては、送電部１３０の固有周波数と、受電部２１０の固有周波数との差は、送電部１３０の固有周波数または受電部２１０の固有周波数の±１０％以下である。このような範囲に送電部１３０および受電部２１０の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができる。一方、上記の固有周波数の差が±１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％よりも小さくなり、電力伝送時間が長くなるなどの弊害が生じる。

　なお、送電部１３０（受電部２１０）の固有周波数とは、送電部１３０（受電部２１０）を構成する電気回路（共振回路）が自由振動する場合の振動周波数を意味する。なお、送電部１３０（受電部２１０）の共振周波数とは、送電部１３０（受電部２１０）を構成する電気回路（共振回路）において、制動力または電気抵抗を零としたときの固有周波数を意味する。

　図５および図６を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図５は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。また、図６は、送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示す図である。

　図５を参照して、電力伝送システム８９は、送電部９０と、受電部９１とを備える。送電部９０は、第１コイル９２と、第２コイル９３とを含む。第２コイル９３は、共振コイル９４と、共振コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。受電部９１は、第３コイル９６と、第４コイル９７とを備える。第３コイル９６は、共振コイル９９とこの共振コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

　共振コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。また、共振コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、第２コイル９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、第３コイル９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。

　ｆ１＝１／｛２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2｝・・・（１）
　ｆ２＝１／｛２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2｝・・・（２）
　ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を図６に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共振コイル９４および共振コイル９９の相対的な位置関係は固定とし、さらに、第２コイル９３に供給される電流の周波数は一定である。

　図６に示すグラフのうち、横軸は固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は一定周波数での電力伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記の式（３）によって示される。

　（固有周波数のズレ）＝｛（ｆ１－ｆ２）／ｆ２｝×１００（％）・・・（３）
　図６からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が０％の場合には、電力伝送効率は１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は４０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は１０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は５％程度となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、第３コイル９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を実用的なレベルに高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が第３コイル９６の固有周波数の５％以下となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定すると、電力伝送効率をさらに高めることができるのでより好ましい。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（ＪＭＡＧ（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

　再び図１を参照して、送電部１３０および受電部２１０は、送電部１３０と受電部２１０との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、送電部１３０と受電部２１０との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、非接触で電力を授受する。送電部１３０と受電部２１０との結合係数κは０．１以下であり、送電部１３０と受電部２１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部１３０から受電部２１０へ電力が伝送される。

　上記のように、この電力伝送システムにおいては、送電部１３０と受電部２１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部１３０と受電部２１０との間で非接触で電力が伝送される。電力伝送における、このような送電部１３０と受電部２１０との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」、「電界（電場）共振結合」等という。「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

　送電部１３０と受電部２１０とが上記のようにコイルによって形成される場合には、送電部１３０と受電部２１０とは、主に磁界（磁場）によって結合し、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」が形成される。なお、送電部１３０と受電部２１０とに、たとえば、メアンダライン等のアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部１３０と受電部２１０とは、主に電界（電場）によって結合し、「電界（電場）共鳴結合」が形成される。

　図７は、送電装置１００から車両２００への電力伝送時の等価回路図である。図７を参照して、送電装置１００の送電部１３０は、電磁誘導コイル１３２と、共振コイル１３４と、キャパシタ１３６とを含む。

　電磁誘導コイル１３２は、共振コイル１３４と所定の間隔をおいて共振コイル１３４と略同軸上に配設される。電磁誘導コイル１３２は、電磁誘導により共振コイル１３４と磁気的に結合し、電源部１１０から供給される高周波電力を電磁誘導により共振コイル１３４へ供給する。

　共振コイル１３４は、キャパシタ１３６とともにＬＣ共振回路を形成する。なお、後述するように、車両２００の受電部２１０においてもＬＣ共振回路が形成される。共振コイル１３４およびキャパシタ１３６によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、受電部２１０のＬＣ共振回路の固有周波数との差は、前者の固有周波数または後者の固有周波数の±１０％以下である。そして、共振コイル１３４は、電磁誘導コイル１３２から電磁誘導により電力を受け、車両２００の受電部２１０へ非接触で送電する。

　なお、電磁誘導コイル１３２は、電源部１１０から共振コイル１３４への給電を容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル１３２を設けずに共振コイル１３４に電源部１１０を直接接続してもよい。また、キャパシタ１３６は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、共振コイル１３４の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ１３６を設けない構成としてもよい。

　また、車両２００の受電部２１０も、共振コイル２１２と、キャパシタ２１４と、電磁誘導コイル２１６とを含む。共振コイル２１２は、キャパシタ２１４とともにＬＣ共振回路を形成する。上述のように、共振コイル２１２およびキャパシタ２１４によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数と、送電装置１００の送電部１３０における、共振コイル１３４およびキャパシタ１３６によって形成されるＬＣ共振回路の固有周波数との差は、前者の固有周波数または後者の固有周波数の±１０％である。そして、共振コイル２１２は、送電装置１００の送電部１３０から非接触で受電する。

　電磁誘導コイル２１６は、共振コイル２１２と所定の間隔をおいて共振コイル２１２と略同軸上に配設される。電磁誘導コイル２１６は、電磁誘導により共振コイル２１２と磁気的に結合し、共振コイル２１２によって受電された電力を電磁誘導により取出して整流器２２０（図１）以降の電気負荷３５０（蓄電装置２７０）へ出力する。

　なお、電磁誘導コイル２１６は、共振コイル２１２からの電力の取出しを容易にするために設けられるものであり、電磁誘導コイル２１６を設けずに共振コイル２１２に整流器２２０を直接接続してもよい。また、キャパシタ２１４は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、共振コイル２１２の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ２１４を設けない構成としてもよい。

　送電装置１００において、電源部１１０から電磁誘導コイル１３２へ高周波の交流電力が供給され、電磁誘導コイル１３２を用いて共振コイル１３４へ電力が供給される。そうすると、共振コイル１３４と車両２００の共振コイル２１２との間に形成される磁界を通じて共振コイル１３４から共振コイル２１２へエネルギー（電力）が移動する。共振コイル２１２へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導コイル２１６を用いて取出され、車両２００の電気負荷３５０へ伝送される。

　図８は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図８を参照して、電磁界は主に３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電磁界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電磁界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電磁界」と称される。

　「静電磁界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、共鳴法では、この「静電磁界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電磁界」が支配的な近接場において、互いに近接する固有周波数を有する一対の共振器（たとえば一対の共振コイル）を共振させることにより、一方の共振器（一次側共振コイル）から他方の共振器（二次側共振コイル）へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電磁界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電磁界」によりエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。

　以上のように、この実施の形態１においては、受電部２１０を冷却するための冷却ファン２４０は、整流器２２０によって整流された電力が出力される電力線２３０に電気的に接続され、電力線２３０から電力を受けて作動する。これにより、受電部２１０によって受電された電力の高調波が冷却ファン２４０から補機電源３１０へ伝播するのが抑制される。したがって、この実施の形態１によれば、送電装置１００から非接触で電力を受ける車両２００において、送電装置１００から受ける電力によって発生するノイズが他の機器へ影響するのを抑制することができる。その結果、上記他の機器におけるノイズ対策も不要にできる。

　また、この実施の形態１においては、電力線２３０と蓄電装置２７０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ２６０が設けられ、受電部２１０による受電電力が大きいほど電力線２３０の電圧ＶＨが高い値に調整される。冷却ファン２４０は、電力線２３０に電気的に接続されるので、受電部２１０の受電電力が大きいほど、冷却ファン２４０の出力は自動的に増大する。すなわち、送電装置１００から車両２００へ伝送される電力の大きさに応じて冷却ファン２４０の出力が自立的に変化する。したがって、この実施の形態１によれば、冷却ファン２４０の出力を調整するための特別な制御や機構を設けることなく、冷却ファン２４０によって受電部２１０を効果的に冷却することができる。また、受電電力が大きく受電部２１０の発熱量が大きい場合にも、受電部２１０を十分に冷却することができる。

　また、この実施の形態１においては、冷却ファン２４０は、シールドボックス２５０において電力線２３０に電気的に接続されるので、冷却ファン２４０の電源線をシールドボックス２５０外へ引き出す必要がない。したがって、この実施の形態１によれば、シールドボックス２５０内のみにおいて、自立的に作動する冷却機構を構築することができる。

　［実施の形態２］
　実施の形態２では、電力線２３０と蓄電装置２７０との間にＤＣ／ＤＣコンバータが設けられない構成が示される。

　図９は、実施の形態２による電力伝送システムの全体構成図である。図９を参照して、この電力伝送システムは、図１に示した実施の形態１による電力伝送システムの構成において、車両２００に代えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０を含まない車両２００Ａを備える。すなわち、電力線２３０に蓄電装置２７０が接続される。

　なお、冷却ファン２４０が電力線２３０に電気的に接続される点を含むその他の構成については、車両２００Ａは、実施の形態１における車両２００と同じである。

　図１０は、受電部２１０によって受電される電力と、蓄電装置２７０の電圧ＶＢとの関係を示した図である。また、図１１は、蓄電装置２７０の電圧ＶＢと、冷却ファン２４０の出力との関係を示した図である。

　図１０を参照して、受電部２１０による受電電力が大きいほど、蓄電装置２７０の内部抵抗の影響で蓄電装置２７０の電圧ＶＢは高くなる。そして、図１１を参照して、蓄電装置２７０の電圧ＶＢが高いほど、電力線２３０の電圧ＶＨも高くなるので冷却ファン２４０の出力は大きくなる。

　すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ設けられない電力伝送システムにおいても、受電部２１０による受電電力が大きいほど、受電部２１０を冷却する冷却ファン２４０の出力は大きくなる。

　以上のように、この実施の形態２においても、送電装置１００から車両２００Ａへ伝送される電力の大きさに応じて冷却ファン２４０の出力が自立的に変化する。したがって、この実施の形態２によっても、冷却ファン２４０の出力を調整するための特別な制御や機構を設けることなく、冷却ファン２４０によって受電部２１０を効果的に冷却することができる。

　［変形例］
　上記の実施の形態１，２では、冷却ファン２４０は、整流器２２０によって整流された受電電力が出力される電力線２３０に電気的に接続されるものとしたが、受電部２１０と整流器２２０との間の電力線に接続してもよい。

　図１２は、実施の形態１の変形例による電力伝送システムの全体構成図である。図１２を参照して、この電力伝送システムの車両２００Ｂでは、冷却ファン２４０は、受電部２１０と整流器２２０との間の電力線２１８に電気的に接続され、電力線２１８から電力を受けて動作する。なお、車両２００Ｂのその他の構成は、図１に示した実施の形態１における車両２００と同じである。

　なお、特に図示しないが、図９に示した実施の形態２における車両２００Ａの構成において、受電部２１０と整流器２２０との間の電力線に冷却ファン２４０を電気的に接続してもよい。

　［実施の形態３］
　上記の実施の形態１，２および変形例では、この発明における「電気機器」が冷却ファン２４０である場合について説明したが、「電気機器」は冷却ファン２４０に限定されるものではない。

　図１３は、実施の形態３による電力伝送システムの全体構成図である。図１３を参照して、この電力伝送システムの車両２００Ｃは、図１に示した実施の形態１における車両２００の構成において、温度センサ２４２をさらに含む。

　温度センサ２４２は、受電部２１０に近接して配設され、受電部２１０の温度を検出してＥＣＵ３００へ出力する。この温度センサ２４２も、シールドボックス２５０内に設けられる。そして、温度センサ２４２は、受電部２１０による受電電力が出力される電力線２３０に電気的に接続され、電力線２３０から電力を受けて作動する。

　なお、車両２００Ｃのその他の構成は、図１に示した実施の形態１における車両２００と同じである。

　なお、この実施の形態３の変形例として、冷却ファン２４０やＤＣ／ＤＣコンバータ２６０が設けられていない車両であってもよい。

　この実施の形態３においても、受電部２１０に近接して配設される温度センサ２４２は、電力線２３０から電力を受けて作動するので、受電部２１０によって受電された電力の高調波が温度センサ２４２から補機電源３１０へ伝播するのが抑制される。したがって、この実施の形態３によっても、送電装置１００から受ける電力によって発生するノイズが他の機器へ影響するのを抑制することができる。

　［実施の形態４］
　この実施の形態４では、受電部に近接して配設される「電気機器」が、受電部の固有周波数を調整する可変キャパシタの調整装置である場合が示される。

　図１４は、実施の形態４による電力伝送システムの全体構成図である。図１４を参照して、この電力伝送システムの車両２００Ｄは、図１に示した実施の形態１における車両２００の構成において、受電部２１０に代えて受電部２１０Ａを含む。

　受電部２１０Ａは、図示しない可変キャパシタおよびその調整装置を含む。そして、可変キャパシタの調整装置は、受電部２１０Ａによる受電電力が出力される電力線２３０に電力線２４４を介して電気的に接続され、電力線２３０から電力を受けて作動する。

　図１５は、図１４に示した受電部２１０Ａの概略構成図である。図１５を参照して、受電部２１０Ａは、共振コイル２１２と、可変キャパシタ２１４Ａと、調整装置２１５と、図示しない電磁誘導コイル２１６とを含む。

　可変キャパシタ２１４Ａは、共振コイル２１２の両端部間に接続され、共振コイル２１２とともに共振回路を形成する。可変キャパシタ２１４Ａの容量は、調整装置２１５によって調整され、可変キャパシタ２１４Ａの容量を変更することによって受電部２１０Ａの固有周波数を変更することができる。

　調整装置２１５は、可変キャパシタ２１４Ａの容量を調整するための電気機器であり、図示しないＥＣＵ３００からの指令に従って可変キャパシタ２１４Ａの容量を調整する。調整装置２１５も、共振コイル２１２および可変キャパシタ２１４Ａとともにシールドボックス２５０（図１４）内に設けられる。そして、調整装置２１５は、電力線２４４によって電力線２３０（図１４）に電気的に接続され、電力線２３０から電力を受けて作動する。

　なお、車両２００Ｄのその他の構成は、図１に示した実施の形態１における車両２００と同じである。

　なお、この実施の形態４の変形例として、冷却ファン２４０やＤＣ／ＤＣコンバータ２６０が設けられていない車両であってもよく、実施の形態３における温度センサ２４２がさらに設けられる車両であってもよい。

　この実施の形態４においても、受電部２１０Ａに近接して配設される、可変キャパシタ２１４Ａの調整装置２１５は、電力線２３０から電力を受けて作動するので、受電部２１０によって受電された電力の高調波が調整装置２１５から補機電源３１０へ伝播するのが抑制される。したがって、この実施の形態４によっても、送電装置１００から受ける電力によって発生するノイズが他の機器へ影響するのを抑制することができる。

　なお、上記の各実施の形態においては、送電装置１００（一次側）の送電部１３０と車両２００，２００Ａ（二次側）の受電部２１０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部１３０から受電部２１０へ非接触で電力が伝送されるものとしたが、電磁誘導により送電部１３０から受電部２１０へ非接触で電力を伝送するシステムにもこの発明は適用可能である。

　図１６は、電磁誘導による送電部１３０から受電部２１０への電力伝送時の等価回路図である。図１６を参照して、送電装置１００の送電部１３０および車両２００，２００Ａの受電部２１０の各々は、電磁誘導コイルによって構成される。

　送電装置１００において、電源部１１０から出力される高周波の交流電力は、送電部１３０の電磁誘導コイルへ供給される。そうすると、送電部１３０に近接して配設される受電部２１０の電磁誘導コイルにおいて電磁誘導により起電力が発生し、送電部１３０の電磁誘導コイルから受電部２１０の電磁誘導コイルへエネルギー（電力）が移動する。そして、受電部２１０へ移動したエネルギー（電力）は、整流器２２０以降の電気負荷３５０へ出力される。

　なお、送電部１３０と受電部２１０との間で電磁誘導により電力伝送が行なわれる場合には、送電部１３０の電磁誘導コイルと受電部２１０の電磁誘導コイルとの結合係数κは、１．０に近い値となる。

　なお、上記の各実施の形態において、受電部２１０を冷却するための冷却器は、冷却ファン２４０によって構成されるものとしたが、冷却器は冷却ファン２４０に限定されるものではなく、たとえばペルチェ素子等の熱電変換素子を冷却器として用いることも可能である。

　また、上記の実施の形態では、冷却ファン２４０、温度センサ２４２、および可変キャパシタ２１４Ａの調整装置２１５を、受電部２１０に近接して配設される電気機器としたが、このような電気機器は、これらに限定されるものではなく、たとえば、シールドボックス２５０内に設けられるその他各種センサ（電圧センサや電流センサなど）や受電部２１０（２１０Ａ）が受電中であることを示すインジケータ等も含まれる。

　なお、「電気機器」が、受電部を冷却する冷却器（冷却ファン２４０）の場合には、主として受電部２１０（２１０Ａ）の受電中に冷却器は使用されるので、この発明は効果的である。また、「電気機器」が受電部２１０（２１０Ａ）の受電中にのみ使用されるものである場合、この発明は効果的であり、そのような電気機器としては、たとえば、受電部２１０（２１０Ａ）が受電中であることを示すインジケータや受電部を冷却する冷却器等が含まれる。

　また、上記の各実施の形態では、送電装置１００から車両２００（２００Ａ～２００Ｄ）へ電力を伝送するものとしたが、この発明は、受電装置が車両以外の電力伝送システムにも適用可能である。

　なお、上記において、冷却ファン２４０、温度センサ２４２、可変キャパシタ２１４Ａの調整装置２１５の各々は、この発明における「電気機器」の一実施例に対応し、冷却ファン２４０は、この発明における「冷却器」の一実施例に対応する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０は、この発明における「電圧変換部」の一実施例に対応し、ＥＣＵ３００は、この発明における「電圧制御部」の一実施例に対応する。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１００　送電装置、１１０　電源部、１２０　整合器、１３０　送電部、１３２，２１６　電磁誘導コイル、１３４，２１２　共振コイル、１３６，２１４　キャパシタ、１４０，３００　ＥＣＵ、１５０，３２０　通信部、２００，２００Ａ～２００Ｄ　車両、２１０　受電部、２１４Ａ　可変キャパシタ、２１８，２３０，２４４　電力線、２２０　整流器、２４０　冷却ファン、２４２　温度センサ、２５０　シールドボックス、２６０　ＤＣ／ＤＣコンバータ、２７０　蓄電装置、２８０　動力出力装置、２９０　電圧センサ、３１０　補機電源、３５０　電気負荷、４１０　目標電圧設定部、４２０　ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部。

Claims

　送電装置（１００）から非接触で電力を受ける受電装置であって、
　前記送電装置の送電部（１３０）から出力される交流電力を非接触で受電するように構成された受電部（２１０，２１０Ａ）と、
　前記受電部によって受電された電力が出力される電力線（２１８，２３０）と、
　前記受電部に近接して配設され、前記電力線から電力を受けて作動する電気機器（２４０，２４２，２１４Ａ）とを備える受電装置。
　前記受電部を格納するシールドボックス（２５０）をさらに備え、
　前記電気機器は、前記シールドボックス内に配設される、請求項１に記載の受電装置。
　前記電気機器は、前記シールドボックス内において前記電力線に電気的に接続される、請求項２に記載の受電装置。
　前記受電部によって受電された電力を整流する整流部（２２０）と、
　前記整流部によって整流された電力を電圧変換して負荷へ出力する電圧変換部（２６０）とをさらに備え、
　前記電気機器は、前記整流部と前記電圧変換部との間に電気的に接続される、請求項１に記載の受電装置。
　前記電気機器は、前記受電部を冷却するための冷却器（２４０）を含み、
　前記受電装置は、前記受電部により受電される電力が大きいほど高く設定される目標電圧に前記整流部と前記電圧変換部との間の電圧が一致するように、前記電圧変換部を制御する電圧制御部（３００）をさらに備える、請求項４に記載の受電装置。
　前記受電部によって受電された電力を整流する整流部（２２０）をさらに備え、
　前記電気機器は、前記受電部と前記整流部との間に電気的に接続される、請求項１に記載の受電装置。
　前記受電部の固有周波数と、前記送電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数または前記送電部の固有周波数の±１０％以下である、請求項１に記載の受電装置。
　前記受電部と前記送電部との結合係数は０．１以下である、請求項１に記載の受電装置。
　前記受電部は、前記受電部と前記送電部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部との間に形成され、かつ、特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記送電部から受電する、請求項１に記載の受電装置。
　請求項１から９のいずれかに記載の受電装置を備える車両。
　送電装置（１００）から受電装置（２００）へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムであって、
　前記送電装置は、
　交流電力を生成する電源部（１１０）と、
　前記電源部から供給される交流電力を前記受電装置へ非接触で出力するように構成された送電部（１３０）とを備え、
　前記受電装置は、
　前記送電部から出力される交流電力を非接触で受電するように構成された受電部（２１０）と、
　前記受電部によって受電された電力が出力される電力線（２１８，２３０）と、
　前記受電部に近接して配設され、前記電力線から電力を受けて作動する電気機器（２４０，２４２，２１４Ａ）とを備える、電力伝送システム。