(57)【要約】【課題】送電する交流電力に含まれる高調波成分を低減する。【解決手段】非接触で車両に電力を供給する非接触給電装置は、送電共振回路１１０と、直流電力を供給する電源回路１３０と、電源回路の直流電力を交流電力に変換して送電共振回路に供給する送電回路１２０とを備える。送電回路は、電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１２２と、インバータ回路の交流電力を調整して送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路１２４とを備える。送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスＺ０１は、インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、送電側イミタンス変換回路から送電共振回路側を見た後段側インピーダンスＺ２に対する比が調整される。【選択図】図２
2020178398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触で車両に電力を供給する非接触給電装置であって、
送電共振回路（１１０）と、
直流電力を供給する電源回路（１３０）と、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記送電共振回路に供給する送電回路（１２０）と、
を備え、
前記送電回路は、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１２２）と、
前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路（１２４）と、
を備え、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０１）は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス（Ｚ２）に対する比が調整される、非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、
前記後段側インピーダンスに対する前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が１以下となるように、前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記後段側インピーダンスが調整される、非接触給電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の非接触給電装置であって、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記後段側インピーダンスの１／５以下に調整される、非接触給電装置。
【請求項４】
非接触で車両に供給される電力を受電する非接触受電装置（２０５）であって、
受電共振回路（２１０）と、
前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路（２２０）と、
を備え、
前記受電回路は、
前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路（２２４）と、
前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路（２２６）と、
前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路（２２８）と、
を備え、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０３）は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス（Ｚ３＊）に対する比が調整される、非接触受電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触受電装置であって、
前記前段側インピーダンスに対する前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が１以下となるように、前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記前段側インピーダンスが調整される、非接触受電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の非接触受電装置であって、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記前段側インピーダンスの１／５以下に調整される、非接触給電装置。
【請求項７】
道路に配置された複数の送電共振回路（１１０）と、車両に搭載された受電共振回路（２１０）とを用いて、非接触で車両に電力を供給する非接触給電システムであって、
前記複数の送電共振回路を有する非接触給電装置（１００）と、
前記車両に搭載される非接触受電装置（２０５）と、
を備え、
前記非接触給電装置は、
前記複数の送電共振回路と、
直流電力を供給する電源回路（１３０）と、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記複数の送電共振回路に供給する複数の送電回路（１２０）と、
を備え、
前記送電回路は、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１２２）と、
前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路（１２４）と、
を備え、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０１）は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス（Ｚ２）に対する比が調整され
前記非接触受電装置は、
前記受電共振回路と、
前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路（２２０）と、
を備え、
前記受電回路は、
前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路（２２４）と、
前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路（２２６）と、
前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路（２２８）と、
を備え、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０３）は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス（Ｚ３＊）に対する比が調整される
非接触給電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の非接触給電システムであって、
前記後段側インピーダンスに対する前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が１以下となるように、前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記後段側インピーダンスが調整される、非接触給電システム。
【請求項９】
請求項８に記載の非接触給電システムであって、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記後段側インピーダンスの１／５以下に調整される、非接触給電システム。
【請求項１０】
請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記前段側インピーダンスに対する前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が１以下となるように、前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記前段側インピーダンスが調整される、非接触給電システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の非接触給電システムであって、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記前段側インピーダンスの１／５以下に調整される、走行中非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、非接触で車両に電力を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、非接触送電システムの送電装置のインバータと送電共振回路との間にイミタンス変換回路が設けられた構成が開示されている。この構成では、イミタンス変換回路の出力電圧に基づいて送電電流を推定することで、送電共振回路の送電コイルと、車両に搭載され受電共振回路の受電コイルとの相対位置の変化や、受電共振回路から電力を供給される負荷の電圧変動等が生じた場合に、過電流を抑制しつつ電力供給の継続が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許６３４２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように設けられたイミタンス変換回路では、自身の特性インピーダンスと、イミタンス変換回路から送電共振回路側を見たインピーダンスとのバランスが悪い場合に、インバータの出力電流の高調波成分が大きくなり、送電効率が悪くなるという課題があることが分かった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一形態によれば、非接触で車両に電力を供給する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置は、送電共振回路（１１０）と、直流電力を供給する電源回路（１３０）と、前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記送電共振回路に供給する送電回路（１２０）と、を備える。前記送電回路は、前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１２２）と、前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路（１２４）と、を備える。前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０１）は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス（Ｚ２）に対する比が調整される。
この非接触給電装置によれば、インバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、インバータ回路において発生する損失を低減することができ、車両への送電の効率の向上が可能である。
【０００６】
本開示の他の一形態によれば、非接触で車両に供給される電力を受電する非接触受電装置（２０５）が提供される。この非接触受電装置は、受電共振回路（２１０）と、前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路（２２０）と、を備える。前記受電回路は、前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路（２２４）と、前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路（２２６）と、前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路（２２８）と、を備える。前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０３）は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス（Ｚ３＊）に対する比が調整される。
この非接触受電装置によれば、整流回路に入力される交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、非接触受電装置へ電力を送電する非接触給電装置に含まれるインバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができ、インバータ回路において発生する損失を低減することができ、車両への送電の効率の向上が可能である。
【０００７】
本発明の別の一形態によれば、道路に配置された複数の送電共振回路（１１０）と、車両に搭載された受電共振回路（２１０）とを用いて、非接触で車両に電力を供給する非接触給電システムが提供される。この非接触給電システムは、前記複数の送電共振回路を有する非接触給電装置（１００）と、前記車両に搭載される非接触受電装置（２０５）と、を備える。前記非接触給電装置は、前記複数の送電共振回路と、直流電力を供給する電源回路（１３０）と、前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記複数の送電共振回路に供給する複数の送電回路（１２０）と、を備える。前記送電回路は、前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１２２）と、前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路（１２４）と、を備える。前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０１）は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス（Ｚ２）に対する比が調整される。前記非接触受電装置は、前記受電共振回路と、前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路（２２０）と、を備える。前記受電回路は、前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路（２２４）と、前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路（２２６）と、前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路（２２８）と、を備える。前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス（Ｚ０３）は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス（Ｚ３＊）に対する比が調整される。
この非接触給電システムによれば、非接触給電装置において、インバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、インバータ回路において発生する損失を低減することができる。また、非接触受電装置において、整流回路に入力される交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、非接触受電装置へ電力を送電する非接触給電装置に含まれるインバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができ、インバータ回路において発生する損失を低減することができる。従って、非接触送電装置から非接触受電装置を搭載した車両への給電の効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】非接触給電システムの全体構成を示すブロック図。
【図２】給電時の非接触給電装置の送電回路と非接触受電装置とを示すブロック図。
【図３】図２の等価回路を示す説明図。
【図４】図３の送電側のイミタンス変換回路に着目した等価回路を示す説明図。
【図５】送電側のイミタンス変換回路への入力電流の波形を示す説明図。
【図６】送電側のイミタンス変換回路の伝達関数の第１の周波数特性を示す説明図。
【図７】送電側のイミタンス変換回路の伝達関数の第２の周波数特性を示す説明図。
【図８】送電側のイミタンス変換回路の特性インピーダンスと３次高調波成分との関係を示す説明図。
【図９】図３の受電側のイミタンス変換回路に着目した等価回路を示す説明図。
【図１０】図９の前段側インピーダンスに対応する等価回路を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、非接触給電システムは、道路ＲＳに設置された非接触給電装置１００と、道路ＲＳを走行する車両２００に搭載された非接触受電装置２０５とを含み、車両２００の走行中に電力を供給することが可能なシステムである。車両２００は、例えば、電気自動車やハイブリッド車として構成される。図１において、ｘ軸方向は車両２００の進行方向を示し、ｙ軸方向は車両２００の幅方向を示し、ｚ軸方向は鉛直上方向を示す。後述する他の図におけるｘ，ｙ，ｚ軸の方向も、図１と同じ方向を示している。
【００１０】
非接触給電装置１００は、複数の送電共振回路１１０と、複数の送電共振回路１１０に交流電圧を供給する複数の送電回路１２０と、複数の送電回路１２０に直流電圧を供給する電源回路１３０と、受電コイル位置検出部１４０とを備えている。
【００１１】
複数の送電共振回路１１０は、車両２００の進行方向（「道路ＲＳの延在方向」とも呼ぶ）に沿って道路ＲＳに設置されている。個々の送電共振回路１１０は、後述する送電コイルおよび共振コンデンサを含む。送電共振回路１１０は、送電コイルおよび共振コンデンサの両方が道路ＲＳの延在方向に沿って設置されている必要はなく、複数の送電コイルが道路ＲＳの延在方向に沿って設置されていればよい。
【００１２】
複数の送電回路１２０は、それぞれ、電源回路１３０から供給される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して送電共振回路１１０の送電コイルに印加する回路である。送電回路１２０の具体的な構成例については後述する。電源回路１３０は、直流電圧を送電回路１２０に供給する回路である。例えば、電源回路１３０は、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。
【００１３】
受電コイル位置検出部１４０は、後述する受電共振回路２１０の車両２００の底部に設置された受電コイルの位置を検出する。受電コイル位置検出部１４０は、例えば、複数の送電回路１２０における送電電力や送電電流の大きさから受電共振回路２１０の受電コイルの位置を検出しても良く、或いは、車両２００との無線通信や車両２００の位置を検出する位置センサを利用して受電共振回路２１０の受電コイルの位置を検出しても良い。複数の送電回路１２０は、受電コイル位置検出部１４０で検出された受電共振回路２１０の受電コイルの位置に応じて、受電共振回路２１０に近い１つ以上の送電共振回路１１０を用いて送電を実行する。
【００１４】
車両２００は、非接触受電装置２０５と、メインバッテリ２３０と、モータジェネレータ２４０と、インバータ回路２５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０と、補機バッテリ２７０と、補機２８０と、制御装置２９０とを備えている。非接触受電装置２０５は、受電共振回路２１０と受電回路２２０とを有している。
【００１５】
受電共振回路２１０は、後述する受電コイルおよび共振コンデンサを含んでおり、送電共振回路１１０との間の電磁誘導現象によって受電コイルに誘導された交流電力を得る装置である。受電回路２２０は、受電共振回路２１０から出力される交流電力を直流電力に変換する回路である。受電回路２２０の具体的な構成例については後述する。受電回路２２０から出力される直流電力は、負荷としてのメインバッテリ２３０の充電に利用することができ、また、補機バッテリ２７０の充電や、モータジェネレータ２４０の駆動、及び、補機２８０の駆動にも利用可能である。
【００１６】
メインバッテリ２３０は、モータジェネレータ２４０を駆動するための直流電圧を出力する２次電池である。モータジェネレータ２４０は、３相交流モータとして動作し、車両２００の走行のための駆動力を発生する。モータジェネレータ２４０は、車両２００の減速時にはジェネレータとして動作し、３相交流電圧を発生する。インバータ回路２５０は、モータジェネレータ２４０がモータとして動作するとき、メインバッテリ２３０の直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータ２４０を駆動する。インバータ回路２５０は、モータジェネレータ２４０がジェネレータとして動作するとき、モータジェネレータ２４０が出力する３相交流電圧を直流電圧に変換してメインバッテリ２３０に供給する。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０は、メインバッテリ２３０の直流電圧を、より低い直流電圧に変換して補機バッテリ２７０及び補機２８０に供給する。補機バッテリ２７０は、補機２８０を駆動するための直流電圧を出力する２次電池である。補機２８０は、空調装置や電動パワーステアリング装置等の周辺装置である。
【００１８】
制御装置２９０は、車両２００内の各部を制御する。制御装置２９０は、走行中非接触給電を受ける際には、受電回路２２０を制御して受電を実行する。
【００１９】
非接触給電装置１００の１つの送電回路１２０および送電共振回路１１０と、車両２００の非接触受電装置２０５の受電共振回路２１０および受電回路２２０は、例えば、図２に示す回路で構成されている。
【００２０】
送電共振回路１１０は直列に接続された送電コイル１１２と共振コンデンサ１１６とを有している。受電共振回路２１０は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および受電共振回路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）による磁気共振方式が適用されている。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。なお、送電コイル１１２のインダクタンス値はＬｒ１で表され、共振コンデンサ１１６のキャパシタンス値はＣｒ１で表されている。受電コイル２１２のインダクタンス値はＬｒ２で表され、共振コンデンサ２１６のキャパシタンス値はＣｒ２で表されている。
【００２１】
送電回路１２０は、電源回路１３０からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１２２と、２つのインダクタンス１２４Ｌと１つのコンデンサ１２４Ｃを有するＴ−ＬＣＬ型のローパスフィルタであるイミタンス変換回路１２４とを有している。なお、インダクタンス１２４Ｌのインダクタンス値はＬ１で表され、コンデンサ１２４Ｃのキャパシタンス値はＣ１で表されている。
【００２２】
受電回路２２０は、２つのインダクタンス２２４Ｌと１つのコンデンサ２２４Ｃを有するＴ−ＬＣＬ型ローパスフィルタであるイミタンス変換回路２２４と、交流電力を直流電力に変換する整流回路２２６と、メインバッテリ２３０の充電に適した直流電圧の電力に変換する電力変換回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２８と、を有している。なお、インダクタンス２２４Ｌのインダクタンス値はＬ２で表され、コンデンサ２２４Ｃのキャパシタンス値はＣ２で表されている。
【００２３】
以下の説明では、イミタンス変換回路１２４，２２４に含まれるインダクタンスおよびコンデンサや、送電共振回路１１０および受電共振回路２１０に含まれるコイルおよびコンデンサを、説明の都合上、それぞれの値を示す記号を符号として用いて示す場合もある。例えば、イミタンス変換回路１２４のインダクタンス１２４Ｌをそのインダクタンス値Ｌ１を用いて、「インダクタンスＬ１」と示す場合もある。
【００２４】
図２に示した給電側（「送電側」とも呼ぶ）の電源回路１３０から受電側の受電回路２２０までの構成は、図３に示した等価回路で表される。電源回路１３０およびインバータ回路１２２は、矩形波を出力する交流電源ＳＡＣに置き換えられる。送電共振回路１１０および受電共振回路２１０は、送電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との間の相互インダクタンスＬｍを用いたＴ型等価回路ＴＥＣに置き換えられる。Ｒ１，Ｒ２は巻線抵抗である。整流回路２２６およびＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２８は、後述するインピーダンスＺ４に置き換えられる。
【００２５】
以下の説明において、送電側のイミタンス変換回路１２４の入力側の端子対Ｐ１−Ｐ１＊からイミタンス変換回路１２４の入力側を見たインピーダンスをＺ１とする。インピーダンスＺ１はＶ１／Ｉ１である。Ｖ１は端子対Ｐ１−Ｐ１＊間の電圧であり、Ｉ１はイミタンス変換回路１２４に流れる電流である。イミタンス変換回路１２４の特性インピーダンスをＺ０１とする。イミタンス変換回路１２４の出力側の端子対Ｐ２−Ｐ２＊から後段側を見たインピーダンスをＺ２とする。インピーダンスＺ２はＶ２／Ｉ２である。Ｖ２は端子対Ｐ２−Ｐ２＊間の電圧であり、Ｉ２は後段側に流れる電流である。受電側のイミタンス変換回路２２４の入力側の端子対Ｐ３−Ｐ３＊からイミタンス変換回路２２４の入力側を見たインピーダンスをＺ３とする。インピーダンスＺ３はＶ３／Ｉ３である。Ｖ３は端子対Ｐ３−Ｐ３＊間の電圧であり、Ｉ３はイミタンス変換回路２２４に流れる電流である。イミタンス変換回路２２４の特性インピーダンスをＺ０３とする。イミタンス変換回路２２４の出力側の端子対Ｐ４−Ｐ４＊から後段側を見たインピーダンスは、Ｚ４とする。インピーダンスＺ４はＶ４／Ｉ４で表される。Ｖ４は端子対Ｐ４−Ｐ４＊間の電圧であり、Ｉ４は後段側に流れる電流である。このインピーダンスＺ４は、メインバッテリ２３０の状態に応じて変化するインピーダンスである。なお、インピーダンスＺ４が最も大きくなるのは、メインバッテリ２３０が満充電の状態であり、インピーダンスＺ４が最も小さくなるのは、メインバッテリ２３０の電圧が使用範囲として許容されている最も低い電圧において、許容されている最も大きい電流で充電が実行される場合である。
【００２６】
図３の送電側のイミタンス変換回路１２４は、図４に示すように、交流電源ＳＡＣから電圧Ｖ１および電流Ｉ１の矩形状の交流電力が入力され、イミタンス変換回路１２４の出力側（「後段側」とも呼ぶ）にインピーダンスＺ２が接続された等価回路で表される。なお、以下の説明では、このインピーダンスＺ２を「後段側インピーダンスＺ２」とも呼ぶ。
【００２７】
なお、後段側インピーダンスＺ２は、下式（１）で表される。
Ｚ２＝Ｚ０２２／Ｚ３＝（Ｚ０２２／Ｚ０３２）・Ｚ４  ・・・（１）
Ｚ０２はＴ型等価回路ＴＥＣの特性インピーダンスであり、Ｚ０３は受電側のイミタンス変換回路１２４の特性インピーダンスである。Ｔ型等価回路ＴＥＣの特性インピーダンスＺ０２は、交流電力の角周波数をω０として用いて下式（２）で表される。受電側のイミタンス変換回路１２４の特性インピーダンスＺ０３は下式（３）で表される。
Ｚ０２＝ω０・Ｌｍ  ・・・（２）
Ｚ０３＝（Ｌ２／Ｃ２）１／２  ・・・（３）
【００２８】
ここで、入力電流Ｉ１を入力とし、入力電圧Ｖ１を出力とする伝達関数を示すインピーダンスＺ１は、後段側インピーダンスＺ２と、イミタンス変換回路１２４のインダクタンスＬ１およびコンデンサＣ１と、角周波数ωおよび虚数ｊとを用いて、下式（４）で表される。
Ｚ１＝（１−ω２・Ｌ１・Ｃ１)・Ｚ２＋ｊω・Ｌ１・（２−ω２・Ｌ１・Ｃ１）／（（１−ω２・Ｌ１・Ｃ１）＋ｊω・Ｃ１・Ｚ２）  ・・・（４）
【００２９】
インピーダンスＺ１の共振条件は、上式（４）の虚数部が０となることであり、下式（５）で表される。
Ｌ１・（２−ω２・Ｌ１・Ｃ１)・−（１−ω２・Ｌ１・Ｃ１)−Ｃ１・Ｚ２２・（１−ω２・Ｌ１・Ｃ１）＝０  ・・・（５）
【００３０】
上式（５）を満たす共振角周波数には、下式（６）で表される並列共振の共振角周波数ω０＿１と、下式（７）で表される直列共振の共振角周波数ω０＿２の２つが存在する。
ω０＿１＝１／（Ｌ１・Ｃ１）１／２  ・・・（６）
ω０＿２＝（２−（Ｃ１／Ｌ）・Ｚ２２）１／２／（Ｌ１・Ｃ１）１／２  ・・・（７）
【００３１】
また、Ｑ値は、下式（８）で表される。
Ｑ＝（１−Ｚ２２・（Ｌ１／Ｃ１））１／２・（Ｌ１／Ｃ１）１／２／Ｚ２  ・・・（８）
【００３２】
直列共振の共振角周波数ω０＿２は、上式（７）に示すように、後段側インピーダンスＺ２が小さくなるにつれて、ω０＿２＝（２／（Ｌ１・Ｃ１））１／２に向かって高周波側へシフトすることになる。このため、直列共振の共振角周波数ω０＿２は、一定な値である並列共振の共振角周波数ω０＿１＝１／（Ｌ１・Ｃ１）１／２（上式（６）参照）に対して離れていくことになる。また、Ｑ値は、上式（８）に示すように、後段側インピーダンスＺ２が小さくなるにつれて、大きくなっていく。なお、Ｚ２２・（Ｌ１／Ｃ１）＜＜１のとき、上式（８）から得られるＱ値は並列共振のＱ値に相当し、下式（９）で表される。
Ｑ＝（Ｌ１／Ｃ１）１／２／Ｚ２  ・・・（９）
【００３３】
上式（９）からわかるように、並列共振のＱ値は、上式（８）のＱ値に比べて高く、後段側インピーダンスＺ２が小さくなって、直列共振の共振角周波数ω０＿２が並列共振の共振角周波数ω０＿１から離れるほど、顕著になると考えられる。
【００３４】
本実施形態における送電共振回路１１０および受電共振回路２１０（図２参照）は上記のように直列共振を利用する構成であるため、インバータ回路１２２から出力する交流電力の周波数は、直列共振の周波数に合わせて設定される。このため、後段側インピーダンスＺ２が小さくなるほど、インバータ回路１２２からイミタンス変換回路１２４に入力される交流電力(電流あるいは電圧）に対して、並列共振の影響によって、入力される交流電力の基本周波数の成分の減衰が大きくなり、高調波成分の割合が大きくなると考えられる。
【００３５】
ここで、下式（１０）で表されるイミタンス変換回路１２４の特性インピーダンスＺ０１を用いると、上式（７）は下式（１１）のように表される。
Ｚ０１＝（Ｌ１／Ｃ１）１／２  ・・・（１０）
ω０＿２＝（２−Ｚ２２／Ｚ０１２）１／２／（Ｌ１・Ｃ１）１／２  ・・・（１１）
【００３６】
上式（７）において「後段側インピーダンスＺ２が小さくなっていく」ことは、上式（１１）において「特性インピーダンスＺ０１が後段側インピーダンスＺ２以上となる」ことに対応する。そこで、下式（１２）に示すように、特性インピーダンスＺ０１を後段側インピーダンスＺ２以下の大きさに設定すれば、並列共振の影響を低減し、直列共振を主たる共振とすることが可能である。これにより、インバータ回路１２２から出力される交流電力における高調波成分の割合を抑制することが可能である。この高調波成分の低減によって、インバータ回路１２２における交流変換によって発生するスイッチング損失を低減することが可能である。この結果、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。
Ｚ０１／Ｚ２≦１  ・・・（１２）
【００３７】
図４に示した等価回路において、交流電源ＳＡＣを、矩形波ではなく、周波数ｆ０＝１００ｋＨｚ、入力電圧Ｖ１＝１０Ｖの正弦波として、Ｚ０１＞Ｚ２の場合とＺ０１＜Ｚ２の場合の入力電流Ｉ１についてシミュレーションした。
【００３８】
Ｚ０１＝１６Ω，Ｚ２＝１０ΩでＺ０１＞Ｚ２の場合には、図６に示すように、入力電圧Ｖ１に対する入力電流Ｉ１の伝達関数のゲイン（実線で示す）および位相差（破線で示す）の特性において、並列共振の共振角周波数ω０＿１を示す共振周波数１００ｋＨｚに対して、直列共振の共振角周波数ω０＿２を示す共振周波数が１４０ｋＨｚと、高くなっていることを確認した。そして、この場合、図５に示すように、入力電流Ｉ１の波形は、３次高調波成分の割合が大きくなって、歪の大きい波形となることが分かった。
【００３９】
これに対して、Ｚ０１＝１．６Ω，Ｚ２＝１０ΩでＺ０１＜Ｚ２の場合には、図７に示すように、入力電圧Ｖ１に対する入力電流Ｉ１の伝達関数のゲイン（実線で示す）および位相差（破線で示す）の特性において、並列共振の共振角周波数ω０＿１を示す共振周波数１００ｋＨｚに対して、直列共振の共振角周波数ω０＿２がほぼ同じ１００ｋＨｚとなっていることを確認した。そして、この場合、図５に示すように、入力電流Ｉ１の波形は、３次高調波成分の割合が小さくなって、歪の小さい波形となることが分かった。
【００４０】
以上のことから、上式（１２）を満たすように、特性インピーダンスＺ０１を後段側インピーダンスＺ２以下の大きさに設定すれば、インバータ回路１２２から出力される交流電力における高調波成分の割合を抑制し、インバータ回路１２２におけるスイッチング損失を低減することが可能である。この結果、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能であることが分かった。
【００４１】
また、図８は、後段側インピーダンスＺ２に対する特性インピーダンスＺ０１の大きさＺ０１／Ｚ２と、基本波成分に対する３次高調波成分の割合Ｒ３／０［％］との関係を示している。この関係から、特性インピーダンスＺ０１を後段側インピーダンスＺ２の１／５以下とすれば、３次高調波成分の割合を３％以下に低減可能であることが分かった。
【００４２】
そこで、本実施形態の非接触給電装置１００では、各送電回路１２０に有するイミタンス変換回路１２４において、それぞれ、自身の特性インピーダンスＺ０１を、自身の後段側インピーダンスＺ２以下となるように調整している。これにより、各送電回路１２０において、インバータ回路１２２から出力される交流電力の高調波成分を低減することができ、送電の効率を向上させることが可能である。特に、自身の特性インピーダンスＺ０１を自身の後段側インピーダンスＺ２の１／５以下となるように調整すれば、基本波成分に対する３次高調波成分の割合を３％以下に調整することができる。これにより、より効果的に、インバータ回路１２２から出力される交流電力における高調波成分の割合を抑制し、インバータ回路１２２におけるスイッチング損失を低減することが可能である。この結果、より効果的に、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。
【００４３】
なお、下式（１３）で表される結合係数ｋが最小となる場合において、インバータ回路１２２から出力される交流のインバータ電流が最も大きくなり、これに含まれる高調波成分も最も大きくなる。
ｋ＝Ｌｍ／（Ｌｒ１・Ｌｒ２）１／２  ・・・（１３）
そこで、結合係数ｋが最小となる条件、すなわち、インバータ電流に含まれる高調波成分が最も大きくなる条件で、特性インピーダンスＺ０１を後段側インピーダンスＺ２に対して調整することが好ましい。結合係数ｋが最小となる条件は、受電コイルＬｒ２の中心の位置が、送電コイルＬｒ１の中心の位置に対して、高さ方向（図１のｚ方向である）で許容されている最大の高さにあり、かつ、水平方向（図１のｙ方向である）のずれとして許容されている範囲内で最大のずれの位置にある場合である。この条件で、特性インピーダンスＺ０１を後段側インピーダンスＺ２に対して調整すれば、最も厳しい高調波発生の条件において高調波成分を低減することが可能である。なお、受電コイルＬｒ２の高さは、上記したように通常車両の底面に配置されるので、通常、車両に依存するパラメータである。
【００４４】
Ｂ．第２実施形態：
図２に示した非接触受電装置２０５の受電回路２２０に設けられた受電側のイミタンス変換回路２２４に関しても、整流回路２２６の整流動作によって、イミタンス変換回路２２４に矩形波の交流電力が印加される動きとして扱うことができる。このため、受電側のイミタンス変換回路２２４は、図９に示すように、イミタンス変換回路２２４の出力側すなわち後段側（本例では入力側となる）に交流電源ＳＡＣが接続され、イミタンス変換回路２２４の入力側すなわち前段側(本例では出力側となる）にインピーダンスＺ３＊が接続された等価回路で表される。なお、このインピーダンスＺ３＊は、図１０に示す図３と同様の等価回路において、イミタンス変換回路２２４の入力側の端子対Ｐ３−Ｐ３＊から前段側を見たインピーダンスである。なお、以下の説明では、このインピーダンスＺ３＊を「前段側インピーダンスＺ３＊」とも呼ぶ。
【００４５】
図９の等価回路で表された受電側のイミタンス変換回路２２４も、図４の等価回路で表された送電側のイミタンス変換回路１２４と同様と考えられる。すなわち、下式（１４）に示すように、受電側のイミタンス変換回路２２４の特性インピーダンスＺ０３を前段側インピーダンスＺ３＊以下の大きさに設定すれば、並列共振の影響を低減し、直列共振を主たる共振とすることが可能である。
Ｚ０３／Ｚ３＊≦１  ・・・（１４）
これにより、整流回路２２６に入力される交流電力における高調波成分の割合を抑制することが可能であり、この結果、非接触給電装置１００のインバータ回路１２２から出力される交流電力における高調波成分の割合を抑制することができる。この結果、インバータ回路１２２におけるスイッチング損失を低減することが可能であり、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。また、特性インピーダンスＺ０３を前段側インピーダンスＺ３の１／５以下とすれば、３次高調波成分の割合を３％以下に低減可能であり、より効果的に、この結果、より効果的に、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。
【００４６】
なお、前段側インピーダンスＺ３＊は、下式（１５）で表される。
Ｚ３＊＝Ｚ０２２／Ｚ２＊＝（Ｚ０２２／Ｚ０１２）・Ｚ１＊  ・・・（１５）
Ｚ０２はＴ型等価回路ＴＥＣの特性インピーダンスであり、上式（２）で表される。また、Ｚ０１は送電側のイミタンス変換回路１２４の特性インピーダンスであり、上式（１０）で表される。Ｚ２＊は図１０に示すように、受電側のイミタンス変換回路１２４の出力の端子対Ｐ２−Ｐ２＊から前段側を見たインピーダンスである。インピーダンスＺ２＊はＶ２＊／Ｉ２＊である。Ｖ２＊は端子対Ｐ２−Ｐ２＊間の電圧であり、Ｉ２＊は前段側に流れる電流である。Ｚ１＊は図１０に示すように、受電側のイミタンス変換回路１２４の入力側の端子対Ｐ１−Ｐ１＊から前段側を見たインピーダンスである。インピーダンスＺ１＊はＶ１＊／Ｉ１＊である。Ｖ１＊は端子対Ｐ１−Ｐ１＊間の電圧であり、Ｉ１＊は前段側に流れる電流である。
【００４７】
なお、上式（１３）で表される結合係数ｋが最大となる場合において、整流回路２２６へ流れる交流の整流電流が最も大きくなり、これに含まれる高調波成分も最も大きくなる。そこで、結合係数ｋが最大となる条件、すなわち、整流電流に含まれる高調波成分が最も大きくなる条件で、特性インピーダンスＺ０３を前段側インピーダンスＺ３＊に対して調整することが好ましい。結合係数ｋが最大となる条件は、受電コイルＬｒ２の中心の位置が、送電コイルＬｒ１の中心の位置に対して、高さ方向（図１のｚ方向である）で許容されている最小の高さにあり、かつ、水平方向（図１のｙ方向）のずれとして許容されている範囲内で最小のずれの位置にある場合である。この条件で、特性インピーダンスＺ０３を前段側インピーダンスＺ３＊に対して調整すれば、最も厳しい高調波発生の条件において高調波成分を低減することが可能である。
【００４８】
Ｃ．第３実施形態：
第１実施形態では、非接触給電装置１００の送電回路１２０に設けられたイミタンス変換回路１２４について、その特性インピーダンスＺ０１が後段側インピーダンスＺ２に対して調整される構成について説明した。また、第２実施形態では、車両２００に搭載された非接触受電装置２０５の受電回路２２０に設けられたイミタンス変換回路２２４について、その特性インピーダンスＺ０３が前段側インピーダンスＺ３＊に対して調整される構成について説明した。各実施形態で説明したように、非接触給電装置あるいは非接触受電装置の一方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成であってもよく、両方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成であってもよい。両方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成とすれば、より効果的に、非接触給電装置１００から車両２００の非接触受電装置２０５への給電の効率をより向上させることが可能である。
【００４９】
Ｄ．他の実施形態：
（１）上記実施形態の説明では、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。複数相の送電コイルあるいは受電コイルの構成の場合、各相について、それぞれにイミタンス変換回路が設けられ、それぞれのイミタンス変換回路の特性インピーダンスは、上記実施形態で説明したようにして調整されることが好ましい。
【００５０】
（２）上記実施形態の説明では、道路ＲＳに設置された非接触給電装置１００として、複数の送電共振回路１１０および複数の送電共振回路１１０に対応する複数の送電回路１２０を備える構成を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、１つの送電共振回路１１０および１つの送電共振回路１１０に対応する１つの送電回路１２０と、を備える非接触給電装置としてもよい。この場合、例えば、設置された１つの送電コイル１１２に対して受電コイル２１２が対向する位置に配置されるように車両２００を停車させた状態とすることにより、車両２００に電力を給電する構成とすることが可能である。
【００５１】
（３）上記実施形態の説明では、Ｔ−ＬＣＬ型のイミタンス変換回路を例として説明しているが、Ｔ−ＣＬＣ型のイミタンス変換回路であってもよい。この場合には、Ｔ−ＣＬＣ型のイミタンス変換回路に対応する特性インピーダンスが上記実施形態で説明したように調整されることが好ましい。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
１００…非接触給電装置、１１０…送電共振回路、１１２…送電コイル、１１６…共振コンデンサ、１２０…送電回路、１２２…インバータ回路、１２４…イミタンス変換回路、１２４Ｃ…コンデンサ、１２４Ｌ…インダクタンス、１３０…電源回路、１４０…受電コイル位置検出部、２００…車両、２０５…非接触受電装置、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、２２４…イミタンス変換回路、２２４Ｃ…コンデンサ、２２４Ｌ…インダクタンス、２２６…整流回路、２２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、Ｚ０１…特性インピーダンス、Ｚ０３…特性インピーダンス、Ｚ２…後段側インピーダンス、Ｚ３＊…前段側インピーダンス
【図１】
2020178398.tif 000003
【図２】
2020178398.tif 000004
【図３】
2020178398.tif 000005
【図４】
2020178398.tif 000006
【図５】
2020178398.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020178398.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020178398.tif 000011
【図１０】
2020178398.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月31日(2019.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
【特許文献１】特許第６３４４２８９号公報