(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の外部に設置されるとともに交流電源からの電力が入力される、所定の共振周波数に設定された送電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源からの電力を受電する非接触給電装置であって、
前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された受電用共振手段を前記車両に備え、
前記送電用共振手段に対して前記受電用共振手段を所定距離に位置させた給電位置における、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源から前記送電用共振手段を介して前記受電用共振手段へ電力を供給する非接触給電装置において、
前記給電位置における、前記送電用共振手段から前記所定距離以内の範囲であって前記受電用共振手段から前記所定距離以内の範囲の前記車両の車輪のタイヤ内部に、前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段が設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置において、
前記受電用共振手段が受電した電力を整流する整流手段と、
前記整流手段により整流された電力を蓄電する蓄電手段と、をさらに備えることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非接触給電装置において、
前記中継用共振手段が、複数設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項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、
前記送電用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された送電コイルと、当該送電コイルに対して電磁誘導により前記電源からの電力を給電する一次コイルとを含み、
前記受電用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された受電コイルと、当該受電コイルに対して電磁誘導により前記電源からの電力を受電する二次コイルとを含み、
前記中継用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された中継コイルを含むことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触給電装置において、
前記送電コイルのコイル中心軸と前記中継コイルのコイル中心軸とのなす角度が９０度以外の角度になるように、前記中継コイルが配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共鳴法による非接触給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触（ワイヤレス）の送電技術として、電磁場の共鳴を利用して送電する手法が知られている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｋａｒａｌｉｓ  Ａ．ｅｔ  ａl  （Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｖｉａ  Ｓｔｒｏｌｎｇｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ）  Ｓｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３１７，ｎｏ．５８３４，ｐｐ．８３−８６，２００７．
【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、上記共鳴法による非接触給電装置では、送電用共振手段と受電用共振手段との距離（以下送電距離）が長くなると送電効率が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、送電距離が長くなっても送電効率を維持することができる非接触給電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、給電位置における送電用共振手段と受電用共振手段との間であって車両の車輪のタイヤ内部に、前記送電共振手段及び前記受電共振手段と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段を設けることによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、送電用共振手段と中継用共振手段との磁気的結合により送電用共振手段から中継用共振手段へ電力が給電され、さらに中継用共振手段と受電用共振手段との磁気的結合により中継用共振手段から受電用共振手段へ電力が給電される。これにより、送電距離が長くなっても送電効率を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態を適用した電動車両への給電システムを示す全体構成図である。
【図２Ａ】送電距離Ｚに対する結合度κの関係を示すグラフである。
【図２Ｂ】Ｘ−Ｙ平面上のズレＸに対する結合度κの関係を示すグラフである。
【図２Ｃ】図１の送電コイル１と受電コイル２とがＸ−Ｙ平面内でずれた状態を示す平面図および正面図である。
【図２Ｄ】送電距離ＺまたはズレＸに対する送電効率の関係を示すグラフである。
【図３】図１に示す送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３の配置例を示す構成図である。
【図４】中継コイル３のコイル中心軸と送電コイル１のコイル中心軸とのなす角度θと送電効率との関係を示すグラフである。
【図５】図１の中継コイルの配置例を示すタイヤの断面図である。
【図６Ａ】送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３の他の配置例を示す正面図である。
【図６Ｂ】送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３のさらに他の配置例を示す正面図である。
【図６Ｃ】送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３のさらに他の配置例を示す正面図である。
【図６Ｄ】送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３のさらに他の配置例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態を適用した電動車両への給電システムを示す全体構成図であり、電動車両Ｖの駆動用電動機Ｍに電力を供給するための給電システムに具現化した例である。
【００１０】
本例の給電装置１０は、高周波交流電源６と、一次コイル４と、送電コイル１と、受電コイル２と、二次コイル５と、整流器７と、蓄電装置８とを備える。この給電装置１０のうち、受電コイル２と、二次コイル５と、整流器７と、蓄電装置８とが電動車両Ｖに設けられ、高周波交流電源６と、一次コイル４と、送電コイル１とが車両の外部（以下、給電場所ともいう）に設けられている。
【００１１】
なお、電動車両Ｖの駆動系（パワートレイン）に駆動用電動機Ｍが接続され、この駆動用電動機Ｍが蓄電装置８からの電力を受けて車両駆動力を発生し、この発生した駆動力を、駆動系を介して車輪へ出力することにより、電動車両Ｖが走行する。また図示を省略したが、駆動用電動機Ｍとして交流モータを用いる場合は蓄電装置８と駆動用電動機Ｍとの間にインバータ等の電力変換器が設けられる。
【００１２】
電動車両Ｖ側に設けられる受電コイル（二次自己共振コイル）２は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルから構成され、給電装置１０の送電コイル（一次自己共振コイル）１と磁場の共鳴により磁気的に結合され、送電コイル１からの電力を受電可能に構成されている。すなわち、受電コイル２は、蓄電装置８の電圧、送電コイル１と受電コイル２との間の送電距離、送電コイル１と受電コイル２との共振周波数等の諸条件に基づいて、送電コイル１と受電コイル２との共鳴強度を示すＱ値およびその結合度を示すκ値が大きくなるように、コイルの巻数、太さ、巻きピッチが適宜設定されている。受電コイル２の共振周波数をｆ２とする。
【００１３】
二次コイル５は、両端が接続されたワンターンコイルであって、電磁誘導によって受電コイル２から受電可能に構成され、好ましくは受電コイル２と同軸上に設けられている。二次コイル５は受電コイル２の自己共振周波数ｆ２を変化させないために設けられている。そして、二次コイル５は、受電コイル５から受電した電力を整流器７へ出力する。
【００１４】
整流器７は、二次コイル５から受ける高周波の交流電力を整流して蓄電装置８へ出力する。なお、整流器７に代えて、二次コイル５から受ける高周波の交流電力を蓄電装置８の電圧レベルに変換するＡＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。
【００１５】
蓄電装置８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やニッケル水素などの二次電池から構成されている。蓄電装置８の電圧は、たとえば２００〜５００Ｖ程度である。蓄電装置８は、整流器７から供給される電力を蓄えるほか、駆動用電動機Ｍによって発電された回生電力も蓄えることができる。そして、蓄電装置８は、その蓄えた電力を駆動用電動機Ｍへ供給する。なお、蓄電装置８として、二次電池に代えてまたはこれと併用して、大容量のキャパシタを採用することができ、整流器７や駆動用電動機Ｍからの電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力を駆動用電動機Ｍへ供給可能な電力バッファであればよい。
【００１６】
一方、車両の外部側である給電場所に設けられる高周波交流電源６は、たとえば系統電源６ａ（電力会社が保有する商用インフラ交流電源）と電力変換器６ｂとを備える。電力変換器６ｂは、交流電源６ａから受ける電力を、磁場を共鳴させて送電コイル１から車両側の受電コイル２へ送電可能な高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次コイル４へ供給する。
【００１７】
一次コイル４は、電磁誘導によって送電コイル１へ送電可能に構成され、好ましくは送電コイル１と同軸上に配設されている。一次コイル４は送電コイル１の自己共振周波数ｆ１を変化させないために設けられている。そして、一次コイル４は、電力変換器６ｂから受電した電力を送電コイル１へ出力する。
【００１８】
送電コイル１は、給電場所のたとえば地面近傍に配設されている。この送電コイル１は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルから構成され、電動車両Ｖの受電コイル２と磁場の共鳴により磁気的に結合され、受電コイル２へ電力を送電可能に構成されている。すなわち、送電コイル１は、送電コイル１から送電される電力によって充電される蓄電装置８の電圧、送電コイル１と受電コイル２との間の送電距離、送電コイル１と受電コイル２との共鳴周波数等の諸条件に基づいて、Ｑ値および結合度κ値が大きくなるように、コイルの巻数、太さ、巻きピッチが適宜設定されている。
【００１９】
そして、送電コイル１の共振周波数をｆ１は、上述した受電コイル２の共振周波数ｆ２と等しい値に設定されている（ｆ１＝ｆ２）。ただし、送電コイル１と受電コイル２とは、共振周波数ｆ１，ｆ２を等しく設定すればよく、コイルの巻数、太さ、巻きピッチ等のコイル形状やサイズを同一にする必要はない。また、共振周波数ｆ１，ｆ２を等しく設定すればよいので、送電コイル１及び／又は受電コイル２にコンデンサを外付けしてもよい。
【００２０】
共鳴法による送電の原理を説明すると、共鳴法は２つの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する２つのＬＣ共振コイルが磁場を介して共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへワイヤレスで電力が伝送される。
【００２１】
すなわち、高周波交流電源６によって一次コイル４に高周波交流電力が入力されると、一次コイル４に磁界が発生し、電磁誘導により送電コイル１に高周波交流電力が発生する。送電コイル１は、コイル自身のインダクタンスと導線間の浮遊容量とによるＬＣ共振器として機能し、かつ送電コイル１と同じ共振周波数を有する受電コイル２と磁場共鳴により磁気的に結合することによって、受電コイル２へ電力を伝送する。そして、送電コイル１からの受電により受電コイル２に発生する磁界によって二次コイル５に電磁誘導による高周波交流電力が発生し、整流器７により直流電力に整流されたのち蓄電装置８に直流電力が供給される。
【００２２】
さて、共鳴法による送電システムにおいては、送電コイル１と受電コイル２との位置関係によってこれらの結合度κが変動し、これにより送電効率も変動することが知られている。図２Ａは送電コイル１と受電コイル２との送電距離Ｚに対する結合度κの関係を示すグラフ、図２Ｂは送電コイル１と受電コイル２とのＸ方向（またはＹ方向）のズレＸに対する結合度κの関係を示すグラフである。なお、図２Ａの送電距離Ｚは、送電コイル１の先端と受電コイル２の先端とのＺ軸方向の直線距離と定義する。また、図２ＢのズレＸは、図２Ｃに示すように送電コイル１のコイル中心軸と受電コイル２のコイル中心軸とのＸ−Ｙ平面上の距離と定義する。
【００２３】
図２Ａに示すように、送電距離Ｚが大きくなると送電コイル１と受電コイル２との結合度κが漸減し、図２Ｂに示すようにズレＸが大きくなると送電コイル１と受電コイル２との結合度κが漸減する。この結果、図３Ｄに点線で示すように、送電距離ＺまたはズレＸが大きくなると送電コイル１から受電コイル２に送電される電力の送電効率が減少する。
【００２４】
特に限定はされないが、電動車両Ｖを給電場所に駐車して蓄電装置８を充電する場合を考えると、車両側に設置する受電コイル２のレイアウトや電動車両Ｖの車高によって送電距離Ｚが相違することがある。たとえば、受電コイル２は車両のフロア部などのようにできるだけ車両の下部に配置することが望ましいとされるが、電動車両Ｖのレイアウトによってはトランクルームやエンジンルームなどのように路面から離れた位置に配置しなければならない事情も考えられる。こうした諸事情により給電場所における送電距離Ｚが長くなることがある。
【００２５】
また、送電コイル１と受電コイル２とのズレＸについては、運転手の運転技量などにより給電場所に精度よく駐車できないこともあり、これにより送電距離Ｚは短くてもズレＸが長くなることがある。こうした送電距離ＺまたはズレＸが大きくなると給電効率が低下するため給電場所における充電時間が長くなる。そして充電時間を短縮するためには高周波交流電源６の電力を高める必要がある。
【００２６】
本例の給電装置１０は、送電距離ＺまたはズレＸが多少大きくなっても高周波交流電源６のパワーを増加させることなくしかも充電時間を維持するために、中継コイル３を備える。中継コイル３は車両側又は車両外部側（地面、路面又は壁面など）のいずれに設けてもよいが、図１に示す例では、前輪と後輪のそれぞれに中継コイル３が内蔵されている。本例の中継コイル３の配置例を図３に示す。
【００２７】
図３は、図１の送電コイル１のコイル中心軸と、受電コイル２のコイル中心軸とが一致した場合における中継コイル３の配置例を示す正面図である。中継コイル３は、送電コイル１や受電コイル２と同様に両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルから構成され、その共振周波数ｆ３が、送電コイル１の共振周波数ｆ１および受電コイル２の共振周波数ｆ２と等しい値に設定されている（ｆ３＝ｆ１＝ｆ２）。ただし、中継コイル３は、送電コイル１や受電コイル２との関係において、共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を等しく設定すればよく、コイルの巻数、太さ、巻きピッチ等のコイル形状やサイズを同一にする必要はない。または、共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３を等しく設定すればよいので、送電コイル１、受電コイル２及び／又は中継コイル３にコンデンサを外付けしてもよい。また、中継コイル３に電磁誘導により電力を授受するための一次コイル４や二次コイル５を設ける必要もない。
【００２８】
図３に示すように、送電コイル１の先端と受電コイル２の先端との距離をＺ（上述した送電距離Ｚに相当）とした場合に、本例の中継コイル３は、送電コイル１の先端から半径Ｚ以内の範囲であって、かつ受電コイル２の先端から半径Ｚ以内の範囲に配置することが望ましい。この場合に、少なくとも中継コイル３の先端が当該範囲内に配置されることが望ましい。また、中継コイル３のコイル中心軸と送電コイル１のコイル中心軸とのなす角度θが９０度以外の角度になるように中継コイル３の配置方向を設定することが望ましく、送電効率の点から角度θは０度に近い方がより望ましい。
【００２９】
図４は中継コイル３のコイル中心軸と送電コイル１のコイル中心軸とのなす角度θと送電効率との関係を確認した結果を示すグラフである。同図において中継コイル３と送電コイル１の共振周波数ｆｎ１〜ｆｎ４別の送電効率を示すが、共振周波数の大小に拘わらず、中継コイル３のコイル中心軸と送電コイル１のコイル中心軸とのなす角度θが９０度に近い方が０度に近い方に比べて送電効率が低いことが確認されている。また、同図のｆｎ１やｆｎ２のように共振周波数を高く設定すればするほど、角度θが９０度近傍以外の角度に設定するだけで送電効率が高い値に維持されることも理解できる。
【００３０】
図１および図３に戻り、同図の実線の矢印は送電コイル１で発生した磁束が受電コイル２へ伝わる有効磁束を示し、点線の矢印は送電コイルで発生した磁束が受電コイル２へ伝わらず漏洩する漏れ磁束を示す。送電コイル１と受電コイル２との送電距離Ｚが大きくなると有効磁束が減少して漏れ磁束が増加する結果、送電効率が低下するものと推察される。しかしながら、本例のように送電コイル１と受電コイル２との間に中継コイル３を配置すると、送電コイル１で発生した磁束のうちの主として漏れ磁束を中継コイル３が受け取り、これを同図の一転鎖線の矢印で示すように受電コイル２へ付加することになる。これにより、図２Ｄの実線で示すように、送電距離Ｚが同じ場合は送電効率が向上し、また送電距離Ｚが大きくなっても送電効率の低下を抑制することができる。換言すれば同じ送電効率であれば送電距離を長くすることができる
【００３１】
なお、図１に示す中継コイル３は模式的に示したものであり、実際には図５に示すように前輪タイヤおよび後輪タイヤＴの中空部にコイルの中心軸が水平にならないように傾斜して設けられている。また、中継コイル３は前輪タイヤおよび後輪タイヤＴの全てに設ける必要はなくいずれか一つのタイヤＴに設けてもよい。さらに、中継コイル３の設置場所はタイヤＴの中空部にのみ限定されず、図３にて説明した送電コイル１と受電コイル２との間の範囲内であればよい。したがって、場合によっては車両側でなく路面側に配置することもできる。
【００３２】
図４を参照して説明したとおり、中継コイル３のコイル中心軸と送電コイルのコイル中心軸とのなす角度θは０度に近ければ近いほど送電効率が高くなる。したがって、送電コイル１と受電コイル２との間に、コイル中心軸を一致させるか又は平行にして配置することが望ましい。図６Ａ〜図６Ｃに送電コイル１、受電コイル２および中継コイル３の他の配置例を示す。
【００３３】
図６Ａは、送電コイル１のコイル中心軸と、受電コイル２のコイル中心軸と、中継コイル３のコイル中心軸とを一致させて配置した例である。また、図６Ｂは、図６Ａは、送電コイル１のコイル中心軸と、受電コイル２のコイル中心軸と、中継コイル３のコイル中心軸とを平行にして配置した例である。いずれの場合も、送電コイル１で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル３が受け取り、これを受電コイル２へ受け渡すとともに、送電コイル１で発生した磁束のうちの漏れ磁束を中継コイル３が受け取り、これを受電コイル２へ付加することになる。したがって、図１および図３に示すように中継コイル３を傾斜して配置した場合に比べてさらに送電効率を高く維持することができる。
【００３４】
図６Ｃは、図３に示す例と図６Ａ又は図６Ｂに示す例とを組み合わせて複数の中継コイル３を配置した例である。この例によれば、送電コイル１で発生した磁束のうちの主として漏れ磁束を中継コイル３ａ，３ａが受け取り、これを中継コイル３ｂ（又は受電コイル２）へ付加する。これと同時に、送電コイル１で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル３ｂが受け取り、これと中継コイル３ａ，３ａからの付加された磁束とを受電コイル２へ受け渡すことになる。したがって、送電コイル１と受電コイル２との送電距離Ｚが長く設定されても、これらの中継コイル３ａ，３ｂをレイアウトに応じて適宜配置することにより送電効率の低下を抑制することができる。
【００３５】
図４を参照して説明したとおり、ＬＣ共振コイルのコイル中心軸が直交すると送電効率が極度に低下する。すなわち、送電コイル１で発生した有効磁束が受電コイル２に殆んど伝わらず、漏れ磁束しか伝わらない。送電距離が長いと漏れ磁束も伝わらない場合がある。したがって、送電コイル１と受電コイル２とのコイル中心軸は平行又はそれに近い値であることが望ましい。しかしながら、車両側と給電場所とのレイアウトの都合によっては送電コイル１と受電コイル２とのコイル中心軸が直交せざるを得ない場合もある。図６Ｄはこうしたケースに本例の中継コイル３を用いた配置例を示す。
【００３６】
図６Ｄに示すように、送電コイル１のコイル中心軸と受電コイル２のコイル中心軸とは直交又はそれに近い角度に設定されている。本例の中継コイル３は送電コイル１と受電コイル２との間に配置され、中継コイル３のコイル中心軸が送電コイル１のコイル中心軸と直交しないような傾斜角度に設定されている。この例によれば、送電コイル１で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル３が受け取り、これを受電コイル２へ受け渡すと同時に、送電コイル１で発生した磁束のうちの漏れ磁束も中継コイル３が受け取り、これを受電コイル２へ付加することになる。したがって、送電コイル１と受電コイル２とのコイル中心軸が直交又はこれに近い値に設定されている場合であっても、送電を可能にすることができ又は送電効率の低下を抑制することができる。
【００３７】
以上のように、本例の給電装置１０においては、電力変換器６ｂによって交流電源６ａからの電力が高周波電力に変換され、一次コイル４によって送電コイル１に与えられる。そして、送電コイル１と電動車両Ｖの受電コイル２とが磁場の共鳴により磁気的に結合され、送電コイル１から受電コイル２へ電力が送電される。これと同時に、中継コイル３によって送電コイル１で発生した電力又はその漏れ電力を受電コイル２へ受け渡すか又は付加することができる。こうして受電コイル２によって受電された電力は、整流器７によって整流されて電動車両Ｖの蓄電装置８に蓄えられる。
【００３８】
したがって、本例の給電装置１０によれば、車両外部の交流電源６ａからワイヤレスで充電電力を電動車両Ｖへ送電し、車両に搭載された蓄電装置８を充電することができる。そして、送電コイル１と受電コイル２との送電距離Ｚ又はズレＸが大きくなっても中継コイル３の作用によって送電効率の低下を抑制することができる。換言すれば、中継コイル３を設けることによって送電距離を長く設定することができる。また、給電場所において電動車両Ｖの駐車位置が多少ずれて、Ｘ−Ｙ平面上のズレＸが変動したり、あるいは車両の仕様によって送電距離Ｚが変動したりしても、送電効率を維持することができ、その結果、充電時間を短縮又は維持することができる。
【００３９】
上記送電コイルは本発明に係る送電用共振手段に相当し、上記受電コイルは本発明に係る受電用共振手段に相当し、上記高周波交流電源が本発明に係る電源に相当し、上記給電場所が本発明に係る給電位置に相当し、上記送電距離Ｚが本発明に係る所定距離に相当し、上記中継コイルが本発明に係る中継用共振手段に相当し、上記電動車両が本発明に係る車両に相当し、上記整流器が本発明に係る整流手段に相当し、上記蓄電装置が本発明に係る蓄電手段に相当する。
【符号の説明】
【００４０】
１０…給電装置
１…送電コイル
２…受電コイル
３，３ａ，３ｂ…中継コイル
４…一次コイル
５…二次コイル
６…高周波交流電源
６ａ…交流電源
６ｂ…電力変換器
７…整流器
８…蓄電装置
Ｖ…電動車両
Ｍ…駆動用電動機
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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