(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用電気モータと、
前記駆動用電気モータに電力を供給するための電池パックと、
前記電池パックから出力される電気エネルギを前記駆動用電気モータに伝送するためのエネルギ伝送部と、
を備える電動機械であって、
前記電池パックは、
前記電動機械の外部に位置する電力供給源が発生する第１の共振磁界と結合し、前記電力供給源から電力を受け取る第１アンテナと、
前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、  前記二次電池から放出される直流電力によって高周波電力を生成する発振部と、
前記高周波電力によって第２の共振磁界を発生させる第２アンテナと、
を有し、
前記エネルギ伝送部は、
前記第２アンテナが発生する前記第２の共振磁界と結合する第３アンテナを有し、
前記第３アンテナが受け取った高周波電力を、前記駆動用電気モータに伝送し、
前記第１アンテナは、第１インダクタと第１容量とを有する第１共振回路から構成され、
前記第２アンテナは、第２インダクタと第２容量とを有する第２共振回路から構成され、
前記第３アンテナは、第３インダクタと第３容量とを有する第３共振回路から構成され、
前記第１インダクタの形成面は、第１の平面に平行であり、
前記第２インダクタの形成面は、前記第１の平面と４５度以上の角度で交差する第２の
平面に平行である、電動機械。
【請求項２】
前記第１の平面と前記第２の平面とが直交している、請求項１に記載の電動機械。
【請求項３】
前記第１の平面に垂直に投影された前記第２インダクタの中心部と、前記第１の平面に
垂直に投影された前記第３インダクタの中心部とを結ぶ線分の中点は、前記第１の平面に
垂直に投影された、前記第１インダクタの形成面で囲まれた領域の内部に位置している、
請求項１または２に記載の電動機械。
【請求項４】
前記第１の平面に垂直に投影された前記第１インダクタの「外径」をＬ１とし、
前記第１の平面に垂直に投影された前記第２インダクタの中心部と、前記第１の平面に
垂直に投影された前記第３インダクタの中心部とを結ぶ線分の中点から、前記第１の平面
に垂直に投影された前記第１インダクタの中心までの距離をＬＳとするとき、
ＬＳ＜０．３×Ｌ１
の関係を満足する、請求項３に記載の電動機械。
【請求項５】
前記第１アンテナの共振周波数と前記第２アンテナの共振周波数とは異なっている、請求項１から４のいずれかに記載の電動機械。
【請求項６】
前記第２アンテナを前記第３アンテナに対向させるように前記電池パックを着脱可能に保持する電池パック保持部を備えている請求項１から５のいずれかに記載の電動機械。
【請求項７】
前記電池パックは、前記第１インダクタの形成面が地表面と平行となるように保持されている、請求項１に記載の電動機械。
【請求項８】
前記電動機械は、複数の車輪を備えた自動車である、請求項１から７のいずれかに記載の電動機械。
【請求項９】
前記第１アンテナの前記電動機械の進行方向におけるサイズは、前記第１アンテナの前記電動機械の横方向におけるサイズよりも小さい形状であり、
前記第２アンテナの鉛直方向におけるサイズは、前記第２アンテナの前記電動機械の横方向におけるサイズよりも小さい形状であり、
前記第１アンテナの長手方向と、前記第２アンテナの長手方向とは、一致するように前記第１アンテナおよび前記第２アンテナが配置されている、請求項８に記載の電動機械。
【請求項１０】
外部に位置する電力供給源が発生する第１の共振磁界と結合し、前記電力供給源から電力を受け取る第１アンテナと、
前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、  前記二次電池から放出される直流電力によって高周波電力を生成する発振部と、
前記高周波電力によって第２の共振磁界を発生させ、外部に位置する第３アンテナと磁気結合する第２アンテナと、
を備える電池パックであって、
前記第１アンテナは、第１インダクタと第１容量とを有する第１共振回路から構成され、  前記第２アンテナは、第２インダクタと第２容量とを有する第２共振回路から構成され、
前記第１インダクタの形成面は、第１の平面に平行であり、
前記第２インダクタの形成面は、前記第１の平面と４５度以上の角度で交差する第２の
平面に平行である、
電池パック。
【請求項１１】
前記第１の平面と前記第２の平面とが直交している、請求項１０に記載の電池パック。
【請求項１２】
前記第１の平面に垂直に投影された前記第２インダクタの中心部は、前記第１の平面に垂直に投影された前記第１インダクタの輪郭で囲まれた領域内に位置している、請求項１０または１１に記載の電池パック。
【請求項１３】
前記第１の平面に垂直に投影された前記第１インダクタの「外径」をＬ１とし、
前記第１の平面に垂直に投影された前記第２インダクタの中心と前記第３インダクタの中心とを結ぶ線分の中点から、前記第１の平面に垂直に投影された前記第１インダクタの中心までの距離をＬＳとするとき、
ＬＳ＜０．３×Ｌ１
の関係を満足する、請求項１２に記載の電池パック。
【請求項１４】
前記第１アンテナの共振周波数と前記第２アンテナの共振周波数とは異なっている、請求項１０から１３のいずれかに記載の電池パック。
【請求項１５】
負荷に電力を供給するための電池パックと、
前記電池パックから出力される電力を前記負荷に伝送するための第１のエネルギ伝送部と、
外部から供給される電力を前記電池パックに伝送するための第２のエネルギ伝送部と、を備える電源システムであって、
前記電池パックは、
前記第２のエネルギ伝送部が発生する第１の共振磁界と結合し、電力を受け取る第１アンテナと、
前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、  前記二次電池から放出される直流電力によって第１の高周波電力を生成する第１の発振
部と、
前記第１の高周波電力によって第２の共振磁界を発生させる第２アンテナと、
を有し、
前記第１アンテナは、第１インダクタと第１容量とを有する第１共振回路から構成され、  前記第２アンテナは、第２インダクタと第２容量とを有する第２共振回路から構成され、前記第１インダクタの形成面は、第１の平面に平行であり、
前記第２インダクタの形成面は、前記第１の平面と４５度以上の角度で交差する第２の
平面に平行であり、
前記第１のエネルギ伝送部は、
前記第２アンテナが発生する前記第２の共振磁界と結合する第３アンテナを有し、
前記第３アンテナが受け取った高周波電力を前記負荷に伝送し、
前記第２のエネルギ伝送部は、
前記外部から供給される電力を用いて、第２の高周波電力を生成する第２の発振部と、
前記第２の高周波電力によって前記第１の共振磁界を発生させる第４アンテナと、
を有している、電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振磁界による結合によって無線で電力を伝送する、電池パックを備えた電動機械、および電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車などの電動機械は、電気モータによって動作する。例えば、電気自動車は、内燃機関を動力源とする自動車とは異なり、電気モータを動力源として走行する。電気自動車は、その内部に動力用電池を搭載し、動力用電池に蓄積されたエネルギを電気モータに伝送することにより推進力を得る。動力用電池としては、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池等の二次電池が用いられる。動力用電池は、多くの場合、複数の「セル」（電極と電解質とからなる電池の最小要素）が直列に連結された「モジュール」をさらに複数連結し、充放電制御回路等とともにパッケージ化された電池パックの形で車体に搭載される。動力用電池の残存電気量が低下した際には、電池パックを外部の電源と接続し、充電することによって電気自動車は再走行可能となる。外部の電源として、商用電源（１００Ｖ／２００Ｖ）や、充電スタンド等に設置され大電力を供給可能な充電装置などが使用される。
【０００３】
従来の電気自動車における動力用電池への充電は、動力用電池の残存電気量が低下するたびに、自宅や充電スタンドで行われる（例えば、特許文献１参照）。図１４は、特許文献１に記載された従来の電気自動車用電源システムを示している。充電可能な二次電池からなる動力用電池７２は、充放電制御回路６１とともにパッケージ化された電池パック６２内に搭載されている。電池パック６２は、電気自動車７０の車体内部に固定され、通常の使用時には取り外しできないように設置されている。電気自動車７０の車体には、外部電源６３から供給される電力を受け取るための車両側コネクタ６４が設けられている。電池パック６２には、電池パック側充電コネクタ６５が設けられており、充電側コネクタ６５と車両側コネクタ６４とは互いにケーブルで接続されている。電池パック６２には、電池パック側電力出力コネクタ６６が設けられ、電池パック側電力出力コネクタ６６は電気自動車７０内の動力源６７とケーブルで接続されている。充電時には、使用者が外部電源６３のケーブル６８の先端に設けられた給電コネクタ６９を車両側コネクタ６４に接続する。外部電源６３からの電力が車両側コネクタ６４、充電側コネクタ６５、および充放電制御回路６１を経由して動力用電池７２に供給されることにより、充電が行われる。
【０００４】
動力用電池７２への充電の時間は、通常の充電で数時間、充電電圧電流を高くした急速充電でも十数分を要する。このように、充電に長時間を要する上に、急速充電を繰り返すと動力用電池７２を劣化させるという問題点がある。この問題点を解決するために電池残量の少なくなった動力用電池７２を満充電された動力用電池と交換する方式も提案されている（例えば特許文献２、非特許文献１を参照）。
【０００５】
一方、電気自動車等の電動機械以外の分野で電池パックへの充電を無線で行う方式も提案されている（例えば特許文献３を参照）。特許文献３における発明は、携帯端末装置に用いられる電源装置であり、電磁誘導方式によって電力の伝送を行っている。しかし、この方式では、送電および受電を行うアンテナ間の距離が長い場合や、アンテナ間のずれが発生した場合に高効率な伝送ができないという問題点がある。
【０００６】
また、特許文献４は、２つの共振器の間で空間を介してエネルギを伝送する新しい無線エネルギ伝送装置を開示している。この無線エネルギ伝送装置では、共振器の周辺の空間に生じる共振周波数の振動エネルギのしみ出し（エバネッセント・テール）を介して２つの共振器を結合することにより、振動エネルギを無線（非接触）で伝送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１４６５０４号公報
【特許文献２】特開平９−９８５１８号公報
【特許文献３】特開平１０―２４８１７１号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０２７８２６４号明細書（図１２、図１４）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「平成１４年度電池着脱式自動車を用いたカーシェアリングシステムに関する調査研究  報告書」（平成１５年３月  財団法人機械システム振興協会）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の電気自動車などの電動機械用の電源システムでは、電池パックを交換するために車体から古い電池パックを取りだす際に、電池パック側充電コネクタおよび電池パック側電力出力コネクタに接続されているケーブルをはずす作業が必要となる。また、新しい電池パックを取り付ける際には、逆にこれらのコネクタとケーブルを接続する作業が必要になる。また、コネクタ端子を相互に嵌合接触させて通電路を確立する必要があり、比較的大きな力でコネクタの嵌合作業を行う必要がある。さらには、非特許文献１に記載されているように、作業時の感電や雨水等の水滴による電流リークの防止機能を施す必要がある。
【００１０】
また、電磁誘導方式によって一般の電気機器へ電力を無線で伝送する技術では、送電および受電を行うアンテナ間の距離が長い場合や、アンテナ間のずれが発生した場合に高効率な電力伝送ができないという課題がある。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、アンテナ間の磁気結合による非接触での電力伝送が可能な電池パックを含む電動機械および電源システムを提供することにより、安全で容易な電池交換を可能にする。さらに、従来の電磁誘導による無線電力伝送方式と比較して、アンテナ間の距離が長くても高効率な電力伝送を行うことを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の電動機械は、駆動用電気モータと、前記駆動用電気モータに電力を供給するための電池パックと、前記電池パックから出力される電気エネルギを前記駆動用電気モータに伝送するためのエネルギ伝送部とを備え、前記電池パックは、前記電動機械の外部に位置する電力供給源が発生する第１の共振磁界と結合し、前記電力供給源から電力を受け取る第１アンテナと、前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、前記二次電池から放出される直流電力によって高周波電力を生成する発振部と、前記高周波電力によって第２の共振磁界を発生させる第２アンテナとを有し、前記エネルギ伝送部は、前記第２アンテナが発生する前記第２の共振磁界と結合する第３アンテナを有し、前記第３アンテナが受け取った高周波電力を、前記駆動用電気モータに伝送する。
【００１３】
本発明の電池パックは、外部に位置する電力供給源が発生する第１の共振磁界と結合し、前記電力供給源から電力を受け取る第１アンテナと、前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、前記二次電池から放出される直流電力によって高周波電力を生成する発振部と、前記高周波電力によって第２の共振磁界を発生させ、外部に位置する第３アンテナと磁気結合する第２アンテナとを備えている。
【００１４】
本発明の電源システムは、負荷に電力を供給するための電池パックと、前記電池パックから出力される電力を前記負荷に伝送するための第１のエネルギ伝送部と、外部から供給される電力を前記電池パックに伝送するための第２のエネルギ伝送部とを備える電源システムであって、前記電池パックは、前記第２のエネルギ伝送部が発生する第１の共振磁界と結合し、電力を受け取る第１アンテナと、前記第１アンテナが受け取った電力によって充電される少なくとも１つの二次電池と、前記二次電池から放出される直流電力によって第１の高周波電力を生成する第１の発振部と、前記第１の高周波電力によって第２の共振磁界を発生させる第２アンテナとを有し、前記第１のエネルギ伝送部は、前記第２アンテナが発生する前記第２の共振磁界と結合する第３アンテナを有し、前記第３アンテナが受け取った高周波電力を前記負荷に伝送し、前記第２のエネルギ伝送部は、前記外部から供給される電力を用いて、第２の高周波電力を生成する第２の発振部と、前記第２の高周波電力によって前記第１の共振磁界を発生させる第４アンテナとを有している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電動機械によれば、伝送効率を低下させずに、電池パックへの給電、および電池パックからの電力出力を非接触、無接点で行うことができ、安全、容易に電池パックの交換が可能となる。また、本発明の電源システムによれば、電動機械に限らず一般の電気機器へ電力を高効率に伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の電池パックを備えた電気自動車を含む電源システムの概要図である。（ａ）は電気自動車の概要図であり、（ｂ）は電源システムの概要図である。
【図２】本発明の実施の形態１における電気自動車の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１における電気自動車の等価回路図である。
【図４】本発明の実施の形態１における電源システムの構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電源システムの等価回路図である。
【図６】本発明の実施の形態１における各アンテナの好ましい配置を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における各アンテナ配置と伝送効率の関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１における好ましいアンテナ配置を採用した場合の電源システムの構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２における各アンテナの位置を具体的に示す構造図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における電源システムの構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態３における電源システムの等価回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態４における自立走行ロボットを表示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態５における家庭用電気機器を示す構成図である。
【図１４】従来の電気自動車用電源システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明による電池パック、電動機械、および電源システムの好ましい実施形態を説明する。
【００１８】
（実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態を説明する。
【００１９】
本実施形態では、本発明の電池パックを備えた電動機械の一例として、電気自動車を説明する。図１（ａ）は本実施形態における電気自動車の構成を示し、図１（ｂ）は電気自動車に用いられる電源システムの構成を示している。なお、図１に示す電気自動車および電源システムの構成は、あくまでも本実施形態の可能な構成の一例であり、本実施形態の構成は、図１に示す構成に限られるものではない。
【００２０】
図１に示される電気自動車９は、駆動用電気モータ１８を動力源として走行する。駆動用電気モータ１８は、電気自動車９に搭載された二次電池２から電力を供給されることによって電気自動車９の動力源として機能する。好ましい例において、二次電池２は、複数の二次電池が連結された電池パック１の形で車体に搭載されており、図１（ｂ）に示す外部電源１１から充電される。
【００２１】
電気自動車９では、共振磁界によるアンテナ間の磁気結合によって電池パック１と外部電源１１との間の電力伝送を無線で行う。また、電池パック１と駆動用電気モータ１８との間の電力伝送も、共振磁界によるアンテナ間の磁気結合によって無線で行う。
【００２２】
電池パック１は第１アンテナ（電池パック側受電アンテナ）６と第２アンテナ（電池パック側送電アンテナ）７とを備えている。また、電気自動車９の車体には、第３アンテナ（車体側受電アンテナ）が、第２アンテナと対向する位置に設置されている。第２アンテナ７は、第３アンテナ１３との間で無線による電力伝送を行う。一方、第１アンテナ７は、電気自動車９の外部に設置された第４アンテナ（電源側送電アンテナ）１４との間で無線による電力伝送を行う。これらのアンテナは、いずれも、電磁波の送信または受信を行うための通常のアンテナではなく、共振器の電磁界の近接成分による結合を利用して２つの物体間でエネルギ伝送を行うための要素である。
【００２３】
本実施形態では、従来必要であった電池パック１と駆動用電気モータ１８との間、および電池パック１と外部電源１１との間のコネクタの接合作業が不要になる。また、コネクタの短絡を防止することができる。更に、共振周波数での磁気結合（共振磁界の結合）によって電力を無線で伝送するため、電磁波を遠方に伝播させるときに生じるエネルギ損失が生じない。そのため、極めて高い効率で電力を伝送することが可能になる。また、このような共振電磁界（近接場）の結合を利用したエネルギ伝送では、ファラデーの電磁誘導の法則を利用した公知の非接触電力伝送に比べて損失が少ないだけではなく、アンテナ間の距離が長い場合でも高効率にエネルギを伝送することが可能になる。例えば、数メートル離れた２つの共振器（アンテナ）間でも高効率なエネルギ伝送が可能である。また、各アンテナの相対的な配置が多少ずれたとしても、伝送効率を高く維持できる。
【００２４】
次に、図２から図５までを参照しながら、本発明の第１の実施形態を更に詳細に説明する。
【００２５】
以下の各図において、図１に示した構成要素に対応する構成要素には同じ参照符号を付している。図２および図３は、本実施形態における電気自動車の主要な構成要素および等価回路をそれぞれ表している。図４および図５は、本実施形態の電源システムの主要な構成要素および等価回路をそれぞれ表している。なお、図示される各要素の空間配置は、あくまでも例示的に示したものであり、図示される配置に限られるものではない。
【００２６】
本実施形態の電気自動車９は、図２に示すように、動力源である駆動用電気モータ１８と、駆動用電気モータ１８に送出する電力を制御する駆動制御部１６と、駆動用電気モータ１８を駆動するための電力を供給する電池パック１と、電池パック１から電力を受け取り、駆動用電気モータ１８に伝送する第１エネルギ伝送部２２と、電池パック１を車体に固定する電池パック保持部５４とを備えている。駆動用電気モータ１８は、例えば誘導モータや永久磁石型同期モータなどの交流モータであってもよいし、直流モータあるいはその他のモータであってもよい。交流モータが用いられる場合、駆動制御部１６は、電池パック１から受け取った電力を適切な交流電力に変換して駆動用電気モータ１８に供給する。
【００２７】
電池パック１は、車体取り付け構造８を備えている。電池パック１は、車体取り付け構造８および電池パック保持部５４によって、電気自動車９の車体に取り付けられており、着脱可能な状態に保持されている。車体取り付け構造８および電池パック保持部５４は、電池パック１を安定した状態に保持できれば、どのような位置に配置されていてもよい。電池パック保持部５４は、例えば電気自動車９の座席の下部などに設置され、電池パック１を安定した状態に保持する。車体取り付け構造８および電池パック保持部５４は、どのような材料から形成されていても良く、その形状も適宜設計される。
【００２８】
電池パック１は、少なくとも１つの二次電池２を備えている。二次電池２は、充放電可能であればどのような電池でもよく、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池などであり得る。二次電池２は、好ましくは複数の「セル」（電極と電解質とからなる電池の最小要素）が直列に連結された「モジュール」をさらに複数連結させた状態で電池パック１内に配置されている。通常用途の電気自動車に用いる場合、電池パック１の総電力量は、例えば１０ｋＷｈ以上になるように設計されている。電池パック１における二次電池２の構成は、電気自動車９を長時間走行可能にする程度の電力を出力できれば、どのようなものであってもよい。
【００２９】
電池パック１は、外部から伝送される高周波電力を受け取る第１アンテナ６と、第１アンテナ６が受け取った電力を直流電力に変換して出力する電池パック側整流部５と、二次電池２の充電と放電を切り換え、充電状態に従って充電電流および電圧が最適になるよう制御を行う制御部３と、二次電池２から供給される電力を高周波電力に変換して出力する電池パック側発振部４と、電池パック側発振部４から受け取った高周波電力から磁界を発生する第２アンテナ７とを備えている。
【００３０】
第１エネルギ伝送部２２は、第２アンテナ７と磁気結合して高周波電力を受け取る第３アンテナ１３と、第３アンテナ１３が受け取った高周波電力を直流電力に変換して駆動制御部１６に出力する駆動側整流部１５とを備えている。ここで、第３アンテナ１３は、第２アンテナ７と対向する位置に配置される。
【００３１】
図３に示すように、第１アンテナ６は、第１インダクタ１１１と第１コンデンサ１１２とを直列に接続したＬＣ共振回路である。また、第２アンテナ７は、第２インダクタ１１３と第２コンデンサ１１４とを並列に接続したＬＣ共振回路であり、第３アンテナ１３は、第３インダクタ１１５と第３コンデンサ１１６とを直列に接続したＬＣ共振回路である。第２アンテナ７の共振周波数と第３アンテナ１３の共振周波数とは等しい値ｆａとなるように、各コンデンサの容量やインダクタのインダクタンス値が設定されている。電池パック側発振部４は、上記共振周波数ｆａに等しい周波数の正弦波電圧を発生するように設定されている。本実施形態において、共振周波数ｆａは、例えば０．５〜１０MＨｚに設定される。
【００３２】
本実施形態の電源システム１７は、図４に示すように、電気自動車９の構成要素に加えて、外部電源１１から供給される電力を電池パック１に伝送する第２エネルギ伝送部２４を備えている。第２エネルギ伝送部２４は、電源側発振部１２と、第４アンテナ１４とを有している。
【００３３】
図５に示すように、第４アンテナ１４は、第４インダクタ１１７と第４コンデンサ１１８とを並列に接続したＬＣ共振回路である。第４アンテナ１４の共振周波数は第１アンテナ６の共振周波数に等しい値ｆｂとなるように第４コンデンサ１１８の容量および第４インダクタ１１７のインダクタンス値が設定されている。電源側発振部１２は、共振周波数ｆｂに等しい周波数の正弦波電圧を発生するように設定されている。本実施形態において、共振周波数ｆｂは、例えば０．５〜１０ＭＨｚに設定される。
【００３４】
電池パック側発振部４および電源側発振部１２には、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級などの、高効率且つ低歪な特性を実現できる増幅器や、ドハーティ増幅器などを用いることができる。また、歪成分を含む出力信号を発生するスイッチング素子の後段に、低域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを配置することにより、高効率な正弦波を生成してもよい。
【００３５】
外部電源１１、電源側発振部１２、および第４アンテナ１４は、好ましくは充電スタンドや駐車場や家庭内などに設置される。また、道路のある長い距離にわたって複数の第４アンテナ１４が埋設されていてもよい。その場合、電気自動車９は、複数の第４アンテナ１４のうちの任意の１つを介して二次電池２を充電することが可能である。充電時には、第１アンテナ６が第４アンテナ１４と実質的に対向する位置に電気自動車９が配置される。
【００３６】
電源システム１７において、第４アンテナ１４と第１アンテナ６の間の空間、第２アンテナ７と第３アンテナ１３の間の空間、および各アンテナの直近では、金属物がアンテナを覆わないように各アンテナは配置されることが好ましい。金属物がアンテナを覆うと、共振磁界が遮断され、電力伝送を妨げるからである。ここで、外部電源１１は、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの普通電源であってもよいし、より高い電圧の電源であってもよい。
【００３７】
以下、電源システム１７における充電時の電力伝送の詳細を説明する。電源側発振部１２は、外部電源１１が発生する電力を受け取り、この電力を、第１アンテナ６および第４アンテナ１４の共振周波数ｆａに等しい周波数の高周波電力に変換する。電源側発振部１２から出力された高周波電力は、第４アンテナ１４に入力される。第４アンテナ１４および第１アンテナ６は、互いの共振回路が形成する共振磁界によって結合される。これにより、第１アンテナ６は、第４アンテナ１４から送出された高周波電力を効率よく受け取ることができる。第１アンテナ６が受け取った高周波電力は、電池パック側整流部５で直流電力に変換された後、制御部３に入力され、二次電池２は充電される。制御部３は、二次電池２の充電状態に従って、充電電流および電圧が最適になるよう制御を行う。例えば、制御部３は、二次電池２の電圧が予め定められた電圧に達するまでは充電電流を一定に保ち、予め定められた電圧に達した後は、充電電流を徐々に減らし、充電電圧が一定になるようにする。
【００３８】
次に、電気自動車９が走行するときの電力伝送の詳細を説明する。
【００３９】
制御部３により、二次電池２の放電電力が電池パック側発振部４に入力される。電池パック側発振部４は、この入力された放電電力を第２アンテナ７および第３アンテナ１３の共振周波数ｆａと等しい周波数の高周波電力に変換する。電池パック側発振部４から出力された高周波電力は、第２アンテナ７に入力される。第２アンテナ７および第３アンテナ１３は、互いの共振回路が形成する共振磁界によって結合される。これにより、第３アンテナ１３は、第２アンテナ７から送出された高周波電力を効率よく受け取ることができる。第３アンテナ１３が受け取った高周波電力は、駆動側整流部１５で直流電力に変換され、駆動制御部１６に送出される。駆動制御部１６は、受け取った直流電力を適切に変換し、駆動用電気モータ１８を含む駆動系に送出する。
【００４０】
本実施形態によれば、電池パック１と第１エネルギ伝送部２２との間、および電池パック１と第２エネルギ伝送部２４との間の電力伝送を無線で行うことができる。従来の電気自動車で必要であったケーブルおよびコネクタを用いた電池パックの接合が不要になるため、電池パックを交換する際に、上記ケーブルおよびコネクタの着脱作業が不要になる。また、作業時の感電や雨水などの水滴による漏電を防止することができる。その結果、簡単かつ安全に電池パック１の交換が可能となる。
【００４１】
本実施形態によれば、共振磁界の結合により無線で電力が伝送されるため、アンテナ間の距離が長い場合（例えば、アンテナ間隔がアンテナの短辺の長さの数倍程度）や、各アンテナの相対的な配置がずれた場合でも、従来の電磁誘導による方式と比較して伝送効率を高く維持できる。
【００４２】
本実施形態において、各インダクタは、例えばコイルから構成され、１より大きい巻数のスパイラル構造および長方形の形状を有しているが、このような構造および形状を有していなくてもよい。各インダクタは、巻数が１のループ構造を有していてもよいし、円形や楕円形等の形状を有していてもよい。これらのインダクタは、一層の導電体パターンから構成されている必要はなく、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。
【００４３】
本明細書において、各インダクタの最も大きい面積を有する層の輪郭で形成される面を、インダクタの「形成面」と称することとする。また、インダクタの形成面のことを、本明細書ではアンテナの形成面とも呼ぶこととする。例えば、第１アンテナ６の形成面とは、第１インダクタの形成面を指す。
【００４４】
図２および図４において、第１アンテナ６の形状と第４アンテナ１４の形状とは等しく、第２アンテナ７の形状と第３アンテナ１３の形状とは等しく図示されているが、これらの形状は互いに異なっていても本発明の効果は得られる。また、第１アンテナ６と第４アンテナ１４とは充電時に互いに対向するように配置され、第２アンテナ７と第３アンテナ１３とは互いに対向するように配置されている。しかし、第１アンテナ６と第４アンテナ１４とは必ずしも厳密に対向している必要はなく、これらが直交しないように配置されていればよい。同様に、第２アンテナ７と第３アンテナ１３とは厳密に対向している必要はなく、これらが直交しないように配置されていればよい。
【００４５】
本実施形態において、第１アンテナ６と第３アンテナ１３は直列共振回路、第２アンテナ７と第４アンテナ１４は並列共振回路であるが、各アンテナの回路構成はこの構成に限られるものではない。各アンテナの共振周波数が適切に設定されていれば、各アンテナは、直列共振回路、並列共振回路のいずれであってもよい。また、各アンテナはコンデンサを含むとしたが、コンデンサを用いずに自己共振周波数が等しい２つのインダクタによる磁気結合を用いてもよい。
【００４６】
次に、図６および図７を参照しながら、各アンテナの好ましい向きを説明する。図６は、電池パック１における各アンテナの形成面に平行な平面の好ましい配置例を示している。図６（ａ）は、第１アンテナ６の形成面に平行な平面である第１平面１２１と、第２アンテナ７の形成面に平行な平面である第２平面１２２とが４５度以上の角度で交差している構成を表している。図６（ｂ）は、第１平面１２１と第２平面１２２とが直交している構成を表している。
【００４７】
電池パック１の第１アンテナ６および第２アンテナ７の共振周波数が等しい、あるいは近い場合、第１アンテナ６と第２アンテナ７との間に不必要な結合が発生し、伝送効率が低下する可能性がある。本発明者の検討によると、送電側のアンテナが発生する磁束の方向と受電側のアンテナによって発生する磁束の方向とが近いほど、共振磁界による結合強度が高くなる。すなわち、送電側のアンテナと受電側のアンテナの配置が直交に近いほど、受電アンテナ側に誘導電流が発生しないため、結合が弱くなる。
【００４８】
したがって、第１平面１２１と第２平面１２２とは直交していることが最も好ましいが、厳密に直交している必要はない。本実施形態では、第１平面１２１と第２平面１２２とがなす角度は、好ましくは４５度以上であり、より好ましくは６０度以上であり、さらに好ましくは７５度以上である。
【００４９】
次に、図７を参照しながら、各アンテナの好ましい配置を説明する。
【００５０】
本願発明者らは、電磁界解析を行い、第１アンテナ６と第４アンテナ１４との間、および第２アンテナ７と第３アンテナ１３との間の伝送効率を高くできる各アンテナの配置を見出した。図７（ａ）は、本解析に用いた各アンテナ（インダクタ）の形状および配置を示している。本解析において、各アンテナを構成するインダクタは長方形の形状を有しており、各インダクタの長辺の向きは揃っている。第２インダクタ１１３および第３インダクタ１１５の形成面は、第１インダクタ１１１の形成面に直交しており、第４インダクタ１１７の形成面は第１インダクタ１１１の形成面に平行である。また、第１インダクタ１１１の形成面を含む平面に垂直に投影された、第２インダクタ１１３の中心および第３インダクタ１１５の中心は、第１インダクタ１１１の形成面で囲まれた領域の内部に位置している。
【００５１】
図７（ｂ）は、図７（ａ）において二点鎖線で示した平面を矢印の方向に見たときの各インダクタの切断面を示している。図７（ｂ）において、第１インダクタ１１１の「外径」をＬ１としている。ここで、第１インダクタ１１１の「外径」とは、第２インダクタ１１３の形成面に垂直な方向における第１インダクタ１１１の形成面の長さを意味するものとする。例えば、第１インダクタ１１１が、図7（ａ）に示す長方形状の形成面を有する場合、第１インダクタ１１１の「外径」とは、短い方の辺の長さを意味する。なお、アンテナ形成面の形状が円形の場合には、「外径」とは、円の直径を意味するものとする。また、第２インダクタ１１３の中心部と第３インダクタ１１５の中心部とを結ぶ線分の中点を、第１インダクタ１１１の形成面に垂直に投影した点と、第１インダクタ１１１の中心との距離をＬｓとする。図７（ｃ）は、第１アンテナ６と第４アンテナ１４のペア（第１アンテナペア）と、第２アンテナ７と第３アンテナ１３のペア（第２アンテナペア）との間の位置のずれ（Ｌｓ／Ｌ１）に対する、伝送効率およびアンテナ間の分離度の依存性を示している。図７（ｃ）において、Ｐａｔｈ１は、第２アンテナ７−第３アンテナ１３間の伝送効率を、Ｐａｔｈ２は第１アンテナ６−第４アンテナ１４間の伝送効率を表している。また、分離度は第１アンテナ６−第２アンテナ７間の分離度を表している。本解析に用いた条件は、以下のとおりである。
（１）第１インダクタ１１１および第４インダクタ１１７に関する条件
寸法：５００ｍｍ×５００ｍｍ、巻き線数：２、線間寸法：５ｍｍ（単層）、線厚：０．１ｍｍ、
線材誘電率：７×１０8、アンテナ間距離：３００ｍｍ
（２）第２インダクタ１１３および第３インダクタ１１５に関する条件
寸法：５００ｍｍ×１００ｍｍ、巻き線数：２、線間寸法：５ｍｍ（単層）、線厚：０．１ｍｍ、
線材誘電率：７×１０8、アンテナ間距離：２０ｍｍ
（３）第１インダクタ１１１の最上面と第２インダクタ１１３の最下面との距離
７０ｍｍ
（４）共振周波数
１ＭＨｚ
【００５２】
図７（ｃ）に示すように、以下の式１の条件を満たす場合、第１アンテナペアと第２アンテナペアの双方において伝送効率が９０％以上となり、実用上好ましいレベルとなる。
（式１）  Ｌｓ＜０．３×Ｌ１
また、以下の式３の条件を満たす場合は、さらに伝送効率を向上させることができる。
（式２）  Ｌｓ＜０．２×Ｌ１
上記の式１を満たさない場合であっても、本解析の条件の範囲内（Ｌｓ＜０．５×Ｌ１）であれば、伝送効率を８０％以上に保つことができ、本発明の効果を十分に得ることができる。
【００５３】
ここで、図７（ｂ）に示す好ましいアンテナ配置を採用した電源システム１７の構成図を図８に示す。
【００５４】
なお、本解析では第１アンテナペアおよび第２アンテナペアの共振周波数を同じ値に設定したが、共振周波数をそれぞれ異なる値で設定することにより、さらに不要な結合を抑制することが可能である。
【００５５】
以上のことから、第２アンテナペアは、第１アンテナペアの中心部にできるだけ近付けた方がよい。上記の式１または２を満たすように、電池パック１内の各アンテナが配置されていることが好ましい。
【００５６】
本実施形態の電気自動車９における無線電力伝送の方式は、電気自動車以外の電動機械に広く利用できる。例えば、駆動用電気モータ１８と内燃機関とを組み合わせて車軸を駆動するハイブリッド電気自動車や、バス、電車、エレベータなどにおいても同様に利用可能である。
【００５７】
（実施形態２）
次に、図９を参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。
【００５８】
図９に示す電気自動車９は、座席１３４および車輪１３６を備え、乗車者１３２を図示する位置に乗車できるように構成されている。第１アンテナ６の形成面は地面に平行に配置され、第２アンテナ７の形成面は地面に垂直に配置されるように電池パック保持部５４は電池パック１を保持する。一方、第４アンテナ１４の形成面は第１アンテナ６の形成面に平行に配置され、第３アンテナ１３の形成面は第２アンテナ７の形成面に平行に配置される。なお、図９では、車輪は１つしか描かれていないが、本実施形態における電気自動車９は、４つの車輪を備えている。これらの車輪は、駆動用電気モータ１８によって駆動される。
【００５９】
ここで、電池パック１は、座席１３４から第２アンテナ７までの距離が、座席１３４から電池パック１の中心部までの距離よりも長くなるように配置される。ここで電池パック１の中心部とは、重量中心ではなく空間的な中心を意味するものとする。さらに、第１アンテナ６の形成面は、車体進行方向に短く、車体横方向に長い形状を有しており、第２アンテナ７の形成面は、車体鉛直方向に短く、車体横方向に長い形状を有している。そして第１アンテナ６と第２アンテナ７の長手方向とが一致するように配置される。なお、「進行方向」とは、車輪の回転によって電気自動車９が動く方向を意味する。本実施形態は、上記の点を除けば第１の実施形態と同様の構成を備えている。
【００６０】
第４アンテナが駐車場や道路に埋設されている場合、本実施形態の電気自動車９では、第１アンテナ６の形成面が地面と平行になっているため、第４アンテナ１４と第１アンテナ６との磁気結合を容易に行うことができる。また、第４アンテナ１４に対して第１アンテナ６が車体横方向にずれて配置されていても、第１アンテナ６の形成面と第４アンテナ１４の形成面とが重なる面積を広く保つことができる。このため、本実施形態の構成によれば、伝送効率の低下を抑えることができる。さらに、第２アンテナ７が発生する磁界は、乗車者１３２の位置に進入することになるが、第２アンテナ７が座席１３４に対して遠い位置に配置されるため、乗車者１３２に対する磁界の影響を低減できる。
【００６１】
このように本実施形態では、さらに高い効率で充電が可能になり、乗車者に対する磁界の影響を低減でき、より安全性が高い。
【００６２】
なお、本実施形態において、乗車者１３２と第２アンテナ７との間に高い透磁率をもつ材料を設けることにより磁界の向きを曲げることができる。これによって乗車者１３２に対する磁界の影響をさらに低減させることも可能である。
【００６３】
本実施形態は車輪１３６を４つ備える電気自動車９に関しているが、本発明の電動機械における車輪の数は４つに限られない。
【００６４】
（実施形態３）
次に、図１０および図１１を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。
【００６５】
図１０は本実施形態における電気自動車の基本構成を示している。図１１は本実施形態における電気自動車の等価回路図を示している。本実施形態と実施形態１との間の主な相違点は、本実施形態の電気自動車が電池パック１内の二次電池２とは異なる第２の二次電池５２を備えている点にある。
【００６６】
この電気自動車は、図１０に示すように、充放電可能な駆動用電池である第２の二次電池５２と、第２の二次電池５２の充放電制御を行う回路である充放電制御部５１とを備えている。また、電池パック１は、人が持ち運びできる程度の重量になるように二次電池２の容量が設定されており、持ち運ぶための把持部５３を備えている。
【００６７】
本実施形態の電気自動車では、充放電制御部５１は、第２の二次電池５２の電力を駆動制御部１６に出力する。駆動制御部１６は、通常は充電放電制御部５１からの電力を優先し、第２の二次電池５２の残量が少なくなった場合には、電池パック１からの電力を使用するように制御を行う。第２の二次電池５２と電池パック１内の二次電池２の残量がともに少なくなった場合、乗車者は、電池パック１の把持部５３を持ち、空の電池パック１を電気自動車から取り外し、満充電された新たな電池パック１に交換する。交換後、駆動用電気モータ１８は、満充電された電池パック１から電力を得る。
【００６８】
本実施形態によれば、電池パック１は軽く、持ち運びが容易であるため、二次電池２の残容量が少なくなった場合に、電池パック１を簡単かつ安全に交換することができる。よって、充電のための待ち時間を要せず、比較的短時間で走行を再開することが可能である。なお、本実施形態においては、第４アンテナ１４は、必ずしも駐車場の地面や道路に埋設されている必要はなく、電池パック１を上に配置すれば充電できる充電台として独立している形態でもよい。
【００６９】
（実施形態４）
次に、図１２を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。
【００７０】
図１２は、本発明の電源システムの一例として自立走行ロボット用の電源システムの主要な構成要素を示している。本実施形態における基本的な構成は、実施形態１の電気自動車の基本的な構成と同様である。
【００７１】
図示される自立走行ロボット１４６は、例えば工場の生産ラインで搬送用に用いられるロボット等であり、動力源である駆動用電気モータ１８と、電池パック１とを備える。電池パック１は、駆動用電気モータ１８への電力を供給する二次電池２と、二次電池から供給される電力を高周波電力に変換する電池パック側発振部４と、共振磁界によって無線で電力を伝送する第１アンテナ６および第２アンテナ７とを備えている。自立走行ロボット１４６は、第２アンテナ７に対向して磁気結合する第３アンテナ１３をさらに備え、第３アンテナ１３によって、第２アンテナ７から伝送される電力を受け取り、駆動用電気モータ１８に電力を伝送する。
【００７２】
二次電池２は外部電源１１から充電される。電源側発振部１２は外部電源１１から受け取った電力を、第４アンテナ１４および第１アンテナ６の共振周波数に等しい周波数の高周波電力に変換して出力する。第４アンテナ１４は電源側発振部１２が出力する高周波電力から共振磁界を発生させ、第１アンテナ６と磁気結合することで、第１アンテナに電力を送出することができる。第１アンテナが受け取った電力は二次電池２に伝送され、充電が行われる。
【００７３】
（実施形態５）
次に、図１３を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。
【００７４】
図１３は、本発明の電源システムの一例として家庭用電気機器用の電源システムの主要な構成要素を示している。本実施形態における電力伝送方式は実施形態１の電気自動車の場合と同様である。
【００７５】
図示される家庭用電気機器１４８は、例えば携帯電話やパーソナルコンピュータなどであり、電池によって動作するものであれば何でもよい。二次電池の充電および二次電池から負荷への給電において、無線による電力伝送が可能である。
【００７６】
家庭用電気機器１４８用の電源システムは、電気で動作する負荷１５０と、負荷に電力を供給する電池パック１と、電源側エネルギ伝送部１５２とを備える。電池パック１は、負荷１５０への電力を供給する二次電池２と、二次電池から供給される電力を高周波電力に変換する電池パック側発振部４と、共振磁界によって無線で電力を伝送する第１アンテナ６および第２アンテナ７とを備えている。家庭用電気機器１４８は、第２アンテナ７に対向して磁気結合する第３アンテナ１３をさらに備え、第３アンテナ１３によって、第２アンテナ７から伝送される電力を受け取り、負荷１５０に電力を伝送する。
【００７７】
二次電池２は外部電源１１から充電される。外部電源１１は電力を電源側発振部１２に送出する。電源側発振部１２は外部電源１１から受け取った電力を、第４アンテナ１４および第１アンテナ６の共振周波数に等しい周波数の高周波電力に変換して出力する。第４アンテナ１４は電源側発振部１２が出力する高周波電力から共振磁界を発生させ、第１アンテナ６と磁気結合することで、第１アンテナに電力を送出することができる。第１アンテナが受け取った電力が二次電池２に伝送され、充電が行われる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る電動機械は、電気自動車に限定されず、電気バイク、電動アシスト自転車、電動車椅子、電動立ち乗り二輪車などの電気モビリティや、自律走行ロボットなどに適用可能である。また、本発明の電池パックおよび電源システムは、上記電動機械に限らず、二次電池の交換が必要な各種の電子機器・装置の電池パックおよび電源システムとして利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１    電池パック
２    電池パックにおける二次電池
３    電池パックにおける制御部
４    電池パック側発振部
５    電池パック側整流部
６    第１アンテナ
７    第２アンテナ
８    車体取り付け構造
９    電気自動車
１１    外部電源
１２    電源側発振部
１３    第３アンテナ
１４    第４アンテナ
１５    駆動側整流部
１６    駆動制御部
１７    電源システム
１８    駆動用電気モータ
２２    第１エネルギ伝送部
２４    第２エネルギ伝送部
５１    充放電制御部
５２    第２の二次電池
５３    電池パックにおける把持部
５４    電池パック保持部
６１    従来例における充放電回路
６２    従来例における電池パック
６３    従来例における外部電源
６４    従来例における車両側コネクタ
６５    従来例における電池パック側コネクタ
６６    従来例における電池パック側電力出力コネクタ
６７    従来例における動力源
６８    従来例における外部電源からのケーブル
６９    従来例における給電コネクタ
７０    従来例における電気自動車
７２    従来例における動力用電池
１１１    第１アンテナを構成するインダクタ
１１２    第１アンテナを構成するコンデンサ
１１３    第２アンテナを構成するインダクタ
１１４    第２アンテナを構成するコンデンサ
１１５    第３アンテナを構成するインダクタ
１１６    第３アンテナを構成するコンデンサ
１１７    第４アンテナを構成するインダクタ
１１８    第４アンテナを構成するコンデンサ
１２１    第１アンテナの形成面に平行な面
１２２    第２アンテナの形成面に平行な面
１２３    第３アンテナの形成面に平行な面
１２４    第４アンテナの形成面に平行な面
１３２    乗車者
１３４    座席
１３６    車輪
１４６    自立走行ロボット
１４８    家庭用電気機器
１５０    負荷
１５２    電源側エネルギ伝送部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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