(57)【要約】【課題】敷設コストの増加や装置の複雑化を伴うことなく、受電側の車両が高効率で送電電力を受電することの可能な電力伝送路を提供する。【解決手段】車両１０４にワイヤレスで電力供給を行う電力伝送システム１は、入力端に入力される高周波電力を伝送する送電電極１０２と、送電電極１０２の出力端に設けられ、送電電極１０２の特性インピーダンスと同値の入力インピーダンスを有するＲＦ整流回路３と、を備える。ＲＦ整流回路３を設けることにより、反射波が零となるように調整されるため、定常波の発生を抑制することができ、車両１０４に安定して電力供給を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両にワイヤレスで電力供給を行う電力伝送システムであって、
入力端に入力される高周波電力を伝送する電力伝送路と、
前記電力伝送路の出力端に設けられ、前記電力伝送路の特性インピーダンスと同値の入力インピーダンスを有する負荷と、
を備えることを特徴とする電力伝送システム。
【請求項２】
前記負荷は、整流回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項３】
直流電力を高周波電力に変換し、前記高周波電力を前記電力伝送路に入力する高周波インバータと、
入力される複数の直流電力を合成して前記高周波インバータに出力する電力合成回路と、を備え、
前記電力合成回路に入力される前記複数の直流電力は、前記整流回路の出力を含むことを特徴とする請求項２に記載の電力伝送システム。
【請求項４】
前記負荷は、整流回路と当該整流回路に接続されるバッテリであることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項５】
請求項２に記載の電力伝送システムが複数所定間隔で配置されており、
前記電力伝送システムのそれぞれは、直流電力を高周波電力に変換し、前記高周波電力を前記電力伝送路に入力する高周波インバータと、
入力される複数の直流電力を合成して前記高周波インバータに出力する電力合成回路と、を備え、
前記複数の電力伝送システムのうちの第一の電力伝送システムが備える前記電力合成回路に入力される前記複数の直流電力は、前記複数の電力伝送システムのうちの第二の電力伝送システムが備える前記整流回路の出力を含むことを特徴とする電力伝送システム。
【請求項６】
前記第一の電力伝送システムは、前記第二の電力伝送システムが備える前記電力伝送路の出力端側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電力伝送システム。
【請求項７】
所定間隔で配置された請求項２に記載の複数の電力伝送システムと、
直流電力を高周波電力に変換し、前記高周波電力を複数の前記電力伝送システムに含まれる前記電力伝送路それぞれに入力する高周波インバータと、
入力される複数の直流電力を合成して前記高周波インバータに出力する電力合成回路と、を備え、
前記電力合成回路に入力される前記複数の直流電力は、複数の前記電力伝送システムに含まれる前記整流回路それぞれの出力を含むことを特徴とする電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に車両に対して、ワイヤレスで給電を行う電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車や、無人搬送車等、電動モータを用いた移動体として、電池に蓄えられたエネルギを使用して走行するようにしたものが知られている。このように電池に蓄えられたエネルギを使用して走行する移動体は、移動距離に限界があり、また、電池への充電に時間を要するため再稼動に時間がかかる、等といった電池に起因する課題がある。
【０００３】
この課題を解決する方法として、移動体へのワイヤレス給電技術が注目されている。
このワイヤレス給電技術は、路面下に埋設された送電電極としての導体からなる電力伝送路から、移動体に搭載された受電電極へＲＦ電力（高周波電力）を非接触で送電する技術である。
この技術により、移動体は電池からのエネルギに頼ることなく、路面からの送電電力だけで走行することができる。すなわち、路面からの送電電力を受電することができれば充電無しに走行することができるという、これまでにない新しい移動体と言える。
【０００４】
この移動体へのワイヤレス給電技術における課題の一つに、「電力伝送路に生じる定在波が、移動体への電力伝送効率を低下させる。」という課題がある。具体的には、図８に示すように、送電電極１０２に立つ定在波の節の位置に移動体の受電電極１０５が重なるとき、受電電極１０５はＲＦ電力を受電できないという課題である。なお、図８において、１０３ａは電源１０１から送電電極１０２の出力端に向かう進行波、１０３ｂは送電電極１０２の出力端から電源１０１に向かう反射波であり、これら進行波及び反射波が合成された波動が定在波１０３となる。
【０００５】
図８に示すように定在波１０３は、振幅が最大となる腹１０３maxの部分と、最小となる節１０３minの部分とを備える。移動体としての車両１０４は、道路の表層材１０６の下に埋設された導体からなる送電電極１０２からＲＦ電力を受電電極１０５で受電し、受電したＲＦ電力を利用して電動モータＭを駆動している。そのため、図８に示すように、受電電極１０５と節１０３minの部分とが対向する地点では、ＲＦ電力を受電することができない。つまり、安定してＲＦ電力を受電することができない。
【０００６】
この課題を解決するために、例えば、電力伝送路をＲＦ電力の波長よりも充分短い長さまで分割し、分割した電力伝送路間を左手系回路と呼ばれるＬＣ回路で接続する、右手左手複合系電極線路が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような構成とすることにより、電力伝送路に生じる定在波をなくすことができる。そのため、走行路上のどの位置においても、車両（移動体）は高い伝送効率でＲＦ電力を受電することができる。
また、例えば、電力伝送路の出力端に可変リアクタンス回路を装荷し、可変リアクタンス回路を制御することで定在波の腹の位置を受電電極の位置に常に追従させるようにした給電システムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このような構成とすることにより、どの位置においても車両（移動体）は高い伝送効率でＲＦ電力を受電することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−２２７０２５号公報
【特許文献２】特開２０１７−０３４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、右手左手複合系電極線路にあっては、複数の電力伝送路をＬＣ回路で接続しているため、ＲＦ電力の波長よりも十分に短い間隔で複数のＬＣ回路を路面下に埋設する必要があり、敷設コストが高いという課題がある。
また、可変リアクタンス回路を装荷した給電システムにあっては、車両の位置を検出し、検出した車両の位置に応じて可変リアクタンスを制御している。そのため、常時車両の位置を把握して可変リアクタンスを制御する必要があり、装置の複雑化につながるという課題がある。
【０００９】
そこで、この発明は上記従来の未解決の課題に着目してなされたものであり、敷設コストの増加や装置の複雑化を伴うことなく、受電側の車両が高効率で送電電力を受電することの可能な電力伝送システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の一態様によれば、車両にワイヤレスで電力供給を行う電力伝送システムであって、入力端に入力される高周波電力を伝送する電力伝送路と、電力伝送路の出力端に設けられ、電力伝送路の特性インピーダンスと同値の入力インピーダンスを有する負荷と、を備えた電力伝送システムが提供される。
【００１１】
また、本願発明の他の態様によれば、負荷として整流回路を備える上記態様の電力伝送システムが複数所定間隔で配置されており、電力伝送システムのそれぞれは、直流電力を高周波電力に変換し、高周波電力を電力伝送路に入力する高周波インバータと、入力される複数の直流電力を合成して高周波インバータに出力する電力合成回路と、を備え、複数の電力伝送システムのうちの第一の電力伝送システムが備える電力合成回路に入力される複数の直流電力は、複数の電力伝送システムのうちの第二の電力伝送システムが備える整流回路の出力を含む電力伝送システムが提供される。
【００１２】
さらに、本願発明の他の態様によれば、所定間隔で配置された、負荷として整流回路を備える上記態様の複数の電力伝送システムと、直流電力を高周波電力に変換し、高周波電力を複数の電力伝送システムに含まれる電力伝送路それぞれに入力する高周波インバータと、入力される複数の直流電力を合成して高周波インバータに出力する電力合成回路と、を備え、電力合成回路に入力される複数の直流電力は、複数の電力伝送システムに含まれる整流回路それぞれの出力を含む電力伝送システムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
埋設コストの増加や装置の複雑化を伴うことなく低コストで、受電電極での高効率な受電を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る電力伝送システムの一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電力伝送システムの等価回路モデルの一例である。
【図３】電力伝送効率特性の一例を示す特性図である。
【図４】図１に示す電力伝送システムの等価回路モデルの他の例である。
【図５】電力伝送効率特性の一例を示す特性図である。
【図６】本発明に係る電力伝送システムの他の例である。
【図７】本発明に係る電力伝送システムの他の例である。
【図８】従来の給電システムの一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明を適用した電力伝送システムの一例を示す概略構成図であり、電気自動車や電動カート、電動フォークリフト、電動自動運搬装置等の車両に対して非接触で給電を行う。
車両１０４は、図１に示すように、送電電極１０２から、ＲＦ電力（高周波電力）を、例えば車輪に設けられた受電電極１０５で受電し、受電したＲＦ電力を利用して電動モータＭを駆動する。そして、走行路に沿って送電電極１０２を所定間隔で配置することによって、車両１０４は、走行路から受電を行って継続して走行できるようになっている。
【００１７】
電力伝送システム１は、図１に示すように、道路の表層材１０６の下に埋設された送電電極１０２と、送電電極１０２の一端に給電を行う給電装置２と、送電電極１０２の他端に接続されたＲＦ整流回路３と、を備える。
送電電極１０２は、例えば一対の帯状の導体で形成され、車両１０４の左右の車輪間の幅相当だけ離して平行に配置される。そして、車両１０４の左右の車輪がそれぞれ送電電極１０２と対向するように車両１０４が走行することによって、車両１０４は送電電極１０２から受電するようになっている。
【００１８】
給電装置２は、高周波電力給電用の直流電源１１と、電力合成回路１２と、ＲＦインバータ１３と、整合回路１４と、を備える。
電力合成回路１２は、ＲＦ整流回路３から出力される直流電力と、直流電源１１から出力される直流電力とを合成し、ＲＦインバータ１３に出力する。
ＲＦインバータ１３は、電力合成回路１２で合成された直流電力を高周波電力に変換して、整合回路１４に出力する。整合回路１４は、ＲＦインバータ１３と送電電極１０２との間でのインピーダンス整合を行って、高周波電力を送電電極１０２に出力する。
【００１９】
ＲＦ整流回路３は、送電電極１０２を介して伝送される交流電力を入力し、入力した交流電力を直流電力に変換して電力合成回路１２に出力する。また、ＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃは、送電電極１０２の特性インピーダンスＺ０と同一値に設定されている。そのため、ＲＦ整流回路３が設けられていなければ反射波となるはずであった、送電電極１０２を介して伝達される高周波電力は、ＲＦ整流回路３の出力である直流電力に変換されることになり、送電電極１０２の出力端からの反射波が零となるように調整されたことと同等となる。
【００２０】
このように、ＲＦ整流回路３を設けることによって、送電電極１０２の出力端からの反射波が零であることと同等となる。そのため、送電電極１０２上に反射波が存在しないことから、定在波１０３が存在しないことになる。
前述のように、定在波１０３が生じる要因は、送電電極１０２上に存在する進行波と反射波とが合成されることにある。そして、本発明の一実施形態では、ＲＦ整流回路３を設け、ＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃと送電電極１０２の特性インピーダンスＺ０とを同一値に設定している。そのため、送電電極１０２に反射波が存在せず、すなわち、定在波１０３が存在しない。その結果、送電電極１０２から受電電極１０５に給電されるＲＦ電力は略一定となり、送電電極１０２から車両１０４に対して安定した電力供給を行うことができる。
【００２１】
また、ＲＦ整流回路３を一つ設ければよく、このＲＦ整流回路３は必ずしも表層材１０６の下に埋設する必要はない。そのため、敷設コストの増加を伴うことなく実現することができる。また、ＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃを送電電極１０２の特性インピーダンスＺ０と同一値に設定すればよく、給電中においても、複雑な制御を必要としないため、給電装置２の装置の煩雑化を回避することができる。
ここで、図１に示す電力伝送システム１を、等価回路モデルに置き換えてシミュレーションを行い、回路解析を行ったところ、次の結果を得た。
【００２２】
〔回路解析１〕
図２は、図１に示す電力伝送システム１を置き換えた等価回路モデルの一例である。
図２において、交流電源２１はＲＦインバータ１３を模擬し、抵抗２２は整合回路１４を模擬している。また、伝送線路２３及び２４は送電電極１０２を模擬し、抵抗２５が送電電極１０２から車両１０４を見たインピーダンスを模擬している。さらに、抵抗２６がＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃを模擬している。
図２に示す等価回路モデルにおいて、送電電極１０２から見た車両１０４は５０Ωの負荷（抵抗２５に対応）、ＲＦ整流回路３は５０Ωの負荷（抵抗２６に対応）とした。また、送電電極１０２は、全長１０ｍ、特性インピーダンスＺ０は５０Ω、実効比誘電率は“２”とした。
【００２３】
図２に示す等価回路モデルを用いてシミュレーションを行った結果得られた、ＲＦインバータ１３（交流電源２１に対応）から車両１０４（抵抗２６に対応）までの電力伝送効率の車両位置特性を図３（ａ）に示す。同様にして得た、ＲＦインバータ１３からＲＦ整流回路３（抵抗２６に対応）までの電力伝送効率の車両位置特性を図３（ｂ）に示す。
また、比較例として、図３（ｃ）に、送電電極１０２の出力端を開放した従来のワイヤレス給電装置における、電力伝送効率の車両位置特性を示す。
【００２４】
ＲＦインバータ１３から車両１０４までの電力伝送効率（図３（ａ））は、送電電極１０２上の車両１０４の位置に関わらず、約４４．４％となることが確認された。同様に、ＲＦインバータ１３からＲＦ整流回路３までの電力伝送効率（図３（ｂ））は、送電電極１０２上の車両１０４の位置に関わらず、約４４．４％となることが確認された。
これに対し、従来のワイヤレス給電装置では、図３（ｃ）に示すように、定在波の影響によって、送電電極１０２上の車両１０４の位置に応じて電力伝送効率が大きく変化し、車両１０４が送電電極１０２上の入力端から２．２ｍ程度の位置にあるときには電力伝送効率は最大１００％となり、同様に入力端から６．１ｍ程度の位置にあるときには電力伝送効率が最小０％となっている。
【００２５】
図３から、本発明の一実施形態に係る図１に示す電力伝送システム１によれば、送電電極１０２上の車両１０４の位置に関係なく、略一定の電力伝送効率で車両１０４に対して給電を行うことができ、また、ＲＦ整流回路３は略一定の入力電力を得られることが推測される。
言い換えれば、ＲＦ整流回路３への入力電力を再利用した場合、ＲＦインバータ１３の出力電力のうち、約８８．８％の電力を常に有効利用することができることが推測される。
【００２６】
〔回路解析２〕
図４は、図１に示す電力伝送システム１を置き換えた等価回路モデルの他の例であって、図２に示す等価回路モデルにおいて、ＲＦ整流回路３をより詳細に模擬したものである。
図２と同様に、交流電源２１はＲＦインバータ１３を模擬し、抵抗２２は整合回路１４を模擬している。また、伝送線路２３及び２４は送電電極１０２を模擬し、抵抗２５が送電電極１０２から車両１０４を見たインピーダンスを模擬している。さらに、インダクタンス３１及び容量３２で模擬される高調波フィルタと、容量３３と、ダイオード３４と、インダクタンス３５とで、ＲＦ整流回路３を模擬している。なお、抵抗３６は、ＲＦ整流回路３に接続される直流負荷を模擬している。
【００２７】
図４に示す等価回路モデルにおいて、送電電極１０２から見た車両１０４は、５０Ωの負荷（抵抗２５に対応）、ＲＦ整流回路３はシングルシャント整流回路に高調波フィルタを設けた回路とした。このとき、ＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃが、送電電極１０２の特性インピーダンスＺ０（＝５０Ω）と同一値である“５０Ω”となるように、ＲＦ整流回路３に接続される直流負荷としての抵抗３６を４５Ωに設定した。また、送電電極１０２は、全長１０ｍ、特性インピーダンスＺ０は、５０Ω、実効比誘電率は“２”とした。
【００２８】
図４に示す等価回路モデルを用いてシミュレーションを行った結果得られた、ＲＦインバータ１３（交流電源２１に対応）から車両１０４（抵抗２５に対応）までの電力伝送効率の車両位置特性を図５（ａ）に示す。同様にして得た、ＲＦインバータ１３からＲＦ整流回路３（抵抗２６に対応）までの電力伝送効率の車両位置特性を図５（ｂ）に示す。
車両１０４までの電力伝送効率（図５（ａ））は、送電電極１０２上の車両１０４の位置に応じて、４０％以上５０％以下の範囲で変動することが推測される。同様に、ＲＦ整流回路３までの電力伝送効率（図５（ｂ））は、送電電極１０２上の車両１０４の位置に関わらず、約４１％前後で変動することが推測される。
【００２９】
言い換えれば、ＲＦ整流回路３への入力電力を再利用した場合、ＲＦインバータ１３の出力電力のうち、約８０％の電力を常に有効利用することができることが推測される。
図５から、本発明の一実施形態に係る電力伝送システム１によれば、送電電極１０２上の車両１０４の位置に関係なく、略一定の電力伝送効率で車両１０４に対して給電を行うことができ、また、ＲＦ整流回路３は略一定の入力電力を得られることが推測される。
【００３０】
なお、上記実施形態においては、ＲＦ整流回路３から出力される直流電力を、自電力伝送システム１内の電力合成回路１２に戻す場合について説明したがこれに限るものではない。例えば図６に示すように、図１に示す単体の電力伝送システム１を複数配置し、複数の電力伝送システム１を結合した結合電力伝送システム４１を構成する。そして、この結合電力伝送システム４１に含まれる複数の電力伝送システム１のうちの、例えば電力伝送システム１ａに含まれるＲＦ整流回路３の出力を、電力伝送システム１ａの出力端側に配置された電力伝送システム１ｂの電力合成回路１２に供給し、電力伝送システム１ｂに含まれるＲＦ整流回路３の出力を、電力伝送システム１ｂの出力端側に配置された電力伝送システム１ｃの電力合成回路１２に供給し、というように、結合電力伝送システム４１のうちの一の電力伝送システム１に含まれるＲＦ整流回路３から出力される直流電力を、この一の電力伝送システム１の出力端側に配置された次の電力伝送システム１に含まれる電力合成回路１２に供給するようにしてもよい。
【００３１】
ＲＦ整流回路３は送電電極１０２の出力端に設けられ、電力合成回路１２は送電電極１０２の入力端側に設けられているため、図１に示すように、自電力伝送システム１内で、ＲＦ整流回路３の出力を電力合成回路１２に戻す場合には、送電電極１０２の出力端側から入力端側まで、ＲＦ整流回路３の出力を伝送するためのケーブルＬを設ける必要がある。そのため、電力伝送システム１の中で、ＲＦ整流回路３の出力を、電力合成回路１２に戻すのではなく、図６に示すように、一の電力伝送システム１ａに含まれるＲＦ整流回路３の出力を、一の電力伝送システム１ａの出力端側に配置された次の電力伝送システム１ｂに含まれる電力合成回路１２に供給することにより、ＲＦ整流回路３の出力を電力合成回路１２に伝送するためのケーブルＬはより短くてすむ。したがって、ＲＦ整流回路３の出力を電力合成回路１２に戻す場合には、他の電力伝送システム１に含まれる電力合成回路１２に供給することが好ましい。
【００３２】
また、上記実施形態においては、電力伝送システム１毎に直流電源１１を備える場合について説明したが、これに限るものではなく、共通の直流電源１１から複数の電力伝送システム１に対して直流電力を供給するようにしてもよい。
また、図７に示すように、図１に示す電力伝送システム１において、複数の電力伝送システム１間で、直流電源１１、電力合成回路１２及びＲＦインバータ１３を共通化した結合電力伝送システム４２を形成するようにしてもよい。すなわち、図１に示す電力伝送システム１の構成要素のうち、直流電源１１、電力合成回路１２及びＲＦインバータ１３を除く、残りの構成要素、つまり整合回路１４、送電電極１０２、及びＲＦ整流回路３を備えたシステムを電力伝送システム１′とすると、この電力伝送システム１′を複数配置した結合電力伝送システム４２を形成する。
【００３３】
具体的には、図７に示すように、結合電力伝送システム４２は、直流電源１１と電力合成回路１２とＲＦインバータ１３と、複数の電力伝送システム１′（図７では３つの電力伝送システム１ａ′〜１ｃ′）と、を含む。
ＲＦインバータ１３は、電力合成回路１２から出力される直流電力を高周波電力に変換し、複数の電力伝送システム１ａ′〜１ｃ′それぞれに含まれる整合回路１４に出力する。整合回路１４は、ＲＦインバータ１３と送電電極１０２との間でのインピーダンス整合を行って、高周波電力を送電電極１０２に出力する。
【００３４】
ＲＦ整流回路３は、送電電極１０２を介して伝送される交流電力を入力し、入力した交流電力を直流電力に変換して電力合成回路１２に出力する。また、ＲＦ整流回路３の入力インピーダンスＺｒｅｃは、送電電極１０２の特性インピーダンスＺ０と同一値に設定されている。
そして、電力合成回路１２は、各電力伝送システム１ａ′〜１ｃ′に含まれるＲＦ整流回路３それぞれから出力される直流電力と、直流電源１１から出力される直流電力とを合成し、ＲＦインバータ１３に出力する。
このように、直流電源１１、電力合成回路１２及びＲＦインバータ１３を共通化するこ４によって、部品点数を削減することができる。
【００３５】
また、上記実施形態においては、ＲＦ整流回路３の出力を、電力合成回路１２に戻しているが、これに限るものではない。例えば、道路脇に設置されている街灯や、道路に設置されている装置、例えば、融雪装置に対して動作電力として供給するようにしてもよい。要はＲＦ整流回路３の出力を消費することの可能な設備に対して動作電力として供給するようにしてもよい。
ＲＦ整流回路３の出力を自電力伝送システム１内に戻さない場合には、電力合成回路１２を設けなくともよい。
【００３６】
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。
さらに、本発明の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
【符号の説明】
【００３７】
１、１′  電力伝送システム
２  給電装置
３  ＲＦ整流回路
１１  直流電源
１２  電力合成回路
１３  ＲＦインバータ
１４  整合回路
４１、４２  結合電力伝送システム
１０２  送電電極
１０３  定在波
１０４  車両
１０５  受電電極
【図１】
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【図２】
2019170007.tif 000004
【図３】
2019170007.tif 000005
【図４】
2019170007.tif 000006
【図５】
2019170007.tif 000007
【図６】
2019170007.tif 000008
【図７】
2019170007.tif 000009
【図８】
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