(57)【要約】【課題】車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルについて、インピーダンス整合状態、および伝送モードの整合状態を良好にすると共に、送受電コイルのシールドケース等の導体が送受波性能に及ぼす影響を抑制することを目的とする。【解決手段】第１螺旋導体４０は、外側端４６から給電点４８へと内側方向に螺旋形状の一部を描く。螺旋同軸ケーブル４２は、給電点４８において、その内導体の一端が第１螺旋導体４０の一端に接続され、給電点４８から内側方向に螺旋形状の一部を描く。そして、同軸ケーブル分離点５０において下方向に送電コイル１６から引き出される。第２螺旋導体４４は、同軸ケーブル分離点５０において螺旋同軸ケーブル４２の外導体に一端が接続される。第２螺旋導体４４は、同軸ケーブル分離点５０から内側方向に螺旋形状の一部を描き、内側端５２において開放状態で終端する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルにおいて、
外側端から給電点へと内側方向に螺旋形状の一部を描く第１螺旋導体と、
前記給電点に内導体の一端が接続され、前記給電点から分離点へと内側方向に螺旋形状の一部を描き、前記分離点において前記送受電コイルから引き出される螺旋同軸ケーブルと、
前記分離点で前記螺旋同軸ケーブルの外導体に一端が接続され、前記分離点から内側方向に螺旋形状の一部を描く第２螺旋導体と、
を備えることを特徴とする送受電コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の送受電コイルと、
前記送受電コイルが螺旋形状を描く面と面方向を揃えて配置され、前記分離点から引き出された前記螺旋同軸ケーブルの外導体に接続される接地導体板と、
を備える送受波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルおよび送受波装置に関し、特に、螺旋形状の導体を含むコイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、繰り返し充放電が可能な二次電池が搭載される。電動車両のモータジェネレータは、二次電池から供給される電力に基づいて車両を駆動する。また、モータジェネレータは回生制動を行い、二次電池は回生制動に基づく発電電力によって充電される。さらに、ハイブリッド自動車はジェネレータを備え、ジェネレータをエンジンで駆動することによって発電を行い、二次電池を充電する。
【０００３】
しかし、回生制動に基づく発電電力やエンジンおよびジェネレータによる発電電力では、二次電池を充電するための電力量が十分でないことがある。そこで、外部充電装置が搭載された電動車両が普及しつつある。外部充電装置には、一般家庭で用いられる商用電源コンセントから電力を取得するものの他、一般家庭、公共施設、娯楽施設等における駐車場やサービスステーションに設けられた電力供給装置によって非接触充電を行うものが提案されている。
【０００４】
非接触充電用の電力供給装置には、電力伝送用の電磁波を発生する送電コイルが設けられている。他方、電動車両には、電力伝送用の電磁波を受波する受電コイルが設けられている。電力供給装置から電動車両には、送電コイル側の回路と受電コイル側の回路との結合共振によって電力が伝送される。なお、以下の特許文献１および２には、非接触充電を行うシステムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０７４１０６号パンフレット
【特許文献２】特開２０１０−１１４９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、非接触充電用の電力供給装置は、電力発生回路を備え、その電力発生回路には電力伝送線を介して送電コイルが接続されている。また、非接触充電を行う電動車両は、二次電池を充電する充電回路を備え、その充電回路には、電力伝送線を介して受電コイルが接続されている。
【０００７】
送電コイルおよび受電コイルの構造は、所定の周波数の電磁波が用いられるという条件の下、送電コイルおよび受電コイルの電磁気的な結合状態が所望の状態となるよう決定される。そして、このように決定された構造に応じて、送電コイルおよび受電コイルの接続端インピーダンスが定まる。
【０００８】
したがって、送電コイルおよび受電コイルの接続端インピーダンスは、先に定められた送電コイルおよび受電コイルの構造に応じて定まる。そのため、電力発生回路と送電コイルとの間のインピーダンス整合状態、および、受電コイルと充電回路との間のインピーダンス整合状態が良好とならない場合がある。
【０００９】
また、電力発生回路および電力伝送線から発せられるノイズ電磁波を低減するため、これらの電力伝送線には同軸ケーブルが用いられることが多い。この場合、送電コイルおよび受電コイルとして、平衡モードで送電または受電されるコイルが用いられた場合、不平衡モード伝送が行われる同軸ケーブルとコイルとの間で伝送モード不整合が生じる。これによって、同軸モードの外導体にコモンモードノイズが発生することがある。
【００１０】
さらに、送電コイルおよび受電コイルは、シールドケースに取り付けられることが多い。この場合、シールドケースが送電コイルおよび受電コイルの送受波性能に影響を及ぼすことがある。
【００１１】
本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルについて、インピーダンス整合状態、および伝送モードの整合状態を良好にすると共に、シールドケース等の導体が送受波性能に及ぼす影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルにおいて、外側端から給電点へと内側方向に螺旋形状の一部を描く第１螺旋導体と、前記給電点に内導体の一端が接続され、前記給電点から分離点へと内側方向に螺旋形状の一部を描き、前記分離点において前記送受電コイルから引き出される螺旋同軸ケーブルと、前記分離点で前記螺旋同軸ケーブルの外導体に一端が接続され、前記分離点から内側方向に螺旋形状の一部を描く第２螺旋導体と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る送受波装置は、前記送受電コイルと、前記送受電コイルが螺旋形状を描く面と面方向を揃えて配置され、前記分離点から引き出された前記螺旋同軸ケーブルの外導体に接続される接地導体板と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、車両用非接触充電システムに用いられる送受電コイルについて、インピーダンス整合状態、および伝送モードの整合状態を良好にすると共に、シールドケース等の導体が送電コイルおよび受電コイルの送受波性能に及ぼす影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成を示す図である。
【図２】送電コイルの構成を示す図である。
【図３】給電点の近傍における断面図である。
【図４】同軸ケーブル分離点の近傍における断面図である。
【図５】送電コイルおよび受電コイルに対して定められたｘｙ座標を示す図である。
【図６】電力伝送率特性のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）非接触充電システムの構成
図１には、本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成が模式的に示されている。このシステムは、駐車場、サービスステーション等、電動車両２２を停車させる場所に非接触充電用の電力供給装置１０を設けたものである。電力供給装置１０は、充電エリア３６下方に配置された送電コイル１６を備えている。電動車両２２は、受電コイル２４を備えており、充電のときには送電コイル１６の上方に受電コイル２４が位置するよう停車する。電力供給装置１０は、送電コイル１６から電力伝送用の電磁波を送波する。電動車両２２は、受電コイル２４において受波された電磁波に基づく電力によって、電動車両２２に搭載された二次電池３４を充電する。
【００１７】
非接触充電システムの具体的な構成について説明する。電力供給装置１０は、電力発生回路１２、同軸ケーブル１４、送電側シールドケース１８、送電側透過板２０および送電コイル１６を備える。電力発生回路１２は、充電エリア３６またはその近傍、あるいは充電エリア３６の近傍の建造物内に設置されている。電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４を介して送電コイル１６が接続されている。
【００１８】
送電コイル１６は、上面に開口を有する容器形状の送電側シールドケース１８内に配置されている。送電側シールドケース１８は、例えば、直方体の容器形状の導体によって形成する。送電側シールドケース１８には、同軸ケーブル１４を送電コイル１６に接続するコネクタが設けられていてもよい。また、コネクタを設けずに、同軸ケーブル１４が直接送電コイル１６に接続される構成を採用してもよい。送電側シールドケース１８の開口は送電側透過板２０によって塞がれている。送電側透過板２０には、誘電体等、電磁波を透過する材料が用いられる。また、送電側透過板２０には、特定の周波数を透過させる周波数選択板が用いられてもよい。
【００１９】
送電コイル１６は、螺旋状に周回するスパイラルダイポールをなす。図２には送電コイル１６を上側から臨んだ様子が示されている。送電コイル１６は、絶縁体基板３８上に形成された第１螺旋導体４０、螺旋同軸ケーブル４２、および第２螺旋導体４４と、絶縁体基板３８の裏側に位置する接地導体板（送電側シールドケース１８の底面）とを備える。ここで、絶縁体基板３８には、例えば、比誘電率が１に近い発泡プラスチックが用いられる。螺旋同軸ケーブル４２の外導体の径、第１螺旋導体４０の径、および、第２螺旋導体４４の径は、同一であっても異なっていてもよい。
【００２０】
第１螺旋導体４０は、外側端４６から給電点４８へと内側方向に螺旋形状の一部を描く。螺旋同軸ケーブル４２は、給電点４８において、その内導体の一端が第１螺旋導体４０の一端に接続され、給電点４８から内側方向に螺旋形状の一部を描く。そして、同軸ケーブル分離点５０において下方向に曲がって送電コイル１６から引き出され、送電側シールドケース１８に設けられたコネクタに接続される。第２螺旋導体４４は、同軸ケーブル分離点５０において螺旋同軸ケーブル４２の外導体に一端が接続される。第２螺旋導体４４は、同軸ケーブル分離点５０から内側方向に螺旋形状の一部を描き、内側端５２において開放状態で終端する。
【００２１】
図３には、給電点４８の近傍における断面図としてＡＢ線断面図が示されている。図３に示されているように、給電点４８においては、螺旋同軸ケーブル４２の内導体４２−２の一端が第１螺旋導体４０の一端に接続される。一方、螺旋同軸ケーブル４２の外導体４２−１は開放状態となっている。
【００２２】
図４には、同軸ケーブル分離点５０の近傍における断面図としてＣＤ線断面図が示されている。第２螺旋導体４４は、同軸ケーブル分離点５０において螺旋同軸ケーブル４２の外導体４２−１に一端が接続され、螺旋同軸ケーブル４２を延長した方向に伸びる。螺旋同軸ケーブル４２は、同軸ケーブル分離点５０から下方向に伸び、コネクタ５４に至る。螺旋同軸ケーブル４２の外導体４２−１は、コネクタ５４において送電側シールドケース１８および同軸ケーブル１４の外導体に電気的に接続され、螺旋同軸ケーブル４２の内導体４２−２は、コネクタ５４において同軸ケーブル１４の内導体に接続される。
【００２３】
このような構成によれば、送電コイル１６は、第１螺旋導体４０、螺旋同軸ケーブル４２の外導体、および、第２螺旋導体４４を備える１つのスパイラルダイポールをなす。給電点４８は、第１螺旋導体４０と、螺旋同軸ケーブル４２との接続点であり、スパイラルダイポールの外側端４６と内側端５２との間の中途点である。このような給電方式は、一般にオフセンター給電方式と称される。
【００２４】
次に、送電コイル１６の動作について説明する。電力発生回路１２からは同軸ケーブル１４およびコネクタ５４を介して、螺旋同軸ケーブル４２に電力が供給される。螺旋同軸ケーブル４２は、コネクタ５４から同軸ケーブル分離点５０を経て螺旋状の経路に沿って電力を伝送し、給電点４８に電力を供給する。これによって、第１螺旋導体４０、螺旋同軸ケーブル４２の外導体、および、第２螺旋導体４４がなすスパイラルダイポールに電力が供給される。スパイラルダイポールは、給電点４８から供給された電力に基づいて電磁波を送波する。
【００２５】
本実施形態に係る送電コイル１６では、オフセンター給電方式を採用している。そのため、給電点４８の位置を変化させることで、入力インピーダンスを調整することができる。例えば、スパイラルダイポールの長さを一定とした場合、第１螺旋導体４０および螺旋同軸ケーブル４２の長さを変化させることで入力インピーダンスを調整することができる。これによって、電力発生回路１２と、送電コイル１６とのインピーダンス整合状態を良好にすることができる。
【００２６】
また、本実施形態に係る送電コイル１６では、不平衡モード伝送を行う螺旋同軸ケーブル４２によって給電が行われる。これによって、電力発生回路１２からの同軸ケーブル１４と、送電コイル１６との伝送モードの整合状態を良好にすることができる。さらに、本実施形態に係る送電コイル１６は、不平衡アンテナとして動作する。そのため、送電側シールドケース１８、ボデー等の接地導体がアンテナ性能（送受波性能）に及ぼす影響を抑制することができる。
【００２７】
図１に戻り、電動車両２２は、受電コイル２４、受電側シールドケース２６、受電側透過板２８、同軸ケーブル３０、充電回路３２、および、二次電池３４を備える。受電コイル２４は、同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に接続され、充電回路３２には二次電池３４が接続されている。
【００２８】
受電コイル２４は、下方向に開口する容器形状の受電側シールドケース２６内に配置されている。受電側シールドケース２６は、例えば、直方体の容器形状の導体によって形成する。受電側シールドケース２６には、同軸ケーブル３０を受電コイル２４に接続するコネクタが設けられていてもよい。また、コネクタを設けずに、同軸ケーブル３０が直接受電コイル２４に接続される構成を採用してもよい。受電側透過板２８には、誘電体等、電磁波を透過する材料が用いられる。また、受電側透過板２８には、特定の周波数を透過させる周波数選択板が用いられてもよい。
【００２９】
受電コイル２４には、電力供給装置１０における送電コイル１６と同様の構成が採用される。すなわち、受電コイル２４は、上述の第１螺旋導体４０、螺旋同軸ケーブル４２、第２螺旋導体４４、絶縁体基板３８の裏側に位置する接地導体板（受電側シールドケース２６の底面）を備え、スパイラルダイポールをなす。
【００３０】
（２）非接触充電システムの動作
非接触充電システムの動作について図１を参照して説明する。電力発生回路１２は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐの電力を同軸ケーブル１４を介して送電コイル１６に供給する。送電コイル１６は、電力発生回路１２から供給された電力に基づいて周波数ｆｐの電磁波を送波する。
【００３１】
受電コイル２４は、送電コイル１６から送波された電磁波を受波する。受電コイル２４は、受波した電磁波に基づく電力を同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に出力する。充電回路３２は、受電コイル２４から与えられた電力を直流電力に変換し、二次電池３４に供給する。これによって二次電池３４の充電が行われる。
【００３２】
送電コイル１６は送電側の共振回路を形成し、受電コイル２４は受電側の共振回路を形成する。送電コイル１６から受電コイル２４への電力伝送は、送電コイル１６側の回路と受電コイル２４側の回路との共鳴（結合共振）によって行われる。
【００３３】
電動車両２２が、送電コイル１６の上方に受電コイル２４が位置するよう停車することで、送電コイル１６と受電コイル２４とが電磁気的に結合可能となる。そこで、送電側と受電側とで共振周波数を同一の周波数ｆｐとし、送電側の共振回路と受電側の共振回路を周波数ｆｐで共鳴させる。これによって、送電コイル１６と受電コイル２４とを機械的に接触させることなく、電力供給装置１０から電動車両２２に電力を供給することができる。
【００３４】
本実施形態に係る非接触充電システムにおいては、送電コイル１６および受電コイル２４として、オフセンター給電方式のスパイラルダイポールが採用される。これによって、電力発生回路１２と送電コイル１６との間のインピーダンス整合状態、および、受電コイル２４と充電回路３２との間のインピーダンス整合状態を良好にすることができる。したがって、電力発生回路１２から充電回路３２に至るまでの電力の反射損失を低減することができる。
【００３５】
また、スパイラルダイポールを採用することにより、電力発生回路１２からの同軸ケーブル１４と送電コイル１６との伝送モード整合状態を良好にし、受電コイル２４と充電回路３２に至る同軸ケーブル３０との伝送モード整合状態を良好にすることができる。これによって、各同軸ケーブルに発生するコモンモードノイズを低減し、ノイズ電磁波の発生を抑制することができる。さらに、スパイラルダイポールは、不平衡モードで動作する。したがって、本実施形態によれば、シールドケース、ボデー等の接地導体がアンテナ性能に及ぼす影響を抑制することができる。
【００３６】
（３）シミュレーション結果
本実施形態に係る非接触充電システムの特性についてシミュレーションを行った。ここでは、シミュレーションの条件を特定するため、図５に示されるように送電コイル１６および受電コイル２４に対しｘｙ座標を定める。また、スパイラルダイポールの形状を、動径ベクトルＲの先端の軌跡で表すものとする。動径ベクトルＲの長さをρとし、動径ベクトルとｘ軸とがなす角度をθとすると、スパイラルダイポールの形状は、ρ＝ｐθ／（２π）として表される。ただし、ｐは、螺旋形状のピッチを表す定数である。
【００３７】
ここでは、ｐ＝３ｃｍ、θの範囲をπ≦θ≦２０π、同軸ケーブル分離点５０の位置をθ＝２０π−５π／２、給電点４８の位置をθ＝２０π−８π／９とした送電コイル１６および受電コイル２４について、電力伝送率のシミュレーションを行った。電力伝送率は、送電コイル１６に入力された電力に対する、受電コイル２４から出力された電力の比をデシベル値で表したものである。
【００３８】
図６には、電力伝送率特性のシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を表し、縦軸は電力伝送率を表す。ここでは、送電コイル１６側の絶縁体基板３８および接地導体板と、受電コイル２４側の絶縁体基板３８および接地導体板とを平行に配置し、これらの接地導体板の間隔を２５ｃｍとした。符号ｄ１、ｄ２、ｄ３およびｄ４で表される特性は、送電コイル１６と受電コイル２４とのｘ軸方向のずれｄｘ、送電コイル１６と受電コイル２４とのｙ軸方向のずれｄｙが異なる場合の特性である。特性ｄ１は、ｄｘ＝ｄｙ＝０ｃｍの場合の特性である。特性ｄ２は、ｄｘ＝１５ｃｍ、ｄｙ＝０ｃｍの場合の特性である。特性ｄ３は、ｄｘ＝０ｃｍ、ｄｙ＝１５ｃｍの場合の特性である。特性ｄ４は、ｄｘ＝１５ｃｍ、ｄｙ＝１５ｃｍの場合の特性である。これより、ｘ軸方向およびｙ軸方向にずれがない場合に、電力伝送効率は０ｄBであり、インピーダンス整合状態を良好にすることができることがわかる。また、ｘ軸方向およびｙ軸方向の両者に１５ｃｍのずれがあっても、電力伝送効率の低下は２ｄＢ程度であることがわかる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電力供給装置、１２  電力発生回路、１４，３０  同軸ケーブル、１６  送電コイル、１８  送電側シールドケース、２０  送電側透過板、２２  電動車両、２４  受電コイル、２６  受電側シールドケース、２８  受電側透過板、３２  充電回路、３４  二次電池、３６  充電エリア、３８  絶縁体基板、４０  第１螺旋導体、４２  螺旋同軸ケーブル、４４  第２螺旋導体、４６  外側端、４８  給電点、５０  同軸ケーブル分離点、５２  内側端、５４  コネクタ。
【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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