(57)【要約】      （修正有）【課題】構成の複雑化や回路規模の増大を回避しつつ、効率のよい非接触送電を行うことができる送電装置、受電装置および送受電システムを提供する。【解決手段】車輌１５０が有する受電装置の受電コイル１５４ａに対して、磁気共鳴も含めた電磁力を利用して送電を行う送電コイル１０４ａと、送電コイルから受電コイルへの送電を中継する中継コイル１０４ｂとを有し、送電コイルの中心位置から受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量まで変化する時、送電コイルと受電コイルとの結合係数と受電コイルと中継コイルとの結合係数のうち、いずれの結合係数も他方の結合係数より大きくなる範囲が存在する場合に、中継コイルの共振周波数は送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい。【選択図】図１
2017130996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電装置の受電コイルに対して、電磁力を利用して送電を行う送電コイルと、
前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、
を有し、
前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記受電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第２の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第２の結合係数より大きくなる範囲と、前記第２の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、
前記中継コイルの共振周波数は、前記送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい、
送電装置。
【請求項２】
前記中継コイルの共振周波数は、前記送電コイルから前記受電コイルに対する送電の効率が最大となる周波数以下である、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項３】
前記中継コイルの共振周波数は、以下の数式（４）の範囲内である、
請求項２に記載の送電装置。
【数１】
2017130996.tif 000007
但し、ｆｒは中継コイルの共振周波数、ｆｍｉｎは送電コイルの駆動周波数の最小値、ｆｍａｘは送電コイルの駆動周波数の最大値、ｋ１２ｍａｘは送電コイルと受電コイルとの結合係数の最大値、ｋ２ｒｍｉｎは受電コイルと中継コイルとの結合係数の最小値、ｋ１ｒは送電コイルと中継コイルとの結合係数である第３の結合係数。
【請求項４】
前記中継コイルは、前記送電コイルよりも外側に配置される、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項５】
前記中継コイルは、前記送電コイルの内側に配置される、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項６】
前記ずれ量は、平面コイルである前記送電コイルおよび前記受電コイルのそれぞれの中心位置の水平距離である、
請求項１に記載の送電装置。
【請求項７】
電磁力を利用して送電を行う送電コイルから受電する受電コイルと、
前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、
を有し、
前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記送電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第３の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第３の結合係数より大きくなる範囲と、前記第３の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、
前記中継コイルの共振周波数は、前記受電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい、
受電装置。
【請求項８】
前記中継コイルの共振周波数は、前記送電コイルから前記受電コイルに対する送電の効率が最大となる周波数以下である、
請求項７に記載の受電装置。
【請求項９】
前記中継コイルの共振周波数は、以下の数式（４）の範囲内である、
請求項８に記載の受電装置。
【数２】
2017130996.tif 000008
但し、ｆｒは中継コイルの共振周波数、ｆｍｉｎは送電コイルの駆動周波数の最小値、ｆｍａｘは送電コイルの駆動周波数の最大値、ｋ１２ｍａｘは送電コイルと受電コイルとの結合係数の最大値、ｋ２ｒｍｉｎは受電コイルと中継コイルとの結合係数である第２の結合係数の最小値、ｋ１ｒは送電コイルと中継コイルとの結合係数。
【請求項１０】
受電コイルを含む受電装置を有する車輌に対して、電磁力を利用して送電を行う送電装置を含む送受電システムであって、
前記送電装置は、
送電コイルと、
前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、
を有し、
前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記受電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第２の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第２の結合係数より大きくなる範囲と、前記第２の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、
前記中継コイルの共振周波数は、送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい、
送受電システム。
【請求項１１】
前記中継コイルの共振周波数は、前記送電コイルから前記受電コイルに対する送電の効率が最大となる周波数以下である、
請求項１０に記載の送受電システム。
【請求項１２】
前記中継コイルの共振周波数は、以下の数式（４）の範囲内である、
請求項１１に記載の送受電システム。
【数３】
2017130996.tif 000009
但し、ｆｒは中継コイルの共振周波数、ｆｍｉｎは送電コイルの駆動周波数の最小値、ｆｍａｘは送電コイルの駆動周波数の最大値、ｋ１２ｍａｘは送電コイルと受電コイルとの結合係数の最大値、ｋ２ｒｍｉｎは受電コイルと中継コイルとの結合係数の最小値、ｋ１ｒは送電コイルと中継コイルとの結合係数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電コイルを有する車輌に送電する送電装置、受電装置および送受電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、蓄電池の電力を動力として用いる電気自動車やハイブリッド車が普及している。そして、このような電気自動車やハイブリッド車の蓄電池に電力伝送（送電）する手段として、非接触送電を用いる技術が開発されている。
【０００３】
非接触で電力の送電を行う非接触送電の仕組みとしては、例えば、離間して配置されたコイル間の電磁誘導を利用した電磁誘導方式や、電磁界の共振結合を利用した磁気共鳴方式が知られている。
【０００４】
このうち、磁気共鳴方式を用いた非接触送電システムは、コイルとコンデンサを含む共振回路を用いて実現される。磁気共鳴方式の非接触送電システムは、コイルのＱ値を高くすることにより、電磁誘導方式に比べて、送電用のコイルと受電用のコイルとの間の伝送距離を大きくとることができる。このような磁気共鳴方式を用いた非接触送電システムとして、例えば特許文献１に開示された技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−８５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、送電アンテナとしての共鳴コイル及び共振容量を含む共振回路と、共鳴コイルと磁気的に結合可能に配置された第１コイルとを含み、共振回路の共振周波数が送電電力として出力される送電信号の周波数に近づくように、第１コイルの両端を短絡または開放する制御を行う非接触送電システムが開示されている。特許文献１に開示された非接触送電システムは、このような構成により、送電装置から出力される送電信号の周波数と共振回路の共振周波数とのずれを防止し、効率のよい非接触送電を行うことを目的としている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された非接触送電システムは、送電装置と受電装置の他に、電源部から共振回路に供給される交流信号の反射量を検出するための検出部と、検出部が検出した反射量に基づいて、反射量が最も小さくなるように、第１コイル両端の短絡または開放を切り替える制御部とを備えている。これにより、特許文献１に開示された非接触送電システムでは、システムの構成が複雑化すると共に、回路規模が増大してしまう。
【０００８】
本発明は、構成の複雑化や回路規模の増大を回避しつつ、効率のよい非接触送電を行うことができる送電装置、受電装置および送受電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の送電装置は、受電装置の受電コイルに対して、電磁力を利用して送電を行う送電コイルと、前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、を有し、前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記受電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第２の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第２の結合係数より大きくなる範囲と、前記第２の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、前記中継コイルの共振周波数は、前記送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい。
【００１０】
本発明の受電装置は、電磁力を利用して送電を行う送電コイルから受電する受電コイルと、前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、を有し、前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記送電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第３の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第３の結合係数より大きくなる範囲と、前記第３の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、前記中継コイルの共振周波数は、前記受電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい。
【００１１】
本発明の送受電システムは、受電コイルを含む受電装置を有する車輌に対して、電磁力を利用して送電を行う送電装置を含む送受電システムであって、前記送電装置は、送電コイルと、前記送電コイルから前記受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、を有し、前記送電コイルの中心位置から前記受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、前記送電コイルと前記受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、前記受電コイルと前記中継コイルとの結合係数である第２の結合係数とのうち、前記第１の結合係数が前記第２の結合係数より大きくなる範囲と、前記第２の結合係数が前記第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、前記中継コイルの共振周波数は、送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、構成の複雑化や回路規模の増大を回避しつつ、効率のよい非接触送電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における送受電システムの構成を示す図
【図２】第１の実施の形態における送受電システムにおいて、受電コイルの中心の位置が送電コイルの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル、送電コイル、中継コイルを示す図
【図３】第１の実施の形態における送受電システムにおいて、受電コイルの中心の位置が送電コイルの中心の位置の直上からずれ量Ｇだけずれた位置にある場合の受電コイル、送電コイル、中継コイルを示す図
【図４】第１の実施の形態における送受電システムにおいて、送電コイル、中継コイル、および受電コイルそれぞれの間の結合係数について説明するための図
【図５】中継コイルの共振周波数を算出するための等価回路
【図６】第１の実施の形態に係る送受電システムの効果について説明するための図
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る送受電システムの構成を示す図
【図８】第２の実施の形態における送受電システムにおいて、受電コイルの中心の位置が送電コイルの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル、送電コイル、中継コイルを示す図
【図９】第２の実施の形態における送受電システムにおいて、受電コイルの中心の位置が送電コイルの中心の位置の直上からずれ量Ｇ’だけずれた位置にある場合の受電コイル、送電コイル、中継コイルを示す図
【図１０】第２の実施の形態に係る送受電システムにおける、結合係数ｋ１ｒ、ｋ１２、およびｋ２ｒの大きさと、送電コイルから見た受電コイルのずれ量Ｇ’に応じた結合係数の変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
＜構成説明＞
図１は、本発明の第１の実施の形態における送受電システム１０の構成を示す図である。
【００１６】
送受電システム１０は、送電装置１００と、車輌１５０と、送電側操作部１６０とを有している。なお、図１は、車輌１５０が送電装置１００からの送電を受けることができる位置に停止している状態を示す。
【００１７】
送電装置１００は、例えば駐車スペース等に設けられる。送電装置１００は、駐車スペースの所定範囲内に駐車した車輌１５０がある場合に、車輌１５０が有する受電コイル１５４ａ（詳細は後述する）に対して送電する。なお、送電には、車輌１５０が有する蓄電池１５２に電力を供給する前に、受電コイル１５４ａに対して少ない電力を供給する予備送電と、蓄電池１５２に電力を供給するために大きな電力を供給する本送電とがある。以下の説明において、「送電」という記載は、予備送電と本送電の両方を含むものとする。
【００１８】
車輌１５０は、例えば、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）、ＰＥＶ（Plug-in Electric Vehicle）またはＥＶ（Electric Vehicle）等の、電力で走行することができる自動車である。なお、車輌１５０の構成の詳細については後述する。
【００１９】
送電側操作部１６０は、外部からの操作を受け付け、送電の開始を示す送電開始信号または送電の停止を示す送電停止信号を送電装置１００に出力する。
【００２０】
＜車輌の構成＞
本発明の第１の実施の形態における車輌１５０の構成について説明する。
【００２１】
車輌１５０は、車輌側操作部１５１と、蓄電池１５２と、車輌側制御部１５３と、受電コイル１５４ａと、車輌側通信部１５５とを有する。
【００２２】
車輌側操作部１５１は、車輌１５０の運転者等による各種操作を受け付け、受け付けた操作に応じた信号を車輌側制御部１５３に出力する。
【００２３】
蓄電池１５２は、送電装置１００から受電コイル１５４ａを介して供給される電力を蓄える。また、蓄電池１５２は、車輌１５０の走行時等に、車輌１５０の各構成（図示は省略する）に対して電力を供給する。
【００２４】
車輌側制御部１５３は、車輌側操作部１５１から入力された各種信号に基づいて、送電に伴う各種処理または送電停止に伴う各種処理を行うように制御する。
【００２５】
受電コイル１５４ａは、送電装置１００の送電コイル１０４ａから磁気共鳴等の電磁力を利用した送電を受ける。受電コイル１５４ａで受電した電力は、車輌側制御部１５３の制御に従って、蓄電池１５２に供給される。
【００２６】
車輌側通信部１５５は、受電のために必要な様々な情報を、送電側通信部１０１との間でやり取りする。例えば、車輌側通信部１５５は、本送電時に、車輌側制御部１５３から入力された受電電力情報を送電側通信部１０１に対して送信する。また、車輌側通信部１５５は、車輌側制御部１５３の制御に従って、充電を許可する受電可信号または充電を許可しない受電不可信号を生成し、生成した受電可信号または受電不可信号を送電側通信部１０１に対して送信する。ここで、受電不可信号は、蓄電池１５２が満充電の状態である場合等に送信される。
【００２７】
＜送電装置の構成＞
本発明の第１の実施の形態に係る送電装置１００の構成について説明する。
【００２８】
送電装置１００は、送電側通信部１０１と、記憶部１０２と、送電側制御部１０３と、送電コイル１０４ａと、中継コイル１０４ｂと、を有する。
【００２９】
送電側通信部１０１は、車輌側通信部１５５との間で送電に必要な様々な情報をやりとりする。例えば、送電側通信部１０１は、車輌側通信部１５５からの受電可信号または受電不可信号を受信する。送電側通信部１０１は、受信した受電可信号または受電不可信号を送電側制御部１０３に出力する。
【００３０】
送電側制御部１０３は、送電装置１００を制御して、送電に関する様々な制御を行う。例えば、送電側制御部１０３は、送電側操作部１６０から送電開始信号が入力された際に、予備送電を行うように送電装置１００を制御する。また、送電側制御部１０３は、送電側通信部１０１から受電可信号が入力された際に、本送電を開始するように送電装置１００を制御する。
【００３１】
送電側制御部１０３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、記憶部１０２に記憶された各種制御プログラム等に基づいて演算処理を実行することで各種制御を行う。なお、記憶部１０２は、送電側制御部１０３での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的あるいは永続的に記憶するメモリである。
【００３２】
また、送電側制御部１０３は、送電側操作部１６０より送電停止信号が入力された場合、または送電側通信部１０１より受電不可信号が入力された場合に、送電を開始させないかまたは送電を停止するように送電装置１００を制御する。
【００３３】
送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂは、例えば車輌１５０の駐車スペースの地上に設置される、あるいは地表付近の地中に埋設される。本第１の実施の形態において、中継コイル１０４ｂは、送電コイル１０４ａの外側に配置されたコイルである。送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂは、本実施の形態において、平面コイルであると想定されている。
【００３４】
送電コイル１０４ａは、車輌１５０の受電コイル１５４ａに対して電力を送電するためのコイルであり、中継コイル１０４ｂは、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの間の電力送信を中継するためのコイルである。
【００３５】
＜コイルの位置関係＞
以下、車輌１５０が有する受電コイル１５４ａと、送電装置１００が有する送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂの詳細について説明する。
【００３６】
送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂは、図１に示すように、駐車スペース等の地上あるいは地表付近の地中に設置される。このため、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの位置関係は不変である。しかし、車輌１５０は運転者の運転によって移動するため、受電コイル１５４ａの位置は車輌１５０が駐車スペースに駐車される度に変化することになる。
【００３７】
以下では、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合と、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からコイルの径方向、すなわち水平方向にずれている場合と、のそれぞれについて、各コイルの位置関係について説明する。
【００３８】
図２は、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の位置関係を示している。図２Ａは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂを真横から見た図である。一方、図２Ｂは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂを真上から見た図である。
【００３９】
なお、図２Ａにおいて、「×」印はコイルの断面を意味しており、すなわち、図２Ａは輪状に束ねられた各コイルの垂直方向の断面を示した図である。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、送電コイル１０４ａの外側に、送電コイル１０４ａよりも径が大きい中継コイル１０４ｂが配置されている。
【００４０】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に受電コイル１５４ａの中心の位置が位置している場合には、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離が、他の位置関係と比較して比較的近くなり、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数がほぼ最大となる。このため、送電コイル１０４ａは受電コイル１５４ａに対して、比較的効率のよい電力伝送を行うことができる。なお、結合係数とは、２つのコイル間の結合の度合いを示す無次元数である。結合係数の算出方法については本発明では限定しないが、結合係数は、一般に２つのコイル間の距離、および２つのコイルのサイズ比率等に基づいて決定される。
【００４１】
一方、図３は、受電コイル１５４ａが送電コイル１０４ａの直上からずれ量Ｇだけコイルの径方向、すなわち水平方向にずれた位置にある場合の位置関係を示している。図３Ａは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれ量Ｇだけ水平方向にずれた位置にある場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂを真横から見た図である。一方、図３Ｂは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれ量Ｇだけ水平方向にずれた位置にある場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂを真上から見た図である。
【００４２】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、送電コイル１０４ａの中心の位置の直上から水平方向にずれた位置に受電コイル１５４ａの中心の位置が位置している場合には、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離が離れてしまい、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数が小さくなる。このため、図２Ａおよび図２Ｂに示す場合（送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に受電コイル１５４ａの中心の位置が位置している場合）と比較して、送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへの電力伝送効率が低下してしまう。
【００４３】
しかし、図３Ａに示すように、送電コイル１０４ａの中心の位置の直上から水平方向にずれた位置に受電コイル１５４ａの中心の位置が位置している場合には、中継コイル１０４ｂの一部が送電コイル１０４ａよりも受電コイル１５４ａに近くなる。このような場合には、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂを介して受電コイル１５４ａに電力伝送が行われる。すなわち、中継コイル１０４ｂが、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの間の電力伝送を中継する。
【００４４】
図４Ａは、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ、および受電コイル１５４ａそれぞれの間の結合係数について説明するための図である。送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂは、実際には図１に示すように同一平面上に配置されているが、図４Ａにおいては、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ、および受電コイル１５４ａのそれぞれの間の結合係数を示すために、これらが輪状に配置された図となっている。
【００４５】
以下では、図４Ａに示すように、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数をｋ１ｒと記載し、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数をｋ１２と記載し、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数をｋ２ｒと記載する。ここで、本第１の実施の形態において、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数ｋ１２が本発明の第１の結合係数に、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数ｋ２ｒが本発明の第２の結合係数に、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数をｋ１ｒが本発明の第３の結合係数に、それぞれ対応している。
【００４６】
図４Ｂは、結合係数ｋ１ｒ、ｋ１２、およびｋ２ｒの大きさと、送電コイル１０４ａの中心の位置から見た受電コイル１５４ａの中心の位置までの距離であるずれ量Ｇに応じた結合係数の変化を示す図である。図４Ｂに示すように、結合係数はコイル間の距離に応じて変化し、一般に距離が遠くなるほど結合係数は小さくなる。図４Ｂにおいて、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの距離は不変であるため、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数ｋ１ｒはずれ量Ｇによって大きくは変化しない。
【００４７】
一方、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離、および中継コイル１０４ｂと受電コイル１５４ａとの距離は、ずれ量Ｇに応じて変化する。図４Ｂに示す例では、ずれ量Ｇ１までは送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数ｋ１２の方が、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数ｋ２ｒよりも大きくなっている。そして、ずれ量Ｇ１からずれ量ＧＬまでは、ｋ２ｒの方がｋ１２よりも大きくなっている。換言すれば、ずれ量Ｇが０からＧＬまで変化する場合に、ｋ１２と、ｋ２ｒのいずれも他方より大きくなる範囲が存在し、ずれ量Ｇ１においてその範囲が切り替わる。
【００４８】
なお、図４Ｂにおいて、ずれ量ＧＬはずれ量の最大値（限度値）であり、本発明の所定のずれ量に対応している。ずれ量ＧＬは、これ以上ずれ量が大きくなると、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂへと好適に電力伝送を行うことができなくなる量であり、例えば実験的に求めて設定すればよい。
【００４９】
以上説明したように、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合には、中継コイル１０４ｂによる中継なしで、送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへの送電が行われる。一方、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれている場合には、送電コイル１０４ａから送電される電力が、中継コイル１０４ｂを介して受電コイル１５４ａに送電される。なお、以下では、中継コイル１０４ｂによる中継なしで、送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへ行われる送電ルートを第１送電ルート、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂを介して受電コイル１５４ａへ行われる送電ルートを第２送電ルートと称する。
【００５０】
第１送電ルートと第２送電ルートのいずれによって送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへの送電が行われるかは、単に送電コイル１０４ａの直上から受電コイル１５４ａがずれているか否かによって決定される。ただし、送電コイル１０４ａの直上から見た受電コイル１５４ａのずれ量Ｇが小さい場合には、中継コイル１０４ｂによる中継を受けずに電力の送電を行った方が送電効率が高くなる場合もある。これは、ずれ量が小さい場合、送電コイル１０４ａと、中継コイル１０４ｂおよび受電コイル１５４ａの両方とを共振させると、結合が高い中継コイル１０４ｂにおいてエネルギーが消費されてしまう可能性があるからである。
【００５１】
従って、ずれ量Ｇが所定のずれ量Ｇ１以下である場合には、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂによる中継を経た送電が行われないようにすることが望ましい。これを実現するために、例えば、中継コイル１０４ｂを、その共振周波数が予め以下説明する値ｆｒとなるようなコイルによって構成する。これにより、送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへの伝送インピーダンスを好適に制御することができるようになる。
【００５２】
＜中継コイル１０４ｂの共振周波数算出方法＞
以下では、好適な中継コイル１０４ｂの共振周波数ｆｒの算出方法について説明する。図５は、中継コイル１０４ｂの共振周波数を算出するための等価回路である。図５には、中継コイル１０４ｂの共振周波数を算出するためのパラメータが示されている。図５に示すように、本発明では、中継コイル１０４ｂの共振周波数を算出するためのパラメータとして、送電コイル１０４ａのインダクタンスＬ１、送電コイル１０４ａに接続されるキャパシタの静電容量Ｃ１、中継コイル１０４ｂのインダクタンスＬｒ、中継コイル１０４ｂに接続されるキャパシタの静電容量Ｃｒ、受電コイル１５４ａのインダクタンスＬ２、受電コイル１５４ａに接続される負荷抵抗の抵抗値ＲＬ、受電コイル１５４ａに接続されるキャパシタの静電容量Ｃ２が使用される。
【００５３】
まず、図５に示す簡易等価回路を用いて、各コイル電流を算出する。ここで、コイルの銅損を考慮した送電効率（電力伝送効率）ηを以下の式（１）を用いて算出する。送電効率ηは、送受電システム１０における電力伝送の効率を表すパラメータである。
【数１】
2017130996.tif 000003
【００５４】
なお、式（１）において、Ｉ１は送電コイル１０４ａのコイル電流、Ｉ２は受電コイル１５４ａのコイル電流、Ｉｒは中継コイル１０４ｂのコイル電流である。
【００５５】
上記した式（１）は中継コイル１０４ｂの共振周波数ｆｒを含む関数である。送電効率ηが最大となる中継コイル１０４ｂの最適共振周波数ｆｒｉｄｅａｌは、以下の式（２）のように求められる。ただし、式（２）は駆動周波数ｆと受信側の共振周波数とが等しいという条件で導出されたものである。
【数２】
2017130996.tif 000004
【００５６】
ここで、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとは同一平面上に配置されており、また送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの距離は送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離、および受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの距離より大きい（図１参照）ことから、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数ｋ１ｒは、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数ｋ１２、および受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの結合係数ｋ２ｒよりも大きい。このため、式（２）のルート内の波括弧において、前２項は３項目に比べて非常に小さくなり、近似的には無視できる。このため、式（２）は以下の式（３）に近似することができる。
【数３】
2017130996.tif 000005
【００５７】
以上のように送電効率ηが最大となる中継コイル１０４ｂの最適共振周波数ｆｒｉｄｅａｌを算出することができる。しかしながら、車輌１５０の駐車位置によって、換言すれば送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からの受電コイル１５４ａの中心の位置のずれ量Ｇによって、結合係数ｋ１２およびｋ２ｒは変化する。また、車輌に積載された荷物の重量等によって、車輌の高さが変化し、その影響で送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離が変化し、それによって結合係数が変化する場合もある。このような結合係数の変化に対応するため、中継コイル１０４ｂの共振周波数ｆｒは１つの最適な値である共振周波数ｆｒｉｄｅａｌに設定するのではなく、以下の式（４）の範囲に設定することが望ましい。
【数４】
2017130996.tif 000006
【００５８】
ここで、ｋ１２ｍａｘは、ｋ１２の最大値であり、図４Ｂに示すように、ずれ量が最小（０）である場合におけるｋ１２の値である。また、ｋ２ｒｍｉｎは、図４Ｂに示すようなずれ量が最小（０）から最大（ずれ量ＧＬ）の範囲内における最小値である。
【００５９】
また、式（４）において、ｆｍｉｎは送電コイル１０４ａの駆動周波数の最小値であり、ｆｍａｘは送電コイル１０４ａの駆動周波数の最大値である。このようなパラメータを用いることにより、数式（４）に示す範囲内に中継コイル１０４ｂの好適な共振周波数が確実に含まれる。
【００６０】
中継コイル１０４ｂの共振周波数をこのような範囲内とすることにより、以下のような選択的な送電が制御の必要なく行われるようになる。すなわち、送電コイル１０４ａの中心の位置と受電コイル１５４ａの中心の位置とのずれ量ＧがＧ１以下である場合には、図４Ｂに示すように、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの間の結合係数であるｋ１２の方が、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂとの間の結合係数であるｋ２ｒよりも大きいため、中継コイル１０４ｂを中継せずに、送電コイル１０４ａから受電コイル１５４ａへと直接送電される。一方、ずれ量ＧがＧ１より大きい場合には、図４Ｂに示すように、ｋ１２よりｋ２ｒの方が大きくなるので、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂを中継した受電コイル１５４ａへ送電される。
【００６１】
図６は、第１の実施の形態に係る送受電システム１０の効果について説明するための図である。図６では、中継コイル１０４ｂがある場合とない場合の送電効率を、ずれ量Ｇの関数として示している。図６において、横軸はずれ量、縦軸は送電効率をそれぞれ示している。また、図６において、例えば、ずれ量「Ｘ＝５０ｍｍ，Ｙ＝５０ｍｍ」はずれ量Ｇ１の一例であり、ずれ量「Ｘ＝１００ｍｍ，Ｙ＝１００ｍｍ」はずれ量ＧＬの一例である。なお、Ｘ方向とは送受電システム１０における前後方向を、Ｙ方向は左右方向を、それぞれ意味している。
【００６２】
図６に示すように、ずれ量Ｇ１以下では中継コイル１０４ｂがある場合とそうでない場合との送電効率はほぼ同じである。これは、上記説明したように、中継コイル１０４ｂがある場合でも、ずれ量Ｇ１以下では中継コイル１０４ｂによる中継がない送電ルート（第１送電ルート）を介した送電が行われるからである。
【００６３】
一方、ずれ量がＧ１より大きい場合、中継コイル１０４ｂがない場合よりある場合の方が送電効率が高くなっている。これは、上記説明したように、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂを中継して送電コイル１０４ａに送電される第２送電ルートを介した送電の方が第１送電ルートよりも伝送インピーダンスが小さくなり、第２送電ルートによる送電が行われるので、効率の低下を抑えることができるからである。
【００６４】
このように、第１の実施の形態に係る送受電システム１０によれば、送電コイル１０４ａの中心の位置と受電コイル１５４ａの中心の位置とのずれ量Ｇが０からＧＬ（所定のずれ量）の間であるとき、どのようなずれ量であっても、送電効率を向上させることができるようになる。
【００６５】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態において、受電装置の受電コイルに対して、磁気共鳴も含めた電磁力を利用する送電を行う送電コイルと、送電コイルから受電コイルへの送電を中継する中継コイルと、を有し、送電コイルの中心位置から受電コイルの中心位置までのずれ量が０から所定のずれ量までの間である時、送電コイルと受電コイルとの結合係数である第１の結合係数と、受電コイルと中継コイルとの結合係数である第２の結合係数とのうち、第１の結合係数が第２の結合係数より大きくなる範囲と、第２の結合係数が第１の結合係数より大きくなる範囲と、の両方が存在し、中継コイルの共振周波数は、送電コイルの駆動周波数の最小値よりも大きい。
【００６６】
このような構成により、本発明の第１の実施の形態に係る送受電システム１０において、送電コイル１０４ａの中心の位置と受電コイル１５４ａの中心の位置とのずれ量Ｇが０からＧＬ（所定のずれ量）であるとき、どのようなずれ量であっても、送電効率を向上させることができる。
【００６７】
なお、上述した第１の実施の形態において、送電コイル１０４ａより中継コイル１０４ｂの方が大きく、中継コイル１０４ｂを送電コイル１０４ａの外側に配置するように説明したが、送電コイル１０４ａと中継コイル１０４ｂの大きさについては本発明では特に限定しない。送電コイル１０４ａの大きさを従来の送受電システムにおける送電コイルの大きさと同じ大きさとし、その外側により大きい中継コイル１０４ｂを配置してもよいし、中継コイル１０４ｂの大きさを従来の送電コイルの大きさと同じ大きさとし、その内側の送電コイル１０４ａの大きさを従来の送電コイルより小さくしてもよい。前者の場合には、ずれ量Ｇが比較的大きい場合にも中継コイル１０４ｂによる中継が可能となる。後者の場合には、従来と同様の筐体にコイルを収めることができるので、製作コストを抑えることができる。
【００６８】
また、上述した第１の実施の形態において、中継コイル１０４ｂの共振周波数ｆｒは式（４）の範囲内に設定するとしたが、例えば中継コイル１０４ｂの共振周波数を式（４）の範囲内で可変としてもよい。この場合、中継コイル１０４ｂの共振周波数を制御するための例えば共振周波数制御部をさらに設け、ずれ量Ｇ等に基づいて中継コイル１０４ｂの共振周波数を好適に制御するようにすればよい。
【００６９】
［第２の実施の形態］
以下では、本発明の第２の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る送受電システム１０’の構成を示す図である。図７に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る送受電システム１０’は、送電コイル１０４ａの内側に中継コイル１０４ｂ’が配置されている点を除いて、上記説明した第１の実施の形態に係る送受電システム１０と同様である。
【００７０】
図８は、送電コイル１０４ａと、受電コイル１５４ａと、中継コイル１０４ｂ’の位置関係を示す図である。図８Ａは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ’を真横から見た図である。一方、図８Ｂは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ’を真上から見た図である。図８Ａおよび図Ｂに示すように、送電コイル１０４ａの内側に、送電コイル１０４ａよりも径が小さい中継コイル１０４ｂ’が配置されている。
【００７１】
図８Ａおよび図８Ｂに例示するように、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置のほぼ直上に位置している場合、換言すれば、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離よりも、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂ’との距離の方が近い場合には、送電コイル１０４ａから直接受電コイル１５４ａに電力伝送を行うよりも、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂ’を中継して受電コイル１５４ａに電力伝送を行う方が送電効率を向上させることができる。
【００７２】
一方、図９は、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれている場合の位置関係を示している。図９Ａは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれ量Ｇ’だけずれた位置にある場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ’を真横から見た図である。一方、図９Ｂは、受電コイル１５４ａの中心の位置が送電コイル１０４ａの中心の位置の直上からずれ量Ｇ’だけずれた位置にある場合の受電コイル１５４ａ、送電コイル１０４ａ、中継コイル１０４ｂ’を真上から見た図である。
【００７３】
図９Ａおよび図９Ｂに例示するように、中継コイル１０４ｂ’と受電コイル１５４ａとの距離よりも、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離の方が近い場合には、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂ’を中継して受電コイル１５４ａに電力伝送を行う場合と、送電コイル１０４ａから直接受電コイル１５４ａに電力伝送を行う場合との送電効率がほぼ同じ、あるいは中継コイル１０４ｂ’を中継しない方が送電効率を向上させることができる。
【００７４】
図１０は、第２の実施の形態に係る送受電システム１０’における、結合係数ｋ１ｒ、ｋ１２、およびｋ２ｒの大きさと、送電コイル１０４ａから見た受電コイル１５４ａのずれ量Ｇ’に応じた結合係数の変化を示す図である。上述したように、結合係数はコイル間の距離に応じて変化し、一般に距離が遠くなるほど結合係数は小さくなる。図１０において、送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂ’との距離は不変であるため、送電コイル１０４ａおよび中継コイル１０４ｂ’との結合係数ｋ１ｒはずれ量Ｇ’によって大きくは変化しない。一方、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離、および中継コイル１０４ｂ’と受電コイル１５４ａとの距離は、ずれ量Ｇ’に応じて変化する。図１０に示す例では、ずれ量Ｇ１’までは送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの結合係数ｋ１２の方が、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂ’との結合係数ｋ２ｒよりも大きくなっている。なお、図１０に示すずれ量Ｇ１’とは、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離と、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂ’とが等しくなるずれ量である。なお、図１０において、ずれ量ＧＬ’はずれ量の最大値（限度値）であり、本発明の所定のずれ量に対応している。
【００７５】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態において、中継コイル１０４ｂ’は、送電コイル１０４ａより内側に配置される。このような構成により、送電コイル１０４ａの中心の位置から受電コイル１５４ａの中心の位置までのずれ量Ｇ’がずれ量Ｇ１’より小さい場合には、送電コイル１０４ａと受電コイル１５４ａとの距離よりも、受電コイル１５４ａと中継コイル１０４ｂ’との距離の方が近くなり、送電コイル１０４ａから直接受電コイル１５４ａに電力伝送を行うよりも、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂ’を中継して受電コイル１５４ａに電力伝送を行う方が送電効率を向上させることができる。
【００７６】
また、ずれ量Ｇ’がＧ１’より大きい場合には、送電コイル１０４ａから中継コイル１０４ｂ’を中継して受電コイル１５４ａに電力伝送を行う場合と、送電コイル１０４ａから直接受電コイル１５４ａに電力伝送を行う場合との送電効率がほぼ同じ、あるいは中継コイル１０４ｂ’を中継しない方が送電効率を向上させることができる。
【００７７】
このように、第２の実施の形態に係る送受電システム１０’によれば、ずれ量Ｇ’が０から所定のずれ量ＧＬ’までの間であるとき、どのようなずれ量であっても、送電効率を向上させることができるようになる。
【００７８】
［本発明の変形例］
上述した実施の形態では、送電コイル１０４ａ側に中継コイル１０４ｂあるいは１０４ｂ’を設ける例について説明した。本発明の変形例として、例えば車輌１５０が有する受電コイル１５４ａ側に中継コイルを設けるようにしてもよい。
【００７９】
また、上述した実施の形態では、磁気共鳴方式を利用した非接触の送受電システムについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば電磁誘導方式等、他の方式の送受電システムでも、ＬＣ共振を利用したシステムに対しては適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、例えば受電コイルを有する車輌に送電する送電装置および送受電システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０，１０’  送受電システム
１００  送電装置
１０１  送電側通信部
１０３  送電側制御部
１０４ａ  送電コイル
１０４ｂ，１０４ｂ’  中継コイル
１５０  車輌
１５１  車輌側操作部
１５２  蓄電池
１５３  車輌側制御部
１５４ａ  受電コイル
１５５  車輌側通信部
１６０  送電側操作部
【図１】
2017130996.tif 000010
【図２】
2017130996.tif 000011
【図３】
2017130996.tif 000012
【図４】
2017130996.tif 000013
【図５】
2017130996.tif 000014
【図６】
2017130996.tif 000015
【図７】
2017130996.tif 000016
【図８】
2017130996.tif 000017
【図９】
2017130996.tif 000018
【図１０】
2017130996.tif 000019