JP2011147213A - 電力伝送システムおよび車両用給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電による電力伝送における漏洩電磁界を低減可能な電力伝送システム、およびそれを用いた車両用給電装置を提供する。
【解決手段】電力伝送システムは、高周波電源を構成する交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０と、一次自己共振コイル２４０と、二次自己共振コイル１１０とを含む。二次自己共振コイル１１０は、磁場の共鳴によって一次自己共振コイル２４０と磁気的に結合されることにより、一次自己共振コイル２４０から高周波電力を受ける。一次自己共振コイル２４０から二次自己共振コイル１１０への高周波電力の伝送時に、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０のコイルが偶モードで共鳴する。すなわち一次自己共振コイル２４０と、二次自己共振コイル１１０に互いに逆向きの電流が流れる状態でそれら２つのコイルが共鳴する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力伝送システムおよびそれを用いた車両用給電装置に関し、特に共鳴法による非接触給電に関する。

近年、電源コードや送電ケーブルを用いずに電力を供給する非接触給電が注目されている。非接触給電の有力な方式として、電磁誘導を用いた給電、電波を用いた給電、および電磁場の共鳴を利用して給電する共鳴法が知られている。

電磁誘導を利用した給電システムは、たとえば特開２００２−２７２１３４号公報（特許文献１）、特開平７−３３７０３５号（特許文献２）、特開平８−１７５２３２号公報（特許文献３）、特開２００３−２５０２３３号公報（特許文献４）、および特開平１１−２２５４０１号公報（特許文献５）等に開示される。一方、共鳴法を用いた給電システムは、たとえば特開２００９−１０６１３６号公報（特許文献６）に開示される。

特許文献６では、蓄電装置を備える電動車両、およびその蓄電装置に電力を供給するための車両給電装置が開示される。車両用給電装置は、高周波電力ドライバと、一次コイルと、一次自己共振コイルとを備え、車両は二次自己共振コイルを備える。高周波電力ドライバは、電源から受ける電力を高周波電力へと変換する。一次コイルは電力ドライバから高周波電力を受ける。一次自己共振コイルは磁場の共鳴によって二次自己共振コイルと磁気的に結合される。そして一次自己共振コイルは一次コイルから受けた高周波電力を二次自己共振コイルへ送電する。二次自己共振コイルが受けた電力は、車両に搭載された二次コイルおよび整流器を通じて蓄電装置に供給される。

特開２００２−２７２１３４号公報 特開平７−３３７０３５号 特開平８−１７５２３２号公報 特開２００３−２５０２３３号公報 特開平１１−２２５４０１号公報 特開２００９−１０６１３６号公報

非接触給電においては漏洩電磁界をできるだけ小さくすることが望まれる。しかしながら上記の特許文献１〜特許文献５に開示された電磁誘導方式の場合、漏洩電磁界を低減するにはユニットのサイズを大きくする必要がある。一方、特許文献６には、漏洩電磁界を低減させるために、一次自己共振コイルから生じる磁束を反射させるための反射壁を設けることが説明されている。しかし給電装置を構成する部品の数が増えることによりコストが上昇する。また給電装置の大型化を招くことも考えられる。これらの点から、非接触給電において漏洩電磁界を低減させるための方法については、さらなる検討が必要となる。

この発明は上述の課題を解決するためのものであって、その目的は、非接触給電による電力伝送における漏洩電磁界を低減可能な電力伝送システム、およびそれを用いた車両用給電装置を提供することである。

この発明のある局面に係る電力伝送システムは、高周波電力を発生させる高周波電源と、高周波電源により発生された高周波電力を受ける第１のコイルと、磁場の共鳴によって第１のコイルと磁気的に結合されることにより、第１のコイルから高周波電力を受ける第２のコイルとを備える。第１のコイルから第２のコイルへの高周波電力の伝送時に、第１および第２のコイルに互いに逆向きの電流が流れる状態で第１および第２のコイルが共鳴するように、高周波電力の周波数と、第１および第２のコイルに関するパラメータとが選ばれる。

好ましくは、電力伝送システムは、第１のコイルに流れる第１の電流の向きを検出可能に構成された第１の電流センサと、第２のコイルに流れる第２の電流の向きを検出可能に構成された第２の電流センサと、制御装置とをさらに備える。制御装置は、第１の電流センサによって検出された第１の電流の向きと、第２の電流センサによって検出された第２の電流の向きとが互いに逆となるように、高周波電力の周波数およびパラメータの少なくとも一方を変化させる。

好ましくは、第１および第２のコイルのうちの少なくとも１つのコイルは、その容量値を変更可能に構成される。パラメータは、少なくとも１つのコイルの容量値を含む。制御装置は、容量値を変更する。

好ましくは、高周波電源は、高周波電力の周波数を変更可能に構成される。制御装置は、高周波電力の周波数が変化するように、高周波電源を制御する。

この発明の他の局面に係る車両用給電装置は、車両に搭載された蓄電装置に電力を供給するための車両用給電装置であって、上記のいずれかに記載の電力伝送システムを備える。

この発明によれば、非接触給電による電力伝送を行なう給電装置において、大型化を回避しつつ漏洩電磁界を低減できる。

この発明の実施の形態による電力伝送システムを含む充電システムの基本的な構成を示した図である。 共鳴法による送電の原理を説明するための図である。 図１に示した電動車両１００のパワートレーンの全体構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態に係る電力伝送システムの解析モデルを説明するための図である。 図４に示したポート１から見た入力インピーダンスＺ_ｉｎの実部と虚部とを示す図である。 入力ポートと出力ポートとに流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の周波数特性を示した図である。 奇モードおよび偶モードにおける電気ダイポールを説明するための図である。 送受信アンテナを貫く磁束の向きと共鳴モードとの関係を説明するための図である。 電力伝送効率の周波数特性を示した図である。 奇モードおよび偶モードにおける利得を示した図である。 図４に示した電力伝送システムの送信側および受信側のヘリカル構造の等価回路モデルを説明するための図である。 容量値が可変である二次自己共振コイルの１つの構成例を示した図である。 容量値が可変である二次自己共振コイルの別の構成例を示した図である。 一次自己共振コイルの容量値を変化させる構成の例を説明した図である。 高周波電力の周波数を変化させる構成の例を説明した図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による電力伝送システムを含む充電システムの基本的な構成を示した図である。図１を参照して、この充電システムは、電動車両１００と、給電装置２００とを備える。

電動車両１００は、二次自己共振コイル１１０と、二次コイル１２０と、整流器１３０と、蓄電装置１４０とを含む。また、電動車両１００は、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する。）１５０と、モータ１６０と、電流センサ１８２と、通信装置１９０とをさらに含む。

二次自己共振コイル１１０は、車体下部に配設される。この二次自己共振コイル１１０は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０（後述）と磁場の共鳴により磁気的に結合され、一次自己共振コイル２４０から電力を受電可能に構成される。

具体的には、二次自己共振コイル１１０は、蓄電装置１４０の電圧や、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の距離、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴強度を示すＱ値およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

二次コイル１２０は、電磁誘導によって二次自己共振コイル１１０から受電可能に構成され、好ましくは二次自己共振コイル１１０と同軸上に配設される。そして、二次コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０から受電した電力を整流器１３０へ出力する。整流器１３０は、二次コイル１２０から受ける高周波の交流電力を整流して蓄電装置１４０へ出力する。なお、整流器１３０に代えて、二次コイル１２０から受ける高周波の交流電力を蓄電装置１４０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。

蓄電装置１４０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成る。蓄電装置１４０の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。蓄電装置１４０は、整流器１３０から供給される電力を蓄えるほか、後述のようにモータ１６０によって発電された電力も蓄える。そして、蓄電装置１４０は、その蓄えた電力をＰＣＵ１５０へ供給する。

なお、蓄電装置１４０として、大容量のキャパシタも採用可能であり、整流器１３０やモータ１６０からの電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をＰＣＵ１５０へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

ＰＣＵ１５０は、蓄電装置１４０から供給される電力を交流電圧に変換してモータ１６０へ出力し、モータ１６０を駆動する。また、ＰＣＵ１５０は、モータ１６０により発電された電力を整流して蓄電装置１４０へ出力し、蓄電装置１４０を充電する。

モータ１６０は、ＰＣＵ１５０を介して蓄電装置１４０から供給される電力を受けて車両駆動力を発生し、その発生した駆動力を車輪へ出力する。また、モータ１６０は、車輪や図示されないエンジンから受ける運動エネルギーを受けて発電し、その発電した電力をＰＣＵ１５０へ出力する。

電流センサ１８２は、二次自己共振コイル１１０に流れる電流の向きおよび大きさを検出する。たとえば、二次自己共振コイル１１０にある一方の向きに電流が流れる場合、電流センサ１８２はその電流の値を正の値として出力する。一方、二次自己共振コイル１１０に上記の向きと逆向きの電流が流れる場合、電流センサ１８２はその電流の値を負の値として出力する。

通信装置１９０は、給電装置２００に設けられる通信装置２５０と無線通信を行なうための通信インターフェースである。

一方、給電装置２００は、交流電源２１０と、高周波電力ドライバ２２０と、一次コイル２３０と、一次自己共振コイル２４０と、電流センサ２４２と、通信装置２５０とを含む。

交流電源２１０は、車両外部の電源であり、たとえば系統電源である。高周波電力ドライバ２２０は、交流電源２１０から受ける電力を、磁場を共鳴させて一次自己共振コイル２４０から車両側の二次自己共振コイル１１０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２３０へ供給する。交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０は、高周波電力を発生させる高周波電源として機能する。

一次コイル２３０は、電磁誘導によって一次自己共振コイル２４０へ送電可能に構成され、好ましくは一次自己共振コイル２４０と同軸上に配設される。そして、一次コイル２３０は、高周波電力ドライバ２２０から受電した電力を一次自己共振コイル２４０へ出力する。

一次自己共振コイル２４０は、地面近傍に配設される。この一次自己共振コイル２４０は、両端がオープンのＬＣ共振コイルであり、電動車両１００の二次自己共振コイル１１０と磁場の共鳴により磁気的に結合され、二次自己共振コイル１１０へ電力を送電可能に構成される。具体的には、一次自己共振コイル２４０は、一次自己共振コイル２４０から送電される電力によって充電される蓄電装置１４０の電圧や、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の距離、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値および結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

電流センサ２４２は、一次自己共振コイル２４０に流れる電流の向きおよび大きさを検出する。一次自己共振コイル２４０に流れる電流の向きが二次自己共振コイル１１０に流れる電流の向きと同じである場合、電流センサ２４２から出力される電流値の符号が電流センサ１８２の電流値の符号と一致する。一次自己共振コイル２４０に流れる電流の向きが二次自己共振コイル１１０に流れる電流の向きと逆向きである場合には、電流センサ２４２から出力される電流値の符号と電流センサ１８２の電流値の符号とは互いに逆の関係となる。

通信装置２５０は、電動車両１００に設けられる通信装置１９０と無線通信を行なうための通信インターフェースである。通信装置１９０は、電流センサ１８２の検出値を通信装置２５０に送信する。一方、通信装置２５０は、電流センサ２４２の検出値を通信装置１９０に送信する。これにより、電動車両１００および給電装置２００の両方が、電流センサ１８２および電流センサ２４２の各々の検出値を把握することができる。

図２は、共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図２を参照して、この共鳴法は、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（非接触）で電力が伝送される。

高周波電源３１０によって一次コイル３２０に高周波電力が流されると、一次コイル３２０に磁界が発生し、電磁誘導により一次自己共振コイル３３０に高周波電力が発生する。一次自己共振コイル３３０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、一次自己共振コイル３３０と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル３４０と磁場共鳴により磁気的に結合することによって、二次自己共振コイル３４０へ電力を伝送する。

そして、一次自己共振コイル３３０からの受電により二次自己共振コイル３４０に発生する磁界によって二次コイル３５０には電磁誘導による高周波電力が発生し、負荷３６０に電力が供給される。

なお、図１との対応関係について説明すると、図１の交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０は、図２の高周波電源３１０に相当する。また、図１の一次コイル２３０および一次自己共振コイル２４０は、それぞれ図２の一次コイル３２０および一次自己共振コイル３３０に相当し、図１の二次自己共振コイル１１０および二次コイル１２０は、それぞれ図２の二次自己共振コイル３４０および二次コイル３５０に相当する。そして、図１の整流器１３０および蓄電装置１４０は、図２の負荷３６０に相当する。

図３は、図１に示した電動車両１００のパワートレーンの全体構成を示す機能ブロック図である。図３を参照して、電動車両１００は、蓄電装置１４０と、システムメインリレーＳＭＲ１と、昇圧コンバータ１５２と、インバータ１５４，１５６と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と、モータジェネレータ１６２，１６４と、エンジン１７０と、動力分割機構１７２と、駆動輪１７４と、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８０とを含む。また、電動車両１００は、二次自己共振コイル１１０と、二次コイル１２０と、整流器１３０と、システムメインリレーＳＭＲ２とをさらに含む。

この電動車両１００は、動力源としてエンジン１７０およびモータジェネレータ１６４を搭載したハイブリッド車両である。エンジン１７０およびモータジェネレータ１６２，１６４は、動力分割機構１７２に連結される。そして、電動車両１００は、エンジン１７０およびモータジェネレータ１６４の少なくとも一方が発生する駆動力によって走行する。エンジン１７０が発生する動力は、動力分割機構１７２によって２経路に分割される。すなわち、一方は駆動輪１７４へ伝達される経路であり、もう一方はモータジェネレータ１６２へ伝達される経路である。

モータジェネレータ１６２は、交流回転電機であり、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ１６２は、動力分割機構１７２によって分割されたエンジン１７０の運動エネルギーを用いて発電する。たとえば、蓄電装置１４０の充電状態（以下「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称する。）が予め定められた値よりも低くなると、エンジン１７０が始動してモータジェネレータ１６２により発電が行なわれ、蓄電装置１４０が充電される。

モータジェネレータ１６４も、交流回転電機であり、モータジェネレータ１６２と同様に、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ１６４は、蓄電装置１４０に蓄えられた電力およびモータジェネレータ１６２により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。そして、モータジェネレータ１６４の駆動力は駆動輪１７４に伝達される。

また、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、運動エネルギーや位置エネルギーとして車両に蓄えられた力学的エネルギーが駆動輪１７４を介してモータジェネレータ１６４の回転駆動に用いられ、モータジェネレータ１６４が発電機として作動する。これにより、モータジェネレータ１６４は、走行エネルギーを電力に変換して制動力を発生する回生ブレーキとして作動する。そして、モータジェネレータ１６４により発電された電力は、蓄電装置１４０に蓄えられる。なお、モータジェネレータ１６２，１６４は、図１におけるモータ１６０に相当する。

動力分割機構１７２は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から成る。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン１７０のクランクシャフトに連結される。サンギヤは、モータジェネレータ１６２の回転軸に連結される。リングギヤはモータジェネレータ１６４の回転軸および駆動輪１７４に連結される。

システムメインリレーＳＭＲ１は、蓄電装置１４０と昇圧コンバータ１５２との間に配設される。システムメインリレーＳＭＲ１は、車両ＥＣＵ１８０からの信号ＳＥ１が活性化されると、蓄電装置１４０を昇圧コンバータ１５２と電気的に接続し、信号ＳＥ１が非活性化されると、蓄電装置１４０と昇圧コンバータ１５２との間の電路を遮断する。

昇圧コンバータ１５２は、車両ＥＣＵ１８０からの信号ＰＷＣに基づいて、蓄電装置１４０から出力される電圧を昇圧して正極線ＰＬ２へ出力する。なお、この昇圧コンバータ１５２は、たとえば直流チョッパ回路から成る。

インバータ１５４，１５６は、それぞれモータジェネレータ１６２，１６４に対応して設けられる。インバータ１５４は、車両ＥＣＵ１８０からの信号ＰＷＩ１に基づいてモータジェネレータ１６２を駆動し、インバータ１５６は、車両ＥＣＵ１８０からの信号ＰＷＩ２に基づいてモータジェネレータ１６４を駆動する。なお、インバータ１５４，１５６は、たとえば三相ブリッジ回路から成る。なお、昇圧コンバータ１５２およびインバータ１５４，１５６は、図１におけるＰＣＵ１５０に相当する。

二次自己共振コイル１１０、二次コイル１２０および整流器１３０は、図１で説明したとおりである。システムメインリレーＳＭＲ２は、整流器１３０と蓄電装置１４０との間に配設される。システムメインリレーＳＭＲ２は、車両ＥＣＵ１８０からの信号ＳＥ２が活性化されると、蓄電装置１４０を整流器１３０と電気的に接続し、信号ＳＥ２が非活性化されると、蓄電装置１４０と整流器１３０との間の電路を遮断する。

車両ＥＣＵ１８０は、アクセル開度や車両速度、その他各センサからの信号に基づいて、昇圧コンバータ１５２およびモータジェネレータ１６２，１６４をそれぞれ駆動するための信号ＰＷＣ，ＰＷＩ１，ＰＷＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＣ，ＰＷＩ１，ＰＷＩ２をそれぞれ昇圧コンバータ１５２およびインバータ１５４，１５６へ出力する。

また、車両ＥＣＵ１８０は、車両の走行時、信号ＳＥ１を活性化してシステムメインリレーＳＭＲ１をオンさせるとともに、信号ＳＥ２を非活性化してシステムメインリレーＳＭＲ２をオフさせる。

一方、二次自己共振コイル１１０、二次コイル１２０および整流器１３０を用いて車両外部の交流電源２１０（図１）から蓄電装置１４０の充電時、車両ＥＣＵ１８０は、信号ＳＥ１を非活性化してシステムメインリレーＳＭＲ１をオフさせるとともに、信号ＳＥ２を活性化してシステムメインリレーＳＭＲ２をオンさせる。

通信装置１９０は、電流センサ２４２により検出された電流値（一次自己共振コイル２４０に流れる電流Ｉａの値）を受けて、その検出値（Ｉａ）を車両ＥＣＵ１８０に送信する。通信装置１９０は、電流センサ１８２により検出された電流値（二次自己共振コイル１１０に流れる電流Ｉｂの値）を受けて、その検出値（電流Ｉｂ）を車両ＥＣＵ１８０および給電装置２００の通信装置２５０に送信する。

この電動車両１００においては、車両外部の交流電源２１０（図１）から蓄電装置１４０の充電時、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２がそれぞれオフ，オンされる。そして、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０（図１）と磁場の共鳴により磁気的に結合された二次自己共振コイル１１０によって受電された高周波の充電電力が電磁誘導によって二次コイル１２０へ伝送され、整流器１３０により整流されて蓄電装置１４０へ供給される。

この発明の実施の形態に係る電力伝送システムは、少なくとも高周波電源を構成する交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０と、一次自己共振コイル２４０と、二次自己共振コイル１１０とを含む。より好ましくは、電力伝送システムは、さらに、電流センサ２４２と、電流センサ１８２と、車両ＥＣＵ１８０とを含む。さらに好ましくは、電力伝送システムは、一次コイル２３０および二次コイル１２０を含む。また、この発明の実施の形態に係る車両用給電装置は、上記の電力伝送システムを含み、電動車両１００に設けられた蓄電装置１４０に電力を供給する。

この発明の実施の形態では、一次自己共振コイル２４０から二次自己共振コイル１１０への高周波電力の伝送時には、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０に、互いに逆向きの電流が流れる状態で一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０のコイルが共鳴する。これにより、漏洩電磁界（以下の説明では「遠方界放射」と呼ぶこともある）を低減することができる。一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０のコイルが上記の状態で共鳴するために、高周波電力の周波数およびコイル（一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の少なくとも一方のコイル）のパラメータが選ばれる。

漏洩電磁界が低減することによって漏洩電磁界を遮蔽するための構造を簡素化できるので、給電装置の大型化を防ぐことができる。さらに、漏洩電磁界を遮蔽するための部材（反射壁など）に要するコストを低減させることができる。従って本実施の形態によれば大型化を回避しつつ漏洩電磁界を低減可能な電力伝送システムを実現できる。

次に、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴モードについてより詳しく説明する。

＜共鳴モード＞
１．解析モデル
図４は、この発明の実施の形態に係る電力伝送システムの解析モデルを説明するための図である。図４（Ａ）は解析モデルを示し、図４（Ｂ）は、解析モデル中の構造パラメータの具体的な値を例示する。なお、図４（Ｂ）に示したパラメータの値によってこの発明が限定されるものではない。

図４を参照して、送信側および受信側ともに１個のループ構造と１個のヘリカル構造により構成される。図４（Ａ）と図１との対応関係が分かりやすくなるように、図４（Ａ）では送信側のループ構造およびヘリカル構造にそれぞれ符号２３０，２４０が付され、受信側のループ構造およびヘリカル構造にそれぞれ符号１２０，１１０が付されている。

ループ構造は端子を有し、この端子から送信側では電力を供給し、受信側では電力を取り出す。ループ構造は使用周波数帯において波長に対して十分小さいので微小ループとみなすことができ、それ自身は鋭い周波数特性を持たない。ループ構造とヘリカル構造とは電気的に絶縁されており、電磁誘導により電力をやり取りする。ヘリカル構造は両方が開放端となっており、ヘリカルによるインダクタンスと巻線間のキャパシタンスにより共鳴周波数が決定される。２つのヘリカル構造の間では電磁共鳴現象により電力がやり取りされる。

図４（Ｂ）に示した構造パラメータは以下の通りである。Ｄｓは、受信側のヘリカル構造とループ構造との間の間隔、Ｄは送信側のヘリカル構造と受信側のヘリカル構造との間の間隔、Ｄｄは、送信側のヘリカル構造とループ構造との間の間隔、Ｈｓは送信側ヘリカル構造の高さ（Ｚ方向の長さを高さと呼ぶ。以下同様）、Ｈｄは送信側ヘリカル構造の高さ、Ｒａは送信側ループ構造の半径、Ｒｂは受信側ループ構造の半径、Ｒｓは送信側ヘリカル構造の半径、Ｒｄは受信側ヘリカル構造の半径である。

上記電動車両を含む任意のアプリケーションにこの電力伝送システムを応用するためには、指定された使用周波数において伝送効率を最大にするための構造パラメータを求める方法を確立することが必要となる。そのためには、この構造において、共鳴周波数が決定されるメカニズムを明らかにすることが有用である。このためモーメント法を用いて構造の解析を行なった。送信側のループに設けたポートをＰｏｒｔ１とし、この送信ポートに１Ｖの電圧源を接続した。受信側のループに設けたポートをＰｏｒｔ２として、この受信ポートを５０Ωで終端した。すべてのループとヘリカル構造とは完全導体（ＲＦＣ）としてモデル化したため、導体損は考慮されていない。

２．入力インピーダンス
まず、共鳴周波数を求めるために、入力インピーダンスを計算した。図５は、図４に示したポート１から見た入力インピーダンスＺ_ｉｎの実部と虚部とを示す。細線は、図４に示す電力伝送システムの計算値を示し、太線は、図４に示したモデルから、共鳴機構であるヘリカル構造を取り除いてループ構造のみにした場合の計算値である。太線と細線とを比較することによって、ヘリカル構造の入力インピーダンスへの寄与が明らかとなる。

ループ構造のみの場合には、入力インピーダンスの実部はほぼ０Ωであり、虚部は緩やかな周波数特性を持っていることが分かる。一方、ヘリカル構造が付加されることにより、１１．２５ＭＨｚより低周波数側、１２．５ＭＨｚより高周波数側ではループのみの場合に漸近していくものの、その間に２つの共振が発生していることがわかる。１１．４ＭＨｚと１２．３ＭＨｚにおいて、実際の電力伝送システムの入力インピーダンスの実部が極大値を持ち、その値は、それぞれ５２５Ω、２１９Ωである。これらの抵抗値は放射抵抗に相当するものであると考えられる。また、これらの周波数では、ヘリカル構造がある場合とない場合とで、入力インピーダンスの虚部の値が一致していることが分かる。このことから、これらの周波数で、ヘリカル構造が寄与するリアクタンス成分が０となり、送受信のヘリカル構造の間で共鳴が発生していることが分かる。

３．ポート電流
２つの共鳴がどのようなモードであるかを調べるために、ポート電流を計算した。図６に、入力ポートと出力ポートとに流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の周波数特性を示す。図６を参照して、入力ポートの電流の実部は、１１．４ＭＨｚ、１２．３ＭＨｚでともに正の極大値を持っている。一方、出力ポート電流の実部は、１１．４ＭＨｚで正の極大値を持っているのに対して１２．３ＭＨｚでは負の極大値を持っている。さらにポート電流の虚部に注目すると、１１．４ＭＨｚ付近では、ポート１、ポート２ともに同じような周波数特性を持っているのに対し、１２．３ＭＨｚ付近では、ポート１とポート２とで逆の周波数特性を持っていることが分かる。このことから、１１．４ＭＨｚの共鳴モードと１２．３ＭＨｚの共鳴モードとは、出力ポートに流れる電流が互いに反対の共鳴モードであることが分かる。

４．磁界分布と等価ダイポールモデル
共鳴が発生するメカニズムを理解するために、磁界分布を計算した。１１．４ＭＨｚの場合は、送受信アンテナの間で磁界強度が最大になる。一方、１２．３ＭＨｚの場合には、送受信アンテナの間で磁界強度が最低になる。微小磁気ループと微小電気ダイポールの双対称性を考慮すると、これら２つの共鳴は、図７に示すような電気ダイポールとして表わすことができる。それぞれの周波数におけるポート電流の向きを考えることにより、電気ダイポールの極性が説明でき、電気ダイポールのつくる電気力線を考えると、磁界分布の大きさと向きが説明できる。

１１．４ＭＨｚでは、送受信ポートに同じ向きの電流が流れるため、電荷分布は対称となる。このため、本明細書ではこの周波数の共鳴モードを「奇モード」と呼ぶ。１２．３ＭＨｚでは、送受信ポートに反対向きの電流が流れるため、電荷分布は反対称となる。このため、本明細書ではこの周波数の共鳴モードを「偶モード」と呼ぶ。図７（Ａ）は奇モードでの等価ダイポールモデルを示し、図７（Ｂ）は偶モードでの等価ダイポールモデルを示している。

奇モードおよび偶モードは、送受信アンテナ（コイル）を貫く磁束の向きによっても説明することができる。

図８は、送受信アンテナを貫く磁束の向きと共鳴モードとの関係を説明するための図である。図８（Ａ）は、奇モードでの磁束の向きを示し、図８（Ｂ）は、偶モードでの磁束の向きを示している。図８を参照して、奇モードでは、コイル２４０を貫く磁束Ｆ１の向きとコイル１１０を貫く磁束Ｆ２の向きとが同じである。このためコイル１１０に流れる電流Ｉａの向きと、コイル２４０に流れる電流Ｉｂの向きとは同じである。この結果、送信ポート（ポート１）および受信ポート（ポート２）に同じ向きの電流が流れる。一方、偶モードでは、コイル２４０を貫く磁束Ｆ１の向きとコイル１１０を貫く磁束Ｆ２の向きとが互いに逆である。このためコイル１１０，２４０には逆向きに電流が流れる。この結果、送信ポートおよび受信ポートに逆向きの電流が流れる。

５．伝送効率
電力伝送効率は、以下の式（１）に従って計算される。

ここでＩ_１とＶ_１とは、それぞれポート１の電流と電圧とである。また、Ｚ_ｌとＩ_２とは、それぞれポート２に接続した負荷の抵抗値と、ポート２の電流である。

図９に、電力伝送効率の周波数特性を示す。偶モードと奇モードとで、最大の電力伝送効率は、それぞれ−０．１１５ｄＢと−０．００３ｄＢであった。ただしこの解析では導体損を考慮していないため、この効率を達成することは困難であると考えられる。また電圧源をポート１に接続した状態で解析しており、インピーダンスマッチングは考慮されていない。

各モードで、効率が最大となる周波数が２つ存在することが分かる。これは入力インピーダンス（図５参照）が、ヘリカル構造によるものに、ループ構造によるものが加わっているため、共鳴が起こる（ヘリカル構造によるリアクタンスが０になる）周波数と、入力から見たリアクタンスが０になる共振周波数とが互いにずれているためと考えられる。なお、この解析ではインピーダンスマッチングは考慮されていないが、複素共役整合をとることによって、共鳴周波数と共振周波数とを一致させることが可能である。

送信アンテナ・受信アンテナを取り囲む球を考え、その体積Ｖ、表面Ｓにポインチング定理を適用すると、この構造における電力の収支は以下の式（２）〜式（７）に従って表わすことができる。

ここでＰ_ｉｎは、送信ポートに供給した電力、Ｐｏｕｔは、受信ポートから取り出した電力、Ｐ_ｒは遠方界放射電力、Ｐ_ｗは領域内の蓄積電力、Ｐ_ｄは領域内の損失電力を示す。遠方界で使用する通常のアンテナはＰ_ｐを遠方界放射電力Ｐ_ｒに変換するものであるといえるが、無線電力伝送においては、遠方界放射電力Ｐ_ｒは損失となる。

６．遠方界放射
通常のアンテナでは、遠方界放射を最大化する。すなわち、アンテナとしての利得を最大化することが求められている。一方、無線電力伝送システムにおいては、遠方界放射は電力の伝送損失となるばかりでなく、不要放射として他のシステムへの干渉を引き起こすため、遠方界放射を最小化することが求められる。

したがって、この発明の実施の形態では、遠方界放射を最小化する。まず、受信アンテナを送信アンテナの近傍に配置された抵抗で終端された寄生素子とみなして、アンテナとしての利得を求めた。

図１０に、奇モードおよび偶モードにおける利得を示す。奇モードおよび偶モードにおける利得の最大値は、それぞれ−１３．８ｄＢｉ，−３１．８ｄＢｉであり、偶モードでの最大値が奇モードでの最大値よりも１８ｄＢ低いことが分かる。奇モードでは、同相励振された微小ダイポールが近接して配置されていると考えられるため、それぞれの微小ダイポールによって発生する遠方界は互いに強めあう。一方、偶モードでは、逆相励振された微小ダイポールが近接して配置されていると考えられるため、遠方界は互いに打ち消しあうと考えられる。

遠方界放射が少ないということは漏洩電磁界が小さいということを意味する。奇モードと偶モードとでは、偶モードのほうが遠方界放射が小さくなる。遠方界放射の大きさを考慮すると偶モードのほうが無線電力伝送に適していると考えられる。そこでこの発明の実施の形態では、共鳴モードとして偶モードを選択する。２つのコイルを偶モードで共鳴させることにより、それら２つのコイル間に電力が伝送されるときの漏洩電磁界を小さくすることができる。

＜共鳴周波数＞
１．等価回路モデル
図１１は、図４に示した電力伝送システムの送信側および受信側のヘリカル構造の等価回路モデルを説明するための図である。図１１を参照して、送信側、受信側ともに同一の構造とし、Ｌはヘリカル構造の自己インダクタンス、Ｃはヘリカル構造の巻線間容量、Ｍは送受信ヘリカル構造官の相互インダクタンスを示す。Ｒ_ｓ，Ｒ_ｌはそれぞれ送信側、受信側の誘電体損・導体損に対応する抵抗値を示す。また、Ｚ_ｌは負荷抵抗である。Ｉ_ｓ，Ｉ_ｌは、それぞれ送信側、受信側のヘリカル構造に流れこむ電流を示す。なお、この等価回路においては、ヘリカル構造のみを考慮しており、ループ構造は考慮していない。

この等価回路において、送信側ヘリカル構造が単独で存在し、受信側の結合がない場合の共振周波数をｆ_０とすると、共振周波数ｆ_０は、以下の式（８）によって表わされる。

一方、送信側、受信側のヘリカル構造が相互インダクタンスＭで結合し、共鳴しているときの共鳴周波数をｆ_ｏｄｄ，ｆ_ｅｖｅｎとすると、奇モードの共鳴周波数ｆ_ｏｄｄおよび偶モードのｆ_ｅｖｅｎは以下の式（９）、式（１０）によってそれぞれ表わされる。

式（９）から、奇モードは、送信側、受信側に同じ向きの電流が流れるため、自己インダクタンスに相互インダクタンスが加わって全体のインダクタンスが大きくなり、送信側と受信側との結合がない場合よりも共鳴周波数が低くなると説明できる。送信側と受信側とで電流の向きが同じであることは、ポート電流（図６参照）からも確認でき、その結果、遠方界では同相で加算されて放射が大きくなることが図１０から確認できる。また、偶モードでは、送信側、受信側に互いに逆向きの電流が流れるため、自己インダクタンスから相互インダクタンスが差し引かれて全体のインダクタンスが小さくなり、送信側と受信側との結合がない場合よりも共鳴周波数が高くなる。

送受信ヘリカル構造（すなわち、図１に示す一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０）の結合の強さを示す結合係数を上記のようにκと示す。結合係数κは、以下の式（１１）に示すように定義される。

式（１１）から、共鳴周波数ｆ_ｏｄｄ，ｆ_ｅｖｅｎは以下の式（１２）、式（１３）に従ってそれぞれ表わすことができる。

式（１２）、式（１３）から、奇モード、偶モードの共鳴周波数の違いは結合係数に依存することが分かる。

＜偶モードの共鳴による電力伝送＞
図４に示した送受信ヘリカル構造の位置関係、すなわち図１に示した一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の位置関係は常に同じであるとは限らない。使用環境によって結合係数κが変化した場合には、共鳴周波数が変化する可能性がある。

特にこの発明の実施の形態では、二次自己共振コイル１１０が車両に搭載される。車両の充電の際には、電動車両１００が給電装置２００の場所まで移動しなければならない。したがって電動車両１００が給電装置２００の位置で停車するたびに、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の位置関係が変化する可能性が高い。

また、車両の積載状況やタイヤの空気圧等によっても給電装置と車両との間の距離が変化する。給電装置の一次自己共振コイルと車両の二次自己共振コイルとの間の距離の変化は一次自己共振コイルおよび二次自己共振コイルの共鳴周波数に変化をもたらす。

そこでこの発明の実施の形態では、給電装置の一次自己共振コイルと車両の二次自己共振コイルとが偶モードで共鳴するように、電力伝送システムが制御される。

１．使用周波数が固定される場合
電力伝送システムに使用される周波数が種々の理由により固定されることが考えられる。たとえば日本の場合、電波法での規制により使用周波数が１つに限られることが想定される。

このような場合には共鳴周波数を変えずに電力を伝送することが必要となる。そこで使用周波数が固定される場合には、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の少なくとも一方の容量値が可変となるように一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０が構成される。以下では、二次自己共振コイル１１０の容量値が可変である場合について代表的に説明する。

図１２は、容量値が可変である二次自己共振コイルの１つの構成例を示した図である。図１２を参照して、この二次自己共振コイル１１０は、導線間に接続される可変コンデンサ（一般的に「バリコン」とも称される。）１１２を有する。可変コンデンサ１１２は、車両ＥＣＵ１８０からの制御信号に基づいて容量可変であり、その容量を変更することによって二次自己共振コイル１１０の容量を可変にする。すなわち、可変コンデンサ１１２が設けられていない場合には、二次自己共振コイルの容量は、導線間の浮遊容量によって定まるところ、この二次自己共振コイル１１０では、導線間に接続された可変コンデンサ１１２の容量を変更することによって二次自己共振コイル１１０の容量を変更することができる。

図１３は、容量値が可変である二次自己共振コイルの別の構成例を示した図である。この二次自己共振コイル１１０は、導線間に接続される可変容量ダイオード１１４を有する。可変容量ダイオード１１４は、車両ＥＣＵ１８０からの制御信号に基づいて容量可変であり、可変コンデンサ１１２と同様に、その容量を変更することによって二次自己共振コイル１１０の容量を可変にする。

車両ＥＣＵ１８０は、二次自己共振コイル１１０の容量を変更するとともに、電流センサによって検出された電流Ｉａ，Ｉｂの値の符号が互いに逆であるか否かを判定する。電流Ｉａ，Ｉｂの検出値の符号が互いに逆となるように車両ＥＣＵ１８０は、二次自己共振コイル１１０の容量を変化させる。

式（１０）に示されるように、偶モードの共鳴周波数ｆ_ｅｖｅｎは、２つのコイルの自己インダクタンス、およびそれらの相互インダクタンス、ならびに、それらの容量に基づいて定まる。一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の位置関係が変化することで、相互インダクタンスＭが変化する可能性がある。一方で、上記のように偶モードの共鳴周波数ｆ_ｅｖｅｎは、電力伝送システムの使用周波数であるので１つに限られる。また、一次自己共振コイルおよび二次自己共振コイルの各々の自己インダクタンスＬは、単位長さあたりの巻数、コイルの長さ、断面積、材質の透磁率などによって予め定められる。

したがってコイルの容量Ｃを変化させることで、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との間の位置関係が変化し、その結果、結合係数κが変化する場合でも、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０とを偶モードで共鳴させることができる。

また、二次自己共振コイル１１０の容量値が固定であり、一次自己共振コイル２４０の容量値が可変であってもよい。この場合、たとえば以下に説明するように電力伝送システムが構成される。まず、図１２および図１３に示すように、一次自己共振コイル２４０は、導線間に接続される可変コンデンサ１１２あるいは可変容量ダイオード１１４を備える。

さらに図１４に示すように、給電装置２００は、通信装置２５０から受ける電流値Ｉａ，Ｉｂに基づいて、一次自己共振コイル２４０の容量を変更可能なＥＣＵ２６０を備える。ＥＣＵ２６０は、電流Ｉａ，Ｉｂの検出値の符号が互いに逆となるように一次自己共振コイル２４０の容量を変化させる。

また、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の各々が、その容量を可変に構成されていてもよい。この場合、車両ＥＣＵ１８０および給電装置２００側のＥＣＵ２６０によって、各コイルの容量値を変化させることができる。

２．コイルのパラメータが固定される場合
使用周波数の変更が可能であり、かつ一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の両方のパラメータ（容量等）が固定される場合には、高周波電力の周波数を変化させることによって、偶モードでの共鳴を実現できる。

図１５を参照して、給電装置２００は、ＥＣＵ２６０Ａおよび高周波電力ドライバ２２０Ａを備える。なお、給電装置２００の他の部分の構成は、図１に示した構成と同様である。高周波電力ドライバ２２０Ａは、高周波電力の周波数を変更可能に構成される。ＥＣＵ２６０Ａは、通信装置１９０，２５０を通じて、電流センサ２４２が検出した一次自己共振コイル２４０の電流値（Ｉａ）および電流センサ１８２が検出した二次自己共振コイル１１０の電流値（Ｉｂ）を受ける。そしてＥＣＵ２６０Ａは高周波電力ドライバ２２０Ａを制御することによって、電流Ｉａ，Ｉｂの検出値の符号が互いに逆となるように高周波電力の周波数を変化させる。

なお、使用周波数およびコイルのパラメータ（容量値）の両方ともに可変である場合には、上記の２種類の制御を組み合わせることができる。この場合にも、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０を偶モードで共鳴させることができる。

以上のように、この発明の実施の形態では、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０に、互いに逆向きの電流が流れる状態で一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０のコイルを共鳴させる。すなわち、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の共鳴モードとして偶モードが選択される。それら２つのコイルを偶モードで共鳴させて電力を伝送することにより、漏洩電磁界を低減することができる。このため、磁気漏洩を遮断するための構造を簡素化できるので、電力伝送システムの大型化を回避することができる。

なお、上記の実施の形態では、電力伝送システムの適用例として電動車両を充電するためのシステムを説明した。ただし、この発明の用途は上記のように限定されるものではなく、この発明は共鳴法を用いた非接触給電が利用可能な任意のアプリケーションに適用できる。したがって、たとえば一般的な電気製品にもこの発明を適用できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 電動車両、１１０ 二次自己共振コイル、１１２ 可変コンデンサ、１１４ 可変容量ダイオード、１２０ 二次コイル、１３０ 整流器、１４０ 蓄電装置、１５２ 昇圧コンバータ、１５４，１５６ インバータ、１６０ モータ、１６２，１６４ モータジェネレータ、１７０ エンジン、１７２ 動力分割機構、１７４ 駆動輪、１８０ 車両ＥＣＵ、１８２，２４２ 電流センサ、１９０，２５０ 通信装置、２００ 給電装置、２１０ 交流電源、２２０，２２０Ａ 高周波電力ドライバ、２３０ 一次コイル、２４０ 一次自己共振コイル、２６０，２６０Ａ ＥＣＵ、３１０ 高周波電源、３２０ 一次コイル、３３０ 一次自己共振コイル、３４０ 二次自己共振コイル、３５０ 二次コイル、３６０ 負荷、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｆ１，Ｆ２ 磁束、ＰＬ２ 正極線、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー。

Claims (5)

1. 高周波電力を発生させる高周波電源と、
   前記高周波電源により発生された前記高周波電力を受ける第１のコイルと、
   磁場の共鳴によって前記第１のコイルと磁気的に結合されることにより、前記第１のコイルから前記高周波電力を受ける第２のコイルとを備え、
   前記第１のコイルから前記第２のコイルへの前記高周波電力の伝送時に、前記第１および第２のコイルに互いに逆向きの電流が流れる状態で前記第１および第２のコイルが共鳴するように、前記高周波電力の周波数と、前記第１および第２のコイルに関するパラメータとが選ばれる、電力伝送システム。
2. 前記電力伝送システムは、
   前記第１のコイルに流れる第１の電流の向きを検出可能に構成された第１の電流センサと、
   前記第２のコイルに流れる第２の電流の向きを検出可能に構成された第２の電流センサと、
   前記第１の電流センサによって検出された前記第１の電流の向きと、前記第２の電流センサによって検出された前記第２の電流の向きとが互いに逆となるように、前記高周波電力の前記周波数および前記パラメータの少なくとも一方を変化させる制御装置とをさらに備える、請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記第１および第２のコイルのうちの少なくとも１つのコイルは、その容量値を変更可能に構成され、
   前記パラメータは、前記少なくとも１つのコイルの前記容量値を含み、
   前記制御装置は、前記容量値を変更する、請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記高周波電源は、前記高周波電力の前記周波数を変更可能に構成され、
   前記制御装置は、前記高周波電力の前記周波数が変化するように、前記高周波電源を制御する、請求項２に記載の電力伝送システム。
5. 車両に搭載された蓄電装置に電力を供給するための車両用給電装置であって、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力伝送システムを備える、車両用給電装置。

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