JP2011130614A - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】送電距離が長くなっても送電効率を維持することができる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】所定の共振周波数f1に設定された送電用共振手段1と、前記送電用共振手段と同じ前記所定の共振周波数f2に設定された受電用共振手段2と、前記送電用共振手段に交流電力を入力する電源6と、を備え、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段とを所定距離Zに位置させた給電位置における、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源からの電力を、前記送電用共振手段を介して前記受電用共振手段へ供給する非接触給電装置10において、前記給電位置における、前記送電用共振手段から前記所定距離Z以内の範囲であって前記受電用共振手段から前記所定距離Z以内の範囲に、前記所定の共振周波数と同じ共振周波数f3に設定された中継用共振手段3が設けられている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、共鳴法による非接触給電装置に関するものである。
非接触(ワイヤレス)の送電技術として、電磁場の共鳴を利用して送電する手法が知られている(非特許文献1)。
Karalis A.et al (Wireless Power Transfer via Strolngly Coupled Magnetic Resonances) Sience,vol.317,no.5834,pp.83−86,2007.
しかしながら、上記共鳴法による非接触給電装置では、送電用共振手段と受電用共振手段との距離(以下送電距離)が長くなると送電効率が低下するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、送電距離が長くなっても送電効率を維持することができる非接触給電装置を提供することである。
本発明は、給電位置における送電用共振手段と受電用共振手段との間に、前記送電共振手段及び前記受電共振手段と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段を設けることによって、上記課題を解決する。
本発明によれば、送電用共振手段と中継用共振手段との磁気的結合により送電用共振手段から中継用共振手段へ電力が給電され、さらに中継用共振手段と受電用共振手段との磁気的結合により中継用共振手段から受電用共振手段へ電力が給電される。これにより、送電距離が長くなっても送電効率を維持することができる。
本発明の一実施の形態を適用した電動車両への給電システムを示す全体構成図である。 送電距離Zに対する結合度κの関係を示すグラフである。 X−Y平面上のズレXに対する結合度κの関係を示すグラフである。 図1の送電コイル1と受電コイル2とがX−Y平面内でずれた状態を示す平面図および正面図である。 送電距離ZまたはズレXに対する送電効率の関係を示すグラフである。 図1に示す送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3の配置例を示す構成図である。 中継コイル3のコイル中心軸と送電コイル1のコイル中心軸とのなす角度θと送電効率との関係を示すグラフである。 図1の中継コイルの配置例を示すタイヤの断面図である。 送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3の他の配置例を示す正面図である。 送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3のさらに他の配置例を示す正面図である。 送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3のさらに他の配置例を示す正面図である。 送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3のさらに他の配置例を示す正面図である。
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施の形態を適用した電動車両への給電システムを示す全体構成図であり、電動車両Vの駆動用電動機Mに電力を供給するための給電システムに具現化した例である。
本例の給電装置10は、高周波交流電源6と、一次コイル4と、送電コイル1と、受電コイル2と、二次コイル5と、整流器7と、蓄電装置8とを備える。この給電装置10のうち、受電コイル2と、二次コイル5と、整流器7と、蓄電装置8とが電動車両Vに設けられ、高周波交流電源6と、一次コイル4と、送電コイル1とが車両の外部(以下、給電場所ともいう)に設けられている。
なお、電動車両Vの駆動系(パワートレイン)に駆動用電動機Mが接続され、この駆動用電動機Mが蓄電装置8からの電力を受けて車両駆動力を発生し、この発生した駆動力を、駆動系を介して車輪へ出力することにより、電動車両Vが走行する。また図示を省略したが、駆動用電動機Mとして交流モータを用いる場合は蓄電装置8と駆動用電動機Mとの間にインバータ等の電力変換器が設けられる。
電動車両V側に設けられる受電コイル(二次自己共振コイル)2は、両端がオープン(非接続)のLC共振コイルから構成され、給電装置10の送電コイル(一次自己共振コイル)1と磁場の共鳴により磁気的に結合され、送電コイル1からの電力を受電可能に構成されている。すなわち、受電コイル2は、蓄電装置8の電圧、送電コイル1と受電コイル2との間の送電距離、送電コイル1と受電コイル2との共振周波数等の諸条件に基づいて、送電コイル1と受電コイル2との共鳴強度を示すQ値およびその結合度を示すκ値が大きくなるように、コイルの巻数、太さ、巻きピッチが適宜設定されている。受電コイル2の共振周波数をf2とする。
二次コイル5は、両端が接続されたワンターンコイルであって、電磁誘導によって受電コイル2から受電可能に構成され、好ましくは受電コイル2と同軸上に設けられている。二次コイル5は受電コイル2の自己共振周波数f2を変化させないために設けられている。そして、二次コイル5は、受電コイル5から受電した電力を整流器7へ出力する。
整流器7は、二次コイル5から受ける高周波の交流電力を整流して蓄電装置8へ出力する。なお、整流器7に代えて、二次コイル5から受ける高周波の交流電力を蓄電装置8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8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構成されている。蓄電装置8の電圧は、たとえば200〜500V程度である。蓄電装置8は、整流器7から供給される電力を蓄えるほか、駆動用電動機Mによって発電された回生電力も蓄えることができる。そして、蓄電装置8は、その蓄えた電力を駆動用電動機Mへ供給する。なお、蓄電装置8として、二次電池に代えてまたはこれと併用して、大容量のキャパシタを採用することができ、整流器7や駆動用電動機Mからの電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力を駆動用電動機Mへ供給可能な電力バッファであればよい。
一方、車両の外部側である給電場所に設けられる高周波交流電源6は、たとえば系統電源6a(電力会社が保有する商用インフラ交流電源)と電力変換器6bとを備える。電力変換器6bは、交流電源6aから受ける電力を、磁場を共鳴させて送電コイル1から車両側の受電コイル2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4へ供給する。
一次コイル4は、電磁誘導によって送電コイル1へ送電可能に構成され、好ましくは送電コイル1と同軸上に配設されている。一次コイル4は送電コイル1の自己共振周波数f1を変化させないために設けられている。そして、一次コイル4は、電力変換器6bから受電した電力を送電コイル1へ出力する。
送電コイル1は、給電場所のたとえば地面近傍に配設されている。この送電コイル1は、両端がオープン(非接続)のLC共振コイルから構成され、電動車両Vの受電コイル2と磁場の共鳴により磁気的に結合され、受電コイル2へ電力を送電可能に構成されている。すなわち、送電コイル1は、送電コイル1から送電される電力によって充電される蓄電装置8の電圧、送電コイル1と受電コイル2との間の送電距離、送電コイル1と受電コイル2との共鳴周波数等の諸条件に基づいて、Q値および結合度κ値が大きくなるように、コイルの巻数、太さ、巻きピッチが適宜設定されている。
そして、送電コイル1の共振周波数をf1は、上述した受電コイル2の共振周波数f2と等しい値に設定されている(f1=f2)。ただし、送電コイル1と受電コイル2とは、共振周波数f1,f2を等しく設定すればよく、コイルの巻数、太さ、巻きピッチ等のコイル形状やサイズを同一にする必要はない。また、共振周波数f1,f2を等しく設定すればよいので、送電コイル1及び/又は受電コイル2にコンデンサを外付けしてもよい。
共鳴法による送電の原理を説明すると、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で電力が伝送される。
すなわち、高周波交流電源6によって一次コイル4に高周波交流電力が入力されると、一次コイル4に磁界が発生し、電磁誘導により送電コイル1に高周波交流電力が発生する。送電コイル1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、かつ送電コイル1と同じ共振周波数を有する受電コイル2と磁場共鳴により磁気的に結合することによって、受電コイル2へ電力を伝送する。そして、送電コイル1からの受電により受電コイル2に発生する磁界によって二次コイル5に電磁誘導による高周波交流電力が発生し、整流器7により直流電力に整流されたのち蓄電装置8に直流電力が供給される。
さて、共鳴法による送電システムにおいては、送電コイル1と受電コイル2との位置関係によってこれらの結合度κが変動し、これにより送電効率も変動することが知られている。図2Aは送電コイル1と受電コイル2との送電距離Zに対する結合度κの関係を示すグラフ、図2Bは送電コイル1と受電コイル2とのX方向(またはY方向)のズレXに対する結合度κの関係を示すグラフである。なお、図2Aの送電距離Zは、送電コイル1の先端と受電コイル2の先端とのZ軸方向の直線距離と定義する。また、図2BのズレXは、図2Cに示すように送電コイル1のコイル中心軸と受電コイル2のコイル中心軸とのX−Y平面上の距離と定義する。
図2Aに示すように、送電距離Zが大きくなると送電コイル1と受電コイル2との結合度κが漸減し、図2Bに示すようにズレXが大きくなると送電コイル1と受電コイル2との結合度κが漸減する。この結果、図3Dに点線で示すように、送電距離ZまたはズレXが大きくなると送電コイル1から受電コイル2に送電される電力の送電効率が減少する。
特に限定はされないが、電動車両Vを給電場所に駐車して蓄電装置8を充電する場合を考えると、車両側に設置する受電コイル2のレイアウトや電動車両Vの車高によって送電距離Zが相違することがある。たとえば、受電コイル2は車両のフロア部などのようにできるだけ車両の下部に配置することが望ましいとされるが、電動車両Vのレイアウトによってはトランクルームやエンジンルームなどのように路面から離れた位置に配置しなければならない事情も考えられる。こうした諸事情により給電場所における送電距離Zが長くなることがある。
また、送電コイル1と受電コイル2とのズレXについては、運転手の運転技量などにより給電場所に精度よく駐車できないこともあり、これにより送電距離Zは短くてもズレXが長くなることがある。こうした送電距離ZまたはズレXが大きくなると給電効率が低下するため給電場所における充電時間が長くなる。そして充電時間を短縮するためには高周波交流電源6の電力を高める必要がある。
本例の給電装置10は、送電距離ZまたはズレXが多少大きくなっても高周波交流電源6のパワーを増加させることなくしかも充電時間を維持するために、中継コイル3を備える。中継コイル3は車両側又は車両外部側(地面、路面又は壁面など)のいずれに設けてもよいが、図1に示す例では、前輪と後輪のそれぞれに中継コイル3が内蔵されている。本例の中継コイル3の配置例を図3に示す。
図3は、図1の送電コイル1のコイル中心軸と、受電コイル2のコイル中心軸とが一致した場合における中継コイル3の配置例を示す正面図である。中継コイル3は、送電コイル1や受電コイル2と同様に両端がオープン(非接続)のLC共振コイルから構成され、その共振周波数f3が、送電コイル1の共振周波数f1および受電コイル2の共振周波数f2と等しい値に設定されている(f3=f1=f2)。ただし、中継コイル3は、送電コイル1や受電コイル2との関係において、共振周波数f1,f2,f3を等しく設定すればよく、コイルの巻数、太さ、巻きピッチ等のコイル形状やサイズを同一にする必要はない。または、共振周波数f1,f2,f3を等しく設定すればよいので、送電コイル1、受電コイル2及び/又は中継コイル3にコンデンサを外付けしてもよい。また、中継コイル3に電磁誘導により電力を授受するための一次コイル4や二次コイル5を設ける必要もない。
図3に示すように、送電コイル1の先端と受電コイル2の先端との距離をZ(上述した送電距離Zに相当)とした場合に、本例の中継コイル3は、送電コイル1の先端から半径Z以内の範囲であって、かつ受電コイル2の先端から半径Z以内の範囲に配置することが望ましい。この場合に、少なくとも中継コイル3の先端が当該範囲内に配置されることが望ましい。また、中継コイル3のコイル中心軸と送電コイル1のコイル中心軸とのなす角度θが90度以外の角度になるように中継コイル3の配置方向を設定することが望ましく、送電効率の点から角度θは0度に近い方がより望ましい。
図4は中継コイル3のコイル中心軸と送電コイル1のコイル中心軸とのなす角度θと送電効率との関係を確認した結果を示すグラフである。同図において中継コイル3と送電コイル1の共振周波数fn1〜fn4別の送電効率を示すが、共振周波数の大小に拘わらず、中継コイル3のコイル中心軸と送電コイル1のコイル中心軸とのなす角度θが90度に近い方が0度に近い方に比べて送電効率が低いことが確認されている。また、同図のfn1やfn2のように共振周波数を高く設定すればするほど、角度θが90度近傍以外の角度に設定するだけで送電効率が高い値に維持されることも理解できる。
図1および図3に戻り、同図の実線の矢印は送電コイル1で発生した磁束が受電コイル2へ伝わる有効磁束を示し、点線の矢印は送電コイルで発生した磁束が受電コイル2へ伝わらず漏洩する漏れ磁束を示す。送電コイル1と受電コイル2との送電距離Zが大きくなると有効磁束が減少して漏れ磁束が増加する結果、送電効率が低下するものと推察される。しかしながら、本例のように送電コイル1と受電コイル2との間に中継コイル3を配置すると、送電コイル1で発生した磁束のうちの主として漏れ磁束を中継コイル3が受け取り、これを同図の一転鎖線の矢印で示すように受電コイル2へ付加することになる。これにより、図2Dの実線で示すように、送電距離Zが同じ場合は送電効率が向上し、また送電距離Zが大きくなっても送電効率の低下を抑制することができる。換言すれば同じ送電効率であれば送電距離を長くすることができる
なお、図1に示す中継コイル3は模式的に示したものであり、実際には図5に示すように前輪タイヤおよび後輪タイヤTの中空部にコイルの中心軸が水平にならないように傾斜して設けられている。また、中継コイル3は前輪タイヤおよび後輪タイヤTの全てに設ける必要はなくいずれか一つのタイヤTに設けてもよい。さらに、中継コイル3の設置場所はタイヤTの中空部にのみ限定されず、図3にて説明した送電コイル1と受電コイル2との間の範囲内であればよい。したがって、場合によっては車両側でなく路面側に配置することもできる。
図4を参照して説明したとおり、中継コイル3のコイル中心軸と送電コイルのコイル中心軸とのなす角度θは0度に近ければ近いほど送電効率が高くなる。したがって、送電コイル1と受電コイル2との間に、コイル中心軸を一致させるか又は平行にして配置することが望ましい。図6A〜図6Cに送電コイル1、受電コイル2および中継コイル3の他の配置例を示す。
図6Aは、送電コイル1のコイル中心軸と、受電コイル2のコイル中心軸と、中継コイル3のコイル中心軸とを一致させて配置した例である。また、図6Bは、図6Aは、送電コイル1のコイル中心軸と、受電コイル2のコイル中心軸と、中継コイル3のコイル中心軸とを平行にして配置した例である。いずれの場合も、送電コイル1で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル3が受け取り、これを受電コイル2へ受け渡すとともに、送電コイル1で発生した磁束のうちの漏れ磁束を中継コイル3が受け取り、これを受電コイル2へ付加することになる。したがって、図1および図3に示すように中継コイル3を傾斜して配置した場合に比べてさらに送電効率を高く維持することができる。
図6Cは、図3に示す例と図6A又は図6Bに示す例とを組み合わせて複数の中継コイル3を配置した例である。この例によれば、送電コイル1で発生した磁束のうちの主として漏れ磁束を中継コイル3a,3aが受け取り、これを中継コイル3b(又は受電コイル2)へ付加する。これと同時に、送電コイル1で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル3bが受け取り、これと中継コイル3a,3aからの付加された磁束とを受電コイル2へ受け渡すことになる。したがって、送電コイル1と受電コイル2との送電距離Zが長く設定されても、これらの中継コイル3a,3bをレイアウトに応じて適宜配置することにより送電効率の低下を抑制することができる。
図4を参照して説明したとおり、LC共振コイルのコイル中心軸が直交すると送電効率が極度に低下する。すなわち、送電コイル1で発生した有効磁束が受電コイル2に殆んど伝わらず、漏れ磁束しか伝わらない。送電距離が長いと漏れ磁束も伝わらない場合がある。したがって、送電コイル1と受電コイル2とのコイル中心軸は平行又はそれに近い値であることが望ましい。しかしながら、車両側と給電場所とのレイアウトの都合によっては送電コイル1と受電コイル2とのコイル中心軸が直交せざるを得ない場合もある。図6Dはこうしたケースに本例の中継コイル3を用いた配置例を示す。
図6Dに示すように、送電コイル1のコイル中心軸と受電コイル2のコイル中心軸とは直交又はそれに近い角度に設定されている。本例の中継コイル3は送電コイル1と受電コイル2との間に配置され、中継コイル3のコイル中心軸が送電コイル1のコイル中心軸と直交しないような傾斜角度に設定されている。この例によれば、送電コイル1で発生した磁束のうちの有効磁束を中継コイル3が受け取り、これを受電コイル2へ受け渡すと同時に、送電コイル1で発生した磁束のうちの漏れ磁束も中継コイル3が受け取り、これを受電コイル2へ付加することになる。したがって、送電コイル1と受電コイル2とのコイル中心軸が直交又はこれに近い値に設定されている場合であっても、送電を可能にすることができ又は送電効率の低下を抑制することができる。
以上のように、本例の給電装置10においては、電力変換器6bによって交流電源6aからの電力が高周波電力に変換され、一次コイル4によって送電コイル1に与えられる。そして、送電コイル1と電動車両Vの受電コイル2とが磁場の共鳴により磁気的に結合され、送電コイル1から受電コイル2へ電力が送電される。これと同時に、中継コイル3によって送電コイル1で発生した電力又はその漏れ電力を受電コイル2へ受け渡すか又は付加することができる。こうして受電コイル2によって受電された電力は、整流器7によって整流されて電動車両Vの蓄電装置8に蓄えられる。
したがって、本例の給電装置10によれば、車両外部の交流電源6aからワイヤレスで充電電力を電動車両Vへ送電し、車両に搭載された蓄電装置8を充電することができる。そして、送電コイル1と受電コイル2との送電距離Z又はズレXが大きくなっても中継コイル3の作用によって送電効率の低下を抑制することができる。換言すれば、中継コイル3を設けることによって送電距離を長く設定することができる。また、給電場所において電動車両Vの駐車位置が多少ずれて、X−Y平面上のズレXが変動したり、あるいは車両の仕様によって送電距離Zが変動したりしても、送電効率を維持することができ、その結果、充電時間を短縮又は維持することができる。
上記送電コイルは本発明に係る送電用共振手段に相当し、上記受電コイルは本発明に係る受電用共振手段に相当し、上記高周波交流電源が本発明に係る電源に相当し、上記給電場所が本発明に係る給電位置に相当し、上記送電距離Zが本発明に係る所定距離に相当し、上記中継コイルが本発明に係る中継用共振手段に相当し、上記電動車両が本発明に係る車両に相当し、上記整流器が本発明に係る整流手段に相当し、上記蓄電装置が本発明に係る蓄電手段に相当する。
10…給電装置
1…送電コイル
2…受電コイル
3,3a,3b…中継コイル
4…一次コイル
5…二次コイル
6…高周波交流電源
6a…交流電源
6b…電力変換器
7…整流器
8…蓄電装置
V…電動車両
M…駆動用電動機

Claims (8)

  1. 所定の共振周波数に設定された送電用共振手段と、
    前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された受電用共振手段と、
    前記送電用共振手段に交流電力を入力する電源と、を備え、
    前記送電用共振手段と前記受電用共振手段とを所定距離に位置させた給電位置における、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源からの電力を、前記送電用共振手段を介して前記受電用共振手段へ供給する非接触給電装置において、
    前記給電位置における、前記送電用共振手段から前記所定距離以内の範囲であって前記受電用共振手段から前記所定距離以内の範囲に、前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段が設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
  2. 車両の外部に設置されるとともに交流電源からの電力が入力される、所定の共振周波数に設定された送電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源からの電力を受電する非接触給電装置であって、
    前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された受電用共振手段を前記車両に備え、
    前記送電用共振手段に対して前記受電用共振手段を所定距離に位置させた給電位置における、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源から前記送電用共振手段を介して前記受電用共振手段へ電力を供給する非接触給電装置において、
    前記給電位置における、前記送電用共振手段から前記所定距離以内の範囲であって前記受電用共振手段から前記所定距離以内の範囲の前記車両に、前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段が設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
  3. 請求項2に記載の非接触給電装置において、
    前記中継用共振手段は、前記車両の車輪のタイヤ内部に配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
  4. 車両に設置され、所定の共振周波数に設定された受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により電力を給電する非接触給電装置であって、
    前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された送電用共振手段と、
    前記送電用共振手段に交流電力を入力する電源と、を前記車両の外部に備え、
    前記送電用共振手段に対して前記受電用共振手段を所定距離に位置させた給電位置における、前記送電用共振手段と前記受電用共振手段との磁場の共鳴による磁気的結合により、前記電源から前記送電用共振手段を介して前記受電用共振手段へ電力を供給する非接触給電装置において、
    前記給電位置における、前記送電用共振手段から前記所定距離以内の範囲であって前記受電用共振手段から前記所定距離以内の範囲の前記車両の外部に、前記所定の共振周波数と同じ共振周波数に設定された中継用共振手段が設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
  5. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
    前記受電用共振手段が受電した電力を整流する整流手段と、
    前記整流手段により整流された電力を蓄電する蓄電手段と、をさらに備えることを特徴とする非接触給電装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
    前記中継用共振手段が、複数設けられていることを特徴とする非接触給電装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の非接触給電装置において、
    前記送電用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された送電コイルと、当該送電コイルに対して電磁誘導により前記電源からの電力を給電する一次コイルとを含み、
    前記受電用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された受電コイルと、当該受電コイルに対して電磁誘導により前記電源からの電力を給電する二次コイルとを含み、
    前記中継用共振手段は、前記所定の共振周波数に設定された中継コイルを含むことを特徴とする非接触給電装置。
  8. 請求項7に記載の非接触給電装置において、
    前記送電コイルのコイル中心軸と前記中継コイルのコイル中心軸とのなす角度が90度以外の角度になるように、前記中継コイルが配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
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