JP5981202B2

JP5981202B2 - 電力伝送システム

Info

Publication number: JP5981202B2
Application number: JP2012092288A
Authority: JP
Inventors: 正弘楠; 満増田; 弘行玉岡; 磯　洋一; 洋一磯
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: JP2013223303A

Description

本発明は、電力伝送システムに関するものである。

特許文献１には、電磁誘導を用いて、非接触の二つの電気回路間で電力の伝送を行う無線電力伝送装置が開示されている。

特開平８−３４０２８５号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、電力伝送が適正に行われるのは、送受電コイルが対向しており、その対向間隔が５〜１０ｍｍのときとされており（特許文献１の段落

参照）、電力を伝送する距離を大きくできないという問題点がある。

そこで、本発明は、電力を効率良く、長い距離を伝送できる電力伝送システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、前記送電装置と前記受電装置の間に少なくとも１つ配置され、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第５および第６電極と、前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備え、前記中継装置は、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整することにより前記送電装置の入力インピーダンスが所望の値になるようにする、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる電力伝送システムを提供することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記中継装置を２つ有し、これら２つの中継装置と、前記送電装置および前記受電装置との間隔を調整することで前記入力インピーダンスが所望の値になるようにすることを特徴とする。
このような構成によれば、入力インピーダンスを所望の値に調整することで、伝送距離によらず、電力を効率良く伝送することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置を構成する前記第１および前記第２電極、前記受電装置を構成する前記第３および前記第４電極、ならびに、前記中継装置を構成する前記第５および前記第６電極は、平板状の導体によって構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、電極を容易に構成することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置、前記中継装置、および、前記受電装置を構成する各電極が対向するとともに、平行になるように配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、入力インピーダンスの調整を容易に行うことができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置および一の中継装置が地上側に配置され、前記受電装置および他の一の中継装置が車両に搭載され、前記２つの中継装置の位置を固定し、前記受電装置と前記送電装置の位置を調整することにより前記入力インピーダンスを調整することを特徴とする。
このような構成によれば、車両の種類によらず、電力を効率良く伝送することが可能になる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置、および、前記受電装置は、同一平面上に配置されるとともに、前記中継装置がこれらの中間の前記同一平面上に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、長い距離を効率良く電力を伝送することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置、および、前記受電装置は、略直交する平面上に配置されるとともに、前記中継装置がこれらの中間に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、直交する場所に対して電力を効率良く伝送することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送電装置、および、前記中継装置は、同一平面上に配置されるとともに、前記受電装置は前記送電装置または中継装置と電極同士が対向する位置に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、受電装置の位置が変化する場合であっても、電力を効率良く伝送することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記受電装置は前記送電装置または前記中継装置と電極同士が対向する位置に配置され、前記受電装置と対向する中継装置または送電装置に隣接する中継装置であって、前記送電装置から遠い側の中継装置は前記第３インダクタンスによる電極同士の接続が開放状態にされることを特徴とする。
このような構成によれば、電力の反射を防ぐことで、受電装置の位置が変化する場合であっても、電力を効率良く伝送することが可能になる。

本発明によれば、電力を効率良く伝送できる電力伝送システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態の動作原理を説明するための図である。図１に示す実施形態の等価回路である。図２に示す等価回路の伝送特性を示す図である。本発明の実施形態に係る送電用カプラの構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る送電用カプラと受電用カプラの構成例を示す図である。図５に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図５に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施形態を説明するための図である。図８に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図８に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第１実施形態の構成例を示す図である。図１１に示す中継用カプラの構成例を示す図である。図１１に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図１１に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第２実施形態の構成例を示す図である。図１５に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図１５に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第３実施形態の構成例を示す図である。図１８に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図１８に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第４実施形態の構成例を示す図である。図２１に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図２１に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第５実施形態の構成例を示す図である。図２４に示す実施形態の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図２４に示す実施形態のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。末端の中継用カプラを開放しない場合の構成例である。図２７に示す構成例の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図２７に示す構成例のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第６実施形態の構成例を示す図である。本発明の第７実施形態を説明するための図である。図３１に示す構成例の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図３１に示す構成例のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第７実施形態を説明するための図である。図３４に示す構成例の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図３４に示す構成例のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第７実施形態の構成例を示す図である。図３７に示す構成例の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図３７に示す構成例のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第７実施形態の他の構成例を示す図である。図４０に示す構成例の送電用カプラの入力インピーダンスのスミスチャートである。図４０に示す構成例のパラメータＳ１１，Ｓ２１，η２１の周波数特性を示す図である。本発明の第８実施形態の他の構成例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の動作原理の説明
まず、第１実施形態について説明する前に、本発明の動作原理について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電力伝送システム１の動作原理を説明するための図である。この図の例では、電力伝送システム１は、送電装置１０、および、受電装置２０を有している。

ここで、送電装置１０は、電極１１，１２、インダクタ１３，１４、接続線１５，１６、および、交流電力発生部１７を有している。また、受電装置２０は、電極２１，２２、インダクタ２３，２４、接続線２５，２６、および、負荷２７を有している。電極１１，１２およびインダクタ１３，１４は送電用カプラを構成する。電極２１，２２およびインダクタ２３，２４は受電用カプラを構成する。

ここで、電極１１，１２は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離ｄ１を隔てて配置されている。図１の例では、電極１１，１２，２１，２２として、略同一のサイズを有する矩形形状を有する平板状の電極が例示されている。また、電極１１と電極２１は距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置され、電極１２と電極２２も同じ距離ｄ２を隔てて対向するように平行に配置されている。なお、電極１１，１２，２１，２２としては、図１に示す以外の形状の電極であってもよい。例えば、円形または楕円形状の平板電極であったり、球形等の立体形状であったり、平板ではなく湾曲した形状または屈曲した形状の電極であったりしてもよい。

電極１１および電極１２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。同様に、電極２１および電極２２の距離ｄ１を含む合計幅Ｄは、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。また、電極１１と電極２１および電極１２と電極２２の間の距離ｄ２についても、λ／２πで示される近傍界よりも短くなるように設定されている。

インダクタ１３，１４は、例えば、導電性の線材（例えば、銅線）を巻回して構成され、図１の例では、電極１１，１２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線１５はインダクタ１３の他端と交流電力発生部１７の出力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線１６はインダクタ１４の他端と交流電力発生部１７の出力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線１５，１６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

交流電力発生部１７は、所定の周波数の交流電力を発生し、接続線１５，１６を介してインダクタ１３，１４に供給する。

電極２１，２２は、電極１１，１２と同様に、導電性を有する部材によって構成され、所定ｄ１の距離を隔てて配置されている。

インダクタ２３，２４は、例えば、導電性の線材を巻回して構成され、図１の例では、電極２１，２２の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線２５はインダクタ２３の他端と負荷２７の入力端子の一端とを接続する導電性の線材（例えば、銅線）によって構成される。接続線２６はインダクタ２４の他端と負荷２７の入力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線２５，２６は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。

負荷２７は、交流電力発生部１７から出力され、送電用カプラおよび受電用カプラを介して伝送された電力が供給される。なお、負荷２７は、例えば、整流装置および二次電池等によって構成されている。もちろん、これ以外であってもよい。

図２は、図１に示す電力伝送システム１の等価回路を示す図である。この図２において、インピーダンス２は交流電力発生部１７の出力インピーダンスを示し、インピーダンス２７は負荷２７の入力インピーダンスを示す。ここでは、ともにＺ０の値を有するとして説明する。なお、等価回路に明示されない接続線１５，１６及び接続線２５，２６の特性インピーダンスもＺ０とする。インダクタ３はインダクタ１３，１４に対応し、Ｌの素子値を有している。キャパシタ４は、電極１１，１２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、電極１１，１２と電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃｍのキャパシタを減じた素子値（Ｃ−Ｃｍ）を有する。キャパシタ５は、電極１１，１２と電極２１，２２の間に生じるキャパシタを示し、Ｃｍの素子値を有している。キャパシタ６は、電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃのキャパシタから、電極１１，１２と電極２１，２２の間に生じる素子値Ｃｍのキャパシタを減じた素子値（Ｃ−Ｃｍ）を有する。インダクタ７はインダクタ２３，２４に対応し、Ｌの素子値を有している。

図３は、送電装置１０と受電装置２０の間のＳパラメータの周波数特性を示している。具体的には、図３の横軸は周波数を示し、縦軸は送電装置１０から受電装置２０への挿入損失（Ｓ２１）を示している。この図３に示すように、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失は、周波数ｆ_Ｃでインピーダンス極大値を有し、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈでインピーダンス整合点、すなわち、共振点を有している。ここで、周波数ｆ_Ｃは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌと、電極１１，１２または電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃによって定まる。また、周波数ｆ_Ｌおよびｆ_Ｈは、図２に示すインダクタ３，７のインダクタンス値Ｌと、電極１１，１２および電極２１，２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Ｃｍと、ならびに、電極１１，１２の間および電極２１，２２の間にそれぞれ生じるキャパシタのキャパシタンス値Ｃによって近似値として定まる。

交流電力発生部１７が発生する交流電力の周波数は、図３に示すｆ_Ｌまたはｆ_Ｈと等しくなるように設定される。このように、交流電力発生部１７の周波数を設定することにより、送電装置１０から受電装置２０への挿入損失が略０ｄＢとなることから、送電装置１０から受電装置２０に対して損失なく電力を送信することができる。

図１に示す実施形態では、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されており、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が伝送される。

つまり、図１に示す実施形態では、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、近傍界であるλ／２πよりも短い距離ｄ２だけ隔てて配置されているので、電極１１，１２から放射される電界成分が支配的である領域に電極２１，２２が配置される。また、電極１１，１２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ１３，１４による共振周波数と、電極２１，２２の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ２３，２４による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、送電装置１０の電極１１，１２と受電装置２０の電極２１，２２は、電界共振結合されていることから、送電装置１０の電極１１，１２から受電装置２０の電極２１，２２に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。

（Ｂ）実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第１実施形態について説明する。以下では、まず、中継装置を有しない構成について説明した後、中継装置を有する第１実施形態について説明する。

図４，５は、中継装置を有しない構成例を示す斜視図である。ここで、図４は、実施形態に係る送電用カプラ１１０の構成例を示している。また、図５は送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０とを配置した状態を示す斜視図である。

図４に示すように、送電用カプラ１１０は、矩形の板状形状を有する絶縁部材によって構成される回路基板１１８の表（おもて）面１１８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１１１，１１２が配置されて構成される。回路基板１１８の裏面１１８Ｂには、この図４の例では、電極等は配置されていない。具体的な構成例としては、例えば、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって構成される回路基板１１８上に、銅等の導電性の薄膜によって電極１１１，１１２が形成される。電極１１１，１１２は、所定の距離ｄ１だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離ｄ１を含む電極１１１，１１２の幅Ｄは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ／２πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。なお、具体的なＤの長さとしては、例えば、使用周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には、５０ｃｍ程度とし、また、これと直交する方向の長さＬについても５０ｃｍ程度とすることができる。

回路基板１１８の電極１１１，１１２の短手方向の端部には、インダクタ１１３，１１４の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ１１３，１１４の他端は、接続線１１５，１１６の一端にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６は、電極１１１，１１２の領域およびこれらに挟まれる領域を回避するように配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向（図４の左下方向）に伸延するように配置されている。より詳細には、電極１１１，１１２のそれぞれの矩形領域と、これら２つの電極１１１，１１２によって挟まれた領域を回避して配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向に伸延するように配置されている。このように配置することで、電極１１１，１１２と接続線１１５，１１６の間の干渉を少なくすることができるので、伝送効率の低下を防止できる。接続線１１５，１１６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。なお、接続線１１５，１１６の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線１１５，１１６によって送電用カプラ１１０に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。

送電用カプラ１１０は、電極１１１，１１２が所定の距離ｄ１を隔てて配置されることによって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１１３，１１４のインダクタンスＬによる直列共振回路を構成するので、これらによる固有の共振周波数ｆ_Ｃを有している。

受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０と同様の構成とされ、回路基板１２８の表面１２８Ａ上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極１２１，１２２およびインダクタ１２３，１２４が配置され、インダクタ１２３，１２４の他端に接続線１２５，１２６が接続されて構成される。電極１２１，１２２によって形成されるキャパシタのキャパシタンスＣと、インダクタ１２３，１２４のインダクタンスＬによる直列共振回路の共振周波数ｆ_Ｃは送電用カプラ１１０と略同じに設定される。接続線１２５，１２６は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。受電用カプラ１２０の接続線１２５，１２６の他端には、図示しない負荷が接続される。接続線１２５，１２６によって受電用カプラ１２０に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。

図５は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を対向配置した状態を示す図である。この図に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、回路基板１１８，１２８の表面１１８Ａ，１２８Ａが対向するように距離ｄ２を隔て、回路基板１１８，１２８が平行になるように配置される。送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２の間に生じる電界と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２の間に生じる電界を略平行とし、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２のギャップのｘ方向の位置と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

つぎに、図５に示す実施形態の動作について説明する。図６は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を４０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝４０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０のインピーダンスＳ１１のスミスチャートを示している。この場合、測定器のポートインピーダンスは接続線路の特性インピーダンスＺ０（実数値）
と等しい値に設定している。この図に示すように、本実施形態では、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０のインピーダンスの軌跡は、スミスチャートの円の中心付近を通過することから、この付近において伝送を行うように設定することにより反射を抑えて効率良く電力を伝送することができる。

図７は、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を４０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝４０ｃｍの場合）における送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間のＳパラメータの周波数特性を示す図である。この図において、実線はパラメータＳ２１の絶対値の周波数特性を示し、間隔が長い破線はパラメータＳ１１の絶対値の周波数特性を示し、間隔が短い破線は伝送効率η２１（＝｜Ｓ２１｜＾２）の周波数特性を示している。ここで、パラメータＳ１１は送電用カプラ１１０から入力した信号の反射を示し、パラメータＳ２１は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の通過を示し、伝送効率η２１は送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の伝送効率を示す。この図７に示すように、周波数１３．５６ＭＨｚにおいて、送電用カプラ１１０に入力した信号の反射が最小になるとともに、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への通過が最大になる。これにより、送電用カプラ１１０から受電用カプラ１２０への信号の伝送効率η２１が約９７％で最大となる。つまり、ｄ＝４０ｃｍにおいて、この電力伝送システム１はインピーダンスが整合すると言える。

つぎに、図８に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を６０ｃｍ隔てて対向配置した場合（ｄ２＝６０ｃｍの場合）について説明する。このような場合、図９のスミスチャートに示すように、入力インピーダンスは、円の中心から離れた位置を通るため、給電系と送電用カプラ１１０のインピーダンス整合がとれなくなることを示す。このため、図１０に示すように、ピーク周波数である１３．５６ＭＨｚにおけるパラメータＳ１１の値が増加し、パラメータＳ２１が減少し、伝送効率η２１が減少している。つまり、図５に示す実施形態では、伝送距離を４０ｃｍ以上にすることは困難といえる。

そこで、本発明の第１実施形態では、図１１に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に中継装置である中継用カプラ１３０を配置している。この例では、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は４０ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２２も４０ｃｍとされている。これにより、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間の距離（伝送距離）は８０ｃｍとなる。図１２は、中継用カプラ１３０の詳細な構成例を示している。中継用カプラ１３０は、図４と同様の構成を有するカプラのインダクタ１３３，１３４の他端同士が接続線１３５によって接続されて構成されている。なお、これらのインダクタ１３３，１３４を１つの構成としてもよい。この中継用カプラ１３０の共振周波数ｆ_Ｃは、送電用カプラ１１０および受電用カプラ１２０と略同じになるように設定される。送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０及び中継用カプラ１３０は、各カプラの電極間に生じる電界を略平行とし、各カプラの２枚の電極間のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

図１３は図１１に示す実施形態のスミスチャートを示し、図１４は図１１に示す実施形態のＳパラメータの周波数特性を示している。図１３に示すように、図１４に示す実施形態では、伝送距離を４０ｃｍの２倍の距離となる８０ｃｍにした場合であっても、中継用カプラ１３０を用いることで、正規化された入力インピーダンスを１、すなわち、入力インピーダンスを供給系のインピーダンスと整合する５０Ωにすることができる。このため、図１４に示すように、パラメータＳ１１を周波数１３．５６ＭＨｚにおいて０に近くなるようにするとともに、パラメータＳ２１を同周波数において１に近くなるように設定することができる。これにより、同周波数において、伝送効率η２１を約９７％程度にすることができる。つまり、第１実施形態では、中継用カプラ１３０を用いることで、伝送効率を殆ど低下させることなく、伝送距離を４０ｃｍから、２倍の８０ｃｍに延長することができる。

つぎに、図１５を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態では、図１５に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を配置している。なお、図１５では、図面を簡略化するために、回路基板を省略して表示している。ここで、中継用カプラ１３０，１４０は、図１２と同様の構成とされる。この例では、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は４０ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離ｄ２２は４０ｃｍとされ、中継用カプラ１４０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２２は４０ｃｍとされている。これにより、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間の距離（伝送距離）は１２０ｃｍとなる。送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０及び中継用カプラ１３０，１４０は、各カプラの電極間に生じる電界を略平行とし、各カプラの２枚の電極間のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

図１６は図１５に示す第２実施形態のスミスチャートを示し、図１７は図１５に示す実施形態のＳパラメータの周波数特性を示している。図１６に示すように、図１５に示す実施形態では、伝送距離を４０ｃｍの３倍の距離となる１２０ｃｍにしても、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を用いることで、正規化された入力インピーダンスを１、すなわち、入力インピーダンスを供給系のインピーダンスと整合する５０Ωにすることができる。このため、図１７に示すように、パラメータＳ１１を周波数１３．５６ＭＨｚにおいて０に近くなるようにするとともに、パラメータＳ２１を同周波数において１に近くなるように設定することができる。これにより、同周波数において、伝送効率η２１を約９５％程度にすることができる。つまり、第２実施形態では、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を用いることで、伝送効率を殆ど低下させることなく、伝送距離を４０ｃｍから、３倍の１２０ｃｍに延長することができる。

つぎに、図１８を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態では、図１８に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０が同一平面上に配置され、また、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に２枚の中継用カプラ１３０，１４０が列を成すように配置されている。この例では、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離ｄ２２は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１４０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２２は１１ｃｍとされている。これにより、送電用カプラ１１０の端部から受電用カプラ１２０の端部までの距離（伝送距離）は１３３ｃｍとなる。なお、図１８では、図面を簡略化するために、回路基板を省略して表示している。送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０及び中継用カプラ１３０、１４０は、各カプラの電極間に生じる電界を略平行とし、各カプラの２枚の電極間のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

図１９は図１８に示す第３実施形態のスミスチャートを示し、図２０は図１８に示す実施形態のＳパラメータの周波数特性を示している。図１９に示すように、図１８に示す第３実施形態では、同一平面上に送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０，１４０を直線上に配置した場合であっても、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を用いることで、正規化された入力インピーダンスを略１にすることができる。このため、図２０に示すように、パラメータＳ１１を周波数１３．５６ＭＨｚにおいて０に近くなるようにするとともに、パラメータＳ２１を同周波数において１に近くなるように設定することができる。これにより、同周波数において、伝送効率η２１を約９６％程度にすることができる。つまり、第３実施形態では、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を用いることで、伝送効率を殆ど低下させることなく、同一平面上に送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０，１４０を配置することができる。

つぎに、図２１を参照して第４実施形態について説明する。第４実施形態では、図２１に示すように、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０，１４０が同一平面上に配置され、また、受電用カプラ１２０と中継用カプラ１５０が前述した平面と直交する平面上に配置されている。この例では、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離ｄ２２は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１４０と中継用カプラ１５０の間の距離ｄ２３は１９ｃｍとされ、中継用カプラ１５０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２４は１１ｃｍとされている。送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０及び中継用カプラ１３０、１４０、１５０は、各カプラの電極間に生じる電界を略平行とし、各カプラの２枚の電極間のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

図２２は図２１に示す第４実施形態のスミスチャートを示し、図２３は図２１に示す第４実施形態のＳパラメータの周波数特性を示している。図２２に示すように、図２１に示す第４実施形態では、直交する平面上に送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０を配置した場合であっても、３枚の中継用カプラ１３０〜１５０を用いることで、正規化された入力インピーダンスを略１にすることができる。このため、図２３に示すように、パラメータＳ１１を周波数１３．５６ＭＨｚにおいて０に近くなるようにするとともに、パラメータＳ２１を同周波数において１に近くなるように設定することができる。これにより、同周波数において、伝送効率η２１を約９５％程度にすることができる。つまり、第４実施形態では、３枚の中継用カプラ１３０〜１５０を用いることで、伝送効率を殆ど低下させることなく、直交する平面上に送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０を配置することができる。

つぎに、図２４を参照して第５実施形態について説明する。第５実施形態では、図２４に示すように、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０〜１５０が同一平面上に配置され、また、受電用カプラ１２０が送電用カプラ１１０または中継用カプラ１３０〜１５０のいずれかと対向配置される。図２４の例では、受電用カプラ１２０は、中継用カプラ１４０と対向配置されている。なお、送電用カプラ１１０と中継用カプラ１３０の間の距離ｄ２１は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離ｄ２２は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１４０と中継用カプラ１５０の間の距離ｄ２３は１１ｃｍとされ、中継用カプラ１４０と受電用カプラ１２０の間の距離ｄ２４は４０ｃｍとされている。送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０及び中継用カプラ１３０、１４０、１５０は、各カプラの電極間に生じる電界を略平行とし、各カプラの２枚の電極間のギャップのｘ方向の位置が略同じ場合に、最も効率良く電力伝送ができる。

なお、図２４に示す第５実施形態では、受電用カプラ１２０と対向する中継用カプラまたは送電用カプラ１１０に隣接する中継用カプラであって、送電用カプラ１１０から遠い側の中継用カプラが有するインダクタ１３３，１３４の他端同士は接続線１３５による接続が開放状態とされる。図２４の例では、受電用カプラ１２０は中継用カプラ１４０と対向配置されているので、隣接する中継用カプラ１３０，１５０のうち、送電用カプラ１１０から遠い側の中継用カプラ１５０の接続線１５５は開放状態とされる。このように、開放状態とするのはつぎのような理由に基づく。すなわち、図２７に示すように、接続線１５５を開放しない中継用カプラ１５０Ａを用いた場合、図２８に示すように、周波数１３．５６ＭＨｚにおける入力インピーダンスは正規化インピーダンスである１よりも大きい値となってしまうため、図２９に示すように、η２１が殆ど０％になることから、電力が受電用カプラ１２０に伝送されない。

そこで、第５実施形態では、中継用カプラ１５０の接続線１５５を開放状態にすることで、使用しない中継用カプラ１５０を無効化することができる。これにより、図２５に示すように、正規化インピーダンスを１に近づけることができるので、図２６に示すように、パラメータＳ１１を周波数１３．５６ＭＨｚにおいて０に近くなるようにするとともに、パラメータＳ２１を同周波数において１に近くなるように設定することができる。これにより、η２１を９２％にすることができる。

なお、受電用カプラ１２０が移動可能の場合には、受電用カプラ１２０の位置を検出するとともに、受電用カプラ１２０よりも左側（図２４の左側）に接続されている中継用カプラの接続線を、例えば、半導体スイッチまたは電磁リレー等によって開放状態にするようにしてもよい。例えば、受電用カプラ１２０が送電用カプラ１１０と対向する位置に存在する場合には、中継用カプラ１３０の接続線１３５を開放状態とし、受電用カプラ１２０が中継用カプラ１３０と対向する位置に存在する場合には、中継用カプラ１４０の接続線１４５を開放状態とし、受電用カプラ１２０が中継用カプラ１４０と対向する位置に存在する場合には、中継用カプラ１５０の接続線１５５を開放状態とすればよい。

つぎに、図３０を参照して第６実施形態について説明する。第５実施形態では、図３０に示すように、受電用カプラ１２０は、機材等の運搬車両であるフォークリフトの底面に配置される受電ユニット３００の底部に配置されている。図３０に示す矢印の方向にフォークリフトが移動すると、受電ユニット３００が移動するので、受電用カプラ１２０も移動する。このとき、中継用カプラ１３０〜１５０では、受電用カプラ１２０と対向する中継用カプラの右隣に位置する中継用カプラの接続線１３５を開放状態とする。このような構成によれば、図２４と同様の動作原理により、フォークリフトの位置が移動方向にずれた場合であっても少ない損失で充電を行うことができる。

つぎに、図３１〜４２を参照して第７実施形態について説明する。第７実施形態では、カプラ間の距離を調整することで、入力インピーダンスの整合を図り、伝送効率を高めることを目的とする。図３１は送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の距離を６０ｃｍに設定した場合の状態を示し、図３４は送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の距離を２０ｃｍに設定した場合の状態を示している。どちらも図５と同様に、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０は、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２の間に生じる電界と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２の間に生じる電界を平行とし、送電用カプラ１１０の２枚の電極１１１と１１２のギャップのｘ方向の位置と受電用カプラ１２０の２枚の電極１２１と１２２のギャップのｘ方向の位置を同じとしている。

図３２は図３１のスミスチャートを示し、図３３は図３１のＳパラメータの周波数特性を示している。図３２に示すように、図３１の例では正規化インピーダンスは周波数１３．５６ＭＨｚにおいて１よりも小さい０．１５程度の値となっている。図３３に示すようにη２１は最大で４５％となっている。図３５は図３４のスミスチャートを示し、図３６は図３４のＳパラメータの周波数特性を示している。図３５に示すように、図３４の例では正規化インピーダンスは周波数１３．５６ＭＨｚにおいて１よりも大きい７程度の値となっている。図３６に示すようにη２１は周波数１３．５６ＭＨｚにおいてが３３％となっている。このように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０が最適な距離である４０ｃｍからずれると、伝送効率が悪化する。

そこで、図３１の場合には図３７に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を中継用カプラ１３０，１４０に置換するとともに、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０をこれらの中継用カプラ１３０，１４０から５０ｃｍずつ離れた位置に配置している。図３８は図３７のスミスチャートを示し、図３９は図３７のＳパラメータの周波数特性を示している。図３８に示すように、図３７の構成によれば、周波数１３．５６ＭＨｚにおける正規化インピーダンスを略１にすることができる。また、図３９に示すようにη２１の最大値を９２％にすることができる。

また、図３４の場合には図４０に示すように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を中継用カプラ１３０，１４０に置換するとともに、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０をこれらの中継用カプラ１３０，１４０から２８ｃｍずつ離れた位置に配置している。図４１は図３９のスミスチャートを示し、図４２は図３９のＳパラメータの周波数特性を示している。図４１に示すように、図３９の構成によれば、周波数１３．５６ＭＨｚにおける正規化インピーダンスを略１にすることができる。また、図４２に示すようにη２１の最大値を９７％にすることができる。

以上に説明したように、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０の間に２つの中継用カプラ１３０，１４０を配置し、これらの距離を調整することで、入力インピーダンスが給電系と同じインピーダンスに整合させることで、伝送効率を高めることができる。

なお、図３７および図４０に示す実施形態では、２枚の中継用カプラ１３０，１４０を配置するようにしたが、３枚以上の中継用カプラを配置し、それぞれの位置を調整することでインピーダンス整合を行うようにしてもよい。

つぎに、図４３を参照して第８実施形態について説明する。第８実施形態では、送電用カプラ１１０が地側装置内に配置され、車両４００に受電用カプラ１２０が配置されている。また、地側装置の上面には中継用カプラ１３０が配置され、車両４００の底面には中継用カプラ１４０が配置されている。なお、送電用カプラ１１０には図示しない送電回路に接続される送電ケーブル１１７が接続され、また、受電用カプラ１２０には図示しない受電回路に接続される送電ケーブル１２７が接続されている。

第８実施形態では、車両４００が内蔵されている二次電池（不図示）を充電する場合には、中継用カプラ１３０の上に停車する。このとき、中継用カプラ１３０と中継用カプラ１４０の間の距離は、車種よって異なる。第７実施形態では、伝送効率が車種によって異なることを防ぐため、地側装置（送電装置）と、車両側に配置されている装置（受電装置）の間で、通信によって伝送効率が最大になるように、これらの距離が調整される。なお、伝送効率が最大になる距離を探索する方法としては、例えば、送電用カプラ１１０の入力インピーダンスが所望のインピーダンス（例えば、５０Ω）になるように調整するか、または、送電用カプラ１１０における反射が最小になるように調整すればよい。

以上の第８実施形態によれば、送電用カプラ１１０と受電用カプラ１２０を駆動装置によって駆動して位置を調整することにより、車種によらず、高い効率で電力を伝送して、車両に内蔵された二次電池を充電することができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極が同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、例えば、第１，２，５，６，７，８に示す実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極を対向配置するようにしたが、例えば、これらが図５に示すＸ方向またはＹ方向に多少ずれた状態で配置されるようにしてもよい。あるいは、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０が所定の角度だけ相対的に回転するように配置してもよい。

また、以上の各実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０の各電極を矩形形状としたが、矩形形状ではなく、円形または楕円形状であってもよい。あるいは、平板形状ではなく、湾曲したり、屈曲したりした形状であってもよいし、球形等の立体形状であってもよい。

また、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、および、中継用カプラ１３０〜１５０のインダクタについては、電極と接続線の間に挿入するようにしたが、これ以外の場所に挿入することも可能である。また、以上の実施形態では、送電用カプラ１１０、受電用カプラ１２０、中継用カプラ１３０〜１５０に対してそれぞれ２つずつのインダクタを設けるようにしたが、インダクタを１つずつ設けるようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、インダクタとしては、導体線を円柱状に巻回して構成するようにしたが、例えば、マイクロストリップラインで使用されるような、平面上を蛇行する形状を有するものや、平面上で螺旋形状を有するものによって構成するようにしてもよい。

１電力伝送システム
１０送電装置
１１，１２電極
１３，１４インダクタ
１５，１６接続線
１７交流電力発生部
２０受電装置
２１，２２電極
２３，２４インダクタ
２５，２６接続線
２７負荷
１１０送電用カプラ
１１１，１１２電極
１１３，１１４インダクタ
１１５，１１６接続線
１１８回路基板
１２０受電用カプラ
１２１，１２２電極
１２３，１２４インダクタ
１２５，１２６接続線
１２８回路基板
１３０〜１５０中継用カプラ
１３１，１３２，１４１，１４２，１５１，１５２電極
１３３，１３４，１４３，１４４，１５３，１５４インダクタ
１３５，１４５，１５５接続線
１３８，１４８，１５８回路基板

Claims

送電装置から受電装置に対して交流電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第１および第２電極と、
前記第１および第２電極と交流電力発生部の２つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第１および第２接続線と、
前記第１および第２電極と前記交流電力発生部の２つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第１インダクタと、を有し、
前記受電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第３および第４電極と、
前記第３および第４電極と負荷の２つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第３および第４接続線と、
前記第３および第４電極と前記負荷の２つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第２インダクタと、を有し、
前記送電装置と前記受電装置の間に少なくとも１つ配置され、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ／２π以下の長さを有する第５および第６電極と、
前記第５および第６電極の間に接続された第３インダクタと、を有する中継装置を備え、
前記中継装置は、前記送電装置および前記受電装置の間のインピーダンスを調整することにより前記送電装置の入力インピーダンスが所望の値になるようにする、
ことを特徴とする電力伝送システム。
前記中継装置を２つ有し、これら２つの中継装置と、前記送電装置および前記受電装置との間隔を調整することで前記入力インピーダンスが所望の値になるようにす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。
前記送電装置を構成する前記第１および前記第２電極、前記受電装置を構成する前記第３および前記第４電極、ならびに、前記中継装置を構成する前記第５および前記第６電極は、平板状の導体によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力伝送システム。
前記送電装置、前記中継装置、および、前記受電装置を構成する各電極が対向するとともに、平行になるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
前記送電装置および一の中継装置が地上側に配置され、前記受電装置および他の一の中継装置が車両に搭載され、前記２つの中継装置の位置を固定し、前記受電装置と前記送電装置の位置を調整することにより前記入力インピーダンスを調整することを特徴とする請求項４に記載の電力伝送システム。
前記送電装置、および、前記受電装置は、同一平面上に配置されるとともに、前記中継装置がこれらの中間の前記同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
前記送電装置、および、前記受電装置は、略直交する平面上に配置されるとともに、前記中継装置がこれらの中間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
前記送電装置、および、前記中継装置は、同一平面上に配置されるとともに、前記受電装置は前記送電装置または前記中継装置と電極同士が対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
前記受電装置は前記送電装置または前記中継装置と電極同士が対向する位置に配置され、前記受電装置と対向する中継装置または送電装置に隣接する中継装置であって、前記送電装置から遠い側の中継装置は前記第３インダクタンスによる電極同士の接続が開放状態にされることを特徴とする請求項８に記載の電力伝送システム。