送電装置、車両および電力伝送システム
【課題】送電器に同軸ケーブルを接続したとしても、外部に放射されるノイズを低減することができると共に、特定の部材が高温となることを抑制する。
【解決手段】送電装置は、間隔をあけて設けられた受電部２７に電力を非接触で送電する送電部２８と、送電部２８と間隔をあけて設けられ、送電部２８に電力を供給するコイルユニット２３と、コイルユニット２３に接続され、電源からの電力を供給する同軸ケーブル５０とを備え、同軸ケーブル５０は、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含み、コイルユニット２３は、送電部２８の周囲に配置される。
【解決手段】送電装置は、間隔をあけて設けられた受電部２７に電力を非接触で送電する送電部２８と、送電部２８と間隔をあけて設けられ、送電部２８に電力を供給するコイルユニット２３と、コイルユニット２３に接続され、電源からの電力を供給する同軸ケーブル５０とを備え、同軸ケーブル５０は、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含み、コイルユニット２３は、送電部２８の周囲に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置、車両および電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。
【０００３】
特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。そして、最近では非接触の充電方式においても各種の充電方式が提案されており、特に、共鳴現象を利用することで非接触で電力を伝送する技術が脚光を浴びている。
【０００４】
電磁共鳴を利用したワイヤレス電力伝送システムとしては、たとえば、特開２０１０−７３９７６号公報に記載されたワイヤレス電力伝送システムが挙げられる。このワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルを含む給電装置と、受電コイルを含む受電装置とを備える。そして、給電コイルと受電コイルとの間は、電磁共鳴によって電力の伝送がなされている。
【０００５】
なお、一般に、特開２００３−７９５９７号公報、特開２００８−６７８０７号公報および特開２００４−１２９６８９号公報に記載されているように、磁気共鳴撮像装置が従来から各種提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−７３９７６号公報
【特許文献２】特開２００３−７９５９７号公報
【特許文献３】特開２００８−６７８０７号公報
【特許文献４】特開２００４−１２９６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開２０１０−７３９７６号公報に記載されたワイヤレス電力伝送システムにおいては、電磁誘導コイルを用いて、送電コイルに電力を伝達している。電力伝送時には、電磁誘導コイルに電磁誘導による逆起電力による電圧が印加され、電磁誘導コイルを流れる電流は平衡状態の高周波電流となる。
【０００８】
通常の配線に高周波の電流を流したのでは、配線自体がアンテナとして機能し、配線の周囲に電磁波が形成され、配線がノイズの発生源となるおそれがある。
【０００９】
そこで、配線自体がノイズの発生源となることを抑制するために、電磁誘導コイルと電源とを接続する配線として、同軸ケーブルを採用することが考えられる。
【００１０】
この同軸ケーブルは、内側導体と、この内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体の外周に設けられた外側導体とを含み、外側導体はアースされる。
【００１１】
一般的に、同軸ケーブルの外側導体がアースされると、内側導体を電流が流れたとしても、当該電流による磁界が外部に漏れることが抑制される。
【００１２】
さらに、表面効果により、外側導体の内表面に電流が流れ、外側導体の外表面には電流が流れず、同軸ケーブルから電磁界が外部に放射されることが抑制されている。
【００１３】
このように電磁誘導コイル内を流れる電流は、電流が平衡状態となる一方で、同軸ケーブルは、上記のように不平衡状態となっている。
【００１４】
このため、単に、電磁誘導コイルに同軸ケーブルを接続して、電源からの電力を送電器に供給すると、同軸ケーブルの外側導体の外表面にコモンモード電流が流れる。コモンモード電流が流れると、同軸ケーブルから電磁波が放射され、ノイズの原因となる。
【００１５】
このようなコモンモード電流を抑制する手法として、バランを同軸ケーブルと、送電器との間に配置することが考えられる。一般的に、バランは、フェライトコアと、このフェライトコアに巻き回されたコイルとを含む。
【００１６】
その一方で、バランに高周波の電流が流れると、フェライトコアが加熱して高温となるという問題が生じる。
【００１７】
特開２００３−７９５９７号公報などに記載された磁気共鳴撮像装置は、核磁気共鳴を利用して、身体の断面画像などを撮像する装置である。核磁気共鳴とは、水や脂肪の水素原子に外部から強い磁界をかけると、電磁波のエネルギーが水素原子だけに吸収され、エネルギー状態が高いほうへ励起する。このような現象を核磁気共鳴という。
【００１８】
そして、励起した状態から元のエネルギ状態に戻る際に、水素原子の周囲に振動する磁場(電磁波)を発生する。元に戻るまでの時間(緩和時間)が組織やその状態、例えば正常細胞と癌細胞によって異なる。磁気共鳴撮像装置は、その情報を受信して、受信した情報に基づいてコンピュータによって画像化する。
【００１９】
このように、磁気共鳴撮像装置は、非接触で電力を伝送する電力伝送システムとは全く異なる技術分に属している。
【００２０】
特開２００３−７９５９７号公報などには、受電器に非接触で電力を送電する送電器に同軸ケーブルやバランを接続することについてすら記載されておらず、バランを接続することで、バランのコアが高温となることについて記載も示唆もされていない。
【００２１】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、送電器に同軸ケーブルを接続したとしても、外部に放射されるノイズを低減することができると共に、特定の部材が高温となることを抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る送電装置は、間隔をあけて設けられた受電部に電力を非接触で送電する送電部と、送電部と間隔をあけて設けられ、送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を第１コイルユニットに供給する供給ケーブルとを備える。
【００２３】
好ましくは、上記第１コイルユニットは、供給ケーブルに接続された第１コイルと、第１コイルに接続された第２コイルとを含む。上記第１コイルは、送電部の周囲に配置されると共に、電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して第２コイルに供給する。好ましくは、上記送電部は、送電コイルを含み、送電コイルと第１コイルとは互いに対向するように配置される。
【００２４】
好ましくは、上記送電コイルと第２コイルとは、互いに対向するように配置され、上記第１コイルを流れる電流方向と、第２コイルを流れる電流方向とを異ならせる。好ましくは、上記供給ケーブルは、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む。
【００２５】
好ましくは、上記第１コイルは、第１単位コイルと、第１単位コイルに接続された第２単位コイルと、第２単位コイルに接続された第３単位コイルとを含む。上記第２コイルは、第１端部および第２端部を含む。上記第１単位コイルは、内側導体に接続された第３端部と、第１端部に接続された第４端部とを含む。上記第２単位コイルは、第４端部に接続された第５端部と、外側導体に接続された第６端部とを含む。上記第３単位コイルは、第６端部に接続された第７端部と、第２端部に接続された第８端部とを含む。
【００２６】
好ましくは、上記第１単位コイルと、第２単位コイルと、第３単位コイルとは、互いに同軸上に配置される。好ましくは、上記第１単位コイルと、第２単位コイルと、第３単位コイルとは、同一形状とされる。
【００２７】
好ましくは、上記送電部は、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、受電部に電力を送電する。好ましくは、上記受電部と送電部との結合係数は、０．１以下である。好ましくは、上記送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数の１０％以下である。
【００２８】
本発明に係る車両は、間隔をあけて設けられた送電部から非接触で電力を受電する受電部と、受電部と間隔をあけて設けられ、受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、受電ケーブルに接続された変換器と、変換器に接続されたバッテリとを備える。上記第２コイルユニットは、受電ケーブルに接続された第３コイルと、第３コイルに接続された第４コイルとを含む。上記第３コイルは、受電部の周囲に配置されると共に、第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、変換器に供給する。
【００２９】
好ましくは、上記受電部は、受電コイルを含み、受電コイルと第３コイルとは互いに対向するように配置される。好ましくは、上記受電コイルと第４コイルとは、互いに対向するように配置される。上記第３コイルを流れる電流方向と、第４コイルを流れる電流方向とを異ならせる。好ましくは、上記受電ケーブルは、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む。
【００３０】
好ましくは、上記第３コイルは、第４単位コイルと、第４単位コイルに接続された第５単位コイルと、第５単位コイルに接続された第６単位コイルとを含む。上記第４コイルは、第９端部および第１０端部を含む。上記第４単位コイルは、内側導体に接続された第１１端部と、第９端部に接続された第１２端部とを含む。上記第５単位コイルは、第１２端部に接続された第１３端部と、外側導体に接続された第１４端部とを含む。上記第６単位コイルは、第１４端部に接続された第１５端部と、第１０端部に接続された第１６端部とを含む。
【００３１】
好ましくは、上記第４単位コイルと、第５単位コイルと、第６単位コイルとは、互いに同軸上に配置される。好ましくは、上記第４単位コイルと、第５単位コイルと、第６単位コイルとは、同一形状とされる。
【００３２】
好ましくは、上記受電部は、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて送電部から電力を受電する。好ましくは、上記受電部と送電部との結合係数は、０．１以下である。好ましくは、上記送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数の１０％以下である。
【００３３】
本発明に係る電力伝送システムは、受電部を含む車両と、送電装置とを備えた、電力伝送システムである。上記送電装置は、受電部に電力を非接触で送電する送電部と、送電部と間隔をあけて設けられ、送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を第１コイルユニットに供給する供給ケーブルとを備える。上記第１コイルユニットは、供給ケーブルに接続された第１コイルと、第１コイルに接続された第２コイルとを含む。上記第１コイルは、送電部の周囲に配置されると共に、電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して第２コイルに供給する。
【００３４】
本発明に係る電力伝送システムは、上記送電部を含む送電装置と、受電装置を含む車両とを備えた、電力伝送システムである。上記車両は、送電部から非接触で電力を受電する受電部と、受電部と間隔をあけて設けられ、受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、受電ケーブルに接続された変換器と、変換器に接続されたバッテリとを備える。上記第２コイルユニットは、受電ケーブルに接続された第３コイルと、第３コイルに接続された第４コイルとを含む。上記第３コイルは、受電部の周囲に配置されると共に、第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、変換器に供給する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る送電装置、車両および電力伝送システムによれば、同軸ケーブルから放射されるノイズを低減することができると共に、特定の部位が高温となることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態１に係る受電装置と、送電装置と、電力伝送システムとを模式的に示す模式図である。
【図２】電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。
【図３】シミュレーション結果をしめすグラフである。
【図４】固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイルに供給される電流の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図５】電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。
【図６】送電部２８の構成を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６に示すコイルユニット２３および交流電源２１などを示す電気回路図である。
【図８】コイルユニット１２およびバッテリ１５などを示す電気回路図である。
【図９】図６に示す送電部２８の変形例を示す模式図である。
【図１０】図８に示す送電装置４１が採用された電力伝送システムを示す図である。
【図１１】比較例としての電力伝送システムを模式的に示す模式図である。
【図１２】図１１に示す比較例としての電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【図１３】図１０に示す電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１から図１３を用いて、本発明の実施の形態に係る受電装置と送電装置と、この送電装置および受電装置を含む電力伝送システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係る受電装置と、送電装置と、電力伝送システムとを模式的に示す模式図である。
【００３８】
本実施の形態１に係る電力伝送システムは、受電装置４０を含む電動車両１０と、送電装置４１を含む外部給電装置２０とを有する。電動車両１０の受電装置４０は、送電装置４１が設けられた駐車スペース４２の所定位置に停車して、主に、送電装置４１から電力を受電する。
【００３９】
駐車スペース４２には、電動車両１０を所定の位置に停車するように、輪止やラインが設けられている。
【００４０】
外部給電装置２０は、交流電源２１に接続された高周波電力ドライバ２２と、高周波電力ドライバ２２などの駆動を制御する制御部２６と、この高周波電力ドライバ２２に接続された同軸ケーブル５０と、同軸ケーブル５０に接続された送電装置４１とを含む。送電装置４１は、送電部２８と、コイルユニット２３とを含む。送電部２８は、共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４に接続されたキャパシタ２５とを含む。コイルユニット２３は、高周波電力ドライバ２２に電気的に接続されている。なお、この図１に示す例においては、キャパシタ２５が設けられているが、キャパシタ２５は必ずしも必須の構成ではない。
【００４１】
送電部２８は、共鳴コイル２４のインダクタンスＬと、共鳴コイル２４の浮遊容量およびキャパシタ２５のキャパシタンスとから形成された電気回路を含む。
【００４２】
電動車両１０は、受電装置４０と、受電装置４０に接続された整流器１３と、この整流器１３に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続されたバッテリ１５と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ（Power Control Unit））１６と、このパワーコントロールユニット１６に接続されたモータユニット１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４やパワーコントロールユニット１６などの駆動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両１０は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、電気自動車や燃料電池車両も含む。
【００４３】
整流器１３は、コイルユニット１２に接続されており、コイルユニット１２から供給される交流電流を直流電流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給する。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、整流器１３から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ１５に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置２０にインピーダンスを整合するための整合器を設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の代用をすることができる。
【００４５】
パワーコントロールユニット１６は、バッテリ１５に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ１５から供給される直流電流を調整（昇圧）して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット１７に供給する。
【００４６】
モータユニット１７は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット１６のインバータから供給される交流電流によって駆動する。
【００４７】
なお、電動車両１０がハイブリッド車両の場合には、電動車両１０は、エンジン、動力分割機構とをさらに備え、モータユニット１７は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。
【００４８】
受電装置４０は、受電部２７と、コイルユニット１２とを含む。受電部２７は、共鳴コイル１１とキャパシタ１９とを含む。共鳴コイル１１は浮遊容量を有する。このため、受電部２７は、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスとによって形成された電気回路を有する。
【００４９】
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８の固有周波数と、受電部２７の固有周波数との差は、受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％以下である。このような範囲に各送電部２８および受電部２７の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％より小さくなり、バッテリ１５の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。
【００５０】
ここで、送電部２８の固有周波数とは、キャパシタ２５が設けられていない場合には、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ２５が設けられた場合には、送電部２８の固有周波数とは、共鳴コイル２４およびキャパシタ２５のキャパシタンスと、共鳴コイル２４のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部２８の共振周波数とも呼ばれる。
【００５１】
同様に、受電部２７の固有周波数とは、キャパシタ１９が設けられていない場合には、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ１９が設けられた場合には、受電部２７の固有周波数とは、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスと、共鳴コイル１１のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部２７の共振周波数とも呼ばれる。
【００５２】
図２および図３を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図２は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システム８９は、送電装置９０と、受電装置９１とを備え、送電装置９０は、電磁誘導コイル９２と、送電部９３とを含む。送電部９３は、共鳴コイル９４と、共鳴コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。
【００５３】
受電装置９１は、受電部９６と、電磁誘導コイル９７とを備える。受電部９６は、共鳴コイル９９とこの共鳴コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。
【００５４】
共鳴コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。共鳴コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、送電部９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、受電部９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。
【００５５】
ｆ１＝１／{２π（Ｌｔ×Ｃ１）1/2}・・・（１）
ｆ２＝１／{２π（Ｌｒ×Ｃ２）1/2}・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、送電部９３および受電部９６の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図３に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共鳴コイル９４および共鳴コイル９９の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部９３に供給される電流の周波数は一定である。
【００５６】
図３に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記式（３）によって示される。
【００５７】
（固有周波数のズレ）＝{（ｆ１−ｆ２）／ｆ２}×１００（％）・・・（３）
図３からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が±０％の場合には、電力伝送効率は、１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は、４０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は、１０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は、５％となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、受電部９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が受電部９６の固有周波数の５％以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（JMAG（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。
【００５８】
次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
コイルユニット２３には、高周波電力ドライバ２２から交流の電力が供給される。コイルユニット２３に所定の交流電流が流れると、電磁誘導によって共鳴コイル２４にも交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように、コイルユニット２３に電力が供給されている。
【００５９】
共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れると、共鳴コイル２４の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。
【００６０】
共鳴コイル１１は、共鳴コイル２４から所定範囲内に配置されており、共鳴コイル１１は共鳴コイル２４の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。
【００６１】
本実施の形態においては、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、共鳴コイル１１の周囲には、特定の周波数で振動する磁界が主に形成され、共鳴コイル２４は当該磁界から電力を受け取る。
【００６２】
ここで、共鳴コイル２４の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と共鳴コイル２４に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数との関係について説明する。共鳴コイル２４から共鳴コイル１１に電力を伝送するときの電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２８および受電部２７の固有周波数（共振周波数）を固有周波数ｆ０とし、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を周波数ｆ３とし、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。
【００６３】
図４は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。
【００６４】
図４に示すグラフにおいて、横軸は、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。
【００６５】
たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第１の手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、図１に示す共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を一定として、キャパシタ２５やキャパシタ１９のキャパシタンスを変化させることで、送電部２８と受電部２７との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２５およびキャパシタ１９のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ１４を利用する手法などを採用することもできる。
【００６６】
また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図４において、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、共鳴コイル２４には周波数が周波数ｆ４または周波数ｆ５の電流を共鳴コイル２４を供給する。そして、周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数が周波数ｆ６の電流を共鳴コイル２４に供給する。この場合では、エアギャップＡＧの大きさに合わせて共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数を変化させることになる。
【００６７】
第１の手法では、共鳴コイル２４を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、共鳴コイル２４を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が共鳴コイル２４に供給される。共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部２７は、受電部２７と送電部２８の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２８から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する場合がある。
【００６８】
なお、本実施の形態では、共鳴コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共鳴コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が共鳴コイル２４の周囲に形成される。そして、この電界をとおして、送電部２８と受電部２７との間で電力伝送が行われる。
【００６９】
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。
【００７０】
図５は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図５を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電界」と「誘導電界」と「静電界」との強さが略等しくなる距離は、λ／2πとあらわすことができる。
【００７１】
「静電界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電界」が支配的な近接場において、同じ固有周波数を有する送電部２８および受電部２７（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２８から他方の受電部２７へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電界」によってエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。
【００７２】
このように、本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８と受電部２７とを電磁界によって共振させることで送電装置４１から受電装置４０に電力を送電している。そして、送電部２８と受電部２７との間の結合係数（κ）は、０．１以下である。なお、一般的に電磁誘導を利用した電力伝送では、送電部と受電部と間の結合係数（κ）は１．０に近いものとなっている。
【００７３】
本実施の形態の電力伝送における送電部２８と受電部２７との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」または「電界（電場）共振結合」という。
【００７４】
「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。
【００７５】
本明細書中で説明した送電部２８の共鳴コイル２４と受電部２７の共鳴コイル１１とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部２８と受電部２７とは主に、磁界によって結合しており、送電部２８と受電部２７とは、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」している。
【００７６】
なお、共鳴コイル２４，１１として、たとえば、メアンダラインなどのアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部２８と受電部２７とは主に、電界によって結合している。このときには、送電部２８と受電部２７とは、「電界（電場）共振結合」している。
【００７７】
図６は、送電部２８および受電部２７の構成を模式的に示す斜視図である。この図６に示すように、送電部２８のコイルユニット２３には、同軸ケーブル５０が接続されている。同軸ケーブル５０は、内側導体５１と、内側導体５１の外周を被覆する絶縁体５２と、絶縁体の外周を覆うように形成された外側導体５３と、外側導体５３の外周を覆うように形成された保護被膜（シース）５４とを含む。内側導体５１は、高周波電力ドライバ２２に接続されており、外側導体５３は、アースされている。このため、外側導体５３の電位は０Ｖとされている。その一方で、内側導体５１には、たとえば、０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）（Ａ：正の数）の電圧が印加されている。
【００７８】
コイルユニット２３は、共鳴コイル２４の周囲に配置され、コイル線を複数巻回して形成されたコイル６０と、このコイル６０に接続されたコイル６１とを含む。コイル６０は、単位コイル６２と、単位コイル６２に接続された単位コイル６３と、単位コイル６３に接続された単位コイル６４とを含む。
【００７９】
単位コイル６２の巻数と、単位コイル６３の巻数と、単位コイル６４の巻数とは、いずれも、１巻とされており、各単位コイルの巻数は一致している。そして、単位コイル６２と、単位コイル６３と、単位コイル６４とは、いずれも、同軸上に配置されており、単位コイル６２と単位コイル６３と単位コイル６４の巻径は、いずれも、一致している。すなわち、単位コイル６２と、単位コイル６３と、単位コイル６４とは互いに同一形状ある。このため、各単位コイル６２〜６４を通る磁束は共通する。
【００８０】
コイル６１は、この図６に示す例においては、略１巻に形成されている。このコイル６１は、端部６５および端部６６を含む。単位コイル６２は、同軸ケーブル５０の内側導体５１に接続された端部６７と、コイル６１の端部６５に接続された端部６８とを含む。
【００８１】
単位コイル６３は、単位コイル６２の端部６８に接続された端部６９と、同軸ケーブル５０の外側導体５３に接続された端部７０とを含む。単位コイル６４は、単位コイル６３の端部７０に接続された端部７１と、コイル６１の端部６６に接続された端部７２とを含む。
【００８２】
受電部２７のコイルユニット１２には、同軸ケーブル１５０が接続されている。同軸ケーブル１５０は、内側導体１５１と、内側導体１５１の外周を被覆する絶縁体１５２と、絶縁体の外周を覆うように形成された外側導体１５３と、外側導体１５３の外周を覆うように形成された保護被膜（シース）１５４とを含む。内側導体１５１は、整流器１３に接続されており、外側導体１５３は、アースされている。このため、外側導体１５３の電位は０Ｖとされている。
【００８３】
コイルユニット１２は、共鳴コイル２７の周囲に配置され、コイル線を複数巻回して形成されたコイル１６０と、このコイル１６０に接続されたコイル１６１とを含む。コイル１６０は、単位コイル１６２と、単位コイル１６２に接続された単位コイル１６３と、単位コイル１６３に接続された単位コイル１６４とを含む。
【００８４】
単位コイル１６２の巻数と、単位コイル１６３の巻数と、単位コイル１６４の巻数とは、いずれも、１巻とされており、各単位コイルの巻数は一致している。そして、単位コイル１６２と、単位コイル１６３と、単位コイル１６４とは、いずれも、同軸上に配置されており、単位コイル１６２と単位コイル１６３と単位コイル１６４の巻径は、いずれも、一致している。すなわち、単位コイル１６２と、単位コイル１６３と、単位コイル１６４とは互いに同一形状ある。
【００８５】
コイル１６１は、この図６に示す例においては、略１巻に形成されている。このコイル１６１は、端部１６５および端部１６６を含む。単位コイル１６２は、同軸ケーブル１５０の内側導体１５１に接続された端部１６７と、コイル１６１の端部１６５に接続された端部１６８とを含む。
【００８６】
単位コイル１６３は、単位コイル１６２の端部１６８に接続された端部１６９と、同軸ケーブル１５０の外側導体１５３に接続された端部１７０とを含む。単位コイル１６４は、単位コイル１６３の端部１７０に接続された端部１７１と、コイル１６１の端部１６６に接続された端部１７２とを含む。
【００８７】
上記のように構成された送電部２８および受電部２７を用いて、電力を伝送するときに、各コイルに流れる電流などについて説明する。
【００８８】
図７は、図６に示すコイルユニット２３および交流電源２１などを示す電気回路図である。ここで、コイル６０に交流電源２１からの交流電流が供給されると、電磁誘導によってコイル６０に誘導起電力が生じ、各単位コイル６２〜６４は、所定の範囲内で電位が変動する。
【００８９】
そこで、各単位コイル６２〜６４の電位変動について説明する。この図７および図６において、交流電源２１から、たとえば、０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）の電圧の不平衡電流がコイルユニット２３に供給されると、単位コイル６２の端部６７と、単位コイル６３の端部７０との間は、電圧が０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）で変動する。
【００９０】
さらに、単位コイル６３と単位コイル６４とは同軸上に配置されており、単位コイル６３の巻数と、単位コイル６４の巻数とは一致している。このため、単位コイル６３の端部７０と端部６９の間に生じる電位差と、単位コイル６４の端部７１と端部７２の間に生じる電位差は等しくなる。
【００９１】
単位コイル６４の端部７１は、アースされているので、単位コイル６４の端部７１と端部７２との間には、電圧が−Ａ／２（Ｖ）〜０（Ｖ）の範囲で変動する。
【００９２】
そして、コイル６１の端部６６は、端部７２に接続されており、端部６５は端部６９に接続されているため、コイル６１には、電圧が−Ａ／２（Ｖ）〜Ａ／２（Ｖ）の範囲で振動する交流電流が流れることになる。
【００９３】
この図７においては、模式的にコイル６１を中央部で２つのコイル６１ａとコイル６１ｂとに分割している。そして、コイル６１の長さ方向の中央部を中央部Ｃとすると、この中央部Ｃの電位は０（Ｖ）となる。このように、コイル６０は、交流電源２１からの不平衡な電流を平衡な電流に変換してコイル６１に供給している。
【００９４】
その一方で、単位コイル６２および単位コイル６３を一体のコイルとしてみると、当該コイルの端部６７は、−Ａ（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）の電圧が印加され、他方の端部７０は０（Ａ）とされている。このため、単位コイル６２および単位コイル６３から形成されたコイルには、不平衡な電流が流れており、同軸ケーブル５０は当該コイルに接続されているため、外側導体５３にコモンモード電流が流れることが抑制されている。
【００９５】
このように、同軸ケーブル５０の外側導体５３にコモンモード電流が流れることが抑制されているので、同軸ケーブル５０から外部に向けてノイズが放射されることが抑制されている。
【００９６】
図６において、送電部２８は、多層巻のコイルが採用されている。そして、コイル６０は、送電部２８の周囲に配置されている。電力伝送時において、送電部２８の周囲にはエバネッセント場（近傍場）が形成されている。
【００９７】
ここで、単位コイル６２〜６４の電位は誘導起電力によって決まるものであり、当該誘電起電力はコイル６０をとおる磁束量によって決まるものである。
【００９８】
本実施の形態においては、コイル６０は、送電部２８の周囲に配置されているため、エネルギの高いエバネッセント場から多くの磁力線が供給されやすくなっている。
【００９９】
このため、交流電源２１から供給される電位変動に合わせて、多量の磁力線がコイル６０をとおり、コイル６０に良好に誘電起電力が発生する。特に、コイル６０と、共鳴コイル２４とは、コイル６０の巻回中心線と、送電装置４１の共鳴コイル２４の巻回中心線とが一致するように同軸上に配置されており、コイル６０と共鳴コイル２４とは互いに対向するように配置されている。このため、送電装置４１の周囲に形成されるエバネッセント場からコイル６０に良好に磁束が供給される。
【０１００】
このため、コイル６０にフェライトコアを挿入していない状態においても、コイル６０に誘電起電力を生じさせることができ、フェライトコアを省略することができる。これに伴い、フェライトコアが高温となる等の弊害が発生することがない。
【０１０１】
このように、コイル６０に誘電起電力が発生することで、コイル６０には、電流Ｉ１が流れる。コイル６１はコイル６０に接続されており、コイル６０にも電流Ｉ２が流れる。ここで、本実施の形態においては、コイル６１とコイル６０とが互いに対向し、コイル６１と共鳴コイル２４とが互いに対向するように、共鳴コイル２４、コイル６１およびコイル６０が同軸上に配置されている。ここで、図６において、コイル６１の端部６５は、正の電位が印加され、端部６６には負の電位が印加されるため、電流Ｉ２の流れる方向と、電流Ｉ１の流れる方向とは反対方向となる。
【０１０２】
このため、コイル６１から放射される磁力線の方向と、コイル６０から放射される磁力線の方向とは反対方向となり、コイルユニット２３から共鳴コイル２４に向けて放射される磁束量は、コイル６０からの磁束量からコイル６１からの磁束量を引いたものとなる。
【０１０３】
換言すれば、コイル６１の巻数を調整することで、送電部２８に供給する磁束量を調整することができ、送電側のインピーダンスを調整することができる。
【０１０４】
これにより、車両の受電側のインピーダンスと、送電側のインピーダンスとの整合を図ることができ、送電装置４１から受電装置４０に電力を伝送するときの伝送効率を高めることができる。
【０１０５】
図６において、コイルユニット２３から共鳴コイル２４に向けて放射される磁束の変動は、コイルユニット２３に供給される電流の周波数によって決まる。コイルユニット２３から共鳴コイル２４に放射される磁束が変化することで、共鳴コイル２４に誘電起電力が生じる。これにより、共鳴コイル２４に交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４内を流れる交流電流の周波数は、電力伝送効率が高くなる特定の周波数である。
【０１０６】
このように、共鳴コイル２４に特定の周波数の交流電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、周波数が特定の周波数の磁界が形成される。そして、受電部２７（共鳴コイル１１）が当該磁界から電力を受け取る。共鳴コイル１１には、特定の周波数の交流電流が流れる。
【０１０７】
共鳴コイル１１に交流電流が流れると、共鳴コイル１１からコイルユニット１２に向けて流れる磁束が変化する。これにより、コイル１６１〜１６４の各々に電流が流れる。
【０１０８】
図８は、コイルユニット１２およびバッテリ１５などを示す電気回路図である。図８において、コイル１６１の長さ方向の中央部を中央部Ｃ１とする。この図８においては、模式的に、コイル１６１は、中央部Ｃ１において、コイル１６１ａとコイル１６１ｂとに分割している。
【０１０９】
共鳴コイル１１から磁束の変化によって、コイル１６１に誘導起電力が生じる。誘導起電力によって、コイル１６１内を流れる電流は、平衡電流であり、端部１６６および端部１６５の間には、−Ｂ（Ｖ）〜Ｂ（Ｖ）の間の電圧が印加される。中央部Ｃ１の電位は、０Ｖである。
【０１１０】
ここで、単位コイル１６４および単位コイル１６３は、コイル１６１と並行に接続されているため、単位コイル１６４の端部１７２と、単位コイル１６３の端部１６９との間にも、−Ｂ（Ｖ）〜Ｂ（Ｖ）の間の電圧が印加される。
【０１１１】
単位コイル１６３と単位コイル１６４とは同じ形状のコイルであるため、各単位コイルに印加される電圧が等しくなる。単位コイル１６３の端部１７０は、アースされているため、単位コイル１６３の端部１７０および端部１６９の間の電位差は、Ｂ（Ｖ）となる。
【０１１２】
ここで、単位コイル１６２と単位コイル１６３とは、同一のコイルであるため、単位コイル１６２の端部１６８および端部１６７の間の電位差もＢ（Ｖ）となる。
【０１１３】
単位コイル１６３の端部１７０は０Ｖであるため、単位コイル１６２および単位コイル１６３を一体のコイルと見なすと、当該コイルには、０（Ｖ）〜２Ｂ（Ｖ）の不平衡電流が流れる。
【０１１４】
そして、この不平衡電流が整流器１３およびコンバータ１４に供給される。整流器１３は、不平衡の電力を直流の電力に変換して、バッテリ１５を充電する。なお、外側導体１５３には、０（Ｖ）が印加されているため、外側導体１５３にコモンモード電流が流れることが抑制されている。このため、図６に示す同軸ケーブル１５０からもノイズが発生することが抑制されている。
【０１１５】
図６において、コイル１６０は、受電部２７の周囲に配置されている。電力伝送時には、受電部２７の周囲にも、エネルギの高いエバネッセント場が形成されている。コイル１６０は、受電部２７の周囲に配置されているため、エバネッセント場から良好に磁束が供給される。これにより、各単位コイル１６２〜単位コイル１６４が機能し、コイル１６０が平衡電流を不平衡電流に変換するバランとして機能する。このため、コイル１６０においても、フェライトコアを省略することができる。
【０１１６】
さらに、コイル１６１と、コイル１６０とは、互いに対向するように配置されている。これにより、たとえば、コイル１６１の巻き数などを調整することで、受電部２７側のインピーダンスを調整することができる。これにより、車両側のインピーダンスと、送電側のインピーダンスとの整合を取ることができる。
【０１１７】
図９は、図６に示す送電部２８の変形例を示す模式図である。この図９に示す例においては、コイル６１は２巻程度とされている。これにより、コイルユニット２３から送電部２８に供給される磁束量は、図６に示すコイルユニット２３から送電部２８に供給される磁束量から変化する。
【０１１８】
この図９に示す例においては、コイル６１の巻数を変更することで、送電側のインピーダンスを変化させているが、当然のことながら、図６に示すコイル６０の巻数およびコイル６１の巻数をそれぞれ整数倍させることでも送電側のインピーダンスを調整することができる。
【０１１９】
図１０は、図８に示す送電装置４１が採用された電力伝送システムを示す。図１０に示す電力伝送システムは、送電部２８とコイルユニット２３とを含む送電装置４１と、この送電装置４１と実質的に同じ構成の受電装置４０とを備える。受電装置４０には同軸ケーブル９０が接続されており、受電装置４０は、コイルユニット８０と、受電器２７とを含む。
【０１２０】
同軸ケーブル９０は、内側導体９１と、この内側導体９１の外周面を覆うように形成された絶縁体９２と、絶縁体９２の外周面上に形成された外側導体９３と、外側導体９３の外周面を覆う保護被膜９４とを含む。
【０１２１】
受電器２７は、複数巻された共鳴コイル１１と、共鳴コイル１１の両端部に接続されたキャパシタ１９とを含む。受電器２７の固有振動数と、送電部２８の固有振動数とは一致している。
【０１２２】
コイルユニット８０は、コイル８１と、コイル８１および同軸ケーブル９０に接続されたコイル８５とを含む。コイル８１の巻数も、コイル６１と同様に略２巻とされている。
【０１２３】
コイル８５は、コイル６０と実質的に同一の構成となっている。具体的には、コイル８５は、単位コイル８２と、単位コイル８３と、単位コイル８４とを含む。単位コイル８２の一端は、外側導体９３に接続されており、単位コイル８２の他方の端部は、コイル８１の一方の端部に接続されている。そして、単位コイル８２とコイル８１との接続部には、単位コイル８３の一方の端部が接続されている。
【０１２４】
単位コイル８３の他方の端部には内側導体９１が接続されている。この単位コイル８３の他方の端部には、単位コイル８４の一方の端部が接続されている。単位コイル８４の他方の端部には、コイル８１の他方の端部が接続されている。なお、単位コイル８２〜８４の巻数は、いずれも、１巻とされている。
【０１２５】
そして、同軸ケーブル９０および受電装置４０のインピーダンスと、同軸ケーブル５０および送電装置４１のインピーダンスとが実質的に一致している。
【０１２６】
図１１は、比較例としての電力伝送システムを模式的に示す模式図である。この図１１に示す比較例は、送電装置８６と、受電装置８７とを含む。送電装置８６は、コイル９５と、共鳴器９６とを含む。共鳴器９６は、図１０に示す送電部２８と同じ構成とされている。コイル９５は、略１巻のコイルであって、電源から電力を電磁誘導で共鳴器９６に供給する。
【０１２７】
受電装置８７は、共鳴器９７と、コイル９８とを含む。共鳴器９７は、図１０に示す受電器２７と同じ構成となっている。コイル９８は、略１巻のコイルであり、共鳴器９７が受電した電力を電磁誘導で受電する。
【０１２８】
図１２は、図１１に示す比較例としての電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。図１３は、図１０に示す電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【０１２９】
なお、図１２および図１３において、横軸は供給される電力の周波数ｆを示す。縦軸は、電力伝送効率Ｓ１１（ｄＢ）を示す。
【０１３０】
図１２に示すように、比較例の電力伝送システムは、周波数ｆ１および周波数ｆ２のときに電力で伝送効率が最大となる。図１０に示す電力伝送システムは、周波数ｆ３および周波数ｆ４のときに電力伝送効率が最大となる。
【０１３１】
さらに、比較例の電力伝送システムの電力伝送効率の最大値と、図１０に示す電力伝送システムの電力伝送効率の最大値は、略一致している。
【０１３２】
このため、図１０に示す電力伝送システムと、比較例の電力伝送システムとは、電力伝送効率がピークとなるときの周波数が互いにずれていることがわかる。
【０１３３】
換言すれば、図１０に示すように、コイルユニット２３およびコイルユニット８０を採用することで、送電効率のピーク値を維持しつつも、送電側および受電側のインピーダンスを変更することができることがわかる。
【０１３４】
さらに、コイルユニット２３およびコイルユニット８０を採用することで、同軸ケーブル９０および同軸ケーブル５０からノイズが放射されることを抑制することができる。なお、本実施の形態においては、共鳴コイル２４と、コイル６１と、コイル６０とがいずれも、同軸上に配置されている例について説明しているが、コイル６０が、送電装置４１およびコイル６１と同軸上に配置されている必要はない。
【０１３５】
たとえば、図９において、コイル６１と共鳴コイル２４とを同軸上に対向配置する一方で、コイル６０を送電装置４１の側方に配置するようにしてもよい。この場合には、コイル６１と、共鳴コイル２４とが同軸上に配置されているので、共鳴コイル２４とコイル６１とが良好に電磁誘導によって結合する。その一方で、コイル６０には、共鳴コイル２４の周囲に形成されるエバネッセント場から良好に磁束が供給される。これにより、コイル６０は、交流電源２１から供給される不平衡電流を良好に平衡電流に変換して、コイル６１に供給することができる。
【０１３６】
さらに、本実施の形態においては、送電装置４１および受電装置４０に同軸ケーブルが採用された例について説明したが、同軸ケーブルにかえて、平行線路、ストリップライン（Stripline）やマイクロストリップラインなども採用することができる。なお、整流器１３が平衡電流を変換して、バッテリ１５を充電する場合には、受電装置４０にコイルユニット１２を採用せずに、電磁誘導コイルを採用することができる。この場合には、同軸ケーブル１５０にかえて、ツイストケーブルなどを採用することができる。
【０１３７】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、送電装置、車両および電力伝送システムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１０ 電動車両、１１，２４ 共鳴コイル、１２ 電磁誘導コイル、１３ 整流器、１４ コンバータ、１５ バッテリ、１６ パワーコントロールユニット、１７ モータユニット、１９，２５ キャパシタ、２０ 外部給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２３，８０ コイルユニット、２６ 制御部、２７ 受電器、２８ 送電部、３１ 高周波電源、３２ 一次コイル、３３ 一次共鳴コイル、３４ 二次共鳴コイル、３５ 二次コイル、３６ 負荷、４０，８７ 受電装置、４１，８６ 送電装置、４２ 駐車スペース、５０，９０ 同軸ケーブル、５１，９１ 内側導体、５２，９２ 絶縁体、５３，９３ 外側導体、６０，６１，８１，８５，９５，９８ コイル、６２，６３，６４，８２，８３，８４ 単位コイル、６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２ 端部、９４ 保護被膜、９６，９７ 共鳴器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電装置、車両および電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮からバッテリなどの電力を用いて駆動輪を駆動させるハイブリッド車両や電気自動車などが着目されている。
【０００３】
特に近年は、上記のようなバッテリを搭載した電動車両において、プラグなどを用いずに非接触でバッテリを充電可能なワイヤレス充電が着目されている。そして、最近では非接触の充電方式においても各種の充電方式が提案されており、特に、共鳴現象を利用することで非接触で電力を伝送する技術が脚光を浴びている。
【０００４】
電磁共鳴を利用したワイヤレス電力伝送システムとしては、たとえば、特開２０１０−７３９７６号公報に記載されたワイヤレス電力伝送システムが挙げられる。このワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルを含む給電装置と、受電コイルを含む受電装置とを備える。そして、給電コイルと受電コイルとの間は、電磁共鳴によって電力の伝送がなされている。
【０００５】
なお、一般に、特開２００３−７９５９７号公報、特開２００８−６７８０７号公報および特開２００４−１２９６８９号公報に記載されているように、磁気共鳴撮像装置が従来から各種提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−７３９７６号公報
【特許文献２】特開２００３−７９５９７号公報
【特許文献３】特開２００８−６７８０７号公報
【特許文献４】特開２００４−１２９６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開２０１０−７３９７６号公報に記載されたワイヤレス電力伝送システムにおいては、電磁誘導コイルを用いて、送電コイルに電力を伝達している。電力伝送時には、電磁誘導コイルに電磁誘導による逆起電力による電圧が印加され、電磁誘導コイルを流れる電流は平衡状態の高周波電流となる。
【０００８】
通常の配線に高周波の電流を流したのでは、配線自体がアンテナとして機能し、配線の周囲に電磁波が形成され、配線がノイズの発生源となるおそれがある。
【０００９】
そこで、配線自体がノイズの発生源となることを抑制するために、電磁誘導コイルと電源とを接続する配線として、同軸ケーブルを採用することが考えられる。
【００１０】
この同軸ケーブルは、内側導体と、この内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体の外周に設けられた外側導体とを含み、外側導体はアースされる。
【００１１】
一般的に、同軸ケーブルの外側導体がアースされると、内側導体を電流が流れたとしても、当該電流による磁界が外部に漏れることが抑制される。
【００１２】
さらに、表面効果により、外側導体の内表面に電流が流れ、外側導体の外表面には電流が流れず、同軸ケーブルから電磁界が外部に放射されることが抑制されている。
【００１３】
このように電磁誘導コイル内を流れる電流は、電流が平衡状態となる一方で、同軸ケーブルは、上記のように不平衡状態となっている。
【００１４】
このため、単に、電磁誘導コイルに同軸ケーブルを接続して、電源からの電力を送電器に供給すると、同軸ケーブルの外側導体の外表面にコモンモード電流が流れる。コモンモード電流が流れると、同軸ケーブルから電磁波が放射され、ノイズの原因となる。
【００１５】
このようなコモンモード電流を抑制する手法として、バランを同軸ケーブルと、送電器との間に配置することが考えられる。一般的に、バランは、フェライトコアと、このフェライトコアに巻き回されたコイルとを含む。
【００１６】
その一方で、バランに高周波の電流が流れると、フェライトコアが加熱して高温となるという問題が生じる。
【００１７】
特開２００３−７９５９７号公報などに記載された磁気共鳴撮像装置は、核磁気共鳴を利用して、身体の断面画像などを撮像する装置である。核磁気共鳴とは、水や脂肪の水素原子に外部から強い磁界をかけると、電磁波のエネルギーが水素原子だけに吸収され、エネルギー状態が高いほうへ励起する。このような現象を核磁気共鳴という。
【００１８】
そして、励起した状態から元のエネルギ状態に戻る際に、水素原子の周囲に振動する磁場(電磁波)を発生する。元に戻るまでの時間(緩和時間)が組織やその状態、例えば正常細胞と癌細胞によって異なる。磁気共鳴撮像装置は、その情報を受信して、受信した情報に基づいてコンピュータによって画像化する。
【００１９】
このように、磁気共鳴撮像装置は、非接触で電力を伝送する電力伝送システムとは全く異なる技術分に属している。
【００２０】
特開２００３−７９５９７号公報などには、受電器に非接触で電力を送電する送電器に同軸ケーブルやバランを接続することについてすら記載されておらず、バランを接続することで、バランのコアが高温となることについて記載も示唆もされていない。
【００２１】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、送電器に同軸ケーブルを接続したとしても、外部に放射されるノイズを低減することができると共に、特定の部材が高温となることを抑制することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る送電装置は、間隔をあけて設けられた受電部に電力を非接触で送電する送電部と、送電部と間隔をあけて設けられ、送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を第１コイルユニットに供給する供給ケーブルとを備える。
【００２３】
好ましくは、上記第１コイルユニットは、供給ケーブルに接続された第１コイルと、第１コイルに接続された第２コイルとを含む。上記第１コイルは、送電部の周囲に配置されると共に、電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して第２コイルに供給する。好ましくは、上記送電部は、送電コイルを含み、送電コイルと第１コイルとは互いに対向するように配置される。
【００２４】
好ましくは、上記送電コイルと第２コイルとは、互いに対向するように配置され、上記第１コイルを流れる電流方向と、第２コイルを流れる電流方向とを異ならせる。好ましくは、上記供給ケーブルは、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む。
【００２５】
好ましくは、上記第１コイルは、第１単位コイルと、第１単位コイルに接続された第２単位コイルと、第２単位コイルに接続された第３単位コイルとを含む。上記第２コイルは、第１端部および第２端部を含む。上記第１単位コイルは、内側導体に接続された第３端部と、第１端部に接続された第４端部とを含む。上記第２単位コイルは、第４端部に接続された第５端部と、外側導体に接続された第６端部とを含む。上記第３単位コイルは、第６端部に接続された第７端部と、第２端部に接続された第８端部とを含む。
【００２６】
好ましくは、上記第１単位コイルと、第２単位コイルと、第３単位コイルとは、互いに同軸上に配置される。好ましくは、上記第１単位コイルと、第２単位コイルと、第３単位コイルとは、同一形状とされる。
【００２７】
好ましくは、上記送電部は、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、受電部に電力を送電する。好ましくは、上記受電部と送電部との結合係数は、０．１以下である。好ましくは、上記送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数の１０％以下である。
【００２８】
本発明に係る車両は、間隔をあけて設けられた送電部から非接触で電力を受電する受電部と、受電部と間隔をあけて設けられ、受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、受電ケーブルに接続された変換器と、変換器に接続されたバッテリとを備える。上記第２コイルユニットは、受電ケーブルに接続された第３コイルと、第３コイルに接続された第４コイルとを含む。上記第３コイルは、受電部の周囲に配置されると共に、第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、変換器に供給する。
【００２９】
好ましくは、上記受電部は、受電コイルを含み、受電コイルと第３コイルとは互いに対向するように配置される。好ましくは、上記受電コイルと第４コイルとは、互いに対向するように配置される。上記第３コイルを流れる電流方向と、第４コイルを流れる電流方向とを異ならせる。好ましくは、上記受電ケーブルは、内側導体と、内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む。
【００３０】
好ましくは、上記第３コイルは、第４単位コイルと、第４単位コイルに接続された第５単位コイルと、第５単位コイルに接続された第６単位コイルとを含む。上記第４コイルは、第９端部および第１０端部を含む。上記第４単位コイルは、内側導体に接続された第１１端部と、第９端部に接続された第１２端部とを含む。上記第５単位コイルは、第１２端部に接続された第１３端部と、外側導体に接続された第１４端部とを含む。上記第６単位コイルは、第１４端部に接続された第１５端部と、第１０端部に接続された第１６端部とを含む。
【００３１】
好ましくは、上記第４単位コイルと、第５単位コイルと、第６単位コイルとは、互いに同軸上に配置される。好ましくは、上記第４単位コイルと、第５単位コイルと、第６単位コイルとは、同一形状とされる。
【００３２】
好ましくは、上記受電部は、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、受電部と送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて送電部から電力を受電する。好ましくは、上記受電部と送電部との結合係数は、０．１以下である。好ましくは、上記送電部の固有周波数と受電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数の１０％以下である。
【００３３】
本発明に係る電力伝送システムは、受電部を含む車両と、送電装置とを備えた、電力伝送システムである。上記送電装置は、受電部に電力を非接触で送電する送電部と、送電部と間隔をあけて設けられ、送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を第１コイルユニットに供給する供給ケーブルとを備える。上記第１コイルユニットは、供給ケーブルに接続された第１コイルと、第１コイルに接続された第２コイルとを含む。上記第１コイルは、送電部の周囲に配置されると共に、電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して第２コイルに供給する。
【００３４】
本発明に係る電力伝送システムは、上記送電部を含む送電装置と、受電装置を含む車両とを備えた、電力伝送システムである。上記車両は、送電部から非接触で電力を受電する受電部と、受電部と間隔をあけて設けられ、受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、受電ケーブルに接続された変換器と、変換器に接続されたバッテリとを備える。上記第２コイルユニットは、受電ケーブルに接続された第３コイルと、第３コイルに接続された第４コイルとを含む。上記第３コイルは、受電部の周囲に配置されると共に、第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、変換器に供給する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る送電装置、車両および電力伝送システムによれば、同軸ケーブルから放射されるノイズを低減することができると共に、特定の部位が高温となることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態１に係る受電装置と、送電装置と、電力伝送システムとを模式的に示す模式図である。
【図２】電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。
【図３】シミュレーション結果をしめすグラフである。
【図４】固有周波数を固定した状態で、エアギャップを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイルに供給される電流の周波数ｆとの関係を示すグラフである。
【図５】電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。
【図６】送電部２８の構成を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６に示すコイルユニット２３および交流電源２１などを示す電気回路図である。
【図８】コイルユニット１２およびバッテリ１５などを示す電気回路図である。
【図９】図６に示す送電部２８の変形例を示す模式図である。
【図１０】図８に示す送電装置４１が採用された電力伝送システムを示す図である。
【図１１】比較例としての電力伝送システムを模式的に示す模式図である。
【図１２】図１１に示す比較例としての電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【図１３】図１０に示す電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１から図１３を用いて、本発明の実施の形態に係る受電装置と送電装置と、この送電装置および受電装置を含む電力伝送システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係る受電装置と、送電装置と、電力伝送システムとを模式的に示す模式図である。
【００３８】
本実施の形態１に係る電力伝送システムは、受電装置４０を含む電動車両１０と、送電装置４１を含む外部給電装置２０とを有する。電動車両１０の受電装置４０は、送電装置４１が設けられた駐車スペース４２の所定位置に停車して、主に、送電装置４１から電力を受電する。
【００３９】
駐車スペース４２には、電動車両１０を所定の位置に停車するように、輪止やラインが設けられている。
【００４０】
外部給電装置２０は、交流電源２１に接続された高周波電力ドライバ２２と、高周波電力ドライバ２２などの駆動を制御する制御部２６と、この高周波電力ドライバ２２に接続された同軸ケーブル５０と、同軸ケーブル５０に接続された送電装置４１とを含む。送電装置４１は、送電部２８と、コイルユニット２３とを含む。送電部２８は、共鳴コイル２４と、共鳴コイル２４に接続されたキャパシタ２５とを含む。コイルユニット２３は、高周波電力ドライバ２２に電気的に接続されている。なお、この図１に示す例においては、キャパシタ２５が設けられているが、キャパシタ２５は必ずしも必須の構成ではない。
【００４１】
送電部２８は、共鳴コイル２４のインダクタンスＬと、共鳴コイル２４の浮遊容量およびキャパシタ２５のキャパシタンスとから形成された電気回路を含む。
【００４２】
電動車両１０は、受電装置４０と、受電装置４０に接続された整流器１３と、この整流器１３に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続されたバッテリ１５と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ（Power Control Unit））１６と、このパワーコントロールユニット１６に接続されたモータユニット１７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４やパワーコントロールユニット１６などの駆動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８とを備える。なお、本実施の形態に係る電動車両１０は、図示しないエンジンを備えたハイブリッド車両であるが、モータにより駆動される車両であれば、電気自動車や燃料電池車両も含む。
【００４３】
整流器１３は、コイルユニット１２に接続されており、コイルユニット１２から供給される交流電流を直流電流に変換して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給する。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、整流器１３から供給された直流電流の電圧を調整して、バッテリ１５に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は必須の構成ではなく省略してもよい。この場合には、外部給電装置２０にインピーダンスを整合するための整合器を設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の代用をすることができる。
【００４５】
パワーコントロールユニット１６は、バッテリ１５に接続されたコンバータと、このコンバータに接続されたインバータとを含み、コンバータは、バッテリ１５から供給される直流電流を調整（昇圧）して、インバータに供給する。インバータは、コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して、モータユニット１７に供給する。
【００４６】
モータユニット１７は、たとえば、三相交流モータなどが採用されており、パワーコントロールユニット１６のインバータから供給される交流電流によって駆動する。
【００４７】
なお、電動車両１０がハイブリッド車両の場合には、電動車両１０は、エンジン、動力分割機構とをさらに備え、モータユニット１７は、発電機として主に機能するモータジェネレータと、電動機として主に機能するモータジェネレータとを含む。
【００４８】
受電装置４０は、受電部２７と、コイルユニット１２とを含む。受電部２７は、共鳴コイル１１とキャパシタ１９とを含む。共鳴コイル１１は浮遊容量を有する。このため、受電部２７は、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスとによって形成された電気回路を有する。
【００４９】
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８の固有周波数と、受電部２７の固有周波数との差は、受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％以下である。このような範囲に各送電部２８および受電部２７の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を高めることができる。その一方で、固有周波数の差が受電部２７または送電部２８の固有周波数の１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％より小さくなり、バッテリ１５の充電時間が長くなるなどの弊害が生じる。
【００５０】
ここで、送電部２８の固有周波数とは、キャパシタ２５が設けられていない場合には、共鳴コイル２４のインダクタンスと、共鳴コイル２４のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ２５が設けられた場合には、送電部２８の固有周波数とは、共鳴コイル２４およびキャパシタ２５のキャパシタンスと、共鳴コイル２４のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、送電部２８の共振周波数とも呼ばれる。
【００５１】
同様に、受電部２７の固有周波数とは、キャパシタ１９が設けられていない場合には、共鳴コイル１１のインダクタンスと、共鳴コイル１１のキャパシタンスとから形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。キャパシタ１９が設けられた場合には、受電部２７の固有周波数とは、共鳴コイル１１およびキャパシタ１９のキャパシタンスと、共鳴コイル１１のインダクタンスとによって形成された電気回路が自由振動する場合の振動周波数を意味する。上記電気回路において、制動力および電気抵抗をゼロもしくは実質的にゼロとしたときの固有周波数は、受電部２７の共振周波数とも呼ばれる。
【００５２】
図２および図３を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図２は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す。電力伝送システム８９は、送電装置９０と、受電装置９１とを備え、送電装置９０は、電磁誘導コイル９２と、送電部９３とを含む。送電部９３は、共鳴コイル９４と、共鳴コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。
【００５３】
受電装置９１は、受電部９６と、電磁誘導コイル９７とを備える。受電部９６は、共鳴コイル９９とこの共鳴コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。
【００５４】
共鳴コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。共鳴コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、送電部９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（１）によって示され、受電部９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（２）によって示される。
【００５５】
ｆ１＝１／{２π（Ｌｔ×Ｃ１）1/2}・・・（１）
ｆ２＝１／{２π（Ｌｒ×Ｃ２）1/2}・・・（２）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、送電部９３および受電部９６の固有周波数のズレと、電力伝送効率との関係を図３に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共鳴コイル９４および共鳴コイル９９の相対的な位置関係は固定した状態であって、さらに、送電部９３に供給される電流の周波数は一定である。
【００５６】
図３に示すグラフのうち、横軸は、固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は、一定周波数での伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記式（３）によって示される。
【００５７】
（固有周波数のズレ）＝{（ｆ１−ｆ２）／ｆ２}×１００（％）・・・（３）
図３からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が±０％の場合には、電力伝送効率は、１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は、４０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は、１０％となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は、５％となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、受電部９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が受電部９６の固有周波数の５％以下となるように、各送電部および受電部の固有周波数を設定することで電力伝送効率をより高めることができることがわかる。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（JMAG（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。
【００５８】
次に、本実施の形態に係る電力伝送システムの動作について説明する。
コイルユニット２３には、高周波電力ドライバ２２から交流の電力が供給される。コイルユニット２３に所定の交流電流が流れると、電磁誘導によって共鳴コイル２４にも交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４を流れる交流電流の周波数が特定の周波数となるように、コイルユニット２３に電力が供給されている。
【００５９】
共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れると、共鳴コイル２４の周囲には特定の周波数で振動する電磁界が形成される。
【００６０】
共鳴コイル１１は、共鳴コイル２４から所定範囲内に配置されており、共鳴コイル１１は共鳴コイル２４の周囲に形成された電磁界から電力を受け取る。
【００６１】
本実施の形態においては、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４は、所謂、ヘリカルコイルが採用されている。このため、共鳴コイル１１の周囲には、特定の周波数で振動する磁界が主に形成され、共鳴コイル２４は当該磁界から電力を受け取る。
【００６２】
ここで、共鳴コイル２４の周囲に形成される特定の周波数の磁界について説明する。「特定の周波数の磁界」は、典型的には、電力伝送効率と共鳴コイル２４に供給される電流の周波数と関連性を有する。そこで、まず、電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数との関係について説明する。共鳴コイル２４から共鳴コイル１１に電力を伝送するときの電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の間の距離などの様々な要因よって変化する。たとえば、送電部２８および受電部２７の固有周波数（共振周波数）を固有周波数ｆ０とし、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を周波数ｆ３とし、共鳴コイル１１および共鳴コイル２４の間のエアギャップをエアギャップＡＧとする。
【００６３】
図４は、固有周波数ｆ０を固定した状態で、エアギャップＡＧを変化させたときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数ｆ３との関係を示すグラフである。
【００６４】
図４に示すグラフにおいて、横軸は、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３を示し、縦軸は、電力伝送効率（％）を示す。効率曲線Ｌ１は、エアギャップＡＧが小さいときの電力伝送効率と、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数ｆ３との関係を模式的に示す。この効率曲線Ｌ１に示すように、エアギャップＡＧが小さい場合には、電力伝送効率のピークは周波数ｆ４，ｆ５（ｆ４＜ｆ５）において生じる。エアギャップＡＧを大きくすると、電力伝送効率が高くなるときの２つのピークは、互いに近づくように変化する。そして、効率曲線Ｌ２に示すように、エアギャップＡＧを所定距離よりも大きくすると、電力伝送効率のピークは１つとなり、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数が周波数ｆ６のときに電力伝送効率がピークとなる。エアギャップＡＧを効率曲線Ｌ２の状態よりもさらに大きくすると、効率曲線Ｌ３に示すように電力伝送効率のピークが小さくなる。
【００６５】
たとえば、電力伝送効率の向上を図るため手法として次のような第１の手法が考えられる。第１の手法としては、エアギャップＡＧにあわせて、図１に示す共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を一定として、キャパシタ２５やキャパシタ１９のキャパシタンスを変化させることで、送電部２８と受電部２７との間での電力伝送効率の特性を変化させる手法が考えられる。具体的には、共鳴コイル２４に供給される電流の周波数を一定とした状態で、電力伝送効率がピークとなるように、キャパシタ２５およびキャパシタ１９のキャパシタンスを調整する。この手法では、エアギャップＡＧの大きさに関係なく、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数は一定である。なお、電力伝送効率の特性を変化させる手法としては、送電装置４１と高周波電力ドライバ２２との間に設けられた整合器を利用する手法や、コンバータ１４を利用する手法などを採用することもできる。
【００６６】
また、第２の手法としては、エアギャップＡＧの大きさに基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する手法である。たとえば、図４において、電力伝送特性が効率曲線Ｌ１となる場合には、共鳴コイル２４には周波数が周波数ｆ４または周波数ｆ５の電流を共鳴コイル２４を供給する。そして、周波数特性が効率曲線Ｌ２，Ｌ３となる場合には、周波数が周波数ｆ６の電流を共鳴コイル２４に供給する。この場合では、エアギャップＡＧの大きさに合わせて共鳴コイル２４および共鳴コイル１１に流れる電流の周波数を変化させることになる。
【００６７】
第１の手法では、共鳴コイル２４を流れる電流の周波数は、固定された一定の周波数となり、第２の手法では、共鳴コイル２４を流れる周波数は、エアギャップＡＧによって適宜変化する周波数となる。第１の手法や第２の手法などによって、電力伝送効率が高くなるように設定された特定の周波数の電流が共鳴コイル２４に供給される。共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、特定の周波数で振動する磁界（電磁界）が形成される。受電部２７は、受電部２７と送電部２８の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界を通じて送電部２８から電力を受電している。したがって、「特定の周波数で振動する磁界」とは、必ずしも固定された周波数の磁界とは限らない。なお、上記の例では、エアギャップＡＧに着目して、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を設定するようにしているが、電力伝送効率は、共鳴コイル２４および共鳴コイル１１の水平方向のずれ等のように他の要因によっても変化するものであり、当該他の要因に基づいて、共鳴コイル２４に供給する電流の周波数を調整する場合がある。
【００６８】
なお、本実施の形態では、共鳴コイルとしてヘリカルコイルを採用した例について説明したが、共鳴コイルとして、メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、共鳴コイル２４に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が共鳴コイル２４の周囲に形成される。そして、この電界をとおして、送電部２８と受電部２７との間で電力伝送が行われる。
【００６９】
本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。
【００７０】
図５は、電流源（磁流源）からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図５を参照して、電磁界は３つの成分から成る。曲線ｋ１は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電界」と称される。曲線ｋ２は、波源からの距離の２乗に反比例した成分であり、「誘導電界」と称される。また、曲線ｋ３は、波源からの距離の３乗に反比例した成分であり、「静電界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電界」と「誘導電界」と「静電界」との強さが略等しくなる距離は、λ／2πとあらわすことができる。
【００７１】
「静電界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、本実施の形態に係る電力伝送システムでは、この「静電界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用してエネルギー（電力）の伝送が行なわれる。すなわち、「静電界」が支配的な近接場において、同じ固有周波数を有する送電部２８および受電部２７（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、送電部２８から他方の受電部２７へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電界」によってエネルギー（電力）を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。
【００７２】
このように、本実施の形態に係る電力伝送システムにおいては、送電部２８と受電部２７とを電磁界によって共振させることで送電装置４１から受電装置４０に電力を送電している。そして、送電部２８と受電部２７との間の結合係数（κ）は、０．１以下である。なお、一般的に電磁誘導を利用した電力伝送では、送電部と受電部と間の結合係数（κ）は１．０に近いものとなっている。
【００７３】
本実施の形態の電力伝送における送電部２８と受電部２７との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」または「電界（電場）共振結合」という。
【００７４】
「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。
【００７５】
本明細書中で説明した送電部２８の共鳴コイル２４と受電部２７の共鳴コイル１１とは、コイル形状のアンテナが採用されているため、送電部２８と受電部２７とは主に、磁界によって結合しており、送電部２８と受電部２７とは、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」している。
【００７６】
なお、共鳴コイル２４，１１として、たとえば、メアンダラインなどのアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部２８と受電部２７とは主に、電界によって結合している。このときには、送電部２８と受電部２７とは、「電界（電場）共振結合」している。
【００７７】
図６は、送電部２８および受電部２７の構成を模式的に示す斜視図である。この図６に示すように、送電部２８のコイルユニット２３には、同軸ケーブル５０が接続されている。同軸ケーブル５０は、内側導体５１と、内側導体５１の外周を被覆する絶縁体５２と、絶縁体の外周を覆うように形成された外側導体５３と、外側導体５３の外周を覆うように形成された保護被膜（シース）５４とを含む。内側導体５１は、高周波電力ドライバ２２に接続されており、外側導体５３は、アースされている。このため、外側導体５３の電位は０Ｖとされている。その一方で、内側導体５１には、たとえば、０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）（Ａ：正の数）の電圧が印加されている。
【００７８】
コイルユニット２３は、共鳴コイル２４の周囲に配置され、コイル線を複数巻回して形成されたコイル６０と、このコイル６０に接続されたコイル６１とを含む。コイル６０は、単位コイル６２と、単位コイル６２に接続された単位コイル６３と、単位コイル６３に接続された単位コイル６４とを含む。
【００７９】
単位コイル６２の巻数と、単位コイル６３の巻数と、単位コイル６４の巻数とは、いずれも、１巻とされており、各単位コイルの巻数は一致している。そして、単位コイル６２と、単位コイル６３と、単位コイル６４とは、いずれも、同軸上に配置されており、単位コイル６２と単位コイル６３と単位コイル６４の巻径は、いずれも、一致している。すなわち、単位コイル６２と、単位コイル６３と、単位コイル６４とは互いに同一形状ある。このため、各単位コイル６２〜６４を通る磁束は共通する。
【００８０】
コイル６１は、この図６に示す例においては、略１巻に形成されている。このコイル６１は、端部６５および端部６６を含む。単位コイル６２は、同軸ケーブル５０の内側導体５１に接続された端部６７と、コイル６１の端部６５に接続された端部６８とを含む。
【００８１】
単位コイル６３は、単位コイル６２の端部６８に接続された端部６９と、同軸ケーブル５０の外側導体５３に接続された端部７０とを含む。単位コイル６４は、単位コイル６３の端部７０に接続された端部７１と、コイル６１の端部６６に接続された端部７２とを含む。
【００８２】
受電部２７のコイルユニット１２には、同軸ケーブル１５０が接続されている。同軸ケーブル１５０は、内側導体１５１と、内側導体１５１の外周を被覆する絶縁体１５２と、絶縁体の外周を覆うように形成された外側導体１５３と、外側導体１５３の外周を覆うように形成された保護被膜（シース）１５４とを含む。内側導体１５１は、整流器１３に接続されており、外側導体１５３は、アースされている。このため、外側導体１５３の電位は０Ｖとされている。
【００８３】
コイルユニット１２は、共鳴コイル２７の周囲に配置され、コイル線を複数巻回して形成されたコイル１６０と、このコイル１６０に接続されたコイル１６１とを含む。コイル１６０は、単位コイル１６２と、単位コイル１６２に接続された単位コイル１６３と、単位コイル１６３に接続された単位コイル１６４とを含む。
【００８４】
単位コイル１６２の巻数と、単位コイル１６３の巻数と、単位コイル１６４の巻数とは、いずれも、１巻とされており、各単位コイルの巻数は一致している。そして、単位コイル１６２と、単位コイル１６３と、単位コイル１６４とは、いずれも、同軸上に配置されており、単位コイル１６２と単位コイル１６３と単位コイル１６４の巻径は、いずれも、一致している。すなわち、単位コイル１６２と、単位コイル１６３と、単位コイル１６４とは互いに同一形状ある。
【００８５】
コイル１６１は、この図６に示す例においては、略１巻に形成されている。このコイル１６１は、端部１６５および端部１６６を含む。単位コイル１６２は、同軸ケーブル１５０の内側導体１５１に接続された端部１６７と、コイル１６１の端部１６５に接続された端部１６８とを含む。
【００８６】
単位コイル１６３は、単位コイル１６２の端部１６８に接続された端部１６９と、同軸ケーブル１５０の外側導体１５３に接続された端部１７０とを含む。単位コイル１６４は、単位コイル１６３の端部１７０に接続された端部１７１と、コイル１６１の端部１６６に接続された端部１７２とを含む。
【００８７】
上記のように構成された送電部２８および受電部２７を用いて、電力を伝送するときに、各コイルに流れる電流などについて説明する。
【００８８】
図７は、図６に示すコイルユニット２３および交流電源２１などを示す電気回路図である。ここで、コイル６０に交流電源２１からの交流電流が供給されると、電磁誘導によってコイル６０に誘導起電力が生じ、各単位コイル６２〜６４は、所定の範囲内で電位が変動する。
【００８９】
そこで、各単位コイル６２〜６４の電位変動について説明する。この図７および図６において、交流電源２１から、たとえば、０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）の電圧の不平衡電流がコイルユニット２３に供給されると、単位コイル６２の端部６７と、単位コイル６３の端部７０との間は、電圧が０（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）で変動する。
【００９０】
さらに、単位コイル６３と単位コイル６４とは同軸上に配置されており、単位コイル６３の巻数と、単位コイル６４の巻数とは一致している。このため、単位コイル６３の端部７０と端部６９の間に生じる電位差と、単位コイル６４の端部７１と端部７２の間に生じる電位差は等しくなる。
【００９１】
単位コイル６４の端部７１は、アースされているので、単位コイル６４の端部７１と端部７２との間には、電圧が−Ａ／２（Ｖ）〜０（Ｖ）の範囲で変動する。
【００９２】
そして、コイル６１の端部６６は、端部７２に接続されており、端部６５は端部６９に接続されているため、コイル６１には、電圧が−Ａ／２（Ｖ）〜Ａ／２（Ｖ）の範囲で振動する交流電流が流れることになる。
【００９３】
この図７においては、模式的にコイル６１を中央部で２つのコイル６１ａとコイル６１ｂとに分割している。そして、コイル６１の長さ方向の中央部を中央部Ｃとすると、この中央部Ｃの電位は０（Ｖ）となる。このように、コイル６０は、交流電源２１からの不平衡な電流を平衡な電流に変換してコイル６１に供給している。
【００９４】
その一方で、単位コイル６２および単位コイル６３を一体のコイルとしてみると、当該コイルの端部６７は、−Ａ（Ｖ）〜Ａ（Ｖ）の電圧が印加され、他方の端部７０は０（Ａ）とされている。このため、単位コイル６２および単位コイル６３から形成されたコイルには、不平衡な電流が流れており、同軸ケーブル５０は当該コイルに接続されているため、外側導体５３にコモンモード電流が流れることが抑制されている。
【００９５】
このように、同軸ケーブル５０の外側導体５３にコモンモード電流が流れることが抑制されているので、同軸ケーブル５０から外部に向けてノイズが放射されることが抑制されている。
【００９６】
図６において、送電部２８は、多層巻のコイルが採用されている。そして、コイル６０は、送電部２８の周囲に配置されている。電力伝送時において、送電部２８の周囲にはエバネッセント場（近傍場）が形成されている。
【００９７】
ここで、単位コイル６２〜６４の電位は誘導起電力によって決まるものであり、当該誘電起電力はコイル６０をとおる磁束量によって決まるものである。
【００９８】
本実施の形態においては、コイル６０は、送電部２８の周囲に配置されているため、エネルギの高いエバネッセント場から多くの磁力線が供給されやすくなっている。
【００９９】
このため、交流電源２１から供給される電位変動に合わせて、多量の磁力線がコイル６０をとおり、コイル６０に良好に誘電起電力が発生する。特に、コイル６０と、共鳴コイル２４とは、コイル６０の巻回中心線と、送電装置４１の共鳴コイル２４の巻回中心線とが一致するように同軸上に配置されており、コイル６０と共鳴コイル２４とは互いに対向するように配置されている。このため、送電装置４１の周囲に形成されるエバネッセント場からコイル６０に良好に磁束が供給される。
【０１００】
このため、コイル６０にフェライトコアを挿入していない状態においても、コイル６０に誘電起電力を生じさせることができ、フェライトコアを省略することができる。これに伴い、フェライトコアが高温となる等の弊害が発生することがない。
【０１０１】
このように、コイル６０に誘電起電力が発生することで、コイル６０には、電流Ｉ１が流れる。コイル６１はコイル６０に接続されており、コイル６０にも電流Ｉ２が流れる。ここで、本実施の形態においては、コイル６１とコイル６０とが互いに対向し、コイル６１と共鳴コイル２４とが互いに対向するように、共鳴コイル２４、コイル６１およびコイル６０が同軸上に配置されている。ここで、図６において、コイル６１の端部６５は、正の電位が印加され、端部６６には負の電位が印加されるため、電流Ｉ２の流れる方向と、電流Ｉ１の流れる方向とは反対方向となる。
【０１０２】
このため、コイル６１から放射される磁力線の方向と、コイル６０から放射される磁力線の方向とは反対方向となり、コイルユニット２３から共鳴コイル２４に向けて放射される磁束量は、コイル６０からの磁束量からコイル６１からの磁束量を引いたものとなる。
【０１０３】
換言すれば、コイル６１の巻数を調整することで、送電部２８に供給する磁束量を調整することができ、送電側のインピーダンスを調整することができる。
【０１０４】
これにより、車両の受電側のインピーダンスと、送電側のインピーダンスとの整合を図ることができ、送電装置４１から受電装置４０に電力を伝送するときの伝送効率を高めることができる。
【０１０５】
図６において、コイルユニット２３から共鳴コイル２４に向けて放射される磁束の変動は、コイルユニット２３に供給される電流の周波数によって決まる。コイルユニット２３から共鳴コイル２４に放射される磁束が変化することで、共鳴コイル２４に誘電起電力が生じる。これにより、共鳴コイル２４に交流電流が流れる。この際、共鳴コイル２４内を流れる交流電流の周波数は、電力伝送効率が高くなる特定の周波数である。
【０１０６】
このように、共鳴コイル２４に特定の周波数の交流電流が流れることで、共鳴コイル２４の周囲には、周波数が特定の周波数の磁界が形成される。そして、受電部２７（共鳴コイル１１）が当該磁界から電力を受け取る。共鳴コイル１１には、特定の周波数の交流電流が流れる。
【０１０７】
共鳴コイル１１に交流電流が流れると、共鳴コイル１１からコイルユニット１２に向けて流れる磁束が変化する。これにより、コイル１６１〜１６４の各々に電流が流れる。
【０１０８】
図８は、コイルユニット１２およびバッテリ１５などを示す電気回路図である。図８において、コイル１６１の長さ方向の中央部を中央部Ｃ１とする。この図８においては、模式的に、コイル１６１は、中央部Ｃ１において、コイル１６１ａとコイル１６１ｂとに分割している。
【０１０９】
共鳴コイル１１から磁束の変化によって、コイル１６１に誘導起電力が生じる。誘導起電力によって、コイル１６１内を流れる電流は、平衡電流であり、端部１６６および端部１６５の間には、−Ｂ（Ｖ）〜Ｂ（Ｖ）の間の電圧が印加される。中央部Ｃ１の電位は、０Ｖである。
【０１１０】
ここで、単位コイル１６４および単位コイル１６３は、コイル１６１と並行に接続されているため、単位コイル１６４の端部１７２と、単位コイル１６３の端部１６９との間にも、−Ｂ（Ｖ）〜Ｂ（Ｖ）の間の電圧が印加される。
【０１１１】
単位コイル１６３と単位コイル１６４とは同じ形状のコイルであるため、各単位コイルに印加される電圧が等しくなる。単位コイル１６３の端部１７０は、アースされているため、単位コイル１６３の端部１７０および端部１６９の間の電位差は、Ｂ（Ｖ）となる。
【０１１２】
ここで、単位コイル１６２と単位コイル１６３とは、同一のコイルであるため、単位コイル１６２の端部１６８および端部１６７の間の電位差もＢ（Ｖ）となる。
【０１１３】
単位コイル１６３の端部１７０は０Ｖであるため、単位コイル１６２および単位コイル１６３を一体のコイルと見なすと、当該コイルには、０（Ｖ）〜２Ｂ（Ｖ）の不平衡電流が流れる。
【０１１４】
そして、この不平衡電流が整流器１３およびコンバータ１４に供給される。整流器１３は、不平衡の電力を直流の電力に変換して、バッテリ１５を充電する。なお、外側導体１５３には、０（Ｖ）が印加されているため、外側導体１５３にコモンモード電流が流れることが抑制されている。このため、図６に示す同軸ケーブル１５０からもノイズが発生することが抑制されている。
【０１１５】
図６において、コイル１６０は、受電部２７の周囲に配置されている。電力伝送時には、受電部２７の周囲にも、エネルギの高いエバネッセント場が形成されている。コイル１６０は、受電部２７の周囲に配置されているため、エバネッセント場から良好に磁束が供給される。これにより、各単位コイル１６２〜単位コイル１６４が機能し、コイル１６０が平衡電流を不平衡電流に変換するバランとして機能する。このため、コイル１６０においても、フェライトコアを省略することができる。
【０１１６】
さらに、コイル１６１と、コイル１６０とは、互いに対向するように配置されている。これにより、たとえば、コイル１６１の巻き数などを調整することで、受電部２７側のインピーダンスを調整することができる。これにより、車両側のインピーダンスと、送電側のインピーダンスとの整合を取ることができる。
【０１１７】
図９は、図６に示す送電部２８の変形例を示す模式図である。この図９に示す例においては、コイル６１は２巻程度とされている。これにより、コイルユニット２３から送電部２８に供給される磁束量は、図６に示すコイルユニット２３から送電部２８に供給される磁束量から変化する。
【０１１８】
この図９に示す例においては、コイル６１の巻数を変更することで、送電側のインピーダンスを変化させているが、当然のことながら、図６に示すコイル６０の巻数およびコイル６１の巻数をそれぞれ整数倍させることでも送電側のインピーダンスを調整することができる。
【０１１９】
図１０は、図８に示す送電装置４１が採用された電力伝送システムを示す。図１０に示す電力伝送システムは、送電部２８とコイルユニット２３とを含む送電装置４１と、この送電装置４１と実質的に同じ構成の受電装置４０とを備える。受電装置４０には同軸ケーブル９０が接続されており、受電装置４０は、コイルユニット８０と、受電器２７とを含む。
【０１２０】
同軸ケーブル９０は、内側導体９１と、この内側導体９１の外周面を覆うように形成された絶縁体９２と、絶縁体９２の外周面上に形成された外側導体９３と、外側導体９３の外周面を覆う保護被膜９４とを含む。
【０１２１】
受電器２７は、複数巻された共鳴コイル１１と、共鳴コイル１１の両端部に接続されたキャパシタ１９とを含む。受電器２７の固有振動数と、送電部２８の固有振動数とは一致している。
【０１２２】
コイルユニット８０は、コイル８１と、コイル８１および同軸ケーブル９０に接続されたコイル８５とを含む。コイル８１の巻数も、コイル６１と同様に略２巻とされている。
【０１２３】
コイル８５は、コイル６０と実質的に同一の構成となっている。具体的には、コイル８５は、単位コイル８２と、単位コイル８３と、単位コイル８４とを含む。単位コイル８２の一端は、外側導体９３に接続されており、単位コイル８２の他方の端部は、コイル８１の一方の端部に接続されている。そして、単位コイル８２とコイル８１との接続部には、単位コイル８３の一方の端部が接続されている。
【０１２４】
単位コイル８３の他方の端部には内側導体９１が接続されている。この単位コイル８３の他方の端部には、単位コイル８４の一方の端部が接続されている。単位コイル８４の他方の端部には、コイル８１の他方の端部が接続されている。なお、単位コイル８２〜８４の巻数は、いずれも、１巻とされている。
【０１２５】
そして、同軸ケーブル９０および受電装置４０のインピーダンスと、同軸ケーブル５０および送電装置４１のインピーダンスとが実質的に一致している。
【０１２６】
図１１は、比較例としての電力伝送システムを模式的に示す模式図である。この図１１に示す比較例は、送電装置８６と、受電装置８７とを含む。送電装置８６は、コイル９５と、共鳴器９６とを含む。共鳴器９６は、図１０に示す送電部２８と同じ構成とされている。コイル９５は、略１巻のコイルであって、電源から電力を電磁誘導で共鳴器９６に供給する。
【０１２７】
受電装置８７は、共鳴器９７と、コイル９８とを含む。共鳴器９７は、図１０に示す受電器２７と同じ構成となっている。コイル９８は、略１巻のコイルであり、共鳴器９７が受電した電力を電磁誘導で受電する。
【０１２８】
図１２は、図１１に示す比較例としての電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。図１３は、図１０に示す電力伝送システムにおける電力伝送効率を示すグラフである。
【０１２９】
なお、図１２および図１３において、横軸は供給される電力の周波数ｆを示す。縦軸は、電力伝送効率Ｓ１１（ｄＢ）を示す。
【０１３０】
図１２に示すように、比較例の電力伝送システムは、周波数ｆ１および周波数ｆ２のときに電力で伝送効率が最大となる。図１０に示す電力伝送システムは、周波数ｆ３および周波数ｆ４のときに電力伝送効率が最大となる。
【０１３１】
さらに、比較例の電力伝送システムの電力伝送効率の最大値と、図１０に示す電力伝送システムの電力伝送効率の最大値は、略一致している。
【０１３２】
このため、図１０に示す電力伝送システムと、比較例の電力伝送システムとは、電力伝送効率がピークとなるときの周波数が互いにずれていることがわかる。
【０１３３】
換言すれば、図１０に示すように、コイルユニット２３およびコイルユニット８０を採用することで、送電効率のピーク値を維持しつつも、送電側および受電側のインピーダンスを変更することができることがわかる。
【０１３４】
さらに、コイルユニット２３およびコイルユニット８０を採用することで、同軸ケーブル９０および同軸ケーブル５０からノイズが放射されることを抑制することができる。なお、本実施の形態においては、共鳴コイル２４と、コイル６１と、コイル６０とがいずれも、同軸上に配置されている例について説明しているが、コイル６０が、送電装置４１およびコイル６１と同軸上に配置されている必要はない。
【０１３５】
たとえば、図９において、コイル６１と共鳴コイル２４とを同軸上に対向配置する一方で、コイル６０を送電装置４１の側方に配置するようにしてもよい。この場合には、コイル６１と、共鳴コイル２４とが同軸上に配置されているので、共鳴コイル２４とコイル６１とが良好に電磁誘導によって結合する。その一方で、コイル６０には、共鳴コイル２４の周囲に形成されるエバネッセント場から良好に磁束が供給される。これにより、コイル６０は、交流電源２１から供給される不平衡電流を良好に平衡電流に変換して、コイル６１に供給することができる。
【０１３６】
さらに、本実施の形態においては、送電装置４１および受電装置４０に同軸ケーブルが採用された例について説明したが、同軸ケーブルにかえて、平行線路、ストリップライン（Stripline）やマイクロストリップラインなども採用することができる。なお、整流器１３が平衡電流を変換して、バッテリ１５を充電する場合には、受電装置４０にコイルユニット１２を採用せずに、電磁誘導コイルを採用することができる。この場合には、同軸ケーブル１５０にかえて、ツイストケーブルなどを採用することができる。
【０１３７】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、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。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、送電装置、車両および電力伝送システムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１０ 電動車両、１１，２４ 共鳴コイル、１２ 電磁誘導コイル、１３ 整流器、１４ コンバータ、１５ バッテリ、１６ パワーコントロールユニット、１７ モータユニット、１９，２５ キャパシタ、２０ 外部給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２３，８０ コイルユニット、２６ 制御部、２７ 受電器、２８ 送電部、３１ 高周波電源、３２ 一次コイル、３３ 一次共鳴コイル、３４ 二次共鳴コイル、３５ 二次コイル、３６ 負荷、４０，８７ 受電装置、４１，８６ 送電装置、４２ 駐車スペース、５０，９０ 同軸ケーブル、５１，９１ 内側導体、５２，９２ 絶縁体、５３，９３ 外側導体、６０，６１，８１，８５，９５，９８ コイル、６２，６３，６４，８２，８３，８４ 単位コイル、６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２ 端部、９４ 保護被膜、９６，９７ 共鳴器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をあけて設けられた受電部に電力を非接触で送電する送電部と、
前記送電部と間隔をあけて設けられ、前記送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、
前記第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を前記第１コイルユニットに供給する供給ケーブルと、
を備え、
前記第１コイルユニットは、前記供給ケーブルに接続された第１コイルと、前記第１コイルに接続された第２コイルとを含み、
前記第１コイルは、前記送電部の周囲に配置されると共に、前記電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して前記第２コイルに供給する、送電装置。
【請求項２】
前記送電部は、送電コイルを含み、
前記送電コイルと前記第１コイルとは互いに対向するように配置された、請求項１に記載の送電装置。
【請求項３】
前記送電コイルと前記第２コイルとは、互いに対向するように配置され、
前記第１コイルを流れる電流方向と、前記第２コイルを流れる電流方向とを異ならせた、請求項２に記載の送電装置。
【請求項４】
前記供給ケーブルは、内側導体と、前記内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、前記絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の送電装置。
【請求項５】
前記第１コイルは、第１単位コイルと、前記第１単位コイルに接続された第２単位コイルと、前記第２単位コイルに接続された第３単位コイルとを含み、
前記第２コイルは、第１端部および第２端部を含み、
前記第１単位コイルは、前記内側導体に接続された第３端部と、前記第１端部に接続された第４端部とを含み、
前記第２単位コイルは、前記第４端部に接続された第５端部と、前記外側導体に接続された第６端部とを含み、
前記第３単位コイルは、前記第６端部に接続された第７端部と、前記第２端部に接続された第８端部とを含む、請求項４に記載の送電装置。
【請求項６】
前記第１単位コイルと、前記第２単位コイルと、前記第３単位コイルとは、互いに同軸上に配置された、請求項５に記載の送電装置。
【請求項７】
前記第１単位コイルと、前記第２単位コイルと、前記第３単位コイルとは、同一形状とされた、請求項５または請求項６に記載の送電装置。
【請求項８】
前記送電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記受電部に電力を送電する、請求項１から請求項７のいずれかに記載の送電装置。
【請求項９】
前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１０】
前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１から請求項９のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１１】
間隔をあけて設けられた送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
前記受電部と間隔をあけて設けられ、前記受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、
前記第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、
前記受電ケーブルに接続された変換器と、
前記変換器に接続されたバッテリと、
を備え、
前記第２コイルユニットは、前記受電ケーブルに接続された第３コイルと、前記第３コイルに接続された第４コイルとを含み、
前記第３コイルは、前記受電部の周囲に配置されると共に、前記第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、前記変換器に供給する、車両。
【請求項１２】
前記受電部は、受電コイルを含み、
前記受電コイルと前記第３コイルとは互いに対向するように配置された、請求項１１に記載の車両。
【請求項１３】
前記受電コイルと前記第４コイルとは、互いに対向するように配置され、
前記第３コイルを流れる電流方向と、前記第４コイルを流れる電流方向とを異ならせた、請求項１２に記載の車両。
【請求項１４】
前記受電ケーブルは、内側導体と、前記内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、前記絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む、請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の車両。
【請求項１５】
前記第３コイルは、第４単位コイルと、前記第４単位コイルに接続された第５単位コイルと、前記第５単位コイルに接続された第６単位コイルとを含み、
前記第４コイルは、第９端部および第１０端部を含み、
前記第４単位コイルは、前記内側導体に接続された第１１端部と、前記第９端部に接続された第１２端部とを含み、
前記第５単位コイルは、前記第１２端部に接続された第１３端部と、前記外側導体に接続された第１４端部とを含み、
前記第６単位コイルは、前記第１４端部に接続された第１５端部と、前記第１０端部に接続された第１６端部とを含む、請求項１４に記載の車両。
【請求項１６】
前記第４単位コイルと、前記第５単位コイルと、前記第６単位コイルとは、互いに同軸上に配置された、請求項１５に記載の車両。
【請求項１７】
前記第４単位コイルと、前記第５単位コイルと、前記第６単位コイルとは、同一形状とされた、請求項１５または請求項１６に記載の車両。
【請求項１８】
前記受電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記送電部から電力を受電する、請求項１１から請求項１７のいずれかに記載の車両。
【請求項１９】
前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１１から請求項１８のいずれかに記載の車両。
【請求項２０】
前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１１から請求項１９のいずれかに記載の車両。
【請求項２１】
受電部を含む車両と、送電装置とを備えた、電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記受電部に電力を非接触で送電する送電部と、
前記送電部と間隔をあけて設けられ、前記送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、
前記第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を前記第１コイルユニットに供給する供給ケーブルと、
を備え、
前記第１コイルユニットは、前記供給ケーブルに接続された第１コイルと、前記第１コイルに接続された第２コイルとを含み、
前記第１コイルは、前記送電部の周囲に配置されると共に、前記電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して前記第２コイルに供給する、電力伝送システム。
【請求項２２】
送電部を含む送電装置と、受電装置を含む車両とを備えた、電力伝送システムであって、
前記車両は、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
前記受電部と間隔をあけて設けられ、前記受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、
前記第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、
前記受電ケーブルに接続された変換器と、
前記変換器に接続されたバッテリと、
を備え、
前記第２コイルユニットは、前記受電ケーブルに接続された第３コイルと、前記第３コイルに接続された第４コイルとを含み、
前記第３コイルは、前記受電部の周囲に配置されると共に、前記第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、前記変換器に供給する、電力伝送システム。
【請求項１】
間隔をあけて設けられた受電部に電力を非接触で送電する送電部と、
前記送電部と間隔をあけて設けられ、前記送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、
前記第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を前記第１コイルユニットに供給する供給ケーブルと、
を備え、
前記第１コイルユニットは、前記供給ケーブルに接続された第１コイルと、前記第１コイルに接続された第２コイルとを含み、
前記第１コイルは、前記送電部の周囲に配置されると共に、前記電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して前記第２コイルに供給する、送電装置。
【請求項２】
前記送電部は、送電コイルを含み、
前記送電コイルと前記第１コイルとは互いに対向するように配置された、請求項１に記載の送電装置。
【請求項３】
前記送電コイルと前記第２コイルとは、互いに対向するように配置され、
前記第１コイルを流れる電流方向と、前記第２コイルを流れる電流方向とを異ならせた、請求項２に記載の送電装置。
【請求項４】
前記供給ケーブルは、内側導体と、前記内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、前記絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の送電装置。
【請求項５】
前記第１コイルは、第１単位コイルと、前記第１単位コイルに接続された第２単位コイルと、前記第２単位コイルに接続された第３単位コイルとを含み、
前記第２コイルは、第１端部および第２端部を含み、
前記第１単位コイルは、前記内側導体に接続された第３端部と、前記第１端部に接続された第４端部とを含み、
前記第２単位コイルは、前記第４端部に接続された第５端部と、前記外側導体に接続された第６端部とを含み、
前記第３単位コイルは、前記第６端部に接続された第７端部と、前記第２端部に接続された第８端部とを含む、請求項４に記載の送電装置。
【請求項６】
前記第１単位コイルと、前記第２単位コイルと、前記第３単位コイルとは、互いに同軸上に配置された、請求項５に記載の送電装置。
【請求項７】
前記第１単位コイルと、前記第２単位コイルと、前記第３単位コイルとは、同一形状とされた、請求項５または請求項６に記載の送電装置。
【請求項８】
前記送電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて、前記受電部に電力を送電する、請求項１から請求項７のいずれかに記載の送電装置。
【請求項９】
前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１から請求項８のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１０】
前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１から請求項９のいずれかに記載の送電装置。
【請求項１１】
間隔をあけて設けられた送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
前記受電部と間隔をあけて設けられ、前記受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、
前記第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、
前記受電ケーブルに接続された変換器と、
前記変換器に接続されたバッテリと、
を備え、
前記第２コイルユニットは、前記受電ケーブルに接続された第３コイルと、前記第３コイルに接続された第４コイルとを含み、
前記第３コイルは、前記受電部の周囲に配置されると共に、前記第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、前記変換器に供給する、車両。
【請求項１２】
前記受電部は、受電コイルを含み、
前記受電コイルと前記第３コイルとは互いに対向するように配置された、請求項１１に記載の車両。
【請求項１３】
前記受電コイルと前記第４コイルとは、互いに対向するように配置され、
前記第３コイルを流れる電流方向と、前記第４コイルを流れる電流方向とを異ならせた、請求項１２に記載の車両。
【請求項１４】
前記受電ケーブルは、内側導体と、前記内側導体の外周を覆うように設けられた絶縁体と、前記絶縁体上に配置され、アースされた外側導体とを含む、請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の車両。
【請求項１５】
前記第３コイルは、第４単位コイルと、前記第４単位コイルに接続された第５単位コイルと、前記第５単位コイルに接続された第６単位コイルとを含み、
前記第４コイルは、第９端部および第１０端部を含み、
前記第４単位コイルは、前記内側導体に接続された第１１端部と、前記第９端部に接続された第１２端部とを含み、
前記第５単位コイルは、前記第１２端部に接続された第１３端部と、前記外側導体に接続された第１４端部とを含み、
前記第６単位コイルは、前記第１４端部に接続された第１５端部と、前記第１０端部に接続された第１６端部とを含む、請求項１４に記載の車両。
【請求項１６】
前記第４単位コイルと、前記第５単位コイルと、前記第６単位コイルとは、互いに同軸上に配置された、請求項１５に記載の車両。
【請求項１７】
前記第４単位コイルと、前記第５単位コイルと、前記第６単位コイルとは、同一形状とされた、請求項１５または請求項１６に記載の車両。
【請求項１８】
前記受電部は、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する磁界と、前記受電部と前記送電部の間に形成され、かつ特定の周波数で振動する電界との少なくとも一方を通じて前記送電部から電力を受電する、請求項１１から請求項１７のいずれかに記載の車両。
【請求項１９】
前記受電部と前記送電部との結合係数は、０．１以下である、請求項１１から請求項１８のいずれかに記載の車両。
【請求項２０】
前記送電部の固有周波数と前記受電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数の１０％以下である、請求項１１から請求項１９のいずれかに記載の車両。
【請求項２１】
受電部を含む車両と、送電装置とを備えた、電力伝送システムであって、
前記送電装置は、前記受電部に電力を非接触で送電する送電部と、
前記送電部と間隔をあけて設けられ、前記送電部に電力を供給する第１コイルユニットと、
前記第１コイルユニットに接続され、電源からの電力を前記第１コイルユニットに供給する供給ケーブルと、
を備え、
前記第１コイルユニットは、前記供給ケーブルに接続された第１コイルと、前記第１コイルに接続された第２コイルとを含み、
前記第１コイルは、前記送電部の周囲に配置されると共に、前記電源から供給される不平衡電流を平衡電流に変換して前記第２コイルに供給する、電力伝送システム。
【請求項２２】
送電部を含む送電装置と、受電装置を含む車両とを備えた、電力伝送システムであって、
前記車両は、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
前記受電部と間隔をあけて設けられ、前記受電部から電力を受け取る第２コイルユニットと、
前記第２コイルユニットに接続された受電ケーブルと、
前記受電ケーブルに接続された変換器と、
前記変換器に接続されたバッテリと、
を備え、
前記第２コイルユニットは、前記受電ケーブルに接続された第３コイルと、前記第３コイルに接続された第４コイルとを含み、
前記第３コイルは、前記受電部の周囲に配置されると共に、前記第４コイルから供給される平衡電流を不平衡電流に変換して、前記変換器に供給する、電力伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７４７７３（Ｐ２０１３−７４７７３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４１７６（Ｐ２０１１−２１４１７６）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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