JP6291208B2 - 移動体、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、移動体、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法に関する。

従来、同一形状の右巻きコイルと左巻きコイルを接続した無線電力伝送用コイルが提案されている。漏洩磁界の振幅は、コイルに流れる電流振幅に比例し、かつコイルの巻数に比例する。漏洩磁界の位相は、コイルに流れる電流の位相に対応する。このため、右巻きコイルから生じる漏洩磁界と、左巻きコイルから生じる漏洩磁界は、同振幅および逆位相で打消し合い、合成後の漏洩磁界を削減できる。

この構成では、右巻きコイルと左巻きコイルとの相互インダクタンスの影響を避けるために、互いの位置を離すと、コイル間の配線が長くなり、損失が増加するという問題がある。

コイル間に配線を用いない電力伝送として、それぞれコイルを含む共振子間で無線により電力伝送を行う方法が知られている。一例として、乗合バスに複数の共振子を配置し、地上側に配置した複数の共振子から、乗合バスの共振子に無線電力伝送を行う方法が知られている。無線電力伝送を行うタイミングとして、乗降時などの停車時に電力伝送を行うことがある。ここで、乗合バスの中には、車椅子等での利用を考慮して、車体を傾斜させて、乗降口の高さを下げるニーリング機能を備えるものがある。停車中にニーリングにより車体を傾けた状態で無線電力伝送を行う場合に、車体と地上側の共振子間の距離が共振子対ごとに異なると、共振子間結合係数に差異が生じ、各共振子対に流れる電流の差が大きく異なる値となる。この結果、各送電側の共振子の電流位相差を調節するのみでは漏洩磁界の削減が困難になったり、不可能になったりする問題がある。

特許登録第５１３９４６９号

この発明の実施形態は、無線電力伝送時における磁界漏洩を低減することを目的とする。

本発明の実施形態としての移動体は、移動体本体と複数の電力伝送用共振子とを備える。

前記移動体本体は、走行面に対向する特定部分と前記走行面との距離が短くなるように特定方向に傾けることができる。

前記複数の電力伝送用共振子は、前記移動体本体が傾けられた際に、前記移動体本体の前記特定部分のうち、前記走行面からの高さが略同一となる部分に配置されている。

本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの斜視図。 互いに対向配置された車両用共振子と地上用共振子を示す図。 ニーリング時における車両用共振子と地上用共振子間の距離を関連技術と本実施形態とで比較して示す図。 コイルへの印加電流と磁束の関係を示す図。 電流差に起因する磁界の差と、１８０度からの位相差のずれによる磁界漏洩とを説明する図。 本発明の実施形態によるＹ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態によるＹ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態によるＹ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態によるＸ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態によるＸ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 本発明の実施形態によるＸ軸方向における磁界漏洩の低減効果を説明するための図。 前側または後側にニーリングを行う場合の車両用共振子の配置を示す図。 図１２の配置の車両用共振子が地上用共振子と対向する状態を示す図。 車両側および地上側にそれぞれ３つの共振子を配置した場合の電流位相制御の例を示す図。 車両側および地上側にそれぞれ３つの共振子を配置した場合の電流位相制御の他の例を示す図。 本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの他の例の斜視図。 本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの一例の機能ブロック図。 パルス幅変調ゲート信号の例を示す図。 パルス幅変調ゲート信号の他の例を示す図。 本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの他の例の機能ブロック図。 図２０に示すシステムの動作説明図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの斜視図を概略的に示す。

図１の無線電力伝送システムは、走行面を走行可能であり、複数の電力伝送用共振子１１を有する移動体１２と、走行面に配置された複数の電力伝送用共振子３１とを備える。

移動体１２は、駆動源として電気エネルギーを蓄積可能な蓄電池（後述する図８参照）を有し、蓄電池の電気エネルギーを用いて走行する。なお、移動体１２は、電気エネルギーの他に、ガソリン等の燃料エネルギーに基づいて走行するハイブリッドなものでもよい。移動体１２の例として、電気バス、電車等の車両や、ホバークラフト（登録商標）等がある。
また、移動体１２の種類に応じて、移動体１２の走行面は、地上面でもよいし、水面でもよいし、モノレール等が走行するレールでもよい。本実施形態では、移動体１２として電気バス等の車両を想定し、走行面として地上面を想定する。以下では、移動体１２に搭載された電力伝送用共振子１１を車両用共振子、走行面に配置された電力伝送用共振子３１を地上用共振子と呼ぶ。

図では、移動体１２が、地上面の所定箇所で停止して、移動体１２の下部に配置された車両用共振子１１と地上用共振子３１が対向する状態が示される。所定箇所は、たとえば、移動体が乗合バスであれば、停留所や営業所等、電車であれば、駅や車両基地等で地上用共振子が配置された箇所があり得る。

移動体１２は、移動体本体１３と、複数の車両用共振子１１とを備える。移動体本体１３は、車輪１３ａを用いて走行面を走行可能である。移動体１２は、走行面に対向する移動体本体１３の特定部分と走行面との距離が短くなるように、移動体本体１３を特定方向に傾ける機能を有する。また、移動体１２は、移動体本体１３を傾けた状態から元の位置に戻る機能も有する。本例では、図１の矢印付きの線に示すように、移動体本体１３の左側部分と走行面との距離が短くなるように、移動体本体１３を左側方向に傾けることができ、また元の位置に戻ることもできる。なお、移動体本体１３を左側方向に傾ける構成として、移動体本体１３の全体が左側に傾いてもよいし、特定部分を含む移動体本体の一部のみが左側に傾く構成でもよい。

本実施形態において、移動体本体の特定部分と走行面との距離が短くなるように移動体を傾ける動作をニーリング（kneeling）と呼ぶ。一般に、ニーリング機能を備える移動体の例として、ノンステップバスあるいは低床バスと呼ばれるバスが知られている。ノンステップバスでは、車椅子等での利用を考慮して、ニーリング機能により、車体を傾斜させ、乗降口の高さを下げることができる。たとえば乗降口が車体の左側にある場合は、乗降時に車体を左側方向に傾けることで、乗降口の高さを下げることができる。なお、ニーリングの用語はバスに限定されるものではなく、任意の移動体に共通に適用されることができる。

複数の車両用共振子１１は、移動体本体１３の特定部分のうち、ニーリング時に走行面からの高さが略同一となる部分に配置される。つまり、車両用共振子１１が配置される特定部分の面は、たとえば非ニーリング時およびニーリング時のうち少なくともニーリング時において走行面からの高さが同じであり、したがって、走行面から各車両用共振子１１までの高さはそれぞれ略同一である。本例では、走行面に対向する移動体本体１３の左側部分に、複数の車両用共振子１１が、移動体１２の前後方向（ニーリング方向である左側方向に直交する方向）に平行に、一列に配置されている。すなわち、移動体１２が傾けられたときに、移動体本体１の高さが低くなる側の部分に、複数の車両用共振子１１が一列に配置されている。本例では、車両用共振子１１の配置間隔は同一であるとするが、これに限定されるものではない。

一例として、車両用共振子１１は、走行面と対向する移動体１２の下面部の一部に配置される。移動体１２の下面部は、一例として、非ニーリング時に走行面に水平であり、停車時に、ニーリング機能により車体を傾けることで、下面部の一部と走行面との距離が短くされる。図示の例では、車両用共振子１１の個数は４であるが、２以上であれば、任意の個数で構わない。なお、本実施の形態において、移動体１２の前後方向は、Ｘ軸方向、左右方向はＹ軸方向として定義している。

車両用共振子１１は、ニーリング時に地上用共振子３１と平行になる（後述する磁性体コア同士が平行になる）ように配置されてもよいし、ニーリングの角度分、車両用共振子１１が地上用共振子３１と傾いていても良い。地上用共振子３１と平行になる場合は、電力伝送の効率を高めることができる利点がある。このため、たとえば、非ニーリング時に移動体１２の下面と走行面が平行であり、かつ地上用共振子３１が地上面に平行に設置されている場合は、車両用共振子１１は移動体１２の下面に対して、ニーリングの角度に応じて、予め傾けられて配置されてもよい。これによりニーリング時に、車両用共振子１１と地上用共振子３１を互いに平行にできる。

地上用共振子３１は、車両用共振子１１と概ね同一のピッチで、地上面に一列に配置されている。地上用共振子３１は、車両用共振子１１と１体１に対応するように、配置されている。移動体１２を停止させ、地上用共振子３１と車両用共振子１１を対向させた状態で、地上用共振子３１から、車両用共振子１１へ磁気結合あるいは磁気共鳴を介して電力を伝送する。伝送した電力は、たとえば蓄電池に電気エネルギーとして充電可能である。図示の例では、地上用共振子３１の個数は４であるが、車両用共振子１１と同様に、２以上であれば、任意の個数で構わない。

なお、地上用共振子３１を配置する形態は、地上用共振子３１を地上面に直接配置する場合のみならず、地上面に任意の地板を配置し、当該地板上に地上用共振子３１を配置する場合や、地上用共振子３１を任意の筐体に格納して、当該筐体を地上面に配置する場合も含む。これら以外の配置の形態も可能である。

図２は、ニーリング時に車両用共振子１１と地上用共振子３１が互いに平行に対向するように配置された状態を示す。図２（Ａ）および図２（Ｂ）はそれぞれ側面図および上面図である。図２では、車両用共振子１１と地上用共振子３１が互いに平行になっているが、前述したように、ニーリング時に車両用共振子１１と地上用共振子３１が平行でない構成も可能である。

図２を用いて、車両用共振子１１および地上用共振子３１の具体的な構成を説明する。車両用共振子１１は、概ね扁平な板状の形状を有する磁性体コア１１ａと、磁性体コア１１ａの周囲を巻回するコイル１１ｂとを含む。地上用共振子３１は、概ね扁平な板状の形状を有する磁性体コア３１ａと、磁性体コア３１ａの周囲を巻回するコイル３１ｂとを含む。

車両用共振子１１は、コイル１１ｂの巻回方向が、移動体１２の左右方向（Ｙ軸方向）と概ね平行になるように配置されている。これにより、地上面と車両間で対向する共振子同士で、電力伝送時におけるＹ軸方向の位置ずれ耐性を高くすることができる。つまり、バス等の車両の運転手が、自分が運転する車両の位置を左右方向に調整するのは、前後方向に位置調整するのに比べて困難であることが多い。そのため、左右方向の位置ずれに強い共振子配置を採用することで、左右方向の位置ずれが多少あっても、効率の高い電力伝送を可能としている。

図２の例では、磁性体コア１１ａ、３１ａは概ね扁平な板状の形状を有しているが、これは一例に過ぎず、磁性体コアは任意の形状を有することができる。たとえば磁性体コアはＨ字等の平面形状を有しても良い。また、磁性体コアをＸ軸方向に沿って複数の帯状の断片に分割し、各断片を互いに間隔を開けてＹ軸方向に並べて配置してもよい。また、磁性体コアの厚みをＸ軸方向またはＹ軸方向の位置に応じて異ならせてもよい。ここで述べた以外の構成を採用することも当然可能である。また図２の例では１つの磁性体コアに１つのコイルを巻回しているが、１つの磁性体コアに複数のコイルを、間隔を開けて巻回してもよい。また、車両用共振子１１および地上用共振子３１のサイズは異なっても同じでも良い。図示の例では、車両用共振子１１が地上用共振子３１よりも小さい場合が示されている。

地上面に設置した地上用共振子３１から、車両用共振子１１へ電力伝送を行って、車両（電気バス等）に設けた蓄電池に充電を行う際は、乗降時の停車時間を利用して行う形態が考えられる。本実施の形態では、車両用共振子１１および地上用共振子３１の配置位置を工夫することにより、移動体がニーリングした状態で電力伝送を行っても、磁界漏洩を低減可能な電力伝送を行うことを特徴の１つとしている。以下、これについて詳細に説明する。

図３（Ｂ）に、関連技術における移動体の正面図（図１のＸ軸方向から見た図）を示す。左側方向にニーリングする機能を有するバス１１２において、左側から右側方向へ沿って車両用共振子１１１を一列に配置している。また地上側には地上側共振子１３１を、車両用共振子１１１と同じピッチで一列に配置している。この場合、左側の共振子対（１１１、１３１）は距離が近いが、右側の共振子対（１１１、１３１）は距離が遠くなる。この結果、地上側から車両側への電力伝送時に、共振子対によって共振子間結合係数に差異が生じる。このため、各共振子対に流れる電流の差が大きく異なる値となる。つまり、複数の共振子対の相互インダクタンス、および各共振子の自己インダクタンスが異なる値となる。よって、複数の共振子対間で、磁界の振幅の差が大きくなり、送電電流の位相制御を行っても磁界漏洩を十分に低減できなくなる問題が生じる。具体的に、漏洩磁界の削減のための送電電流の位相差の調節が困難になったり、送電電流の位相差の調整のみでは漏洩磁界の削減が不可能になったりする。よって、磁界漏洩の低減が不十分になり、図３（Ｂ）の下に示すような残留磁界が発生する。

一方、図３（Ａ）に、本実施の形態に係る移動体の側面図（図１のＹ軸方向から見た図）を示す。車体の左側部分、すなわち、車体が左側に傾けられたときに地上面に近づく特定部分に、Ｘ軸方向に沿って一列に車両用共振子１１が配置されている。すなわち、車体の左側部分に、車体の前側から後側方向に沿って、一直線に車両用共振子１１が配置されている。車両用共振子１１が配置された部分は走行面からの距離がそれぞれ概ね同一である。これにより、ニーリング時においても、車両側および地上側の共振子対の各共振子間の距離が共振子対間で概ね等しくなる。よって、各共振子対でほぼ同一の電力を並列伝送する場合、各共振子対へ流れる電流が概ね等しくなる。このため、隣接する共振子対間で送電電流の位相を反転させることによる磁界の相殺が行いやすくなる。また、各共振子対の両共振子間の距離が概ね等しい場合、共振周波数の変化、すなわち送電周波数からのずれも概ね同じになる。このため、受電側の共振子の電流の位相差も、送電電流の位相差と概ね同じになり、受電共振子に流れる電流による磁界も相殺しやすくなる。つまり、複数の共振子対の相互インダクタンスが同様の値となり、各自己インダクタンスも同様の値となるため、磁界の振幅の差が少なくなり、送電電流の位相制御により磁界漏洩をより効果的に低減できる。

図４は、コイルへの印加電流と磁束の関係を示したものである。図２（Ａ）に対し、磁束を表す楕円と、磁界の向きを表す矢印付きの線を追加したものである。「Ｎ」および「Ｓ」は、Ｎ極およびＳ極を表す。図示の例では、４つの共振子対のうち、左側の２つの共振子対への印加電流の位相を互いに１８０度異なるように制御し、かつ、右側の２つの共振子対への印加電流の位相を互いに１８０度異なるように制御している。これにより、隣接する共振子対同士で、磁界の向きを逆にすることができる。

図５は、電流差に起因する磁界の差と、１８０度からの位相差のずれによる漏れ磁界を説明する図である。図５（Ａ）の左側のベクトル図にあるように、２つの共振子対の電流の振幅が等しく、位相差が１８０度になれば、互いの電流により十分遠い地点で発生する磁界はお互いに打ち消し合う。また、図５（Ｂ）の右側のベクトル図にあるように、電流振幅がやや異なり、位相差も１８０度よりややずれた場合でも、互いの電流により十分遠い地点で発生する磁界は、それぞれの電流のみで発生する磁界に比べ、かなり低くなることがわかる。

図６および図７は、図６の位置Ｐ２、Ｐ４における磁界が本実施形態によりどの程度減衰するかを説明するための図である。具体的に、図６および図７は、４つの共振子対で同じ電力を送受する場合、１つの共振子対で当該電力の４倍の電力を送受する場合に対して、位置Ｐ２、Ｐ４における磁界がどの程度減衰するかの効果を説明するための図である。

共振子対間のＸ軸方向の距離ΔＸは、０．９ｍとしている。位置Ｐ２は、左から２番目の共振子対の中心５１から、Ｙ軸方向に距離Ｗだけ離れた位置である。位置Ｐ４は、一番右の共振子対の中心５２から、Ｙ軸方向に距離Ｗだけ離れた位置である。

図７（Ａ）は、図６の左から２番目の共振子対のみで、ある電力を送受する場合と比較して、４つの共振子対でそれぞれ当該電力の１／４の電力を送受する場合における位置Ｐ２での磁界の低減量を計算したグラフである。途中でグラフが切れているのは、−３０ｄＢ未満であることを意味している。

図７（Ｂ）は、図６の一番右の共振子対のみで、ある電力を送受する場合と比較して、４つの共振子対でそれぞれ当該電力の１／４の電力を送受する場合における位置Ｐ４での磁界の低減量を計算したグラフである。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）のいずれも、例えば距離Ｗが３ｍの位置では、大きな減衰を得られることがわかる。

図８（Ａ）は、図７（Ａ）と同様の計算を行う場合において、隣接する共振子対の電流振幅の差が±５％ある場合の計算結果のグラフを示す。図８（Ｂ）は、図７（Ｂ）と同様の計算を行う場合において、隣接する共振子対の電流振幅の差が±５％ある場合の計算結果のグラフを示す。このように若干の振幅のずれが生じた場合であっても、例えば距離Ｗが３ｍの位置では、かなり大きな減衰を得られることがわかる。

図９および図１０は、４つの共振子対でそれぞれ同じ電力を送受する場合に、当該電力の４倍の電力を、位置５３に配置した１つの共振子対（図示せず）で送受する場合と比較して、位置Ｒにおける磁界がどの程度減衰するかの効果を説明するための図である。４つの共振子対間の距離Δｘは０．９ｍとしている。また、位置Ｒは、一番右の共振子対の中心からＸ軸方向にＬ［ｍ］だけ離れた位置である。

図１０は、図９の位置５３に配置した共振子対（図示せず）のみで、ある電力を送受する場合と比較して、４つの共振子対でそれぞれ当該電力の１／４の電力を送受する場合に位置Ｒでの磁界の低減量を計算したグラフを計算したものである。例えばＬが１０ｍの位置では、大きな減衰を得られることがわかる。

図１１は、図１０と同様の計算を行う場合において、隣接する共振子対の電流振幅の差が±５％ある場合の計算結果のグラフを示す。このように若干の振幅のずれが生じた場合であっても、例えばＬが１０ｍの位置では、かなり大きな減衰を得られることがわかる。

本実施の形態において、図１では、移動体が左側方向にニーリングする場合の車両用共振子の配置を示したが、右側方向、前方方向または後方方向にニーリングが行われる場合も、同様にして車両用共振子を配置すればよい。すなわち、ニーリング時に当該走行面との距離が短くなる特定部分のうち走行面からの距離が同一となる部分に車両用共振子を配置すればよい。たとえば当該ニーリングの方向に略直交する方向に沿って、一列に車両用共振子を配置すればよい。

図１２に、前方方向または後方方向にニーリングを行う移動体の車両用共振子の配置例を示す。図１２において、車両用共振子１１と地上用共振子３１とが対向した状態を図１３の上面図に示す。図１３はニーリング時に車両用共振子１１と地上用共振子３１が平行に向かい合った状態を示す。なお、図２の場合と同様、ニーリング時に車両用共振子１１と地上用共振子３１が互いに平行でない構成も可能である。

地上側と車両側の共振子対の距離はそれぞれ概ね同一となっている。車両用共振子１１は、コイル１１ｂの巻回方向が、移動体の左右方向（Ｙ軸方向）と概ね平行になるように配置されている。これにより、前述したように、Ｙ軸方向の位置ずれ耐性を高めることができる。

これまで述べた実施形態では、車両側および地上側にそれぞれ共振子を４つ、または２つ配置する例を示した。４つの場合は、前述したように４つの共振子対のうち左側の２つの共振子対を互いに逆相の電流位相にし、右側の２つの共振子対を互いに逆相の電流位相にすることで遠方への磁界漏洩を低減する例を示した。２つの場合は、一例として、２つの共振子対を互いに逆相の電流位相にすることで、同様に磁界漏洩を低減できる。一方、車両側および地上側にそれぞれ３つの共振子を配置する場合は、以下に示すように、電流位相制御を行えばよい。

図１４は、車両側および地上側に３つの共振子を配置した場合の電流位相の制御例を示す。各共振子対の送電電流の振幅がほぼ等しい場合には、複素数での和がほぼゼロにするためには、各送電電流に１２０度ずつの位相差をつければよい。図１４に示す各矢印付きの線は送電電流の振幅と位相を示しており、各振幅は同じであり、位相は互いに１２０度ずつ、ずれている。

図１５は、車両側および地上側に３つの共振子を用いた場合の電流位相の制御の他の例を示す。各共振子対の送電電流の振幅が互いにやや異なる場合の例である。この場合には、電流の差に応じて、ベクトル和がゼロになるように、位相差を１２０度からややずらせて制御することにより、遠方での合成磁界を低減することができる。図１５に示す各矢印付きの線は送電電流の振幅と位相を示しており、各振幅はそれぞれ異なっており、位相も互いに１２０度から少しずれている。

なお、図１に示した構成では、車両の前後方向（Ｘ軸方向）に沿って１列に車両用共振子を配置したが、ニーリング時に走行面との距離が短くなる特定部分において、左右方向（Ｙ軸方向）に走行面との距離が略同一となる領域が複数の車両用共振を任意の間隔で配置可能な程度に存在する場合は、Ｙ軸方向に沿って複数列の車両用共振子を配置する構成も可能である。たとえば図１６に示すように、Ｘ軸方向に沿って配置した２つの車両用共振子の列を、Ｙ軸方向に２つ設ける構成も可能である。

図１７は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの機能ブロック図を示す。ここでは、車両および地上側にそれぞれ共振子を２つ配置した場合の構成を示している。３つ以上の場合も、同様に無線電力伝送の系統数を増やして構成可能である。ここでは送電側（地上側）の共振子は送電カプラ、受電側（車両側）の共振子は受電カプラと呼ぶ。

図１７の無線電力伝送システムは、２つの無線電力伝送部２５１、２５２と、入力コンデンサ２０７、２１７と、電圧調整回路２０６、２１６と、無線送電側制御装置２０２と、無線送電側通信装置２０３と、無線受電側通信装置３０２と、車載制御装置２２５と、蓄電池２０８とを備える。

無線電力伝送部２５１は、整流回路２０５、インバータ２０４、送電カプラ２０１、受電カプラ３０１、ブリッジダイオード３０３を備える。無線電力伝送部２５２は、整流回路２１５、インバータ２１４、送電カプラ２１１、受電カプラ３１１、ブリッジダイオード３１３を備える。

受電カプラ３０１、ブリッジダイオード３０３、入力コンデンサ２０７、電圧調整回路２０６、受電カプラ３１１、ブリッジダイオード３１３、入力コンデンサ２１７、電圧調整回路２１６、蓄電池２０８、車載制御装置２２５、無線受電側通信装置３０２は、車両（移動体）に搭載されている。

整流回路２０５、インバータ２０４、送電カプラ２０１、整流回路２１５、インバータ２１４、送電カプラ２１１、無線送電側通信装置２０３、無線送電側制御装置２０２は、地上側に配置されている。

無線電力伝送部２５１の整流回路２０５は、外部の商用電源に接続される。整流回路２０５は、商用電源の交流電力から直流電力を生成し、当該直流電力をインバータ２０４に供給する。

インバータ２０４は、整流回路２０５から供給される直流電力の電圧および周波数を、無線送電側制御装置２０２の制御に従って変換して、高周波交流電力を生成する。インバータ２０４は、生成した高周波交流電力を送電カプラ２０１へ入力する。無線送電側制御装置２０２による制御の方法として、たとえばインバータ２０４にパルス幅変調信号（パルス幅変調ゲート信号）を入力する構成が可能である。この場合、パルス幅変調ゲート信号を入力とし、そのパルス幅に応じた高電圧・大電流電力を出力するインバータ回路を用いることが考えられる。

無線送電側制御装置２０２は、無線送電側通信装置２０３および無線受電側通信装置３０２間の無線通信を通じて、車載制御装置１５からの命令を受け、当該命令に従って動作を行う。

送電カプラ２０１は、インバータ２０４から入力される高周波交流電力に応じて、高周波電磁界を発生させ、非接触により無線で高周波交流電力を受電カプラ３０１へ送電する。

受電カプラ３０１は、送電カプラ２０１から高周波交流電力を無線で受電し、ブリッジダイオード３０３に出力する。ブリッジダイオード３０３は、受電カプラ３０１からの高周波交流電力を整流する。ブリッジダイオード３０３の出力電力は、電圧調整回路２０６へ入力される。なお、電圧調整回路２０６の入力側には、入力バッファとして入力コンデンサ２０７が設けられている。ブリッジダイオード３０３は、一例として数百Ｖ程度の高電圧電力を整流できるだけの十分な逆電圧耐圧を有することが必要である。電圧調整回路２０６は、蓄電池２０８に合わせた適切な直流電圧を生成し、当該電圧を有する電力を蓄電池２０８に供給する。

無線電力伝送部２５２の整流回路２１５、インバータ２１４、送電カプラ２１１、受電カプラ３１１、ブリッジダイオード３１３は、無線電力伝送部２５１の同一名称の要素と同一の機能を有するため重複する説明を省略する。また入力コンデンサ２１７および電圧調整回路２１６も、入力コンデンサ２０７および電圧調整回路２０６と同一の機能を有するため重複する説明を省略する。蓄電池２０８は、電圧調整回路２０６、２１６から供給される電力の合成に基づき電気エネルギーの充電を行う。

車載制御装置２２５は、無線受電側通信装置３０２および無線送電側通信装置２０３間の無線通信を介して、無線送電側制御装置２０２を制御する。また、車載制御装置２２５は、電圧調整回路２０６、２１６を制御する。電圧調整回路２０６、２１６は、たとえば、車載制御装置２２５からパルス幅変調ゲート信号が入力され、そのパルス幅に応じた高電圧の電力を出力する。

図１８は、無線送電側制御装置２０２がインバータ２０４、２１４に対して生成するパルス幅変調ゲート信号（ＰＷＭゲート信号）の例を示す。送電側＃１ＰＷＭゲート信号がインバータ２０４に対して生成するパルス幅変調ゲート信号であり、送電側＃２ＰＷＭゲート信号がインバータ２１４に対して生成するパルス幅変調ゲート信号である。パルス幅変調ゲート信号の周期をＴとすると、各ゲート信号で、Ｔ／２周期だけ、すなわち、１８０度だけ、位相がずれている。各ゲート信号の振幅は同じである。これにより各送電カプラ２０１、２１１での電流位相が略１８０度ずれ、受電カプラ３０１、３１１も、図３（Ａ）に示した位置合わせにより各送電カプラとの距離がそれぞれ概ね同じになるため、受電電流の位相が略１８０度ずれる。よって各カプラ対で発生する磁界が打ち消し合い、磁界漏洩を効果的に低減できる。

図１８では、無線電力伝送部が２系統ある場合のゲート信号の例を示したが、無線電力伝送部が３系統ある場合のゲート信号の例を図１９に示す。各ゲート信号は、Ｔ／３周期だけ、すなわち、１２０度だけ、位相がずれている。各ゲート信号の振幅は同じである。これにより図１４を用いて説明したように、３つの送電カプラでの電流位相が略１２０度ずれ、３つの受電カプラでも、図３（Ａ）に示した位置合わせにより、各送電カプラとの距離がそれぞれ概ね同じになるため、受電電流の位相が略１２０度ずつずれる。よって、各カプラ対で発生する磁界が打ち消し合い、磁界漏洩を効果的に低減できる。

図２０は、本発明の実施の形態に係る無線電力伝送システムの他の例の機能ブロック図を示す。図１７の整流回路２０５、２１５が整流・電圧調整回路２６５、２７５に置き換わり、電圧調整回路２０６、２１６が出力調整回路２６６、２７６に置き換わっている。受電カプラ３０１、３１１を通る電流量を検出する電流センサ２６７、２７７が追加されている。また車載制御装置の参照符号を２８５に、無線電力伝送部の参照符号を２６１、２６２に振り直している。図１７と同じ機能を有するブロックには同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

整流・電圧調整回路２６５、２７５は、無線送電側制御装置２０２の制御の下、商用電源の交流電力から、無線送電側制御装置２０２により指示された電流振幅または電圧振幅を有する直流電力を生成し、当該直流電力をインバータ２０４に供給する。

インバータ２０４、２１４は、整流・電圧調整回路２６５、２７５から供給される直流電力を、無線送電側制御装置２０２の制御に従って変換して、高周波交流電力を生成する。この際、インバータ２０４、２１４は、生成する高周波交流電力の位相を、無線送電側制御装置２０２の指示に従って制御する。

電流センサ２６７、２７７は、受電カプラ３０１、３０２へ流れる電流量（振幅）および位相を検出し、車載制御装置２８５に通知する。出力調整回路２６６、２７６は、図１７の電圧調整回路２０６、２１６と同様に、蓄電池２０８に合わせた適切な直流電圧を生成し、当該電圧を有する電力を蓄電池２０８に供給する。また、出力調整回路２６６、２７６は、電圧等の情報を検出して、検出した情報を車載制御装置２８５に出力してもよい。出力調整回路２６６、２７６を、電カプラ３０１、３０２へ流れる電流量（振幅）および位相を検出するように構成してもよい。車載制御装置２８５は、電流センサ２６７、２７７や電圧調整回路２０６、２１６から通知された情報を無線送電側制御装置２０２に通知する。

以下、図２０のシステムの動作について説明する。送電カプラ２０１、２１１および受電カプラ３０１、３１１に流れる電流と、これらの各カプラのコイルの巻き数の積（Ｉ×Ｎ）に関して、送電カプラ２０１、２１１の方が、受電カプラ３０１、３１１に対して十分大きい場合、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）の方が、送電カプラ２０１、２１１のそれに対して十分大きい場合、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）と、送電カプラ２０１、２１１のそれが、近い値の場合の３つの場合に分けて説明を行う。

送電カプラ２０１、２１１の（Ｉ×Ｎ）の方が、受電カプラ３０１、３１１に対して十分大きい場合は、送電カプラ２０１、２１１のみの電流位相と振幅を勘案して、誘導磁界の遠方でのベクトル和を低減するように送電電流の位相と振幅を制御する。一例として無線送電側制御装置２０２は、送電カプラ２０１、２１１の電流位相を１８０度異ならせ、送電カプラ２０１、２１１の電流振幅も同一になるよう電流・電圧調整回路２６５、２７５とインバータ２０４、２１４を制御する。なお、送電カプラ２０１、２１１の（Ｉ×Ｎ）の方が、受電カプラ３０１、３１１に対して十分大きい場合とは、一例として、送電カプラ２０１、２１１と受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）の差または比率がそれぞれ閾値以上の場合があり得るが、これに限定されるものではない。

また、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）の方が、送電カプラ２０１、２１１のそれに対して、十分大きい場合は、受電カプラ３０１、３１１のみの電流位相と振幅を勘案して、誘導磁界の遠方でのベクトル和を低減するように、送電電流の振幅および位相を制御する。一例として、出力調整回路２６６、２７６や電流センサ２６７、２７７で検出した電流の振幅や位相の情報を、車載制御装置２８０を介して無線送電側制御装置２０２にフィードバックする。無線送電側制御装置２０２は、受電カプラ３０１、３１１の電流位相を１８０度異ならせ、受電カプラ３０１、３１１の電流振幅も同一になるよう、電流・電圧調整回路２６５、２７５とインバータ２０４、２１４を制御して、送電カプラ２０１、２１１へ入力する送電電流の振幅および位相を調整する。なお、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）の方が、送電カプラ２０１、２１１の方に対して十分大きい場合とは、一例として、受電カプラ３０１、３１１と送電カプラ２０１、２１１の（Ｉ×Ｎ）の差または比率がそれぞれ閾値以上の場合があり得るが、これに限定されるものではない。

一方、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）と、送電カプラ２０１、２１１のそれが、近い値の場合は、受電側の複数の出力調整回路２６６、２７６で検出された、電流の振幅や位相の情報を、車載制御装置２８５を介して、無線送電側制御装置２０２に通知する。無線送電側制御装置２０２は、受電側の電流の振幅や位相の値と、送電側の電流の振幅や位相の値に基づき、複数の系統のインバータ２０４、２１４および整流・電圧調整回路２６５、２７５を制御する。

たとえば２つの受電カプラ１、２と、２つの送電カプラ１、２について、受電カプラ１、２の電流の振幅や位相の値と、送電カプラ１，２の電流の振幅や位相の値が図２１（Ａ）に示される関係にあるとする。受電カプラ１、２は、たとえば図２０の受電カプラ３０１、３１１に対応し、送電カプラ１、２は、送電カプラ２０１、２１１に対応する。この場合、たとえば図２１（Ｂ）に示すように、送受両側の各カプラに流れる電流に起因する合成磁界が小さくなるように、送電カプラ１に対して送電カプラ２の振幅と位相を調整する。図２１（Ｂ）の場合、電流センサ２６７、２７７で検出した電流の振幅や位相の情報によると、送電カプラ１に対し、受電カプラ１の電流は振幅が８０％に、位相が８０度ずれており、送電カプラ２に対し、受電カプラ２の電流は振幅が７２％に、位相が７０度ずれている。調整前は、送電カプラ１に対し、送電カプラ２の振幅は同じで、位相は１８０度ずらしていた。これを、送電カプラ１に対し、送電カプラ２の振幅を９６％に、位相を１８６度ずらすよう、調整することにより、送受両側の各カプラに流れる電流に起因する合成磁界を約１０分の１に低減できる。このようにすることで、各送電カプラおよび受電カプラの電流に起因する誘導磁界の遠方でのベクトル和を低減し、これにより漏洩磁界を低減する。

なお、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）と、送電カプラ２０１、２１１のそれが、近い場合とは、受電カプラ３０１、３１１の（Ｉ×Ｎ）と、送電カプラ２０１、２１１の（Ｉ×Ｎ）の差または比率が、それぞれ一定の範囲内にある場合があり得る。

なお、図２０では、無線相受電部の系統数が２の場合を示したが、系統数が３以上の場合でも同様にして電流振幅および位相の制御を実行可能である。

本実施形態では、各送電カプラの送電電流の振幅および位相の制御を行ったが、各送電カプラの送電電圧の振幅および位相を制御する構成でもかまわない。

なお、上記した実施形態は、電気自動車や電車などの移動体の他、充電池で動作させる各種電気機器などに適用することにより、同様な効果が期待できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１：車両用共振子
１１ａ：磁性体コア
１１ｂ：コイル
１２：移動体
１３：移動体本体
１３ａ：車輪
３１：地上用共振子
３１ａ：磁性体コア
３１ｂ：コイル
２０１、２１１：送電カプラ（地上用共振子）
３０１、３１１：受電カプラ（車両用共振子）
２０８：蓄電池

Claims (15)

1. 走行面に対向する特定部分と、前記走行面との距離が短くなるように特定方向に傾けることが可能な移動体本体と、
   前記移動体本体が傾けられた際に、前記移動体本体の前記特定部分のうち、前記走行面からの高さが略同一となる部分に配置された複数の電力伝送用共振子と、を備え、
   前記複数の電力伝送用共振子は、前記移動体本体が前記特定方向に傾けられた状態で、前記複数の電力伝送用共振子に対向する前記走行面上に配置された複数の他の電力伝送用共振子からの誘導磁界と結合することにより電力を受電し、前記複数の他の電力伝送共振子から放射される磁界の位相は、前記磁界が互いに打ち消し合う関係になっている
   移動体。
2. 前記複数の電力伝送用共振子は、前記特定方向に略直交する方向に沿って一列に配置された
   請求項１に記載の移動体。
3. 前記特定方向は、前記移動体の左側方向であり
   前記特定部分は前記移動体本体の左側部分である
   請求項１または２に記載の移動体。
4. 前記特定方向は、前記移動体の右側方向であり
   前記特定部分は前記移動体本体の右側部分である
   請求項１または２に記載の移動体。
5. 前記特定方向は、前記移動体の前方方向であり、
   前記特定部分は前記移動体本体の前方部分である
   請求項１または２に記載の移動体。
6. 前記特定方向は、前記移動体の後方方向であり、
   前記特定部分は前記移動体本体の後方部分である
   請求項１または２に記載の移動体。
7. 前記特定部分は、前記移動体本体の下面部である
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の移動体。
8. 前記複数の電力伝送用共振子は、それぞれ磁性体コアと、前記磁性体コアの周囲を巻回するコイルとを含み、
   前記複数の電力伝送用共振子は、前記コイルの巻回方向が前記移動体の左右方向と概ね平行になるように配置された
   請求項２ないし７のいずれか一項に記載の移動体。
9. 前記複数の電力伝送用共振子は一定間隔で配置された
   請求項１ないし８のいずれか一項に記載の移動体。
10. 前記複数の電力伝送用共振子は、前記移動体本体が前記特定方向に傾けられた状態で、前記複数の電力伝送用共振子に対向するように前記走行面上に配置された複数の他の電力伝送用共振子から無線により電力を受電する
    請求項１ないし９のいずれか一項に記載の移動体。
11. 前記移動体本体は、前記複数の電力伝送用共振子で受電した電力に基づき、蓄電池に電気エネルギーを充電し、前記蓄電池に蓄積された電気エネルギーを駆動源として用いて走行する
    請求項１０に記載の移動体。
12. 車両であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の移動体。
13. 前記車両は、ニーリング機能を備えたバスであり、前記バスは、前記ニーリング機能により前記バスの車体を前記特定方向に傾ける
    請求項１２に記載の移動体。
14. 走行面に対向する特定部分と前記走行面との距離が短くなるように特定方向に傾けることが可能な移動体本体と、前記移動体本体が傾けられた際に、前記移動体本体の前記特定部分のうち、前記走行面からの高さが略同一となる部分に配置された複数の第１電力伝送用共振子とを備えた移動体と、
    前記走行面上に配置され、前記移動体の前記複数の第１電力伝送用共振子と対向した状態で、前記複数の第１電力伝送用共振子に誘導磁界を結合させることより電力を伝送する複数の第２電力伝送用共振子と
    を備え、
    前記複数の第１電力伝送用共振子は、前記移動体本体が前記特定方向に傾けられた状態で、前記複数の第２電力伝送用共振子からの前記誘導磁界と結合することにより前記電力を受電し、前記複数の第２電力伝送共振子から放射される前記磁界の位相は、前記磁界が互いに打ち消し合う関係になっている
    無線電力伝送システム。
15. 走行面に対向する特定部分と前記走行面との距離が短くなるように特定方向に傾けることが可能な移動体本体と、前記移動体本体が傾けられた際に、前記移動体本体の前記特定部分のうち、前記走行面からの高さが略同一となる部分に配置された複数の第１電力伝送用共振子とを備えた移動体を、前記複数の第１電力伝送用共振子が前記走行面上に配置された複数の第２電力伝送用共振子と対向するように、前記特定方向に傾けるステップと、
    前記移動体が前記特定方向に傾けられた状態で、前記複数の第２電力伝送用共振子から前記複数の第１電力伝送用共振子に誘導磁界を結合させることより電力を送電するステップと、
    を備え、
    前記複数の第１電力伝送用共振子は、前記移動体本体が前記特定方向に傾けられた状態で、前記複数の第２電力伝送用共振子からの前記誘導磁界と結合することにより前記電力を受電し、前記複数の第２電力伝送共振子から放射される前記磁界の位相は、前記磁界が互いに打ち消し合う関係になっている
    無線電力伝送方法。