JP2010073885A - 共鳴コイルおよび非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】共鳴法を用いた非接触給電システムに用いられる共鳴コイルにおいて火花放電が発生するのを防止する。
【解決手段】二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０の各々は、コイルを構成するコイル導線４１０と、絶縁性の樹脂４２０とを含む。コイル導線４１０は、所定の共鳴周波数で電気的に共振する。樹脂４２０は、コイル導線４１０の電界分布に基づいて、コイル導線４１０の端部に近いほど厚みが増すようにテーパ状にコイル導線４１０に被覆加工される。
【選択図】図５

Description

この発明は、共鳴コイルおよび非接触給電システムに関し、特に、共鳴法を用いて電力を送電／受電する際に用いられる共鳴コイルおよびそれを用いた非接触給電システムに関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が大きく注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える再充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した車両や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した車両である。

ハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。

一方、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電が近年注目されている。このワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、電磁波を用いた送電、および共鳴法による送電の３つの技術が知られている。

このうち、共鳴法は、一対の共鳴器（たとえば一対の共鳴コイル）を電磁場（近接場）において共鳴させ、電磁場を介して送電する非接触の送電技術であり、数ｋＷの大電力を比較的長距離（たとえば数ｍ）送電することも可能である（非特許文献１参照）。
国際公開第２００７／００８６４６号パンフレット アンドレ・クルス（Andre Kurs）、他５名、"ワイヤレス パワー トランスファー バイア ストロングリィ カップルド マグネティック レゾナンス（Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances）"、［online］、２００７年７月６日、サイエンス（SCIENCE）、第３１７巻、ｐ．８３−８６、［平成２００７年９月１２日検索］、インターネット＜URL：http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf＞

上記の文献に開示される構成では、共鳴コイルは、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルから成る。ここで、共鳴コイルを構成するコイル導線の電界分布は、コイル導線の端部に近いほど高くなる。そして、数ｋＷから数十ｋＷの大電力が授受され得る電動車両の給電システム等に上記文献に開示される構成を適用する場合、コイル導線の端部あるいは端部近傍において電界が空気の絶縁破壊限界を超え、火花放電が発生し得る。

それゆえに、この発明の目的は、共鳴法を用いた非接触給電システムに用いられる共鳴コイルにおいて火花放電が発生するのを防止することである。

この発明によれば、共鳴コイルは、他のコイルと電磁場を介して共鳴することにより前記他のコイルへ送電しまたは前記他のコイルから受電する共鳴コイルであって、コイル導線と、絶縁性の樹脂とを備える。コイル導線は、所定の共鳴周波数で電気的に共振する。樹脂は、コイル導線の端部に近いほど厚みが増すようにコイル導線に被覆加工される。

好ましくは、樹脂の厚みは、コイル導線の電界分布に応じて決定される。
好ましくは、樹脂は、コイル導線の非中央部から端部へ向かってテーパ状に被覆加工される。

また、この発明によれば、非接触給電システムは、一次コイルと、一次自己共振コイルと、二次自己共振コイルと、二次コイルと、整流器とを備える。一次コイルは、電源から電力を受ける。一次自己共振コイルは、一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する。二次自己共振コイルは、電磁場を介して一次自己共振コイルと共鳴することにより一次自己共振コイルから受電する。二次コイルは、二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出す。整流器は、二次コイルによって取出された電力を整流して負荷へ供給する。一次自己共振コイルおよび二次自己共振コイルの各々は、コイル導線と、絶縁性の樹脂とを含む。コイル導線は、所定の共鳴周波数で電気的に共振する。樹脂は、コイル導線の端部に近いほど厚みが増すようにコイル導線に被覆加工される。

好ましくは、樹脂の厚みは、コイル導線の電界分布に応じて決定される。
好ましくは、樹脂は、コイル導線の非中央部から端部へ向かってテーパ状に被覆加工される。

この発明においては、コイル導線の端部に近いほど厚みが増すように絶縁性の樹脂がコイル導線に被覆加工されるので、コイル導線の端部に近いほど絶縁破壊の限界値が高い。したがって、この発明によれば、共鳴法を用いた非接触給電システムに用いられる共鳴コイルにおいて火花放電が発生するのを防止することができる。

また、この発明によれば、コイル導線全長に亘って樹脂の厚みを一律にするのではなく端部に近いほど厚みが増すようにしたので、樹脂量の低減およびコイルの軽量化を図ることができる。また、コイルの放熱性も確保することができる。

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

図１は、この発明の実施の形態による非接触給電システムの全体構成図である。図１を参照して、非接触給電システムは、電動車両１００と、給電装置２００とを備える。電動車両１００は、二次自己共振コイル１１０と、二次コイル１２０と、整流器１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、蓄電装置１５０とを含む。また、電動車両１００は、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する。）１６０と、モータ１７０と、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８０とをさらに含む。

二次自己共振コイル１１０は、たとえば車体下部に配設される。二次自己共振コイル１１０は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０（後述）と電磁場を介して共鳴することにより給電装置２００から電力を受電する。なお、二次自己共振コイル１１０の容量成分は、コイルの浮遊容量である。

二次自己共振コイル１１０は、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０との距離や、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル２４０と二次自己共振コイル１１０との共鳴強度を示すＱ値（たとえば、Ｑ＞１００）およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

この二次自己共振コイル１１０においては、コイル導線の端部およびその近傍が高電界となるところ、その高電界部において空気中への火花放電が発生しないように、絶縁性の樹脂によってコイル導線の端部およびその近傍が被覆加工される。なお、二次自己共振コイル１１０の構成については、後ほど詳しく説明する。

二次コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０と同軸上に配設され、電磁誘導により二次自己共振コイル１１０と磁気的に結合可能である。この二次コイル１２０は、二次自己共振コイル１１０により受電された電力を電磁誘導により取出して整流器１３０へ出力する。

整流器１３０は、二次コイル１２０によって取出された交流電力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、車両ＥＣＵ１８０からの制御信号に基づいて、整流器１３０によって整流された電力を蓄電装置１５０の電圧レベルに変換して蓄電装置１５０へ出力する。なお、車両の走行中に給電装置２００から受電する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、整流器１３０によって整流された電力をシステム電圧に変換してＰＣＵ１６０へ直接供給してもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、必ずしも必要ではなく、二次コイル１２０によって取出された交流電力が整流器１３０によって整流された後に直接蓄電装置１５０に与えられるようにしてもよい。

蓄電装置１５０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池から成る。蓄電装置１５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から供給される電力を蓄えるほか、モータ１７０によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置１５０は、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給する。なお、蓄電装置１５０として大容量のキャパシタも採用可能であり、給電装置２００から供給される電力やモータ１７０からの回生電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をＰＣＵ１６０へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

ＰＣＵ１６０は、蓄電装置１５０から出力される電力あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ１４０から直接供給される電力によってモータ１７０を駆動する。また、ＰＣＵ１６０は、モータ１７０により発電された回生電力を整流して蓄電装置１５０へ出力し、蓄電装置１５０を充電する。モータ１７０は、ＰＣＵ１６０によって駆動され、車両駆動力を発生して駆動輪へ出力する。また、モータ１７０は、駆動輪や図示されないエンジンから受ける運動エネルギーによって発電し、その発電した回生電力をＰＣＵ１６０へ出力する。

車両ＥＣＵ１８０は、給電装置２００から電動車両１００への給電時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御する。車両ＥＣＵ１８０は、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０を制御することによって、整流器１３０とＤＣ／ＤＣコンバータ１４０との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。また、車両ＥＣＵ１８０は、車両の走行時、車両の走行状況や蓄電装置１５０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称される。）に基づいてＰＣＵ１６０を制御する。

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

交流電源２１０は、車両外部の電源であり、たとえば系統電源である。高周波電力ドライバ２２０は、交流電源２１０から受ける電力を高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次コイル２３０へ供給する。なお、高周波電力ドライバ２２０が生成する高周波電力の周波数は、たとえば１Ｍ〜１０数ＭＨｚである。

一次コイル２３０は、一次自己共振コイル２４０と同軸上に配設され、電磁誘導により一次自己共振コイル２４０と磁気的に結合可能である。そして、一次コイル２３０は、高周波電力ドライバ２２０から供給される高周波電力を電磁誘導により一次自己共振コイル２４０へ給電する。

一次自己共振コイル２４０は、たとえば地面近傍に配設される。一次自己共振コイル２４０も、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、電動車両１００の二次自己共振コイル１１０と電磁場を介して共鳴することにより電動車両１００へ電力を送電する。なお、一次自己共振コイル２４０の容量成分も、コイルの浮遊容量である。

この一次自己共振コイル２４０も、電動車両１００の二次自己共振コイル１１０との距離や、一次自己共振コイル２４０および二次自己共振コイル１１０の共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値（たとえば、Ｑ＞１００）および結合度κ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

そして、この一次自己共振コイル２４０においても、コイル導線の端部およびその近傍が高電界となるところ、絶縁性の樹脂によってコイル導線の端部およびその近傍が被覆加工される。なお、一次自己共振コイル２４０の構成についても、後ほど詳しく説明する。

図２は、共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図２を参照して、この共鳴法では、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共振コイルが電磁場（近接場）におい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電磁場を介して電力が伝送される。

具体的には、高周波電源３１０に一次コイル３２０を接続し、電磁誘導により一次コイル３２０と磁気的に結合される一次自己共振コイル３３０へ１Ｍ〜１０数ＭＨｚの高周波電力を給電する。一次自己共振コイル３３０は、コイル自身のインダクタンスと浮遊容量とによるＬＣ共振器であり、一次自己共振コイル３３０と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル３４０と電磁場（近接場）を介して共鳴する。そうすると、一次自己共振コイル３３０から二次自己共振コイル３４０へ電磁場を介してエネルギー（電力）が移動する。二次自己共振コイル３４０へ移動したエネルギー（電力）は、電磁誘導により二次自己共振コイル３４０と磁気的に結合される二次コイル３５０によって取出され、負荷３６０へ供給される。なお、共鳴法による送電は、一次自己共振コイル３３０と二次自己共振コイル３４０との共鳴強度を示すＱ値がたとえば１００よりも大きいときに実現される。

なお、図１との対応関係について説明すると、図１の交流電源２１０および高周波電力ドライバ２２０は、図２の高周波電源３１０に相当する。また、図１の一次コイル２３０および一次自己共振コイル２４０は、それぞれ図２の一次コイル３２０および一次自己共振コイル３３０に相当し、図１の二次自己共振コイル１１０および二次コイル１２０は、それぞれ図２の二次自己共振コイル３４０および二次コイル３５０に相当する。そして、図１の整流器１３０以降が負荷３６０として総括的に示されている。

図３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３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。

「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、共鳴法では、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、同じ固有振動数を有する一対の共鳴器（たとえば一対のＬＣ共振コイル）を共鳴させることにより、一方の共鳴器（一次自己共振コイル）から他方の共鳴器（二次自己共振コイル）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」によりエネルギー（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。

図４は、図１に示した二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０の電界分布（電圧分布）を示した図である。図４を参照して、横軸は、自己共振コイルを構成するコイル導線の中央部からの距離を示し、縦軸は、コイル導線の電界を示す。図４に示されるように、コイル導線の端部に近いほど電界が高くなり、端部で最大となる。そして、たとえば送電電力が数百Ｗレベルになると、コイル導線の端部において電界が空気の絶縁破壊限界を超えることによって火花放電が発生する。送電電力がさらに大電力になれば、コイル導線の端部近傍においても火花放電が発生し得る。なお、コイル導線の中央部の電界は零であり、共鳴周波数に応じて電界の符号は反転する。

このように、コイル導線の端部および端部近傍において火花放電が発生し得るところ、この実施の形態では、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０は、絶縁性の樹脂によって被覆加工される。そして、図４に示したコイル導線の電界分布に基づいて、コイル導線の端部に近いほど樹脂の厚みが増すようにコイル導線を被覆加工したものである。

図５は、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０の端部の拡大図である。図５を参照して、自己共振コイルを構成するコイル導線４１０の周囲に絶縁性の樹脂４２０が被覆される。コイル導線４１０は、高導電性の電線であり、たとえば銀や銅から成る。樹脂４２０は、たとえばテフロン（登録商標）やシリコン等から成り、コイル導線４１０の端部に近いほど厚みが増すようにテーパ状に被覆加工される。

コイル導線４１０の端部に近いほど厚みが増すように樹脂４２０をテーパ状にしたのは、以下の理由による。すなわち、上述のように、送電電力が大きくなるとコイル端部だけでなく端部近傍においても電圧が空気の絶縁破壊限界を超えて火花放電が発生し得るので、コイル導線４１０の端部に絶縁性のキャップのようなものを単に被せるだけでは足りず、図４に示したコイル導線４１０の電界分布に基づいて樹脂４２０の厚みを決定したからである。

図６は、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０の全長にわたる樹脂４２０の厚みを示した図である。なお、この図６では、樹脂４２０の厚みの変化が容易に理解できるように、二次自己共振コイル１１０（または一次自己共振コイル２４０）を直線状に伸ばして示される。

図６を参照して、樹脂４２０は、コイル導線４１０の両端部に近いほど厚みが増すようにテーパ状に被覆加工され、コイル導線４１０の中央寄りの部分では、樹脂４２０は設けられないか、あるいは薄く被覆加工される。図４に示したように、コイル導線４１０の中央寄りの部分では、コイル導線４１０の電圧は低く、絶縁破壊を起こすことはないので、樹脂４２０の被覆加工をしないか、もしくはコイル端部よりも樹脂４２０の厚みを薄くしたものである。これにより、樹脂４２０の量を低減できるとともにコイルの軽量化も図られ、さらにはコイルの放熱性も確保される。

以上のように、この実施の形態においては、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０において、コイル導線４１０の端部に近いほど厚みが増すように絶縁性の樹脂４２０がテーパ状に被覆加工されるので、コイル導線４１０の端部に近づくほど絶縁破壊の限界値が高い。したがって、この実施の形態によれば、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０において火花放電が発生するのを防止することができる。

また、コイル導線４１０全長に亘って樹脂４２０の厚みを一律に厚くするのではなくコイル導線４１０の端部に近いほど厚みが増すようにしたので、樹脂量の低減およびコイルの軽量化を図ることができる。また、コイルの放熱性も確保することができる。

なお、上記の実施の形態において、電動車両は、モータ１７０に加えてエンジンを動力源としてさらに搭載したハイブリッド車両であってもよい。また、電動車両は、直流電源として燃料電池を搭載した燃料電池車であってもよい。

また、上記においては、給電装置２００から供給される電力は、蓄電装置１５０に充電されるものとしたが、この発明は、蓄電装置を備えない車両にも適用可能である。すなわち、走行中に給電装置から電力を受電しながらモータで走行する電動車両にもこの発明は適用可能である。

なお、上記において、二次自己共振コイル１１０および一次自己共振コイル２４０の各々は、この発明における「共鳴コイル」の一実施例に対応する。

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

この発明の実施の形態による非接触給電システムの全体構成図である。 共鳴法による送電の原理を説明するための図である。 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１に示す二次自己共振コイルおよび一次自己共振コイルの電界分布を示した図である。 二次自己共振コイルおよび一次自己共振コイルの端部の拡大図である。 二次自己共振コイルおよび一次自己共振コイルの全長にわたる樹脂の厚みを示した図である。

符号の説明

１００ 電動車両、１１０，３４０ 二次自己共振コイル、１２０，３５０ 二次コイル、１３０ 整流器、１４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５０ 蓄電装置、１６０ ＰＣＵ、１７０ モータ、１８０ 車両ＥＣＵ、２１０ 交流電源、２２０ 高周波電力ドライバ、２３０，３２０ 一次コイル、２４０，３３０ 一次自己共振コイル、３６０ 負荷、４１０ コイル導線、４２０ 樹脂。

Claims (6)

1. 他のコイルと電磁場を介して共鳴することにより前記コイルへ送電しまたは前記コイルから受電する共鳴コイルであって、
   所定の共鳴周波数で電気的に共振するコイル導線と、
   前記コイル導線の端部に近いほど厚みが増すように前記コイル導線に被覆加工される絶縁性の樹脂とを備える共鳴コイル。
2. 前記樹脂の厚みは、前記コイル導線の電界分布に応じて決定される、請求項１に記載の共鳴コイル。
3. 前記樹脂は、前記コイル導線の非中央部から端部へ向かってテーパ状に被覆加工される、請求項１または請求項２に記載の共鳴コイル。
4. 電源から電力を受ける一次コイルと、
   前記一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する一次自己共振コイルと、
   前記電磁場を介して前記一次自己共振コイルと共鳴することにより前記一次自己共振コイルから受電する二次自己共振コイルと、
   前記二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出す二次コイルと、
   前記二次コイルによって取出された電力を整流して負荷へ供給する整流器とを備え、
   前記一次自己共振コイルおよび前記二次自己共振コイルの各々は、
   所定の共鳴周波数で電気的に共振するコイル導線と、
   前記コイル導線の端部に近いほど厚みが増すように前記コイル導線に被覆加工される絶縁性の樹脂とを含む、非接触給電システム。
5. 前記樹脂の厚みは、前記コイル導線の電界分布に応じて決定される、請求項４に記載の非接触給電システム。
6. 前記樹脂は、前記コイル導線の非中央部から端部へ向かってテーパ状に被覆加工される、請求項４または請求項５に記載の非接触給電システム。

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