車両搭載用充電装置および車両用電力供給装置
【課題】車両に搭載された二次電池を電磁波を用いて充電する装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することを目的とする。
【解決手段】 電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８が接続されている。送電側バラン１６および送電コイル１８は、電力伝送用の電磁波を放射する放射部としての機能を有する。送電コイル１８からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。送電側バラン１６は、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル１４と、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線との間で不平衡／平衡変換を行い、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズを低減する。
【解決手段】 電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８が接続されている。送電側バラン１６および送電コイル１８は、電力伝送用の電磁波を放射する放射部としての機能を有する。送電コイル１８からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。送電側バラン１６は、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル１４と、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線との間で不平衡／平衡変換を行い、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズを低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用充電装置および車両用電力供給装置に関し、特に、電磁波によって電力の供給を受ける装置、および電磁波によって電力を供給する装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、繰り返し充放電が可能な二次電池が搭載される。モータジェネレータは、二次電池から供給される電力に基づいて車両を駆動する。また、モータジェネレータは回生制動を行い、二次電池は回生制動に基づく発電電力によって充電される。さらに、ハイブリッド自動車においては、ジェネレータをエンジンで駆動することによって発電が行われ、二次電池が充電される。
【０００３】
しかし、回生制動に基づく発電電力やエンジンおよびジェネレータによる発電電力では、二次電池を充電するための電力量が十分でないことがある。そこで、外部充電装置が搭載された電動車両が普及しつつある。外部充電装置には、一般家庭で用いられる商用電源コンセントから電力を取得するものの他、駐車場等に設けられた電力供給装置によって非接触充電を行うものがある。
【０００４】
非接触充電用の電力供給装置には、電力伝送用の電磁波を発生する送電コイルが設けられている。他方、電動車両には、電力伝送用の電磁波を受波する受電コイルが設けられている。電力供給装置から電動車両には、送電コイル側の回路と受電コイル側の回路との結合共振によって電力が伝送される。なお、特許文献１および２には、非接触充電を行う電力供給装置および電動車両が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０４１３２１号パンフレット
【特許文献２】特開２０１０−２６８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非接触充電用の電力供給装置、および、非接触充電を行う電動車両においては、同軸ケーブルが用いられることが多い。同軸ケーブルは、内導体が外導体に覆われた構造を有し、伝送される電力に含まれるノイズが放射され難いという利点があるためである。このような同軸ケーブルの外導体および内導体に、送電用コイルまたは受電用コイルから引き出された一対の導線を接続すると、放射されるノイズ電磁波が増大することがある。これは、同軸ケーブル側の伝送モードとコイル側の伝送モードとの相違によって、同軸ケーブルの外導体にコモンモードノイズが発生し、このコモンモードノイズがノイズ電磁波の放射源となるためである。
【０００７】
本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いて充電する装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、電力伝送用の電磁波を受波する受波部と、前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、を備え、前記受波部は、電力伝送用の電磁波を受波し電力を発生する受電コイルと、前記受電コイルと前記充電部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、電力を発生する電力発生部と、前記電力発生部が発生した電力に基づいて、電力伝送用の電磁波を放射する放射部と、を備え、前記放射部は、電力伝送用の電磁波を放射する送電コイルと、前記送電コイルと前記電力発生部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明における前記バランは、望ましくは、空芯の巻線を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いて充電する装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】送電側バランの構成例を示す図である。
【図３】送電側バランの第２の構成例を示す図である。
【図４】送電コイルから発せられるノイズのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】変形例に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（１）非接触充電システムの構成
図１には、本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成が模式的に示されている。このシステムは、駐車場、サービスステーション等、電動車両２２を停車させる場所に非接触充電用の電力供給装置１０を設けたものである。電力供給装置１０は、充電エリア３６下方に配置された送電コイル１８を備えている。電動車両２２は、受電コイル２４を備えており、充電のときには送電コイル１８の上方に受電コイル２４が位置するよう停車する。電力供給装置１０は、送電コイル１８から電力伝送用の電磁波を放射する。電動車両２２は、受電コイル２４において受波された電磁波に基づく電力によって、電動車両２２に搭載された二次電池３４を充電する。
【００１４】
非接触充電システムの具体的な構成について説明する。電力供給装置１０は、電力発生回路１２、同軸ケーブル１４、送電側バラン１６、送電コイル１８、およびキャパシタ２０を備える。電力発生回路１２は、充電エリア３６またはその近傍、あるいは充電エリア３６の近傍の建造物内に設置されている。電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８が接続されている。送電側バラン１６および送電コイル１８は、電力伝送用の電磁波を放射する放射部としての機能を有する。送電コイル１８は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３６における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう配置されている。キャパシタ２０は、送電コイル１８を形成する導線に直列に挿入接続されている。送電コイル１８からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。送電側バラン１６は、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル１４と、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線との間で不平衡／平衡変換を行い、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズを低減する。このコモンモードノイズは、同軸ケーブル１４の外導体に生じる電圧ノイズまたは電流ノイズである。
【００１５】
電動車両２２は、受電コイル２４、キャパシタ２６、受電側バラン２８、同軸ケーブル３０、充電回路３２、および、二次電池３４を備える。受電コイル２４は、受電側バラン２８および同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に接続され、充電回路３２には二次電池３４が接続されている。受電コイル２４は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３６における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう電動車両２２内に配置されている。キャパシタ２６は、受電コイル２４を形成する導線に直列に挿入接続されている。受電コイル２４および受電側バラン２８は、電力伝送用の電磁波を受波する受波部としての機能を有する。受電コイル２４からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、受電側バラン２８に接続されている。受電側バラン２８は、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線と、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル３０との間で平衡／不平衡変換を行い、同軸ケーブル３０に発生するコモンモードノイズを低減する。
【００１６】
（２）非接触充電システムの動作
非接触充電システムの動作について説明する。電力発生回路１２は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐの電力を同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８に供給する。送電コイル１８は、電力発生回路１２から供給された電力に基づいて周波数ｆｐの電磁波を放射する。
【００１７】
受電コイル２４は、送電コイル１８から放射された電磁波を受波する。受電コイル２４は、受波した電磁波に基づく電力を受電側バラン２８および同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に出力する。充電回路３２は、受電コイル２４から与えられた電力を直流電力に変換し、二次電池３４に供給する。これによって二次電池３４の充電が行われる。
【００１８】
送電コイル１８から受電コイル２４への電力伝送は、送電コイル１８側の回路と受電コイル２４側の回路との結合共振（共鳴）によって行われる。送電コイル１８は、キャパシタ２０と共に送電側の共振回路を形成する。他方、受電コイル２４は、キャパシタ２６と共に受電側の共振回路を形成する。キャパシタ２０および２６には、可変キャパシタが用いられてもよい。
【００１９】
電動車両２２が、送電コイル１８の上方に受電コイル２４が位置するよう停車することで、送電コイル１８と受電コイル２４とが電磁気的に結合可能となる。そこで、送電側と受電側とで共振周波数を同一の周波数ｆｐとし、送電側の共振回路と受電側の共振回路を周波数ｆｐで結合共振させる。これによって、送電コイル１８と受電コイル２４とを機械的に接触させることなく、電力供給装置１０から電動車両２２に電力を供給することができる。
【００２０】
（３）送電側バランおよび受電側バランの構成
図２（ａ）には、送電側バラン１６の構成例が示されている。同軸ケーブル１４の内導体および外導体は、それぞれ、不平衡端子ＰおよびＮに接続されている。送電コイル１８の平衡導線３８−１および３８−２は、それぞれ、平衡端子４０−１および４０−２に接続されている。
【００２１】
図２（ｂ）には、送電側バラン１６の等価回路が示されている。送電側バラン１６は、第１コイル４２−１、第２コイル４２−２、および第３コイル４２−３を備える。実際の回路においては、第１〜第３コイルは、例えば、芯として剛性材料を用いない空芯の状態で導線が巻かれたものとする。
【００２２】
第１コイル４２−１の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は、平衡端子４０−１に接続されている。第２コイル４２−２の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は、平衡端子４０−２に接続されている。そして、第３コイル４２−３の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は平衡端子４０−２に接続されている。第１〜第３コイルの傍らに付された点は、相互インダクタンスによる誘導起電力の極性を示す。すなわち、１つのコイルに点で示される側を正とする誘導起電力が発生したときに、他の２つのコイルには、それぞれの点に示された側の端子を正とする誘導起電力が発生する。
【００２３】
第１コイル４２−１および第２コイル４２−２は同一のインダクタを有する。これによって、不平衡端子Ｎの電位を接地電位として不平衡端子Ｐに現れた不平衡モード電圧は、第１コイル４２−１および第２コイル４２−２を介して平衡モード電圧に変換され、平衡端子４０−１および４０−２から平衡モード電圧が出力される。
【００２４】
他方、不平衡端子ＰおよびＮに現れたコモンモードノイズは、第３コイル４２−３および第２コイル４２−２の位相回転作用によって、不平衡端子ＰおよびＮにおいて相殺される。これによって、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズが低減される。
【００２５】
同軸ケーブル１４においては、外導体の電位を接地電位とする不平衡モードによって電力が伝送される。一方、送電コイル１８の平衡導線３８−１および３８−２においては、接地電位を中性点電位とし、これら２本の導線に同振幅逆位相の電位が現れる平衡モードによって電力が伝送される。本実施形態に係る電力供給装置１０においては、伝送モードが異なる同軸ケーブル１４と、平衡導線３８−１および３８−２とが送電側バラン１６を介して接続されている。これによって、同軸ケーブル１４側の伝送モードと送電コイル１８側の伝送モードとの相違に基づきコモンモードノイズが発生することが回避され、ノイズ電磁波の放射が抑制される。
【００２６】
また、電力発生回路１２の内部における回路構成によっては、電力発生回路１２から同軸ケーブル１４にコモンモードノイズが出力され、同軸ケーブル１４から送電側バラン１６にコモンモードノイズが伝送されることがある。このコモンモードノイズは、送電側バラン１６において減衰を受けるため、送電コイル１８から放射されるノイズ電磁波を低減することができる。
【００２７】
本実施形態で用いられている送電側バラン１６の第１〜第３コイルを、空芯の状態で導線が巻かれたものとした場合、フェライト等の磁性材料をコイルの芯に用いた場合に比べて損失が少なくなることが多い。磁性材料は、ヒステリシス損失等の磁性体の性質に基づく損失を生じるためである。
【００２８】
なお、第１〜第３コイルとしては、何らかの固体の材料、好ましくは剛性材料に導線が巻かれたものとしてもよい。この場合、剛性材料としては、プラスチック、ガラス、セラミック等の誘電体を用いてもよい。すなわち、磁界の変化に基づく損失が小さい材料（低損失材料）を用いてもよい。このような、低損失材料を用いることによって、電力供給装置１０から電動車両２２に電力が伝送される際の損失を低減することができる。
【００２９】
次に、送電側バラン１６の第２の構成例を示す。図３には、第２の構成例に係る送電側バラン１６の等価回路が示されている。送電側バラン１６は、第１コイル４２−１、第２コイル４２−２、第４コイル４２−４および第５コイル４２−５を備える。実際の回路においては、第１、第２、第４および第５コイルは、空芯の状態で導線が巻かれたものとしてもよいし、低損失材料に導線が巻かれたものとしてもよい。
【００３０】
第１コイル４２−１の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は、平衡端子４０−１に接続されている。第２コイル４２−２の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は、平衡端子４０−２に接続されている。そして、第４コイル４２−４の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は接地導体に接続されている。また、第５コイル４２−５の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は接地導体に接続されている。
【００３１】
第１コイル４２−１および第２コイル４２−２は同一のインダクタを有する。また、第４コイル４２−４の一端および第５コイル４２−５一端は接地導体に共通に接続され、不平衡端子ＰおよびＮの電圧中性点が接地される。これによって、不平衡端子Ｎの電位を接地電位として不平衡端子Ｐに現れた不平衡モード電圧は、第１コイル４２−１および第２コイル４２−２を介して平衡モード電圧に変換され、平衡端子４０−１および４０−２から平衡モード電圧が出力される。
【００３２】
他方、不平衡端子ＰおよびＮに現れたコモンモードノイズは、第４コイル４２−４および第５コイル４２−５の位相回転作用によって、不平衡端子ＰおよびＮにおいて相殺される。これによって、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズが低減される。
【００３３】
このような第２の構成例に係るバランによれば、図２に示されたバランと同様、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズにより放射されるノイズ電磁波が低減される。
【００３４】
ここでは、送電バランとして、コイルを用いたものについて説明した。コイルを用いることで、ＲＦＩＤ（１３．５６ＭＨｚ）、ＦＭラジオ（７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚ）等、波長が長い無線システムへの干渉を回避するバランを小型化することができる。このようなバランの他、シュペルトップ、４分の１波長折り返し導体線等、アンテナ技術で用いられているバランを用いてもよい。
【００３５】
上記では、電力供給装置１０において用いられる送電側バラン１６について説明した。電動車両２２における受電コイル２４と同軸ケーブル３０との間を接続する受電側バラン２８についても、送電側バラン１６と同様のバランを採用することができる。
【００３６】
受電コイル２４から引き出される一対の平衡導線においては、接地電位を中性点電位とし、これら２本の導線に同振幅逆位相の電位が現れる平衡モードによって電力が伝送される。一方、同軸ケーブル３０においては、外導体の電位を接地電位とする不平衡モードによって電力が伝送される。本実施形態に係る電動車両２２においては、このように伝送モードが異なる一対の平衡導線と同軸ケーブル３０とが受電側バラン２８によって接続されている。これによって、受電コイル２４側の伝送モードと同軸ケーブル３０側の伝送モードとの相違に基づきコモンモードノイズが発生することが回避され、コモンモードノイズによるノイズ電磁波の放射が抑制される。
【００３７】
また、充電回路３２の内部における回路構成によっては、充電回路３２から同軸ケーブル３０にコモンモードノイズが出力され、同軸ケーブル３０から受電側バラン２８にコモンモードノイズが伝送されることがある。このコモンモードノイズは、受電側バラン２８において減衰を受けるため、受電コイル２４から放射されるノイズ電磁波を低減することができる。
【００３８】
図４には、送電側バラン１６を用いた場合と用いない場合とで、送電コイル１８から発せられるノイズを比較したシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸はノイズの電界強度（ｄＢ）を示す。ただし、縦軸の値は、相対比較を行うためのデシベル値であり、絶対的な物理量ではない。図４の電界強度特性４６は、送電側バラン１６を用いた場合のノイズを示し、電界強度特性４４は、送電側バラン１６を用いない場合のノイズを示す。この結果より、送電側バラン１６を用いることでノイズが低減されることは明らかである。
【００３９】
（４）変形例に係る非接触充電システム
次に、変形例に係る非接触充電システムについて説明する。図５には、その構成が模式的に示されている。この非接触充電システムは、電磁誘導によって送電側バラン１６から送電コイル１８に電力を供給し、電磁誘導によって受電コイル２４から受電側バラン２８に電力を供給するものである。図１に示される構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
電力供給装置４８は、電源側コイル５０を備える。電源側コイル５０からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。電源側コイル５０は、送電コイル１８と磁気的に結合し、電磁誘導によって送電側バラン１６から送電コイル１８に電力を供給する。
【００４１】
電動車両５２は、負荷側コイル５４を備える。負荷側コイル５４からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、受電側バラン２８に接続されている。負荷側コイル５４は、受電コイル２４と磁気的に結合し、電磁誘導によって受電コイル２４から受電側バラン２８に電力を供給する。
【００４２】
このような構成よれば、電源側コイル５０と送電コイル１８との磁気結合状態を調整することで、電源側バラン１６のインピーダンスと送電コイル１８のインピーダンスとを整合することができる。また、受電コイル２４と負荷側コイル５４との磁気結合状態を調整することで、受電コイル２４のインピーダンスと受電側バラン２８のインピーダンスとを整合することができる。電源側コイル５０と送電コイル１８との磁気結合状態、および、受電コイル２４と負荷側コイル５４との磁気結合状態は、巻線比、コイル間の距離等を変化させることで調整すればよい。これによって、電力供給装置４８から電動車両５２の二次電池３４に高効率で電力を供給することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０，４８ 電力供給装置、１２ 電力発生回路、１４，３０ 同軸ケーブル、１６ 送電側バラン、１８ 送電コイル、２０，２６ キャパシタ、２２，５２ 電動車両、２４ 受電コイル、２８ 受電側バラン、３２ 充電回路、３４ 二次電池、３６ 充電エリア、３８−１，３８−２ 平衡導線、４０−１，４０−２ 平衡端子、４２−１ 第１コイル、４２−２ 第２コイル、４２−３ 第３コイル、４２−４ 第４コイル、４２−５ 第５コイル、４４，４６ 電界強度特性、５０ 電源側コイル、５４ 負荷側コイル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用充電装置および車両用電力供給装置に関し、特に、電磁波によって電力の供給を受ける装置、および電磁波によって電力を供給する装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、繰り返し充放電が可能な二次電池が搭載される。モータジェネレータは、二次電池から供給される電力に基づいて車両を駆動する。また、モータジェネレータは回生制動を行い、二次電池は回生制動に基づく発電電力によって充電される。さらに、ハイブリッド自動車においては、ジェネレータをエンジンで駆動することによって発電が行われ、二次電池が充電される。
【０００３】
しかし、回生制動に基づく発電電力やエンジンおよびジェネレータによる発電電力では、二次電池を充電するための電力量が十分でないことがある。そこで、外部充電装置が搭載された電動車両が普及しつつある。外部充電装置には、一般家庭で用いられる商用電源コンセントから電力を取得するものの他、駐車場等に設けられた電力供給装置によって非接触充電を行うものがある。
【０００４】
非接触充電用の電力供給装置には、電力伝送用の電磁波を発生する送電コイルが設けられている。他方、電動車両には、電力伝送用の電磁波を受波する受電コイルが設けられている。電力供給装置から電動車両には、送電コイル側の回路と受電コイル側の回路との結合共振によって電力が伝送される。なお、特許文献１および２には、非接触充電を行う電力供給装置および電動車両が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０４１３２１号パンフレット
【特許文献２】特開２０１０−２６８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非接触充電用の電力供給装置、および、非接触充電を行う電動車両においては、同軸ケーブルが用いられることが多い。同軸ケーブルは、内導体が外導体に覆われた構造を有し、伝送される電力に含まれるノイズが放射され難いという利点があるためである。このような同軸ケーブルの外導体および内導体に、送電用コイルまたは受電用コイルから引き出された一対の導線を接続すると、放射されるノイズ電磁波が増大することがある。これは、同軸ケーブル側の伝送モードとコイル側の伝送モードとの相違によって、同軸ケーブルの外導体にコモンモードノイズが発生し、このコモンモードノイズがノイズ電磁波の放射源となるためである。
【０００７】
本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いて充電する装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、電力伝送用の電磁波を受波する受波部と、前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、を備え、前記受波部は、電力伝送用の電磁波を受波し電力を発生する受電コイルと、前記受電コイルと前記充電部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、電力を発生する電力発生部と、前記電力発生部が発生した電力に基づいて、電力伝送用の電磁波を放射する放射部と、を備え、前記放射部は、電力伝送用の電磁波を放射する送電コイルと、前記送電コイルと前記電力発生部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明における前記バランは、望ましくは、空芯の巻線を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いて充電する装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】送電側バランの構成例を示す図である。
【図３】送電側バランの第２の構成例を示す図である。
【図４】送電コイルから発せられるノイズのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】変形例に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（１）非接触充電システムの構成
図１には、本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成が模式的に示されている。このシステムは、駐車場、サービスステーション等、電動車両２２を停車させる場所に非接触充電用の電力供給装置１０を設けたものである。電力供給装置１０は、充電エリア３６下方に配置された送電コイル１８を備えている。電動車両２２は、受電コイル２４を備えており、充電のときには送電コイル１８の上方に受電コイル２４が位置するよう停車する。電力供給装置１０は、送電コイル１８から電力伝送用の電磁波を放射する。電動車両２２は、受電コイル２４において受波された電磁波に基づく電力によって、電動車両２２に搭載された二次電池３４を充電する。
【００１４】
非接触充電システムの具体的な構成について説明する。電力供給装置１０は、電力発生回路１２、同軸ケーブル１４、送電側バラン１６、送電コイル１８、およびキャパシタ２０を備える。電力発生回路１２は、充電エリア３６またはその近傍、あるいは充電エリア３６の近傍の建造物内に設置されている。電力発生回路１２には、同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８が接続されている。送電側バラン１６および送電コイル１８は、電力伝送用の電磁波を放射する放射部としての機能を有する。送電コイル１８は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３６における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう配置されている。キャパシタ２０は、送電コイル１８を形成する導線に直列に挿入接続されている。送電コイル１８からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。送電側バラン１６は、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル１４と、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線との間で不平衡／平衡変換を行い、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズを低減する。このコモンモードノイズは、同軸ケーブル１４の外導体に生じる電圧ノイズまたは電流ノイズである。
【００１５】
電動車両２２は、受電コイル２４、キャパシタ２６、受電側バラン２８、同軸ケーブル３０、充電回路３２、および、二次電池３４を備える。受電コイル２４は、受電側バラン２８および同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に接続され、充電回路３２には二次電池３４が接続されている。受電コイル２４は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３６における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう電動車両２２内に配置されている。キャパシタ２６は、受電コイル２４を形成する導線に直列に挿入接続されている。受電コイル２４および受電側バラン２８は、電力伝送用の電磁波を受波する受波部としての機能を有する。受電コイル２４からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、受電側バラン２８に接続されている。受電側バラン２８は、平衡モードの形態で電力伝送を行う一対の平衡導線と、不平衡モードの形態で電力伝送を行う同軸ケーブル３０との間で平衡／不平衡変換を行い、同軸ケーブル３０に発生するコモンモードノイズを低減する。
【００１６】
（２）非接触充電システムの動作
非接触充電システムの動作について説明する。電力発生回路１２は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐの電力を同軸ケーブル１４および送電側バラン１６を介して送電コイル１８に供給する。送電コイル１８は、電力発生回路１２から供給された電力に基づいて周波数ｆｐの電磁波を放射する。
【００１７】
受電コイル２４は、送電コイル１８から放射された電磁波を受波する。受電コイル２４は、受波した電磁波に基づく電力を受電側バラン２８および同軸ケーブル３０を介して充電回路３２に出力する。充電回路３２は、受電コイル２４から与えられた電力を直流電力に変換し、二次電池３４に供給する。これによって二次電池３４の充電が行われる。
【００１８】
送電コイル１８から受電コイル２４への電力伝送は、送電コイル１８側の回路と受電コイル２４側の回路との結合共振（共鳴）によって行われる。送電コイル１８は、キャパシタ２０と共に送電側の共振回路を形成する。他方、受電コイル２４は、キャパシタ２６と共に受電側の共振回路を形成する。キャパシタ２０および２６には、可変キャパシタが用いられてもよい。
【００１９】
電動車両２２が、送電コイル１８の上方に受電コイル２４が位置するよう停車することで、送電コイル１８と受電コイル２４とが電磁気的に結合可能となる。そこで、送電側と受電側とで共振周波数を同一の周波数ｆｐとし、送電側の共振回路と受電側の共振回路を周波数ｆｐで結合共振させる。これによって、送電コイル１８と受電コイル２４とを機械的に接触させることなく、電力供給装置１０から電動車両２２に電力を供給することができる。
【００２０】
（３）送電側バランおよび受電側バランの構成
図２（ａ）には、送電側バラン１６の構成例が示されている。同軸ケーブル１４の内導体および外導体は、それぞれ、不平衡端子ＰおよびＮに接続されている。送電コイル１８の平衡導線３８−１および３８−２は、それぞれ、平衡端子４０−１および４０−２に接続されている。
【００２１】
図２（ｂ）には、送電側バラン１６の等価回路が示されている。送電側バラン１６は、第１コイル４２−１、第２コイル４２−２、および第３コイル４２−３を備える。実際の回路においては、第１〜第３コイルは、例えば、芯として剛性材料を用いない空芯の状態で導線が巻かれたものとする。
【００２２】
第１コイル４２−１の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は、平衡端子４０−１に接続されている。第２コイル４２−２の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は、平衡端子４０−２に接続されている。そして、第３コイル４２−３の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は平衡端子４０−２に接続されている。第１〜第３コイルの傍らに付された点は、相互インダクタンスによる誘導起電力の極性を示す。すなわち、１つのコイルに点で示される側を正とする誘導起電力が発生したときに、他の２つのコイルには、それぞれの点に示された側の端子を正とする誘導起電力が発生する。
【００２３】
第１コイル４２−１および第２コイル４２−２は同一のインダクタを有する。これによって、不平衡端子Ｎの電位を接地電位として不平衡端子Ｐに現れた不平衡モード電圧は、第１コイル４２−１および第２コイル４２−２を介して平衡モード電圧に変換され、平衡端子４０−１および４０−２から平衡モード電圧が出力される。
【００２４】
他方、不平衡端子ＰおよびＮに現れたコモンモードノイズは、第３コイル４２−３および第２コイル４２−２の位相回転作用によって、不平衡端子ＰおよびＮにおいて相殺される。これによって、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズが低減される。
【００２５】
同軸ケーブル１４においては、外導体の電位を接地電位とする不平衡モードによって電力が伝送される。一方、送電コイル１８の平衡導線３８−１および３８−２においては、接地電位を中性点電位とし、これら２本の導線に同振幅逆位相の電位が現れる平衡モードによって電力が伝送される。本実施形態に係る電力供給装置１０においては、伝送モードが異なる同軸ケーブル１４と、平衡導線３８−１および３８−２とが送電側バラン１６を介して接続されている。これによって、同軸ケーブル１４側の伝送モードと送電コイル１８側の伝送モードとの相違に基づきコモンモードノイズが発生することが回避され、ノイズ電磁波の放射が抑制される。
【００２６】
また、電力発生回路１２の内部における回路構成によっては、電力発生回路１２から同軸ケーブル１４にコモンモードノイズが出力され、同軸ケーブル１４から送電側バラン１６にコモンモードノイズが伝送されることがある。このコモンモードノイズは、送電側バラン１６において減衰を受けるため、送電コイル１８から放射されるノイズ電磁波を低減することができる。
【００２７】
本実施形態で用いられている送電側バラン１６の第１〜第３コイルを、空芯の状態で導線が巻かれたものとした場合、フェライト等の磁性材料をコイルの芯に用いた場合に比べて損失が少なくなることが多い。磁性材料は、ヒステリシス損失等の磁性体の性質に基づく損失を生じるためである。
【００２８】
なお、第１〜第３コイルとしては、何らかの固体の材料、好ましくは剛性材料に導線が巻かれたものとしてもよい。この場合、剛性材料としては、プラスチック、ガラス、セラミック等の誘電体を用いてもよい。すなわち、磁界の変化に基づく損失が小さい材料（低損失材料）を用いてもよい。このような、低損失材料を用いることによって、電力供給装置１０から電動車両２２に電力が伝送される際の損失を低減することができる。
【００２９】
次に、送電側バラン１６の第２の構成例を示す。図３には、第２の構成例に係る送電側バラン１６の等価回路が示されている。送電側バラン１６は、第１コイル４２−１、第２コイル４２−２、第４コイル４２−４および第５コイル４２−５を備える。実際の回路においては、第１、第２、第４および第５コイルは、空芯の状態で導線が巻かれたものとしてもよいし、低損失材料に導線が巻かれたものとしてもよい。
【００３０】
第１コイル４２−１の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は、平衡端子４０−１に接続されている。第２コイル４２−２の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は、平衡端子４０−２に接続されている。そして、第４コイル４２−４の一端は、不平衡端子Ｎに接続され、他端は接地導体に接続されている。また、第５コイル４２−５の一端は、不平衡端子Ｐに接続され、他端は接地導体に接続されている。
【００３１】
第１コイル４２−１および第２コイル４２−２は同一のインダクタを有する。また、第４コイル４２−４の一端および第５コイル４２−５一端は接地導体に共通に接続され、不平衡端子ＰおよびＮの電圧中性点が接地される。これによって、不平衡端子Ｎの電位を接地電位として不平衡端子Ｐに現れた不平衡モード電圧は、第１コイル４２−１および第２コイル４２−２を介して平衡モード電圧に変換され、平衡端子４０−１および４０−２から平衡モード電圧が出力される。
【００３２】
他方、不平衡端子ＰおよびＮに現れたコモンモードノイズは、第４コイル４２−４および第５コイル４２−５の位相回転作用によって、不平衡端子ＰおよびＮにおいて相殺される。これによって、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズが低減される。
【００３３】
このような第２の構成例に係るバランによれば、図２に示されたバランと同様、同軸ケーブル１４に発生するコモンモードノイズにより放射されるノイズ電磁波が低減される。
【００３４】
ここでは、送電バランとして、コイルを用いたものについて説明した。コイルを用いることで、ＲＦＩＤ（１３．５６ＭＨｚ）、ＦＭラジオ（７６ＭＨｚ〜９０ＭＨｚ）等、波長が長い無線システムへの干渉を回避するバランを小型化することができる。このようなバランの他、シュペルトップ、４分の１波長折り返し導体線等、アンテナ技術で用いられているバランを用いてもよい。
【００３５】
上記では、電力供給装置１０において用いられる送電側バラン１６について説明した。電動車両２２における受電コイル２４と同軸ケーブル３０との間を接続する受電側バラン２８についても、送電側バラン１６と同様のバランを採用することができる。
【００３６】
受電コイル２４から引き出される一対の平衡導線においては、接地電位を中性点電位とし、これら２本の導線に同振幅逆位相の電位が現れる平衡モードによって電力が伝送される。一方、同軸ケーブル３０においては、外導体の電位を接地電位とする不平衡モードによって電力が伝送される。本実施形態に係る電動車両２２においては、このように伝送モードが異なる一対の平衡導線と同軸ケーブル３０とが受電側バラン２８によって接続されている。これによって、受電コイル２４側の伝送モードと同軸ケーブル３０側の伝送モードとの相違に基づきコモンモードノイズが発生することが回避され、コモンモードノイズによるノイズ電磁波の放射が抑制される。
【００３７】
また、充電回路３２の内部における回路構成によっては、充電回路３２から同軸ケーブル３０にコモンモードノイズが出力され、同軸ケーブル３０から受電側バラン２８にコモンモードノイズが伝送されることがある。このコモンモードノイズは、受電側バラン２８において減衰を受けるため、受電コイル２４から放射されるノイズ電磁波を低減することができる。
【００３８】
図４には、送電側バラン１６を用いた場合と用いない場合とで、送電コイル１８から発せられるノイズを比較したシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸はノイズの電界強度（ｄＢ）を示す。ただし、縦軸の値は、相対比較を行うためのデシベル値であり、絶対的な物理量ではない。図４の電界強度特性４６は、送電側バラン１６を用いた場合のノイズを示し、電界強度特性４４は、送電側バラン１６を用いない場合のノイズを示す。この結果より、送電側バラン１６を用いることでノイズが低減されることは明らかである。
【００３９】
（４）変形例に係る非接触充電システム
次に、変形例に係る非接触充電システムについて説明する。図５には、その構成が模式的に示されている。この非接触充電システムは、電磁誘導によって送電側バラン１６から送電コイル１８に電力を供給し、電磁誘導によって受電コイル２４から受電側バラン２８に電力を供給するものである。図１に示される構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
電力供給装置４８は、電源側コイル５０を備える。電源側コイル５０からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、送電側バラン１６に接続されている。電源側コイル５０は、送電コイル１８と磁気的に結合し、電磁誘導によって送電側バラン１６から送電コイル１８に電力を供給する。
【００４１】
電動車両５２は、負荷側コイル５４を備える。負荷側コイル５４からは、一対の平衡導線が引き出されており、その一対の平衡導線は、受電側バラン２８に接続されている。負荷側コイル５４は、受電コイル２４と磁気的に結合し、電磁誘導によって受電コイル２４から受電側バラン２８に電力を供給する。
【００４２】
このような構成よれば、電源側コイル５０と送電コイル１８との磁気結合状態を調整することで、電源側バラン１６のインピーダンスと送電コイル１８のインピーダンスとを整合することができる。また、受電コイル２４と負荷側コイル５４との磁気結合状態を調整することで、受電コイル２４のインピーダンスと受電側バラン２８のインピーダンスとを整合することができる。電源側コイル５０と送電コイル１８との磁気結合状態、および、受電コイル２４と負荷側コイル５４との磁気結合状態は、巻線比、コイル間の距離等を変化させることで調整すればよい。これによって、電力供給装置４８から電動車両５２の二次電池３４に高効率で電力を供給することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０，４８ 電力供給装置、１２ 電力発生回路、１４，３０ 同軸ケーブル、１６ 送電側バラン、１８ 送電コイル、２０，２６ キャパシタ、２２，５２ 電動車両、２４ 受電コイル、２８ 受電側バラン、３２ 充電回路、３４ 二次電池、３６ 充電エリア、３８−１，３８−２ 平衡導線、４０−１，４０−２ 平衡端子、４２−１ 第１コイル、４２−２ 第２コイル、４２−３ 第３コイル、４２−４ 第４コイル、４２−５ 第５コイル、４４，４６ 電界強度特性、５０ 電源側コイル、５４ 負荷側コイル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、
電力伝送用の電磁波を受波する受波部と、
前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、を備え、
前記受波部は、
電力伝送用の電磁波を受波し電力を発生する受電コイルと、
前記受電コイルと前記充電部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、
を備えることを特徴とする車両搭載用充電装置。
【請求項２】
受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、
電力を発生する電力発生部と、
前記電力発生部が発生した電力に基づいて、電力伝送用の電磁波を放射する放射部と、 を備え、
前記放射部は、
電力伝送用の電磁波を放射する送電コイルと、
前記送電コイルと前記電力発生部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、
を備えることを特徴とする車両用電力供給装置。
【請求項３】
前記バランは、空芯の巻線を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両搭載用充電装置または請求項２に記載の車両用電力供給装置。
【請求項１】
車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、
電力伝送用の電磁波を受波する受波部と、
前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、を備え、
前記受波部は、
電力伝送用の電磁波を受波し電力を発生する受電コイルと、
前記受電コイルと前記充電部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、
を備えることを特徴とする車両搭載用充電装置。
【請求項２】
受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、
電力を発生する電力発生部と、
前記電力発生部が発生した電力に基づいて、電力伝送用の電磁波を放射する放射部と、 を備え、
前記放射部は、
電力伝送用の電磁波を放射する送電コイルと、
前記送電コイルと前記電力発生部との間に設けられ、伝送モードの変換を行うバランと、
を備えることを特徴とする車両用電力供給装置。
【請求項３】
前記バランは、空芯の巻線を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両搭載用充電装置または請求項２に記載の車両用電力供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４６４３５（Ｐ２０１３−４６４３５Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０６０６（Ｐ２０１１−１８０６０６）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（３０８０１３４３６）小島プレス工業株式会社 (386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（３０８０１３４３６）小島プレス工業株式会社 (386)
【Ｆターム（参考）】
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