专利名称：线圈单元、非接触电力传输设备、非接触电力接收设备、车辆以及非接触供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及线圈单元、非接触电力传输设备、非接触电力接收设备、车辆以及非接 触供电系统。
背景技术：
如在日本专利申请公布No. 2003-79597 和 No. 2008-67807 (JP-A-2003-79597 和 JP-A-2008-67807)中描述的，已经在磁谐振成像设备中使用了线圈单元。近年来，纯电动车 辆和混合动力车辆成为关注的焦点，因为对于环境的关心日益增长，并且因此，其中使用线 圈单元的充电方法，诸如电磁感应方法和谐振方法，作为在车辆上安装的电池由外部源以 无接触方式充电的充电方法的候选正引起注意。
例如，在日本专利申请公布No. 7-67270 (JP-A-7-67270)中描述的非接触供电系 统包括在地面中埋置的初级线圈和被安装在车辆上的次级线圈，在该车辆中，使用在次级 线圈中感应的电流对在车辆上的安装的电池充电。
在日本专利申请公布No. 2010-73976 (JP-A-2010-73976)中描述的无线电力传输 设备包括被安装在纯电动车辆上并且包括电力接收通信线圈的电力接收装置，和包括电力 传输通信线圈的供电设备，并且电力接收装置包括电力接收通信线圈。电力传输通信线圈 包括初级线圈和谐振线圈，并且电力接收通信线圈包括初级线圈和谐振线圈。在电力接收 通信线圈和电力传输通信线圈之间，通过谐振电力传输方法以无线方式传输电力。
在初级线圈和次级线圈之间可以通过使用电磁感应的非接触电力传输方法传 输电力的距离较小，并且因此这种方法要求初级线圈和次级线圈相互靠近地安置。因 此，当要超过特定距离传输或者接收电力时，这种电力传输方法是不适合的。然而，在 JP-A-2010-73976中描述的无线电力传输设备中，使用谐振电力传输方法，并且因此可以经 由比在电磁感应方法的情形中更大的距离来传输或者接收电力。
即便电力传输设备采用谐振电力传输方法，然而，当电力传输谐振线圈和电力接 收谐振线圈错位时，电力传输效率和电力接收效率会显著降低。发明内容
本发明提供了线圈单元、非接触电力传输设备、非接触电力接收设备、车辆以及非 接触供电系统，利用它们，即便包括能够经由电磁谐振执行电力传输和电力接收中的至少 一项的谐振线圈的线圈单元与配对谐振线圈错位，也能够抑制电力传输效率或者电力接收 效率的降低。
根据本发明的第一方面的线圈单元是包括第二自谐振线圈的线圈单元，该第二自 谐振线圈具有多个单元线圈，并且经由与和该第二谐振线圈间隔开的第一自谐振线圈的电 磁谐振，来执行向第一自谐振线圈传输电力和从第一自谐振线圈接收电力中的至少一项。 由单元线圈形成的磁场的方向是相同的。注意，这里磁场的方向是指由单元线圈形成的磁场在穿过单元线圈时从单元线圈的任一侧到其任一侧。因此，“由单元线圈形成的磁场的方 向是相同的”表示由单元线圈形成的每一个磁场被形成为从所有单元线圈的同一侧穿过单 元线圈。单元线圈可以被布置成彼此相邻。可以采用下述配置，其中单元线圈被置放在基 本相同的平面中并且当沿着每一个单元线圈的轴向方向观察时并不相互重叠，并且单元线 圈的轴线是基本平行的。每一个单元线圈的匝数可以被设置为一。第二自谐振线圈可以由 导线形成。
单元线圈可以被成环状地布置。可以采用下述配置，其中单元线圈的数目为四并 且单元线圈被布置成关于假想线是旋转对称的。可以采用下述配置，其中第一自谐振线圈 的谐振频率等于第二自谐振线圈的谐振频率；通过使得电流的频率被设置为谐振频率的电 流在第一自谐振线圈中流动，在第一自谐振线圈周围形成第一近场，其中第一自谐振线圈 被配置为能够执行向第二自谐振线圈传输电力和从第二自谐振线圈接收电力中的至少一 项；通过将第二自谐振线圈安置在第一近场中，来使得第二自谐振线圈能够从第一自谐振 线圈接收电力；通过使得电流的频率被设置为谐振频率的电流在第二自谐振线圈中流动， 来使得第二自谐振线圈能够在第二自谐振线圈周围形成第二近场；并且当第一自谐振线圈 安置第二近场中时，使得第二自谐振线圈能够向第一自谐振线圈传输电力。
根据本发明的第二方面的非接触电力传输设备包括从外部电源接收电力并且向 第二自谐振线圈传输电力的第一电磁感应线圈；以及上述线圈单元。根据本发明的第三方 面的非接触电力接收设备包括上述线圈单元以及从第二自谐振线圈接收电力的第二电磁 感应线圈。
根据本发明的第四方面的车辆包括上述非接触电力接收设备和从第二电磁感应 线圈接收电力的蓄电装置。单元线圈可以被布置成关于经过车辆的横向中心并且在车辆纵 向方向上延伸的假想轴线对称。单元线圈可以被布置成关于在车辆的宽度方向上延伸的假 想轴线对称。
根据本发明的第五方面的非接触供电系统包括第一线圈单元，第一线圈单元包 括具有多个第一单元线圈的第一自谐振线圈，其中，由第一单元线圈形成的磁场的方向是 相同的；以及第二线圈单元，第二线圈单元包括具有多个第二单元线圈的第二自谐振线圈， 第二线圈单元被配置为经由与第一自谐振线圈的电磁谐振来执行向第一自谐振线圈传输 电力和从第一自谐振线圈接收电力中的至少一项，其中，由第二单元线圈形成的磁场的方 向是相同的。可以采用下述配置，其中第一单元线圈被布置成彼此相邻，并且第二单元线圈 被布置成彼此相邻。
利用根据本发明的线圈单元、非接触电力传输设备、非接触电力接收设备、车辆和 非接触供电系统，即便谐振线圈错位也能够在传输电力和接收电力时维持高的效率。
附图简要说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义， 在附图中相同的标号指示相同的元件，并且其中
图1示出基本非接触供电系统的总体配置；
图2是用于解释使用谐振方法的电力传输的原理的图3是示出在距电流源(磁性电流源)的距离和电磁场的强度之间的关系的图4是示意性地示出被安装在车辆上的线圈单元101的透视图5是示意性地示出次级谐振线圈110的平面视图6是示意性地示出电流频率被设置为次级谐振线圈110的谐振频率的电流在次级谐振线圈110中流动的情况的平面视图7是示意性地示出被安装在供电设备200中的线圈单元201的透视图8是示意性地示出初级谐振线圈240的平面视图9是示意性地示出电流频率被设置为初级谐振线圈240的谐振频率的电流在初级谐振线圈240中流动的情况的平面视图10是示意性地示出当车辆100的蓄电装置150被充电时在次级谐振线圈110 和初级谐振线圈240之间的相对位置关系的透视图11是当从上面观察时近场NF2和次级谐振线圈110的示意性平面视图12是当从上面观察时近场NF2和次级谐振线圈110的示意性平面视图13是示意性地示出根据对比示例的供电系统的平面视图14是示意性地示出圆形谐振线圈被用作次级谐振线圈的示例的平面视图15是用于获得在图1、10和12所示供电系统中的传输效率的模拟的结果的曲线图;
图16是用于获得在图13所示供电系统中的传输效率的模拟的结果的曲线图17是示意性地示出次级谐振线圈110和初级谐振线圈240的修改的透视 图18是示意性地示出图13所示的供电系统的透视图19是示出图17所示的供电系统的传输效率的曲线图20是示出图18所示的供电系统的传输效率的曲线图21是示意性地示出在车辆100中使用包括多个单元线圈的次级谐振线圈110 并且圆形线圈被用作初级谐振线圈240的示例性实施例的示意图22是示意性地示出包括多个单元线圈的初级谐振线圈240被安设在线圈单元 201中并且在车辆100上安装圆形线圈作为次级谐振线圈110的示例性实施例的示意图23是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆上的情形中产生的状态；
图24是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆上的情形中产生的状态；
图25是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆上的情形中产生的状态；
图26是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆上的情形中产生的状态；并且
图27是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆上的情形中产生的状态。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。注意，在图中相同或者对应的部分由相同的附图标记标注并且不对其重复说明。
图1示出基本非接触供电系统的总体配置。参考图1，该非接触供电系统包括车辆100和供电设备200。
车辆100包括线圈单元101、整流器130、DC/DC转换器140、蓄电装置150、电力控 制单元(在下文中还被称作“P⑶”)160、电动机170和车辆电子控制单元(EOT) 180。
只要车辆由电动机驱动，车辆100的配置并不限于图1所示。车辆100的示例包 括被提供有电动机和内燃机的混合动力车辆、被提供有燃料电池的燃料电池车辆以及纯电动车辆。
线圈单元101包括次级谐振线圈110、为次级谐振线圈110提供的电容器115，以 及次级电磁感应线圈120。次级谐振线圈110可以例如被提供在车辆本体下方。次级谐振 线圈110是LC谐振器，该LC谐振器经由与被提供在供电设备200中的线圈单元201的初 级谐振线圈240的电磁场谐振，来执行向供电设备200传输电力和从供电设备200接收电 力中的至少一项。关于次级谐振线圈110的电容分量，为次级谐振线圈110提供了电容器 115从而获得预定的电容。然而，如果线圈的寄生电容足够，则可以省略电容器115。
基于在次级谐振线圈110和供电设备200的初级谐振线圈240之间的距离、初级 谐振线圈240和次级谐振线圈110的谐振频率等来配置次级谐振线圈110,使得指示初级谐 振线圈240和次级谐振线圈110的谐振强度的Q因数(例如Q>100)、指示在初级谐振线圈 240和次级谐振线圈110之间的耦合度的K等变大。
次级电磁感应线圈120与次级谐振线圈110共轴地提供并且可以经由电磁感应而 被磁耦合到次级谐振线圈110。次级电磁感应线圈120经由电磁感应接收由次级谐振线圈 110接收的电力以向整流器130输出电力。
整流器130整流由次级电磁感应线圈120接收的交流(AC)电力并且向DC/DC转 换器140输出所产生的直流(DC)电力。根据来自车辆E⑶180的控制信号，DC/DC转换器 140将由整流器130整流的电力转换成蓄电装置150的电压电平，并且向蓄电装置150输出 该电力。注意，当在车辆运行的同时从供电设备200接收电力时，DC/DC转换器140可以将 由整流器130整流的电力转换成系统电压并且将该电力直接供应到PCU160。DC/DC转换器 140不是必需的。可以替代地使用由次级电磁感应线圈120接收的AC电力由整流器130整 流并且然后被直接供应到蓄电装置150的配置。
蓄电装置150是可再充电DC电源并且其示例包括二次电池，诸如锂离子电池和镍 氢电池。蓄电装置150存储从DC/DC转换器140供应的电力和在再生制动期间由电动机 170产生的电力。蓄电装置150向PCU160供应所存储的电力。高电容电容器可以被用作蓄 电装置150。蓄电装置150不受限制，只要它起到电力缓冲器的作用，该电力缓冲器能够暂 时存储从供电设备200供应的电力和由电动机170产生的再生电力并且向PCU160供应所 存储的电力。
P⑶160利用从蓄电装置150输出的电力或者直接从DC/DC转换器140供应的电力 来驱动电动机170。P⑶160将由电动机170产生的再生电力(AC电力)转换成DC电力以向 蓄电装置150输出DC电力，由此对蓄电装置150充电。电动机170被KU160驱动并且产 生车辆驱动动力以将向驱动轮输出该驱动动力。电动机170利用从驱动轮接收的动能，并 且在混合动力车辆的情形中从发动机(未示出)接收的动能，来产生电力，并且向PCU160输 出所产生的电力，包括再生电力。
虽然没有在图1中示出，但是车辆E⑶180包括中央处理单元(CPU)、存储装置和输入/输出缓冲器，从各种传感器接收信号，向各种装置输出控制信号，并且控制车辆100 和各种装置。注意，用于执行这些控制操作的手段不限于通过软件的处理，而可以是使用专 用硬件装置(电子电路)的处理。虽然在图1中，车辆E⑶180被配置为执行车辆100的驱 动控制和用于从供电设备200接收电力的电力接收控制这两者，但是控制器的配置不限于 此。具体地，可以采用下述配置，其中车辆100包括用于每一个装置或者用于每一个功能的 控制器。例如，车辆100可以包括主要执行电力接收控制的电力接收ECU。
当从供电设备200向车辆100供应电力时，车辆E⑶180控制DC/DC转换器140。 车辆E⑶180例如通过控制DC/DC转换器140而将整流器130和DC/DC转换器140之间的 电压控制为预定目标电压。车辆ECU180还基于在车辆运行时车辆的行驶条件和蓄电装置 150的荷电状态(SOC)来控制PCU160。
供电设备200包括AC供电源210、高频AC电力驱动器220和线圈单元201。线圈 单元201包括初级电磁感应线圈230、初级谐振线圈240以及为初级谐振线圈240提供的电 容器245。
AC供电源210是在车辆外部设置的供电源，例如是商业电源。高频AC电力驱动 器220将从AC供电源210接收的电力转换成高频AC电力并且将高频AC电力供应到初级 电磁感应线圈230。由高频AC电力驱动器220产生的高频AC电力的频率例如是一兆赫兹 到几十兆赫兹。
初级电磁感应线圈230与初级谐振线圈240共轴地提供并且能够经由电磁感应而 被磁I禹合到初级谐振线圈240。初级电磁感应线圈230经由电磁感应向初级谐振线圈240 供应从高频AC电力驱动器220供应的高频AC电力。
例如，初级谐振线圈240被靠近地表面置放。初级谐振线圈240是LC谐振器，如 在次级谐振线圈110的情形中那样，并且通过经由电磁场与车辆100的次级谐振线圈110 谐振，来向电动车辆100传输电力或者从电动车辆100接收电力。虽然为了次级谐振线圈 240的电容分量，向次级谐振线圈240提供电容器245以便获得预定的电容，但是当初级谐 振线圈240的寄生电容足够时，电容器245不是必需的。
还基于在初级谐振线圈240和车辆100的次级谐振线圈110之间的距离、初级谐 振线圈240和次级谐振线圈110的谐振频率等形成初级谐振线圈240，使得Q因数(例如 Q> 100)、耦合度K等变大。
图2是用于解释使用谐振方法的电力传输的原理的图。参考图2，在谐振方法中， 如在两个音叉谐振的情形中，由于在电磁场(近场)中具有相同本征频率的两个LC谐振器的 谐振，电力经由电磁场被从一个线圈传输到另一个线圈。
具体地，初级电磁感应线圈320被连接到高频AC供电源310，并且一兆赫兹到几 十兆赫兹的高频AC电力经由电磁感应而被供应到磁耦合到初级电磁感应线圈320的初级 谐振线圈330。初级谐振线圈330是LC谐振器，该LC谐振器使用线圈自身的电感和寄生 电容，当电容器被连接到线圈时包括电容器的电容，并且初级谐振线圈330经由电磁场(近 场)与具有与初级谐振线圈330相同的谐振频率的次级谐振线圈340谐振。结果，能量(电 力)经由电磁场被从初级谐振线圈330传递到次级谐振线圈340。被传递到次级谐振线圈 340的能量(电力)经由电磁感应被磁耦合到次级谐振线圈340的次级电磁感应线圈350接 收，并且然后被供应到负载360。例如，当指示初级谐振线圈330和次级谐振线圈340的谐振强度的Q因数大于100时，执行通过谐振方法的电力传输。
现在将解释在图1和图2之间的对应。图1中的AC供电源210和高频AC电力驱 动器220对应于图2中的高频AC供电源310。图1中的初级电磁感应线圈230和初级谐振 线圈240对应于图2中的初级电磁感应线圈320和初级谐振线圈330。图1中的次级谐振 线圈110和次级电磁感应线圈120对应于图2中的次级谐振线圈340和次级电磁感应线圈 350。在图1中从整流器130到电动机170的装置共同由图2中的负载360代表。
图3是示出在距电流源(磁性电流源)的距离和电磁场的强度之间的关系的图。参 考图3，电磁场包括三个分量。曲线kl代表与距电磁波源的距离成反比并且被称为“辐射 场”的分量。曲线k2代表与距电磁波源的距离的平方成反比并且被称为“感应场”的分量。 曲线k3代表与距电磁波源的距离的立方成反比并且被称为“静态电磁场”的分量。
“静态电磁场”是其强度随着距电磁波源的距离急剧降低的分量，并且在谐振方法 中由“静态电磁场”占主导的这个近场(倏逝场)被用于传输能量(电力)。具体地，通过使得 具有相同本征频率的一对谐振器(例如一对LC谐振器，)在其中“静态电磁场”占主导的近 场中相互谐振，能量(电力)被从一个谐振器(初级谐振线圈)传输到另一个谐振器(次级谐 振线圈)。因为“静态电磁场”并不远距离地传输能量，所以与利用远距离传输能量的“辐射 场”来传输能量(电力)的使用电磁波的情形相比，谐振方法能够以较低的能量损失来传输 能量。图4是示意性地示出被安装在车辆上的线圈单元101的透视图。如在图4中所示， 线圈单元101包括次级谐振线圈110、次级电磁感应线圈120,和为次级谐振线圈110提供 的电容器115。次级谐振线圈110包括多个单元线圈111、112、113和114。单元线圈111 到114被布置成彼此相邻。
次级谐振线圈110由被缠绕以形成单元线圈111至114的导线形成。因此，用于 向单元线圈111至114供应电力的系统或者用于从单元线圈111至114接收电力的系统能 够被集成到一个系统中。在图4所示示例中，一个次级电磁感应线圈120从单元线圈111 至114接收电力或者向单元线圈111至114传输电力。单元线圈111至114中的每一个的 匝数被设置为一，以减小次级谐振线圈110在竖直方向上的尺寸。
图5是示意性地示出次级谐振线圈110的平面视图。单元线圈111至114围绕次 级谐振线圈110的假想中心线01成环状地布置，从而关于假想中心线01是旋转对称的。在 图4和5所示示例中，四个单元线圈围绕假想中心线01布置，从而关于假想中心线01是旋 转对称的。单元线圈111至114被布置在同一假想平面中。单元线圈的数目不限于四个， 并且提供至少两个单元线圈就足够了。
图5中的方向Dl至D4示意性地示出了在接收或者传输电力期间电流在次级谐振 线圈Iio中流动的方向。在图5中，单元线圈111至114的缠绕方向是相同的，从而在接收 或者传输电力期间电流在单元线圈111至114中流动的方向Dl至D4是相同的。关于次级 谐振线圈110的整体，电流能够由在方向D5上在一匝线圈中流动的电流来近似。
当电流在单元线圈111至114中在相同的方向上流动时，由单元线圈111至114产 生的磁场的方向是相同的，并且由电流的频率被设置为次级谐振线圈110的谐振频率的、 在单元线圈111至114中流动的电流形成近场。
图6是示意性地示出电流的频率被设置为次级谐振线圈110的谐振频率的电流在 次级谐振线圈110中流动的情况的平面视图。
如在图6中所示，通过电流的频率等于谐振频率的、在次级谐振线圈110中流动的 电流在次级谐振线圈Iio周围形成近场NFl。近场NFl包括在单元线圈111周围形成的单 元近场UNF1、在单元线圈112周围形成的单元近场UNF2、在单元线圈113周围形成的单元 近场UNF3，以及在单元线圈114周围形成的单元近场UNF4。图6所示的其中形成近场的区 域仅仅以示意性方式示出其中近场强度高的区域。
图7是示意性地示出被安装在供电设备200中的线圈单元201的透视图。如在图 7中所示,线圈单元201包括初级电磁感应线圈230,初级谐振线圈240,以及为初级谐振线 圈240提供的电容器245。注意，在根据该实施例的使用电磁谐振的非接触供电系统中，初 级电磁感应线圈230和次级电磁感应线圈120不是必需的。
初级谐振线圈240包括被布置成彼此相邻的多个单元线圈241、242、243和244。 初级谐振线圈240和次级谐振线圈110被形成为具有基本相同的形状，并且初级谐振线圈 240的谐振频率和次级谐振线圈110的谐振频率彼此相等。
初级谐振线圈240由被缠绕以形成单元线圈241至244的导线形成。单元线圈 241至244中的每一个的匝数被设置为一，以减小初级谐振线圈240在竖直方向上的尺寸。
图8是示意性地示出初级谐振线圈240的平面视图。如在图8中所示,单元线圈 241至244围绕假想中心线02成环状地布置，从而关于假想中心线02是旋转对称的。还是 在图7和8所示的示例中，四个单元线圈241至244被对称地布置。单元线圈241至244 还被布置在相同的假想平面中。
图8中的方向D6至D9示意性地示出在接收或者传输电力期间电流在初级谐振线 圈240中流动的方向。在图9中，单元线圈241至244的缠绕方向是相同的，从而使得在接 收或者传输电力期间电流在单元线圈241至244中流动的方向D6至D9是相同的。关于初 级谐振线圈240的整体，电流能够由在方向DlO上在一匝线圈中流动的电流来近似。
当电流在相同方向上在单元线圈241至244中流动时，由单元线圈241至244产 生的磁场的方向是相同的。通过电流的频率被设置为初级谐振线圈240的谐振频率的、在 单元线圈241至244中流动的电流来形成近场。
图9是示意性地示出电流的频率被设置为初级谐振线圈240的谐振频率的电流在 初级谐振线圈240中流动的情况的平面视图。
如在图9中所示，电流的频率被设置为谐振频率的、在初级谐振线圈240中流动的 电流在初级谐振线圈240周围形成近场NF2。近场NF2包括在单元线圈241周围形成的单 元近场UNF5、在单元线圈242周围形成的单元近场UNF6、在单元线圈243周围形成的单元 近场UNF7,以及在单元线圈244周围形成的单元近场UNF8。
图10是示意性地示出当车辆100的蓄电装置150被充电时在次级谐振线圈110 和初级谐振线圈240之间的相对位置关系的透视图。
当蓄电装置150被充电时，车辆100在供电设备200上方停止，从而使得次级谐振 线圈110位于初级谐振线圈240上方。
然后，电流的频率被设置为谐振频率的AC电流在初级谐振线圈240中流动并且形 成如在图9中所示近场NF2。
图11是当从上面观察时近场NF2和次级谐振线圈110的示意性平面视图。在图11 中，次级谐振线圈110和初级谐振线圈240在水平方向上相互不重合，即，这些线圈在“X”方向上相互偏移。
图12也是当从上面观察时近场NF2和次级谐振线圈110的示意性平面视图。在 图12中，次级谐振线圈110和初级谐振线圈240在“X”方向和“y”方向这两个方向上相互 偏移。
现在将参考对比示例给出即使当两个谐振线圈相互偏移时也能够利用根据实施 例的线圈单元维持高充电效率的原因的说明。图13是示意性地示出作为对比示例的供电 系统的平面视图。
根据对比示例的供电系统包括具有相同直径的圆形初级谐振线圈250和圆形次 级谐振线圈251。如在图13中所示,使得电流的频率等于谐振频率的AC电流在初级谐振线 圈250中流动，从而使得在初级谐振线圈250的周围形成近场NF3。初级谐振线圈250和次 级谐振线圈251在图中的X方向上相互偏移。
首先，图11所示的次级谐振线圈110和图13所示的次级谐振线圈251相互进行 比较。
关于图13所示的次级谐振线圈251和近场NF3的交叉点，在平面视图中，它们在 两个点处相互交叉。在另一方面，关于图11所示的次级谐振线圈110和近场NF2的交叉点， 显然存在至少三个交叉点。
另外，如在图12中所示，也在次级谐振线圈110不仅在“X”方向上而且还在“y” 方向上偏移的情形中，关于次级谐振线圈110和近场NF2的交叉点，显然存在至少三个交叉
如上所述，利用根据实施例的线圈单元，即便次级谐振线圈和初级谐振线圈在水 平平面中的方向上偏移时，次级谐振线圈穿过由初级谐振线圈形成的近场的部分的量，从 而使得能够抑制电力接收效率的降低。结果，能够在对被安装在车辆上的蓄电装置充电时 维持高效率。
在图11和12所示示例中，为了对被安装在车辆100上的蓄电装置150充电，具有 谐振频率的电力被供应到初级谐振线圈240以形成近场NF2，经由该近场NF2使得次级谐振 线圈110接收电力。
或者，为了向供电设备200供应被存储在蓄电装置150中的电力，可以使得具有谐 振频率的AC电流在次级谐振线圈110中流动以形成近场NF1，并且可以经由近场NFl使得 初级谐振线圈240接收电力。
也在此情形中，如在图11和12所示示例的情形中，即使当次级谐振线圈110和初 级谐振线圈240彼此相对偏移时，次级谐振线圈110和近场NFl的交叉点的数目也至少为 三。因此，能够在从蓄电装置150向供电设备200传输电力时维持高效率。
另外，虽然在图11和12所示示例的说明中，已经描述了包括多个单元线圈的谐振 线圈被用作次级谐振线圈110和初级谐振线圈240中的每一个的示例，但是可以采用下述 配置，其中仅仅次级谐振线圈110和初级谐振线圈240中的一个是包括多个单元线圈的谐 振线圈。
图14是示意性地示出圆形谐振线圈被用作次级谐振线圈的示例的平面视图。在 图14中，由链线代表的次级谐振线圈252是处于正常定位状态中的次级谐振线圈252，并且 由实线代表的次级谐振线圈252是从当正常地完成定位时所到达的位置偏移的次级谐振线圈252。
如能够从图14所看到的，显然由实线代表的次级谐振线圈252和近场NF2的交叉 点的数目至少为三。因此，能够理解，也在图14所示示例中，即使当谐振线圈彼此相对偏移 时也能够以高水平维持电力接收效率和电力传输效率。
图15是用于获得在图1、10和12所示供电系统中的传输效率的模拟的结果的曲 线图。图16是用于获得在图13所示供电系统中传输效率的模拟的结果的曲线图。
注意，图12所示的次级谐振线圈110的长度和宽度是LI，并且初级谐振线圈240 和次级谐振线圈110具有相同的形状。例如，如果LI的值为大致lm，则图12所示的L2的 值为大致为1mm。在图13中，次级谐振线圈251和初级谐振线圈250这两者的直径均为LI。
作为模拟软件，使用FEKO (由 EM Software & Systems-S. A. (Pty)有限公司 (EMSS-SA)生产的三维电磁模拟软件)。
在图15和16中，水平轴线指示在“X”方向上的位置偏差量“dx”，并且竖直轴线 指示在“y”方向上的位置偏差量“dy”。如在图15和16中所示，在竖直方向(图10中的 “z”方向)上在初级谐振线圈和次级谐振线圈之间的距离“dz”在两种情形中都是常数(例 如O. 2m)ο在图13中的竖直方向上在初级谐振线圈250和次级谐振线圈251之间的距离和 在图10和12中的竖直方向上在初级谐振线圈110和次级谐振线圈240之间的距离是相等 的。
在图15和16中，区域Rl是具有最高传输效率的区域，并且传输效率按照区域R2、 区域R3、区域R4和区域R5的次序降低。如能够从图15和16所看到的，图15所示的区域 Rl的面积大于图16所示的区域Rl的面积。
因此，能够理解，在当存在位置偏差时以高水平维持供电效率方面，图10和12所 示的供电系统是优良的。
虽然已经描述了单元线圈的形状是圆形或者类似圆形的形状的示例，但是在以上 示例说明中，单元线圈的形状不限于此。
例如，图17是示意性地示出次级谐振线圈110和初级谐振线圈240的修改的透视 图。在图17所示示例中，次级谐振线圈110的单元线圈111至114具有矩形形状,并且初级 谐振线圈240的单元线圈241至244也具有矩形形状。单元线圈111至114和241至244 中的每一个具有其侧边具有相同长度的正方形形状。
图18是作为对比示例示意性地示出图13所示的供电系统的透视图。图19是示 出图17所示的供电系统的传输效率的曲线图。图20是示出图18所示的供电系统的传输 效率的曲线图。
图20所示的曲线图示出当图18所示的初级谐振线圈250和次级谐振线圈251的 直径LI为Im并且在竖直方向上在初级谐振线圈250和次级谐振线圈251之间的距离dz 为O. 145m时的传输效率。
由于调节图17所示的长度L3，从而使得其中传输效率高的区域，诸如图19所示的 区域Rl和R2，以及其中传输效率高的区域，诸如图20所示的区域Rl和R2，相互重合，所以 通过将L3设置为O. Sm而使得图19所示的其中传输效率高的区域与图20所示的其中传输 效率高的区域重合。
其一侧的长度被设置为O. 8m的次级谐振线圈110小于其在图18中所示的直径被设置为Im的次级谐振线圈251。以此方式，已经发现，如果传输效率相同，则当使用包括多 个单元线圈的谐振线圈时，谐振线圈的尺寸减小。
图21是示意性地示出在车辆100中使用包括多个单元线圈的次级谐振线圈110 并且圆形线圈被用作初级谐振线圈240的示例性实施例的示意图。
如在图21中所示，当包括多个单元线圈的次级谐振线圈110被安装在车辆100上 时，线圈单元100的尺寸减小并且确保了在车辆100中大的舱室空间。
另外，当在车辆100中使用包括多个单元线圈的次级谐振线圈110时，能够使用 例如圆形线圈或者包括多个单元线圈的线圈作为在线圈单元201中安设的初级谐振线圈 240，从而确保设计线圈单元201的高自由度。
图22是示意性地示出包括多个单元线圈的初级谐振线圈240被安设在线圈单元 201中并且在车辆100上安装圆形线圈作为次级谐振线圈110的示例性实施例的示意图。
在图22所示示例中，能够通过使用圆形线圈作为次级谐振线圈110来减小次级谐 振线圈110的重量。具体地，当圆形线圈被用作次级谐振线圈110时，支撑次级谐振线圈 110的卷轴的结构被简化，从而能够减小线圈单元101的尺寸。当线圈单元101的尺寸减小 时，确保了在车辆100中大的舱室空间。
图23是车辆的局部平面视图，示意性地示出在包括多个单元线圈的次级谐振线 圈110被安装在车辆上的情形中所产生的状态。如在图23中所示，单元线圈111至114被 布置成关于经过车辆100的横向中心并且沿着车辆100的纵向方向上延伸的假想中心线03 对称。在图23所示的状态中，次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向右偏移。
在图24所示的状态中，次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向左偏移。在 图23所示的状态中次级谐振线圈110和近场NF2的交叉点和在图24所示的状态中次级谐 振线圈110和近场NF2的交叉点是线对称的。因此，在图23所示的初级谐振线圈240和次 级谐振线圈110之间的供电效率与在图24所示的初级谐振线圈240和次级谐振线圈110 之间的供电效率彼此相等。
因此，能够抑制在次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向右偏移的情形和 次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向左偏移的情形之间供电效率出现差异。
如在图25中所示，单元线圈111至114被布置成关于在车辆100的宽度方向上延 伸的假想中心线04对称。在图25所示的状态中，次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈 240向后偏移。在图26所示的状态中，次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向前偏 移。
单元线圈111至114被布置成关于假想中心线04对称，从而在图25所示的次级 谐振线圈Iio和初级谐振线圈240之间的供电效率与在图26所示的次级谐振线圈110和 初级谐振线圈240之间的供电效率彼此相等。
因为如在图23到26中所示单元线圈111至114被布置成关于假想中心线03和 04对称，所以在次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向右偏移的情形、次级谐振线圈 110相对于初级谐振线圈240向左偏移的情形、次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240 向前偏移的情形和次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240向后偏移的所有情形中，次 级谐振线圈110和近场NF2相互重叠的模式都是相同的。
结果，无论次级谐振线圈110相对于初级谐振线圈240的偏移方向是向前、向后、向右或者向左中的哪一个，都能够抑制供电效率随着偏移方向而出现大的差异。
次级谐振线圈110被安装在车辆100上的模式不限于如在图23中所示的示例等。 安装次级谐振线圈Iio的模式例如可以是如在图27中所示的模式。
在图27所示示例中，单元线圈111和单元线圈113在假想中心线03上对齐，并且 次级谐振线圈110和单元线圈114在假想中心线04上对齐。如在图27中所示的模式使得 无论倾斜偏移方向是右前、右后、左前或者左后中的哪一个都能够抑制供电效率随着偏移 方向而出现大的差异。
应该理解在这里描述的实施例仅仅是示例而不是限制性的。本发明的范围不是由 以上说明而是由权利要求确定的，并且意图是落入权利要求及其等价物的范围内的所有修 改被包括在本发明的范围中。
本发明能够被应用于线圈单元、非接触电力传输设备、非接触电力接收设备、车辆 和非接触供电系统。
权利要求
1.一种线圈单元,包括 第二自谐振线圈，所述第二自谐振线圈包括多个单元线圈，并且经由与和该第二自谐振线圈间隔开的第一自谐振线圈的电磁谐振，来执行向所述第一自谐振线圈传输电力和从所述第一自谐振线圈接收电力中的至少一项， 其中，由所述单元线圈形成的磁场的方向是相同的。
2.根据权利要求1所述的线圈单元，其中， 所述单元线圈被布置成彼此相邻。
3.根据权利要求1或者2所述的线圈单元，其中， 所述单元线圈位于基本相同的平面中并且在当沿着每一个单元线圈的轴向方向观察时并不相互重叠，并且所述单元线圈的轴线是基本平行的。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的线圈单元，其中， 每一个所述单元线圈的匝数被设置为一。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的线圈单元，其中， 所述第二自谐振线圈由导线形成。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的线圈单元，其中， 所述单元线圈环状地布置。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的线圈单元，其中， 所述单元线圈的数目为四，并且所述单元线圈被布置成关于假想线是旋转对称的。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的线圈单元，其中 所述第一自谐振线圈的谐振频率等于所述第二自谐振线圈的谐振频率； 通过使得电流的频率被设置为所述谐振频率的电流在所述第一自谐振线圈中流动，来在所述第一自谐振线圈周围形成第一近场，其中所述第一自谐振线圈被配置为能够执行向所述第二自谐振线圈传输电力和从所述第二自谐振线圈接收电力中的至少一项； 通过将所述第二自谐振线圈安置在所述第一近场中，来使得所述第二自谐振线圈能够从所述第一自谐振线圈接收电力； 通过使得电流的频率被设置为所述谐振频率的电流在所述第二自谐振线圈中流动，来使得所述第二自谐振线圈能够在所述第二自谐振线圈周围形成第二近场；并且 当将所述第一自谐振线圈安置在所述第二近场中时，使得所述第二自谐振线圈能够向所述第一自谐振线圈传输电力。
9.一种非接触电力传输设备，包括 第一电磁感应线圈，所述第一电磁感应线圈从外部电源接收电力并且向第二自谐振线圈传输电力；以及 根据权利要求1至8中任何一项所述的线圈单元。
10.一种非接触电力接收设备，包括 根据权利要求1至8中任何一项所述的线圈单元；以及 第二电磁感应线圈，所述第二电磁感应线圈从所述第二自谐振线圈接收电力。
11.一种车辆，包括 根据权利要求10所述的非接触电力接收设备；以及 蓄电装置，所述蓄电装置从所述第二电磁感应线圈接收电力。
12.根据权利要求11所述的车辆，其中， 所述单元线圈被布置成关于经过所述车辆的横向中心并且在所述车辆的纵向方向上延伸的假想轴线对称。
13.根据权利要求11或者12所述的车辆，其中， 所述单元线圈被布置成关于在所述车辆的宽度方向上延伸的假想轴线对称。
14.一种非接触供电系统，包括 第一线圈单元，所述第一线圈单元包括具有多个第一单元线圈的第一自谐振线圈，其中，由所述第一单元线圈形成的磁场的方向是相同的；以及 第二线圈单元，所述第二线圈单元包括具有多个第二单元线圈的第二自谐振线圈，所述第二线圈单元被配置为经由与所述第一自谐振线圈的电磁谐振来执行向所述第一自谐振线圈传输电力和从所述第一自谐振线圈接收电力中的至少一项，其中，由所述第二单元线圈形成的磁场的方向是相同的。
全文摘要
一种线圈单元，其包括第二谐振线圈(110)，第二谐振线圈(110)具有多个单元线圈(111至114)并且经由与和该第二谐振线圈间隔开的第一谐振线圈的电磁谐振来执行向第一谐振线圈传输电力和从从第一谐振线圈接收电力中的至少一项。由单元线圈(111至114)形成的磁场的方向是相同的。
文档编号H02J5/00GK103038089SQ201180036991
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年7月28日
发明者市川真士, 石川哲浩, 菊间信良, 门井优文 申请人:丰田自动车株式会社, 国立大学法人名古屋工业大学