CN107078545A - 无线电力传输系统以及送电装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种无线电力传输系统以及送电装置。某实施方式的无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括第1线圈和配置在所述第1线圈与送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括第2线圈和配置在所述第2线圈与两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括第3线圈和配置在所述第3线圈与两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括第4线圈和配置在所述第4线圈与受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。

Description

无线电力传输系统以及送电装置
技术领域
本公开涉及以无线方式传输电力的无线电力传输系统以及送电装置。
背景技术
近年来，正在不断开发以无线(非接触)方式向便携电话机、电动汽车等伴有移动性的设备传输电力的无线(非接触)电力传输技术。在无线电力传输技术中，存在电磁感应方式以及电场耦合方式等方式。其中，电场耦合方式通过使一对送电电极与一对受电电极相对向、并向一对送电电极供给交流电力，能够以非接触方式向受电电极侧传输电力。电场耦合方式可以适当地用于例如从设置于地面的一对送电电极向负载(例如可动机器人等)传输电力的用途。专利文献1公开了基于这样的电场耦合方式的无线电力传输系统的例子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-193692号公报
发明内容
在上述以往技术中，在送电电极与受电电极接近、和/或送电电极与受电电极之间设有介电常数高的电介质的情况下，能够进行高效率的非接触电力传输。但是，在送电电极与受电电极之间的距离长、和/或未设有介电常数高的电介质的情况下，无法高效率地传输电力。
为了解决上述问题，本公开的一个技术方案涉及的无线电力传输系统具备送电装置和受电装置，所述送电装置包括：将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；与所述送电电路连接的第1线圈；与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，所述受电装置包括：两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；与所述两个受电电极连接的第3线圈；与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，所述无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
这些总括性或具体的技术方案可以通过系统、方法、集成电路、计算机程序或者记录介质来实现。或者，也可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序和记录介质的任意组合来实现。
发明的效果
根据本公开的一个技术方案，即使在送电电极与受电电极之间的距离长、和/或未设有介电常数高的电介质的情况下，也能够以高于以往的效率来传输电力。
附图说明
图1是示意性表示实施方式1的无线电力传输系统的一例的图。
图2是表示实施方式1的无线电力传输系统的概略结构的框图。
图3是表示实施方式1的无线电力传输系统的概略结构的电路图。
图4是示意性表示送电电路110的构成例的图。
图5是示意性表示受电电路210的构成例的图。
图6是表示实施方式2的无线电力传输系统的概略结构的电路图。
图7是表示实施方式3的无线电力传输系统的概略结构的电路图。
图8是表示实施方式4的无线电力传输系统的概略结构的电路图。
图9是表示实施方式5的无线电力传输系统的概略结构的电路图。
图10是示意性表示实施例以及比较例中的一对送电电极120与一对受电电极220的配置关系的图。
图11是表示送电电极120以及受电电极220的等效电路的图。
图12是表示匹配变压器的电感比N与Q值的关系的坐标图。
图13是表示与专利文献1所公开的电力供给系统类似的无线电力传输系统的电路结构例(比较例)的图。
图14A是表示图13所示的结构中的各部的阻抗的关系的图。
图14B是表示从图13所示的结构中除去电介质320并使电极间的距离增大的情况下的各部的阻抗的关系的图。
图15A是表示以往结构的送电装置100中的谐振器结构的图。
图15B是表示将图15A所示的结构中的电源侧(图的左侧)的谐振电路替换成串联谐振电路而得到的结构的图。
具体实施方式
(成为本公开的基础的见解)
在说明本公开的实施方式之前，说明成为本公开的基础的见解。
本发明人发现了在“背景技术”一栏中记载的以往的无线电力传输系统中会产生以下的问题。
图13是表示与专利文献1所公开的电力供给系统类似的无线电力传输系统的电路结构例(比较例)的图。该系统具备传输电力的送电装置100和接受所传输的电力的受电装置200。在送电装置100所具备的两个送电电极120与受电装置200所具备的两个受电电极220之间，以非接触方式传输电力。
送电装置100具备：将从外部的直流电源310供给的直流电力变换成交流电力并输出的送电电路110；与送电电路110连接的第1并联谐振电路130；与第1并联谐振电路130进行磁耦合的第2并联谐振电路140；以及与第2并联谐振电路140连接的两个送电电极120。第1并联谐振电路130具有线圈L1和电容器C1并联连接而成的结构。第2并联谐振电路140具有线圈L2和电容器C2并联连接而成的结构。线圈L1和线圈L2构成以耦合系数k1进行耦合的变压器。线圈L1与线圈L2的匝数比(1：N1)被设定为可实现期望变压比的值。
受电装置200具备：接受从一对送电电极120传输来的交流电力的一对受电电极220；与一对受电电极220连接的第3并联谐振电路230；与第3并联谐振电路230进行磁耦合的第4并联谐振电路240；以及将从第4并联谐振电路240输出的交流电力变换成直流电力并向负载330供给的受电电路210。第3并联谐振电路230具有线圈L3和电容器C3并联连接而成的结构。第4并联谐振电路240具有线圈L4和电容器C4并联连接而成的结构。线圈L3和线圈L4构成以耦合系数k2进行耦合的变压器。线圈L3与线圈L4的匝数比(N2：1)被设定为可实现期望变压比的值。
第1并联谐振电路130、第2并联谐振电路140、第3并联谐振电路230、第4并联谐振电路240的谐振频率一致，送电电路110输出频率与该谐振频率相等的交流电力。由此，各并联谐振电路在电力传输时成为谐振状态，具有非常高的阻抗。
送电电极120和受电电极220被配置成互相接近并相对。在送电电极120与受电电极220之间，设有介电常数高的电介质320(例如地面)。在以往技术中，通过这样的结构，能使两个送电电极120与两个受电电极220之间的电容Cm1、Cm2成为尽可能高的状态来传输电力。其理由是因为：即使送电电极120与受电电极220的相对位置发生了偏离，也能够稳定地传输电力。通过使电容Cm1、Cm2尽可能大，送电电极120、受电电极220的阻抗会远小于谐振时的第3并联谐振电路230、第4并联谐振电路240的阻抗。其结果是，即使在送电电极120与受电电极220的相对位置发生偏离而电容Cm1、Cm2发生了变动的情况下，也能够使提供给负载330的电压的变动减小。
如上所述，在专利文献1的结构中，为了减小电极的阻抗，需要增大电容Cm1、Cm2。因此，使电极间的距离尽可能小，并且，在电极间配置介电常数高的电介质320。
但是，在这样的结构中，对送电装置100和受电装置200的相互的配置关系产生制约。为了使得能够应用于广泛用途，希望即使在电极间未设有电介质而成为空隙(air gap)和/或电极间的距离比较长的情况(例如，10mm～数十mm)下也能够维持高的传输效率。
本申请发明人发现了如下情况：在图13所示的结构中，在除去了电介质320、增大了电极间的距离的情况下，电极间的阻抗变高，难以进行阻抗匹配。以下，参照图14A以及图14B来说明该问题。
图14A示出了图13所示的结构中的各部的阻抗的关系。图14B示出了从图13所示的结构中除去电介质320、且增大了电极间的距离的情况下的各部的阻抗的关系。如图14A所示，在电极间存在电介质320且电极间的距离短的情况下，电极间的阻抗成为例如数Ω左右的小值。在该情况下，使送电电路110的阻抗Z1与送电电极120的阻抗Z2匹配是比较容易的。同样地，使受电电极220的阻抗Z3与负载侧的阻抗Z4匹配是比较容易的。
但是，如图14B所示，在除去电介质320且使电极间的间隔增大到例如10mm左右的情况下，电容变为非常小。在设所传输的交流电力的角频率为ω时，阻抗Z和电容C之间具有Z＝1/(ωC)的关系。因此，若电容变为非常小，则电极间的阻抗会成为非常大的值(例如数kΩ)。在该情况下，与送电电路110的阻抗Z1以及受电电路的阻抗Z4(例如数Ω)相比，电极侧的阻抗Z2以及Z3会变得过大，因此难以进行匹配。其结果是，无法提高电力传输效率。
上述问题的原因在于：在图13所示的结构中，送电装置100和受电装置200这两方都具有两个并联谐振电路的组合。本申请发明人发现了：通过使送电装置100和受电装置200的至少一方的两个谐振电路成为串联谐振电路与并联谐振电路的组合，能够解决上述的问题。以下，参照图15A以及图15B来说明这一点。
图15A示出了以往结构的送电装置100中的谐振器结构。图15B示出了将图15A所示的结构中的电源侧(图的左侧)的并联谐振电路替换为串联谐振电路而得到的结构。在图15A所示的以往结构中，由于电源侧和电极侧(图的右侧)这两方的谐振器都为并联谐振电路，因此谐振时(即，频率f与谐振频率f0一致时)的阻抗在两个谐振器都成为无限大。因此，难以使电源侧的低阻抗与电极侧的高阻抗匹配。
另一方面，在图15B所示的结构中，通过使电源侧的谐振电路为串联谐振电路，能够使电源侧的低阻抗与电极侧的高阻抗匹配。串联谐振电路在谐振时阻抗成为零(0)，因此适于与低阻抗的匹配。另一方面，并联谐振电路在谐振时阻抗成为无限大，因此适于与高阻抗的匹配。由此，如图15B所示的结构那样，通过在低阻抗的电源侧配置串联谐振电路、并在高阻抗的电极侧配置并联谐振电路，能够易于实现阻抗匹配。
上述情况不限于送电装置100，对于受电装置200也同样成立。即，通过在电极侧配置并联谐振电路、并在负载侧配置串联谐振电路，能够适当地实现受电装置200中的阻抗匹配。
根据以上的考察，本发明人想到了以下说明的本公开的各技术方案。
本公开的一个技术方案涉及的无线电力传输系统具备送电装置和受电装置，所述送电装置包括：将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；与所述送电电路连接的第1线圈；与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，所述受电装置包括：两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；与所述两个受电电极连接的第3线圈；与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，所述无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
根据上述技术方案，无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
由此，在送电装置和受电装置的至少一方中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，并在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此即使在电极间的阻抗高的情况下，也能够适当地实现阻抗匹配。
以下，说明本公开的更具体的实施方式。但是，有时省略超出需要的详细说明。例如，有时省略对众所周知的事项的详细说明或实质相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明非必要的冗长，易于本领域技术人员的理解。此外，发明人为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明，并非通过附图以及以下的说明来限定权利要求书所记载的主题之意。在以下的说明中，对相同或相似的构成要素标注相同的参照标号。
(实施方式1)
首先，说明本公开的第1实施方式。
图1是示意性表示本实施方式的无线电力传输系统的一例的图。在该例中，以无线方式从埋设在地面30下的具有一对送电电极120的送电装置向具有一对受电电极的输送机器人10传输电力。在本系统中，进行已说明的电场耦合方式的无线电力传输。一对送电电极120沿着地面30平行地延伸，在该送电电极120之上，输送机器人10能够一边接受电力一边运送物品。
图2是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的框图。本系统具备送电装置100和输送机器人10。送电装置100具有：将从外部的直流电源310供给的直流电力变换成交流电力的送电电路110；与送电电路110连接的送电侧串联谐振电路130s；与送电侧串联谐振电路130s进行感应耦合的送电侧并联谐振电路140p；以及与送电侧并联谐振电路140p连接，输送交流电力的两个送电电极120。输送机器人10具备受电装置200和负载330。受电装置200具有：与两个送电电极120进行电容耦合，以非接触方式接受所输送的交流电力的两个受电电极220；与两个受电电极220连接的受电侧并联谐振电路230p；与受电侧并联谐振电路230p进行感应耦合的受电侧串联谐振电路240s；以及与受电侧串联谐振电路240s连接，将所接受的交流电力变换成直流电力并输出的受电电路210。负载330例如包括二次电池以及马达，通过从受电电路210输出的直流电力被充电或驱动。
图3是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的电路图。如图所示，送电装置100中的送电侧串联谐振电路130s具有第1线圈L1和第1电容器C1串联连接而成的结构。送电装置100中的送电侧并联谐振电路140p具有第2线圈L2和第2电容器C2并联连接而成的结构。第1线圈L1和第2线圈L2构成以耦合系数k1进行耦合的变压器。第1线圈L1与第2线圈L2的匝数比(1：N1)被设定为可实现期望变压比的值。
受电装置200中的受电侧并联谐振电路230p具有第3线圈L3和第3电容器C3并联连接而成的结构。受电装置200中的受电侧串联谐振电路240s具有第4线圈L4和第4电容器C4串联连接而成的结构。第3线圈和第4线圈构成以耦合系数k2进行耦合的变压器。第3线圈L3与第4线圈L4的匝数比(N2：1)被设定为可实现期望变压比(升压比或降压比)的值。
如此，本实施方式的无线电力传输系统具备送电侧串联谐振电路130s与送电侧并联谐振电路140p的组合、和受电侧并联谐振电路230p与受电侧串联谐振电路240s的组合这两方。
以下，对各构成要素进行更详细地说明。此外，在本说明书中，表示电感器的参照标号L1、L2、L3、L4也用作表示该电感器的电感值的记号。同样地，表示电容器的参照标号C1、C2、C3、C4也用作表示该电容器的电容值的记号。
图4是示意性表示送电电路110的构成例的图。在该例中，送电电路110具有控制电路112和包括四个开关元件(例如IGBT或MOSFET等晶体管)的全桥型逆变器电路。控制电路112具有输出对各开关元件的导通(on)和截止(off，非导通)的状态进行控制的控制信号的选通(gate)驱动器和使选通驱动器输出控制信号的微控制器(微型计算机)等处理器。也可以取代图示的全桥型逆变器电路而使用半桥型的逆变器电路或E级等其他振荡电路。送电电路110也可以具有通信用的调制解调电路和/或测定电压、电流等的各种传感器。
图5是示意性表示受电电路210的构成例的图。在该例中，受电电路210是包括二极管网桥和平滑电容器的全波整流电路，但也可以具有其他整流器的结构。受电电路210除了整流电路之外，还可以包括额定电压/额定电流控制电路、通信用的调制解调电路等各种电路。受电电路210将所接受的交流能量变换成负载330能够利用的直流能量。也可以将测定从受电侧串联谐振电路240s输出的电压、电流等的各种传感器包含在受电电路210中。
送电侧串联谐振电路130s、送电侧并联谐振电路140p、受电侧并联谐振电路230p、受电侧串联谐振电路240s中的各线圈例如可以是形成在电路基板上的平面线圈或层叠线圈、或者使用了铜线、利兹线或绞线等的绕组线圈。送电侧串联谐振电路130s、送电侧并联谐振电路140p、受电侧并联谐振电路230p、受电侧串联谐振电路240s中的各电容器可以利用例如具有芯片形状或引线(lead)形状的所有类型的电容器。也可以使隔有空气的两条布线间的电容作为各电容器发挥功能。也可以使用各线圈所具有的自谐振特性来替代这些电容器。
直流电源310例如可以是商用电源、一次电池、二次电池、太阳能电池、燃料电池、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)电源、高容量的电容器(例如双电荷层电容器)、与商用电源连接的电压转换器等任意电源。
送电侧串联谐振电路130s、送电侧并联谐振电路140p、受电侧并联谐振电路230p、受电侧串联谐振电路240s的谐振频率f0被设定成与电力传输时的传输频率f一致。此外，送电侧串联谐振电路130s、送电侧并联谐振电路140p、受电侧并联谐振电路230p、受电侧串联谐振电路240s各自的谐振频率f0也可以不与传输频率f0严格一致。各自的谐振频率f0例如也可以设定为传输频率f的50～150％左右的范围内的值。电力传输的频率f例如可以设定为50Hz～300GHz，更优选设定为20kHz～10GHz，进一步优选设定为20kHz～20MHz，进一步优选设定为20kHz～1MHz。
在本实施方式中，送电电极120与受电电极220之间是空隙，其距离比较长(例如，10mm左右)。因此，电极间的电容Cm1、Cm2非常小，送电电极120、受电电极220的阻抗非常高(例如，数kΩ左右)。与此相对，送电电路110以及受电电路210的阻抗例如低为数Ω左右。因此，在本实施方式中，在与送电电极120、受电电极220接近一侧分别配置送电侧并联谐振电路140p、受电侧并联谐振电路230p，在与送电电路110和受电电路210接近一侧分别配置送电侧串联谐振电路130s、受电侧串联谐振电路240s。
通过这样的结构，能够易于进行阻抗的匹配。其结果是，如后述那样，能够以高于以往的效率来传输电力。
(实施方式2)
接着，说明本公开的第2实施方式。
图6是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的电路图。在本实施方式中，与实施方式1不同之处在于：受电装置200取代实施方式1中的受电侧并联谐振电路230p而具有包括第3线圈L3的电路230c。在此，第4线圈L4的电感值L4小于第3线圈L3的电感值L3。其他方面与实施方式1相同。
即，在本实施方式的无线电力传输系统中，送电装置100具有i)送电侧串联谐振电路130s和ii)送电侧并联谐振电路140p的组合，所述送电侧串联谐振电路130s包括第1线圈和串联配置在第1线圈与送电电路110之间的第1电容器，所述送电侧并联谐振电路140p包括第2线圈和并联配置在第2线圈与两个送电电极120之间的第2电容器。另一方面，受电装置200具有i)具有电感值L3的第3线圈与ii)受电侧串联谐振电路240s的组合，所述受电侧串联谐振电路240s包括具有比电感值L3低的电感值L4的第4线圈和配置在第4线圈与受电电路210之间的第4电容器。
在本实施方式中，受电装置200不具有串联谐振电路与并联谐振电路的组合，而送电装置100具有该组合。因此，能够易于进行送电装置100中的阻抗匹配。由此，即使是本实施方式的结构，也能够如后述那样实现比以往高的传输效率。
(实施方式3)
接着，说明本公开的第3实施方式。
图7是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的电路图。在本实施方式中，与实施方式1不同之处在于：送电装置100取代实施方式1中的送电侧并联谐振电路140p而具有包括第2线圈L2的电路140c。在此，第2线圈L2的电感值L2大于第1线圈L1的电感值L1。其他方面与实施方式1相同。
即，本实施方式的送电装置100具有i)送电侧串联谐振电路130s与ii)第2线圈的组合，所述送电侧串联谐振电路130s包括具有电感值L1的第1线圈和串联配置在第1线圈与送电电路110之间的第1电容器，所述第2线圈具有比电感值L1高的电感值L2。另一方面，受电装置200具有i)受电侧并联谐振电路230p与ii)受电侧串联谐振电路240s的组合，所述受电侧并联谐振电路230p包括第3线圈和并联配置在第3线圈与两个个受电电极220之间的第3电容器，所述受电侧串联谐振电路240s包括第4线圈和串联配置在第4线圈与受电电路210之间的第4电容器。
在本实施方式中，送电装置100不具有串联谐振电路与并联谐振电路的组合，而受电装置200具有该组合。因此，能够易于进行受电装置200中的阻抗匹配。由此，即使是本实施方式的结构，也能够如后述那样实现比以往高的传输效率。
(实施方式4)
接着，说明本公开的第4实施方式。
图8是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的电路图。在本实施方式中，与实施方式1不同之处在于：送电装置100取代实施方式1中的送电侧串联谐振电路130s而具有并联谐振电路130p。其他方面与实施方式1相同。
在本实施方式中，送电装置100不具有串联谐振电路与并联谐振电路的组合，而受电装置200具有该组合。因此，能够易于进行受电装置200中的阻抗匹配。由此，即使是本实施方式的结构，也能够如后述那样实现比以往高的传输效率。
(实施方式5)
接着，说明本公开的第5实施方式。
图9是表示本实施方式的无线电力传输系统的概略结构的电路图。在本实施方式中，与实施方式1不同之处在于：受电装置200取代实施方式1中的受电侧串联谐振电路240s而具有受电侧并联谐振电路230p。其他方面与实施方式1相同。
在本实施方式中，受电装置200不具有串联谐振电路与并联谐振电路的组合，而送电装置100具有该组合。因此，能够易于进行送电装置100中的阻抗匹配。由此，即使是本实施方式的结构，也能够如后述那样实现比以往高的传输效率。
(实施例)
接着，说明本公开的实施例。
本发明人通过进行具有实施方式1～5的各结构的无线电力传输系统的电路模拟、并与图13所示的比较例的结构进行比较，验证了本公开的实施方式的效果。
图10是示意性表示本实施例以及比较例中的一对送电电极120与一对受电电极220的配置关系的图。使两个送电电极120隔着100mm的间隔平行地排列，将两个受电电极220配置成与该两个送电电极120相对向。各个送电电极120的尺寸设为100mm2×1000mm2，各个受电电极220的尺寸设为100×400mm2。送电电极120与受电电极220之间的距离设定为10mm。
图11是表示送电电极120以及受电电极220的等效电路的图。将由两个送电电极120和两个受电电极220构成的两个电容器的电容设为Cm1、Cm2。另外，将两个送电电极120间的电容设为C22，将两个受电电极220间的电容设为C33。在本实施例以及比较例中，设为Cm1＝Cm2＝93.2pF、C22＝44.5pF、C33＝9.89pF。如果利用该C22或C33来构成并联谐振电路，则C2或C3也可以省略。关于其他参数，将第2线圈的电感值L2和第3线圈的电感值L3都设定为100μH。通过串联谐振电路与并联谐振电路的组合而构成的匹配变压器的Q值设为300。在此，将第2线圈的电感值L2相对于第1线圈的电感值L1之比L2/L1设为电感比N1。同样地，将第3线圈的电感值L3相对于第4线圈的电感值L4之比L3/L4设为电感比N2。电感比与匝数比一致。传输频率f设定为480kHz。
对于各线圈，使用了将375条直径40μm的线材捻制而得到的利兹线，使用了绕成两层的直径80mm的螺旋线圈。在各线圈的上下20mm的位置配置了磁屏蔽件。通过将高阻抗侧的第2线圈以及第3线圈的电感L2、L3固定为100μH、并调整低阻抗侧的第1线圈以及第4线圈的电感L1、L4的匝数，调整成使阻抗尽可能匹配。
表1示出了实施方式1～5以及比较例的各个结构中的电感比(匝数比)N1、N2、耦合系数k1、k2以及电力的传输效率。表2示出了各结构中的电容器的电容值C1～C4。
[表1]
[表2]
单位：pF
表1、2所示的各参数在各个结构中被设定成使伴随阻抗不匹配的效率的降低成为最小限度。如表1所示，确认了：在具有至少一个串联谐振电路与并联谐振电路的组合的实施方式1～5的结构中，相比于比较例的结构，效率得以提高。此外，在比较例的结构中，为了使阻抗的不匹配成为最小限度，将匝数比N1、N2设定为20这一非常大的值。这样的大匝数比会导致Q值的降低，因此通常并不使用。在设定为通常使用的匝数比的情况下，在比较例的结构中，阻抗并不匹配，其结果是，传输效率相比于表1所示的值会进一步降低。
两个送电电极120与两个受电电极220之间的阻抗越大，则本公开的实施方式的效果越显著。在设电极间的电容为C、设所传输的电力的角频率为ω时，电极间的阻抗由1/(ωC)来表示。在此，电极间的电容C是前述的电容Cm1、Cm2的一方或平均值。在电极间的阻抗例如比第2线圈的阻抗ωL2高的情况下，能够使本公开的实施方式的效果更为显著。因此，优选满足ωL2<1/(ωC)。进一步优选，设计各构成要素以使得满足10ωL2<1/(ωC)。
接着，说明通过串联谐振电路与并联谐振电路的组合而构成的匹配变压器的电感比N与Q值的关系。在此，电感比N是电感值L2相对于电感值L1之比N1(＝L2/L1)或电感值L3相对于电感值L4之比N2(＝L3/L4)。Q值是表示损耗的高低程度的指标，Q值越大则意味着损耗越低。由此，希望使匹配变压器的Q值尽可能高。
图12是表示匹配变压器的电感比N与Q值的关系的坐标图。在此，在设高阻抗侧的线圈(第2线圈或第3线圈)的Q值为QLhi、设低阻抗侧的线圈(第1线圈或第4线圈)的Q值为QLlo时，Q值由√(QLhi*QLlo)来表示。在此，在与前述的验证所使用的条件同样的条件下，通过将高阻抗侧的线圈的电感Lhi固定为100μH，并使低阻抗侧的线圈的匝数在3～50的范围内变化，使阻抗比N变化。
从图12可知，在满足1<N<15时，Q值成为峰值的70％以上这一高的值。进而，在满足3<N<8时，Q值成为峰值的90％以上这一非常高的值。因此，作为电感值L2相对于电感值L1之比或电感值L3相对于电感值L4之比的电感比N优选设计成满足1<N<15，进一步优选设计成满足3<N<8。
如上所述，本公开包括以下的项目所记载的无线电力传输系统以及送电装置。
[项目1]
一种无线电力传输系统，具备送电装置和受电装置，所述送电装置包括：将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；与所述送电电路连接的第1线圈；与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，所述受电装置包括：两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；与所述两个受电电极连接的第3线圈；与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，所述无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
根据上述技术方案，无线电力传输系统具有下述组合的至少一方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
由此，在送电装置和受电装置的至少一方中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，并在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此即使在电极间的阻抗高的情况下，也能够适当地实现阻抗匹配。
[项目2]
根据项目1所述的无线电力传输系统，具有下述组合这双方的组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的所述第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的所述第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
根据上述技术方案，在送电装置和受电装置这两方中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此能够更适当地实现阻抗匹配。
[项目3]
根据项目1所述的无线电力传输系统，具有下述组合：i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及i)具有电感值L3的所述第3线圈、与ii)包括具有比所述电感值L3低的电感值L4的所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
根据上述技术方案，在送电装置中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此能够适当地实现阻抗匹配。
[项目4]
根据项目1所述的无线电力传输系统，具有下述组合：i)包括具有电感值L1的所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的所述第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)具有比所述电感值L1高的电感值L2的所述第2线圈的组合；以及i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的所述第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
根据上述技术方案，在受电装置中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此能够适当地实现阻抗匹配。
[项目5]
根据项目1～4中任一项所述的无线电力传输系统，在所述两个送电电极和与所述两个送电电极相对向地配置的所述两个受电电极之间具有空隙。
根据上述技术方案，电极间是空隙，不需要配置介电常数高的电介质，因此能够使电极间的结构简单。
[项目6]
根据项目1～5中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述交流电力的角频率为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(1)，
ωL2<1/(ωC) (1)。
根据上述技术方案，电极间的阻抗比第2线圈的阻抗高，因此能够获得更显著的阻抗匹配的效果。
[项目7]
根据项目1～5中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述交流电力的角频率为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(3)，
10ωL2<1/(ωC) (3)。
根据上述技术方案，电极间的阻抗明显比第2线圈的阻抗高，因此能够获得进一步显著的阻抗匹配的效果。
[项目8]
根据项目1～7中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N(＝L2/L1)满足1<N<15。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的70％以上这一高的值。
[项目9]
根据项目1～8中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N(＝L2/L1)满足3<N<8。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的90％以上这一高的值。
[项目10]
根据项目1～9中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述第3线圈的电感值为L3、设所述第4线圈的电感值为L4时，作为所述电感值L3相对于所述电感值L4之比的电感比N(＝L3/L4)满足1<N<15。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的70％以上这一高的值。
[项目11]
根据项目1～9中任一项所述的无线电力传输系统，在设所述第3线圈的电感值为L3、设所述第4线圈的电感值为L4时，作为所述电感值L3相对于所述电感值L4之比的电感比N(＝L3/L4)满足3<N<8。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的90％以上这一高的值。
[项目12]
一种送电装置，是具备送电装置和受电装置的无线电力传输系统中的送电装置，所述送电装置包括：将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；与所述送电电路连接的第1线圈；与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，所述受电装置包括：两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；与所述两个受电电极连接的第3线圈；与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，所述送电装置具有送电侧串联谐振电路与送电侧并联谐振电路的组合，所述送电侧串联谐振电路包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器，所述送电侧并联谐振电路包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器。
根据上述技术方案，送电装置具有送电侧串联谐振电路与送电侧并联谐振电路的组合，所述送电侧串联谐振电路包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器，所述送电侧并联谐振电路包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器，由此，在送电装置中，在接近电极一侧配置并联谐振电路，在远离电极一侧配置串联谐振电路，因此即使在电极间的阻抗高的情况下，也能够适当地实现阻抗匹配。
[项目13]
根据项目12所述的送电装置，在所述两个送电电极和与所述两个送电电极相对向地配置的所述两个受电电极之间具有空隙。
根据上述技术方案，电极间是空隙，不需要配置介电常数高的电介质，因此能够使电极间的结构简单。
[项目14]
根据项目12或13所述的送电装置，在设所述交流电力的角速度为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述电极间的电容值为C时，满足以下的式(4)，
ωL2<1/(ωC) (4)。
根据上述技术方案，电极间的阻抗比第2线圈的阻抗高，因此能够获得更显著的阻抗匹配的效果。
[项目15]
根据项目12或13所述的送电装置，在设所述交流电力的角速度为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(5)，
10ωL2<1/(ωC) (5)。
根据上述技术方案，电极间的阻抗明显比第2线圈的阻抗高，因此能够获得进一步显著的阻抗匹配的效果。
[项目16]
根据项目12～15中任一项所述的送电装置，在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N(＝L2/L1)满足1<N<15。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的70％以上这一高的值。
[项目17]
根据项目12～15中任一项所述的送电装置，在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N(＝L2/L1)满足3<N<8。
根据上述技术方案，能够将Q值设为例如峰值的90％以上这一高的值。
产业上的可利用性
本公开的技术例如能够利用于需要向监视摄像头、机器人等进行电力供给并且实时地传输双向数据的设备。根据本公开的实施方式，能够在送电装置与受电装置之间全双工且双向地传输数据。
标号的说明
10输送机器人；20送电电极；30地面；100送电装置；110送电电路；120送电电极；130第1并联谐振电路；130s送电侧串联谐振电路；140第2并联谐振电路；140p送电侧并联谐振电路；200受电装置；210受电电路；220受电电极；230第3并联谐振电路；230p受电侧并联谐振电路；240第4并联谐振电路；240s受电侧串联谐振电路；310直流电源；320电介质；330负载。

Claims (17)

1.一种无线电力传输系统，具备送电装置和受电装置，
所述送电装置包括：
将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；
与所述送电电路连接的第1线圈；
与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及
两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，
所述受电装置包括：
两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；
与所述两个受电电极连接的第3线圈；
与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及
受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，
所述无线电力传输系统具有下述组合中的至少一方的组合：
i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及
i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
2.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，具有下述组合这双方的组合：
i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的所述第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及
i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的所述第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
3.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，具有下述组合：
i)包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器的送电侧并联谐振电路的组合；以及
i)具有电感值L3的所述第3线圈、与ii)包括具有比所述电感值L3低的电感值L4的所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
4.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，具有下述组合：
i)包括具有电感值L1的所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的所述第1电容器的送电侧串联谐振电路、与ii)具有比所述电感值L1高的电感值L2的所述第2线圈的组合；以及
i)包括所述第3线圈和配置在所述第3线圈与所述两个受电电极之间的所述第3电容器的受电侧并联谐振电路、与ii)包括所述第4线圈和配置在所述第4线圈与所述受电电路之间的第4电容器的受电侧串联谐振电路的组合。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的无线电力传输系统，
在所述两个送电电极和与所述两个送电电极相对向地配置的所述两个受电电极之间具有空隙。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述交流电力的角频率为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(1)，
ωL2<1/(ωC) (1)。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述交流电力的角频率为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(3)，
10ωL2<1/(ωC) (3)。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N即L2/L1满足1<N<15。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N即L2/L1满足3<N<8。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第3线圈的电感值为L3、设所述第4线圈的电感值为L4时，作为所述电感值L3相对于所述电感值L4之比的电感比N即L3/L4满足1<N<15。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第3线圈的电感值为L3、设所述第4线圈的电感值为L4时，作为所述电感值L3相对于所述电感值L4之比的电感比N即L3/L4满足3<N<8。
12.一种送电装置，是具备送电装置和受电装置的无线电力传输系统中的送电装置，所述送电装置包括：
将外部的直流电源的直流电力变换成交流电力的送电电路；
与所述送电电路连接的第1线圈；
与所述第1线圈进行感应耦合的第2线圈；以及
两个送电电极，其与所述第2线圈连接，输送所述交流电力，
所述受电装置包括：
两个受电电极，其与所述两个送电电极相对向地配置，与所述两个送电电极进行电容耦合，以非接触方式接受所述输送的交流电力；
与所述两个受电电极连接的第3线圈；
与所述第3线圈进行感应耦合的第4线圈；以及
受电电路，其与所述第4线圈连接，将所述接受的交流电力变换成直流电力，
所述送电装置具有送电侧串联谐振电路与送电侧并联谐振电路的组合，所述送电侧串联谐振电路包括所述第1线圈和配置在所述第1线圈与所述送电电路之间的第1电容器，所述送电侧并联谐振电路包括所述第2线圈和配置在所述第2线圈与所述两个送电电极之间的第2电容器。
13.根据权利要求12所述的送电装置，
在所述两个送电电极和与所述两个送电电极相对向地配置的所述两个受电电极之间具有空隙。
14.根据权利要求12或13所述的送电装置，
在设所述交流电力的角速度为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述电极间的电容值为C时，满足以下的式(4)，
ωL2<1/(ωC) (4)。
15.根据权利要求12或13所述的送电装置，
在设所述交流电力的角速度为ω、设所述第2线圈的电感值为L2、设所述两个送电电极与所述两个受电电极之间的电容值为C时，满足以下的式(5)，
10ωL2<1/(ωC) (5)。
16.根据权利要求12～15中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N即L2/L1满足1<N<15。
17.根据权利要求12～15中任一项所述的无线电力传输系统，
在设所述第1线圈的电感值为L1、设所述第2线圈的电感值为L2时，作为所述电感值L2相对于所述电感值L1之比的电感比N即L2/L1满足3<N<8。
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