JP2009225551A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度などの環境変化が発生しても、給電側から受電側へ効率よく電力を伝送することができる電力伝送システムを提供する。
【解決手段】電力が給電されていないときの受電側回路の共振周波数は、給電周波数より低い状態にある。受電側回路に電力が供給されると、受電用アンテナコイルＬ２の両端に誘起電圧が発生し、ダイオードＤ２を通して可変容量ダイオードＤ１に電流が流れ込むために、可変容量ダイオードＤ１のバイアス電圧が上昇する。バイアス電圧が上昇すると、可変容量ダイオードＤ１の容量が低下するために、共振周波数が上昇して給電周波数に近づく。受電側回路に電力が供給されなくなると、可変容量ダイオードＤ１に印加されているバイアス電圧は固定抵抗Ｒ１を通して放電される。バイアス電圧が低下する速度は、温度変化による影響の速度よりやや速い程度とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力を伝送する電力伝送システムに関する。

給電用コイルと受電用コイルとを非接触で配置し、電磁結合により給電用コイルから受電用コイルに電力を伝送する電力伝送システムが、例えば携帯電話機の充電や非接触型のＩＣカード等に使用されることが多くなっている（例えば、特許文献１参照）。

また、トランスポンダを取り付けたタイヤを車両に装着し、タイヤ内圧を検知するセンサをトランスポンダと一体的に設けて、検出したセンサからの情報を車両本体側の受信装置で受信するタイヤ空気圧監視システム（Tire Pressure Monitoring System）が提案されており、トランスポンダや各種センサに代表される電装品は、タイヤが回転するため、車両本体側から配線等で電力を供給することが難しく、一方、電池等を電源とした場合には、タイヤを軽量にする必要性から電池の容量を大きくすることができず、電池を交換することも容易ではないので、車両本体側等、外部からの電磁結合によってこれらの電装品に電力を供給する電力伝送システムも提案されている。

上述した、電磁結合によって電力を供給する従来の電力伝送システムでは、ある一定の条件、一般的には温度は室温で、任意の設置を想定した条件でアンテナコイルとコンデンサが共振するように調整されている。その際、温度や周囲環境の影響を小さくするために、アンテナコイルとコンデンサからなる共振回路の共振特性を極めて平坦な特性とすることで受電性能が大きく変化することがないようにしており、極端な場合には共振周波数を電力を供給する給電周波数とまったく異なる周波数として、温度や周囲環境の影響をほとんど受けないようにしていた。

図６は、従来の電力伝送システムの電気回路図である。図６に示す電力伝送システムは、給電側回路と受電側回路により構成される。給電側回路は、発振回路ＯＳＣと給電用アンテナコイルＬ１を備える。給電用アンテナコイルＬ１には、発振回路ＯＳＣから任意の周波数（給電周波数）の信号が供給されている。受電側回路は、受電用アンテナコイルＬ２と、固定コンデンサＣ１と、４つの整流ダイオードＤ３からなる整流回路と、平滑コンデンサＣ３を備える。受電用アンテナコイルＬ２に並列して固定コンデンサＣ１が接続され、共振回路が形成されている。給電用アンテナコイルＬ１に発振回路ＯＳＣから任意の周波数の信号が供給されると、電磁結合により、受電用アンテナコイルＬ２の両端には誘起電圧が発生し、受電用アンテナコイルＬ２発生した誘起電圧は、整流ダイオードＤ３を通して平滑コンデンサＣ３に蓄電されて、平滑された直流電圧となり、回路動作用の電圧出力Ｖｏｕｔとなる。

図４は、コイルのインダクタンス値と温度変化との関係を示す図である。図４に示すように、コイルのインダクタンス値は、温度の上昇に比例して増加する温度特性を有する。即ち、コイルとコンデンサからなる共振回路のコンデンサ値を一定とすると、温度上昇によりインダクタンス値は増加するために共振周波数は低下する。逆に温度が低下するとインダクタンス値が減少するために共振周波数は上昇する。
このとき、コンデンサがコイルと逆の温度特性であれば、温度の影響を打ち消すことが可能であるが、図５に、コンデンサの温度特性の一例を示すように、コンデンサの温度特性も正特性（右上がり）もしくは非線形であるために、コイルの温度特性を補正することができない。そこで、通常は固定コンデンサＣ１には、温度特性がフラットな温度補償タイプのコンデンサを使用している。
ここで、例えば、温度が上昇すると受電用アンテナコイルＬ２のインダクタンス値が増加して、受電用アンテナコイルＬ２とコンデンサＣ１からなる共振回路の共振周波数は低下する。そのために、図７に示すように、アンテナコイルの共振特性が給電周波数から低い方にドリフトするために、受電側回路の受電電力は低下することとなる。
特開２００１−６０２５８号公報

従来の電力伝送システムでは、上述したように温度や周囲環境の影響を小さくするためにアンテナコイルの共振特性を悪くすると、電力伝送の効率が著しく低くなってしまうため、給電側は、非常に大きなエネルギーで受電側に必要な電力を供給する必要があった。そのため、従来の電力伝送システムをタイヤ空気圧監視システムに適用した場合には、車両などでは燃費を悪化させる原因となったり、バッテリーへの負担が大きくなったりしていた。
また、給電側から出力される信号のパワーを上げると、周囲への影響も大きくなり、他の機器の誤動作の原因になることもある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、温度などの環境変化が発生しても、給電側から受電側へ効率よく電力を伝送することができる電力伝送システムを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、給電用コイルと受電用コイルとを非接触で配置し、電磁結合により給電用コイルから受電用コイルに電力を伝送する電力伝送システムにおいて、受電用コイルと並列にコンデンサを接続して、給電周波数に共振する共振回路を構成し、共振するための基本となるコンデンサに並列して、自己調整のための容量素子を備えることを特徴とする。

また、本発明は、給電用コイルと受電用コイルとを非接触で配置し、電磁結合により給電用コイルから受電用コイルに電力を伝送する電力伝送システムにおいて、受電用コイルと並列にコンデンサを接続して、給電周波数に共振する共振回路を生成し、共振するための基本となるコンデンサに並列して、直列接続の固定コンデンサと自己調整のための容量素子とを備えることを特徴とする。

前記固定コンデンサは、前記自己調整のための容量素子に対し電圧が高い側に直列接続されることが好ましく、前記自己調整のための容量素子に並列して、前記自己調整のための容量素子に印加された電圧を放電するための抵抗を備えることが好ましく、前記自己調整のための容量素子は、可変容量ダイオードであることが好ましい。

本発明の電力伝送システムは、温度などの環境変化が発生しても、受電側回路を常に理想的な共振状態もしくは共振に極めて近い状態に保つことができるので、給電側回路から受電側回路へ効率よく電力を伝送することが可能となる。
また、本発明の電力伝送システムは、簡単な受動回路だけで構成するために、コンパクトに設計できる。
さらに、本発明の電力伝送システムは、能動回路を使用しないので、共振調整の機能に無駄な電力消費が発生しない。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の電力伝送システムの電気回路図である。図１に示す電力伝送システムは、給電側回路と受電側回路により構成される。給電側回路は、発振回路ＯＳＣと給電用アンテナコイルＬ１を備える。給電用アンテナコイルＬ１には、発振回路ＯＳＣから任意の周波数（給電周波数）の信号が供給されている。

受電側回路は、受電用アンテナコイルＬ２と、固定コンデンサＣ１、Ｃ２と、可変容量ダイオード（バリキャップ）Ｄ１と、ダイオードＤ２と、固定抵抗Ｒ１と、４つの整流ダイオードＤ３からなる整流回路と、平滑コンデンサＣ３を備える。
受電用アンテナコイルＬ２に並列して、共振するための基本となる固定コンデンサＣ１が接続され、固定コンデンサＣ１に並列して、直列接続の固定コンデンサＣ２と可変容量ダイオードＤ１が接続されて、共振回路が形成されている。固定コンデンサＣ２には、ダイオードＤ２が並列に接続され、可変容量ダイオードＤ１には、固定抵抗Ｒ１が並列に接続されている。

給電用アンテナコイルＬ１に発振回路ＯＳＣから任意の周波数（給電周波数）の信号が供給され、電磁結合により、受電用アンテナコイルＬ２の両端には電圧が誘起されて、受電側回路に電力が供給される。
誘起される電圧の大きさは、共振回路の共振周波数が給電周波数に等しいときに最大となり、共振周波数が給電波周波数から離れるほど小さくなる。

また、受電用アンテナコイルＬ２の両端に電圧が誘起されると、ダイオードＤ２を通して、自己調整のための可変容量素子である可変容量ダイオードＤ１に電流が流れ込み、可変容量ダイオードＤ１にバイアス電圧が印加される。固定コンデンサＣ２が、可変容量ダイオードＤ１に対し電圧が高い側に直列に接続されると、可変容量ダイオードＤ１と固定コンデンサＣ２の接続部に、受電用アンテナコイルＬ２で受電している信号に影響を受けずに、受電用アンテナコイルＬ２の両端に誘起された電圧（バイアス電圧）を印加することが可能となる。受電側回路に電力が供給されなくなると、可変容量ダイオードＤ１に印加されているバイアス電圧は固定抵抗Ｒ１を通して放電される。
受電用アンテナコイルＬ２の両端に発生した誘起電圧は、整流ダイオードＤ３を通して平滑コンデンサＣ３に蓄電されて、平滑された直流電圧となり、回路動作用の電圧出力Ｖｏｕｔとなる。

本発明の電力伝送システムをタイヤ空気圧監視システムに適用した場合は、タイヤが回転して、タイヤに備える受電側回路の受電用アンテナコイルＬ２が、車両に備える供給側回路の給電用アンテナコイルＬ１に接近したときに、電磁結合により、受電用アンテナコイルＬ２の両端に電圧が誘起されて、タイヤに備える受電側回路に電力が供給される。

図２に可変容量ダイオードのバイアス電圧と容量との関係を示す。図２から、可変容量ダイオードＤ１は、バイアス電圧が低いほど、容量は大きくなることが分かる。受電用アンテナコイルＬ２にまったく電圧が誘起されていないときには、可変容量ダイオードＤ１にかかるバイアス電圧は０であるので、受電側回路に電力が供給されていないときには、可変容量ダイオードＤ１の容量は最大となる。したがって、受電側の共振回路の共振周波数は最も低い状態となる。このときの共振周波数は給電周波数に比べて十分に低い周波数とする。

受電側回路に電力が供給されると、受電用アンテナコイルＬ２の両端には誘起電圧が発生し、ダイオードＤ２を通して可変容量ダイオードＤ１に電流が流れ込むために、可変容量ダイオードＤ１のバイアス電圧が上昇する。バイアス電圧が上昇すると、図２に示すように、可変容量ダイオードＤ１の容量が低下するために、共振周波数が上昇して給電周波数に近づく。

図３は、アンテナコイルの共振特性を示す図である。共振周波数が給電周波数に近づくと、受電電力が上昇する。即ち、誘起電圧が更に上昇してバイアス電圧が上昇し、可変容量ダイオードＤ１の容量が低下して共振周波数が更に給電周波数に近づく。共振周波数が給電周波数と一致すると、電圧の上昇が止まるので容量変化も止まり、受電側の共振回路は給電周波数に対して共振状態となる。したがって、電力伝送の効率が最大となる。

受電側回路に電力が供給されなくなると、可変容量ダイオードＤ１に印加されているバイアス電圧は固定抵抗Ｒ１を通して放電される。固定抵抗Ｒ１の値は十分に大きく、バイアス電圧はゆっくりと低下するため、可変容量ダイオードＤ１の容量がゆっくりと増加し、共振周波数も低下して給電周波数よりも低い状態となる。バイアス電圧が低下する速度は、例えば、温度変化による影響の速度よりやや速い程度とする。
再び受電側回路に電力が供給されると、バイアス電圧が上昇して可変容量ダイオードＤ１の容量が低下し、共振周波数は、給電周波数と一致するまで上昇する。

上述した電力伝送システムでは、電力が給電されていないときの受電アンテナコイルとコンデンサからなる共振回路の共振周波数は、給電周波数より低い状態にある。
温度が上昇して、受電用アンテナコイルＬ２のインダクタンス値が大きくなったときは共振周波数は更に低い状態にある。したがって、受電側回路に電力が供給されたときには、バイアス電圧が上昇して可変容量ダイオードＤ１の容量が低下し、共振周波数が上昇して給電周波数と一致することとなる。
逆に、温度が低下して、受電用アンテナコイルＬ２のインダクタンス値が小さくなっても、固定抵抗Ｒ１による放電によって、バイアス電圧の低下による可変容量ダイオードＤ１の容量の増加幅の方が大きいために、共振周波数が給電周波数より低い状態にある。したがって、受電側回路に電力が供給されたときには、バイアス電圧が上昇して可変容量ダイオードＤ１の容量が低下し、共振周波数が上昇して給電周波数と一致することとなる。

上述のように、本発明の電力伝送システムは、温度などの環境変化が発生しても、受電側回路を常に理想的な共振状態もしくは共振に極めて近い状態に保つことができるので、給電側回路から受電側回路へ効率よく電力を伝送することが可能となる。

本発明の電力伝送システムをタイヤ空気圧監視システムに適用した場合には、共振回路の共振周波数は、タイヤの回転周期にしたがって、給電周波数より低い周波数と、給電周波数に一致した周波数との間を変動することとなる。

なお、本発明の電力伝送システムでは、環境変化で共振周波数が給電周波数より高くなると、バイアス電圧が低下して可変容量ダイオードＤ１の容量が増加し、共振周波数が低下して共振状態に戻ることが可能である。

本発明の電力伝送システムの電気回路図である。 可変容量ダイオードのバイアス電圧と容量との関係を示す図である。 アンテナコイルの共振特性を示す図である。 コイルのインダクタンス値と温度変化との関係を示す図である。 コンデンサの温度特性の一例を示す図である。 従来の電力伝送システムの電気回路図である。 アンテナコイルの共振特性を示す図である。

符号の説明

Ｌ１ 給電用アンテナコイル
Ｌ２ 受電用アンテナコイル
Ｃ１，Ｃ２ 固定コンデンサ
Ｄ１ 可変容量ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｒ１ 固定抵抗
Ｄ３ 整流ダイオード
Ｃ３ 平滑コンデンサ
ＯＳＣ 発振回路

Claims (5)

1. 給電用コイルと受電用コイルとを非接触で配置し、電磁結合により給電用コイルから受電用コイルに電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
   受電用コイルと並列にコンデンサを接続して、給電周波数に共振する共振回路を構成し、共振するための基本となるコンデンサに並列して、自己調整のための容量素子を備えることを特徴とする電力伝送システム。
2. 給電用コイルと受電用コイルとを非接触で配置し、電磁結合により給電用コイルから受電用コイルに電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
   受電用コイルと並列にコンデンサを接続して、給電周波数に共振する共振回路を生成し、共振するための基本となるコンデンサに並列して、直列接続の固定コンデンサと自己調整のための容量素子とを備えることを特徴とする電力伝送システム。
3. 前記固定コンデンサは、前記自己調整のための容量素子に対し電圧が高い側に直列接続されることを特徴とする請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記自己調整のための容量素子に並列して、前記自己調整のための容量素子に印加された電圧を放電するための抵抗を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
5. 前記自己調整のための容量素子は、可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。

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