JP2011155732A - 非接触送電システム、および非接触送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ間距離に応じた送電側の交流電力の周波数制御を不要とし、高い送電効率を維持することが可能な非接触送電システム、および非接触送電装置を提供すること。
【解決手段】非接触送電システムは、受電側アンテナ、送電側アンテナ、交流電力ドライバ、整合回路、制御回路を備える。受電側アンテナは、機器に搭載され、電磁的結合により受電する。送電側アンテナは、受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する。交流電力ドライバは、電源から受ける電力を、送電側アンテナから受電側アンテナへ送電可能な交流電力に変換する。整合回路は、交流電力ドライバと送電側アンテナとの間に設けられ、伝送線路のインピーダンスを調整可能である。交流電力ドライバおよび整合回路を制御する制御回路は、交流電力の周波数が送電側アンテナの共振周波数となるように交流電力ドライバを制御した状態で、整合回路を制御してインピーダンス整合を行う。
【選択図】図１

Description

本願は、機器に非接触で送電する技術に関する。

近年、自動車車両の新たな走行駆動技術として、電気エネルギーを動力源として電動機により駆動力を発生する電気自動車や、内燃機関と電動機との補完により駆動力を発生する、いわゆるハイブリッド自動車の開発が進められ、実用化されてきている。

電気エネルギーは車両に搭載されている蓄電装置により車両内に蓄積される。蓄電装置にはニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの再充電可能な二次電池が使用されており、二次電池への充電は車両外部の電源からの送電により行われることが一般的である。送電の方法として、車両外部の電源と二次電池を含む蓄電装置との間をケーブルで接続する場合の他、非接触状態で送電する方法が注目されている。

車両外部の電源から非接触状態で充電電力を電動車両へ送電するために、高周波電力ドライバと、一次コイルと、一次自己共振コイルとを備える車両用送電装置が開示されている。高周波電力ドライバにより電源からの電力が高周波電力に変換され、一次コイルによって一次自己共振コイルに与えられる。一次自己共振コイルは車両にある二次自己共振コイルとの間で磁気的に結合され、非接触状態で車両に電力が送電される（特許文献１）。

また、関連技術として、特許文献２、非特許文献１が開示されている。

特開２００９−１０６１３６号公報 特表２００９−５０１５１０号公報

アリステイディス カラリス（Aristeidis Karalis）、他２名、「エフィシェント ワイヤレス ノンラディエイティブ ミッドレンジ エネルギー トランスファ（Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer）」、[online]、2007年4月27日、アニュアル オブ フィジックス（Annals of Physics） 323 (2008) p.34-48、[平成21年11月20日検索]、インターネット＜URL:www.sciencedirect.com＞

しかしながら、背景技術は、アンテナにより非接触状態で送電を行うための回路構成を例示するに過ぎない。アンテナを非接触状態で対向させて送電を行う場合、送電側の交流電力の周波数を共振周波数に合致させることで最も効率的に送電を行うことができるが、共振周波数はアンテナ間距離に応じて相互インダクタンスが変化するのに伴って変化する。したがって、アンテナ間距離が送電装置と車両との位置関係に応じて変動すると、共振周波数の変化により送電側の交流電力の周波数が共振周波数からずれてしまい、効率のよい送電を行うことができないおそれがある。

また、従来、この問題に対して、アンテナ間距離により変化する共振周波数に応じて送電側の交流電力の周波数を制御することも提案されている。しかしながら、共振周波数が送電側回路の動作可能な周波数範囲外にある場合には調整することができず、回路動作範囲内にある場合にも複雑な制御が必要になるおそれがあり好ましくない。

本願は、アンテナ間距離に応じた送電側の交流電力の周波数制御を不要とし、高い送電効率を維持することが可能な非接触送電システム、および非接触送電装置を提供することを目的とする。

本願に開示される非接触送電システムは、電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行うシステムであって、受電側アンテナと、送電側アンテナと、交流電力ドライバと、整合回路と、制御回路と、を備える。受電側アンテナは、機器に搭載され、電磁的結合により受電する。送電側アンテナは、受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する。交流電力ドライバは、電源から受ける電力を、送電側アンテナから受電側アンテナへ送電可能な交流電力に変換する。整合回路は、交流電力ドライバと送電側アンテナとの間に設けられ、伝送線路のインピーダンスを調整可能である。交流電力ドライバおよび整合回路を制御する制御回路は、交流電力の周波数が送電側アンテナの共振周波数あるいは受電側アンテナの共振周波数となるように交流電力ドライバを制御した状態で、整合回路を制御してインピーダンス整合を行う。

また、本願に開示される非接触送電装置は、電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行う送電装置であって、送電側アンテナと、交流電力ドライバと、整合回路と、制御回路と、を備える。送電側アンテナは、機器に搭載される受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する。交流電力ドライバは、電源から受ける電力を、送電側アンテナから受電側アンテナへ送電可能な交流電力に変換する。整合回路は、交流電力ドライバと送電側アンテナとの間に設けられ、伝送線路のインピーダンスを調整可能である。交流電力ドライバおよび整合回路を制御する制御回路は、交流電力の周波数が送電側アンテナの共振周波数あるいは受電側アンテナの共振周波数となるように交流電力ドライバを制御した状態で、整合回路を制御してインピーダンス整合を行う。

本願に開示される非接触送電システム、非接触送電装置によれば、交流電力ドライバの交流電力の周波数が送電側アンテナの共振周波数あるいは受電側アンテナの共振周波数に合わせられる。そして、整合回路によるインピーダンス整合が行われる。送電側アンテナの共振周波数あるいは受電側アンテナの共振周波数におけるインピーダンス整合の実施により、アンテナ間距離に応じた送電側の交流電力の周波数制御を不要とし、高い送電効率を維持することができる。

非接触送電システムを示す図である。 送電動作における共振周波数を示す図である。 送電装置の回路ブロック図である。 受電装置の回路ブロック図である。 整合回路の具体例を示す回路ブロック図である。 インピーダンスマッチング処理のフローチャートである。 整合回路の変形例を示す回路ブロック図である。

図１は、非接触送電システムを電気自動車あるいはハイブリッド自動車への送電に適用する場合のシステム構成図である。車両２が電気自動車あるいはハイブリッド自動車である。車両２が送電エリア１に入庫している状態を示す。送電エリア１には送電装置１０が埋設されており、車両２に搭載されている受電装置２０との間で、非接触送電が行われる。

非接触送電では、送電装置１０の送電側アンテナ１１と受電装置２０の受電側アンテナ２１とが共鳴して、電磁的結合により電力の送電が行われる。送電側アンテナ１１は、送電エリア１の地表面に沿って、電磁的結合がなされる結合面１１Ａが配置される。受電側アンテナ２１は、車両２の下面に沿って、電磁的結合がなされる結合面２１Ａが配置される。送電側アンテナ１１は、交流電力を給電する交流電力ドライバを含む送電部１２により駆動される。送電部１２は制御回路１３により制御される。また、受電側アンテナ２１にて受電された交流電力は受電部２２により整流されて蓄電池等に蓄積される。受電部２２は制御回路２３により制御される。

続いて、非接触送電におけるアンテナ間距離と共振周波数との一般的な関係について説明する。図２は、送電側アンテナ１１および受電側アンテナ２１を含む系の共振周波数の特性を示す。横軸は送電側アンテナ１１と受電側アンテナ２１との離間距離（Ｄ）であり、縦軸は共振周波数（ｆ）である。離間距離（Ｄ）がＤ＝Ｄ０以上の領域は、受電側アンテナ２１との電磁的結合の影響が無視される領域である。系は受電側アンテナ２１を含まず、送電側アンテナ１１が有する固有の共振周波数（ｆ＝ｆ０）で共振する。離間距離（Ｄ）がＤ＝Ｄ０以下の領域では、系は送電側アンテナ１１と受電側アンテナ２１とが電磁的に結合された状態となる。電磁的結合に伴う相互インダクタンスによる影響を受ける領域である。この領域では、共振周波数は離間距離（Ｄ）に依存して変化する。送電側アンテナ１１の固有の共振周波数（ｆ＝ｆ０）を挟んで２つの共振点が存在し、離間距離（Ｄ）が短くなるにつれて２つの共振点が離れる。また、この領域での共振周波数で高い送電効率が得られる。

図３は、送電装置１０の回路ブロック図である。送電装置１０は、制御回路１３、発振器１４、駆動回路１２Ａ、整合回路１２Ｂ、ＳＷＲ（Standing Wave Ratio、以下、ＳＷＲと略記する）計１２Ｃ、および送電側アンテナ１１を備える。さらに、送電エリア１にはエリア内検出センサ１５を備える。

発振器１４から出力されるクロック信号は、制御回路１３へ入力され、制御回路１３内の動作クロックおよび駆動回路１２Ａの交流電力の給電などの周期制御に用いられる。

制御回路１３は、発振器１４、ＳＷＲ計１２Ｃ、エリア内検出センサ１５から受信した信号をもとに、駆動回路１２Ａ、整合回路１２Ｂを制御する。

駆動回路１２Ａは、インバータなどで構成される交流電力ドライバを含み、整合回路１２ＢおよびＳＷＲ計１２Ｃを通じて送電側アンテナ１１に交流電力を供給する。該交流電力は、制御回路１３により周期制御される。

整合回路１２Ｂは、駆動回路１２Ａから供給される交流電力を送電側アンテナ１１へ効率よく供給するために、制御回路１３からの制御により、送電側アンテナ１１と駆動回路１２Ａとのインピーダンス整合をとる。

ＳＷＲ計１２Ｃは、駆動回路１２Ａから送電側アンテナ１１へと送られる交流電力についての定在波比を計測し、制御回路１３に計測結果を送信する。交流電力の伝搬による反射波の有無を検出する。

送電側アンテナ１１は、インダクタンス成分とキャパシタンス成分とを有するＬＣ共振コイルであり、後述する受電装置２０の受電側アンテナ２１との間で磁気的に結合され、受電側アンテナ２１へ電力を送電する。なお、コイルとコンデンサとの組み合わせでＬＣ共振コイルを構成することができる。また、コイルの導線間の浮遊容量を考慮して、コイル自身に浮遊容量を持たせる設計をすれば、コイルのみでＬＣ共振コイルを構成することもできる。

エリア内検出センサ１５は、送電エリア１に車両２が進入したか否かを検出し、その結果を制御回路１３に送信する。

図４は、受電装置２０の回路ブロック図である。受電装置２０は、制御回路２３、発振器２４、受電側アンテナ２１、受電検出回路２２Ａ、切替回路２２Ｂ、整合回路２２Ｃ、整流平滑回路２２Ｄ、および充電回路２２Ｅを備える。

発振器２４から出力されるクロック信号は、制御回路２３に入力され、制御回路２３内の動作クロックとして用いられる。

制御回路２３は、発振器２４、および受電検出回路２２Ａから受信した信号をもとに、切替回路２２Ｂ、および充電回路２２Ｅを制御する。

受電検出回路２２Ａは、例えば、電流センサを備えており、受電側アンテナ２１に流れる電流を検出する。送電装置１０からの交流電力の送電が行われているか否かを検出する。

切替回路２２Ｂは、制御回路２３から受信した信号により、受電側アンテナ２１を閉ループ状態にするか、充電回路２２Ｅに接続するか、開ループ状態にするか、を切替える。

整合回路２２Ｃは、受電側アンテナ２１に受電された交流電力が反射されずに整流平滑回路２２Ｄを通じて充電回路２２Ｅへと供給されるように、受電側アンテナ２１から整流平滑回路２２Ｄに至る系のインピーダンス整合をとる。

整流平滑回路２２Ｄは、受電側アンテナ２１から供給される交流電力を直流電力に変換および平滑化し、充電回路２２Ｅに供給する。

充電回路２２Ｅは、整流平滑回路２２Ｄから供給される電力をバッテリー等の蓄電装置（不図示）に充電する回路である。ここで、蓄電装置は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池や大容量のキャパシタから成る。充電回路２２Ｅは、制御回路２３から制御され、充電制御を行う。

受電側アンテナ２１は、インダクタンス成分とキャパシタンス成分とを有するＬＣ共振コイルであり、送電側アンテナ１１との間で磁気的に結合され、送電側アンテナ１１より交流電力を受電する。

図５は、送電装置１０の整合回路１２Ｂの具体例を示す回路ブロック図であり、合わせて駆動回路１２Ａの具体的な構成例も示す。駆動回路１２Ａは、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２Ａ１、インバータ１２Ａ２を含む。ＡＣ−ＤＣコンバータ１２Ａ１は、ダイオードブリッジ、コンデンサを備え、交流電源１６から受ける電力を整流する。インバータ１２Ａ２は、トランジスタを含んだフルブリッジ回路である。制御回路１３（図３参照）が出力する制御信号により、各トランジスタはスイッチング動作を行う。これにより、インバータ１２Ａ２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２Ａ１によって整流された電力を、所望の周波数を有する交流電力に変換する。

整合回路１２Ｂは、コンデンサＣ１〜Ｃ４、コイルＬ１〜Ｌ４、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８を備える。互いに並列に接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ４の各々は、伝送線路に直列に挿入される。互いに並列に接続されたコイルＬ１〜Ｌ４の各々は、伝送線路間に挿入される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、コンデンサＣ１〜Ｃ４およびコイルＬ１〜Ｌ４の各々に対応して設けられ、各コンデンサおよびコイルを伝送線路に接続するか否かを切り替える。これにより、制御回路１３（図３参照）は、各スイッチのオンオフを切り替えて、整合回路１２Ｂのインダクタンスおよびキャパシタンスの値を調整することができる。

送電側アンテナ１１と受電側アンテナ２１とが相互に電磁的に結合している状態で、２つのアンテナの離間距離（Ｄ）は、送電装置１０と車両２との位置関係に応じて変動する。図２で説明したように、離間距離（Ｄ）が変動すると、相互インダクタンスが変化して共振周波数が変化する。その結果、電源部から負荷側を見たインピーダンスが変化してしまう。すなわち、交流電力を給電する交流電力ドライバを含む駆動回路１２Ａから、負荷としての蓄電装置に繋がる受電側アンテナ２１へ送電する送電側アンテナ１１を見たインピーダンスが変化する。これに対して何の補償も施さなければ、離間距離（Ｄ）が最適距離からずれた場合に、送電効率が急激に低下する。そこで、本実施形態の非接触送電システムは、以下のインピーダンスマッチング処理を行い、インピーダンスの変化を補償する。

図６は、送電装置１０の制御回路１３により制御される、インピーダンスマッチング処理のフローチャートである。制御回路１３は、送電側アンテナ１１から受電側アンテナ２１への送電を開始するか否かを判断する（Ｓ１）。制御回路１３は、例えば、エリア内検出センサ１５から送信される検出結果に基づいて、送電の開始を判断する。制御回路１３は、送電を開始するまで待機し（Ｓ１：ＮＯ）、送電の開始に伴って、以降のインピーダンスマッチング処理を行う（Ｓ１：ＹＥＳ）。

送電の開始に従い、制御回路１３は、インバータ１２Ａ２の制御を開始する（Ｓ２）。制御回路１３は、交流電力の周波数が、送電側アンテナ１１あるいは受電側アンテナ２１が有する固有の共振周波数（ｆ＝ｆ０＝１／２π（ＬＣ）^１／２）となるように、インバータ１２Ａ２を制御する。

そして、制御回路１３は、整合回路１２ＢのスイッチＳＷ１〜ＳＷ８のオンオフを切り替えながら、ＳＷＲ計１２Ｃによって定在波比を計測する（Ｓ３）。制御回路１３は、各スイッチのオンオフの組合せ、すなわち、整合回路１２Ｂの各コンデンサおよびコイルの組合せのうち、送電側アンテナ１１からの反射が最小となる組合せを探索する。

そして、制御回路１３は、整合回路１２Ｂの各コンデンサおよびコイルの組合せのうち反射が最小となる組合せを採用する（Ｓ４）。制御回路１３は、反射が最小となる組合せで整合回路１２Ｂの各スイッチをオンオフ制御し、インピーダンスマッチング処理を終了する。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、制御回路１３は、インバータ１２Ａ２を制御して、交流電力の周波数を送電側アンテナ１１あるいは受電側アンテナ２１の共振周波数に合わせる。そして、制御回路１３は、送電側アンテナ１１からの反射が最小となる条件で、整合回路１２Ｂを制御する。これにより、相互インダクタンスの変化に応じて伝送線路のインピーダンスを調整し、インピーダンスの変化を補償することができる。このように、送電側アンテナ１１の共振周波数あるいは受電側アンテナ２１の共振周波数におけるインピーダンス整合を実施することで、アンテナの離間距離（Ｄ）に応じた送電側の交流電力の周波数制御を不要とし、高い送電効率を維持することができる。したがって、送電側と受電側との相対位置によって充電できない状況になることを防止し、非接触送電システムの使い勝手を向上することができる。従来のようにアンテナ間距離により変化する共振周波数に応じて送電側の交流電力の周波数を追従制御する方式や、周波数追従制御に併せてインピーダンス整合を行う方式と比較しても、高い伝送効率が得られ、特に近距離伝送で高い効果が得られる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、駆動回路１２Ａは、交流電力ドライバを含んで構成される回路の一例であるが、図５に示した構成に限定されるものではない。ＡＣ−ＤＣコンバータ１２Ａ１、インバータ１２Ａ２に加えて、増幅器等を備えて駆動回路１２Ａを構成してもよい。

また、送電側アンテナ１１の共振周波数については、設計時に初期値として決定してもよいし、送電装置１０において計測してもよい。

また、図５には、整合回路１２ＢがコンデンサＣ１〜Ｃ４、コイルＬ１〜Ｌ４、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８を備える場合を一例として示したが、各素子の個数はこれに限定されるものではない。さらに、インダクタンスおよびキャパシタンスの値を調整可能な構成であれば、他の回路構成であってもよい。図７に、整合回路１２Ｂの変形例として、整合回路１２Ｂ−２を示す。整合回路１２Ｂ−２は、可変コンデンサＣ５、可変コイルＬ５を備える。可変コンデンサＣ５は、制御回路１３（図３参照）からの制御信号に基づいてキャパシタンスの値を変更可能であり、伝送線路に直列に挿入される。可変コイルＬ５は、制御回路１３からの制御信号に基づいてインダクタンスの値を変更可能であり、伝送線路間に挿入される。これにより、制御回路１３は、可変コイルＬ５のインダクタンス値および可変コンデンサＣ５のキャパシタンス値を切り替えて、整合回路１２Ｂ−２のインダクタンスおよびキャパシタンスの値を調整することができる。この場合には、制御回路１３は、インピーダンスマッチング処理のＳ３において、可変コイルＬ５のインダクタンス値、可変コンデンサＣ５のキャパシタンス値をステップ制御で段階的に切り替えながら、ＳＷＲ計１２Ｃによって定在波比を計測すればよい。

また、前記実施形態では、車両２に対して非接触送電を行う場合を説明した。しかし、本発明は、車両に限らず、電気エネルギーを動力源として利用する機器、例えば、携帯電話機、デジタルカメラ、ノートパソコンといった携帯型機器をはじめ、テレビ、オーディオシステムといった据え置き型の機器、ロボット等の産業機器、医療機器などに対しても適用可能である。さらに、蓄電装置を使用せず、非接触送電だけで稼働させることも可能である。

１ 送電エリア
２ 車両
１０ 送電装置
１１ 送電側アンテナ
１１Ａ、２１Ａ 結合面
１２ 送電部
１２Ａ 駆動回路
１２Ｂ 整合回路
１２Ｃ ＳＷＲ計
１３、２３ 制御回路
１４、２４ 発振器
１５ エリア内検出センサ
２０ 受電装置
２１ 受電側アンテナ
２２ 受電部
２２Ａ 受電検出回路
２２Ｂ 切替回路
２２Ｃ 整合回路
２２Ｄ 整流平滑回路
２２Ｅ 充電回路
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
Ｃ５ 可変コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ４ コイル
Ｌ５ 可変コイル
ＳＷ１〜ＳＷ８ スイッチ

Claims (5)

1. 電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行う非接触送電システムであって、
   前記機器に搭載され、電磁的結合により受電する受電側アンテナと、
   前記受電側アンテナに対して前記電磁的結合により送電する送電側アンテナと、
   電源から受ける電力を、前記送電側アンテナから前記受電側アンテナへ送電可能な交流電力に変換する交流電力ドライバと、
   前記交流電力ドライバと前記送電側アンテナとの間に設けられ、伝送線路のインピーダンスを調整可能な整合回路と、
   前記交流電力ドライバおよび前記整合回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記交流電力の周波数が前記送電側アンテナの共振周波数あるいは前記受電側アンテナの共振周波数となるように前記交流電力ドライバを制御した状態で、前記整合回路を制御してインピーダンス整合を行う
   ことを特徴とする非接触送電システム。
2. 前記整合回路は、
   コイルと、
   コンデンサと、
   前記コイルおよび前記コンデンサの各々を前記伝送線路に接続するか否かを切り替え可能なスイッチと、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記スイッチのオンオフを切り替えて、前記整合回路のインダクタンスおよびキャパシタンスの値を調整することによってインピーダンス整合を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触送電システム。
3. 前記伝送線路の定在波比を計測するＳＷＲ計をさらに備え、
   前記制御回路は、
   前記ＳＷＲ計の計測結果に基づいて、前記スイッチのオンオフの組合せのうち前記送電側アンテナからの反射が最小となる組合せを探索し、前記反射が最小となる組合せで前記整合回路を制御することによってインピーダンス整合を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の非接触送電システム。
4. 前記整合回路は、
   インダクタンスの値を変更可能な可変コイルと、
   キャパシタンスの値を変更可能な可変コンデンサと、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記可変コイルのインダクタンス値および前記可変コンデンサのキャパシタンス値を切り替えて、前記整合回路のインダクタンスおよびキャパシタンスの値を調整することによってインピーダンス整合を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触送電システム。
5. 電気エネルギーを動力源として利用する機器に対して非接触状態で送電を行う非接触送電装置であって、
   前記機器に搭載される受電側アンテナに対して電磁的結合により送電する送電側アンテナと、
   電源から受ける電力を、前記送電側アンテナから前記受電側アンテナへ送電可能な交流電力に変換する交流電力ドライバと、
   前記交流電力ドライバと前記送電側アンテナとの間に設けられ、伝送線路のインピーダンスを調整可能な整合回路と、
   前記交流電力ドライバおよび前記整合回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記交流電力の周波数が前記送電側アンテナの共振周波数あるいは前記受電側アンテナの共振周波数となるように前記交流電力ドライバを制御した状態で、前記整合回路を制御してインピーダンス整合を行う
   ことを特徴とする非接触送電装置。

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