JP2011200045A - 電磁共鳴電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電コイルと受電コイル間の距離に係わらず最大伝送効率で電力を伝送できるようにすること。
【解決手段】共鳴による送電コイル１０と、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置１と、この送電コイルと電磁結合する共鳴による受電コイル４０と、この受電コイルから電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置２とを有する電磁共鳴電力伝送装置である。送電装置１は、送電コイルに、周波数可変の高周波電力を供給する。送電コイルに対する反射特性を測定するための信号が送電コイルに出力される。送電コイルから反射されて反射電力とを分離して、反射電力のみが抽出される。この反射電力の周波数特性が検出される。検出された周波数特性から反射電力が最小の周波数が求められて、送電コイルに出力する高周波電力の周波数が、その最適送電周波数に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電コイルと受電コイルとを用いた電磁共鳴を用いた無線による電力伝送装置に関する。電気自動車のバッテリに対する無線による給電のための電力伝送に用いることができる。

非接触による電力伝送方式には、大きくは、次の２つの方式に分類される。第１は、非放射による電力伝送であり、第２は、放射による電力伝送である。第１の方式には、主として、トランスの原理を用いた数ｋＨｚ以下の周波数で用いる電磁誘導方式と、数十ＭＨｚ程度の周波数を用いた近接場（近接場に蓄積される静的エネルギー）の電磁共鳴による電磁結合方式とがある。また、第２の方式には、マイクロ波送電による方式と、レーザ送電による方式とがある。本発明は、このうち電磁共鳴に関するものである。

電磁誘導方式を用いた電力伝送として、下記特許文献１、２の技術が知られている。特許文献１の技術は、固定部から回転部への電力伝送に、５〜１０ｍｍだけ離間した送電コイルと受電コイルとの一対の電力コイルを用いて非接触で電力を伝送する装置が開示されている。同文献によると、数百ｋＨｚの周波数電力を固定部から回転部へ伝送し、回転部に設置された各種のセンサの検出信号を、電力コイルの外に設けた一対のデータコイルで、回転部から固定部へ、数ＭＨｚの信号で伝送するようにしている。また、固定部の送電コイルの入力インピーダンスが、送電コイルと受電コイルとの間隔により変化するので、送電コイルへの給電効率を向上させるために、送電コイルへ供給する電力の周波数を変化させることが行われている。また、特許文献２においても、一次コイルから無線電力を供給して、一次コイルと電磁結合する２次コイルで受電して、２次コイルに接続されたバッテリーに充電する装置が開示されている。この文献の技術は、２次コイルで発生する磁場を遮蔽する技術である。

電磁共鳴による電磁結合方式として、最近、注目されている下記非特許文献１に開示の技術が知られている。同非特許文献１の技術は、２ｍ程度離間された、半径２５ｃｍのループ状の強く電磁結合した一対の電磁共鳴コイルを用いて、９．９ＭＨｚの正弦波電力を伝送できる技術が開示されている。

特開平８−３４０２８５ 特開２００９−２６８３３４

Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Andre Kurs, et.al, Science Vol.317, 6 July 2007

上記の特許文献１、２の方法は、コイルの外部に共振回路を設ける方式であり、Ｑ値が小さく、効率の良い電力伝送はできない。この方式は、本質的には、電磁誘導方式であるため、原理的には、結合係数を大きくする方向の技術であり、両コイル間の距離は、５〜１０ｍｍ程度と狭くせざるを得ず、且つ、伝送効率が低くならざるを得ないという問題がある。また、１０ｍｍ以上、距離が離れると、効率の良い伝送ができないばかりか、送電コイルの入力インピーダンスが変化するために、送電周波数の調整が必要である。また、これらの電力伝送方式においては、外部共振回路を用いるため、共振特性は単峰性の特性である。

一方、電磁共鳴方式の上記の非特許文献１に開示の技術は、原理的には、共鳴型のコイルを用いて、送電コイルと受電コイルを全体としての近接場エネルギーによる電磁共鳴を用いた方式であり、原理上、Ｑ値が高く、比較的長距離の伝送が可能であり、放射損失がないため、伝送効率が高い無線電力伝送方式である。また、電磁共鳴を用いている関係上、周波数と送電コイルと受電コイルのＱ値が大きければ、結合係数は小さくとも（原理的には、０に近い状態でも）、高い伝送効率を実現することができる。この結果、非特許文献１によれば、１ｍ程度、両電力コイルを離間させても、９０％以上の伝送効率が実現できている。この共鳴の周波数特性は、双峰性の特性を示す。

しかしながら、非特許文献１の技術を用いて、大電力を送電する場合に、送電コイルと受電コイル間の距離が変化すると、伝送効率が高くなる２つの共鳴周波数が変化し、送電電力の周波数を伝送効率が最大となる周波数に最適設定していても、両コイル間の距離が長くなると、伝送効率が低下するという問題が発生する。

本発明は、この問題を解決するために成されたものであり、送電コイルと受電コイル間の距離が変化しても、常に、最大の伝送効率が得られるようにすることを目的とする。

第１の発明は、共鳴による送電コイルと、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する共鳴による受電コイルと、この受電コイルから電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置とを有する電磁共鳴電力伝送装置において、送電装置は、送電コイルに、周波数可変の高周波電力を供給する給電装置と、送電コイルに対する反射特性を測定するための信号を送電コイルに出力する信号出力装置と、給電装置と送電コイルとの間に設けられ、給電装置から送電コイル側に流れる給電電力と、送電コイルから反射されて給電装置側に流れる反射電力とを分離して、反射電力のみを抽出する電力分離装置と、電力分離装置により分離された反射電力の周波数特性を検出する周波数特性検出装置と、周波数特性検出装置により検出された周波数特性から反射電力が最小となる最適送電周波数を求めて、給電装置の出力する高周波電力の周波数を、その最適送電周波数に設定する周波数制御装置とを有することを特徴とする電磁共鳴電力伝送装置である。

本発明では、送電コイルと受電コイルは、共鳴型のコイルが用いられる。共鳴特性は、２つの共鳴周波数でピークを有する双峰性の特性を有している。本方法は、このような、送電コイルから電力を送電して、受電コイルで受電して、バッテリーなどを充電する方法に用いることができる。給電装置は、１０ＭＨｚ程度の高周波信号の周波数を、可変して、発生することができる信号発生器と、この高周波信号を電力増幅する電力増幅器で構成することができる。また、商用の交流電力を直流に変換した後に、上記の高周波電力に変換するインバータで構成しても良い。電力分離装置は、方向性結合器、サーキュレータなどで構成することができる。

本発明では、送電コイルと受電コイルは、共鳴型のコイルが用いられる。共鳴特性は、２つの共鳴周波数でピークを有する双峰性の特性を有している。本方法は、このような、送電コイルから電力を送電して、受電コイルで受電して、バッテリーなどを充電する方法に用いることができる。送電コイルと受電コイルとの距離が長くなると、共鳴特性において、２つの共鳴周波数は変化し、２つの共鳴周波数は接近する。この結果、固定された送信周波数で電力を伝送すると、伝送効率が低下する。本発明による送電コイルと受電コイルとを用いた電磁共鳴伝送では、送電コイルからの放射損失は、極めて小さい。その結果、伝送効率が小さい周波数の送電電力を送電コイルに給電した場合には、送電コイルに対する反射電力が増加する。そこで、送電コイルに対する反射電力の周波数特性を検出して、その周波数特性において、反射電力が最小となる最適送電周波数が決定される。この反射電力が最小となる最適送電周波数は、伝送効率が最大となる双峰性ピークの周波数を意味する。送電コイルから送出される電力の周波数が、その最適送電周波数に一致するように、制御される。その結果、送電コイルと受電コイルと間の距離に関係なく、常に、最大の伝送効率を実現することができる。

伝送本発明において、信号出力装置は、給電装置から出力される送電電力の周波数を、順次、変化させる装置を用いることができる。この場合には、周波数を連続的に変化させて、連続周波数に関する反射電力の周波数特性を求めても良い。また、周波数を離散的に変化させて、離散的周波数に関する周波数特性を求めても良い。
また、本発明において、信号出力装置は、送電可能範囲の広帯域周波数成分を含む信号を出力する装置とし、周波数制御装置は、信号の反射電力のフーリエ変換により周波数特性を求め、反射電力が最小となる周波数を求める装置としても良い。この場合には、少なくとも測定すべき周波数範囲内の全周波数成分を含む信号、例えば、インパルスを出力したり、測定すべき周波数範囲内の離散的な周波数成分を含む波形の信号を出力するようにしても良い。この場合には、反射電力は、時間軸上の波形として得られるので、そのフーリエ変換により、連続的な周波数成分又は離散的な周波数成分を求めるようにしても良い。具体的には、ＤＦＴなどの手法を用いることができる。
また、反射特性の周波数特性を求めるための信号としては、最適送電周波数に一致させて送電する送電電力と同一レベルとしても良いが、そのレベルよりも小さい電力とすることもできる。

最適送電周波数を決定するタイミングは、任意である。送電コイルと受電コイルとの間隔が、一旦、決定されれば、送電が完了するまでその間隔が変化しない場合には、本電力の送電の開始前に、一回、行えば良い。送電コイルと受電コイルとの間隔が、送電中にも変化する場合には、送電中においても、所定時間間隔で、最適送電周波数を決定する処理及び送電電力の周波数をその最適送電周波数に一致させる処理を実行すれば良い。本発明は、電気自動車のバッテリーに充電する方法及びその装置に用いることができるが、その他、移動コンピュータのバッテリーや、その他の移動電子装置への無接触による給電装置に用いることができる。

本発明の装置によると、送電コイルと受電コイルとの位置関係や負荷変動に係わらず、伝送効率を最大状態にして、電力を送電することができる。また、本装置では、送電装置の側でのみ、伝送効率が最大となる最適送電周波数が決定されるので、装置、自体が簡単となる。

本発明の具体的な実施例１の全体構成を示した構成図。 送電装置のＣＰＵの処理手順を示したフローチャート。 反射特性と伝送効率との関係を示した特性図。 反射電力の周波数特性を示した特性図。 反射電力の周波数特性を示した特性図。 伝送効率と送電コイルと受電コイル間の距離との関係を示した特性図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の全体の構成を示している。送電側には、送電装置１が設けられている。送電装置１は、送電コイル１０を有している。この送電コイル１０は、電力増幅器２０（電力トランジスタ）から給電される給電コイル１２と、受電コイル４０と電磁界結合をする結合コイル１１とで構成されている。また、受電側は、受電コイル４０を有している。この受電コイル４０は、送電コイル１０と電磁界結合する結合コイル４１と、この結合コイル４１から受電電力を外部へ出力するための出力コイル４２とを有している。

これらの送電コイル１０と受電コイル４０とは、共鳴によるコイルである。すなわち、結合コイル１１は、結合コイル４１と磁気結合する相互インダクタンスと、漏れインダクタンスと、結合コイル１１の線間に存在する容量とによる共振回路を構成している。また、結合コイル４１は、結合コイル１１と磁気結合する相互インダクタンスと、漏れインダクタンスと、結合コイル４１の線間に存在する容量とによる共振回路を構成している。そして、結合コイル１１と結合コイル４１とが、近接場で電磁界結合した状態で、２つの共鳴周波数を有した結合特性が得られる。結合コイル１１、４１の巻数は、５．２５ターンであり、直径を６０ｃｍとした。この状態で、電磁波の放射はない。この共鳴によるコイルは、上記非特許文献１に詳しく記載されている。

送電装置１において、給電コイル１２に電力を供給する電力増幅器２０が接続されており、この電力増幅器２０には信号発生装置２１が接続され、その信号発生装置２１には送電周波数可変装置２２が接続されている。電力増幅器２０と信号発生装置２１とにより、給電装置が構成されている。そして、送電周波数可変装置２２は、ＣＰＵ２３により制御される。ＣＰＵ２３は、メモリ、入出力インターフェースとを有したマイクロコンピュータで構成されている。

サーキュレータ３０は、電力増幅器２０の出力する送電電力を給電コイル１２の方向にのみ通過させ、給電コイル１２から電力増幅器２０に向かって流れる反射電力を受信装置２４の方向にのみ通過させる装置である。サーキュレータ３０は、送電電力と反射電力とを分離する電力分離装置を構成している。サーキュレータ３０に代えて、方向性結合器を用いても良い。方向性結合器は、高周波伝送において良く知られたように、複数のトランスによる結合で構成できる。

受電側には受電装置２が配設されている。その受電装置２において、出力コイル４２から電力を入力する受電装置（電力トランジスタ）５０が接続されており、その受電装置５０には、整流回路と、その整流回路に接続されるバッテリなどで構成された負荷５１が接続されている。

次に、送電装置１のＣＰＵ２３の処理手順について、図２のフローチャートを用いて説明する。図２の処理手順は、送電のためのメインスイッチ（図示略）がオンになった時に、開始され、その後は、メインスイッチがオフとなるまで、一定の時間間隔で繰り返されるようにタイマー割込みが決定されている。ステップ１００では、送電周波数可変装置２２に対して、試験電力のための走査周波数が、所定時間間隔で出力される。この走査範囲と周波数間隔は、予め決められている。送電周波数可変装置２２は、ＬＣ共鳴回路で構成されており、容量Ｃの値が可変な装置である。信号発生装置２１は、この送電周波数可変装置２２の共鳴回路により決定された周波数の正弦波を発生する回路である。信号発生装置２１の出力は、電力増幅器２０で増幅されて、給電コイル１２に出力される。給電コイル１２に供給された電力エネルギーは、電磁結合により結合コイル１１に蓄積される。すなわち、静電磁力的電磁エネルギーが結合コイル１２に蓄積される。さらに、この電磁エネルギーは、受電コイル４０の結合コイル４１、出力コイル４２にも蓄積されることになる。そして、出力コイル４２から、受電装置５０により、受電電力が出力される。

一方、給電コイル１２からの反射電力は、サーキュレータ３０を介して、受信装置２４に入力される。その受信装置で、反射電力レベルが検出される。ステップ１０２において、反射電力レベルは、ＣＰＵ２３により読み込まれて、ステップ１００で指令した送電周波数と、反射電力レベルとの関係が、メモリに記憶される。次に、全周波数の走査が終了すると、ステップ１０４において、測定された周波数と反射電力レベルとの関係から、反射電力レベルが最小値を採る周波数を最適送電周波数として決定する。この特性は、図３の一点鎖線で示された特性となる。この特性から、反射電力レベル、すなわち、反射率が最小となる周波数が決定される。反射率が極小値をとる周波数は伝送効率が極大値をとるす２つのピークの周波数と一致する。このようにして、反射率が最小となる周波数が最適送電周波数として決定される。

次に、送電装置１のＣＰＵ２３は、ステップ１０６において、送電電力周波数可変装置２２による電力伝送の周波数が、上記のように決定された最適送電周波数に一致するように指令信号を出力する。これにより、本電力の送信周波数は、最適送電周波数となる。そして、この周波数の交流電力が送電コイル１０に供給されて、最大伝送効率により、電磁共鳴により、受電コイル４０に電力が伝送される。

送電コイル１０と受電コイル４０間の伝送効率は、図５のように、送電コイル１０と受電コイル４０間の距離が長くなるにしたがって、電力ピークを与える２つの周波数が接近する。このような場合においても、本実施例では、常に、反射電力が最小となる最適送電周波数を検出して、その周波数で送電するようにしているので、送電コイル１０と受電コイル４０との間の距離に係わらず、常に、最大電力伝送効率が実現される。

本実施例では、所定時間間隔で、周波数走査を繰り返して実行して、新たに検出される最適送電周波数で、本電力伝送の周波数を決定しているので、負荷５１の負荷状態が変化しても、その負荷状態に係わらず、最大電力伝送効率を実現できる。上記実施例では、周波数の走査を、所定時間間隔で実施しているが、送電装置１のメインスイッチがオンされた時にのみ、実行するようにしても良い。

本実施例は、実施例１の周波数走査に換えて、パルス電力を伝送させる。すなわち、実施例１の走査周波数範囲のスペクトルを有する電力を送電装置１から出力する。そして、その信号の反射信号が受信装置２４によりサンプリングされる。ＣＰＵ２３は、この時間特性をフーリエ変換して、図４．Ａの反射率の周波数特性を演算により求める。そして、その周波数特性から反射率が最小となる最適送電周波数を求める。そして、その最適送電周波数を送電周波数可変装置２２に設定する。このようにしても、最適送電周波数を決定することができる。反射率の極小値は、図４．Ｂのように周波数間隔と反射率の差分との比、すなわち、微分係数を演算することで求められる。

実施例１では、正弦波電力の送電周波数を離散的に変化させたが、これを連続的に変化させても良い。すなわち、三角波で周波数を変調した周波数変調信号を出力することになる。受信装置２４では、周波数が連続的変換する信号を受信して、周波数復調すれば、反射電力の周波数特性が得られる。
また、上記実施例では送電コイルと受電コイルの対を１対設けたが、複数の共鳴コイル対を設けて、伝送効率が３つ以上の峰を有している場合にも、当然に、適用できる。
全実施例において、最大電力周波数を決定する信号のレベルは、本電力よりも低い電力でも、本電力と同一レベルであっも良い。伝送効率の周波数特性に、非線形性がなければ、低いレベルの信号で反射電力の周波数特性を測定すれば充分である。全実施例において、１０ＭＨｚを電力伝送に用いているが、この周波数は、１〜１００ＭＨｚ、５〜５０ＭＨｚの範囲を用いることができる。なお、数１００ｋＨｚ帯域でも用いることがてきるが、自己インダクンスを大きくとることができないので、送電コイル１０と受電コイル４０の間の距離を長くとっても、高い伝送効率を維持するには、上記のＭＨｚ帯域の周波数を用いるのが良い。

信号出力装置は、実施例では、送電周波数可変装置２２、信号発生装置２１、電力増幅器２０、ＣＰＵ２３、ＣＰＵ２３の処理ステップ１００で実現されている。周波数特性検出装置は、実施例では、受信装置２４、ＣＰＵ２３、ＣＰＵ２３の処理手順のステップ１０２で実現されている。周波数制御装置は、ＣＰＵ２３、ＣＰＵ２３の処理ステップ１０４、１０６により実現されている。

本発明は、電気自動車や電子機器などのバッテリへの給電を非接触で行う装置に用いることができる。

１…送電装置
２…受電装置
１０…送電コイル
１１，４１…結合コイル
１２…給電コイル
４１…出力コイル
１１，４１…結合コイル

Claims (4)

1. 共鳴による送電コイルと、この送電コイルに送電電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する共鳴による受電コイルと、この受電コイルから電力を入力して負荷に電力を供給する受電装置とを有する電磁共鳴電力伝送装置において、
   前記送電装置は、
   前記送電コイルに、周波数可変の高周波電力を供給する給電装置と、
   前記送電コイルに対する反射特性を測定するための信号を前記送電コイルに出力する信号出力装置と、
   前記給電装置と前記送電コイルとの間に設けられ、前記給電装置から前記送電コイル側に流れる給電電力と、前記送電コイルから反射されて前記給電装置側に流れる反射電力とを分離して、反射電力のみを抽出する電力分離装置と、
   前記電力分離装置により分離された反射電力の周波数特性を検出する周波数特性検出装置と、
   前記周波数特性検出装置により検出された周波数特性から反射電力が最小となる最適送電周波数を求めて、前記給電装置の出力する高周波電力の周波数を、その最適送電周波数に設定する周波数制御装置と
   を有することを特徴とする電磁共鳴電力伝送装置。
2. 前記信号出力装置は、前記給電装置から出力される送電電力の周波数を、順次、変化させる装置であることを特徴とする請求項１に記載の電磁共鳴電力伝送装置。
3. 前記信号出力装置は、送電可能範囲の広帯域周波数成分を含む信号を出力する装置であり、
   前記周波数制御装置は、前記信号の反射電力のフーリエ変換により前記周波数特性を求め、前記反射電力が最小となる周波数を求める装置である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁共鳴電力伝送装置。
4. 前記周波数特性を求めるための前記信号の電力は、前記最適送電周波数に一致させて送電する送電電力よりも、小さい電力であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電磁共鳴電力伝送装置。

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