JP2012023930A

JP2012023930A - 電力伝送システム

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Publication number: JP2012023930A
Application number: JP2010161827A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamakawa; 博幸山川; Naoki Ushiki; 直樹牛来; Yasuo Ito; 泰雄伊藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】フルブリッジ方式のインバーター回路によって効率的に共鳴コイルに電力を入力可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明は、他のコイルと電磁場を介して共鳴することにより前記コイルへ送電するか、又は前記コイルから受電する共鳴コイルが用いられる電力伝送システムであって、開放端を有する第１コイル部１１０と、開放端を有する第２コイル部１２０と、前記第１コイル部１１０の一端に設けられた第１タップ部１５１と、前記第２コイル部１２０の一端に設けられた第２タップ部１５２と、前記第１タップ部１５１と前記第２タップ部１５２との間に設けられた第３コイル部１３０と、を有する共鳴コイル１００と、前記第１タップ部と前記第２タップ部に電力を給電するフルブリッジ方式のインバーター回路４０と、からなることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気共鳴方式の共鳴コイルが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電用共鳴コイルの共振周波数と、受電用共鳴コイルの共振周波数とを同一とすることで、送電用共鳴コイルから受電用共鳴コイルに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

図７は従来のワイヤレス電力伝送システムの構成例を示す図である。図７に示す電力伝送システムの概略について説明する。フルブリッジ方式のインバーター回路４０は、電源１０からの電源を得て、伝送用の交流電力を生成する。この交流電力は電力伝送路５０を介して送電用共鳴コイル２００に供給される。図７に示すように送電用共鳴コイル２００は、電力が供給される一端部と開放端部を有するヘリカルコイルのペアから構成されている。

送電用共鳴コイル２００と対称の関係を有する受電用共鳴コイル２００’は、磁気共鳴により送電用共鳴コイル２００からの電力を受電する。受電された電力は電力伝送路５０を介してインピーダンス整合器６０を経て、整流器７０で整流され負荷８０に供給される。
特表２００９−５０１５１０号公報

ところで、前述した従来の電力伝送システムで用いられる共鳴コイル２００、２００’のような構成のコイルは、フルブリッジ方式のインバーター回路４０で生成された交流電力を共鳴コイル２００に効率的に入力することができない、という問題があった。これに対応するために、図７におけるＰ−Ｐ’にインピーダンス整合用の回路を介挿することが考えられるが、このような構成をとるとコスト上昇の要因となり問題であった。

上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、電磁場を介して共鳴することにより電気エネルギーを送受信する共鳴コイルが用いられる電力伝送システムであって、開放端を有する第１コイル部と、開放端を有する第２コイル部と、前記第１コイル部の一端に設けられた第１タップ部と、前記第２コイル部の一端に設けられた第２タップ部と、前記第１タップ部と前記第２タップ部との間に設けられた第３コイル部と、を有する共鳴コイルと、前記第１タップ部と前記第２タップ部に電力を給電するフルブリッジ方式のインバーター回路と、からなることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムによれば、インピーダンス整合用の回路などを用いることなく、フルブリッジ方式のインバーター回路によって、効率的に共鳴コイルに電力を入力することができ、コストをかけることなく、効率的なワイヤレス電力伝送を達成することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力伝送システムのブロック構成の概略を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力伝送システムの応用例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電力伝送システムで用いられる共鳴コイルの構成を説明する図である。本発明の実施の形態に係る電力伝送システムで用いられる共鳴コイルの等価回路を示す図である。本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの変形例の構成を説明する図である。本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムで用いる共鳴コイル１００の構成を説明する図である。従来のワイヤレス電力伝送システムの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る電力伝送システムのブロック構成の概略を示す図であり、図２は本発明の実施の形態に係る電力伝送システムの応用例を示す図である。

本発明の電力伝送システムは、例えば図２に示すような電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への給電のためのシステムに用いるのに好適であるが、その他のシステムにおける電力伝送にももちろん用いることが可能である。

図２に示す電力伝送システムの応用例では、地面部分に送電用の共鳴コイル１００を設けておき、ＥＶやＨＥＶなどの車両側に設けられた受電用の共鳴コイル１００’を設けるようにしておく。車両側への給電を行う際には、車両は共鳴コイル１００の中心軸と共鳴コイル１００’の中心軸とが略重なるように車両位置を調整して、共鳴コイル１００から共鳴コイル１００’を介して電力を受電して不図示の車両搭載の蓄電装置などに蓄電するように構成することが好ましい。

図１は共鳴コイルが適用された一般的な電力伝送システムのブロック構成であるが、このようなシステムにおける負荷６０の部分を、蓄電装置にすることにより上記したような車両用給電システムとして用いることが可能となる。次に、図１に示す電力伝送システムについて説明する。フルブリッジ方式のインバーター回路４０においては、電源１０からの電力を得て、伝送用の交流電力に変換される。

フルブリッジ方式のインバーター回路４０は、Ｎチャンネル型のＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子４１乃至４４から構成されており、ぞれぞれのスイッチング素子４１乃至４４は不図示の制御部でそれぞれのオン、オフが制御されるようになっている。なお、スイッチング素子４１乃至４４としては、その他の自己消弧型の半導体素子を用いることも可能である。

フルブリッジ方式のインバーター回路４０は、概略、スイッチング素子４１とスイッチング素子４４がオンであるとき、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３がオフとされ、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３がオンであるとき、スイッチング素
子４１とスイッチング素子４４がオフとされるように制御されることで、伝送用の交流電力を生成する。

なお、本実施形態においては、このフルブリッジ方式のインバーター回路４０で生成される交流電力の周波数の範囲は３００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚであることが望ましい。

フルブリッジ方式のインバーター回路４０によって変換された交流電力は、フィーダー線などの電力伝送路５０を介して送電用の共鳴コイル１００に供給される。図１に示すように送電用の共鳴コイル１００は、２つの開放端部を有するヘリカルコイルに給電タップが設けられた構造となっている。

上記の送電用の共鳴コイル１００と対称の関係を有する受電用の共鳴コイル１００’は、磁気共鳴方式により共鳴コイル１００からの電力を受電する。共鳴コイル１００’で受電された電力は電力伝送路５０を介してインピーダンス整合器６０を経て、整流器７０で整流され負荷８０に供給されるようになっている。

なお、本実施形態に係る共鳴コイル１００は、平衡回路、不平衡回路のいずれにも利用することが可能である。すなわち、図１に示す回路構成にバランなどの平衡−不平衡変換器を適宜利用することも可能である。

次に、本実施形態に係る共鳴コイルについてより詳しく説明する。図３は本発明の実施の形態に係る共鳴コイルの構成を説明する図である。なお、以下、共鳴コイル１００と共鳴コイル１００’とは対称関係であることを除いて構成に特段の相違がないので、共鳴コイル１００を例として説明する。

共鳴コイル１００は、第１開放端１４１から第１タップ１５１までの第１コイル部１１０と、第２タップ１５２から第２開放端１４２までの第２コイル部１２０と、第１タップ１５１から第２タップ１５２までの第３コイル部１３０の３つのコイル部とから構成されている。第１コイル部１１０、第２コイル部１２０、第３コイル部１３０を構成する導電材料としてはリッツ線などを用いることが可能である。第１タップ１５１においては、第１コイル部１１０と第３コイル部１３０の一端とが、また、第２タップ１５２においては、第２コイル部１２０と第３コイル部１３０の他端とが、それぞれ接続されるようになっている。

第１タップ１５１と第２タップ１５２には電力伝送路５０が接続され、これら第１タップ１５１と第２タップ１５２に対し電力を供給したり、第１タップ１５１と第２タップ１５２から受電した電力を取り出したりするようになっている。

また、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間に設けられる第３コイル部１３０は、所望とする電気的特性に応じて、適宜選択可能に構成されている。このような構成であるために、本実施形態に係る共鳴コイル１００が用いられた電力伝送システムによれば、インピーダンス整合用の回路などを用いることなく、フルブリッジ方式のインバーター回路４０によって、効率的に共鳴コイル１００に電力を入力することができ、コストをかけることなく、効率的なワイヤレス電力伝送を達成することが可能となる。

なお、第１タップ１５１と第２タップ１５２の中点は常時電圧がゼロとなる点であるため図５に示すように接地してもかまわない。

図３（Ａ）は第１タップ１５１と第２タップ１５２との間に設けられる第３コイル部１３０として１ターン分のコイルが選択されている場合を示しており、図３（Ｂ）は第１タ
ップ１５１と第２タップ１５２との間に設けられる第３コイル部１３１として３ターン分のコイルが選択されている場合を示している。本実施形態に係る共鳴コイルは、このように第３コイル部を選択するのみで、その電気的特性の変更を容易に行うことが可能となる。

なお、フィーダー線などの電力伝送路５０から共鳴コイル１００への給電や、共鳴コイル１００からの受電を行う上では、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間は、コイル部１１０の１ターンの整数倍であることが望ましい。

図３に示すように第３コイル部を選択することで、それぞれの等価回路を図４に示すように変更することが可能となる。図４は本発明の実施の形態に係る電力伝送システムで用いられる共鳴コイルの等価回路を示す図であり、図４（Ａ）は図３（Ａ）に対応する等価回路であり、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応する等価回路である。

図３（Ａ）における第１コイル部１１０と、第２コイル部１２０とが形成する等価回路が並列接続されたＬ₁₁とＣ₁₁であり、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間の第３コイル部１３０が形成する等価回路が並列接続されたＬ₂₁である。

一方、図３（Ｂ）における第１コイル部１１０と、第２コイル部１２０とが形成する等価回路が並列接続されたＬ₁₁とＣ₁₁であり、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間の第３コイル部１３１が形成する等価回路が並列接続されたＬ₂₂である。

なお、いずれの等価回路においても、Ｃ成分はコイル線間の浮游容量である。また、図４において描かれている回路素子の大きさはインダクタンス値や容量値に概略比例するものである。

また、図４（Ａ）が図３（Ａ）に対応する等価回路であり、図４（Ｂ）が図３（Ｂ）に対応する等価回路であることは、インピーダンス特性を解析することによって得られた知見である。

図３及び図４からもわかるように、例えば第３コイル部を図３（Ａ）から図３（Ｂ）に変更することによって、Ｌ₁₁とＣ₁₁とを変更することなく、Ｌ₂₁をそれより大きなＬ₂₂に変更することが可能とる。

以上のような共鳴コイル１００を用いることで、共鳴コイル１００自体のインピーダンスを予め、フルブリッジ方式のインバーター回路４０で変換された電力が投入されやすいように調整しておくことが可能となる。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、インピーダンス整合用の回路などを別途用意する必要がなく、フルブリッジ方式のインバーター回路４０によって、効率的に共鳴コイル１００に電力を入力することができ、コストをかけることなく、効率的なワイヤレス電力伝送を達成することが可能となる。

なお、本発明に係る電力伝送システムで用いられる共鳴コイル１００は、第３コイル部１３０を適宜選択することによって、種々の電気的特性を変更するものであるが、これは車両に受電用の共鳴コイル１００’を搭載する際に非常に好適である。なぜならば、一般的に車種の違いに伴う車高の違いにより、共鳴コイル１００’を収容するスペースは異なってくるが、本発明によれば、車種に応じて第３コイル部１３０を適宜選択することで、この収容スペースの違いに対応することが可能となるからである。

次に、本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムについて説明する。図６は本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムで用いる共鳴コイル１００の構成を説明する図で
ある。これまで説明してきた電力伝送システムで用いる共鳴コイル１００は、一方向に伸びる仮想のコイル軸を中心として螺旋状に巻かれた形状のコイルであったが、他の実施形態に係る共鳴コイル１００は、所定の平面Ｐ内に渦巻き状に巻かれた形状をなしている。

他の実施形態に係る電力伝送システムで用いる共鳴コイル１００は、渦巻き最内周側の第１開放端１４１から第１タップ１５１までの第１コイル部１１０と、第２タップ１５２から渦巻き最外周側の第２開放端１４２までの第２コイル部１２０と、第１タップ１５１から第２タップ１５２までの第３コイル部１３６（実線のコイル）の３つのコイル部とから構成されている。

第１コイル部１１０、第２コイル部１２０、第３コイル部１３６は全て平面Ｐ内に構成される渦巻き状コイルであり、これらのコイルを構成する導電材料としては、例えばリッツ線などを用いることが可能である。第１タップ１５１においては、第１コイル部１１０と第３コイル部１３６の一端とが、また、第２タップ１５２においては、第２コイル部１２０と第３コイル部１３６の他端とが、それぞれ接続されるようになっている。また、第１コイル部１１０と第２コイル部１２０とは略同じ長さのコイル長となるように形成されるようになっている。

また、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間に設けられる第３コイル部１３６は、所望とする電気的特性に応じて、適宜選択可能に構成されている。すなわち、第１タップ１５１と第２タップ１５２との間に配するコイルとしては、第３コイル部１３６（実線のコイル）のコイルに代えて、第３コイル部１３７（一点鎖線のコイル）とすることもできる。

なお、フィーダー線などの電力伝送路５０から共鳴コイル１００への給電や、共鳴コイル１００からの受電を行う上では、第１タップ１５１と第２タップ１５２とは、渦巻きの形状のコイルの径方向において近接していることが望ましい。

他の実施形態に係る共鳴コイル１００を用いた電力伝送システムによっても、これまで説明した実施形態と同様の効果を享受することが可能となる。

１０・・・電源、４０・・・インバーター回路、４１、４２、４３、４４・・・スイッチング素子、５０・・・電力伝送線路、６０・・・インピーダンス整合器、７０・・・整流器、８０・・・負荷、１００、１００’・・・共鳴コイル、１１０・・・第１コイル部、１２０・・・第２コイル部、１３０、１３６、１３７・・・第３コイル部、１４１・・・第１開放端、１４２・・・第２開放端、１５１・・・第１タップ、１５２・・・第２タップ

Claims

電磁場を介して共鳴することにより電気エネルギーを送受信する共鳴コイルが用いられる電力伝送システムであって、
開放端を有する第１コイル部と、
開放端を有する第２コイル部と、
前記第１コイル部の一端に設けられた第１タップ部と、
前記第２コイル部の一端に設けられた第２タップ部と、
前記第１タップ部と前記第２タップ部との間に設けられた第３コイル部と、を有する共鳴コイルと、
前記第１タップ部と前記第２タップ部に電力を給電するフルブリッジ方式のインバーター回路と、からなることを特徴とする電力伝送システム。