JP2012034447A - 電界結合非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】給電領域2に配置された給電部4と、被給電領域3に配置されて負荷8に電力を供給するための被給電部5とを有し、給電部4は、電源部11と、アクティブキャパシタ21と、アクティブキャパシタ制御部25と、給電領域2と被給電領域3との境界部6を構成する結合コンデンサ31,32とを備えている。アクティブキャパシタ21は、結合コンデンサ31,32のいずれかに直列接続されており、アクティブキャパシタ制御部25によりアクティブキャパシタ21の直流電圧Vcjの位相が電源部11の直流電圧Vsの位相から遅れるように(例えば90°)制御されている。
【選択図】図1
Description
本発明に係る電界結合非接触給電システム(以下「非接触給電システム」と略すことがある。)1は、図1に示すように、給電領域2に配置された給電部4と、被給電領域3に配置されて負荷8に電力を供給するための被給電部5とを有し、給電部4から被給電部5を介して負荷8に電力を供給するためのシステムである。給電領域2や被給電領域3の具体的構成は任意であり、例えば、一般住宅の内部空間やオフィスビル等の建屋の内部空間、電車や飛行機等の乗り物の内部空間、又は、屋外空間等を挙げることができる。
給電部4は、給電領域2に配置されるものであって、給電部内に電源部11を備えたもの(図1参照)であってもよいし、給電部外の電源部から電力が供給されるもの(図示しない)であってもよい。この給電部4は、恒久的に移動不能な固定体であってもよいし、移動可能な移動体であってもよい。また、不使用時には給電領域2から取り外すことができたり、給電領域内の任意の位置に移設可能なものであってもよい。
被給電部5は、被給電領域3に固定的に配置して使用されるもの(静止体)であってもよいし、被給電領域3で移動するもの(可動体又は移動体ということもできる。)であってもよい。この被給電部5の機能や具体的構成は特に限定されないが、例えば静止体としては、設置箇所が固定されて通常は移動しない家電やデスクトップ型のコンピュータ等や、移動可能であるが充電時にはその場に置いて移動しない携帯電話、ノートパソコン、ポータブルオーディオプレイヤー、コードレス掃除機等を挙げることができる。また、可動体又は移動体としては、搬送ロボット等の移動ロボットや電気自動車等を挙げることができる。
給電領域2と被給電領域3とを区画する部位を「境界部6」(境界面ということもある。)という。例えば、被給電領域3を建屋の居室とすると共に、給電領域2を居室の床部又は壁部とした場合、床面又は壁面が境界部になる。この境界部6は、図1に示すように、第1結合コンデンサ31と第2結合コンデンサ32とから構成される。第1結合コンデンサ31は、第1送電電極33と、第1送電電極33に対向配置した第1受電電極35及び第2受電電極36のいずれか一方とで構成されている。同様に、第2結合コンデンサ32は、第2送電電極34と、第2送電電極34に対向配置した第1受電電極35及び第2受電電極36のいずれか他方とで構成されている。
負荷8は、被給電部5を介して供給された電力にて駆動し、所定機能を発揮するものである。例えば、被給電部5が携帯電話、ノートパソコン、ポータブルオーディオプレイヤー、コードレス掃除機等である場合には、その充電池(二次電池)が該当する。また、被給電部5が家電やデスクトップ型のコンピュータ等である場合には、内蔵された駆動電源ユニット等が該当する。また、被給電部5が搬送ロボット等の移動ロボットや電気自動車等である場合には、ロボット等に内蔵されたモータや制御ユニットが該当する。この他、負荷8の具体的構成は任意であり、例えば、被給電部5の外部の機器との相互間で通信信号の送受を無線又は有線にて行う通信機器、各種情報に関する情報処理を行なう情報処理機器等を挙げることができる。
最初に、アクティブキャパシタ21を接続しない非接触給電システム101の回路構成(図16参照)について説明し、その後に、本発明に係る非接触給電システム1Aの回路構成(図2参照)について説明する。
図16は、アクティブキャパシタを接続しない回路で構成された非接触給電システム101の例である。この回路では、電源部111のインバータにより、高周波の方形波電圧Vsを出力し、非接触の接合部(接合コンデンサ131,132)のキャパシタCjの電界を媒介としてエネルギーを被給電部105に伝送し、その被給電部105が備えるチョークインプット整流回路で整流され、負荷108に直流電流Iloadを給電する。チョークインプット整流回路には、デットタイムの影響を考え、電流環流用のダイオードDfを接続している。
図2は、アクティブキャパシタ21を1つ備えた本発明に係る非接触給電システム1Aを示す構成図である。アクティブキャパシタ21は、第1結合コンデンサ31に直列接続されている。そして、アクティブキャパシタ21は、図3(A)(B)に示すように、アクティブキャパシタ制御部25(図1参照)により、アクティブキャパシタ21の直流電圧Vaccの位相(図3(B)参照)が、電源部11から出力された直流方形波電圧Vsの位相(図3(A)参照)から例えば90°遅れるように制御されている。なお、こうした制御は、アクティブキャパシタ21を負のキャパシタンスとして動作させる。
図4は、図2に示すアクティブキャパシタ21を構成する直流電源22をキャパシタ24に置き換えて構成した回路である。図2に示すアクティブキャパシタ21はキャパシタとして動作しているため、直流電源22をキャパシタ24で置き換えることができるのである(図5参照)。
実際の回路には各部の損失が存在する。そのため、キャパシタ24の容量Csの電圧Vcsが変動することが考えられる。また、初期充電の必要もある。しかし、図3に示す本発明に係る回路は、自動的に容量Csの電圧Vcsが電源電圧Vsと同等まで初期充電され、そのまま維持されるという好ましい特性がある。
図9は、本発明に係る非接触給電システム1Cのさらに他の一例を示す構成図である。また、図10は図9に示す電界結合非接触給電システム1Cの位相特性であり、図11は図9に示す電界結合非接触給電システム1Cの各部の電圧波形と電流波形である。図9の回路は、図2に示すアクティブキャパシタ(21A)にさらに直列にもう1つのアクティブキャパシタ(21B)を繋いだ回路である。電源電圧Vsと各アクティブキャパシタ21A,21BのVC1及びVC2とのスイッチングのタイミングは、図11(A)〜(C)となるようにスイッチングを行うことができる。こうしたスイッチングパターンは任意に設定可能である。
図12は、4つのアクティブキャパシタを直列接続したアクティブキャパシタを用いた場合のスイッチング波形の一例である。上記したように、アクティブキャパシタ21の数が増えると、スイッチングパターンが特殊になる。その理由は、平均電力が零にならなければいけないからである。そこで、アクティブキャパシタの平均電力が零になるようなスイッチングパターンを選定することになる。
図13は、実験に用いた回路の構成図であり、図14は、図13の回路からアクティブキャパシタを外した回路で得られた実験波形であり、図15は、図13の回路で得られた実験波形である。図14と図15を比較してわかるように、アクティブキャパシタ21を接続することで、一周期における電流導通回数は増加しており、負荷電流Iloadも増加していることがわかり、アクティブキャパシタを設けることによる伝送効率の向上を確認できた。
2 給電領域
3 被給電領域
4 給電部
5 被給電部
6 境界部
8 負荷
11 電源部
21 アクティブキャパシタ
24 キャパシタ
25 アクティブキャパシタ制御部
31 第1結合コンデンサ
32 第2結合コンデンサ
33 第1送電電極
34 第2送電電極
35 第1受電電極
36 第2受電電極
Vcs アクティブキャパシタを構成するキャパシタンスCの容量Csにおける電圧
Vs 電源部のインバータ電圧(直流電圧)
V1 合成電圧
Icj アクティブキャパシタの電流
102 給電領域
103 被給電領域
104 給電部
105 被給電部
106 境界部
108 負荷
111 電源部
112 直流電源
131,132 接合コンデンサ
Claims (4)
- 給電領域に配置された給電部と、被給電領域に配置されて負荷に電力を供給するための被給電部とを有し、
前記給電部は、電源部と、アクティブキャパシタと、当該アクティブキャパシタを制御するアクティブキャパシタ制御部と、前記給電領域と前記被給電領域との境界部の当該給電領域側に配置されて、前記電源部から電力の供給を受ける第1送電電極及び第2送電電極とを備え、
前記被給電部は、前記第1送電電極及び前記第2送電電極に対して前記境界部を挟んで非接触態様で対向配置される第1受電電極及び第2の受電電極を備え、
前記第1送電電極と、当該第1送電電極に対向配置した前記第1受電電極及び第2受電電極のいずれか一方とで第1結合コンデンサが構成され、前記第2送電電極と、当該第2送電電極に対向配置した前記第1受電電極及び第2受電電極のいずれか他方とで第2結合コンデンサが構成され、
前記アクティブキャパシタは、前記第1結合コンデンサ及び前記第2結合コンデンサのいずれか一方に直列接続されており、前記アクティブキャパシタ制御部により当該アクティブキャパシタの直流電圧Vcjの位相が前記電源部の直流電圧Vsの位相から遅れるように制御され、前記アクティブキャパシタが負のキャパシタンスとして動作する、ことを特徴とする電界結合非接触給電システム。 - 前記アクティブキャパシタがキャパシタを備えている、請求項1に記載の電界結合非接触給電システム。
- 前記アクティブキャパシタが直流電源を備えている、請求項1に記載の電界結合非接触給電システム。
- 前記アクティブキャパシタを1又は2以上直列接続する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電界結合非接触給電システム。
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