JP2012120288A - 非接触給電装置のインピーダンス整合方法とそれを用いた非接触給電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
交流電源から負荷に電力を伝送する非接触給電装置において、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの共鳴周波数を交流電源の出力周波数foに略一致させて、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間に電磁界結合による電磁界共鳴を引き起こし、交流電源が前記送電整合回路に入力した交流電力を、コイル間の電磁界共鳴により前記受電用共鳴コイルに伝送して、負荷へ出力する電磁界共鳴方式の非接触給電装置のインピーダンス整合方法であって、更に、非共鳴状態に送電部が持つ入力抵抗Rtiと、非共鳴状態で受電部が持つ入力抵抗Rriと、送電部と受電部の結合による相互インダクタンスMとの3要素の中で2要素を調整して、共鳴状態における非接触給電装置のインピーダンスを整合する。
【選択図】図7
Description
交流電気回路において、出力側の出力インピーダンスZoと入力側の入力インピーダンスZiが互いに複素共役の関係にある時に出力側から入力側に伝達される電力が最大になることが、最大電力伝達定理として知られている。ZoとZiを複素共役に合わせる操作をインピーダンス整合と言う。インピーダンス整合は、例えば、複数のコンデンサからなる整合回路を出力側と入力側の間に配置して、コンデンサの容量を調整することで行われる。共鳴型非接触給電においても、高い送電効率を得るためには、電源と送電部の間でのインピーダンス整合と、受電部と負荷の間のインピーダンス整合が必要である。
すなわち、交流電源から負荷に電力を伝送する非接触給電装置において、交流電源の出力に接続される送電整合回路と、送電整合回路の出力に接続された送電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルの出力に接続された受電整合回路と、を備え、前記送電用共鳴コイルの共鳴周波数を交流電源の出力周波数foに略一致させて、更に前記受電用共鳴コイルの共鳴周波数を前記送電用共鳴コイルの共鳴周波数と略一致させて、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間に電磁界結合による電磁界共鳴を引き起こし、交流電源が前記送電整合回路に入力した交流電力を、コイル間の電磁界共鳴により前記受電用共鳴コイルに伝送して、前記受電整合回路から負荷へ出力する電磁界共鳴方式の非接触給電装置のインピーダンス整合方法であって、更に、非共鳴状態で送電部が持つ入力抵抗Rtiと、非共鳴状態で受電部が持つ入力抵抗Rriと、送電部と受電部の結合による相互インダクタンスMとの3要素の中で2要素を調整して、共鳴状態における非接触給電装置のインピーダンスを整合することを特徴とする。
(非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第1実施形態)
本発明は電磁界共鳴現象を利用した非接触給電装置のインピーダンス整合方法に大きな特徴があるが、まず、電磁界共鳴現象を利用した非接触給電装置の構成を先に説明し、その後に、当該の非接触給電装置を用いたインピーダンス整合方法について述べる。
なお、以下は非接触給電装置を用いたインピーダンス整合方法の説明が主たる目的であるが、それを実現する非接触給電装置の構成の説明も兼ねる。
図1は、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第1実施形態を適用する電磁界共鳴型の非接触給電装置10の構成を示すブロック図である。
図1において、非接触給電装置10は、送電部11と受電部12からなる。送電部11の入力端子は交流電源13に接続され、受電部12の出力端子は負荷14に接続される。
非接触給電装置10における送電部11と受電部12との間には、電磁界共鳴現象を利用した非接触給電方法を用いる。
まず、送電部11と受電部12との間で、インピーダンスの整合をとるが、この際、交流電源13の周波数foにおいて、送電部11、受電部12、負荷14のインピーダンス整合を行う。
また、交流電源13の出力インピーダンス、送電部11の入出力インピーダンス、受電部12の入出力インピーダンス、負荷14の入力インピーダンスはすべて、実質的に実数成分のみを持つように調整する。
その後、送電部11の出力インピーダンス、受電部12の入力インピーダンスの実数成分を、送電部と受電部との結合による相互インダクタンスMとの関連とともに、調整し、最大の送電効率となるように選択して、インピーダンス整合を行う。
図1の非接触給電装置10は以上のインピーダンス整合方法に適した構成をしている。
交流電源13はfoの周波数を持つ交流電力を送電部11に供給する。周波数foは、産業・科学・医療目的に使用できるISM(Industrial, Scientific, and Medical)帯域に属する周波数であり、例えば、13.56MHz±7KHzに属する。
周波数foは回路構成を簡単にするため固定周波数にすることが望ましいが、後述する送電効率の最適化のためにISM帯域の中で可変にしてもよい。交流電源13の周波数foにおける出力インピーダンスZs(fo)は、jを虚数単位として、
Zs=Rs+jXs
と、実数成分Rsと虚数成分Xsで表した際に、前記した理由から、実質的に実数成分Rsのみを持つようにする。虚数成分Xsは完全に0ではないにしても、その絶対値|Xs|がRsより十分小さい値、例えばRs/10以下であればよい。実数成分Rsの値は、交流電源13の効率を考慮して選定すればよいが、以下における実施形態では高周波分野で広く使われる50Ωを用いて説明する。
負荷14は前記周波数foを有する電力を消費する負荷、あるいは負荷に相当する回路、装置である。例えば、整流回路を介して接続される2次電池である。また、整流回路を介さず周波数foの電力をそのまま利用する負荷もある。例えば、プラズマ発生装置や高周波誘導加熱装置などである。
非接触給電装置10から負荷14に電力を供給する際には、負荷14が前記したようないずれの種類でも、周波数foにおける負荷の入力インピーダンスZl(fo)は、
Zl=Rl+jXl
と、実数成分Rlと虚数成分Xlで表した際に、前記した理由から、実質的に実数成分Rlのみを持つようにする。虚数成分Xlは完全に0ではないにしても、その絶対値|Xl|がRlより十分小さい値、例えばRl/10以下であればよい。Rlの値は、負荷の種類により異なるが、以下実施形態では高周波分野で広く使われる50Ωを用いて説明する。
送電部11の構成を説明する。送電部11は、送電整合用切替部111と、送電整合用方向性結合器112と、送電整合回路113と、送電制御部114と、送電計測部115と、整合用交流信号出力部116と、送電用共鳴コイル117と、送電通信部118と、送電記憶部119を備えている。
送電整合用切替部111は2つの入力端子と1つの出力端子を有する。送電整合用切替部111の第1の入力端子は交流電源13に接続され、第2の入力端子は送電整合用方向性結合器112に接続され、出力端子は送電整合回路113に接続される。
送電制御部114は、送電整合用切替部111を制御し、送電時には交流電源13と送電整合回路113を接続させ、インピーダンス整合時には送電整合用方向性結合器112と送電整合回路113を接続させる。
送電整合回路113は、2つ以上の可変素子を含み、可変素子の値は送電制御部114により設定される。送電整合回路113の出力端子は送電用共鳴コイル117に接続される。
送電記憶部119は、送電部の非共鳴状態における入力インピーダンスZtiと送電整合回路113の可変素子値との対応関係を記憶する。
送電制御部114は、送電記憶部119に記憶されたデータを利用して、後述の固有整合(intrinsic match)を行う。固有整合の内容はインピーダンス整合方法の説明で更に詳しく述べる。
受電部12の構成を説明する。受電部12は、受電用共鳴コイル121と、受電整合回路122と、受電整合用切替部123と、受電計測部124と、受電制御部125と、受電通信部126と、受電記憶部127を含む。
受電用共鳴コイル121の出力端子は受電整合回路122に接続され、受電整合回路122の出力は受電整合用切替部123に接続される。
受電整合回路122は2つ以上の可変素子を含み、可変素子の値は受電制御部125により設定される。
受電整合用切替部123は2つの出力端子を有し、第1出力端子は負荷14に接続され、第2出力端子は受電計測部124に接続される。
受電通信部126は、受電制御部125が外部装置、特に、送電部11と通信を行うための部品である。
受電記憶部127は、受電部の非共鳴状態における入力インピーダンスZriと受電整合回路122の可変素子値との対応関係を記憶する。
受電制御部125は、受電記憶部127に記憶されたデータを利用して、固有整合を行う。固有整合の内容はインピーダンス整合方法の説明で更に詳しく述する。
インピーダンス整合時に、送電部11と受電部12は、送電効率が最大になるように送電整合回路113と受電整合回路122を調整する。送電効率を計測するために、以下の動作を行う。
送電制御部114は、交流電源13の出力を停止させ、送電整合用切替部111の第2入力端子を出力端子と接続させ、整合用交流信号出力部116の出力を開始させ、整合用交流信号出力部116の出力信号を送電整合用方向性結合器112と送電整合用切替部111を通って送電整合回路113に送り、送電計測部115が検出した送電整合回路113からの反射信号の電圧または電流または電力を読み取る。
送電制御部114または受電制御部125が、整合用交流信号出力部116の出力電力と受電計測部124の測定値から求めた受電電力の比を求めて、その比に100を乗算した値を送電効率とする。
送電制御部114または受電制御部125は、また送電計測部115の測定値から反射電力を求め、更に前記出力電力から前記受電電力と反射電力の和を減算して、損失電力を求める。特に、後述の方法でインピーダンス整合を行った後の反射電力と損失電力の値は、非接触給電装置1の電気回路の正常動作を確認するデータとして利用できる。
また、損失電力を無視し、前記出力電力と反射電力の差を受電電力と近似して、反射電力のみを計測する構成も可能である。
これらの構成は、回路動作の確認機能を省略する代わりに回路規模を小さくできる利点がある。
第1実施形態の固有整合によるインピーダンス整合方法を説明する。
本実施形態の非接触給電において、前記したように、まず、送電部11と受電部12との間で、インピーダンスの整合をとるが、この際、交流電源13の周波数foにおいて、送電部11、受電部12、負荷14のインピーダンス整合を行う。
また、交流電源13の出力インピーダンス、送電部11の入出力インピーダンス、受電部12の入出力インピーダンス、負荷14の入力インピーダンスはすべて、実質的に実数成分のみを持つように調整する。
その後、送電部11の出力インピーダンス、受電部12の入力インピーダンスの実数成分を、送電部と受電部との結合による相互インダクタンスMとの関連とともに、調整し、最大の送電効率となるように選択して、インピーダンス整合を行う。
以上が本実施形態の固有整合によるインピーダンス整合方法の特徴である。次に、固有整合によるインピーダンス整合方法を詳しく説明する。
なお、図2(b)においては、Crp、Crsは可変容量コンデンサとしての素子を表す場合と静電容量値を表す場合とがある。
回路の整合をとる過程として、可変容量コンデンサCrpと可変容量コンデンサCrsの静電容量値であるCrpとCrsの値を調整して、端子Tr1とTr2とで測定した受電整合回路122の入力インピーダンスZri(fo)が実数部Rriのみになるようにする。
すると、数式の(1)式の関係により入力インピーダンスZri(fo)の虚数成分はほぼ0となって消え、Zri(fo)は数式の(2)式に示す実数部Rriのみを持つ。ここでωo=2πfoである。
[数式の(1)式]
2ωo2LrCrp−(ωo2Lr2+Rrd2)ωo2Crp2
+ωoCrs[ωoLr−ωoCrpRrd2−ωo3Lr2Crp]=1
[数式の(2)式]
Rri=Rrd/{(1+ωo2LrCrp)2+(ωoCrsRrd)2}
つまり、数式の(1)式を満たすようにCrpとCrsを変化させると、数式の(2)式によって、入力インピーダンスZri(fo)の実数成分であるRriは変化する。このときのCrpとCrsとRri(Re[Zri(fo)])との関係を図示したものが図3である。
図2(b)に示した回路において、コイルインダクタンスLr=3μH、周波数fo=13.56MHz、コイルの損失を表すQ値は、foにおいて800である(図3の場合)。なお、コンデンサの損失はコイル損失より十分小さいため無視する。
図3において、前記したように横軸はZri(fo)の実数部、即ち、Rriである。Zri(fo)をある実数値にするためには、横軸からRri値を探し、CrpとCrsを該Rri値に対応する値に設定すればよい。
図3の中のRrdは図示の例においてRriが取ることのできる最小値である。Rrdは、前記したようにコイルの等価直流抵抗に相当し、ωoLr/Qで見積もることができる。
図4は13.56MHzより±100KHzの帯域におけるZri(f)を示しており、前記のISM帯域13.56MHz±7KHzより14倍(100/7)以上広い帯域でのZri(f)を表している。
図4に示した帯域において、インピーダンス実数部のRe[Zri]は実質的に一定値に近似でき、またインピーダンス虚数部のIm[Zri]は実質的に周波数に比例する1次関数に近似できる。なお、図4においては、前記したように周波数帯域が広く、fo=13.56MHzから離れた周波数において、インピーダンス虚数部のIm[Zri]は0の値から乖離している。
このようなインピーダンス特性はRLC直列共振回路に等しい。
なお、図2(b)は、説明に用いる整合回路の一例であり、本実施形態の方法および回路は、動作周波数foの近傍帯域におけるインピーダンス特性をRLC直列共振回路のインピーダンスで近似できる全ての整合回路に適用できる。
図5のLreとCreは、周波数foにおける受電整合回路122の実効インダクタンスと実効静電容量である。周波数foでインピーダンスの虚数部が0であることから、次に示す、数式の(3)式が成り立つ。
[数式の(3)式]
XLr(fo)−XCr(fo)=0
Zri(fo)=Rri
ここで、XLr(f)=2πfLre
XCr(f)=1/(2πfCre)
である。
また、図5の回路は、図2(b)の例のみならず、foで直列共振する任意の回路を表現する。
受電部の固有整合は、前記受電制御部125が所定のZriに対応する受電整合回路122の可変素子値を受電記憶部127から読み出して受電整合回路122に設定することで、行われる。以上では受電部12に対する固有整合を説明したが、送電部11でも同様の固有整合を行う。
なお、固有整合は、Rriと前記負荷14の入力抵抗Rlが一致しない点と、固有整合後の送電部の実効抵抗Rtiと前記電源2の出力抵抗Rsが一致しない点で、特許文献1における第1段階の整合と異なる。
また、本実施形態の固有整合は、送電部11と受電部12の共鳴周波数を離すことなく、送電記憶部119および受電記憶部127のデータを利用して行われる点でも、特許文献1における第1段階の整合と異なる。
固有整合された送電部11と受電部12が共鳴状態で持つインピーダンスについて、図6の等価回路を用いて説明する。
送電部と受電部の共鳴は、図6(a)示すように、コイルLteとコイルLreが結合係数kで結合した回路で表現できる。図6(a)の回路は、交流理論から、図6(b)の回路に変換できる。この時、Mは相互インダクタンスであり、
M=k(LteLre)1/2
である。
そして、周波数foにおけるインピーダンスZt(fo)は、次に示す数式の(4)式で示される単純な式で表現される。ここでXm(f)は、相互インダクタンスMによるリアクタンスωoMである。
[数式の(4)式]
Zt(fo)=Rti+jXm(fo)2/[Rri+Zl(fo)]
=Rti+jωo2M2/[Rri+Zl(fo)]
[数式の(5)式]
Zr(fo)=Rri+jXm(fo)2/[Rti+Zs(fo)]
=Rri+jωo2M2/[Rti+Zs(fo)]
また、送電部11と交流電源13の間のインピーダンス整合は数式の(6)式で、受電部12と負荷14の間のインピーダンス整合は数式の(7)式で、各々、表現される。
なお、Zs(fo)*、Zl(fo)*は、それぞれZs(fo)、Zl(fo)の複素共役を表す。
[数式の(6)式]
Zs(fo)*=Rs(fo)−jXs(fo)=Zt(fo)
[数式の(7)式]
Zl(fo)*=Rl(fo)−jXl(fo)=Zr(fo)
[数式の(8)式]
Rs(fo)Rl(fo)−Rti(fo)Rri(fo)=ωo2M2
[数式の(9)式]
Rs(fo)Rri(fo)−Rl(fo)Rti(fo)=0
[数式の(10)式]
Xs(fo)=Xl(fo)=0
非共鳴状態における送電部11の入力抵抗Rti(fo)と受電部12の出力抵抗Rri(fo)は、送電整合回路113と受電整合回路122を固有整合することで、調整できる。
その他、動作周波数foと、交流電源13の出力インピーダンスのRs(fo)とXs(fo)と、負荷14の入力リアクタンスXI(fo)と、インダクタンスLteとLreとは、設計時または製造時に固定できる。
本発明の固有整合に用いるRtiとRriを数式の(11)式と(12)式に示す。
[数式の(11)式]
Rti=(Rl2−ωo2M2Rl/Rs)1/2
[数式の(12)式]
Rri=(Rs2−ωo2M2Rs/Rl)1/2
なお、ここでωo=2πfoである。
図7は本発明の第1実施形態によるインピーダンス整合方法を示すフローチャートである。以下にこのフローチャートを説明する。
負荷抵抗Rlを検出回路によって検出する技術は一般的に周知である。更に、受電制御部125は読み取ったRlの値を、通信によって送電制御部114(図1)に伝達する。
なお、送電効率を最大にする相互インダクタンスM(送電部11と受電部12間の相対位置により変化)をM推定値と称する。
また、送電制御部114(図1)と受電制御部125(図1)は、通信によって、同じM推定値を用いる。
M推定値の更新方法は、送電効率を最大にする任意の最適化アルゴリズムでよい。最適化の独立変数がMだけであるため、単純なアルゴリズムを使うことができ、例えば、山登り法(現在の解の近傍の内で最も評価度の高い解を近傍解として選び、現在の解より近傍解の評価度の高い場合に、近傍解と現在の解を入れ換える局所探索法)でもよい。
なお、送電効率を最大にするM推定値を、固有整合値RtiおよびRriを調整して見出す手法は、非共鳴状態で送電部と受電部がそれぞれ持つ入力抵抗RtiとRriと、送電部と受電部の結合による相互インダクタンスMとの3要素間で少なくとも2要素を調整してインピーダンス整合をとる方法のひとつの形態である。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第2実施形態を示す。なお、第2実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造を、第1実施形態で用いた構成より、更に具体的な構造を用いて実施した形態を示す。
図8は、第1実施形態の特性評価に用いた共鳴コイル227の斜視図であり、銅線を長方形に2回巻いた共鳴コイル227を示している。
また、図9は、第1実施形態の特性評価の送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121の設定条件を示す概略の斜視図である。
図8に示した共鳴コイル227の1対を、図9において送電用コイル117および受電用共鳴コイル121として用いて、図9に示すようにコイル117、121面間の距離を25cmに固定しながら、コイル117、121を相対的に面方向に平行して移動し、コイル中心軸間の距離を変化させた。
図10は本発明の第2実施形態における入力抵抗−送電効率特性の評価結果を示す特性図であり、固有整合に用いた固有整合値(入力抵抗値)Rti、Rriと得られた送電効率(%)の関係(入力抵抗−送電効率特性)の評価結果を示す。
図10においては、コイル117、121(図9)の各中心軸間距離(0cm、10cm、15cm)における特性結果を示している。なお、送電用と受電用に同じ共鳴コイルと整合回路を用いたため、横軸のRtiとRriは同じ値にしている。
図10に示す評価結果では、固有整合値(入力抵抗値)Rti、Rriを変化させると送電効率も変化し、送電効率が最大になる固有整合値Rが存在することが示されている。
したがって、図10に相当する特性評価結果を用いれば、最適な固有整合値Rを得ることができ、共鳴コイル間の相対位置が変化しても、簡便にインピーダンス整合(Rti、Rriを調整)を行って、最大送電効率を得ることができる。
図11は、第1実施形態における固有整合値Rの調整に伴うインピーダンスの変化を示すスミスチャートであり、一例として、コイル中心軸距離が10cmの時の特性をスミスチャート上に示す。
複素インピーダンスと複素反射係数の関係を図で表現するスミスチャートにおいては、円の中心が反射係数0、すなわち整合が完全にとれたことを意味する。したがって、整合をとるためには、インピーダンスをスミスチャート上で表現した場合において、円の中心に近い方が望ましい。
厳密なインピーダンス整合ではfo(ここでは13.56MHz)の点が円の中心に位置する。図11はfo点の位置が固有整合値Rの調整で移動し、Rti=Rri=1.0Ωで円中心に最も近くなることを示している。
なお、本実施形態においては、インピーダンスの虚数成分がほぼ0になるように調整してから整合を行う固有整合の手法をとっているので、図11のスミスチャート上においては、fo点の位置は虚数成分がほぼ0の水平方向の円の半径上の近傍を移動(調整)している。
この方法は、相対位置とMの対応関係を予め知る送電部11(図1)と受電部12(図1)の対にだけ適用できる制約があるが、インピーダンス整合をより迅速に行うことができる。
なお、第2段階の最適化とは、例えば可変素子Crp、Crs、Ctp、Ctsの1要素を僅かに変化させて、その近傍により最適点が存在するか否か(前記した山登り法)を試験し、より最適点があればその条件に移行するものである。なお、この際においては、インピーダンスの実数部を0とする固有整合の手法には必ずしも拘らない。
この方法を用いれば、送電部11(図1)と受電部12(図1)の対を予め限定することなく、共鳴型非接触給電装置のインピーダンス整合を効率よく行うことができる。
次に、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第3実施形態を示す。
なお、第3実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの具体的な構造については、図12、図13を参照して後述する。
第3実施形態においては、前記固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、送電用共鳴コイル117(図1)と受電用共鳴コイル121(図1)間の距離を変えることで、インピーダンス整合を達成する。
Rriを固定すれば、受電部12(図1)に搭載される受電整合回路122(図1)の回路素子値を給電時に調整する機構が不要になり、受電部12(図1)の体積および重量を軽減する効果がある。
Rriをある固定整合値Rri0に固定して、Rtiを調整する例を示す。前記した数式の(9)式から、負荷抵抗Rlの変化に対して、Rtiは数式の(13)式に従って調整する。
[数式の(13)式]
Rti=Rri0×Rs/Rl
[数式の(14)式]
M=(RsRl−Rri02×Rs/Rl)1/2/ωo
[数式の(15)式]
Rri=Rti0×Rl/Rs
[数式の(16)式]
M=(RsRl−Rti02×Rl/Rs)1/2/ωo
第3実施形態では、送電用共鳴コイル117(図1、図12)と受電用共鳴コイル121(図1、図12)の間の距離を変えて、数式の(14)式または(16)式を満たすMを得る。
図12に本発明の第3実施形態における送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連の構成を示す。図12では、移動手段15を用いて共鳴コイル117の位置を変える構成を示す。
図12は送電用共鳴コイル117をコイル面と平行な方向に移動(→)させる例を示しているが、コイル面の法線方向に移動させてもよいし、また平行方向と法線方向の組み合わせで移動させてもよい。
更に、受電用共鳴コイル121または受電用共鳴コイル121を含む受電部12の一部または全部を移動してもよい。
また、図12に示した受電用共鳴コイル121または受電用共鳴コイル121を含む受電部12の一部または全部が、図13を参照して後述する電動車両16に搭載される場合もある。
また、図12においては、送電整合回路113と送電用共鳴コイル117が接続されていることが示されている。
なお、図13は受電用共鳴コイル121または受電用共鳴コイル121を含む受電部12の一部または全部が電動車両16に搭載される場合の構成図である。したがって、前記第3実施形態や、次に述べる第4実施形態にも参照される。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第4実施形態を示す。なお、第4実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造は、受電部12(図1、図13)が電動車両に搭載される場合を示す。
図13は、受電部12を搭載した電動車両16が移動する構造と構成を示す。床下、または路面に送電部11を埋め込み、電動車両16に搭載された受電部12に電磁界共鳴による非接触の給電を行う。
図14は、本発明の第4実施形態における送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連における共鳴コイルの効果を示す概念図であり、長尺方向と短尺方向を持つ2つの共鳴コイルを用いて実施する場合を示す。
図14において、送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121の長尺および短尺方向を揃える。方向を揃えるためには目印標識などのガイドを用いればよいが、位置検出手段と制御部を有する自動位置制御装置を使ってもよい。
両コイルの短尺方向を揃えておき、インピーダンス整合時には送電用共鳴コイル117または受電用共鳴コイル121を短尺方向に移動させる。
短尺方向に移動させることで、より少ない移動距離で相互インダクタンスMを大きく変えることができ、移動手段15を含む送電部11または受電部12の体積および重量の低減、移動で消費されるエネルギーの低減の効果が得られる。
送電用共鳴コイル117(図1)および受電用共鳴コイル121(図1)として、従来から線材を同軸状に巻いた軸対称型のコイルが広く知られている。しかし、本発明を第4実施形態のごとく実施する上で、特に図13の如くコイル中心軸間の距離を変化させる場合は、図14の如く長尺方向と短尺方向を持たせた形状の共鳴コイル117、121(図14)が有利である。
本発明の第4実施形態では、以上説明したとおり、固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121間の相対位置を変えることで、インピーダンス整合を効率よく達成する汎用的な手段を提供できる。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第5実施形態を示す。第5実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造を次に示す。
図15は本発明の第5実施形態における、送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連を示す構成図である。
図15において、傾斜手段17は送電用共鳴コイル117の一部を回転軸に該コイルを上下回転させることで、送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121間の傾斜角度を変える。
図15の如く回転させる共鳴コイルが、長尺方向と短尺方向を持つようにして、回転軸を長尺方向と平行にすれば、回転に伴うコイルの上下移動距離が短くなり、装置の体積および重量を低減する効果がある。
図16(a)に示すように、回転軸を共鳴コイル117の端部に位置させることで、図16(b)に示すような回転軸を共鳴コイル117の中央に位置させた場合より、共鳴コイルの中心間の平均距離を短縮することができる。共鳴コイル間の距離を短くすることで、共鳴コイル間の結合を強くして、送電効率を向上させる効果がある。
以上の説明では、送電用共鳴コイル117を傾斜させる例を示したが、受電用共鳴コイル121を傾斜させてもよい。
本発明の第5実施形態は、前記固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、送電用共鳴コイル117(図15、図16)と受電用共鳴コイル121(図15、図16)間の傾斜角度を変えることで、インピーダンス整合を達成する。
前記の第3実施形態で説明したように、RtiとRriの中で片方を固定して他方を緩慢に調整しながら、相互インダクタンスMを調整することで、インピーダンス整合ができる。
本実施形態は、相互インダクタンスMを変えるため、コイル間の傾斜角度を変える。
本実施形態では、以上説明したとおり、固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、送電用共鳴コイル117(図15、図16)と受電用共鳴コイル121(図15、図16)間の傾斜角度を変えることでインピーダンス整合を効率よく達成する汎用的な手段を提供できる。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第6実施形態を示す。第6実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造を次に示す。
図17は本発明の第6実施形態における送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連を示す構成図である。
図17において、回転手段18は送電用共鳴コイル117を、図中のZ軸を回転軸に回転させる。送電用共鳴コイル117の代わりに受電用共鳴コイル121を回転させてもよい。
本発明の第6実施形態は、前記固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、長尺方向と短尺方向を有する送電用共鳴コイル117(図17)および受電用共鳴コイル121(図17)を用いて、送電用共鳴コイル117(図17)または受電用共鳴コイル121(図17)を回転させ、両共鳴コイルの長尺方向間の角度を変えることで、インピーダンス整合を達成する。
本実施形態によれば、両共鳴コイルの中心軸間距離は固定したまま、相互インダクタンスMを変えることができるため、前記第3実施形態より装置の体積および重量を低減する効果がある。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第7実施形態を示す。第7実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造を次に示す。
図18は本発明の第7実施形態における送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連を示す構成図である。
図18において、送電用共鳴コイル117または受電用共鳴コイル121の少なくとも一方に近接して、常磁性体または反磁性体からなる一つまたは複数の電磁界調整部品161と、該電磁界調整部品の位置を移動させる電磁界調整部移動手段162を備える。
前記固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定しておき、電磁界調整部移動手段162を用いて電磁界調整部品161を移動させることで、両共鳴コイル間の電磁界分布を変えて、相互インダクタンスMを調整する。電磁界調整部移動手段162による電磁界調整部品161の移動は、平行移動と回転と傾斜の組み合わせでよい。
第7実施形態の構成は、電気配線に接続された共鳴コイルは固定しておき、電気配線から独立した電磁界調整部品161を移動させることでインピーダンス整合を達成するため、電気配線の劣化を低減できる利点がある。
以下、本発明の非接触給電装置のインピーダンス整合方法の第8実施形態を示す。第8実施形態を実現する非接触給電装置の送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルの構造を次に示す。
図19は本発明の第8実施形態における送電用共鳴コイル117と受電用共鳴コイル121との関連を示す構成図である。第8実施形態では、複数の共鳴コイルから一つを選ぶことで、相互インダクタンスMを変える。
図19には複数の送電用共鳴コイル117と一つの受電用共鳴コイル121を用いる構成を示すが、送電用共鳴コイル117を一つにして受電用共鳴コイル121を複数にする構成も可能である。ただし、送電用共鳴コイル117を複数にする図19の構成が、受電部12およびそれを搭載した電動車両16の重量低減の面で有利である。
共鳴コイル切替部19は、送電制御部114の制御に従い、送電用共鳴コイル117の中の1つを選択して送電整合回路113に連結する。これによって、相互インダクタンスMを変える。
次に、前記第3実施形態と同じく、固有整合に用いるRtiとRriの中で一つを固定して、他方を前記の数式の(13)式または(15)式に従って調整する。
共鳴コイル切替部19を制御して、送電整合回路113と連結される送電用共鳴コイル117を変えると、送電用共鳴コイル117を実効的に移動させた効果が得られ、数式の(14)式または(16)式の相互インダクタンスMを調整できる。この時、選択された1つのコイル以外の送電用共鳴コイル117を送電整合回路113と連結しないことで、それらの共鳴周波数を前記foから大きく離して、電磁界共鳴に及ぼすそれらコイルの干渉を実質的に排除する。
本発明は前記の実施形態に限定されるものではない。以下に例をあげる。
第1実施形態において、図2(b)は整合回路として、直列のコンデンサCrsと並列のコンデンサCrpを用いた例を示したが、コイルを用いてもよい。またコンデンサとコイルを併せて用いてもよい。また3個以上の可変素子を用いてもよい。
つまり、高周波分野においては、同軸線路で相互接続する装置の入力および出力インピーダンスを同軸線路の特性インピーダンスに一致させることが一般的であり、同軸線路の特性インピーダンスは例えば50Ωまたは75Ωのように実数部のみを有することが一般的である。したがって、上記の前提は十分、一般的である。
ただし、|Xs|および|Xl|が各々RsおよびRlより十分小さくない場合でも、本発明の固有整合を
XLr(fo)−XCr(fo)=Xs
および
XLt(fo)−XCt(fo)=Xl
を満たすことに拡張し、かつ図7に示したフローチャートの手順を進めることも可能である。
なお、本実施形態の非接触給電において、概略のインピーダンス整合方法は前記したように、まず、送電部11と受電部12との間で、インピーダンスの整合をとるが、この際、交流電源13の周波数foにおいて、送電部11、受電部12、負荷14のインピーダンス整合を行い、
次に、交流電源13の出力インピーダンス、送電部11の入出力インピーダンス、受電部12の入出力インピーダンス、負荷14の入力インピーダンスはすべて、実質的に実数成分のみを持つように調整し、
その後、送電部11の出力インピーダンス、受電部12の入力インピーダンスの実数成分を、送電部11と受電部12間の相互コンダクタンスMとの関連とともに、可変素子で調整し、最大の送電効率となるように選択して、インピーダンス整合を行う。
また送電部と受電部の対を制限する必要もなくなり、多種多様な共鳴型非接触給電装置で効率よくインピーダンス整合を行うことができる。
11 送電部
111 送電整合用切替部
112 送電整合用方向性結合器
113 送電整合回路
114 送電制御部
115 送電計測部
116 整合用交流信号出力部
117 送電用共鳴コイル、共鳴コイル
118 送電通信部
119 送電記憶部
12 受電部
121 受電用共鳴コイル、共鳴コイル
122 受電整合回路
123 受電整合用切替部
124 受電計測部
125 受電制御部
126 受電通信部
127 受電記憶部
13 交流電源
14 負荷
15 移動手段
16 電動車両
161 電磁界調整部品
162 電磁界調整部移動手段
17 傾斜手段
18 回転手段
19 共鳴コイル切替部
227 共鳴コイル
Cre コンデンサ(受電部)、受電整合回路の実効静電容量
Cte コンデンサ(送電部)、送電整合回路の実効静電容量
Crp、Crs コンデンサ、可変容量コンデンサ
Lr コイル、コイルインダクタンス、インダクタンス値
Lre コイル(受電部)、受電整合回路の実効インダクタンス
Lte コイル(送電部)、送電整合回路の実効インダクタンス
M 相互インダクタンス
Rri 入力抵抗値、固有整合値(受電部)
Rti 入力抵抗値、固有整合値(送電部)
Tr1、Tr2 端子(受電部)
Tt1、Tt2 端子(送電部)
Claims (22)
- 交流電源から負荷に電力を伝送する非接触給電装置において、交流電源の出力に接続される送電整合回路と、送電整合回路の出力に接続された送電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルと、受電用共鳴コイルの出力に接続された受電整合回路と、を備え、
前記送電用共鳴コイルの共鳴周波数を交流電源の出力周波数foに略一致させて、更に前記受電用共鳴コイルの共鳴周波数を前記送電用共鳴コイルの共鳴周波数と略一致させて、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの間に電磁界結合による電磁界共鳴を引き起こし、交流電源が前記送電整合回路に入力した交流電力を、コイル間の電磁界共鳴により前記受電用共鳴コイルに伝送して、前記受電整合回路から負荷へ出力する電磁界共鳴方式の非接触給電装置のインピーダンス整合方法であって、
更に、非共鳴状態で送電部が持つ入力抵抗Rtiと、非共鳴状態で受電部が持つ入力抵抗Rriと、送電部と受電部の結合による相互インダクタンスMとの3要素の中で2要素を調整して、共鳴状態における非接触給電装置のインピーダンスを整合することを特徴とする非接触給電装置のインピーダンス整合方法。 - 前記送電整合回路の可変素子設定値と前記送電用共鳴コイルの前記入力抵抗Rtiとの対応関係と、前記受電整合回路の可変素子設定値と前記受電用共鳴コイルの前記入力抵抗Rriとの対応関係とを予め記録しておき、
前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルが共鳴する状態で、前記負荷の入力抵抗Rlを検出する第1ステップと、
前記相互インダクタンスMを推定し、前記入力抵抗Rlと該相互インダクタンスMと前記共鳴各周波数と前記交流電源の出力抵抗Rsから、前記入力抵抗Rtiと前記入力抵抗Rriを算出する第2ステップと、
前記入力抵抗Rtiに対応する可変素子値と、前記入力抵抗Rriに対応する可変素子値とを読み出す第3ステップと、
前記可変素子値を前記送電整合回路と、前記受電整合回路とにそれぞれ設定する第4ステップと、
前記非接触給電装置に備えられた送電制御部または受電制御部が送電効率を測定し保存する第5ステップと、
測定された前記送電効率を前記送電制御部または前記受電制御部に保存されていた送電効率と比較して、最大送電効率かを判定する第6ステップと、
最大送電効率となる相互インダクタンスMの推定値を更新する第7ステップと、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。 - 前記第2ステップにおいて、前記入力抵抗Rtiと前記入力抵抗Rriを算出する手段が、
Rti={Rl2−(2πfo)2M2Rl/Rs}1/2
Rri={Rs2−(2πfo)2M2Rs/Rl}1/2
であることを特徴とする請求項2に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。 - 前記送電整合回路または前記受電整合回路の一方の素子値を固定して、前記負荷の入力抵抗Rlを検出して、前記送電整合回路または前記受電整合回路の中で素子値が可変である方の入力抵抗を、前記交流電源の出力抵抗Rsとの間に、RsRri−RlRti=0の関係式が満たされるように設定し、
前記送電整合回路に入力される電力と前記受電整合回路から出力される電力との比を算出し、
該電力の比が最大になるように前記相互インダクタンスMを調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。 - 前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方を移動させることで、相互インダクタンスMの調整を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。
- 前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方を傾斜させることで、相互インダクタンスMの調整を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。
- 前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルに長尺方向と短尺方向を持たせ、送電用共鳴コイルまたは受電用共鳴コイルの少なくとも一方を回転させて送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの長尺方向間の角度を変えることで、相互インダクタンスMの調整を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。
- 前記送電用共鳴コイルまたは前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方に近接して一つまたは複数の常磁性体または反磁性体を備えて、該常磁性体または反磁性体を移動させることで、相互インダクタンスMの調整を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。
- 複数の前記送電用共鳴コイルまたは複数の前記受電用共鳴コイルを備え、該複数の共鳴コイルの中で共鳴に用いるコイルを選択して変えることで、相互インダクタンスMの調整を行うことを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置のインピーダンス整合方法。
- 交流電源から負荷に電力を伝送する電磁界共鳴方式の非接触給電装置であって、
前記交流電源の出力に接続される送電整合回路と、
前記送電整合回路の出力に接続された送電用共鳴コイルと、
受電用共鳴コイルと、
前記受電用共鳴コイルの出力に接続された受電整合回路と、
前記送電整合回路に入力される電力と前記受電整合回路から出力される電力の比を算出する送電効率算出手段と、
前記送電整合回路の可変素子設定値と送電整合回路の入力抵抗Rtiとの対応関係を記憶する送電記憶部、または、
前記受電整合回路の可変素子設定値と受電整合回路の入力抵抗Rriとの対応関係を記憶する受電記憶部の中で少なくても1つの記憶部と、
前記送電記憶部または前記受電記憶部に具備され、前記送電整合回路と前記受電整合回路のインピーダンス整合過程で測定した送電効率を記憶する送電効率記憶部と、
を備え、
前記送電用共鳴コイルの共鳴周波数を前記交流電源の出力周波数に一致させて、更に前記受電用共鳴コイルの共鳴周波数を送電用共鳴コイルの共鳴周波数に一致させて、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルとの間に電磁界結合による電磁界共鳴を引き起こし、前記交流電源が前記送電整合回路に入力した交流電力を、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイル間の電磁界共鳴により前記受電用共鳴コイルに伝送して、前記受電整合回路から負荷へ出力することを特徴とする非接触給電装置。 - 前記送電用共鳴コイルまたは前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方のコイルを移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項10に記載の非接触給電装置。
- 前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方が長尺方向と短尺方向を有し、該コイルの短尺方向にコイルを移動させる前記移動手段を備えたことを特徴とする請求項11に記載の非接触給電装置。
- 前記送電用共鳴コイルまたは前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方のコイルを他方のコイルに対して傾斜させる傾斜手段を備えたことを特徴とする請求項10に記載の非接触給電装置。
- 前記傾斜手段は、傾斜される前記コイルに長尺方向と短尺方向を設け、該コイルの長尺方向を軸にコイルを傾斜させることを特徴とする請求項13に記載の非接触給電装置。
- 前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの両方が長尺方向と短尺方向を有し、前記送電用共鳴コイルと前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方のコイルを他方のコイルに対して回転させる回転手段を備えたことを特徴とする請求項10に記載の非接触給電装置。
- 前記送電用共鳴コイルまたは前記受電用共鳴コイルの少なくとも一方に近接して常磁性体または反磁性体からなる一つまたは複数の電磁界調整部品と、該電磁界調整部品の位置を移動させる電磁界調整部移動手段とを、更に備えることを特徴とする請求項10に記載の非接触給電装置。
- 複数の前記送電用共鳴コイルまたは複数の前記受電用共鳴コイルと、共鳴に用いるコイルを選択する切り替え手段とを、更に備えることを特徴とする請求項10に記載の非接触給電装置。
- 前記受電用共鳴コイルが電動車両に搭載されたことを特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれか一項に記載の非接触給電装置。
- 前記受電用共鳴コイルが電動車両に搭載されたことを特徴とする請求項13または請求項14に記載の非接触給電装置。
- 前記受電用共鳴コイルが電動車両に搭載されたことを特徴とする請求項15に記載の非接触給電装置。
- 前記受電用共鳴コイルが電動車両に搭載されたことを特徴とする請求項16に記載の非接触給電装置。
- 前記受電用共鳴コイルが電動車両に搭載されたことを特徴とする請求項17に記載の非接触給電装置。
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