JP2012143117A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】負荷が変動しても効率よく高周波電源から電力を負荷に供給することができる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】コントローラ２４は、負荷が変動した場合に共鳴系２０の共鳴周波数と高周波電源１１の出力周波数とを合致させ、共鳴系２０の共鳴周波数と高周波電源１１の出力周波数とが合致した状態で共鳴系２０の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイル１２より高周波電源１１側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス整合を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関するものである。
特許文献１に記載の非接触電力伝送装置においては、共鳴系（１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル、負荷）の状態を検出し、この検出結果に基づいてインピーダンス可変回路において共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより高周波電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンスが調整される。
特開２０１０−１４１９７６号公報
ところで、負荷変化により整合状態と共鳴系の共鳴周波数が変化するので、出力周波数を固定したまま整合をとっても最大効率を得られない。
本発明の目的は、負荷が変動しても効率よく高周波電源から電力を負荷に供給することができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
請求項１に記載の発明では、高周波電源と、前記高周波電源から電力の供給を受ける１次コイルと、前記１次コイルから電力が電磁誘導により供給される１次側共鳴コイルと、前記１次側共鳴コイルからの電力を磁場共鳴して受電する２次側共鳴コイルと、前記２次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す２次コイルと、前記２次コイルにより受電された電力が供給される負荷と、を備え、少なくとも前記１次コイル、前記１次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイル、前記２次コイルおよび前記負荷により共鳴系を構成する非接触電力伝送装置において、前記負荷が変動した場合に前記共鳴系の共鳴周波数と前記高周波電源の出力周波数とを合致させる周波数合致手段と、前記周波数合致手段により前記共鳴系の共鳴周波数と前記高周波電源の出力周波数とが合致した状態で前記共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、前記１次コイルより前記高周波電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス整合を行うインピーダンス整合手段と、を備えたことを要旨とする。
請求項１に記載の発明によれば、負荷が変動すると、周波数合致手段により、共鳴系の共鳴周波数と高周波電源の出力周波数とが合致される。そして、周波数合致手段により共鳴系の共鳴周波数と高周波電源の出力周波数とが合致した状態で、インピーダンス整合手段により、共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより高周波電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス整合が行われる。
その結果、負荷が変動しても効率よく高周波電源から電力を負荷に供給することができる。
請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、請求項２に記載のように、前記周波数合致手段は、前記高周波電源の出力周波数を前記共鳴系の共鳴周波数に合わせるようにしても、請求項３に記載のように、前記周波数合致手段は、前記共鳴系の共鳴周波数を前記高周波電源の出力周波数に合わせるようにしてもよい。
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置において、インピーダンス測定器を更に備え、前記インピーダンス測定器により、負荷の変動を検知するようにしたことを要旨とする。
請求項４に記載の発明によれば、インピーダンス測定器により負荷の変動を検知することができる。
本発明によれば、負荷が変動しても効率よく高周波電源から電力を負荷に供給することができる。
第１の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 作用を説明するためのタイムチャート。 負荷抵抗と効率の関係を示す説明図。 負荷抵抗と効率の関係を示す説明図。 第２の実施形態における非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 作用を説明するためのタイムチャート。
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、高周波電源１１と、高周波電源１１に接続された１次コイル１２と、１次側共鳴コイル１３と、２次側共鳴コイル１４と、２次コイル１５と、２次コイル１５に接続された負荷１６と、高周波電源１１と１次コイル１２との間に設けられたインピーダンス可変回路１７を備えている。１次側共鳴コイル１３および２次側共鳴コイル１４にはそれぞれコンデンサ１８，１９が並列に接続されている。
１次コイル１２と１次側共鳴コイル１３とコンデンサ１８とにより１次側共鳴器を構成するとともに、２次側共鳴コイル１４と２次コイル１５とコンデンサ１９とにより２次側共鳴器を構成している。また、１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル１４、２次コイル１５、負荷１６およびコンデンサ１８，１９は共鳴系２０を構成する。
高周波電源１１は、高周波電圧（交流電圧）を出力する電源である。高周波電源１１の出力交流電力の周波数は可変である。
１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル１４および２次コイル１５は電線により形成されている。コイルを構成する電線には、例えば、絶縁ビニル被覆線が使用される。コイルの巻径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル１４および２次コイル１５は、同じ巻径に形成されている。１次側共鳴コイル１３および２次側共鳴コイル１４は同じに形成され、各コンデンサ１８，１９として同じコンデンサが使用されている。
可変整合器としてのインピーダンス可変回路１７は、２つの可変コンデンサ２１，２２とインダクタ２３とから構成されている。一方の可変コンデンサ２１は高周波電源１１に並列に接続され、他方の可変コンデンサ２２は１次コイル１２に並列に接続されている。インダクタ２３は両可変コンデンサ２１，２２間に接続されている。インピーダンス可変回路１７は、可変コンデンサ２１，２２の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。詳しくは、インピーダンス可変回路１７により、１次コイル１２より高周波電源１１側のインピーダンスを変更することができる。
高周波電源１１の出力ラインにはインピーダンス測定器２５が接続されている。インピーダンス測定器２５にはコントローラ２４が接続されている。インピーダンス測定器２５は、共鳴系の共鳴周波数検出手段および整合状態検出手段として機能する。
非接触電力伝送装置１０は、車両に搭載された２次電池に対して非接触充電を行うシステムに適用することができる。具体的には、２次側共鳴コイル１４、２次コイル１５、コンデンサ１８および負荷１６（２次電池）が車両に搭載され、高周波電源１１、１次コイル１２、コンデンサ１９、１次側共鳴コイル１３、インピーダンス可変回路１７、インピーダンス測定器２５およびコントローラ２４が、２次電池に非接触状態で充電を行う充電装置に装備され、この充電装置は地上側設備（充電ステーション）に設けられる。
本実施形態では、コントローラ２４により周波数合致手段が構成されている。また、インピーダンス可変回路１７およびコントローラ２４によりインピーダンス整合手段が構成されている。
次に、このように構成した非接触電力伝送装置１０の作用を説明する。
負荷１６への電力伝送時には、例えば、車両が給電（充電）装置の近くの所定位置に停止した状態で負荷１６（例えば２次電池）への給電が行われる。
コントローラ２４は、可変コンデンサ２１，２２の容量を給電時における適切な容量に変更するように可変コンデンサ２１，２２に駆動信号を出力する。そして、可変コンデンサ２１，２２の容量が負荷１６の大きさに適した値に変更される。
次に、高周波電源１１から１次コイル１２に共鳴系２０の共鳴周波数で高周波電力が出力され、電磁誘導により電力が供給された１次コイル１２に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１３と２次側共鳴コイル１４とによる磁場共鳴により増強される。増強された２次側共鳴コイル１４付近の磁場から２次コイル１５により電磁誘導を利用して電力が取り出されて負荷１６（例えば２次電池）に供給される。
このように、１次コイル１２において高周波電源１１から電力の供給を受け、１次側共鳴コイル１３において１次コイル１２から電力が電磁誘導により供給され、２次側共鳴コイル１４において１次側共鳴コイル１３からの電力を磁場共鳴して受電し、２次コイル１５において２次側共鳴コイル１４により受電された電力を電磁誘導により取り出し、２次コイル１５により受電された電力が負荷１６に供給される。
図２のｔ１のタイミングにおいて負荷がαからβに変動したものとする。その結果、共鳴系の共鳴周波数が、Ａ[Ｈｚ]から、図２のｔ２のタイミングでＢ[Ｈｚ]に変化する。
まず、インピーダンス測定器２５により共鳴系の共鳴周波数が検出され、コントローラ２４に送られる。つまり、それまでのＡ[Ｈｚ]からＢ[Ｈｚ]に変化したことが検出され、Ｂ［Ｈｚ］になったことがコントローラ２４に送られる。
次に、コントローラ２４において共鳴系の共鳴周波数に合うように高周波電源１１の出力周波数が調整される。つまり、それまでのＡ[Ｈｚ]から、ｔ３のタイミングでＢ[Ｈｚ]に変更される。
次に、コントローラ２４は、図２のｔ３〜ｔ４の期間において、インピーダンス可変回路１７のコンデンサ容量を調整してインピーダンス整合する。詳しくは、コントローラ２４は、インピーダンス測定器２５からの検出値により整合状態を確認しつつ共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイル１２より高周波電源１１側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス可変回路１７のコンデンサ容量を調整してインピーダンス整合を行う。
その結果、高周波電源１１への反射電力を低減して、高周波電源１１から電力が効率良く負荷１６（例えば２次電池）に供給される。
次に、負荷変動と効率の関係について説明する。
負荷変化により、「整合状態」と「共鳴系の共鳴周波数（効率最大となる周波数）」の２つが変化する。
従って、出力周波数を任意の周波数に固定したまま整合をとっても、図３に示すように、最大効率が得られない。つまり、図３では負荷抵抗が例えば８００Ωになったときに効率が６０％程度であり、最大効率が得られない。
これに対し負荷変動時に共鳴系の共鳴周波数を探索し、共鳴系の共鳴周波数に合うように高周波電源の出力周波数を変化させ、その状態でインピーダンス整合をとる。その結果、図４に示すように、負荷抵抗が約３３０Ωや８００Ωに変化した場合にも効率を９０％近くにすることができる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）コントローラ２４により、負荷が変動した場合に共鳴系２０の共鳴周波数と高周波電源１１の出力周波数とを合致させる。そして、コントローラ２４とインピーダンス可変回路１７により、共鳴系２０の共鳴周波数と高周波電源１１の出力周波数とが合致した状態で共鳴系２０の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイル１２より高周波電源１１側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス整合を行う。これにより、負荷変動に依存しない最大効率で電力を伝送することができる。
（２）周波数合致手段としてのコントローラ２４により、高周波電源１１の出力周波数を共鳴系の共鳴周波数に合わせることができる。
（３）インピーダンス測定器２５により、負荷１６の変動を検知することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
図１に代わり、本実施形態では図５に示すように、１次側共鳴コイル１３には可変コンデンサ３０が並列に接続されている。また、２次側共鳴コイル１４には可変コンデンサ３１が並列に接続されている。コントローラ２４により可変コンデンサ３０の容量および可変コンデンサ３１の容量を調整できるようになっている。本実施形態では、コントローラ２４と可変コンデンサ３０，３１により周波数合致手段が構成されている。
図６のｔ１０のタイミングにおいて負荷がαからβに変動したものとする。その結果、共鳴系の共鳴周波数がＡ[Ｈｚ]から、図６のｔ１１のタイミングでＢ[Ｈｚ]に変化する。
まず、インピーダンス測定器２５により共鳴系の共鳴周波数が検出され、コントローラ２４に送られる。つまり、それまでのＡ[Ｈｚ]からＢ[Ｈｚ]に変化したことが検出され、Ｂ［Ｈｚ］になったことがコントローラ２４に送られる。
次に、図６のｔ１１〜ｔ１２の期間において、コントローラ２４は、高周波電源１１の出力周波数に合うように可変コンデンサ３０，３１の容量を調整することにより共鳴系の共鳴周波数を調整する。即ち、１次側の共鳴器（１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３）、２次側の共鳴器（２次側共鳴コイル１４、２次コイル１５）の固有周波数を調整することによって共鳴周波数を調整する。
次に、コントローラ２４は、図６のｔ１２〜ｔ１３の期間において、インピーダンス可変回路１７のコンデンサ容量を調整してインピーダンス整合する。詳しくは、インピーダンス測定器２５からの検出値により整合状態を確認しつつ共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイル１２より高周波電源１１側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス可変回路１７のコンデンサ容量を調整してインピーダンス整合を行う。
その結果、高周波電源１１への反射電力を低減して、高周波電源１１から電力が効率良く負荷１６（例えば２次電池）に供給される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（４）コントローラ２４と可変コンデンサ３０，３１により、共鳴系の共鳴周波数を高周波電源１１の出力周波数に合わせることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・第１の実施形態において、負荷変動は、１次側に設けたインピーダンス測定器２５により検出してフィードバックをかけたが、これに代わり、２次側に負荷変動検出手段２６（図１参照）を設けてもよい。具体的には、例えば負荷のＳＯＣにより充電状態をモニタして負荷変動を検知する。
・同様に、第２の実施形態においても、負荷変動は、１次側に設けたインピーダンス測定器２５により検出してフィードバックをかけたが、これに代わり２次側に負荷変動検出手段３２（図５参照）を設けてもよい。具体的には、例えば負荷のＳＯＣにより充電状態をモニタして負荷変動を検知する。
・第１の実施形態および第２の実施形態においては、一次側に設けたインピーダンス測定器２５を、共鳴系の共鳴周波数検出手段および整合状態検出手段として用いた。これに代わり、共鳴系の共鳴周波数検出手段と整合状態検出手段とをそれぞれ別の機器で構成してもよい。例えば、共鳴系の共鳴周波数検出手段をインピーダンス測定器で構成し、整合状態検出手段をＶＳＷＲ測定器で構成してもよい。
・インピーダンス可変回路１７は２個の可変コンデンサ２１，２２と１個のインダクタ２３とで構成されるものに限らない。例えば、インピーダンス可変回路１７を構成する可変コンデンサ２１，２２のいずれか一方を省略して、インピーダンス可変回路１７を１個の可変コンデンサと１個のインダクタ２３とで構成してもよい。また、インピーダンス可変回路１７を、固定容量のコンデンサと可変インダクタとで構成してもよい。
・１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル１４および２次コイル１５の外形は、円形に限らず、例えば、四角形や六角形や三角形等の多角形にしたり、あるいは楕円形にしたりしてもよい。
・１次側共鳴コイル１３および２次側共鳴コイル１４は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、電線が一平面上に巻回された形状としてもよい。
・第１の実施形態において、コンデンサ１８，１９の代わりに１次側共鳴コイル１３および２次側共鳴コイル１４の寄生容量を用いてもよい。この場合、共鳴系は１次コイル１２、１次側共鳴コイル１３、２次側共鳴コイル１４、２次コイル１５、負荷１６で構成される。
・第１の実施形態において、１次側共鳴器、２次側共鳴器の固有周波数が同じであれば１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイルの巻径や巻数は、同じに形成されなくてもよく、各コンデンサ１８，１９も同じコンデンサを使用しなくてもよい。
・負荷と２次コイルとの間に整流器、整合器、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を設けてもよい。この場合、共鳴系は整流器、整合器、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含めて構成される。
１０…非接触電力伝送装置、１１…高周波電源、１２…１次コイル、１３…１次側共鳴コイル、１４…２次側共鳴コイル、１５…２次コイル、１６…負荷、１７…インピーダンス可変回路、２０…共鳴系、２１…可変コンデンサ、２２…可変コンデンサ、２３…インダクタ、２４…コントローラ、２５…インピーダンス測定器、３０…可変コンデンサ、３１…可変コンデンサ。

Claims (4)

  1. 高周波電源と、
    前記高周波電源から電力の供給を受ける１次コイルと、
    前記１次コイルから電力が電磁誘導により供給される１次側共鳴コイルと、
    前記１次側共鳴コイルからの電力を磁場共鳴して受電する２次側共鳴コイルと、
    前記２次側共鳴コイルにより受電された電力を電磁誘導により取り出す２次コイルと、
    前記２次コイルにより受電された電力が供給される負荷と、
    を備え、
    少なくとも前記１次コイル、前記１次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイル、前記２次コイルおよび前記負荷により共鳴系を構成する非接触電力伝送装置において、
    前記負荷が変動した場合に前記共鳴系の共鳴周波数と前記高周波電源の出力周波数とを合致させる周波数合致手段と、
    前記周波数合致手段により前記共鳴系の共鳴周波数と前記高周波電源の出力周波数とが合致した状態で前記共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、前記１次コイルより前記高周波電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンス整合を行うインピーダンス整合手段と、
    を備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
  2. 前記周波数合致手段は、前記高周波電源の出力周波数を前記共鳴系の共鳴周波数に合わせることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 前記周波数合致手段は、前記共鳴系の共鳴周波数を前記高周波電源の出力周波数に合わせることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
  4. インピーダンス測定器を更に備え、
    前記インピーダンス測定器により、負荷の変動を検知するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
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