JP2012191697A

JP2012191697A - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP2012191697A
Application number: JP2011051160A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yoshihiro; 昌史吉弘
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】磁界共鳴を用いた非接触電力伝送において、共振コイル間距離が短い密結合状態における共振コイル間距離の変化に対する周波数の変動幅を小さく抑える。
【解決手段】送電側給電コイル３及び送電側共振コイル４を有する送電装置９と、受電側給電コイル６及び受電側共振コイル５を有する受電装置１０とを備え、送電側共振コイルおよび受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を送電側共振コイルに供給して励振し、送電側共振コイルと受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して受電側給電コイルから電力を取り出す非接触電力伝送装置。送電側共振コイルに集中定数インダクタ１４および集中定数キャパシタ１３が付加された送電側共振コイル装置１１、または受電側共振コイルに集中定数インダクタ１６および集中定数キャパシタ１５が付加された受電側共振コイル装置１２の少なくとも一方が構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、磁場の共鳴を利用して非接触（ワイヤレス）で電力を伝送する磁界共鳴型の非接触電力伝送装置に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１０ｋＨｚから数１００ｋＨｚ）による電磁誘導方式、電場または磁場共鳴を介したＬＣ共振間伝送による電界・磁界共鳴方式、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電方式、可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電方式が知られている。この中で既に実用化しているのは、電磁誘導方式である。これは簡易な回路で実現可能であるが、位置ずれに弱いため、位置合わせにかなりの工夫が必要である。また、送電距離が短い。従って、送電する１次コイルと、受電する２次コイルの磁気的結合を強くするために、１次コイルと２次コイルは十分に近接している必要がある。

そこで、近年、少し離間させた近距離（〜２ｍ）での伝送が可能な電界・磁界共鳴方式の電力伝送技術が、大電力を、電磁誘導よりも比較的遠方まで高効率で伝送できる技術として注目されている。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇している。

図７は、磁界共鳴を利用して、送電装置１から受電装置２へ電力を伝送する装置の構成例を示すブロック図である。送電装置１は、送電側給電コイル３と送電側共振コイル４を組合わせたコイル装置を備えている。受電装置２は、受電側共振コイル５と受電側給電コイル６とを組合わせたコイル装置を備えている。送電側給電コイル３には発振器７が接続され、交流電源（ＡＣ１００Ｖ）の電力から変換された高周波電力が供給される。受電側給電コイル６には、負荷（充電器など）８が接続されている。

送電側給電コイル３は、発振器７から供給される高周波電力により励起され、電磁誘導により送電側共振コイル４に電力を伝送する。送電側共振コイル３に供給される高周波電力は、送電側共振コイル４および受電側共振コイル５の共振周波数と等しい周波数に設定さる。送電側共振コイル４は、送電側給電コイル３から出力された高周波電力に基づいて磁界を発生させ、共振周波数ｆ０＝１／｛２π（ＬＣ）^1/2｝（Ｌは送電側の送電側共振コイル４のインダクタンスで、Ｃは浮遊容量を示す）において、磁界強度が最大となる。磁界共鳴により、送電側共振コイル４の電力は受電側共振コイル５に非接触で伝送される。伝送された電力は、受電側共振コイル５から電磁誘導により受電側給電コイル６へ伝送され、負荷８に供給される。

特許文献１には、このような磁界共鳴を利用した電力伝送装置において、伝送効率を最大にするための改良技術が開示されている。磁界共鳴により電力を伝送する場合、共振コイル間の結合度は共振コイル間の距離により変化することから、共振コイル間の距離が短くなるほど結合度は高くなり、電力の伝送効率は高くなる。しかし、共振コイル間の距離が短くなり過ぎると、この結合特性は、単峰特性の最大利得となる周波数においては利得が低下するため、単峰特性から双峰特性に変化する。すなわち、伝送効率が最大になる周波数が、インダクタとキャパシタによる共鳴周波数より低い周波数と高い周波数に分離する。このように結合特性が双峰特性となる状態を密結合状態という。

このため、共鳴回路に供給する電気信号の周波数を、単峰特性の最大利得に対応する周波数に設定して電力を伝送する場合には、共鳴回路間の距離が近くなり過ぎると、電力の伝送効率が低下してしまう問題が生じる。そこで、特許文献１には、共鳴回路間の密結合状態における電力の伝送効率の低下を抑制するように、送信周波数を伝送効率が最大になる周波数に調整することが開示されている。

特開２０１０−２００５６３号公報

上述のように、共鳴回路が密結合にある場合、伝送効率が最大になる周波数がインダクタとキャパシタによる共鳴周波数より低い周波数と高い周波数に分離する。そのため送信周波数を伝送効率が最大になる周波数に調整しなければならない。

一方、非接触で電力を伝送する場合、ＩＳＭバンド（Industry Science Medical band）に周波数を設定する必要がある。ところが、結合係数ｋが大きい密結合状態の場合、周波数の変動幅が大きくなり、ＩＳＭバンド外の電磁波の放射が発生する可能性がある。そのため、磁界共鳴による電力の伝送に支障を生じないように、ＩＳＭバンド外の電磁波放射を遮断する対策が必要となる。

そこで、本発明は、磁界共鳴を用いた非接触電力伝送において、共振コイル間距離が短い密結合状態における共振コイル間距離の変化に対する周波数の変動幅を小さく抑えて、ＩＳＭバンド内での電力伝送を容易にすることを目的とする。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを備え、前記送電側共振コイルおよび前記受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を前記送電側共振コイルに供給して励振し、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して前記受電側給電コイルから電力を取り出すように構成される。

上記課題を解決するために本発明の非接触電力伝送装置は、前記送電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加された送電側共振コイル装置、または前記受電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加された受電側共振コイル装置の少なくとも一方が構成されていることを特徴とする。

また、本発明の送電装置または受電装置は、送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを用い、前記送電側共振コイルおよび前記受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を前記送電側共振コイルに供給して励振し、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して前記受電側給電コイルから電力を取り出す非接触電力伝送に用いられる。

上記課題を解決するために本発明の送電装置は、前記送電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加されていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために本発明の受電装置は、前記受電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加されていることを特徴とする。

本発明によれば、共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加されることにより、共振コイル間距離の変化に対する周波数の変動幅が小さく抑制される。従って、広い距離範囲に亘って、高い伝送効率をＩＳＭバンドの範囲内で維持可能である。

本発明の一実施の形態における非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図同非接触電力伝送装置の共振コイルにキャパシタが付加されたコイル装置の構造を示す斜視図同非接触電力伝送装置の伝送利得Ｓ２１の測定結果の一例を示す図同非接触電力伝送装置の反射利得Ｓ１１の測定結果の一例を示す図同非接触電力伝送装置の他の構成例における伝送利得Ｓ２１の測定結果を示す図同非接触電力伝送装置の他の構成例における反射利得Ｓ１１の測定結果を示す図従来例の磁界共鳴現象を用いた非接触電力伝送の一例を示すブロック図

本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、上記構成において、前記集中定数インダクタのインダクタンスおよび前記集中定数キャパシタのキャパシタンスは、前記送電側共振コイル装置のインダクタンスと前記受電側共振コイル装置のインダクタンスが等しく、かつ前記送電側共振コイル装置のキャパシタンスと前記受電側共振コイル装置のキャパシタンスが等しくなるように設定されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態における非接触電力伝送装置について、図面を参照して説明する。

＜実施の形態＞
本発明の実施の形態における非接触電力伝送装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態の非接触電力伝送装置を示すブロック図である。図７に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の構成要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。

送電装置９及び受電装置１０を構成する、送電側給電コイル３、送電側共振コイル４、受電側共振コイル５、受電側給電コイル６、発振器７、負荷８は、図７に示した従来例と同様の要素である。本実施の形態は、送電側共振コイル４を含む送電側共振コイル装置１１、及び受電側共振コイル５を含む受電側共振コイル装置１２が構成されている点が、従来例とは異なる特徴である。

送電側共振コイル装置１１は、送電側共振コイル４に対して、集中定数キャパシタ１３、及び集中定数インダクタ１４を接続して構成されている。受電側共振コイル装置１２は、受電側共振コイル５に対して、集中定数キャパシタ１５、及び集中定数インダクタ１６を接続して構成されている。

従来例では、送電側共振コイル４、受電側共振コイル５はコイルのみで構成されており、共振のキャパシタ成分はコイルの線間の浮遊容量のみである。この場合、共振周波数の調整が煩雑なこと、あるいは周囲の誘電体（人体を含む）により共振周波数が変動し易いこと、等の問題がある。これに対して、集中定数キャパシタ１３、１５を付加することにより、共振周波数を安定化させることができる。さらに集中定数インダクタ１４、１６を追加することにより、見かけのＱ値を大きくして、コイル間距離が短い密結合状態における利得最大周波数の変動幅を小さく抑えることができる。本実施の形態のように構成された非接触電力伝送装置によって得られる効果を確認した実験について、以下に説明する。

実験に使用した共振コイル装置の構造を、図２に示す。プリント基板１７上に、直径１．５ｍｍでスパイラル状に３ターンのコイル１８を形成した。このコイル１８単体のインダクタンスは、１６０ｎＨである。コイル１８の端子は両方ともＶｉａを介して裏面に接続し、裏面の配線１９ａと１９ｂの間に共振周波数が１３．５６ＭＨｚになるように調整したキャパシタ２０を配置した。この共振コイル装置を２組用意し、対向させて配置して、送電側共振コイル装置及び受電側共振コイル装置として用いた。さらに、それらの送電側共振コイル装置と受電側共振コイル装置の外側に、送電側給電コイル３及び受電側給電コイル６を配置して、送電装置及び受電装置を構成した。

このように構成された送電装置及び受電装置により電力伝送の実験を行い、ベクトルネットワークアナライザ（以下ＶＮＡと略す）を用いて、伝送利得Ｓ２１と反射利得Ｓ１１を測定した。測定結果を、図３及び図４に示す。図３は、伝送利得Ｓ２１の測定結果、図４は、反射利得Ｓ１１の測定結果を示す。横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は利得（ｄＢ）である。各曲線は、送電装置の共振コイルと受電装置の共振コイルのコイル間距離ｄ（ｍｍ）を２ｍｍから１２ｍｍまで、それぞれ異ならせて測定した結果を示す。

図３及び図４から判るように、コイル間距離ｄが９ｍｍで臨界結合となり、それよりも距離が離れると疎結合となって利得が減少する。一方、臨界結合距離よりも近づくと密結合となり、利得のピークが、１３．５６ＭＨｚよりも低周波数側と高周波側に分離してしまう。距離２ｍｍまで近づけると、低周波数側は１１．９ＭＨｚまで低下した。

さらに、図１の送電側共振コイル装置１１と受電側共振コイル装置１２のように、図２のキャパシタ２０のような構成を有する集中定数キャパシタ１３、１５を付加するとともに、共振コイル４、５に直列に、集中定数インダクタ１４、１６（Ｌ＝５μＨ）を接続した。構成された送電装置９及び受電装置１０により電力伝送の実験を行い、ＶＮＡで伝送利得Ｓ２１と反射利得Ｓ１１を測定した。測定結果を図５及び図６に示す。図５は、伝送利得Ｓ２１の測定結果、図６は、反射利得Ｓ１１の測定結果を示す。横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は利得（ｄＢ）である。各曲線は、送電側共振コイル４と受電側共振コイル５のコイル間距離ｄ（ｍｍ）を２ｍｍから１２ｍｍまで、それぞれ異ならせて測定した結果を示す。

図５及び図６から判るように、コイル間距離ｄが９ｍｍで臨界結合となり、インダクタを設ける前後で変化しない。一方で密結合時の周波数の変化は、距離ｄが２ｍｍとなるまで近づけても、低周波数側は１３．４５ＭＨｚと、周波数変化量は大幅に縮小される。また、結合係数ｋは集中定数インダクタの追加で小さくなるが、Ｑ値は大きくなるので、結果として伝送効率はほとんど変化しない。すなわち、見かけのＱ値を大きくして、コイル間距離が短い密結合状態における利得最大周波数の変動幅を小さく抑えることができる。

上記効果を十分に得るためには、集中定数インダクタ１４、１６のインダクタンスおよび集中定数キャパシタ１３、１５のキャパシタンスは、送電側共振コイル装置１１のインダクタンスと受電側共振コイル装置１２のインダクタンスが等しく、かつ送電側共振コイル装置１１のキャパシタンスと受電側共振コイル装置１２のキャパシタンスが等しくなるように設定されることが望ましい。

以上の構成により、共振周波数の補正幅を小さくできるので、周波数幅の狭いＩＳＭバンドにも、磁界共鳴による電力伝送を容易に適用可能となる。

本発明の非接触電力伝送装置は、共振コイル間距離が短い密結合状態における周波数の変動幅を小さく抑えることが可能であり、携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器、ＴＶや電気自動車などへの非接触電力伝送装置に好適である。

１、９送電装置
２、１０受電装置
３送電側給電コイル
４送電側共振コイル
５受電側共振コイル
６受電側給電コイル
７発振器
８負荷
１１送電側共振コイル装置
１２受電側共振コイル装置
１３、１５集中定数キャパシタ
１４、１６集中定数インダクタ
１８コイル
１９ａ、１９ｂ配線
２０キャパシタ

Claims

送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを備え、
前記送電側共振コイルおよび前記受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を前記送電側共振コイルに供給して励振し、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して前記受電側給電コイルから電力を取り出す非接触電力伝送装置において、
前記送電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加された送電側共振コイル装置、または
前記受電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加された受電側共振コイル装置の少なくとも一方が構成されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記集中定数インダクタのインダクタンスおよび前記集中定数キャパシタのキャパシタンスは、前記送電側共振コイル装置のインダクタンスと前記受電側共振コイル装置のインダクタンスが等しく、かつ前記送電側共振コイル装置のキャパシタンスと前記受電側共振コイル装置のキャパシタンスが等しくなるように設定されている請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを用い、
前記送電側共振コイルおよび前記受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を前記送電側共振コイルに供給して励振し、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して前記受電側給電コイルから電力を取り出す非接触電力伝送に用いられる前記送電装置において、
前記送電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加されていることを特徴とする送電装置。
送電側給電コイル及び送電側共振コイルを有する送電装置と、受電側給電コイル及び受電側共振コイルを有する受電装置とを用い、
前記送電側共振コイルおよび前記受電側共振コイルの共振周波数と等しい周波数の電力を前記送電側共振コイルに供給して励振し、前記送電側共振コイルと前記受電側共振コイルとの間の磁界共鳴現象により電力を伝送して前記受電側給電コイルから電力を取り出す非接触電力伝送に用いられる前記受電装置において、
前記受電側共振コイルに集中定数インダクタおよび集中定数キャパシタが付加されていることを特徴とする送電装置。