JP2012200031A

JP2012200031A - 給電システム

Info

Publication number: JP2012200031A
Application number: JP2011060603A
Authority: JP
Inventors: Shingo Tanaka; 信吾田中; Manabu Horiuchi; 学堀内; Kazuyoshi Kagami; 和義加々美
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】給電側ヘリカルコイルと受電側ヘリカルコイルとの中心軸のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部から受電部へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供する。
【解決手段】給電部３には、電力が給電される給電側ループアンテナ６と給電側ループアンテナ６に対して中心軸方向に対向するように配置され当該給電側ループアンテナ６に電磁結合された給電側ヘリカルコイル７とが設けられている。受電部５には、給電側ヘリカルコイル７に対して中心軸方向に対向して配置されると当該給電側コイル７と電磁共鳴する２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとこの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの各々に対して中心軸方向に対向するように配置され当該受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂに電磁共鳴する２つの受電側ループアンテナ９ａ、９ｂとが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電システムに係り、特に、給電側コイルから受電側コイルに非接触で電力を供給する給電システムに関するものである。

上述した給電システムとして、例えば図７及び図８に示すものが知られている（特許文献１、２）。同図に示すように、給電システム１は、給電部３と、受電部５と、を備えている。上記給電部３は、電力が供給される給電側ループアンテナ６と、給電側ループアンテナ６に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され当該給電側ループアンテナ６に電磁結合された給電側ヘルカルコイル７（＝給電側コイル）と、が設けられている。上記給電側ループアンテナ６に電力が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル７に送られる。

上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル７に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する受電側ヘリカルコイル８（＝受電側コイル）と、この受電側ヘルカルコイル８に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され当該受電側ヘリカルコイル８に電磁結合する受電側ループアンテナ９と、が設けられている。給電側ヘリカルコイル７に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル８にワイヤレスで送られる。

さらに、受電側ヘリカルコイル８に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ９に送られ、この受電側ループアンテナ９に接続された負荷に供給される。上述した給電システム１によれば、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８との電磁共鳴により非接触で給電側から受電側に電力を供給することができる。

そして、上述した受電部５を自動車４に設け、給電部３を道路２などに設けることにより、上述した給電システム１を利用してワイヤレスで自動車４に搭載された負荷に電力を供給することが考えられている。ところで、上述した給電システム１においては、給電側ヘリカルコイル７の中心軸Ｃ₁と、受電側ヘリカルコイル８の中心軸Ｃ₂と、が同軸となるように、自動車４を停車させることは難しく、図９に示すように中心軸Ｃ₁、Ｃ₂にずれｘが生じることがある。

本発明者らは、上述した図８に示す給電システム１である従来品Ａにおいて、上述した中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘを０ｍｍ〜Ｄｍｍの範囲で変化させたときの受電側ループアンテナ９の伝送効率をシミュレーションした。結果を図１１の実線で示す。

なお、このとき給電側ループアンテナ６及び受電側ループアンテナ９は、互いに同一であり、径Ｒ₁₁＝Ｒ₁₂＝０．６Ｄｍｍとしている。上記給電側ヘリカルコイル７及び受電側ヘリカルコイル８は、互いに同一であり、径Ｒ₂₁＝Ｒ₂₂＝Ｄｍｍとしている。また、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８との距離Ｌ₁は０．６８Ｄｍｍに固定されている。さらに、給電側ループアンテナ６、受電側ループアンテナ９の特性インピーダンスは、何れも５０Ωとしている。

図１１の実線に示すように、中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘが０ｍｍ〜０．３３Ｄｍｍであれば、伝送効率はほぼ１００％となるが、中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘが０．３３Ｄｍｍを超える伝送効率が低下しはじめ、ずれｘが大きくなるに従って伝送効率の低下も大きくなる。

そこで、この問題を解決するために、図１０に示すように、給電側ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を受電側ヘリカルコイル８の径Ｒ₂₂に比べて大きくして、中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘによる伝送効率の低下を抑えることが考えられている。

この図１０に示す給電システム１である従来品Ｂにおいて、中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘを０ｍｍ〜Ｄｍｍの範囲で変化させたときの受電側ループアンテナ９の伝送効率を測定した結果を図１１の点線で示す。

なお、このとき受電側ループアンテナ９は、従来品Ａと同じで、径Ｒ₁₂＝０．６Ｄｍｍとし、受電側ヘリカルコイル８は、従来品Ａと同じで、径Ｒ₂₂＝Ｄｍｍとしている。また、給電側ループアンテナ６は、径Ｒ₁₁＝１．７Ｄｍｍとし、給電側ヘリカルコイル７は径Ｒ₂₁＝２Ｄｍｍとしている。さらに、距離Ｌ₁は従来品Ａと同様に０．６８Ｄｍｍに固定している。

図１１の点線で示すように、給電側ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を受電側ヘリカルコイル８の径Ｒ₂₂に比べて大きくすることにより、伝送効率の低下を抑制できる。さらに、給電側ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を２Ｄｍｍから４Ｄｍｍに大きくすると一層、伝送効率の低下が抑制されることも確認されている。

しかしながら、このように給電側ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を受電側ヘリカルコイル８の径Ｒ₂₂に比べて大きくしてもまだ中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘに起因する伝送効率の低下の抑制が十分でない、という問題があった。

特開２０１０−１２４５２２号公報特開２０１０−６８６５７号公報

そこで、本発明は、給電側コイルと受電側コイルとの中心軸のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部から受電部へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、電力が給電される給電側コイルと、前記給電側コイルに対して中心軸方向に対向するように離間して配置されると当該給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力が伝送される複数の受電側コイルと、を備え、前記複数の受電側コイルが、同一平面上に互いに離間して配置されていることを特徴とする給電システムに存する。

請求項２記載の発明は、前記給電側コイルの径が、前記受電側コイルの径よりも大きく設けられていることを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、受電側コイルを複数設けて、同一平面上に互いに離間して配置することにより、給電側コイルと受電側コイルとの中心軸のずれにより、複数の受電側コイルのいくつかに伝送される電力が減っても複数の受電側コイルの残りに伝送される電力が増えるため、中心軸のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部から受電部へ高効率で電力を供給することができる。

請求項２記載の発明によれば、給電側コイルの径を、受電側コイルの径よりも大きく設けることにより、より一層、給電側コイルと受電側コイルとの中心軸のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部から受電部へ高効率で電力を供給することができる。

本発明の給電システムの一実施形態を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１に示す給電システムの構成を示す斜視図及び側面図である。図１に示す給電システムの構成を示す上面図である。ずれｘに対する従来品Ｂの伝送効率Ｓ２１、本発明品の伝送効率Ｓ２１、Ｓ３１、（Ｓ２１＋Ｓ３１）をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１に示す給電システムにおけるずれｘを説明するための説明図である。（Ａ）はずれｘ＝０ｍｍ、距離ｄ＝３．３Ｄｍｍのときの本発明品の交流電流の周波数に対する伝送効率Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ３２を示すグラフであり、（Ｂ）はずれｘ＝０ｍｍ、距離ｄ＝２Ｄｍｍのときの本発明品の交流電流の周波数に対する伝送効率Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ３２を示すグラフである。従来の給電システムの一例を示す図である。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図７に示す給電システムの構成を示す斜視図及び側面図である。従来の給電システムの問題点を説明するための説明図である。（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、従来の給電システムの一例を示す斜視図及び側面図である。図８に示す給電システムである従来品Ａと、図１０に示す給電システムである従来品Ｂと、における中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘと伝送効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の給電システムを図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本発明の給電システムの一実施形態を示す図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示す給電システムの構成を示す斜視図及び側面図である。図３は、図１に示す給電システムの構成を示す上面図である。同図に示すように、給電システム１は、道路２上などに設けられた給電手段としての給電部３と、自動車４の腹部分などに設けられた受電手段としての受電部５と、を備えている。

上記給電部３は、図１〜図３に示すように、電力が供給される給電側ループアンテナ６と、給電側ループアンテナ６に対して中心軸方向に対向するように離間して配置され当該給電側ループアンテナ６に電磁結合された給電側ヘリカルコイル７（＝給電側コイル）と、が設けられている。この給電側ループアンテナ６は、円形のループ状に設けられていて、その中心軸Ｃ₁が道路２から自動車４の腹部分に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。上述した給電側ループアンテナ６には、図示しない交流電源から交流電力が供給されている。

上記給電側ヘリカルコイル７は、例えば巻線を給電側ループアンテナ６の径よりも大きな径の円形のヘリカル（螺旋）状に巻いて構成されている。また、上記給電側ヘリカルコイル７は、上記給電側ループアンテナ６の自動車４側に、給電側ループアンテナ６と同軸上に配置されている。本実施形態では、給電側ループアンテナ６は、給電側ヘリカルコイル７の最も自動車４から離れた側の巻線と同一平面上に配置されている。

これにより、給電側ループアンテナ６と給電側ヘリカルコイル７とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ６に交流電力が供給され、交流電流が流れると給電側ヘリカルコイル７に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。

上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル７に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂと、この受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂそれぞれに対してその中心軸方向に対向するように配置され当該受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂに電磁結合された２つの受電側ループアンテナ９ａ、９ｂと、が設けられている。

上記受電側ループアンテナ９ａ、９ｂには、図示しない車載バッテリなどの負荷が接続されている。この負荷には、各受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに供給される電力の総和が供給される。また、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂは、円形のループ状に設けられていて、その中心軸Ｃ₂₁、Ｃ₂₂が自動車４の腹部分から道路２に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。また、上記受電側ループアンテナ９ａ、９ｂは、互いに同一に設けられていて、上述した給電側ループアンテナ６の径よりも小さな径に設けられている。

上記受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂは、互いに同一に設けられていて、巻線を上記給電側ヘリカルコイル７の径よりも小さく、上記受電側ループアンテナ９ａ、９ｂの径よりも大きな径の円形のヘリカル状に巻いて構成されている。即ち、給電側ヘリカルコイル７の径は、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの径よりも大きくなるように設けられている。上記受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂは各々、上述した受電側ループアンテナ９ａ、９ｂの道路２側に、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂと同軸上に配置されている。本実施形態では、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂは、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの最も道路２から離れた側の巻線と同一平面上に配置されている。

これにより、受電側ループアンテナ９ａと受電側ヘリカルコイル８ａ、受電側ループアンテナ９ｂと受電側ヘリカルコイル８ｂは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂに交流電流が流れると受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。また、上述した受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂは、同一平面上に互いに離間して設けられている。

上述した給電システム１によれば、自動車４が給電部３に近づいて給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したときに、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとが電磁共鳴して給電部３から受電部５に非接触で電力を供給できる。

詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ６に交流電流が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル７に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル７には、給電側ループアンテナ６を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル７に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂにワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂに電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに送られ、この受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに接続された負荷に供給される。

上述した給電システム１によれば、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ及び受電側ループアンテナ９ａ、９ｂを複数設けることにより、給電側ヘリカルコイル７の中心軸Ｃ₁と受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとの中心軸Ｃ₂₁及びＣ₂₂のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。

次に、本発明者らは、図１０に示す給電システム１である従来品Ｂにおいて、上述した中心軸Ｃ₁、Ｃ₂のずれｘを０ｍｍ〜３Ｄｍｍの範囲で変化させたときの給電側ヘリカルコイル７から受電側ヘリカルコイル８への伝送効率Ｓ２１をシミュレーションすると共に、図１〜図３に示す給電システム１である本発明品において、上述した中心軸Ｃ₁と中心軸Ｃ₂₁及びＣ₂₂とのずれｘを０ｍｍ〜３Ｄｍｍの範囲で変化させたときの給電側ヘリカルコイル７から受電側ヘリカルコイル８ａへの伝送効率Ｓ２１、給電側ヘリカルコイル７から受電側ヘリカルコイル８ｂへの伝送効率Ｓ３１、給電側ヘリカルコイル７から受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂへの伝送効率の総和Ｓ２１＋Ｓ３１をシミュレーションして、本実施形態の効果を確認した。結果を図４に示す。

なお、上記本発明品においてずれｘとは、図５に示すように、２つの中心軸Ｃ₂₁及びＣ₂₂の中心と中心軸Ｃ₁とのずれを示す。また、給電側ヘリカルコイル７は、従来品Ｂも本発明品も同一であり、径Ｒ₂₁＝４Ｄｍｍとしている。受電側ヘリカルコイル８、８ａ、８ｂは、互いに同一であり、径Ｒ₂₂＝Ｄｍｍとしている。また、本発明品においては、中心軸Ｃ₂₁及びＣ₂₂間の距離ｄを２Ｄｍｍに固定している。

図４に示すように、図中の点線で示す従来品Ｂの伝送効率Ｓ２１に比べて実線で示す本発明品の伝送効率（Ｓ２１＋Ｓ３１）は、ずれｘに起因する伝送効率の低下が抑制されていることが分かった。詳しく説明すると、従来品Ｂはずれｘが１．３３Ｄｍｍ以内では高い伝送効率Ｓ２１を保つことができるが、ずれｘが１．３３Ｄｍｍ以上になると伝送効率Ｓ２１が急激に低下する。これに対して、本発明品は高い伝送効率（Ｓ２１＋Ｓ３１）を保てるずれｘの範囲を上記１．３３Ｄｍｍ内から２．３３Ｄｍｍ内に拡大することができる。

また、図４から明らかなように、ずれｘが０ｍｍの場合は、給電側ヘリカルコイル７から放射されるエネルギーは、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂに均等に伝送されるが、ずれｘの増加に伴い受電側ヘリカルコイル８ａへの伝送量が増えて、受電側ヘリカルコイル８ｂへの伝送量が減ることが見て取れる。

なお、受電ヘリカルコイル８ａの伝送効率Ｓ２１と受電ヘリカルコイル８ｂの伝送効率Ｓ３１との合成方法に関しては、電力を直流として取り出したい場合には、これら受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに伝送された交流電力を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器をさらに設け、このＡＣ／ＤＣ変換器により変換した直流同士を合成するのが簡易で現実的な方法となる。

一方、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに伝送された交流電力同士を合成すると、２つの交流電力の位相差によって互いに電力を弱め合いロスが生じる恐れがある。しかしながら、交流電力の波長がずれｘに比べて極めて大きく、位相差によるロスが問題とならない範囲であれば、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂに伝送された交流電力同士を合成してもよい。本実施形態では、交流電力の周波数をｆ０ＭＨｚに固定している。ｆ０はおよそ１０ＭＨｚなので、波長は約３０ｍｍとなり、Ｄｍｍのずれｘによる位相差は殆んど問題にならない程度のロスとなる。

また、本発明者は、図１〜図３に示す本発明品の給電システム１において、ずれｘ＝０ｍｍに固定し、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ間の距離ｄを３．３３Ｄｍｍとしたときの給電側ループアンテナ６に供給する交流の周波数に対する伝送効率Ｓ２１、Ｓ３１、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８との間の伝送効率Ｓ３２をシミュレーションした。結果を図６（Ａ）に示す。また、本発明者は、ずれｘ＝０ｍｍに固定し、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ間の距離ｄを２Ｄｍｍとしたときの給電側ループアンテナ６に供給する交流の周波数に対する伝送効率Ｓ２１、Ｓ３１、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ間の伝送効率Ｓ３２をシミュレーションした。結果を、図６（Ｂ）に示す。同図に示すように、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ間の距離ｄが短くなると、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ同士の相互干渉、即ち伝送効率Ｓ３２が大きくなり、伝送効率Ｓ３２が最大となる周波数が上昇する。このため、２つの受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂ間の距離ｄは固定しておく必要がある。

上述した実施形態によれば、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂを複数設け、同一平面上に互いに離間して配置することにより、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとの中心軸Ｃ₁及びＣ₂₁、Ｃ₂₂のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。

また、上述した実施形態によれば、給電ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの径Ｒ₂₂よりも大きく設けることにより、より一層、給電側ヘリカルコイル７と受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂとの中心軸Ｃ₁及びＣ₂₁、Ｃ₂₂のずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。

なお、上述した実施形態では、受電側ループアンテナ９ａ、９ｂ、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂをそれぞれ２つ設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。受電側ループアンテナ、受電側ヘリカルコイルとしては、複数あればよく、例えば３つ以上あってもよい。

また、上述した実施形態によれば、給電ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの径Ｒ₂₂よりも大きく設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明は、ずれｘにより受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの一方に伝送される電力が減っても他方に伝送される電力が増えればよく、例えば、給電ヘリカルコイル７の径Ｒ₂₁を、受電側ヘリカルコイル８ａ、８ｂの径Ｒ₂₂と同じに設けても良い。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１給電システム
７給電側ヘリカルコイル（給電側コイル）
８ａ受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
８ｂ受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
Ｃ₁ 中心軸
Ｃ₂₁ 中心軸
Ｃ₂₂ 中心軸

Claims

電力が給電される給電側コイルと、
前記給電側コイルに対して中心軸方向に対向するように離間して配置されると当該給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力が伝送される複数の受電側コイルと、を備え、
前記複数の受電側コイルが、同一平面上に互いに離間して配置されている
ことを特徴とする給電システム。
前記給電側コイルの径が、前記受電側コイルの径よりも大きく設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。