JP2012257374A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１次側の整合器において整合調整が容易な非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】高周波電源３０と、高周波電源３０から電力の供給を受ける１次側誘導コイル５１と、１次側誘導コイル５１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５２と、１次側共鳴コイル５２からの電力を磁場共鳴して受電する２次側共鳴コイル６１と、２次側共鳴コイル６１により受電された電力を電磁誘導により取り出す２次側誘導コイル６２と、２次側誘導コイル６２により受電された電力が供給される負荷８０と、高周波電源３０と１次側誘導コイル５１の間に設けられた整合器４０と、２次側誘導コイル６２と負荷８０の間に設けられた整流器７０と、を備えている。整流器７０の容量性リアクタンス成分を打ち消すように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値が設定されている。
【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。

非接触電力伝送装置の構成として、１次側回路において電源と整合回路とコイルを備えるとともに、２次側回路においてコイルと可変インピーダンス回路と整流回路を備えたものがある（例えば、特許文献１，２）。

この種の非接触電力伝送装置（例えば、非接触充電装置）の構成例を図４に示す。図４において、１次側回路としてインフラ（系統電源）１００、高周波電源１０１、整合器１０２、１次側コイル１０３を備えている。２次側回路として２次側コイル１０４、整流器１０５、負荷１０６を備えている。そして、負荷の変動、コイル間の距離の変化、コイルの位置ズレ変化で、系の入力インピーダンス（整合器１０２、コイル１０３，１０４、整流器１０５、負荷１０６により決定する）が変化すると、１次側整合器１０２で系の入力インピーダンスと高周波電源１０１の出力インピーダンスの整合調整を行う。

特開平１０−１４５９８７号公報 特開２００１−２３８３７２号公報

ところが、図４のシステム構成とした場合、整流器１０５により系の入力インピーダンスは容量性リアクタンス成分を含むので、整合調整が困難となる。
本発明の目的は、１次側の整合器において整合調整が容易な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次側誘導コイルと、前記１次側誘導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次側誘導コイルと、前記２次側誘導コイルにより受電された電力が供給される負荷と、前記高周波電源と前記１次側誘導コイルの間に設けられた整合器と、前記２次側誘導コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、を備え、前記整流器の容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１の非接触電力伝送装置において、前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の非接触電力伝送装置において、前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの誘導性リアクタンス値が前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの容量性リアクタンス値と同じになるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１の非接触電力伝送装置において、前記整合器の出力端から負荷までの容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の非接触電力伝送装置において、前記整合器の出力端から前記負荷までの誘導性リアクタンス値が前記整合器の出力端から前記負荷までの容量性リアクタンス値と同じになるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置において、前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値と前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値とが異なる値であることを要旨とする。

請求項１〜６に記載の発明によれば、高周波電源から電力が１次側誘導コイルと１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルと２次側誘導コイルと整流器を介して負荷に供給される。一方、高周波電源と１次側誘導コイルの間に設けられた整合器により整合調整される。ここで、整流器の容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および２次側誘導コイルの自己インダクタンス値が設定されているので、１次側の整合器において整合調整が容易となる。

特に、請求項３，５に記載の発明によれば、整流器の容量性リアクタンス成分を打ち消すように１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および２次側誘導コイルの自己インダクタンス値が設定されているので、１次側の整合器において整合調整がより容易となる。

請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置において、前記整流器は、整流素子と平滑コンデンサを有することを要旨とする。
請求項７に記載の発明によれば、整流器は整流素子と平滑コンデンサを有する場合において、整合器において整合調整がより容易となる。

請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置において、前記１次側誘導コイルの巻数および前記２次側誘導コイルの巻数を調整することにより前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、１次側誘導コイルの巻数および２次側誘導コイルの巻数を調整することにより１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を容易に設定することができる。

本発明によれば、１次側の整合器において整合調整が容易な非接触電力伝送装置を提供することができる。

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。 別例の非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 他の別例の非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。 背景技術を説明するための非接触電力伝送装置の構成を模式的に示す構成図。

以下、本発明を具体化した一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、インフラ（系統電源）２０と、高周波電源３０と、整合器４０を介して高周波電源３０に接続された１次側誘導コイル５１と、１次側共鳴コイル５２と、２次側共鳴コイル６１と、２次側誘導コイル６２と、２次側誘導コイル６２に接続された整流器７０と、整流器７０に接続された負荷８０を備えている。１次側共鳴コイル５２にはコンデンサ５３が並列に接続されている。２次側共鳴コイル６１にはコンデンサ６３が並列に接続されている。

１次側誘導コイル５１と１次側共鳴コイル５２とコンデンサ５３とにより１次側共鳴器５０を構成するとともに、２次側共鳴コイル６１と２次側誘導コイル６２とコンデンサ６３とにより２次側共鳴器６０を構成している。また、整合器４０、１次側誘導コイル５１、１次側共鳴コイル５２、２次側共鳴コイル６１、２次側誘導コイル６２、整流器７０、負荷８０およびコンデンサ５３，６３は共鳴系を構成する。

高周波電源３０は、高周波電力（交流電力）を出力する電源である。
１次側誘導コイル５１、１次側共鳴コイル５２、２次側共鳴コイル６１および２次側誘導コイル６２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次側誘導コイル５１、１次側共鳴コイル５２、２次側共鳴コイル６１および２次側誘導コイル６２は、同じ巻径に形成されている。１次側共鳴コイル５２および２次側共鳴コイル６１は、同じ巻径、巻数に形成され、各コンデンサ５３，６３として同じコンデンサが使用されている。

整合器４０は、高周波電源３０と１次側誘導コイル５１との間に設けられている。整合器４０により高周波電源３０側のインピーダンスを変更することができる。
整流器７０は、２次側誘導コイル６２と負荷８０との間に設けられている。整流器７０は整流素子としてのダイオード７１と平滑コンデンサ７２で構成されている。ダイオード７１のアノード端子が２次側誘導コイル６２側となるとともにダイオード７１のカソード端子が負荷８０側となっている。平滑コンデンサ７２の一端がアースされるとともに他端がダイオード７１のカソード端子と結線されている。

１次側誘導コイル５１および２次側誘導コイル６２は、整流器７０の平滑コンデンサ７２による容量性リアクタンス（広義には整流器７０の容量性リアクタンス成分）を打ち消すべく、１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定する。

本実施形態では、整合器４０の出力端から負荷８０までの誘導性リアクタンス値が整合器４０の出力端から負荷８０までの容量性リアクタンス値と同じになるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定しており、より具体的には、１次側誘導コイル５１の巻数に比べて２次側誘導コイル６２の巻数を多くしており、１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値と２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値とが異なる値である。

なお、整合器４０の出力端から負荷８０までの容量性リアクタンスは、コンデンサ５３の容量、コンデンサ６３の容量、整流器７０の容量、整流器７０のダイオード７１の寄生容量、負荷８０の容量を合成した値（その他寄生容量は無視できるほど小さいものとする）となる。ここで、負荷８０の容量については、負荷８０がバッテリの場合、例えば充電量が半分の時の容量値とする。一方、整合器４０の出力端から負荷８０までの誘導性リアクタンスは、１次側誘導コイル５１と１次側共鳴コイル５２と２次側共鳴コイル６１と２次側誘導コイル６２とを合成した値（その他寄生インダクタンスは無視できるほど小さいものとする）となる。

非接触電力伝送装置１０は、車両に搭載されたバッテリ（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６１、２次側誘導コイル６２、コンデンサ６３、整流器７０および負荷８０（バッテリ）が車両に搭載されている。一方、インフラ（系統電源）２０、高周波電源３０、整合器４０、１次側誘導コイル５１、コンデンサ５３、１次側共鳴コイル５２が、バッテリ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。

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。
使用前に１次側誘導コイル５１の巻数に比べて２次側誘導コイル６２の巻数が多くされ、１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値が所望の値となるように設定される。これにより、整流器７０の平滑コンデンサ７２による容量性リアクタンス（広義には整流器７０の容量性リアクタンス成分）が打ち消される。その結果、１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定することにより整合器４０による整合調整が容易となる。

負荷８０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８０（例えばバッテリ）への給電が行われる。
高周波電源３０から１次側誘導コイル５１に共鳴系の共鳴周波数で高周波電力が出力され、１次側誘導コイル５１において高周波電源３０から電力の供給を受ける。さらに、１次側共鳴コイル５２において１次側誘導コイル５１から電力が電磁誘導により供給され、２次側共鳴コイル６１において１次側共鳴コイル５２からの電力を磁場共鳴して受電する。そして、２次側誘導コイル６２において２次側共鳴コイル６１により受電された電力を電磁誘導により取り出し、２次側誘導コイル６２により受電された電力が整流器７０において整流された後に負荷８０（例えばバッテリ）に直流電力が供給される。

また、負荷の変動、コイル５２，６１間の距離の変化、コイル５２，６１の位置ズレ変化等により、系の入力インピーダンスが変化すると、１次側整合器４０で系の入力インピーダンスと高周波電源３０の出力インピーダンスの整合調整が行われる。

以上のごとく、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）整流器７０の平滑コンデンサ７２による容量性リアクタンスを打ち消すように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定した。広義には、整流器７０の容量性リアクタンス成分を打ち消すように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定した。これにより、整合器４０において整合調整が容易になる。その結果、整合器の設計条件を緩和することができる。つまり、整合調整範囲の緩和と整合器構成素子選定要件の緩和を図ることができる。また、整合範囲を拡大することができる。

（２）整合器４０の出力端から負荷８０までの誘導性リアクタンス値が整合器４０の出力端から負荷８０までの容量性リアクタンス値と同じになるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定した。これにより、整流器７０の容量性リアクタンス成分を打ち消すように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値が設定されているので、１次側の整合器４０において整合調整がより容易となる。

（３）整流器７０は、整流素子としてのダイオード７１と平滑コンデンサ７２を有し、平滑コンデンサ７２により系の入力インピーダンスは容量性リアクタンスを含む場合において、１次側の整合器４０において整合調整がより容易となる。

（４）１次側誘導コイル５１の巻数および２次側誘導コイル６２の巻数を調整することにより１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を容易に設定することができる。

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。
・上記実施形態では、整流器７０の容量性リアクタンス成分を打ち消すように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定した。これに代わり、整流器７０の容量性リアクタンス成分を減少させるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定してもよい。例えば、整合器４０の出力端から負荷８０までの容量性リアクタンス成分を減少させるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定する。

・整合器４０の出力端から整流器７０の出力端までの容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定してもよい。

このとき、整合器４０の出力端から整流器７０の出力端までの誘導性リアクタンス値が整合器４０の出力端から整流器７０の出力端までの容量性リアクタンス値と同じになるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定すると、１次側の整合器４０において整合調整がより容易となる。

・上記実施形態では１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値の設定方法として、１次側誘導コイル５１の巻数および２次側誘導コイル６２の巻数を調整した。これに代わり、図２に示すように２次側誘導コイル６２の内部（内径側）における中心部分に磁性体９０を配置することにより、空間の透磁率を調整して１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定してもよい。あるいは、図３に示すように、２次側誘導コイル６２の外部（軸方向の外部）における近接する部位に磁性体９１を配置することにより、空間の透磁率を調整して１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定してもよい。さらには、１次側誘導コイル５１の大きさ（巻径）および２次側誘導コイル６２の大きさ（巻径）を調整して１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定してもよい。あるいは、１次側誘導コイル５１の導線の断面積および２次側誘導コイル６２の導線の断面積を調整して１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定してもよい。

・整流器７０は整流素子（ダイオード７１）とコンデンサ７２で構成した場合について説明したが、整流素子（ダイオード７１）のみの場合に適用してもよい。この場合には整流素子（ダイオード７１）の寄生の容量リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように１次側誘導コイル５１の自己インダクタンス値および２次側誘導コイル６２の自己インダクタンス値を設定する。

・２次側にインピーダンス調整回路があってもよい。

１０…非接触電力伝送装置、３０…高周波電源、４０…整合器、５１…１次側誘導コイル、５２…１次側共鳴コイル、６１…２次側共鳴コイル、６２…２次側誘導コイル、７０…整流器、８０…負荷。

Claims (8)

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次側誘導コイルと、
   前記１次側誘導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次側誘導コイルと、
   前記２次側誘導コイルにより受電された電力が供給される負荷と、
   前記高周波電源と前記１次側誘導コイルの間に設けられた整合器と、
   前記２次側誘導コイルと前記負荷の間に設けられた整流器と、
   を備え、
   前記整流器の容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする請求項１の非接触電力伝送装置。
3. 前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの誘導性リアクタンス値が前記整合器の出力端から前記整流器の出力端までの容量性リアクタンス値と同じになるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記整合器の出力端から負荷までの容量性リアクタンス成分を打ち消すまたは減少させるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする請求項１の非接触電力伝送装置。
5. 前記整合器の出力端から前記負荷までの誘導性リアクタンス値が前記整合器の出力端から前記負荷までの容量性リアクタンス値と同じになるように前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする請求項４に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値と前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値とが異なる値である請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
7. 前記整流器は、整流素子と平滑コンデンサを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。
8. 前記１次側誘導コイルの巻数および前記２次側誘導コイルの巻数を調整することにより前記１次側誘導コイルの自己インダクタンス値および前記２次側誘導コイルの自己インダクタンス値を設定したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の非接触電力伝送装置。

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