JP2012530480A - 電力伝送システム及び非接触充電装置 - Google Patents

Abstract

電力伝送システム４０１は、電力送電装置１０１、電力受電装置２０１及び容量結合導体３０１で構成されている。電力送電装置１０１の筐体１０の上面付近には高電圧側導体１１が形成され、筐体１０の下面または外表面付近には低電圧側導体１２が形成されている。電力送電装置１０１には交番電圧発生回路１３が設けられている。電力受電装置２０１の筐体２０の下面付近には高電圧側導体２１が形成されていて、上面付近に低電圧側導体２２が形成されている。電力受電装置２０１には負荷回路２３が設けられている。高電圧側導体１１，２１はその対向によって容量結合し、低電圧側導体１２，２２は容量結合導体３０１を介して互いに結合する。
【選択図】図２

Description

この発明は非接触で電力を伝送する電力伝送システム及び、それを用いた非接触充電装置に関するものである。

非接触電力伝送システムに関する先行技術文献として特許文献１及び特許文献２を挙げる。
特許文献１の電力伝送システムは、カードリーダライタと非接触式カード間の電力伝送効率を高めるものであり、カードリーダライタと非接触式カードのそれぞれに二つの電極を設け、電力伝送時には、カードリーダライタの電極と非接触式カードの電極とが対をなして対向し、容量性結合により電力伝送が行われる。

特許文献１が対称な電気ダイポールを構成して電力伝送を行うのに対し、特許文献２の電力伝送システムは、非対称の電気ダイポールを構成して短い距離で結合電極を対向させ、相互静電誘導により電力伝送を行う。

図１は特許文献２の電力伝送システムの基本構成を示す図である。電力送電装置には、高周波高電圧発生器１、パッシブ電極２及びアクティブ電極３を備えている。電力受電装置には、高周波高電圧負荷５、パッシブ電極７及びアクティブ電極６を備えている。そして、電力送電装置のアクティブ電極３と電力受電装置のアクティブ電極６とが空隙４を介して近接することにより、この二つの電極同士が容量性結合する。

特開２００５−０７９７８６号公報 国際公開第２００７／１０７６４２号パンフレット

ところが、特許文献１に示されている電力伝送システムでは、電力送電装置の２つの電極と電力受電装置の２つの電極とをそれぞれ対向させる必要があるので、電力送電装置と電力受電装置とを規定の位置関係に配置しなければならず、両者の配置関係に自由度が極めて低いという問題がある。また電力送電装置と電力受電装置のそれぞれの電極が対称な構成であり、回路の接地電極とは分離しているので、各電極に掛かる電圧が高くなるという問題がある。さらに、電極の周囲が遮蔽されていないので、電極周囲に不要な（電力伝送に寄与しない）電界が広がるという問題があった。

特許文献２に示されている電力伝送システムでは、アクティブ電極同士だけで対向しているので容量性結合の結合度をあまり高くできず、所定電力を伝送する際により高い電圧が必要になる。また、高電圧部が露出しているため、不要な電界の広がりが生じる。さらに、電力受電装置側のパッシブ電極の電位変動が大きい場合にも同様に電界が周囲に広がるという問題がある。

そこで、この発明の目的は、結合用電極に印加される電圧を低くして不要な電界の広がりを抑制し、また、電力送電装置と電力受電装置との相対的な位置関係の自由度を高めた電力伝送システムを提供することにある。

この発明の電力伝送システムは次のように構成する。
相手側装置の容量結合電極との間で容量性結合する容量結合電極を互いに備えた電力送電装置及び電力受電装置を備え、前記電力送電装置及び前記電力受電装置の前記容量結合電極は、高電圧側導体（アクティブ電極）と、低電圧側導体（パッシブ電極）とで構成され、前記電力送電装置に、前記電力送電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に印加する交番電圧を発生する交番電圧発生回路を備え、前記電力受電装置に、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される電力の負荷回路を備え、前記電力送電装置及び前記電力受電装置のそれぞれの前記低電圧側導体と容量性結合する容量結合導体を設ける。

相手側装置の容量結合電極との間で容量性結合する容量結合電極を互いに備えた電力送電装置及び電力受電装置を備え、
前記電力送電装置及び前記電力受電装置の前記容量結合電極は、高電圧側導体（アクティブ電極）と、低電圧側導体（パッシブ電極）とで構成され、
前記電力送電装置に、前記電力送電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に印加する交番電圧を発生する交番電圧発生回路を備え、
前記電力受電装置に、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される電力の負荷回路を備え、
前記電力送電装置の前記低電圧側導体と導通し、前記電力受電装置の前記低電圧側導体と容量性結合する容量結合導体を設ける。

前記容量結合導体は、例えば導電性素材を含む織物で構成する。
前記容量結合導体は、例えば導電体の成形体で構成する。
この発明の非接触充電装置は、上記のいずれかに記載の電力伝送システムを備え、前記負荷回路は、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される交番電圧を整流平滑する整流平滑回路、及びこの整流平滑回路の出力で充電される充電素子を備え、前記電力送電装置に、前記交番電圧発生回路を制御して前記充電素子に対する充電制御を行う制御回路を設けるか、または前記負荷回路に、前記整流平滑回路を制御して前記充電素子に対する充電制御を行う制御回路を設けたものとする。

この発明によれば、次のような効果を奏する。
電力送電装置と電力受電装置との間の結合度が大きくなり、電力伝送効率を高めることができるとともに装置の小型化が図れる。
電力伝送効率が高まることにより、伝送可能な電力の上限を高めることができる。
結合度が大きくなることにより、電力送電装置の高電圧側導体の印加電圧を低く設定することができ、それに伴って、電力受電装置の高電圧側導体の電位も低くすることができる。
さらに、シート材の裏面に導体層を形成して、その導体層を接地することにより、静電遮蔽が実現し、不要放射が低減できる。

特許文献２の電力伝送システムの基本構成を示す図である。 電力伝送システム４０１の主要部を概念的に表す断面図である。 図３（Ａ）は電力受電装置２０１の下面図、図３（Ｂ）は電力送電装置１０１の上面図である。 図２に示した電力受電装置２０１の内部に備えている負荷回路２３の回路構成を示す図である。 第２の実施形態に係る電力伝送システム４０２の主要部を概念的に表す断面図である。 第３の実施形態に係る電力伝送システム４０３の主要部を概念的に表す断面図である。 第４の実施形態に係る２つの電力伝送システム４０４，４０５の主要部を概念的に表す断面図である。 第５の実施形態に係る２つの電力伝送システム４０６，４０７の主要部を概念的に表す断面図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る電力伝送システムの構成を図２〜図４を参照して説明する。
図２は電力伝送システム４０１の主要部を概念的に表した断面図である。電力伝送システム４０１は電力送電装置１０１及び電力受電装置２０１で構成されている。電力送電装置１０１の筐体１０の上面付近には、高電圧側導体１１と、この高電圧側導体１１の周囲を絶縁状態で取り囲む低電圧側導体１２とが形成されている。また、電力送電装置１０１の筐体１０内には、高電圧側導体１１と低電圧側導体１２との間に交番電圧を印加する交番電圧発生回路１３が設けられている。この例では低電圧側導体１２は筐体１０の外周面に沿って配置されている。したがって、交番電圧発生回路１３は低電圧側導体１２で覆われている。

電力受電装置２０１の筐体２０の下面付近には、高電圧側導体２１が形成されている。電力受電装置２０１の筐体２０の上面付近には、低電圧側導体２２が形成されている。また、電力受電装置２０１の筐体２０内には、高電圧側導体２１と低電圧側導体２２との間に誘起される電圧の負荷回路２３が設けられている。

先ず、電力送電装置１０１の高電圧側導体１１と電力受電装置２０１の高電圧側導体２１とが対向するように、電力送電装置１０１に対して電力受電装置２０１を配置する。

この状態で、電力送電装置１０１及び電力受電装置２０１の上部を覆うように、容量結合導体３０１を被せる。この容量結合導体３０１は柔軟な導電性のシートであり、金属細線を編込んだ織物や、金属箔などで構成することができる。通常、樹脂、ガラス、布などの絶縁コートをする。また、局所的に電界が強くならないように、鋭い部位の極力無い形状とする。

また、結合部を高誘電率にすることで結合度を高めることが可能となる。例えば、セラミックス材料（εr＝７程度以上）などを用いればよい。

図２に示すように、電力送電装置１０１に電力受電装置２０１を載置した状態で、高電圧側導体１１と高電圧側導体２１との対向部分に容量が生じる。一方、電力送電装置１０１の低電圧側導体１２と容量結合導体３０１との間、及び電力受電装置２０１の低電圧側導体２２と容量結合導体３０１との間にそれぞれ容量が生じる。すなわち、高電圧側導体１１，２１、低電圧側導体１２，２２、及び容量結合導体３０１が容量結合電極として作用する。

電力送電装置１０１の低電圧側導体１２は高電圧側導体１１を囲む構造であるので、高電圧側導体１１が静電シールドされ、不要放射が低減できる。

前記交番電圧発生回路１３は、巻線トランス、圧電トランス、またはＬＣ共振回路などを用いて、例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波高電圧を発生する回路である。
負荷回路２３は、整流平滑回路と、この整流平滑回路の出力電圧で動作する低電圧回路とで構成されている。前記整流平滑回路は、ダイオードブリッジ回路及び平滑コンデンサによって整流平滑回路を構成する。交流負荷の場合には、整流することなく、交流電圧のまま降圧する降圧トランスや分圧回路などを用いて、交流負荷に交流電圧を供給する。

前記電力送電装置１０１の低電圧側導体１２は交番電圧発生回路１３の基準電位（グランド電位）である。また電力受電装置２０１の低電圧側導体２２は負荷回路２３の基準電位（グランド電位）である。したがって、高電圧側導体１１，２１がアクティブ電極として作用し、低電圧側導体１２，２２がパッシブ電極として作用する。

本発明の電力伝送システムは、変動電磁界（準静的な電界）を用いた短距離エネルギー伝送を基本原理とする。波長λが電場発振源のサイズや動作範囲（距離ｄ）に対して十分長い場合、すなわちｄ／λ＜＜１の関係であれば、準静的な電場は電場発生源の近傍に留まり（束縛され）、遠方への放射量は無視できる程度に小さい。

なお、電磁波はトランスバースモード（電界と磁界の両方が伝播方向に対して垂直）であるのに対し、本発明のように準静的な電場を使用した電力伝送では、エネルギーが電界と同じ方向に伝送される。準静電場を取り扱う低周波数帯では、“Ｚ＝Ｖ／Ｉ“の公式が当てはまる（Ｚ：インピーダンス、Ｖ：電圧、Ｉ：電流）。

前記筐体１０，２０は例えばＡＢＳ樹脂などのプラスチックであり、プラスチック筐体内部に導体層を一体成形することによって筐体の外表面は絶縁構造にできる。これにより、高電圧側導体１１に数１００Ｖ以上の高電圧が印加される場合でも安全性が保てる。

図３（Ａ）は電力受電装置２０１の下面図、図３（Ｂ）は電力送電装置１０１の上面図である。電力送電装置１０１の高電圧側導体１１は円形状である。低電圧側導体１２には、高電圧側導体１１と同軸の円形の開口部Ａ１を備えている。すなわち、高電圧側導体１１から絶縁状態で高電圧側導体１１を取り囲む位置に低電圧側導体１２が配置されている。電力受電装置２０１についても、高電圧側導体２１は円形状である。低電圧側導体２２は、筐体２０の上面に沿って、外面には絶縁状態で配置されている。

低電圧側導体１２−２２間は、容量結合導体３０１を介して大きな容量で容量結合される。そのため、アクティブ電極である高電圧側導体１１，２１同士の結合容量より、パッシブ電極である低電圧側導体１２，２２同士の結合容量が大きくなる。このことにより、リターン電流の経路（容量結合での電流パス）が確保されて電力伝送が安定化される。また、低電圧側導体に掛かる電圧が容量分圧の分圧比に応じて下がるので、伝送電力が増大しても安全性が確保できる。

図２・図３に示した構造で、数値的な具体例は次のとおりである。
交番電圧発生回路１３は数１００Ｖ〜数ｋＶの範囲の高電圧を発生する。コロナ放電を抑制するためには３ｋＶ以下にすることが望ましい。周波数は１００ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの範囲で定める。周波数がある程度以上高くなると、高電圧側導体１１，２１から電磁波が放射されるので、周波数の上限は電磁波の放射損失によって制約される。

伝送電力５０Ｗ以下の場合、電力送電装置１０１の高電圧側導体１１のサイズは目安としてφ１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。高電圧側導体１１，２１のサイズは必要な伝送電力、電力伝送効率、製品の物理形状などの制約から決定される。例えば５０Ｗ以上のような大きな電力を扱う場合は、電極サイズはφ３０ｍｍ以上とする場合もあるし、微小電力を取り扱う場合は１０ｍｍ以下とすることもある。
以上に示した諸条件は、特定の場合についてのものであり、これらの値や範囲には限定されない。

図４は、図２に示した電力受電装置２０１の内部に備えている負荷回路２３の回路構成を示す図である。負荷回路２３は整流平滑回路３０及び低電圧回路部２９を備えている。整流平滑回路３０は、降圧トランスＴ、整流ダイオードＤ１，Ｄ２及び平滑コンデンサＣを備えている。トランスＴの一次巻線の一端は高電圧側導体２１に接続され、他端は低電圧側導体２２に接続されている。トランスＴの二次巻線には整流ダイオードＤ１，Ｄ２及び平滑コンデンサＣによる全波整流回路が構成されている。

前記整流平滑回路３０に共振回路を構成してもよい。または整流平滑回路３０の前段または後段に共振回路を設けてもよい。共振回路を設けることによる効果は次のとおりである。まず、電力送電装置１０１と電力受電装置２０１とは結合度ｋ（ｋ＜１）で互いに結合している。共振回路が組み込まれていない場合、結合しないエネルギーは損失となる。すなわち電力伝送効率は低い。共振回路を設けると、結合しないエネルギーをリアクティブなエネルギーとして共振回路に蓄積することができる。これは、共振回路が無い場合に損失となるエネルギーがリサイクルされると考えることができる。また、共振回路のＱファクタが等価的結合係数を増大させる、と考えることもできる。その結果、電力伝送効率が改善できる。特に結合度が弱い場合（ｋ＜＜１）に、その効果は顕著に現れる。

この例では電力伝送システム４０１は非接触充電装置を構成していて、低電圧回路部２９は、整流平滑回路３０によって整流平滑された電圧を電源にして動作する制御回路３１及び二次電池３２を備えている。制御回路３１は二次電池３２の充電制御及び二次電池３２を電源にして充電制御及びその他の所定の回路動作を行う。

なお、二次電池３２の充電状態を通信によってモニターする手段を設けるとともに、二次電池３２の充電制御を行う回路を電力送電装置１０１側に設けてもよい。
以上に示した構成は、前記二次電池以外に電気二重層などの充電素子に対しても同様に適用できる。

《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係る電力伝送システム４０２の主要部を概念的に表した断面図である。この電力伝送システム４０２は電力送電装置１０２及び電力受電装置２０２で構成されている。

図２に示した例では、電力送電装置１０１の上部に電力受電装置２０１を載置したが、図５は電力送電装置１０２と電力受電装置２０２とを並置する例である。図５に示すように、電力送電装置１０２の側部に高電圧側導体１１を設け、電力受電装置２０２の側部に高電圧側導体２１を設け、両者を横に並置した状態で容量結合導体３０２を被せる。このようにして容量結合させることもできる。

《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る電力伝送システム４０３の主要部を概念的に表した断面図である。図２に示した構成と異なるのは、容量結合導体３０２が電力送電装置１０３の低電圧側導体１２と導通している点である。この構成によれば、容量結合導体３０２と低電圧側導体２２との間に生じる容量が、低電圧側導体１２と２２との間に直接接続されることになるので、低電圧側導体１２−２２間の容量を大きくする（稼ぐ）ことができる。

《第４の実施形態》
図７は第４の実施形態に係る２つの電力伝送システム４０４，４０５の主要部を概念的に表した断面図である。
図７（Ａ）の例では、金属板を成形した容量結合導体３０３を設けている。この容量結合導体３０３は、その内天面が電力受電装置２０１の低電圧側導体２２と対向し、裾部分が電力送電装置１０１の低電圧側導体１２と対向するように予め成形している。

図７（Ｂ）の例でも、金属板を成形した容量結合導体３０４を設けている。この容量結合導体３０４は、その内天面が電力受電装置２０１の低電圧側導体２２と対向し、フランジ状の部分が電力送電装置１０１の上面で低電圧側導体１２と対向するように予め成形している。

前記容量結合導体３０３，３０４は３面だけを折り曲げた断面コの字形状や周囲をすべて囲った五面形状など、多種多様な形状が考えられる。また、この容量結合導体３０３，３０４等には小さな穴が開いていてもよいし、メッシュ状の金属板を加工してもよい。さらにはプラスチックの表面にメッキ加工して導体を形成してもよい。

なお、第３の実施形態で示したように、電力送電装置側の低電圧側導体と導通させることにより、より結合を強くさせることもできる。但し、基本的に導体が露出しない構成が望まれているので、その場合には電力送電装置・電力受電装置共に表面は絶縁状態とする。また、局所的に電界が強くならないように、鋭い部位を極力無くしたり、絶縁材で覆ったりすることは、この第４の実施形態でも共通事項である。

なお、容量結合導体３０３，３０４等は電力送電装置１０１側に取り付けて、電力送電装置の一部としてもよい。

《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係る２つの電力伝送システム４０６，４０７の主要部を概念的に表した断面図である。
図８（Ａ）の例では、金属板を成形した容量結合導体３０５を電力受電装置２０１の周囲を囲むように設けている。この容量結合導体３０５は、その内天面が電力受電装置２０１の低電圧側導体２２と対向し、下面部分が電力送電装置１０１の上面で低電圧側導体１２と対向するように予め成形している。

前記容量結合導体３０５は、幾つかのコーナーで折り曲げて、断面略コ字型、断面略Ｃ字型、または断面ロ字型にしてもよい。また、略六面体形状としてもよい。
断面略コ字型、断面略Ｃ字型、または断面ロ字型であれば、使用時に、容量結合導体３０５の開口部から内部に電力受電装置２０１を挿入して、電力受電装置２０１と容量結合導体３０５とを一体化すればよい。また、略六面体形状であれば、その一面を開閉自在にしておき、内部に電力受電装置２０１を装着することによって、電力受電装置２０１と容量結合導体３０５とを一体化すればよい。

図８（Ｂ）の例でも、金属板を成形した容量結合導体３０６を設けている。この容量結合導体３０６は、その内天面が電力受電装置２０１の低電圧側導体２２と対向し、内底面が電力送電装置１０１の下面で低電圧側導体１２と対向するように予め成形している。

前記容量結合導体３０６についても幾つかのコーナーで折り曲げて、断面略コ字型、断面略Ｃ字型、または断面ロ字型にしてもよい。また、略六面体形状としてもよい。
断面コ字状であれば、使用時に、容量結合導体３０５の開口部から内部に、電力送電装置１０１と電力受電装置２０１を共に挿入して、これらと容量結合導体３０６とを一体化すればよい。また、略六面体形状であれば、その一面を開閉自在にしておき、内部に電力送電装置１０１と電力受電装置２０１とを共に挿入することによって、それらと容量結合導体３０６とを一体化すればよい。

なお、容量結合導体３０５，３０６等には小さな穴が開いていてもよいし、メッシュ状の金属板の加工により形成してもよい。さらにはプラスチックの表面にメッキ加工して容量結合導体を形成してもよい。

Ａ１…開口部
Ｃ…平滑コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２…整流ダイオード
Ｔ…トランス
１０，２０…筐体
１１，２１…高電圧側導体
１２，２２…低電圧側導体
１３…交番電圧発生回路
２３…負荷回路
２９…低電圧回路部
３０…整流平滑回路
３１…制御回路
３２…二次電池
１０１〜１０３…電力送電装置
２０１，２０２…電力受電装置
３０１〜３０６…容量結合導体
４０１〜４０７…電力伝送システム

Claims (5)

1. 相手側装置の容量結合電極との間で容量性結合する容量結合電極を互いに備えた電力送電装置及び電力受電装置を備え、
   前記電力送電装置及び前記電力受電装置の前記容量結合電極は、高電圧側導体と、低電圧側導体とで構成され、
   前記電力送電装置に、前記電力送電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に印加する交番電圧を発生する交番電圧発生回路を備え、
   前記電力受電装置に、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される電力の負荷回路を備え、
   前記電力送電装置及び前記電力受電装置のそれぞれの前記低電圧側導体と容量性結合する容量結合導体を設けた電力伝送システム。
2. 相手側装置の容量結合電極との間で容量性結合する容量結合電極を互いに備えた電力送電装置及び電力受電装置を備え、
   前記電力送電装置及び前記電力受電装置の前記容量結合電極は、高電圧側導体と、前記低電圧側導体とで構成され、
   前記電力送電装置に、前記電力送電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に印加する交番電圧を発生する交番電圧発生回路を備え、
   前記電力受電装置に、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される電力の負荷回路を備え、
   前記電力送電装置の前記低電圧側導体と導通し、前記電力受電装置の前記低電圧側導体と容量性結合する容量結合導体を設けた電力伝送システム。
3. 前記容量結合導体は、導電性素材を含む織物である、請求項１または２に記載の電力伝送システム。
4. 前記容量結合導体は、導電体の成形体である、請求項１または２に記載の電力伝送システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電力伝送システムを備え、
   前記負荷回路は、前記電力受電装置の前記高電圧側導体と前記低電圧側導体との間に誘起される交番電圧を整流平滑する整流平滑回路、及びこの整流平滑回路の出力で充電される充電素子を備え、
   前記電力送電装置に、前記交番電圧発生回路を制御して前記充電素子に対する充電制御を行う制御回路を設けた、または前記負荷回路に、前記整流平滑回路を制御して前記充電素子に対する充電制御を行う制御回路を設けた、非接触充電装置。

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