JP2013013274A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a power feeding system, and more particularly to a power feeding system that supplies power from a power feeding side coil to a power receiving side coil in a contactless manner.
上述した給電システムとして、例えば図5に示すものが知られている(例えば非特許文献1、2)。同図に示すように、給電システム1は、給電手段としての給電部3と、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、電力が供給される給電側ループアンテナ32と、給電側ループアンテナ32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、給電側ループアンテナ32に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル33と、が設けられている。上記給電側ループアンテナ32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33に送られる。
As the power feeding system described above, for example, the one shown in FIG. 5 is known (for example,
上記受電部5は、給電側ヘリカルコイル33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コイルとしての受電側ヘリカルコイル51と、この受電側ヘリカルコイル51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51に電磁結合された受電側ループアンテナ52と、が設けられている。給電側ヘリカルコイル33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51にワイヤレスで送られる。
The
さらに、受電側ヘリカルコイル51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52に送られ、この受電側ループアンテナ52に接続されたバッテリなどの負荷に供給される。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33と受電側ヘリカルコイル51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。
Further, when power is sent to the power receiving side
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に搭載されたバッテリ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33の中心軸Z1と、受電側ヘリカルコイル51の中心軸Z2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5に示すように、中心軸Z1、Z2の位置ずれdが生じることがある。
Then, by providing the power receiving
本発明者らは、上述した図5に示す給電システム1において、中心軸Z1、Z2の位置ずれd=0の場合、位置ずれd=0.375D(D=受電側ヘリカルコイル51の直径)の場合それぞれについて、周波数f0付近での受電側ループアンテナ52の伝送効率S212をシミュレーションした。結果を図3の鎖線、一点鎖線で示す。
In the
同図に示すように、周波数f0での伝送効率S212は、位置ずれdが0のときは97%程度であるのに対して、位置ずれdが0.375Dのときは87%程度まで低下してしまう、という問題があった。 As shown in the figure, the transmission efficiency S21 2 at the frequency f0 is about 97% when the positional deviation d is 0, but decreases to about 87% when the positional deviation d is 0.375D. There was a problem that it would.
そこで、本発明は、給電側コイルと受電側コイルとの位置ずれdに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段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。 Therefore, the present invention provides a power feeding system that can suppress a reduction in transmission efficiency due to the positional deviation d between the power feeding side coil and the power receiving side coil and can supply power from the power feeding means to the power receiving means with high efficiency. This is the issue.
上述した課題を解決するための請求項1記載の発明は、電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記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を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方に設けられ、設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを可変にする整合器と、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出された位置に応じて前記整合器を調整して、前記整合器が設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。
The invention according to
請求項2記載の発明は、前記位置検出手段は、前記給電側コイルの中心軸と前記受電側コイルの中心軸との位置ずれdを相対位置として検出す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。
The invention according to
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、インピーダンス調整手段が、位置検出手段により検出された給電側コイルと受電側コイルとの相対位置に応じて整合器を調整して、整合器が設けられた給電手段及び受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するので、給電側コイルと受電側コイルとの位置ずれdに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, the impedance adjusting unit adjusts the matching unit according to the relative position between the power feeding side coil and the power receiving side coil detected by the position detecting unit, and the matching unit The impedance of at least one of the power feeding means and the power receiving means provided with is adjusted, so that a decrease in transmission efficiency due to the positional deviation d between the power feeding side coil and the power receiving side coil is suppressed, and high efficiency is achieved from the power feeding means to the power receiving means. Can supply power.
請求項2記載の発明によれば、位置検出手段は、給電側コイルの中心軸と受電側コイルの中心軸との位置ずれdを相対位置として検出するので、中心軸の位置ずれdに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。 According to the second aspect of the present invention, the position detecting means detects the positional deviation d between the central axis of the power feeding side coil and the central axis of the power receiving side coil as a relative position, and therefore is caused by the positional deviation d of the central axis. A reduction in transmission efficiency can be suppressed, and power can be supplied from the power supply unit to the power reception unit with high efficiency.
以下、本発明の給電システムを図1及び図2に基づいて説明する。図1は、本発明の給電システムを示す図である。図2は、図1に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。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。
The power supply system of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a power supply system of the present invention. FIG. 2 is a perspective view of a power feeding side loop antenna, a power feeding side helical coil, a power receiving side helical coil, and a power receiving side loop antenna constituting the power feeding system shown in FIG. As shown in the figure, the
上記給電部3は、直流電源6から供給される直流電力を交流電力に変換するDC/AC変換器31と、DC/AC変換器31により変換された交流電力が供給される給電側ループアンテナ32と、給電側ループアンテナ32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、給電側ループアンテナ32に電磁結合された給電側ヘリカルコイル33と、給電側ヘリカルコイル33に並列接続されたキャパシタC1及び整合器としての可変インダクタL1と、が設けられている。
The power feeding unit 3 includes a DC /
上記給電側ループアンテナ32は、円ループ状に設けられていて、その中心軸が道路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。この給電側ループアンテナ32の両端には、DC/AC変換器31が接続されていて、上述したようにDC/AC変換器31により変換された交流電力が供給される。
The feeding-
上記給電側ヘリカルコイル33は、例えば巻線をヘリカル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、給電側ヘリカルコイル33は、その巻数が2巻に設けられている。また、給電側ヘリカルコイル33は、上記給電側ループアンテナ32の自動車4側に、給電側ループアンテナ32と同軸上に配置されている。上記給電側ループアンテナ32と給電側ヘリカルコイル33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32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33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。
The power supply side
上記コンデンサC1は、共鳴周波数を調整するために設けられている。上記可変インダクタンスL1は、後述するCPU9から出力される調整信号に応じてインダクタンスが変化するコイルである。
The capacitor C1 is provided to adjust the resonance frequency. The variable inductance L1 is a coil whose inductance changes according to an adjustment signal output from the
上記受電部5は、給電側ヘリカルコイル33と電磁共鳴する受電側ヘリカルコイル51と、この受電側ヘリカルコイル51に対してその中心軸方向に対向するように配置され、受電側ヘリカルコイル51に電磁結合された受電側ループアンテナ52と、受電側ループアンテナ52が受電した交流電力を直流電力に変換するAC/DC変換器53と、受電側ヘリカル51に並列接続されたコンデンサC2と、が設けられている。
The
上記受電側ループアンテナ52には、AC/DC変換器53を介して車載バッテリなどの負荷7が接続されている。また、受電側ループアンテナ52は、円形のループ状に設けられていて、その中心軸が自動車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、本実施形態においては、図2に示すように、上記受電側ループアンテナ52は、上述した給電側ループアンテナ32と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ループアンテナ52の径が、上述した給電側ループアンテナ32の径よりも小さく設けられていても良い。
A load 7 such as an in-vehicle battery is connected to the power receiving
上記受電側ヘリカルコイル51は、例えば巻線を円形のヘリカルコイル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、受電側ヘリカルコイル51は、給電側ヘリカルコイル33と同様に、その巻数が2巻に設けられている。また、上記受電側ヘリカルコイル51は、上述した給電側ヘリカルコイル33と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ヘリカルコイル51の径が、上述した給電側ヘリカルコイル33の径よりも小さく設けられていてもよい。
The power receiving side
また、受電側ヘリカルコイル51は、上述した受電側ループアンテナ52の道路2側に、受電側ループアンテナ52と同軸上に配置されている。これにより、受電側ループアンテナ52と受電側ヘリカルコイル51とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル51に交流電流が流れると受電側ループアンテナ52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。上記コンデンサC2は、コンデンサC1と同様に、共鳴周波数を調整するために設けられている。これらコンデンサC1、C2は、給電側ヘリカルコイル33及び受電側ヘリカルコイル51の共鳴周波数が所望の周波数f0(例えば10MHz)となるように容量が予め調整されている。
The power receiving side
上述した給電システム1によれば、自動車4の受電部5が道路2に設けた給電部3に近づいて給電側ヘリカルコイル33と受電側ヘリカルコイル51とが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したとき、給電側ヘリカルコイル33と受電側ヘリカルコイル51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。
According to the
詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ32に交流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33に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル33には、給電側ループアンテナ32を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル33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51にワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル51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52に送られ、この受電側ループアンテナ52に接続された負荷7にAC/DC変換器53を介して供給される。
More specifically, when AC power is supplied to the power feeding
また、上述した給電システム1は、さらに図1に示すように、直流電源6とDC/AC変換器31との間に設けられたスイッチ8と、給電部3全体の制御を司るCPU9と、給電側ヘリカルコイル33及び受電側ヘリカルコイル51の相対位置を検出するための位置センサ10と、を備えている。
Further, as shown in FIG. 1, the
上記CPU9は、スイッチ8と、後述する受信器10bとに接続されている。上記位置センサ10は、自動車4に搭載され、受電側ヘリカルコイル51の近傍に配置された送信器10aと、道路2側に配置され、給電側ヘリカルコイル33の近傍に配置された受信器10bと、を備えている。上記送信器10aは、受電側ヘリカルコイル51の近傍に配置されるように自動車4の腹部分に配置されている。この送信器10aは、例えば、スポット光を出射する発光素子と、これら発光素子の発光を制御する制御回路などから構成されていて、定期的に上記スポット光を鉛直下側に向けて照射している。
The
上記受信器10bは、給電側ヘリカルコイル33の近傍に配置されるように道路2上に配置されている。受信器10bは、スポット光を受光する受光面が形成された受光素子と、このスポット光が照射される受光面上の位置に応じた位置信号を出力する検出回路などから構成されていて、この検出回路からの位置信号をCPU9に対して出力している。
The receiver 10 b is disposed on the
上記CPU9は、上記受信器10bからの位置信号に基づいて給電側ヘリカルコイル33と受電側ヘリカルコイル51との相対位置を検出する。具体的には、CPU9は、給電側ヘリカルコイル33の中心軸Z1(図2)と受電側ヘリカルコイル51の中心軸Z2(図2)との位置ずれd(図5)を相対位置として検出する。なお、本実施形態では、位置センサ10として、上述したように光学式のものを用いた例について説明するが、本発明はこれに限ったものではなく、他に超音波式や無線式など公知の位置センサ10を用いてもよい。また、以上のことから明らかなように、上記位置センサ10及びCPU9が、請求項中の位置検出手段を構成している。
The
次に、給電システム1の動作を説明する前に、本発明の原理について説明する。まず、本発明者らは、位置ずれd=0の場合に最も高効率になるように可変インダクタンスL1のインダクタンスを調整して給電部5のインピーダンスを調整し、周波数f0付近での受電側ループアンテナ52の伝送効率S212をシミュレーションした。結果を図3の鎖線で示す。同図に示すように、位置ずれd=0の場合は97%の伝送効率S212が実現できている。
Next, the principle of the present invention will be described before the operation of the
次に、本発明者らは、位置ずれd=0.375D(D=受電側ヘリカルコイル51の直径)にして、周波数f0付近での受電側ループアンテナ52の伝送効率S212をシミュレーションした。結果を図3の一点鎖線で示す。なお、このときの可変インダクタンスL1のインダクタンスは位置ずれd=0のときに調整した値と同じである。同図に示すように、位置ずれdが発生すると伝送効率S212が87%程度まで低下してしまう。
Next, the inventors simulated the transmission efficiency S21 2 of the power receiving
このように伝送効率S212が低下してしまう原因は、位置ずれd=0のときに給電部3と受電部5とのインピーダンスが整合されていたとしても、位置ずれdが生じるとインピーダンスの整合がくずれ、給電部3から送信した電力が受電部5で反射されてしまうためと考えられる。そこで、本発明者らは、位置ずれd=0.375Dの場合に再び可変インダクタンスL1のインダクタンスを調整して、給電部3のインピーダンスを調整し、周波数f0付近での受電側ループアンテナ52の伝送効率S212をシミュレーションした。結果を図3の実線で示す。同図に示すように、インピーダンスを調整すると伝送効率S212は93%程度まで改善した。
The reason why the transmission efficiency S21 2 is reduced in this way is that when the positional deviation d = 0, even if the impedances of the power feeding unit 3 and the
そこで、位置ずれdと、最も良い伝送効率S212が得られる可変インダクタンスL1のインダクタンスと、の関係をシミュレーションや実験などにより求め、求めた関係を表すテーブルなどを図示しないメモリに予め記憶させる。そして、CPU9は、受信器10bからの位置信号により検出された位置ずれdに対応するインダクタンスをメモリに記憶されたテーブルから求め、求めたインダクタンスとなるような調整信号を可変インダクタンスL1に対して出力する。
Therefore, the relationship between the positional deviation d and the inductance of the variable inductance L1 that provides the best transmission efficiency S21 2 is obtained by simulation or experiment, and a table representing the obtained relationship is stored in advance in a memory (not shown). Then, the
次に、上記概略で説明した給電システム1の詳細な動作について説明する。まず、CPU9は、受信器10bの位置信号を取り込んで、スポット光が受光されているか否かを判定する。スポット光が受光されていれば自動車2が近くにいると判定し、CPU9は、次に、受信器10bからの位置信号に基づいて中心軸Z1、Z2の位置ずれdを求める。
Next, a detailed operation of the
その後、CPU9は、インピーダンス調整手段として働き、求めた位置ずれdに対応するインダクタンスをメモリに記憶されたテーブルなどから求め、求めたインダクタンスになるような調整信号を可変インダクタンスL1に対して出力する。次に、CPU9は、スイッチ8をオンして、給電側ループアンテナ32の交流電力を供給する。これにより、高効率を保ったまま給電部3から受電部5へワイヤレスで電力が送信される。
Thereafter, the
その後、CPU9は、再び受信器10bの位置信号を取り込んで、スポット光が受光されなくなると、自動車2が離れたと判定し、スイッチ8をオフして、給電側ループアンテナ32に供給する交流電力を遮断する。
Thereafter, the
上述した給電システム1によれば、CPU9が、位置センサ10を用いて検出した給電側ヘリカルコイル33の中心軸Z1と受電側ヘリカルコイル51の中心軸Z2との位置ずれdに応じて可変インダクタンスL1を調整して、可変インダクタンスL1が設けられた給電部3のインピーダンスを調整するので、給電側ヘリカルコイル33と受電側ヘリカルコイル51との位置ずれd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。
According to the
上述した給電システム1によれば、CPU9は、位置センサ10を用いて、給電側ヘリカルコイル33の中心軸Z1と受電側ヘリカルコイル51の中心軸Z2との位置ずれdを相対位置として検出するので、中心軸Z1、Z2の位置ずれd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。
According to the
なお、上述した実施形態では、2巻きの給電側、受電側ヘリカルコイル33、51について説明していたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側、受電側ヘリカルコイル33、51の巻数としては、1巻きでも、3巻き以上であってもよい。本発明者らは、他の巻き数でも上記効果が得られることを検証すべく、給電側、受電側ヘリカルコイル33、51の巻数が1の給電システム1において、位置ずれd=0で整合がある場合、位置ずれd=0.375Dで整合がある場合、位置ずれd=0.375Dで整合がない場合、それぞれの周波数f0付近の伝送効率S212をシミュレーションした。結果を図4に示す。
In the above-described embodiment, the two power supply side and power reception side
同図に示すように、位置ずれd=0の場合、伝送効率S212は95%であった。これに対して、位置ずれd=0.375Dの場合に整合がないと伝送効率S212は73%に低下してしまう。可変インダクタンスL1を用いて整合を取った場合には伝送効率S212は85%にまで改善できることが分かった。 As shown in the figure, when the positional deviation d = 0, the transmission efficiency S21 2 was 95%. On the other hand, if there is no matching when the positional deviation d = 0.375D, the transmission efficiency S21 2 is reduced to 73%. It was found that the transmission efficiency S21 2 can be improved to 85% when matching is achieved using the variable inductance L1.
また、上述した実施形態では、給電部3にのみ整合器である可変インダクタンスL1を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、受電部5にのみ整合器を設けても良いし、給電部3と受電部5との両方に整合器を設けてもよい。
In the above-described embodiment, the variable inductance L1 that is a matching unit is provided only in the power feeding unit 3, but the present invention is not limited to this. For example, a matching unit may be provided only in the
また、上述した実施形態では、整合器として、可変インダクタンスL1を用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。整合器としては、キャパシタや、キャパシタとインダクタンスとの組み合わせなど他に公知のものを用いても良い。 In the above-described embodiment, the variable inductance L1 is used as the matching device, but the present invention is not limited to this. As the matching device, a known device such as a capacitor or a combination of a capacitor and an inductance may be used.
また、上述した実施形態では、給電側ヘリカルコイル33に整合器としての可変インダクタンスL1を接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明は給電部3及び受電部5間のインピーダンスをマッチングさせていればよく、整合器を給電側、受電側ループアンテナ32、52に設けてもよいし、DC/AC変換器31やAC/DC変換器53に設けてもよい。
In the above-described embodiment, the variable inductance L1 as a matching unit is connected to the power supply side
また、上述した実施例では、位置ずれdを検出して、その位置ずれdによる伝送効率低下を防止するように可変インダクタンスL1を調整してたいが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、給電側ヘリカルコイル33と受電側ヘリカルコイル51との中心軸方向の距離X(図3)を検出して、その距離Xの変動による伝送効率低下を防止するように可変インダクタンスL1を調整してもよい。
In the above-described embodiment, it is desired to detect the positional deviation d and adjust the variable inductance L1 so as to prevent a reduction in transmission efficiency due to the positional deviation d, but the present invention is not limited to this. For example, the distance X (FIG. 3) between the feeding-side
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。 Further, the above-described embodiments are merely representative forms of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments. That is, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 給電システム
3 給電部(給電手段)
5 受電部(受電手段)
9 CPU(インピーダンス調整手段、位置検出手段)
10 位置センサ(位置検出手段)
33 給電側ヘリカルコイル(給電側コイル)
51 受電側ヘリカルコイル(受電側コイル)
L1 可変インダクタンス(整合器)
1 Power Supply System 3 Power Supply Unit (Power Supply Means)
5 Power receiving unit (power receiving means)
9 CPU (impedance adjusting means, position detecting means)
10 Position sensor (position detection means)
33 Feeding side helical coil (feeding side coil)
51 Receiving side helical coil (Receiving side coil)
L1 Variable inductance (matching device)
Claims (2)
前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方に設けられ、設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを可変にする整合器と、
前記給電側コイルと前記受電側コイルとの相対位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出された位置に応じて前記整合器を調整して、前記整合器が設けられた前記給電手段及び前記受電手段の少なくとも一方のインピーダンスを調整するインピーダンス調整手段と、
を備えたことを特徴とする給電システム。 Power supply comprising: a power supply means provided with a power supply side coil to which power is supplied; and a power reception means provided with a power reception side coil that electromagnetically resonates with the power supply side coil to receive power from the power supply side coil. In the system,
A matching unit that is provided in at least one of the power supply unit and the power reception unit, and makes the impedance of at least one of the power supply unit and the power reception unit provided variable;
Position detecting means for detecting a relative position between the power feeding side coil and the power receiving side coil;
An impedance adjusting unit that adjusts the matching unit according to the position detected by the position detecting unit and adjusts the impedance of at least one of the power feeding unit and the power receiving unit provided with the matching unit;
A power supply system comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の給電システム。 The power supply system according to claim 1, wherein the position detection unit detects a positional shift between a central axis of the power supply side coil and a central axis of the power reception side coil as a relative position.
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