JP2013021887A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】専用のデータ送受信ユニットを設ける必要がなく、部品点数が増え、コストが上昇することがない電力伝送システムを提供する。
【解決手段】電力伝送システムは、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部１０６と、対向する受電アンテナ２０２に対して電磁場を介して電気エネルギーを伝送する送電アンテナ１０８と、前記受電アンテナ２０２からの出力を整流する整流器２０３と、第１ＦＥＴ１１１と、電流検出部１０７と、前記第１ＦＥＴ１１１のオンオフの制御を行うと共に、前記電流検出部１０７で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第１制御部１１０と、第２ＦＥＴ２１１と、電圧検出部２０７と、前記第２ＦＥＴ２１１のオンオフの制御を行うと共に、前記電圧検出部２０７で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第２制御部２１０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムの応用例としては、例えば、受電アンテナを電気自動車のような移動体に搭載し、送電アンテナを給電ステーションに設け、送電アンテナから受電アンテナに対し、非接触で電力電送を行うことを挙げることができる。例えば、特許文献２（特開２０１０−２５２４９８号公報）には、ワイヤレス送電を行うための送電側ユニット送電側設備に取り付け、受電側ユニットを自動車に設置する点が開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−２５２４９８号公報

特許文献２に記載の電力伝送システムにおいては、送電側ユニットには無線通信用通信インターフェースであるデータ送受信ユニット１２を、同じく受電側ユニットにも無線通信用通信インターフェースであるデータ送受信ユニット２２を設けておき、これらデータ送受信ユニット１２、２２を介した受電側との通信結果に従って発振回路１８を制御し、決定された周波数および電圧でコイルに電流を流すようにしている。

このように電力伝送システムにおいては、最適な電力伝送を行うために、送電側ユニットと受電側ユニットとの間で、パラメーター等のデータを交換する必要性が生じる。しかしながら、従来の電力伝送システムにおいては、送電側及び受電側それぞれに、専用のデータ送受信ユニットを設ける必要があり、部品点数が増えて、コスト上昇の要因となる、という問題があった。

上記問題を解決するために、請求項１に係る発明は、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力され、対向する受電アンテナに対して電磁場を介して電気エネルギーを伝送する送電アンテナと、からなる送電システムと、前記送電アンテナから伝送される前記受電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を整流する整流器と、からなる受電システムと、を有する電力伝送システムにおいて、前記送電システムに電圧制御部と電流検出部を設け、前記受電システムにインピーダンス制御部と電圧検出部を設け、前記電圧制御部による動作を前記電圧検出部で検出し、前記インピーダンス制御部による動作を前記電流検出部で検出することでデータ通信を行うことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力する
インバータ部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力され、対向する受電アンテナに対して電磁場を介して電気エネルギーを伝送する送電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を整流する整流器と、前記インバータ部と前記送電アンテナとの間に配される第１スイッチング部と、前記送電アンテナに流れる電流を検出する電流検出部と、前記第１スイッチング部のオンオフの制御を行うと共に、前記電流検出部で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第１制御部と、前記受電アンテナと前記整流器との間に配される第２スイッチング部と、前記受電アンテナに印加されている電圧を検出する電圧検出部と、前記第２スイッチング部のオンオフの制御を行うと共に、前記電圧検出部で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第２制御部と、を有することを特徴とする電力伝送システムである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システムにおいて、前記整流器によって整流された電流がバッテリーに充電されることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力伝送システムにおいて、前記受電アンテナが車両に搭載されることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムは、電力伝送を行う系の中に設けられた、スイッチング素子、電流検出部、電圧検出部によりデータ通信を行うようになっているので、専用のデータ送受信ユニットを設ける必要がなく、部品点数が増え、コストが上昇することがない。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムを車両充電設備に適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ回路を示す図である。 送電側システム１００から受電側システム２００へのデータ通信例を示す図である。 受電側システム２００から送電側システム１００へのデータ通信例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるデータ通信のフロー例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムに基づくデータ通信例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。また、図２は本発明の実施形態に係る電力伝送システムを車両充電設備に適用した例を示す図である。図２は図１中の（Ａ）の構成の具体例である。本発明の電力伝送システムは、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムに用いるのに好適である。そこで、図２に示すような車両充電設備への適用例を用いて以下説明する。なお、本発明の電力伝送システムは、車両充電設備以外の電力伝送にももちろん用いることが可能である。

本発明の電力伝送システムにおける電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）には、車両搭載バッテリーに充電する電力を車両充電設備から受電するため、車両
の底面部においては、受電を行うことを可能にする受電アンテナ２０２が配されてなる。

本実施形態に係る電力伝送システムでは、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両充電用のスペースである当該停車スペースには、本実施形態に係る電力伝送システムの送電アンテナ１０８などが地中部に埋設されるような構成となっている。車両のユーザーは本実施形態に係る電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、送電アンテナ１０８から車両に搭載されている受電アンテナ２０２に対して、電磁場を介し電気エネルギー（電力）を伝送する。

車両を停車スペースに停車させる際には、車両搭載の受電アンテナ２０２が、送電アンテナ２１０に対して最も伝送効率が良い位置（送電アンテナと受電アンテナとの間の結合係数が最大である位置、すなわち、例えば、送電アンテナと受電アンテナが同じ形状、同じ大きさのアンテナの場合、前後左右のずれ量がゼロである位置）の関係になるとは限らない。そこで、このような電力伝送システムにおいては、受電アンテナ２０２と送電アンテナ２１０との位置関係を把握した上で、電力伝送効率が最高となるように、最適なパラメーターを選択する。その際、受電側システム２００から送電側システム１００にデータ通信を行う必要性が生じる場合がある。そこで、本実施形態に係る電力伝送システムにおいては、後に説明するような専用のデータ送受信ユニットを設ける必要がない構成を提案するものである。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、送電側システム１００側の送電アンテナ１０８から、受電側システム２００側の受電アンテナ２０２へ効率的に電力を伝送することを目的としている。このとき、送電アンテナ１０８の共振周波数と、受電アンテナ２０２の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにする。送電アンテナ１０８はコイルとコンデンサとで構成されており、送電アンテナ１０８を構成するコイルのインダクタンスはLｔであり、
コンデンサのキャパシタンスはCｔである。また、受電アンテナ２０２も、送電アンテナ
同様、コイルとコンデンサとで構成されており、受電アンテナ２０２を構成するコイルのインダクタンスはLｘであり、コンデンサのキャパシタンスはCｘである。

図２において、一点鎖線の下側に示す構成が送電側システム１００であり、本例では車両充電設備となっている。一方、一点鎖線の上側に示す構成は受電側システム２００であり、本例では電気自動車などの車両となっている。上記のような送電側システム１００は、例えば、地中部に埋設されるような構成となっており、電力を伝送する際には、地中埋設された送電側システム１００の送電アンテナ１０８に対して、車両を移動させて、車両に搭載される受電アンテナ２０２を位置合わせした上で、電力の送受を行うようにする。車両の受電アンテナ２０２は、車両の底面部に配されてなるものである。

送電側システム１００におけるＡＣ／ＤＣ変換部１０４は、入力される商用電源を一定の直流に変換するコンバータである。このＡＣ／ＤＣ変換部１０４からの出力は２系統あり、一方は高電圧部１０５に、他方は低電圧部１０９に出力される。高電圧部１０５はインバータ部１０６に供給する高電圧を生成する回路であり、低電圧部１０９は第１制御部１１０に用いられる回路に供給する低電圧を生成する回路である。また、高電圧部１０５で生成される電圧の設定は第１制御部１１０から制御可能となっている。

インバータ部１０６は、高電圧部１０５から供給される高電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ１０８に供給するものである。また、インバータ部１０６から送電アンテナ１０８に供給される電力の電流成分は電流検出部１０７によって検出可能に構成される。

インバータ部１０６周辺の構成について図３を参照してより詳細に説明する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのインバータ回路を示す図である。この図３は、図１中の（Ｂ）の構成を具体的に示すものでもある。

インバータ部１０６は図３に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に送電アンテナ１０８が接続される構成となっており、図６に示されるようにスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_B
とスイッチング素子Ｑ_Cがオフとされ、引き続きスイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、
接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に交流電圧を発生させる。

上記のようなインバータ部１０６を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は第１制御部１１０から入力されるようになっている。第１制御部１１０による駆動信号で、インバータ部１０６から出力する交流の周波数や、電力を制御することができるようになっている。

なお、本実施形態では、定電圧源からの直流電圧を交流電圧として交流電圧を出力するように制御しているが、電圧を制御するのではなく、電流を制御するように構成しても良い。また、本実施形態ではインバータをフルブリッジ構成としたがハーフブリッジ構成としても同様の効果が得られる。

第１制御部１１０は、マイクロコンピュータと論理回路、アナログ回路などから構成されるものであり、送電側システム１００の全体的な制御を行う。

また、本実施形態に係る電力伝送システムにおいては、インバータ部１０６と送電アンテナ１０８との間に配されるスイッチング素子である第１ＦＥＴ１１１のオンオフの制御を行うようになっている。また、第１制御部１１０は、送電アンテナ１０８に流れる電流を検出する電流検出部１０７で検出される電流値に基づいて所定のデータ処理を行うようになっている。これら第１ＦＥＴ１１１や電流検出部１０７は、電力伝送路でデータ通信を行うための構成である。

次に、車両側に設けられている受電側システム２００について説明する。受電側システム２００において、受電アンテナ２０２は、送電アンテナ１０８と共鳴することによって、送電アンテナ１０８から出力される電気エネルギーを受電するものである。受電アンテナ２０２にも、送電側のアンテナ部と同様、インダクタンス成分Ｌｘを有するコイルと共に、キャパシタンス成分Ｃｘを有するコンデンサも含まれる構成となっている。

受電アンテナ２０２で受電された交流電力は、整流部２０３において整流され、整流された電力は充電制御部２０４を通してバッテリー２０５に蓄電されるようになっている。充電制御部２０４は受電側システム２００第２制御部２１０からの指令に基づいてバッテリー２０５の蓄電を制御する。

第２制御部２１０は、マイクロコンピュータと論理回路、アナログ回路などから構成されるものであり、受電側システム２００の全体的な制御を行う。

また、本実施形態に係る電力伝送システムにおいては、第２制御部２１０は、受電アンテナ２０２と整流器２０３との間に配されるスイッチング素子である第２ＦＥＴ２１１のオンオフの制御を行うようになっている。また、第２制御部２１０は、受電アンテナ２０２に印加されている電圧を検出する電圧検出部２０７で検出される電圧値に基づいて所定のデータ処理を行うようになっている。これら第２ＦＥＴ２１１や電圧検出部２０７は、電力伝送路でデータ通信を行うための構成である。

上記のように構成される電力伝送システムにおいて、電力伝送中に第１ＦＥＴ１１１がオンオフ制御されることで、受電側システム２００の電圧検出部２０７で検出される電圧値が変化する。このような電圧値の変化を受電側システム２００で検知することで、送電側システム１００側で発信したデータを受電側システム２００で受信することが可能となる。

図４は送電側システム１００から受電側システム２００へのデータ通信例を示す図であり、図４（Ａ）は第１ＦＥＴ１１１の動作状況を示す図であり、図４（Ｂ）はそれに伴う電圧検出部２０７における電圧検出状況を示している。図４に示すように、第１ＦＥＴ１１１がオンオフすると、電力伝送に伴う通常の電圧振幅に重畳するような波形を電圧検出部２０７で検出することが可能である。第２制御部２１０では、このような波形を検波することで、その包絡線を得ることができる。例えば、図４（Ｂ）の例では、包絡線の極大値が検出された場合には「１」として、また、このような包絡線の極大値が検出されなかった場合には「０」として、第２制御部２１０でデータ処理することで、送電側システム１００から送信されるデジタルデータを解析することができる。

また、電力伝送システムにおいて、電力伝送中に第２ＦＥＴ２１１がオンオフ制御されることで、送電側システム１００の電流検出部１０７で検出される電流値が変化する。このような電流値の変化を送電側システム１００で検知することで、受電側システム２００側で発信したデータを送電側システム１００で受信することが可能となる。

図５は受電側システム２００から送電側システム１００へのデータ通信例を示す図であり、図５（Ａ）は第２ＦＥＴ２１１の動作状況を示す図であり、図５（Ｂ）はそれに伴う電流検出部１０７における電流検出状況を示している。図５に示すように、第２ＦＥＴ２１１がオンオフすると、電力伝送に伴う通常の電流振幅に重畳するような波形を電流検出部１０７で検出することが可能である。第１制御部１１０では、このような波形を検波することで、その包絡線を得ることができる。例えば、図５（Ｂ）の例では、包絡線の極大値が検出された場合には「１」として、また、このような包絡線の極大値が検出されなかった場合には「０」として、第１制御部１１０でデータ処理することで受電側システム２００から送信されるデジタルデータを解析することができる。

上記のようなデータ通信においては、電力伝送システムにおける電力伝送路を、送電システム１００側から受電側システム２００へのデータ通信（以下、「第１方向のデータ通信」という）、及び、受電側システム２００から送電システム１００側へのデータ通信（以下、「第２方向のデータ通信」という）の双方で共用利用するものであるので、第１方向のデータ通信及び第２のデータ通信を同時に行うことはできない。

そこで、本実施形態に係る電力伝送システムにおけるデータ通信を行うプロトコルとしては、例えば、送電システム１００側が受電側システム２００に対して、一定間隔でポーリングを行い、受電側システム２００で送電システム１００側に送信する必要があるデータが存在するような場合に、ポーリングに対して応答を行う、という形態を考えることができる。

図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおけるデータ通信のフロー例を示す図である。なお、本発明の電力伝送システムで利用可能な通信プロトコルは、このような通信プロトコルに限定されるものではないことを付言しておく。

図６において、送電側システム１００はステップＳ１００で送信処理（処理詳細については略）を行う。これを受電側システム１００で受信する（ステップＳ２０１）と、ステップＳ２０２で所定の受信処理（処理詳細については略）が実行される。

次に、ステップＳ２０３では、受電側システム１００で送信すべきデータが存在するか否かが判定される。存在しない場合には、ステップＳ２０１に戻りループすることとなる。一方、存在する場合には、ステップＳ２０４に進み、所定の送信処理（処理詳細については略）を行い、受電側システム１００からの問いかけに対して応答する。

一方、送電側システム１００では、ステップＳ１０２で所定のデータが受信されたかが判定される。この判定がＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４に進み、所定の受信処理（処理詳細については略）が実行される。この判定がＮＯの場合には、ステップＳ１０３に進み、次に、所定の送信間隔が経過したか否かが判定される。

所定時間が経過し、ステップＳ１０３における判定がＹＥＳであるときにはステップＳ１０１に戻りループする。一方、この判定がＮＯであるとステップＳ１０２に戻る。

以上のような通信のアルゴリズによれば、受電側システム１００で送電側システム１００に対して送信するべきデータがない場合には、図７（Ａ）に示すように送電側システム１００がポーリングを繰り返すこととなる。

一方、受電側システム１００で送電側システム１００に対して送信すべきデータがある場合には、図７（Ｂ）に示すように送電側システム１００のポーリングに応答する度に、所定のデータを受電側システム１００から送電側システム１００に対して送信する。

以上、本発明に係る電力伝送システムは、電力伝送を行う系の中に設けられた、スイッチング素子第１ＦＥＴ１１１、第２ＦＥＴ２１１、及び電流検出部１０７、電圧検出部２０７によりデータ通信を行うようになっているので、専用のデータ送受信ユニットを設ける必要がなく、部品点数が増え、コストが上昇することがない。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図９は本発明の他の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。先の実施形態においては、データ通信をＦＥＴのオンオフのスイッチングにより実現させた例を示したが、本実施形態においては、送電システム１００側に電圧制御部１１２を設け、受電側システム２００にインピーダンス制御部２１２を設けて、電圧制御部１１２およびインピーダンス制御部２１２をアナログ的にリニアに制御して電圧、インピーダンスを増減させ通信を実現させるものである。

より詳しく説明すると、先の実施形態においては、第１方向のデータ通信を行うためには、送電システム１００側における第１ＦＥＴ１１１をオンオフ動作をさせて、受電側システム２００において電圧検出部２０７の変化を検出し、第２方向のデータ通信を行うためには、受電側システム２００における第２ＦＥＴ２１１をオンオフ動作をさせて、送電システム１００側において電流検出部１０７の変化を検出するようにしていた。

これに対して、本実施形態においては、第１方向のデータ通信を行うためには、送電システム１００側における電圧制御部１１２をリニアに動作をさせて、受電側システム２００において電圧検出部２０７の変化を検出し、第２方向のデータ通信を行うためには、受
電側システム２００におけるインピーダンス制御部２１２をリニアに動作をさせて、送電システム１００側において電流検出部１０７の変化を検出する。

このような他の実施形態に係る方法によっても、電力伝送を行う系の中に設けられた、電圧制御部１１２、インピーダンス制御部２１２、及び電流検出部１０７、電圧検出部２０７によりデータ通信を行うようになっているので、専用のデータ送受信ユニットを設ける必要がなく、部品点数が増え、コストが上昇することがない、という効果を得ることができる。

１００・・・送電側システム
１０４・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０５・・・高電圧部
１０６・・・インバータ部
１０７・・・電流検出部
１０８・・・送電アンテナ
１０９・・・低電圧部
１１０・・・制御部
１１１・・・第１ＦＥＴ
１１２・・・電圧制御部
２００・・・受電側システム
２０２・・・受電アンテナ
２０３・・・整流部
２０４・・・充電制御部
２０５・・・バッテリー
２０７・・・電圧検出部
２１０・・・制御部
２１１・・・第２ＦＥＴ
２１２・・・インピーダンス制御部

Claims (4)

1. 直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
   前記インバータ部からの交流電圧が入力され、対向する受電アンテナに対して電磁場を介して電気エネルギーを伝送する送電アンテナと、からなる送電システムと、
   前記送電アンテナから伝送される前記受電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を整流する整流器と、からなる受電システムと、を有する電力伝送システムにおいて、
   前記送電システムに電圧制御部と電流検出部を設け、前記受電システムにインピーダンス制御部と電圧検出部を設け、
   前記電圧制御部による動作を前記電圧検出部で検出し、前記インピーダンス制御部による動作を前記電流検出部で検出することでデータ通信を行うことを特徴とする電力伝送システム。
2. 直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
   前記インバータ部からの交流電圧が入力され、対向する受電アンテナに対して電磁場を介して電気エネルギーを伝送する送電アンテナと、
   前記受電アンテナからの出力を整流する整流器と、
   前記インバータ部と前記送電アンテナとの間に配される第１スイッチング部と、
   前記送電アンテナに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記第１スイッチング部のオンオフの制御を行うと共に、前記電流検出部で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第１制御部と、
   前記受電アンテナと前記整流器との間に配される第２スイッチング部と、
   前記受電アンテナに印加されている電圧を検出する電圧検出部と、
   前記第２スイッチング部のオンオフの制御を行うと共に、前記電圧検出部で検出される電流値に基づいてデータ処理を行う第２制御部と、を有することを特徴とする電力伝送システム。
3. 前記整流器によって整流された電流がバッテリーに充電されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記受電アンテナが車両に搭載されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力伝送システム。

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