JP2013081331A

JP2013081331A - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP2013081331A
Application number: JP2011220949A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yoshihiro; 昌史吉弘; Yasushi Miyauchi; 靖宮内
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-05-02

Abstract

【課題】送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さくしかも送電コイルと受電コイルが近接している場合でも、簡素で小型な構成により電力伝送効率の低下を抑制する。
【解決手段】送電用共振コイル４ａ及び共振容量６ａにより構成された送電共振器を有する送電装置１と、受電用共振コイル４ｂ及び共振容量６ｂにより構成された受電共振器を有する受電装置２とを備え、送電用共振コイルを励振し、送電用共振コイルと受電用共振コイルの間の磁界共鳴を介して送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置。送電共振器の単体共振周波数と受電共振器の単体共振周波数が異なることにより、送電用共振コイルと受電用共振コイルの結合係数が小さくなり、伝送周波数特性の双峰特性を回避して電力伝送効率の低下を回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電コイルと受電コイル間の電力の伝送を、磁界共鳴を介して非接触（ワイヤレス）で行う非接触電力伝送装置に関する。

非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導（数１００ｋＨｚ以下）による電磁誘導方式、インダクタとキャパシタで構成したＬＣ共振器を用い電界または磁界の共鳴を利用した電界・磁界共鳴方式、電波（数ＧＨｚ）によるマイクロ波送電方式、可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電方式が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導方式である。これは簡易な回路で実現可能（トランス方式）であるなどの優位性はあるが、送電距離が短く位置ずれに弱いという課題もある。

そこで、最近になって近距離伝送（〜２ｍ）が可能な電界・磁界共鳴方式の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴方式の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。さらに大きな電力を送電しようとすると、送電装置と充電装置の間に非常に高電圧の電界を発生させる必要があるため感電の危険が生じる。これに対して磁界共鳴方式の場合、人体は比透磁率がほぼ１のためエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失のようなロスを避けられる。この点から磁界共鳴方式に対する注目度が上昇してきている。

図９は、従来の磁界共鳴を利用した電力伝送装置の構成例の概略を示した原理図である。送電装置１１は、励振コイル３ａと送電用共振コイル４ａを組み合わせた送電コイル、受電装置１２は、励振コイル３ｂと受電用共振コイル４ｂを組み合わせた受電コイルを備えている。送電装置１１の励振コイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、給電可能な高周波電力（給電周波数ｆ０）を供給する。受電装置１２の励振コイル３ｂには、整流器７を介して負荷として例えば充電池８が接続されている。

励振コイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される電気信号により励振され、電磁誘導により送電用共振コイル４ａに電気信号を伝送するための励振素子である。送電用共振コイル４ａは励振コイル３ａから出力された電気信号に基づいて交流磁界を発生させる。送電用共振コイル４ａと浮遊容量により構成される送電共振器は、共振周波数が、１／｛２π（Ｌ・Ｃ）^1/2｝＝ｆ０（Ｌは送電用共振コイル４ａのインダクタンス、Ｃは浮遊容量を示す）である。送電用共振コイル４ａでは、共振周波数ｆ０において磁界強度が最大となる。以下の記載では、送電用共振コイル４ａと浮遊容量により構成される送電共振器の共振周波数（ｆ０）を、「送電用共振コイル４ａの単体共振周波数ｆ０」と記述する。

送電用共振コイル４ａの電力は、磁界共鳴により受電用共振コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共振コイル４ｂから電磁誘導により励振コイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて充電池８に供給される。この場合、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂの共振周波数は同一に設定される。すなわち、受電用共振コイル４ｂと浮遊容量により構成される受電共振器も、共振周波数が、１／｛２π（Ｌ・Ｃ）^1/2｝＝ｆ０（Ｌは送電用共振コイル４ｂのインダクタンスであり、通常、送電用共振コイル４ａのインダクタンスと同一に設定される）である。以下の記載では、受電用共振コイル４ｂと浮遊容量により構成される受電共振器の共振周波数（ｆ０）を、「受電用共振コイル４ｂの単体共振周波数ｆ０」と記述する。

磁界共鳴方式においては、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂが近接している場合、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂが磁気的に密結合状態となってしまう。この状態では、伝送効率が最大になる周波数が、送電用共振コイル４ａ及び受電用共振コイル４ｂの単体での共振周波数ｆ０よりも高い周波数と低い周波数に分離して双峰特性となり、ｆ０での伝送効率が低下してしまう。

このような密結合状態を回避するために、特許文献１には、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間に、給電側給電コイル（励振コイル３ａに相当）と負荷側給電コイル（励振コイル３ｂ）が挿入されたコイル配置とすることが開示されている。そのような配置により、給電側磁気共鳴コイルと負荷側磁気共鳴コイル間の結合が妨げられ、磁気共鳴コイル間の距離が短くなっても、双峰特性が現れる現象を抑えることができる。

また、特許文献２には、送電側および受電側にマイコン制御のインピーダンス変換器を配置することが開示されている。反射電力をモニターしながら、マイコンで可変インダクタあるいは及び可変コンデンサの値を制御して結合係数ｋを小さくすることにより、双峰特性を回避している。

特開２０１０−１５４７００号公報特開２０１１−５０１４０号公報

特許文献１に開示された技術によれば、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂ間の結合を弱める働きはあるが、送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さく、しかも送電コイルと受電コイルが近接している場合には、十分な効果を得ることができない。例えば、内部が空洞の筐体の内側に送電用の励振コイルと共振コイルを配置し、その筐体内部に受電用の小型の共振コイルと励振コイルを収納して電力伝送を行う場合には、双峰特性を十分に回避することが困難である。

同様に特許文献２に開示された技術の場合も、小型の電力伝送装置に適用することは困難である。すなわち、特許文献２の装置には、方向性結合器、可変コンデンサあるいは及び可変インダクタ、さらにはマイコン、Ａ／Ｄ変換器等、自動整合器を構成する部品が多く必要であり、小型化が難しい。

本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、送電コイルに対して受電コイルの大きさが小さくしかも送電コイルと受電コイルが近接して、双方の共振結合が密結合になっている場合でも、簡素で小型な構成により電力伝送効率の低下が抑制された非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電用共振コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電用共振コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電用共振コイルを励振し、前記送電用共振コイルと前記受電用共振コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送するように構成され、前記送電共振器の単体共振周波数と前記受電共振器の単体共振周波数が異なることを特徴とする。

本発明によれば、送電共振器の単体共振周波数と受電共振器の単体共振周波数を異ならせることにより、送電用共振コイルと受電用共振コイルの結合係数を小さくすることができ、伝送周波数特性の双峰特性が回避されて、高効率の非接触電力伝送を行うことが可能である。

実施の形態１における非接触電力伝送装置の構成を示す原理図非接触電力伝送装置の給電用共振コイルと受電用共振コイルが密結合時の伝送周波数特性を示す図実施の形態１における非接触電力伝送装置の伝送周波数特性の一例を示す図同非接触電力伝送装置の伝送周波数特性の他の例を示す図実施の形態２における非接触電力伝送装置の構成を示す模式図同非接触電力伝送装置の伝送周波数特性の一例を示す図同非接触電力伝送装置の伝送周波数特性の他の例を示す図同非接触電力伝送装置の伝送周波数特性の更に他の例を示す図従来技術における非接触電力伝送装置の構成を示す原理図

本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることが可能である。

すなわち、前記送電用共振コイルと前記受電用共振コイルの少なくとも一方に、共振周波数調整用のキャパシタが接続されている構成とすることができる。

また、前記送電共振器の単体共振周波数をｆ１とし、前記受電共振器の単体共振周波数をｆ２とし、前記送電装置に給電する電力の周波数をｆ０としたとき、各周波数ｆ０、ｆ１、ｆ３が、ｆ０≦ｆ１＜ｆ２またはｆ１＜ｆ２≦ｆ０（ｆ１＜ｆ２の場合）、もしくはｆ０≦ｆ２＜ｆ１またはｆ２＜ｆ１≦ｆ０（ｆ１＞ｆ２の場合）の関係となるように設定されることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す原理図である。図８に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを一部簡略化する。

送電装置１は、励振コイル３ａと送電用共振コイル４ａを組み合わせた送電コイル、受電装置２は、励振コイル３ｂと受電用共振コイル４ｂを組み合わせた受電コイルを備えている。送電装置１の励振コイル３ａには高周波電力ドライバー５が接続され、給電可能な高周波電力を供給する。受電装置２の励振コイル３ｂには、整流器７を介して負荷（例えば充電池）８が接続されている。

励振コイル３ａは、高周波電力ドライバー５から供給される給電周波数ｆ０の電気信号により励振され、電磁誘導により送電用共振コイル４ａに電気信号を伝送するための励振素子である。送電用共振コイル４ａは励振コイル３ａから出力された電気信号に基づいて交流磁界を発生させる。送電用共振コイル４ａの電力は、磁界共鳴により受電用共振コイル４ｂに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共振コイル４ｂから電磁誘導により励振コイル３ｂへ伝送され、整流器７により整流されて負荷８に供給される。

送電用共振コイル４ａの両端間にはトリマコンデンサ６ａが接続されており、これにより構成される送電共振器の共振周波数ｆ１は、１／｛２π（Ｌ・Ｃ１）^1/2｝である。ここで、Ｌは送電用共振コイル４ａのインダクタンス、Ｃ１は浮遊容量とトリマコンデンサ６ａとの合成容量である。なお、以下の記載においては、送電用共振コイル４ａ、浮遊容量及びトリマコンデンサ６ａにより構成される送電共振器の共振周波数ｆ１を、「送電装置１の共振周波数ｆ１」と記述する。

一方、受電用共振コイル４ｂの両端間にもトリマコンデンサ６ｂが接続されており、共振周波数ｆ２＝１／｛２π（Ｌ・Ｃ２）^1/2｝である。ここで、Ｌは受電用共振コイル４ｂのインダクタンス、Ｃ２は浮遊容量とトリマコンデンサ６ｂとの合成容量である。なお、以下の記載においては、受電用共振コイル４ｂ、浮遊容量及びトリマコンデンサ６ｂにより構成される受電共振器の共振周波数ｆ２を、「受電装置２の共振周波数ｆ２」と記述する。

トリマコンデンサ６ａ及びトリマコンデンサ６ｂの容量は、周波数ｆ０、ｆ１、ｆ２が下記の条件を満足するように調整されている。

ｆ０≦ｆ１＜ｆ２またはｆ１＜ｆ２≦ｆ０（ｆ１＜ｆ２の場合）、もしくは
ｆ０≦ｆ２＜ｆ１またはｆ２＜ｆ１≦ｆ０（ｆ１＞ｆ２の場合）
このような条件を満足することが必要な理由について、以下に説明する。すなわち、磁界共鳴方式においては、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂが近接している場合、上述のとおり、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂが磁気的に密結合状態となってしまう。図９の従来例では密結合状態の場合、伝送効率が最大になる周波数が、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂの単体共振周波数ｆ０に対して、より高い周波数とより低い周波数に分離して双峰特性となり、給電周波数ｆ０での伝送効率が低下する。

上記構成の実施例における伝送特性の周波数依存を測定するために、送電用共振コイル４ａとして、最大直径φ７０ｍｍ、ピッチ０．６ｍｍ、線径０．３ｍｍ、１０ターン、インダクタンス約１３μＨのコイルを、受電用共振コイル４ｂとして、最大直径φ７０ｍｍ、ピッチ２．０ｍｍ、線径１．０ｍｍ、５ターン、インダクタンス約５μＨのコイルを用意した。各々共振周波数を調整できるようにトリマコンデンサ６ａ、６ｂを取り付けた。励振コイル３ａは、φ７０ｍｍ、線径０．３ｍｍ、１ターンとした。励振コイル３ｂは、φ７０ｍｍ、線径１．０ｍｍ、１ターンとした。

先ず、送電装置１及び受電装置２の共振周波数（ｆ１，ｆ２）が各々１３．５６ＭＨｚになるように調整し、送電装置１と受電装置２を距離１０ｍｍで対向させて、伝送周波数特性を測定した結果を図２に示す。図２における中央付近の点線は１３．５６ＭＨｚであり、効率最大となる周波数よりも６ｄＢ以上伝送効率が落ちていることが判る。

そこで、送電装置１の共振周波数ｆ１を１３．５６ＭＨｚに維持したまま、受電装置２の共振周波数ｆ２を、トリマコンデンサ６ｂを調整することにより変化させた。その結果を、図３に示す。受電装置２の共振周波数ｆ２を１９．４ＭＨｚに調整したとき、給電周波数ｆ０＝１３．５６ＭＨｚでの伝送効率が最大となったことが判る。このときの伝送効率の劣化は２ｄＢにとどまった。

また、送電装置１と受電装置２の距離を３０ｍｍに離して、受電装置２の共振周波数ｆ２を１３．５６ＭＨｚに維持したまま、送電装置１の共振周波数ｆ１を、トリマコンデンサ６ａを調整することにより変化させた。その結果を図４に示す。送電装置１の共振周波数ｆ１＝１３．５６ＭＨｚにおいて、伝送特性は一応双峰特性となるが、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂの距離が離れたことにより結合係数が小さくなり、１３．５６ＭＨｚでの伝送効率の劣化はほとんどない。一方、ｆ１＝１４．５ＭＨｚに設定すると単峰特性となり、僅かながら伝送効率の改善が見られる。

以上のように、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置２の共振周波数ｆ２を、トリマコンデンサ６ａ、６ｂを調整して異なる周波数に設定しておくことで、送電用共振コイル４ａと受電用共振コイル４ｂの結合係数を小さくし、伝送周波数特性の双峰特性を回避して高効率の非接触電力伝送を行うことができる。すなわち、伝送周波数特性の双峰特性を回避して、新たにｆ１とｆ２の間に出現する伝送効率最大の周波数ｆ０で電力伝送を行うことが可能である。なお、そのような伝送効率最大の周波数ｆ０で電力伝送を行うことが望ましいが、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置２の共振周波数ｆ２を異ならせることにより、伝送効率について、相応の改善効果を得ることが可能である。

上記構成では、実際の使用に際しては、送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置２の共振周波数ｆ２は固定であるが、給電装置と受電装置が近接している場合、給電装置と受電装置の位置関係が変わった場合等、状態に応じて送電装置１の共振周波数ｆ１と受電装置２の共振周波数ｆ２が最適になるように制御が行われるように構成することもできる。

例えば、送電装置１と受電装置２の位置関係が変わったことを検出する位置関係検出装置として、送電装置１側に方向結合器に代表される反射電力を検出する手段を用い、送電効率の変化に基づいて、送電装置１と受電装置２の位置関係が変わったことを検出する構成を用いることができる。位置関係検出装置の検出信号に応じて送電用共振コイルの容量値を調整し、送電装置の共振周波数を変化させて、送電用共振コイルと受電用共振コイルの結合係数を調整し、伝送周波数特性の双峰特性を回避するように制御する。

位置関係検出装置の他の例として、受電装置側の受電電力を検出することにより位置関係の変化を検出する構成を用いることもできる。その場合は、位置関係検出装置の検出信号に応じて受電用共振コイルの容量値を調整し、受電装置の共振周波数を変化させて、送電用共振コイルと受電用共振コイルの結合係数を調整し、伝送周波数特性の双峰特性を回避するように制御する。

また、位置関係検出装置として上述の２種類の構成を併用し、送電装置の共振周波数と受電装置の共振周波数をともに変化させて、送電用共振コイルと受電用共振コイルの結合係数を調整し、伝送周波数特性の双峰特性を回避するように制御してもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態２における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成について、図５の模式斜視図を参照して説明する。図１に示した実施の形態１の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを一部簡略化する。

この非接触電力伝送装置では、送電装置の内部（送電用共振コイル４ｃの内部）に、受電装置の少なくとも受電用共振コイル４ｄが配置された場合の模式図である。送電用共振コイル４ｃにはトリマコンデンサ６ｃが接続され、受電用共振コイル４ｄにはトリマコンデンサ６ｄが接続されている。

上記構成の実施例における伝送特性の周波数依存を測定するために、送電用共振コイル４ｃを、直径φ７０ｍｍ、ピッチ２．０ｍｍ、線径１．０ｍｍ、５ターンで構成した。インダクタンスは約５μＨである。受電用共振コイル４ｄは、最大直径φ４０ｍｍ、ピッチ０．３ｍｍ、線径０．１５ｍｍ×０．０３５ｍｍ、１０ターンのスパイラルコイルとした。送電装置の励振コイル３ｃは、φ７０ｍｍ、線径１ｍｍ、１ターン、受電装置の励振コイル３ｄは、φ４０．５ｍｍ、線径０．１５ｍｍ×０．０３５ｍｍ、１ターンとした。

この系の伝送周波数特性を図６に示す。直径４０ｍｍの受電用共振コイル４ｄを、直径７０ｍｍの送電用共振コイル４ｃの内部に配置したことにより、送電用共振コイル４ｃと受電用共振コイル４ｄとの結合が強すぎるため、伝送効率の最大となる周波数は１２．２ＭＨｚであった。

一方、送電用共振コイル４ｃに接続されたトリマコンデンサ６ｃの値を調整して送電装置の共振周波数ｆ１を変化させても、特性劣化が大きかった。そこで、受電装置の共振コイル４ｄに接続されたトリマコンデンサ６ｄの値を調整して受電装置の共振周波数ｆ２を１４．６ＭＨｚに設定した上で、送電用共振コイル４ｃに接続されたトリマコンデンサ６ｃの値を調整して、送電用共振コイル４ｃの共振周波数ｆ１を変化させた。その結果を図７に示す。送電装置の共振周波数ｆ１を１５．７ＭＨｚに設定したところで、給電周波数ｆ０＝１３．５６ＭＨｚで伝送効率が最大になった。

また、受電装置側のコイルの形態によっては、図８に示すような伝送特性を持つこともある。その場合は、ｆ１、ｆ２を低周波数側にずらす調整を行うことにより、給電周波数ｆ０＝１３．５６ＭＨｚで伝送効率が最大になる効果を得ることができる。

本発明によれば、磁界共鳴において、送電装置と受電装置が近接している密結合状態でも、電力伝送の周波数特性が双峰特性になることを抑制して、伝送周波数を簡便な手段で一定に維持できるので、小型機器や電気自動車などへの非接触電力伝送に好適である。

１、１１送電装置
２、１２受電装置
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ励振コイル
４ａ、４ｃ送電用共振コイル
４ｂ、４ｄ受電用共振コイル
５高周波電力ドライバー
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄトリマコンデンサ
７整流回路
８負荷

Claims

送電用共振コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
受電用共振コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
前記送電用共振コイルを励振し、前記送電用共振コイルと前記受電用共振コイルの間の磁界共鳴を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電共振器の共振周波数と前記受電共振器の共振周波数が異なることを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記送電用共振コイルと前記受電用共振コイルの少なくとも一方に、共振周波数調整用のキャパシタが接続されている請求項１記載の非接触電力伝送装置。
前記送電共振器の共振周波数をｆ１とし、前記受電共振器の共振周波数をｆ２とし、前記送電装置に給電する電力の周波数をｆ０としたとき、各周波数ｆ０、ｆ１、ｆ３が、
ｆ０≦ｆ１＜ｆ２またはｆ１＜ｆ２≦ｆ０（ｆ１＜ｆ２の場合）、もしくは
ｆ０≦ｆ２＜ｆ１またはｆ２＜ｆ１≦ｆ０（ｆ１＞ｆ２の場合）
の関係となるように設定された請求項１または２記載の非接触電力伝送装置。