JP2013183497A - 電力伝送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】最適周波数を決定するための複雑な回路が必要なく、安価にシステムを組むことが可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】送電アンテナから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電力伝送システムであって、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1における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力値が一定となるように制御する送電側制御部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される前記送電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を直流電圧に整流して出力する整流部と、前記整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池240と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行う。
【選択図】図1
【解決手段】送電アンテナから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電力伝送システムであって、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1における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力値が一定となるように制御する送電側制御部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される前記送電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を直流電圧に整流して出力する整流部と、前記整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池240と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行う。
【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。
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナ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ものであり、電力伝送距離を数十cm〜数mとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。
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において、例えば、一方のアンテナが電気自動車のような移動体に搭載される場合には、電力伝送を行うたびに、アンテナ間の配置が変化するので、最適な電力伝送効率を与える周波数がこれに伴い変化することとなる。そこで、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定する技術が提案されている。例えば、特許文献1(特開2010−68657号公報)に、所定周波数の交流電力を出力する交流電力出力手段と、第1共鳴コイル、及び該第1共鳴コイルと対向配置された第2共鳴コイルとを有し、前記交流電力出力手段より出力される交流電力を前記第1共鳴コイルに出力し、共鳴現象により非接触で前記交流電力を前記第2共鳴コイルに送信するワイヤレス電力送信装置において、前記第1共鳴コイルの共鳴周波数、及び前記第2共鳴コイルの共鳴周波数をそれぞれ測定し、前記交流電力出力手段より出力する交流電力の周波数を、前記各共鳴周波数の中間周波数に設定する周波数設定手段を備えることを特徴とするワイヤレス電力送信装置が開示されている。
特表2009−501510号公報
特開2010−68657号公報
しかしながら、従来の磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、電力伝送を行う前段に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定するための複雑な回路などが必要となるため、システムのコストアップの要因となってしまう、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、送電アンテナから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電力伝送システムであって、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、前記インバータ部における駆動周波数を制御すると共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力を制御する送電側制御部と、前記インバータ部からの交流電圧が入力される前記送電アンテナと、前記受電アンテナからの出力を直流電圧
に整流して出力する整流部と、前記整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行うことにより、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する受電側制御部と、からなることを特徴とする。
に整流して出力する整流部と、前記整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する昇降圧部と、前記昇降圧部から出力が充電される電池と、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行うことにより、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する受電側制御部と、からなることを特徴とする。
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電力伝送システムにおいて、前記送電側制御部は、前記インバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記受電側制御部は、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大電力値で充電を行うよう制御することを特徴とする。
本発明に係る電力伝送システムによれば、送電側システムではインバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、受電側システムでは電池に最大効率で充電を行うことで、送電アンテナと受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する。その結果として、送電アンテナと受電アンテナとの間の位置ずれに応じた最適な負荷条件での電力伝送が行える共に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定するための複雑な回路が必要ないため、安価にシステムを組むことが可能となる。また、送電側システムでは、駆動周波数を1点としたり、複数点であったとしても駆動周波数の変化を小さくすることができたりすることで、システム構成を簡素化することが可能となる。
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り、図2は本発明の実施形態に係る電力伝送システム100を車両に搭載した例を模式的に示す図である。本発明の電力伝送システム100は、例えば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などの車両搭載電池
への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、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210が配されてなる。
への充電のためのシステムに用いるのに好適である。このために、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210が配されてなる。
本実施形態に係る電力伝送システム100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100の送電アンテナ140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140から車両に搭載されている受電アンテナ210に対して、電磁場を介し電気エネルギーを伝送する。
本実施形態に係る電力伝送システム100は、上記のような利用形態であることから、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の位置関係が停車スペースに車両を停車させるたびに変化し、最適な電力伝送効率を与える周波数についてもこれに伴い変化することとなる。そこで、車両停車後、すなわち、送電アンテナ140と受電アンテナ210と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う際には、送電アンテナに入力される電圧の位相と、電流の位相との関係により最適周波数を決定するようにしている。
車両充電設備(送電側)において、整流部110は商用電源からの交流電圧を一定の直流電圧に変換するコンバータであり、この整流部110からの直流電圧は昇降圧部120に入力され、昇降圧部120で所望の電圧値に昇圧又は降圧される。この昇降圧部120で出力される電圧値の設定は送電側制御部150から制御可能となっている。
インバータ部130は、昇降圧部120から供給される直流電圧から所定の交流電圧を生成して、送電アンテナ140に入力する。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部を示す図である。インバータ部130は、例えば図3に示すように、フルブリッジ方式で接続されたQA乃至QD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QAとスイッチング素子QBの間の接続部T1と、直列接続されたスイッチング素子QCとスイッチング素子QDとの間の接続部T2との間に送電アンテナ140が接続される構成となっており、スイッチング素子QAとスイッチング素子QDがオンのとき、スイッチング素子QBとスイッチング素子QCがオフとされ、スイッチング素子QBとスイッチング素子QCがオンのとき、スイッチング素子QAとスイッチング素子QDがオフとされることで、接続部T1と接続部T2との間に矩形波の交流電圧を発生させる。
上記のようなインバータ部130を構成するスイッチング素子QA乃至QDに対する駆動信号は送電側制御部150から入力されるようになっている。また、インバータ部130を駆動させるための周波数は送電側制御部150から制御することができるようになっている。
上記のようなインバータ部130からの出力は送電アンテナ140に供給される。この送電アンテナ140は、インダクタンス成分を有するコイルから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の受電アンテナ210と共鳴することで、送電アンテナ140から出力される電気エネルギーを受電アンテナ210に送ることができるようになっている。
なお、インバータ部130からの出力を、送電アンテナ140に入力する際には、いっ
たん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。
たん、不図示の整合器によってインピーダンスを整合させるようにしてもよい。整合器は所定の回路定数を有する受動素子から構成することができる。
本発明の実施形態に係る電力伝送システムでは、電力伝送システム100の送電側の送電アンテナ140から、受電側の受電アンテナ210へ効率的に電力を伝送する際、送電アンテナ140の共振周波数と、受電アンテナ210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している。
インバータ部130に対する入力される電圧V1及び電流I1、インバータ部130から出力される電圧V2及び電流I2は送電側制御部150によって計測されるようになっている。これにより、送電側制御部150は、計測される電圧V1及び電流I1からインバータ部130に入力される入力電力(W1=V1×I1)、及び、計測される電圧V2及び電流I2からインバータ部130から出力される出力電力(W2=V2×I2)などを取得することができるようになっている。
また、送電側制御部150では、上記のような構成によりインバータ部130から出力される電圧V2の位相、電流I2の位相についても検出されるようになっている。
送電側制御部150は、CPUとCPU上で動作するプログラムを保持するROMとCPUのワークエリアであるRAMなどからなる汎用の情報処理部を有しており、検出された電圧V2の位相、及び電流I2の位相の差を演算する。
送電側制御部150は、昇降圧部120によって出力される直流電圧の電圧と、インバータ部130で出力される交流電圧の周波数を制御して、実際の充電の電力伝送を実行する。このような制御を行う際には、送電側制御部150に内蔵される制御プログラムが参照されることによって周波数などが決定される。制御プログラムは、記憶手段に記憶され、送電側制御部150の演算部によって参照可能に構成されている。
また、通信部170は車両側の通信部270と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部170によって受信したデータは送電側制御部150に転送され処理されるようになっている。また、送電側制御部150は所定情報を、通信部170を介して車両側に送信することができるようになっている。
次に、車両側に設けられている電力伝送システム100の構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、受電アンテナ210は、送電アンテナ140と共鳴することによって、送電アンテナ140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210で受電された交流電力は、整流部220において整流される。整流部220からの出力は昇降圧部230において、所定の電圧値に昇圧又は降圧されて、電池240に蓄電されるようになっている。昇降圧部230は受電側制御部250からの指令に基づいて電池240の蓄電を制御する。
昇降圧部230から電池240に対して入力される電圧V3及び電流I3は受電側制御部250によって計測されるようになっている。計測された電圧V3及び電流I3により、受電側制御部250は、昇降圧部230を制御して、電池240の適切な充電プロファイルに沿うように電池240の充電を制御することができるように構成されている。昇降圧部230には、電流センサおよび電圧センサが設けられており、出力電圧をフィードバック制御することにより、電池240を定電流充電モード、定電力充電モード、定電圧充電モードのいずれかの充電モードで充電させるかを選択することができるようになっている。
また、後述するように、定電流充電モードにおいては、電池240に対する充電電力の電力最大化制御を行い得るようになっている。
また、後述するように、定電流充電モードにおいては、電池240に対する充電電力の電力最大化制御を行い得るようになっている。
受電側制御部250はCPUとCPU上で動作するプログラムを保持するROMとCPUのワークエリアであるRAMなどからなる汎用の情報処理部を有しており、図示されている受電側制御部250と接続される各構成と協働するように動作する。
受電側制御部250には、電池240の充電プロファイルが記憶されると共に、受電側制御部250をこのプロファイルに沿って動作させるためのアルゴリズムが記憶されている。図4は電池240の充電プロファイル260を示す図である。この充電プロファイル260は電池240の充電プロファイルの一例を示すものであり、電池240を充電するためには、その他のプロファイルを用いるようにしてもよい。
また、図4では電池240の蓄電量がほとんどない状態からの充電プロファイルを示すものである。この充電プロファイルにおいては、まず一定の電力Pconstで電池240の
充電を行う定出力充電(CP制御)が行われる。次に、電池240の端部電圧がVfとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電(CV制御)が行われる。そして、定電圧充電時、電池240に流れこむ電流がIminとなったら、充電を終了する。
充電を行う定出力充電(CP制御)が行われる。次に、電池240の端部電圧がVfとなったら、一定の充電電圧を維持する定電圧充電(CV制御)が行われる。そして、定電圧充電時、電池240に流れこむ電流がIminとなったら、充電を終了する。
また、通信部270は車両充電設備側の通信部170と無線通信を行い、送電側システムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部270によって受信したデータは受電側制御部250に転送され処理されるようになっている。また、受電側制御部250は所定情報を、通信部270を介して送電側に送信することができるようになっている。例えば、受電側制御部250は、定電力(CP)充電モード、或いは定電圧(CV)充電モードのどの充電モードで、電池240の充電を行っているかに係る情報を車両充電設備側のシステムに送信することができるようになっている。
前述したように、本実施形態に係る電力伝送システム100では、送電アンテナ140と受電アンテナ210と間の位置関係がフィックスした後、実際の充電の電力伝送を行う際には、周波数スイープを行い最適周波数を選択するのではなく、設定された一定の固定された周波数で送電アンテナ140を駆動して、受電側システムにおける昇降圧部230における調整により、最適な伝送効率を得るようにしている。
図5は送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の位置ずれに応じて負荷条件と総合効率との関係が変化することを示す実験結果であり、また、図6は送電アンテナ140と受電アンテナ210の位置関係の定義を説明する図である。
送電アンテナ140、受電アンテナ210はいずれも渦巻き状に巻回された略矩形のコイルである。受電アンテナ210が車輌に搭載されているという制約の下、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の結合係数が最大となる、送電アンテナ140と受電アンテナ210との相対的位置を、最適相対的位置として定義すると、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の位置ずれ量は、この最適相対的位置からの相違として定義することができる。最適相対的位置からのアンテナ間の位置ずれ量が大きくなればなるほど、結合係数は小さくなる。
図5(A)は位置ずれ量が0cmの下で、負荷のインピーダンスを50Ωに設定した場合、及び負荷のインピーダンスを100Ωに設定した場合の、効率の周波数特性を模式的に示しており、図5(B)は位置ずれ量が15cmの下で、負荷のインピーダンスを40
Ωに設定した場合、及び負荷のインピーダンスを50Ωに設定した場合の、効率の周波数特性を模式的に示している。ここで、負荷とは、図1におけるZをみたものであり、また
、総合効率における効率は図1におけるηからみた効率である。また、図5中、ωz=100
などとして示した値は、インピーダンスが100Ωであるとき、最大の効率を与える周波数である。
Ωに設定した場合、及び負荷のインピーダンスを50Ωに設定した場合の、効率の周波数特性を模式的に示している。ここで、負荷とは、図1におけるZをみたものであり、また
、総合効率における効率は図1におけるηからみた効率である。また、図5中、ωz=100
などとして示した値は、インピーダンスが100Ωであるとき、最大の効率を与える周波数である。
図5から、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の位置関係に変化があったとしても、負荷のインピーダンスを変化させることで、システム全体としての最大効率を与える周波数は一定に保つことが可能であることがわかる。
そこで、本発明に係る電力伝送システムにおいては、送電側システムではインバータ部130における駆動周波数を所定の周波数で固定する制御を行い、一方、受電側システムでは最大電力で受電を行うように制御する。
より具体的には、本発明に係る電力伝送システムでは、送電側システムではインバータ部130における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、受電側システムでは電池240に最大効率で充電を行うことで、送電アンテナ140と受電アンテナ210間の結合係数に関わらず前記インバータ部130における駆動周波数が変わらないよう制御する。
この結果、受電側アンテナと送電側アンテナとの間の位置ずれがあったとしても、電力伝送を行う前段に周波数をスイープして最適周波数を選択せず、単に、受電側システムの昇降圧部230の出力を変化させて負荷を変動させて調整することで最適な電力伝送が行えるようにしている。
次に、以上のように構成される電力伝送システム100におけるインバータ部130の制御処理のフローについて説明する。
図7は本発明の実施形態に係る電力伝送システムの送電側システムにおける制御処理のフローチャートを示す図である。
図7において、ステップS100で、処理が開始されると、続く、ステップS101では、インバータ部130における駆動周波数を所定の周波数に固定して設定する。次のステップS102では、電圧V2を初期電圧であるVstartに設定する。
ステップS103では、電流値I2を取得し、ステップS104で、出力電力をW2=V2×I2により計算する。
ステップS105では、送電が終了であるか否かが判定され、この判定がNOである場合には、ステップS06に進む。一方、YESである場合には、ステップS108に進み、処理を終了する。
ステップS106では、出力電力Wが目標出力電力であるWtargetに到達したか否かが判定され、当該判定がYESであればステップS102に進み、NOであればステップS107で電圧V2を増減して調整する。
次に、以上のような送電側システムに対応した、受電側システムにおける電力最大化制御について説明する。受電側システムでは、最大の電力を受電できるように、昇降圧部230を最適に動作させて、受電側の負荷である電池に最大効率で充電を行うアルゴリズムとなっている。要は、電池240に充電される電力が最大となるように、昇降圧部230を制御するようにすればよく、図8に示すフローチャートは制御の一例に過ぎない。昇降圧部230は、電池240に接続されているため、受電側制御部250で観測される電圧
V3は、電池240の状態で決定される。そのため、昇降圧部230の昇圧、降圧動作は、短期的には電圧V3の変化としては観測されず、電流I3として観測される。ただし、充電時間全体としてみると電圧V3も変化するため、観測対象は、これらの積であるW3とすることが望ましい。
V3は、電池240の状態で決定される。そのため、昇降圧部230の昇圧、降圧動作は、短期的には電圧V3の変化としては観測されず、電流I3として観測される。ただし、充電時間全体としてみると電圧V3も変化するため、観測対象は、これらの積であるW3とすることが望ましい。
図8は本発明の実施形態に係る電力伝送システムの受電側システムにおける制御処理のフローチャートを示す図である。
図8において、ステップS200で処理が開始されると、続くステップS201では、電流値I3、電圧値V3が取得され、ステップS202で、昇降圧部230から出力される電力がW3=V3×I3により計算される。
続いて、ステップS203では、昇降圧部230の昇圧動作を行い、ステップS204
で、電流値I3、電圧値V3が取得され、ステップS205で、昇降圧部230から出力される電力がW3=V3×I3により計算される。ここでの昇圧動作とは、仮に電池240
が接続されていない場合に、昇降圧部230が出力電圧V3を増加させ得る動作のことを言う。
で、電流値I3、電圧値V3が取得され、ステップS205で、昇降圧部230から出力される電力がW3=V3×I3により計算される。ここでの昇圧動作とは、仮に電池240
が接続されていない場合に、昇降圧部230が出力電圧V3を増加させ得る動作のことを言う。
ステップS206では、出力された電力が増えたか否かが判定され、この判定がYESであるときにはステップS203に戻り、NOであるときにはステップS207に進む。
ステップS207では、現在の昇圧設定値を、最大出力を与えるものとして、昇降圧部230に設定する。
さらに、ステップS208では、S206までの動作で、出力された電力が増えていないか否かが判定され、この判定がYESである場合にはステップS209に進み、NOである場合にはステップS214に進み処理を終了する。
ステップS209においては、昇降圧部230の降圧動作を行い、続くステップ210では、電流値I3、電圧値V3が取得され、ステップ211で、昇降圧部230から出力される電力がW3=V3×I3により計算される。ここでの降圧動作とは、仮に電池240が
接続されていない場合に、昇降圧部230が出力電圧V3を減少させ得る動作のことを言う。
接続されていない場合に、昇降圧部230が出力電圧V3を減少させ得る動作のことを言う。
ステップS212では、出力された電力が増えたか否かが判定され、この判定がYESであるときにはステップS209に戻り、NOであるときにはステップS213に進む。ステップS213では、現在の降圧設定値を、最大出力を与えるものとして、昇降圧部230に設定し、ステップS214に進み、処理を終了する。昇圧設定値と降圧設定値は排他的に採用されるものであり、ここで降圧設定値が設定された場合は、ステップS207で設定された昇圧設定値は使用されない。
以上、本発明に係る電力伝送システムによれば、送電側システムではインバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行い、受電側システムでは最大電力で受電を行うように制御するために、結果として、送電アンテナと受電アンテナとの間の位置ずれに応じた最適な負荷条件での電力伝送が行える共に、周波数をスイープして、実際の充電の電力伝送時の最適周波数を決定するための複雑な回路が必要ないため、安価にシステムを組むことが可能となる。また、送電側システムでは、駆動周波数を1点としたり、複数点であったとしても駆動周波数の変化を小さくすることができたりすることで、システム構成を簡素化することが可能となる。
ここで、ワイヤレス電力伝送システムにおける伝送効率の極値を与える周波数について説明する。前記システムの電力伝送時においては、伝送効率の極値を与える周波数が2つ存在することがある。このような2つのうちのいずれの周波数を選択する方がシステムにとって最適であるかについて説明する。
図9は送電アンテナ140と受電アンテナ210とを近接させたときの送電効率の周波数依存性例を示す図である。
磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいては、図9に示すように、第1極値周波数fm、第2極値周波数feの2つがあるが、電力伝送を行うときには、これらのいずれかの周波数でこれを行うことが好ましい。
図10は第1極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第1極値周波数においては、送電アンテナ140のコイルに流れる電流と、受電アンテナ210のコイルに流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ140のコイルや受電アンテナ210のコイルの中央部付近となる。この状態を、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。
また、図11は第2極値周波数における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第2極値周波数においては、送電アンテナ140のコイルに流れる電流と、受電アンテナ210のコイルに流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が送電アンテナ140のコイルや受電アンテナ210のコイルの対称面付近となる。この状態を、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。
なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」IEEJ Journal,Vol.129,No.7,2009、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」IEEJ Trans.IA,Vol.130,No.1,2010などに記載されているものを本明細書においては準用している。
本発明において、極値を与える周波数として、第1極値周波数、第2極値周波数の2つがある場合については、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定する理由について説明する。
図12は2つの極値を与える極値周波数のうち磁気壁が生じる極値周波数(第1周波数)での特性を示す図である。図12(A)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う送電側の電圧(V1)、電流(I1)の変動の様子を示す図であり、図12(B)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う受電側の電圧(V3)、電流(I3)の変動の様子を示す図である。図12に示すような特性によれば、受電側で電池240(負荷)の負荷増大と共に、電圧が増大する特性があることがわかる。
以上のような磁気壁が生じる周波数においては、電池240側からみて受電アンテナ210が定電流源として見えるものである。このような受電アンテナ210が定電流源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池240などの不具合により緊急停止が起きたとすると、受電アンテナ210の両端部の電圧が上昇してしまうこととなる。
一方、図13は2つの極値を与える極値周波数のうち電気壁が生じる極値周波数(第2
周波数)での特性を示す図である。図13(A)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う送電側の電圧(V1)、電流(I1)の変動の様子を示す図であり、図13(B)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う受電側の電圧(V3)、電流(I3)の変動の様子を示す図である。図13に示すような特性によれば、受電側で電池240(負荷)の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。
周波数)での特性を示す図である。図13(A)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う送電側の電圧(V1)、電流(I1)の変動の様子を示す図であり、図13(B)は電池240(負荷)の負荷変化変動に伴う受電側の電圧(V3)、電流(I3)の変動の様子を示す図である。図13に示すような特性によれば、受電側で電池240(負荷)の負荷増大と共に、電流が減少する特性があることがわかる。
以上のような電気壁が生じる周波数においては、電池240側からみて受電アンテナ210が定電圧源として見えるものである。このような受電アンテナ210が定電圧源のように動作する周波数で、電力伝送を行った場合に、仮に負荷側である電池240などの不具合により緊急停止が起きたとしても、受電アンテナ210の両端部の電圧が上昇することはない。したがって、本発明に係る電力伝送システムによれば、負荷が急激に低下した際に電圧が高圧になることがなく、安定して電力伝送を行うことが可能となるのである。
図12の特性においては、受電側の電池240(負荷)にとっては、充電回路が電流源として見えることとなり、図13の特性においては、受電側の電池240(負荷)にとっては、充電回路が電圧源として見えることとなる。負荷が増大することに伴い、電流が減少する図13に示す特性の方が、電池240(負荷)にとっては好ましいので、本実施形態においては、第1極値周波数、第2極値周波数の2つがある場合については、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定するようにしている。
このような本発明に係る電力伝送システムによれば、伝送効率の極値を与える周波数が2つ存在することがある場合でも、電力伝送時の最適な周波数を迅速に決定することができ、効率的な電力伝送を短時間で行うことが可能となる。
また、2つの極値を与える周波数が2つある場合に、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、電池240(負荷)にとって、充電回路が電圧源として見えるので、充電制御により電池240への出力が変動した際にインバータ部130の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。また、受電側制御部250が緊急停止した際にも供給電力も自動的に最小化するため無駄な装置も必要ない。
また、2つの極値を与える周波数が2つある場合に、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に電気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電側制御部250からみて整流部220が電圧源として見えるので、充電制御により電池240への出力が変動した際に昇降圧部120の出力も伴って増減するために扱いやすい、というメリットがある。
これに対して、2つの極値を与える周波数が2つある場合に、送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に磁気壁が生じる極値周波数を選定すると、受電側制御部250が出力を小さくした際に伴って供給電圧を制御する必要がありそのための通信手段や検知手段が必要となり、コストがかかることとなる。
ただし、本発明に係る電力伝送システムにおけるインバータ部の周波数制御方法は、極値が2つとなる送電アンテナ140と受電アンテナ210との間の対称面に、電気壁が生じる極値周波数を選定する場合、磁気壁が生じる極値周波数を選定する場合のいずれにも利用することができるし、さらに、共振点付近での極値が1つしかない場合でも有効に利用することができる。
100・・・電力伝送システム
110・・・整流部
120・・・昇降圧部
130・・・インバータ部
140・・・送電アンテナ
150・・・送電側制御部
170・・・通信部
210・・・受電アンテナ
220・・・整流部
230・・・昇降圧部
240・・・電池
250・・・受電側制御部
270・・・通信部
110・・・整流部
120・・・昇降圧部
130・・・インバータ部
140・・・送電アンテナ
150・・・送電側制御部
170・・・通信部
210・・・受電アンテナ
220・・・整流部
230・・・昇降圧部
240・・・電池
250・・・受電側制御部
270・・・通信部
Claims (2)
- 送電アンテナから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電力伝送システムであって、
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、
前記インバータ部における駆動周波数を制御すると共に、前記インバータ部に入力する直流電圧の電圧値を制御し、前記インバータ部から出力される電力を制御する送電側制御部と、
前記インバータ部からの交流電圧が入力される前記送電アンテナと、
前記受電アンテナからの出力を直流電圧に整流して出力する整流部と、
前記整流部から出力される直流電圧を昇圧又は降圧して出力する昇降圧部と、
前記昇降圧部から出力が充電される電池と、
前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大効率で充電を行うことにより、前記送電アンテナと前記受電アンテナ間の結合係数に関わらず前記インバータ部における駆動周波数が変わらないよう制御する受電側制御部と、からなることを特徴とする電力伝送システム。 - 前記送電側制御部は、前記インバータ部における駆動周波数を所定周波数で固定する制御を行うと共に、前記受電側制御部は、前記昇降圧部を制御して、前記電池に最大電力値で充電を行うよう制御することを特徴とする請求項1に記載の電力伝送システム。
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