JP2014090632A - 送電機器及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源の効率の向上を図ることができる受電機器及びその受電機器を備えた非接触電力伝送装置を提供すること。
【解決手段】非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１と車両側機器２１とから構成されている。地上側機器１１には、高周波電源１２と、高周波電源１２から高周波電力が入力される送電器１３とが設けられている。車両側機器２１には、送電器１３から非接触で高周波電力を受電可能な受電器２３と、受電器２３にて受電された高周波電力が入力される負荷２２とが設けられている。ここで、高周波電源１２と送電器１３との間にはインピーダンス変換器３１が設けられており、インピーダンス変換器３１の定数は、高周波電源１２の効率が高くなるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、送電機器及び非接触電力伝送装置に関する。

従来から、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば磁場共鳴を用いたものが知られている。例えば特許文献１の非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側の共振コイルとを有する送電機器を備えている。また、非接触電力伝送装置は、１次側の共振コイルと磁場共鳴可能な２次側の共振コイルを有する受電機器を備えている。そして、１次側の共振コイルと２次側の共振コイルとが磁場共鳴することにより、送電機器から受電機器に交流電力が伝送される。

特開２００９−１０６１３６号公報

上記のような非接触電力伝送装置においては、伝送効率の向上が求められている。この伝送効率が依存するパラメータとして、例えば交流電源の効率がある。そして、非接触電力伝送装置において、交流電源の効率には未だ改善の余地がある。

なお、上述した事情は、磁場共鳴によって非接触の伝力伝送を行うものに限られず、電磁誘導によって非接触の電力伝送を行うものについても同様である。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、交流電源の効率の向上を図ることができる受電機器及びその受電機器を備えた非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、交流電力を出力する交流電源と、前記交流電力が入力される１次側コイルと、を備え、２次側コイルを有する受電機器に非接触で前記交流電力を送電可能な送電機器において、前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられた調整部を備え、前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように当該調整部の入力インピーダンスを調整することを特徴とする。

かかる発明によれば、交流電源の効率が高くなるように調整部の入力インピーダンスが調整されている。これにより、交流電源の効率の向上を図ることができる。
請求項２に係る発明は、交流電力を出力する交流電源、及び前記交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と、前記１次側コイルから前記交流電力を非接触で受電可能な２次側コイルを有する受電機器と、を備えた非接触電力伝送装置において、前記送電機器として請求項１に記載の送電機器を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、非接触電力伝送装置において交流電源の効率の向上を図ることができる。

請求項３に係る発明は、交流電力を出力する交流電源と、前記交流電力が入力される１次側コイルと、前記１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと、前記２次側コイルにて受電された交流電力が入力される負荷と、を備えた非接触電力伝送装置において、前記交流電源の効率が高くなるように、前記交流電源の出力端から前記負荷までのインピーダンスを調整する調整部を備えていることを特徴とする。かかる発明によれば、交流電源の効率が高くなるように交流電源の出力端から負荷までのインピーダンスが調整されている。これにより、交流電源の効率の向上を図ることができる。

この発明によれば、交流電源の効率の向上を図ることができる。

非接触電力伝送装置の電気的構成を示す回路図。 非接触電力伝送装置の別例を示す回路図。

以下、本発明に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）について図１を用いて説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、地上に設けられた地上側機器１１と、車両に搭載された車両側機器２１とを備えている。地上側機器１１が送電機器（１次側機器）に対応し、車両側機器２１が受電機器（２次側機器）に対応する。

地上側機器１１は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な高周波電源１２（交流電源）を備えている。高周波電源１２はインフラとしての系統電源から入力される系統電力を高周波電力に変換し、その高周波電力を出力可能に構成されている。

高周波電源１２から出力された高周波電力は、非接触で車両側機器２１に伝送され、車両側機器２１に設けられた負荷２２に入力される。具体的には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１及び車両側機器２１間の電力伝送を行うものとして、地上側機器１１に設けられた送電器１３と、車両側機器２１に設けられた受電器２３とを備えている。

送電器１３及び受電器２３は同一の構成となっており、両者は磁場共鳴可能に構成されている。具体的には、送電器１３は、並列に接続された１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路で構成されている。受電器２３は、並列に接続された２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路で構成されている。両者の共振周波数は同一に設定されている。

かかる構成によれば、高周波電力が送電器１３（１次側コイル１３ａ）に入力された場合、送電器１３と受電器２３（２次側コイル２３ａ）とが磁場共鳴する。これにより、受電器２３は送電器１３のエネルギの一部を受け取る。すなわち、受電器２３は、送電器１３から高周波電力を受電する。

受電器２３にて受電された高周波電力が入力される負荷２２には、高周波電力を直流電力に整流する整流器と、その直流電力が入力される車両用バッテリ（蓄電装置）とが含まれている。受電器２３にて受電された高周波電力は、車両用バッテリの充電に用いられる。

なお、地上側機器１１には、高周波電源１２等の地上側機器１１の制御を行う電源側コントローラ１４が設けられている。また、車両側機器２１には、電源側コントローラ１４と無線通信が可能に構成された車両側コントローラ２４が設けられている。非接触電力伝送装置１０は、各コントローラ１４，２４間での情報のやり取りを通じて、電力伝送の開始又は終了等を行う。

高周波電源１２は、系統電力を直流電力に変換（整流）するＡＣ／ＤＣ変換器１２ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器１２ａから出力された直流電力を高周波電力に変換するＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂとを備えている。ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂは、周期的にスイッチングするスイッチング素子１２ｂｂを備えており、当該スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数に対応した高周波電力を出力する。なお、ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂの具体的な構成としては、例えばＤ級増幅器やＥ級増幅器等が考えられる。

電源側コントローラ１４は、電力伝送に適した高周波電力が高周波電源１２から出力されるようにスイッチング素子１２ｂｂのスイッチング制御を行う。詳細には、電源側コントローラ１４は、スイッチング素子１２ｂｂが送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一周波数でスイッチングするように、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング制御を行う。これにより、高周波電源１２から送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一周波数の高周波電力が出力される。

ここで、非接触電力伝送装置１０は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス（以下、負荷インピーダンスＺｉｎという）を調整する調整部としてインピーダンス変換器３１を備えている。当該インピーダンス変換器３１について以下に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、送電器１３及び受電器２３は予め定められた基準位置に配置されているものとする。

インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２から負荷２２までの間に設けられており、詳細には高周波電源１２と送電器１３との間に設けられている。インピーダンス変換器３１は、インダクタ３１ａ及び当該インダクタ３１ａに対して並列に接続されたキャパシタ３１ｂを備えたＬＣ回路で構成されている。インピーダンス変換器３１の定数（インピーダンス）、詳細にはインダクタ３１ａのインダクタンス及びキャパシタ３１ｂのキャパシタンスは固定値となっている。

インピーダンス変換器３１の定数は、高周波電源１２の効率（電源効率又は変換効率）が高くなるように設定されている。詳細には、高周波電源１２に入力される系統電力の電力値をＰｉｎとし、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値（以降、単に出力電力値という）をＰｏｕｔとすると、高周波電源１２の効率はＰｏｕｔ／Ｐｉｎである。そして、出力電力値Ｐｏｕｔは負荷インピーダンスＺｉｎに依存している。

なお、出力電力値Ｐｏｕｔの上限値及び下限値は、高周波電源１２の仕様によって予め定められている。つまり、出力電力値Ｐｏｕｔが変動可能な許容範囲は予め定められている。

かかる構成において、インピーダンス変換器３１の定数は、出力電力値Ｐｏｕｔの許容範囲内（出力電力値Ｐｏｕｔが上限値又は下限値を超えない範囲内）において、負荷インピーダンスＺｉｎが高周波電源１２の効率が高くなる値（インピーダンス）となるように設定されている。例えば、高周波電源１２の効率が最大となる負荷インピーダンスＺｉｎを特定インピーダンスとすると、インピーダンス変換器３１の定数は、出力電力値Ｐｏｕｔの許容範囲内において負荷インピーダンスＺｉｎが特定インピーダンスに近づく（好ましくは一致する）ように設定されている。換言すれば、インピーダンス変換器３１は、負荷インピーダンスＺｉｎが上記特定インピーダンスに近づくように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンス（１次側コイル１３ａの入力インピーダンス）をインピーダンス変換している。

次に本実施形態の作用について説明する。
高周波電源１２の効率が高くなるように負荷インピーダンスＺｉｎが調整されている。これにより、高周波電源１２の効率が高められている。

なお、高周波電源１２とインピーダンス変換器３１とが接続されている点に着目すれば、負荷インピーダンスＺｉｎとは、インピーダンス変換器３１の入力インピーダンスとも言える。また、高周波電源１２に接続されているインピーダンス変換器３１以降を１つの負荷とすれば、負荷インピーダンスＺｉｎとは、高周波電源１２に接続されている上記負荷のインピーダンスであるとも言える。

以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた効果を奏する。
（１）高周波電源１２の効率が高くなるように負荷インピーダンスＺｉｎを調整するインピーダンス変換器３１を設けた。これにより、高周波電源１２の効率の向上を図ることができる。

特に、高周波電源１２の効率を決定付けるものとして、負荷インピーダンスＺｉｎに着目し、その負荷インピーダンスＺｉｎを調整することで高周波電源１２の効率の向上を達成した。これにより、高周波電源１２を構成する各素子として、損失が少ない特殊なものを用いることなく、高周波電源１２の効率の向上を図ることができ、コストの削減等を図ることができる。また、上記のような損失が少ない特殊な素子を採用する場合には、高周波電源１２の効率の更なる向上を図ることができる。

また、例えばスイッチング素子１２ｂｂのスイッチング損失を低減させるためには、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数を低減させることが考えられる。しかしながら、磁場共鳴によって送電器１３及び受電器２３間の電力伝送を行う関係上、高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数が、送電器１３及び受電器２３の共振周波数に対してずれると、伝送効率が大きく低下し得る。

これに対して、本実施形態では、負荷インピーダンスＺｉｎを調整する構成を採用したことにより、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数を変更することなく、高周波電源１２の効率の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、インピーダンス変換器３１は地上側機器１１に設けられていたが、これに限られず、例えば車両側機器２１に設けられていてもよい。

○ 実施形態では、インピーダンス変換器３１は１つのインダクタ３１ａ及び１つのキャパシタ３１ｂから構成されていたが、これに限られず、具体的な構成は任意である。例えば、複数のインダクタ又は複数のキャパシタを備えたπ型、Ｔ型等を用いてもよい。

○ また、ＬＣ回路に限られず、例えば図２に示すように、負荷インピーダンスＺｉｎを調整するものとして、１次側コイル１３ａと電磁誘導で結合しているものであって、１次側コイル１３ａと協働してトランスを構成する誘導コイル４１を採用してもよい。この場合、高周波電源１２の効率が高くなるように誘導コイル４１のインダクタンス（巻数）を設定するとよい。

○ 実施形態では、インピーダンス変換器３１の定数は固定であったが、これに限られず、可変としてもよい。この場合、例えば負荷２２のインピーダンスが変動する場合には、高周波電源１２の効率が高くなるように、負荷２２のインピーダンスの変動に対応させてインピーダンス変換器３１の定数を可変制御してもよい。なお、インピーダンス変換器３１の定数を可変にする構成としては、定数が互いに異なる複数のＬＣ回路を設け、それらを選択的に接続する構成でもよいし、インダクタンス及びキャパシタンスの少なくとも一方が可変の素子を有する構成としてもよい。

○ また、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に応じて、インピーダンス変換器３１の定数を可変制御する構成としてもよい。詳細には、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動によって、各コイル１３ａ，２３ａ間の相互インダクタンスが変動し得る。これに対して、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に関わらず、負荷インピーダンスＺｉｎが高周波電源１２の効率が高くなるようにインピーダンス変換器３１の定数を可変制御する構成としてもよい。

○ 高周波電源１２の具体的な構成としては、スイッチング素子を有するものであれば、実施形態のものに限られず、任意である。例えばＡＣ／ＤＣ変換器１２ａとＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂとの間に、周期的にスイッチングするスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。これにより、上記スイッチング素子のスイッチング制御によって、高周波電源１２の効率の向上を図りつつ、高周波電源１２から所望の電力値の高周波電力が出力されるようにすることができる。

詳述すると、負荷インピーダンスＺｉｎが高周波電源１２の効率が高くなる値となっており、且つ、高周波電源１２から出力される電圧値が固定されている場合、取り得る出力電力値Ｐｏｕｔが制限され得る。すると、高周波電源１２の効率を優先した結果、出力電力値Ｐｏｕｔが所望の電力値とはならない場合がある。

これに対して、高周波電源１２から出力される電圧値を可変にすることによって、負荷インピーダンスＺｉｎが上記高周波電源１２の効率が高くなる値となっている状態で、出力電力値Ｐｏｕｔを調整することができる。これにより、高周波電源１２の効率の向上と、出力電力値Ｐｏｕｔを所望の電力値にすることとの両立を図ることができる。

○ インピーダンス変換器３１とは別に、インピーダンス変換器を設ける構成としてもよい。例えば、地上側機器１１においてインピーダンス変換器３１と送電器１３との間に１次側インピーダンス変換器を設けてもよいし、受電器２３と負荷２２との間に２次側インピーダンス変換器を設けてもよい。この場合、１次側インピーダンス変換器の定数を、高周波電源１２の出力インピーダンスと、送電器１３の入力インピーダンスとが整合するように設定し、２次側インピーダンス変換器の定数を、受電器２３の出力インピーダンスと、負荷２２のインピーダンスとが整合するように設定してもよい。

○ また、各コイル１３ａ，２３ａの位置ずれに伴い、１次側インピーダンス変換器及び２次側インピーダンス変換器の定数を可変制御する構成としてもよい。この場合、１次側インピーダンス変換器及び２次側インピーダンス変換器の定数の変動に対応させて、インピーダンス変換器３１の定数を可変制御するとよい。

○ 受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、他の抵抗値と比較して、相対的に高い伝送効率となる特定抵抗値が存在する。換言すれば、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、所定の抵抗値（第１抵抗値）よりも伝送効率が高くなる特定抵抗値（第２抵抗値）が存在する。詳細には、仮に送電器１３の入力端、インピーダンス変換器３１と送電器１３との間に仮想負荷を設けた場合において、当該仮想負荷の抵抗値をＲａ１とし、受電器２３（詳細には受電器２３の出力端）から仮想負荷までの抵抗値をＲｂ１とすると、特定抵抗値は√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。

これに対応させて、２次側インピーダンス変換器は、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値に近づく（好ましくは一致する）ように、負荷２２のインピーダンスをインピーダンス変換してもよい。

○ また、１次側インピーダンス変換器は、例えば力率が改善されるように送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスをインピーダンス変換してもよい。
○ また、車両側機器２１における上記２次側インピーダンス変換器と負荷２２との間にインピーダンス変換器を別途設けてもよい。この場合、負荷２２のインピーダンスの変動に対応させて上記インピーダンス変換器の定数を可変制御する構成とするとよい。

○ 高周波電源１２から出力される高周波電力の電圧波形としては、パルス波形、正弦波等任意である。
○ 実施形態では、１次側コンデンサ１３ｂ及び２次側コンデンサ２３ｂを設けたが、これらを省略してもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの寄生容量を用いて磁場共鳴させる。

○ 実施形態では、送電器１３の共振周波数と受電器２３の共振周波数とは同一に設定されていたが、これに限られず、電力伝送が可能な範囲内で両者を異ならせてもよい。
○ また、高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数は、送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一であったが、これに限られず、電力伝送可能な範囲内でずらしてもよい。

○ 実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴を用いたが、これに限られず、電磁誘導を用いてもよい。
○ 実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、車両に適用されていたが、これに限られず、他の機器に適用してもよい。例えば、携帯電話のバッテリを充電するのに適用してもよい。

○ 車両側機器２１を省略してもよい。この場合、負荷インピーダンスＺｉｎ（インピーダンス変換器３１の入力インピーダンス）は、インピーダンス変換器３１の入力端から送電器１３までのインピーダンスである。

○ 負荷２２には、車両用バッテリが含まれていたが、これに限られず、任意である。例えば、負荷２２として所定の機器を採用してもよい。また、負荷２２のインピーダンスは、入力電力の電力値に応じて変動する変動値であってもよいし、固定値であってもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に記載する。
（イ）前記調整部は、前記交流電源から出力される交流電力の電力値が予め定められた許容範囲内で前記交流電源の効率が高くなるように、当該調整部の入力インピーダンスを調整することを特徴とする請求項１に記載の送電機器。

（ロ）前記交流電源の効率が最大となる前記調整部の入力インピーダンスを特定インピーダンスとすると、前記調整部は、当該調整部の入力インピーダンスが前記特定インピーダンスに近づくように前記１次側コイルの入力インピーダンスをインピーダンス変換するものであることを特徴とする請求項１又は技術的思想（イ）に記載の送電機器。

１０…非接触電力伝送装置、１１…地上側機器（送電機器）、１２…高周波電源（交流電源）、１２ａ…ＡＣ／ＤＣ変換器、１２ｂ…ＤＣ／ＲＦ変換器、１２ｂｂ…スイッチング素子、１３ａ…１次側コイル、１４…電源側コントローラ１４、２１…車両側機器（受電機器）、２２…負荷、２３ａ…２次側コイル、２４…車両側コントローラ、３１…インピーダンス変換器（調整部）、Ｚｉｎ…負荷インピーダンス。

Claims (3)

1. 交流電力を出力する交流電源と、
   前記交流電力が入力される１次側コイルと、
   を備え、２次側コイルを有する受電機器に非接触で前記交流電力を送電可能な送電機器において、
   前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられた調整部を備え、
   前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように当該調整部の入力インピーダンスを調整することを特徴とする送電機器。
2. 交流電力を出力する交流電源、及び前記交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と、
   前記１次側コイルから前記交流電力を非接触で受電可能な２次側コイルを有する受電機器と、
   を備えた非接触電力伝送装置において、
   前記送電機器として請求項１に記載の送電機器を備えていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
3. 交流電力を出力する交流電源と、
   前記交流電力が入力される１次側コイルと、
   前記１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと、
   前記２次側コイルにて受電された交流電力が入力される負荷と、
   を備えた非接触電力伝送装置において、
   前記交流電源の効率が高くなるように、前記交流電源の出力端から前記負荷までのインピーダンスを調整する調整部を備えていることを特徴とする非接触電力伝送装置。