JP2014093811A

JP2014093811A - 給電部及び給電システム

Info

Publication number: JP2014093811A
Application number: JP2012241627A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Kagami; 和義加々美
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】安価に、給電設備がどのような設置環境であっても高い伝送効率を得ることができる給電システムを提供する。
【解決手段】給電側共鳴コイル２３の両端に接続された共鳴周波数調整用の給電側キャパシタＣ１が、容量が可変に設けられる。反射電力検出器２４が、高周波電源２１と給電側共鳴コイル２３との間に設けられ、給電側共鳴コイル２３で反射される電力を検出する。調整部２５が、反射電力検出器２４からの検出結果に応じて給電側キャパシタＣ１の容量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電部及び給電システムに係り、特に、受電側共鳴コイルと共鳴して受電側共鳴コイルに非接触で電力を供給する給電側共鳴コイルを備えた給電部及び当該給電部を備えた給電システムに用いられる給電部に関するものである。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして共鳴式のものが知られている。この共鳴式の給電システムでは、互いに電磁共鳴する一対の共鳴コイルの一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、給電設備の地面に設置された共鳴コイルから車両に搭載された共鳴コイルに非接触で電力を供給している。以下、給電設備に設置された共鳴コイルの一方を給電側共鳴コイル、車両に搭載された共鳴コイルの他方を受電側共鳴コイルと言う。

上述した一対の共鳴コイルには、所望の共鳴周波数で共鳴するように共鳴周波数調整用のキャパシタが接続されている。通常、給電システムにおいては、一対の共鳴コイルとしては互いに同じ大きさ、形状のものを用い、キャパシタを同じ容量にすることにより、給電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルとのインピーダンスをマッチングさせて、伝送効率の向上を図っている。

しかしながら、上述したようにインピーダンスをマッチングさせて、高い伝送効率を得られるようにしたにも関わらず、実際に給電側共鳴コイルを地面に配置し、受電側共鳴コイルを車両に搭載すると、伝送効率が悪化してしまう、という問題があった。

このような原因について発明者が鋭意探求したところ、給電側共鳴コイルは地面に近く、しかもシールドケースに収容する場合、地中に埋め込む関係上、シールドケースを小さくする必要があり、シールドケースに接近する。このため、地面といった理想グランドやシールドケースなどの影響で給電側共鳴コイルのインピーダンスが変化してしまう結果、インピーダンスがマッチングしなくなり伝送効率が悪化してしまうのではないかと考えた。

そこで、発明者は、一対の共鳴コイルが同じ大きさ、同じ形状で、一対の共鳴コイルに接続されたキャパシタも互いに同じ容量（共鳴周波数としてはＩＳＭバンド周波数の一つである１３．５６ＭＨｚに調整されている）の給電システムである従来品を周辺に地面やシールドケースなどの理想グランドがない環境に配置したときの伝送効率の周波数特性と、同じ従来品を共鳴コイルの一方の直下２０ｍｍに理想グランドがある環境に配置したときの伝送効率の周波数特性と、をそれぞれシミュレーションした。結果を図１２に示す。同図からも明らかなように、近くに理想グランドがない空間で９８．４％の伝送率が得られるようにキャパシタを調整したとしても、理想グランドが近くにあると伝送効率が悪化し、１０％にも満たなくなることを確認した。

次に、発明者は、従来品を周辺に理想グランドがない環境に配置したときの給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性と、同じ従来品を共鳴コイルの一方の直下２０ｍｍに理想グランドがある環境に配置したときの給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性と、をそれぞれシミュレーションした。結果を図１３に示す。理想グランドがない場合、同図（Ａ）に示すように、特性インピーダンスは５０Ω（１＝５０Ω）に設定される。しかしながら、理想グランドがあると、同図（Ｂ）に示すように、特性インピーダンスは５０Ωから離れることが分かる。即ち、給電側共鳴コイルの近くに理想グランドがあると、給電側共鳴コイルのインピーダンスが変化してしまい、結果、インピーダンスがマッチングしなくなり伝送効率が悪化してしまうことが確認できた。

そこで、設置環境に応じて給電側共鳴コイルの巻数や形状を変えてインピーダンスをマッチングさせることが考えられるが、設置環境毎に受電側共鳴コイルとは別形状の給電側共鳴コイルを用意する必要がありコスト的に問題があった。また、電源と給電側共鳴コイルとの間にインピーダンスを調整する整合器を設けることも考えられるが、整合器を余計に設ける分、コスト高になる。また、広い範囲で調整できるような整合器を設けるとさらにコスト高になる、という問題があった。

特開２０１０−６８６５７号公報

そこで、本発明は、安価に、給電設備がどのような設置環境であっても高い伝送効率を得ることができる給電システム及び当該給電システムに用いられる給電部を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、電源と、受電側共鳴コイルと共鳴して前記受電側共鳴コイルに非接触で前記電源から供給された電力を給電するための給電側共鳴コイルと、前記給電側共鳴コイルに接続された共鳴周波数調整用のキャパシタと、を備えた給電部において、前記キャパシタが、容量を可変に設けられ、前記電源と前記給電側共鳴コイルとの間に設けられ、前記電源に戻ってくる電力を検出する反射電力検出手段と、前記反射電力検出手段からの検出結果に応じて前記キャパシタの容量を調整する調整手段と、を備えたことを特徴とする給電部に存する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の給電部と、前記給電側共鳴コイルと電磁共鳴して前記給電側共鳴コイルからの電力を受電する受電側共鳴コイルと、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。

以上説明したように請求項１及び２記載の発明によれば、調整手段が、反射電力検出手段による検出結果に応じて共鳴周波数調整用に設けてあるキャパシタの容量を調整するので、設置環境に応じてインピーダンスが変わったとしても調整手段によりインピーダンスのずれを改善し、インピーダンスマッチングのずれによって生じていた伝送効率の低下を防ぐことができる。これにより、部品を追加せずに安価に、どのような設置環境であっても高い伝送効率を得ることができる。

本発明の給電システムの一実施形態を示すブロック図である。図１に示す給電側ループアンテナ、給電側共鳴コイル、受電側ループアンテナ及び受電側共鳴コイルの斜視図である。図１に示す給電システムを地面（理想グランド）がある環境に配置して、給電側キャパシタの容量を３４．５ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で変化させたときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。図３に示す給電側キャパシタの容量に対する伝送効率のピーク値を示すグラフである。図１に示す調整部の処理手順を示すフローチャートである。従来品及び本発明品を周辺に理想グランドがある環境に配置した場合の伝送効率の周波数特性を示すグラフである。（Ａ）は、従来品を周辺に理想グランドがある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートであり、（Ｂ）は、本発明品を周辺に理想グランドがある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートである。従来品及び本発明品を周辺に銅がある環境に配置したときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。（Ａ）は、従来品を周辺に銅がある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートであり、（Ｂ）は、本発明品を周辺に銅がある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートである。従来品及び本発明品の周辺にニッケルがある環境に配置したときの伝送効率の周波数特性を示すグラフである。（Ａ）は、従来品を周辺にニッケルがある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートであり、（Ｂ）は、本発明品の周辺にニッケルがある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートである。従来品を周辺に理想グランドがない環境に配置した場合の伝送効率の周波数特性と、従来品を周辺に理想グランドがある環境に配置した場合の伝送効率の周波数特性と、を示すグラフである。（Ａ）は、従来品を周辺に理想グランドがない環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートであり、（Ｂ）は、従来品を周辺に理想グランドがある環境に配置した場合の給電側共鳴コイルの特性インピーダンスの周波数特性を示すスミスチャートである。

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の一実施形態を示すブロック図である。図２は、図１に示す給電側ループアンテナ、給電側共鳴コイル、受電側ループアンテナ及び受電側共鳴コイルの斜視図である。同図に示すように、給電システム１は、給電設備に設けられる給電部２と、車両に搭載された受電部３と、を備えている。

上記給電部２は、電源としての高周波電源２１と、高周波電源２１からの高周波電力が供給される給電側ループアンテナ２２と、給電側ループアンテナ２２に電磁結合された給電側共鳴コイル２３と、給電側共鳴コイル２３の両端に接続された給電側キャパシタＣ１と、高周波電源２１−給電側ループアンテナ２２間に設けられ、給電側共鳴コイル２３、受電側共鳴コイル３１で反射され、高周波電源２１に戻ってくる電力を検出する反射電力検出手段としての反射電力検出器２４と、反射電力検出器２４からの検出結果に応じて給電側キャパシタＣ１の容量調整を行う調整手段としての調整部２５と、を備えている。

上記高周波電源２１は、高周波電力を生成して、給電側ループアンテナ２２に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、後述する給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１の共鳴周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）と等しくなるように設けられている。

上記給電側ループアンテナ２２は、図２に示すように、帯状の導体を円ループ状に巻いて構成されていて、その中心軸及び厚み方向が地面から車両に向かう方向、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２２の両端には、後述する反射電力検出器２４を介して高周波電源２１が接続されていて、この高周波電源２１からの高周波電力が供給されている。

上記給電側共鳴コイル２３は、帯状の導体を給電側ループアンテナ２２よりも径の小さい円形のヘリカル状に巻いて構成される。図２に示す例では、給電側共鳴コイル２３は、２巻き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、巻数は何巻きでもよい。この給電側共鳴コイル２３は、上記給電側ループアンテナ２２よりも車両側に離間して配置されると共に、給電側ループアンテナ２２と同軸上に配置される。また、この給電側共鳴コイル２３も、その中心軸及び厚み方向が鉛直方向に沿うように配置されている。そして、給電側共鳴コイル２３の両端には、共鳴周波数調整用の給電側キャパシタＣ１が接続される。

上記給電側ループアンテナ２２と給電側共鳴コイル２３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２２に高周波電力が供給され、高周波電流が流れると給電側共鳴コイル２３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。

上記給電側キャパシタＣ１は、例えば両端に印加される電圧に応じて容量が変化するダイオードであるバラクタから構成されている。上記反射電力検出器２４は、給電側共鳴コイル２３で反射され、給電側ループアンテナ２２から高周波電源２１に向かって流れる電力を取り出す方向性結合器（図示せず）と、方向性結合器により取り出された電力を検出するパワーメータ（図示せず）と、から構成されている。このパワーメータにより検出された電力が、給電側共鳴コイル２３、受電側共鳴コイル３１で反射され、高周波電源２１に戻ってきた電力として調整部２５に供給される。調整部２５は、例えばマイコンから構成され、反射電力検出器２４で検出された電力が最小になるように給電側キャパシタＣ１の容量を調整する。

上記受電部３は、給電側共鳴コイル２３と電磁共鳴する受電側共鳴コイル３１と、受電側共鳴コイル３１に電磁結合された受電側ループアンテナ３２と、受電側共鳴コイル３１の両端に接続された受電側キャパシタＣ２と、受電側ループアンテナ３２が受電して高周波電力を直流電力に変換する整流器３３と、整流器３３により変換された直流電力が供給される車載バッテリ３４と、を備えている。

上記受電側共鳴コイル３１は、上述した給電側共鳴コイル２３と同じ大きさ、同じ形状に設けられ、その中心軸が鉛直方向に沿うように配置されている。上記受電側ループアンテナ３２は、給電側ループアンテナ２２と同じ大きさ、同じ形状に設けられている。また、受電側ループアンテナ３２は、受電側共鳴コイル３１よりも地面から離れた側に離間して配置される共に受電側共鳴コイル３１と同軸上に配置されている。上記受電側共鳴コイル３１の両端には、共鳴周波数調整用の受電側キャパシタＣ２が接続されている。上記受電側キャパシタＣ２としては、給電側共鳴コイル２３の共鳴周波数を例えば１３．５６ＭＨｚにするために、３４．５ｐＦのものが用いられている。

また、受電側共鳴コイル３１と受電側ループアンテナ３２とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側共鳴コイル３１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ３２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。

上述した給電システム１によれば、車両の受電部３が給電設備の地面に設けた給電部２に近づいて給電側共鳴コイル２３と受電側共鳴コイル３１とが電磁共鳴すると、給電部２から受電部３に非接触で電力が供給され、車載バッテリ３４が充電される。

詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ２２に交流電流が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側共鳴コイル２３に送られる。即ち、給電側共鳴コイル２３には、給電側ループアンテナ２２を介して電力が供給される。給電側共鳴コイル２３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共鳴コイル３１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側共鳴コイル３１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３２に送られ、この受電側ループアンテナ３２に接続された車載バッテリ３４が充電される。

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、本発明者は、上述した構成の給電システム１を給電側共鳴コイル２３付近に地面（理想グランド）がある環境に配置して、給電側キャパシタの容量を３４．５ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で変化させたときの伝送効率の周波数特性をシミュレーションした。結果を図３に示す。また、図４は、図３に示す給電側キャパシタＣ１の容量に対する伝送効率のピーク値を示すグラフである。

同図に示すように、給電側キャパシタＣ１の容量を受電側キャパシタＣ２の容量よりも大きくなるように調整すれば、給電側共鳴コイル２３のインピーダンスのずれを補償して、伝送効率が改善されることが分かった。また、給電側キャパシタＣ１の容量をあまり大きくしすぎると、給電側共鳴コイル２３及び受電側共鳴コイル３１で共振周波数が著しくことなり、かえって伝送効率が低下することになることが分かった。

次に、上述した構成の給電システム１の動作について図５を参照して説明する。図５は、図１に示す給電システム１を構成する調整部２５の処理手順を示すフローチャートである。まず、調整部２５は、図示しない給電ボタンなどが操作されて、給電が開始されると動作を開始し、反射電力検出器２４により一定量以上の反射電力が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１でＹ）。一定量異常の反射電力が検出されると、調整部２５は、給電側キャパシタＣ１の両端に印加する電圧を変化させて給電側キャパシタＣ１の容量をスイープさせ、反射電力検出器２４により検出された反射電力が最小となるように給電側キャパシタＣ１の容量を調整する（ステップＳ２）。その後、給電が停止されると（ステップＳ３でＹ）、調整部２５は動作を停止する。

上述した実施形態によれば、調整部２５が、反射電力検出器２４による検出結果に応じて共鳴周波数調整用に設けてある給電側キャパシタＣ１の容量を調整するので、設置環境に応じてインピーダンスが変わったとしても調整部２５によりインピーダンスのずれを改善し、インピーダンスマッチングのずれによって生じていた伝送効率の低下を防ぐことができる。これにより、部品を追加せずに安価に、どのような設置環境であっても高い伝送効率を得ることができる。

次に、本発明者は、給電側キャパシタＣ１と受電側キャパシタＣ２とが同じ値（＝３４．５ｐＦ）に調整された従来の給電システム（従来品）と、調整部２５により給電側キャパシタＣ１の容量が調整される本発明の給電システム（本発明品）と、をそれぞれ給電側共鳴コイル２３付近に地面（理想グランド）がある環境に配置したときの伝送効率及び給電側キャパシタＣ１の特性インピーダンスの周波数特性をシミュレーションした。結果を図６及び図７に示す。

なお、本発明品においては、受電側キャパシタＣ２として３４、５ｐＦのものが用いられ、給電側キャパシタＣ１は調整部２５により約６２ｐＦに調整されているものとする。また、シミュレータ上では地面そのものの再現はできないため、地面は理想グランドとしてシミュレーションしている。ここでいう理想グランドとは、無限に広がる２次元シートを想定し、導電率無限大かつその面に対して電界成分全てが垂直に入ることを条件としている。

同図に示すように、従来品では伝送効率が１０％未満に低下してしまうのに対して、本発明品では、給電側キャパシタＣ１の容量を調整することで、インピーダンスのずれが補正され、伝送効率の低下が補償されていることが分かる。一般に、接触式の普通充電における伝送効率は９０％〜８０％程度であり、非接触式の充電もそれに準ずる効率が要求されているといえる。本発明品では、伝送効率は約９０％程度まで回復しており、要求を満足させていると言える。

また、本発明者は、従来品と本発明品とをそれぞれ給電側共鳴コイル２３付近に金属（ここでは銅）がある環境に配置したときの伝送効率及び給電側キャパシタＣ１の特性インピーダンスの周波数特性をシミュレーションした。結果を図８及び図９に示す。同図にしめすように、金属（銅）が周辺にあった場合でも、理想グランドと同等もしくは上回る効果が得られることが分かった。

また、本発明者は、従来品と本発明品とをそれぞれ給電側共鳴コイル２３付近に磁性体であるニッケルがある環境に配置したときの伝送効率及び給電側キャパシタＣ１の特性インピーダンスの周波数特性をシミュレーションした。結果を図１０及び図１１に示す。同図にしめすように、磁性体（ニッケル）が周辺にあった場合、理想グランドや金属（銅）の場合に比べて効果は薄くなるもののインピーダンスが５０Ωに近づき、伝送効率低下が補償されることがわかった。

なお、上述した実施形態によれば、給電側ループアンテナ２２の径が、給電側共鳴コイル２３の径よりも大きく設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば給電側ループアンテナ２２の径と給電側共鳴コイル２３の径とが等しくてもよい。

また、上述した実施形態によれば、給電側共鳴コイル２３と受電側共鳴コイル３１とが同じ大きさに設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、給電側共鳴コイル２３の径が、受電側共鳴コイル３１の径よりも大きくてもよい。

また、上述した実施形態によれば、給電側キャパシタＣ１としてバラクタを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、機械的な操作によって容量を調整するバリコンなどを用いても良い。

また、上述した実施形態によれば、共鳴コイル２３、３１としてはヘリカル状のものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、スパイラス状に巻いたものであってもよい。

また、上述した実施形態によれば、給電側キャパシタＣ１を調整するだけで、給電側共鳴コイル２３のインピーダンスを調整していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、高周波電源２１及び給電側キャパシタＣ１の間にインピーダンス整合器を設けて、給電側キャパシタＣ１とインピーダンス整合器との双方を調整するようにしてもよい。この場合、インピーダンス整合器としては、調整範囲が狭い安価なものを用いることができる。

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。

１給電システム
２給電部
２１高周波電源（電源）
２３給電側共鳴コイル
２４反射電力検出器（反射電力検出手段）
２５調整部（調整手段）
３１受電側共鳴コイル
Ｃ１給電側キャパシタ（キャパシタ）

Claims

電源と、受電側共鳴コイルと共鳴して前記受電側共鳴コイルに非接触で前記電源から供給された電力を給電するための給電側共鳴コイルと、前記給電側共鳴コイルに接続された共鳴周波数調整用のキャパシタと、を備えた給電部において、
前記キャパシタが、容量を可変に設けられ、
前記電源と前記給電側共鳴コイルとの間に設けられ、前記電源に戻ってくる電力を検出する反射電力検出手段と、
前記反射電力検出手段からの検出結果に応じて前記キャパシタの容量を調整する調整手段と、
を備えたことを特徴とする給電部。
請求項１記載の給電部と、
前記給電側共鳴コイルと電磁共鳴して前記給電側共鳴コイルからの電力を受電する受電側共鳴コイルと、
を備えたことを特徴とする給電システム。