JP2014176122A - 磁気共振型ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気共振型ワイヤレス給電システムの電力の伝送効率を上昇させる。
【解決手段】本発明の磁気共振型ワイヤレス給電システムは、交流電源と、交流電源に接続される電圧変換用コイルと、送電側ＬＣ回路と、受電側ＬＣ回路と、インピーダンス変換用コイルと、インピーダンス変換用コイルに接続される負荷と、負荷に並列に接続される伝送効率調整用コンデンサとを備える。送電側ＬＣ回路は、電圧変換用コイルの近傍に配置され、電圧変換用コイルとの間の電磁誘導により励起される送電側コイル及び送電側コンデンサを有する。受電側ＬＣ回路は、送電側コイルと共振する受電側コイル及び受電側コンデンサを有する。インピーダンス変換用コイルは、受電側ＬＣ回路の近傍に配置され、受電側コイルとの間の電磁誘導により励起される。伝送効率調整用コンデンサは、交流電源から負荷への電力の伝送効率を上昇させるような容量を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共振型ワイヤレス給電システムに関し、特に、磁気共振する送電側コイル及び受電側コイルに加えて、交流電源と送電側コイルとの間に配置される電圧変換用コイルと、受電側コイルと負荷（給電を受ける機器）との間に配置されるインピーダンス変換用コイルの４つのコイルを備える磁気共振型ワイヤレス給電システムに関する。

従来より、２つのコイル間の磁場の共振現象を利用してワイヤレスに給電を行う、磁気共振型のワイヤレス給電システムが公知である。この磁気共振型ワイヤレス給電システムは、２００６年に米国のマサチューセッツ工科大学のAndre B.Cursらに提唱されたワイヤレス給電の１つの方式であり、米国での同人らによる特許出願として、例えば、特許文献１がある。また、２００６年以降、他の者によっても、この基本原理を発展させた様々な技術が提案されている（例えば、特許文献２，３）。

Andre B.Cursらによる特許文献１では、４つのコイルが利用されている。具体的には、磁気共振する送電側コイル及び受電側コイルと、交流電源と送電側コイルとの間に配置される電圧変換用コイルと、受電側コイルと負荷（給電を受ける機器）との間に配置されるインピーダンス変換用コイルである。電圧変換用コイル及び送電側コイルは、交流電源から電圧変換用コイルに電流が印加された場合に、送電側コイルに電磁誘導が起こるような位置関係で配置されている。同様に、受電側コイル及びインピーダンス変換用コイルは、送電側コイルが発生させた磁場によって受電側コイルが共振し、受電側コイル中に電流が流れた場合に、インピーダンス変換用コイルに電磁誘導が起こるような位置関係で配置されている。

なお、電圧変換用コイルを介さずに交流電源を直接送電側コイルに接続し、及び／又は、インピーダンス変換用コイルを介さずに受電側コイルを直接負荷に接続したとしても、給電自体は可能である。しかしながら、磁気共振型ワイヤレス給電システムが具体的な製品に組み込まれる場合には、製品の用途に応じて、送電側コイルや負荷に印加される電圧等の調整が必要になる。従って、送電側コイル及び受電側コイルに加えて、上述の電圧変換用コイル及びインピーダンス変換用コイルを利用する構成は、特許文献２，３等の後発の技術でも、しばしば踏襲されている。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報 特開２０１２−６０８５０号公報 特開２０１３−３４３８０号公報

さて、以上のような磁気共振型ワイヤレス給電システムでは、送電側コイル中及び受電側コイル中に極めて大きな共振電流が流れる。そのため、両コイルを含む回路の内部抵抗によりジュール損が発生し、その結果、交流電源から負荷（給電を受ける機器）への電力の伝送効率が低下するという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、磁気共振型ワイヤレス給電システムの電力の伝送効率を上昇させることを目的とする。

本発明の第１観点に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムは、交流電源と、交流電源に接続される電圧変換用コイルと、送電側ＬＣ回路と、受電側ＬＣ回路と、インピーダンス変換用コイルと、インピーダンス変換用コイルに接続される負荷と、負荷に並列に接続される伝送効率調整用コンデンサとを備える。送電側ＬＣ回路は、電圧変換用コイルの近傍に配置され、電圧変換用コイルとの間の電磁誘導により励起される送電側コイル及び送電側コンデンサを有する。受電側ＬＣ回路は、送電側コイルと共振する受電側コイル及び受電側コンデンサを有する。インピーダンス変換用コイルは、受電側ＬＣ回路の近傍に配置され、受電側コイルとの間の電磁誘導により励起される。伝送効率調整用コンデンサは、交流電源から負荷への電力の伝送効率を上昇させるような容量を有する。

ここでは、磁気共振する送電側コイル及び受電側コイルに加えて、交流電源と送電側コイルとの間に配置される電圧変換用コイルと、受電側コイルと負荷（給電を受ける機器）との間に配置されるインピーダンス変換用コイルの、４つの基本のコイルが利用される。そして、負荷には、適切な容量を有するコンデンサが並列に接続される。その結果、交流電源から負荷への電力の伝送効率が上昇する。

なお、「電力の伝送効率を上昇させるような容量」とは、コンデンサが存在する状態での伝送効率が、存在しない（除去された）状態での伝送効率よりも高くなるような容量全般を意味する。伝送効率調整用コンデンサを用意するに際しては、例えば、コンデンサの容量について、伝送効率を最大又は極大にするような最適設計を行ってもよいし、実際に又はシミュレーションにより、様々な容量のコンデンサが使用される場合の伝送効率を計測又は算出し、所望のレベルまで伝送効率が上昇するものを見つけ出して採用してもよい。

本発明の第２観点に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムは、第１観点に係るワイヤレス給電システムであって、送電側コイルと受電側コイルとは、同じインダクタンスを有し、送電側コンデンサと受電側コンデンサとは、同じ容量を有し、送電側ＬＣ回路と受電側ＬＣ回路とは、同じ内部抵抗を有する。

ここでは、送電側ＬＣ回路と受電側ＬＣ回路とが、同様の構成を有しており、具体的には、両ＬＣ回路間で、コイルのインダクタンス、コンデンサの容量、及び、内部抵抗が同じである。従って、送電側コイル及び受電側コイルを容易に共振させることができる。また、両ＬＣ回路が対称的な構成を有していることにより、両ＬＣ回路の役割を入れ替えることが可能となる。例えば、複数の移動ロボットに磁気共振型ワイヤレス給電システムを搭載する場合、これらのロボットが状況に応じて給電側となるか又は受電側となるかを切り替え可能にすることで、互いに給電し合うようにすることができる。同様に、ゴルフ場等で電動カートどうしが互いに給電し合うようにすることもできる。

本発明の第３観点に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムは、第２観点に係るワイヤレス給電システムであって、伝送効率調整用コンデンサの容量Ｃ_Rは、Ｌを送電側コイル及び受電側コイルのインダクタンスとし、Ｒを負荷の抵抗とし、σ＝Ｒ_c／Ｌとし、Ｒ_cを送電側コイル及び受電側コイルの内部抵抗とし、Ｍを送電側コイル及び受電側コイル間の相互インダクタンスとし、ｋ＝Ｍ／Ｌとし、ωを交流電源の角周波数とし、Ｌ_Rをインピーダンス変換用コイルのインダクタンスとし、
としたときに、
で表される。

上述の数２は、後述されるとおり、伝送効率の最適設計の結果である。従って、ここでは、最適な伝送効率を得ることができる。

本発明の第４観点に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムは、第１観点から第３観点のいずれかに係るワイヤレス給電システムであって、負荷は、整流器と、整流器を通過した電流が充電される充電池とを有する充電器である。従って、ここでは、交流電源からワイヤレスに充電池を充電することができる。

本発明によれば、磁気共振する送電側コイル及び受電側コイルに加えて、交流電源と送電側コイルとの間に配置される電圧変換用コイルと、受電側コイルと負荷（給電を受ける機器）との間に配置されるインピーダンス変換用コイルの、４つの基本のコイルが利用される。そして、負荷には、適切な容量を有するコンデンサが並列に接続される。その結果、交流電源から負荷への電力の伝送効率が上昇する。

本発明の一実施形態に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムの全体構成を示す図。 図１中の点線内のＲＣ回路の詳細図。 基本システムの全体構成を示す図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る磁気共振型ワイヤレス給電システムについて説明する。

＜１．磁気共振型ワイヤレス給電システム＞
図１に、本発明の一実施形態に係る磁気共振型ワイヤレス給電システム１を示す。このワイヤレス給電システム１は、送電側デバイス２と受電側デバイス３とを有し、これらのデバイス２，３にそれぞれ搭載されているコイル１２，１３間の磁場の共振現象を利用して、送電側デバイス２の交流電源２１から受電側デバイス３の負荷３２へワイヤレスに給電を行うシステムである。負荷３２は、交流電源２１から給電を受ける機器であり、本実施形態では、充電器であるが、他の実施形態では、照明機器等、任意のタイプの電子機器とすることができる。また、本発明は、交流電源２１から負荷３２への電力の伝送効率を上昇させる仕組みに特徴を有するものである。従って、送電側デバイス２及び受電側デバイス３は、磁気共振型のワイヤレス給電を行うデバイスである限り、どのようなタイプのデバイスであってもよい。例えば、デバイス２，３は、ともに移動体ロボットであってもよいし、ともにゴルフ場の電動カートであってもよい。また、デバイス２，３は、左記の例とは異なり、異なるタイプのデバイスであってもよく、例えば、受電側デバイス３が電気自動車や携帯電話であり、送電側デバイス２がそれらの充電ステーションであってもよい。

ワイヤレス給電システム１は、図１からも分かるとおり、背景技術の欄で述べたようなAndre B.Cursらによる４つのコイルを有するタイプのシステムである。具体的には、ワイヤレス給電システム１は、磁気共振する送電側コイル１２及び受電側コイル１３に加えて、送電側デバイス２側に電圧変換用コイル１１を、受電側デバイス３側にインピーダンス変換用コイル１４を有している。電圧変換用コイル１１は、送電側コイル１２に印加される電圧を調整する機能を担っており、交流電源２１と送電側コイル１２との間に配置されている。また、インピーダンス変換用コイル１４は、負荷３２に印加される電圧を調整する機能を担っており、受電側コイル１３と負荷３２との間に配置されている。

電圧変換用コイル１１は、交流電源２１とともに閉回路４０を形成しており、従って、交流電源２１がＯＮになることで、交流電源２１の電圧ｖ（ｔ）＝Ｖｅｘｐ（ｊωｔ）が、コイル１１の両端に印加される。このとき、電圧変換用コイル１１内を流れる電流をｉ_v（ｔ）＝Ｉ_vｅｘｐ（ｊωｔ）とする。ここで、ｔは、時間であり、ｊは、虚数単位であり、ωは角周波数であり、Ｖ，Ｉ_vは、振幅である。また、電圧変換用コイル１１のインダクタンスをＬ_vとする。

送電側コイル１２は、交流電源２１から電圧変換用コイル１１に電流ｉ_v（ｔ）が印加された場合に、コイル１１との間で電磁誘導が起こるような位置に配置されている。以下、送電側コイル１２のインダクタンスをＬとし、コイル１１，１２間の相互インダクタンスをＭ_vとし、結合係数をｋ_vとする。なお、ｋ_vは、数３で表されることになる。

また、送電側コイル１２は、送電側コンデンサ２２とともに送電側ＬＣ回路２０を形成している。以下、コイル１１，１２間での電磁誘導により、送電側コイル１２内を流れる電流をｉ₁（ｔ）＝Ｉ₁ｅｘｐ（ｊωｔ）とし、送電側コンデンサ２２の容量をＣとし、送電側コイル１２の内部抵抗をＲ_cとする。ここで、ｔは、時間であり、ｊは、虚数単位であり、ωは角周波数であり、Ｉ₁は、振幅である。

受電側コイル１３は、受電側コンデンサ３１とともに受電側ＬＣ回路３０を形成している。ＬＣ回路３０は、ＬＣ回路２０と同様の構成を有しており、従って、受電側コイル１３のインダクタンスは、送電側コイル１２と同じくＬであり、受電側コンデンサ３１の容量は、送電側コンデンサ２２と同じくＣであり、受電側コイル１３の内部抵抗は、送電側コイル１２と同じくＲ_cである。そして、コイル１２，１３が同様の構成を有しているため、コイル１２，１３間では、磁気共振が起こり易くなっている。以下、この磁気共振により、受電側コイル１３内を流れる電流をｉ₂（ｔ）＝Ｉ₂ｅｘｐ（ｊωｔ）とする。ここで、ｔは、時間であり、ｊは、虚数単位であり、ωは角周波数であり、Ｉ₂は、振幅である。また、コイル１２，１３間の相互インダクタンスをＭとし、結合係数をｋとする。なお、ｋ＝Ｍ／Ｌである。

インピーダンス変換用コイル１４は、送電側コイル１２が発生させた磁場によって受電側コイル１３が共振し、受電側コイル１３中に電流ｉ₂（ｔ）が流れた場合に、コイル１３との間で電磁誘導が起こるような位置に配置されている。以下、インピーダンス変換用コイル１４のインダクタンスをＬ_Rとし、コイル１３，１４間の相互インダクタンスをＭ_Rとし、結合係数をｋ_Rとする。なお、ｋ_Rは、数４で表されることになる。

また、インピーダンス変換用コイル１４は、負荷３２及びコンデンサ３３とともにＬＣＲ回路５０を形成している。以下、コイル１３，１４間での電磁誘導の結果、インピーダンス変換用コイル１４内を流れる電流をｉ_R（ｔ）＝Ｉ_Rｅｘｐ（ｊωｔ）とする。ここで、ｔは、時間であり、ｊは、虚数単位であり、ωは角周波数であり、Ｉ_Rは、振幅である。

上記のとおり充電器である負荷３２は、図１では単に抵抗として示されているが、より詳細には、図２に示すように、ＡＣ−ＤＣインバータである整流器３２ａと、整流器３２ａを通過した直流電流が充電される充電池３２ｂとを有する。負荷３２の抵抗Ｒは、主として、充電池３２ｂの入力抵抗値に相当する。

また、ＬＣＲ回路５０内では、コンデンサ３３は、負荷３２に対し並列に接続されている。このコンデンサ３３は、交流電源２１から負荷３２への電力の伝送効率を上昇させる役割を果たすものである。なお、伝送効率とは、交流電源２１が供給する電力Ｐ_inに対する負荷３２が消費する電力Ｐ_outとして定義される。また、図１中の負荷３２及びコンデンサ３３を囲む点線Ｌ１内のＲＣ並列回路のインピーダンスをＺ_Rとする。

なお、当然ながら、負荷３２に何らかのコンデンサを並列に接続しさえすれば、常に伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inが上昇する訳ではない。伝送効率が上昇するか否かは、容量Ｃ_Rに依存する。従って、本システム１のコンデンサ３３の容量Ｃ_Rとしては、伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを上昇させるような適切な値が予め求められ、そのような値に予め設定されている。本実施形態では、後述する方法で伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを最大（極大）にするような最適設計を行った結果、容量Ｃ_Rは、以下の数５に従って定められている。

ただし、σ＝Ｒ_c／Ｌとし、
とする。

＜２．伝送効率調整用コンデンサの容量Ｃ_Rの最適化＞
以下、伝送効率を最大（極大）にするような、上述の数５の伝送効率調整用コンデンサ３３の容量Ｃ_Rが導出されるまでの最適設計について、詳しく説明する。

まず、ここでは、ワイヤレス給電システム１の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inの最適設計を考える前提として、図３に示すワイヤレス給電システム（以下、基本システム５）の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inの最適設計について考える。基本システム５は、ワイヤレス給電システム１から電圧変換用コイル１１及びインピーダンス変換用コイル１４を取り除き、交流電源２１を送電側コンデンサ２２に並列に接続するとともに、負荷３２を受電側コンデンサ３１に並列に接続したようなシステムである。以下、基本システム５の点線Ｌ２内の回路の電圧をｖ₀（ｔ）＝Ｖ₀ｅｘｐ（ｊωｔ）とし、点線Ｌ３内の回路のインピーダンスをｚ₀とする。ここで、ｔは、時間であり、ｊは、虚数単位であり、ωは角周波数であり、Ｖ₀は、振幅である。

以上のようにパラメータを定義したとき、基本システム５の送電側の閉回路については、以下の数７の回路方程式が成立し、受電側の閉回路については、以下の数８の回路方程式が成立する。

次に、ワイヤレス給電システム１について考える。このとき、送電側デバイス２の回路４０について、以下の数９の回路方程式が成立し、送電側ＬＣ回路２０について、以下の数１０の回路方程式が成立する。
そして、数９及び数１０の式からＩ_vを消去すると、以下の数１１の式が得られる。

ここで、数７及び数１１を比較すると分かるように、両式は、以下の数１２の式が成立するとき、等価となる。

同様に、受電側デバイス３の受電側ＬＣ回路３０について、以下の数１３の回路方程式が成立し、ＬＣＲ回路５０について、以下の数１４の回路方程式が成立する。
そして、数１３及び数１４の式からＩ_Rを消去すると、以下の数１５の式が得られる。

ここで、数８及び数１５を比較すると分かるように、両式は、以下の数１６の式が成立するとき、等価となる。
以上より、数１２及び数１６に従うように各パラメータが調整される場合には、基本システム５と、ワイヤレス給電システム１とは等価となり、基本システム５の最適設計の最適解は、ワイヤレス給電システム１にも適用されることになる。

ここで、基本システム５の最適設計によるｚ₀の値、すなわち、基本システム５の電力の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを最大（極大）にするｚ₀の値は、同発明者による「非放射型磁気共振機構に基づく無線電力伝送リンクの最適設計」，電子情報通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏｌ．Ｊ９３−Ｃ，Ｎｏ．６，ｐｐ．２０７−２１０，２０１０において、既に知られている。具体的には、ｚ₀の最適解は、以下の数１７で表される。

ただし、ｚ_r及びｚ_iは、以下のとおりである。

ここで、ワイヤレス給電システム１に基本システム５の最適設計を適用可能な条件となる数１６の式に、基本システム５の最適解ｚ₀を規定する数１７〜数１９の式を代入すると、以下の数２０の式が得られる。

また、負荷３２及びコンデンサ３３を有する図１の点線Ｌ１内のＬＣ回路に注目すると、以下の数２１が成立する。
そして、数２０及び数２１からＺ_Rを消去すると、上述の数５の最適解が得られることになる。

ところで、発明者は当初、負荷３２にコンデンサ３３を並列接続することなく、以上と同様の考え方で、伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを最適化することを試みた。この場合、数２０において、Ｚ_RをＲに置換した式が得られるが、この式に基づいて算出されるＲとしては、実数解が得られなかった。このことから、発明者は、以上のような考え方の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inの最適設計には、負荷３２に並列に接続されるコンデンサ３３が必要であるという知見を得た。

＜３．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。

＜３−１＞
上記実施形態では、「伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを上昇させるような容量Ｃ_R」として、数５の例を示した。しかしながら、「伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを上昇させるような容量Ｃ_R」としては、コンデンサ３３が存在する状態での伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inが、存在しない（除去された）状態での伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inよりも高くなるような任意の値を設定することができる。例えば、上述したのとは別の方法で、伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを最大又は極大にするような容量Ｃ_Rの最適解を導出してもよいし、実際に又はシミュレーションにより、様々な容量のコンデンサが使用される場合の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを計測又は算出し、所望のレベルまで伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを上昇させるような容量Ｃ_Rを見つけ出して採用してもよい。

＜３−２＞
上記実施形態では、デバイス２，３の送電側又は受電側の役割が固定されていたが、これらの役割を状況に応じて切り替え可能な構成としてもよい。この場合、デバイス２，３が互いに給電し合うことが可能になる。具体的な構成としては、例えば、デバイス２にも、ＬＣＲ回路５０と同様の回路を設けるとともに、デバイス３にも、回路４０と同様の回路を設ける。そして、デバイス２内でコイル１２と電磁誘導を起こす回路を回路４０，５０の中から選択的に切り替えられるようにするとともに、デバイス３内でコイル１３と電磁誘導を起こす回路を回路４０，５０の中から選択的に切り替えられるようにすることが考えられる。

＜４．性能評価＞
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されない。本実施例では、Ｌ，Ｃ，Ｒ_c，Ｍ，Ｍ_R，Ｌ_R，Ｒ，Ｃ_R及びｆ（＝ω／２π）の値を以下の表１のとおり設定した上で、容量Ｃ_Rのコンデンサ３３が存在する場合と存在しない場合の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_inを測定したところ、容量Ｃ_Rのコンデンサ３３が存在する場合の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_in＝７０（％）となり、容量Ｃ_Rのコンデンサ３３が存在しない場合の伝送効率Ｐ_out／Ｐ_in＝５７．２１（％）となり、伝送効率が約２０％上昇した。なお、表１のパラメータの値は、数５の関係を満たしている。

１ 磁気共振型ワイヤレス給電システム
１１ 電圧変換用コイル
１２ 送電側コイル
１３ 受電側コイル
１４ インピーダンス変換用コイル
２０ 送電側ＬＣ回路
２１ 交流電源
２２ 送電側コンデンサ
３０ 受電側ＬＣ回路
３１ 受電側コンデンサ
３２ 負荷
３３ 伝送効率調整用コンデンサ

Claims (4)

1. 交流電源と、
   前記交流電源に接続される電圧変換用コイルと、
   前記電圧変換用コイルの近傍に配置され、前記電圧変換用コイルとの間の電磁誘導により励起される送電側コイル及び送電側コンデンサを有する送電側ＬＣ回路と、
   前記送電側コイルと共振する受電側コイル及び受電側コンデンサを有する受電側ＬＣ回路と、
   前記受電側ＬＣ回路の近傍に配置され、前記受電側コイルとの間の電磁誘導により励起されるインピーダンス変換用コイルと、
   前記インピーダンス変換用コイルに接続される負荷と、
   前記負荷に並列に接続され、前記交流電源から前記負荷への電力の伝送効率を上昇させるような容量を有する伝送効率調整用コンデンサと
   を備える、磁気共振型ワイヤレス給電システム。
2. 前記送電側コイルと前記受電側コイルとは、同じインダクタンスを有し、
   前記送電側コンデンサと前記受電側コンデンサとは、同じ容量を有し、
   前記送電側ＬＣ回路と前記受電側ＬＣ回路とは、同じ内部抵抗を有する、
   請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記伝送効率調整用コンデンサの容量Ｃ_Rは、
   Ｌを前記送電側コイル及び前記受電側コイルのインダクタンスとし、
   Ｒを前記負荷の抵抗とし、
   σ＝Ｒ_c／Ｌとし、
   Ｒ_cを前記送電側コイル及び前記受電側コイルの内部抵抗とし、
   Ｍを前記送電側コイル及び前記受電側コイル間の相互インダクタンスとし、
   ｋ＝Ｍ／Ｌとし、
   ωを前記交流電源の角周波数とし、
   Ｌ_Rを前記インピーダンス変換用コイルのインダクタンスとし、
   としたときに、
   で表される、
   請求項２に記載の磁気共振型ワイヤレス給電システム。
4. 前記負荷は、整流器と、前記整流器を通過した電流が充電される充電池とを有する充電器である、
   請求項１から３のいずれかに記載の磁気共振型ワイヤレス給電システム。