JP2014197935A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】共振器間の位置ずれ等に起因する、電力伝送効率の低下を抑制可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、１次共振器コイル１６０と１次共振器キャパシタ１７０を含む１次共振器１５０と、２次共振器コイル２６０と２次共振器キャパシタ２７０を含み、前記１次共振器１５０から電磁場を介して電気エネルギーを受電する２次共振器２５０と、前記１次共振器コイル１６０と前記２次共振器コイル２６０との間の結合係数を算出する結合係数算出部と、前記結合係数算出部によって算出された結合係数に応じて、前記１次共振器コイル１６０のインダクタンス値と前記１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値の双方を変更するＱ値変更部と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気共鳴方式によってワイヤレスで電力の送受を行う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を、電気自動車などの車両の給電ステーションで用いるような場合には、受電側アンテナを車両の底部に搭載しておき、この受電側アンテナに対して、地上に設けられた送電側アンテナから給電を行う方法が考えられる。

例えば、特許文献２（特開２０１０−６８６５７号公報）には、一方のアンテナを電気自動車のような移動体の底面部に搭載し、地上に設けた他方のアンテナから、ワイヤレスで電力伝送を行い、伝送された電力を電気自動車の電池に充電することが開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−６８６５７号公報

電気自動車などの車両に対する給電のために、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を用いる場合において、当局から割り当てられる周波数の問題や、電力伝送システムからの漏洩するノイズ対策の観点からは、送電側アンテナを駆動する周波数は可変とせず、固定とすることが望ましい。

上記のように電力伝送に用いる周波数を固定する場合、送電側アンテナを構成する共振器のＱ値が一定であると、鉛直方向からみたときの送電側アンテナと受電側アンテナとの間の位置ずれ、或いは、送電側アンテナと受電側アンテナとの間の距離の変動などに伴い、電力伝送効率が低下したり、電源の入力インピーダンスが高くなり過ぎたりする、という問題があった。

上記問題を解決するために、本発明に係る電力伝送システムは、１次共振器コイルと１次共振器キャパシタを含む１次共振器と、２次共振器コイルと２次共振器キャパシタを含み、前記１次共振器から電磁場を介して電気エネルギーを受電する２次共振器と、前記１次共振器コイルと前記２次共振器コイルとの間の結合係数を算出する結合係数算出部と、
前記結合係数算出部によって算出された結合係数に応じて、前記１次共振器コイルのインダクタンス値と前記１次共振器キャパシタのキャパシタンス値の双方を変更するＱ値変更部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、結合係数が大きくなるに連れて、前記１次共振器コイルのインダクタンス値を減らすと共に、前記１次共振器キャパシタのキャパシタンス値を増やすことを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムは、結合係数に応じて、１次共振器コイルのインダクタンス値と１次共振器キャパシタのキャパシタンス値の双方を変更するＱ値変更部を有するので、このような本発明に係る電力伝送システムによれば、共振器間の位置ずれ等に起因する、電力伝送効率の低下や、電源の入力インピーダンスが高くなり過ぎる、という諸問題が抑制できる。

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る。 電力伝送システムのインバーター部を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器及び２次共振器の設置形態を説明する図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器コイル及び２次共振器コイルを説明する図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける送電準備処理のフローチャートを示す図である。 Ｋ₂≦Ｋである場合の１次共振器１５０を示す図である。 Ｋ₁≦Ｋ＜Ｋ₂である場合の１次共振器１５０を示す図である。 Ｋ＜Ｋ₁である場合の１次共振器１５０を示す図である。

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る。なお、本実施形態においては、電力伝送システムを構成する送電側のアンテナとして１次共振器１５０を、また、受電側のアンテナとして２次共振器２５０を用いる例につき説明する。

本発明のアンテナが用いられる電力伝送システムとしては、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムが想定されている。電力伝送システムは、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。車両のユーザーはこの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、車両に搭載されている２次共振器２５０と、前記１次共振器１５０とを対向させることによって電力伝送システムからの電力を受電する。

電力伝送システムでは、電力伝送システム１００側の１次共振器１５０から、受電側システム２００側の２次共振器２５０へ効率的に電力を伝送する際、１次共振器１５０の共振周波数と、２次共振器２５０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する。

電力伝送システム１００におけるＡＣ／ＤＣ変換部１０１は、入力される商用電源を一
定の直流に変換するコンバータである。このＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの出力は電圧制御部１０２において、所定の電圧に昇圧されたりする。この電圧制御部１０２で生成される電圧の設定は主制御部１１０から制御可能となっている。

インバーター部１０３は、電圧制御部１０２から供給される電圧から所定の交流電圧を生成して、整合器１０４に入力する。図２は電力伝送システムのインバーター部を示す図である。インバーター部１０３は、例えば図２に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_D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Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に整合器１０４が接続される構成となっており、スイッチング素子Ｑ_A
とスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオ
フとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_D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。なお、本実施形態においては、各スイッチング素子のスイッチングによって生成される矩形波の周波数の範囲は２０ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚ程度である。

上記のようなインバーター部１０３を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は主制御部１１０から入力されるようになっている。また、インバーター部１０３を駆動させるための周波数は主制御部１１０から制御することができるようになっている。

整合器１０４は、所定の回路定数を有する受動素子から構成され、インバーター部１０３からの出力が入力される。そして、整合器１０４からの出力は１次共振器１５０に供給される。整合器１０４を構成する受動素子の回路定数は、主制御部１１０からの指令に基づいて調整することができるようになっている。主制御部１１０は、１次共振器１５０と２次共振器２５０とが共振するように整合器１０４に対する指令を行う。なお、整合器１０４は必須の構成ではない。

１次共振器１５０は、誘導性リアクタンス成分を有する１次共振器コイル１６０と、容量性リアクタンス成分を有する１次共振器キャパシタ１７０と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２次共振器２５０と共鳴することで、１次共振器１５０から出力される電気エネルギーを２次共振器２５０に送ることができるようになっている。１次共振器１５０・２次共振器２５０は、電力伝送システム１００における磁気共鳴アンテナ部として機能する。

また、１次共振器１５０は、主制御部１１０からの制御指令に基づいて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値、及び、１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値を変更することができるようになっている。

電力伝送システム１００の主制御部１１０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である。この主制御部１１０は、図示されている主制御部１１０と接続される各構成と協働するように動作する。

また、通信部１２０は車両側の通信部２２０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１２０によって受信したデータは主制御部１１０に
転送され、また、主制御部１１０は所定情報を通信部１２０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。

また、結合係数算出部１２５は、車両が停車したときにおける１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の結合係数を算出すると共に、算出された結合係数を主制御部１１０
に送信する。

これまで説明したように、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、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を行うために用いられる。図４は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器１５０及び２次共振器２５０の設置形態を説明する図である。

図４に示すように、１次共振器１５０を構成する１次共振器コイル１６０及び１次共振器キャパシタ１７０は１次共振器ケース１４０に収納され、地面上に配される。一方、２次共振器２５０を構成する２次共振器コイル２６０及び２次共振器キャパシタ２７０は２次共振器ケース２４０に収納され、車両の底面部に取り付けられている。

図５は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器コイル１６０及び２次共振器コイル２６０を説明する図である。

図５は１次共振器１５０が収納される１次共振器ケース１４０、及び、２次共振器２５０が収納される２次共振器ケース２４０を抜き出して示す図である。なお、本図においては、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０のみを示し、１次共振器キャパシタ１７０は図示省略している。同様に、２次共振器２５０の２次共振器コイル２６０のみを示し、２次共振器キャパシタ２７０は図示省略している。

２次共振器コイル２６０が車輌に搭載さているという制約の下、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の結合係数が最大となる、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との相対的位置を、最適相対的位置として定義すると、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０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。

結合係数算出部１２５は、最適相対的位置からの位置ずれ量と結合係数との関係を予め記憶しておく等によって、結合係数を実際の数値として計測しなくても、位置ずれ量を求めることで、間接的に結合係数を求めることができるようになっている。結合係数算出部１２５が、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の位置ずれ量を求めるには、例えば、撮像装置で取得した撮像データを画像解析することによって、これを行うことができるようにすることができる。

次に、車両側に設けられている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、２次共振器２５０は、１次共振器１５０と共鳴することによって、１次共振器１５０から出力される電気エネルギーを受電するものである。このような２次共振器２５０は、車両の底面部に取り付けられるようになっている。

２次共振器２５０は、誘導性リアクタンス成分を有する２次共振器コイル２６０と、容量性リアクタンス成分を有する２次共振器キャパシタ２７０とから構成されている。

２次共振器２５０で受電された交流電力は、整流部２０２において整流され、整流され
た電力は充電制御部２０３を通して電池２０４に蓄電されるようになっている。充電制御部２０３は主制御部２１０からの指令に基づいて電池２０４の蓄電を制御する。より具体的には、整流部２０２からの出力は充電制御部２０３において、所定の電圧値に昇圧又は降圧されて、電池２０４に蓄電されるようになっている。また、充電制御部２０３は電池２０４の残量管理なども行い得るように構成される。

主制御部２１０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である。この主制御部２１０は、図示されている主制御部２１０と接続される各構成と協働するように動作する。

インターフェイス部２１５は、車両の運転席部に設けられ、ユーザー（運転者）に対し所定の情報などを提供したり、或いは、ユーザーからの操作・入力を受け付けたりするものであり、表示装置、ボタン類、タッチパネル、スピーカーなどで構成されるものである。ユーザーによる所定の操作が実行されると、インターフェイス部２１５から操作データとして主制御部２１０に送られ処理される。また、ユーザーに所定の情報を提供する際には、主制御部２１０からインターフェイス部２１５に対して、所定情報を表示するための表示指示データが送信される。

また、車両側の通信部２２０は送電側の通信部１２０と無線通信を行い、送電側の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２２０によって受信したデータは主制御部２１０に転送され、また、主制御部２１０は所定情報を通信部２２０を介して送電システム側に送信することができるようになっている。

電力伝送システムで、電力を受電しようとするユーザーは、上記のような送電側の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、インターフェイス部２１５から充電を実行する旨の入力を行う。これを受けた主制御部２１０は、充電制御部２０３からの電池２０４の残量を取得し、電池２０４の充電に必要な電力量を算出する。算出された電力量と送電を依頼する旨の情報は、車両側の通信部２２０から送電側のシステムの通信部１２０に送信される。これを受信した送電側システムの主制御部１１０は電圧制御部１０２、インバーター部１０３、整合器１０４を制御することで、車両側に電力を伝送するようになっている。

次ぎに、以上のように構成される１次共振器１５０・２次共振器２５０それぞれの回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）について説明する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。

本発明に係る電力伝送システム１００においては、１次共振器１５０の回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）と、２次共振器２５０の回路定数とは、あえて異なるように構成することで、伝送効率を向上させるようにしている。

図３に示す等価回路において、１次共振器１５０のインダクタンス成分がＬ₁₁乃至Ｌ₁₃の合成値、キャパシタンス成分がＣ₁₁乃至Ｃ₁₃の合成値、抵抗成分がＲt₁であり、２次共振器２５０のインダクタンス成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂、抵抗成分がＲt₂であり、１次共振器１５０と２次共振器２５０との間の相互インダクタンスがＭであることを示している。なお、抵抗成分Ｒt₁及び抵抗成分Ｒt₂は導線などの内部抵抗であり、意図的に設けられているものではない。また、Ｒは電池２０４の内部抵抗を示している。また、１次共振器１５０と２次共振器２５０との間の結合係数はＫによって示される。

また、本実施形態においては、１次共振器１５０は、インダクタンス成分Ｌ₁₁乃至Ｌ₁₃の合成値、キャパシタンス成分Ｃ₁₁乃至Ｃ₁₃の合成値である直列共振器を、また、２次共
振器２５０は、インダクタンス成分Ｌ₂、キャパシタンス成分Ｃ₂である直列共振器を構成するものと考える。

本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、主制御部１１０がスイッチＳＷ₁乃至ＳＷ₅のオン、オフを制御することにより、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値、及び、１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値を変更することができるようになっている。

ここで、主制御部１１０は、結合係数算出部１２５で算出された結合係数に応じて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値と１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値の双方を変更する制御を行う。

また、主制御部１１０は、結合係数算出部１２５で算出された結合係数が大きくなるに連れて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値を減らすと共に、１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値を増やすようにしている。

以上のように構成される電力伝送システム１００においては、１次共振器１５０の共振周波数と、２次共振器２５０の共振周波数とを同一とする共に、この共振周波数は固定値として設定している。

このように共振周波数を固定する場合、送電側アンテナを構成する１次共振器１５０のＱ値が一定であると、鉛直方向からみたときの１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の位置ずれ、或いは、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の距離の変動などに伴い、電力伝送効率が低下したり、電源の入力インピーダンスが高くなり過ぎたりする、という問題がある。

そこで、本実施形態に係る電力伝送システム１００においては、結合係数算出部１２５で算出された結合係数に応じて、前記のように１次共振器コイル１６０のインダクタンス値と１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値の双方を変更し、１次共振器１５０のＱ値を適宜変更するようにしている。

上記のような１次共振器１５０のＱ値の変更は、車両を停車スペースに車両を停車させて、電力伝送を実行する準備の段階で実施される。以下、電力伝送システム１００における送電準備のためのアルゴリズムを説明する。図６は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００における送電準備処理のフローチャートを示す図である。

図６において、ステップＳ１００で、送電準備処理が開始されると、ステップＳ１０１において、結合係数算出部１２５でコイル間の結合係数を算出する。

ステップＳ１０２では、結合係数算出部１２５で算出された結合係数ＫがＫ₂≦Ｋであ
るか判定する。

ステップＳ１０２における判定がＹＥＳであると、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３で、１次共振器キャパシタ１７０に係るスイッチは、ＳＷ₁
＝ＯＮ，ＳＷ₂＝ＯＮとし、ステップＳ１０４で、１次共振器コイル１６０に係るスイッ
チは、ＳＷ₃＝ＯＮ，ＳＷ₄＝ＯＦＦ，ＳＷ₅＝ＯＦＦとする。（図７参照）
ステップＳ１０２における判定がＮＯであると、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０５では、結合係数算出部１２５で算出された結合係数ＫがＫ₁≦Ｋ＜Ｋ₂であるか判定する。

ステップＳ１０５における判定がＹＥＳであると、ステップＳ１０６、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０６で、１次共振器キャパシタ１７０に係るスイッチは、ＳＷ₁
＝ＯＮ，ＳＷ₂＝ＯＦＦとし、ステップＳ１０７で、１次共振器コイル１６０に係るスイ
ッチは、ＳＷ₃＝ＯＦＦ，ＳＷ₄＝ＯＮ，ＳＷ₅＝ＯＦＦとする。（図８参照）
ステップＳ１０５における判定がＮＯである場合は、Ｋ＜Ｋ₁であり、この場合、ステ
ップＳ１０８、ステップＳ１０９に進み、ステップＳ１０８で、１次共振器キャパシタ１７０に係るスイッチは、ＳＷ₁＝ＯＦＦ，ＳＷ₂＝ＯＦＦとし、ステップＳ１０９で、１次共振器コイル１６０に係るスイッチは、ＳＷ₃＝ＯＦＦ，ＳＷ₄＝ＯＦＦ，ＳＷ₅＝ＯＮと
する。（図９参照）
ステップＳ１１０で、送電準備処理を終了する。

以上のように、本実施形態では、結合係数算出部１２５で算出された結合係数が大きくなるに連れて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値を減らすと共に、１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値を増やすようにすることで、１次共振器１５０のＱ値を変更する。

逆に、本実施形態では、結合係数算出部１２５で算出された結合係数が小さくなるに連れて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値を増やしと共に、１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値を減らすことで、１次共振器１５０のＱ値を変更する。

以上、本発明に係る電力伝送システム１００は、１次共振器コイル１６０と２次共振器コイル２６０との間の結合係数に応じて、１次共振器コイル１６０のインダクタンス値と１次共振器キャパシタ１７０のキャパシタンス値の双方を変更して、１次共振器１５０のＱ値を変更するので、このような本発明に係る電力伝送システム１００によれば、共振器間の位置ずれ等に起因する、電力伝送効率の低下や、電源の入力インピーダンスが高くなり過ぎる、という諸問題が抑制できる。

１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧制御部
１０３・・・インバーター部
１０４・・・整合器
１１０・・・主制御部
１２０・・・通信部
１２５・・・結合係数算出部
１４０・・・１次共振器ケース
１５０・・・１次共振器
１６０・・・１次共振器コイル
１７０・・・１次共振器キャパシタ
２０２・・・整流部
２０３・・・充電制御部
２０４・・・電池
２１０・・・主制御部
２１５・・・インターフェイス部
２２０・・・通信部
２４０・・・２次共振器ケース
２５０・・・２次共振器
２６０・・・２次共振器コイル
２７０・・・２次共振器キャパシタ

Claims (2)

1. １次共振器コイルと１次共振器キャパシタを含む１次共振器と、
   ２次共振器コイルと２次共振器キャパシタを含み、前記１次共振器から電磁場を介して電気エネルギーを受電する２次共振器と、
   前記１次共振器コイルと前記２次共振器コイルとの間の結合係数を算出する結合係数算出部と、
   前記結合係数算出部によって算出された結合係数に応じて、前記１次共振器コイルのインダクタンス値と前記１次共振器キャパシタのキャパシタンス値の双方を変更するＱ値変更部と、を有することを特徴とする電力伝送システム。
2. 結合係数が大きくなるに連れて、前記１次共振器コイルのインダクタンス値を減らすと共に、
   前記１次共振器キャパシタのキャパシタンス値を増やす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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