JP2015061357A

JP2015061357A - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP2015061357A
Application number: JP2013192273A
Authority: JP
Inventors: 杉田　俊郎; Toshiro Sugita; 俊郎杉田
Original assignee: Unipulse Corp
Current assignee: Unipulse Corp
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】装置の大型化やコストアップを招くことなく、コイル間のギャップの距離の変化や位置ズレによる共振周波数の変化によるエネルギー伝送効率の劣化を防ぐことができる非接触電力伝送装置を提供する。【解決手段】送電用コイル１１と受電用コイル３１との間を電磁界共振結合により非接触で電力を伝送する。送電用コイル１１の近傍に検出用コイル１３を取り付ける。検出用コイル１３の検出出力により、共振状態を検出し、検出用コイル１３の検出出力に応じて、周波数設定部１８により、送電用コイル１１に供給する電源の周波数を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送装置に関するものである。

エネルギーを効率的に伝送できる非接触電力伝送装置として、電磁界共振結合を利用したものが知られている（例えば特許文献１および非特許文献１）。電磁界共振結合とは、共振周波数の等しい物体同士がその共振状態において電界または磁界で結合することで、高い伝送効率でエネルギーを伝送できるというものである。
このような電磁界共振結合を利用した非接触電力伝送装置では、送電用コイルと受電用コイルとの間のギャップの距離の変化や位置ズレにより、共振周波数が変化し、エネルギー伝送効率が劣化することがある。

そこで、特許文献１には、送信側や受信側に整合回路を挿入し、インピーダンスの整合を図り、コイル間のギャップの距離の変化や位置ズレによる共振周波数の変化に伴うエネルギー伝送効率の劣化を防ぐようにしたものが記載されている。また、非特許文献１には、コイル間のギャップの距離の変化や位置ズレによる共振周波数の変化に対応させて、電源の周波数を変化させるものが記載されている。

特開２０１２−１３００６１号公報

修士論文「磁界共振結合を用いたkHz帯でのワイヤレス電力伝送の実現と共振周波数追従制御（Realization of Wireless Power Transfer via Magnetic Resonant Coupling in kHz Band and Resonant Frequency Tracking Control）」東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 37-086473 岡部浩之指導教員：堀洋一教授、平成２２年２月９日提出

しかしながら、特許文献１の非接触電力伝送では、送信側や受信側に整合回路を挿入しているため、回路が複雑化する。また、インピーダンスの整合の調整は複雑であり、処理時間が長くなる。また、非特許文献１の非接触電力伝送では、共振状態の検出に、方向性結合器を使用している。方向性結合器を使用すると、装置が大型化し、また、コストアップとなる。

本発明は、装置の大型化やコストアップを招くことなく、共振周波数の変化によるエネルギー伝送効率の劣化を防ぐことができる非接触電力伝送装置を提供することを課題としている。

本発明の非接触電力伝送装置は、送電用コイルと受電用コイルとの間を電磁界共振結合により非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置であって、送電用コイルの近傍に配置した送電用コイルと電磁結合する位置に配置される検出用コイルと、検出用コイルの検出出力に基づいて、送電用コイルに供給する電源の周波数を制御する周波数制御手段と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、コイル間のギャップの距離の変化や位置ズレによる共振周波数の変化に追従させて、電源の周波数を制御することができ、共振状態を維持して、エネルギーを効率的に伝送することができる。

この場合、検出用コイルは、送電用コイルと同軸上に導線を巻回して構成されることが好ましい。

この構成によれば、検出用コイルの検出出力から共振状態を、適切に検出することができる。

この場合、送電用コイルおよび受電用コイルは、板状の磁芯に導線を巻回して構成されることが好ましい。

この構成によれば、送電用コイルと受電用コイルとの位置ズレの影響を軽減できる。

この場合、送電用コイルおよび受電用コイルを構成する磁芯の両端に、ヨークを設けることが好ましい。

実施形態に係る非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図である。送電用コイルおよび検出用コイル、受電用コイルの配置の一例を示す斜視図である。制御部での処理を示すフローチャートである。スイッチングパルスの周波数に対するレベル検出部での検出電圧の変化の一例を示すグラフである。送電用コイルおよび検出用コイル、並びに受電用コイルの配置の他の例を示す斜視図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置について説明する。図１は、実施形態に係る非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図であり、同図に示すように、非接触電力伝送装置は、送電側回路１と受電側回路２とを備えている。

図１に示すように、送電側回路１は、送電用コイル１１と、コンデンサ１２と、検出用コイル１３と、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)１４および１５と、スイッチング素子駆動部１６と、パルス発生部１７と、周波数設定部１８と、レベル検出部１９と、制御部２０と、コンデンサ２１と、を備えている。

送電用コイル１１は、図２に示すように、板状の磁芯５１に導線５２を平面的に巻回したものである。コンデンサ１２は、送電用コイル１１と直列に接続され、共振回路を構成している。検出用コイル１３は、送電用コイル１１の送信出力を検出する。検出用コイル１３は、図２に示すように、送電用コイル１１と電磁結合できるように、送電用コイル１１と同軸の磁芯５１に、送電用コイル１１の巻線に沿って、導線５３を巻回して構成されている。

ＭＯＳＦＥＴ１４および１５は、電源入力端子２２および２３からの直流電源をスイッチングするスイッチング素子を構成している。スイッチング素子駆動部１６は、パルス発生部１７からのスイッチングパルスに基づいて、一方がオンのとき他方がオフとなるように、ＭＯＳＦＥＴ１４および１５を駆動する。

パルス発生部１７は、スイッチングパルスを発生する。パルス発生部１７で発生されるスイッチングパルスの周波数は、周波数設定部１８により設定される。なお、コンデンサ２１は、平滑、ノイズ除去用のコンデンサである。

レベル検出部１９は、検出用コイル１３からの検出出力を検波して、制御部２０に送る。制御部２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、Ａ／Ｄ(Analog to Digital)およびＤ／Ａ(Digital to Analog)コンバータ等から構成されている。制御部２０は、レベル検出部１９の検出出力に応じて、周波数設定部１８により、パルス発生部１７からのスイッチングパルスの周波数を制御する。

一方、受電側回路２は、受電用コイル３１と、コンデンサ３２と、整流器３３と、コンデンサ３４と、を備えている。受電用コイル３１は、図２に示すように、板状の磁芯６１に導線６２を平面的に巻回したものである。コンデンサ３２は、受電用コイル３１と直列に接続され、共振回路を構成している。

整流器３３は、受電用コイル３１からの電力を整流して、直流電源に変換する。この直流電源は、電源出力端子３５および３６から出力される。なお、コンデンサ３４は、平滑、ノイズ除去用のコンデンサである。

次に、実施形態に係る非接触電力伝送装置の動作について説明する。

図２に示すように、送電側回路１から受電側回路２に電力を伝送する場合、送電用コイル１１と受電用コイル３１とが、互いの磁芯５１および６１が平行で、所定のギャップｄだけ離間して配置される。送電用コイル１１と受電用コイル３１との間のギャップｄは、例えば１１０ｍｍである。

図１における電源入力端子２２および２３には、直流電源（例えば直流４８Ｖ）が供給される。この直流電源は、ＭＯＳＦＥＴ１４および１５によりスイッチングされて、送電用コイル１１に供給される。ＭＯＳＦＥＴ１４および１５は、パルス発生部１７からスイッチング素子駆動部１６を介して供給されるスイッチングパルスにより、一方がオンのときに他方がオフとなるようにスイッチングされる。このスイッチングパルスの周波数は、例えば４０ｋＨｚである。これにより、送電用コイル１１に、所定の周波数でスイッチングされた電源が供給される。

送電用コイル１１に所定の周波数でスイッチングされた電源が供給されると、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間に電磁結合が生じ、受電用コイル３１に起電力が生じる。この起電力は、整流器３３により整流されて直流電源となり、電源出力端子３５および３６から、直流電源（例えば直流１００Ｖ）が出力される。

ここで、送電用コイル１１と受電用コイル３１とは、電磁界共振結合が生じている。このような電磁界共振結合により、エネルギーを効率的に伝送することができる。この電磁界共振結合の共振周波数は、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間のギャップｄの距離の変化や位置ズレにより、変化することがある。

そこで、本実施形態では、図２に示したように、送電用コイル１１と同軸上に検出用コイル１３を設けている。すなわち、送電用コイル１１とコンデンサ１２とは直列に接続されているので、共振状態では、送電用コイル１１に流れる電流は大きくなる。これにより、検出用コイル１３に誘起される電圧が高くなる。したがって、検出用コイル１３の検出出力から、電磁界共振結合の共振状態を検出することができる。すなわち、共振状態では、検出用コイル１３の検出出力は最大となる。

検出用コイル１３の検出出力は、レベル検出部１９で検波されて、制御部２０に入力される。制御部２０は、このレベル検出部１９の検出出力が最大となるように、周波数設定部１８により、パルス発生部１７からのスイッチングパルスの周波数を制御する。これにより、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間のギャップｄの距離の変化や位置ズレが生じても、電磁界共振結合の共振周波数の変化にスイッチングパルスの周波数が追従され、共振状態を保つことができる。したがって、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間で、エネルギーを効率的に伝送することができる。

図３は、制御部２０での処理を示すフローチャートである。この処理は、前述したように、レベル検出部１９の検出出力が最大となるように、パルス発生部１７からのスイッチングパルスの周波数を制御する。すなわち、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間のギャップｄの距離の変化や位置ズレ等により生じる電磁界共振結合の共振周波数の変化に、スイッチングパルスの周波数を追従させ、共振状態を維持させるようにしている。

また、図４は、スイッチングパルスの周波数に対するレベル検出部１９での検出電圧の変化の一例を示すグラフである。図４において、横軸はスイッチングパルスの周波数ｆを示し、縦軸はレベル検出部１９での検出電圧Ｖを示している。以下では、図３に示すフローチャートについて、図４に示すグラフを参照しながら説明する。

図３において、制御部２０は、周波数設定部１８により、パルス発生部１７からのスイッチングパルスの周波数ｆを初期値の周波数ｆ０に設定する。そして、制御部２０は、このときのレベル検出部１９の検出電圧を計測し、この検出電圧を初期値Ｖ０として設定する。また、制御部２０は、周波数の制御方向の初期値を、アップ又はダウンの一方に設定する（ステップＳ１）。

ここでは、図４のグラフに示すように、パルス発生部１７からのスイッチングパルスの初期値の周波数ｆをｆ０とし、点Ｐ０で示すような位置でのレベル検出部１９の検出電圧の初期値をＶ０とする。また、初期状態での周波数の制御方向は、アップであるものとする。

次に、図３において、制御部２０は、スイッチングパルスの周波数ｆを微小な周波数Δｆだけ変化させて（ステップＳ２）、レベル検出部１９からの検出電圧を測定する（ステップＳ３）。そして、制御部２０は、今回の検出電圧Ｖｎと、前回の検出電圧Ｖｎ−１を比較し、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。

ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより小さいと判定された場合（Ｖｎ−１≦Ｖｎ）、制御部２０は、周波数の制御方向は変更せず（ステップＳ５）、今回の検出電圧Ｖｎを、次回の処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とし（ステップＳ６）、ステップＳ２に処理をリターンする。

一方、ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいと判定された場合（Ｖｎ−１＞Ｖｎ）、制御部２０は、スイッチングパルスの周波数の制御方向を反転させ（ステップＳ７）、今回の検出電圧Ｖｎを、次回処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とし（ステップＳ６）、ステップＳ２に処理をリターンする。

図４のグラフで示すように、スイッチングパルスの周波数を、初期値のｆ０から微小な周波数Δｆだけアップすると、スイッチングパルスの周波数はｆ１となる。スイッチングパルスの周波数をｆ１として、レベル検出部１９の検出値を計測すると、図４のグラフで、点Ｐ１で示すような位置での検出電圧Ｖ１が計測される。

図４のグラフから、初期値での検出電圧Ｖ０と、今回の検出電圧Ｖ１とを比較すると、初期値での検出電圧Ｖ０の方が今回の検出電圧Ｖ１より小さい。この場合、ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより小さいと判定され、ステップＳ５で、スイッチング周波数の制御方向は変更されず、ステップＳ６で、今回の検出電圧Ｖ１が、次回の処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とされて、ステップＳ２に処理がリターンされる。

次に、制御部２０は、ステップＳ２に処理を戻し、スイッチングパルスの周波数を微少な周波数Δｆだけアップし、ステップＳ３で、レベル検出部１９の検出電圧を計測する。図４のグラフから、前回のスイッチングパルスの周波数ｆ１から微小な周波数Δｆだけ周波数をアップすると、スイッチングパルスの周波数はｆ２となる。スイッチングパルスの周波数をｆ２として、レベル検出部１９の検出値を計測すると、図４のグラフで、点Ｐ２で示すような位置での検出電圧Ｖ２が計測される。

ステップＳ４で、制御部２０は、今回の検出電圧Ｖｎと、前回の検出電圧Ｖｎ−１とを比較し、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいか否かを判定する。図４のグラフから、前回の検出電圧Ｖ１と、今回の検出電圧Ｖ２とを比較すると、前回の検出電圧Ｖ１の方が今回の検出電圧Ｖ２より小さい。この場合、ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより小さいと判定され、ステップＳ５で、スイッチング周波数の制御方向は変更されず、ステップＳ６で、今回の検出電圧Ｖ２が、次回の処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とされて、ステップＳ２に処理がリターンされる。

次に、制御部２０は、ステップＳ２に処理を戻し、スイッチングパルスの周波数を微少な周波数Δｆだけアップし、ステップＳ３で、レベル検出部１９の検出電圧を計測する。図４のグラフから、前回のスイッチングパルスの周波数ｆ２から微少な周波数Δｆだけ周波数をアップすると、スイッチングパルスの周波数はｆ３となる。スイッチングパルスの周波数をｆ３として、レベル検出部１９の検出値を計測すると、図４のグラフで、点Ｐ３示すような位置での検出電圧Ｖ３が計測される。

ステップＳ４で、制御部２０は、今回の検出電圧Ｖｎと、前回の検出電圧Ｖｎ−１とを比較し、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいか否かを判定する。図４のグラフから、前回の検出電圧Ｖ２と、今回の検出電圧Ｖ３とを比較すると、前回の検出電圧Ｖ２の方が今回の検出電圧Ｖ３より大きい。この場合、ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいと判定され、ステップＳ７で、スイッチング周波数の制御方向が変更され、ステップＳ６で、今回の検出電圧Ｖ３が、次回の処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とされて、ステップＳ２に処理がリターンされる。

次に、制御部２０は、ステップＳ２に処理を戻す。このとき、ステップＳ７で、スイッチング周波数の制御方向が変更されているので、制御部２０は、スイッチングパルスの周波数をΔｆだけダウンして、ステップＳ３で、レベル検出部１９の検出電圧を計測する。前回のスイッチングパルスの周波数ｆ３から、微少な周波数Δｆだけダウンすると、スイッチングパルスの周波数はｆ２となる。スイッチングパルスの周波数をｆ２として、レベル検出部１９の検出値を計測すると、図４のグラフで、点Ｐ２で示すような位置での検出電圧Ｖ２が計測される。

ステップＳ４で、制御部２０は、今回の検出電圧Ｖｎと、前回の検出電圧Ｖｎ−１とを比較し、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより大きいか否かを判定する。図４のグラフから、前回の検出電圧Ｖ３と、今回の検出電圧Ｖ２とを比較すると、前回の検出電圧Ｖ３の方が今回の検出電圧Ｖ２より小さい。この場合、ステップＳ４で、前回の検出電圧Ｖｎ−１が今回の検出電圧Ｖｎより小さいと判定され、ステップＳ５で、スイッチング周波数の制御方向は変更されず、ステップＳ６で、今回の検出電圧Ｖ２が、次回の処理での前回の検出電圧Ｖｎ−１とされて、ステップＳ２に処理がリターンされる。

以下、同様の処理が繰り返されると、スイッチングパルスの周波数は、レベル検出部１９の検出出力が最大となる周波数ｆ２を中心として、制御されることになる。

このように、ステップＳ２からステップＳ７の処理を繰り返すことで、制御部２０は、レベル検出部１９の検出出力が最大となる周波数に、パルス発生部１７のスイッチングパルスの周波数を制御することができる。

以上説明したように、実施形態に係る非接触電力伝送装置では、送電用コイル１１と電磁結合できる位置に設けられた検出用コイル１３により共振状態を検出し、この検出用コイル１３の検出出力に基づいて、パルス発生部１７の周波数が制御される。これにより、コイル間のギャップの距離の変化や位置ズレによる電磁界共振結合の共振周波数の変化に対応させて、電源の周波数を変化させることができる。

なお、上述の例では、図２に示したように、検出用コイル１３は、送電用コイル１１と同軸の磁芯５１に、送電用コイル１１の巻線に沿って、導線５３を巻回して構成されているが、検出用コイル１３は、送電用コイル１１と電磁結合できる位置であれば、どこに配置しても良い。

また、上述の例では、図２に示したように、板状の磁芯５１に導線５２および導線５３を平面的に巻回して送電用コイル１１および検出用コイル１３を構成し、また、板状の磁芯６１に導線６２を平面的に巻回して受電用コイル３１を構成している。このような平面上の磁芯５１および６１を使用すると、位置ズレに強いという利点がある。勿論、送電用コイル１１および検出用コイル１３、受電用コイル３１として、円筒状の磁芯に導線を巻回したものを用いても良い。また、送電用コイル１１および検出用コイル１３、受電用コイル３１として、導線をリング状に巻回したものを用いても良い。また、送電用コイル１１および検出用コイル１３、受電用コイル３１として、空芯のものを用いても良い。

また、図５に示すように、送電用コイル１１および検出用コイル１３が巻回される磁芯５１の両端に板状のヨーク７１および７２を設けると共に、受電用コイル３１が巻回される磁芯６１の両端に板状のヨーク８１および８２を設け、送電側回路１から受電側回路２に電力を伝送する場合に、ヨーク７１および７２とヨーク８１および８２とを対向させて、送電用コイル１１と受電用コイル３１とを電磁界共振結合させるようにしても良い。このような構成とすると、ヨーク７１および７２、ヨーク８１および８２により磁束が集められ、送電用コイル１１と受電用コイル３１との間の位置ズレの影響が更に軽減できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明は、例えば、ピッキングカートの非接触電力伝送装置に用いることができる。また、本発明は、スマートフォンやタブレット端末等の携帯端末の充電装置、電気自動車の充電装置等、各種の装置に利用可能である。

１：送電側回路、２：受電側回路、１１：送電用コイル、１３：検出用コイル、１６：スイッチング素子駆動部、１７：パルス発生部、１８：周波数設定部、１９：レベル検出部、２０：制御部、３１：受電用コイル、３３：整流器

Claims

送電用コイルと受電用コイルとの間を電磁界共振結合により非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置であって、
前記送電用コイルと電磁結合する位置に配置される検出用コイルと、
前記検出用コイルの検出出力に基づいて、前記送電用コイルに供給する電源の周波数を制御する周波数制御手段と、
を備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記検出用コイルは、前記送電用コイルと同軸上に導線を巻回して構成されることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
前記送電用コイルおよび前記受電用コイルは、板状の磁芯に導線を巻回して構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
前記送電用コイルおよび前記受電用コイルを構成する磁芯の両端に、ヨークを設けることを特徴とする請求項３に記載の非接触電力伝送装置。