JP2015100232A - 非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】非接触の給電システムにおいて、当該給電システムの構成の一部を利用して両者の信号伝送システムを実現する。【解決手段】送受電側コイルの一部を信号伝送用のコイルとして利用し、電磁誘導方式の信号伝送系を実現する。これらの送受信は共振系を構成しており、なおかつ給電用の共振周波数とは大きく外れた設計とする。【選択図】図３
Description
この発明は、非接触にて電力を送るシステムにおいて信号伝送する方法に関する発明である。
この種の特開２０１２−０６０７３０にある非接触給電の従来例を図１に示す。
またこの種の非接触給電の方式については非特許文献１に解説されるように４つの組み合わせがある。この等価回路を図２に示す。
さて、この図１の方式は、送電側装置の発信器１１の電力を送電側コイル１４に電力注入し、これと磁気結合した受電側コイル１５に伝える。受電側ではこの受電側コイルを介して負荷１６に電力供給する形態となっている。
ここで、たとえばこの負荷として電池のような充電系を考えると、この充電状態情報を供給側に伝えたいニーズが生まれる。
この例では、充電が完了したことを制御部１８で検出し、リレー１９を解放することにより抵抗１７を負荷系に直列挿入する回路方式となっている。このことにより、送電側に供給電流の変化を発生させ、これを状態検出部１３で検出し、送電制御部１２で発信器を停止する等の制御を行なおうとするものである。
遠井敬大, 金子裕良, 阿部茂 : 非接触給電の最大効率の結合係数ｋとコイルのＱによる表現, 半導体電力変換研究会, ＳＰＣ−１１−１７９（２０１１．１２．１）
この公知例では、構成が非常にシンプルであり、充電が完了した情報を伝えるとか、異常であるかないかを伝えるとかというような、単純に状態を伝えるだけのアプリケーションにおいてはなかなか良いアイデアである。
しかしながら、受電側の電流情報とか温度情報とかをリアルタイムで給電側に伝えるような用途においては以下のような問題がある。
しかしながら、受電側の電流情報とか温度情報とかをリアルタイムで給電側に伝えるような用途においては以下のような問題がある。
このような方式では共振系のシステムを使う制約上、単一の周波数で扱う必要があり、振幅変調された波形を信号として認識することになる。
このため、給電系の大きさも変化せざるを得ない。これは給電上のシステムとしては都合の良いものではない。
さらにこのケースでは、負荷に変化を与えることで変調信号を形成することをもくろんでいるのであるが、当然のことながら負荷開閉が必要になりそのスイッチング速度は限界があり高速の信号伝送は困難である。
この発明は、これらの諸問題に対応するために考案されたものである。その考え方の基本は送電用のアンテナコイルの一部分を利用して、異なる周波数を有する共振系を実現し信号伝送に供せようとするものである。
この発明に係る非接触給電システムは、対抗する給電用のアンテナコイルの一部を信号伝送用のコイルとして共有することである。
そして、このような構成をすることで、給電系の周波数とは大きく離れた周波数領域での独立した通信が可能となるとともにその速度についても、大きな制約を受けない。逆にこの回路が給電系を変動させるようなこともない。さらにこの系も共振型の一つの非接触の信号伝送系を構成することになり、信号信頼性（秘匿性）は高い。
請求項１に記載の発明によれば、１つの送電コイルと受電コイルの一部のコイル部分を共有して使って異なる共振周波数を持った信号伝送系の非接触の伝送システムを実現する。
これらの、周波数の設定は相互の干渉を受けないようなパラメータを選択でき、このため給電系が変動するような影響はしない。さらに独立伝送系を実現するため、独自の高速なデータ伝送が可能であり、この情報も非接触ではあるが共振系を実現しているため秘匿性の高いデータ送受信が可能になる。
請求項１では受電側から送電側へ信号伝送する方式を記載し、請求項２ではその逆方向への信号伝送を記載している。
請求項３に記載の発明は、請求項１、２の発明による構造的な組み合わせ形状を提案するものである。本請求項の構造体を有すれば、一体化された同心円状のコイルの一部分を共用する提案である。
この提案では、同心円状コイルの外周部を共有する提案を行っている。こうすることで信号伝送系の相互インダクタンスを大きくできる優位性がある。
一般的に非特許文献１に示されるように、非接触の給電方式には直列、並列の組み合わせがあり４種類のパターンが考えられる。この回路ブロック図を図２に示しておく。今回の説明資料はこのうち１次直列、２次直列の例を示しておくが、これに限定するわけではない。
図３に、この発明に係る非接触給電回路のブロック図を示す。図３の主たる回路部分の構成は図１に示した公知例と同様であるが、本考案は送受電コイルの中間点からタップを取り出し、信号伝送系のための別の共振周波数を構成するところにその特徴がある。以下図面にしたがって説明する。
図３において３０は電力供給用の発信器であり、直列のキャパシタ３１を介して３３の送電コイルを駆動する。これと磁気結合した３８の受電コイルから直列のキャパシタ３６を介して負荷３５に接続される非接触給電系を示している。図中の３２，３７は回路系の直列抵抗要素をまとめて表示したものである。
この系ではその送電側、受電側の共振周波数は、
ｆ＝１／２π√ＬＣにより決定され、これを合致させる。このＬ，Ｃはそれぞれの送電側の３３，３１、受電側の３８，３６が該当する。
ｆ＝１／２π√ＬＣにより決定され、これを合致させる。このＬ，Ｃはそれぞれの送電側の３３，３１、受電側の３８，３６が該当する。
なお、この系以外の図２に示す１次―２次結合方式による共振周波数、Ｌ，Ｃの関係式は非特許文献１を参照されたい。
さて、本発明で特徴的なのは、当該送受電のコイル３３，３８の中間位置からタップを取り出している点である。
この中間タップからそれぞれの信号伝送系のための信号送信部３９、信号受信部３４へ結合される構成となっている。
本図では、受電側からの信号伝送を主眼に記載したため、信号送信部は受電側、信号受信部は送電側になっているが、逆方向の情報伝送が必要な場合は、これらの回路の接続を逆にすれば実現できるのは自明である。
ここで図４に当該信号伝送のための回路部分を抜き出して表示する。この例では信号送信部４５は受電側に接続され、ここから直列のキャパシタ４６を介して受電コイル３８の中間タップに接続される。
同様に、信号受信側では送電コイル３３の中間タップから直列のキャパシタ４１を介し、信号受信部に接続される。この中間に配置される４４のフィルタ素子についての説明は後述する。
図４の４２，４７はそれぞれの回路部分の直列等価抵抗をまとめて示したものであり、系の送信側、受信側の共振周波数はｆ＝１／２π√ＬＣにより決定され、これを合致させる。
ここでＬ，Ｃはそれぞれ信号送信側の３８のタップ以降のインダクタンス部分３８１，４６および信号受信側の３３のタップ以降のインダクタンス部分３３１、４１で決定される。
ここでＬ，Ｃはそれぞれ信号送信側の３８のタップ以降のインダクタンス部分３８１，４６および信号受信側の３３のタップ以降のインダクタンス部分３３１、４１で決定される。
ここでは、当該信号伝送の回路方式も１次直列−２次直列方式で記載しているが、図２で示す４つの方式すべてで可能である。さらに当該共振周波数とＣ，Ｌの関係は非特許文献１を参照されたい。
この図４の４４の部位について図５を用いて詳述する。そもそもこの系においては圧倒的に電力送信のエネルギーが大きく、信号受信部でのＳ／Ｎ比を悪くする恐れがある。このため必要に応じ図５（Ａ）に示すような当該給電利用の周波数ｆ１にて大きなインピーダンスとなるような帯域除去フィルタを５１，５２を用いて構成し、信号受信部に入力するのが安定である。もちろんこの時の除去帯域は電力帯域のf1である。
こうした場合の最終的な信号受信部での周波数特性は図５（Ｂ）に示すように大きなＳ／Ｎが得られ、安定した信号伝送を可能にするものである。
この時、このフィルタは信号伝送用周波数決定にはほとんど影響しない。
こうした場合の最終的な信号受信部での周波数特性は図５（Ｂ）に示すように大きなＳ／Ｎが得られ、安定した信号伝送を可能にするものである。
この時、このフィルタは信号伝送用周波数決定にはほとんど影響しない。
図６に実際のアンテナコイルの利用法を図示する。６１，６２はそれぞれ同心円状の送受電（信）アンテナである。給電用周波数と信号伝送用周波数のエリアはその干渉面でもできるだけ離すのが妥当である。このため信号伝送用コイルの利用巻き数は全体のごく一部とするのがよい。
しかしながら、送受信の結合度合いを考えるとできるだけ外周部を利用して、送受信の相互インダクタンスを高めるのが良好である。
この例では、外周部分の何ターンかを信号伝送用に利用した方法を提案する。この場合、一般にこの最外周部側を回路コモンに接続される。
この例では、外周部分の何ターンかを信号伝送用に利用した方法を提案する。この場合、一般にこの最外周部側を回路コモンに接続される。
この発明に係る非接触給電装置は電気自動車の充電システム、高電圧部への絶縁電源供給システム等に応用できる。
１１ 発信器
１２ 発信制御部
１３ 検出部
１４ 送電コイル
１５ 受電コイル
１６ 負荷
１７ 抵抗
１８ 制御部
１９ リレー
３０ 発信器
３１ キャパシタ
３２ 送電側回路抵抗
３３ 送電コイル
３３１ 信号受信コイル
３４ 信号受信部
３５ 負荷
３６ 受電側キャパシタ
３７ 受電側回路抵抗
３８ 受電コイル
３８１ 信号送信コイル
３９ 信号送信部
４０ 信号検出部
４１ 信号受信部キャパシタ
４２ 信号受信部回路抵抗
４４ 帯域除去フィルタ
４５ 信号発信回路
４６ 信号送信部キャパシタ
４７ 信号送信部回路抵抗
５１ 帯域除去フィルタ用キャパシタ
５２ 帯域除去フィルタ用インダクタ
６１ 送電部アンテナ形状図
６２ 受電部アンテナ形状図
１２ 発信制御部
１３ 検出部
１４ 送電コイル
１５ 受電コイル
１６ 負荷
１７ 抵抗
１８ 制御部
１９ リレー
３０ 発信器
３１ キャパシタ
３２ 送電側回路抵抗
３３ 送電コイル
３３１ 信号受信コイル
３４ 信号受信部
３５ 負荷
３６ 受電側キャパシタ
３７ 受電側回路抵抗
３８ 受電コイル
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４０ 信号検出部
４１ 信号受信部キャパシタ
４２ 信号受信部回路抵抗
４４ 帯域除去フィルタ
４５ 信号発信回路
４６ 信号送信部キャパシタ
４７ 信号送信部回路抵抗
５１ 帯域除去フィルタ用キャパシタ
５２ 帯域除去フィルタ用インダクタ
６１ 送電部アンテナ形状図
６２ 受電部アンテナ形状図
Claims (3)
- 送電コイルとこの送電コイルに電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する受電コイルとこの受電コイルから負荷に電力を供給する受電装置を有する非接触の電磁誘導型の電力供給システムにおいて、
受電側装置に信号送信機能を有し、受電側コイルの中間点からタップを取り出し、全体のコイルを受電コイルとして、また、タップにより分割された一方を信号送信コイルとして利用するとともに、
送電側装置に信号受信機能を有し、送電側コイルの中間点からタップを取り出し、全体のコイルを送電コイルとして、また、タップにより分割された一方を信号受信コイルとして利用し、
給電用、信号伝送用に各々独立した共振周波数にて磁気結合することを特徴する、相互の拠点の情報通信が可能な非接触給電システム。 - 送電コイルとこの送電コイルに電力を供給する送電装置と、この送電コイルと電磁結合する受電コイルとこの受電コイルから負荷に電力を供給する受電装置を有する非接触の電磁誘導型の電力供給システムにおいて、
送電側装置に信号送信機能を有し、送電側コイルの中間点からタップを取り出し、全体のコイルを送電コイルとして、また、タップにより分割された一方を信号送信コイルとして利用するとともに、
受電側装置に信号受信機能を有し、受電側コイルの中間点からタップを取り出し、全体のコイルを受電コイルとして、また、タップにより分割された一方を信号受信コイルとして利用し、
給電用、信号伝送用に各々独立した共振周波数にて磁気結合することを特徴する、相互の拠点の情報通信が可能な非接触給電システム。 - １項あるいは２項の請求範囲のシステムにおいて、当該送受電側コイルとして同心円状に巻回されたコイルの外周側コイルを当該信号伝送のコイルとして共有する構成としたことを特徴とする、情報交換が可能な非接触給電システム。
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| JP2013239864A JP2015100232A (ja) | 2013-11-20 | 2013-11-20 | 非接触給電システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022161944A (ja) * | 2017-09-07 | 2022-10-21 | キヤノン株式会社 | 通信装置 |
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| JP2013084915A (ja) * | 2011-10-12 | 2013-05-09 | Tdk Taiwan Corp | 近距離無線通信と無線充電共用の感応モジュール |
| JP2013093429A (ja) * | 2011-10-25 | 2013-05-16 | Tdk Corp | 非接触伝送デバイス |
-
2013
- 2013-11-20 JP JP2013239864A patent/JP2015100232A/ja active Pending
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