JP2018186603A - 無線給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線給電していない状態の消費電力を適切に低減できなかった。【解決手段】無線給電システム１であって、送電装置１０は、高周波電源から交流電流が供給される送電側コイルＬ１と、インダクタＬａおよびＬｂとキャパシタＣ１とを有する送電側フィルタＴ１と、を備え、受電装置２０は、受電側コイルＬ２と、受電側負荷２０１と、インダクタＬｂおよびＬｃとキャパシタＣ２とを有する受電側フィルタＴ２と、を備え、フィルタＴ１、Ｔ２を、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の高周波電源からみた送電装置１０のインピーダンスが、電磁的に結合している状態の高周波電源からみた送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスよりも高くなるよう構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電を行なうシステムに関するものである。

従来の技術として、送電インダクタ自体をセンサとして用いて車両の検出を行ない、送電開始および停止を自動で行なう走行中ワイヤレス給電システムが知られていた（例えば、非特許文献１参照）。

小林 大太、外２名、「電気自動車へのワイヤレス給電におけるセンサレス送電ＯＮ／ＯＦＦ切換システムの提案」、第１３回ＩＴＳシンポジウム２０１５、２０１５年

従来の送電装置と受電装置とを備えた無線給電システムにおいては、送電装置の送電側コイル上に受電装置の受電側コイルが存在していない状態において、送電装置に送電を行なうと、送電装置のインピーダンスが小さいため、送電装置に大電流が流れてしまい、送電装置の消費電力が大きくなってしまう問題があった。このため、上記の従来の技術等に示すように、送電側コイルを受電側コイルの有無を検出するセンサとして用いて、送電側コイルの近くにおける受電側コイルの有無を検出し、受電側コイルがある場合にのみ、送電装置に給電することで、受電側コイルが存在しない場合の消費電力を抑えていた。

しかしながら、上記のようにセンサ等を用いて受電側コイルの有無を検出するためには、検出のための信号等を非送電時に出力する必要があるため、無線給電を行なっていない状態の消費電力が大きくなってしまうという問題があった。また、検出のための信号を、所定のタイミングで繰り返し出力するための構成や、送電装置からの送電をＯＮ／ＯＦＦするための構成が必要となり、構成や処理が複雑化してしまうという問題があった。

このように、従来の無線給電システムにおいては、無線給電を行なっていない状態の消費電力を適切に低減させることができなかった。

本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、無線給電を行なっていない状態における消費電力を適切に低減させることができる無線給電システムを提供することを目的とする。

本発明の無線給電システムは、送電装置と、受電装置とを備えた無線給電システムであって、送電装置は、高周波電源から供給される交流電流に応じた磁界を発生する送電側コイルと、一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する送電側フィルタと、を備え、受電装置は、送電側コイルが発生する磁界に応じた交流電流を発生する受電側コイルと、受電側コイルが発生する交流電流が供給される受電側負荷と、一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する受電側フィルタと、を備え、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、送電側コイルと受電側コイルとが電磁的に結合していない状態の高周波電源から見た送電装置のインピーダンスが、電磁的に結合している状態の高周波電源から見た送電装置および受電装置のインピーダンスに対して高くなるよう構成されている無線給電システムである。

かかる構成により、無線給電を行なっていない状態の高周波電源からみた送電装置のインピーダンスを高くして送電装置に流れる電流を小さくすることができ、無線給電を行なっていない状態における消費電力を適切に低減させることができる。

また、本発明の無線給電システムは、前記無線給電システムにおいて、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、電磁的に結合している状態の前記高周波電源から見た送電装置および受電装置のインピーダンスが、前記高周波電源の出力インピーダンスと等しくなるよう構成されている無線給電システムである。

かかる構成により、給電時のインピーダンスを整合することで、給電時の伝送効率を最大化することができる。

また、本発明の無線給電システムは、前記無線給電システムにおいて、送電側フィルタおよび受電側フィルタが有するインダクタのインピーダンスおよび前記キャパシタの容量は、送電側コイルと受電側コイルとの間の距離、および受電側負荷のインピーダンスに応じて決定される無線給電システムである。

かかる構成により、給電時の伝送効率を最大化することができる。

また、本発明の無線給電システムは、前記無線給電システムにおいて、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタを少なくとも１つ含む無線給電システムである。

かかる構成により、無線給電を行なっていない状態の高周波電源からみた送電装置のインピーダンスを高くして送電装置に流れる電流を小さくすることができ、無線給電を行なっていない状態における消費電力を適切に低減させることができる。また、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタを用いることで、例えば、容量の小さなキャパシタを用いることが可能となり、安価で安全に無線給電システムを構築することができる。

本発明による無線給電システムによれば、無線給電を行なっていない状態における消費電力を適切に低減させることができる。

本発明の実施の形態における無線給電システムの一例を示す回路図 同無線給電システムのインダクタンスを説明するための、無線給電システムの等価回路を示す図（図２（ａ））、および送電装置１０の回路図（図２（ｂ）） 同無線給電システムの具体例を説明するための、シミュレーションに用いられた回路を示す回路図 同無線給電システムのシミュレーション結果を示す電流の経時的な変化を示すグラフ（図４（ａ）および図４（ｂ））

以下、無線給電システム等の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態における無線給電システムの一例を示す回路図である。図１においては、無線給電システム１が、磁界共鳴結合方式の無線給電システムである場合の回路例を示している。ただし、本発明の無線給電システム１は、例えば、電磁誘導方式の無線給電システム等の、磁界共鳴結合方式以外の無線給電システムであってもよい。

無線給電システム１は、送電装置１０と、受電装置２０とを備えている。ここでは、送電装置１０を一つ備えている例を示しているが、無線給電システム１は、二以上の送電装置１０を備えていても良い。同様に、無線給電システム１は、二以上の受電装置２０を備えていても良い。

送電装置１０は、送電側コイルＬ１、および送電側Ｔ型フィルタＴ１を備えている。
受電装置２０は、受電側コイルＬ２、受電側負荷２０１、および受電側Ｔ型フィルタＴ２を備えている。

送電装置１０は、受電装置２０に対して、無線給電により電力を供給する装置である。
送電側コイルＬ１は、高周波電源５０から供給される交流電流に応じた磁界を発生する。送電側コイルＬ１は、送電側Ｔ型フィルタＴ１を介して高周波電源５０に接続されている。送電側コイルＬ１は、一端が、直列に接続された第一のインダクタＬａと、第二のインダクタＬｂと、磁界共鳴用のキャパシタＣ３とを介して高周波電源５０の一端と接続され、他端が、高周波電源５０の他端と接続されている。なお、送電側コイルＬ１のインダクタンスを、ここではＬ１とする。かかることは他のコイルについても同様であるとする。

高周波電源５０は高周波の交流電流を供給する。高周波電源５０は、例えば、電力を送電するための磁界を送電側コイルＬ１に発生させるための高周波交流電流を供給する。なお、本実施の形態においては、高周波電源５０が無線給電システム１の外部に設けられている例を示しているが、高周波電源５０が、無線給電システム１内に設けられているか外部に設けられているかは問わない。例えば、高周波電源５０が無線給電システム１内に設けられている場合、高周波電源５０は、送電装置１０の外部に設けられていても良く、送電装置１０の内部に設けられていてもよい。また、一の高周波電源５０は、複数の送電装置１０に電力を供給するものであっても良い。高周波電源５０は、高周波交流電流を供給するものであれば良く、例えば、インバータ等を搭載しており、５０／６０Ｈｚ等の商用電源から供給される交流電流を高周波に変換する送電ユニット等であってもよい。高周波電源５０が供給する交流電流は、高周波であれば周波数は問わない。

送電側Ｔ型フィルタＴ１は、第一のインダクタＬａ、第二のインダクタＬｂ、および第一のキャパシタＣ１を備えている。送電側Ｔ型フィルタＴ１は、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタである。第一のインダクタＬａおよび第二のインダクタＬｂは、高周波電源５０と送電側コイルＬ１との間に直列に接続されている。直列に接続された第一のインダクタＬａおよび第二のインダクタＬｂの両端は、それぞれ、高周波電源５０の一の端子と送電側コイルＬ１の一の端子とに接続されている。第一のインダクタＬａは、第二のインダクタＬｂに対して高周波電源５０側に接続されている。第一のキャパシタＣ１は、直列に接続されている送電側コイルＬ１および第二のインダクタＬｂに対して並列に接続されている。第一のキャパシタＣ１の一端は、第一のインダクタＬａと第二のインダクタＬｂとの間に接続されており、他端は、送電側コイルＬ１の、第二のインダクタＬｂが接続されていない端子および高周波電源５０の第一のインダクタＬａが接続されていない端子に接続されている。なお、第一のインダクタＬａのインダクタンスを、ここではＬａとする。かかることは他のインダクタについても同様であるとする。また、第一のキャパシタＣ１のキャパシタンスを、ここではＣ１とする。かかることは、他のキャパシタについても同様である。なお、ここでのインダクタは、コイルも含む概念である。

受電装置２０は、送電装置１０から無線給電される電力を受電する装置である。受電装置２０は、例えば、受電装置２０が受電した電力の供給対象となる装置（図示せず）等に搭載される。なお、受電装置２０が、受電した電力の供給対象となる装置であっても良く、受電装置２０が、受電した電力の供給対象となる装置の一部であっても良い。電力の供給対象となる装置は、例えば、ＡＧＶ（aｕｔｏｍａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ：無人搬送車）や電気自動車、電動工具等である。

受電側コイルＬ２は、送電装置１０の送電側コイルＬ１が発生する磁界に応じた交流電流を発生する。受電側コイルＬ２は、具体的には、送電側コイルＬ１が発生する交流磁界を受けて、高周波の交流電流を発生する。受電側コイルＬ２は、送電側コイルＬ１と電磁的に結合された状態で、交流電流を発生する。受電側コイルＬ２は、発生した交流電流を、受電側負荷２０１に送電する。受電側コイルＬ２は、受電側Ｔ型フィルタＴ２を介して、受電側負荷２０１と接続されている。受電側コイルＬ２は、一端が、第三のインダクタＬｃ、および第四のインダクタＬｄを介して受電側負荷２０１の一端と接続されており、他端が、受電側負荷２０１の他端と接続されている。

なお、ここでの電磁的に結合とは、例えば、無線給電システム１が磁界共鳴結合方式のシステムである場合、磁界共鳴が起こるように結合することである。また、例えば、無線給電システム１が電磁誘導方式のシステムである場合、電磁誘導が起こるように結合することである。なお、線給電システム１が磁界共鳴結合方式のシステムである場合において、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合するということは、例えば、送電側コイルＬ１とキャパシタＣ３とを有する磁界共鳴用の回路と、受電側コイルＬ２とキャパシタＣ４とを有する磁界共鳴用の回路とが共鳴することと考えてもよい。

受電側負荷２０１には、受電側コイルＬ２が発生する交流電流が供給される。受電側負荷２０１は、例えば、受電側コイルＬ２から供給される電力を消費するものである。受電側負荷２０１は、例えば、整流平滑回路（図示せず）等を備えており、供給された交流電流を直流電流に変換するものであっても良く、整流平滑回路等により供給された交流電流を直流電流に変換し、蓄電デバイス（図示せず）等に充電する受電ユニット等であっても良い。また、図示しない動力や回路等に電流を供給するものであってもよい。

受電側Ｔ型フィルタＴ２は、第三のインダクタＬｃ、第四のインダクタＬｄ、および第二のキャパシタＣ２を備えている。受電側Ｔ型フィルタＴ２は、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタである。第三のインダクタＬｃおよび第四のインダクタＬｄは、受電側コイルＬ２と受電側負荷２０１との間に直列に接続されている。直列に接続された第三のインダクタＬｃおよび第四のインダクタＬｄの両端は、それぞれ受電側コイルＬ２の一の端子と受電側負荷２０１の一の端子とに接続されている。第三のインダクタＬｃは、第四のインダクタＬｄに対して受電側コイルＬ２側に接続されている。第二のキャパシタＣ２は、直列に接続されている受電側コイルＬ２および第三のインダクタＬｃに対して並列に接続されている。第二のキャパシタＣ２の一端は、第三のインダクタＬｃと第四のインダクタＬｄとの間に接続されており、他端は、受電側コイルＬ２、の第三のインダクタＬｃが接続されていない端子、および受電側負荷２０１の、第四のインダクタＬｄが接続されていない端子に接続されている。

送電側Ｔ型フィルタＴ１は、送電装置１０に設けられた特定の周波数帯域の高周波交流電流を通過させる送電側フィルタである。受電側Ｔ型フィルタＴ２は、受電装置２０に設けられた特定の周波数帯域の高周波交流電流を通過させる受電側フィルタである。特定の周波数帯域とは、上限と下限の周波数の間の周波数帯域である。ここでの特定の周波数帯域は、例えば、目的となる範囲の周波数帯域である。例えば、特定の周波数帯域は、受電側負荷２０１に対して供給したい、あるいは、受電側負荷２０１に対して給電することが好ましい電流の周波数帯域である。例えば、無線給電システム１を電気自動車等の無線給電に利用する場合、送電側Ｔ型フィルタＴ１が通過させる特定の周波数帯域は、７５ｋＨｚから９５ＫＨｚまでの範囲の周波数帯域であることが好ましい。なお、送電側Ｔ型フィルタＴ１が通過させる特定の周波数は高周波であればよく、例えば、１ＫＨｚ以上の高周波であることが好ましい。特定の周波数帯域をどのような周波数帯域に設定するかは問わない。送電側Ｔ型フィルタＴ１が通過させる高周波交流電流の周波数帯域は、例えば、送電側Ｔ型フィルタＴ１を構成する第一のインダクタＬａおよび第二のインダクタＬｂのインピーダンスと、第一のキャパシタＣ１の容量とを適宜設定することで、特定の周波数帯域に設定することができる。同様に、受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成する第三のインダクタＬｃおよび第四のインダクタＬｄのインピーダンスと、第二のキャパシタＣ２の容量を適宜設定することで、受電側Ｔ型フィルタＴ２が通過させる高周波交流電流の周波数帯域を特定の周波数帯域に設定することができる。

本実施の形態においては、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２は、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるよう構成されている。具体的には、インピーダンスがこのような関係となるよう、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタＬａ〜ＬｄのインダクタンスおよびキャパシタＣ１およびＣ２のキャパシタンスが設定されている。ここでの送電装置１０のインピーダンスとは、高周波電源５０から見たインピーダンスである。また、ここでの送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスとは、電磁的に結合した状態の送電装置１０および受電装置２０の、高周波電源５０から見たインピーダンスである。

なお、図１においては、無線給電システム１を磁界共鳴結合方式の無線給電システムとするために、送電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ３を、第二のインダクタンスＬｂと送電側コイルＬ１との間に挿入している。同様に、受電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ４を、受電側コイルＬ２と第三のインダクタＬｃとの間に挿入している。ただし、無線給電システム１が、電磁誘導方式の無線給電装置等である場合のように、磁界の共鳴が不要であれば、磁界共鳴用のキャパシタＣ３およびキャパシタＣ４は省略しても良い。

送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２は、例えば、同じ構成を有していることが好ましく、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２が有するインダクタである第一のインダクタＬａ、第二のインダクタＬｂ、第三のインダクタＬｃ、および第四のインダクタＬｄが同じインピーダンスを有しており、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２が有するキャパシタである第一のキャパシタＣ１および第二のキャパシタＣ２が同じ容量を有していることが好ましい。

図２は、本実施の形態における無線給電システムについてのインダクタンスを説明するための、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合した状態の無線給電システム１の等価回路を示す図（図２（ａ））、および送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０の回路を示す図（図２（ｂ））である。図において、図１と同一の同一符号は、同一または相当する部分を示している。インダクタＬＭは、送電側コイルＬ１および受電側コイルＬ２の電磁的に結合している部分を表すインダクタである。インダクタＬ１'は、送電側コイルＬ１の、受電側コイルＬ２と電磁的に結合していない部分を表すインダクタである。また、インダクタＬ２'は、受電側コイルＬ２の送電側コイルＬ１と電磁的に結合していない部分を表すインダクタである。Ｌ１'は送電側コイルＬ１の漏れインダクタンスに相当し、Ｌ２'は受電側コイルＬ２の漏れインダクタンスに相当する。ＬＭ、Ｌ１'、およびＬ２'は以下のように表される。

ｋ（０≦ｋ≦１）は、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２との結合係数であるとする。結合係数ｋは、送電側コイルＬ１および受電側コイルＬ２の形状および相対的な位置で決まるパラメータであり、送電側コイルＬ１および受電側コイルＬ２の電磁的な結合強さを示す指標となる。結合係数ｋは、例えば、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２との距離により決まるパラメータと考えてもよい。

以下、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるような送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を設けるための、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタＬａ〜ＬｄのインダクタンスおよびキャパシタＣ１およびＣ２のキャパシタンスの設定について、図２を用いて説明する。なお、ここでは、受電側負荷２０１のインピーダンスを変数Ｘとし、Ｌ１、Ｌ２、Ｃ３およびＣ４を定数とした場合について説明する。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｃ３およびＣ４の一以上も変数と考えてもよい。

まず、図２（ａ）の等価回路の高周波電源５０からみたインピーダンスを受電側負荷２０１のインピーダンスであるＸの関数で表すことを考える。

例えば、図２（ａ）の等価回路において、ラインＺ１よりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスを、Ｘの関数Ｚ１（Ｘ）で表すと、

となる。なお、ωは、高周波電源５０が供給する交流電流の角周波数であるとする。

また、ラインＺ２よりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスをＸの関数Ｚ２（Ｘ）で表すと、

また、ラインＺ３よりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスをＸの関数Ｚ３（Ｘ）で表すと、

となる。

また、ラインＺ４よりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスを、受電側負荷２０１のインピーダンスを変数Ｘとして用いた関数Ｚ４（Ｘ）で表すと、

となる。

また、ラインＺ５よりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスを、受電側負荷２０１のインピーダンスを変数Ｘとして用いた関数Ｚ５（Ｘ）で表すと、

となる。

また、ラインＺＡよりも受電側負荷２０１側の回路のインピーダンスを、受電側負荷２０１のインピーダンスを変数Ｘとして用いた関数ＺＡ（Ｘ）で表すと、

となる。

このように、図２（ａ）の等価回路の高周波電源５０からみたインピーダンスは、Ｘの関数であるＺＡ（Ｘ）で表すことができ、任意の値Ｘ等が定まれば、高周波電源５０からみた無線給電システム１のインピーダンスも定まることがわかる。

次に、図２（ｂ）に示した、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０において、ラインＺ６よりも送電側コイルＬ１側の回路のインピーダンスをＺ６とすると、

となる。送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態は、例えば、図１において、受電装置２０が存在していない場合である。

次に、図２（ｂ）の回路において、高周波電源５０からみた送電装置１０のインピーダンスであるＺＢを上記と同様にして求めると

となる。

そして、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるようにするためには、上記のＺＡ（Ｘ）の値が、ＺＢの値よりも大きくなればよいことから、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタＬａ〜ＬｄのそれぞれのリアクタンスであるＬａ〜Ｌｄ、およびキャパシタＣ１、Ｃ２のそれぞれのキャパシタンスであるＣ１、Ｃ２が、以下に示す式（１）を満たすように設定すればよい。

上記のような式（１）を満たすように、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタＬａ〜ＬｄのそれぞれのリアクタンスであるＬａ〜Ｌｄ、およびキャパシタＣ１、Ｃ２のそれぞれのキャパシタンスであるＣ１、Ｃ２を設定することで、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるようにすることができる。ただし、設定されるこれらのＬａ〜Ｌｄ、Ｃ１およびＣ２の値や、Ｌ１、Ｌ２、Ｃ３およびＣ４の値等は、無線給電システム１による無線給電のための動作が可能となるような値である必要がある。

なお、無線給電システム１を、電磁誘導方式等の磁界共鳴用のキャパシタＣ３およびＣ４を有さない無線給電システム１とする場合、磁界共鳴用のキャパシタＣ３およびＣ４が不要となるため、上記の式（１）に示した関係式は、上記のＺ２（Ｘ）、Ｚ４（Ｘ）およびＺ６（Ｘ）を求める式を、以下のように変形した場合の関係式となる。

また、例えば、無線給電システム１にノイズ対策用の回路等の他の回路を挿入する場合、挿入する回路のインピーダンスの値等を考慮して、上記と同様に、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスと、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスとの関係式を取得し、この関係式を満たすように、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタのインダクタンスおよびキャパシタのキャパシタンスを設定すればよい。なお、このような挿入する他の回路のインピーダンスの値を考慮した関係式も、他の回路を挿入しない場合の回路のインピーダンスの関係式と実質的に同じものであると考えてもよい。

なお、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２は、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の、高周波電源５０から見た送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスが、高周波電源５０の出力インピーダンスと等しくなるよう構成することが好ましい。例えば、上述したインピーダンスＺＡ（Ｘ）が、高周波電源５０の出力インピーダンスと等しくなるよう構成することが好ましい。このような構成とすることで、インピーダンスを整合して、給電時の伝送効率を最大化することができる。なお、結合時の高周波電源５０から見た送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスは、結合係数ｋや受電側負荷のインピーダンスＸによって変化するため、このような構成とするために、例えば、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２が有するインダクタのインピーダンスおよびキャパシタの容量は、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２との間の距離、および受電側負荷のインピーダンスに応じて決定される

次に、本実施の形態の無線給電システム１の動作の一例について説明する。
送電側コイルＬ１は、高周波電源５０から供給される高周波交流電流に応じた交流磁界を発生しており、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２との位置が近づいてこれらが電磁的に結合されると、受電側コイルＬ２は、送電側コイルＬ１が発生する交流磁界を受けて、交流電流を発生し、受電側負荷２０１に交流電流を供給する。受電側負荷２０１が、例えば、図示しない蓄電デバイスに対して充電を行なう受電ユニット等である場合、受電側負荷２０１は、受電側コイルＬ２から供給される交流電流を直流に変換し、蓄電デバイスに充電する。

本実施の形態の送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２は、高周波電源５０から交流電流が供給されている際には、インピーダンス変換回路として作用する。本実施の形態においては、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるよう送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を設定することにより、送電装置１０に電磁的に結合される位置等に受電装置２０がない場合（即ち、受電側負荷がない場合）には、高周波電源５０からみた送電装置１０のインピーダンスを高く設定して、この送電装置１０の送電側コイルＬ１に流れる電流を小さくでき、送電側コイルＬ１へ有効電力がほとんど供給されないようにすることができ、送電装置１０における消費電力を小さくすることができる。

また、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスに対して低くなるように、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を設定することにより、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態においては、高周波電源５０からみた受電側負荷２０１側のインピーダンスを低くなるように設定することができ、入出力のインピーダンスの整合を取ることができ、高周波電源５０から受電側負荷２０１に対して、効率良く電力を供給することができる。

なお、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスとは、例えば、図２のように、電磁的な結合によって送電装置１０と受電装置２０とが実質的に一つの回路として高周波電源５０から電力が供給されている場合のインピーダンスと考えても良い。

送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２は、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態において、入力側である高周波電源５０側のインピーダンスと、出力側である受電側負荷２０１のインピーダンスとが整合するように設定することが好ましい。このことは、高周波電源５０からみた、電磁的に結合した状態の無線給電システム１の、受電側負荷２０１を含めた回路のインピーダンスが低くなるように設定することと考えてもよい。なお、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を設定するということは、例えば、これらを構成するインダクタのリアクタンスおよびキャパシタのキャパシタンスを設定すると考えてもよい。

なお、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスは、大きければ大きいほど好ましい。電力損失が、インピーダンスの二乗に比例することから考えると、無線給電システム１においては、無線給電していない状態の電力消費を抑えるためには、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して、約１．４倍以上となるようにすることが好ましく、約３倍以上となるようにすることがより好ましい。

（具体例）
以下、本実施の形態の具体例について説明する。この具体例においては、無線給電システム１の一例についてシミュレーションを行なって、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２との間に電磁的な結合がある場合とない場合とについて、それぞれ、送電装置１０を流れる電流を示すグラフを取得し、グラフについての比較を行なった。

図３は、本実施の形態の具体例を説明するための、無線給電システム１の回路の一例を示す回路図であり、シミュレーションに用いられた回路を示す図である。この具体例の無線給電システム１は、四つの送電装置１０と一つの受電装置２０とを備えているものとする。四つの送電装置１０は、同じ構成であるとする。四つの送電装置１０を便宜上、送電装置１０ａ〜１０ｄと呼ぶ。ここでは、四つの送電装置１０ａ〜１０ｄは同じ高周波電源５０に接続されている場合を示している。ただし、四つの送電装置１０ａ〜１０ｄは、それぞれが個別の高周波電源に接続されていても良い。

第一のインダクタＬ１０１、Ｌ１０５、Ｌ１１０、およびＬ１１３は、図１の第一のインダクタＬａに相当し、第二のインダクタＬ１０２、Ｌ１０６、Ｌ１１１、およびＬ１１４は、図１の第二のインダクタＬｂに相当し、いずれのインダクタンスも１７００μＨである。送電側コイルＬ１０３、Ｌ１０９、Ｌ１１２、およびＬ１１５は送電側コイルＬ１に相当し、受電側コイルＬ１０４は受電側コイルＬ２に相当し、いずれのインダクタンスも１００μＨである。第三のインダクタＬ１０７は、図１の第三のインダクタＬｃに相当するインダクタであり、第四のインダクタＬ１０８は、図１の第四のインダクタＬｄに相当するインダクタであり、いずれのインダクタンスも、１７００μＨである。

第一のキャパシタＣ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、およびＣ１０５は、図１の第一のキャパシタＣ１に相当し、第二のキャパシタＣ１１１は、図１の第二のキャパシタＣ２に相当し、いずれのキャパシタンスも１７μＦである。送電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ１０６、Ｃ１０７、Ｃ１０８、およびＣ１０９は、図１の送電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ３に相当し、受電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ１１０は、図１の受電側の磁界共鳴用のキャパシタＣ４に相当し、いずれのキャパシタンスも１７μＦである。

抵抗Ｒ１は、受電側負荷２０１に相当し、抵抗値は１００Ωであるとする。抵抗Ｒ２は電流測定を行なうために設けられた抵抗であり、抵抗値は１０ｍΩ（ミリオーム）である。なお、図３の抵抗Ｒ２や接地線等は、シミュレーションを行なうために設けられた回路の要素であり、実際の無線給電システム１としては適宜省略しても良い。

高周波電源Ｖｉｎは、高周波電源５０に相当し、高周波電源Ｖｉｎが供給する高周波高周波電源の周波数は１ｋＨｚ、電圧は１００Ｖとする。送電側コイルＬ１に相当する送電側コイルＬ１０３と、受電側コイルＬ２に相当する受電側コイルＬ１０４との結合係数ｋは、０．８であるとする。

図３の回路においては、送電装置１０ａの送電側コイルＬ１０３と、受電装置２０の受電側コイルＬ１０４とは、電磁的に結合しており、送電装置１０ｂ〜１０ｄは、受電装置２０と電磁的に結合していない状態であるとする。上記のようなインダクタやキャパシタ等の値の設定により、図３に示した無線給電システム１の例においては、高周波電源５０からみた受電装置２０と電磁的に結合していない状態の送電装置１０ｂ〜１０ｄのインピーダンスは、高周波電源５０からみた電磁的に結合した状態の送電装置１０ａと受電装置２０とのインピーダンスよりも高くなっている。

この具体例においては、図３に示した無線給電システム１において、高周波電源５０から送電装置１０ａ〜１０ｄに高周波交流電流を供給した場合における送電装置１０ａ〜１０ｄのそれぞれの送電側コイルＬ１に流れる電流のシミュレーションを行った。シミュレータとしては、ＬＴＳｐｉｃｅ（リニアテクノロジー社製）を用いた。

図４は、図３に示した無線給電システム１についてのシミュレーション結果を示すグラフであり、図４（ａ）は、送電装置１０ａの第一のインダクタＬ１０１に流れる電流の経時的な変化を示すグラフであり、図４（ｂ）は、送電装置１０ｂの第一のインダクタＬ１０５に流れる電流の経時的な変化を示すグラフである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は、電流のシミュレーション値を示している。

図４（ａ）に示すように、送電装置１０ａの送電側コイルＬ１０３と、受電装置２０の受電側コイルＬ１０４とが電磁的に結合している状態においては、送電装置１０ａの第一のインダクタＬ１０１に流れる電流の最大値はおよそ４Ａであるのに対し、図４（ｂ）に示すように、送電装置１０ｂの送電側コイルＬ１０９が、受電装置２０の受電側コイルＬ１０４と電磁的に結合していない状態においては、送電装置１０ｂの第一のインダクタＬ１０５に流れる電流の最大値はおよそ２Ａとなっている。このように、図３の無線給電システム１においては、電磁的に結合されて無線給電が行なわれている送電装置１０ａと受電装置２０とにおいては、高周波電源５０からみたインピーダンスが低く、送電装置１０ａを流れる電流が大きくなっているのに対し、電磁劇に結合されておらず無線給電を行なっていない送電装置１０ｂにおいては、高周波電源５０からみたインピーダンスが高くなり、送電装置１０ｂに流れる電流が十分に小さくなっていることがわかる。このことから、図３に示した無線給電システム１においては、送電装置１０ｂから受電装置２０に無線給電を行なっていない状態においては、高周波電源５０からみたインピーダンスが高くなるようにして、送電装置１０ｂに流れる電流が低くすることで、送電装置１０ｂにおける電力消費を抑えられることがわかる。

以上、本実施の形態によれば、送電装置の送電側コイルと受電装置の受電側コイルとが電磁的に結合していない場合の高周波電源からみた送電装置のインピーダンスを、送電装置の送電側コイルと受電装置の受電側コイルとが電磁的に結合している場合の高周波電源からみた送電装置および受電装置のインピーダンスよりも大きくすることにより、無線給電を行なっていない状態における消費電力を適切に低減させることができる。また、送電装置の送電側コイルと受電装置の受電側コイルとが電磁的に結合している際には、高周波電源からみたインピーダンスを小さくすることにより、無線給電時の給電効率を高くすることができる。これにより、例えば、センサ等を用いて無線給電時であるか否かを検出し、その検出結果に応じて、非無線給電時における送電側装置への電力供給のオン・オフ等を制御することなく、非無線給電時の電力消費を低減させることができる。

なお、上記実施の形態においては、送電装置１０が、送電側フィルタとして、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成の送電側Ｔ型フィルタＴ１が有しており、受電装置２０が、受電側フィルタとしてＬ−Ｃ−Ｌ構成の受電側Ｔ型フィルタＴ２を有している場合について説明したが、本発明においては、送電装置１０が、送電側フィルタとして、一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する送電側フィルタを有しており、受電装置２０が、受電側フィルタとして、一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する送電側フィルタを有していればよい。このような場合においても、送電側フィルタおよび受電側フィルタを、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の、高周波電源からみた送電装置１０のインピーダンスが、電磁的に結合している状態の、高周波電源からみた送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるよう構成することで、上記実施の形態と同様の効果を奏する。例えば、上記のような送電側フィルタおよび受電側フィルタを、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の高周波電源からみた送電側フィルタのインピーダンスが、電磁的に結合している状態の高周波電源からみた送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるよう構成することにより、上記実施の形態と同様の効果を奏する。なお、上記のような場合のおいても、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の、高周波電源５０から見た送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスが、高周波電源５０の出力インピーダンスと等しくなるよう構成することが、インピーダンスを整合して、給電時の伝送効率を最大化するうえで好ましい。

例えば、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成の送電側Ｔ型フィルタＴ１およびＬ−Ｃ−Ｌ構成の受電側Ｔ型フィルタＴ２の代わりに、それぞれＣ−Ｌ−Ｃ構成のＴ型フィルタを設けるようにしてもよい。Ｃ−Ｌ−Ｃ構成のＴ型フィルタは、例えば、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２のインダクタの代わりにキャパシタを設け、キャパシタの代わりにインダクタを設けたものである。また、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２の代わりに、それぞれＣ−Ｌ−Ｃ構成のπ型フィルタ、またはＬ−Ｃ−Ｌ構成のπ型フィルタを設けるようにしてもよい。なお、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、複数のフィルタで構成されてもよい。なお、送電側フィルタおよび受電側フィルタは、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタを少なくとも１つ含むことが好ましい。

なお、上記実施の形態において、送電側フィルタおよび受電側フィルタの少なくとも一方に、自動整合器（図示せず）等を設けるようにしても良い。

送電側フィルタおよび受電側フィルタは、特定の周波数帯のみを通過させるフィルタであることが好ましい。特定の周波数帯域のみを通過させる送電側フィルタおよび受電側フィルタは、例えば、特定の周波数以上の周波数のみを通過させるハイパスフィルタおよび特定の周波数以下の周波数のみを通過させるローパスフィルタを除いたフィルタであることが好ましく、例えば、バンドパスフィルタであることがこのましい。

なお、送電側フィルタと受電側フィルタとは、同じ構成を有していることが好ましい。例えば、送電側フィルタが、Ｃ−Ｌ−Ｃ構成のＴ型フィルタであれば、受電側フィルタもＣ−Ｌ−Ｃ構成のＴ型フィルタであることが好ましい。更に、送電側フィルタと受電側フィルタとが有するインダクタは同じインピーダンスを有しており、送電側フィルタと受電側フィルタとが有するキャパシタは同じ容量を有しているようにすることが好ましい。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる無線給電システムは、例えば、無線給電を行なっていない状態の電力消費を抑えることができる無線給電システム等として有用である。

１ 無線給電システム
１０、１０ａ〜１０ｄ 送電装置
２０ 受電装置
５０ 高周波電源
２０１ 受電側負荷
Ｌ１、Ｌ１０３、Ｌ１０９、Ｌ１１２、Ｌ１１５ 送電側コイル
Ｌ２、Ｌ１０４ 受電側コイル
Ｌａ、Ｌ１０１、Ｌ１０５、Ｌ１１０、Ｌ１１３ 第一のインダクタ
Ｌｂ、Ｌ１０２、Ｌ１０６、Ｌ１１１、Ｌ１１４ 第二のインダクタ
Ｌｃ、Ｌ１０７ 第三のインダクタ
Ｌｄ、Ｌ１０８ 第四のインダクタ
Ｃ１、Ｃ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、Ｃ１０５ 第一のキャパシタ
Ｃ２、Ｃ１１１ 第二のキャパシタ
Ｃ３、Ｃ４、Ｃ１０６、Ｃ１０７、Ｃ１０８、Ｃ１０９、Ｃ１１０ キャパシタ
Ｔ１ 送電側Ｔ型フィルタ
Ｔ２ 受電側Ｔ型フィルタ

そして、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合していない状態の送電装置１０のインピーダンスが、送電側コイルＬ１と受電側コイルＬ２とが電磁的に結合している状態の送電装置１０および受電装置２０のインピーダンスに対して高くなるようにするためには、上記のＺＢの値が、ＺＡ（Ｘ）の値よりも大きくなればよいことから、送電側Ｔ型フィルタＴ１および受電側Ｔ型フィルタＴ２を構成するインダクタＬａ〜ＬｄのそれぞれのリアクタンスであるＬａ〜Ｌｄ、およびキャパシタＣ１、Ｃ２のそれぞれのキャパシタンスであるＣ１、Ｃ２が、以下に示す式（１）を満たすように設定すればよい。

Claims (4)

1. 送電装置と、受電装置とを備えた無線給電システムであって、
   前記送電装置は、
   高周波電源から供給される交流電流に応じた磁界を発生する送電側コイルと、
   一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する送電側フィルタと、を備え、
   前記受電装置は、
   送電側コイルが発生する磁界に応じた交流電流を発生する受電側コイルと、
   前記受電側コイルが発生する交流電流が供給される受電側負荷と、
   一以上のインダクタおよび一以上のキャパシタを有する受電側フィルタと、を備え、
   前記送電側フィルタおよび受電側フィルタは、前記送電側コイルと受電側コイルとが電磁的に結合していない状態の前記高周波電源から見た送電装置のインピーダンスが、電磁的に結合している状態の前記高周波電源から見た送電装置および受電装置のインピーダンスに対して高くなるよう構成されている無線給電システム。
2. 前記送電側フィルタおよび受電側フィルタは、電磁的に結合している状態の前記高周波電源から見た送電装置および受電装置のインピーダンスが、前記高周波電源の出力インピーダンスと等しくなるよう構成されている請求項１記載の無線給電システム。
3. 前記送電側フィルタおよび受電側フィルタが有する前記インダクタのインピーダンスおよび前記キャパシタの容量は、前記送電側コイルと受電側コイルとの間の距離、および前記受電側負荷のインピーダンスに応じて決定される、請求項２記載の無線給電システム。
4. 前記送電側フィルタおよび受電側フィルタは、Ｌ−Ｃ−Ｌ構成のＴ型フィルタを少なくとも１つ含む、請求項１から請求項３いずれか一項記載の無線給電システム。

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