JP2020018060A

JP2020018060A - 受電装置及び無線給電システム

Info

Publication number: JP2020018060A
Application number: JP2018138571A
Authority: JP
Inventors: 大輔築山; Daisuke Tsukiyama
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30

Abstract

【課題】簡易な構成により受電コイルに流れる電流を減少させることができる受電装置及び無線給電システムを提供する。【解決手段】受電装置２０は、送電コイル１２から送電される電力を受電する受電コイル２１と、受電コイル２１と当該受電コイル２１が受電した電力が供給される給電対象２６との間に設けられたトランス２３であって、一次コイル２３０が受電コイル２１に接続され、二次コイル２３１が給電対象２６に接続されたトランス２３と、を備え、一次コイル２３０の巻き数は、二次コイル２３１の巻き数より多い。【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置及び無線給電システムに関する。

近年、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムの開発が進められている。例えば特許文献１には、送電コイルから受電コイルに磁界共鳴方式により電力が伝送される無線給電システムが開示されている。

国際公開第２０１２／１６４８４５号公報

このような無線給電システムにおいて、送電コイルから受電コイルに大電力を供給しようとすると、受電コイルを流れる電流が増加し、受電コイルの巻線の抵抗により損失が増大したり、発熱の影響が大きくなったりする。これらの問題に対処するため、例えば受電コイルの巻線を太くしたり、受電コイルを冷却する装置を設けたりすると、受電装置の大型化やコストの増大を招いてしまう。あるいは、例えば送電装置側から見た受電装置側の負荷状態が最適となるように整合回路を制御することにより、無効電流を低減させるとすると、整合状態を動的に制御可能な整合回路が必要となり、構成が複雑化し、やはりコストの増大を招いてしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成により受電コイルに流れる電流を減少させることができる受電装置及び無線給電システムを提供する。

本発明の一態様に係る受電装置は、送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、受電コイルと当該受電コイルが受電した電力が供給される給電対象との間に設けられたトランスであって、一次コイルが受電コイルに接続され、二次コイルが給電対象に接続されたトランスと、を備え、一次コイルの巻き数は、二次コイルの巻き数より多い。

この態様によれば、一次コイルの巻き数が二次コイルの巻き数より多いため、受電コイルから見た給電対象側のインピーダンスを高く見せることができる。従って、簡易な構成により受電コイルに流れる電流を減少させることができる。

上記態様において、受電装置は、受電コイルの両端にそれぞれ直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサをさらに備えていてもよい。

この態様によれば、１つのコンデンサを備える構成に比べて、第１コンデンサ及び第２コンデンサの両端にかかる電圧をそれぞれ２分の１に抑えることができる。従って、第１コンデンサ及び第２コンデンサにかかる電圧に応じて発生する電磁波ノイズを抑制することができる。

上記態様において、受電装置は、トランスの二次コイルの両端にそれぞれ直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサをさらに備えていてもよい。

上記態様において、受電コイルの一端に接地電位が供給されていてもよい。

この態様によれば、給電中に誤って受電コイルが他の物体と接触した場合における安全性が向上する。

本発明の一態様に係る無線給電システムは、上述の受電装置と、送電コイル及び当該送電コイルに電源電圧を供給する電源回路を備える送電装置と、を備える。

この態様によれば、簡易な構成により受電コイルに流れる電流を減少させつつ電力を送電する無線給電システムを提供することができる。

本発明によれば、簡易な構成により受電コイルに流れる電流を減少させることができる受電装置及び無線給電システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る無線給電システムの回路図である。比較例に係る受電装置の受電コイルを流れる電流と、給電対象を流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係る受電装置の受電コイル２１を流れる電流と、給電対象２６を流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る無線給電システムの回路図である。本発明の第３実施形態に係る無線給電システムの回路図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る無線給電システムの回路図である。同図に示されるように、無線給電システム１Ａは、電力を送電する送電装置１０と、当該電力を非接触で受電する受電装置２０と、を備える。

送電装置１０は、例えば、電源回路１１と、送電コイル１２と、共振コンデンサ１３と、を備える。

電源回路１１は、所定の周波数（例えば、数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ程度）の交流電源電圧を生成し、送電コイル１２に供給する。

送電コイル１２は、例えば渦巻状に巻かれたコイルであり、電源回路１１からの交流電源電圧が供給される。共振コンデンサ１３は、送電コイル１２に直列接続され、送電コイル１２とともに共振回路を構成する。当該共振回路は、送電コイル１２のインダクタンス値をＬとし、共振コンデンサ１３の容量値をＣとすると、ｆ＝１／２π√ＬＣ（Ｈｚ）により表される共振周波数ｆを有する。

受電装置２０は、受電コイル２１と、共振コンデンサ２２と、トランス２３と、整流回路２４と、平滑回路２５と、給電対象２６と、を備える。

受電コイル２１は、例えば渦巻状に巻かれたコイルであり、送電コイル１２と磁界結合され、送電コイル１２から送電される電力を受電する。共振コンデンサ２２は、受電コイル２１に直列接続され、受電コイル２１とともに共振回路を構成する。送電装置１０側の共振回路と受電装置２０側の共振回路が同じ共振周波数において共鳴することにより、送電装置１０から受電装置２０へ電力が供給される（磁界共鳴方式）。

トランス２３は、受電コイル２１と給電対象２６との間（本実施形態においては、受電コイル２１と整流回路２４との間）に設けられる。トランス２３は、互いに磁界結合された一次コイル２３０と二次コイル２３１を含む。具体的に、一次コイル２３０は、受電コイル２１と直列接続され、二次コイル２３１は、給電対象２６と並列接続される。トランスが備えられる効果については後述する。

整流回路２４は、受電コイル２１により受電された交流電力を全波整流し、直流電力を出力する。整流回路２４は、互いに直列接続された２組のダイオード２４０，２４１とダイオード２４２，２４３を含む。これらの２組のダイオード２４０，２４１とダイオード２４２，２４３は、並列接続される。なお、トランス２３の二次コイル２３１は、一端がダイオード２４０とダイオード２４１の接続点に接続され、他端がダイオード２４２とダイオード２４３の接続点に接続される。

平滑回路２５は、整流回路２４から出力される直流電力の変動を低減し、平滑化させる。平滑回路２５は、コイル２５０及びコンデンサ２５１により構成される、いわゆるＬ型フィルタ回路である。

給電対象２６は、平滑回路２５により平滑化された直流電力が供給される対象である。給電対象２６は、特に限定されないが、本実施形態においては例えばバッテリやコンデンサ等の蓄電器に電力が蓄電される場合が想定され、コンデンサ２６０が示されている。なお、給電対象２６は、コンデンサ２６０に替えて、例えばモータ等のアクチュエータなど電力を消費する負荷であってもよい。また、図１においては、給電対象２６が受電装置２０に含まれた構成が示されているが、給電対象は受電装置に含まれず、受電装置の外部に設けられていてもよい。

次に、トランス２３が備えられる効果について説明する。トランスは、一般的にインピーダンスを変換する機能を有する。例えば、トランスの一次コイルの巻き数をｍ、二次コイルの巻き数をｎとする。この時、二次コイルに接続されるインピーダンスをＺ２とすると、一次コイルには（ｍ／ｎ）²×Ｚ２のインピーダンスが現れるようになる。ここで、本実施形態において、トランス２３における一次コイル２３０の巻き数は、二次コイル２３１の巻き数より多い（ｍ＞ｎ）。従って、受電コイル２１から見た給電対象２６側のインピーダンスを、トランス２３を備えない構成に比べて高く見せることができる。このように、給電対象２６側のインピーダンスが高くなることにより、受電コイル２１の両端に印加される電圧が高くなる。また、受電コイル２１の両端に印加される電圧をＶとし、受電コイル２１に流れる電流をＩとすると、受電コイル２１が送電コイル１２から受電する電力Ｐは、Ｐ＝ＶＩによって表される。従って、受電される電力Ｐが一定であるとき、電圧Ｖが高くなれば電流Ｉが減少する。

上述のとおり、無線給電システム１Ａは、一次コイル２３０の巻き数より二次コイル２３１の巻き数の方が多いトランス２３を備えることにより、受電コイル２１から見た給電対象２６側のインピーダンスを高く見せることができる。これにより、例えば整合状態を動的に制御可能な整合回路等を用いる構成に比べて、簡易な構成により受電コイル２１に流れる電流を減少させることができる。

また、無線給電システム１Ａは、トランス２３を備えることにより、受電コイル２１から給電対象２６側へと伝搬する高周波ノイズを除去することができる。

なお、トランス２３における一次コイル２３０と二次コイル２３１の巻き数の比は特に限定されないが、例えば一次コイル２３０の巻き数が二次コイル２３１の巻き数の数倍であってもよい。例えば一次コイル２３０の巻き数と二次コイル２３１の巻き数の比が７：５であるとき、インピーダンスの比は４９：２５となるため、受電コイル２１から見た給電対象２６側のインピーダンスを約２倍にすることができる。

また、本実施形態では、共振コンデンサ２２が受電コイル２１に直列接続されているが、これに替えて、共振コンデンサは、トランス２３の二次コイル２３１に直列接続されていてもよい。トランス２３の一次側又は二次側のうち、流れる電流が少ない方に共振コンデンサを接続することにより、共振コンデンサの挿入損失を減少させることができる。

図２は、比較例に係る受電装置の受電コイルを流れる電流と、給電対象を流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフであり、図３は、本発明の第１実施形態に係る受電装置の受電コイル２１を流れる電流と、給電対象２６を流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフである。ここで、比較例とは、受電装置２０が備える要素のうちトランス２３を備えない構成である。図２及び図３に示されるグラフにおいて、縦軸は電流値（Ａ：アンペア）を示し、横軸は時間（ｍｓ：ミリ秒）を示す。

まず比較例に係る受電装置では、図２に示されるように、給電対象であるコンデンサに平均６３Ａ程度の電流が供給されるとき、受電コイルには最大６５Ａ程度の正弦波の電流が流れている。他方、受電装置２０では、図３に示されるように、コンデンサ２６０には比較例と同様に平均６３Ａ程度の電流が供給されているが、受電コイル２１に流れる電流は最大４０Ａ程度の正弦波に抑えられている。ここから、給電対象には同量の電流が流れているにもかかわらず、トランス２３を設けることにより、受電コイル２１に流れる電流が４０％程度減少していることが分かる。これは、受電コイル２１における抵抗損失Ｐ＝Ｉ²Ｒ（Ｒは受電コイル２１の抵抗値）に換算すると、当該損失が６０％程度減少することに相当する。すなわち、受電コイル２１に流れる電流を減少させることにより、伝送効率を向上させ、かつ受電コイル２１の発熱による温度上昇を抑制することができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る無線給電システムの回路図である。なお、第２実施形態以降では、第１実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。同図に示されるように、第２実施形態に係る無線給電システム１Ｂは、上述の無線給電システム１Ａに比べて、受電装置２０が共振コンデンサ２２の代わりに共振コンデンサ２２０，２２１を備える。

共振コンデンサ２２０（第１コンデンサ），２２１（第２コンデンサ）は、それぞれ、受電コイル２１の両端において、受電コイル２１に直列接続されている。このように、２つの共振コンデンサ２２０，２２１が受電コイル２１を介して互いに並列接続されることにより、１つの共振コンデンサ２２を備える構成に比べて、共振コンデンサ２２０，２２１の両端にかかる電圧を２分の１に抑えることができる。従って、共振コンデンサ２２０，２２１にかかる電圧に応じて発生する電磁波ノイズを抑制することができる。

なお、図４においては、受電コイル２１側（すなわち、トランス２３の一次コイル２３０側）に共振コンデンサ２２０，２２１が設けられる例が示されているが、これに替えて、トランス２３の二次コイル２３１側に２つの共振コンデンサが設けられていてもよい。この場合、当該２つの共振コンデンサは、二次コイル２３１の両端において、二次コイル２３１に直列接続される。

図５は、本発明の第３実施形態に係る無線給電システムの回路図である。同図に示されるように、第３実施形態に係る無線給電システム１Ｃでは、受電コイル２１の一端（本実施形態においては、受電コイル２１とトランス２３の一次コイル２３０との接続点）に接地電位が供給される。

すなわち、無線給電システム１Ｃでは、トランス２３が設けられることにより、受電コイル２１の一端を接地に接続することができる。これにより、給電中に誤って受電コイル２１が他の物体と接触した場合における安全性が向上する。

なお、図４に示されるように、受電装置２０が２つの共振コンデンサ２２０，２２１を備える場合は、受電コイル２１と共振コンデンサ２２１との接続点に接地電位が供給されてもよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

例えば、上述の受電装置２０は、受電コイル２１と共振コンデンサ２２が直列接続された例が示されているが、これらの受電コイルと共振コンデンサは並列接続されていてもよいし、直列接続及び並列接続が組み合わせられていてもよい。このことは、送電装置１０においても同様である。

１Ａ〜１Ｃ…無線給電システム、１０…送電装置、１１…電源回路、１２…送電コイル、１３…共振コンデンサ、２０…受電装置、２１…受電コイル、２２…共振コンデンサ、２３…トランス、２４…整流回路、２５…平滑回路、２６…給電対象、２２０，２２１…共振コンデンサ、２３０…一次コイル、２３１…二次コイル、２４０〜２４３…ダイオード、２５０…コイル、２５１…コンデンサ、２６０…コンデンサ

Claims

送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルと当該受電コイルが受電した電力が供給される給電対象との間に設けられたトランスであって、一次コイルが前記受電コイルに接続され、二次コイルが前記給電対象に接続されたトランスと、を備え、
前記一次コイルの巻き数は、前記二次コイルの巻き数より多い、
受電装置。
前記受電コイルの両端にそれぞれ直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサをさらに備える、
請求項１に記載の受電装置。
前記トランスの前記二次コイルの両端にそれぞれ直列接続された第１コンデンサ及び第２コンデンサをさらに備える、
請求項１に記載の受電装置。
前記受電コイルの一端に接地電位が供給される、
請求項１から３のいずれか一項に記載の受電装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の受電装置と、
前記送電コイル及び当該送電コイルに電源電圧を供給する電源回路を備える送電装置と、を備える、
無線給電システム。