JP2021078342A - キャパシティブ結合方式のカプラー構造及びこれを含む無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】新規なキャパシティブ結合方式のカプラー構造を提供すること。
【解決手段】キャパシティブ結合方式のカプラー構造は第１及び第２金属板を含む電力送信部及び、第３及び第４金属板を含む電力受信部を含み、第１金属板は第３金属板と第１キャパシターとを形成し、第２金属板は第４金属板と第２キャパシターとを形成し、第１ないし第４金属板が垂直に中央整列され容量性結合（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を成すことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、キャパシティブ結合方式のカプラー構造及びこれを含む無線電力伝送システムに関するものであって、更に詳細には、寄生キャパシタンスを減少させて一定した効率を維持することができるキャパシティブ結合方式のカプラー構造及びこれを含む無線電力伝送システムに関するものである。参考に、本発明は本発明者の論文（ＳｅｐａｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｌａｒ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｃｒｏｓｓ-ＣｏｕｐｌｉｎｇＣａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｉｎ Ｄｒｏｎｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）に開示されている。

近年、無線充電技術は電気自動車、モバイルアプリケーション及び無人機のような多様なアプリケーションのための便利な充電ソルーションとして注目を浴びている。無線電力伝送システムは充電器と装置との間の電気的接触を除去して防水及び防振を通じて耐久性を向上させ、バッテリを小型化するか、除去することで、アプリケーションの重さを減らすことができる。このような無線電力伝送システムの長所から無人機に無線充電システムを適用する研究が活発に行われている。

従来、インダクティブ結合方式を適用した無線充電システムが活発に研究されていた。但し、このようなインダクティブ結合方式ではリッツ線（Ｌｉｔｚ−ｗｉｒｅ）とフェライトコアの使用による高いコストが発生し、金属物体の周辺での渦電流損失によりシステムの温度が増加され得る。

かかる問題を解決するために、磁場でない電場で電力を伝達するキャパシティブ結合方式の無線電力伝送システムが用いられることもある。但し、既存のキャパシティブ結合方式のカプラー構造では金属板が平行に置かれて回転不整合が起こす場合、相互キャパシタンスが減少して電力をうまく伝達できない問題があった。

よって、回転不整合に堅固なキャパシティブ結合方式のカプラー構造に対するニーズが増大されている。

本発明の目的は、無線充電システムの回転不整合の問題を解決し、寄生キャパシタンスを減少させ、カップリングキャパシタンスを増加させることができるキャパシティブ結合方式のカプラー及びこれを含む無線電力伝送システムを提供することにある。

一実施例によると、無線充電システムの回転不整合の問題を解決することができ、寄生キャパシタンスが減少されることでカップリングキャパシタンス及びシステムの効率が増加することができる。

図１は、本発明の一実施例による無線電力伝送システムの動作方法を簡略に説明するための概念図である。 図２は、キャパシティブカプラー構造を有する無線電力伝送システムの構成を簡略に示す回路図である。 図３は、キャパシティブカプラー構造を有する無線電力伝送システムのプレート間のカップリングキャパシタンスを説明するための回路図である。 図４は、図３に示された回路図の等価回路を示す図面である。 図５は、従来の平行板カプラー構造を説明するための図面である。 図６は、本発明の一実施例によるカプラーのメインキャパシタンス及び寄生キャパシタンスを説明するための図面である。 図７のＡ及びＢは、本発明の一実施例による分離された円形キャパシティブカプラー構造を示す図面である。 図８は、本発明の一実施例によるキャパシティブカプラー構造が適用されたドローン充電ステーションを示す図面である。 図９は、本発明の一実施例によるドローン及び充電ステーションの実物を示す図面である。 図１０は、本発明の一実施例によるキャパシティブカプラーのカップリングキャパシタンスを説明するための図面である。 図１１は、本発明の一実施例による円形キャパシティブカプラーのＬＣ補償回路を示す図面である。 図１２は、本発明の一実施例によるカプラー構造と既存の平行板構造との回転不整合による相互キャパシタンスを比較したグラフである。

図１は、既存のキャパシティブ方式の電力伝送システム（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＰｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）を示す図面である。４つのメタルプレート１１〜１４は電力を伝送するキャパシターを形成する。このうち、第１メタルプレート１１及び第２メタルプレート１２は電力を伝送するトランスミッターとして動作し、第３メタルプレート１３及び第４メタルプレート１４は電力を受信するレシーバーとして動作する。

図１に示すように、４つのメタルプレート１１〜１４間には電場（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）が形成される。また、４つのメタルプレート（１１〜１４）間にはエネルギー平衡が起こって共振現象が発生するようになる。このように形成された電場によって各プレート１１〜１４間にはキャパシティブカップリング効果が発生するようになる。このようなキャパシティブカップリング効果により電力伝達が可能である。

ここで、メタルプレート１１〜１４はアルミニウムプレートなどが用いられることもあるが、これに限定されるものではない。

しかし、図１のような従来のキャパシティブ方式のカプラー構造では上述の如く、これらのメタルプレート１１〜１４が互いに平行に置かれているため回転不整合が起きる場合には相互キャパシタンスが減少して電力を伝達できない問題がある。

図２は、キャパシティブカプラー構造を有する無線電力伝送システムの構成を簡略に示す回路図である。

電場を用いたキャパシティブカップリング無線電力伝送方式を図２に示す回路図に基づいて検討する。ＤＣ電圧はインバーター（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）２０により交流電力に変換された後、共鳴のための補償回路（Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）３０−１でインピーダンスマッチングを経た後、メインカップリングキャパシター（Ｍａｉｎ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）４０の１次側に伝達される。１次側に伝達されたエネルギーは電場の形態としてメインカップリングキャパシター４０の２次側に伝達され、伝達されたエネルギーは再び補償回路（Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）３０−２でインピーダンスマッチングを経た後、整流器（Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）５０に伝達される。整流器５０に伝達されたエネルギーは電気機器（ｌｏａｄ）の充電のための電力エネルギーとして用いられる。

ここで、メインカップリングキャパシター４０により電力伝送ループが形成されるが、このとき、１次側のプレートはトランスメッターとして、２次側のプレートはレシーバーとして動作させる。

図３はキャパシティブカプラー構造を有する無線電力伝送システムのプレート間のカップリングキャパシタンスを説明するための回路図である。

図３に示すように、２つのプレートとの間（１及びＰ３との間、Ｐ２及びＰ４との間）にはカップリングキャパシタンスが生成する。このようなカップリングキャパシタンスを含み、２つの各プレートとの間には総６つのカップリングキャパシタンスが形成される。

このうち、カップリングキャパシタンスＣ_１３及びＣ_２４は電力伝送ループを形成するメインカップリングキャパシタンスとして、第１及び第３メタルプレート（Ｐ１及びＰ３）、第２及び第４メタルプレート（Ｐ２及びＰ４）によりそれぞれ生成され得る。

カップリングキャパシタンスＣ_１２及びＣ_３４はそれぞれ同側（１次側及び２次側）メタルプレート同士形成されるカップリングキャパシタンスであり、Ｃ_１４及びＣ_２３はそれぞれ第１及び第４メタルプレート（Ｐ１及びＰ４）間のエッジ効果（ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）及び第２及び第３メタルプレート（Ｐ３及びＰ４）により生成される寄生カップリングキャパシタンスを意味する。

図４は、図３に示す回路図の等価回路を示す図面である。

一方、カプラー構造を有する無線電力伝送システムの相互キャパシタンスＣ_Ｍはメインカップリングキャパシタンス及び寄生カップリングキャパシタンスによって表現することができ、その式は以下の通りである。

上述した相互キャパシタンスＣ_Ｍは無線電力伝送システムの効率と比例するため、無線電力伝送システムの効率を高めるために相互キャパシタンスが非常に重要な因子となる。

具体的に、ＬＣ補償回路３０−１、３０−２を用いた無線電力伝送システムのシステム効率η_{ＬＣ，ｍａχ}及び結合係数Ｋ_Ｃはそれぞれ以下のように表現される。

ここで、Ｃ_Ｓ及びＣ_Ｌは無線電力伝送システムの等価回路での入力側及び出力側補償キャパシターを意味する。

システム効率η_{ＬＣ，ｍａχ}は結合係数Ｋ_Ｃと良好度Ｑ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）により決定されるものの、メタルプレートの面積が同一であるためメインキャパシタンスが変わらなければ良好度Ｑは一定し、システム効率は相互キャパシタンスに比例するようになる。

よって、ＬＣ補償回路で相互キャパシタンスが大きいほどシステム効率が増加することが分かる。

図５は、本発明の一実施例によるカプラーのメインキャパシタンス及び寄生キャパシタンスを説明するための図面である。

図５に示すように、従来、平行板カプラー構造は回転不整合の条件で送信部（Ｐ１及びＰ２）と受信部金属板（Ｐ３及びＰ４）との重ね合わされる面積が減少されることによりメインキャパシタンスの減少を招き、これにより相互キャパシタンスも減少された。相互キャパシタンスの減少はシステムの効率減少を招いたため、回転不整合の条件で一定した相互キャパシタンスを維持するカプラー構造が必要だった。

従来にかかる問題を解決するために、図６に示すように同側のメタルプレート間の距離を増加させて寄生キャパシタンスＣ_１４及びＣ_２３を減少させるか、メインカップリングキャパシタンスを生成するメタルプレート間の距離を増加させてメインキャパシタンスＣ_１３及びＣ_２４を増加させる方法で相互キャパシタンスを増加させた。

ところが、かかる方法はカプラーによって占められる空間の増加を招く問題があったため、与えられた狭小な空間内で寄生キャパシタンスを減少させることができる方法が要求された。

図７は、本発明の一実施例による分離された円形キャパシティブカプラー構造を示す図面である。

図７のＡを参照すると、第１メタルプレートＰ_１が第３メタルプレートＰ_３と第１キャパシターを形成し、第２メタルプレートＰ_２が第４メタルプレートＰ_４と第２キャパシターを形成する。このとき、第１メタルプレートＰ_１ないし第４メタルプレートＰ_４それぞれの重心は同一の垂直線上に配置されるようになるものの、これにより、このとき、第１メタルプレートＰ_１ないし第４メタルプレートＰ_４は互いに容量性結合（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を成すことになる。

このとき、Ｐ_１及びＰ_３はその間に置かれた平面を基に対称なリング（ｒｉｎｇ）状となり得る。また、Ｐ_２及びＰ_４はその間に置かれた平面を基に対称な円板状となり得る。前に検討したように、第１メタルプレートＰ_１ないし第４メタルプレートＰ_４それぞれの重心は同一の垂直線上に配置されるため、回転不整合の条件下でも相互キャパシタンスは一定に維持され得る。

このとき、Ｐ_１及びＰ_３が成すリングの内径はＰ_２及びＰ_４の直径より大きく設計され得る。例えば、Ｐ_１及びＰ_３が成すリングの内径は３３２ｍｍ、外径は３６０ｍｍに設計され得て、Ｐ_２及びＰ_４の円板の直径は１４０ｍｍに設計され得る。

また、図７のＢに示すように、Ｐ_１及びＰ_３の間隔、Ｐ_２及びＰ_４の間隔は１５ｍｍに設計され得て、Ｐ_２及びＰ_３の間隔は４００ｍｍに設計され得る。このとき、各輪及び円板の高さは１ｍｍに設計され得る。

図８は、本発明の一実施例によるキャパシティブカプラー構造が適用されたドローン充電ステーションを示す図面である。

図８は、図７に示すカプラー構造をドローン（ｄｒｏｎｅ）の充電システム１０００に適用させた構造を示すものであるものの、送信部のメタルプレートＰ_１及びＰ_２は充電ステーション１００に内装されており、受信部のメタルプレートはＰ_３及びＰ_４はドローン２００に設置され得る。ドローン充電システム１００の構造を用いて、メタルプレートＰ_１及びＰ_４、Ｐ_２及びＰ_３との間のエッジ効果により発生する寄生キャパシタンスＣ_１４とＣ_２３を減少させ相互キャパシタンスＣ_Ｍが増加し得る。図９は、本発明の分離された円形キャパシティブカプラー構造が適用されたドローン充電システム１０００の実物を示したものである。

図１０は、本発明の一実施例によるキャパシティブカプラーのカップリングキャパシタンスを説明するための図面である。

本発明のカプラー構造を簡略に示すと図９と同様であるが、充電ステーション１００の構造はメタルプレート間の距離を増加させることで、寄生キャパシタンスＣ_１４、Ｃ_２３を減少させ得て、これによって相互キャパシタンスが増加され得る（図９の式を参照）。

図１０によるカプラー構造が適用された円形キャパシティブカプラーのＬＣ補償回路は図１１に示すとおりである。

よって、提案の本発明のキャパシティブカプラー構造は相互キャパシタンスを増加させることで、システムの効率を増加させることができる。

図１２は、本発明の一実施例によるカプラー構造と既存の平行板構造の回転不整合による相互キャパシタンスを比較したグラフである。

具体的に、図１２は、シミュレーションを通じて、既存の平行板カプラー構造と、本発明の分離された円形キャパシティブ結合カプラー構造で回転不整合が発生したとき、回転不整合による相互キャパシタンスの変化を比較した結果を示すものである。

同一の面積で比較したとき、回転不整合の条件で既存の平行板構造は相互キャパシタンスが大きく減少する一方、本発明のカプラー構造は送信部と受信部メタルプレートが回転不整合が発生しても相互キャパシタンスが一定に維持されることが確認できる。

シミュレーション結果によると、既存の平行板構造では相互キャパシタンスが最大２１．１ｐＦで９０度回転不整合の条件で０．０００５ｐＦに減少した反面に、本発明の分離された円形キャパシティブ結合カプラー構造の場合、回転不整合の条件で２４．３ｐＦで一定した相互キャパシタンスを維持することが確認できる。

以上のような本発明の多様な実施例によると、無線充電システムの回転不整合の問題を解決し、寄生キャパシタンスを減少させてカップリングキャパシタンス及びシステム効率を増加させることができる。

一方、以上では本発明の好ましい実施例について示して説明したが、本発明は上述した特定の実施例に限定されるのではなく、特許請求範囲で請求する本発明の要旨を離脱することなく当該発明が属する技術分野で通常の知識を持ったものにより多様な変形実施が可能であるということはいうまでもなく、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。

１０００：無線電力伝送システム
１００：充電ステーション
２００：ドローン
１０：電源
２０：インバーター
３０−１，３０−２：補償回路
４０：メインカップリングキャパシター
５０：整流器
６０：電気機器

Claims (6)

1. 第１金属板及び第２金属板を含む電力送信部；及び
   第３金属板及び第４金属板を含む電力受信部；を含み、
   前記第１金属板は前記第３金属板と第１キャパシターを形成し、前記第２金属板は前記第４金属板と第２キャパシターを形成し、
   前記第１金属板ないし第４金属板それぞれの重心は同一の垂直線上に配置され、前記第１金属板ないし第４金属板は互いに容量性結合（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を成す
   キャパシティブ結合方式のカプラー構造。
2. 前記第１金属板と前記第３金属板はその間に置かれた平面を基に対称なリング状であり、
   前記第２金属板と前記第４金属板とはその間に置かれた平面を基に対称な円板状である
   ことを特徴とする請求項１に記載のキャパシティブ結合方式のカプラー構造。
3. 前記第１金属板と前記第３金属板それぞれが成す前記リングの内径は前記第２金属板と前記第４金属板それぞれが成す前記円板の直径より長い
   ことを特徴とする請求項２に記載のキャパシティブ結合方式のカプラー構造。
4. 電源；
   インバーター；
   補償回路；
   キャパシティブ結合方式のカプラー；
   整流器；及び
   抵抗を含み、
   前記キャパシティブ結合方式のカプラーは、
   第１金属板及び第２金属板を含む電力送信部；及び
   第３金属板及び第４金属板を含む電力受信部；を含み、
   前記第１金属板は前記第３金属板と第１容量性とを形成し、前記第２金属板は前記第４金属板と第２キャパシターとを形成し、
   前記第１金属板ないし第４金属板それぞれの重心は同一の垂直線上に配置され、前記第１金属板ないし第４金属板は互いに容量性結合（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を成す
   無線電力伝送システム。
5. 前記第１金属板と前記第３金属板とはその間に置かれた平面を基に対称なリング状であり、
   前記第２金属板と前記第４金属板とはその間に置かれた平面を基に対称な円板状である
   ことを特徴とする請求項４に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記第１金属板と前記第３金属板それぞれが成す前記リングの内径は前記第２金属板と前記第４金属板それぞれが成す前記円板の直径より長い
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線電力伝送システム。

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