JP2021129444A - 無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構造を招くことなく、機械的な制御が不要で負荷の変動に対して応答性が高く、高周波生成部の動作の安定化が図られる無線給電装置を提供する。【解決手段】無線給電装置１０は、高周波の電力を生成する高周波生成部１３と、送電電極部１５および受電電極部１７を有し、高周波生成部で生成した高周波の電力を、電磁界結合を用いて送電電極部から受電電極部へ非接触で伝達する伝送部１８と、伝送部を通して高周波生成部から受け取った電力で作動する負荷機器２２と、高周波生成部の負荷機器側に設けられ、高周波生成部から出力される電流Ｉ１および電圧Ｖ１と、負荷機器で消費される電流Ｉ２および電圧Ｖ２との間で電流と電圧とを変換する変換回路部１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電装置に関する。

従来、非接触で電力を供給する無線給電装置が公知である。このような無線給電装置として、例えば電磁界結合を用いるものがある。電磁界結合を用いる無線給電の場合、用いられる周波数は、数ＭＨｚから十数ＭＨｚという高周波である。そのため、高周波を生成する高周波生成部としては、スイッチングロスの低減を図る目的で共振条件を一定としたＥ級インバータなどが用いられる。この場合、高周波生成部の共振条件は、電力の供給を受ける負荷を一定とし、電流を一定とすることが一般的である。このような高周波生成部は、出力インピーダンスが一定、つまり電流が一定となるように動作する。そのため、高周波生成部は、電力の供給を受ける負荷機器における負荷が変動し、インピーダンスが不整合となると正常に作動しないという問題がある。

そこで、高周波生成部としてＥ級インバータを用いる場合、負荷機器における負荷を一定にするためにバッテリなどの蓄電部が設けられるとともに、整合回路など整合を図るための回路が必要となる。また、特許文献１は、送電側の回路に容量が可変となるＬＣ回路を設けている。この特許文献１は、負荷の変動にあわせてＬＣ回路の容量を変更することにより、送電側と受電側との整合を図っている。

しかしながら、特許文献１の場合、容量を変更するための素子として一般にバリコンと称される可変コンデンサが用いられている。この可変コンデンサは、容量が機械的に変更される。そのため、特許文献１の場合、負荷機器における負荷の変動にあわせて、迅速な容量の変化により整合を図ることが困難である。また、特許文献１の場合、負荷機器における負荷の変動にあわせて可変コンデンサを制御する必要があり、構造が複雑化するという問題がある。

特開２０１３−８５３５０号公報

そこで、複雑な構造を招くことなく、機械的な制御が不要で負荷の変動に対して応答性が高く、高周波生成部の動作の安定化が図られる無線給電装置を提供することを目的とする。

本実施形態では、高周波生成部の出力側、つまり高周波生成部の負荷機器側に、変換回路部を備えている。変換回路部は、電圧と電流とを変換する。具体的には、変換回路部は、高周波生成部から出力される電流Ｉ１および電圧と、負荷機器で消費される電流Ｉ２および電圧Ｖ２との間で電流と電圧とを変換する。これにより、変換回路部は、負荷機器における負荷の変動にともなって、電流Ｉ２が変化しても、この電流Ｉ２の変化を、高周波生成部が出力する電圧の変化に変換する。その結果、高周波生成部が出力する電流Ｉ１は、一定に維持される。このように、本実施形態では、変換回路部を追加することにより、高周波生成部が出力する電流Ｉ１は一定に維持される。また、本実施形態では、電気的な回路によって高周波生成部が出力する電流Ｉ１が一定に維持されるため、機械的な制御が不要となり、負荷の変動に対する応答性は向上する。したがって、電気的な回路の追加という簡単な構成で負荷の変動に対する応答性を高めることができるとともに、高周波生成部の動作の安定化を図ることができる。

一実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置において、計測点Ｐにおける負荷の変動に対する電圧および電流の変化を示す概略図 一実施形態による無線給電装置において、計測点Ｑにおける負荷の変動に対する電圧および電流の変化を示す概略図 無線給電装置の変換回路部の他の実施形態を示す概略図 無線給電装置の変換回路部の他の実施形態を示す概略図

以下、無線給電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、一実施形態による無線給電装置１０を示している。無線給電装置１０は、送電側ユニット１１および受電側ユニット１２を備えている。送電側ユニット１１は、高周波生成部１３、変換回路部１４および送電電極部１５を有している。高周波生成部１３は、Ｅ級インバータを有しており、電源１６から供給される電力を用いてＭＨｚ帯の高周波を生成する。高周波生成部１３で生成した高周波は、送電電極部１５へ供給される。送電電極部１５は、例えば金属板などで構成され、高周波生成部１３で生成した高周波を出力する。

無線給電装置１０は、受電電極部１７を備えている。受電電極部１７は、受電側ユニット１２に設けられている。受電電極部１７は、送電電極部１５から出力された高周波の電力を電磁界結合によって非接触で受け取る。受電電極部１７は、例えば金属板などで構成され、送電電極部１５と対向して設けられている。送電電極部１５と受電電極部１７との間は、誘電体となる空気が存在する。このように、送電電極部１５と受電電極部１７とは、誘電体となる空気を挟んで所定の間隔で対向している。これら送電側ユニット１１の送電電極部１５と受電側ユニット１２の受電電極部１７とは、伝送部１８を構成している。

無線給電装置１０は、上記に加え、整流回路部２１および負荷機器２２を備えている。整流回路部２１は、受電側ユニット１２に設けられ、受電電極部１７で受け取った高周波を整流する。負荷機器２２は、受電側ユニット１２に設けられている。負荷機器２２は、例えばモータなどの電力を消費する機器である。負荷機器２２は、伝送部１８を通して送電側ユニット１１から受電側ユニット１２へ伝送された電力を消費する。

次に、変換回路部１４について説明する。
変換回路部１４は、高周波生成部１３の出力側つまり負荷機器２２側に設けられている。本実施形態の場合、変換回路部１４は、高周波生成部１３と送電電極部１５との間に設けられている。本実施形態の場合、変換回路部１４は、Π型のフィルタ回路であり、コイル３１、コンデンサ３２およびコンデンサ３３を有している。変換回路部１４は、高周波生成部１３から負荷機器２２へ供給される電力について、電流と電圧との関係を変換する。高周波生成部１３が出力する高周波は、電圧Ｖ１および電流Ｉ１である。また、負荷機器２２が消費する電力は、電圧Ｖ２および電流Ｉ２である。変換回路部１４は、この高周波生成部１３が生成する高周波の電圧Ｖ１および電流Ｉ１と、負荷機器２２が消費する電力の電圧Ｖ２および電流Ｉ２とを変換する。高周波生成部１３の出力抵抗Ｚ１（Ω）は、Ｚ１＝Ｖ１／Ｖ１として算出される。また、負荷機器２２の負荷Ｚ２（Ω）は、Ｚ２＝Ｖ２／Ｉ２として算出される。

このように高周波生成部１３の出力側に変換回路部１４を設けることにより、負荷機器２２の負荷Ｚ２が変動しても、高周波生成部１３が生成する高周波の電流Ｉ１は一定に維持される。具体的には、負荷機器２２の負荷Ｚ２の変動が生じると、電圧Ｖ２が一定のまま電流Ｉ２が変化する。変換回路部１４は、この負荷機器２２における電圧Ｖ２および電流Ｉ２の関係を、高周波生成部１３側における電圧Ｖ１および電流Ｉ２の関係に変換する。つまり、変換回路部１４は、負荷機器２２側の負荷Ｚ２の変動にともなって電流Ｉ２が変化すると、高周波生成部１３側における電圧Ｖ１の変化に変換し、電流Ｉ１を一定に維持する。

負荷機器２２を含む受電側ユニット１２では、負荷機器２２の負荷Ｚ２が変動すると、負荷機器２２の負荷Ｚ２との整合が一定に維持された電圧Ｖ２のもとにおいて電流Ｉ２が変化する。そのため、受電側ユニット１２は、整合のための制御が不要である。また、変換回路部１４を設けることにより、高周波生成部１３を含む送電側ユニット１１では、負荷機器２２の負荷Ｚ２が変動すると、変換回路部１４によって電流Ｉ１が一定に維持される。そのため、送電側ユニット１１は、負荷機器２２の負荷Ｚ２の変動にともなう高周波生成部１３の整合が不要となる。その結果、高周波生成部１３は、安定した動作が確保される。

変換回路部１４の特性インピーダンスＺ０は、高周波生成部１３から出力される高周波の周波数をω、変換回路部１４におけるコイル３１のインダクタンスをＬとし、コンデンサ３２およびコンデンサ３３の容量をＣとすると、以下の式（１）で算出される。
Ｚ０＝ωＬ＝１／ωＣ 式（１）
電流Ｉと電圧Ｖとの変換の条件式は、下記によって示される。

また、インピーダンスの関係式は、以下の式（２）で示される。
Ｚ１＝Ｖ１／Ｉ１＝（Ｚ０×Ｉ２）／（Ｖ２／Ｚ０）
Ｚ１＝Ｚ０^２／Ｚ２ 式（２）
これら式（１）および式（２）から、コイル３１のインダクタンスＬ、ならびにコンデンサ３２およびコンデンサ３３の容量Ｃは、次のように算出される。

Π型の変換回路部１４の場合、上記のようにコイル３１のインダクタンスＬ、ならびにコンデンサ３２およびコンデンサ３３の容量Ｃが特定される。

このような変換回路部１４の作用について説明する。
図１に示すような無線給電装置１０において、高周波生成部１３と変換回路部１４との間の計測点はＰとし、変換回路部１４と負荷機器２２との間の計測点はＱとする。この計測点Ｐにおける電圧Ｖ１および電流Ｉ１の関係は図２に示す。また、計測点Ｑにおける電圧Ｖ２および電流Ｉ２の関係は図３に示す。これら図２および図３から明らかなように、計測点Ｑでは、負荷Ｚ２が変動すると、電圧Ｖ２が維持されたまま電流Ｉ２が変化する。一方、変換回路部１４を設けることによって、電圧と電流との関係が変換され、計測点Ｐでは負荷Ｚ２が変動すると、電流Ｉ１が維持されたまま電圧Ｖ１が変化する。そのため、高周波生成部１３は、出力側において電流Ｉ１が一定に維持されることから、整合が不要となり、安定した動作が確保される。

以上説明したように、本実施形態では、高周波生成部１３の出力側、つまり高周波生成部１３の負荷機器２２側に、変換回路部１４を備えている。変換回路部１４は、電圧と電流との関係を変換する。これにより、変換回路部１４は、負荷機器２２における負荷Ｚ２の変動にともなって、負荷機器２２における電流Ｉ２が変化しても、この電流Ｉ２の変化を、高周波生成部１３が出力する電圧Ｖ１の変化に変換する。その結果、高周波生成部１３が出力する電流Ｉ１は、一定に維持される。このように、本実施形態では、変換回路部１４を追加することにより、高周波生成部１３が出力する電流Ｉ１は一定に維持される。また、本実施形態では、電気的な回路によって高周波生成部１３が出力する電流Ｉ１が一定に維持されるため、機械的な制御が不要となり、負荷機器２２の変動に対する応答性は向上する。したがって、電気的な回路の追加という簡単な構成で負荷機器２２の変動に対する応答性を高めることができるとともに、高周波生成部１３の動作の安定化を図ることができる。

（その他の実施形態）
上述した無線給電装置１０の実施形態では、変換回路部１４としてΠ型の回路を用いる例について説明した。しかし、変換回路部１４は、Π型に限らず、図４に示すような回路を用いてもよい。また、変換回路部１４は、図５に示すように差動型の回路を用いてもよい。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

本開示に記載の制御部およびその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部およびその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部およびその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

図面中、１０は無線給電装置、１３は高周波生成部、１４は変換回路部、１５は送電電極部、１７は受電電極部、１８は伝送部、２２は負荷機器を示す。

Claims (1)

1. 高周波の電力を生成する高周波生成部（１３）と、
   送電電極部（１５）および受電電極部（１７）を有し、前記高周波生成部（１３）で生成した高周波の電力を、電磁界結合を用いて前記送電電極部（１５）から前記受電電極部（１７）へ非接触で伝達する伝送部（１８）と、
   前記伝送部（１８）を通して前記高周波生成部（１３）から受け取った電力で作動する負荷機器（２２）と、
   前記高周波生成部（１３）の前記負荷機器（２２）側に設けられ、前記高周波生成部（１３）から出力される電流Ｉ１および電圧Ｖ１と、前記負荷機器（２２）で消費される電流Ｉ２および電圧Ｖ２と、の間で電流と電圧とを変換する変換回路部（１４）と、を備え、
   前記変換回路部（１４）は、前記負荷機器（２２）における負荷の変動にともなって、一定の前記電圧Ｖ２において変化する前記電流Ｉ２を、前記高周波生成部（１３）における前記電圧Ｖ１の変化に変換することで前記電流Ｉ１を一定に維持する無線給電装置。

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