JP2023037306A - Coupling resonance wireless power transmission system, and transmission characteristic adjustment method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、結合共振型無線電力伝送システム、及び結合共振型無線電力伝送システムにおける伝送特性の調整方法に関する。 The present disclosure relates to a coupled resonance wireless power transmission system and a method of adjusting transmission characteristics in the coupled resonance wireless power transmission system.
非接触で給電を行う方法として、2つのコイル間の電磁誘導を用いる方法は古くから知られている。一般に、結合を強めるために磁性体を用いるものはトランスとして使われている。 A method using electromagnetic induction between two coils has long been known as a method of supplying power without contact. In general, a transformer that uses a magnetic material to strengthen coupling is used as a transformer.
近年、図1に示すように、送電装置及び受電装置それぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、2つの共振器を電磁的に共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システム(以下、「無線電力伝送システム」と略称する)が注目されている(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1によると、この種の無線電力伝送システムでは、直径50cmで数周のコイルを用いて、1m程度の距離を10MHz程度の正弦波信号を効率よく送電できるとされている。
In recent years, as shown in FIG. 1, a power transmitting device and a power receiving device are each provided with a resonator having the same resonance frequency, which is configured by combining a coil and a capacitor. BACKGROUND ART A coupled resonance type wireless power transmission system (hereinafter abbreviated as “wireless power transmission system”) that enables power transmission has attracted attention (see, for example, Non-Patent Document 1). According to Non-Patent
尚、図1は、共振器を用いた無線電力伝送システムの概念図である。図1では、無線電力伝送システムの左側に送電装置UA、右側に受電装置UBを描いている。送電装置UAは、コイル1とキャパシタ3とで構成される共振器と、当該共振器に対して交流電力を送出する電源5と、を有する。又、受電装置UBは、コイル2とキャパシタ4とで構成される共振器と、当該共振器から交流電力を取得する負荷6と、を有する。尚、受電装置UBと送電装置UAとは、典型的には、分離した状態で配設され、受電装置UBの共振器と送電装置UAの共振器とは、通常、その位置関係が電力伝送を実施するシーン毎に変動するため、その位置合わせがしばしば課題となっている。
Note that FIG. 1 is a conceptual diagram of a wireless power transmission system using a resonator. In FIG. 1, the power transmitting device UA is drawn on the left side of the wireless power transmission system, and the power receiving device UB is drawn on the right side. The power transmission device UA has a resonator composed of a
ところで、2つの共振器間で電磁的共鳴を用いて非接触給電をする場合、高い伝送効率を得るためには、共振器のQ値(ここでは、共振器を構成するLC回路の内部抵抗から定まるQ値を表す。以下、「無負荷Q」と称する)が高いことと、2つの共振器間の電磁結合の強さを表す結合係数k(以下、「k値」とも称する)が高いことが必要である(例えば、非特許文献2を参照)。 By the way, when wireless power feeding is performed using electromagnetic resonance between two resonators, in order to obtain high transmission efficiency, the Q value of the resonator (here, from the internal resistance of the LC circuit that constitutes the resonator, A fixed Q value, hereinafter referred to as “unloaded Q”) is high, and a coupling coefficient k (hereinafter also referred to as “k value”), which indicates the strength of electromagnetic coupling between two resonators, is high. is required (see, for example, Non-Patent Document 2).
一般に、共振器の無負荷Qを高めるためには、共振器を構成するコイルの寄生抵抗を下げることで実現できる。 In general, the unloaded Q of a resonator can be increased by lowering the parasitic resistance of a coil that constitutes the resonator.
一方、k値は、1を上限値として表され、その値は、2つの共振器間の位置関係に応じて変化する。特に、k値は、2つの共振器のコイル間距離(以下、単に「2つの共振器の距離」とも称する)による影響を受けやすい。k値は、通常、2つの共振器の距離が近いほど大きくなり、このときには、電力伝送時の伝送効率も高効率となる。そして、k値は、2つの共振器間の距離が離れたり、2つの共振器間の相対する向きが変わることでその値は低下してしまう。 On the other hand, the k value is expressed with 1 as the upper limit, and its value varies according to the positional relationship between the two resonators. In particular, the k value is easily affected by the distance between the coils of the two resonators (hereinafter also simply referred to as "the distance between the two resonators"). The k value generally increases as the distance between the two resonators becomes shorter, and at this time, the transmission efficiency during power transmission also becomes higher. The k value decreases as the distance between the two resonators increases or as the orientation of the two resonators changes.
但し、共鳴送電で特徴的なことは、2つの共振器の距離が近づくと電磁的な干渉のために2つの共振器で同一に設定していた共振周波数が高周波数側と低周波数側の2つに分離することである(双峰型の周波数特性と称される)。その結果、伝送効率のピークも分離し、そのほぼ中心にある元の共振周波数での伝送効率が低下してしまうことが知られている(例えば、非特許文献3、非特許文献4を参照)。この現象は、周波数分離と呼ばれ、本来高効率の送電が可能な近距離で顕著である。このとき、送電されない高周波電力は、反射として電源に戻される。低周波回路では、それを再度有効な電力に戻すことは可能であるが、周波数が高い場合には、損失として捨てざるを得ない。
However, what is characteristic of resonance power transmission is that when the distance between the two resonators approaches, due to electromagnetic interference, the resonance frequency, which was previously set to be the same for the two resonators, changes to two frequencies, one on the high frequency side and the other on the low frequency side. (referred to as a bimodal frequency characteristic). As a result, it is known that the peak of the transmission efficiency is also separated, and the transmission efficiency at the original resonance frequency, which is approximately at the center, is reduced (for example, see Non-Patent
従来、周波数分離に伴う伝送効率の低下を克服する手段として、2つの共振器間の位置関係に応じて、これらの共振器又は当該共振器に接続する入出力線路中に配された回路部品のパラメータを変更し、ピーク位置が一定の周波数特性とする手法や、送電する高周波電力の周波数を周波数分離したピークに合わせる手法(周波数トラッキングとも称される)等が試みられている。 Conventionally, as a means of overcoming the reduction in transmission efficiency that accompanies frequency separation, circuit components arranged in the input/output lines connected to these resonators or the resonators concerned have been used in accordance with the positional relationship between the two resonators. Attempts have been made to change the parameters so that the frequency characteristic has a constant peak position, or to adjust the frequency of the high-frequency power to be transmitted to the frequency-separated peak (also referred to as frequency tracking).
しかしながら、前者の手法では、共振器又は当該共振器に接続する入出力線路中に配された回路部品のパラメータを種々に変更する必要があるため、特殊な共振器又は特殊な回路構成を採用する必要があり、コストや汎用性の点で課題がある。又、後者の手法では、送電装置や受電装置において、インピーダンスが一定の回路部品(例えば、高周波電源、負荷の整流回路、又は同軸ケーブル等)が使用されている場合に、送受電に用いる周波数の変化に伴って、伝送効率の低下を招かざるを得ない。加えて、後者の手法は、電波法規上の制約から、現実的ではない。 However, in the former method, it is necessary to change the parameters of the resonator or the circuit components arranged in the input/output line connected to the resonator, so that a special resonator or a special circuit configuration is adopted. However, there are issues in terms of cost and versatility. In the latter method, when a circuit component with a constant impedance (for example, a high-frequency power supply, a rectifier circuit of a load, or a coaxial cable) is used in a power transmitting device or a power receiving device, the frequency used for power transmission and reception is changed. The change inevitably leads to a decrease in transmission efficiency. In addition, the latter method is not realistic due to radio regulation restrictions.
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、2つの共振器間の位置関係が変化し結合係数kが変化した場合であっても、高い伝送効率を維持することが可能な結合共振型無線電力伝送システム、及び結合共振型無線電力伝送システムにおける伝送特性の調整方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above problems, and maintains high transmission efficiency with a simple configuration even when the positional relationship between the two resonators changes and the coupling coefficient k changes. It is an object of the present invention to provide a coupled resonance type wireless power transmission system and a method for adjusting transmission characteristics in the coupled resonance type wireless power transmission system.
前述した課題を解決する主たる本開示は、
電磁的共鳴を用いて、第1共振器から第2共振器に対して非接触での電力伝送を行う結合共振型無線電力伝送システムであって、
前記第1及び第2共振器それぞれの外部Qは、事前に、所定の条件下で、前記電力伝送の伝送特性が最平坦特性(段落[0020]を参照)となるように調整されており、
システム運用時、前記第1共振器と前記第2共振器との間の位置関係が前記所定の条件から変化している場合、制御部により、前記第1及び第2共振器の共振周波数にて中央点整合(段落[0026] [0046]を参照)するように、前記第1及び第2共振器の一方の前記外部Qを固定した状態で他方の前記外部Qを調整した後、前記電力伝送を実行する、
結合共振型無線電力伝送システムである。
The main disclosure that solves the above-mentioned problems is
A coupled resonance type wireless power transmission system that uses electromagnetic resonance to perform contactless power transmission from a first resonator to a second resonator,
The external Q of each of the first and second resonators is adjusted in advance under predetermined conditions so that the transmission characteristics of the power transmission are the flattest characteristics (see paragraph [0020]),
During system operation, if the positional relationship between the first resonator and the second resonator has changed from the predetermined condition, the controller causes the resonance frequencies of the first and second resonators to After adjusting the external Q of one of the first and second resonators while fixing the external Q of the other to achieve center point matching (see paragraphs [0026] [0046]), the power transfer run the
It is a coupled resonance type wireless power transmission system.
又、他の局面では、
電磁的共鳴を用いて、第1共振器から第2共振器に対して非接触での電力伝送を行う結合共振型無線電力伝送システムにおける伝送特性の調整方法であって、
前記第1及び第2共振器それぞれの外部Qを、事前に、所定の条件下で、前記電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整し、
システム運用時、前記第1共振器と前記第2共振器との間の位置関係が前記所定の条件から変化している場合、前記第1及び第2共振器の共振周波数にて中央点整合するように、前記第1及び第2共振器の一方の前記外部Qを固定した状態で他方の前記外部Qを調整する、
調整方法である。
Also, in other aspects,
A method for adjusting transmission characteristics in a coupled resonance type wireless power transmission system that performs contactless power transmission from a first resonator to a second resonator using electromagnetic resonance, comprising:
adjusting the external Q of each of the first and second resonators in advance under predetermined conditions so that the transmission characteristics of the power transmission are the flattest characteristics;
When the positional relationship between the first resonator and the second resonator is changed from the predetermined condition during system operation, center point matching is performed at the resonance frequencies of the first and second resonators. Adjusting the external Q of one of the first and second resonators while fixing the external Q of the other,
adjustment method.
本発明に係る結合共振型無線電力伝送システムによれば、2つの共振器間の位置関係が変化し結合係数kが変化した場合であっても、一方の共振器の外部Qを調整するだけで、電力伝送時の反射を抑制し、高い伝送効率を維持することが可能である。 According to the coupled resonance type wireless power transmission system according to the present invention, even when the positional relationship between the two resonators changes and the coupling coefficient k changes, only by adjusting the external Q of one resonator , it is possible to suppress reflection during power transmission and maintain high transmission efficiency.
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functions are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.
(第1の実施形態)
本開示の一実施形態に係る無線電力伝送システムは、送電装置及び受電装置それぞれに、コイルとキャパシタと組み合わせて構成した同一の共振周波数を有する共振器を設け、2つの共振器を共鳴させることで遠距離送電を可能とする結合共振型無線電力伝送システムである。
(First embodiment)
In a wireless power transmission system according to an embodiment of the present disclosure, each of a power transmitting device and a power receiving device is provided with a resonator configured by combining a coil and a capacitor and having the same resonance frequency, and the two resonators are caused to resonate. This is a coupled resonance type wireless power transmission system that enables long-distance power transmission.
共振回路の共鳴を用いる無線送電は、機能的には電磁エネルギーを、空間を通して伝搬させるバンドパスフィルター(BPF)である。BPFにおいて、共振周波数付近の伝送特性を落とさずに伝送する形態のものは最平坦型フィルタ、またはバターワース型フィルタと呼ばれる。ここでは、中心周波数付近の効率が高い値でほぼ一定な特性を最平坦特性と呼ぶ。 Wireless power transmission using resonant circuit resonance is functionally a bandpass filter (BPF) that propagates electromagnetic energy through space. Among BPFs, a type of BPF that transmits without degrading transmission characteristics near the resonance frequency is called a flattest filter or a Butterworth filter. Here, the characteristic in which the efficiency in the vicinity of the center frequency is high and almost constant is referred to as the flattest characteristic.
最平坦特性は、共振器の固有共振周波数(即ち、中心周波数)f0を挟んである周波数帯域f1からf2までで、伝送効率がほぼ100%となる伝送特性であり、その帯域の外では急速に伝送効率が低下しゼロに近づく。尚、最平坦特性においては、周波数領域f1~f2とk値との関係が、式(1)のようになることが知られている。
この最平坦特性を実現するには共振器の外部Qを1/kにすれば良いことがすでに、マイクロ波のフィルタ理論で知られている(例えば、非特許文献5を参照)。即ち、k値の変化に対応して、外部Qを調整することで、周波数分離の発生を防止することができる。 It is already known in microwave filter theory that the external Q of the resonator should be set to 1/k in order to achieve this flattest characteristic (see, for example, Non-Patent Document 5). That is, frequency separation can be prevented by adjusting the external Q in response to changes in the k value.
外部Qは共振器への入出力線路のインピーダンスで決まる値なので、共振器の外部Qを1/kに設定するには、共振器に対する入出力インピーダンスを適当な値に調整すれば良い。しかし、共振器に対する入出力インピーダンスたる電源や負荷のインピーダンスを任意に変えることは、部品の選択から見直さねばならず容易ではない。また、電子部品の高周波特性と耐電力・耐電圧特性のぎりぎりの条件で使用する電力伝送では、高周波の電源や負荷のインピーダンスを、電気的に変更することも困難である。 Since the external Q is a value determined by the impedance of the input/output line to the resonator, in order to set the external Q of the resonator to 1/k, the input/output impedance to the resonator should be adjusted to an appropriate value. However, it is not easy to arbitrarily change the impedance of the power supply and the load, which are the input/output impedances for the resonator, because the selection of parts must be reconsidered. In addition, it is difficult to electrically change the impedance of the high-frequency power supply and load in power transmission that is used under conditions where the high-frequency characteristics of electronic components and the power/voltage resistance characteristics are marginal.
そこで、本実施形態では、一局面として、電源や負荷のインピーダンスを変更することなく、共振器への給電方法を工夫して外部Qを調整する方法を提案する。コイルとキャパシタを用いた共振器には、共振回路の相違により直列共振器と並列共振器があるが、本実施形態では、いずれの場合においても共振器を構成するキャパシタを分割し、その分割点に給電する手法を採用する(後述する図4A、図4B、図6を参照)。外部Qの調整は、共振周波数を変えないようにしつつ分離されたキャパシタの容量を変えることで実現できる。 Therefore, this embodiment proposes, as one aspect, a method of adjusting the external Q by devising a method of supplying power to the resonator without changing the impedance of the power supply and the load. Resonators using coils and capacitors include series resonators and parallel resonators depending on the difference in resonance circuit. (see FIGS. 4A, 4B and 6 below). Adjustment of the external Q can be realized by changing the capacitance of the isolated capacitor while keeping the resonance frequency unchanged.
又、一般的な無線電力伝送システムでは、多くの場合、送電装置又は受電装置の少なくとも一方は、移動体であり、送電側共振器と受電側共振器との間の位置関係(即ち、k値)は、電力伝送の度に異なるものとなる。かかる構成において、電力伝送の度に、毎回、送電装置と受電装置との間で通信を行って、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの共振器パラメータを、調整するのは、装置の複雑化及び制御系の複雑化を招き、好ましくない。特に、送電装置から電力伝送する対象の受電装置は、必ずしも同一ではなく、受電装置の電気的特性は、受電装置の種類や個体差に応じて変化する。このような場合に、実際の電力伝送時に、毎回、送電装置と受電装置との間で通信を行って、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの共振器パラメータを、両者の電気的特性に応じて最適化するのは、制御系の複雑化を招き、好ましくない。 Further, in a general wireless power transmission system, in many cases, at least one of the power transmitting device and the power receiving device is a mobile body, and the positional relationship between the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator (that is, the k value ) will be different for each power transmission. In such a configuration, it is complicated to adjust the resonator parameters of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator by communicating between the power transmitting device and the power receiving device each time power is transmitted. It is not preferable because it leads to complication and control system complication. In particular, the power receiving devices to which power is transmitted from the power transmitting device are not necessarily the same, and the electrical characteristics of the power receiving devices change according to the type and individual differences of the power receiving devices. In such a case, each time the power is actually transmitted, communication is performed between the power transmitting device and the power receiving device, and the resonator parameters of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator are adjusted to the electrical characteristics of both. Optimizing accordingly leads to complication of the control system, which is not preferable.
そこで、本実施形態では、他の局面として、実使用時には、送電側共振器又は受電側共振器の一方の調整のみで、良好な伝送特性を実現し得る外部Qの調整方法を提案する。具体的には、本実施形態に係る無線電力伝送システムでは、事前準備として、予め同一に設定された送電側共振器及び受電側共振器の共振周波数を基準に、送電側共振器から受電側共振器に対して電力伝送する際の伝送特性が最平坦特性となるように、送電側共振器の外部Q及び受電側共振器の外部Qそれぞれを調整しておき、実使用時には、送電側共振器又は受電側共振器のうちの一方の外部Q値のみの調整により、共振周波数での反射がゼロの条件(後述する中央点整合条件)を充足させる手法を採用する(後述する実施例を参照)。 Therefore, this embodiment proposes, as another aspect, a method of adjusting the external Q that can achieve good transmission characteristics by adjusting only one of the power transmitting resonator and the power receiving resonator during actual use. Specifically, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, as a preparation, based on the resonance frequencies of the power transmission side resonator and the power reception side resonator, which are set to be the same in advance, the power transmission side resonator is set to the power reception side resonance frequency. The external Q of the power transmission side resonator and the external Q of the power reception side resonator are adjusted in advance so that the transmission characteristics when power is transmitted to the device become the flattest. Alternatively, by adjusting only the external Q value of one of the resonators on the power receiving side, a method of satisfying the condition of zero reflection at the resonance frequency (center point matching condition described later) is adopted (see Examples described later). .
[無線電力伝送システムの回路構成]
まず、図2A~図4Bを参照して、一般的な無線電力伝送システムの構成について、説明する。
[Circuit Configuration of Wireless Power Transmission System]
First, the configuration of a general wireless power transmission system will be described with reference to FIGS. 2A to 4B.
図2A、図2Bは、一般的な無線電力伝送システムの回路図である。図2Aは、共振器の共振回路として直列共振回路を用いた無線電力伝送システムの回路図、図2Bは、共振器の共振回路として並列共振回路を用いた無線電力伝送システムの回路図である。尚、図2A、図2Bの基本構成は、図1を参照して説明した通りである。尚、以下の各回路図では、左側に送電装置UAの構成を描き、右側に受電装置UBの構成を描いている。 2A and 2B are circuit diagrams of typical wireless power transmission systems. FIG. 2A is a circuit diagram of a wireless power transmission system using a series resonant circuit as a resonant circuit of a resonator, and FIG. 2B is a circuit diagram of a wireless power transmission system using a parallel resonant circuit as a resonant circuit of a resonator. The basic configuration of FIGS. 2A and 2B is as explained with reference to FIG. In each circuit diagram below, the configuration of the power transmission device UA is drawn on the left side, and the configuration of the power reception device UB is drawn on the right side.
図2Aの回路図では、送電装置UAの直列共振器は、コイル1とキャパシタ3により構成され、受電装置UBの直列共振器は、コイル2とキャパシタ4により構成される。又、送電装置UAの抵抗部5は、電源5のインピーダンス(即ち、電源回路の出力インピーダンスを表す(以下、「外部インピーダンス」とも称する)に相当する。又、受電装置UBの抵抗部6は、負荷6のインピーダンス(以下、「外部インピーダンス」とも称する)に相当する。
In the circuit diagram of FIG. 2A , the series resonator of the power transmitting device UA is composed of the
尚、電源5は、例えば、バッテリと、当該バッテリから供給される直流電力を高周波電力に変換する発振器と、により構成されている。又、負荷6は、例えば、高周波電力を整流する整流回路と、整流回路で整流された直流電力を使用して蓄電するバッテリと、により構成されている。
The
図2Bの回路図でも、各回路部品に対して、図2Aの回路図と同様の符号を付している。尚、図2Bの回路図では、コイル1とキャパシタ3とが、送電装置UAの並列共振回路を構成し、コイル2とキャパシタ4とが、受電装置UBの並列共振回路を構成する。
Also in the circuit diagram of FIG. 2B, the same reference numerals as in the circuit diagram of FIG. 2A are attached to each circuit component. In the circuit diagram of FIG. 2B, the
尚、図2A、図2Bの無線電力伝送システムでは、コイル1とコイル2とが互いに対向して配設され、磁気結合するため、図2A、図2Bの回路図では、送電装置UAの共振器と受電装置UBの共振器との電磁結合を2つのコイル間の相互インダクタンスで表現している。
In the wireless power transmission system of FIGS. 2A and 2B, the
ここで、共振器の外部Qについて、図3Aに示す単独の直列共振回路(図2Aの回路図から送電装置UAの構成のみを取り出した回路図)、及び、図3Bに示す単独の並列共振回路(図2Bの回路図から送電装置UAの構成のみを取り出した回路図)を用いて解析する。 Here, for the external Q of the resonator, the single series resonant circuit shown in FIG. 3A (a circuit diagram obtained by extracting only the configuration of the power transmission device UA from the circuit diagram of FIG. 2A) and the single parallel resonant circuit shown in FIG. 3B (A circuit diagram obtained by extracting only the configuration of the power transmission device UA from the circuit diagram of FIG. 2B) is used for analysis.
以下では、説明の便宜として、図3Aの回路を「単一容量直列共振型共振器」、図3Bの回路を「単一容量並列共振型共振器」とも称する。 Hereinafter, for convenience of explanation, the circuit in FIG. 3A is also referred to as a "single-capacitance series-resonant resonator", and the circuit in FIG. 3B is also referred to as a "single-capacitance parallel-resonant resonator".
尚、以下では、LC共振器を形成するコイル1のインダクタンスをL0、キャパシタ3の容量をC0、電源5のインピーダンスをZSとする。又、受電装置UB側について考察する際には、受電装置UB側の各部の回路パラメータは、送電装置UA側の各部の回路パラメータと同様に、コイル2のインダクタンスをL0、キャパシタ4の容量をC0、負荷6のインピーダンスをZSとする。
In the following description, the inductance of the
まず、LC共振器の共振周波数f0は、以下の式(2)で表される。
以降の解析のために共振器の特性インピーダンスZCを以下の式(3)のように定義する。尚、この特性インピーダンスZCは、抵抗[Ω]の次元の値である。
一般に使われる共振器のQ値は、負荷が接続されていない状態でのQ値で無負荷Qと呼ばれる。この無負荷Qは、共振器の特性インピーダンスとコイルの内部抵抗の比である。一方、共振器に信号を入力したり取り出すために接続する電源や負荷のインピーダンスによるQ値は、外部Q(以下、Qeと表す)と称される。 The Q value of a generally used resonator is the Q value when no load is connected, and is called unloaded Q. This unloaded Q is the ratio of the characteristic impedance of the resonator and the internal resistance of the coil. On the other hand, the Q value due to the impedance of the power supply and load connected to input and output signals to and from the resonator is called external Q (hereinafter referred to as Qe).
直列型の場合の外部Qは、以下の式(4)のように表される。尚、ここで、ZSは、電源5又は負荷6のインピーダンスである。
一方、並列型の外部Qは、以下の式(5)のように表される。
従来、最平坦特性を実現する条件は、以下の式(6a)及び式(6b)を同時に充足することであるとされている(例えば、非特許文献5を参照)。尚、ここで、サフィックスTは送電側、Rは受電側を示しており(以下同じ)、式(6a)及び式(6b)は、送電側と受電側それぞれで、結合係数kの変動にあわせて外部Qを調整する必要があることを意味している。以下、この条件を、「最平坦整合」と称する。
これらの共振器を2つ用いることで非接触給電を行うが、その際の結合係数kは2つのコイルの相互インダクタンスLmで表現でき、以下の式(7)のように表される。
ここで、LT、LRは送受電コイルのインダクタンスである。尚、これらの基本的な回路の解析は、非特許文献6に詳しくある。2つの共振器が直列共振型の場合(図3A)、電源5側から見た送電側共振器、受電側共振器及び負荷6全体の入力インピーダンスZinは、コイル1、2の内部抵抗をゼロとおけば、以下の式(8)の値となる。ここでZSRは負荷6のインピーダンスである。
この共振器の組み合わせ回路での反射をゼロにするにはマイクロ波回路でのインピーダンス整合の考えを適用する。それによれば、電源5のインピーダンスZSTをZINに等しくすればよいので、以下の式(9)を充足することが、インピーダンス整合条件を充足することである。
式(9)を、式(3)、式(4)、式(7)を用いて変形すると、以下の式(10)のように表される。尚、ZCRは、受電装置UBの共振器のインピーダンス、ZCTは、送電装置UAの共振器のインピーダンスである。
式(10)の条件は、最平坦型を実現するための条件(即ち、式(6a)及び式(6b))より、緩和された条件となっている。この条件を以下、「中央点整合」と呼ぶことにする。この条件はあくまでも中心周波数f0での反射率をゼロにするための条件(即ち、インピーダンス整合するための条件)で、それ以外の周波数では反射が起こる。つまり、伝送帯域が最平坦型よりは狭くなる。しかしながら電力伝送では情報通信と異なり、単一の周波数で行われるために広い帯域は不要である。 The condition of formula (10) is relaxed from the conditions for realizing the flattest type (that is, formulas (6a) and (6b)). This condition is hereinafter referred to as "central point matching". This condition is strictly a condition for making the reflectance zero at the center frequency f0 (that is, a condition for impedance matching), and reflection occurs at other frequencies. That is, the transmission band becomes narrower than that of the flattest type. However, unlike information communication, power transmission does not require a wide band because it uses a single frequency.
式(10)が示す中央点整合の条件は、結合係数kが変化した場合に、送電側か受電側の片方の外部Qのみを調整すれば良いことを示しており、非接触給電の実用上重要な発見である。式(10)は直列共振器間の伝送であるが、後に示すように、共振器が直列型か並列型か、単一容量か分割容量か、LC共振器かオープンリング共振器か、などにかかわらず成立している。 The center point matching condition expressed by Equation (10) indicates that it is sufficient to adjust only the external Q of either the power transmitting side or the power receiving side when the coupling coefficient k changes. This is an important discovery. Equation (10) is the transmission between series resonators. established regardless.
ここで、外部Qの調整方法について、説明する。 Here, a method for adjusting the external Q will be described.
外部Qの調整は、式(4)及び式(5)に示すように、電源5のインピーダンスZSTや負荷6のインピーダンスZSRを変更することで可能である。しかし、高周波を用いる場合、一般に、信号の反射を防ぐために定インピーダンス(典型的には、50Ω)の線路を用いる必要がある。加えて、電源5や負荷6のインピーダンスの変更は、容易ではなく、この電源5や負荷6のインピーダンスを、k値の変化にあわせた値に設定するのは、実用的観点からは極めて困難である。さらに、特性インピーダンス50Ωで固定とすれば、広く普及している電源等をそのまま用いることができるため、製品コストを削減できるというメリットもある。
The external Q can be adjusted by changing the impedance ZST of the
本実施形態に係る無線電力伝送システムは、かかる問題点を考慮して設計されており、電源5及び/又は負荷6のインピーダンスを一定にしたまま、最平坦特性を実現可能とする。
The wireless power transmission system according to the present embodiment is designed in consideration of such problems, and can achieve the flattest characteristics while keeping the impedance of the
図4Aは、直列共振器を用いた場合の本実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す図であり、図4Bは、並列共振器を用いた場合の本実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す図である。 FIG. 4A is a diagram showing the configuration of the wireless power transmission system according to this embodiment when using series resonators, and FIG. 4B is a diagram showing the configuration of the wireless power transmission system according to this embodiment when using parallel resonators. is a diagram showing the configuration of.
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいて、直列共振回路を用いた場合には(図4Aを参照)、共振器のキャパシタを並列に分割し、一方のキャパシタと直列に電源5や負荷6を置く構成となっている点で、従来技術に係る無線電力伝送システム(図2Aを参照)と相違する。また、並列共振回路を用いた場合には(図4Bを参照)、キャパシタ(キャパシタ3及び4)を直列に分割し、一方のキャパシタに並列に電源5や負荷6を置く構成となっている点で、従来技術に係る無線電力伝送システム(図2Bを参照)と相違する。
In the wireless power transmission system according to the present embodiment, when a series resonance circuit is used (see FIG. 4A), the capacitor of the resonator is divided in parallel, and the
図4Aでは、コイル1から見て並列に配されたキャパシタ3a及びキャパシタ3bが送電装置UAの共振器を構成するキャパシタ3であり、コイル1から見て並列に配されたキャパシタ4a及びキャパシタ4bが受電装置UBの共振器を構成するキャパシタ4である。又、図4Bでは、コイル1から見て直列に配されたキャパシタ3c及びキャパシタ3dが送電装置UAの共振器を構成するキャパシタ3であり、コイル1から見て直列に配されたキャパシタ4c及びキャパシタ4dが受電装置UBの共振器を構成するキャパシタ4である。尚、以下、これらのキャパシタ3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4dを「分割キャパシタ」と称する。
In FIG. 4A, the
尚、ここで、送電装置UAの制御部10Aは、送電装置UA側のキャパシタ3を構成する分割キャパシタ3a、3b(3c、3d)の容量値を調整する際に、キャパシタ3の可動電極を駆動する(図7A、図7Bを参照)コントローラであり、受電装置UBの制御部10Bは、受電装置UB側のキャパシタ4を構成する分割キャパシタ4a、4b(4c、4d)の容量値を調整する際に、キャパシタ4の可動電極を駆動するコントローラである。
Here, the
ここで、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおける外部Qについて、図5Aに示す単独の直列共振回路(図4Aの回路図から送電装置UAの構成のみを取り出した回路図)、図5Bに示す単独の並列共振回路(図4Bの回路図から送電装置UAの構成のみを取り出した回路図)を用いて解析する。 Here, regarding the external Q in the wireless power transmission system according to the present embodiment, the single series resonance circuit shown in FIG. Analysis is performed using a single parallel resonant circuit (a circuit diagram obtained by extracting only the configuration of the power transmission device UA from the circuit diagram of FIG. 4B).
尚、以下では、図5Aに示す共振回路を、「容量分割直列共振回路」と称し、図5Bに示す共振回路を、「容量分割並列共振回路」と称する。 In the following description, the resonant circuit shown in FIG. 5A is referred to as "capacitance division series resonant circuit", and the resonant circuit illustrated in FIG. 5B is referred to as "capacitance division parallel resonant circuit".
まず、図3Aの単一容量直列共振回路の合成インピーダンスZは、コイル1、キャパシタ3、抵抗5の直列接続なので、以下の式(11)で表される。尚、その際の外部Qは上記した式(4)で与えられる。
ここで、図5Aの容量分割の直列共振器において、電源5が接続されていない方の分割キャパシタ3aの容量値をCa、電源5が接続されている側の分割キャパシタ3bの容量値をCb、電源5のインピーダンスをZSとする。そうすると、この回路の全体の合成インピーダンスZは、2πfCaZSが1よりも十分小さいという近似で、以下の式(12)のようになる。
ここで、分割キャパシタ3a、3bの容量値Ca、Cbを、以下の式(13)を充足するように設定すると、共振器の共振周波数を図3Aの場合の値と一致させることができる。
ここで、分割キャパシタ3aの容量値Caと分割キャパシタ3bの容量値Cbとの比率に係るパラメータとして、以下の式(14)の新たなパラメータa値を導入する。尚、a値は式(14)から判るように0と1の間の値である。
このa値を式(12)に代入すると、式(12)は、式(11)のZSがa2ZSに置き換わった式となっていることが分かる。このことから、図5Aの回路の外部Qは、以下の式(15)となることが判る。
次に、並列共振回路の場合を解析する。図3Bの単一容量並列共振回路の合成アドミッタンスYは、コイル1、キャパシタ3、抵抗5の並列接続なので、式(16)のように表される。尚、その際の外部Qは上記した式(5)で与えられる。
ここで、図5Bの容量分割の並列共振器において、電源5が接続されていない方の分割キャパシタ3cの容量値をCc、電源5が接続されている側の分割キャパシタ3dの容量値をCd、電源5のインピーダンスをZSとする。2πfCcZSが1より十分大きいという近似で、この回路の合成アドミッタンスYは、以下の式(17)になる。
ここで、分割キャパシタ3c、3dの容量値Cc、Cdを、以下の式(18)を充足するように設定すると、共振器の共振周波数を元の並列共振器の共振周波数と一致させることができる。
ここで、分割キャパシタ3cの容量値Ccと分割キャパシタ3dの容量値Cdとの比率に係るパラメータとして、以下の式(19)の新たなパラメータb値を導入する。尚、b値は式(19)から判るように1以上の値である。
このb値を式(17)に代入すると、この式は、式(16)のZSがb2ZSに置き換わった式となっていることが分かる。これから、外部Qは、以下の式(20)で与えられることが判る。
以上を纏めると、Qe積が1/k2という中央点整合の条件は、送電側の共振器及び受電側の共振器の両方が直列型の場合、式(15)から、以下の式(21)のように式変換できる。
尚、この式(21)は、式(3)を用いて共振器の特性インピーダンスを共振周波数とインダクタンス値で表すと、更に、以下の式(22)のように式変換できる。
また、同様に、中央点整合の条件は、送電側の共振器及び受電側の共振器の両方が並列型の場合、式(20)から、以下の式(23)のように式変換できる。
図6は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの変形例を示す図であり、図6の無線電力伝送システムでは、送電装置UAの共振器が容量分割直列共振回路で構成され、受電装置UBの共振器が容量分割並列共振回路で構成された構成となっている。 FIG. 6 is a diagram showing a modification of the wireless power transmission system according to this embodiment. In the wireless power transmission system of FIG. The resonator of is composed of a capacitance division parallel resonance circuit.
図6の無線電力伝送システムの場合、中央点整合の条件は、式(15)及び式(20)から、以下の式(24)のように式変換できる。
尚、本実施形態に係る無線電力伝送システムの変形例としては、送電側の共振器を直列型、受電側の共振器を並列型とすることも可能であり、この場合、式(24)のTとRを入れ替えれば良い。 As a modification of the wireless power transmission system according to the present embodiment, it is possible to use a series type resonator for the power transmission side and a parallel type resonator for the power reception side. Just swap T and R.
これらの式(22)、式(23)、式(24)から、中央点整合条件を充足させる際には、送電側共振器又は受電側共振器の一方のキャパシタ(即ち、キャパシタ3又はキャパシタ4)の分割キャパシタの容量比を調整するだけでよいことが分かる。
From these equations (22), (23), and (24), when satisfying the center point matching condition, one of the capacitors of the power transmitting side resonator or the power receiving side resonator (that is,
[共振器のキャパシタの構成]
ここで、本実施形態に係る無線電力伝送システムに適用する共振器のキャパシタ3、4の構成の一例について説明する。
[Configuration of Resonator Capacitor]
Here, an example of the configuration of the
図7Aは、直列共振器を用いた無線電力伝送システム(即ち、図5Aの容量分割直列共振回路)に適用するキャパシタ3、4の構成の一例を示す図である。
FIG. 7A is a diagram showing an example of the configuration of
容量分割直列共振回路に適用するキャパシタ3、4は、図5Aに示したように、コイルから見て並列に2分割され、且つ、2分割されて形成された2つの分割キャパシタのうちの一方の分割キャパシタのみに、送電部としての電源5又は受電部としての負荷6が直列に接続された構成を有する。尚、以下では、説明の便宜として、キャパシタ3(又はキャパシタ4)の2つの分割キャパシタのうち一方を「第1分割キャパシタ」と称し、他方を「第2分割キャパシタ」と称する。
As shown in FIG. 5A, the
そして、このキャパシタ3、4は、式(15)に示したように、共振器の外部Qを調整し得るように、第1分割キャパシタの容量値と第2分割キャパシタの容量値の比を調整することが可能とする3端子可変キャパシタによって構成されている。
These
具体的には、容量分割直列共振回路に適用するキャパシタ3、4は、容量調整が簡易的に行えるように、図7Aに示す可変キャパシタによって構成されている。この可変キャパシタは、電気的に互いに分離され、同じ向きを向くように並んで配設された第1固定電極E1及び第2固定電極E2と、第1固定電極E1及び第2固定電極E2それぞれに対向するように、第1固定電極E1及び第2固定電極E2それぞれとの間の距離を一定に保ちながら、第1固定電極E1と第2固定電極E2とが並ぶ方向に沿って移動可能に配設された可動電極E3と、を有する。そして、第1分割キャパシタは、第1固定電極E1と可動電極E3との間で構成され、第2分割キャパシタは、第2固定電極E2と可動電極E3との間で構成されている。そして、この可変キャパシタは、可動電極E3を移動させたときに、第1固定電極E1と可動電極E3とが対向する面積と第2固定電極E2と可動電極E3とが対向する面積との和が一定となるように構成されている。
Specifically, the
これにより、第1固定電極E1と可動電極E3の重なった部分の面積をS1、第2固定電極E2と可動電極E3の重なった部分の面積をS2として、可動電極E3の移動によってもS1+S2は常に一定であるとすると(例えば、S1+S2=S0とする)、第1分割キャパシタの容量値C1と第2分割キャパシタの容量値C2との並列合成容量C0は、以下の式(25)のように一定となる。
つまり、この可変キャパシタを用いることによって、第1分割キャパシタと第2分割キャパシタとの並列合成容量C0を一定にしたまま、第1分割キャパシタの容量値C1と第2分割キャパシタの容量値C2の比を調整することが可能である。これによって、共振周波数を一定に保ちながら、簡易に、共振器の外部Qを調整することが可能となる。 That is, by using this variable capacitor, the capacitance value C1 of the first dividing capacitor and the capacitance value C of the second dividing capacitor can be obtained while keeping the parallel combined capacitance C0 of the first dividing capacitor and the second dividing capacitor constant. It is possible to adjust the ratio of two . This makes it possible to easily adjust the external Q of the resonator while keeping the resonance frequency constant.
図7Bは、並列共振器を用いた無線電力伝送システム(即ち、図5Bの容量分割並列共振回路)に適用するキャパシタ3、4の構成の一例を示す図である。
FIG. 7B is a diagram showing an example of the configuration of
容量分割並列共振回路に適用するキャパシタ3、4は、図5Bに示したように、コイルから見て直列に2分割され、且つ、2分割されて形成された2つの分割キャパシタのうちの一方の分割キャパシタのみに、送電部としての電源5又は受電部としての負荷6が並列に接続された構成を有する。尚、以下では、説明の便宜として、キャパシタ3、4の2つの分割キャパシタのうち一方を「第3分割キャパシタ」と称し、他方を「第4分割キャパシタ」と称する。
As shown in FIG. 5B, the
そして、このキャパシタ3、4は、式(20)に示したように、共振器に接続される入出力回路の外部Qを調整し得るように、第3分割キャパシタの容量値と第4分割キャパシタの容量値の比を調整することが可能とする3端子可変キャパシタによって構成されている。
These
具体的には、本実施形態に係るキャパシタ3、4は、いずれも、容量調整が簡易的に行えるように、図7Bに示す可変キャパシタによって構成されている。この可変キャパシタは、電気的に互いに分離して対向して配設された第1固定電極E4及び第2固定電極E5と、第1固定電極E4と第2固定電極E5との間で、第1固定電極E4及び第2固定電極E5それぞれと対向する面積を一定に保ちながら、第1固定電極E4と第2固定電極E5とが向き合う方向(図7Bの矢印方向)に沿って移動可能に配設された可動電極E6と、を有する。そして、第3分割キャパシタは、第1固定電極E4と可動電極E6との間で構成され、第4分割キャパシタは、第2固定電極E5と可動電極E6との間で構成されている。そして、この可変キャパシタは、可動電極E6を移動させたときに、第1固定電極E4と可動電極E6との間の距離d3と第2固定電極E5と可動電極E6との間の距離d4の和が一定となるように構成されている。
Specifically, the
第1固定電極E4、第2固定電極E5、及び可動電極E6は、例えば、面積が同じ電極板であり、それぞれの対向面が平行になるように配設されている。ここで、第1固定電極E4、第2固定電極E5、及び可動電極E6の面積をS0、第1固定電極E4と可動電極E6の間の距離をd3、第2固定電極E5と可動電極E6の間の距離をd4とする。又、第1固定電極E4と第2固定電極E5とは位置が固定されており、第1固定電極E4と第2固定電極E5との間の距離は、d0で一定となっているとすると、可動電極E6を移動させてもd3+d4は一定(d3+d4=d0)である。そうすると、第1固定電極E4と可動電極E6からなる第3分割キャパシタの容量値をC3、第2固定電極E5と可動電極E6からなる第4分割キャパシタの容量値をC4とすると、C3とC4を直列につないだ場合の直列合成容量C0は、以下の式(26)のように一定となる。
つまり、この可変キャパシタを用いることによって、第3分割キャパシタと第4分割キャパシタとの直列合成容量を一定にしたまま、第3分割キャパシタの容量値C3と第2分割キャパシタの容量値C4の比を調整することが可能である。これによって、共振周波数を一定に保ちながら、簡易に、共振器の外部Qを調整することが可能となる。 That is, by using this variable capacitor, the capacitance value C3 of the third dividing capacitor and the capacitance value C4 of the second dividing capacitor can be changed while keeping the series combined capacitance of the third dividing capacitor and the fourth dividing capacitor constant. It is possible to adjust the ratio. This makes it possible to easily adjust the external Q of the resonator while keeping the resonance frequency constant.
尚、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、実使用時には、送電側共振器及び受電側共振器のうちの一方の外部Qのみを調整し、中央点整合条件を充足させる。かかる観点から、送電側共振器のキャパシタ3及び受電側共振器のキャパシタ4のうちの、実使用時の調整対象の側のキャパシタのみを図7A又は図7Bの可変キャパシタにより構成し、実使用時の調整対象ではない側のキャパシタについては非可変キャパシタにより構成してもよい。これによって、より一層の装置の簡易化を図ることが可能である。
In the wireless power transmission system according to the present embodiment, during actual use, only the external Q of one of the power transmitting resonator and the power receiving resonator is adjusted to satisfy the center point matching condition. From this point of view, of the
但し、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、事前準備の段階で、最平坦整合条件(即ち、式(6a)、式(6b))を充足するように、送電側共振器及び受電側共振器の両方の外部Qを調整しておく必要がある。そのため、送電側キャパシタ3及び受電側キャパシタ4の両方を、図7A又は図7Bの可変キャパシタにより構成するのが好ましい。
However, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, at the stage of preparation, the power transmitting side resonator and the power receiving side Both external Qs of the resonator must be adjusted. Therefore, it is preferable to configure both the power
他方、上記したように実用的観点からはデメリットは多いものの、送電側共振器及び受電側共振器の一方又は両方を、単一容量直列共振回路又は単一容量並列共振回路によって構成することも可能である。この場合、送電側共振器の外部Qの調整は、電源5のインピーダンスの調整により行い、受電側共振器の外部Qの調整は、負荷6のインピーダンスの調整により行うことができる。
On the other hand, although there are many demerits from a practical point of view as described above, it is also possible to configure one or both of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator with a single-capacitor series resonant circuit or a single-capacitor parallel resonant circuit. is. In this case, the external Q of the power transmitting resonator can be adjusted by adjusting the impedance of the
[無線電力伝送システムにおける電力伝送時の伝送特性の調整方法]
以下に、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおける電力伝送時の伝送特性の調整方法について、シミュレーションによる検証結果とともに説明する。
[Method for adjusting transmission characteristics during power transmission in wireless power transmission system]
A method of adjusting transmission characteristics during power transmission in the wireless power transmission system according to the present embodiment will be described below together with results of verification by simulation.
本実施形態に係る無線電力伝送システムでは、事前準備として、予め、所定の条件下で、同一に設定された送電側共振器及び受電側共振器の共振周波数を基準に、送電側共振器から受電側共振器に対して電力伝送する際の伝送特性が最平坦特性となるように(即ち、式(6a)及び式(6b)を充足するように)、送電側共振器の外部Q及び受電側共振器の外部Qそれぞれを調整しておく。そして、実使用時、送電側共振器と受電側共振器との位置関係(即ち、相対的な位置及び/又は角度)が変わり、その結果結合係数kが所定の条件から変化した場合、送電側共振器及び受電側共振器のうちの一方の外部Qのみを調整することにより、中央点整合条件(即ち、式(22)、式(23)、又は式(24))を充足させ、これにより、反射がゼロの良好な伝送効率にて電力伝送を実施し得るようにする。 In the wireless power transmission system according to the present embodiment, as a preparation, power is received from the power transmission side resonator based on the resonance frequencies of the power transmission side resonator and the power reception side resonator that are set to be the same under predetermined conditions in advance. The external Q of the power transmission side resonator and the power receiving side so that the transmission characteristics when power is transmitted to the side resonator are the flattest characteristics (that is, so that the equations (6a) and (6b) are satisfied) Each external Q of the resonator is adjusted. In actual use, if the positional relationship (that is, the relative position and/or angle) between the power transmitting resonator and the power receiving resonator changes, and as a result the coupling coefficient k changes from a predetermined condition, By adjusting only the external Q of one of the resonator and the receiver resonator, the center point matching condition (i.e., Eq. (22), Eq. (23), or Eq. (24)) is satisfied, whereby , to enable power transmission with good transmission efficiency with zero reflection.
以下では、シミュレーションによる検証結果を交えて、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおける電力伝送時の伝送特性の調整方法の有用性について説明する。 Below, the usefulness of the method for adjusting transmission characteristics during power transmission in the wireless power transmission system according to the present embodiment will be described with verification results obtained by simulation.
具体的には、本シミュレーションでは、まず、結合係数kが0.04の場合に、最平坦整合の条件を充足するように、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Qを調整し、その後、結合係数kを0.04から種々に変化させ、送電側共振器又は受電側共振器のうちの一方のみの外部Qの調整を行って、中央点整合条件を充足させた。尚、本シミュレーションでは、電気自動車のように、受電装置UB側にユーザーが存在する場合を想定して、実使用時には、受電側共振器の外部Qのみの調整を行って、中央点整合条件を充足させる構成となっている。 Specifically, in this simulation, first, when the coupling coefficient k is 0.04, the external Q of each of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator is adjusted so as to satisfy the condition of the flattest matching, After that, the coupling coefficient k was variously changed from 0.04, and the external Q of only one of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator was adjusted to satisfy the center point matching condition. In this simulation, assuming that a user exists on the power receiving device UB side, such as an electric vehicle, in actual use, only the external Q of the power receiving side resonator is adjusted, and the center point matching condition is set. It is configured to satisfy
本シミュレーションでは、上記したように、送電側共振器及び受電側共振器それぞれを、容量分割直列共振回路又は容量分割並列共振回路で構成した。そして、送電側共振器の外部Qの調整は、キャパシタ3を構成する分割キャパシタ3a、3b(又は3c、3d)の容量比の調整により行い、受電側共振器の外部Qの調整は、キャパシタ4を構成する分割キャパシタ4a、4b(又は4c、4d)の容量比の調整により行った。
In this simulation, as described above, each of the power transmission side resonator and the power reception side resonator was configured by a capacitance division series resonance circuit or a capacitance division parallel resonance circuit. The external Q of the power transmitting resonator is adjusted by adjusting the capacitance ratio of the divided
より詳細には、本シミュレーションでは、受電装置UBの共振器がともに分割容量直列型の場合、送電装置UAの共振器と受電装置UBの共振器がともに分割容量並列型の場合、送電装置UAの共振器が分割容量並列型で、受電装置UBの共振器が分割容量直列型の場合、及び、送電装置UAの共振器と受電装置UBの共振器がともに単一容量直列共振型の場合、の4態様を対象として、シミュレーションを行った。尚、送電装置UAの共振器と受電装置UBの共振器がともに単一容量直列共振型の場合についてシミュレーションを行ったのは、分割容量直列型及び分割容量並列型による共振器の外部Qの調整が、通常の外部Qの調整方法と同様に作用し得ることを確認するためである。 More specifically, in this simulation, when both the resonators of the power receiving device UB are of the divided-capacitor series type, when the resonators of the power transmitting device UA and the power receiving device UB are both of the divided-capacitor parallel type, the power transmitting device UA When the resonator of the power receiving device UB is of the divided capacitance parallel type and the resonator of the power receiving device UB is of the divided capacitance series type, and when the resonator of the power transmitting device UA and the resonator of the power receiving device UB are both of the single capacitance series resonance type A simulation was performed for four modes. The simulation for the case where both the resonator of the power transmitting device UA and the resonator of the power receiving device UB are of the single-capacitor series-resonant type was performed by adjusting the external Q of the resonator by the divided-capacitor series-type and the divided-capacitor parallel-type. can work in the same way as the normal external Q adjustment method.
尚、本シミュレーションでは、無線電力伝送システムの各回路パラメータを、電気自動車への適用を念頭に置き、以下のように設定した。送電側共振器のコイル1のインダクタンスを4μH、受電側共振器のコイル2のインダクタンス2を1.2μHとした。又、このコイル1、2の線材には1.2μHのコイルで0.02Ωの内部抵抗があるとしている。ここで、共振周波数を10MHzとすると、式(2)、式(3)から、送電側共振器及び受電側共振器で使用するキャパシタ(ここでは、容量分割する前のキャパシタ3、4)の容量はそれぞれ63.3pF、211pF、共振器の特性インピーダンスはそれぞれ251Ω、75.4Ωと決まる。又、本シミュレーションでは、電源5と負荷6それぞれのインピーダンスを50Ωとした。
In this simulation, each circuit parameter of the wireless power transmission system was set as follows with application to an electric vehicle in mind. The inductance of the
ここで、結合係数kが0.04の場合に、最平坦整合の条件を充足する条件は、式(6a)及び式(6b)に示した通り、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Qが、QeT=1/k(=25)、且つ、QeR=1/k(=25)である。 Here, when the coupling coefficient k is 0.04, the condition for satisfying the flattest matching condition is, as shown in Equations (6a) and (6b), The extrinsic Q is Q eT =1/k (=25) and Q eR =1/k (=25).
電源5又は負荷6のインピータンスの調整により、最平坦整合の条件を充足させるには、単一容量直列型の場合、式(4)から送電側で10.1Ωと受電側で3.02Ω、単一容量並列型の場合、式(5)から送電側で6283Ω、受電側で1885Ωとなる。容量分割を用いない場合(即ち、単一容量直列型又は単一容量並列型)には、電源5及び負荷6のインピータンスは、いずれにしても広く使われる50Ωとはかけ離れた値となっている。このことからも、単一容量直列型共振器及び単一容量並列型共振器を用いて最平坦整合の条件を充足させるには、特殊な回路設計が必要となり、単一容量直列型共振器及び単一容量並列型共振器は、実用的観点からは現実的な構成とは言えないものであることが分かる。
By adjusting the impedance of the
一方、分割容量の調整により、最平坦整合の条件を充足させるには、分割容量直列型の場合には、パラメータaを送電側キャパシタ3で0.448、受電側キャパシタ4で0.25、分割容量並列型の場合には、パラメータbを送電側キャパシタ3で11.2、受電側キャパシタ4で6.14とすればよい。尚、ここで、送電側キャパシタ3と受電側キャパシタ4で値が異なるのは、コイルのインダクタンスを送電側と受電側で異なる値に設定したためである。
On the other hand, in order to satisfy the condition of maximum flatness matching by adjusting the split capacitor, in the case of the split capacitor series type, the parameter a is 0.448 for the power
図8は、無線電力伝送システムにおいて最平坦整合した状態で得られた伝送特性を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing transmission characteristics obtained in the most flat matching state in the wireless power transmission system.
図8中の各グラフは、以下の態様の伝送特性を表す。尚、ここでは、コイル1、2の内部抵抗はゼロと仮定している。
グラフ11:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、電源5又は負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合させた場合の伝送特性
グラフ12:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、送電側キャパシタ3及び受電側キャパシタ4それぞれのa値の調整で、最平坦整合させた場合の伝送特性
グラフ13:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量並列共振回路で構成されている態様であって、送電側キャパシタ3及び受電側キャパシタ4それぞれのb値の調整で、最平坦整合させた場合の伝送特性
グラフ14:送電側共振器が分割容量並列共振回路で構成され、受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、送電側キャパシタ3のa値及び受電側キャパシタ4のb値の調整により、最平坦整合させた場合の伝送特性
Each graph in FIG. 8 represents transmission characteristics of the following aspects. Here, it is assumed that the internal resistances of the
Graph 11: Transmission when the transmitting side resonator and the receiving side resonator are composed of a single-capacity series resonance circuit, and the impedance of the
グラフ11~14を参照すると、いずれの場合も、略同一の最平坦特性が得られていることが分かる。尚、通過帯域幅を電力伝送での使用状態を考慮して伝送効率80%のレベルで定義すると、グラフ11~14の最平坦特性の通過帯域幅は、いずれも、約400kHzである。以下、他のグラフにおいても、伝送効率80%を基準として、伝送特性の通過帯域幅を算出する。
Referring to
次に、送電装置UAと受電装置UBの位置関係が上記条件(即ち、最平坦整合を充足する条件)から変化した状況を想定して、結合係数kの値を0.04から、0.16、0.08、0.05、0.03、0.02、0.01、0.004、及び0.001に変化させ、その状況下で、送電側共振器の外部Qを25(QeT=1/k)に固定しつつ、受電側共振器の外部Qを調整して中央点整合を充足させた場合(QeT*QeR=1/k2)の伝送特性を算出した。 Next, assuming that the positional relationship between the power transmitting device UA and the power receiving device UB has changed from the above condition (that is, the condition that satisfies the flattest matching), the value of the coupling coefficient k is changed from 0.04 to 0.16. , 0.08, 0.05, 0.03, 0.02, 0.01, 0.004, and 0.001, under which conditions the external Q of the transmitting resonator is 25(Q eT = 1/k), and the external Q of the resonator on the power receiving side is adjusted to satisfy the center point matching (Q eT *Q eR = 1/k 2 ).
表1は、受電装置UBの共振器として、分割容量直列型、分割容量並列型、及び単一容量直列共振型それぞれを用いて、中央点整合させた場合の受電装置UBの共振器のパラメータ(即ち、分割容量直列型のa値、分割容量並列型のb値、単一容量直列共振型では負荷6のインピーダンス)を示す。
図9は、無線電力伝送システムにおいて、図8に示した最平坦整合を充足する条件下(k=0.04)からk=0.16に変化したときに、受電側共振器の外部Qを調整して中央点整合させた場合の伝送特性を示す図である。 FIG. 9 shows the external Q of the receiving side resonator when changing from the condition (k=0.04) that satisfies the flattest matching shown in FIG. 8 to k=0.16 in the wireless power transmission system. FIG. 10 is a diagram showing transmission characteristics when adjusted to achieve center point matching;
図9中の各グラフは、以下の態様の伝送特性を表す。
グラフ11a:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.16に変化したときに、電源5及び負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合を行った場合の伝送特性
グラフ12a:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.16に変化したときに、受電側キャパシタ4のa値の調整で、中央点整合を行った場合の伝送特性
グラフ13a:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量並列共振回路で構成されている態様であって、k=0.16に変化したときに、受電側キャパシタ4のb値の調整で、中央点整合を行った場合の伝送特性
グラフ14a:送電側共振器が分割容量並列共振回路で構成され、受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.16に変化したときに、受電側キャパシタ4のb値の調整により、中央点整合を行った場合の伝送特性
Each graph in FIG. 9 represents transmission characteristics of the following aspects.
ここで、送電側共振器と受電側共振器の両方の外部Qを調整して、伝送特性を最平坦特性に調整した場合、グラフ11aから、通過帯域幅は1.64MHzとなった。一方、受電側共振器の外部Qのみを調整して、伝送特性を中央点整合に調整した場合には、グラフ12a、13a、14aから、通過帯域幅は380~420kHzと減少する。但し、中央点整合の場合であっても、ピーク伝送効率はほぼ100%である。
Here, when the transmission characteristics were adjusted to the flattest characteristics by adjusting the external Q of both the power transmission side resonator and the power reception side resonator, the passband width was 1.64 MHz from the
尚、図9では、最平坦特性の伝送特性の一例として、送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成された態様における伝送特性(グラフ11a)のみを示したが、送電側共振器及び受電側共振器が、分割容量直列共振回路又は分割容量並列共振回路で構成された態様における伝送特性も同様となる。
FIG. 9 shows only the transmission characteristics (
図10は、無線電力伝送システムにおいて、図8に示した最平坦整合を充足する条件下(k=0.04)からk=0.004に変化したときに、受電側共振器の外部Qを調整して中央点整合させた場合の伝送特性を示す図である。 FIG. 10 shows the external Q of the receiving side resonator when changing from the condition satisfying the flattest matching shown in FIG. 8 (k=0.04) to k=0.004 in the wireless power transmission system. FIG. 10 is a diagram showing transmission characteristics when adjusted to achieve center point matching;
図10中の各グラフは、以下の態様の伝送特性を表す。
グラフ11b:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.004に変化したときに、電源5及び負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合を行った場合の伝送特性
グラフ12b:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.004に変化したときに、受電側キャパシタ4のa値の調整で、中央点整合を行った場合の伝送特性
グラフ11c:グラフ11bと同様の態様において、コイル1、2に内部抵抗を保有させた場合の伝送特性
グラフ12c:グラフ12bと同様の態様において、コイル1、2に内部抵抗を保有させた場合の伝送特性
尚、グラフ11b、グラフ12bでは、コイル1、2の内部抵抗はゼロと仮定している。
Each graph in FIG. 10 represents transmission characteristics of the following aspects.
ここで、送電側共振器と受電側共振器の両方の外部Qを調整して、伝送特性を最平坦特性に調整した場合、グラフ11bから、通過帯域幅は40.0kHzとなった。一方、受電側の外部Qのみを調整して、伝送特性を中央点整合に調整した場合には、グラフ12bから、通過帯域幅は4.0kHzと減少する。尚、図10の各ブラフの通過帯域幅が、図9の各ブラフの通過帯域幅と比較して狭くなっているのは、図10では、図9と比較してk値を相当小さい値に設定しているためである。
Here, when the transmission characteristics were adjusted to the flattest characteristics by adjusting the external Q of both the power transmission side resonator and the power reception side resonator, the passband width was 40.0 kHz from
コイル1、2の内部抵抗をゼロ[Ω]と仮定した場合、最平坦整合及び中央点整合のいずれの場合も、ピーク伝送効率はほぼ100%となる。但し、コイル1、2の内部抵抗を現実的な値(例えば、長さ1m当たりで0.02Ω)に仮定すると、ピーク伝送効率も低下する。本シミュレーションでは、最平坦整合のときには96%(グラフ11cを参照)、中央点整合のときにはでは80%(グラフ12cを参照)に低下した。コイル1、2の内部抵抗によるピーク伝送効率の低下は、共振器結合では避けられない問題であるが、中央点整合の場合には、最平坦整合の場合よりも、その影響が顕著に出ることが分かる。
Assuming that the internal resistance of the
図11は、無線電力伝送システムにおいて、図8に示した最平坦整合を充足する条件下(k=0.04)からk値が種々に変化したときに、受電側共振器の外部Qを調整して中央点整合させた場合の通過帯域幅の変化を示す図である。 FIG. 11 shows the adjustment of the external Q of the power receiving side resonator when the k value varies from the condition (k=0.04) that satisfies the flattest matching shown in FIG. 8 in the wireless power transmission system. FIG. 10 is a diagram showing a change in passband width when center point matching is performed.
図11中の各グラフは、以下の態様の伝送特性における通過帯域幅を表す。
グラフ31a:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、各k値において、電源5及び負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合を行った場合の通過帯域幅
グラフ32a:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.04からk値が変化したときに、受電側キャパシタ4のa値の調整で、中央点整合を行った場合の通過帯域幅(電源5及び負荷6のインピータンスは50Ωに設定されている)
Each graph in FIG. 11 represents the passband width in the following transmission characteristics.
各k値で最平坦整合した場合には、通過帯域幅はフィルタ理論通りに1/kに比例して変化する(グラフ31aを参照)。これに対し、最平坦整合させない場合には、中央点整合を行った後でも、通過帯域幅は、k=0.04(即ち、最平坦整合となるk値)以外ではk値が高くても低くても最平坦整合の場合より狭くなっている(グラフ32aを参照)。又、この場合、k値が、k=0.04(即ち、最平坦整合となるk値)から外れるほど、中央点整合を行った後も、通過帯域幅は、狭くなっている。
For the flattest match at each k value, the passband width varies proportionally to 1/k as per filter theory (see
つまり、図11から、中央点整合させたときのk値に係る条件(即ち、QeT*QeR=1/k2)が、最平坦整合させるk値に係る条件(即ち、QeT=1/k、且つ、QeR=1/k)に近いほど、中央点整合を行った後の通過帯域幅が広くなることが分かる。 That is, from FIG. 11, it can be seen that the condition for the k value for center point matching (that is, Q eT *Q eR =1/k 2 ) is the condition for the k value for flattest matching (that is, Q eT =1 /k and Q eR =1/k), the passband width after center point matching becomes wider.
図12は、無線電力伝送システムにおいて、図8に示した最平坦整合を充足する条件下(k=0.04)からk値が変化したときに、受電側共振器の外部Qを調整して中央点整合させた場合のピーク伝送効率を示す図である。 FIG. 12 shows that in the wireless power transmission system, when the k value changes from the condition (k=0.04) that satisfies the flattest matching shown in FIG. FIG. 10 is a diagram showing peak transmission efficiency with center point matching;
図12中の各グラフは、以下の態様の伝送特性のピーク伝送効率を表す。
グラフ31b:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、各k値において、電源5及び負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合を行った場合のピーク伝送効率(コイル1、2に内部抵抗を保有させた場合)
グラフ32b:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.04からk値が変化したときに、受電側キャパシタ4のa値の調整で、中央点整合を行った場合のピーク伝送効率(電源5及び負荷6のインピータンスは50Ωに設定されている)(コイル1、2に内部抵抗を保有させた場合)
グラフ33b:グラフ32bと同様の態様において、コイル1、2に内部抵抗をゼロとした場合のピーク伝送効率
Each graph in FIG. 12 represents the peak transmission efficiency of the transmission characteristics of the following aspects.
コイル1、2の内部抵抗をゼロと仮定すると、k=0.001の場合でもピーク伝送効率は100%である(グラフ33bを参照)。しかしながら、現実の配線素材である銅やアルミの抵抗値を仮定すると、最平坦整合をしていてもk値の小さいところではピーク伝送効率は低下する(グラフ31bを参照)。そして、中央点整合の場合は、ピーク伝送効率の低下がさらに顕著となる(グラフ32bを参照)。
Assuming zero internal resistance in
図13は、図11及び図12のデータから、ピーク伝送効率と通過帯域幅の関係をプロットした図である。 FIG. 13 is a diagram plotting the relationship between peak transmission efficiency and passband width from the data of FIGS. 11 and 12. In FIG.
図13中の各グラフは、以下の態様の伝送特性のピーク伝送効率と通過帯域幅の関係を表す。
グラフ31c:送電側共振器及び受電側共振器が単一容量直列共振回路で構成されている態様であって、各k値において、電源5及び負荷6それぞれのインピータンスの調整で、最平坦整合を行った場合のピーク伝送効率と通過帯域幅の関係
グラフ32c:送電側共振器及び受電側共振器が分割容量直列共振回路で構成されている態様であって、k=0.04からk値が変化したときに、受電側キャパシタ4のa値の調整で、中央点整合を行った場合のピーク伝送効率と通過帯域幅の関係(電源5及び負荷6のインピータンスは50Ωに設定されている)
Each graph in FIG. 13 represents the relationship between the peak transmission efficiency and the passband width of the transmission characteristics of the following aspects.
中央点整合を行った場合のピーク伝送効率は、通過帯域幅で決まり、中央点整合を行った場合に高いピーク伝送効率を得るためには、広い通過帯域幅を有する伝送特性を得ることが重要なことが判る(グラフ32cを参照)。この結果は、図11の結果と併せて考察すると、中央点整合させたときの外部Q(即ち、QeT*QeR=1/k2)が、最平坦整合させる外部Q(即ち、QeT=1/k、且つ、QeR=1/k)に近いほど、中央点整合を行った後の伝送効率が高くなることを意味する。尚、この事象は、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの構成に関わらず見出された(ここでは図示せず)。
The peak transmission efficiency when center point matching is performed is determined by the passband width, and in order to obtain high peak transmission efficiency when performing center point matching, it is important to obtain transmission characteristics with a wide passband width. (see
このように、事前に、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを、所定の条件(即ち、所定のk値)で、最平坦整合するように調整しておくことで、システム運用時、k値が事前設定した所定の条件(即ち、所定のk値)から変動した場合には、送電側共振器と受電側共振器の一方のみの共振器の外部Qの調整を行う(即ち、中央点整合させる)だけでも、高い伝送効率を確保することが可能である。 In this way, by adjusting the external Q of the power transmitting side resonator and the external Q of the power receiving side resonator in advance under predetermined conditions (i.e., a predetermined k value), the flattest matching can be achieved. , during system operation, if the k value fluctuates from a preset predetermined condition (that is, a predetermined k value), the external Q of only one of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator is adjusted. High transmission efficiency can be ensured only by performing (that is, center point matching).
換言すると、事前に、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを最平坦整合の条件を充足するように調整せず、システム運用時、k値が事前設定した所定の条件(即ち、所定のk値)から変動したときに、受電側共振器の外部Qのみを調整して中央点整合(QeT*QeR=1/k2)を充足させたとしても、十分に高い伝送効率を確保することができない。 In other words, the external Q of the power transmitting side resonator and the external Q of the power receiving side resonator are not adjusted in advance so as to satisfy the condition of the flattest matching, and when the system is operated, the k value is set to a predetermined condition (i.e., a given k value), even if only the external Q of the receiving resonator is adjusted to satisfy the center point matching (Q eT *Q eR =1/k 2 ), High transmission efficiency cannot be ensured.
これは、事前に、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを最平坦整合の条件を充足するように調整していない状態で、k値が事前設定した所定の条件(即ち、所定のk値)から変動したときに、受電側共振器の外部Qのみを調整して中央点整合を充足させると、受電側共振器の外部Qが、最平坦整合条件の場合と比較して非常に偏った値となるためである。即ち、送電側共振器又は受電側共振器の外部Qが偏った値となると、コイル1、2の内部抵抗による影響を受けやすくなり、反射電力が大きくなり、伝送効率が低下してしまうという現象が働いていると考えられる。
This is a condition in which the external Q of the power transmitting side resonator and the external Q of the power receiving side resonator are not adjusted in advance so as to satisfy the flattest matching condition, and the k value is set in advance under a predetermined condition ( That is, if only the external Q of the receiving resonator is adjusted to satisfy the center-point match when the external Q of the receiving resonator varies from a predetermined k value, the external Q of the receiving resonator is This is because the value is extremely biased. That is, when the external Q of the power transmitting resonator or the power receiving resonator becomes a biased value, it becomes susceptible to the influence of the internal resistance of the
この点、事前に、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Qを、システム運用時のk値を想定して電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整しておくことで、実際のシステム運用時に、k値の変化に対応して、一方の共振器の外部Qを調整して、中央点整合を充足させた場合にも、最平坦整合に近い条件下となるため、十分に高い伝送効率を維持することが可能となる。 In this regard, the external Q of each of the power transmission side resonator and the power reception side resonator should be adjusted in advance so that the transmission characteristics of power transmission become the flattest characteristics, assuming the k value during system operation. , even if the center point matching is satisfied by adjusting the external Q of one of the resonators according to the change of the k value during actual system operation, the conditions are close to the flattest matching, so It becomes possible to maintain a sufficiently high transmission efficiency.
かかる観点から、最平坦整合させるk値に係る条件(即ち、QeT=1/k、且つ、QeR=1/k)は、実使用時に想定されるk値から離れすぎないように設定されるのが好ましい。そのためには、固定される側の共振器の外部Qについても、最適な値に設定できることが重要であり、送受電両側で外部Qを任意に設定できる構成が有用である。この点で、送電側共振器と受電側共振器の両方を、図5A、図5Bに示した容量分割直列共振回路又は容量分割並列共振回路で構成し、それらを構成するキャパシタ3、4を、図7A及び図7Bで示した可変キャパシタとするのが好ましい。 From this point of view, the conditions related to the k value for the flattest matching (that is, Q eT =1/k and Q eR =1/k) are set so as not to be too far from the k value assumed in actual use. preferably For this purpose, it is important that the external Q of the resonator on the fixed side can also be set to an optimum value, and a configuration in which the external Q can be arbitrarily set on both power transmitting and receiving sides is useful. In this respect, both the power transmission side resonator and the power reception side resonator are configured by the capacitance division series resonance circuit or the capacitance division parallel resonance circuit shown in FIGS. A variable capacitor as shown in FIGS. 7A and 7B is preferred.
<具体的調整手法>
ここで、図14~図16を参照して、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいて、電力伝送を実施する前に行う共振器の外部Qの調整方法の具体例について、説明する。
<Specific adjustment method>
Here, with reference to FIGS. 14 to 16, a specific example of a method of adjusting the external Q of the resonator performed before power transmission in the wireless power transmission system according to the present embodiment will be described.
上記したように、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、事前に、所定の条件で、最平坦整合するように、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを調整するのが重要である。 As described above, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, the external Q of the power transmission side resonator and the external Q of the power reception side resonator are each adjusted in advance under predetermined conditions so as to achieve maximum flatness matching. It is important to
この事前準備の段階では、まず、無線電力伝送システムの実使用時の送電側共振器と受電側共振器の位置関係(即ち、k値)の変動幅(即ち、送電側共振器と受電側共振器との間の位置ずれの許容度)を設定する。実使用時のk値が、最平坦整合条件を充足するk値よりも低くなると、通過帯域幅は狭くなり、ピーク伝送効率が著しく低下する傾向にある。そのため、事前準備の段階(即ち、最平坦整合の条件を充足させる際)では、ピーク伝送効率が小さくなり過ぎない範囲で最もk値の小さい付近で、QeT=1/k、且つ、QeR=1/kの外部Qを設定するのが好ましい。そうすることで、実使用時には、それよりも大きなk値の範囲で、中央点整合させた際の伝送効率を高い値に維持することが可能となる。 In this preliminary preparation stage, first, the fluctuation range of the positional relationship (that is, k value) between the power transmitting resonator and the power receiving resonator during actual use of the wireless power transmission system (that is, the power transmitting resonator and the power receiving resonator) positional deviation tolerance). When the k value in actual use is lower than the k value that satisfies the flattest matching condition, the passband width tends to become narrower and the peak transmission efficiency tends to decrease significantly. Therefore, in the preliminary preparation stage (that is, when satisfying the flattest matching condition), Q eT =1/k and Q eR It is preferable to set the extrinsic Q = 1/k. By doing so, in actual use, it is possible to maintain the transmission efficiency at a high value when the center points are matched in a larger range of k values.
次に、送電側共振器と受電側共振器との間の位置ずれの許容度に応じて決定したk値(即ち、外部Q)にあわせて、送電側キャパシタ3と受電側キャパシタ4それぞれの分割容量(a値又はb値)を設定し、図7A、図7Bに示したような可変キャパシタを用いて、電極位置の調整により、送電側キャパシタ3と受電側キャパシタ4それぞれの外部Qを調整する。
Next, the power
最平坦整合(QeT=1/k、且つ、QeR=1/k)しているか否かは、例えば、ネットワークアナライザを用いた反射率の位相変化(図15を参照)により判定することができる。 Whether or not there is maximum flatness matching (Q eT =1/k and Q eR =1/k) can be determined, for example, by phase change of reflectance using a network analyzer (see FIG. 15). can.
図14、図15は、無線電力伝送システムにおいて、送電側共振器から受電側共振器に対して電力伝送を実施した際に得られる反射率及び透過率の測定結果を示す図である。尚、図14では、測定により得られた反射率と透過率の絶対値の周波数依存性を示し、図15では、測定により得られた反射率の絶対値と位相変化をスミスチャート上に示している。尚、かかる測定は、例えば、ネットワークアナライザを用いて行うことができる。 14 and 15 are diagrams showing measurement results of reflectance and transmittance obtained when power is transmitted from a power transmitting resonator to a power receiving resonator in a wireless power transmission system. 14 shows the frequency dependence of the absolute values of reflectance and transmittance obtained by measurement, and FIG. 15 shows the absolute values of reflectance and phase change obtained by measurement on a Smith chart. there is Such measurement can be performed using, for example, a network analyzer.
尚、図14、図15は、k=0.04の場合に最平坦整合となるように調整された送電側共振器及び受電側共振器において、k値を0.02、0.04、0.05、及び0.06と変化させ、そのk値に応じて、受電側共振器で外部Qを変えて中央点整合した場合の反射率及び透過率を測定した結果を示している。 14 and 15, the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator are adjusted to have the flattest matching when k=0.04, and the k value is 0.02, 0.04, 0. 05 and 0.06, and reflectance and transmittance are measured when the center point is matched by changing the external Q in the resonator on the power receiving side according to the k value.
図14中の各グラフは、以下の態様の反射特性と透過特性を表す。
グラフ41:結合係数kが0.02のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射特性
グラフ42:結合係数kが0.03のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射特性
グラフ43:結合係数kが0.04のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射特性
グラフ44:結合係数kが0.05のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射特性
グラフ45:結合係数kが0.06のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射特性
グラフ51:結合係数kが0.02のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た透過特性
グラフ52:結合係数kが0.03のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た透過特性
グラフ53:結合係数kが0.04のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た透過特性
グラフ54:結合係数kが0.05のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た透過特性
グラフ55:結合係数kが0.06のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た透過特性
Each graph in FIG. 14 represents reflection characteristics and transmission characteristics of the following aspects.
Graph 41: When the coupling coefficient k is 0.02, the reflection characteristics seen from the transmitting side when the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the receiving side Graph 42: When the coupling coefficient k is 0.03 , Reflection characteristic graph 43 seen from the power transmission side when the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side: When the coupling coefficient k is 0.04, the center point is Graph 44 of reflection characteristics seen from the power transmission side in the case of matching: Graph 45 of reflection characteristics seen from the power transmission side when center point matching is achieved by adjusting the external Q of the resonator on the power reception side when the coupling coefficient k is 0.05 : Reflection characteristic graph 51 seen from the power transmission side when the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side when the coupling coefficient k is 0.06: When the coupling coefficient k is 0.02, the power receiving Graph 52 of transmission characteristics viewed from the power transmission side when the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side: When the coupling coefficient k is 0.03, the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side Graph 53 of the transmission characteristics seen from the power transmission side in the case: When the coupling coefficient k is 0.04, the transmission characteristics graph 54 seen from the power transmission side in the case of center point matching by adjusting the external Q of the resonator on the power reception side: Coupling Graph 55 of transmission characteristics seen from the power transmission side when center point matching is achieved by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side when the coefficient k is 0.05: Resonance on the power receiving side when the coupling coefficient k is 0.06 Transmittance characteristics seen from the transmission side when the center point is matched by adjusting the external Q of the device
図14に示す反射率と透過率の絶対値を見ただけでは、どのような条件が最平坦整合条件を充足しているのか判定することは難しい。この点、図15に示すように、反射率の絶対値に加え位相変化に着目することで、最平坦整合条件を充足しているのか否かを容易に判定することが可能である。 It is difficult to determine what condition satisfies the flattest matching condition only by looking at the absolute values of reflectance and transmittance shown in FIG. In this respect, as shown in FIG. 15, it is possible to easily determine whether or not the maximum flatness matching condition is satisfied by paying attention to the phase change in addition to the absolute value of the reflectance.
図15中の各グラフは、以下の態様の反射率の位相変化を表す。
グラフ61:結合係数kが0.02のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射率の位相変化
グラフ62:結合係数kが0.03のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射率の位相変化
グラフ63:結合係数kが0.04のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射率の位相変化
グラフ64:結合係数kが0.05のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射率の位相変化
グラフ65:結合係数kが0.06のときに、受電側共振器の外部Qの調整で中央点整合した場合の送電側から見た反射率の位相変化
Each graph in FIG. 15 represents phase change of reflectance in the following manner.
Graph 61: Phase change of reflectance seen from the transmitting side when the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the receiving side when the coupling coefficient k is 0.02 Graph 62: The coupling coefficient k is 0.03 Graph 63 of reflectance phase change seen from the power transmission side when the center point is matched by adjusting the external Q of the power receiving side resonator: When the coupling coefficient k is 0.04, the external Q of the power receiving side resonator is Phase change graph 64 of the reflectance seen from the transmitting side when the center point is matched by adjusting the Q: when the coupling coefficient k is 0.05 and the center point is matched by adjusting the external Q of the resonator on the receiving side Phase change graph 65 of reflectance seen from the power transmission side: Phase change of reflectance seen from the power transmission side when center point matching is achieved by adjusting the external Q of the resonator on the power receiving side when the coupling coefficient k is 0.06
図15では、スミスチャートを用いて、反射率の位相変化の測定結果を示している。ここで示すものは、送電側から見たS11のシグナルである。 FIG. 15 shows measurement results of phase change of reflectance using a Smith chart. What is shown here is the signal of S11 as seen from the transmission side.
図15に示すように、k値が0.04より小さい場合はループ状になり、その頂点が原点にある。一方、最平坦整合条件を充足するk=0.04では、ループが小さくなって点になり、ちょうど原点で鋭い角度のピークを持つ。又、k値が0.04より大きい場合は鋭いピークが原点の位置でなだらかになり、緩いカーブの曲線となる。 As shown in FIG. 15, when the k value is less than 0.04, it becomes a loop and its vertex is at the origin. On the other hand, at k=0.04, which satisfies the flattest matching condition, the loop shrinks to a point and has a sharp angular peak just at the origin. Also, when the k value is greater than 0.04, the sharp peak becomes gentle at the position of the origin, resulting in a gentle curve.
受電側から見たS22はその逆の変化をするが、最平坦整合で原点に鋭いピークが来る点は同じである。小さなループを原点付近に作ることで広い周波数範囲で反射率ゼロに近い条件となり、その結果、透過率のピーク範囲も広がる。グラフ63に示すように、反射信号のSパラメータがスミスチャート上の原点で鋭いピークを持つことが最平坦整合条件となる。 S 22 seen from the power receiving side changes in the opposite direction, but it is the same that a sharp peak appears at the origin at the flattest alignment. By forming a small loop near the origin, the condition of the reflectance is close to zero over a wide frequency range, and as a result, the transmittance peak range is widened. As shown in graph 63, the flattest matching condition is that the S parameter of the reflected signal has a sharp peak at the origin on the Smith chart.
尚、Sパラメータ測定は市販のネットワークアナライザで容易に測定可能である。 Incidentally, the S parameter can be easily measured with a commercially available network analyzer.
このような方法で、最平坦整合するように、送電側キャパシタ3と受電側キャパシタ4それぞれの容量値配分を調整する。その後、実際のシステム運用時に中央点整合させる際には、送電側キャパシタ3又は受電側キャパシタ4の一方の容量値配分を固定した状態で、他方の容量値配分を調整する。
In this manner, the distribution of capacitance values of the power
図16は、本実施形態に係る無線電力伝送システムのシステム運用時(即ち、実使用時)の動作例を示すフローチャートである。尚、ここでは、図4Aの直列共振器を用いた無線電力伝送システムの動作例のみを示す。 FIG. 16 is a flow chart showing an operation example during system operation (that is, during actual use) of the wireless power transmission system according to this embodiment. Here, only an operation example of the wireless power transmission system using the series resonator of FIG. 4A is shown.
図16に示すフローチャートは、例えば、送電装置UA又は受電装置UBのうち、中央点整合の際に外部Qを調整する対象に設けられた制御部(ここでは、受電装置UB側の制御部10B)が、コンピュータプログラムに従って実行する処理である。このフローチャートの処理は、例えば、送電装置UA又は受電装置UBに設けられた相対位置検出センサ(図示せず)が、送電装置UAに対する受電装置UBの相対位置が所定範囲内に入ったことを検出したことを契機として実行される。
The flowchart shown in FIG. 16 is for example a control unit (here, a
ステップS1において、受電装置UBに設けられた制御部10Bは、送電装置UAに設けられた制御部10Aと通信することで、送電装置UAから受電装置UBに対して、電力伝送の試験実施を実行させる。
In step S1, the
尚、このステップS1は、高い伝送効率を確保し得るa値(即ち、分割キャパシタ3a、3bの容量値Ca、Cb、及び分割キャパシタ4a、4bの容量値Ca、Cb)を特定するための試験的な電力伝送である。そのため、このステップS1で指定される電力値は、ステップS5の本実施に係る電力伝送の場合の電力値よりも、低い電力値に設定されている。
Note that this step S1 specifies the a value (that is, the capacitance values C a and C b of the dividing
ステップS2において、制御部10Bは、電力伝送の試験実施における伝送効率を測定する。この際、制御部10Bは、例えば、送電装置UAで規定される送電電力、及び受電装置UBで測定される受電電力に基づいて、伝送効率を測定する。
In step S2, the
ステップS3において、制御部10Bは、ステップS2で測定された伝送効率が、閾値(例えば、95%)よりも大きいか否かを判定する。そして、ステップS2で測定された伝送効率が、閾値よりも大きい場合(ステップS3:YES)、ステップS5に処理を進め、閾値以下の場合(ステップS3:NO)、ステップS4に処理を進める。
At step S3, the
ステップS4において、制御部10Bは、受電側キャパシタ4のa値(即ち、分割キャパシタ4a、4bの容量値Ca、Cb)を所定量だけ変更する。このステップS4では、分割キャパシタ4aの容量値Caと分割キャパシタ4bの容量値Cbの並列合成容量を一定にしながら、分割キャパシタ4aの容量値Caと分割キャパシタ4bの容量値Cbの容量比を変更する。尚、このステップS4では、送電側キャパシタ3については、分割容量(即ち、分割キャパシタ3a、3bの容量値Ca、Cb)を変更することなく、固定した状態のままとする。そして、ステップS1に戻って、再び、電力伝送及び伝送効率の測定を実行する。
In step S4, the
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、このステップS1~S4の処理を繰り返し実行することで、高い伝送効率を確保し得る受電側キャパシタ4のa値(即ち、分割キャパシタ4a、4bの容量値Ca、Cb)を特定する。つまり、これによって、2つの共振器間の電磁結合の状態(即ち、結合係数k)に対応して、中央点整合条件を充足するように、分割キャパシタ4a、4bの容量値Ca、Cbを設定することができる。
In the wireless power transmission system according to the present embodiment, by repeatedly executing the processing of steps S1 to S4, the a value of the power receiving side capacitor 4 (that is, the capacitance of the dividing
ステップS5において、制御部10Bは、送電装置UAから受電装置UBに対して、電力伝送の本実施を実行させる。
In step S<b>5 , the
ステップS6において、制御部10Bは、電力伝送を終了する条件が充足することを待ち受ける(S6:NO)。そして、終了条件を充足した場合(S6:YES)、図16のフローチャートの処理を終了する。尚、制御部10Bは、例えば、受電装置UBの負荷6であるバッテリが満充電の状態に到った場合、終了条件を充足したと判定する。
In step S6, the
本実施形態に係る無線電力伝送システムは、以上のような一連の処理によって、高い伝送効率にて、送電装置UAから受電装置UBに対して、電力伝送を実行することができる。 The wireless power transmission system according to the present embodiment can perform power transmission from the power transmission device UA to the power reception device UB with high transmission efficiency through the series of processes described above.
[効果]
以上のように、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、
送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Qを、事前に、所定の条件下で、電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整し、
システム運用時、送電側共振器と受電側共振器との間の位置関係が前記所定の条件から変化している場合、送電側共振器及び受電側共振器の共振周波数にて中央点整合するように、送電側共振器又は受電側共振器の一方の外部Qを固定した状態で他方の外部Qを調整することで、電力伝送の伝送特性を調整する。
[effect]
As described above, in the wireless power transmission system according to this embodiment,
Adjusting the external Q of each of the power transmission side resonator and the power reception side resonator in advance under predetermined conditions so that the transmission characteristics of power transmission are the flattest characteristics,
When the positional relationship between the power transmission side resonator and the power reception side resonator is changed from the predetermined condition during system operation, the center points are matched at the resonance frequencies of the power transmission side resonator and the power reception side resonator. Secondly, the transmission characteristics of power transmission are adjusted by adjusting the external Q of one of the power transmission side resonator and the power receiving side resonator while fixing the other external Q.
これによって、実際のシステム運用時に、送電側共振器と受電側共振器との間の位置関係が想定している位置関係から変化している場合であっても、一方の共振器の外部Qを調整するだけで、電力伝送時の反射を抑制し、高い伝送効率を維持することが可能である。これにより、例えば、電気自動車への給電、携帯機器への給電など、特性が固定された送電源に対して、利用する受電側で外部Q(例えば、キャパシタ4の分割容量に係るa値又はb値)を調整することで高効率が実現でき、簡便な方法で高効率の非接触給電が可能となる。 As a result, even if the positional relationship between the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator changes from the assumed positional relationship during actual system operation, the external Q of one of the resonators is Just by adjusting, it is possible to suppress reflection during power transmission and maintain high transmission efficiency. As a result, for example, for a transmission power source with fixed characteristics such as power supply to an electric vehicle or power supply to a portable device, the external Q (for example, the a value or b value), high efficiency can be realized, and highly efficient contactless power supply can be achieved by a simple method.
又、特に、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、送電側共振器及び受電側共振器それぞれを構成するキャパシタの分割容量(直列共振器の場合、図7Aに示す第1分割キャパシタの容量値C1と第2分割キャパシタの容量値C2に相当する。又、並列共振器の場合、図7Bに示す第3分割キャパシタの容量値C3と第4分割キャパシタの容量値C4に相当する。)を調整するだけで、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Q値を適切に調整することが可能である。これによって、容易に、事前準備のための最平坦整合にするための調整、及び/又は、システム運用時の中央点整合にするための調整を行うことが可能となる。 In particular, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, the divided capacitances of the capacitors constituting the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator (in the case of the series resonator, the capacitance of the first divided capacitor shown in FIG. 7A It corresponds to the value C1 and the capacitance value C2 of the second dividing capacitor, and in the case of a parallel resonator, corresponds to the capacitance value C3 of the third dividing capacitor and the capacitance value C4 of the fourth dividing capacitor shown in FIG. ), it is possible to appropriately adjust the external Q value of each of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator. This makes it possible to easily perform adjustment for maximum flatness alignment for preparation and/or adjustment for center point alignment during system operation.
特に、本実施形態に係る無線電力伝送システムでは、送電側共振器及び受電側共振器の共振周波数(即ち、共振器単独の固有共振周波数)において、高い伝送効率で無線電力伝送を実施することが可能である。そのため、送電装置UAで、インピーダンスが固定された電源が使用されていたり、受電装置UBで、インピーダンスが固定された負荷(例えば、整流回路)が使用されている場合にも、2つの共振器間の位置ずれに伴う伝送効率の低下を招かない点で好適である。これによって、例えば、広く普及している特性インピーダンスが50Ωの高周波電源や同軸ケーブルを用いることも可能となる。 In particular, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, wireless power transmission can be performed with high transmission efficiency at the resonance frequencies of the power transmission side resonator and the power reception side resonator (that is, the natural resonance frequency of each resonator alone). It is possible. Therefore, even when the power transmission device UA uses a power source with a fixed impedance, or the power receiving device UB uses a load with a fixed impedance (for example, a rectifier circuit), This is preferable in that it does not cause a drop in transmission efficiency due to the positional deviation of the . This makes it possible to use, for example, a widely used high-frequency power source or coaxial cable with a characteristic impedance of 50Ω.
加えて、本実施形態に係る無線電力伝送システムは、共振器のキャパシタの分割容量(直列共振器の場合、図7Aに示す第1分割キャパシタの容量値C1と第2分割キャパシタの容量値C2に相当する。又、並列共振器の場合、図7Bに示す第3分割キャパシタの容量値C3と第4分割キャパシタの容量値C4に相当する。)を調整することで、送電装置UAと受電装置UBとで、共振器のコイルの形状やインダクタンスが異なる場合や、送電装置UAの電源と受電装置UBの負荷とで、インピーダンスが異なる場合にも、容易に、中央点整合(及び最平坦整合)させることが可能である点で、有用である。 In addition, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, the divided capacitance of the capacitor of the resonator (in the case of a series resonator, the capacitance value C1 of the first divided capacitor and the capacitance value C of the second divided capacitor shown in FIG. 7A 2. In the case of a parallel resonator, it corresponds to the capacitance value C3 of the third divided capacitor and the capacitance value C4 of the fourth divided capacitor shown in FIG. and the power receiving device UB have different shapes and inductances of the resonator coils, and even if the impedance is different between the power supply of the power transmitting device UA and the load of the power receiving device UB, center point matching (and maximum It is useful in that it is possible to achieve flat alignment.
(第2の実施形態)
上記したように、本開示に係る結合共振型無線電力伝送システムの調整方法は、事前に、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを、所定の条件(即ち、所定のk値)で、最平坦整合するように調整しておき、システム運用時、k値が事前設定した所定の条件(即ち、所定のk値)から変動した場合には、送電側共振器と受電側共振器の一方のみの共振器の外部Qの調整を行う(即ち、中央点整合させる)だけで、高い伝送効率を確保する点に、特徴を有する。
(Second embodiment)
As described above, the adjustment method of the coupled resonance type wireless power transmission system according to the present disclosure is performed by adjusting the external Q of the power transmitting side resonator and the external Q of the power receiving side resonator in advance under predetermined conditions (i.e., predetermined k value) is adjusted to achieve the flattest matching. It is characterized in that high transmission efficiency is ensured only by adjusting the external Q of only one of the side resonators (that is, center point matching).
第1の実施形態では、LC共振器を用いた結合共振型無線電力伝送システムにおける伝送特性の調整方法を示した。同様な調整方法は、オープンリング共振器を用いた結合共振型無線電力伝送システムでも利用可能である。 In the first embodiment, a method for adjusting transmission characteristics in a coupled resonance type wireless power transmission system using an LC resonator has been described. A similar adjustment method can also be used in a coupled resonance type wireless power transmission system using an open ring resonator.
本願の発明者らは、先願である特許文献1において、オープンリング共振器を用いた無線電力伝送システムで、共振器間の位置関係が変動した際に、送電側共振器及び受電側共振器それぞれを構成するオープンリング共振器のポート角度を調整することで、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Q値を調整し、電力伝送時の周波数特性を、双峰型から最大平坦型に変化させることが可能であることを示した。
The inventors of the present application disclosed in
本実施形態に係る無線電力伝送システムは、例えば、特許文献1に開示した無線電力伝送システムを利用する。
The wireless power transmission system according to this embodiment uses the wireless power transmission system disclosed in
図17、図18、図19は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示している。尚、ここでは、オープンリング共振器のポート角度を調整可能とするための構成の概略のみ説明する(詳細については、特許文献1を参照されたい)。 17, 18, and 19 show the schematic configuration of the wireless power transmission system according to this embodiment. Here, only the outline of the configuration for adjusting the port angle of the open ring resonator will be described (for details, see Patent Document 1).
図17は、無線電力伝送システムの全体構成を側面視した図であり、図18は、オープンリング共振器111を平面視した図であり、図19は、オープンリング共振器111とオープンリング共振器211とが対向する状態を平面視した図である。
FIG. 17 is a side view of the overall configuration of the wireless power transmission system, FIG. 18 is a plan view of the
図17において、UAは無線電力伝送システムの送電装置であり、UBは受電装置である。送電装置UAは、例えば、オープンリング共振器111、オープンリング共振器111に対する給電線たる入出力線路112(例えば、同軸線路)、グラウンド板113、制御部114、駆動部115、電源等が搭載された回路基板120を備えている。又、受電装置UBは、例えば、オープンリング共振器211、オープンリング共振器211に対する給電線たる入出力線路212(例えば、同軸線路)、グラウンド板213、制御部214、駆動部215、及び、電気負荷等が搭載された回路基板220を備えている。
In FIG. 17, UA is a power transmitting device of the wireless power transmission system, and UB is a power receiving device. The power transmission device UA includes, for example, an
尚、ここでは、オープンリング共振器の支持構造としては、送電装置UAと受電装置UBとで、同一の構造が採用されている。 Here, the same structure is adopted as the support structure of the open-ring resonator in the power transmission device UA and the power reception device UB.
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、例えば、オープンリング共振器111、211を、回路基板120、220とは別個に構成し(例えば、金属板により構成する)、回路基板120、220からオープンリング共振器111、211に向けて入出力線路112、212を延在させ、オープンリング共振器111、211の先端の電極部112a、212aを介して、オープンリング共振器111、211と入出力線路112、212とを電気接続する構成としている。そして、オープンリング共振器111、211を、上下方向に延在する支持棒111S、211Sにて、当該共振器111、211の中心軸の位置で回転可能に支持し、駆動部115、215を駆動させて支持棒111S、211Sを回転動作させることで、オープンリング共振器111、211と電極部112a、212aとの位置関係を変更し、これにより、オープンリング共振器111、211に接続される入出力線路112、212のポート角度を調整可能としている。
In the wireless power transmission system according to the present embodiment, for example, the
尚、ポート角度は、上記したように、オープンリング共振器のリング周方向において、オープンリング共振器と入出力線路とが電気接続する位置を表す。以下では、説明の便宜として、ポート角度の値を、オープンリング共振器111の中心点A0とオープンリング共振器111に電極部112aが電気接続する位置A2とを結ぶ線と、オープンリング共振器111の中心点A0とオープンリング共振器111の長手方向の中心位置A1とを結ぶ線との間のなす角度(即ち、位置A2と位置A1との間のオープンリング共振器111の周方向における角度)∠A1A0A2により定義付ける(図18のθを参照)。
As described above, the port angle represents the position at which the open ring resonator and the input/output line are electrically connected in the circumferential direction of the open ring resonator. In the following, for convenience of explanation, the value of the port angle is defined as the line connecting the center point A0 of the
一般に、オープンリング共振器の外部Qは、オープンリング共振器に接続する入出力線路のインピーダンスをZS、オープンリング共振器のリング導体部の特性インピーダンスをZR、オープンリング共振器のポート角度をθとすると、以下の式(27)で算出できることが知られている(非特許文献7を参照)。
本実施形態に係る無線電力伝送システムは、かかる理論を利用するものであり、オープンリング共振器のポート角度を調整可能とすることによって、オープンリング共振器に接続する入出力線路のインピーダンス、負荷インピーダンス、及び電源インピーダンス等の変更を行うことなく、オープンリング共振器の外部Qを適切に調整可能とする。つまり、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、送電側共振器及び受電側共振器それぞれを構成するオープンリング共振器のポート角度を調整することで、送電側共振器及び受電側共振器それぞれの外部Q値を適切に調整する。 The wireless power transmission system according to the present embodiment utilizes this theory, and by making the port angle of the open ring resonator adjustable, the impedance of the input/output line connected to the open ring resonator, the load impedance , and the external Q of an open ring resonator can be appropriately adjusted without changing the power supply impedance or the like. That is, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, by adjusting the port angles of the open ring resonators that constitute the power transmission side resonator and the power reception side resonator, the power transmission side resonator and the power reception side resonator respectively appropriately adjust the external Q value of .
本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいて、伝送特性を調整する具体的な調整方法自体は、第1の実施形態で示した手法と同様の手法を用いることができる。 In the wireless power transmission system according to this embodiment, the same technique as the technique shown in the first embodiment can be used as a specific adjustment method itself for adjusting the transmission characteristics.
まず、事前準備の段階では、所定の条件下で、送電側共振器から受電側共振器に対して電力伝送する際の伝送特性が最平坦特性となるように(即ち、式(6a)及び式(6b)を充足するように)、送電側共振器の外部Q及び受電側共振器の外部Qそれぞれを調整しておく。 First, in the preliminary preparation stage, under predetermined conditions, the transmission characteristics when power is transmitted from the power transmission resonator to the power reception resonator are the flattest characteristics (that is, equation (6a) and equation (6b) is satisfied), the external Q of the power transmitting side resonator and the external Q of the power receiving side resonator are each adjusted.
この事前準備の調整プロセスは、例えば、第1の実施形態と同様に、ネットワークアナライザを用いた反射率の位相変化を確認しながら、送電側共振器の外部Q(即ち、送電側のオープンリング共振器のポート角度)及び受電側共振器の外部Q(即ち、受電側のオープンリング共振器のポート角度)を調整することで行う。尚、この際、式(6a)及び式(6b)の条件(QeT=1/k、且つ、QeR=1/k)より、典型的には送受電のリングは同じ構造にしているため、式(27)で分かるように送電側のオープンリング共振器のポート角度と、受電側のオープンリング共振器のポート角度とは、同一の角度となる。 For example, as in the first embodiment, this preparatory adjustment process is carried out by checking the phase change of the reflectance using a network analyzer while checking the external Q of the power transmission side resonator (that is, the open ring resonance of the power transmission side). by adjusting the port angle of the receiver) and the external Q of the power receiving side resonator (that is, the port angle of the open ring resonator on the power receiving side). At this time, the conditions of the equations (6a) and (6b) (Q eT =1/k and Q eR =1/k) typically make the transmission and reception rings of the same structure. , the port angle of the open ring resonator on the power transmitting side and the port angle of the open ring resonator on the power receiving side are the same angle, as can be seen from equation (27).
そして、システム運用時、送電側共振器と受電側共振器との位置関係(即ち、相対的な位置及び/又は角度)が変わり、その結果、結合係数kが所定の条件から変化した場合、送電側共振器及び受電側共振器のうちの一方の外部Q(例えば、受電側のオープンリング共振器のポート角度)のみを調整することにより、中央点整合の条件(式(21)に示すQeT*QeR=1/k2)を充足させる。 During system operation, if the positional relationship (that is, relative position and/or angle) between the power transmitting resonator and the power receiving resonator changes, and as a result, the coupling coefficient k changes from a predetermined condition, power transmission By adjusting only the external Q (for example, the port angle of the open ring resonator on the power receiving side) of one of the resonator on the power receiving side and the resonator on the power receiving side, the center point matching condition (Q eT * Q eR =1/k 2 ).
このシステム運用時の調整プロセスは、例えば、図16のフローチャートと同様の処理により行うことができる。具体的には、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいては、例えば、図16のフローチャートで、ステップS4の処理において、「送電側キャパシタを固定した状態で受電側キャパシタの分割容量を変更する」処理を行う代わりに、「送電側オープンリング共振器のポート角度を固定した状態で受電側オープンリング共振器のポート角度を変更する」処理を行い、伝送効率が閾値以上となるポート角度をサーチし、これにより、中央点整合させる。 This adjustment process during system operation can be performed, for example, by a process similar to that shown in the flowchart of FIG. Specifically, in the wireless power transmission system according to the present embodiment, for example, in the flowchart of FIG. Instead of performing the process, perform the process of "changing the port angle of the power receiving side open ring resonator while fixing the port angle of the power transmitting side open ring resonator", and search for the port angle at which the transmission efficiency is equal to or higher than the threshold. , thereby center point matching.
ここで、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいても、上記調整方法により、高いピーク伝送効率を確保することが可能であることを実証するため、電磁界シミュレータによる検証実験を行った。 Here, in order to demonstrate that high peak transmission efficiency can be ensured by the above adjustment method also in the wireless power transmission system according to this embodiment, a verification experiment was conducted using an electromagnetic field simulator.
図20~図23は、電磁界シミュレータによる検証実験の結果を示す図である。 20 to 23 are diagrams showing the results of verification experiments using an electromagnetic field simulator.
本シミュレーションでは、送電側のオープンリング共振器と受電側のオープンリング共振器との間の距離(以下、「共振器間距離」と称する)が変化して結合係数kが、最平坦整合をとる条件から変化した際に、受電側オープンリング共振器のポート角度のみを変更することで中央点整合条件を充足させた場合に、高い伝送効率を維持できるか否かを検証した。 In this simulation, the distance between the open ring resonator on the power transmitting side and the open ring resonator on the power receiving side (hereinafter referred to as the "inter-resonator distance") changes, and the coupling coefficient k achieves the flattest matching. We verified whether high transmission efficiency can be maintained when the center point matching condition is satisfied by changing only the port angle of the open ring resonator on the receiving side when the conditions are changed.
尚、本シミュレーションでは、送電装置UAと受電装置UBとで、同一のオープンリング共振器の支持構造を採用し、両者の設計パラメータについても、同一の値とした。具体的には、共振周波数が920MHzになるようにオープンリング共振器のリング中心線の直径を27mm、オープンリング共振器のリング幅を20mm、オープンリング共振器と裏面グラウンド基板との間の距離を8mmと設定し、その結果オープンリング共振器のリング導体部の特性インピーダンスは約75Ωとなった。また、オープンリング共振器に対する入出力線路の特性インピーダンスZSは50Ωと設定した。 In this simulation, the same support structure of the open ring resonator was adopted for the power transmitting device UA and the power receiving device UB, and the design parameters of both were also set to the same values. Specifically, the diameter of the ring center line of the open ring resonator is 27 mm, the ring width of the open ring resonator is 20 mm, and the distance between the open ring resonator and the back ground substrate is set to 920 MHz. It was set to 8 mm, and as a result, the characteristic impedance of the ring conductor portion of the open ring resonator was about 75Ω. Also, the characteristic impedance ZS of the input/output line for the open ring resonator was set to 50Ω.
まず、共振器間距離が90mmの条件で最平坦整合をとるように、送電側のオープンリング共振器のポート角度、及び受電側のオープンリング共振器のポート角度を調整した。その際、最平坦整合を充足するポート角度θは8°であった。 First, the port angle of the open ring resonator on the power transmitting side and the port angle of the open ring resonator on the power receiving side were adjusted so as to achieve the flattest matching under the condition that the distance between the resonators was 90 mm. At that time, the port angle θ that satisfied the flattest alignment was 8°.
次に、最平坦整合を充足する条件下から共振器間距離(即ち、k値)を種々に変化させ、受電側オープンリング共振器のポート角度を調整して中央点整合させた。ここでは、共振器間距離が75mm、62mm、50mm、42mmのときに、送電側のオープンリング共振器のポート角度を8°に固定したまま、受電側のオープンリング共振器のポート角度を調整して中央点整合させた。 Next, the inter-resonator distance (that is, the k value) was variously changed from the condition satisfying the flattest matching, and the port angle of the open ring resonator on the power receiving side was adjusted to achieve center point matching. Here, when the distance between the resonators is 75 mm, 62 mm, 50 mm, and 42 mm, the port angle of the open ring resonator on the power receiving side is adjusted while the port angle of the open ring resonator on the power transmitting side is fixed at 8°. center-point matched.
図20は、オープンリング共振器での最適ポート角度の共振器間距離依存性を示す図である。 FIG. 20 is a diagram showing the dependence of the optimum port angle on the inter-resonator distance in an open ring resonator.
図20中の各グラフは、以下のポート角度を表す。
グラフ71:送電側共振器のポート角度(8°固定)
グラフ72:効率極大となる受電側共振器のポート角度
グラフ73:各共振器間距離で最平坦整合を実現するポート角度
Each graph in FIG. 20 represents the following port angles.
Graph 71: Port angle of transmitting resonator (fixed at 8°)
Graph 72: Port angle of receiving side resonator that maximizes efficiency Graph 73: Port angle that achieves flattest matching at each distance between resonators
図20から分かるように、共振器間距離が75mm、62mm、50mm、42mmそれぞれのとき、受電側のオープンリング共振器のポート角度が16°、32°、64°、128°のときに伝送効率がピークになり、中央点整合した状態となった(グラフ72を参照)。尚、共振器間距離が75mm、62mm、50mm、42mmそれぞれのとき、送電側のオープンリング共振器のポート角度と受電側のオープンリング共振器のポート角度との両方を調整し、最平坦整合を充足させた場合のポート角度は、11°、15°、21°、26°となった(グラフ72を参照)。これらのポート角度から、上式(27)を用いて各共振器の外部Qを求めることができる。 As can be seen from FIG. 20, the transmission efficiency is peaked and became midpoint matched (see graph 72). When the distance between the resonators is 75 mm, 62 mm, 50 mm, and 42 mm, both the port angle of the open ring resonator on the power transmitting side and the port angle of the open ring resonator on the power receiving side are adjusted to obtain the flattest matching. The port angles when satisfied were 11°, 15°, 21°, 26° (see graph 72). From these port angles, the external Q of each resonator can be determined using equation (27) above.
図21は、オープンリング共振器での最適ポート角度時における外部Qを示す図である。尚、図21に示す外部Qは、図20で算出されたポート角度をもとに、求められている。 FIG. 21 is a diagram showing the external Q at the optimum port angle in the open ring resonator. Note that the external Q shown in FIG. 21 is obtained based on the port angle calculated in FIG.
図21中の各グラフは、以下の外部Qを表す。
グラフ74:ポート角度が8度に固定された送電側共振器の外部Q
グラフ75:効率極大となる場合の受電側共振器の外部Q
グラフ76:各共振器間距離で最平坦整合の場合の外部Q
グラフ77:グラフ74とグラフ75の幾何平均
Each graph in FIG. 21 represents the extrinsic Q below.
Graph 74: External Q of transmitting resonator with port angle fixed at 8 degrees
Graph 75: External Q of receiving resonator for maximum efficiency
Graph 76: External Q for flattest matching at each cavity distance
Graph 77: Geometric Mean of
図21には、比較のため、中央点整合した状態(即ち、ポート角度16°、32°、64°、128°のときの)の受電側のオープンリング共振器の外部Q(グラフ75を参照)と8°に固定された送電側のオープンリング共振器の外部Q(グラフ74を参照)との幾何平均も示す(グラフ77を参照)。この幾何平均は、最平坦整合を充足させた状態における受電側のオープンリング共振器の外部Q(グラフ76を参照)とほぼ一致している。即ち、以下の式(28)が成立しているおり、この関係は、式(10)と同一である。 For comparison, FIG. 21 shows the external Q (see graph 75) of the open ring resonator on the receiving side with center point matched conditions (i.e., at port angles of 16°, 32°, 64°, 128°). ) and the external Q of the open ring resonator on the sending side fixed at 8° (see graph 74) is also shown (see graph 77). This geometric mean approximately agrees with the external Q (see graph 76) of the open ring resonator on the receiving side in the condition of satisfying the flattest matching. That is, the following formula (28) holds, and this relationship is the same as formula (10).
図22は、オープンリング共振器の最適ポート角度時における通過帯域幅を示す図である。 FIG. 22 is a diagram showing the passband width at the optimum port angle of the open ring resonator.
図22中の各グラフは、以下の通過帯域幅を表す。
グラフ80:中央点整合の場合の効率80%の通過帯域幅(完全導体を仮定)
グラフ81:最平坦整合の場合の効率80%の通過帯域幅(完全導体を仮定)
Each graph in FIG. 22 represents the following passband width.
Graph 80: Passband with 80% efficiency for center point matching (assuming perfect conductors)
Graph 81: 80% Efficient Pass Bandwidth for Flattest Match (Assuming Perfect Conductors)
図22のグラフ80は、図20で算出した中央点整合した状態(即ち、ポート角度16°、32°、64°、128°のときの)における通過帯域幅を示している。又、図22のグラフ81は、最平坦整合時における通過帯域幅を示している。尚、グラフ80及びグラフ81は、いずれも、伝送効率が80%の帯域幅である。又、グラフ80及びグラフ81は、いずれも、オープンリング共振器を完全導体と仮定して算出している。
図22から、最平坦整合時における通過帯域幅は、共振器間距離が縮まるにつれて、急速に増大するが(グラフ81を参照)、中央点整合時における通過帯域幅は、共振器間距離が縮まった状態においても共振器間距離の遠い状態とほぼ同じ狭い帯域幅のままである(グラフ80を参照)ことが分かる。尚、電力伝送は、典型的には、単一の周波数で行われるので、中央点整合時に通過帯域幅が狭いこと自体は、問題とはならない。 From FIG. 22, the passband width at the flattest matching increases rapidly as the inter-cavity distance decreases (see graph 81), while the passband width at the center point matching decreases as the inter-cavity distance decreases. It can be seen that even in the state where the inter-cavity distance is large, the bandwidth remains as narrow as in the case where the inter-cavity distance is large (see graph 80). It should be noted that power transmission is typically performed at a single frequency, so the narrow passband width during center point matching does not pose a problem per se.
図23は、オープンリング共振器の最適ポート角度時におけるピーク伝送効率を示す図である。 FIG. 23 is a diagram showing peak transmission efficiency at the optimum port angle of the open ring resonator.
図23中の各グラフは、以下のピーク伝送効率を表す。
グラフ82:中央点整合の場合のピーク伝送効率(アルミの抵抗率を仮定)
グラフ83:最平坦整合の場合のピーク伝送効率(アルミの抵抗率を仮定)
グラフ84:中央点整合で、完全導体を仮定した場合のピーク伝送効率
Each graph in FIG. 23 represents the following peak transmission efficiency.
Graph 82: Peak transmission efficiency for center point matching (assuming aluminum resistivity)
Graph 83: Peak Transmission Efficiency for Flattest Match (Assumes Aluminum Resistivity)
Graph 84: Peak transmission efficiency assuming a perfect conductor with center point matching
図23のグラフ82、グラフ84は、図20で算出した中央点整合した状態(即ち、ポート角度16°、32°、64°、128°のときの)におけるピーク伝送効率を示し、グラフ83は、最平坦整合時におけるピーク伝送効率も示している。
図23から分かるように、オープンリング共振器を完全導体と仮定すると、最平坦整合でも中央点整合でもピーク伝送効率はほぼ100%で一定である(グラフ84を参照)。一方、オープンリング共振器を通常のアルミの伝導率を有する導体と仮定すると、ピーク伝送効率は、共振器間距離が増大するにつれて、LC共振器の場合と同様に、最平坦整合の場合(グラフ82を参照)及び中心点整合の場合(グラフ83を参照)、ともに低下する。 As can be seen from FIG. 23, assuming the open ring resonator to be a perfect conductor, the peak transmission efficiency is constant at nearly 100% for both the flattest and center point matches (see graph 84). On the other hand, assuming the open-ring resonator to be a conductor with the conductivity of ordinary aluminum, the peak transmission efficiency increases as the inter-resonator distance increases, similar to that for the LC resonator, for the flattest match (graph 82) and for center point alignment (see graph 83) both fall.
このことから、LC共振器ほど明確ではないが、オープンリング共振器のピーク伝送効率は、単純に共振器間距離で一意に決まるのではなく、通過帯域幅に大きく影響を受けると推察される。これは、上記実施形態で考察したように、送電側共振器又は受電側共振器の外部Qが偏った値となると、オープンリング共振器の内部抵抗による影響を受けやすくなり、反射電力が大きくなり、伝送効率が低下してしまうという現象が働いていると考えられる。そのため、上記実施形態で考察したように、中央点整合を行った場合に高いピーク伝送効率を得るためには、中央点整合を行った場合の外部Qは、最平坦整合させた際の外部Qに近い外部Qに設定されるのが好ましいと言える。 From this, it is inferred that the peak transmission efficiency of the open ring resonator is not simply determined uniquely by the distance between the resonators, but is greatly affected by the passband width, although it is not as clear as that of the LC resonator. This is because, as discussed in the above embodiment, when the external Q of the power transmitting side resonator or the power receiving side resonator has a biased value, it becomes susceptible to the internal resistance of the open ring resonator and the reflected power increases. , the phenomenon that the transmission efficiency is lowered is considered to be working. Therefore, as discussed in the above embodiment, in order to obtain high peak transmission efficiency when center point matching is performed, the external Q when center point matching is performed must be equal to the external Q when maximally flat matching is performed. It can be said that it is preferable to set the external Q close to .
以上のように、本実施形態に係る無線電力伝送システムのように、送電側共振器及び受電側共振器それぞれをオープンリング共振器で構成した態様においても、事前に、送電側共振器の外部Qと受電側共振器の外部Qそれぞれを、所定の条件で、最平坦整合するように調整しておき、システム運用時、k値が事前設定した所定の条件から変動した場合には、送電側共振器と受電側共振器の一方のみの共振器の外部Qの調整を行う方法は、有用であることが分かる。換言すると、本実施形態に係る無線電力伝送システムにおいても、上記した2段階の調整方法によって、k値の変化に対応した最適伝送を実現することが可能であると言える。 As described above, as in the wireless power transmission system according to the present embodiment, even in a mode in which each of the power transmission side resonator and the power reception side resonator is configured as an open ring resonator, the external Q and the external Q of the resonator on the power receiving side are adjusted under predetermined conditions so as to achieve maximum flatness matching. A method of adjusting the external Q of only one of the resonator and the receiver resonator is found to be useful. In other words, in the wireless power transmission system according to this embodiment as well, it is possible to achieve optimum transmission corresponding to changes in the k value by the two-stage adjustment method described above.
(その他の実施形態)
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形態様が考えられる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are conceivable.
例えば、上記実施形態では、無線電力伝送システムにおいて、中央点整合させる際、受電装置UB側に設けられた制御部10Bの制御により、受電側共振器の外部Qを制御する態様を示した。しかしながら、受電側共振器の外部Qを調整する手法は、必ずしも、制御部10Bによる自動制御である必要はなく、作業者による手動操作によって行われてもよい。
For example, in the above-described embodiment, when center point matching is performed in the wireless power transmission system, the
又、中央点整合させる際に外部Qを調整する対象は、受電側共振器に代えて、送電側共振器であってもよい。 Further, the target for adjusting the external Q when performing center point matching may be the power transmission side resonator instead of the power reception side resonator.
又、上記実施形態では、事前に、使用対象となる送電側共振器と受電側共振器とのセットを準備し、実際にこれらの間で電力の授受を行って、電力伝送時の伝送特性が最平坦特性となるように、送電側共振器と受電側共振器それぞれの外部Qを調整する態様を示した。かかる態様は、送電側共振器及び/又は受電側共振器が、製品毎に個体差を含む場合に有用である。 Further, in the above-described embodiment, a set of a power transmission side resonator and a power reception side resonator to be used is prepared in advance, and power is actually transmitted and received between them, so that the transmission characteristics during power transmission are as follows. A mode of adjusting the external Q of each of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator is shown so as to obtain the flattest characteristics. Such an aspect is useful when the power transmitting side resonator and/or the power receiving side resonator includes individual differences for each product.
しかしながら、送電側共振器及び/又は受電側共振器の個体差が無視できるほどに小さい場合には、送電側共振器と受電側共振器それぞれの外部Qの規格値を設定し、当該規格値を充足するように、送電側共振器及び受電側共振器それぞれを製品設計するだけであってもよい。これにより、実際に、初期設定としての最平坦整合を充足させるための外部Qの調整作業を行うことなく、送電側共振器と受電側共振器それぞれの外部Qが、事前に、所定の条件下で、電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整されることになる。そうすることで、かかる規格通りに製品設計された送電側共振器と受電側共振器とを組み合わせることで、初期設定としての最平坦整合を充足させるための外部Qの調整作業を省略することができる。但し、実際には、送電側共振器及び受電側共振器は、個体差を含む場合が多いため、使用対象となる送電側共振器と受電側共振器とのセットした際に、電力伝送時の伝送特性が最平坦特性となるように、送電側共振器と受電側共振器それぞれの外部Qを調整するのが好ましい。 However, if the individual difference between the power transmitting side resonator and/or the power receiving side resonator is so small that it can be ignored, the standard value of the external Q for each of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator is set, and the standard value is set. It is also possible to simply design each of the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator so as to satisfy the requirements. As a result, the external Q of each of the power-transmitting-side resonator and the power-receiving-side resonator can be adjusted in advance under a predetermined condition without actually adjusting the external Q for satisfying the flattest matching as the initial setting. Then, the transmission characteristic of power transmission is adjusted to be the flattest characteristic. By doing so, by combining the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator that are product-designed according to such standards, it is possible to omit the adjustment work of the external Q for satisfying the flattest matching as the initial setting. can. However, in practice, there are many cases where the power transmission side resonator and the power reception side resonator include individual differences. It is preferable to adjust the external Q of each of the power-transmitting-side resonator and the power-receiving-side resonator so that the transmission characteristic becomes the flattest characteristic.
又、上記実施形態では、送電装置UA及び受電装置UBそれぞれが制御部10A、10Bを有する態様を示した。しかしながら、共振器を構成するキャパシタ3、4の分割キャパシタの容量値の調整は、作業者による手動操作で行われてもよい。その場合、送電装置UA及び/又は受電装置UBに制御部(10A、10B)を設けない構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the power transmitting device UA and the power receiving device UB each have the
又、上記実施形態では、送電側共振器及び受電側共振器が、分割容量直列型又は分割容量並列型で構成された態様を示した。しかしながら、送電側共振器及び/又は受電側共振器としては、実用的観点からは好ましい態様ではないが、単一容量直列共振回路又は単一容量並列共振回路が用いられてもよい。この場合、共振器の外部Qの調整は、電源5のインピーダンスや負荷6のインピーダンスの調整で行う構成とする。
Further, in the above-described embodiments, the power transmitting side resonator and the power receiving side resonator are configured in the divided capacitance series type or the divided capacitance parallel type. However, as the power transmitting side resonator and/or the power receiving side resonator, a single-capacity series resonant circuit or a single-capacity parallel resonant circuit may be used, although this is not a preferable mode from a practical point of view. In this case, the external Q of the resonator is adjusted by adjusting the impedance of the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本発明に係る結合共振型無線電力伝送システムによれば、2つの共振器間の位置関係が変化し結合係数kが変化した場合であっても、一方の共振器の外部Qを調整するだけで、電力伝送時の反射を抑制し、高い伝送効率を維持することが可能である。 According to the coupled resonance type wireless power transmission system according to the present invention, even when the positional relationship between the two resonators changes and the coupling coefficient k changes, only by adjusting the external Q of one resonator , it is possible to suppress reflection during power transmission and maintain high transmission efficiency.
UA 送電装置
UB 受電装置
1 コイル(送電側コイル)
2 コイル(受電側コイル)
3 キャパシタ(送電側キャパシタ)
3a、3b、3c、3d 分割キャパシタ
4 キャパシタ(受電側キャパシタ)
4a、4b、4c、4d 分割キャパシタ
5 電源
6 負荷
10A 制御部
10B 制御部
E1 第1固定電極
E2 第2固定電極
E3 可動電極
E4 第1固定電極
E5 第2固定電極
E6 可動電極
111、221 オープンリング共振器
111S、211S 支持棒
112、212 入出力線路
112a、212a 電極部
113、213 グラウンド板
114、214 制御部
115、215 駆動部
120、220 回路基板
UA power transmission device UB
2 Coil (receiving side coil)
3 Capacitor (capacitor on the power transmission side)
3a, 3b, 3c,
4a, 4b, 4c, 4d divided
Claims (7)
前記第1及び第2共振器それぞれの外部Qは、事前に、所定の条件下で、前記電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整されており、
システム運用時、前記第1共振器と前記第2共振器との間の位置関係が前記所定の条件から変化している場合、制御部により、前記第1及び第2共振器の共振周波数にて中央点整合するように、前記第1及び第2共振器の一方の前記外部Qを固定した状態で他方の前記外部Qを調整した後、前記電力伝送を実行する、
結合共振型無線電力伝送システム。 A coupled resonance type wireless power transmission system that uses electromagnetic resonance to perform contactless power transmission from a first resonator to a second resonator,
The external Q of each of the first and second resonators is adjusted in advance under predetermined conditions so that the transmission characteristics of the power transmission are the flattest characteristics,
During system operation, if the positional relationship between the first resonator and the second resonator has changed from the predetermined condition, the controller causes the resonance frequencies of the first and second resonators to performing the power transfer after adjusting the external Q of one of the first and second resonators while fixing the external Q of the other so as to match the center point;
Coupling resonance type wireless power transmission system.
キャパシタとコイルとから構成され、
前記キャパシタが、前記コイルに対して並列接続する第1分割キャパシタと第2分割キャパシタとに分離され、且つ、前記第1分割キャパシタ若しくは前記第2分割キャパシタのいずれか一方に、外部インピーンダンスが直列に接続され、前記第1分割キャパシタと前記第2分割キャパシタの並列合成容量を一定にしつつ、その容量比を調整することが可能となった構造、又は、
前記キャパシタが、前記コイルに対して直列接続する第3分割キャパシタと第4分割キャパシタとに分離され、且つ、前記第3分割キャパシタ若しくは前記第4分割キャパシタのいずれか一方に、外部インピーンダンスが並列に接続され、前記第3分割キャパシタと前記第4分割キャパシタの直列合成容量を一定にしつつ、その容量比を調整することが可能となった構造を有する、
請求項1に記載の結合共振型無線電力伝送システム。 The first and second resonators, respectively,
Consists of a capacitor and a coil,
The capacitor is separated into a first divided capacitor and a second divided capacitor that are connected in parallel to the coil, and an external impedance is present in either the first divided capacitor or the second divided capacitor. A structure that is connected in series and is capable of adjusting the capacitance ratio while keeping the parallel combined capacitance of the first divided capacitor and the second divided capacitor constant, or
The capacitor is separated into a third divided capacitor and a fourth divided capacitor that are connected in series with the coil, and either the third divided capacitor or the fourth divided capacitor has an external impedance. It has a structure that is connected in parallel and that allows the capacitance ratio to be adjusted while the series combined capacitance of the third divided capacitor and the fourth divided capacitor is kept constant.
The coupled resonance type wireless power transmission system according to claim 1.
請求項2に記載の結合共振型無線電力伝送システム。 When the system is operated, the control unit performs the power transmission on a trial basis between the first and second resonators while changing the capacitance ratio of the other capacitor of the first and second resonators. determining the capacitance ratio of the other capacitor when the power transmission is actually performed, based on the change in transmission efficiency obtained at that time;
The coupled resonance type wireless power transmission system according to claim 2.
オープンリング共振器で構成され、
前記オープンリング共振器は、自身に電気接続される入出力線路のポート角度(但し、ポート角度は、前記オープンリング共振器のリング周方向において、前記オープンリング共振器と前記入出力線路とが電気接続する位置を表す)が調整可能な状態で支持されている、
請求項1に記載の結合共振型無線電力伝送システム。 The first and second resonators, respectively,
Consists of an open ring resonator,
The open ring resonator has a port angle of an input/output line electrically connected thereto (however, the port angle is the angle between the open ring resonator and the input/output line in the circumferential direction of the open ring resonator) (representing the connecting position) is supported in an adjustable state,
The coupled resonance type wireless power transmission system according to claim 1.
前記第1及び第2共振器それぞれの外部Qを、事前に、所定の条件下で、前記電力伝送の伝送特性が最平坦特性となるように調整し、
システム運用時、前記第1共振器と前記第2共振器との間の位置関係が前記所定の条件から変化している場合、前記第1及び第2共振器の共振周波数にて中央点整合するように、前記第1及び第2共振器の一方の前記外部Qを固定した状態で他方の前記外部Qを調整する、
調整方法。 A method for adjusting transmission characteristics in a coupled resonance type wireless power transmission system that performs contactless power transmission from a first resonator to a second resonator using electromagnetic resonance, comprising:
adjusting the external Q of each of the first and second resonators in advance under predetermined conditions so that the transmission characteristics of the power transmission are the flattest characteristics;
When the positional relationship between the first resonator and the second resonator is changed from the predetermined condition during system operation, center point matching is performed at the resonance frequencies of the first and second resonators. Adjusting the external Q of one of the first and second resonators while fixing the external Q of the other,
adjustment method.
キャパシタとコイルとから構成され、
前記キャパシタが、前記コイルに対して並列接続する第1分割キャパシタと第2分割キャパシタとに分離され、且つ、前記第1分割キャパシタ若しくは前記第2分割キャパシタのいずれか一方に、外部インピーンダンスが直列に接続され、前記第1分割キャパシタと前記第2分割キャパシタの並列合成容量を一定にしつつ、その容量比を調整することが可能となった構造、又は、
前記キャパシタが、前記コイルに対して直列接続する第3分割キャパシタと第4分割キャパシタとに分離され、且つ、前記第3分割キャパシタ若しくは前記第4分割キャパシタのいずれか一方に、外部インピーンダンスが並列に接続され、前記第3分割キャパシタと前記第4分割キャパシタの直列合成容量を一定にしつつ、その容量比を調整することが可能となった構造を有する、
請求項5に記載の調整方法。 The first and second resonators, respectively,
Consists of a capacitor and a coil,
The capacitor is separated into a first divided capacitor and a second divided capacitor that are connected in parallel to the coil, and an external impedance is present in either the first divided capacitor or the second divided capacitor. A structure that is connected in series and is capable of adjusting the capacitance ratio while keeping the parallel combined capacitance of the first divided capacitor and the second divided capacitor constant, or
The capacitor is separated into a third divided capacitor and a fourth divided capacitor that are connected in series with the coil, and either the third divided capacitor or the fourth divided capacitor has an external impedance. It has a structure that is connected in parallel and that allows the capacitance ratio to be adjusted while the series combined capacitance of the third divided capacitor and the fourth divided capacitor is kept constant.
The adjustment method according to claim 5.
オープンリング共振器で構成され、
前記オープンリング共振器は、自身に電気接続される入出力線路のポート角度(但し、ポート角度は、前記オープンリング共振器のリング周方向において、前記オープンリング共振器と前記入出力線路とが電気接続する位置を表す)が調整可能な状態で支持されている、
請求項5に記載の調整方法。
The first and second resonators, respectively,
Consists of an open ring resonator,
The open ring resonator has a port angle of an input/output line electrically connected thereto (however, the port angle is the angle between the open ring resonator and the input/output line in the circumferential direction of the open ring resonator) (representing the connecting position) is supported in an adjustable state,
The adjustment method according to claim 5.
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