JP2024048208A - Wireless power transmission system, power supply station, and wireless power supply program - Google Patents

Wireless power transmission system, power supply station, and wireless power supply program Download PDF

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Abstract

【課題】簡易な構成で送電コイルと受電コイルとの位置関係を把握可能な無線電力伝送システム及び給電ステーションを提供する。【解決手段】給電ステーション10は、電源ユニット11A、11B及びプロセッサ12を有する給電ステーション10と、給電ステーションから無線給電される移動体を備える。各電源ユニットは、複数の送電コイル及びキャパシタを有する送電部111と、直流電力を交流電力に変換する電力変換部112と、を有する。移動体は、受電コイル及びキャパシタを有する。各送電コイルは、クロスカップリングが各送電コイルと受電コイルとの間の結合係数より小さくなるように配置される。プロセッサ12は、電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように電力変換部を制御するスイッチング制御部121と、スイッチング周波数に基づき受電コイルの送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部122と、を有する。【選択図】図2[Problem] To provide a wireless power transmission system and a power supply station capable of grasping the positional relationship between a power transmission coil and a power receiving coil with a simple configuration. [Solution] The power supply station 10 includes a power supply station 10 having power supply units 11A, 11B and a processor 12, and a mobile object wirelessly supplied with power from the power supply station. Each power supply unit includes a power transmission section 111 having a plurality of power transmission coils and a capacitor, and a power conversion section 112 that converts DC power to AC power. The mobile object includes a power receiving coil and a capacitor. Each power transmission coil is disposed so that cross-coupling is smaller than the coupling coefficient between each power transmission coil and the power receiving coil. The processor 12 includes a switching control section 121 that controls the power conversion section so that the phase difference between the output voltage and output current of the power conversion section becomes zero, and a power receiving coil position grasping section 122 that grasps the position of the power receiving coil relative to the power transmission coil based on the switching frequency. [Selected Figure] Figure 2

Description

本発明は、無線電力伝送システム、給電ステーションおよび無線給電プログラム、より詳しくは、移動体を磁界共鳴方式により無線充電するための無線電力伝送システム、給電ステーションおよび無線給電プログラムに関する。 The present invention relates to a wireless power transmission system, a power supply station, and a wireless power supply program, and more specifically to a wireless power transmission system, a power supply station, and a wireless power supply program for wirelessly charging a mobile object using a magnetic field resonance method.

従来、電磁誘導方式などにより非接触で電力を伝送するための種々の技術が提案されている(特許文献1~4、非特許文献1)。 Various technologies have been proposed for transmitting power contactlessly, such as by electromagnetic induction (Patent Documents 1 to 4, Non-Patent Document 1).

特許文献1には、隣接する1次側(送電側)コイルの励磁周波数を異ならせることにより、磁界のうなりを形成し、広い範囲で高い出力と安定した電力伝送を実現するための非接触電力伝送装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a non-contact power transmission device that creates a magnetic field beat by varying the excitation frequencies of adjacent primary (transmission) coils, thereby achieving high output and stable power transmission over a wide range.

特許文献2には、全鎖交磁束が打ち消し合って結合度がゼロになる点に設定した一対の平面コイルを用いて、共振周波数を介して体内の局所の圧等の項目を連続監視するための装置が記載されている。 Patent document 2 describes a device that uses a pair of planar coils set at a point where all interlinkage magnetic flux cancels each other out and the degree of coupling becomes zero, to continuously monitor items such as local pressure within the body via resonant frequency.

特許文献3には、第1受電部および第2受電部におけるそれぞれの共振周波数をクロスカップリングがキャンセルされた状態に実質的に維持することで、第1受電部および第2受電部におけるインダクタンス成分又はキャパシタンス成分を調整する結合調整部を備える無線電力伝送装置が記載されている。 Patent document 3 describes a wireless power transmission device that includes a coupling adjustment unit that adjusts the inductance or capacitance components in the first and second power receiving units by substantially maintaining the resonant frequencies of the first and second power receiving units in a state in which cross-coupling is canceled.

特許文献4には、リアルタイムで給電と送受信コイルの位置検出を行うための非接触給電システムが記載されている。このシステムでは、送受信コイルにそれぞれ接続された給電回路をある共振周波数で共振させて給電し、位置検出回路を給電回路の共振周波数とは異なる共振周波数で共振させて両コイルの相互位置を検出する。 Patent document 4 describes a non-contact power supply system for power supply and position detection of a transmitting/receiving coil in real time. In this system, power is supplied by resonating a power supply circuit connected to each of the transmitting and receiving coils at a certain resonant frequency, and the position detection circuit is resonated at a resonant frequency different from the resonant frequency of the power supply circuit to detect the relative positions of both coils.

非特許文献1は本発明者らによる論文であるが、クロスカップリングが低減された2つの受電コイルをベースとする無線電力伝送システムが記載され、当該システムにおける共振周波数特性について議論されている。 Non-Patent Document 1 is a paper by the present inventors that describes a wireless power transmission system based on two receiving coils with reduced cross-coupling, and discusses the resonant frequency characteristics of the system.

特開2009-164293号公報JP 2009-164293 A 特開2018-000901号公報JP 2018-000901 A 特開2015-154543号公報JP 2015-154543 A 特開2015-002641号公報JP 2015-002641 A

Shohei Komeda, Rin Arai, “Resonant Frequency Characteristics of a Wireless Power Transfer System based on Dual-Receiver Configuration without Cross Coupling”, IECON 2021 - 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics SocietyShohei Komeda, Rin Arai, “Resonant Frequency Characteristics of a Wireless Power Transfer System based on Dual-Receiver Configuration without Cross Coupling”, IECON 2021 - 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society

ところで、効率的な無線給電を実現するには送電コイルと受電コイルとの位置関係を把握することが重要である。しかし、従来は特許文献4に記載のように位置検出用の共振回路や電源が必要であった。 To achieve efficient wireless power transfer, it is important to understand the positional relationship between the power transmitting coil and the power receiving coil. However, in the past, a resonant circuit and a power source for position detection were required, as described in Patent Document 4.

本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、簡易な構成で送電コイルと受電コイルとの位置関係を把握可能な無線電力伝送システム、給電ステーションおよび無線給電プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above technical understanding, and aims to provide a wireless power transmission system, a power supply station, and a wireless power supply program that are capable of grasping the positional relationship between a power transmission coil and a power receiving coil with a simple configuration.

本発明の一態様に係る無線電力伝送システムは、
複数の電源ユニットおよび制御部を有する給電ステーションと、
前記給電ステーションから無線給電される移動体と、を備え、
前記各電源ユニットは、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記移動体は、
受電コイル、および前記受電コイルに接続された共振キャパシタを有する受電部と、
前記受電コイルに誘導された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力に電気的に接続されたバッテリーと、を有し、
前記複数の電源ユニットが有する複数の前記送電コイルは、クロスカップリングが前記各送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数のいずれよりも小さくなるように配置されており、
前記給電ステーションの前記制御部は、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部と、
前記複数の電力変換部のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部とを有する、無線電力伝送システム。
A wireless power transmission system according to an aspect of the present invention includes:
a power supply station having a plurality of power supply units and a control unit;
a moving object to which power is wirelessly supplied from the power supply station,
Each of the power supply units is
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
The moving body is
a power receiving unit having a power receiving coil and a resonance capacitor connected to the power receiving coil;
a rectifier that rectifies the AC voltage induced in the power receiving coil;
a battery electrically connected to an output of the rectifier;
the plurality of power transmitting coils of the plurality of power supply units are arranged such that cross-coupling is smaller than any of coupling coefficients between the respective power transmitting coils and the power receiving coils;
The control unit of the power supply station
a switching control unit that controls a switching frequency of the power conversion unit so that a phase difference between an output voltage and an output current of the power conversion unit becomes zero for each of the power supply units;
and a power receiving coil position determining unit that determines a position of the power receiving coil relative to the power transmitting coils based on switching frequencies of the power conversion units.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記受電コイル位置把握部は、前記複数の電源ユニットのうち、ある電源ユニットの前記電力変換部のスイッチング周波数が上昇すると、当該電源ユニットの送電コイルと、前記受電コイルとの間の距離が縮まっていると判断し、前記電力変換部のスイッチング周波数が低下すると、当該電源ユニットの送電コイルと、前記受電コイルとの間の距離が広がっていると判断するようにしてもよい。
In the wireless power transmission system,
The receiving coil position grasping unit may be configured to determine that the distance between the transmitting coil of the power supply unit and the receiving coil has decreased when the switching frequency of the power conversion unit of a power supply unit among the multiple power supply units increases, and to determine that the distance between the transmitting coil of the power supply unit and the receiving coil has increased when the switching frequency of the power conversion unit decreases.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記受電コイル位置把握部は、前記複数の電力変換部のスイッチング周波数の変化に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置ずれ方向を把握するようにしてもよい。
In the wireless power transmission system,
The power receiving coil position ascertaining unit may be configured to ascertain a direction of misalignment of the power receiving coil with respect to the power transmitting coils, based on a change in switching frequency of the power conversion units.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記受電コイル位置把握部は、前記移動体からの情報を用いることなく、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握するようにしてもよい。
In the wireless power transmission system,
The power receiving coil position ascertaining unit may ascertain a position of the power receiving coil relative to the plurality of power transmitting coils without using information from the moving object.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記給電ステーションのうち少なくとも、前記複数の電源ユニットの前記送電コイルは水面下に配置されるようにしてもよい。
In the wireless power transmission system,
At least the power transmitting coils of the plurality of power supply units in the power supply station may be arranged below the water surface.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記移動体は水中移動体であってもよい。
In the wireless power transmission system,
The moving body may be an underwater moving body.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記複数の電源ユニットの前記送電コイルは、隣り合うもの同士の一部が重なるように配置されていてもよい。
In the wireless power transmission system,
The power transmission coils of the multiple power supply units may be arranged so that adjacent ones partially overlap each other.

また、前記無線電力伝送システムにおいて、
前記スイッチング制御部は、前記複数の電源ユニットのうち、ある電源ユニットのスイッチング周波数が上昇した場合、他の電源ユニットのスイッチング周波数が前記ある電源ユニットの前記スイッチング周波数に一致するように前記他の電源ユニットの電力変換部を制御するようにしてもよい。
In the wireless power transmission system,
When the switching frequency of a power supply unit among the plurality of power supply units increases, the switching control unit may control the power conversion unit of the other power supply unit so that the switching frequency of the other power supply unit matches the switching frequency of the one power supply unit.

本発明の一態様に係る給電ステーションは、
移動体に電力を無線で給電する給電ステーションであって、
複数の電源ユニットと、
制御部と、を備え、
前記各電源ユニットは、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記複数の電源ユニットが有する複数の前記送電コイルは、クロスカップリングが前記各送電コイルと前記移動体の受電コイルとの間の結合係数のいずれよりも小さくなるように配置されており、
前記制御部は、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部と、
前記複数の電力変換部の複数のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部とを有する。
A power supply station according to one aspect of the present invention includes:
A power supply station that wirelessly supplies power to a mobile object,
A plurality of power supply units;
A control unit,
Each of the power supply units is
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
the plurality of power transmitting coils of the plurality of power supply units are arranged such that cross-coupling is smaller than any of coupling coefficients between the respective power transmitting coils and the power receiving coil of the moving object,
The control unit is
a switching control unit that controls a switching frequency of the power conversion unit so that a phase difference between an output voltage and an output current of the power conversion unit becomes zero for each of the power supply units;
The power converter further includes a power receiving coil position determining unit that determines a position of the power receiving coil relative to the power transmitting coils based on a plurality of switching frequencies of the power conversion units.

本発明の一態様に係る無線給電プログラムは、
移動体に電力を無線で給電する給電ステーションにおいて実行される無線給電プログラムであって、
前記給電ステーションが有する複数の電源ユニットの各々は、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記無線給電プログラムは、前記給電ステーションのコンピュータを、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部、および
前記複数の電力変換部の複数のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部、として動作させる。
A wireless power supply program according to an aspect of the present invention includes:
A wireless power supplying program executed in a power supplying station that wirelessly supplies power to a moving object,
Each of the plurality of power supply units included in the power supply station includes:
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
The wireless power supply program causes a computer of the power supply station to
Each power supply unit is operated as a switching control unit that controls the switching frequency of the power conversion unit so that the phase difference between the output voltage and output current of the power conversion unit becomes zero, and a receiving coil position determination unit that determines the position of the receiving coil relative to the multiple transmitting coils based on the multiple switching frequencies of the multiple power conversion units.

本発明によれば、簡易な構成で送電コイルと受電コイルとの位置関係を把握可能な無線電力伝送システム、給電ステーションおよび無線給電プログラムを提供することができる。 The present invention provides a wireless power transmission system, a power supply station, and a wireless power supply program that can grasp the positional relationship between a power transmission coil and a power receiving coil with a simple configuration.

実施形態に係る無線電力伝送システムの概略的構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a wireless power transmission system according to an embodiment. 実施形態に係る給電ステーションの機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of a power supply station according to the embodiment. 給電ステーション(2つの電源ユニット11A,11B)および移動体(受電部21、整流器22およびバッテリー23)の回路構成例を示す図である。2 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a power supply station (two power supply units 11A, 11B) and a mobile object (a power receiving unit 21, a rectifier 22, and a battery 23). FIG. 2つの送電コイルの配置関係の一例を示す図であり、上側は平面図、下側は側面図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the arrangement of two power transmitting coils, the upper side being a plan view and the lower side being a side view. 2つの送電コイルの中心間距離と結合係数との関係(実測値)を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship (actual measured value) between the center distance of two power transmitting coils and the coupling coefficient. 3つの送電コイルの配置関係の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of the arrangement of three power transmitting coils. 実施形態に係る移動体の機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of a moving object according to the embodiment. 2つの送電コイル(送電コイルユニット)と1つの受電コイルとの位置関係を示す側面図である。1 is a side view showing the positional relationship between two power transmitting coils (power transmitting coil units) and one power receiving coil. FIG. 2つの送電コイルと1つの受電コイルとの間の距離と、結合係数との関係(実測値)を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship (actual measured values) between the distance between two transmitting coils and one receiving coil and the coupling coefficient. 1つの電源ユニットと1つの受電コイルからなる系のT型等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a T-type equivalent circuit of a system consisting of one power supply unit and one receiving coil. 1つの送電コイルと1つの受電コイル間の結合係数と、共振周波数追従制御におけるスイッチング周波数との関係を示すグラフである。11 is a graph showing a relationship between a coupling coefficient between one power transmitting coil and one power receiving coil and a switching frequency in resonant frequency tracking control. 各電源ユニットおよび受電部における電圧および電流波形の測定結果の一例を示す図である。5A to 5C are diagrams showing an example of measurement results of voltage and current waveforms in each power supply unit and power receiving unit. 各電源ユニットおよび受電部における電圧および電流波形の測定結果の一例を示す図である。5A to 5C are diagrams showing an example of measurement results of voltage and current waveforms in each power supply unit and power receiving unit. 2つの送電コイルと1つの受電コイルとの間の距離と、共振周波数との関係(実測値)を示すグラフである。13 is a graph showing the relationship (actual measured values) between the distance between two power transmitting coils and one power receiving coil and the resonant frequency.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、同等の機能を有する構成要素に同一の符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in each drawing, components having equivalent functions are given the same reference numerals.

<無線電力伝送システム1>
まず、図1を参照して実施形態に係る無線電力伝送システム(Wireless Power Transfer:WPT)1の概略的な構成について説明する。なお、図1では、給電ステーション10の送電コイルは模式的に4つのみ図示しているが、より多くの送電コイルが設けられてもよい。たとえば、給電ステーション10上面における所定の充電エリアをカバーするように多数の送電コイルが配置されてもよい。本実施形態では、2つの送電コイルが1つの送電コイルユニットとして機能する。充電エリアにわたって複数の送電コイルユニットが配置されてもよい。
<Wireless power transmission system 1>
First, a schematic configuration of a wireless power transfer system (Wireless Power Transfer: WPT) 1 according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1. Note that, although Fig. 1 shows only four power transmission coils in the power supply station 10, more power transmission coils may be provided. For example, a large number of power transmission coils may be arranged so as to cover a predetermined charging area on the upper surface of the power supply station 10. In this embodiment, two power transmission coils function as one power transmission coil unit. A plurality of power transmission coil units may be arranged across the charging area.

本実施形態に係る無線電力伝送システム1は、移動体20を無線給電するためのシステムである。以下に説明する実施形態において、無線電力伝送システム1は、自律型無人潜水機(Autonomous Underwater Vehicle:AUV)等の水中にある移動体を無線給電するように構成されている。なお、これに限られず、移動体20は、自動車、二輪車等の陸上移動体や、ドローン、無人飛行機等の空中移動体であってもよい。 The wireless power transmission system 1 according to this embodiment is a system for wirelessly supplying power to a mobile body 20. In the embodiment described below, the wireless power transmission system 1 is configured to wirelessly supply power to a mobile body in water, such as an autonomous underwater vehicle (AUV). However, the mobile body 20 is not limited to this, and may be a land mobile body such as an automobile or motorcycle, or an air mobile body such as a drone or unmanned aerial vehicle.

無線電力伝送システム1は、図1に示すように、複数の送電コイルL1,L2を有する給電ステーション10と、受電コイルL3を有する移動体20とを備えている。移動体20は、受電コイルL3に誘導された交流電圧により充電される。 As shown in FIG. 1, the wireless power transmission system 1 includes a power supply station 10 having multiple power transmission coils L1 and L2, and a mobile object 20 having a power receiving coil L3. The mobile object 20 is charged by an AC voltage induced in the power receiving coil L3.

本実施形態に係る無線電力伝送システム1は、詳しくは後述するが、送電コイルL1を含む電源ユニット11Aのスイッチング周波数と、送電コイルL2を含む電源ユニット11Bのスイッチング周波数に基づいて、給電ステーション10に対する移動体20の位置を把握するように構成されている。より正確に言えば、電源ユニット11A,11Bのスイッチング周波数に基づいて、送電コイルL1および送電コイルL2からなる送電コイルユニットに対する受電コイルL3の位置を把握するように構成されている。把握された受電コイルL3の位置に基づき、給電ステーション10から移動体20への無線給電が行われる。 The wireless power transmission system 1 according to this embodiment, which will be described in detail later, is configured to grasp the position of the mobile object 20 relative to the power supply station 10 based on the switching frequency of the power supply unit 11A including the power transmission coil L1 and the switching frequency of the power supply unit 11B including the power transmission coil L2. More precisely, it is configured to grasp the position of the power receiving coil L3 relative to the power transmission coil unit consisting of the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 based on the switching frequencies of the power supply units 11A and 11B. Based on the grasped position of the power receiving coil L3, wireless power is supplied from the power supply station 10 to the mobile object 20.

<給電ステーション10>
次に、図2~図5を参照して、給電ステーション10の詳細について説明する。
<Power Supply Station 10>
Next, the power supply station 10 will be described in detail with reference to FIGS.

給電ステーション10は、送電コイルL1を含む電源ユニット11Aと、送電コイルL2を含む電源ユニット11Bと、電源ユニット11A,11Bを制御するプロセッサ(制御部)12とを有している。本実施形態では、給電ステーション10は水中移動体に無線給電を行うため、給電ステーション10の構成要素のうち少なくとも送電コイルL1,L2は水面下に配置される。 The power supply station 10 has a power supply unit 11A including a power transmission coil L1, a power supply unit 11B including a power transmission coil L2, and a processor (controller) 12 that controls the power supply units 11A and 11B. In this embodiment, the power supply station 10 wirelessly supplies power to the underwater moving object, so at least the power transmission coils L1 and L2 of the components of the power supply station 10 are placed below the water surface.

本実施形態では、電源ユニット11Aおよび電源ユニット11Bは同じ構成を有する。すなわち、各電源ユニット11A,11Bは、LC共振回路を含む送電部111と、直流電力を交流電力に変換する電力変換部112とを有する。図3は、送電部111および電力変換部112の構成例を示している。 In this embodiment, the power supply unit 11A and the power supply unit 11B have the same configuration. That is, each of the power supply units 11A and 11B has a power transmission unit 111 including an LC resonant circuit and a power conversion unit 112 that converts DC power to AC power. FIG. 3 shows an example of the configuration of the power transmission unit 111 and the power conversion unit 112.

図3に示すように、電源ユニット11Aの送電部111は、送電コイルL1、および送電コイルL1に直列接続されたキャパシタC1を有する。これにより、LC共振回路が構成される。同様に、電源ユニット11Bの送電部111は、送電コイルL2、および送電コイルL2に直列接続されたキャパシタC2を有する。キャパシタC1,C2は送電コイルL1,L2とともに共振回路を構成する共振キャパシタである。なお、キャパシタC1は送電コイルL1に並列接続されてもよい。同様に、キャパシタC2は送電コイルL2に並列接続されてもよい。 As shown in FIG. 3, the power transmission section 111 of the power supply unit 11A has a power transmission coil L1 and a capacitor C1 connected in series to the power transmission coil L1. This forms an LC resonant circuit. Similarly, the power transmission section 111 of the power supply unit 11B has a power transmission coil L2 and a capacitor C2 connected in series to the power transmission coil L2. The capacitors C1 and C2 are resonant capacitors that form a resonant circuit together with the power transmission coils L1 and L2. Note that the capacitor C1 may be connected in parallel to the power transmission coil L1. Similarly, the capacitor C2 may be connected in parallel to the power transmission coil L2.

本実施形態において、送電コイルL1のインダクタンスと送電コイルL2のインダクタンスの値は同じであり、キャパシタC1のキャパシタンスとキャパシタC2のキャパシタンスも同じである。また、送電コイルL1と送電コイルL2は環状であり、大きさ(直径)はほぼ等しい。 In this embodiment, the inductance of the power transmission coil L1 is the same as the inductance of the power transmission coil L2, and the capacitance of the capacitor C1 is also the same as the capacitance of the capacitor C2. In addition, the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 are annular and have approximately the same size (diameter).

電力変換部112は、直流電源Vdcから供給される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を送電部111に出力する。図3の構成例では、電力変換部112は、4つの半導体スイッチQ1~Q4から構成されるインバータである。ここでは、半導体スイッチとしてIGBTを用いているが、MOS-FET等の他の素子でもよい。 The power conversion unit 112 converts DC power supplied from a DC power source Vdc into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit 111. In the configuration example of Fig. 3, the power conversion unit 112 is an inverter composed of four semiconductor switches Q1 to Q4. Here, IGBTs are used as the semiconductor switches, but other elements such as MOS-FETs may also be used.

なお、電力変換部112の構成は図3に示すものに限られない。たとえば、電力変換部112は、半導体スイッチQ1~Q4からなるインバータ回路の前段に、AC/DCコンバータまたはDC/DCコンバータを備えるものであってもよいし、AC/DCコンバータおよびDC/DCコンバータを備えるものであってもよい。 The configuration of the power conversion unit 112 is not limited to that shown in FIG. 3. For example, the power conversion unit 112 may include an AC/DC converter or a DC/DC converter in front of the inverter circuit made up of the semiconductor switches Q1 to Q4, or may include an AC/DC converter and a DC/DC converter.

また、直流電源Vdcは、バッテリーに限らず、商用の交流を入力し直流に変換するコンバータ等により構成されるものであってもよい。 Furthermore, the DC power supply Vdc is not limited to a battery, but may be constituted by a converter that inputs commercial AC and converts it to DC.

プロセッサ12は、給電ステーション10を制御する制御部として機能する。プロセッサ12は、電力変換部12の半導体スイッチQ1~Q4を制御するスイッチング制御部121と、受電コイルL3の位置を把握する受電コイル位置把握部122とを有する。プロセッサ12は、マイコン、CPU、FPGA、ASIC等により構成される。 The processor 12 functions as a control unit that controls the power supply station 10. The processor 12 has a switching control unit 121 that controls the semiconductor switches Q1 to Q4 of the power conversion unit 12, and a power receiving coil position grasping unit 122 that grasps the position of the power receiving coil L3. The processor 12 is composed of a microcomputer, a CPU, an FPGA, an ASIC, etc.

本実施形態において、スイッチング制御部121および受電コイル位置把握部122は、プロセッサ12によって実行可能なソフトウェア(プログラム)により実現される。なお、これに限らず、スイッチング制御部121および受電コイル位置把握部122の少なくとも一部がハードウェアにより実現されてもよい。 In this embodiment, the switching control unit 121 and the power receiving coil position determination unit 122 are realized by software (programs) that can be executed by the processor 12. However, this is not limited to this, and at least a part of the switching control unit 121 and the power receiving coil position determination unit 122 may be realized by hardware.

スイッチング制御部121は、半導体スイッチQ1~Q4のオンオフ制御を行う。半導体スイッチQ1~Q4は数十kHz程度の高周波数でオンオフ制御される。これにより、直流電源Vdcから電力変換部112に入力された直流電力が交流電力に変換される。図3に示す回路の場合、半導体スイッチQ1およびQ4をオンにし且つ半導体スイッチQ2およびQ3をオフにする第1状態と、半導体スイッチQ1およびQ4をオフにし且つ半導体スイッチQ2およびQ3をオンにする第2状態とを繰り返すことで電力変換を行う。 The switching control unit 121 controls the on/off of the semiconductor switches Q1 to Q4. The semiconductor switches Q1 to Q4 are controlled to be on/off at a high frequency of about several tens of kHz. This converts the DC power input from the DC power source Vdc to the power conversion unit 112 into AC power. In the case of the circuit shown in Fig. 3, power conversion is performed by repeating a first state in which the semiconductor switches Q1 and Q4 are turned on and the semiconductor switches Q2 and Q3 are turned off, and a second state in which the semiconductor switches Q1 and Q4 are turned off and the semiconductor switches Q2 and Q3 are turned on.

スイッチング制御部121は、電力変換部112に対して共振周波数追従制御を行う。すなわち、スイッチング制御部121は、電力変換部112の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように電力変換部112を制御する。詳しくは、スイッチング制御部121は、電源ユニット11Aの電力変換部112の出力電圧Vinv1と出力電流Iinv1の位相差が0になるように当該電力変換部112の半導体スイッチQ1~Q4に対するスイッチング周波数(fsw)を制御する。同様に、スイッチング制御部121は、電源ユニット11Bの電力変換部112の出力電圧Vinv2と出力電流Iinv2の位相差が0になるように当該電力変換部112の半導体スイッチQ1~Q4に対するスイッチング周波数を制御する。 The switching control unit 121 performs resonance frequency tracking control on the power conversion unit 112. That is, the switching control unit 121 controls the power conversion unit 112 so that the phase difference between the output voltage V inv1 and the output current I inv1 of the power conversion unit 112 of the power supply unit 11A becomes zero. In detail, the switching control unit 121 controls the switching frequency (f sw ) of the semiconductor switches Q1 to Q4 of the power conversion unit 112 of the power supply unit 11A so that the phase difference between the output voltage V inv1 and the output current I inv1 of the power conversion unit 112 of the power supply unit 11A becomes zero. Similarly, the switching control unit 121 controls the switching frequency of the semiconductor switches Q1 to Q4 of the power conversion unit 112 of the power supply unit 11B so that the phase difference between the output voltage V inv2 and the output current I inv2 of the power conversion unit 112 of the power supply unit 11B becomes zero.

このように、スイッチング制御部121は、電源ユニット11A,11Bの各々に対し、電力変換部112の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように当該電力変換部のスイッチング周波数を制御する。 In this way, the switching control unit 121 controls the switching frequency of the power conversion unit 112 for each of the power supply units 11A and 11B so that the phase difference between the output voltage and output current of the power conversion unit 112 becomes zero.

なお、プロセッサ12は、一つのマイコン等のチップから構成される場合に限られない。たとえば、プロセッサ12は、各電源ユニットを制御する複数の個別のチップ(サブ制御部)と、それらサブ制御部を統括するチップ(メイン制御部)とを含むものとして構成されてもよい。 The processor 12 is not limited to being composed of a single chip such as a microcomputer. For example, the processor 12 may be composed of multiple individual chips (sub-controllers) that control each power supply unit, and a chip (main control unit) that oversees the sub-controllers.

受電コイル位置把握部122は、各電源ユニット11A,11Bのスイッチング周波数に基づいて受電コイルL3の送電コイルL1,L2に対する位置を把握する。受電コイル位置把握部122は、複数の電源ユニット11A,11Bのうち、ある電源ユニットの電力変換部112のスイッチング周波数が上昇すると、当該電源ユニットの送電コイルと、受電コイルL3との間の距離が縮まっていると判断する。反対に、電力変換部112のスイッチング周波数が低下すると、受電コイル位置把握部122は、当該電源ユニットの送電コイルと、受電コイルL3との間の距離が広がっていると判断する。 The receiving coil position determination unit 122 determines the position of the receiving coil L3 relative to the transmitting coils L1 and L2 based on the switching frequency of each power supply unit 11A, 11B. When the switching frequency of the power conversion unit 112 of a power supply unit among the multiple power supply units 11A, 11B increases, the receiving coil position determination unit 122 determines that the distance between the transmitting coil of that power supply unit and the receiving coil L3 has decreased. Conversely, when the switching frequency of the power conversion unit 112 decreases, the receiving coil position determination unit 122 determines that the distance between the transmitting coil of that power supply unit and the receiving coil L3 has increased.

受電コイル位置把握部122は、複数の電力変換部112のスイッチング周波数の変化に基づいて、受電コイルL3の複数の送電コイルL1,L2に対する位置ずれ方向を把握する。たとえば、電源ユニット11Aのスイッチング周波数が上昇し、電源ユニット11Bのスイッチング周波数が低下した場合は、受電コイルL3は送電コイルL2から送電コイルL1の方向に位置ずれしていると判断する。 The receiving coil position grasping unit 122 grasps the direction of positional deviation of the receiving coil L3 relative to the multiple transmitting coils L1, L2 based on changes in the switching frequencies of the multiple power conversion units 112. For example, if the switching frequency of the power supply unit 11A increases and the switching frequency of the power supply unit 11B decreases, it is determined that the receiving coil L3 is misaligned in the direction from the transmitting coil L2 to the transmitting coil L1.

受電コイル位置把握部122は、共振周波数追従制御下における複数の電力変換部112の各スイッチング周波数をモニタすることで、送電コイルユニットと受電コイルとの位置関係を把握することができる。なお、受電コイル位置把握部122は、3つ以上の電源ユニットの共振周波数に基づいて、3つ以上の送電コイルからなる送電コイルユニットに対する受電コイルの位置を把握してもよい。 The power receiving coil position grasping unit 122 can grasp the positional relationship between the power transmission coil unit and the power receiving coil by monitoring the switching frequencies of the multiple power conversion units 112 under resonant frequency tracking control. The power receiving coil position grasping unit 122 may grasp the position of the power receiving coil relative to the power transmission coil unit consisting of three or more power transmission coils based on the resonant frequencies of three or more power supply units.

次に、図4を参照して、電源ユニット11Aの送電コイルL1と電源ユニット11Bの送電コイルL2の配置について説明する。本実施形態において、送電コイルL1と送電コイルL2は、送電コイルL1と送電コイルL2間の結合係数(クロスカップリング)が極小値になるように配置される。図4に示すように、送電コイルL1と送電コイルL2は各々の一部が互いに重なるように配置されている。具体的には、環状の送電コイルL1,L2の直径が230mmのとき中心間距離d(送電コイルL1の中心Oと送電コイルL2の中心O間の距離)が140mmとなるように、送電コイルL1と送電コイルL2は配置されている。この配置のとき、図5に示すクロスカップリングの実測値のグラフからわかるように、送電コイルL1と送電コイルL2間の結合係数は極小値をとる。送電コイル間の結合係数をできるだけ小さくすることで、受電コイルの位置を正確に把握できるようになる。このように本実施形態では、送電コイルユニットは、互いに一部が重なるように配置された送電コイルL1および送電コイルL2からなる。 Next, the arrangement of the power transmission coil L1 of the power supply unit 11A and the power transmission coil L2 of the power supply unit 11B will be described with reference to FIG. 4. In this embodiment, the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 are arranged so that the coupling coefficient (cross-coupling) between the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 is a minimum value. As shown in FIG. 4, the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 are arranged so that a part of each of them overlaps with each other. Specifically, the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 are arranged so that the center-to-center distance d (the distance between the center O1 of the power transmission coil L1 and the center O2 of the power transmission coil L2) is 140 mm when the diameter of the annular power transmission coils L1 and L2 is 230 mm. In this arrangement, as can be seen from the graph of the measured cross-coupling values shown in FIG. 5, the coupling coefficient between the power transmission coil L1 and the power transmission coil L2 is a minimum value. By making the coupling coefficient between the power transmission coils as small as possible, the position of the power receiving coil can be accurately grasped. As described above, in this embodiment, the power transmitting coil unit is made up of the power transmitting coil L1 and the power transmitting coil L2 that are arranged so as to partially overlap each other.

なお、送電コイルL1と送電コイルL2は、クロスカップリングが所定のレベル未満であれば、他の配置であってもよい。すなわち、送電コイルL1と送電コイルL2間の結合係数が、送電コイルL1と受電コイルL3間の結合係数より小さく、かつ送電コイルL2と受電コイルL3間の結合係数より小さくなる配置であればよい。たとえば、送電コイルL1と送電コイルL2の中心間距離dが140mmより大きい配置としてもよい。また、送電コイルL1およびL2を互いの側面が接するように配置してもよい。 The power transmitting coil L1 and the power transmitting coil L2 may be arranged in other ways as long as the cross-coupling is less than a predetermined level. That is, the arrangement may be such that the coupling coefficient between the power transmitting coil L1 and the power transmitting coil L2 is smaller than the coupling coefficient between the power transmitting coil L1 and the power receiving coil L3 and is smaller than the coupling coefficient between the power transmitting coil L2 and the power receiving coil L3. For example, the power transmitting coil L1 and the power transmitting coil L2 may be arranged such that the center-to-center distance d is greater than 140 mm. The power transmitting coils L1 and L2 may also be arranged so that their sides are in contact with each other.

また、送電コイルの数(電源ユニットの数)は2つに限らず、3つ以上であってもよい。図6は、送電コイルユニットが3つの送電コイルL1,L2,L4で構成される場合の一例を示している。この例では、各送電コイルの中心O,O,Oが正三角形を形成するように配置されている。このような送電コイルユニットを用いることで、受電コイルの送電コイルユニットに対する平面位置および距離を把握することができる。図6に示すように送電コイルユニットが3つの送電コイルからなる場合、受電コイルが中心O,O,Oを頂点とする正三角形の中心(重心)の真上に位置することが高い充電効率を実現する上で望ましい。 In addition, the number of power transmission coils (the number of power supply units) is not limited to two, and may be three or more. FIG. 6 shows an example in which the power transmission coil unit is composed of three power transmission coils L1, L2, and L4. In this example, the centers O1 , O2 , and O3 of the power transmission coils are arranged to form an equilateral triangle. By using such a power transmission coil unit, the planar position and distance of the power receiving coil relative to the power transmission coil unit can be grasped. When the power transmission coil unit is composed of three power transmission coils as shown in FIG. 6, it is desirable to position the power receiving coil directly above the center (center of gravity) of the equilateral triangle with the centers O1 , O2 , and O3 as vertices in order to achieve high charging efficiency.

また、送電コイル間のクロスカップリングが各送電コイルと受電コイル間の係数よりも小さいならば、送電コイルユニットを構成する送電コイルの大きさは互いに異なっていてもよい。 Furthermore, if the cross-coupling between the power transmitting coils is smaller than the coefficient between each power transmitting coil and the power receiving coil, the sizes of the power transmitting coils that make up the power transmitting coil unit may be different from each other.

<移動体20>
次に、図7を参照して、給電ステーション10から無線給電される移動体20について詳しく説明する。本実施形態の移動体20は、AUVや遠隔操作無人探査機(Remotely Operated Vehicle:ROV)等の水中探査機である。
<Mobile object 20>
Next, the moving body 20 to which power is wirelessly fed from the power feeding station 10 will be described in detail with reference to Fig. 7. The moving body 20 in this embodiment is an underwater exploration vehicle such as an AUV or a remotely operated vehicle (ROV).

移動体20は、LC共振回路を含む受電部21と、受電コイルL3に誘導された交流電圧を整流する整流器22と、整流された直流電圧により充電されるバッテリー23と、1つまたは複数のセンサ24と、移動体20を駆動するための駆動部25と、駆動部25等を制御するプロセッサ26とを備えている。 The mobile body 20 includes a power receiving unit 21 including an LC resonant circuit, a rectifier 22 that rectifies the AC voltage induced in the power receiving coil L3, a battery 23 that is charged by the rectified DC voltage, one or more sensors 24, a drive unit 25 for driving the mobile body 20, and a processor 26 that controls the drive unit 25 and the like.

受電部21は、図3の回路図に示すように、受電コイルL3、および受電コイルL3に直列接続されたキャパシタC3を有する。キャパシタC3は受電コイルL3とともに共振回路を構成するキャパシタである。キャパシタC3は受電コイルL3に並列接続されてもよい。 As shown in the circuit diagram of FIG. 3, the power receiving unit 21 has a power receiving coil L3 and a capacitor C3 connected in series to the power receiving coil L3. The capacitor C3 is a capacitor that configures a resonant circuit together with the power receiving coil L3. The capacitor C3 may be connected in parallel to the power receiving coil L3.

本実施形態では、受電コイルL3のインダクタンスは、送電コイルL1および送電コイルL2のインダクタンスの値と同じであり(L3=L1=L2)、キャパシタC3のキャパシタンスは、送電部111のキャパシタC1とキャパシタC2のキャパシタンスと同じである(C3=C1=C2)。また、環状の受電コイルL3の大きさ(直径)は、送電コイルL1(送電コイルL2)の大きさとほぼ等しい。 In this embodiment, the inductance of the receiving coil L3 is the same as the inductance value of the transmitting coil L1 and the transmitting coil L2 (L3 = L1 = L2), and the capacitance of the capacitor C3 is the same as the capacitance of the capacitors C1 and C2 of the transmitting unit 111 (C3 = C1 = C2). In addition, the size (diameter) of the annular receiving coil L3 is approximately equal to the size of the transmitting coil L1 (transmitting coil L2).

整流器22は、受電部21に入力が接続され、受電コイルL3に誘導された交流電圧を整流するように構成されている。本実施形態では、整流器22は、図3に示すように、4つのダイオードD1,D2,D3,D4から構成されるブリッジダイオードと、その出力端に接続された平滑キャパシタCとを有する。 The rectifier 22 has an input connected to the power receiving unit 21 and is configured to rectify the AC voltage induced in the power receiving coil L3. In this embodiment, as shown in Fig. 3, the rectifier 22 has a bridge diode composed of four diodes D1, D2, D3, and D4, and a smoothing capacitor CO connected to the output end of the bridge diode.

なお、整流器22は、ブリッジダイオードの後段に電圧調整用のDC/DCコンバータをさらに有してもよい。また、整流器22は、ブリッジダイオードに代えてAC/DCコンバータを有してもよい。あるいは、整流器22は、ブリッジダイオードの前段にAC/DCコンバータを有してもよい。 The rectifier 22 may further include a DC/DC converter for voltage adjustment after the bridge diode. The rectifier 22 may also include an AC/DC converter instead of the bridge diode. Alternatively, the rectifier 22 may include an AC/DC converter before the bridge diode.

バッテリー23は、整流器22の出力端に接続されており、整流器22により整流された直流電圧により充電される。バッテリー23は、例えば、二次電池(リチウムイオン電池等)である。バッテリー23が供給する電力により、センサ24、駆動部25およびプロセッサ26などが動作する。なお、バッテリー23は、当該バッテリーを管理するためのバッテリー管理ユニット(Battery Management Unit:BMU)を有してもよい。 The battery 23 is connected to the output terminal of the rectifier 22 and is charged by the DC voltage rectified by the rectifier 22. The battery 23 is, for example, a secondary battery (lithium ion battery, etc.). The sensor 24, the drive unit 25, the processor 26, etc. operate using the power supplied by the battery 23. The battery 23 may have a battery management unit (BMU) for managing the battery.

センサ24は、水中を探査するために設けられたセンサであり、観測目的や観測対象に応じた各種のセンサないし測定装置である。センサ24は、たとえば、ドップラ式速度計(Doppler Velocity Log:DVL)、ジャイロコンパス、深度計である。なお、ジャイロコンパスの代わりに、姿勢方位センサまたは慣性航法装置が設けられてもよい。また、移動体20の本体の先頭部分に、マルチビームソーナー(Multi-beam sonar)が設けられてもよい。 The sensor 24 is a sensor provided for underwater exploration, and is a variety of sensors or measuring devices according to the observation purpose and observation target. The sensor 24 is, for example, a Doppler velocity log (DVL), a gyrocompass, or a depth finder. Note that an attitude and orientation sensor or an inertial navigation system may be provided instead of the gyrocompass. A multi-beam sonar may also be provided at the front of the main body of the moving body 20.

駆動部25は、移動体20を移動ないし推進させるように構成されている。本実施形態において駆動部25は、図示しないが、本体の船尾に設けられたプロペラと、プロペラを回転駆動するモータとを有する。なお、駆動部25は、移動体20内部に設けられたインペラの回転により加圧された水を外部に向けて噴射するウォータジェット推進装置であってもよい。 The drive unit 25 is configured to move or propel the moving body 20. In this embodiment, the drive unit 25 has a propeller provided at the stern of the main body and a motor that rotates and drives the propeller, although not shown. The drive unit 25 may be a water jet propulsion device that sprays pressurized water toward the outside by the rotation of an impeller provided inside the moving body 20.

プロセッサ26は、バッテリー23や駆動部25等を制御する。プロセッサ26は、たとえば、CPU、マイコン、FPGA、ASIC等により構成される。 The processor 26 controls the battery 23, the drive unit 25, etc. The processor 26 is composed of, for example, a CPU, a microcomputer, an FPGA, an ASIC, etc.

なお、上記構成の他、移動体20は、音波通信トランスデューサや、GPS信号を受信することが可能な無線通信アンテナといった通信装置を備えてもよい。 In addition to the above configuration, the mobile unit 20 may also be equipped with a communication device such as an acoustic communication transducer or a wireless communication antenna capable of receiving GPS signals.

<コイル間の位置関係と結合係数>
次に、図8および図9を参照して、送電コイルユニット(送電コイルL1,L2)と受電コイルとの位置関係と、各コイル間の結合係数との間の関係について説明する。
<Positional relationship between coils and coupling coefficient>
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, the relationship between the positional relationship between the power transmitting coil unit (power transmitting coils L1, L2) and the power receiving coil, and the coupling coefficient between the coils will be described.

図8の上段に示す位置関係Iにおいて、受電コイルL3は送電コイルユニットの中心の真上に位置する。このとき、受電コイルL3の中心と、送電コイルユニットの中心との間の水平方向の距離は0mmである。このとき、図9のグラフからわかるように、送電コイルL1と受電コイルL3間の結合係数k13と、送電コイルL2と受電コイルL3間の結合係数k23とはほぼ等しい。送電コイルL1と送電コイルL2間の結合係数k12は、前述のように配置を工夫することで結合係数k13,結合係数k23に比べて小さい値になっている。なお、無線給電の際は、位置関係Iのように受電コイルL3が送電コイルユニットの真上に位置することが充電効率を高める上で望ましい。 In the positional relationship I shown in the upper part of FIG. 8, the receiving coil L3 is located directly above the center of the power transmitting coil unit. At this time, the horizontal distance between the center of the receiving coil L3 and the center of the power transmitting coil unit is 0 mm. At this time, as can be seen from the graph of FIG. 9, the coupling coefficient k13 between the power transmitting coil L1 and the receiving coil L3 and the coupling coefficient k23 between the power transmitting coil L2 and the receiving coil L3 are almost equal. The coupling coefficient k12 between the power transmitting coil L1 and the power transmitting coil L2 is smaller than the coupling coefficients k13 and k23 by devising the arrangement as described above. Note that, when wireless power supply is performed, it is desirable to position the receiving coil L3 directly above the power transmitting coil unit as in the positional relationship I in order to increase charging efficiency.

図8の中段に示す位置関係IIにおいて、受電コイルL3は送電コイルL1の真上に位置する。このとき、受電コイルL3の中心と送電コイルユニットの中心との間の水平方向の距離dは70mmである。このとき、図9のグラフからわかるように、送電コイルL1と受電コイルL3間の結合係数k13は位置関係Iのときよりも大きくなり極大値をとる。他方、結合係数k23は位置関係Iの場合よりも小さい値である。 In positional relationship II shown in the middle of Fig. 8, the receiving coil L3 is located directly above the transmitting coil L1. In this case, the horizontal distance d1 between the center of the receiving coil L3 and the center of the transmitting coil unit is 70 mm. In this case, as can be seen from the graph in Fig. 9, the coupling coefficient k13 between the transmitting coil L1 and the receiving coil L3 becomes larger than that in positional relationship I and takes a maximum value. On the other hand, the coupling coefficient k23 is a smaller value than that in positional relationship I.

図8の下段に示す位置関係IIIにおいて、受電コイルL3はその中心が送電コイルL1の中心よりも左側に位置する。このとき、受電コイルL3の中心と送電コイルユニットの中心との間の水平方向の距離dは120mmである。このとき、図9のグラフからわかるように、送電コイルL1と受電コイルL3間の結合係数k13は、位置関係IIのときよりも小さくなる。他方、結合係数k23は位置関係IIの場合とほぼ同じ値である。 In the positional relationship III shown in the lower part of Fig. 8, the center of the receiving coil L3 is located to the left of the center of the transmitting coil L1. In this case, the horizontal distance d2 between the center of the receiving coil L3 and the center of the transmitting coil unit is 120 mm. In this case, as can be seen from the graph in Fig. 9, the coupling coefficient k13 between the transmitting coil L1 and the receiving coil L3 is smaller than that in the positional relationship II. On the other hand, the coupling coefficient k23 is approximately the same value as in the case of the positional relationship II.

図9から分かるように、受電コイルと送電コイルユニットとの位置関係によらず、送電コイルL1と送電コイルL2間の結合係数k12は、結合係数k13および結合係数k23のいずれよりも小さい。このように送電コイルユニットにおいては、クロスカップリング(結合係数k12)が各送電コイルと受電コイルとの間の結合係数(k13、k23)のいずれよりも小さくなるように送電コイルL1および送電コイルL2が配置されている。これにより、結合係数k13および結合係数k23に基づいて(すなわち、電源ユニット11A,11Bの各スイッチング周波数に基づいて)、受電コイルL3の送電コイルユニットに対する位置関係を正確に把握することが可能となる。 9, regardless of the positional relationship between the receiving coil and the transmitting coil unit, the coupling coefficient k12 between the transmitting coil L1 and the transmitting coil L2 is smaller than both the coupling coefficient k13 and the coupling coefficient k23 . In this manner, in the transmitting coil unit, the transmitting coil L1 and the transmitting coil L2 are arranged such that the cross-coupling (coupling coefficient k12 ) is smaller than both the coupling coefficients ( k13 , k23 ) between the transmitting coils and the receiving coils. This makes it possible to accurately grasp the positional relationship of the receiving coil L3 with respect to the transmitting coil unit based on the coupling coefficient k13 and the coupling coefficient k23 (i.e., based on the switching frequencies of the power supply units 11A and 11B).

<結合係数と共振周波数との関係>
図10および図11を参照して、コイル間の結合係数と、共振周波数追従制御におけるスイッチング周波数(共振周波数)との間の関係について説明する。ここでは、1つの電源ユニットと受電コイルとからなる系を考える。
<Relationship between coupling coefficient and resonance frequency>
The relationship between the coupling coefficient between the coils and the switching frequency (resonant frequency) in the resonant frequency tracking control will be described with reference to Fig. 10 and Fig. 11. Here, a system consisting of one power supply unit and a power receiving coil will be considered.

図10は、1つの送電部と1つの受電部からなる系のT型等価回路を示している。本実施形態のように送電コイルおよび受電コイルのそれぞれに共振キャパシタを直列に接続した直列-直列補償(SS)方式の場合、スイッチング周波数(共振周波数)は式(1)および式(2)で与えられる。ここでは、送受電間でインダクタンスおよびキャパシタンスが等しいとし、巻線抵抗や鉄損抵抗は存在しないと仮定している。また、簡略化のため、入力交流電源は、インバータの方形波の基本波成分のみを考慮した正弦波電圧源vinv-fとした。
FIG. 10 shows a T-type equivalent circuit of a system consisting of one power transmitting unit and one power receiving unit. In the case of a series-series compensation (SS) method in which a resonant capacitor is connected in series to each of the power transmitting coil and the power receiving coil as in this embodiment, the switching frequency (resonant frequency) is given by formulas (1) and (2). Here, it is assumed that the inductance and capacitance are equal between the transmitting and receiving coils, and that there is no winding resistance or iron loss resistance. For simplification, the input AC power source is a sinusoidal voltage source v inv-f that takes into account only the fundamental wave component of the square wave of the inverter.

ここで、Lは送電コイルおよび受電コイルのインダクタンス、Cは共振キャパシタのキャパシタンス、RacSは交流等価抵抗、kは送電コイルと受電コイル間の結合係数である。 Here, L is the inductance of the transmitting coil and the receiving coil, C is the capacitance of the resonant capacitor, R acS is the AC equivalent resistance, and k is the coupling coefficient between the transmitting coil and the receiving coil.

交流等価抵抗RacSは、負荷抵抗Rを用いて、式(3)で与えられる。
The AC equivalent resistance R acS is given by equation (3) using the load resistance R L.

図11は、式(1)および式(2)によるスイッチング周波数の計算値(実線)と実測値(黒丸)を示している。また、図11では、受信コイルに誘導された電圧の計算値(実線)と実測値(白丸)も示している。スイッチング周波数の計算では、L=135μH、C=1.76μF、R=3Ωの値を用いた。 Figure 11 shows the calculated (solid line) and measured (black circles) values of the switching frequency according to equations (1) and (2). Figure 11 also shows the calculated (solid line) and measured (white circles) values of the voltage induced in the receiving coil. The values of L = 135 μH, C = 1.76 μF, and R L = 3 Ω were used in the calculation of the switching frequency.

図11からわかるように、送電コイルと受電コイル間の結合係数kが約0.3未満の領域においてスイッチング周波数は一定値となる。他方、結合係数kが約0.3以上の領域では、結合係数kが大きくなるにつれてスイッチング周波数fSWは大きくなる。換言すれば、結合係数が約0.3以上の場合、スイッチング周波数は送電コイルと受電コイル間の結合係数が大きくなるにつれて高くなる。送電コイルと受電コイルとの位置関係は結合係数に関係する。したがって、スイッチング周波数(共振周波数)をモニタすることで、送電コイルに対する受電コイルの位置を把握することができる。 As can be seen from FIG. 11, the switching frequency is constant in a region where the coupling coefficient k between the transmitting coil and the receiving coil is less than about 0.3. On the other hand, in a region where the coupling coefficient k is about 0.3 or more, the switching frequency f SW increases as the coupling coefficient k increases. In other words, when the coupling coefficient is about 0.3 or more, the switching frequency increases as the coupling coefficient between the transmitting coil and the receiving coil increases. The positional relationship between the transmitting coil and the receiving coil is related to the coupling coefficient. Therefore, by monitoring the switching frequency (resonant frequency), the position of the receiving coil relative to the transmitting coil can be grasped.

なお、送電部111においてキャパシタC1,C2が送電コイルL1,L2に並列に接続されて共振回路が構成される場合についても、スイッチング周波数は送電コイルと受電コイル間の結合係数が大きくなるにつれて高くなることから、スイッチング周波数(共振周波数)をモニタすることで送電コイルに対する受電コイルの位置を把握することができる。 In addition, even when the capacitors C1 and C2 are connected in parallel to the power transmission coils L1 and L2 in the power transmission unit 111 to form a resonant circuit, the switching frequency increases as the coupling coefficient between the power transmission coil and the power receiving coil increases, so the position of the power receiving coil relative to the power transmission coil can be determined by monitoring the switching frequency (resonant frequency).

なお、図11に示すように、受電コイルに発生する電圧Vrecは、結合係数が約0.3以上の領域において、ほぼ一定である。このことは、移動体のバッテリーを充電するのに有利な特性である。すなわち、一般的な非接触電力伝送システムでは、受電側の電圧の値を送電側にフィードバックして送電側のスイッチング周波数を調整するが、本実施形態において電圧Vrecはほぼ一定であるため、このようなフィードバックを行う必要がない。 As shown in Fig. 11, the voltage Vrec generated in the power receiving coil is almost constant in a region where the coupling coefficient is about 0.3 or more. This is an advantageous characteristic for charging the battery of a mobile object. That is, in a typical contactless power transfer system, the voltage value on the power receiving side is fed back to the power transmitting side to adjust the switching frequency on the power transmitting side, but in this embodiment, since the voltage Vrec is almost constant, such feedback is not necessary.

<電圧・電流の時間波形>
次に、図12および図13を参照して、図3の回路構成において実測された送電コイルおよび受電コイルにおける電圧波形および電流波形について説明する。なお、ここではコイル間の位置関係の変化による位相差の変化を見るために共振周波数追従制御は行っていない。図12および図13において、一目盛りは10μSecである。
<Voltage and current waveforms>
Next, referring to Fig. 12 and Fig. 13, the voltage waveforms and current waveforms in the transmitting coil and the receiving coil actually measured in the circuit configuration of Fig. 3 will be described. Note that, in order to observe the change in the phase difference due to the change in the positional relationship between the coils, the resonance frequency tracking control is not performed. In Fig. 12 and Fig. 13, one division is 10 μSec.

図12は、位置関係I(図8の上段)における、電源ユニット11Aの電圧Vinv1および電流Iinv1と、電源ユニット11Bの電圧Vinv2および電流Iinv2と、受電部21の電圧Vrecおよび電流Irecの時間波形を示している。この図からわかるように、電圧Vinv1と電流Iinv1および電圧Vinv2と電流Iinv2は、それぞれ、ほぼ同位相(位相差が約0)である。 12 shows the time waveforms of the voltage V inv1 and current I inv1 of the power supply unit 11A, the voltage V inv2 and current I inv2 of the power supply unit 11B, and the voltage V rec and current I rec of the power receiving unit 21, in positional relationship I (upper part of FIG. 8). As can be seen from this figure, the voltage V inv1 and current I inv1 , and the voltage V inv2 and current I inv2 are approximately in phase (phase difference is approximately 0).

図13は、位置関係Iにおいて受電コイルL3が送電コイルL1側に水平移動した場合(位置関係Iと位置関係IIの間)における、電源ユニット11Aの電圧Vinv1および電流Iinv1と、電源ユニット11Bの電圧Vinv2および電流Iinv2と、受電部21の電圧Vrecおよび電流Irecの時間波形を示している。 FIG. 13 shows the time waveforms of the voltage V inv1 and current I inv1 of the power supply unit 11A, the voltage V inv2 and current I inv2 of the power supply unit 11B, and the voltage V rec and current I rec of the power receiving unit 21 when the power receiving coil L3 is moved horizontally toward the power transmitting coil L1 side in the positional relationship I (between the positional relationship I and the positional relationship II) .

共振周波数追従制御は行われていないため、図13からわかるように、電源ユニット11Aの電流は電圧に比べて位相が進んでいる。これは受電コイルL3が電源ユニット11Aの送電コイルL1に近づき、結合係数k13が大きくなったことに対応する。他方、電源ユニット11Bの電流は電圧に比べて位相が遅れている。これは受電コイルL3が電源ユニット11Bの送電コイルL2から遠ざかり、結合係数k23が小さくなったことに対応する。共振周波数追従制御を行う場合は、位相差が0になるように電力変換部112が制御されるため、電源ユニット11Aのスイッチング周波数は位相の進みに応じて上昇し、電源ユニット11Bのスイッチング周波数は位相の遅れに応じて低下する。 Since the resonant frequency tracking control is not performed, the current of the power supply unit 11A leads in phase compared to the voltage, as can be seen from FIG. 13. This corresponds to the receiving coil L3 approaching the power transmission coil L1 of the power supply unit 11A and the coupling coefficient k13 becoming larger. On the other hand, the current of the power supply unit 11B lags in phase compared to the voltage. This corresponds to the receiving coil L3 moving away from the power transmission coil L2 of the power supply unit 11B and the coupling coefficient k23 becoming smaller. When the resonant frequency tracking control is performed, the power conversion unit 112 is controlled so that the phase difference becomes 0, so that the switching frequency of the power supply unit 11A increases in accordance with the phase lead, and the switching frequency of the power supply unit 11B decreases in accordance with the phase lag.

したがって、共振周波数追従制御下にある電源ユニット11A,11Bのスイッチング周波数(すなわち、共振周波数)をモニタすることで、受電コイルL3と送電コイルユニットとの位置関係を把握することができる。 Therefore, by monitoring the switching frequency (i.e., the resonant frequency) of the power supply units 11A and 11B under resonant frequency tracking control, the positional relationship between the receiving coil L3 and the transmitting coil unit can be grasped.

次に、共振周波数追従制御下におけるスイッチング周波数の変化の実測値について説明する。図14は、送電コイルL1,L2からなる送電コイルユニットと、1つの受電コイルL3との間の距離(水平距離、位置ずれ量)と、送電コイルL1を有する電源ユニット11Aの共振周波数との関係を示すグラフである。共振周波数は実測値である。このグラフから分かるように、共振周波数は、送電コイルL1と受電コイルL3との間の結合係数が最も大きくなる距離70mmの場合(位置関係II、図8の中段)において最大値をとる。なお、図示しないが、電源ユニット11Bの共振周波数は、受電コイルL3が送電コイルL2から離れるため、単調に低下する。 Next, the actual measured values of the change in switching frequency under resonant frequency tracking control will be described. FIG. 14 is a graph showing the relationship between the distance (horizontal distance, positional deviation) between the power transmission coil unit consisting of the power transmission coils L1 and L2 and one power receiving coil L3, and the resonant frequency of the power supply unit 11A having the power transmission coil L1. The resonant frequency is an actual measured value. As can be seen from this graph, the resonant frequency is maximum when the distance between the power transmission coil L1 and the power receiving coil L3 is 70 mm (positional relationship II, middle part of FIG. 8), at which the coupling coefficient between the power transmission coil L1 and the power receiving coil L3 is the largest. Although not shown, the resonant frequency of the power supply unit 11B decreases monotonically as the power receiving coil L3 moves away from the power transmission coil L2.

このように電源ユニット11Aと電源ユニット11Bの共振周波数をそれぞれモニタすることで、プロセッサ12の受電コイル位置把握部122は、受電コイルL3(移動体20)が送電コイルユニットに対してどちらの方向に位置ずれしたのか(送電コイルL1側にずれたのか送電コイルL2側にずれたのか)を検出することができる。すなわち、受電コイル位置把握部122は、電源ユニット11A,11Bのスイッチング周波数に基づいて受電コイルL3の送電コイルL1,L2に対する位置を把握する。 By monitoring the resonant frequencies of power supply unit 11A and power supply unit 11B in this manner, the power receiving coil position determination unit 122 of the processor 12 can detect in which direction the power receiving coil L3 (mobile body 20) has shifted relative to the power transmitting coil unit (towards the power transmitting coil L1 or towards the power transmitting coil L2). In other words, the power receiving coil position determination unit 122 determines the position of the power receiving coil L3 relative to the power transmitting coils L1 and L2 based on the switching frequencies of the power supply units 11A and 11B.

また、電源ユニット11A,11Bの両方のスイッチング周波数の変化をモニタすることで受電コイルL3の移動方向を把握することができる。これに対して、電源ユニット11Aおよび電源ユニット11Bの一方のスイッチング周波数のみをモニタする場合は、受電コイルL3の移動方向を把握できない。たとえば、電源ユニット11Aのスイッチング周波数のみをモニタする場合、受電コイルL3が送電コイルL1に近づいている(または遠のいている)ことは把握できるが、受電コイルL3が送電コイルL1のどちらの方向から近づいているのか(またはどちらの方向に遠のいているのか)を把握できない。すなわち、受電コイルL3が送電コイルL2側から近づいているのか、送電コイルL2の反対側から近づいているのかを把握することができない。本実施形態では、電源ユニット11Aと電源ユニット11Bの両方のスイッチング周波数をモニタすることで、上記のように受電コイルL3の移動方向を把握することができる。 In addition, the movement direction of the receiving coil L3 can be grasped by monitoring the change in the switching frequency of both the power supply units 11A and 11B. In contrast, when only the switching frequency of one of the power supply units 11A and 11B is monitored, the movement direction of the receiving coil L3 cannot be grasped. For example, when only the switching frequency of the power supply unit 11A is monitored, it can be grasped that the receiving coil L3 is approaching (or moving away from) the transmitting coil L1, but it cannot be grasped from which direction of the transmitting coil L1 the receiving coil L3 is approaching (or moving away from). In other words, it cannot be grasped whether the receiving coil L3 is approaching from the transmitting coil L2 side or from the opposite side of the transmitting coil L2. In this embodiment, the movement direction of the receiving coil L3 can be grasped as described above by monitoring the switching frequencies of both the power supply units 11A and 11B.

なお、図8の上段に示す位置関係Iにおいて無線給電が行われている状況において、海流等の影響により移動体20の位置がずれた場合、電源ユニット11Aと電源ユニット11Bのスイッチング周波数が互いに異なるようになる。たとえば、位置ずれにより受電コイルL3が送電コイルL1に近づいた場合、電源ユニット11Aのスイッチング周波数は上昇し、電源ユニット11Bのスイッチング周波数は低下する。その結果、受電コイルL3に誘導される電圧の周波数成分が複数となり、バッテリー23の充電効率が低下する。これを避けるために、スイッチング制御部121は、電源ユニット11A,11Bのスイッチング周波数を高い方に合わせる制御を行ってもよい。たとえば、電源ユニット11Aのスイッチング周波数が上昇した場合、電源ユニット11Bのスイッチング周波数が電源ユニット11Aのスイッチング周波数に一致するように電源ユニット11Bの電力変換部を制御する。たとえば、周波数差が所定値以上になった場合に、電源ユニット11Aのスイッチング周波数が上昇したと判定してもよい。このような協調制御を行うことで、充電効率の低下を抑制することができる。 In addition, in a situation where wireless power supply is performed in the positional relationship I shown in the upper part of FIG. 8, if the position of the moving body 20 is shifted due to the influence of ocean currents, etc., the switching frequencies of the power supply unit 11A and the power supply unit 11B will differ from each other. For example, if the receiving coil L3 approaches the transmitting coil L1 due to a positional shift, the switching frequency of the power supply unit 11A will increase and the switching frequency of the power supply unit 11B will decrease. As a result, the frequency components of the voltage induced in the receiving coil L3 will become multiple, and the charging efficiency of the battery 23 will decrease. In order to avoid this, the switching control unit 121 may perform control to match the switching frequency of the power supply units 11A and 11B to the higher one. For example, if the switching frequency of the power supply unit 11A increases, the power conversion unit of the power supply unit 11B is controlled so that the switching frequency of the power supply unit 11B matches the switching frequency of the power supply unit 11A. For example, if the frequency difference becomes equal to or greater than a predetermined value, it may be determined that the switching frequency of the power supply unit 11A has increased. By performing such cooperative control, it is possible to suppress a decrease in charging efficiency.

<作用効果>
以上説明したように、本実施形態において、給電ステーション10の受電コイル位置把握部122は、複数の電源ユニットの共振周波数に基づいて受電コイルと送電コイルユニットとの位置関係を把握するため、移動体20の情報を給電ステーション10にフィードバックするための回路等が不要である。したがって、たとえば、電源ユニット11A,11Bの電力変換部12を制御するマイコンのソフトウェアにより、スイッチング制御部121および受電コイル位置把握部122を実現することができ、追加的なハードウェアは不要である。よって、本実施形態によれば、簡易な構成で送電コイルと受電コイルの位置関係を把握することができる。
<Action and effect>
As described above, in this embodiment, the power receiving coil position determining unit 122 of the power supply station 10 determines the positional relationship between the power receiving coil and the power transmitting coil unit based on the resonance frequencies of multiple power supply units, and therefore does not require a circuit or the like for feeding back information about the moving object 20 to the power supply station 10. Therefore, for example, the switching control unit 121 and the power receiving coil position determining unit 122 can be realized by software of a microcomputer that controls the power conversion units 12 of the power supply units 11A and 11B, and no additional hardware is required. Therefore, according to this embodiment, the positional relationship between the power transmitting coil and the power receiving coil can be determined with a simple configuration.

また、本実施形態によれば、上記位置関係の把握は、送電コイルと受電コイル間の電力伝送しながら行うことができる。このため、受電コイルの位置把握のために電力伝送を停止する必要がなく、効率的な無線充電を実現することができる。 Furthermore, according to this embodiment, the positional relationship can be grasped while power is being transmitted between the power transmitting coil and the power receiving coil. Therefore, there is no need to stop power transmission to grasp the position of the power receiving coil, and efficient wireless charging can be realized.

また、本実施形態によれば、給電ステーション10は、移動体20からの情報(受電コイルL3に発生した電圧等)を用いることなく、送電コイルユニットに対する受電コイルの位置を把握することができる。よって、水中での無線給電など、電波の減衰により送受信間で情報通信することが困難な状況であっても、本実施形態は適用可能である。 In addition, according to this embodiment, the power supply station 10 can grasp the position of the power receiving coil relative to the power transmission coil unit without using information from the moving body 20 (such as the voltage generated in the power receiving coil L3). Therefore, this embodiment can be applied even in situations where it is difficult to communicate information between the transmitter and receiver due to radio wave attenuation, such as wireless power supply underwater.

水中では、海流などの影響により移動体20の位置が変動的である。また、水が粘性流体であるため、移動体20の細かな位置制御を行うことが困難である。このような状況であっても、本実施形態によれば、把握された位置関係に基づいて、給電に用いる送電コイルユニットを選択することができ、効率的な無線給電を行うことができる。このように水中で効率的な無線給電を行えるため、AUV等の水中移動体を母船等に引き上げなくても充電を行うことが可能となる。 Underwater, the position of the moving body 20 fluctuates due to the influence of ocean currents and the like. In addition, because water is a viscous fluid, it is difficult to perform fine position control of the moving body 20. Even in such a situation, according to this embodiment, it is possible to select the power transmission coil unit to be used for power supply based on the grasped positional relationship, and efficient wireless power supply can be performed. Since efficient wireless power supply can be performed underwater in this way, it becomes possible to charge an underwater moving body such as an AUV without having to pull it up onto a mother ship, etc.

また、本実施形態によれば、共振周波数追従制御された複数の電力変換部のスイッチング周波数の変化に基づいて、送電コイルユニットに対する受電コイルの位置ずれ方向を把握することができる。 In addition, according to this embodiment, the direction of positional deviation of the receiving coil relative to the transmitting coil unit can be determined based on the change in the switching frequency of multiple power conversion units that are controlled to follow the resonant frequency.

また、本実施形態では、複数の送電コイルを1つの送電コイルユニットとして機能させるので、一つの電源ユニットが故障しても、他方の電源ユニットにより無線充電を継続することができる。その結果、無線電力伝送システムの信頼性を向上させることができる。 In addition, in this embodiment, multiple power transmission coils function as one power transmission coil unit, so that even if one power supply unit fails, wireless charging can be continued by the other power supply unit. As a result, the reliability of the wireless power transmission system can be improved.

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。 Based on the above description, a person skilled in the art may be able to conceive of additional effects and various modifications of the present invention, but the aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiment. Various additions, modifications, and partial deletions are possible within the scope of the conceptual idea and intent of the present invention derived from the contents defined in the claims and their equivalents.

1 無線電力伝送システム
10 給電ステーション
11A,11B 電源ユニット
111 送電部
112 電力変換部
12 プロセッサ
121 スイッチング制御部
122 受電コイル位置把握部
20 移動体
21 受電部
22 整流器
23 バッテリー
24 センサ
25 駆動部
26 プロセッサ
C1,C2,C3 キャパシタ
D1,D2,D3,D4 ダイオード
L1,L2 送電コイル
L3 受電コイル
Q1,Q2,Q3,Q4 半導体スイッチ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Wireless power transmission system 10 Power supply stations 11A, 11B Power supply unit 111 Power transmission section 112 Power conversion section 12 Processor 121 Switching control section 122 Power receiving coil position determination section 20 Mobile body 21 Power receiving section 22 Rectifier 23 Battery 24 Sensor 25 Drive section 26 Processor C1, C2, C3 Capacitor D1, D2, D3, D4 Diode L1, L2 Power transmission coil L3 Power receiving coil Q1, Q2, Q3, Q4 Semiconductor switch

Claims (10)

複数の電源ユニットおよび制御部を有する給電ステーションと、
前記給電ステーションから無線給電される移動体と、を備え、
前記各電源ユニットは、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記移動体は、
受電コイル、および前記受電コイルに接続された共振キャパシタを有する受電部と、
前記受電コイルに誘導された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流器の出力に電気的に接続されたバッテリーと、を有し、
前記複数の電源ユニットが有する複数の前記送電コイルは、クロスカップリングが前記各送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数のいずれよりも小さくなるように配置されており、
前記給電ステーションの前記制御部は、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部と、
前記複数の電力変換部のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部と、を有する、無線電力伝送システム。
a power supply station having a plurality of power supply units and a control unit;
a moving object to which power is wirelessly supplied from the power supply station,
Each of the power supply units is
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
The moving body is
a power receiving unit having a power receiving coil and a resonance capacitor connected to the power receiving coil;
a rectifier that rectifies the AC voltage induced in the power receiving coil;
a battery electrically connected to an output of the rectifier;
the plurality of power transmitting coils of the plurality of power supply units are arranged such that cross-coupling is smaller than any of coupling coefficients between the respective power transmitting coils and the power receiving coils;
The control unit of the power supply station
a switching control unit that controls a switching frequency of the power conversion unit so that a phase difference between an output voltage and an output current of the power conversion unit becomes zero for each of the power supply units;
a power receiving coil position determining unit that determines a position of the power receiving coil relative to the power transmitting coils based on switching frequencies of the power conversion units.
前記受電コイル位置把握部は、前記複数の電源ユニットのうち、ある電源ユニットの前記電力変換部のスイッチング周波数が上昇すると、当該電源ユニットの送電コイルと、前記受電コイルとの間の距離が縮まっていると判断し、前記電力変換部のスイッチング周波数が低下すると、当該電源ユニットの送電コイルと、前記受電コイルとの間の距離が広がっていると判断する、請求項1に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 1, wherein the receiving coil position grasping unit determines that the distance between the transmitting coil of a power supply unit and the receiving coil of the power supply unit is shortened when the switching frequency of the power conversion unit of a power supply unit among the plurality of power supply units increases, and determines that the distance between the transmitting coil of the power supply unit and the receiving coil of the power supply unit is shortened when the switching frequency of the power conversion unit decreases. 前記受電コイル位置把握部は、前記複数の電力変換部のスイッチング周波数の変化に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置ずれ方向を把握する、請求項2に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 2, wherein the power receiving coil position determination unit determines the direction of positional deviation of the power receiving coil relative to the power transmitting coils based on changes in the switching frequencies of the power conversion units. 前記受電コイル位置把握部は、前記移動体からの情報を用いることなく、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する、請求項1に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 1, wherein the power receiving coil position determination unit determines the position of the power receiving coil relative to the multiple power transmitting coils without using information from the moving body. 前記給電ステーションのうち少なくとも、前記複数の電源ユニットの前記送電コイルは水面下に配置される、請求項1に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 1, wherein at least the power transmission coils of the plurality of power supply units in the power supply station are placed below the water surface. 前記移動体は水中移動体である、請求項5に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 5, wherein the moving body is an underwater moving body. 前記複数の電源ユニットの前記送電コイルは、隣り合うもの同士の一部が重なるように配置されている、請求項1に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 1, wherein the power transmission coils of the multiple power supply units are arranged so that adjacent ones partially overlap each other. 前記スイッチング制御部は、前記複数の電源ユニットのうち、ある電源ユニットのスイッチング周波数が上昇した場合、他の電源ユニットのスイッチング周波数が前記ある電源ユニットの前記スイッチング周波数に一致するように前記他の電源ユニットの電力変換部を制御する、請求項1に記載の無線電力伝送システム。 The wireless power transmission system according to claim 1, wherein, when the switching frequency of one of the plurality of power supply units increases, the switching control unit controls the power conversion unit of the other power supply unit so that the switching frequency of the other power supply unit matches the switching frequency of the one power supply unit. 移動体に電力を無線で給電する給電ステーションであって、
複数の電源ユニットと、
制御部と、を備え、
前記各電源ユニットは、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記複数の電源ユニットが有する複数の前記送電コイルは、クロスカップリングが前記各送電コイルと前記移動体の受電コイルとの間の結合係数のいずれよりも小さくなるように配置されており、
前記制御部は、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部と、
前記複数の電力変換部の複数のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部と、を有する、給電ステーション。
A power supply station that wirelessly supplies power to a mobile object,
A plurality of power supply units;
A control unit,
Each of the power supply units is
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
the plurality of power transmitting coils of the plurality of power supply units are arranged such that cross-coupling is smaller than any of coupling coefficients between the respective power transmitting coils and the power receiving coil of the moving object,
The control unit is
a switching control unit that controls a switching frequency of the power conversion unit so that a phase difference between an output voltage and an output current of the power conversion unit becomes zero for each of the power supply units;
a power receiving coil position determining unit that determines a position of the power receiving coil relative to the power transmitting coils based on a plurality of switching frequencies of the plurality of power conversion units.
移動体に電力を無線で給電する給電ステーションにおいて実行される無線給電プログラムであって、
前記給電ステーションが有する複数の電源ユニットの各々は、
送電コイル、および前記送電コイルに接続された共振キャパシタを有する送電部と、
直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を前記送電部に出力する電力変換部と、を有し、
前記無線給電プログラムは、前記給電ステーションのコンピュータを、
前記各電源ユニットに対し、前記電力変換部の出力電圧と出力電流の位相差が0になるように前記電力変換部のスイッチング周波数を制御するスイッチング制御部、および
前記複数の電力変換部の複数のスイッチング周波数に基づいて、前記受電コイルの前記複数の送電コイルに対する位置を把握する受電コイル位置把握部、として動作させる、無線給電プログラム。
A wireless power supplying program executed in a power supplying station that wirelessly supplies power to a moving object,
Each of the plurality of power supply units included in the power supply station includes:
a power transmitting unit including a power transmitting coil and a resonant capacitor connected to the power transmitting coil;
a power conversion unit that converts DC power into AC power and outputs the AC power to the power transmission unit,
The wireless power supply program causes a computer of the power supply station to
a switching control unit that controls a switching frequency of the power conversion unit so that a phase difference between an output voltage and an output current of the power conversion unit becomes zero, and a receiving coil position determining unit that determines a position of the receiving coil relative to the transmitting coils based on a plurality of switching frequencies of the plurality of power conversion units.
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