JP5478984B2 - Power transmission device and contactless power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、電磁誘導を利用して受電装置へ電力を伝送（送電）する送電装置、およびこの送電装置を備えた非接触型電力伝送システムに関するものである。 The present invention relates to a power transmission device that transmits (transmits) power to a power receiving device using electromagnetic induction, and a non-contact power transmission system including the power transmission device.
この種の非接触型電力伝送システムとして、下記特許文献１に開示されたデータキャリアシステムで利用されている非接触型電力伝送システムが知られている。このデータキャリアシステムは、応答器と、応答器へ電力を供給するために高周波の搬送波を送信すると共に応答器との間でデータを送受信する質問器とを備えている。また、質問器には、質問器を制御するための制御手段と、質問器のアンテナから送信された電力の強さをモニタするためのモニタ手段と、質問器のアンテナと送信回路とのインピーダンス整合を行うための整合手段と、整合手段に配置された複数のコンデンサを連続的な合成容量として指示させるための変換テーブル手段とが設けられている。この非接触型電力伝送システムによれば、アンテナから送信された電力の強度をモニタ手段によってモニタしつつ、これを基にして制御手段が整合手段のコンデンサ合成容量を加減して最も大きな電力が得られる点に整合させることができるため、アンテナの製造上のバラツキ、経年変化および湿度温度の変化などに対しても自動的に最適な整合状態に移行させることが可能となっている。
As this type of contactless power transmission system, a contactless power transmission system used in a data carrier system disclosed in
ところが、上記したデータキャリアシステムで利用されている従来の非接触型電力伝送システムには、以下の改善すべき課題が存在している。すなわち、この非接触型電力伝送システムでは、質問器のアンテナから送信された電力の強度をモニタしつつ、質問器に設けた整合手段のコンデンサ合成容量を加減することにより、最も大きな電力が得られる点に質問器のアンテナと送信回路とのインピーダンス整合を行う構成を採用しているが、質問器と応答器との間の距離や、応答器に対する質問器のアンテナの向きによって質問器側でのアンテナのインピーダンスは様々に変化する。このため、この非接触型電力伝送システムには、質問器と応答器との間の距離や、応答器に対する質問器のアンテナの向きが変わる都度、上記のようにして、電力の強度をモニタしつつ、整合手段のコンデンサ合成容量を加減して、最も大きな電力が得られる点を検出しなければならないため、最適な整合状態に移行させるまでに時間がかかるという改善すべき課題が存在している。 However, the conventional contactless power transmission system used in the data carrier system described above has the following problems to be improved. That is, in this non-contact power transmission system, the greatest power can be obtained by adjusting the capacitor combined capacity of the matching means provided in the interrogator while monitoring the intensity of the power transmitted from the interrogator antenna. In this point, the impedance matching between the interrogator antenna and the transmitter circuit is adopted, but the interrogator side depends on the distance between the interrogator and the transponder and the orientation of the interrogator antenna relative to the transponder. The impedance of the antenna varies variously. For this reason, this non-contact power transmission system monitors the power intensity as described above whenever the distance between the interrogator and the transponder or the orientation of the interrogator antenna relative to the transponder changes. However, since it is necessary to detect the point at which the largest power can be obtained by adjusting the capacitor combined capacity of the matching means, there is a problem to be improved that it takes time to shift to the optimum matching state. .
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、最適な整合状態に短時間で移行させ得る送電装置、および非接触型電力伝送システムを提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a power transmission device and a non-contact power transmission system that can be shifted to an optimal matching state in a short time.
上記目的を達成すべく請求項１記載の送電装置は、交流信号を発生する信号発生部、前記交流信号の供給を受けて電磁場を発生させる送信アンテナ、および前記信号発生部と前記送信アンテナとの間に配設された第１整合部を有し、前記電磁場によって誘導電圧を発生する受信アンテナおよび当該誘導電圧に基づいて負荷に供給する電圧を生成する電圧生成部を有する受電装置に送電する送電装置であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の結合係数を算出する結合係数算出部と、複数の前記結合係数について、前記送電装置および前記受電装置が整合状態となるときの前記第１整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶された記憶部と、前記算出された前記結合係数に対応する前記第１整合部の前記各パラメータについての前記設定値を前記記憶部を参照して求める設定値算出処理、および当該求めた設定値に前記各パラメータの値を設定する設定処理を実行する処理部とを備えている。
In order to achieve the above object, a power transmission device according to
上記目的を達成すべく請求項２記載の非接触型電力伝送システムは、請求項１記載の送電装置と前記受電装置とを備えている。
In order to achieve the above object, a non-contact power transmission system according to
また、請求項３記載の非接触型電力伝送システムは、請求項２記載の非接触型電力伝送システムにおいて、前記受電装置は、前記受信アンテナと前記電圧生成部との間に配設された第２整合部を備え、前記記憶部には、複数の前記結合係数について、前記送電装置および前記受電装置が整合状態となるときの前記第１整合部および前記第２整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶され、前記処理部は、前記設定値算出処理において、前記算出された前記結合係数に対応する前記第１整合部および前記第２整合部の前記各パラメータについての前記設定値を前記記憶部を参照して求め、前記設定処理において、当該求めた設定値に前記第１整合部および前記第２整合部の前記各パラメータの値を設定する。
The contactless power transmission system according to
また、請求項４記載の非接触型電力伝送システムは、請求項２または３記載の非接触型電力伝送システムにおいて、前記受電装置は、前記処理部によって制御されて、前記受信アンテナを短絡状態および開放状態のうちの任意の一方の状態に移行させる短絡・開放部を備え、前記結合係数算出部は、前記受信アンテナが前記短絡・開放部によって前記短絡状態に移行させられたときの前記送信アンテナのインダクタンス値、および当該受信アンテナが前記短絡・開放部によって前記開放状態に移行させられたときの当該送信アンテナのインダクタンス値に基づいて、前記結合係数を算出する。
The contactless power transmission system according to
請求項１記載の送電装置および請求項２記載の非接触型電力伝送システムでは、送電装置が、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合係数を算出する結合係数算出部と、複数の結合係数について、送電装置および受電装置が整合状態となるときの第１整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶された記憶部と、送電装置および受電装置が整合状態となる第１整合部の各パラメータについての設定値を算出された結合係数に基づいて求める設定値算出処理、並びに求めた設定値に各パラメータの値を設定する設定処理を実行する処理部とを備えている。
In the power transmission device according to
したがって、この送電装置および非接触型電力伝送システムによれば、公知の手法によって容易に算出し得る送電装置の送信アンテナと受電装置の受信アンテナとの間の結合係数を算出して記憶部を参照するだけで、算出した結合係数における送電装置および受電装置を整合状態とし得る第１整合部の各パラメータの値を短時間に求めることができるため、送電装置および受電装置を短時間に整合状態に移行させることができる。 Therefore, according to the power transmitting apparatus and contactless power transmission system, the calculation to the storage unit the coupling coefficient between the receiving antennas of the transmitting antenna and the power receiving device of the power transmission apparatus which are readily calculated by a method publicly known only by referring, it is possible to determine the value of each parameter of the first matching unit capable of a power transmitting device and the power receiving device in the calculated coupling factor and the matching state in a short time, alignment of the power transmitting device and power receiving device in a short time Can be migrated to.
請求項３記載の非接触型電力伝送システムでは、受電装置は受信アンテナと電圧生成部との間に配設された第２整合部を備え、記憶部には、複数の結合係数について、送電装置および受電装置が整合状態となるときの第１整合部および第２整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶され、処理部は、設定値算出処理において、送電装置および受電装置が整合状態となる第１整合部および第２整合部の各パラメータの設定値を算出された結合係数に基づいて求め、設定処理において、求めた設定値に各パラメータの値を設定する。
The contactless power transmission system according to
したがって、この非接触型電力伝送システムによれば、送電装置にのみ第１整合部を配設して送電装置および受電装置を整合状態とする構成と比較して、送電装置に対して受電装置が様々な距離に配置されたとしても、送電装置だけでなく、第２整合部が配設された受電装置についても、常に各装置間の距離の長短に応じた整合状態に移行させることができるため、電力の伝達効率の低下を最小限に抑えつつ、良好に電力伝送できる送電装置と受電装置との間の距離の範囲を広げることができる。 Therefore, according to this non-contact type power transmission system, the power receiving device is different from the power transmitting device in comparison with the configuration in which the first matching unit is provided only in the power transmitting device and the power transmitting device and the power receiving device are in the matching state. Even if it is arranged at various distances, not only the power transmission device but also the power receiving device provided with the second matching unit can always be shifted to a matching state according to the distance between the devices. Further, it is possible to widen the range of the distance between the power transmission device and the power reception device that can transmit power satisfactorily while minimizing a decrease in power transmission efficiency.
請求項４記載の非接触型電力伝送システムでは、受電装置は、処理部によって制御されて、受信アンテナを短絡状態および開放状態のうちの任意の一方の状態に移行させる短絡・開放部を備え、結合係数算出部は、受信アンテナが短絡・開放部によって短絡状態に移行させられたときの送信アンテナのインダクタンス値、および受信アンテナが短絡・開放部によって開放状態に移行させられたときの送信アンテナのインダクタンス値に基づいて、公知の手法（後述する式（１）の使用）によって結合係数を算出する。したがって、この電力伝送システムによれば、結合係数を自動的に算出すると共に、算出した結合係数に基づいて自動的に送電装置と受電装置とを整合状態に移行させることができる。
In the non-contact power transmission system according to
以下、添付図面を参照して、送電装置および非接触型電力伝送システムの実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a power transmission device and a contactless power transmission system will be described with reference to the accompanying drawings.
図１に示す非接触型電力伝送システム（以下、単に「電力伝送システム」ともいう）１は、一例として送電装置２および受電装置３を備え、受電装置３が送電装置２から非接触で電力を受電すると共に、受電した電力を負荷（本例では、一例としてバッテリ）４に対して出力可能に構成されている。
A contactless power transmission system (hereinafter also simply referred to as “power transmission system”) 1 shown in FIG. 1 includes a
送電装置２は、信号発生部１１、送信アンテナ１２、第１整合部１３、反射電力計測部１４、第１処理部１５、第１通信部１６、接続切換部１７、インダクタンス測定部１８、および記憶部１９を備えて構成されている。信号発生部１１は、交流信号Ｓ１を発生して出力する。また、信号発生部１１は、第１処理部１５によって制御されて、交流信号Ｓ１の出力電力値を変更可能に構成されている。
The
具体的には、信号発生部１１は、交流信号Ｓ１を規定電力値Ｗ１ａで出力する状態、および交流信号Ｓ１を規定電力値Ｗ１ａ未満の電力値Ｗ１ｂで出力する状態のうちの任意の一方の状態で動作可能となっている。また、信号発生部１１は、出力している交流信号Ｓ１の出力電力値Ｗ１（規定電力値Ｗ１ａと電力値Ｗ１ｂとを特に区別しないときには「電力値Ｗ１」ともいう）を出力電力情報として第１処理部１５に出力する機能を備えている。
Specifically, the
送信アンテナ１２は、一例としてコイル形状（つるまきバネ形状や、平面コイル等のループコイル形状）に形成されている。また、送信アンテナ１２は、受電装置３に配設された後述の受信アンテナ２１と電磁結合する。第１整合部１３は、信号発生部１１と送信アンテナ１２との間に配設されて（具体的には、信号発生部１１と送信アンテナ１２とを接続する伝送路に介装されて）、受信アンテナ２１との間の距離に応じて変化する送信アンテナ１２のインピーダンス（入力インピーダンス）に信号発生部１１側のインピーダンスを整合させる（信号発生部１１と送信アンテナ１２とを整合状態に移行させる）。
As an example, the
本例では、一例として、第１整合部１３は、図２に示すように、送信アンテナ１２に対して直列（具体的には、送信アンテナ１２および後述する可変コンデンサ１３ｂからなる並列回路に対して直列）に接続された可変コンデンサ１３ａ（静電容量値Ｃ１）と、送信アンテナ１２に対して並列に接続された可変コンデンサ１３ｂ（静電容量値Ｃ２）とを備えて構成されている。また、第１整合部１３は、可変コンデンサ１３ａ，１３ｂの各静電容量値Ｃ１，Ｃ２が第１処理部１５から出力される制御信号Ｓ２によって別個独立して制御されることにより、送信アンテナ１２（詳しくは、信号発生部１１側から見た送信アンテナ１２の入力インピーダンス）と信号発生部１１（詳しくは、送信アンテナ１２側から見た信号発生部１１側の出力インピーダンス）とを整合可能となっている。
In this example, as an example, as shown in FIG. 2, the
反射電力計測部１４は、信号発生部１１と第１整合部１３との間に配設されて（具体的には、信号発生部１１と第１整合部１３とを接続する伝送路に介装されて）、信号発生部１１から送信アンテナ１２に出力された交流信号Ｓ１のうちの送信アンテナ１２で反射されて信号発生部１１側に戻る交流信号Ｓ１の電力値（反射波電力値）Ｗ２を計測して反射電力情報として第１処理部１５に出力する。
The reflected
接続切換部１７は、一例として、図２に示すように、２つの切換スイッチ１７ａ，１７ｂを備え、第１整合部１３と送信アンテナ１２との間に配設されて（具体的には、第１整合部１３と送信アンテナ１２とを接続する伝送路に介装されて）いる。また、接続切換部１７は、各切換スイッチ１７ａ，１７ｂの切換状態が第１処理部１５から出力される制御信号Ｓ３によって制御されることにより、送信アンテナ１２の接続状態を、送信アンテナ１２が第１整合部１３に接続される接続状態、および送信アンテナ１２がインダクタンス測定部１８に接続される接続状態のうちのいずれか一方の接続状態に選択的に移行させる。
As an example, as shown in FIG. 2, the
インダクタンス測定部１８は、一例として、デジタルマルチメータで構成されて、接続切換部１７によって送信アンテナ１２が接続された状態において、送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌを測定して、第１処理部１５に出力する。
As an example, the
第１処理部１５は、一例としてＣＰＵおよび内部メモリ（いずれも図示せず）を含んで構成されて、接続切換部１７に対して制御信号Ｓ３を出力することにより、第１整合部１３およびインダクタンス測定部１８のうちの一方を送信アンテナ１２に選択的に接続する接続処理、受電装置３に対して短絡・開放部２７の接続状態（後述する通常接続状態、開放接続状態、および短絡接続状態のうちのいずれか１つの接続状態）を規定するための制御情報Ｄ３を送信する接続切換処理、送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌを測定するインダクタンス測定処理、インダクタンス測定部１８から入力した送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌに基づいて、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との間の結合係数ｋを算出する結合係数算出処理、および信号発生部１１に対する電力制御処理を実行する。すなわち、本例では、第１処理部１５は、上記したように結合係数ｋを算出する結合係数算出処理を実行する結合係数算出部としても機能する。
The
また、第１処理部１５は、算出した結合係数ｋにおける整合状態での第１整合部１３および後述する第２整合部２２の各パラメータ（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの各静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）の設定値を求める設定値算出処理、求めた各設定値に第１整合部１３の各パラメータの値を設定すると共に、求めた第２整合部２２についての各パラメータの設定値（本例では可変コンデンサ２２ａ，２２ｂの各静電容量値Ｃ３，Ｃ４）をパラメータ情報Ｄ１として第１通信部１６を経由して受電装置３に送信する設定処理、および受電装置３の電力計測部２４で計測された後述の電力値Ｗ３を第１通信部１６を経由して受信する受信処理を実行する。
In addition, the
第１通信部１６は、一例として無線送受信器で構成されて、受電装置３の後述する第２通信部２６と通信可能に構成されている。また、第１通信部１６は、受電装置３の無線信号についての受信強度Ｄ２を検出して受信強度情報として第１処理部１５に出力する機能を備えている。
The
記憶部１９は、一例として、不揮発性のメモリで構成されて、結合係数ｋ毎に、送電装置２および受電装置３を整合状態に移行させるための第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータ情報（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの各静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）が予め記憶されている。この場合、結合係数ｋは、送電装置２の送信アンテナ１２と受電装置３の受信アンテナ２１との間の距離や、送信アンテナ１２に対する受信アンテナ２１の向きなどに起因して変化するパラメータであり、受信アンテナ２１を開放状態にしたときの送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｏと、受信アンテナ２１を短絡状態にしたときの送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｓとを求めて、公知の下記式（１）に代入して算出される。
ｋ＝√（１−Ｌｓ／Ｌｏ） ・・・・ （１）
As an example, the
k = √ (1-Ls / Lo) (1)
一方、本願出願人は、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との間の距離、および向きを変化させながら、結合係数ｋを種々変化させると共に、交流信号Ｓ１の電力を一定（規定電力値Ｗ１ａ）にした状態で、受電装置３において各結合係数ｋのときに負荷４に供給される電力（受電装置３の電力計測部２４で計測される後述の電力値Ｗ３）を、第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータ情報（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値）を変化させつつ測定した。その結果、図４に示すように、いずれの結合係数ｋ（一例としてｋが、０．０１，０．０２，０．０５，０．１，０．２の場合を図示している）においても、電力値Ｗ３がピークとなる、つまり、送電装置２および受電装置３の双方が整合状態となる各パラメータ情報（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値）の組み合わせが常に存在していることを本願出願人は見出した。なお、同図中ではＺ軸を電力値Ｗ３とし、Ｘ軸を可変コンデンサ１３ｂの静電容量値Ｃ２、Ｙ軸を可変コンデンサ１３ａの静電容量値Ｃ１としているため、各△、□、○、▽、◇の印は、残りのパラメータである受電装置３側の可変コンデンサ２２ａ，２２ｂの静電容量値Ｃ３，Ｃ４の組を示している。
On the other hand, the applicant of the present application changes the coupling coefficient k variously while changing the distance and direction between the transmitting
したがって、本願出願人は、各結合係数ｋにおいて、電力値Ｗ３（受電電力）がピークとなる各パラメータ情報（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）の組み合わせを予め実験やシミュレーションで算出して、記憶部１９に記憶しておくことにより、上記式（１）によって結合係数ｋを求めると共に、求めた結合係数ｋに対応する各パラメータ情報を記憶部１９を参照して求め、求めた各パラメータ情報を第１整合部１３および第２整合部２２に適用することにより、極めて短時間に送電装置２および受電装置３を整合状態に移行させることができることを見出した。したがって、記憶部１９には、このようにして求めた各結合係数ｋに対応する各パラメータ情報（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４）がデータテーブルとして予め記憶されている。
Accordingly, the applicant of the present application has each parameter information (capacitance values C1, C2, C3, C4 of the
受電装置３は、受信アンテナ２１、第２整合部２２、整流部２３、電力計測部２４、第２処理部２５、第２通信部２６および短絡・開放部２７を備えて構成されている。受信アンテナ２１は、一例として送信アンテナ１２と同一のコイル形状に形成されて、送信アンテナ１２と同一のインダクタンスを有している。また、受信アンテナ２１は、送電装置２の送信アンテナ１２と電磁結合して（つまり、送信アンテナ１２によって発生させられた電磁場により）、その両端間に誘導電圧Ｖ１を発生させる。
The
第２整合部２２は、受信アンテナ２１と整流部２３との間に配設されて（具体的には、受信アンテナ２１と整流部２３とを接続する伝送路に介装されて）、送信アンテナ１２との間の距離に応じて変化する受信アンテナ２１のインピーダンス（出力インピーダンス）と整流部２３側のインピーダンスとを整合させる（受信アンテナ２１と整流部２３とを整合状態に移行させる）。
The
本例では、一例として、第２整合部２２は、図３に示すように、受信アンテナ２１に対して並列に接続された可変コンデンサ２２ａ（容量値Ｃ３）と、受信アンテナ２１に対して直列（すなわち、受信アンテナ２１および可変コンデンサ２２ａからなる並列回路に対して直列）に接続された可変コンデンサ２２ｂ（容量値Ｃ４）とを備え、第１整合部１３と同一の回路に構成されている。また、第２整合部２２は、可変コンデンサ２２ａ，２２ｂの各静電容量が第２処理部２５から出力される制御信号Ｓ４によって別個独立して制御されることにより、受信アンテナ２１（詳しくは、整流部２３側から見た受信アンテナ２１の出力インピーダンス）と整流部２３（詳しくは、受信アンテナ２１側から見た整流部２３の入力インピーダンス）とを整合可能となっている。
In this example, as an example, the
整流部２３は、電圧生成部の一例であって、受信アンテナ２１に生じる誘導電圧Ｖ１を第２整合部２２を介して入力すると共に、この誘導電圧Ｖ１に基づいて、バッテリ４に供給する電圧（本例では直流電圧）Ｖｏを生成する。具体的には、整流部２３は、整流回路および平滑回路で構成されて、第２整合部２２から出力される誘導電圧（交流電圧）Ｖ１を整流・平滑して電圧Ｖｏを生成すると共に、生成した電圧Ｖｏをバッテリ４に出力する。また、本例では、一例として、受電装置３内の各構成要素は、この電圧Ｖｏを整流部２３から供給されて作動する。なお、整流部２３から供給された電圧Ｖｏを充電するバッテリを備え（図示せず）、このバッテリの電圧で受電装置３内の各構成要素を作動させてもよい。また、整流部２３に代えて、電圧生成部を、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ、またはＡＣ−ＡＣコンバータで構成することもできる。
The
電力計測部２４は、整流部２３とバッテリ４とを接続する伝送路に介装されて、受電装置３からバッテリ４に供給されている電圧Ｖｏの電力値Ｗ３を計測して供給電力情報として第２処理部２５に出力する。第２処理部２５は、一例としてＣＰＵおよび内部メモリ（いずれも図示せず）を含んで構成されて、送電装置２からパラメータ情報Ｄ１および制御情報Ｄ３を受信する受信処理、受信した制御情報Ｄ３で示される接続状態に短絡・開放部２７を移行させる切換処理、受信したパラメータ情報Ｄ１に基づいて第２整合部２２を制御して受信アンテナ２１とバッテリ４（具体的には整流部２３およびバッテリ４）とを上記の整合状態に移行させる整合処理、および電力計測部２４で計測された電力値Ｗ３を第２通信部２６を経由して送電装置２に送信する送信処理を実行する。第２通信部２６は、一例として無線送受信器で構成されて、送電装置２の第１通信部１６と通信可能に構成されている。また、第２通信部２６は、送電装置２に受電装置３の存在を検出させるために、無線信号を定期的に出力する。
The
短絡・開放部２７は、一例として図４に示すように、２つの接断スイッチ２７ａ，２７ｂを備え、受信アンテナ２１と第２整合部２２との間に配設されている（具体的には、受信アンテナ２１と第２整合部２２とを接続する伝送路に介装されている）。また、短絡・開放部２７は、各接断スイッチ２７ａ，２７ｂの接断状態が第２処理部２５から出力される制御信号Ｓ５によって制御されることにより、通常接続状態、開放接続状態、および短絡接続状態のうちのいずれか１つの接続状態に移行される。
As shown in FIG. 4 as an example, the short-circuit / opening
この場合、短絡・開放部２７は、通常接続状態では、接断スイッチ２７ａがオフ状態に、かつ接断スイッチ２７ｂがオン状態に制御される。これにより、この通常接続状態では、受信アンテナ２１は、その各端部が第２整合部２２に（本例では、第２整合部２２の可変コンデンサ２２ａの各端部に）通常状態で接続される。したがって、受信アンテナ２１に生じる誘導電圧Ｖ１は、短絡・開放部２７を介して第２整合部２２に出力される。また、短絡・開放部２７は、開放接続状態では、接断スイッチ２７ｂがオフ状態に制御される。これにより、受信アンテナ２１と第２整合部２２とが切り離されて、受信アンテナ２１は開放状態に移行する。また、短絡・開放部２７は、短絡接続状態では、各接断スイッチ２７ａ，２７ｂが共にオン状態に制御される。これにより、受信アンテナ２１は、各接断スイッチ２７ａ，２７ｂによって短絡されて、短絡状態に移行する。
In this case, in the normal connection state, the short-circuit /
次に、電力伝送システム１の電力伝送動作について説明する。一例として、送電装置２が所定位置に予め配設された状態において、バッテリ４に接続された受電装置３をバッテリ４と共に送電装置２の近傍に移動させて、バッテリ４を充電する例を挙げて説明する。
Next, the power transmission operation of the
電力伝送システム１は、図５に示す電力伝送処理５０を繰り返し実行する。この電力伝送処理５０では、送電装置２の第１処理部１５が、まず、受電装置３を検出する処理を実行する（ステップ５１）。具体的には、送電装置２では、第１通信部１６が、受電装置３の第２通信部２６から出力される無線信号による受信強度Ｄ２を繰り返し検出して出力する。このため、この処理では、第１処理部１５は、この受信強度Ｄ２が予め規定された基準強度に達したか否かを判別することにより、受電装置３の存在を検出する。
The
上記処理において受電装置３の存在を検出したとき（つまり、受信強度Ｄ２が基準強度に達したとき）には、第１処理部１５は、整合調整処理を実行する（ステップ５２）。この調整整合処理では、図６に示すように、第１処理部１５は、まず、接続処理を実行して、接続切換部１７に対して制御信号Ｓ３を出力することにより、送信アンテナ１２がインダクタンス測定部１８に接続される接続状態に移行させる（ステップ７１）。
When the presence of the
次いで、第１処理部１５は、接続切換処理を実行して、第１通信部１６を介して受電装置３に対して、短絡・開放部２７を開放接続状態に規定するための制御情報Ｄ３を送信することにより、受信アンテナ２１を開放状態に移行させる（ステップ７２）。この場合、受電装置３では、第２処理部２５が、受信処理を実行して、第２通信部２６を介して制御情報Ｄ３を受信し、次いで、切換処理を実行して、制御情報Ｄ３の内容に沿った制御信号Ｓ５を短絡・開放部２７に出力する。これにより、短絡・開放部２７は、第２処理部２５によって開放接続状態に移行させられる。
Next, the
続いて、第１処理部１５は、インダクタンス測定処理を実行して、送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌを測定する（ステップ７３）。このインダクタンス値Ｌは、開放状態の受信アンテナ２１と結合している送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｏとなる。第１処理部１５は、測定したインダクタンス値Ｌｏを記憶部１９に記憶させる。
Subsequently, the
次いで、第１処理部１５は、再度、接続切換処理を実行して、第１通信部１６を介して受電装置３に対して、短絡・開放部２７を短絡接続状態に規定するための制御情報Ｄ３を送信することにより、受信アンテナ２１を短絡状態に移行させる（ステップ７４）。この場合、受電装置３では、第２処理部２５が、受信処理を実行して、第２通信部２６を介して制御情報Ｄ３を受信し、次いで、切換処理を実行して、制御情報Ｄ３の内容に沿った制御信号Ｓ５を短絡・開放部２７に出力する。これにより、短絡・開放部２７は、第２処理部２５によって短絡接続状態に移行させられる。
Next, the
続いて、第１処理部１５は、インダクタンス測定処理を実行して、送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌを測定する（ステップ７５）。このインダクタンス値Ｌは、短絡状態の受信アンテナ２１と結合している送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｓとなる。第１処理部１５は、測定したインダクタンス値Ｌｓを記憶部１９に記憶させる。
Subsequently, the
次いで、第１処理部１５は、結合係数算出処理を実行して、記憶部１９に記憶されている各インダクタンス値Ｌｏ，Ｌｓと上記式（１）とに基づいて、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との間の結合係数ｋを算出し（ステップ７６）、続いて、設定値算出処理を実行する（ステップ７７）。この設定値算出処理では、第１処理部１５は、記憶部１９に記憶されているデータテーブルを参照することにより、ステップ７６において算出した結合係数ｋに対応する静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を、第１整合部１３および第２整合部２２における各可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂに対する設定値として求める。
Next, the
次いで、第１処理部１５は、設定処理を実行する（ステップ７８）。この設定処理では、第１処理部１５は、第１整合部１３に対して制御信号Ｓ２を出力することにより、第１整合部１３を構成する各可変コンデンサ１３ａ，１３ｂのパラメータの値（静電容量値）を、ステップ７７で求めた静電容量値Ｃ１，Ｃ２に設定する。また、第１処理部１５は、受電装置３の第２整合部２２についての各パラメータの設定値（本例では可変コンデンサ２２ａ，２２ｂの各静電容量値Ｃ３，Ｃ４）をパラメータ情報Ｄ１として第１通信部１６を経由して受電装置３に送信する。
Next, the
この場合、受電装置３では、第２処理部２５が、受信処理を実行してこのパラメータ情報Ｄ１を第２通信部２６を介して受信し、次いで、整合処理を実行して、受信したパラメータ情報Ｄ１に基づいて第２整合部２２に対して制御信号Ｓ４を出力して、第２整合部２２の各可変コンデンサ２２ａ，２２ｂのパラメータ値（静電容量値）を、ステップ７７で求めた静電容量値Ｃ３，Ｃ４に設定する。これにより、送電装置２および受電装置３が整合状態に移行される。
In this case, in the
最後に、第１処理部１５は、接続処理を再度実行して、接続切換部１７に対して制御信号Ｓ３を出力することにより、送信アンテナ１２が第１整合部１３に接続される接続状態に移行させる（ステップ７９）。また、第１処理部１５は、接続切換処理を再度実行して、第１通信部１６を介して受電装置３に対して、短絡・開放部２７を通常接続状態に規定するための制御情報Ｄ３を送信する（ステップ８０）。この場合、受電装置３では、第２処理部２５が、受信処理を実行して第２通信部２６を介して制御情報Ｄ３を受信し、次いで、切換処理を実行して、制御情報Ｄ３の内容に沿った制御信号Ｓ５を短絡・開放部２７に出力する。これにより、短絡・開放部２７は、通常接続状態に移行する。これにより、整合調整処理５２が完了する。なお、上記したステップ７９，８０の処理については、上記ステップ７４の完了後であれば、整合調整処理５２内のいずれのタイミングで実行してもよい。
Finally, the
次いで、第１処理部１５は、小電力での送電を開始する（ステップ５３）。具体的には、第１処理部１５は、信号発生部１１に対する制御を実行して、交流信号Ｓ１を電力値Ｗ１ｂで出力させる。これにより、信号発生部１１から出力された交流信号Ｓ１が、反射電力計測部１４および第１整合部１３を経由して送信アンテナ１２に供給されて、小電力での送電が開始される。また、反射電力計測部１４は、反射波電力値Ｗ２を計測して出力する。
Next, the
一方、受電装置３では、送信アンテナ１２と電磁結合する受信アンテナ２１に誘導電圧Ｖ１が発生し、整流部２３が、短絡・開放部２７および第２整合部２２を介して出力されるこの誘導電圧Ｖ１を整流して電圧Ｖｏを生成する。これにより、バッテリ４に対する電圧Ｖｏの供給が開始されると共に、受電装置３内の電力計測部２４、第２処理部２５および第２通信部２６がこの電圧Ｖｏの供給を受けて作動を開始する。具体的には、電力計測部２４は、整流部２３からバッテリ４に供給される電圧Ｖｏについての電力値Ｗ３の計測および第２処理部２５への出力を開始する。また、第２通信部２６は、送電装置２の第１通信部１６との通信を開始する。
On the other hand, in the
次いで、第１処理部１５は、反射電力計測部１４から出力される反射波電力値Ｗ２を取得し（ステップ５４）、反射波電力値Ｗ２が予め規定されたしきい値以下であるか否かを判別する（ステップ５５）。この比較の結果、反射波電力値Ｗ２がしきい値以下でないときには、第１処理部１５は、ステップ５２の整合調整処理において、第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータ（静電容量値）に対する設定が何らかの原因によって正常に行われていないと判別して、信号発生部１１に対する制御を実行して、交流信号Ｓ１の出力を停止させ（ステップ５６）、電力伝送処理を終了させる。これにより、非効率な電力伝送が回避される。
Next, the
一方、ステップ５５での比較の結果、反射波電力値Ｗ２がしきい値以下のときには、第１処理部１５は、送電・受電電力測定処理を実行する（ステップ５７）。この送電・受電電力測定処理では、第１処理部１５は、まず、信号発生部１１から交流信号Ｓ１の電力値Ｗ１ｂを取得して、内部メモリに記憶する。次いで、第１処理部１５は、受電装置３の第２処理部２５に対して電力計測部２４で計測された電力値Ｗ３を第２通信部２６を介して送信させる送信処理を実行させると共に、第１通信部１６を介して電力値Ｗ３を取得して、内部メモリに記憶する。これにより、送電・受電電力測定処理が完了する。なお、受電装置３の第２処理部２５が、電力計測部２４からの電力値Ｗ３の取得と、第２通信部２６からの電力値Ｗ３の送信とを繰り返し実行する構成を採用してもよい。この構成では、第１処理部１５は、受電装置３から送信されてくる電力値Ｗ３を第１通信部１６を介して受信すればよいため、第１処理部１５が第２処理部２５に対して電力値Ｗ３を送信させる送信処理は不要となる。
On the other hand, as a result of the comparison in
続いて、第１処理部１５は、内部メモリに記憶されている各電力値Ｗ１ｂ，Ｗ３に基づいて、伝達効率（比率）Ａ（＝Ｗ３／Ｗ１ｂ）を算出して、予め決められた基準値以上であるか否かを判別する（ステップ５８）。この判別の結果、伝達効率Ａが基準値未満のときには、第１処理部１５は、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との電磁的な結合状態が電力伝送には適さない状態にあると判別して、信号発生部１１に対する制御を実行して、小電力（電力値Ｗ１ｂ）での交流信号Ｓ１の出力を停止させて（ステップ５６）、電力伝送処理を終了させる。これにより、非効率な電力伝送が回避される。
Subsequently, the
一方、伝達効率Ａが基準値以上と判別したときには、第１処理部１５は、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との電磁的な結合状態が電力伝送に適した状態にあると判別して、大電力での送電を開始させる（ステップ５９）。これにより、効率の良い電力伝送が可能な状態において、大電力での送電が開始される。具体的には、第１処理部１５は、信号発生部１１に対する制御（電力制御処理）を実行して、交流信号Ｓ１を規定電力値Ｗ１ａで出力させる。これにより、送電装置２から受電装置３に対して、規定の電力が供給されて、受電装置３に接続されたバッテリ４が電圧Ｖｏで充電される。また、第１処理部１５は、この大電力での送電の実行中に、予め規定された停止条件が満たされたか否かを判別して（ステップ６０）、この停止条件が満たされたと判別したときには、信号発生部１１に対する制御を実行して、交流信号Ｓ１の出力を停止させる（ステップ６１）。これにより、電力伝送システム１での電力伝送処理が完了する。この場合、停止条件としては、例えば、第１処理部１５への電力伝送処理の強制停止信号の入力や、バッテリ４の充電が完了した旨の信号の入力などが挙げられる。
On the other hand, when it is determined that the transmission efficiency A is equal to or higher than the reference value, the
このように、この電力伝送システム１では、送電装置２の第１処理部１５が、送信アンテナ１２と受信アンテナ２１との間の結合係数ｋに基づいて、送電装置２および受電装置３が整合状態となる第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータ（可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値）についての設定値を求める設定値算出処理、並びにこの求めた設定値に各パラメータの値を設定する設定処理を実行して、送電装置２および受電装置３を整合状態に移行させる。
As described above, in the
したがって、この送電装置２および電力伝送システム１によれば、各結合係数ｋについて、送電装置２および受電装置３が整合状態となっているときの第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータの値を予め求めておくことにより、公知の手法（上記の式（１））によって容易に算出し得る送電装置２の送信アンテナ１２と受電装置３の受信アンテナ２１との間の結合係数ｋを算出するだけで、算出した結合係数ｋにおける送電装置２および受電装置３を整合状態とし得る第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータの値を短時間に求めることができるため、送電装置２および受電装置３を短時間に整合状態に移行させることができる。
Therefore, according to the
また、この電力伝送システム１によれば、送電装置２に第１整合部１３を配設すると共に、受電装置３に第２整合部２２を配設して、送電装置２および受電装置３を整合状態とし得る第１整合部１３および第２整合部２２の各パラメータの値を、算出した結合係数ｋに基づいて求める構成としたことにより、送電装置２にのみ第１整合部１３を配設して送電装置２および受電装置３を整合状態とする構成と比較して、送電装置２に対して受電装置３が様々な距離に配置されたとしても、送電装置２だけでなく、第２整合部２２が配設された受電装置３についても、常に各装置２，３間の距離の長短に応じた整合状態に移行させることができるため、電力の伝達効率の低下を最小限に抑えつつ、良好に電力伝送できる送電装置２と受電装置３との間の距離の範囲を広げることができる。
In addition, according to the
また、この電力伝送システム１では、受電装置３は、第１処理部１５（直接的には第２処理部２５）によって制御されて、受信アンテナ２１を短絡状態および開放状態のうちの任意の一方の状態に移行させる短絡・開放部２７を備え、結合係数算出部として機能する第１処理部１５は、受信アンテナ２１が短絡・開放部２７によって短絡状態に移行させられたときの送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｓ、および受信アンテナ２１が短絡・開放部２７によって開放状態に移行させられたときの送信アンテナ１２のインダクタンス値Ｌｏに基づいて、公知の手法によって結合係数ｋを算出する。したがって、この電力伝送システム１によれば、結合係数ｋを自動的に算出すると共に、算出した結合係数ｋに基づいて自動的に送電装置２と受電装置３とを整合状態に移行させることができる。
In the
なお、第１整合部１３および第２整合部２２を図２，３に示すように、２つのコンデンサで構成した例を挙げて説明したが、図７に示すように、３つのコンデンサで第１整合部１３Ａおよび第２整合部２２Ａを構成することもできるし、図８に示すように、１つのコンデンサとアンテナの一部となっているインダクタとで第１整合部１３Ｂおよび第２整合部２２Ｂを構成することもできる。なお、図７，８においては、整合部の構成の相違を説明するために必要な構成要素のみを図示しているが、各整合部を除く他の構成要素は電力伝送システム１と同一である。
The
この場合、図７の構成では、第１整合部１３Ａを構成する各コンデンサＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの直列合成容量値、コンデンサＣａの静電容量値を各コンデンサＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの直列合成容量値で除算した値、第２整合部２２Ａを構成する各コンデンサＣｄ，Ｃｅ，Ｃｆの直列合成容量値、およびコンデンサＣｄの静電容量値を各コンデンサＣｄ，Ｃｅ，Ｃｆの直列合成容量値で除算した値が、電力伝送システム１の第１整合部１３および第２整合部２２を構成する各可変コンデンサ１３ｂ，１３ａ，２２ａ，２２ｂの静電容量値Ｃ２，Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ対応する。
In this case, in the configuration of FIG. 7, the series combined capacitance value of each capacitor Ca, Cb, Cc constituting the
また、図８の構成では、送信アンテナ１２における交流信号Ｓ１の印加点間のインピーダンスＺ１、コンデンサＣａの静電容量値、コンデンサＣｂの静電容量値、および受信アンテナ２１における誘導電圧Ｖ１の出力端子間のインピーダンスＺ２が、電力伝送システム１における各可変コンデンサ１３ａ，１３ｂ，２２ａ，２２ｂの静電容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ対応する。これにより、図７，８に示すいずれの構成においても、上記した電力伝送システム１のとき（第１整合部１３および第２整合部２２を図２，３に示すように、２つのコンデンサで構成したとき）と同様にして、各整合部の４つのパラメータの値（静電容量値やインダクタンス値）の組合せの中で、電力値Ｗ３がピークとなるものが結合係数ｋ毎に常に存在する。したがって、図７，８に示すいずれの構成を採用した場合においても、電力値Ｗ３がピークとなる各整合部のパラメータの組を結合係数ｋ毎に予め求めておくことにより、電力伝送システム１と同様にして、結合係数ｋを算出し、算出した結合係数ｋに基づいて、各整合部を整合状態に短時間に移行させることができる。
8, the impedance Z1 between the application points of the AC signal S1 in the transmitting
また、第１処理部１５が結合係数ｋを算出する結合係数算出部としても機能する構成について上記したが、第１処理部１５以外の構成要素が、２つのインダクタンス値Ｌｏ，Ｌｓに基づいて結合係数ｋを算出する構成を採用してもよいのは勿論である。一例として、２つのインダクタンス値Ｌｏ，Ｌｓを測定するインダクタンス測定部１８が結合係数ｋを算出して、第１処理部１５に出力する構成を採用することもできる。
Further, the configuration in which the
また、送電装置２および受電装置３の双方に整合部（第１整合部１３、第２整合部２２）を配設することにより、送電装置２にのみ第１整合部１３を配設して送電装置２および受電装置３を整合状態とする構成よりも、電力の伝達効率の低下を最小限に抑えつつ、良好に電力伝送できる送電装置２と受電装置３との間の距離の範囲を広げることができる構成について上記したが、結合係数ｋに基づいて整合部のパラメータを求める構成については、受電装置には整合部を配設せずに、送電装置にのみ整合部を配設して、送電装置および受電装置を整合状態に移行させる電力伝送システムにも適用することができる。この構成では、送電装置２および受電装置３の双方に整合部１３，２２を配設して整合状態に移行させる上記の電力伝送システム１よりも送電範囲は狭まるものの、受電装置３に整合回路を配設する必要が無い分だけ、電力伝送システムの構成を簡略化することができる。なお、結合係数ｋに基づいて整合部のパラメータを求める構成については、受電装置にのみ整合部を配設して送電装置および受電装置を整合状態とする電力伝送システムに適用することもできる。
Further, by arranging the matching units (first matching
また、電力伝送システム１は、非接触で充電を行う様々な電気機器（電気カミソリ、電動歯ブラシ、バッテリ駆動方式の自動車）に適用することができると共に、送電装置２から電力が供給されているときにのみ作動して、この電力の供給が停止したときに作動を停止するバッテリ４を有さない電気機器（例えば、ＲＦＩＤなどのＩＣカード）にも適用できるのは勿論である。このようにバッテリ４を有さない電気機器に電力伝送システム１を適用したときには、これらの電気機器を構成する電気回路が電力伝送システム１の負荷となる。
The
１ 電力伝送システム
２ 送電装置
３ 受電装置
４ バッテリ
１１ 信号発生部
１２ 送信アンテナ
１３ 第１整合部
１５ 第１処理部
１７ 接続切換部
１８ インダクタンス測定部
２１ 受信アンテナ
２２ 第２整合部
２５ 第２処理部
２７ 短絡・開放部
Ｓ１ 交流信号
Ｖ１ 誘導電圧
Ｖｏ 電圧（負荷に供給する電圧）
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の結合係数を算出する結合係数算出部と、
複数の前記結合係数について、前記送電装置および前記受電装置が整合状態となるときの前記第１整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶された記憶部と、
前記算出された前記結合係数に対応する前記第１整合部の前記各パラメータについての前記設定値を前記記憶部を参照して求める設定値算出処理、および当該求めた設定値に前記各パラメータの値を設定する設定処理を実行する処理部とを備えている送電装置。 A signal generation unit that generates an AC signal, a transmission antenna that receives the supply of the AC signal to generate an electromagnetic field, and a first matching unit that is disposed between the signal generation unit and the transmission antenna, A power transmitting device that transmits power to a receiving antenna that generates an induced voltage by an electromagnetic field and a voltage generating unit that generates a voltage to be supplied to a load based on the induced voltage,
A coupling coefficient calculator for calculating a coupling coefficient between the transmission antenna and the reception antenna;
For a plurality of the coupling coefficients, a storage unit in which setting values for each parameter of the first matching unit when the power transmitting device and the power receiving device are in a matching state are stored in advance,
Referring to determine a set value calculation processing said storage unit to the set value for each parameter of the first matching portion corresponding to the coupling coefficients pre SL calculated, and the of each parameter to the obtained set value A power transmission apparatus comprising: a processing unit that executes a setting process for setting a value.
前記記憶部には、複数の前記結合係数について、前記送電装置および前記受電装置が整合状態となるときの前記第１整合部および前記第２整合部の各パラメータについての設定値が予め記憶され、
前記処理部は、前記設定値算出処理において、前記算出された前記結合係数に対応する前記第１整合部および前記第２整合部の前記各パラメータについての前記設定値を前記記憶部を参照して求め、前記設定処理において、当該求めた設定値に前記第１整合部および前記第２整合部の前記各パラメータの値を設定する請求項２記載の非接触型電力伝送システム。 The power receiving device includes a second matching unit disposed between the receiving antenna and the voltage generating unit,
In the storage unit, for a plurality of the coupling coefficients, setting values for the parameters of the first matching unit and the second matching unit when the power transmission device and the power receiving device are in a matching state are stored in advance.
Wherein the processing unit in the set value calculation processing, said first matching unit and the second matching portion corresponding to the coupling coefficient before Symbol calculated the set value for each parameter by referring to the storage unit Te calculated, in the setting process, contactless power transmission system according to claim 2, wherein for setting the value of each parameter of the first matching unit and to the obtained set value second matching unit.
前記結合係数算出部は、前記受信アンテナが前記短絡・開放部によって前記短絡状態に移行させられたときの前記送信アンテナのインダクタンス値、および当該受信アンテナが前記短絡・開放部によって前記開放状態に移行させられたときの当該送信アンテナのインダクタンス値に基づいて、前記結合係数を算出する請求項２または３記載の非接触型電力伝送システム。 The power receiving apparatus includes a short-circuit / opening unit that is controlled by the processing unit to shift the receiving antenna to any one of a short-circuited state and an open state,
The coupling coefficient calculation unit includes an inductance value of the transmitting antenna when the receiving antenna is shifted to the shorted state by the short circuit / opening unit, and the receiving antenna is shifted to the open state by the shorting / opening unit. The contactless power transmission system according to claim 2 or 3, wherein the coupling coefficient is calculated based on an inductance value of the transmitting antenna when the transmission antenna is set.
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