JP5481091B2 - 無線電力伝送装置および無線電力伝送方法 - Google Patents
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Description
更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率を改善する、無線電力伝送装置である。
図1は、本実施形態に係る無線電力伝送システム1の構成を示す図である。無線電力伝送システム1は、大きく分けて送電ユニット10および受電ユニット20の、2つの無線電力伝送装置を備える。このうち、送電ユニット10は、車両が停止する位置(例えば、駐車スペース)の地面側に設けられ、送電コントローラ17、コンバータ13、送電アンプ14、送電コイル15、共振制御ユニット16、発振回路18、アンテナ11およびデータ送受信ユニット12を備える。ここで、送電コイル15は、例えば、駐車スペースの車止めを基準とした所定位置等、車両が停止した場合の位置合わせが容易な位置に、車両底面に設けられた受電コイル25に対向するように設けられることが好ましい。
送電アンプ14から得られた送電電力モニタ結果に従って、発振回路18、共振制御ユニット16、コンバータ13を制御する。データ送受信ユニット12は、アンテナ11に接続された、無線通信のための通信インターフェースである。また、コンバータ13は、供給された交流または直流の電力を直流電流へ変換し、送電アンプ14へ送る。なお、コンバータ13による出力電圧は、送電コントローラ17によって制御される。また、送電アンプ14は、コンバータ13から送られた電力を、発振回路18から与えられた周波数で、送電コイル15へ入力する。ここで、発振回路18によって与えられる周波数は、送電コントローラ17によって制御される。
一受電コイル25aは、直径250mm、10ターンのコイルであり、第二受電コイル25bは、直径157mm、1ターンのコイルである。
図3は、本実施形態に係る無線電力伝送システム1において行われる伝送効率の調整処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、車両側に設けられた受電コイル25と駐車場等に設けられた送電コイル15とが位置合わせされ、また、共振周波数を合わせる処理等が完了して、送電準備が完了したことを契機として開始される。なお、本フローチャートに示された処理の具体的な内容および順序は一例であり、処理内容および順序には、実施の形態に適したものが適宜採用されることが好ましい。
ステップS104へ進む。
以下、本実施形態に係る電力伝送システムにおいて用いられる、伝送効率の具体的な調整方法について説明する。本実施形態では、(1)受電側の見かけの負荷抵抗の制御による伝送効率の調整、(2)送電周波数の制御による伝送効率の調整、(3)コイル数の変更による伝送効率の調整、および(4)コイル間の結合度合いの変更による伝送効率の調整、のうち、少なくとも何れかの調整手段を用いて、伝送効率が調整される。
はじめに、受電側の見かけの負荷抵抗の制御による伝送効率の調整について説明する。本実施形態に係る受電ユニット20は、受電コイル25と車載バッテリ33との間に整流回路28およびDC/DCコンバータ29を備え、整流回路28およびDC/DCコンバータ29は、車載バッテリ33側によって取り出される電力を一定に保つ。このため、送電ユニット10による送電電圧の変化に伴って受電コイル25の受電電圧が変化すると、受電コイル25を流れる電流が変化することで、見かけの負荷抵抗が変化する。例えば、送電電圧を上げた場合、受電コイル25の受電電圧が上がり、受電コイル25を流れる電流が小さくなることで、見かけの負荷抵抗が上がる。即ち、本実施形態では、整流回路28およびDC/DCコンバータ29によって、受電コイル25に対する見かけの負荷抵抗を変化させることが可能となる。
次に、送電周波数の制御による伝送効率の調整について説明する。本実施形態において用いられるような磁界共鳴を用いて電力伝送を行う場合、送電周波数を変更することで、送電コイル15と受電コイル25との間の距離に対する伝送効率が変化する。
コイル25との間の距離(コイル間隔)と伝送効率との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図5によれば、送電周波数を変更することで、ある距離における伝送効率が変化することが分かる。例えば、図5に示した例では、送電コイル15と受電コイル25との間隔が100mmで、送電周波数を1MHz、0.5MHz、2MHzで切り替えた場合には、送電周波数を2MHzとした場合に、最も良好な伝送効率が得られることが分かる。このような、送受電要素に対応する、コイル間隔と伝送効率との関係のシミュレーション結果は、フィードバック制御における送受電要素の変更方向を決定する際に、補助的に用いられてもよい。但し、図5に示した送電周波数に応じた伝送効率の変化は、シミュレーションによって得られた一例であり、実施の態様によって、送電周波数の大きさと伝送効率との関係は変化する。このため、実施にあたっては、実施に用いられる無線電力伝送システム1を用いて実際に測定を行った結果が、変更される要素(ここでは、送電周波数)とコイル間隔と伝送効率との関係式またはマップである伝送効率情報として、コントローラ17、27に接続された記憶装置に保持され、これを参照して制御が行われる。
次に、コイル数の変更による伝送効率の調整について説明する。本実施形態において用いられるような磁界共鳴を用いて電力伝送を行う場合、送電コイル15および受電コイル25の構成を変更することで、送電コイル15と受電コイル25との間の距離に対する伝送効率が変化する。
隔)と伝送効率との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図10によれば、図7A、図7B、図9Aおよび図9Bを参照して検討したとおり、コイル構成を変更することで、ある距離における伝送効率が変化することが分かる。例えば、図10に示した例では、送電コイル15と受電コイル25との間隔が50mmで、コイル構成を4コイル構成、3コイル構成で切り替えた場合には、コイル構成を3コイルとした場合に、最も良好な伝送効率が得られることが分かる。これに対して、送電コイル15と受電コイル25との間隔が500mmでコイル構成を切り替えた場合には、コイル構成を4コイルとした場合に、最も良好な伝送効率が得られることが分かる。このような、送受電要素に対応する、コイル間隔と伝送効率との関係のシミュレーション結果は、フィードバック制御における送受電要素の変更方向を決定する際に、補助的に用いられてもよい。但し、図10に示したコイル構成に応じた伝送効率の変化は、シミュレーションによって得られた一例であり、実施の態様によって、コイル構成の大きさと伝送効率との関係は変化する。このため、実施にあたっては、実施に用いられる無線電力伝送システム1を用いて実際に測定を行った結果が、変更される要素(ここでは、コイル構成)とコイル間隔と伝送効率との関係式またはマップである伝送効率情報として、コントローラ17、27に接続された記憶装置に保持され、これを参照して制御が行われる。
次に、コイル間の結合度合いの変更による伝送効率の調整について説明する。本実施形態において用いられるような磁界共鳴を用いて電力伝送を行う場合、第一送電コイル15aと第二送電コイル15bとの間、または第一受電コイル25aと第二受電コイル25bとの間の結合度合いを変更することで、送電コイル15と受電コイル25との間の距離に対する伝送効率が変化する。
た伝送効率の変化は、シミュレーションによって得られた一例であり、実施の態様によって、第一送電コイル15a1、15a2、15a3の径と伝送効率との関係は変化する。このため、実施にあたっては、実施に用いられる無線電力伝送システム1を用いて実際に測定を行った結果が、変更される要素(ここでは、第一送電コイル15a1、15a2、15a3の径)とコイル間隔と伝送効率との関係式またはマップとして、コントローラ17、27に接続された記憶装置に保持され、これを参照して制御が行われる。
なお、上記説明した伝送効率の調整処理では、伝送効率を監視しながら送受電要素の変更を行い、高い伝送効率を得ることとしているが、送受電要素の変更は、コイル間隔に基づいて制御されてもよい。
図3を用いて説明した伝送効率の調整処理は、無線電力伝送において、送電の効率を監視しながらより良好な伝送効率が得られるように無線電力伝送システム1を制御する処理であるが、本実施形態に示す無線電力伝送システム1は、車載バッテリ33を充電するためのシステムであるため、図3に示された調整処理に併せて、効率の高い充電を行うための制御が行われることが好ましい。例えば、車載バッテリ33として用いる電池の種類によっては、充電の進行に伴って高い充電効率を維持するための条件が異なる。例えば、一般に、ニッケル水素電池では定電流充電が行われ、リチウムイオン電池では定電流で充電を開始し、途中で定電圧充電に切り替える、定電流・定電圧充電が行われる。このため、バッテリの種類に応じて、適切な電流・電圧制御を行い、高効率での充電を維持することが好ましい。
とができるため、送電側における送電電圧および送電電流の制御で対応することが可能である。
10 送電ユニット
15 送電コイル
17 送電コントローラ
20 受電ユニット
25 受電コイル
27 受電コントローラ
Claims (9)
- 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、
前記変更手段による変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出手段と、
前記伝送効率算出手段によって算出された、前記変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定手段と、
前記受電ユニットが接続された給電対象によって取り出される電力を一定とする取出電力調整手段と、
前記送電コイルへ印加する電圧を制御する送電電圧制御手段と、を備え、
前記変更手段は、前記送電電圧制御手段によって制御される電圧を変更することで、前記伝送効率を変化させ、
前記判定手段による判定と、前記変更手段による変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率を改善する、無線電力伝送装置。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、
前記変更手段による変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出手段と、
前記伝送効率算出手段によって算出された、前記変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定手段と、を備え、
前記送電コイルは、
送電アンプからの電力の入力を受ける第一送電コイルと、
電力の入力元として、前記第一送電コイルからの電磁誘導および前記送電アンプの何れかを選択可能な第二送電コイルと、を有し、
前記受電コイルは、
前記第二送電コイルとの間での磁界共鳴によって電流が流れる第一受電コイルと、
該第一受電コイルからの電磁誘導によって電流が流れる第二受電コイルと、を有し、
前記変更手段は、前記第二送電コイルへの入力元を、前記第一送電コイルからの電磁誘導と前記送電アンプとの間で変更することで、前記伝送効率を変化させ、
前記判定手段による判定と、前記変更手段による変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率を改善する、無線電力伝送装置。 - 前記送電コイルに流れる電力を取得する送電電力取得手段と、
前記受電コイルに流れる電力を取得する受電電力取得手段と、を更に備え、
前記伝送効率算出手段は、取得された送電電力に対する受電電力の割合を算出することで、前記伝送効率を算出する、
請求項1又は2に記載の無線電力伝送装置。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔と、伝送効率と、の関係を前記所定の送受電要素毎に示す伝送効率情報を保持する情報保持手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔を取得するコイル間隔取得手段と、
前記受電ユニットが接続された給電対象によって取り出される電力を一定とする取出電力調整手段と、
前記送電コイルへ印加する電圧を制御する送電電圧制御手段と、を備え、
前記変更手段は、前記伝送効率情報を参照し、取得されたコイル間隔における伝送効率が向上するように、前記所定の送受電要素として前記送電電圧制御手段によって制御される電圧を変更することで、前記伝送効率を変化させる、無線電力伝送装置。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔と、伝送効率と、の関係を前記所定の送受電要素毎に示す伝送効率情報を保持する情報保持手段と、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔を取得するコイル間隔取得手段と、を備え、
前記送電コイルは、
送電アンプからの電力の入力を受ける第一送電コイルと、
電力の入力元として、前記第一送電コイルからの電磁誘導および前記送電アンプの何れかを選択可能な第二送電コイルと、を有し、
前記受電コイルは、
前記第二送電コイルとの間での磁界共鳴によって電流が流れる第一受電コイルと、
該第一受電コイルからの電磁誘導によって電流が流れる第二受電コイルと、を有し、
前記変更手段は、前記伝送効率情報を参照し、取得されたコイル間隔における伝送効率が向上するように、前記所定の送受電要素として前記第二送電コイルへの入力元を前記第一送電コイルからの電磁誘導と前記送電アンプとの間で変更することで、前記伝送効率を変化させる、無線電力伝送装置。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置が、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更ステップと、
前記変更ステップにおける変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出ステップと、
前記伝送効率算出ステップで算出された、前記変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定ステップと、
前記受電ユニットが接続された給電対象によって取り出される電力を一定とする取出電力調整ステップと、
前記送電コイルへ印加する電圧を制御する送電電圧制御ステップと、を実行し、
前記変更ステップにて、前記送電電圧制御ステップによって制御される電圧を変更することで、前記伝送効率を変化させ、
前記判定ステップにおける判定と、前記変更ステップにおける変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率が改善される、無線電力伝送方法。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電し、
前記送電コイルが、
送電アンプからの電力の入力を受ける第一送電コイルと、
電力の入力元として、前記第一送電コイルからの電磁誘導および前記送電アンプの何れかを選択可能な第二送電コイルと、を有し、
前記受電コイルが、
前記第二送電コイルとの間での磁界共鳴によって電流が流れる第一受電コイルと、
該第一受電コイルからの電磁誘導によって電流が流れる第二受電コイルと、を有する無線電力伝送装置が、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更ステップと、
前記変更ステップにおける変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出ステップと、
前記伝送効率算出ステップで算出された、前記変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定ステップと、を実行し、
前記変更ステップにて、前記第二送電コイルへの入力元を、前記第一送電コイルからの電磁誘導と前記送電アンプとの間で変更することで、前記伝送効率を変化させ、
前記判定ステップにおける判定と、前記変更ステップにおける変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率が改善される、無線電力伝送方法。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置が、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更ステップと、
予め計測された、前記所定の送受電要素毎のコイル間隔と伝送効率との関係を示す伝送効率情報を保持する情報保持ステップと、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔を取得するコイル間隔取得ステップと、
前記受電ユニットが接続された給電対象によって取り出される電力を一定とする取出電力調整ステップと、
前記送電コイルへ印加する電圧を制御する送電電圧制御ステップと、を実行し、
前記変更ステップでは、前記伝送効率情報が参照され、取得されたコイル間隔における伝送効率が向上するように、前記所定の送受電要素として前記送電電圧制御ステップによって制御される電圧を変更することで前記伝送効率を変化させる、無線電力伝送方法。 - 送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電し、
前記送電コイルが、
送電アンプからの電力の入力を受ける第一送電コイルと、
電力の入力元として、前記第一送電コイルからの電磁誘導および前記送電アンプの何れ
かを選択可能な第二送電コイルと、を有し、
前記受電コイルが、
前記第二送電コイルとの間での磁界共鳴によって電流が流れる第一受電コイルと、
該第一受電コイルからの電磁誘導によって電流が流れる第二受電コイルと、を有する無線電力伝送装置が、
前記送電ユニットおよび前記受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更ステップと、
予め計測された、前記所定の送受電要素毎のコイル間隔と伝送効率との関係を示す伝送効率情報を保持する情報保持ステップと、
前記送電コイルと前記受電コイルとのコイル間隔を取得するコイル間隔取得ステップと、を実行し、
前記変更ステップでは、前記伝送効率情報が参照され、取得されたコイル間隔における伝送効率が向上するように、前記所定の送受電要素として前記第二送電コイルへの入力元を前記第一送電コイルからの電磁誘導と前記送電アンプとの間で変更することで前記伝送効率を変化させる、無線電力伝送方法。
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