JP5651810B1 - ワイヤレス電力供給システム、およびワイヤレス電力供給装置 - Google Patents

Abstract

給電装置から受電装置へ非接触で電力を供給するシステムにおいて、給電装置は、少なくとも２つの異なる周波数の交流電力を同時に供給し、かつ、受電装置は、供給された前記交流電力を直流電流に整流する整流回路を有する。

Description

本発明は、受電装置にワイヤレスで電力を供給するワイヤレス電力供給システム、およびワイヤレス電力供給装置に関する。

近年、配線ケーブルを用いずに電気自動車、携帯機器、薄型テレビなどに電力を供給するワイヤレス電力供給システムの研究が活発に行われている。特に、給電を行う送電側の電極と、給電を受ける受電側の電極とを接触させずに対象機器の電池を充電する電界結合方式が注目されている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

非接触での給電方式として、電界結合方式の他に電磁誘導方式、磁界共鳴方式などが知られている。より高い周波数帯を使用するワイヤレス電力供給では、同調コイルや電極間の媒質の誘電率が小さくても大電力の伝送が可能であるというメリットがある。

ワイヤレス電力供給では、受電側で交流電力を直流電力に変換する必要がある。しかし、現時点では高周波に対応する満足な整流機構が無いため、高い周波数になるほどエネルギーの一部が失われ、直流に変換する際の電力効率が低下するという問題がある。例えばダイオードを用いた場合、そのダイオードのアノードとカソード間の空乏層に形成される寄生静電容量（１０ｐＦ〜１００ｐＦ）によって高周波の一部が整流されずに通過する。ダイオードを通過した交流電流（電力）は平滑用のコンデンサ等で消費され、給電される電力効率が低下する。大電力を供給するために給電側の高周波出力を高めることも考えられるが、高周波出力の増大につれて整流部での損失も増大するので、電力効率は改善されない。また、高周波出力の増大により、平滑コンデンサが破損するおそれもある。

特開２０１０−１４８２８７号公報 特開２０１２−０３４４４７号公報

そこで、高周波でのワイヤレス電力供給において電力効率を向上することのできる構成と手法が望まれる。

本願は、簡単な構成で電力効率を向上することのできるワイヤレス電力供給システム、および給電装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、少なくとも２つの異なる周波数の第一周波数と第二周波数を有する交流電力を同時に供給することにより、受電側で直流電力に変換した際の電力効率を向上させる。具体的には、給電装置から受電装置へ非接触で電力を供給する電力供給システムであって、
前記給電装置は、異なる周波数の複数の交流電力を同時に供給し、かつ、
前記受電装置は、供給された前記複数の交流電力を直流電力に変換する整流回路を有する。なお、前記第一周波数は、０．５ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、前記第二周波数は、前記第一周波数より１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ低い。

良好な構成例では、前記第一周波数と前記第二周波数の交流電力を前記給電装置内において混合することにより混合波が生成され、この混合波を電力として前記受電装置に供給する。

少なくとも２つの異なる周波数の交流電力を同時に供給することにより、誘電体を介した非接触での給電の際に高周波の交流電力を効率よく伝送し、受電側で交流電力を効率よく整流することができる。異なる周波数の交流電力を混合処理して混合波として供給することにより、全体としての電力供給効率が向上する。

本願の実施形態によるワイヤレス電力供給システムの構成例を示すブロック図である。 本願の実施形態によるワイヤレス電力供給システムの一例を示す図である。 第一周波数のみの交流電力と、第一周波数と第二周波数との混合波の交流電力での給電効率を比較したグラフである。 実施形態のワイヤレス電力供給システムの変形例１であり、受電装置に共振回路を挿入したときの概略構成図である。 実施形態のワイヤレス電力供給システムの変形例２であり、実施形態の構成を電磁誘導、および磁界共鳴方式に適用したときの概略構成図である。 実施形態のワイヤレス電力供給システムの変形例３であり、電界結合方式の給電システムにおいて給電側に並列共振回路を挿入したときの概略構成図である。 実施形態のワイヤレス電力供給システムの変形例４であり、電界結合方式の給電システムにおいて、給電側と受電側に並列共振回路を挿入したときの概略構成図である。

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では簡単な構成で高周波給電の電力効率を高めるために、交流電力源として混合波発生部２１を用いる。

図１は本発明の実施形態のワイヤレス電力供給システム１０の概略ブロック構成図である。ワイヤレス電力供給システム１０は、給電装置２０と受電装置３０を含む。ワイヤレス電力供給システム１０は、一例として電界結合方式を採用する。給電装置２０は給電電極２９ａ、２９ｂを有し、受電装置３０は受電電極３１ａ、３１ｂを有する。給電電極２９ａ、２９ｂおよび受電電極３１ａ、３１ｂは、たとえば平板電極であり、金属、金属酸化物、カーボンなど任意の材料を用いて任意の厚さで形成することができる。給電電極２９ａ、２９ｂは非接触送電手段として機能する。給電時には、給電電極２９ａと受電電極３１ａが対向し、給電電極２９ｂと受電電極３１ｂが対向して、電極間の電解結合により受電装置３０に電力を供給する。

たとえば、給電装置２０は固定された装置であり、受電装置３０は移動体である。受電装置３０の受電電極３１ａ、３１ｂを、任意の媒質（空気、樹脂シート、樹脂パネル等）を介して給電装置３０の給電電極２９ａ、２９ｂと対向させることによって、給電装置２０から受電装置３０に非接触（ワイヤレス）で電力を供給することができる。

給電装置２０は、給電電極２９ａ、２９ｂの他に、交流源としての混合波発生部２１と、第１コイルＬ２１、第２コイルＬ２２を有する。

受電装置３０は整流装置Ｄ３１と負荷Ｒ３１と、を有する。整流装置Ｄ３１にはダイオードによるブリッジ整流回路、ＭＯＳＦＥＴを使用した同期整流回路等を用いることができる。

図２は本発明の実施形態のワイヤレス電力供給システム１０Ａの概略構成図である。図１と共通している部分の説明は省く。混合波発生部２１Ａは、第一周波数電力生成部２２、第二周波数電力生成部２５、および混合器２３を有する。

第一周波数電力生成部２２は、０．５ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、好ましくは１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ、さらに好ましくは２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚの第一周波数の交流電力を生成する。第一周波数が０．５ＭＨｚ未満の場合は整流装置、例えば整流ダイオードの効率がもともと悪くないので混合波とする必要性が少ない。第一周波数が１０ＧＨｚより大きくなると、混合波を用いても電力効率の改善効果が少ない。

第二周波数電力生成部２５は、第一周波数に比べ、１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ、好ましくは２０Ｈｚ〜１５０ｋＨ、さらに好ましくは４０Ｈｚ〜１００ｋＨｚ低い周波数の第二周波数の交流電力を生成する。第一周波数と第二周波数との差が１０Ｈｚ未満では、誘電体を介した非接触での給電の過程で電力効率が著しく劣る。前記周波数の差が３００ｋＨｚ以上の場合は、混合波での効果は現れにくい。実施形態では、混合波を非接触で電力供給する際に電力効率を増大させるために利用する。

第一周波数電力と第二周波数電力とはできるだけ同じ電力であることが好ましい。両者が異なる場合は、いずれか小さい方の電力の２倍の電力まで前記電力効率の増大の効果が得られる。

混合器２３は、第一周波数電力生成部２２で生成された第一周波数電力Ｃと、第二周波数電力生成部２５で生成された第二周波数電力Ｓとを混合処理を施して混合波Ｄを出力する。混合器２３に第一周波数電力Ｃと第二周波数電力Ｓが入力されると、両者の差の周波数のうねり（振幅変調）を有する波が生成され、混合器２３から混合波Ｄとして出力される。この混合波Ｄが混合波発生部２１の出力となる。

混合波Ｄの電力は第１コイルＬ２１から第２コイルＬ２２を介して給電電極２９ａ、２９ｂ上に交流電流として給電される。

受電装置３０は、電極３１ａ、３１ｂの他に、コイルＬ３１と、整流装置（たとえば整流ダイオード）Ｄ３１と、負荷Ｒ３１と、を有する。電極３１ａ、３１ｂを給電装置２０の電極２９ａ、２９ｂと対向させることで、相対する電極２９ａ、３１ａ間（及び２９ｂ、３１ｂ間）で電界が結合し、交流電流が受電装置３０に誘導される。

コイルＬ３１は、受電装置３０に供給された電力が給電装置２０側に反射されるのを防止する反射防止フィルタとして機能する。この反射防止フィルタはコイルＬ３１に限定されずコンデンサによって実現されてもよい。

コイルＬ３１を通過した交流電力は、整流装置（例えば、整流ダイオード）Ｄ３１で整流される。一般に、整流ダイオードによる整流では、特に高周波で効率が低下しやすい。このような場合であっても、実施形態では混合波を用いることにより電力効率を改善することができる。

整流装置Ｄ３１により直流に変換された電流は負荷Ｒ３１に供給される。

図３は、実施形態のワイヤレス電力供給システム１０Ａによる電力効率改善効果を示すグラフである。第一周波数とそれより２０ｋＨｚまたは１００ｋＨｚ低い第二周波数との混合波の交流電力を供給したときの効率と、比較例として、第一周波数の交流電力のみで給電した場合の効率とをプロットしている。それぞれ第一周波数が１ＭＨｚのときの効率を１００％として、周波数を上げていったときの効率の変化を示している。なお、前記効率は、各第一周波数で受電電力を測定し、各第一周波数での受電電力を第一周波数が１ＭＨｚのときの受電電力で除して求めた。第一周波数を１ＭＨｚから上げていくと、混合波の場合の効率維持効果が優位であり、２ＭＨｚ以上となるあたりから効率維持効果がさらに明確になり、４ＭＨｚ以上となると特に顕著になる。この効果はさらに高い周波数においても持続している。

このように、ワイヤレス電力供給システムの給電側に実施形態の混合波発生部２１を用いることによって、広い範囲の周波数帯域に対して給電効率の低下を防止することができる。

なお、上記実施形態の第一周波数と第二周波数のそれぞれの交流電力の電力は等しくなるように調整をした。本発明の他の実施形態でも特に断りのない限り同様である。

図４は、実施形態の変形例１として、ワイヤレス電力供給システム１０Ｂの構成を示す概略図である。ワイヤレス電力供給システム１０Ｂは、給電装置２０と受電装置５０を含む。ワイヤレス電力供給システム１０Ｂは、図２のワイヤレス電力供給システム１０Ａと同様に、電界結合方式を採用しているが、受電装置５０に並列共振回路５５が挿入されている。並列共振回路５５は、並列に接続されたコイルＬ５２とコンデンサＣ５１で構成される。

給電装置２０では、交流電力源として混合波発生部２１を用いる。混合波発生部２１は図２の混合波発生部２１Ａと同様である。混合波は、第１コイルＬ２１および第２コイルＬ２２を介して給電電極２９ａ、２９ｂ上に交流電流として給電される。給電電極２９ａと受電電極５１ａの間、および給電電極２９ｂと受電電極５１ｂの間の電界結合を利用して、交流電力が受電装置５０に供給される。コイルＬ５１と並列共振回路５５のコイルＬ５２との間の電磁誘導によって、交流電流が共振回路５５に流れる。この構成では、電極間の接合容量が変化しても共振回路５５の周波数に与える影響は少ない。また、共振回路５５を挿入したことにより、受電装置５０に給電された電力に対する共振ピークが鋭くなる。したがって給電装置２０から給電された交流電力を効率よく整流装置（整流ダイオード等）Ｄ５１に送ることができる。

図５は、実施形態の変形例２として、ワイヤレス電力供給システム１０Ｃの構成例を示す。ワイヤレス電力供給システム１０Ｃは電磁誘導方式または磁界共鳴方式を採用し、給電装置６０と受電装置７０を含む。

給電装置６０は、混合波発生部２１と、第１コイルＬ６１、第２コイルＬ６２、および第３コイルＬ６３を有する。第３コイルＬ６３は非接触の送電手段として機能する。混合波発生部２１で生成された混合波の交流電力は、第１コイルＬ６１と第２コイルＬ６２を介して第３コイルＬ６３に伝搬し、第３コイルＬ６３に交流電流が流れる。第３コイルＬ６３に発生した磁束は、受電装置７０のコイルＬ７１を通り、起電力が発生する（電磁誘導）。

給電装置６０の第３コイルＬ６３と受電装置７０のコイルＬ７１が同じ共振周波数を有する場合は磁界共鳴方式となる。この場合、混合波発生部２１で生成された混合波のエネルギー（磁場の振動）が磁界共鳴によって受電装置７０のコイルＬ７１に伝搬する。磁界共鳴方式を採用する場合は、給電装置６０と受電装置７０の位置ずれに対して電力効率の劣下が少ないという利点がある。

受電装置７０はＬＣ共振回路７５を有し、コイルＬ７２を介してＬＣ共振回路７５に流れる交流電流は、整流装置（整流ダイオード等）Ｄ７１によって整流され、負荷Ｒ７１で消費される。この構成でも、混合波は整流装置で効率よく整流される。

図６は、実施形態の変形例３として、ワイヤレス電力供給システム１０Ｄの構成例を示す。ワイヤレス電力供給システム１０Ｄは、電界結合方式を採用し、給電装置８０と受電装置９０を含む。ワイヤレス電力供給システム１０Ｄでは、給電装置８０がＬＣ共振回路８７を有し、受電装置９０は共振回路を有しない。

給電装置８０は、混合波発生部２１と、コイルＬ８１と、ＬＣ共振回路８７と、給電電極８９ａ、８９ｂを有する。ＬＣ共振回路８７は、並列接続されたコイルＬ８２とコンデンサＣ８１を含む。混合波発生部２１で生成された混合波の交流電力は、コイルＬ８１を介してＬＣ共振回路８７に伝わり、給電電極８９ａ、８９ｂ上に交流電流として給電される。

給電電極８９ａ、８９ｂと、受電電極９１ａ、９１ｂの間の電界結合により、混合波の交流電力が受電装置９０に供給される。混合波の交流電力はコイルＬ９１を介して整流装置（整流ダイオード等）Ｄ９１で整流され、負荷Ｒ９１で消費される。コイルＬ９１は反射防止フィルタとして機能するが、コイルＬ９１に限定されずコンデンサによって実現されてもよい。

混合波で給電することにより、受電側の整流装置Ｄ９１での損失を抑制することができる。ＬＣ共振回路８７を給電装置８０にのみ配置することで、同調が簡便になりシステム全体の部品が少なくてすむ。また、受電側全体の小型化が可能となる。

図７は、実施形態の変形例４として、ワイヤレス電力供給システム１０Ｅの構成例を示す。ワイヤレス電力供給システム１０Ｅは、電界結合方式を採用し、給電装置１２０と受電装置１３０を含む。ワイヤレス電力供給システム１０Ｅは、給電装置１２０と受電装置１３０の双方が並列共振回路を有する。

給電装置１２０は、混合波発生部２１とコイルＬ２１と、ＬＣ共振回路１２７と給電電極２９ａ、２９ｂを有する。受電装置１３０は、受電電力１３１ａ、１３１ｂ、ＬＣ共振回路１３７、コイルＬ１３２、整流装置（整流ダイオード等）Ｄ１３１、負荷Ｒ１３１、を有する。

混合波発生部２１は、図２の実施形態と同様である。給電側のＬＣ共振回路１２７と受電側のＬＣ共振回路１３７は、電極２９ａ、２９ｂと電極１３１ａ、１３１ｂの間の電界によって結合される。電極間の接合容量は共振回路１２７、１３７から独立しているので、接合容量が共振回路１２７、１３７の容量Ｃ１２１，Ｃ１３１に比べて小さい場合は接合容量が変化しても共振回路１２７、１３７の周波数に与える影響が小さい。

受電装置１３０に供給される混合波の交流電力は、共振回路１３７からコイルＬ１３２を介して整流装置Ｄ１３１に流れ込み、整流に変換され、負荷Ｒ１３１に供給される。混合波を用いることにより、整流効率の低下を抑制し、給電効率を向上することができる。

以上説明したように、本発明の電力供給システムは、電界結合方式、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波方式のいずれにも適用可能である。また、共振回路を用いる場合も用いない場合も適用可能であり、直列共振、並列共振を問わない。任意の方式、構成を採用するワイヤレス電力供給の際に電力供給効率を向上することができる。

本出願は、２０１３年３月１３日に出願された日本国特許出願第２０１３−０５０６１７号に基づきその優先権を主張するものであり、同日本国特許出願の全内容を参照することにより本願に援用する。

１０、１０Ａ〜１０Ｅ ワイヤレス電力供給システム
２０、６０、８０、１２０ 給電装置
２１、２１Ａ 混合波発生部
２２ 第一周波数電力生成部
２３ 混合器
２５ 第二周波数電力生成部
２９ａ、２９ｂ、８９ａ、８９ｂ 給電電極
３０、５０、７０、９０、１３０ 受電装置
３１ａ、３１ｂ、５１ａ、５１ｂ、９１ａ、９１ｂ、１３１ａ、１３１ｂ 受電電極
５５、７５、８７、１２７、１３７ 共振回路
Ｃ 第一周波数電力
Ｄ 混合波の交流電力
Ｓ 第二周波数電力
Ｄ３１、Ｄ５１、Ｄ７１、Ｄ９１、Ｄ１３１ 整流装置
Ｌ６３ 給電側コイル
Ｌ７１ 受電側コイル

Claims (8)

1. 給電装置から受電装置へ非接触で電力を供給するシステムであって、
   前記給電装置は、少なくとも２つの異なる周波数の第一周波数と第二周波数を有する交流電力を同時に供給し、かつ
   前記受電装置は、供給された前記複数の交流電力を直流電力に変換する整流回路を有し、
   前記第一周波数が、０．５ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、
   前記第二周波数が、前記第一周波数より１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ低い
   ことを特徴とするワイヤレス電力供給システム。
2. 前記第一周波数と第二周波数の交流電力を前記給電装置内において混合することにより混合波が生成され、
   前記混合波を電力として前記受電装置に供給する請求項１に記載のワイヤレス電力供給システム。
3. 前記第一周波数と前記第二周波数の電力が等しい請求項１または２に記載のワイヤレス電力供給システム。
4. 前記給電装置は給電電極を有し、
   前記受電装置は受電電極を有し、
   前記給電電極と前記受電電極の間に誘電体を有し、
   電界結合方式で電力を供給する請求項１〜３のいずれか１項に記載のワイヤレス電力供給システム。
5. 前記給電装置は給電コイルを有し、
   前記受電装置は受電コイルを有し、
   電磁誘導または、磁界共鳴方式で電力を供給する請求項１〜３のいずれか１項に記載のワイヤレス電力供給システム。
6. 前記給電装置と前記受電装置の少なくとも一方が共振回路を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のワイヤレス電力供給システム。
7. 少なくとも２つの周波数の混合波の交流電力を生成する混合波発生部と、
   前記混合波の交流電力を非接触で送電する非接触送電手段と
   を有し、
   前記混合波発生部は、
   第一周波数の交流電力を生成する第一周波数電力生成部と、
   前記第一周波数と異なる第二周波数の交流電力を生成する第二周波数電力生成部と、
   前記第一周波数の交流電力と、前記第二周波数の交流電力とを混合して混合波を生成する混合器と、
   前記混合波を電界結合、電磁誘導、または磁界共鳴によって電力として受電装置に供給する供給手段と
   を含み、
   前記第一周波数が、０．５ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、
   前記第二周波数が、前記第一周波数より１０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ低い
   ことを特徴とするワイヤレス電力供給装置。
8. 請求項７に記載のワイヤレス電力供給装置より供給された前記混合波を整流して直流電力を得ることを特徴とするワイヤレス電力供給方法。

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