JP5787027B2 - 電力伝送システム - Google Patents
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Description
(1)送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスで電磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
前記送電装置は、送電装置側共振キャパシタとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振インダクタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、受電装置側共振キャパシタとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振インダクタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互キャパシタンスで電界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を制御する伝送電力制御回路とを備えることが好ましい。
前記出力情報受信回路は無線通信で前記出力情報を受信する回路である。
前記出力情報受信回路は光信号を電気信号に変換して前記出力情報を受信する回路である。
図1は第1の実施形態の電力伝送システム111の回路図である。
電力伝送システム111は電力送電装置PSUと電力受電装置PRUとで構成されている。
送電装置側では、スイッチ素子Q1に流れる電流id1は負電流となり、スイッチ素子Q1およびスイッチ素子Q1の両端のダイオードDds1が導通する。送電コイルLpと共振キャパシタCr、および受電コイルLsと共振キャパシタCrsには共振電流が流れる。
スイッチ素子Q1に流れる電流id1は正電流となり、ダイオードDds1が非導通となって、スイッチ素子Q1のみに電流が流れる。送電コイルLpと共振キャパシタCr、および受電コイルLsと共振キャパシタCrsには共振電流が流れる。
スイッチ素子Q1の両端のキャパシタCds1は共振をはじめ、まずは充電されて、ピーク電圧を越えると放電する。電圧vds1が0Vになると状態4となる。
電流id1は負電流となり、ダイオードDds1が導通する。この期間においてスイッチ素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルLpと共振キャパシタCr、および受電コイルLsと共振キャパシタCrsには共振電流が流れる。
但し、ωs=2π/Ts
端子1−1’間には正弦波電流iac in (t)が与えられる。端子1−1’間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流波形はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流波形のみが流れ、効率良く電力を伝送することができる。
(1)離れた場所に直接的に給電する電力伝送システムを構成することができ、複数の電力変換機構を削減して非常に簡素に構成でき、電力伝送システム装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
図4は第2の実施形態の電力伝送システムの回路図である。
図5は電力伝送システム113の回路図である。第1の実施形態で図1に示した電力伝送システム111と異なり、送電装置側の共振キャパシタCpと受電装置側の共振キャパシタCsとの電界共鳴結合に関与する等価的なキャパシタンスである相互キャパシタンスCm1、Cm2、および電界共鳴結合に関与しない等価的なキャパシタンスである漏れキャパシタンスCpp、Cssを備える。磁界共鳴結合に関与する等価的なインダクタンスである相互インダクタンスを備えていない。すなわち、電界と磁界の共鳴結合である電磁界共鳴結合回路(図1の電磁界共鳴結合回路90)ではなく、電界のみの共鳴結合である電界共鳴結合回路92を形成する。
図6は第4の実施形態の電力伝送システム114の回路図である。この例では第1の実施形態の電力伝送システム111と異なり、受電装置側に同期整流素子であるスイッチ素子Q2に代えて、整流ダイオードD1を備えている。すなわちダイオードD1で受電装置側整流回路を構成している。
図7は第5の実施形態の電力伝送システム115の回路図である。第1の実施形態で図1に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置PRU側の構成である。第5の実施形態では、受電コイルLs1、Ls2、ダイオードD3、D4、平滑キャパシタCoによってセンタータップ整流回路が構成されている。送電装置PSUの構成は第1の実施形態で示したものと同様である。
図8は第6の実施形態の電力伝送システム116の回路図である。第5の実施形態で図7に示した電力伝送システムと異なり、この例では、受電装置PRU側に共振キャパシタCrsを備えている。このように受電装置側に直列共振回路を構成することにより、並列共振回路を構成した場合に比較して電流利得を大きくできる。
図9は第7の実施形態の電力伝送システム117の回路図である。第1の実施形態で図1に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置PRU側の構成である。第7の実施形態では、受電コイルLsに、ダイオードD3,D4,D7,D8、平滑キャパシタCoによってブリッジ整流回路が接続されている。送電装置PSUの構成は第1の実施形態で示したものと同様である。
図10は第8の実施形態の電力伝送システム118の回路図である。第7の実施形態で図9に示した電力伝送システムとは共振キャパシタCrsの位置が異なる。このため、このキャパシタCrsによって所定の共振周波数で電磁界共鳴動作をさせることができる。
図11は第9の実施形態の電力伝送システム119の回路図である。この例では受電装置PRU側に4つのスイッチ素子Qs1,Qs2,Qs3,Qs4によるブリッジ整流構成の整流回路が設けられている。
図12は第10の実施形態の電力伝送システム120の回路図である。この例では受電装置PRU側に2つのダイオードD1,D2による整流回路を設けている。
図13は第11の実施形態の電力伝送システム121の回路図である。
この例では入力電源Viの電圧を分圧するキャパシタCr1、Cr2、および出力電圧Voを分圧するキャパシタCrs1、Crs2を備えている。すなわち、第1の実施形態で示した電力伝送システムにおける共振キャパシタCrをCr1、Cr2に分割し、共振キャパシタCrsをCrs1、Crs2に分割したものである。ここでは、送電コイルLpおよび受電コイルLsの漏れインダクタンスを共振インダクタLr、Lrsとして明示している。その他は第1の実施形態で図1に示したものと同様である。
図14は第12の実施形態の電力伝送システム122の回路図である。この例では、受電装置側のキャパシタCrsに発生する電圧を負荷に供給するようにして電力伝送を行う。図10等に示した例のように、受電装置側のキャパシタに流れる電流を負荷に供給するようにして電力伝送を行う構成に比べて、負荷に供給する電圧が高い場合に、同じ給電電力において効率よく電力伝送を行うことが可能となる。
図15は第13の実施形態の電力伝送システム123の回路図である。この例では、送電装置側に2つのFETQ1,Q2を含むプッシュプル回路を構成している。これにより、1つのFETを用いてプッシュプル構成にした場合に比べて、大きな電力を給電することが可能となる。また、2つのFETQ1,Q2が交互にスイッチング動作を行うことにより等価的に2倍の周波数の電磁界共鳴結合回路を形成することができる。
図17は第14の実施形態の電力伝送システム124の回路図である。この例は、電磁界共鳴結合を形成する磁路にフェライトなどの磁性体を用いた例である。
図18は第15の実施形態の電力伝送システム125の回路図である。この例は、電磁界共鳴結合を形成する磁路にフェライトなどの磁性体を用いた例である。この例でも磁性体を用いることで磁気結合の度合いが大きくなり、電力伝送効率を高くすることができる。また、空間に放出される電磁波(磁束と電束)をフェライトにより抑制することができる。
図19は第16の実施形態の電力伝送システム126の回路図である。この例では、送電装置PSUに二つの共振キャパシタCr1,Cr2、受電装置PRUに二つの共振キャパシタCrs1,Crs2がそれぞれ設けられている。また、受電装置PRU側に4つのスイッチ素子Qs1、Qs2、Qs3、Qs4によるブリッジ整流構成の整流回路が設けられている。
図20は第17の実施形態の電力伝送システム127の回路図である。
この電力伝送システム127は、双方向電力伝送可能な複数の送受電装置PSU/PRU1、PSU/PRU2、PSU/PRU3、PSU/PRU4を備えたシステムである。
図21は第18の実施形態の電力伝送システム128の回路図である。この例では、送電コイルLpと受電コイルLs4との間に複数の共振器を設置している。図21において、受電コイル(インダクタ)Ls1およびキャパシタCs1で第1の中継用LC共振回路が構成されていて、受電コイル(インダクタ)Ls2およびキャパシタCs2で第2の中継用LC共振回路が構成されていて、受電コイル(インダクタ)Ls3およびキャパシタCs3で第3の中継用LC共振回路が構成されている。
図22は第19の実施形態の電力伝送システム129の回路図である。この例は、送電コイルLpと受電コイルLsにヘリカルコイルを用い、それぞれ中央給電している。そのため、送電装置側のヘリカルコイルは等価的インダクタンスL(Lp)および等価的キャパシタンスC(Lp)を有し、共振回路を構成している。同様に、受電装置側のヘリカルコイルはインダクタンスL(Ls)およびキャパシタンスC(Ls)を有し、共振回路を構成している。そして、この二つのヘリカルコイルは巻回軸がほぼ揃っている(ほぼ同軸)であることにより、ヘリカルコイル間に電磁界共鳴結合回路が形成される。その他の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。
図23は第20の実施形態の電力伝送システム130の回路図である。この例は、送電コイルLpと受電コイルLsにヘリカルコイルを用いている。また送電装置側に共振キャパシタCr、受電装置側に共振キャパシタCrsがそれぞれ設けられている。そのため、送電装置側のヘリカルコイルによる送電コイルLpのインダクタンスL(Lp)と共振キャパシタCrとで共振回路が構成され、同様に、受電装置側のヘリカルコイルによる受電コイルのインダクタンスL(Ls)と共振キャパシタCrsとで共振回路が構成されている。そして、この二つのヘリカルコイルは巻回軸がほぼ揃っている(ほぼ同軸)であることにより、ヘリカルコイル間に磁界共鳴結合回路が形成される。その他の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。
図24は第21の実施形態の電力伝送システムで用いられる送電コイルおよび受電コイルの例である。この例では、送電コイルLpと受電コイルLsにそれぞれメアンダラインコイルを用いている。そして、それぞれ中央給電される。そのため、送電コイルLpは等価的インダクタンスL(Lp)および等価的キャパシタンスC(Lp)を有し、共振回路を構成している。同様に、受電コイルLsはインダクタンスL(Ls)およびキャパシタンスC(Ls)を有し、共振回路を構成している。そして、この二つのコイルは主に電界共鳴結合を形成している。したがって、この送電コイルLpおよび受電コイルLsを用いて、主に電界共鳴結合により電力伝送を行うことができる。
第22の実施形態では、送電装置側および受電装置側の共振回路の共振周波数とスイッチング周波数との関係について示す。
送電装置側では、スイッチ素子Q1は導通し、流れる電流id1は0Aから流れ始めて正電流となる。送電コイルLpと共振キャパシタCr、および受電コイルLsと共振キャパシタCrsには共振電流が流れる。
スイッチ素子Q1の両端のキャパシタCds1は共振をはじめ、まずは充電されて、ピーク電圧を越えると放電する。電圧vds1は次第に0Vに漸近し、スイッチ素子Q1がターンオンすると状態2は終わる。
Cm1…相互キャパシタンス
Co…平滑キャパシタ
Cp…送電装置側共振キャパシタ
Cpp…漏れキャパシタンス
Cr…共振キャパシタ
Cr1,Cr2…共振キャパシタ
Crs…共振キャパシタ
Crs1,Crs2…共振キャパシタ
Crsa,Crsb…共振キャパシタ
Cs…共振キャパシタ
Css…漏れキャパシタンス
D1,D2,D3,D4…整流ダイオード
Lf,Lfs…インダクタ
Lm…相互インダクタンス
Lmp…相互インダクタンス
Lp…送電コイル
Lr…共振インダクタ
Ls…受電コイル
Ls1,Ls2,Ls3,Ls4…受電コイル
PRU…電力受電装置
PSU…電力送電装置
Q1〜Q4…スイッチ素子
Qs1…スイッチ素子
Ro,Ro2,Ro3…負荷
S1,S2…スイッチ回路
10,20…スイッチング制御回路
30…信号伝達手段
40…複共振回路
50…伝送制御回路
90…電磁界共鳴結合回路
92…電界共鳴結合回路
111〜130…電力伝送システム
Claims (20)
- 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスで電磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。 - 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。 - 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、送電装置側共振キャパシタとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振インダクタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、受電装置側共振キャパシタとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振インダクタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互キャパシタンスで電界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。 - 前記受電装置は、前記受電装置側整流回路の出力情報を検出して前記送電装置側に前記出力情報を伝送する情報送信回路を備え、
前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を制御する伝送電力制御回路とを備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の電力伝送システム。 - 前記情報送信回路は、無線通信で前記出力情報を送信する回路であり、
前記出力情報受信回路は無線通信で前記出力情報を受信する回路である、請求項4に記載の電力伝送システム。 - 前記情報送信回路は、電気信号を光信号に変換して前記出力情報を送信する回路であり、
前記出力情報受信回路は光信号を電気信号に変換して前記出力情報を受信する回路である、請求項4に記載の電力伝送システム。 - 前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路をオン/オフするスイッチング周波数を変化させる周波数制御PFM(Pulse Frequency Modulation)により伝送電力を制御する、請求項1〜6のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路を固定のスイッチング周波数でオン/オフして、時比率を制御するPWM(Pulse Width Modulation)により伝送電力を制御する、請求項1〜6のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記受電装置側整流回路はスイッチ素子を備えた同期整流回路である、請求項1〜6のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記受電装置は、前記同期整流回路の動作周波数を制御する動作周波数制御回路を備え、前記動作周波数によって受電電力を制御する、請求項9に記載の電力伝送システム。
- 前記受電装置は、該受電装置側の回路を制御する制御回路を備え、該制御回路は、前記受電装置が受電した電力によって動作する、請求項1〜10のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記受電装置側整流回路の出力部から電力が伝送されるとき、前記受電装置側整流回路は前記送電装置側交流電流発生回路として作用するとともに、前記送電装置側交流電流発生回路は前記受電装置側整流回路として作用し、双方向に電力伝送が可能な、請求項1〜11のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記送電コイルまたは前記受電コイルに対して並列に共振キャパシタを備えた、請求項1〜12のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される電界共鳴による等価的なキャパシタンスとなる浮遊容量で構成されている、請求項13に記載の電力伝送システム。
- 前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される等価的な相互キャパシタンスで構成されている、請求項13または14に記載の電力伝送システム。
- 前記送電コイルおよび前記受電コイルは空心のインダクタである、請求項1〜15のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記相互インダクタンスは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁界共鳴結合により生じる等価的な励磁インダクタンスである、請求項1または2に記載の電力伝送システム。
- 前記送電コイルもしくは前記受電コイルのインダクタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れインダクタンスを前記送電装置側共振回路または前記受電装置側共振回路を構成するインダクタとして用いた、請求項1〜17のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記送電装置側交流電流発生回路は、前記送電コイルと前記スイッチ回路をそれぞれ複数備え、前記送電コイルと前記スイッチ回路がそれぞれ電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行う、請求項1〜18のいずれかに記載の電力伝送システム。
- 前記送電装置側交流電流発生回路は、前記スイッチ回路を複数備えており、前記送電コイルに前記複数のスイッチ回路が電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行う、請求項1〜19のいずれかに記載の電力伝送システム。
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