JP5843309B2 - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送システムに関し、より詳細には、給電装置と受電装置とを対向させ、給電装置に設けた一次側給電コイルから受電装置に設けた二次側受電コイルに非接触でエネルギーを伝送する電磁誘導型の非接触電力伝送システムに関する。

近年、情報化社会の急激な発展により、オフィスや家庭内などの日常生活を取り巻く環境の中で使用される携帯機器が増加の一途をたどっている。なかでも、携帯電話をはじめとしてモバイル情報端末の普及は著しい。特にスマートフォンにおいては多機能化が進み、機器の利便性や多角化が高まっている。その反面、消費電力の増大によりバッテリーに対する負担が大きい。これらの民生機器のバッテリーとしては二次電池として主にリチウムイオン電池が使用され、高容量化、高密度化により進化している。しかし、現在のところバッテリー容量には限界があり、消費者の要求は「小型軽量化」であり頻繁な充電が必要不可欠である。また、バッテリーの大容量化は、保持エネルギーが大きくなり、安全面でも単純に大容量化が良いとは限らない。

一方、携帯機器の情報伝達の面では接続機器の携帯性、煩雑な配線の改善、レイアウトや移設の自由度を拡大することから、ＩＥＥＥ８０２．１１の無線ＬＡＮやＩＥＥＥ８０２．１５等の近距離無線通信によるネットワークの無線化が実用化している。しかし、電力の供給面では未だ有線配線が一般的であり、更なる利便性や信頼性を高めるためには電源と機器とを分離する必要がある。そこで非接触電力伝送技術は、様々な分野で注目を集めている。特に２００７年のＭＩＴ（マサチューセッツ工科大学）による磁気共鳴型非接触電力伝送技術の発表を機に、非接触電力伝送技術は多くの人々に認知されつつある。

非接触電力伝送としては、磁気共鳴、電解結合、電磁誘導等が発表されている。それぞれの方式には長所と短所があり、単純にどの方式が優れているかは、アプリケーションによるところが大きい。故に、アプリケーションに応じて非接触電力伝送方式を選択する必要がある。このような、非接触電力伝送装置の例として、特許文献１等が開示されている。

整合コイルを用いた伝送は、電気通信の分野、いわゆる電界を利用した遠方界の伝送で見られる。この場合２次側の受電電力は極めて小さい。一方、以下に詳述する本発明は電磁界を利用した比較的短い距離での近傍界の伝送であり、上述の方式に比べて５桁程度の著しく大きい電力を伝送することができる。従って、エネルギーを伝送する手法としで極めて有用なシステムを構築することができる。

特開２０１０−２８３２６３号公報

非接触電力伝送方式のうち、一次側給電コイルと二次側受電コイルを対向させた給電装置と受電装置のコイルを介した電磁誘導方式は他の方式に比べて、特に対向する給電装置と受電装置のコイル間の距離（Ｇａｐ）が離れた場合や、対向する給電装置と受電装置の横方向の位置がずれた場合など、コイル間の距離や位置ずれに弱いと言う問題点がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、電磁誘導方式における給電装置と受電装置のコイル間の距離に起因した結合係数κの低下、及び給電装置と受電装置の横方向の位置ずれによるコイル間の位置ずれに起因した結合係数κの低下で起こる伝送効率の悪化を改善した電磁誘導型の非接触電力伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による非接触電力伝送システムは、一次側給電コイルを有する給電装置から二次側受電コイルを有する受電装置へ非接触により電力伝送する電磁誘導型の非接触電力伝送システムであって、前記一次側給電コイルで発生した磁束を前記二次側受電コイルに効率よく伝達するための負荷整合を行う整合コイルを具備し、前記整合コイルは、前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの間又は前記二次側受電コイルの外側に一つ配設される。
前記一次側給電コイル、前記二次側受電コイル、及び前記整合コイルのいずれか又は全てのコイルの面に配設された軟磁性体を備えても良いし、前記一次側給電コイルと前記整合コイルとが対向する面の反対側の面に配設された軟磁性体を備えても良い。
前記一次側給電コイルに対して所定周波数の電流を流して磁束を発生させ、前記整合コイルを前記所定周波数で共振する様に調整する。
前記一次側給電コイルを複数個備えても良い。

上記目的を達成するためになされた本発明の他の特徴による非接触電力伝送システムは、一次側給電コイルを有する給電装置から二次側受電コイルを有する複数の受電装置へ非接触により電力伝送する非接触電力伝送システムであって、前記二次側受電コイルを有する複数の受電装置に対して前記一次側給電コイルで発生した磁束を該二次側受電コイルに効率よく伝達するための負荷整合を行う整合コイルをそれぞれ備え、前記整合コイルは、前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの間又は前記二次側受電コイルの外側に配設され、前記二次側受電コイルを有する複数の受電装置に対して前記一次側給電コイルを有する給電装置から同時に電力を伝達する。
前記一次側給電コイル、前記二次側受電コイル、及び前記整合コイルのいずれか一つ以上に軟磁性材を配設しても良い。
前記一次側給電コイルの品質係数をＱ１、前記整合コイルの品質係数をＱ３、該一次側給電コイルと整合コイルとの結合係数をｋ１３とし、これらを性能指標α＝ｋ１３^２Ｑ１Ｑ３として表し、αを１０以上１００００以下とする。また、前記二次側受電コイルの品質係数をＱ２、前記整合コイルの品質係数をＱ３、該二次側受電コイルと整合コイルとの結合係数をｋ２３とし、これらを性能指数β＝ｋ２３^２Ｑ２Ｑ３として表し、βを３０以上１００００以下とする。
前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの結合係数をｋ１２とし、ｋ１２を０．０１以上０．７以下とすることが望ましい。また、前記二次側受電コイルの品質係数をＱ２、該二次側受電コイルと前記整合コイルとの結合係数をｋ２３とし、これらの積ｋ２３Ｑ２を７以上４０以下とすることが望ましい。

本発明の非接触電力伝送システムによれば、給電装置と受電装置の距離及び位置ずれによって発生する結合係数の低下と負荷整合のずれにより伝送効率が悪化する特性を、効率最大化にできる利点を持つ。二次側に、直列共振回路を構成した場合は低負荷で高効率となり、並列共振回路を構成した場合は高負荷で高効率となる。一方、整合コイルを配置した構成では、広い負荷範囲で高効率を得ることができる。

従来の電磁誘導型の非接触電力伝送システムの二次側共振回路の説明図であり、受電側２次コイルにそれぞれ直列又は並列共振用コンデンサを挿入したものである。 直列及び並列共振時の効率と性能指標を示すグラフである。 直列及び並列共振時の性能指標と最適負荷特性の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態による電磁誘導型の非接触電力伝送システムの説明図である。 結合係数を一定にした場合の最適負荷特性を示すグラフである。 Ｑを一定にした場合の最適負荷特性を示すグラフである。 結合係数とＱとの積値による最適負荷特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態による各コイル及び磁性板の配置図である。

以下、本発明の非接触電力伝送システムを実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明による非接触電力伝送システムを説明する前に、先ず、一般によく知られている従来の電磁誘導型の非接触電力伝送システムについて説明する。このような非接触電力伝送システムは、一次側給電コイルと二次側受電コイルからなり、非接触により電力を伝送するシステムが殆どである。

非接触電力伝送システムおける従来回路は、一次側給電コイルと二次側受電コイルに位置ずれやコイル間の距離（Ｇａｐ）等により結合係数が低下すると、効率の悪化及び電圧変動が大きくなるという問題点を含んでいる。

図１は、従来の電磁誘導型の非接触電力伝送システムの二次側共振回路の説明図であり、図１（ａ）は受電側２次コイルに直列共振用コンデンサを挿入した回路であり、図１（ｂ）は並列共振用コンデンサを挿入した回路である。

電磁誘導型の非接触電力伝送において、従来回路は、図１に示したようにリアクタンス補償として受電側２次コイルに直列に、或いは並列にコンデンサを挿入することで、効率改善が見込めることは既に研究及び報告がなされている通りである。

ここで、二次側共振回路による最大効率ηｍａｘを求めると、直列及び並列共振のどちらの場合も次式になる。
ηｍａｘ＝１／（１＋（２（（１＋√（１＋α））／α）） −−−（１）
α＝κ²Ｑ１Ｑ２ −−−（２）
ここで、
κ：コイル間の結合係数
Ｑ１：一次側コイルのＱ値
Ｑ２：二次側コイルのＱ値

この時、二次側コイルの巻線抵抗をｒ２とすると、最適な負荷ＲＬとの関係は次式になる。
ＲＬ／ｒ２＝√（１＋α） −−−（３）
ＲＬ／ｒ２＝√（１＋α）＋Ｑ２^２／√（１＋α） −−−（４）

式（３）は直列共振時、式（４）は並列共振時である。式（２）は一次側コイルと二次側コイルの結合係数κの２乗と一次側コイル及び二次側コイルのＱ（品質係数）値（Ｑ１とＱ２）との積であり、性能指標αを表わす。従来、性能指標αは、角周波数、相互インダクタンス、及び巻線抵抗を用いて表されているが、式（２）に変形することが可能であることは電気回路上明白である。

上式を基に表した効率と性能指標αとの関係を図２のグラフに示す。この時、共振コンデンサと負荷ＲＬが最大になるように選択される。９０％以上の効率を得るためには、性能指標α値として４００以上が必要である。コイル間の結合係数κが１に漸近するならば、性能指標α値として４００以上は容易であるが、コイル間の距離が１０ｍｍ以上では、結合係数κは０．１以下になりコイルのＱ値だけでは効率改善が困難である。

次に、効率が最大になる最適負荷に着目する。図３に性能指標α値と最適負荷特性の関係を示す。図３（ａ）は直列共振時の性能指標α値と最適負荷特性を示すグラフであり、図３（ｂ）は並列共振時の性能指標α値と最適負荷特性を示すグラフである。図３を参照すると、性能指標α値の変動と共に最適負荷の値が変動していくことがわかる。特に並列共振の場合は、Ｑ２の値によっても最適負荷が変動する。これは、一見最適負荷を、Ｑ２により任意に設定ができる可能性を示すが、性能指標α値を一定とした場合はＱ２の変動分をＱ１で補償しなければならない負荷整合の問題が出てくる。

本発明は、結合係数κの低下時に負荷ＲＬとの整合を確立することが可能であり、その整合を確立するために、一次側給電コイルと二次側受電コイルとの間に負荷整合コイルを導入する。

本発明は、一次側給電コイルで発生した磁束を負荷整合コイルにより負荷整合を行い、二次側受電コイルに効率良く伝達するための負荷整合コイルを備えたものであり、本発明の一実施形態による電磁誘導型の非接触電力伝送システムの構成及び解析結果を、図４〜図７を参照しながら説明する。

図４は、本発明の一実施形態による電磁誘導型の非接触電力伝送システムの説明図であり、図１に示した従来の電磁誘導型の非接触給電システムにおいて、電力供給手段の給電側１次コイルＣｏｉｌ１と電力受電手段の受電側２次コイルＣｏｉｌ２に、負荷整合手段の整合コイルＣｏｉｌ３を挿入した電磁誘導型の非接触電力伝送システムの構成図である。

図４に示すように、本発明の一実施形態による電磁誘導型の非接触電力伝送システムは、給電装置と受電装置のコイル間の距離と両装置の位置ずれに起因する伝送効率の悪化を改善するため、負荷整合手段とした整合コイルＣｏｉｌ３に給電装置の駆動周波数に同調するように共振コンデンサＣ３を付加したＬＣブースト回路を構成する電磁誘導型非接触電力伝送システムである。

本実施形態による電磁誘導型の非接触電力伝送のコイル構成について図４を参照して説明する。

図４を参照すると、給電コイルＣｏｉｌ１、負荷整合コイルＣｏｉｌ３、及び受電コイルＣｏｉｌ２を備え、一般に良く知られている電磁誘導方式とは異なる負荷整合コイルＣｏｉｌ３が導入されている。

図４において、一次側給電コイルＣｏｉｌ１（例えば、Ｌ１＝４４．７μＨ）、負荷整合コイルｃｏｉｌ３（例えば、Ｌ３＝３５．７μＨ）、及び二次側受電コイルＣｏｉｌ２（変数Ｌ２）を備え、一次側給電コイルの巻線抵抗ｒ１（例えばｒ１＝０．３８Ω）、負荷整合コイルの巻線抵抗ｒ３（例えばｒ３＝０．５６Ω）、及び二次側受電コイルの巻線抵抗ｒ２（変数ｒ２）を有する。負荷整合コイルＣｏｉｌ３の共振用コンデンサＣ３により、Ｃｏｉｌ１とＣｏｉｌ３間の結合係数ｋ１３（例えばｋ１３＝０．０２４）、Ｃｏｉｌ１とＣｏｉｌ２間の結合係数ｋ１２（例えばｋ１２＜０．０２４）、及びＣｏｉｌ２とＣｏｉｌ３間の結合係数ｋ２３（変数ｋ２３）を有し、Ｃｏｉｌ２の負荷ＲＬ（変数ＲＬ）を有する。

図１に示した従来の非接触電力伝送システムとの違いは、一次側給電コイルＣｏｉｌ１と二次側受電コイルＣｏｉｌ２との間に負荷整合コイルＣｏｉｌ３と共振用コンデンサＣ３を追加した点である。

この時の性能指標α値は約８０であり、最大効率は約８０％になる。図４の設定値と負荷ＲＬが接続されている二次側受電コイルＣｏｉｌ２のＱ値を変数として、ｋ２３＝０．５の場合の負荷特性を確認した結果から図５の特性が得られる。

図５において、
Ｑ２＝１０の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約１００で効率が約６５％
Ｑ２＝２０の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約５００で効率が約６５％
Ｑ２＝５０の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約９００で効率が約６５％
Ｑ２＝１００の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約２０００で効率が約６５％
となり、効率が最大となる負荷の値が変動する。また、最大効率に大きな変化がなく、性能指標αで決まる最大効率に漸近する。

次に、Ｑ２の値を一定（例えば、Ｑ２＝３５）として負荷整合コイルＣｏｉｌ３と二次側受電コイルＣｏｉｌ２との間の結合係数ｋ２３を変化させたときの負荷特性（ＲＬ／ｒ２）を図６に示す。

図６において、
ｋ２３＝１の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約２０００で効率が約６５％
ｋ２３＝０．５の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約５００で効率が約６５％
ｋ２３＝０．２の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約１００で効率が約６５％
ｋ２３＝０．１の時、負荷特性（ＲＬ／ｒ２）は約６０で効率が約４０％
となり、結合係数ｋ２３が低い場合は効率が減少するため、ｋ２３＝０．２以上で使用することが望ましい。

上記で得られた結果を基に、負荷整合コイルＣｏｉｌ３と受電コイルＣｏｉｌ２間の結合係数ｋ２３と受電コイルＣｏｉｌ２のＱ２との積値ｋ２３Ｑ２による効率及び最適負荷を図７に示す。

図７において、ｋ２３Ｑ２の値が７でほぼ飽和値に近く、１５以上では効率が約６５％で大きな変化はなく、それに伴う負荷を最適に設定することで最大効率の実現が可能である。

また、上記コイル間結合を改善するために磁性板として軟磁性材を使用したフェライトの配置図を図８に示す。

図８は、給電コイルＣｏｉｌ１の底面に軟磁性板（Ｎｉ−Ｚｎ）フェライト１を敷き、負荷整合コイルＣｏｉｌ３の背面にＣｏｉｌ１とＣｏｉｌ３を挟み込むように同様な軟磁性板フェライト３を配置し、受電コイルＣｏｉｌ２の下面にＣｏｉｌ２とＣｏｉｌ３を挟み込むように同様に軟磁性板フェライト２を置く。これにより、負荷整合コイルＣｏｉｌ３と給電コイルＣｏｉｌ１のコイル間結合ｋ１３が上がり、伝送効率が改善される。

次に、１次側コイルの品質係数をＱ１、２次側コイルの品質係数をＱ２、負荷整合コイルの品質係数をＱ３とし、１次側コイルと２次側コイルの結合係数をｋ１２、２次側コイルと負荷整合コイルの結合係数をｋ２３、１次側コイルと負荷整合コイルとの結合係数をｋ１３として、伝送効率との関係を次に示す。

これらを、性能指標α＝ｋ１３^２Ｑ１Ｑ３とし、β＝ｋ２３^２Ｑ２Ｑ３として、伝送効率との関係を次に示す。
α 伝送効率（％）
０．１ ２
０．５ ９
１ １６
５ ４０
１０ ５２
３０ ７０
７０ ７８
１００ ８１
３００ ９０
１０００ ９４
１００００ ９８
αが１以上になると伝送効率が著しく向上し、αが１０以上では５０％を越えている。

次に、上記条件かつ効率が７０％となる条件で、βと伝送効率との関係を次に示す。この時、αは３０、Ｑ２は２０となっている。
β 伝送効率（％）
０．１ ０．０２
０．５ １
１ ２
５ ９
１０ １８
３０ ３８
７０ ５５
１００ ６０
３００ ６７
１０００ ６９
１００００ ７０
βが５以上になると伝送効率が著しく向上し、βが３０では最高効率／２を超えている。

次に、ｋ１２と伝送効率との関係を示す。
ｋ１２ 伝送効率（％）
０．０１ ６８
０．１ ６８
０．２ ６７
０．３ ６６
０．４ ６４
０．５ ６２
０．６ ６０
０．７ ５９
０．８ ５７
０．９ ５５
ｋ１２の増加に伴い、伝送効率は緩やかに減少することになる。ｋ１２が０．７以下の領域では、最高効率の８５％以上となっている。

本発明の非接触電力伝送システムは、携帯機器等に搭載されて充電可能な二次電池への給電、電気自動車のバッテリーへの給電、充電可能なバッテリーを搭載した電子機器への給電等において活用することが可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

Ｃｏｉｌ１ 一次側（給電）コイル
Ｃｏｉｌ２ 二次側（受電）コイル
Ｃｏｉｌ３ （負荷）整合コイル
Ｃ３ 共振コンデンサ
Ｃｓ 直列共振用コンデンサ
ＣＬ 並列共振用コンデンサ
ＲＬ 負荷
ｒ１、ｒ２、ｒ３ 巻線抵抗

Claims (11)

1. 一次側給電コイルを有する給電装置から二次側受電コイルを有する受電装置へ非接触により電力伝送する電磁誘導型の非接触電力伝送システムであって、
   前記一次側給電コイルで発生した磁束を前記二次側受電コイルに効率よく伝達するための負荷整合を行う整合コイルを具備し、
   前記整合コイルは、前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの間又は前記二次側受電コイルの外側に一つ配設されることを特徴とする非接触電力伝送システム。
2. 前記一次側給電コイル、前記二次側受電コイル、及び前記整合コイルのいずれか又は全てのコイルの面に配設された軟磁性体を備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
3. 前記一次側給電コイルと前記整合コイルとが対向する面の反対側の面に配設された軟磁性体を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送システム。
4. 前記一次側給電コイルに対して所定周波数の電流を流して磁束を発生させ、前記整合コイルを前記所定周波数で共振する様に調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
5. 前記一次側給電コイルを複数個備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
6. 一次側給電コイルを有する給電装置から二次側受電コイルを有する複数の受電装置へ非接触により電力伝送する電磁誘導型の非接触電力伝送システムであって、
   前記二次側受電コイルを有する複数の受電装置に対して前記一次側給電コイルで発生した磁束を前記二次側受電コイルに効率よく伝達するための負荷整合を行う整合コイルを前記二次側受電コイルに対応してそれぞれ備え、
   前記整合コイルは、前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの間又は前記二次側受電コイルの外側に配設され、
   前記二次側受電コイルを有する複数の受電装置に対して前記一次側給電コイルを有する給電装置から同時に電力を伝達することを特徴とする非接触電力伝送システム。
7. 前記一次側給電コイル、前記二次側受電コイル、及び前記整合コイルのいずれか一つ以上に軟磁性材を配設することを特徴とする請求項６に記載の非接触電力伝送システム。
8. 前記一次側給電コイルの品質係数をＱ１、前記整合コイルの品質係数をＱ３、該一次側給電コイルと整合コイルとの結合係数をｋ１３とし、これらを性能指標α＝ｋ１３^２Ｑ１Ｑ３として表し、αを１０以上１００００以下とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
9. 前記二次側受電コイルの品質係数をＱ２、前記整合コイルの品質係数をＱ３、該二次側受電コイルと整合コイルとの結合係数をｋ２３とし、これらを性能指数β＝ｋ２３^２Ｑ２Ｑ３として表し、βを３０以上１００００以下とすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
10. 前記一次側給電コイルと前記二次側受電コイルとの結合係数をｋ１２とし、ｋ１２を０．０１以上０．７以下とすることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
11. 前記二次側受電コイルの品質係数をＱ２、該二次側受電コイルと前記整合コイルとの結合係数をｋ２３とし、これらの積ｋ２３Ｑ２を７以上４０以下とすることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
    

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