JP5892512B2 - 移動型無線電力受電装置及びそれを用いた無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、無線電力送電装置を構成する伝送線路からの電力を移動する受電器が受電可能な移動型無線電力受電装置、及びそれを用いた無線電力伝送システムに関する。

無線電力送電装置から無線で受電器に電力伝送する無線電力伝送システムには、さまざまな方式のものが知られている。この中でも、非放射電磁界結合を用いて、受電器が存在すればそれとの結合に応じて無線電力送電装置の電力が伝送される方式は、高い電力伝送効率を得ることができるので、近年、非常に注目を集めている。この中には、移動する受電器に無線電力送電装置から電力伝送可能な無線電力伝送システムも知られている。

例えば、特許文献１には、受電側共振器で構成された受電器を備える自動車の経路に沿って、金属導線をコイル状に巻いた送電側共振器を多数配列して無線電力送電装置を構成し、その無線電力送電装置から受電器を通して自動車のバッテリに電力を供給するものが記載されている。

このような送電装置は設備として大規模になり易いのに対し、特許文献２には、直線状に延伸する伝送線路で無線電力送電装置を構成し、その伝送線路に重ねて配置されると電磁結合して電力が供給される受電器を備えるものが記載されている。特許文献２に記載のものは、設備としてさほど大規模にならないので、インフラとして設置し易いものである。

米国特許８０３０８８８号公報 特開２０１１−７２１７６号公報

しかしながら、特許文献２に記載されているような構成のものは、今日、実用化に向かって様々な研究がなされているところであり、更なる改善の余地が残っている。例えば、インピーダンス整合している状態の伝送線路に受電器が移動して来たとき、受電器によってインピーダンス不整合が生じて伝送線路上に反射が起こり、伝送効率が低下することも有る。そのような場合、実用的な対策が必要となる。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、受電器によって伝送線路上に起こる反射を低減するように、インピーダンス整合が容易に行える移動型無線電力受電装置及びそれを用いた無線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、請求項１に記載の移動型無線電力受電装置は、一端から他端に向けて高周波電力を送る伝送線路に電磁界結合する共振型の受電器と、該受電器の出力側と負荷との間に接続されてインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路と、前記受電器よりも前記伝送線路の他端側において前記伝送線路に電磁界結合する共振型の反射器と、を具備し、前記受電器によって前記伝送線路上に起こる反射を低減するように、前記反射器が到達してきた高周波電力を反射して前記伝送線路上にその一端側に向かう反射波を生じさせ、前記受電器が該反射波を吸収し前記インピーダンス整合回路に出力することを特徴とする。

請求項２に記載の移動型無線電力受電装置は、請求項１に記載の移動型無線電力受電装置において、前記受電器を、高周波電力の２分の１波長で共振させ、高周波電力の４分の１波長で前記伝送線路と電磁界結合させたことを特徴とする。

請求項３に記載の移動型無線電力受電装置は、請求項１又は２に記載の移動型無線電力受電装置において、前記反射器を、高周波電力の２分の１波長で共振させ、高周波電力の４分の１波長で前記伝送線路と電磁界結合させたことを特徴とする。

請求項４に記載の移動型無線電力受電装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置において、前記伝送線路に前記受電器が電磁界結合する部分と前記伝送線路に前記反射器が電磁界結合する部分の位置間隔を、高周波電力の４分の１波長の奇数倍としたことを特徴とする。

請求項５に記載の移動型無線電力受電装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置において、前記インピーダンス整合回路は、インピーダンス可変型素子を含み、該インピーダンス可変型素子のインピーダンスは、前記受電器の出力インピーダンスの変化に対応して変化可能であることを特徴とする。

請求項６に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置と、前記伝送線路及びその一端に接続された高周波電源とその他端に接続された無反射終端を有する無線電力送電装置と、を備えることを特徴とする。

請求項７に記載の無線電力伝送システムは、請求項６に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記伝送線路がマイクロストリップ線路であることを特徴とする。

本発明によれば、インピーダンス整合回路と反射器を具備することで、受電器によって伝送線路上に起こる反射を低減するように、インピーダンス整合が容易に行える移動型無線電力受電装置及びそれを用いた無線電力伝送システムを提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す模式図である。 同上の無線電力伝送システムの主要部分の構成を示す平面図である。 同上の無線電力伝送システムのＸ−Ｘ面で切断した断面図である。 同上の無線電力伝送システムの主要部分の構成を示す斜視図である。 同上の移動型無線電力受電装置のインピーダンス整合回路の回路例である。 同上の無線電力伝送システムのＳパラメータの参考特性を示すシミュレーション実験の特性図である。 同上の無線電力伝送システムのＳパラメータの特性を示すシミュレーション実験の特性図である。 同上の無線電力伝送システムのＳパラメータのうちのＳ３３の特性を示すシミュレーション実験の特性図である。 同上の無線電力伝送システムのＳパラメータの特性を示すサンプル実験の特性図である。 同上の無線電力伝送システムを変形したときのＳパラメータの参考特性を示すシミュレーション実験の特性図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム１は、図１に示すように、無線電力送電装置２と移動型無線電力受電装置３を有して構成されるものである。

無線電力送電装置２は、伝送線路２０及びその一端２０ａに接続された高周波電源２１とその他端２０ｂに接続された無反射終端２２を有する。伝送線路２０は、一端２０ａから他端２０ｂに向けて高周波電力を送るものであり、直線方向或いは僅かな曲率の曲線方向に一次元的に延伸している。

より詳細には、伝送線路２０は、図２に示すような長く延伸するマイクロストリップ線路を用いることができる。マイクロストリップ線路を用いた伝送線路２０は、図３に示すように、絶縁材料２０’上に（或いはそれに埋め込まれて）形成され、絶縁材料２０’の厚さ方向の反対側には接地線路２０’’が形成されている。なお、図２においては、マイクロストリップ線路を用いた伝送線路２０の一部を示しており、僅かな曲率を有しているものを示している。また、図３は、理解し易いように、厚さ方向は拡大して示している。

高周波電源２１は、高周波電力を生成して伝送線路２０の一端２０ａに出力する。また、無反射終端２２は、伝送線路２０の他端２０ｂを所定のインピーダンスを介して接地させている。無反射終端２２は、例えば、５０Ωの終端抵抗である。

移動型無線電力受電装置３は、無線電力送電装置２の伝送線路２０に電磁界結合する共振型の受電器４と、受電器４の出力側と負荷５との間に接続されるインピーダンス整合回路６と、受電器４よりも伝送線路２０の他端２０ｂ側において伝送線路２０に電磁界結合する共振型の反射器７と、を具備している。なお、負荷５は、車両などが所要の機能を発揮するためのバッテリ等の回路である。

受電器４は、伝送線路２０に沿って移動可能なものである。受電器４には、伝送線路２０の高周波電力が伝送される。換言すれば、受電器４は、伝送線路２０の高周波電力を吸収する。そして、その吸収した高周波電力は受電器４で共振して、インピーダンス整合回路６に出力される。

受電器４は、高周波電力の２分の１波長で共振し、高周波電力の４分の１波長で伝送線路２０と電磁界結合させることが好ましい。例えば、図２に示すように、受電器４を屈曲した形状のストリップ導体で形成し、高周波電力の２分の１波長で共振するように全長を高周波電力の２分の１波長に略等しい長さにし、その一辺を電磁界結合部分（伝送線路２０に受電器４が電磁界結合する部分）４０として高周波電力の４分の１波長に略等しい長さにする。そうして、図４に示すように、マイクロストリップ線路の伝送線路２０に隙間をあけて電磁界結合部分４０を重ね合わせると、伝送線路２０の高周波電力が適正に受電器４に伝送され、その高周波電力は受電器４で共振する。このようにすると、受電器４は、小型であり、かつ、伝送線路２０の高周波電力を高効率で吸収することができる。

なお、図２においては、ストリップ導体で形成した受電器４は、その電磁界結合部分４０が僅かな曲率を有しているものを示しており、また、電磁界結合部分４０に対して略垂直に形成される部分４１と、更にその部分４１の先端部から略垂直に形成される部分４２と、を有するものを示している。また、受電器４は、図３に示すように、絶縁材料４’上に（或いはそれに埋め込まれて）形成され、絶縁材料４’の厚さ方向の反対側には接地線路４’’が形成されるようにすることができる。

インピーダンス整合回路６は、受電器４の出力側に接続されて、インピーダンス不整合による反射が起きないようにするものである。インピーダンス整合回路６は、インダクタとコンデンサを組み合わせた集中定数回路とすることができ、受電器４の電磁界結合部分４０と伝送線路２０との位置関係や受電器４の形状等に合わせて、容易にインピーダンスを整合させることができる。インピーダンス整合回路６は、例えば、図５に示すようなコンデンサ６１とインダクタ６２とコンデンサ６３からなるπ型回路を用いることができる。或いは、Ｔ型回路を用いることもできる。

反射器７は、伝送線路２０の一端２０ａから他端２０ｂに向けて送られる高周波電力を反射して、伝送線路２０上にその一端２０ａ側に向かう反射波を生じさせる。反射器７は、その位置に到達した伝送線路２０上の高周波電力のほぼ全部を反射することも可能である。

反射器７は、高周波電力の２分の１波長で共振し、高周波電力の４分の１波長で伝送線路２０と電磁界結合させることが好ましい。例えば、図２に示すように、反射器７を屈曲した形状のストリップ導体で形成し、高周波電力の２分の１波長で共振するように全長を高周波電力の２分の１波長に略等しい長さにし、その一辺を電磁界結合部分（伝送線路２０に反射器７が電磁界結合する部分）７０として高周波電力の４分の１波長に略等しい長さにする。そうして、図４に示すように、マイクロストリップ線路の伝送線路２０に隙間をあけて電磁界結合部分７０を重ね合わせると、その位置に到達した伝送線路２０の高周波電力が共振する反射器７によって反射される。このような反射器７は、小型であり、かつ、高効率で反射することができる。

なお、図２においては、ストリップ導体で形成した反射器７は、その電磁界結合部分７０が僅かな曲率を有しているものを示しており、また、電磁界結合部分７０に対して略垂直に形成される部分７１と、更にその部分７１の先端部から略垂直に形成される部分７２と、を有するものを示している。また、反射器７は、通常は、受電器４とともに移動し、受電器４と位置関係がずれないように一体に形成されるので、図３に示した受電器４と同様に、絶縁材料４’上に（或いはそれに埋め込まれて）形成され、絶縁材料４’の厚さ方向の反対側には接地線路４’’が形成されるようにすることができる。

このような構成により、無線電力伝送システム１において、反射器７がその位置に到達した伝送線路２０上の高周波電力のほぼ全部を反射し、その反射波のほぼ全部を受電器４が吸収してインピーダンス整合回路６に出力するようにすると、反射器７よりも伝送線路２０の一端２０ａ側では、伝送線路２０の他端２０ｂに接続された無反射終端２２の影響は受けないことになる。そうすると、インピーダンス整合をインピーダンス整合回路６に行わせることにより、伝送線路２０上に起こる反射（受電器４の位置から伝送線路２０上をその一端２０ａ側に返る反射波）を低減することができる。その結果、伝送線路２０から受電器４への伝送効率のインピーダンス不整合による低下を防ぐことができる。

また、移動する移動型無線電力受電装置３が伝送線路２０以外のところに有るときは、受電器４と反射器７は伝送線路２０に電磁界結合していないので、伝送線路２０はその他端２０ｂに接続された無反射終端２２によりインピーダンス整合している状態となる。

受電器４の電磁界結合部分４０と反射器７の電磁界結合部分７０の間の位置間隔は、高周波電力の４分の１波長の奇数倍とするのが好ましい。こうすると、伝送線路２０における受電器４の電磁界結合部分４０の位置に定在波の腹が形成されるため、伝送線路２０から受電器４への伝送効率を更に高めることができる。

無線電力伝送システム１は、電気自動車、電車、工場内搬送ロボットなどが、負荷としてバッテリを有し、かつ、移動型無線電力受電装置３を有するようにし、その通過するところに伝送線路２０を固定しておけば、移動しながらでもバッテリに充電するようにできる。

移動型無線電力受電装置３が移動する際には、受電器４の電磁界結合部分４０は、伝送線路２０との隙間が増減したり、伝送線路２０との重なり合いがずれたりして、受電器４の出力インピーダンスが変化することが少なくない。それに対応したインピーダンス整合を行うように、インピーダンス整合回路６がインピーダンス可変型素子を含むようにし、インピーダンス可変型素子のインピーダンスを受電器４の出力インピーダンスの変化に対応して自動的に或いは手動によって変化可能とするのが好ましい。例えば、図５におけるインダクタ６２をインピーダンス可変型素子にすることができる。

次に、本願発明者によるシミュレーションとサンプルの実験について述べる。この実験で用いた無線電力伝送システム１は、伝送線路２０、受電器４の電磁界結合部分４０、反射器７の電磁界結合部分７０が僅かな曲率を有して延伸している（図２参照）。伝送線路２０の幅Ａ、受電器４の幅Ｂ、反射器７の幅Ｃは屈曲部を除いてほとんど、３．２ｍｍとしている。受電器４の電磁界結合部分４０の長さＤは２３．８４ｍｍ、電磁界結合部分４０に対して略垂直に形成される部分４１の長さＥは６．５９ｍｍ、更にその部分４１の先端部から略垂直に形成される部分４２の長さＦは５．９８ｍｍとしている。反射器７の電磁界結合部分７０の長さＧは２５．２９ｍｍ、電磁界結合部分７０に対して略垂直に形成される部分７１の長さＨは６．５９ｍｍ、更にその部分７１の先端部から略垂直に形成される部分７２の長さＩは３．９７ｍｍとしている。受電器４と反射器７の間の距離Ｊは２２ｍｍとしている。伝送線路２０の厚さＫと受電器４の厚さＬは１５μｍ、伝送線路２０が形成される絶縁材料２０’と受電器４が形成される絶縁材料４’の間の距離Ｍは、１．５ｍｍとしている（図３参照）。

図６〜図８は、シミュレーション実験の特性図である。図６は、インピーダンス整合回路６を省いたときのＳパラメータの特性を示している。図７は、インピーダンス整合回路６にインピーダンス整合を行わせたときのＳパラメータの特性を示す。Ｓパラメータのうち、Ｓ１１は伝送線路２０の一端２０ａ側に返る（反射される）高周波電力の比率、Ｓ２１は伝送線路２０の他端２０ｂ側に通過して行く高周波電力の比率、Ｓ３１は受電器４の出力側からインピーダンス整合回路６に出力される高周波電力の比率である。図８は、ＳパラメータのうちのＳ３３の特性であって、曲線ａはインピーダンス整合回路６を省いたときの特性、曲線ｂはインピーダンス整合回路６にインピーダンス整合を行わせたときの特性を示している。Ｓ３３は、負荷５からインピーダンス整合回路６側を見たときに反射される高周波電力の比率である。

図６の特性図では、周波数が約２．４５ＧＨｚのとき、Ｓ１１が約−３ｄＢ、Ｓ２１が約−１８ｄＢ、Ｓ３１が約−５ｄＢとなっている。これに対し、図７の特性図では、周波数が約２．４５ＧＨｚのとき、Ｓ１１が約−２１ｄＢ、Ｓ２１が約−２２ｄＢ、Ｓ３１が約−１ｄＢとなっている。すなわち、インピーダンス整合回路６でインピーダンス整合を行わせることにより、伝送線路２０上に起こる反射が低減されている。また、そうすることにより、伝送線路２０の他端２０ｂ側に通過して行く高周波電力は若干減り、受電器４の出力側に出力される高周波電力は増加している。また、図８の特性図で示すＳ３３については、周波数が約２．４５ＧＨｚのとき、曲線ａでは約−２ｄＢであり、これに対し曲線ｂでは約−３３ｄＢとなっている。これは、曲線ｂでは、インピーダンス整合回路６によってインピーダンス整合が行われていることを示している。

図９は、インピーダンス整合回路６にインピーダンス可変型素子を用いてインピーダンス整合を行わせたときのサンプル実験の特性図である。周波数が約２．３９ＧＨｚのとき、Ｓ１１が約−１５ｄＢ、Ｓ２１が約−４６ｄＢ、Ｓ３１が約−２．５ｄＢとなっている。シミュレーション実験よりも若干共振周波数が低い方にずれているが、Ｓ１１が十分に低くなっており、伝送線路２０上に起こる反射が低減されている。

なお、参考のため、図１０に、反射器７を省いた場合で、インピーダンス整合回路６でインピーダンス整合の調整を行ったときのシミュレーション実験の特性図を示す。周波数が約２．５ＧＨｚのとき、Ｓ１１が約−７．５ｄＢ、Ｓ２１が約−７ｄＢ、Ｓ３１が約−２．５ｄＢ、Ｓ３３が約−３５ｄＢとなっている。このように、反射器７を省くと、インピーダンス整合回路６でインピーダンス整合を行っても、伝送線路２０上に起こる反射の低減は容易ではないことが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

１ 無線電力伝送システム
２ 無線電力送電装置
２０ 伝送線路
２０ａ 伝送線路の一端
２０ｂ 伝送線路の他端
２１ 高周波電源
２２ 無反射終端
３ 移動型無線電力受電装置
４ 受電器
５ 負荷
６ インピーダンス整合回路
７ 反射器

Claims (7)

1. 一端から他端に向けて高周波電力を送る伝送線路に電磁界結合する共振型の受電器と、
   該受電器の出力側と負荷との間に接続されてインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路と、
   前記受電器よりも前記伝送線路の他端側において前記伝送線路に電磁界結合する共振型の反射器と、
   を具備し、
   前記受電器によって前記伝送線路上に起こる反射を低減するように、前記反射器が到達してきた高周波電力を反射して前記伝送線路上にその一端側に向かう反射波を生じさせ、前記受電器が該反射波を吸収し前記インピーダンス整合回路に出力することを特徴とする移動型無線電力受電装置。
2. 前記受電器を、高周波電力の２分の１波長で共振させ、高周波電力の４分の１波長で前記伝送線路と電磁界結合させたことを特徴とする請求項１に記載の移動型無線電力受電装置。
3. 前記反射器を、高周波電力の２分の１波長で共振させ、高周波電力の４分の１波長で前記伝送線路と電磁界結合させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動型無線電力受電装置。
4. 前記伝送線路に前記受電器が電磁界結合する部分と前記伝送線路に前記反射器が電磁界結合する部分の位置間隔を、高周波電力の４分の１波長の奇数倍としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置。
5. 前記インピーダンス整合回路は、インピーダンス可変型素子を含み、該インピーダンス可変型素子のインピーダンスは、前記受電器の出力インピーダンスの変化に対応して変化可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動型無線電力受電装置と、
   前記伝送線路及びその一端に接続された高周波電源とその他端に接続された無反射終端を有する無線電力送電装置と、
   を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。
7. 前記伝送線路がマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項６に記載の無線電力伝送システム。

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