JP6297218B1

JP6297218B1 - 共振型電力受信装置

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Publication number: JP6297218B1
Application number: JP2017521006A
Authority: JP
Inventors: 阿久澤　好幸; 好幸阿久澤; 裕志松盛
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: EP3595130A1; CN110383631A; EP3595130B1; EP3595130A4; WO2018163406A1; CN110383631B; JPWO2018163406A1; US20190356170A1

Abstract

送信アンテナ（２）から伝送された電力を受信する受信アンテナ（３）と、送信アンテナと受信アンテナとの間の相互インダクタンスに応じ、入力インピーダンスを制御する受信回路（４）とを備えた。

Description

この発明は、高周波数の電力を受信する共振型電力受信装置に関する。

従来の共振型電力伝送システムでは、漏洩電磁界の放射による妨害波と電力伝送効率の低下を抑制するため、送信アンテナ及び受信アンテナをそれぞれ磁気シールド部材で覆っている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−２４８７４７号公報

従来構成では、磁気シールド部材を用いて漏洩電磁界の放射を抑制している。この際、磁気シールド部材は、送信アンテナと受信アンテナとの間の磁界を遮ることがないように、アンテナとの間隙を確保してアンテナ全体を覆う必要がある。そのため、送信装置及び受信装置を構造的に小さくできないという課題がある。
また、従来構成では、送受信アンテナから発生した漏洩電磁界の放射を抑制しており、漏洩電磁界の発生を抑制するものではない。また、送信アンテナと受信アンテナとの間の空隙に対しては磁気シールド部材を設けることができない。そのため、この空隙部分から漏洩電磁界が放射されるという課題がある。この漏洩電磁界は、電力伝送を行う際の基本波の高調波であり、約１ＧＨｚまでの広帯域に渡って妨害波としても作用し、ラジオ、無線機又は携帯電話等における通信周波数帯へ悪影響を及ぼす。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制できる共振型電力受信装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振型電力受信装置は、送信アンテナから伝送された電力を受信する受信アンテナと、送信アンテナと受信アンテナとの間の相互インダクタンスに応じ、入力インピーダンスを制御する受信回路とを備え、受信回路は、受信アンテナにより受信された電力を直流電力に変換する整流回路と、整流回路により得られた直流電力における電圧と電流との比を相互インダクタンスの２乗に比例した値に制御するインタフェース電源とを有することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示す図である。図２Ａ〜図２Ｃは、この発明の実施の形態１におけるインタフェース電源（Ｖ_Ｏ−Ｉ／Ｆ）の動作例を説明する図であって、図２Ａは相互インダクタンスＭと入力電圧Ｖｉｎとの関係を示す図であり、図２Ｂは入力電流Ｉｉｎの制御例を示す図であり、図２Ｃは通常のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合での入力電流Ｉｉｎ’の制御例を示す図である。この発明の実施の形態２に係る共振型電力受信装置の一部の構成例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示す図である。
共振型電力伝送システムは、図１に示すように、共振型送信電源装置１、送信アンテナ（ＴＸ−ＡＮＴ）２、受信アンテナ（ＲＸ−ＡＮＴ）３、受信回路４及び負荷５を備えている。共振型送信電源装置１は、インタフェース電源（Ｖ_Ｉ−Ｉ／Ｆ）６及びインバータ回路７を有している。また、受信回路４は、整流回路（ＲＥＣ）８及びインタフェース電源（Ｖ_Ｏ−Ｉ／Ｆ）９を有している。また、共振型送信電源装置１及び送信アンテナ２は共振型電力送信装置を構成し、受信アンテナ３及び受信回路４は共振型電力受信装置を構成する。

インタフェース電源６は、共振型送信電源装置１に入力された電圧を増減して直流出力するコンバータの機能を有する。インタフェース電源６は、共振型送信電源装置１に直流電力が入力される場合にはＤＣ／ＤＣコンバータの機能を有し、共振型送信電源装置１に交流電力が入力される場合にはＡＣ／ＤＣコンバータの機能を有する。このインタフェース電源６により得られた電力は、インバータ回路７へ出力される。

インバータ回路７は、インタフェース電源６から出力された電力を送信アンテナ２が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数を有する高周波電力に変換して出力する。このインバータ回路７は、Ｅ級インバータ回路等の共振型スイッチング方式のインバータ回路である。

送信アンテナ２は、インバータ回路７から出力された高周波電力が有する周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数で共振することで、電力伝送を行う。

受信アンテナ３は、送信アンテナ２が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数で共振することで、送信アンテナ２から伝送された高周波電力を受信する。この受信アンテナ３により受信された高周波電力（交流電力）は、整流回路８へ出力される。

なお、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の電力伝送方式は特に限定されず、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、又は、電磁誘導による方式の何れでもよい。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３は、図１に示すような非接触に限らない。

整流回路８は、受信アンテナ３から出力された交流電力を直流電力に変換する。この整流回路８により得られた直流電力は、インタフェース電源９へ出力される。

インタフェース電源９は、整流回路８から出力された直流電圧を増減するＤＣ／ＤＣコンバータの機能を有する。このインタフェース電源９により得られた直流電力は、負荷５へ出力される。
また、インタフェース電源９は、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の相互インダクタンスＭに応じ、整流回路８（受信回路４）の入力インピーダンスＲｏを制御することで送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎを制御する機能を有している。具体的には、インタフェース電源９は、上記直流電力における電圧（入力電圧）Ｖｉｎと電流（入力電流）Ｉｉｎとの比を上記相互インダクタンスＭの２乗に比例した値に制御する。なお、インタフェース電源９は、上記入力電圧Ｖｉｎの変化から上記相互インダクタンスＭの変化を間接的に検出する。

負荷５は、インタフェース電源９から出力された直流電力により機能する回路又は機器である。

次に、実施の形態１におけるインタフェース電源９の機能について説明する。
ここで、インバータ回路７の出力インピーダンスをＺｏとする。また、送信アンテナ２の入力インピーダンスをＺｉｎとする。また、整流回路８の入力インピーダンスをＲｏとする。また、送信アンテナ２のインダクタンスをＬ_ＴＸとする。また、受信アンテナ３のインダクタンスをＬ_ＲＸとする。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３との相互インダクタンスをＭとする。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離をｄとする。また、インタフェース電源９の入力電圧をＶｉｎとする。また、インタフェース電源９の入力電流をＩｉｎとする。

ここで、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎは下式（１）で表される。式（１）において、ω＝２πｆであり、ｆは伝送周波数である。
Ｚｉｎ＝（ωＭ）^２／Ｒｏ（１）

また、整流回路８の入力インピーダンスＲｏは下式（２）で表される。式（２）では、整流回路８での損失がほぼ無いと仮定している。
Ｒｏ≒Ｖｉｎ／Ｉｉｎ（２）

式（１），（２）から、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎは下式（３）となる。
Ｚｉｎ≒（ωＭ）^２／（Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）（３）

また、送信アンテナ２と受信アンテナ３との相互インダクタンスＭは下式（４）で表される。式（４）において、Ｋは、送信アンテナ２のインダクタンスＬ_ＴＸと受信アンテナ３のインダクタンスＬ_ＲＸとの結合係数であり、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離ｄに反比例する。よって、送信アンテナ２と受信アンテナ３との距離ｄが変化すると、相互インダクタンスＭが変化する。
Ｍ＝Ｋ√（Ｌ_ＴＸＬ_ＲＸ）（４）

そこで、インタフェース電源９が、相互インダクタンスＭの２乗に比例するようにＶｉｎ／Ｉｉｎ（≒Ｒｏ）を制御する。その結果、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎ≒（ωＭ）^２／（Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）は一定となる。

なお、インタフェース電源９では、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の相互インダクタンスＭを直接は検出できない。一方、図２Ａに示すように、相互インダクタンスＭ（図２Ａに示す実線）が変化することで、入力電圧Ｖｉｎ（図２Ａに示す破線）が変化する。なお図２Ａにおいて、横軸は送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離ｄを表し、左縦軸は相互インダクタンスＭを表し、右縦軸はインタフェース電源９の入力電圧Ｖｉｎを表している。
そこで、インタフェース電源９は、入力電圧Ｖｉｎの変化を検出することで相互インダクタンスＭの変化を間接的に検出する。そして、図２Ｂに示すように、インタフェース電源９は、入力電流Ｉｉｎ（図２Ｂに示す実線）を、検出した入力電圧Ｖｉｎ（図２Ｂに示す破線）に反比例した動きとなるように制御する。よって、インタフェース電源９は、Ｖｉｎ／Ｉｉｎ（≒Ｒｏ）を制御可能となる。なお図２Ｂにおいて、横軸は送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離ｄを表し、左縦軸はインタフェース電源９の入力電圧Ｖｉｎを表し、右縦軸はインタフェース電源９の入力電流Ｉｉｎを表している。

これにより、Ｚｏ≒Ｚｉｎの関係を維持でき、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合が図られるため、妨害波の発生を抑制できる。

なお図２Ｃでは、通常のＤＣ／ＤＣコンバータを用いてインタフェース電源９と同様の制御を行った場合を示している。図２Ｃにおいて、横軸は送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離ｄを表し、左縦軸は通常のＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧Ｖｉｎ’を表し、右縦軸は通常のＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流Ｉｉｎ’を表してる。
この図２Ｃに示すように、通常のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合には、入力電流Ｉｉｎ’（図２Ｃに示す実線）を入力電圧Ｖｉｎ’（図２Ｃに示す破線）に反比例した動きとなるように制御できない。これは、通常のＤＣ／ＤＣコンバータでは、入力電圧Ｖｉｎ’のレベルによってＤＣ／ＤＣコンバータの入出力変換効率が変化するため、その影響で入力電流Ｉｉｎ’の傾きが変化するためである。

これに対し、インタフェース電源９では、通常のＤＣ／ＤＣコンバータの入出力変換効率の変化による入力電流Ｉｉｎ’の変動分（入力電圧Ｖｉｎ’に対する入力電流Ｉｉｎ’の非線形特性）を補償する機能を有している。具体例としては、インタフェース電源９では、通常のＤＣ／ＤＣコンバータが有する機能に加え、入力電圧Ｖｉｎのレベルに応じて入力電流Ｉｉｎを増減させるシャント回路が付加される。又は、インタフェース電源９では、通常のＤＣ／ＤＣコンバータが有する機能に加え、入力電圧Ｖｉｎのレベルに応じて電圧降下のレベルを可変するシリーズレギュレータ回路が付加される。

以上のように、この実施の形態１によれば、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の相互インダクタンスＭに応じ、整流回路８の入力インピーダンスＲｏを制御するインタフェース電源９を備えたので、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制できる。

具体的には、共振型電力伝送システムでは、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置を構成する各回路間の入出力インピーダンスの不整合によって、妨害波が発生する。
それに対して、インタフェース電源９で相互インダクタンスＭに応じて入力インピーダンスＲｏを制御することで、上記各回路間の入出力インピーダンスの不整合を解消できるため、妨害波の発生を抑制できる。

また、共振型電力伝送システムでは、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置を構成する各回路上の寄生インピーダンスによる共振によっても、妨害波が発生する。
それに対して、インタフェース電源９で相互インダクタンスＭに応じて入力インピーダンスＲｏを制御することで、上記各回路間の入出力インピーダンスの不整合を解消できるため、各回路に入る高調波のレベルを限りなく低くできる。その結果、回路上に寄生インピーダンスが存在しても、高調波を増幅してしまう共振現象は少なくなる。よって、妨害波の発生を抑制できる。

また、共振型電力伝送システムでは、共振型電力受信装置の位置が変化して送受信アンテナ２，３に位置ずれが生じた場合、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンスが不整合となるため、妨害波が発生する。
それに対して、インタフェース電源９では、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離ｄにより変化する相互インダクタンスＭに応じて入力インピーダンスＲｏを制御する。そのため、共振型電力受信装置の位置が変化して送受信アンテナ２，３に位置ずれが生じたとしても、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合を維持でき、妨害波の発生を抑制できる。

また、実施の形態１に係る共振型電力受信装置では、回路設計により妨害波の発生を抑制している。そのため、電力損失が少なく電力伝送効率の高いシステムを構成できる。また、磁気シールド部材を使用せずに装置を構成できるため、低コスト化、小型化及び軽量化を図れる。

実施の形態２．
実施の形態１では、インタフェース電源９が、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の相互インダクタンスＭに応じ、整流回路８の入力インピーダンスＲｏを制御することで送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎを制御する場合を示した。一方、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎには、純抵抗による実部の成分Ｒだけではなく、キャパシタンスＣ又はインダクタンスＬによる虚部（リアクタンス）の成分Ｘも含まれる。しかしながら、実施の形態１におけるインタフェース電源９では、上記虚部の成分Ｘの補償を行うことができない。そこで、実施の形態２に係る共振型電力受信装置では、インバータ回路７の出力インピーダンスＺｏと送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎとを合わせるために、入力インピーダンスＺｉｎのうちの虚部の成分Ｘの補償を行う。
図３はこの発明の実施の形態２に係る共振型電力受信装置の一部の構成例を示す図である。この図３に示す実施の形態２に係る共振型電力受信装置では、図１に示す実施の形態１に係る共振型電力受信装置に対し、整合回路１０（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１，Ｌ２）を追加している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

整合回路１０（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１，Ｌ２）は、受信アンテナ３と整流回路８との間に配置され、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの虚部の成分Ｘの補償を行う。整合回路１０は、整合回路１０を構成する素子の定数が固定である固定整合型、素子の定数が可変である可変整合型、素子の定数が自動で可変されて整合を取る自動整合型の何れでもよい。

コンデンサＣ１は、受信アンテナ３に接続される一対の入力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、当該一対の入力端子のうちの他方の端子に他端が接続されている。
インダクタＬ１は、一端がコンデンサＣ１の一端に接続されている。
インダクタＬ２は、一端がコンデンサＣ１の他端に接続されている。
コンデンサＣ２は、インダクタＬ１の他端及び整流回路８が有する一対の入力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、インダクタＬ２の他端及び当該一対の入力端子のうちの他方の端子に他端が接続されている。

ここで、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎは下式（５）で表される。
Ｚｉｎ＝Ｒ＋Ｘ＝√（Ｒ^２＋（ωＬ−（１／ωＣ））^２）（５）

そして、整合回路１０では、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの虚部の成分Ｘに対して、コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１，Ｌ２の組み合わせで補償を行う。これにより、実施の形態１に対し、妨害波の発生の抑制効果が高まる。

なお上記では、整合回路１０が、コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１，Ｌ２を全て有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、整合回路１０は、コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ１，Ｌ２のうちの何れか１つ以上有していればよい。例えば、整合回路１０として、コンデンサＣ１のみから構成してもよいし、コンデンサＣ２及びインダクタＬ１，Ｌ２のみから構成してもよいし、コンデンサＣ１及びインダクタＬ１，Ｌ２のみから構成してもよい。
整合回路１０を構成する素子の設計は、例えば、システムを設計する際に入力インピーダンスＺｉｎの値をシミュレーションして、又は、システム設計後に入力インピーダンスＺｉｎを実測する等して決定する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振型電力受信装置は、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制でき、高周波数の電力を受信する共振型電力受信装置等に用いるのに適している。

１共振型送信電源装置、２送信アンテナ（ＴＸ−ＡＮＴ）、３受信アンテナ（ＲＸ−ＡＮＴ）、４受信回路、５負荷、６インタフェース電源（Ｖ_Ｉ−Ｉ／Ｆ）、７インバータ回路、８整流回路（ＲＥＣ）、９インタフェース電源（Ｖ_Ｏ−Ｉ／Ｆ）、１０整合回路。

Claims

送信アンテナから伝送された電力を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の相互インダクタンスに応じ、入力インピーダンスを制御する受信回路とを備え、
前記受信回路は、
前記受信アンテナにより受信された電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路により得られた直流電力における電圧と電流との比を前記相互インダクタンスの２乗に比例した値に制御するインタフェース電源とを有する
ことを特徴とする共振型電力受信装置。
前記インタフェース電源は、前記直流電力における電圧の変化から前記相互インダクタンスの変化を間接的に検出する
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力受信装置。
前記受信アンテナと前記受信回路との間に配置され、前記送信アンテナの入力インピーダンスの虚部の成分の補償を行う整合回路を備えた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振型電力受信装置。
前記整合回路は、インダクタ又はコンデンサのうちの少なくとも一方を有する
ことを特徴とする請求項３記載の共振型電力受信装置。
前記受信アンテナは、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により前記送信アンテナとの間で電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の共振型電力受信装置。
送信アンテナから伝送された電力を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の相互インダクタンスに応じ、入力インピーダンスを制御する受信回路とを備え、
前記受信回路は、
前記受信アンテナにより受信された電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路にて変換された直流電力の電圧と電流を入力電圧と入力電流とするＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧のレベルに応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電流を増減させるシャント回路とを具備するインタフェース電源とを有する
ことを特徴とする共振型電力受信装置。
送信アンテナから伝送された電力を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の相互インダクタンスに応じ、入力インピーダンスを制御する受信回路とを備え、
前記受信回路は、
前記受信アンテナにより受信された電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記整流回路にて変換された直流電力の電圧と電流を入力電圧と入力電流とするＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧のレベルに応じて電圧降下のレベルを可変するシリーズレギュレータ回路とを具備するインタフェース電源とを有する
ことを特徴とする共振型電力受信装置。