JP7074513B2 - 無線電力伝送システム及び受電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線電力伝送システム及びそれに用いられる受電装置に関する。

無線電力伝送システムの方式の１つとして、送電コイルを含む送電装置と受電コイルを含む受電装置とを用いた電磁誘導によって電力を伝送する方式が知られている。この種の無線電力伝送システムの送電装置において、電源の出力にインピーダンス変換器となるＴ型回路を挿入する構成が知られている。このようなＴ型回路を用いた無線電力伝送システムでは、送電コイルを定電流で駆動することができる。

送電装置にＴ型回路を挿入する技術を直列共振型の無線電力伝送システムに応用すると、受電装置の側に負荷が存在しない場合又は受電装置が開放状態となった場合の送電装置の電源から見たシステムの負荷を略無限大に置き換えることができる。このため、例えば送電装置の近くに受電装置がないときに誤って電力の伝送が開始されたり、途中で電力の伝送が遮断されたりした場合であっても、送電装置における電源は保護される。

特許第３４９１１７８号公報

送電装置にＴ型回路を挿入する技術は、送受電ともに直列共振器を用いて無線給電によってバッテリを充電する無線電力伝送システムにも適用され得る。しかしながら、この場合の無線電力伝送システムでは、Ｔ型回路においてインピーダンス変換が行われた後、さらに送受電の直列共振器でもインピーダンス変換が行われる。このとき、バッテリから見たシステムは電圧源に置き換えられる。このため、電源の電圧がバッテリの電圧に近づくにしたがって、バッテリの充電電流が急激に上昇してしまう。

本実施形態は、バッテリの充電電流の急激な上昇を抑制することができる無線電力伝送システム及びそれに用いられる受電装置を提供することを目的とする。

無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを有する。送電装置は、直流電流を高周波電流に変換するインバータと、インバータで変換された高周波電流に応じた交流電力を無線で伝送する送電コイル及び送電コイルと直列に接続される送電キャパシタを有する送電共振器と、インバータと送電コイルとの間に接続され、インダクタとキャパシタとを有するＴ型回路とを備える。受電装置は、送電コイルから伝送された交流電力を受ける受電コイル及び受電コイルと直列に接続される受電キャパシタを有する受電共振器と、受電コイルが受けた交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、交直変換器で変換された直流電力を蓄積するバッテリとを備える。そして、受電コイルによる漏れ磁束の影響が残るように、高周波電流の周波数での受電コイルのインピーダンスの絶対値は、受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい。

図１は、１つの実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。 図２は、受電コイルのインピーダンスの絶対値が受電キャパシタのインピーダンスの絶対値と等しい場合において、インバータの出力電圧実効値を徐々に上げていったときのバッテリを流れる充電電流の変化を示した図である。 図３は、受電コイルのインピーダンスの絶対値が受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい場合において、インバータの出力電圧実効値を徐々に上げていったときのバッテリを流れる充電電流の変化を示した図である。 図４は、変形例１に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。 図５は、変形例２に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。図１は、１つの実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。無線電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを有する２端子対回路で表される。送電装置は、電源を有し、電源によって生成された電力を受電装置に伝送する。受電装置は、バッテリを有し、送電装置から伝送された電力に従ってバッテリを充電する。送電装置は、例えば固定された充電ステーションに設けられる。一方、受電装置は、移動できる機器に設けられる。送電装置と受電装置とは互いに電気接点を有していないが、送電装置と受電装置とが近接したときの電磁結合により、無線での電力の伝送が行われる。以下、送電装置と受電装置のそれぞれについて説明する。

送電装置は、高周波電源としてのインバータＶ１と、インダクタＬ１及びＬ２とキャパシタＣ１とを含むＴ型ＬＣＬ回路と、送電コイルＬ３とを備える。また、送電コイルＬ３には、送電キャパシタＣ２が直列に接続されている。ここで、インダクタＬ１及びＬ２、送電コイルＬ３は、それぞれ、単一の素子である必要はなく、複数の素子によって所定のインダクタンスを有する素子として構成されていてもよい。同様に、キャパシタＣ１及びＣ２も、それぞれ、単一の素子である必要はなく、複数の素子によって所定のキャパシタンスを有する素子として構成されていてもよい。また、インダクタＬ１及びＬ２、送電コイルＬ３のインダクタンス、キャパシタＣ１及びＣ２のキャパシタンスは、例えば受電装置のバッテリＶ２に要求されるバッテリ電圧の範囲、バッテリＶ２の充電電流、送電コイルＬ３と受電コイルＬ４とで構成される変圧器に要求される結合係数の範囲、インバータＶ１の上限電圧といったパラメータに応じて適宜に設定されるものとする。

インバータＶ１は、受電装置のバッテリの充電のための高周波電流を生成する高周波電源である。インバータＶ１は、送電装置に接続される直流電源装置から供給される直流電流を高周波電流に変換してＴ型ＬＣＬ回路に出力する。

Ｔ型ＬＣＬ回路は、インバータＶ１の出力に接続されている。Ｔ型ＬＣＬ回路のインダクタＬ１とインダクタＬ２とはインバータＶ１の出力に対して直列に接続されている。一方、キャパシタＣ１は、インバータＶ１の出力に対してシャント接続されている。ここで、インダクタＬ１とインダクタＬ２とは同じインダクタンスを有する素子である。また、インバータＶ１で生成される高周波電流の周波数におけるインダクタＬ１とインダクタＬ２のインピーダンスの和の絶対値がキャパシタＣ１のインピーダンスの絶対値と等しくなるように、インダクタＬ１、Ｌ２のインダクタンス及びキャパシタＣ１のキャパシタンスの値が設定されている。このようなＴ型ＬＣＬ回路は、インピーダンス変換器（インピーダンス－アドミタンス変換器）として動作し、インバータＶ１で発生した定電圧に基づく高周波電流を定電流にして送電コイルＬ３に出力する。なお、インピーダンス変換器としてのＴ型回路は、π型回路に置き換えられてもよい。ただし、Ｔ型回路を用いたほうが、π型回路を用いるよりもインバータＶ１への負荷を軽減することができる。

送電コイルＬ３は、送電装置と受電装置とが近接したときに、受電装置の受電コイルＬ４と電磁結合される。つまり、送電コイルＬ３は、送電装置と受電装置とが近接したときに変圧器の１次側コイルとして動作し、Ｔ型ＬＣＬ回路から出力された高周波電流に応じた交流電力を受電コイルＬ４に伝送する。

また、前述したように送電コイルＬ３には、送電キャパシタＣ２が直列に接続されている。送電コイルＬ３のインダクタンスと送電キャパシタＣ２のキャパシタンスとは、インバータＶ１で生成される高周波電流の周波数において略直列共振するように設定されている。通常、送電コイルＬ３と受電コイルＬ４の間にはギャップが生じる。このギャップ等に起因して、送電コイルＬ３と受電コイルＬ４の間には磁束の漏れが発生する。この漏れ磁束は、等価的には、送電コイルＬ３に直列に接続されたインダクタとして働く。この漏れ磁束によるインダクタ成分の影響により、送電装置における電源力率は低下する。送電コイルＬ３と送電キャパシタＣ２とによって形成される直列共振器により、漏れ磁束によるインダクタ成分の影響が打ち消される。これにより、電源力率の低下は補償される。

受電装置は、受電コイルＬ４と、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を含む交直変換器と、バッテリＶ２とを備える。また、受電コイルＬ４には、受電キャパシタＣ３が直列に接続されている。ここで、受電コイルＬ４は、単一の素子である必要はなく、複数の素子によって所定のインダクタンスを有する素子として構成されていてもよい。同様に、受電キャパシタＣ３も、単一の素子である必要はなく、複数の素子によって所定のキャパシタンスを有する素子として構成されていてもよい。また、受電コイルＬ４のインダクタンス、受電キャパシタＣ３のキャパシタンスは、例えば受電装置のバッテリＶ２のバッテリ電圧の範囲、充電電流、送電コイルＬ３と受電コイルＬ４とで構成される変圧器の結合係数の範囲、インバータＶ１の上限電圧といったパラメータに応じて適宜に設定されるものとする。

受電コイルＬ４は、送電装置と受電装置とが近接したときに、送電装置の送電コイルＬ３と電磁結合される。つまり、受電コイルＬ４は、送電装置と受電装置とが近接したときに変圧器の２次側コイルとして動作し、送電コイルＬ３から伝送された交流電力を受ける。また、前述したように受電コイルＬ４には、受電キャパシタＣ３が直列に接続されている。受電コイルＬ４と受電キャパシタＣ３とによって形成される直列共振器により、漏れ磁束によるインダクタ成分の影響が打ち消される。これにより、電力の伝送効率の低下は補償される。ここで、本実施形態では、受電コイルＬ４と受電キャパシタＣ３とを完全には共振させずに意図的に漏れ磁束の影響を残すことでバッテリＶ２における急激な充電電流の上昇を抑制する。詳しくは後で説明する。

交直変換器は、受電コイルＬ４に接続されている。交直変換器は、例えばダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４によるダイオードブリッジ回路である。この交直変換器は、受電コイルＬ４から出力される交流電力（交流電流）を直流電力（直流電流）に変換する。

バッテリＶ２は、例えばリチウムイオンバッテリといったバッテリであって、交直変換器からの出力に応じて電力を蓄積する。受電装置を有する機器は、バッテリＶ２に蓄積された電力を用いて所望の動作をする。

ここで、本実施形態の受電装置では、インバータＶ１で生成される高周波電流の周波数における受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるように、受電コイルＬ４のインダクタンス及び受電キャパシタＣ３のキャパシタンスの値が設定されている。すなわち、以下の（式１）の関係が成り立つように、インダクタンスＬｒ及びキャパシタンスＣｒの値が設定される。なお、（式１）のωは高周波電流の角周波数であり、Ｌｒは受電コイルのＬ４のインダクタンスであり、Ｃｒは受電キャパシタＣ３のキャパシタンスである。

図２は、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値と等しい場合において、インバータＶ１の出力電圧実効値を徐々に上げていったときのバッテリＶ２を流れる充電電流の変化を示した図である。受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値と等しい場合、すなわち受電コイルＬ４と受電キャパシタＣ３とが直列共振している場合、バッテリＶ２から見たシステムは電圧源に置き換えられる。このとき、図１の無線電力伝送システムは、電圧源であるインバータＶ１が電圧源であるバッテリＶ２を充電する回路に置き換わる。このため、図２に示すように、インバータＶ１の出力電圧がバッテリＶ２のバッテリ電圧Ｖｂに近づくにしたがって急激に充電電流が上昇する。

図３は、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きい場合において、インバータＶ１の出力電圧実効値を徐々に上げていったときのバッテリＶ２を流れる充電電流の変化を示した図である。受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値を受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくして意図的に漏れ磁束の影響を残すことにより、図３に示すようにバッテリＶ２における急激な充電電流の上昇は抑制される。つまり、インバータＶ１の出力電圧がバッテリＶ２のバッテリ電圧Ｖｂに近づいても急激な充電電流の上昇は生じない。

ここで、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるにつれて、充電電流の急激な上昇は抑制される。一方、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるにつれて、電力伝送の効率は低下することになる。このため、所望のバッテリ電圧まで上昇させるためにインバータＶ１の出力電圧実効値を大きくする必要が生じたり、所望のバッテリ電圧まで上昇するまでに時間がかかるようになったりする。したがって、実際には、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値を受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりもどの程度大きくするかは、例えば受電装置のバッテリＶ２に要求されるバッテリ電圧の範囲、バッテリＶ２の充電電流、送電コイルＬ３と受電コイルＬ４とで構成される変圧器に要求される結合係数の範囲、インバータＶ１の上限電圧といったパラメータに応じて適宜に設定されることが望ましい。

以上説明したように本実施形態によれば、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値を受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくすることにより、充電電流の急激な上昇が抑制される。

［変形例１］
図４は、変形例１に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。図１では、送電装置のインピーダンス変換器を構成するＴ型回路は、キャパシタＣ１をシャント素子とするＬＣＬ型のＴ型回路である。これに対し、図４では、送電装置のインピーダンス変換器を構成するＴ型回路は、インダクタＬ５をシャント素子とするＣＬＣ型のＴ型回路である。すなわち、図４のＴ型回路では、キャパシタＣ４とキャパシタＣ５とはインバータＶ１の出力に対して直列に接続されている。一方、インダクタＬ５は、インバータＶ１の出力に対してシャント接続されている。ここで、キャパシタＣ４とキャパシタＣ５とは同じキャパシタンスを有する素子である。また、インバータＶ１で生成される高周波電流の周波数におけるキャパシタＣ４とキャパシタＣ５のインピーダンスの和の絶対値がインダクタＬ５のインピーダンスの絶対値と等しくなるように、インダクタＬ１、Ｌ２のインダクタンス及びキャパシタＣ１のキャパシタンスの値が設定されている。

このように、Ｔ型回路がＬＣＬ型からＣＬＣ型に置き換えられたとしても、受電コイルＬ４のインピーダンスの絶対値を受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくすることにより、充電電流の急激な上昇が抑制される。

［変形例２］
図５は、変形例２に係る無線電力伝送システムの構成を示す回路図である。図５では、受電キャパシタＣ３と交直変換器との間にさらに受電インダクタＬ６が挿入されている。変形例２では、受電コイルＬ４のインピーダンスと受電インダクタＬ６のインピーダンスとの和の絶対値が受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくなるように、受電コイルＬ４及び受電インダクタＬ６のインダクタンス及び受電キャパシタＣ３のキャパシタンスの値が設定されている。すなわち、以下の（式２）の関係が成り立つように、インダクタンスＬｒ１、Ｌｒ２及びキャパシタンスＣｒの値が設定される。（式２）のωは高周波電流の角周波数であり、Ｌｒ１は受電コイルのＬ４のインダクタンスであり、Ｌｒ２は受電インダクタＬ６のインダクタンスであり、Ｃｒは受電キャパシタＣ３のキャパシタンスである。

このように、受電キャパシタＣ３と交直変換器との間にさらに受電インダクタＬ６を挿入し、かつ、受電コイルＬ４のインピーダンスと受電インダクタＬ６のインピーダンスとの絶対値を受電キャパシタＣ３のインピーダンスの絶対値よりも大きくすることにより、充電電流の急激な上昇が抑制される。

なお、受電インダクタＬ６は、受電キャパシタＣ３と交直変換器との間ではなく、受電コイルＬ４と交直変換器との間の位置に挿入されてもよい。

［その他の変形例］
前述した実施形態及びその変形例では、インダクタＬ１、インダクタＬ２、送電キャパシタＣ２、受電キャパシタＣ３は２端子対回路の片方の線路にのみ設けられている。これに対し、インダクタＬ１、インダクタＬ２、送電キャパシタＣ２、受電キャパシタＣ３は、２端子対回路の両方の線路に分けて設けられてもよい。この場合、両方の線路に設けられたインダクタがインダクタＬ１及びＬ２のそれぞれと同等のインダクタンスを有する素子を形成し、両方の線路に設けられたキャパシタが送電キャパシタＣ２及び受電キャパシタＣ３のそれぞれと同等のキャパシタンスを有する素子を形成するように素子のパラメータが設定される。インダクタＬ１、インダクタＬ２、送電キャパシタＣ２、受電キャパシタＣ３が２端子対回路の両方の線路に分けて設けられることにより、クロストークが抑制される。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Ｃ１ キャパシタ、Ｃ２ 送電キャパシタ、Ｃ３ 受電キャパシタ、Ｄ１ ダイオード、Ｄ２ ダイオード、Ｄ３ ダイオード、Ｄ４ ダイオード、Ｌ１ インダクタ、Ｌ２ インダクタ、Ｌ３ 送電コイル、Ｌ４ 受電コイル、Ｌ５ インダクタ、Ｌ６ 受電インダクタ、Ｃ４ キャパシタ、Ｃ５ キャパシタ、Ｖ１ インバータ、Ｖ２ バッテリ。

Claims (8)

1. 直流電流を高周波電流に変換するインバータと、
   前記インバータで変換された高周波電流に応じた交流電力を無線で伝送する送電コイルと、前記送電コイルと直列に接続される送電キャパシタとを有する送電共振器と、
   前記インバータと前記送電コイルとの間に接続され、インダクタとキャパシタとを有するＴ型回路と、
   を備える送電装置と、
   前記送電コイルから伝送された前記交流電力を受ける受電コイルと、前記受電コイルと直列に接続される受電キャパシタとを有する受電共振器と、
   前記受電コイルが受けた前記交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
   前記交直変換器で変換された直流電力を蓄積するバッテリと、
   を備える受電装置と、
   を有し、
   前記受電コイルによる漏れ磁束の影響が残るように、前記高周波電流の周波数での前記受電コイルのインピーダンスの絶対値は、前記受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい無線電力伝送システム。
2. 前記Ｔ型回路は、前記キャパシタをシャント素子とするＴ型回路である請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 前記Ｔ型回路は、前記インダクタをシャント素子とするＴ型回路である請求項１に記載の無線電力伝送システム。
4. 直流電流を高周波電流に変換するインバータと、
   前記インバータで変換された高周波電流に応じた交流電力を無線で伝送する送電コイルと、前記送電コイルと直列に接続される送電キャパシタとを有する送電共振器と、
   前記インバータと前記送電コイルとの間に接続され、インダクタとキャパシタとを有するＴ型回路と、
   を備える送電装置と、
   前記送電コイルから伝送された前記交流電力を受ける受電コイルと、前記受電コイルと直列に接続される受電キャパシタとを有する受電共振器と、
   前記受電コイルが受けた前記交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
   前記交直変換器で変換された直流電力を蓄積するバッテリと、
   前記交直変換器と前記受電キャパシタとの間に直列に接続された受電インダクタと、
   を備える受電装置と、
   を有し、
   前記受電コイルによる漏れ磁束の影響が残るように、前記高周波電流の周波数での前記受電コイルと前記受電インダクタとのインピーダンスの和の絶対値は、前記受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい無線電力伝送システム。
5. 前記Ｔ型回路は、前記キャパシタをシャント素子とするＴ型回路である請求項４に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記Ｔ型回路は、前記インダクタをシャント素子とするＴ型回路である請求項４に記載の無線電力伝送システム。
7. 直流電流を高周波電流に変換するインバータと、前記インバータで変換された高周波電流に応じた交流電力を無線で伝送する送電コイルと、前記送電コイルと直列に接続される送電キャパシタとを有する送電共振器と、前記インバータと前記送電コイルとの間に接続され、インダクタとキャパシタとを有するＴ型回路とを備える送電装置の前記送電コイルから伝送された前記交流電力を受ける受電コイルと、前記受電コイルと直列に接続される受電キャパシタとを有する受電共振器と、
   前記受電コイルが受けた前記交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
   前記交直変換器で変換された直流電力を蓄積するバッテリと、
   を備え、
   前記受電コイルによる漏れ磁束の影響が残るように、前記高周波電流の周波数での前記受電コイルのインピーダンスの絶対値は、前記受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい受電装置。
8. 直流電流を高周波電流に変換するインバータと、前記インバータで変換された高周波電流に応じた交流電力を無線で伝送する送電コイルと、前記送電コイルと直列に接続される送電キャパシタとを有する送電共振器と、前記インバータと前記送電コイルとの間に接続され、インダクタとキャパシタとを有するＴ型回路とを備える送電装置の前記送電コイルから伝送された前記交流電力を受ける受電コイルと、前記受電コイルと直列に接続される受電キャパシタとを有する受電共振器と、
   前記受電コイルが受けた前記交流電力を直流電力に変換する交直変換器と、
   前記交直変換器で変換された直流電力を蓄積するバッテリと、
   前記交直変換器と前記受電キャパシタとの間に直列に接続された受電インダクタと、
   を備え、
   前記受電コイルによる漏れ磁束の影響が残るように、前記高周波電流の周波数での前記受電コイルと前記受電インダクタとのインピーダンスの和の絶対値は、前記受電キャパシタのインピーダンスの絶対値よりも大きい受電装置。

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