JPWO2014157029A1 - ワイヤレス給電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
電気エネルギーを消費する負荷と、この負荷に電気的に接続された受電デバイスとを備えた受電装置と、
前記送電デバイスが有する誘導性インピーダンス、前記送電デバイスの寄生容量または外部キャパシタによる共振キャパシタの容量性インピーダンスとで構成される送電共振回路と、
前記送電共振回路に電気的に接続され、オンオフにより前記送電共振回路に前記直流電源を断続的に与えるスイッチ素子と、このスイッチ素子を制御して前記送電共振回路に共振電流を発生させるスイッチング制御回路と、を含む送電スイッチング回路と、
前記受電デバイスが有する誘導性インピーダンスと、前記受電デバイスの寄生容量または外部キャパシタによる共振キャパシタの容量性インピーダンスとで構成される受電共振回路と、
前記受電共振回路に電気的に接続され、共振電流による電気エネルギーを前記負荷へ供給する受電負荷回路と、を備え、
前記送電装置および前記受電装置は空間を隔てて配置され、
前記送電デバイスは、前記送電スイッチング回路の動作により前記直流電源から電気エネルギーを取り出して共振電流を発生させるとともに、この共振電流によりスイッチング周波数fsで周期的に変化する電磁界を空間に直接つくり、空間そのものがエネルギーをもって振動する電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記受電デバイスは、前記共鳴フィールドから電気エネルギーを得ることにより共振電流を発生させるとともに、この共振電流により新たな電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記送電デバイスまたは前記受電デバイスは、幾何学的な図形としてみた場合に、部分が全体の自己相似になっている線状導体パターンによるフラクタル形状デバイスであり、前記フラクタル形状デバイスの周辺における空間の電磁界エネルギーを高めたことを特徴とする。
前記共鳴デバイスが有する誘導性インピーダンスおよび容量性インピーダンスまたは外部インピーダンスで構成される共鳴共振回路と、を備え、
前記共鳴デバイスは、前記共鳴フィールドから電気エネルギーを得ることにより共振電流を発生させるとともに、この共振電流により新たな電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記共鳴デバイスは、幾何学的な図形としてみた場合に、部分が全体の自己相似になっている線状導体パターンによるフラクタル形状デバイスであり、前記フラクタル形状デバイスの周辺における空間の電磁界エネルギーを高めるものであることが好ましい。
図1は第1の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。また、図2はこのワイヤレス給電装置の送電デバイスnpおよび受電デバイスnsを等価回路に置換して表した回路図である。
・スイッチング技術により電磁界共鳴結合を生じさせてワイヤレス給電を行う構成
・スイッチング素子をオンオフさせることにより、送受電デバイスを含めた複共振回路に直流電源を断続的に与えて、送受電デバイスに共振電流を発生させる構成
・スイッチング素子がZVS(ゼロ電圧スイッチング)動作を行う構成
送電デバイスnpおよび受電デバイスnsは、いずれも幾何学的な図形としてみた場合に、部分が全体の自己相似になっている線状導体パターンによるフラクタル形状デバイスである。先ず、この送電デバイスnpおよび受電デバイスnsの構成について図3を参照して示す。図3はフラクタル形状デバイスの線状導体パターンの例を示す図である。(a)はステップ(世代)数nが1のとき(n=1)のパターン、(b)はn=2のときのパターン、(c)はn=3のときのパターン、(d)はn=4のときのパターン、(e)はn=5のときのパターンである。このパターンは、(a)に示す基本形をジェネレータとし、各線分をジェネレータの相似形に置換する、という操作を再帰的に行ったパターンでもある。
先ず、ダイオードDds1が導通する。ダイオードDds1の導通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、スイッチ素子Q1は導通する。送電デバイスnpと受電デバイスnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm,Lmsおよび相互キャパシタンスCmが形成され、Cr,Lr,Lm,Lms,Crs,Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm,Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して、送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrsおよび漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3,Q4により整流されて負荷に電力が供給される。
送電装置Txp側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は充電され、寄生キャパシタCds2は放電される。電圧vds1が電圧Vi、電圧vds2が0VになるとダイオードDds2が導通して状態3となる。
先ず、ダイオードDds2は導通する。ダイオードDds2の導通期間においてスイッチ素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q2は導通する。送電デバイスnpと受電デバイスnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm,Lmsが形成され、Cr,Lr,Lm,Lms,Crs,Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm,Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrs、漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3,Q4により整流されて負荷に電力が供給される。
送電装置Txp側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は放電され、寄生キャパシタCds2は充電される。電圧vds1が0V、電圧vds2がViになるとダイオードDds1は導通して再び状態1となる。
第2の実施形態では、フラクタル形状デバイスの線状導体パターンの幾つかの例を示す。
第3の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、スイッチング周波数をfsとし、送電スイッチング回路に接続される送電共振回路から負荷側全体をみた入力インピーダンスのリアクタンスXで表すと、X=0となる共鳴周波数をfaとして、スイッチング周波数fsを共鳴周波数fa付近(fs=fr±30%)にて動作させる。
第4の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、前記共振周波数frがスイッチング周波数fsより低い状態で動作させる。すなわち、スイッチング回路から見た複共振回路の入力インピーダンスを誘導性とする。
図13は第5の実施形態に係るワイヤレス給電装置における送電装置の回路図である。図13の例では、入力される直流電圧から、送電デバイスnpに流す交流電流に対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Lfを備え、送電側には1つのスイッチ素子Q1のみを設けている。インダクタLfのインダクタンス値は、送電デバイスnpのインダクタンス値よりも十分に大きく、スイッチング周波数において高インピーダンスとなるものであり、流れる電流の変動は十分に小さい。
図15〜図19の各図は第6の実施形態に係るワイヤレス給電装置における受電装置の回路図である。
第7の実施形態では、送電デバイスおよび受電デバイスが存在する近傍界の空間に配置される少なくとも1つの共鳴デバイスを含む共鳴装置を備えたワイヤレス給電装置について示す。
図23、図24は、複数の送電装置および複数の受電装置を備えるワイヤレス給電装置の概略構成図である。特に図23は複数の送電装置、複数の受電装置を配置して共鳴フィールドを強めた例である。図24は複数の送電装置、複数の受電装置を配置して共鳴フィールドを拡大した例である。
図25は第9の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。この例では、送電デバイスnpと送電回路との間にフィルタ30を設けている。また、受電デバイスnsと受電回路との間にフィルタ40を設けている。その他は図1に示した構成と同じである。
図26は第10の実施形態のワイヤレス給電装置の回路図である。送電デバイスnpを備える送電装置Txpと、共鳴デバイスnsmを備える共鳴装置FRxpと、受電デバイスnsを備える受電装置Rxpとを含んでいる。
図27は第11の実施形態のワイヤレス給電装置の回路図である。このワイヤレス給電装置において、送電装置には、入力電源Viを電源として動作し、送電デバイスnpを通信用のコイル(近傍界アンテナ)として利用する通信回路50を備えている。また、受電装置には、整流平滑電圧を電源として動作し、受電デバイスnsを通信用のコイル(近傍界アンテナ)として利用する通信回路60を備えている。すなわち、送電デバイスnpおよび受電デバイスnsは電力伝送と信号通信の役割を兼ねる。これにより、送電装置の小型軽量化を達成できる。
第12の実施形態では、送電デバイス、受電デバイスおよび共鳴デバイスの線状導体パターンがそれぞれ異なる例を示す。
Cm…相互キャパシタンス
Co1,Co2,Co3…平滑キャパシタ
Cr,Crs…共振キャパシタ
Crs1,Crs2,Crs3,Crs4…共振キャパシタ
Crsm1,Crsm2…共振キャパシタ
D41,D31…整流ダイオード
D42,D32…整流ダイオード
D43,D33…整流ダイオード
Dds1,Dds2…ダイオード
Ds1,Ds2,Ds3,Ds4…ダイオード
FRxp…共鳴装置
Lf…インダクタ
Lm,Lms…相互インダクタンス
Lp,Ls…インダクタ
Lr,Lrs…漏れインダクタンス
np…送電デバイス
ns,ns1,ns2,ns3…受電デバイス
nsm,nsm1,nsm2…共鳴デバイス
Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチ素子
Ri,Ris…抵抗
Ro…負荷
Rxp…受電装置
Txp…送電装置
20…スイッチング制御回路
30,40…フィルタ
50,60…通信回路
Claims (23)
- 電気エネルギーを供給する直流電源と、この直流電源に電気的に接続される送電デバイスとを備えた送電装置と、
電気エネルギーを消費する負荷と、この負荷に電気的に接続された受電デバイスとを備えた受電装置と、
前記送電デバイスが有する誘導性インピーダンス、前記送電デバイスの寄生容量または外部キャパシタによる共振キャパシタの容量性インピーダンスとで構成される送電共振回路と、
前記送電共振回路に電気的に接続され、オンオフにより前記送電共振回路に前記直流電源を断続的に与えるスイッチ素子と、このスイッチ素子を制御して前記送電共振回路に共振電流を発生させるスイッチング制御回路と、を含む送電スイッチング回路と、
前記受電デバイスが有する誘導性インピーダンスと、前記受電デバイスの寄生容量または外部キャパシタによる共振キャパシタの容量性インピーダンスとで構成される受電共振回路と、
前記受電共振回路に電気的に接続され、共振電流による電気エネルギーを前記負荷へ供給する受電負荷回路と、を備え、
前記送電装置および前記受電装置は空間を隔てて配置され、
前記送電デバイスは、前記送電スイッチング回路の動作により前記直流電源から電気エネルギーを取り出して共振電流を発生させるとともに、この共振電流によりスイッチング周波数fsで周期的に変化する電磁界を空間につくり、空間そのものがエネルギーをもって振動する電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記受電デバイスは、前記共鳴フィールドから電気エネルギーを得ることにより共振電流を発生させるとともに、この共振電流により新たな電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記送電デバイスまたは前記受電デバイスは、幾何学的な図形としてみた場合に、部分が全体の自己相似になっている線状導体パターンによるフラクタル形状デバイスであり、前記フラクタル形状デバイスの周辺における空間の電磁界エネルギーを高めたことを特徴とするワイヤレス給電装置。 - 前記共鳴フィールドは、前記送電デバイスまたは前記受電デバイスから、前記スイッチング周波数fsの逆数であるスイッチング周期Ts[秒]と光速(約30万[km/s])の積に対して1/5以下の範囲に形成される、請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電デバイスおよび前記受電デバイスが存在する近傍界の空間に配置される少なくとも1つの共鳴デバイスを含む共鳴装置と、
前記共鳴デバイスが有する誘導性インピーダンスおよび容量性インピーダンスまたは外部インピーダンスで構成される共鳴共振回路と、を備え、
前記共鳴デバイスは、前記共鳴フィールドから電気エネルギーを得ることにより共振電流を発生させるとともに、この共振電流により新たな電磁界共鳴フィールドを形成し、
前記共鳴デバイスは、幾何学的な図形としてみた場合に、部分が全体の自己相似になっている線状導体パターンによるフラクタル形状デバイスであり、前記フラクタル形状デバイスの周辺における空間の電磁界エネルギーを高めた、請求項1または2に記載のワイヤレス給電装置。 - 前記送電デバイスまたは前記受電デバイスの前記線状導体パターンは、ステップ数nが2以上であり、外形がほぼ正方形、三角形、ほぼ立方体のいずれか、または折れ線状である、請求項1または2に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記共鳴デバイスの前記線状導体パターンは、ステップ数nが2以上であり、外形がほぼ正方形、三角形、ほぼ立方体のいずれか、または折れ線状である、請求項3に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電デバイスの前記線状導体パターンと、前記受電デバイスの前記線状導体パターンとは、ステップ数nが異なるフラクタル形状デバイスである、請求項4に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記共鳴デバイスの前記線状導体パターンと、前記送電デバイスまたは前記受電デバイスの前記線状導体パターンとは、ステップ数nが異なるフラクタル形状デバイスである、請求項5に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電負荷回路は、整流回路を有し、直流の電気エネルギーを前記負荷に供給する、請求項1〜7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチング制御回路は、前記送電共振回路の、前記送電スイッチング回路が接続される入力から負荷側全体をみた等価的な入力インピーダンスの虚部Xが0となる共振周波数frに対して、スイッチング周波数fsが、fs=fr±30%の関係である、請求項1〜8のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電共振回路と前記受電共振回路のそれぞれが独立に有する共振周波数は、±30%の範囲内で一致している、請求項1〜9のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電共振回路と前記共鳴共振回路のそれぞれが独立に有する共振周波数は、±30%の範囲内で一致している、請求項3,5,7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチ素子はFETであり、前記送電スイッチング回路は前記FETの寄生容量、および逆並列ダイオードを含む、請求項1〜11のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチング制御回路は、前記送電共振回路の、前記送電スイッチング回路が接続される入力から負荷側全体をみた等価的な入力インピーダンスの虚部Xが0となる共振周波数frに対して、スイッチング周波数fsをfs≧frの関係にして、前記虚部XがX≧0の関係となるスイッチング周波数fsが設定された、請求項1〜12のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチ素子の両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際に前記スイッチ素子をターンオンするように制御してゼロ電圧スイッチング動作をするように構成されている、請求項1〜13のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記共鳴装置は、前記近傍界の空間に複数配置された、請求項3,5,7,11のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 複数の前記共鳴共振回路がそれぞれ独立に有する共振周波数は、±30%の範囲内で一致している、請求項15に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電装置は複数配置され、それぞれの送電装置が有するスイッチング周波数は、±30%の範囲内で同一である、請求項1〜16のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電装置は複数配置され、それぞれの受電装置が有する受電共振回路の共振周波数は、±30%の範囲内で同一である、請求項1〜17のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電デバイスは複数配置され、それぞれの受電デバイスが受電する電気エネルギーを集めて負荷に供給されることを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電装置は複数配置され、それぞれの送電装置が有するスイッチング周波数はISM (Industry-Science-Medical) バンドである、請求項1〜19のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電装置は、前記スイッチング周波数以外の周波数成分を除去するフィルタを備えた、請求項1〜20のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電装置および前記受電装置は電波を介して通信する通信回路を備えた、請求項1〜21のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記共鳴装置は前記送電装置または前記受電装置との間で電波を介して通信する通信回路を備えた、請求項3,5,7,11,15,16のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
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