JPWO2014174785A1

JPWO2014174785A1 - 無線電力伝送装置

Info

Publication number: JPWO2014174785A1
Application number: JP2015513519A
Authority: JP
Inventors: 松本　啓; 啓松本; 菅野　浩; 浩菅野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: US10367379B2; US20150303742A1; CN104782026A; US9787139B2; CN104782026B; JP6308371B2; US20170366047A1; WO2014174785A1

Abstract

電磁誘導により電力の非接触伝送を行う無線電力伝送装置であって、周波数変換を行う送電部と、前記送電部と接続される送電アンテナと、前記送電部と前記送電アンテナの間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記送電アンテナと共振する第１の共振キャパシタとを備える。また、前記送電アンテナと対向配置される受電アンテナと、前記受電アンテナと接続され、整流及び平滑を行う受電部と、前記受電アンテナと前記受電部の間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記受電アンテナと共振する第２の共振キャパシタとを備える。前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に接続され、前記受電部で発生した高調波を反射させるフィルタを備える。

Description

本開示は電磁誘導によって電力の非接触伝送を行う無線電力伝送装置に関する。

近年、携帯電話をはじめとする様々なモバイル機器が普及していく中で、機能の高性能化、コンテンツの多様化による消費電力の増加に伴うバッテリーの容量不足を補う技術として、無線電力伝送技術が注目されている。

非接触で電力を伝送する際、モバイル機器の消費電力やバッテリーの充電状態毎の負荷は一定ではないため、様々な負荷に対して、安定して電力を給電できること、つまり無負荷依存性が、無線電力伝送技術には求められている。

このような無負荷依存性を備えた無線電力伝送技術として、送電側の送電アンテナと共振キャパシタを直列に接続し、受電側の受電アンテナと共振キャパシタを並列に接続する構成の非接触給電装置が開示されている。送受の共振キャパシタの容量値の取り方により、理想トランスとして動作させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６４４８２７号公報

しかしながら、背景技術は、受電アンテナと整流を行う受電部との間の接続に関する開示は不十分であり、とくに、受電部のスイッチング動作時に発生する高調波による整流効率の劣化により、消費電力の増大や放熱性の不足といった課題を有していた。

本開示は、前記従来例にかかる課題を解決するもので、受電部における整流損失を低減し、高効率な非接触給電を可能とした無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

前記従来例にかかる課題を解決するために、本開示の無線電力伝送装置は、周波数変換を行う送電部と、前記送電部と接続される送電アンテナと、前記送電部と前記送電アンテナの間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記送電アンテナと共振する第１の共振キャパシタと、前記送電アンテナと対向配置される受電アンテナと、前記受電アンテナと接続され、整流及び平滑を行う受電部と、前記受電アンテナと前記受電部の間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記受電アンテナと共振する第２の共振キャパシタと、前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に接続され、前記受電部で発生した高調波を反射させるフィルタとを備える。

本開示によれば、受電部における整流損失を低減し、高効率な非接触給電を可能とした無線電力伝送装置を提供することができる。

本開示の実施の形態１における無線電力伝送装置のブロック図図２の無線電力伝送装置の受電装置におけるフィルタの詳細を示したブロック図図２のフィルタの出力インピーダンスのシミュレーションに用いた回路図であって、図８の比較例にかかる送受アンテナ部の詳細構成を示す回路図である。図２のフィルタの出力インピーダンスのシミュレーションに用いた回路図であって、図１の実施の形態１にかかる送受アンテナ部の詳細構成を示す回路図である。図３Ａ及び図３Ｂの回路のシミュレーション結果を示すスミスチャート図３Ａ及び図３Ｂの回路で３次高調波の位相を３６０度掃引した場合の無線電力伝送装の伝送効率のシミュレーション結果であって、３次高調波位相に対する伝送効率を示すグラフ本開示の実施の形態２における受電装置のブロック図図６の受電装置における可変フィルタの詳細を示したブロック図比較例にかかる無線電力伝送装置のブロック図

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図８は比較例にかかる無線電力伝送装置のブロック図である。図８において、当該無線電力伝送装置は、送電装置１から受電装置５へ非接触で電力を伝送する。ここで、送電装置１は、例えば直流から交流に周波数変換を行う送電部２と、電力を送電する送電アンテナ３と、送電部２と送電アンテナ３の間に直列に接続された共振キャパシタ４とを備えて構成される。また、受電装置５は、電力を受電する受電アンテナ６と、整流を行う受電部７と、受電アンテナ６と受電部７の間に並列に接続された共振キャパシタ８と、負荷９とを備えて構成される。ここで、負荷９は、受電装置が搭載される電子機器の消費する電力を負荷として表したものである。負荷９はバッテリーに置き換えても構わない。

送電装置１は、送電アンテナ３と共振キャパシタ４による共振周波数及び受電アンテナ６と共振キャパシタ８による共振周波数近傍の周波数で送電部２より電力を送電する。送電アンテナ３から電磁誘導により受電アンテナ６へ電力の非接触伝送を行う。一方、受電装置５は、受電アンテナ６で受電した交流電力を、受電部７で整流及び平滑を行い、直流電力を負荷９に供給する。図示はしないが、受電部７と負荷９の間にＤＣ／ＤＣコンバータを挿入してもよい。これにより、送受アンテナの結合係数あるいは負荷のインピーダンスによらず、定電圧の電力を負荷９に供給することができる。

以上のような無線電力伝送装置においては、いかに高効率に電力を伝送するかが重要となってくる。特に、受電装置５が搭載される機器の多くは、モバイル機器や、車両のような、小型化が求められる機器であるため、受電部７における整流損失を可能な限り低減し、放熱構造を簡易にする必要がある。

しかしながら、図８のような、送電装置１側に直列の共振キャパシタ４を備え、受電装置５側に並列の共振キャパシタ８を備えた無線電力伝送装置では、受電部７の入力端から受電アンテナ６側を見た際のアンテナの出力インピーダンスが、高周波において容量性の短絡状態近傍となる。これにより、受電部７において整流時に発生した高調波が、容量性の短絡状態近傍のインピーダンスで反射され、受電部７へ戻ることになるが、この容量性の短絡状態近傍のインピーダンスは、受電部７の効率を最大化する最適なインピーダンスではない。

そこで、本実施の形態においては、図１に示すように、受電装置５Ａの受電部７の最前段であって、受電部７と共振キャパシタ８との間にフィルタ１０を挿入し、フィルタ１０の高調波における出力インピーダンスを任意に設計することで、整流効率を最大化する受電部への高調波における入力インピーダンスを提供する。

図１は本開示の実施の形態１における無線電力伝送装置のブロック図である。なお、図８と同様の構成の部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

フィルタ１０は、受電部７の整流時に発生した高調波を任意のインピーダンスで反射させる特性を有する。ここで、送電部２は、一般的に方形波により電力の伝送を行う。方形波は、基本波とともに、奇数次の高調波で構成され、その中でも最もレベルの高い高調波は３次高調波である。よって、フィルタ１０の特性としては、３次高調波を任意のインピーダンスで反射させるだけでも、十分その効果が得られる。整流損失を低減させるフィルタ１０の３倍波インピーダンスについては、以下で説明する。

図２は図１のフィルタ１０の詳細構成を示した受電装置５Ａのブロック図である。図２において、図１のフィルタ１０として、インダクタ１１及びキャパシタ１２からなる並列のＬＣ共振回路を、キャパシタ８と受電部７との間に直列に接続した帯域素子フィルタを用いる。ここで、インダクタ１１のインダクタンス値を受電アンテナ６のインダクタンス値に比べ、小さい値に選ぶことで、基本波に対しては影響が少なく、高調波のみを反射させる特性を有することが比較的容易であるとともに、キャパシタ１２の容量値によって、フィルタ１０の高調波における出力インピーダンスを任意の位相に設計することが可能である。

図３Ａ及び図３Ｂはフィルタ１０の出力インピーダンスのシミュレーションに用いた回路図であって、図３Ａはフィルタ１０のない比較例の送受アンテナ部の回路図を示し、図３Ｂは本実施の形態１におけるフィルタ１０のある送受アンテナ部の回路図を示す。

図３Ａの比較例の回路では、入出力インピーダンスＺ１，Ｚ２を５０Ωとし、第１の共振キャパシタ４（Ｃ１）を１０．００７ｎＦとし、送電アンテナ３のインダクタＬ１を５０μＨとし、受電アンテナ６のインダクタＬ２を８μＨとし、第２の共振キャパシタ８（Ｃ２）を５０．６６１ｎＦとし、送受電アンテナ３，６間の結合係数を０．４とし、伝送周波数を２５０ｋＨｚとする。図３Ｂの本実施の形態１の回路では、上記比較例の回路に加え、フィルタ１０のインダクタ１１（Ｌ３）を１μＨとし、フィルタ１０のキャパシタ１２（Ｃ３）を４１．２１１ｎＦとする。

図４は、図３Ａ及び図３Ｂの回路の出力インピーダンスのシミュレーション結果をスミスチャートで示している。図４から明らかなように、フィルタのありとなしで、基本波インピーダンスについてはほぼ同じインピーダンス１０１であるのに対して、３倍波インピーダンスについては、フィルタなしの３倍波インピーダンス１０２とフィルタありの３倍波インピーダンス１０３とで大きく異なるよう設計しており、フィルタのＬＣのパラメータの取り方によって、任意の位相と設計することが可能である。一方、フィルタなしの回路の３倍波インピーダンスは、容量性の短絡に近い位置にいるが、この回路構成である限り、どのようなＬＣの値を取ろうとも、これに近いインピーダンスとなる。

図５は、図３Ａ及び図３Ｂの回路で３次高調波の位相を３６０度掃引した場合の無線電力伝送装置の伝送効率のシミュレーション結果である。図５から明らかなように、本実施の形態１では３次高調波の位相が−９０〜＋１８０度の範囲で、フィルタなしの場合よりも効率が向上していることがわかる。また、＋０〜＋１８０度の範囲で効率１％以上、＋９０〜＋１８０度の範囲で効率３％以上の向上が見られ、この範囲で３次高調波の位相を設計することで、受電部７の整流効率が向上することがわかる。なお、本実施の形態１では送電部２にＤ級フルブリッジ回路を用い、受電部７にダイオードフルブリッジ回路を用いたが、本開示の効果はこれに制限されるものではない。

（実施の形態２）
図６は本開示の実施の形態２における受電装置のブロック図である。なお、図１と同様の構成について同一の符号を付し、その説明は省略する。

図５に示す通り、フィルタの出力インピーダンスの３次高調波の位相が＋９０〜＋１８０度の範囲になるよう設計することで、伝送効率は最大となる。しかしながら、動作時の負荷が変化することで、３次高調波の位相が設計した値から外れることがある。このような場合は、図６の受電装置５Ｂにおいて、図２の受電装置５Ａに比較して、
（１）フィルタ１０を可変フィルタ１０Ａに置き換え、
（２）例えばデジタル計算機、ＣＰＵ、ＭＰＵなどで構成される制御部５０をさらに設けたことを特徴としている。

可変フィルタ１０Ａは、受電部７の整流時に発生した高調波を任意のインピーダンスで反射させる特性を有し、高調波を反射させるインピーダンスを可変する機能を備える。制御部５０は、負荷９あるいは受電部７から負荷情報を取得する。取得した負荷情報に基づいて、可変フィルタ１０Ａの出力インピーダンスが＋９０〜＋１８０度の範囲に入るよう、可変フィルタ１０Ａを調整することで、幅広い負荷に対して、常に高効率な電力伝送を実現することができる。

図７は図６の可変フィルタ１０Ａの詳細構成を示した受電装置５Ｂのブロック図である。図７において、図６の可変フィルタ１０Ａとして、インダクタ１１及び可変キャパシタ１２Ａからなる並列のＬＣ共振回路を、キャパシタ８と受電部７との間に直列に接続した帯域素子フィルタを用いる。ここで、可変キャパシタ１２Ａの容量値を変化させることで、幅広い負荷状況においても、可変フィルタ１０Ａの出力インピーダンスの位相を＋９０〜＋１８０度の範囲に調整することができ、高効率な電力伝送を実現することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（実施の形態のまとめ）
本開示の第１の態様に係る無線電力伝送装置は、電磁誘導により電力の非接触伝送を行う無線電力伝送装置であって、
周波数変換を行う送電部と、
前記送電部と接続される送電アンテナと、
前記送電部と前記送電アンテナの間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記送電アンテナと共振する第１の共振キャパシタを備え、
前記送電アンテナと対向配置される受電アンテナと、
前記受電アンテナと接続され、整流及び平滑を行う受電部と、
前記受電アンテナと前記受電部の間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記受電アンテナと共振する第２の共振キャパシタを備え、
前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に接続され、前記受電部で発生した高調波を反射させるフィルタを備えた。

本開示の第２の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１の態様に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、−９０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる。

本開示の第３の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１の態様に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、＋０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる。

本開示の第４の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１の態様に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、＋９０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる。

本開示の第５の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１〜４の態様のいずれか１項に係る無線電力伝送装置において、前記第１の共振キャパシタは前記送電アンテナと直列に接続され、前記第２の共振キャパシタは前記受電アンテナと並列に接続された。

本開示の第６の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１〜５の態様のいずれか１項に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、インダクタとキャパシタの並列接続で構成される帯域阻止フィルタを、前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に直列に接続した。

本開示の第７の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第１〜６の態様のいずれか１項に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波に対するインピーダンスの位相が可変である。

本開示の第８の態様に係る無線電力伝送装置は、本開示の第７の態様に係る無線電力伝送装置において、前記フィルタは、インダクタと、容量が可変であるキャパシタの並列接続で構成される帯域阻止フィルタを、前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に直列に接続した。

以上詳述したように、本開示によれば、受電部における整流損失を低減し、高効率な非接触給電を可能とした無線電力伝送装置を提供することができる。

１送電装置、
２送電部、
３送電アンテナ、
４共振キャパシタ、
５，５Ａ，５Ｂ受電装置、
６受電アンテナ、
７受電部、
９負荷、
１０フィルタ、
１０Ａ可変フィルタ、
１１インダクタ、
１２キャパシタ、
１２Ａ可変キャパシタ、
５０制御部、
１０１基本波インピーダンス、
１０２フィルタなしの３倍波インピーダンス、
１０３フィルタありの３倍波インピーダンス。

本開示の実施の形態１における無線電力伝送装置のブロック図図２の無線電力伝送装置の受電装置におけるフィルタの詳細を示したブロック図図２のフィルタの出力インピーダンスのシミュレーションに用いた回路図であって、図８の比較例にかかる送受アンテナ部の詳細構成を示す回路図である。図２のフィルタの出力インピーダンスのシミュレーションに用いた回路図であって、図１の実施の形態１にかかる送受アンテナ部の詳細構成を示す回路図である。図３Ａ及び図３Ｂの回路のシミュレーション結果を示すスミスチャート図３Ａ及び図３Ｂの回路で３次高調波の位相を３６０度掃引した場合の無線電力伝送装置の伝送効率のシミュレーション結果であって、３次高調波位相に対する伝送効率を示すグラフ本開示の実施の形態２における受電装置のブロック図図６の受電装置における可変フィルタの詳細を示したブロック図比較例にかかる無線電力伝送装置のブロック図

Claims

電磁誘導により電力の非接触伝送を行う無線電力伝送装置であって、
周波数変換を行う送電部と、
前記送電部と接続される送電アンテナと、
前記送電部と前記送電アンテナの間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記送電アンテナと共振する第１の共振キャパシタと、
前記送電アンテナと対向配置される受電アンテナと、
前記受電アンテナと接続され、整流及び平滑を行う受電部と、
前記受電アンテナと前記受電部の間に接続され、前記送電部の送電周波数を通過させるように前記受電アンテナと共振する第２の共振キャパシタと、
前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に接続され、前記受電部で発生した高調波を反射させるフィルタとを備えた無線電力伝送装置。
前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、−９０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、＋０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波を、＋９０度〜＋１８０度のいずれかの位相のインピーダンスで反射させる請求項１に記載の無線電力伝送装置。
前記第１の共振キャパシタは前記送電アンテナと直列に接続され、
前記第２の共振キャパシタは前記受電アンテナと並列に接続された請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
前記フィルタは、インダクタとキャパシタの並列接続で構成される帯域阻止フィルタを、前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に直列に接続した請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
前記フィルタは、前記受電部で発生した３次高調波に対するインピーダンスの位相が可変である請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線電力伝送装置。
前記フィルタは、インダクタと、容量が可変であるキャパシタの並列接続で構成される帯域阻止フィルタを、前記第２の共振キャパシタと前記受電部の間に直列に接続した請求項７に記載の無線電力伝送装置。