KR101354024B1 - 비접촉 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

비접촉 전력 전송 장치는, 교류 전원과 공명계와, 부하(load)와, 임피던스 측정부와, 해석부를 포함한다. 공명계는, 교류 전원에 접속된 1차 코일, 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일 및, 2차 코일을 갖는다. 부하는 2차 코일에 접속된다. 임피던스 측정부는 공명계의 입력 임피던스를 측정 가능하다. 해석부는 임피던스 측정부의 측정 결과를 해석한다.

Description

비접촉 전력 전송 장치{NON-CONTACT POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은 비접촉 전력 전송 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 비특허문헌 1 및 특허문헌 1은, 도 11에 나타내는 바와 같이, 2개의 구리선 코일(51, 52)(공명 코일)을 떨어진 상태로 배치하고, 한쪽의 구리선 코일(51)로부터 다른 한쪽의 구리선 코일(52)에 전자장의 공명(resonance)에 의해 전력을 전송하는 기술을 개시하고 있다. 구체적으로는, 교류 전원(53)에 접속된 1차 코일(54)에서 발생한 자장(magnetic field)은 구리선 코일(51, 52)에 의한 자장 공명에 의해 증강된다. 증강된 자장은, 구리선 코일(52) 부근으로부터 2차 코일(55)에 의해 전자 유도를 이용하여 전력으로서 취출되어, 부하(56)에 공급된다. 그리고, 반경 30㎝의 구리선 코일(51, 52)을 2m 떨어뜨려 배치한 경우에, 부하(56)로서의 60W의 전등을 점등할 수 있는 것이 확인되고 있다.
또한, 비특허문헌 1 및 특허문헌 1은, 로봇으로의 전원 공급에 대해서도 기재하고 있다.
국제공개특허공보 WO／2007／008646 A2
NIKKEI ELECTRONICS 2007.12.3 117페이지∼128페이지
이 비접촉 전력 전송 장치에 있어서 교류 전원의 전력을 부하에 효율 좋게 공급하려면, 교류 전원으로부터의 전력을 효율 좋게 공명계에 공급하는 것이 필요해진다. 그러나, 비특허문헌 1 및 특허문헌 1에는 비접촉 전력 전송 장치의 개요가 기재되어 있을 뿐이다. 따라서, 구체적으로 어떻게 하면 그러한 효율적인 전력 공급을 행할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치를 얻을 수 있는지에 대해서는 기재되어 있지 않다.
또한, 공명 코일 간 거리 및 부하 저항에 의해 공명계의 입력 임피던스가 변화한다. 그 때문에, 효율 좋게 비접촉으로 전력 전송을 행하려면, 송신측(송전측)의 구리선 코일(51)과 수신측(수전측)의 구리선 코일(52)과의 거리에 대응한 적절한 주파수로 교류 전원(53)으로부터 1차 코일(54)에 전류를 공급할 필요가 있다. 송전측의 구리선 코일(51) 및 수전측의 구리선 코일(52) 모두 소정의 위치에 고정 배치되어 사용되는 비접촉 전력 전송 장치의 경우는, 최초에 구리선 코일(51, 52) 간의 거리를 측정하여 그 거리에 있어서의 적절한 주파수로 1차 코일(54)에 전류를 공급하면 좋다. 그러나, 예를 들면, 이동체에 탑재된 부하에 비접촉으로 전력 전송을 행하는 경우는, 부하가 탑재되어 있는 이동체에 수전측의 구리선 코일(52)을 탑재할 필요가 있다. 이 경우, 이동체가 송전측의 구리선 코일(51)로부터 전력을 받는 위치에 정지했을 때에, 구리선 코일(51, 52) 간의 거리를 측정할 필요가 있다. 구리선 코일(51, 52) 간의 거리를 측정하기 위해 전용의 센서를 설치하면, 동(同) 센서분만큼 제조에 시간이 걸리고, 장치가 대형화된다. 또한, 이동체에 탑재된 2차 전지에 충전하는 경우, 동 2차 전지의 충전 상태를 파악하여 충전을 행하는 것이 바람직하다. 그러나, 충전 상태를 파악하기 위해 전용의 센서를 설치하면, 동 센서분만큼, 제조에 시간이 걸리고, 장치가 대형화된다.
본 발명의 목적은, 공명계의 입력 임피던스를 해석함으로써, 적절한 조건으로 전력 전송을 행할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 비접촉 전력 전송 장치는, 교류 전원과, 공명계와, 부하와, 임피던스 측정부와, 해석부를 포함한다. 상기 공명계는, 상기 교류 전원에 접속된 1차 코일, 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일 및, 2차 코일을 갖는다. 상기 부하는 상기 2차 코일에 접속된다. 상기 임피던스 측정부는 상기 공명계의 입력 임피던스를 측정 가능하다. 상기 해석부는 상기 임피던스 측정부의 측정 결과를 해석한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 충전 장치와 이동체와의 관계를 나타내는 개략도이다.
도 3(a)∼(e)는, 공명 코일 간 거리를 일정하게 하고, 부하 저항을 변화시켰을 때에 있어서의 주파수에 대한 공명계의 입력 임피던스 및 출력 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)∼(e)는, 공명 코일 간 거리를 일정하게 하고, 부하 저항을 변화시켰을 때에 있어서의 주파수에 대한 공명계의 입력 임피던스 및 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 부하 저항에 대한 최대 출력 전압 및 최대 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 부하 저항을 바꾸었을 때의 입력 임피던스 및 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7(a)∼(e)는, 부하 저항을 일정하게 하고, 공명 코일 간 거리를 변화시켰을 때에 있어서의 주파수에 대한 공명계의 입력 임피던스 및 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8(a)∼(e)는, 부하 저항을 일정하게 하고, 공명 코일 간 거리를 변화시켰을 때에 있어서의 주파수에 대한 공명계의 입력 임피던스 및 출력 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 공명 코일 간 거리에 대한 최대 출력 전압 및 최대 전력 전송 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 입력 임피던스값의 극대점 및 극소점에서의 주파수의 차와 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 종래 기술의 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 구성도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명을 구체화한 일 실시 형태를 도 1∼도 10에 따라 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 비접촉 전력 전송 장치(10)는, 교류 전원(11)으로부터 공급되는 전력을 비접촉으로 전송하는 공명계(12)를 구비한다. 공명계(12)는, 교류 전원(11)에 접속되는 1차 코일(13)과, 1차측 공명 코일(14)과, 2차측 공명 코일 (15)과, 2차 코일(16)을 갖는다. 2차 코일(16)은 부하(17)에 접속되어 있다.
이 실시 형태에서는, 비접촉 전력 전송 장치(10)는, 이동체(예를 들면, 차량)(18)에 탑재된 2차 전지(19)에 대하여 비접촉 충전을 행하는 시스템에 적용되고 있다. 그리고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 이동체(18)에 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)이 탑재되어 있다. 2차 코일(16)은 정류(rectification) 회로(30)를 개재하여 부하(17)로서의 2차 전지(19)에 접속되어 있다. 또한, 교류 전원(11), 1차 코일 (13) 및 1차측 공명 코일(14)은 2차 전지(19)에 비접촉 상태로 충전을 행하는 충전 장치(20)에 구비되어 있다.
비접촉 전력 전송 장치(10)는, 교류 전원(11)으로부터 1차 코일(13)에 교류 전압을 인가함으로써 1차 코일(13)에 자장을 발생시킨다. 이 자장을 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)에 의한 자장 공명에 의해 증강한다. 증강된 자장은, 2차측 공명 코일(15) 부근으로부터 2차 코일(16)에 의해 전자 유도를 이용하여 전력(에너지)으로서 취출되어, 부하(17)에 공급된다. 1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14), 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)은 전선에 의해 형성되어 있다. 코일의 지름이나 권선수(number of windings)는, 전송해야 할 전력의 크기 등에 대응하여 적절히 설정된다. 이 실시 형태에서는 1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14), 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)은, 동일한 지름을 갖고 있다.
교류 전원(11)은 교류 전압을 출력하는 전원이다. 교류 전원(11)의 출력 교류 전압의 주파수는 자유롭게 바꿀 수 있다. 따라서, 공명계(12)에 인가되는 교류 전압의 주파수는 자유롭게 바꿀 수 있다.
충전 장치(20)는, 공명계(12)의 입력 임피던스를 측정 가능한 임피던스 측정부(22)와, 제어부로서의 제어 장치(23)를 구비하고 있다. 「공명계(12)의 입력 임피던스」란, 1차 코일(13)의 양단(兩端)에서 측정한 공명계(12) 전체의 임피던스를 가리킨다. 제어 장치(23)는 CPU(24) 및 메모리(25)를 구비하고, 메모리(25)에는 임피던스 측정부(22)의 측정 결과를 해석하는 해석 프로그램이 기억되어 있다. CPU(24)는 임피던스 측정부(22)의 측정 결과를 해석하는 해석부를 구성한다.
해석 프로그램은, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리(공명 코일 간 거리)를 연산하는 거리 연산 프로그램과, 2차 코일(16)에 접속되어 있는 부하(17)(2차 전지(19))의 임피던스를 연산하는 부하 연산 프로그램을 포함한다. 메모리(25)에는, 공명계(12)의 입력 임피던스값의 극대점 및 극소점에서의 교류 전원(11)의 주파수의 차와, 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 거리 연산용 맵이 기억되어 있다. 입력 임피던스의 값의 극대점 및 극소점이 각각 2개소 나타나는 경우는, 주파수가 낮은 쪽의 극대점에서의 주파수와, 주파수가 높은 쪽의 극소점에서의 주파수와의 차가 기억되어 있다. 또한, 메모리(25)에는, 공명계(12)의 입력 임피던스와, 주파수와, 부하의 임피던스와의 관계를 나타내는 부하 임피던스 연산용 맵이 기억되어 있다.
거리 연산 프로그램은, 입력 임피던스값의 극대점에서의 주파수와 극소점에서의 주파수와의 차이를 구한 후, 거리 연산용 맵을 이용하여 그 주파수의 차의 값에 대응하는 공명 코일 간 거리를 구한다. 그리고, 제어 장치(23)는, 비접촉 전력 전송 장치(10)의 구동시에는, 1차 코일(13)에 이동체(18)와의 거리에 대응한 적절한 주파수의 교류 전류가 공급되도록 교류 전원(11)을 제어한다. 여기에서, 적절한 주파수란, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리(공명 코일 간 거리)에 대응하는 주파수를 의미하고, 공명계(12)의 입력 임피던스의 값과 주파수와의 관계를 그래프로 했을 경우, 입력 임피던스의 값의 극대점에서의 주파수와 극소점에서의 주파수와의 사이의 주파수를 의미한다. 또한, 공명계(12)에 있어서의 전력 전송 효율이 가장 좋은 주파수를 공명 주파수라고 한다.
부하 연산 프로그램은, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 부하 임피던스 연산용 맵을 이용해 부하(17)의 임피던스를 연산한다. 그리고, 제어 장치(23)는, 충전시에 있어서, 2차 전지(19)의 임피던스 상태로부터 2차 전지(19)의 충전 상태를 파악하여 충전 제어를 행한다.
상기 맵은, 공명 코일 간 거리, 즉 1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15) 간의 거리를 일정하게 하고 2차 코일(16)에 접속되는 부하의 저항(부하 저항)을 바꾼 경우와, 부하 저항을 일정하게 하고 공명 코일 간 거리를 바꾼 경우에 있어서, 주파수에 대한 공명계(12)의 입력 임피던스, 전력 전송 효율 및 출력 전압의 관계가 변화하는 것에 기초하여 작성했다.
1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14), 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)을 다음의 사양으로 형성하여, 실험을 행한 경우의 결과를 예시한다. 각 코일 (13, 14, 15, 16)의 전선으로서, 사이즈가 0.5sq(평방 ㎜)의 자동차용 박육(thin-walled) 비닐 절연 저압 전선(AVS선)을 사용한다.
1차 코일(13) 및 2차 코일(16) : 권선수…2권, 지름…직경 150㎜, 밀권(close winding)
양(兩)공명 코일(14, 15) : 권선수…45권, 지름…직경 150㎜, 밀권, 코일의 양단을 개방
[측정 조건]
입력 전압 : 20Vpp(진폭 10V)의 정현파(sine wave) 2㎒∼5㎒
공명 코일 간 거리 : 200㎜
부하 저항 : 10Ω, 20Ω, 30Ω, 50Ω, 100Ω
주파수에 대한 공명계(12)의 입력 임피던스 및 출력 전압의 관계를 도 3에, 주파수에 대한 공명계(12)의 입력 임피던스 및 전력 전송 효율의 관계를 도 4에 나타낸다. 또한, 부하 저항에 대한 최대 출력 전압 및 최대 전력 전송 효율의 관계를 도 5에, 입력 임피던스 및 주파수의 관계를 도 6에 나타낸다. 또한, 도 5 중의 숫자는 출력 전압 및 전력 전송 효율(η)이 최대가 되는 주파수의 값(㎒)을 나타낸다. 또한, 전력 전송 효율(η)은 다음과 같이 하여 구할 수 있다.
전력 전송 효율(η)＝(부하에서의 소비 전력／1차 코일로의 입력 전력)×100[％]
도 3∼도 5로부터 다음의 사항을 말할 수 있다.
최대 출력 전압은 부하 저항의 증가에 따라 단조롭게 증가한다.
부하 저항 50Ω에 있어서 가장 효율이 좋다.
순(順)저항에 있어서, 부하 저항의 변화에 의한 공명 주파수의 변동은 적다.
부하 저항의 변화는, 공명 주파수 부근에서 입력 임피던스에 영향을 준다.
공명 코일 간 거리를 알면, 미리 설정된 주파수에 있어서의 공명계(12)의 입력 임피던스로부터 부하 저항을 구할 수 있다.
그리고, 이 실시 형태에서는, 부하 임피던스 연산용 맵으로서, 도 6과 같이 여러 가지 공명 코일 간 거리에 따른, 입력 임피던스 및 주파수의 관계를 나타내는 복수의 그래프가, 메모리(25)에 기억되어 있다.
또한, 공명계(12)를 구성하는 각 코일의 사양은 동일하며, 부하 저항을 50Ω으로 일정하게 하고, 공명 코일 간 거리를 다음과 같이 변경하여 실험을 행한 경우의 결과를 예시한다.
[측정 조건]
입력 전압 : 20Vpp(진폭 10V)의 정현파 2㎒∼5㎒
부하 저항 : 50Ω
코일 간 거리 : 50㎜, 100㎜, 200㎜, 300㎜, 400㎜
공명계(12)의 입력 임피던스 및 전력 전송 효율과 주파수와의 관계를 도 7에, 공명계(12)의 입력 임피던스 및 출력 전압과 주파수와의 관계를 도 8에 나타낸다. 또한, 공명 코일 간 거리를 바꾸었을 때의, 최대 출력 전압 및 최대 전력 전송 효율의 관계를 도 9에 나타낸다. 또한, 도 9 중의 숫자는 출력 전압 및 전력 전송 효율(η)이 최대가 되는 주파수의 값(㎒)을 나타낸다.
도 7∼도 9로부터 다음의 사항을 말할 수 있다.
공명 코일 간 거리가 어느 정도 이상 커지면, 최대 전력 전송 효율이 저하된다.
출력 전압이 최대가 되는 주파수와 전력 전송 효율이 최대가 되는 주파수와는 상이하다.
공명 코일 간 거리가 짧아지면 공명점이 2개 존재한다. 이는, 공명 코일에 의한 상호 인덕턴스의 영향이 강해지기 때문이라고 생각된다. 공명점이 2개 존재하는 거리에 있어서는, 넓은 주파수대(범위)에서 고효율이 되는 공명 코일 간 거리가 존재한다.
공명계(12)의 입력 임피던스값의 극대점에서의 주파수 및 극소점에서의 주파수의 차(입력 임피던스의 값의 극대점 및 극소점이 각각 2개소 나타나는 경우는, 주파수가 낮은 쪽의 극대점에서의 주파수와, 주파수가 높은 쪽의 극소점에서의 주파수와의 차)로부터, 공명 코일 간 거리를 구할 수 있다.
도 10은, 공명계(12)의 입력 임피던스값의 극대점에서의 주파수 및 극소점에서의 주파수의 차와 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 그래프이다. 그리고, 이 실시 형태에서는, 거리 연산용 맵으로서, 부하 저항이 상이한 복수의 종류의, 도 10에 나타내는 그래프가 메모리(25)에 기억되어 있다.
다음으로 상기와 같이 구성된 비접촉 전력 전송 장치(10)의 작용을 설명한다. 이동체(18)에 탑재된 2차 전지(19)의 충전이 필요한 상태가 되면, 이동체(18)는 충전 장치(20)에 의한 2차 전지(19)의 충전을 행하기 위해, 충전 장치(20)와 대응하는 위치에서 정지한다. 또한, 이동체(18)에는 2차 전지(19)의 부하 저항을 검출하는 센서가 구비되어, 2차 전지(19)의 부하 저항이 미리 설정된 값에 달하면 충전을 행한다.
충전 장치(20)에 구비된 도시하지 않는 센서에 의해 이동체(18)가 충전 위치에 정지한 것이 검지되면, 임피던스 측정부(22)에 의해 미리 설정된 주파수 범위, 예를 들면, 2㎒∼5㎒의 범위에 있어서 공명계(12)의 입력 임피던스가 측정된다. CPU(24)는, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과로부터 공명계(12)의 입력 임피던스와 주파수와의 관계를 해석하여, 우선, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리(공명 코일 간 거리)를 연산한다. 구체적으로는, 공명계(12)의 입력 임피던스의 값과 주파수와의 관계를 그래프로 한 경우의, 입력 임피던스의 값의 극대점에서의 주파수와 극소점에서의 주파수와의 차를 연산한다. 그리고, 거리 연산용 맵을 이용하여, 그 주파수 차에 대응하는 공명 코일 간 거리를 구한다.
다음으로 제어 장치(23)는, 그 공명 코일 간 거리, 즉 충전 장치(20)와 이동체(18)와의 거리에 대응한 적절한 주파수로 1차 코일(13)에 교류 전압을 공급한다.즉, 제어 장치(23)로부터의 지령에 의해, 교류 전원(11)으로부터 1차 코일(13)에 공명계(12)의 공명 주파수로 교류 전압이 인가되어, 1차 코일(13)에 자장이 발생한다. 이 자장이 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)에 의한 자장 공명에 의해 증강된다. 증강된 자장은, 2차측 공명 코일(15) 부근으로부터 2차 코일(16)에 의해 전력으로서 취출되고, 정류 회로(30)를 통하여 2차 전지(19)에 공급되어, 2차 전지(19)가 충전된다.
충전 개시 후, CPU(24)는 임피던스 측정부(22)의 측정 신호로부터 공명계(12)의 입력 임피던스를 연산하고, 부하 임피던스 연산용 맵을 이용하여 부하(17) 즉 2차 전지(19)의 임피던스(부하 저항)를 연산한다. 2차 전지(19)의 부하 저항은 충전 상태에 의해 변화하여, 만(滿)충전 상태와 만충전에 달해 있지 않은 상태와는 그 값이 상이하다. 메모리(25)에는 2차 전지(19)의 만충전 상태의 부하 저항의 값이 기억되어 있고, 제어 장치(23)는, 2차 전지(19)의 부하 저항의 값이 만충전 상태의 값에 달하고 소정 시간 경과 후에, 충전을 정지한다.
이 실시 형태는, 이하에 나타내는 이점을 갖는다.
(1) 비접촉 전력 전송 장치(10)는, 교류 전원(11)과, 교류 전원(11)에 접속된 1차 코일(13)과, 1차측 공명 코일(14)과, 2차측 공명 코일(15)과, 2차 코일(16)을 갖는 공명계(12)와, 2차 코일(16)에 접속된 부하(17)를 구비하고 있다. 또한, 비접촉 전력 전송 장치(10)는, 공명계(12)의 입력 임피던스를 측정 가능한 임피던스 측정부(22)와, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과를 해석하는 해석부(CPU(24))를 구비하고 있다. 따라서, 공명계(12)의 입력 임피던스의 해석 결과에 기초하여 적절한 조건으로 전력 전송을 행할 수 있다.
(2) CPU(24)는, 적어도 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리(공명 코일 간 거리)를 연산함과 함께, 부하(17)의 임피던스를 연산 가능하다. 따라서, 전용의 거리 센서를 설치하지 않고 공명 코일 간 거리를 구할 수 있는 것 외에, 2차 코일(16)에 접속되어 있는 부하(17)의 임피던스를 특정할 수 있다.
(3) CPU(24)는, 입력 임피던스의 저(低)주파수측의 극대값에 있어서의 주파수의 값과, 입력 임피던스의 고(高)주파수측의 극소값에 있어서의 주파수의 값과의 차(주파수 차)에 기초하여, 맵을 이용하여 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리를 연산한다. 따라서, 전용의 거리 센서를 설치하지 않고 공명 코일 간 거리를 구할 수 있다.
(4) 비접촉 전력 전송 장치(10)는, 이동체(18)에 탑재된 2차 전지(19)에 대하여 비접촉 충전을 행하는 시스템에 적용되어 있다. 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)은 이동체(18)에 탑재된다. 2차 코일(16)은 부하로서의 2차 전지(19)에 접속되어 있고, 교류 전원(11), 1차 코일(13) 및 1차측 공명 코일(14)은 2차 전지(19)에 비접촉 상태로 충전을 행하는 충전 장치(20)에 구비되어 있다. 그리고, 충전 장치(20)는 해석부(CPU(24))를 구비한 제어 장치(23)에 의해, 이동체(18)와의 거리에 대응한 적절한 주파수의 전류를 1차 코일(13)에 공급한다. 따라서, 충전시에 있어서, 이동체(18)와의 거리에 대응한 적절한 주파수로 1차 코일(13)에 전류가 공급되기 때문에, 효율 좋게 충전을 행할 수 있다.
(5) 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)은 이동체(18)에 탑재된다. 2차 코일(16)은 부하로서의 2차 전지(19)에 접속되어 있고, 교류 전원(11), 1차 코일 (13) 및 1차측 공명 코일(14)은 2차 전지(19)에 비접촉 상태로 충전을 행하는 충전 장치(20)에 구비되어 있다. 그리고, 충전 장치(20)는 CPU(24)를 구비한 제어 장치(23)에 의해, 2차 전지(19)의 충전 상태를 파악하여 충전 제어를 행한다. 따라서, 충전시에 있어서 충전 부족이나 과충전을 회피할 수 있다.
(6) CPU(24)는, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 2차 코일(16)에 접속되어 있는 2차 전지(19)의 임피던스를 연산한다. 따라서, 2차 전지(19)의 충전 상태를 파악하는데 전용의 센서를 설치할 필요가 없다. 또한, 송전측의 임피던스 측정부(22)에서 수전측의 부하의 임피던스를 계측할 수 있다.
실시 형태는 상기에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 다음과 같이 구체화해도 좋다.
1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14), 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)의 권선수, 권경(卷徑)은 상기 실시 형태의 값에 한하지 않는다.
이동체(18)는 차량에 한하지 않고, 2차 전지를 구비한 자주식(自走式)의 로봇 혹은 휴대용의 전자 기기라도 좋다.
이동체(18)는 2차 전지를 구비한 것에 한하지 않고, 컨베이어 등의 이송부에 의해 정해진 작업 위치로 이동됨과 함께, 전력으로 구동되는 모터를 구비한 장치라도 좋다. 이 경우, 모터가 부하(17)를 구성하고, 이동체(18)에는 2차측 공명 코일 (15) 및 2차 코일(16)이 설치된다. 또한, 작업 위치마다 교류 전원(11), 1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14) 및 제어 장치(23)가 설치된다. 그리고, 이동체(18)가 작업 위치에 이동된 상태로, 교류 전원(11)으로부터 장치에 전력이 공급된다.
비접촉 전력 전송 장치(10)는, 1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15)이 모두 소정 위치에 고정되어 사용되는 구성이라도 좋다. 예를 들면, 1차측 공명 코일(14)이 천정에 설치되고, 2차측 공명 코일(15)이 바닥에 설치되는 구성의 경우, 1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15)을 미리 설정된 공명 주파수에 대응하는 공명 코일 간 거리에 맞추어 장치를 위치 정밀도 좋게 설치하는 일에서는, 1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15)을 목적으로 하는 거리가 되도록 설치하는데 시간이 걸린다. 그러나, 공명계(12)의 입력 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리를 연산할 수 있다. 그 때문에, 설치된 위치의 공명 주파수로 송전측으로부터 전력 전송을 행하면, 장치를 위치 정밀도 좋게 설치하지 않더라도 효율 좋게 비접촉 전력 전송을 행할 수 있다.
비접촉 전력 전송 장치(10)는, 공명계(12)의 입력 임피던스를 측정 가능한 임피던스 측정부(22)와, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과를 해석하는 해석부를 구비하고 있으면 좋다. 예를 들면, 해석부(CPU(24))는, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리를 연산 가능하지만, 2차 코일(16)에 접속되어 있는 부하(17)의 임피던스를 연산 가능하지 않더라도 좋다. 그리고, 2차 전지(19)의 충전을 행하는 경우, 2차 전지(19)의 충전 상태를 송전측(제어 장치(23))에서 판단하지 않고, 충전 개시로부터 소정 시간 경과 후에 충전을 종료하거나, 수전측에 2차 전지(19)의 충전 상태를 검출하는 검출부를 설치하여, 수전측으로부터의 만충전 신호에 의해 충전을 종료하거나 해도 좋다.
해석부(CPU(24))는, 임피던스 측정부(22)의 측정 결과에 기초하여, 2차 코일(16)에 접속되어 있는 부하(17)의 임피던스를 연산 가능하지만, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리를 연산 가능하지 않더라도 좋다. 예를 들면, 이동체(18)의 2차 전지(19)의 충전을 행하는 경우, 1차측 공명 코일(14)과 2차측 공명 코일(15)과의 거리에 대응하는 이동체(18)와 충전 장치(20)와의 거리를 검출하는 전용의 센서를 설치하고, 그 센서로 측정된 공명 코일 간 거리에 기초하여 공명 주파수를 결정해 제어 장치(23)에 의한 충전 제어를 행해도 좋다.
거리 연산용 맵으로서, 입력 임피던스의 극대점에서의 주파수 및 극소점에서의 주파수의 차와, 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 맵을 대신하여, 1차 코일(13)의 전압의 최대점에서의 주파수 및 최소점에서의 주파수의 차와, 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 맵을 이용해도 좋다.
거리 연산용 맵을 대신하여, 입력 임피던스의 극대점에서의 주파수 및 극소점에서의 주파수의 차와, 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 관계식, 혹은 1차 코일(13)의 전압의 최대점에서의 주파수 및 최소점에서의 주파수의 차와, 공명 코일 간 거리와의 관계를 나타내는 관계식을 메모리(25)에 기억해 두고, 동 관계식을 공명 코일 간 거리의 연산에 이용해도 좋다.
부하 임피던스 연산용 맵을 대신하여, 공명계(12)의 입력 임피던스와, 주파수와, 부하의 임피던스와의 관계를 나타내는 관계식을 메모리(25)에 기억해 두고, 동 관계식을 부하 임피던스의 연산에 이용해도 좋다.
전선을 권회(winding)하여 코일을 형성하는 경우, 코일은 원통 형상에 한하지 않는다. 예를 들면, 삼각통 형상, 사각통 형상, 육각통 형상 등의 다각통 형상이나 타원통 형상 등의 단순한 형상의 통 형상으로 하거나, 대칭 도형이 아니라 다른 이형(異形) 단면의 통 형상으로 하거나 해도 좋다.
1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15)은, 전선이 통 형상으로 권회된 코일에 한하지 않고, 예를 들면, 전선이 일 평면 상에서 주회(周回)하고, 그리고 주회부의 길이가 순차 변화하도록 권회된 형상으로 해도 좋다.
코일은, 전선이 인접하는 권회부끼리가 접촉하도록 전선을 밀권한 구성이라도, 권회부끼리가 접촉하지 않도록 권회부의 간격이 서로 떨어진 구성이라도 좋다.
1차 코일(13), 1차측 공명 코일(14), 2차측 공명 코일(15) 및 2차 코일(16)이 모두 동일한 지름으로 형성되어 있을 필요는 없다. 예를 들면, 1차측 공명 코일(14) 및 2차측 공명 코일(15)은 동일한 지름으로, 1차 코일(13) 및 2차 코일(16)은 상이한 지름으로 해도 좋다.

Claims (8)

  1. 교류 전원과,
    상기 교류 전원에 접속된 1차 코일, 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일 및, 2차 코일을 갖는 공명계와,
    상기 2차 코일에 접속된 부하와,
    상기 공명계의 입력 임피던스를 측정 가능한 임피던스 측정부와,
    상기 임피던스 측정부의 측정 결과를 해석하는 해석부를 구비하고,
    상기 1차 코일에 공급되는 교류 전압의 주파수는, 상기 입력 임피던스의 저(低)주파수측의 극대값에 있어서의 주파수의 값과, 상기 입력 임피던스의 고(高)주파수측의 극소값에 있어서의 주파수의 값과의 사이의 주파수인, 비접촉 전력 전송 장치.
  2. 교류 전원과,
    상기 교류 전원에 접속된 1차 코일, 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일 및, 2차 코일을 갖는 공명계와,
    상기 2차 코일에 접속된 부하와,
    상기 공명계의 입력 임피던스를 측정 가능한 임피던스 측정부와,
    상기 임피던스 측정부의 측정 결과를 해석하는 해석부를 구비하고,
    상기 해석부는, 상기 입력 임피던스의 저주파수측의 극대값에 있어서의 주파수의 값과, 상기 입력 임피던스의 고주파수측의 극소값에 있어서의 주파수의 값과의 차에 기초하여, 상기 1차측 공명 코일과 상기 2차측 공명 코일과의 거리를 연산하는 비접촉 전력 전송 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 해석부는, 적어도 상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 기초하여, 상기 1차측 공명 코일과 상기 2차측 공명 코일과의 거리를 연산함과 함께, 상기 부하의 임피던스를 연산 가능한 비접촉 전력 전송 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 해석부는, 적어도 상기 임피던스 측정부의 측정 결과에 기초하여, 상기 부하의 임피던스를 연산함과 함께, 상기 1차측 공명 코일과 상기 2차측 공명 코일과의 거리를 연산 가능한 비접촉 전력 전송 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2차측 공명 코일 및 상기 2차 코일은 이동체에 탑재됨과 함께, 상기 2차 코일은 상기 부하로서의 2차 전지에 접속되어 있고, 상기 교류 전원, 상기 1차 코일 및 상기 1차측 공명 코일은 상기 2차 전지에 비접촉 상태로 충전을 행하는 충전 장치에 구비되어 있고, 상기 충전 장치는 상기 해석부를 구비하는 제어부에 의해, 상기 이동체와의 거리에 대응한 주파수로 상기 1차 코일에 전류를 공급하는 비접촉 전력 전송 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2차측 공명 코일 및 상기 2차 코일은 이동체에 탑재됨과 함께, 상기 2차 코일은 상기 부하로서의 2차 전지에 접속되어 있고, 상기 교류 전원, 상기 1차 코일 및 상기 1차측 공명 코일은 상기 2차 전지에 비접촉 상태로 충전을 행하는 충전 장치에 구비되어 있고, 상기 충전 장치는 상기 해석부를 구비한 제어부에 의해, 상기 2차 전지의 충전 상태를 파악하여 충전 제어를 행하는 비접촉 전력 전송 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 해석부는, 미리 설정된 주파수에 있어서의 상기 입력 임피던스의 값에 기초하여, 상기 부하의 임피던스를 연산하는 비접촉 전력 전송 장치.
  8. 삭제
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