KR101438298B1

KR101438298B1 - 비접촉 급전 장치 및 비접촉 급전 방법

Info

Publication number: KR101438298B1
Application number: KR1020127028234A
Authority: KR
Inventors: 크라이소른 트롱눔차이; 도시히로 가이; 유스케 미나가와
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2014-09-04
Also published as: BR112012024696B1; CN102823110B; BR112012024696A2; RU2549838C2; US9525302B2; EP2555377B1; RU2012146191A; KR20130018811A; JP5691458B2; MX2012011121A; EP2555377A1; JP2011229360A; EP2555377A4; WO2011122249A1; CN102823110A; MY180282A; US20130026850A1

Abstract

본 발명의 일 형태로서의 비접촉 급전 장치는, 송전용 공진부와, 송전용 공진부와의 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합하는 수전용 공진부를 구비한다. 송전용 공진부와 수전용 공진부가 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합함으로써, 전원으로부터의 전력이 송전용 공진부를 통해 수전용 공진부에 공급된다. 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 한쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 갖고, 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 다른 쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 포함하는 복수의 공진 주파수를 갖는다.

Description

비접촉 급전 장치 및 비접촉 급전 방법{NONCONTACT POWER FEEDING APPARATUS AND NONCONTACT POWER FEEDING METHOD}

본 발명은, 공명법에 의한 비접촉 급전 장치 및 비접촉 급전 방법에 관한 것이다.

비접촉(와이어리스)의 송전 기술로서, 송전측과 수전측의 전자장의 공명을 이용하여 송전하는 방법이 알려져 있다. 수전측에 동일한 공진 주파수의 공진 코일을 복수 세트 설치함으로써, 차량의 정차 위치가 규정 위치에 대하여 어긋나도, 송전측으로부터 송전된 전력을 확실 또한 충분히 수전할 수 있다(특허문헌 1의 단락 [0094] 및 도 10 참조).

일본 특허 출원 공개 제2009-106136호 공보

그러나 복수 세트 설치된 수전용 공진 코일은 동일한 공진 주파수이므로, 환경 상황 등의 외적 요인에 의해 당초 설정된 수전용 또는 송전용 코일의 공진 주파수가 변동하면, 송전 효율이 저하된다고 하는 문제가 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 송전용 공진부 또는 수전용 공진부의 공진 주파수가 상대적으로 변동해도 송전 효율의 저하를 억제할 수 있는 비접촉 급전 장치 및 비접촉 급전 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 한쪽의 공진 주파수가 외적 요인 등에 의해 변동해도, 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 다른 쪽이 이 공진 주파수를 포함하는 복수의 공진 주파수를 가지므로, 변동한 공진 주파수로 송전할 수 있다. 이에 의해, 공진 주파수가 상대적으로 변동해도 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태를 적용한 전동 차량으로의 급전 시스템을 나타내는 전체 구성도이다.
도 2는 도 1의 급전 시스템의 상세 구성을 나타내는 전기 회로도이다.
도 3a는 병렬의 LC 공진 회로와 그 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 직렬의 LC 공진 회로와 그 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3c는 공진 주파수가 다른 한 쌍의 LC 공진 회로와 그 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4의 (a)는 도 1 및 도 2의 송전 코일(1)의 임피던스 특성을 나타내는 그래프이며, 도 4의 (b)는 수전 코일(2)의 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 다른 예를 나타내는 전기 회로도이다.
도 6은 도 4의 송전 코일(1)의 임피던스 특성 및 수전 코일(2)의 임피던스 특성의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 2의 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 권회 피치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8은 도 7의 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 자기 공진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 2의 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 또 다른 권회예를 나타내는 모식도이다.
도 10은 도 1의 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 다른 배치예를 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 1의 급전 시스템의 다른 상세 구성예를 나타내는 전기 회로도이다.
도 12는 도 1의 급전 시스템의 또 다른 상세 구성예를 나타내는 전기 회로도이다.
도 13은 도 1의 급전 시스템의 또 다른 상세 구성예를 나타내는 전기 회로도이다.
도 14는 도 12의 수전 코일(2)의 공진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 1의 송전 코일(1) 또는 수전 코일(2)의 다른 구성예를 나타내는 전기 회로도이다.

《제1 실시 형태》

이하, 본 발명의 제1 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 도면간에 있어서, 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 형태를 적용한 전동 차량으로의 급전 시스템을 나타내는 전체 구성도이며, 본 발명을 전동 차량(V)의 구동용 전동기(MT)에 전력을 공급하기 위한 급전 시스템으로 구현화한 예이다.

본 예의 급전 장치(10)는, 고주파 교류 전원(6)과, 1차 코일(4)과, 송전 코일(1)과, 수전 코일(2)과, 2차 코일(5)과, 정류기(7)와, 축전 장치(8)를 구비한다. 급전 장치(10) 중, 수전 코일(2)과, 2차 코일(5)과, 정류기(7)와, 축전 장치(8)가 전동 차량(V)에 설치되고, 고주파 교류 전원(6)과, 1차 코일(4)과, 송전 코일(1)이 전동 차량(V)의 외부에 설치되어 있다. 전동 차량(V)의 외부의 일례로서, 급전 장소가 있다.

또한, 전동 차량(V)의 구동계(파워 트레인)에 구동용 전동기(MT)가 접속되어 있다. 구동용 전동기(MT)는, 축전 장치(8)로부터의 전력을 받아 차량 구동력을 발생시키고, 이 발생시킨 차량 구동력을 구동계를 통해 차륜으로 출력한다. 이에 의해, 전동 차량(V)은 주행한다. 또한, 도 1에는 도시하지 않지만, 구동용 전동기(MT)로서 교류 모터를 사용하는 경우, 축전 장치(8)와 구동용 전동기(MT) 사이에 인버터 등의 전력 변환기가 설치된다.

전동 차량(V)측에 설치되는 수전 코일(2차 자기 공진 코일)(2)은, 양단부가 오픈(비접속)의 LC 공진 코일로 구성되고, 급전 장치(10)의 송전 코일(1차 자기 공진 코일)(1)과 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합된다. 이에 의해, 수전 코일(2)은, 송전 코일(1)로부터 교류 전력을 수전할 수 있다. 즉, 수전 코일(2)은, 축전 장치(8)의 전압, 송전 코일(1)과 수전 코일(2) 사이의 송전 거리, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 공진 주파수 등의 여러 조건에 기초하여, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 공명 강도를 나타내는 Q값 및 그 결합도를 나타내는 κ값이 커지도록, 코일의 권취수, 굵기, 권취 피치가 적절하게 설정되어 있다. 수전 코일(2)의 공진 주파수의 설정을 포함하는 구성에 대해서는 후술한다.

2차 코일(5)은, 양단부가 정류기(7)에 접속된 원턴 코일이며, 전자기 유도에 의해 수전 코일(2)로부터 전력을 수전할 수 있다. 2차 코일(5)은, 수전 코일(2)과 동축 상에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 2차 코일(5)은 수전 코일(2)의 자기 공진 주파수를 변화시키지 않기 위해 설치되어 있다. 2차 코일(5)은, 수전 코일(2)로부터 수전한 전력을 정류기(7)에 출력한다.

정류기(7)는, 2차 코일(5)로부터 받는 고주파의 교류 전력을 정류하여 축전 장치(8)에 출력한다. 또한, 정류기(7) 대신에, 2차 코일(5)로부터 받는 고주파의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 사용해도 된다. 이 경우, 직류 전력의 전압 레벨은, 축전 장치(8)의 전압 레벨로 한다.

축전 장치(8)는, 충방전 가능한 직류 전원이며, 예를 들어 리튬 이온이나 니켈 수소 등의 2차 전지로 구성되어 있다. 축전 장치(8)의 전압은, 예를 들어 200 내지 500V 정도이다. 축전 장치(8)는, 정류기(7)로부터 공급되는 전력을 축적하는 것 이외에, 구동용 전동기(MT)에 의해 발전된 회생 전력도 축적할 수 있다. 그리고 축전 장치(8)는, 그 축적한 전력을 구동용 전동기(MT)에 공급한다. 또한, 축전 장치(8)로서, 2차 전지 대신에 또는 이것과 병용하여, 대용량의 캐패시터를 채용할 수 있다. 축전 장치(8)는, 정류기(7)나 구동용 전동기(MT)로부터의 전력을 일시적으로 축적하고, 그 축적한 전력을 구동용 전동기(MT)에 공급 가능한 전력 버퍼이면 된다.

한편, 전동 차량(V)의 외부(급전 장소)에 설치되는 고주파 교류 전원(6)은, 예를 들어 계통 전원(6a)(전력 회사가 보유하는 상용 인프라 교류 전원)과, 전력 변환기(6b)를 구비한다. 전력 변환기(6b)는, 교류 전원(6a)으로부터 받는 교류 전력을, 송전 코일(1)로부터 전동 차량(V)측의 수전 코일(2)에 송전 가능한 고주파의 교류 전력으로 변환하고, 그 변환한 고주파의 교류 전력을 1차 코일(4)에 공급한다.

1차 코일(4)은, 전자기 유도에 의해 송전 코일(1)에 교류 전력을 송전 가능하고, 바람직하게는 송전 코일(1)과 동축 상에 배치되어 있다. 1차 코일(4)은, 송전 코일(1)의 자기 공진 주파수를 변화시키지 않기 위해 설치되어 있다. 그리고 1차 코일(4)은, 전력 변환기(6b)로부터 수전한 전력을 송전 코일(1)에 출력한다.

송전 코일(1)은, 급전 장소의 예를 들어 지면 근방에 배치되어 있다. 송전 코일(1)은, 양단부가 오픈(비접속)의 LC 공진 코일로 구성되고, 전동 차량(V)의 수전 코일(2)과 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합되어 있다. 이에 의해, 송전 코일(1)은, 수전 코일(2)에 전력을 송전할 수 있다. 즉, 송전 코일(1)은, 송전 코일(1)로부터 송전되는 전력에 의해 충전되는 축전 장치(8)의 전압, 송전 코일(1)과 수전 코일(2) 사이의 송전 거리, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 공명 주파수 등의 여러 조건에 기초하여, Q값 및 결합도 κ값이 커지도록, 코일의 권취수, 굵기, 권취 피치가 적절하게 설정되어 있다. 송전 코일(1)의 공진 주파수의 설정을 포함하는 구성에 대해서는 후술한다.

도 2는 도 1에 도시하는 급전 시스템을 더욱 구체화한 회로도이다. 도 1에 도시하는 전력 변환기(6b)는, 예를 들어, 도 2에 도시하는 스위칭 전원으로서 구체화할 수 있다. 도 2의 스위칭 전원(6b)은, 교류 전원(6a)을 정류하는, 복수의 다이오드로 구성된 정류 회로와, 이 정류하여 얻어진 직류 전력으로부터 고주파의 교류 전력을 생성하는, 복수의 트랜지스터를 포함하는 초퍼 회로를 구비한다.

1차 코일(4)은, 송전 코일(1)이 갖는 3개의 LC 공진 코일과의 사이에서 각각 자기적인 결합(M)을 형성하여, 전력 변환기(6b)에 의해 생성된 교류 전력을 송전 코일(1)에 전달한다.

송전 코일(1)은, 예를 들어, 도 2에 도시하는 바와 같이, 서로 직렬로 접속된 3개의 LC 공진 회로로 이루어진다. 각 LC 공진 회로는, 모두 단일의 자기 공진 주파수 f₀을 갖도록 설정되어 있다. 또한, LC 공진 회로의 자기 공진 주파수의 설정은, 코일의 권취수, 굵기, 권취 피치 등의 코일 형상이나 사이즈를 조정할 수 있다.

한편, 수전 코일(2)은, 예를 들어, 서로 직렬로 접속된 3개의 LC 공진 회로 L₂₁C₂₁, L₂₂C₂₂, L₂₃C₂₃을 구비한다. 3개의 LC 공진 회로 L₂₁C₂₁, L₂₂C₂₂, L₂₃C₂₃은, 송전 코일(1)의 각 공진 회로 LC로부터 송전된 교류 전력을 수전할 수 있도록 설치된다.

또한, 2차 코일(5)은, 3개의 LC 공진 회로 L₂₁C₂₁, L₂₂C₂₂, L₂₃C₂₃의 각 코일 L₂₁, L₂₂, L₂₃과의 사이에서 자기 결합(M)을 형성하는 코일 L_R을 갖는다. 이에 의해, 2차 코일(5)은, 수전 코일(2)로부터 교류 전력을 받을 수 있다. 정류기(7)는, 수전한 전력을 정류하는 복수의 다이오드로 이루어지는 회로에 의해 구체화할 수 있다. 이에 의해, 이들 3개의 LC 공진 회로 L₂₁C₂₁, L₂₂C₂₂, L₂₃C₂₃이 수전한 교류 전력을 축전 장치(8)나 모터(MT) 등의 부하에 전달할 수 있다.

도 2의 교류 전원(6a) 및 전력 변환기(6b)는, 「스위칭 전원을 포함하는 구성」을 이루고, 1차 코일(4) 및 송전 코일(1)은, 「송전측 공진기」를 이루고, 수전 코일(2) 및 2차 코일(5)은, 「수전측 복공진기」를 형성하고, 정류기(7) 및 부하(8, MT)는, 부하 회로를 이룬다.

공명법에 의한 송전의 원리를 설명한다. 공명법은, 2개의 음차가 공명하는 것과 마찬가지로, 동일한 고유 진동수를 갖는 2개의 LC 공진 코일이 자장을 통해 공명함으로써, 한쪽의 코일로부터 다른 쪽의 코일에 와이어리스로 전력을 전송하는 방법이다.

즉, 도 1에 도시하는 바와 같이, 고주파 교류 전원(6)으로부터 1차 코일(4)에 고주파의 교류 전력이 입력된다. 그러면, 1차 코일(4)에 자계가 발생하고, 전자기 유도에 의해 송전 코일(1)에 고주파의 교류 전력이 발생한다. 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 각각은, 코일 자신의 인덕턴스 L과 도선간의 부유 용량 C에 의한 LC 공진 회로로서 기능한다. 수전 코일(2)은, 송전 코일(1)과 동일한 공진 주파수를 가지므로, 자장의 공명에 의해 송전 코일(1)과 자기적으로 결합한다. 따라서, 교류 전력은 송전 코일(1)로부터 수전 코일(2)에 전송된다. 그리고 교류 전력을 수전한 수전 코일(2)에 자계가 발생한다. 수전 코일(2)의 자계에 의해, 2차 코일(5)에, 전자기 유도에 의한 고주파의 교류 전력이 발생한다. 2차 코일(5)의 교류 전력은, 정류기(7)에 의해 직류 전력으로 정류된 뒤, 축전 장치(8)에 공급된다.

도 3a의 상부에, 캐패시터 C 및 코일 L이 병렬 접속된 LC 공진 회로를 나타내고, 도 3a의 하부에, 병렬의 LC 공진 회로의 임피던스 특성(주파수f―임피던스Z)을 나타낸다. 도 3a에 있어서 f₀은 공진 주파수, Δf는 공진 주파수의 반값 폭을 각각 나타낸다. 수학식 1 및 수학식 2에 있어서, "L"은 코일 L의 인덕턴스를 나타내고, "C"는 코일 L의 도선간의 부유 용량을 나타내고, "R"은 코일 L의 기생 저항값을 나타낸다.

수학식 1 및 수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 코일 L의 손실이 작으면 작을수록 그 기생 저항이 작아지므로, 공진 주파수의 반값 폭 Δf가 좁아지고, 병렬의 LC 공진 회로는 예민한 공진 특성을 나타낸다.

도 3b의 상부에, 캐패시터 C 및 코일 L이 직렬 회로로 접속된 LC 공진 회로(반공진 회로라고도 함)를 나타내고, 도 3b의 하부에, 직렬의 LC 공진 회로의 임피던스 특성(주파수f―임피던스Z)을 나타낸다. 도 3b에 나타내는 임피던스 특성은, 도 3a와 같은 극대값이 아니라 극소값으로 되는 점이 다르다. 그 밖에 대해, 도 3b에 나타내는 직렬의 LC 공진 회로는, 도 3a에 나타내는 병렬의 LC 공진 회로와 마찬가지의 임피던스 특성을 나타낸다. 즉, 직렬의 LC 공진 회로는, 코일 L의 손실이 작으면 작을수록 그 기생 저항이 작아지므로, 공진 주파수의 반값 폭 Δf가 좁아지고, 직렬의 LC 공진 회로는 예민한 공진 특성을 나타낸다.

공명이라 함은, 공진 주파수가 동일하게 설정된 한 쌍의 LC 공진 회로가 이 공진 주파수에 있어서 고효율적으로 에너지를 수수하는 상태를 말한다. 본 발명자들이 예의 연구한 결과, 다음과 같은 것이 발견되었다. 예를 들어, 도 3c에 나타내는 바와 같이, 한쪽의 LC 공진 회로 L₁C₁의 공진 주파수 f₀₁과 다른 쪽의 LC 공진 회로 L₂C₂의 공진 주파수 f₀₂가 다른 경우라도, 서로의 반값 폭 △f₁, △f₂의 범위가 겹쳐 있으면, 공명과 마찬가지로 고효율적으로 에너지를 수수할 수 있다.

상기한 본 발명자들에 의한 지식에 기초하여, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 임피던스 특성은, 이하와 같이 설정되어 있다. 도 4의 (a)는 송전 코일(1)의 임피던스 특성을 나타내고, 도 4의 (b)는 수전 코일(2)의 임피던스 특성을 나타낸다.

도 2에 도시하는 송전 코일(1)을 구성하는 3개의 LC 공진 회로는, 모두, 동일 종류의 코일 L로 구성되어 있다. 이로 인해, 3개의 LC 공진 회로에 있어서의, 코일 L의 인덕턴스 L, 코일 L의 부유 용량 C 및 코일 L의 기생 저항 R은, 각각 동등해지므로, 수학식 1에 나타내는 바와 같이, 송전 코일(1)은, 단일의 공진 주파수 f₀을 갖는다. 또한, 송전 효율을 높이기 위해 기생 저항 R이 작은 코일 L을 사용하는 것이 바람직하다. 코일 L의 기생 저항 R을 작게 하면, 수학식 2에 나타내는 바와 같이, 공진 주파수의 반값 폭 Δf가 좁아지고, 병렬의 LC 공진 회로는 예민한 공진 특성을 나타낸다. 그 결과, 반값 폭 Δf 외에 공진하는 물체나 전자 기기 등에 에너지가 전달되지 않아, 안전성을 높일 수 있다.

이에 대해, 도 2에 도시하는 수전 코일(2)을 구성하는 3개의 LC 공진 회로는, 각각 다른 종류의 코일 L로 구성되어 있다. 이로 인해, 3개의 LC 공진 회로에 있어서의, 코일 L의 인덕턴스 L, 코일 L의 부유 용량 C 및 코일 L의 기생 저항 R은, 각각 다르므로, 수학식 1에 나타내는 바와 같이, 수전 코일(2)은, 복수의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃을 갖는다. 수전 코일(2)의 3개의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃의 관계를 f₁＜f₂＜f₃으로 정의한 경우, 송전 코일(1)의 공진 주파수 f₀은, 적어도 f₁＜f₀＜f₃을 만족하는 주파수로 설정하는 것이 바람직하다.

도 4의 (b)의 파선은, 수전 코일(2)을 구성하는 3개의 LC 공진 회로의 각각의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 4의 (b)의 실선은, 3개의 LC 공진 회로의 임피던스 특성을 합성한, 3개의 LC 공진 회로 전체의 임피던스 특성을 나타내고, LC 공진 회로의 각각의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃으로 공진한 결과로서 얻어지는 것이다. 수전 코일(2)을 구성하는 3개의 LC 공진 회로가 다른 공진 주파수 f₁, f₂, f₃을 가짐으로써, 코일 L₂₁, L₂₂, L₂₃의 각각의 기생 저항 R을 크게 하는 일 없이, 수전측의 LC 공진 회로 전체로서의 주파수 특성(반값 폭 Δf)을 넓게 할 수 있다. 그리고 이러한 넓은 주파수 특성을 갖는 복공진 회로를 도 2의 수전측 복공진기에 적용한다. 이에 의해, 송전측의 LC 공진 회로의 공진 주파수 f₀이 어떠한 원인으로 변동해도, 수전측의 어느 하나의 LC 공진 회로와 공진하게 된다. 따라서, 송전 효율의 저하를 억제하면서 에너지를 전달할 수 있다.

또한, 도 2에 도시하는 송전 코일(1)은, 공진 주파수 f₀이 동등한 3개의 LC 공진 회로로 구성되어 있다. 왜냐하면, 수전 코일(2)이 서로 다른 공진 주파수 f₁, f₂, f₃으로 설정된 3개의 LC 공진 회로로 구성되고, 송전 코일(1)은, 3개의 LC 공진 회로와 최대한 접근하여 배치할 수 있기 때문이다. 이에 의해, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 거리에 기인하는 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다.

《제2 실시 형태》

송전 코일(1) 및 수전 코일(2)을 구성하는 LC 공진 회로의 수는, 도 2에 나타낸 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 송전 코일(1)을 구성하는 LC 공진 회로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 단일의 코일 L과 콘덴서 C로 구성해도 된다. 이 경우에, 수전 코일(2)을 구성하는 복수의 LC 공진 회로와 최대한 근접할 수 있도록 코일 직경을 크게 하는 것이 바람직하다. 또한, 수전 코일(2)의 공진 회로는, 복수의 공진 주파수를 실현하기 위해 적어도 2개의 LC 공진 회로로 구성할 필요가 있다.

《제3 실시 형태》

도 2에 도시한 급전 시스템에 있어서, 수전 코일(2)의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃은, 이하와 같이 설정해도 된다. 도 6의 (a)는 도 4의 (a)와 동일하게 송전 코일(1)을 구성하는 LC 공진 회로의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 6의 (b)는 도 4의 (b)와 동일하게 수전 코일(2)을 구성하는 LC 공진 회로의 임피던스 특성을 나타낸다. 즉, 도 6의 (b)의 파선은, 수전 코일(2)을 구성하는 3개의 LC 공진 회로의 각각의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 6의 (b)의 실선은, 3개의 LC 공진 회로의 임피던스 특성을 합성한, 3개의 LC 공진 회로 전체의 임피던스 특성을 나타낸다. 3개의 LC 공진 회로의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃ 중 적어도 1개를, 인접하는 다른 공진 주파수의 반값 폭 Δf의 범위 내로 설정한다. 이에 의해, 도 6의 (b)의 실선으로 나타내는, 합성된 LC 공진 회로의 임피던스 특성을 소정의 주파수의 범위 안에서 비교적 평탄한 특성으로 할 수 있고, 기생 저항 R의 증대에 의한 코일 L의 손실을 증가시키는 일 없이, 비교적 넓은 반값 폭 Δf를 실현할 수 있다. 도 6의 (b)의 예에서는, 3개의 LC 공진 회로의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃의 각각을, 인접하는 다른 공진 주파수의 반값 폭 Δf의 범위 내로 설정한다.

도 2에 도시하는 전기 회로의 동작은 이하와 같다. 즉, 송전 코일(1)의 LC 공진 회로의 공진 주파수를 f₀, 수전 코일(2)의 3개의 LC 공진 회로의 공진 주파수를 f₁, f₂, f₃으로 하고, 예를 들어 f₂＝f₀으로 한다. 이 경우에, 송전 코일(1)의 3개의 LC 공진 회로는, 수전 코일(2)의 3개의 LC 공진 회로 중, 공진 주파수가 f₂인 정중앙의 LC 공진 회로와 공진하고, 에너지를 고효율적으로 전달한다. 한편, 공진 주파수가 f₂인 정중앙의 LC 공진 회로는, 공진 주파수가 f₂보다 작거나 또는 큰 양단부의 LC 공진 회로(공진 주파수가 f₁, f₃)와 반값 폭 Δf의 범위가 겹쳐 있다. 이로 인해, 공진 주파수가 f₂인 정중앙의 LC 공진 회로로부터 양단부의 LC 공진 회로에 고효율적으로 에너지가 전달되고, 결과적으로 송전 코일(1)의 LC 공진 회로 전체로부터 수전 코일(2)의 LC 공진 회로 전체에 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다.

이와 같이, 수전 코일(2)을 구성하는 복수의 LC 공진 회로의 반값 폭 Δf가 서로 겹치도록 설정한다. 이에 의해, 송전 코일(1)의 LC 공진 회로의 공진 주파수 f₀이 변동해도, 소정의 범위 내, 즉 수전 코일(2)을 구성하는 LC 공진 회로의 합성 반값 폭 Δf(도 6 참조) 내이면, 교류 전력을 효율적으로 송전할 수 있다.

《제4 실시 형태》

도 7에, 본 발명의 제4 실시 형태를 적용한 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)을 도시한다. 제4 실시 형태의 급전 시스템은, 도 1에 도시하는 급전 시스템과 동일하게, 스위칭 전원(6), 1차 코일(4), 송전 코일(LC 공진 회로)(1), 수전 코일(LC 공진 회로)(2), 2차 코일(5), 부하 회로(8)에 의해 구성된다. 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)로서는, 각각 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 자기 인덕턴스 L과 부유 용량 C에 의해 구성되는 자기 공진 회로를 사용한다.

그리고 송전 코일(1)을 단공진으로 설정하기 위해, 제4 실시 형태의 송전 코일(1)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 권선이 균등(피치 a)하게 감겨 있는 것을 사용한다. 권선이 균등하게 감겨 있으므로, 권선의 사이의 부유 용량이 균등하게 분포하고, 송전 코일(1)은, 도 8에 나타내는 단공진의 자기 공진 특성을 나타낸다. 한편, 수전 코일(2)은, 권선이 불균등하게 감겨 있는 것, 예를 들어, 권선의 간격이 서서히 변화되는 것을 사용한다. 예를 들어, 권선의 피치가 a－1.5d 내지 a＋1.5d의 범위에서 변화된다. 이에 의해, 권선의 사이의 부유 용량의 값이 서서히 변화된다. 결과적으로 도 8에 나타내는 바와 같이, 수전 코일(2)은, 반값 폭 Δf가 넓은 복공진 특성을 나타낸다. 또한, 도 7에 나타내는 예에서는 수전 코일(2)의 권선의 간격은, 등차 급수를 이루고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 등비 급수나 등차 급수의 역수를 취한 형태의 급수 등에서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 9는 수전 코일(2)이 3차원적으로 불균등하게 감긴 예를 나타낸다. 이러한 구성에서도 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.

《제5 실시 형태》

도 10은 본 발명의 제5 실시 형태를 적용한 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)을 도시하는 사시도이다. 제5 실시 형태의 송전 코일(1)은, 각각 도 7 또는 도 9에 도시하는 권선이 균등(피치 a)하게 감긴 단공진의 코일이다. 3개의 송전 코일(1)은, 급전 장소의 예를 들어 지면 근방에 정삼각형의 각 정점에 위치하도록 배치되어 있다. 그리고 스위칭 전원(6b)으로부터의 전력이 1차 코일(4)과의 사이의 전자기 유도(M)에 의해 각 송전 코일(1)에 송전된다.

이에 대해, 제5 실시 형태의 수전 코일(2)은, 각각 도 7 또는 도 9에 도시하는 바와 같이, 권선의 피치가 a－1.5d 내지 a＋1.5d의 범위에서 서서히 변화되도록 감긴 복공진의 코일이다. 3개의 수전 코일(2)은, 전동 차량(V)의 예를 들어 플로어 근방에 정삼각형의 각 정점에 위치하도록 배치되어 있다. 그리고 각 수전 코일(2)에서 수전한 전력은, 2차 코일(5)과의 사이의 전자기 유도(M)에 의해 부하 회로(8)에 송전된다.

제5 실시 형태에서는, 권선이 균등하게 감긴 송전 코일(1)과 권선의 간격이 서서히 변화되도록 감긴 수전 코일(2)을 각각 복수 배치한다. 이에 의해, 송전 코일(1)의 LC 공진 회로의 공진 주파수 f₀이 변동해도, 소정의 범위 내, 즉 수전 코일(2)을 구성하는 LC 공진 회로의 합성 반값 폭 Δf(도 6 참조) 내이면, 교류 전력을 효율적으로 송전할 수 있다. 이에 더하여, 송전측과 수전측의 위치 어긋남에 의한 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다. 즉, 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)이 각각 복수 설치되어 있으므로, 전동 차량(V)의 정차 위치가 급전 장소에 대하여 다소 어긋나도 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 도 10에 나타내는 예에서는, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)을 각각 3개씩 설치하였지만, 그 개수는 3에 한정되지 않는다. 또한, 송전 코일(1)과 수전 코일(2)의 수를 동수로 할 필요도 없고, 다른 개수여도 된다. 또한, 3개의 코일의 배치 위치는, 삼각형의 각 정점에 한정되지 않고, 전동 차량(V)의 전후 방향이나 폭 방향 등을 따라 배치해도 된다.

《제6 실시 형태》

도 11은 본 발명의 제6 실시 형태를 적용한 급전 시스템을 도시하는 전기 회로도이다. 본 예에서는, 스위칭 전원(6b)으로부터 송전 코일(1)에 에너지를 전달하기 위한 1차 코일(4)을 생략하고, 송전 코일(1)이 직접 스위칭 전원(6b)에 접속된다. 이와 같이 구성한 급전 시스템에서도, 제1 내지 제5 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다. 또한, 1차 코일(4)을 생략함으로써, 공진 회로의 저비용화, 소형화, 저손실화를 실현할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

《제7 실시 형태》

도 12는 본 발명의 제7 실시 형태를 적용한 급전 시스템을 도시하는 전기 회로도이다. 제1 내지 제6 실시 형태에서는, 병렬의 LC 공진 회로를 사용한 예를 설명해 왔지만, 반공진 특성을 나타내는 직렬의 LC 공진 회로를 사용해도 동일한 효과가 얻어진다. 즉, 도 12에 도시하는 바와 같이, 수전 코일(2)은, 코일 L과 콘덴서 C를 직렬로 접속한 3개의 LC 공진 회로를 구비하고, 3개의 직렬의 LC 공진 회로는 병렬로 접속되어 있다. 또한, 송전 코일(1)로서, 단공진의 병렬의 LC 공진 회로를 사용하지만, 단공진이면, 직렬의 LC 공진 회로를 사용해도 된다.

《제8 실시 형태》

도 13은 본 발명의 제8 실시 형태를 적용한 급전 시스템을 도시하는 전기 회로도이다. 송전 코일(1) 또는 수전 코일(2)은, 병렬의 LC 공진 회로와 직렬의 LC 공진 회로를 조합한 복합 공진 회로를 사용할 수도 있다. 도 13에는, 공진 주파수가 다르고, 또한 서로 반값 폭의 범위 내에 있는 병렬의 LC 공진 회로와 직렬의 LC 공진 회로를 조합한 수전 코일(2)의 예를 나타낸다. 구체적으로는, 도 13에 있어서의 코일 L₂와 콘덴서 C₂₁이 병렬의 LC 공진 회로를 구성하고, 코일 L₂와 콘덴서 C₂₂가 직렬의 LC 공진 회로를 구성하고 있다.

또한, 도 13에 나타내는 예에서는, 수전 코일(2)로부터 부하(8)에 에너지를 전달하기 위한 2차 코일(5)이 생략되어 있다. 2차 코일(5)을 생략함으로써, 공진 회로의 저비용화, 소형화, 저손실화를 실현할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다. 또한, 도 13에 나타내는 예에 있어서 1차 코일(4)을 생략할 수도 있다.

도 14는 병렬의 LC 공진 회로(병렬 공진 회로)와 직렬의 LC 공진 회로(직렬 공진 회로)를 조합한 복합 공진 회로의 공진 특성을 나타낸다. 도 14에 있어서 파선으로 나타내는 곡선이 병렬 공진 회로 및 직렬 공진 회로 각각의 공진 특성이며, 실선으로 나타내는 곡선이 복합 공진 회로의 공진 특성이다.

송전 코일(1) 또는 수전 코일(2)의 공진 회로는, 도 15의 (a) 내지 도 15의 (d)에 도시하는 바와 같이 구성해도 된다. 도 15의 (a) 내지 도 15의 (d)는 각각 송전 코일(1) 또는 수전 코일(2)의 다른 구성예를 나타내는 전기 회로도이며, L은 코일, C는 콘덴서를 각각 나타낸다.

또한, 상술한 각 실시 형태에서는, 송전 코일(1)을 소정의 단일의 공진 주파수 f₀으로 설정하고, 수전 코일(2)의 공진 주파수를 당해 공진 주파수 f₀을 포함하는 복수의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃으로 설정하였지만, 이것을 반대로 구성해도 된다. 즉, 도 2에 도시하는 전기 회로, 혹은 도 5의 송전 코일(1)과 수전 코일(2)을 반대로 한 전기 회로에 있어서, 수전 코일(2)의 공진 주파수를 소정의 단일의 공진 주파수 f₀으로 설정하고, 송전 코일(1)의 공진 주파수를 당해 공진 주파수 f₀을 포함하는 복수의 공진 주파수 f₁, f₂, f₃으로 설정해도 된다.

단, 상술한 각 실시 형태와 같이, 송전 코일(1)측의 공진 주파수를 단일로 설정함으로써, 송전 코일(1)이 수전 코일(2)의 주변에 존재하는 물체와 공진하는 것을 방지할 수 있으므로, 송전 효율이 높아진다. 즉, 송전 코일(1)로부터의 송전 에너지를 단일의 주파수에 집중시킴으로써, 송전 코일(1)의 주변에 부여하는 영향이나 그에 의해 발생하는 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.

송전 코일(1)은 본 발명에 관한 「송전용 공진부」 및 「송전용 공진 수단」에 상당하고, 수전 코일(2)은 본 발명에 관한 「수전용 공진부」 및 「수전용 공진 수단」에 상당하고, 고주파 교류 전원(6a)이 본 발명에 관한 「전원」에 상당하고, 전동 차량(V)이 본 발명에 관한 「차량」에 상당한다. 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)의 각각을 구성하는 병렬 혹은 직렬의 LC 공진 회로는, 본 발명에 관계되는 「공진 회로」에 상당한다. 송전 코일(1) 및 수전 코일(2)은 본 발명에 관한 「한 쌍의 공진부」에 상당한다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 이들 실시 형태는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위해 기재된 것이며, 본 발명을 한정하기 위해 기재된 것은 아니다. 따라서, 상기한 실시 형태에 개시된 각 요소는, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 모든 설계 변경이나 균등물도 포함하는 취지이다.

본 발명에 따르면, 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 한쪽의 공진 주파수가 외적 요인 등에 의해 변동해도, 송전용 공진부 및 수전용 공진부의 다른 쪽이 이 공진 주파수를 포함하는 복수의 공진 주파수를 가지므로, 변동한 공진 주파수로 송전할 수 있다. 이에 의해, 공진 주파수가 상대적으로 변동해도 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관계되는 비접촉 급전 장치 및 비접촉 급전 방법은, 산업상 이용 가능하다.

Claims

비접촉 급전 장치에 있어서,
송전용 공진부와,
상기 송전용 공진부와의 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합하는 수전용 공진부를 구비하고,
상기 송전용 공진부와 상기 수전용 공진부가 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합함으로써, 전원으로부터의 전력이 상기 송전용 공진부를 통해 상기 수전용 공진부에 공급되고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 갖고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수와 상기 소정의 단일의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
비접촉 급전 장치에 있어서,
차량의 외부에 설치되는 동시에 전원으로부터의 전력이 입력되는 송전용 공진부를 구비하고,
상기 송전용 공진부와, 상기 차량에 설치된 수전용 공진부가 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합함으로써, 상기 전원으로부터의 전력이 상기 송전용 공진부를 통해 상기 수전용 공진부에 송전되고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 갖고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수와 상기 소정의 단일의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
비접촉 급전 장치에 있어서,
차량에 설치된 수전용 공진부를 구비하고,
상기 수전용 공진부와, 상기 차량의 외부에 설치되는 동시에 전원으로부터의 전력이 입력되는 송전용 공진부가 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합함으로써, 상기 전원으로부터의 전력이 상기 송전용 공진부를 통해 수전용 공진부에 의해 수전되고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 갖고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수와 상기 소정의 단일의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽이 갖는 상기 소정의 단일의 공진 주파수와 상기 소정의 단일의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수 중 적어도 하나의 공진 주파수는, 인접하는 다른 공진 주파수의 반값 폭의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 권회 피치가 균등한 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽은, 권회 피치가 변화되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽이 갖는 공진 회로의 수량과 동일한 수량의 공진 회로를 갖고,
상기 송전용 공진부의 각 공진 회로와 상기 수전용 공진부의 각 공진 회로는, 근접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽이 상기 송전용 공진부이며, 상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽이 상기 수전용 공진부인 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제8항에 있어서,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부를 각각 복수 구비하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
비접촉 급전 방법에 있어서,
송전용 공진부와 수전용 공진부가 자장의 공명에 의해 자기적으로 결합함으로써, 전원으로부터의 전력을 상기 송전용 공진부를 통해 상기 수전용 공진부에 공급하고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 한쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수를 갖고,
상기 송전용 공진부 및 상기 수전용 공진부의 다른 쪽은, 소정의 단일의 공진 주파수와 상기 소정의 단일의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 방법.
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