TWI515994B - 共振結合型電力傳送系統、共振型電力送信裝置及共振型電力受信裝置 - Google Patents
共振結合型電力傳送系統、共振型電力送信裝置及共振型電力受信裝置 Download PDFInfo
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Description
本發明係關於一種利用共振型送信受信天線之共振特性而進行電力傳送之共振結合型電力傳送系統、共振型電力送信裝置及共振型電力受信裝置。
以往，已知有以無線方式轉送能量裝置(例如參照專利文獻1至3)。該裝置係由第1共振器構造(共振型送信天線)、及位在離該第1共振器構造較遠之處的第2共振器構造(共振型受信天線)所構成。第1共振器構造係從電力供給源(交流輸出型電源)接收能量，且藉由電磁共鳴(磁場共振結合)而以非放射方式轉送至第2共振器構造者。再者，第2共振器構造係接收來自第1共振器構造之能量而供給至外部負載(受信電路)者。此外，第1共振器構造之共振特性值Q1及第2共振器構造之共振特性值Q2係以符合下式(1)之方式設定。
√(Q1．Q2)>100 (1)
藉此，可在不使能量之轉送效率降低之情形下，將第1、2共振器構造間之距離設定為比其特徵性尺寸(利用習知之電磁感應可達致的距離)更大。
專利文獻1：日本特開2011-177018號公報
專利文獻2：日本特表2012-502602號公報
專利文獻3：日本特表2009-501510號公報
然而，在專利文獻1至3所揭示之習知裝置中，會有僅考慮第1、2共振器構造之共振特性值Q1、Q2，而未考慮與第1共振器構造連接之電力供給源所導致之共振特性值的變動、及與第2共振器構造連接之外部負載所導致之共振特性值的變動之課題。
亦即，在高頻電路中，必須有依每個電路區塊進行阻抗之匹配的介面。另一方面，在習知裝置中，由於僅考慮第1、2共振器構造之共振特性值Q1、Q2，因此在第1共振器構造與電力供給源之間、及第2共振器構造與外部負載之間，設置有上述介面。在此構成時，在第1、2共振器構造之間，可高效率地進行電力傳送。然而，當視為包含電力供給源及外部負載之系統整體時，由於具有上述般之
介面，因此電力損失會變得非常大。
再者，在式(1)之條件下，當第1、2共振器構造間之結合度不適當時，會有因第1、2共振器構造間之距離而造成損失能量變大，且無法進行有效率之電力傳送的課題。再者，在上述條件下，會有第1、2共振器構造的天線構成被限制限而欠缺自由度，造成難以小型化、輕量化、低成本化的課題。此外，在上述條件下，由於對作為第1、2共振器構造之一部分使用之電容器施加高電壓，因此會有需要有耐高壓之電容器等特殊零件，且難以小型化、輕量化、低成本化之課題。
本發明係用以解決上述課題而研創者，其目的在於提供一種共振結合型電力傳送系統、共振型電力送信裝置及共振型電力受信裝置，其係考慮因共振型電源及受信電路之影響所導致之共振特性值的變動而進行設定，且可謀求相對於習知裝置在系統整體進行之電力傳送的高效率化。
本發明之共振結合型電力傳送系統係具備：共振型電力送信裝置，係具有供給電力之共振型電源、及用以傳送藉由共振型電源所供給之電力之共振型送信天線；以及共振型電力受信裝置，係具有用以接收藉由共振型送信天線所傳送之電力的共振型受信天線、及用以將藉由共振型受信天線所接收之電力供給至負荷之受信電路；以使共振型電源之共振特性值、共振型送信天線之共振特
性值、及共振型電力受信裝置的共振特性值具有相關關係之方式，設定各功能部之特性阻抗。
依據本發明，由於係如上述方式構成，因此考慮因共振型電源及受信電路之影響所導致之共振特性值的變動進行設定，而可謀求相對於習知裝置在系統整體進行之電力傳送的高效率化。
1‧‧‧共振型電力送信裝置
2‧‧‧共振型電力受信裝置
11‧‧‧共振型電源
12‧‧‧匹配電路
13‧‧‧共振型送信天線
21‧‧‧共振型受信天線
22‧‧‧整流電路
23‧‧‧受信電路
第1圖係顯示本發明實施形態1之共振結合型電力傳送系統之構成的圖。
第2圖係顯示本發明實施形態1之共振結合型電力傳送系統之構成的電路圖。
第3圖(a)及(b)係顯示本發明實施形態1之共振型送信受信天線間之距離與結合係數之關係的圖。
第4圖係顯示本發明實施形態1之共振結合型電力傳送系統之電力傳送效率的圖，且為顯示(a)k√(Qo．Qt)>1、k．Qr>1之情形的圖，且為顯示(b)k√(Qo．Qt)≒1、k．Qr≒1之情形的圖，且為顯示(c)k√(Qo．Qt)<1、k．Qr<1之情形的圖。
第5圖係說明本發明實施形態1之共振型送信受信天線之共振頻率的設定之圖，(a)為顯示共振型送信受信天線之共振頻率的圖，(b)為顯示共振型送信受信天線之共振頻率的設定之電力傳送效率的圖。
第6圖係本發明實施形態1之共振型電源電路的其他構成之電路圖，(a)為顯示橋接型換流器之圖，(b)為顯示D級換流器之圖，(c)為顯示DE級換流器之圖。
第7圖係顯示本發明實施形態1之整流電路之其他構成的電路圖，(a)為顯示E級整流電路之圖，(b)為顯示倍電流整流電路之圖，(c)為顯示半波整流電路之圖，(d)為顯示倍電壓整流電路之圖。
第8圖係顯示本發明實施形態1之共振結合型電力傳送系統之其他構成的圖。
以下，針對本發明之實施形態，一邊參照圖式一邊詳細地進行說明。
第1圖係顯示本發明實施形態1之共振結合型電力傳送系統之構成的圖，第2圖係具體之電路圖。
共振結合型電力傳送系統係如第1圖、第2圖所示，由共振型電力送信裝置1及共振型電力受信裝置2所構成。此外，在第2圖所示之共振結合型電力傳送系統中，雖顯示後述之共振型電源11的共振頻率為2MHz以上之情形，但亦可使用未達2MHz者。
共振型電力送信裝置1係由共振型電源11、匹配電路12及共振型送信天線13所構成。
共振型電源11係用以控制對共振型送信天線13之電力的供給者，且將直流或交流之輸入電力轉換為
預定頻率之交流並予以輸出者。該共振型電源11係由共振切換方式之電源電路所構成，且具有輸出阻抗Zo、共振頻率fo及共振特性值Qo。
匹配電路12係進行共振型電源11之輸出阻抗Zo與共振型送信天線13之通過特性阻抗Zt之間的阻抗匹配者。該匹配電路12係由電感L及電容器C所形成之π型或L型之濾波器所構成，且具有該通過特性阻抗Zp。
共振型送信天線13係輸入透過匹配電路12之來自共振型電源11之交流電力並進行共振動作，且使非放射型之電磁場產生在附近，以對共振型受信天線21進行電力傳送者。該共振型送信天線13係為線圈形狀之共振型的天線，且具有該通過特性阻抗Zt、共振頻率ft及共振特性值Qt。
此外，共振型電源11之共振頻率fo及共振特性值Qo係由共振型電源11之輸出阻抗Zo、及匹配電路12之通過特性阻抗Zp所決定。共振型送信天線13之共振頻率ft及共振特性值Qt係由共振型送信天線13之通過特性阻抗Zt與匹配電路12之通過特性阻抗Zp所決定。
並且，由該2個共振特性值Qo、Qt，共振型電力送信裝置1係具有共振特性值Qtx=√(Qo．Qt)。
共振型電力受信裝置2係由共振型受信天線21、整流電路22及受信電路23所構成。該共振型電力受信裝置2係具有共振頻率fr及共振特性值Qr。
共振型受信天線21係藉由進行來自共振型送信天線13之非放射型的電磁場及共振結合動作而將電力予以接收，並輸出交流電力者。該共振型受信天線21係為由線圈形狀所形成之共振型的天線，且具有該通過特性阻抗Zr。
整流電路22係具有將來自共振型受信天線21之交流電力轉換成直流電力之整流功能、及進行共振型受信天線21之通過特性阻抗Zr與受信電路23之輸入阻抗ZRL之間的阻抗匹配之匹配功能的匹配型整流電路。匹配功能係由電感L及電容器C所形成之π型或L型之濾波器所構成。再者，整流電路22係具有通過特性阻抗Zs。此外，在此整流電路22雖具有整流功能及匹配功能，但並不限定於此，整流效率較低者亦可僅由具有整流功能者來構成。
受信電路23係將來自整流電路22之直流電力予以輸入，且轉換至預定電壓並供給至負載(未圖示)者。該受信電路23係由可將高頻電壓漣波予以平滑化之LC濾波器(平滑濾波器)、及可轉換至預定電壓之DC/DC換流器等所構成，且具有該輸入阻抗ZRL。此外，亦可不設置DC/DC換流器，而僅由平滑濾波器所構成。
再者，共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr及共振頻率fr，係由共振型受信天線21之通過特性阻抗Zr、整流電路22之通過特性阻抗Zs、及受信電路23之輸入阻抗ZRL所決定。
此外，由共振型送信受信天線13、21之共振結合所構成之電力傳送方式並無特別地限定，亦可為磁場共振(resonance)之方式、電場共振之方式、電磁感應之方式、接觸型之共振結合方式之任一者。
再者，在本發明中，係以使共振型電源11之共振特性值Qo、共振型送信天線13之共振特性值Qt及共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr具有相關關係之方式，設定各功能部之特性阻抗。亦即，使共振型電力送信裝置1之共振特性值Qtx(=√(Qo．Qt))與共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr接近(下式(2))。具體而言，在下式(3)之範圍內即可。
√(Qo．Qt)≒Qr (2)
0.5Qr≦√(Qo．Qt)≦1.5Qr (3)
藉此，可考慮與共振型送信天線13連接之共振型電源11之影響所導致之共振特性值的變動、及與共振型受信天線21連接之受信電路23之影響所導致之共振特性值的變動，來設定共振型電力送信裝置1及共振型電力受信裝置2。結果，可進行系統整體之高效率的電力傳送。
接著，利用第3圖，針對共振型送信受信天線13、21間之距離d與結合係數k(≒磁通交鏈率)之關係進行說明。在此，將共振型送信受信天線13、21(螺旋型天線)之直徑Φ設為18[cm]時，距離d與結合係數k之關係係如第3圖(b)所示。亦即，距離d越近則結合係數k
越大，距離d越遠則結合係數k越小。
然而，如本發明，藉由使3個共振特性值Qo、Qt、Qr具有相關關係，而可在不使電力傳送效率降低之情形下，將共振型送信受信天線13、21間之距離設為比習知之利用電磁感應所達致之距離更大。
再者，在共振型電力送信裝置1中，以符合下式(4)之方式，設定各功能部之特性阻抗。具體而言，亦可為下式(5)之範圍內。
k√(Qo．Qt)≒1 (4)
0.5≦k√(Qo．Qt)≦1.5 (5)
此外，在共振型電力受信裝置2中，以符合下式(6)之方式，設定各功能部之特性阻抗。具體而言，亦可在下式(7)之範圍內。
k．Qr≒1 (6)
0.5≦k．Qr≦1.5 (7)
藉此，如第4圖所示，可更加提升作為系統整體之電力傳送效率。
再者，如第5圖(a)所示，在式(2)、(3)之條件下，可將共振型送信天線13之共振頻率ft(實線)與共振型受信天線21之共振頻率fr(虛線)設定為不同之值。此時，較理想為，以使共振特性值Qtx、Qr之交點成為最高之方式使共振頻率ft、fr偏離，並且使該交點與共振型電源11之共振頻率fo一致。藉此，如第5圖(b)所示，可在式(2)、(3)之共振特性值接近為最大，且在共振頻率(傳送
頻率)fo中，可使電力傳送效率趨近為最大。
接著，說明習知裝置與本發明之不同。
習知裝置係如上所述，以符合式(1)之方式將第1共振器構造(共振型送信天線)之共振特性值Q1、第2共振器構造(共振型受信天線)之共振特性值Q2設定為較高值者。另一方面，本發明係使共振型電源11之共振特性值Qo、共振型送信天線13之共振特性值Qt及共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr之3個共振特性值具有相關關係者。結果，在不使電力傳送效率降低之情形下，可使共振型送信受信天線13、21間之距離d比因習知之電磁感應所導致之距離更大。亦即，在本發明中，即使相當於習知裝置之共振特性值Q1、Q2之共振型送信受信天線13、21的共振特性值√(Qo．Qt)、Qr比習知裝置低之情形時，亦可進行往遠距離之高效率的電力傳送。以下，顯示具體例。
首先，在共振型電源11之共振頻率fo中，顯示將共振型電源11之共振特性值Qo設定為4、將共振型送信天線13之共振特性值Qt設定為6、且將共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr設定為5之情形。
此外，下式(8)之關係成立。
√(Qo．Qt)≒Qr≒5 (8)
此時，由式(4)、(6)，在符合下式(9)之結合係數k的條件下，可進行最高效率之電力傳送。
k≒1/5=0.2 (9)
在此，共振型送信受信天線13、21之直徑
Φ為18[cm]之情形時(第3圖)，為了符合上述結合係數k=0.2，係只要將共振型送信受信天線13、21之距離d設定為約7cm即可。此外，扣除該共振型送信受信天線13、21間之銅損後的傳送效率η係為下式(10)。
η≒k√(√(Qo．Qt)．Qr)=99% (10)
接著，在共振型電源11之共振頻率fo中，顯示將共振型電源11之共振特性值Qo設定為40、將共振型送信天線13之共振特性值Qt設定為60、且將共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr設定為50之情形。
此時，下式(11)之關係成立。
√(Qo．Qt)≒Qr≒50 (11)
此時，由式(4)、(6)，在符合下式(12)之結合係數k的條件下，可進行最高效率之電力傳送。
k≒1/50=0.02 (12)
在此，共振型送信受信天線13、21之直徑Φ為18[cm]之情形時(第3圖)，為了符合上述結合係數k=0.02，係只要將共振型送信受信天線13、21之距離d設定為約20cm即可。此外，扣除該共振型送信受信天線13、21間之銅損的傳送效率η係為式(10)。
接著，在共振型電源11之共振頻率fo中，顯示將共振型電源11之共振特性值Qo設定為120、將共振型送信天線13之共振特性值Qt設定為80、且將共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr設定為100之情形。
此時，下式(13)之關係成立。
√(Qo．Qt)≒Qr≒100 (13)
此時，由式(4)、(6)，在符合下式(14)之結合係數k的條件下，可進行最高效率之電力傳送。
k≒1/100=0.01 (14)
在此，共振型送信受信天線13、21之直徑Φ為18[cm]之情形(第3圖)，為了符合上述結合係數k=0.01，係只要將共振型送信受信天線13、21之距離d設定為約30cm即可。此外，扣除該共振型送信受信天線13、21間之銅損後的傳送效率η係為式(10)。
如以上所述，依據本實施形態1，由於係以使共振型電源11之共振特性值Qo、共振型送信天線13之共振特性值Qt及共振型電力受信裝置2之共振特性值Qr具有相關關係之方式，設定各功能部之特性阻抗，因此可考慮因共振型電源11及受信電路23之影響所導致之共振特性值的變動，來設定共振型電力送信裝置1及共振型電力受信裝置2，且可謀求相對於習知裝置在系統整體進行之電力傳送的高效率化。並且，可在不取決於共振型送信受信天線13、21之共振特性值且不會使電力傳送效率降低之情形下，使共振型送信受信天線13、21間之距離比習知之利用電磁感應所達致之距離更遠。
再者，由於亦可使共振型送信受信天線13、21之共振特性值提升，因此共振型送信受信天線13、21係可進行共振特性值未受制限之具有自由度的天線設計，且可實現小型化、輕量化、低成本化。此外，由於作
為共振型送信受信天線13、21之一部分而使用之電容器無須採用耐高壓之電容器等特殊零件，因此可實現小型化、輕量化、低成本化。
此外，本發明之共振型電源11並未限定於第2圖所示之電路構成，亦可為例如第6圖所示之電路構成。在此，第6圖(a)係顯示橋接型換流器，第6圖(b)係顯示D級換流器，第6圖(c)係顯示DE級換流器。
再者，本發明之整流電路22並未限定在第2圖所示之電路構成，且亦可為例如第7圖所示之電路構成。在此，第7圖(a)係顯示E級整流電路，第7圖(b)係顯示倍電流整流電路，第7圖(c)係顯示半波整流電路，第7圖(d)係顯示倍電壓整流電路。
此外，在第1圖中，係顯示在共振型電力送信裝置1設置匹配電路12之情形。然而，並未限定於此，如第8圖所示，亦可構成為不設置匹配電路12。此時，共振型電源11之共振頻率fo及共振特性值Qo係由共振型電源11之輸出阻抗Zo及共振型送信天線13之通過特性阻抗Zt所決定。再者，共振型送信天線13之共振頻率ft及共振特性值Qt，係由共振型送信天線13之通過特性阻抗Zt及共振型電源11之輸出阻抗Zo所決定。
再者，本發明係在上述發明之範圍內，可進行實施形態之任意構成要素的變形、或實施形態之任意構成要素的省略。
本發明之共振結合型電力傳送系統係考慮了因共振型電源及受信電路之影響所導致之共振特性值的變動而進行設定，可謀求相對於習知裝置在系統整體進行之電力傳送的高效率化，且適用於利用共振型送信受信天線之共振特性而進行電力傳送的共振結合型電力傳送系統等。
1‧‧‧共振型電力送信裝置
2‧‧‧共振型電力受信裝置
11‧‧‧共振型電源
12‧‧‧匹配電路
13‧‧‧共振型送信天線
21‧‧‧共振型受信天線
22‧‧‧整流電路
23‧‧‧受信電路
Claims (8)
- 一種共振結合型電力傳送系統，係具備：共振型電力送信裝置，係具有供給電力之共振型電源、及用以傳送藉由前述共振型電源所供給之電力之共振型送信天線；以及共振型電力受信裝置，係具有用以接收藉由前述共振型送信天線所傳送之電力的共振型受信天線、及用以將藉由前述共振型受信天線所接收之電力供給至負載之受信電路；將前述共振型電源之共振特性值設為Qo，將前述共振型送信天線之共振特性值設為Qt，且將前述共振型電力受信裝置之共振特性值設為Qr時，以符合0.5Qr≦√(Qo．Qt)≦1.5Qr之方式，設定前述共振型電源、前述共振型送信天線、前述共振型受信天線及前述受信電路之特性阻抗。
- 如申請專利範圍第1項所述之共振結合型電力傳送系統，其中，將前述共振型送信天線與前述共振型受信天線之間的結合係數設定為k時，係符合0.5≦k√(Qo．Qt)≦1.5。
- 如申請專利範圍第1項所述之共振結合型電力傳送系統，其中，將前述共振型送信天線與前述共振型受信天線之間的結合係數設為k時，係符合0.5≦k．Qr≦1.5。
- 如申請專利範圍第1項所述之共振結合型電力傳送系統，其中，前述共振型送信天線之共振頻率與前述共 振型受信天線之共振頻率係為不同。
- 如申請專利範圍第1項所述之共振結合型電力傳送系統，其中，前述共振型電源之共振頻率為2MHz以上。
- 如申請專利範圍第1項所述之共振結合型電力傳送系統，其中，由前述共振型送信天線與前述共振型受信天線之間的共振結合所形成之電力傳送方式，係磁場、電場、電磁感應中之任一者。
- 一種共振型電力送信裝置，係具備：共振型電源，係用以供給電力；以及共振型送信天線，係用以傳送由前述共振型電源所供給之電力；將前述共振型電源之共振特性值設為Qo，將前述共振型送信天線之共振特性值設為Qt，且將共振型電力受信裝置之共振特性值設為Qr時，以符合0.5Qr≦√(Qo．Qt)≦1.5Qr之方式，設定前述共振型電源、前述共振型送信天線、共振型受信天線及受信電路之特性阻抗，其中，前述共振型電力受信裝置係具有將藉由前述共振型送信天線所傳送之電力予以接收的前述共振型受信天線、及將藉由前述共振型受信天線所接收之電力予以供給至負載的前述受信電路。
- 一種共振型電力受信裝置，係具備：共振型受信天線，係接收藉由共振型電力送信裝置所傳送之電力，該共振型電力送信裝置係具有用以供給電力之共振型電源、及用以傳送藉由前述共振型 電源所供給之電力的共振型送信天線；以及受信電路，係將藉由前述共振型受信天線所接收之電力供給至負載；將前述共振型電源之共振特性值設為Qo、將前述共振型送信天線之共振特性值設為Qt，將本身之共振特性值設為Qr時，以符合0.5Qr≦√(Qo．Qt)≦1.5Qr之方式，設定前述共振型電源、前述共振型送信天線、前述共振型受信天線及前述受信電路之特性阻抗。
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