WO2010090323A1 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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WO2010090323A1
WO2010090323A1 PCT/JP2010/051823 JP2010051823W WO2010090323A1 WO 2010090323 A1 WO2010090323 A1 WO 2010090323A1 JP 2010051823 W JP2010051823 W JP 2010051823W WO 2010090323 A1 WO2010090323 A1 WO 2010090323A1
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coil
resonance
primary
impedance
frequency
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PCT/JP2010/051823
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和良 高田
鈴木　定典
中田　健一
慎平 迫田
山本　幸宏
真士 市川
石川　哲浩
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株式会社 豊田自動織機
トヨタ自動車 株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a contactless power transmission device.
  • Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 arrange two copper wire coils 51 and 52 (resonance coils) apart from each other, and from one copper wire coil 51 to the other copper wire.
  • a technique for transmitting electric power to the coil 52 by electromagnetic field resonance is disclosed.
  • the magnetic field generated by the primary coil 54 connected to the AC power supply 53 is enhanced by magnetic field resonance by the copper wire coils 51 and 52.
  • the enhanced magnetic field is extracted from the vicinity of the copper wire coil 52 as electric power by the secondary coil 55 using electromagnetic induction and supplied to the load 56.
  • the copper wire coils 51 and 52 of radius 30cm are arrange
  • Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 also describe power supply to the robot.
  • Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 only describe the outline of the non-contact power transmission device. Therefore, there is no description on how to specifically obtain a contactless power transmission device that can perform such efficient power supply.
  • the AC power supply 53 has an appropriate frequency corresponding to the distance between the copper wire coil 51 on the transmission side (power transmission side) and the copper wire coil 52 on the reception side (power reception side). From this, it is necessary to supply current to the primary coil 54.
  • the distance between the copper wire coils 51 and 52 is measured. The current may be supplied to the primary coil 54 at an appropriate frequency at the distance.
  • the power receiving side copper wire coil 52 needs to be mounted on the moving body on which the load is mounted. In this case, it is necessary to measure the distance between the copper wire coils 51 and 52 when the moving body stops at a position for receiving power from the copper wire coil 51 on the power transmission side. If a dedicated sensor is provided to measure the distance between the copper wire coils 51 and 52, it takes time to manufacture the sensor by the amount of the sensor, and the apparatus becomes large. In addition, when charging a secondary battery mounted on a mobile body, it is desirable to perform charging while grasping the charging state of the secondary battery. However, if a dedicated sensor is provided for grasping the state of charge, the manufacturing will be time-consuming and the apparatus will be enlarged by the amount of the sensor.
  • An object of the present invention is to provide a non-contact power transmission device that can perform power transmission under appropriate conditions by analyzing the input impedance of a resonance system.
  • the non-contact power transmission device includes an AC power source, a resonance system, a load, an impedance measurement unit, and an analysis unit.
  • the resonance system includes a primary coil, a primary resonance coil, a secondary resonance coil, and a secondary coil connected to the AC power source.
  • the load is connected to the secondary coil.
  • the impedance measuring unit can measure the input impedance of the resonance system.
  • the analysis unit analyzes a measurement result of the impedance measurement unit.
  • (A) to (e) are graphs showing the relationship between the input impedance of the resonance system and the output voltage with respect to the frequency when the load resistance is changed with the distance between the resonance coils kept constant.
  • (A) to (e) are graphs showing the relationship between the input impedance of the resonance system and the power transmission efficiency with respect to the frequency when the load resistance is changed with the distance between the resonance coils kept constant.
  • (A) to (e) are graphs showing the relationship between the input impedance of the resonance system and the power transmission efficiency with respect to the frequency when the load resistance is constant and the distance between the resonance coils is changed.
  • (A) to (e) are graphs showing the relationship between the input impedance and output voltage of the resonance system with respect to the frequency when the load resistance is constant and the distance between the resonance coils is changed.
  • the block diagram which shows the non-contact electric power transmission apparatus of a prior art.
  • the contactless power transmission device 10 includes a resonance system 12 that transmits power supplied from an AC power supply 11 in a contactless manner.
  • the resonance system 12 includes a primary coil 13 connected to the AC power supply 11, a primary side resonance coil 14, a secondary side resonance coil 15, and a secondary coil 16.
  • the secondary coil 16 is connected to a load 17.
  • the non-contact power transmission device 10 is applied to a system that performs non-contact charging on a secondary battery 19 mounted on a mobile body (for example, a vehicle) 18.
  • a mobile body for example, a vehicle
  • the secondary resonance coil 15 and the secondary coil 16 are mounted on the moving body 18.
  • the secondary coil 16 is connected to a secondary battery 19 as a load 17 through a rectifier circuit 30.
  • the AC power source 11, the primary coil 13, and the primary resonance coil 14 are provided in a charging device 20 that charges the secondary battery 19 in a non-contact state.
  • the non-contact power transmission device 10 generates a magnetic field in the primary coil 13 by applying an AC voltage from the AC power source 11 to the primary coil 13.
  • This magnetic field is enhanced by magnetic field resonance by the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15.
  • the enhanced magnetic field is extracted from the vicinity of the secondary resonance coil 15 as electric power (energy) by the secondary coil 16 using electromagnetic induction and supplied to the load 17.
  • the primary coil 13, the primary side resonance coil 14, the secondary side resonance coil 15 and the secondary coil 16 are formed of electric wires. The diameter and the number of turns of the coil are appropriately set according to the magnitude of power to be transmitted. In this embodiment, the primary coil 13, the primary side resonance coil 14, the secondary side resonance coil 15, and the secondary coil 16 have the same diameter.
  • the AC power supply 11 is a power supply that outputs an AC voltage.
  • the frequency of the output AC voltage of the AC power supply 11 can be freely changed. Therefore, the frequency of the AC voltage applied to the resonance system 12 can be freely changed.
  • the charging device 20 includes an impedance measuring unit 22 that can measure the input impedance of the resonance system 12 and a control device 23 as a control unit.
  • “Input impedance of the resonance system 12” refers to the impedance of the entire resonance system 12 measured at both ends of the primary coil 13.
  • the control device 23 includes a CPU 24 and a memory 25, and an analysis program for analyzing the measurement result of the impedance measurement unit 22 is stored in the memory 25.
  • the CPU 24 constitutes an analysis unit that analyzes the measurement result of the impedance measurement unit 22.
  • the analysis program includes a distance calculation program for calculating the distance between the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 (distance between the resonance coils) based on the measurement result of the impedance measurement unit 22, and the secondary coil 16.
  • the memory 25 stores a distance calculation map indicating the relationship between the difference between the frequencies of the AC power supply 11 at the maximum and minimum points of the input impedance value of the resonance system 12 and the distance between the resonance coils. When two local maximum points and minimum points appear in the input impedance value, the difference between the frequency at the local maximum point on the lower frequency side and the frequency at the local maximum point on the higher frequency side is stored. Further, the memory 25 stores a load impedance calculation map indicating the relationship among the input impedance, the frequency, and the load impedance of the resonance system 12.
  • the distance calculation program calculates the difference between the frequency at the maximum point and the frequency at the minimum point of the input impedance value, and then uses the distance calculation map to determine the distance between the resonance coils corresponding to the frequency difference value.
  • the control apparatus 23 controls the alternating current power supply 11 so that the alternating current of the suitable frequency corresponding to the distance with the mobile body 18 is supplied to the primary coil 13 at the time of the drive of the non-contact electric power transmission apparatus 10.
  • the appropriate frequency means a frequency corresponding to the distance between the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15 (distance between resonance coils), and the value and frequency of the input impedance of the resonance system 12
  • the relationship is expressed as a graph, it means a frequency between the frequency at the maximum point and the frequency at the minimum point of the input impedance value.
  • a frequency having the best power transmission efficiency in the resonance system 12 is defined as a resonance frequency.
  • the load calculation program calculates the impedance of the load 17 using the load impedance calculation map based on the measurement result of the impedance measuring unit 22. Then, the controller 23 performs charging control by grasping the charging state of the secondary battery 19 from the impedance state of the secondary battery 19 during charging.
  • the distance between the resonance coils that is, the distance between the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15 is made constant, and the resistance of the load connected to the secondary coil 16 (load resistance) is changed. It was created based on the fact that the relationship between the input impedance of the resonance system 12, the power transmission efficiency, and the output voltage with respect to the frequency changes when the load resistance is kept constant and the distance between the resonance coils is changed.
  • Examples of the results obtained when the primary coil 13, the primary side resonance coil 14, the secondary side resonance coil 15, and the secondary coil 16 are formed with the following specifications and the experiment is performed will be exemplified.
  • As the electric wires of the coils 13, 14, 15, and 16 thin vinyl insulated low-voltage electric wires (AVS wires) for automobiles having a size of 0.5 sq (square mm) are used.
  • FIG. 3 shows the relationship between the input impedance and output voltage of the resonance system 12 with respect to the frequency
  • FIG. 4 shows the relationship between the input impedance of the resonance system 12 and the power transmission efficiency with respect to the frequency.
  • FIG. 5 shows the relationship between the maximum output voltage and the maximum power transmission efficiency with respect to the load resistance
  • FIG. 6 shows the relationship between the input impedance and the frequency.
  • the numbers in FIG. 5 indicate the frequency value (MHz) at which the output voltage and the power transmission efficiency ⁇ are maximized. Further, the power transmission efficiency ⁇ is obtained as follows.
  • Power transmission efficiency ⁇ (power consumption at load / input power to primary coil) ⁇ 100 [%] The following can be said from FIGS.
  • the maximum output voltage increases monotonically with increasing load resistance.
  • the highest efficiency is obtained at a load resistance of 50 ⁇ .
  • the fluctuation of the resonance frequency due to the change in the load resistance is small.
  • the change in load resistance affects the input impedance near the resonance frequency.
  • the load resistance can be obtained from the input impedance of the resonance system 12 at a preset frequency.
  • a plurality of graphs showing the relationship between the input impedance and the frequency according to various distances between the resonance coils as shown in FIG. 6 are stored in the memory 25 as the load impedance calculation map.
  • FIG. 7 shows the relationship between the input impedance and power transmission efficiency of the resonance system 12 and the frequency
  • FIG. 8 shows the relationship between the input impedance and output voltage of the resonance system 12 and the frequency
  • FIG. 9 shows the relationship between the maximum output voltage and the maximum power transmission efficiency when the distance between the resonance coils is changed. The numbers in FIG. 9 indicate the frequency value (MHz) at which the output voltage and the power transmission efficiency ⁇ are maximized.
  • the difference between the frequency at the maximum point of the input impedance value of the resonance system 12 and the frequency at the minimum point (if two maximum points and two minimum points of the input impedance value appear, the frequency at the maximum point on the lower frequency side) And the difference between the frequency at the minimum point on the higher frequency side) and the distance between the resonance coils can be obtained.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the frequency at the maximum point and the frequency difference at the minimum point of the input impedance value of the resonance system 12 and the distance between the resonance coils.
  • a distance calculation map a plurality of types of graphs as shown in FIG.
  • the mobile body 18 stops at a position corresponding to the charging device 20 in order to charge the secondary battery 19 by the charging device 20.
  • the mobile body 18 is equipped with a sensor for detecting the load resistance of the secondary battery 19 and is charged when the load resistance of the secondary battery 19 reaches a preset value.
  • the resonance system 12 When it is detected by the sensor (not shown) provided in the charging device 20 that the moving body 18 has stopped at the charging position, the resonance system 12 is set in a frequency range set in advance by the impedance measuring unit 22, for example, in the range of 2 MHz to 5 MHz. The input impedance is measured.
  • the CPU 24 analyzes the relationship between the input impedance of the resonance system 12 and the frequency from the measurement result of the impedance measuring unit 22, and firstly, the distance between the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15 (distance between resonance coils). ) Is calculated.
  • the difference between the frequency at the maximum point of the input impedance value and the frequency at the minimum point is calculated.
  • the distance between resonance coils corresponding to the frequency difference is calculated
  • the control device 23 supplies an AC voltage to the primary coil 13 at an appropriate frequency corresponding to the distance between the resonance coils, that is, the distance between the charging device 20 and the moving body 18. That is, an AC voltage is applied from the AC power supply 11 to the primary coil 13 at the resonance frequency of the resonance system 12 according to a command from the control device 23, and a magnetic field is generated in the primary coil 13.
  • This magnetic field is enhanced by magnetic field resonance by the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15.
  • the enhanced magnetic field is taken out as electric power by the secondary coil 16 from the vicinity of the secondary resonance coil 15, supplied to the secondary battery 19 through the rectifier circuit 30, and the secondary battery 19 is charged.
  • the CPU 24 calculates the input impedance of the resonance system 12 from the measurement signal of the impedance measuring unit 22, and calculates the impedance (load resistance) of the load 17, that is, the secondary battery 19 using the load impedance calculation map.
  • the load resistance of the secondary battery 19 varies depending on the state of charge, and the value differs between a fully charged state and a state where the fully charged state is not reached.
  • the memory 25 stores the value of the load resistance of the secondary battery 19 in the fully charged state, and the control device 23 allows the load resistance value of the secondary battery 19 to reach the value of the fully charged state after a predetermined time has elapsed. , Stop charging.
  • the non-contact power transmission device 10 includes an AC power source 11, a resonance having a primary coil 13, a primary side resonance coil 14, a secondary side resonance coil 15, and a secondary coil 16 connected to the AC power source 11.
  • a system 12 and a load 17 connected to the secondary coil 16 are provided.
  • the non-contact power transmission apparatus 10 includes an impedance measurement unit 22 that can measure the input impedance of the resonance system 12 and an analysis unit (CPU 24) that analyzes the measurement result of the impedance measurement unit 22. Therefore, power transmission can be performed under appropriate conditions based on the analysis result of the input impedance of the resonance system 12.
  • the CPU 24 calculates the distance between the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15 (resonance coil distance) based on at least the measurement result of the impedance measurement unit 22 and calculates the impedance of the load 17. Arithmetic is possible. Therefore, the distance between the resonance coils can be obtained without providing a dedicated distance sensor, and the impedance of the load 17 connected to the secondary coil 16 can be specified.
  • the CPU 24 uses a map based on the difference (frequency difference) between the frequency value at the maximum value on the low frequency side of the input impedance and the frequency value at the minimum value on the high frequency side of the input impedance.
  • the distance between the secondary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 is calculated. Therefore, the distance between the resonance coils can be obtained without providing a dedicated distance sensor.
  • the non-contact power transmission device 10 is applied to a system that performs non-contact charging with respect to the secondary battery 19 mounted on the moving body 18.
  • the secondary resonance coil 15 and the secondary coil 16 are mounted on the moving body 18.
  • the secondary coil 16 is connected to a secondary battery 19 as a load, and the AC power source 11, the primary coil 13, and the primary resonance coil 14 are connected to a charging device 20 that charges the secondary battery 19 in a non-contact state. Equipped.
  • the charging device 20 supplies a current having an appropriate frequency corresponding to the distance from the moving body 18 to the primary coil 13 by the control device 23 including the analysis unit (CPU 24). Therefore, when charging, since current is supplied to the primary coil 13 at an appropriate frequency corresponding to the distance from the moving body 18, charging can be performed efficiently.
  • the secondary resonance coil 15 and the secondary coil 16 are mounted on the moving body 18.
  • the secondary coil 16 is connected to a secondary battery 19 as a load, and the AC power source 11, the primary coil 13, and the primary resonance coil 14 are connected to a charging device 20 that charges the secondary battery 19 in a non-contact state. Equipped.
  • the charging device 20 performs charging control by grasping the charging state of the secondary battery 19 by the control device 23 including the CPU 24. Therefore, insufficient charging and overcharging can be avoided during charging.
  • the CPU 24 calculates the impedance of the secondary battery 19 connected to the secondary coil 16 based on the measurement result of the impedance measuring unit 22. Therefore, it is not necessary to provide a dedicated sensor for grasping the state of charge of the secondary battery 19. Further, the impedance of the load on the power receiving side can be measured by the impedance measuring unit 22 on the power transmission side.
  • the embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
  • the number of turns and the diameter of the primary coil 13, the primary side resonance coil 14, the secondary side resonance coil 15, and the secondary coil 16 are not limited to the values in the above embodiment.
  • the moving body 18 is not limited to a vehicle, and may be a self-propelled robot equipped with a secondary battery or a portable electronic device.
  • the moving body 18 is not limited to the one provided with the secondary battery, and may be an apparatus provided with a motor driven by electric power while being moved to a work position determined by a transfer unit such as a conveyor.
  • the motor constitutes the load 17, and the movable body 18 is provided with the secondary resonance coil 15 and the secondary coil 16.
  • an AC power source 11, a primary coil 13, a primary resonance coil 14, and a control device 23 are provided for each work position. Then, power is supplied from the AC power supply 11 to the apparatus in a state where the moving body 18 is moved to the work position.
  • the non-contact power transmission device 10 may be configured such that the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 are both used in a fixed position. For example, when the primary resonance coil 14 is provided on the ceiling and the secondary resonance coil 15 is provided on the floor, the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 are set to a preset resonance frequency. If the apparatus is installed with high positional accuracy in accordance with the distance between the corresponding resonance coils, it takes time to install the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 so as to have the target distance. However, the distance between the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 can be calculated based on the measurement result of the impedance measurement unit 22 that measures the input impedance of the resonance system 12. Therefore, if power transmission is performed from the power transmission side at the resonance frequency of the installed position, contactless power transmission can be efficiently performed without installing the apparatus with high positional accuracy.
  • the non-contact power transmission apparatus 10 only needs to include an impedance measurement unit 22 that can measure the input impedance of the resonance system 12 and an analysis unit that analyzes the measurement result of the impedance measurement unit 22.
  • the analysis unit CPU 24
  • the analysis unit CPU 24
  • the analysis unit CPU 24
  • the charging state of the secondary battery 19 is not judged on the power transmission side (control device 23), and the charging is terminated after a predetermined time has elapsed from the start of charging, or the secondary battery 19 is charged to the secondary side.
  • a detection unit that detects the state of charge of the battery 19 may be provided, and charging may be terminated by a full charge signal from the power receiving side.
  • the analysis unit (CPU 24) can calculate the impedance of the load 17 connected to the secondary coil 16 based on the measurement result of the impedance measurement unit 22, but the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil.
  • the distance to 15 may not be calculated.
  • a dedicated battery for detecting the distance between the mobile body 18 and the charging device 20 corresponding to the distance between the primary side resonance coil 14 and the secondary side resonance coil 15 is used.
  • a sensor may be provided, and the resonance frequency may be determined based on the distance between the resonance coils measured by the sensor, and the charging control by the control device 23 may be performed.
  • the frequency at the maximum point of the voltage of the primary coil 13 A map indicating the relationship between the frequency difference at the minimum point and the distance between the resonance coils may be used.
  • a relational expression indicating the relationship between the frequency at the maximum point of the input impedance and the frequency at the minimum point and the distance between the resonance coils, or the maximum voltage of the primary coil 13 is obtained.
  • a relational expression indicating the relationship between the frequency and the frequency difference at the minimum point and the distance between the resonance coils may be stored in the memory 25, and the relational expression may be used for the calculation of the distance between the resonance coils.
  • a relational expression indicating the relationship between the input impedance of the resonance system 12, the frequency, and the load impedance is stored in the memory 25, and the relational expression is used for the calculation of the load impedance. Also good.
  • the coil is not limited to a cylindrical shape.
  • it may be a simple cylindrical shape such as a triangular cylindrical shape, a rectangular cylindrical shape, a hexagonal cylindrical shape, or an elliptical cylindrical shape, or a cylindrical shape other than a symmetrical figure. .
  • the primary-side resonance coil 14 and the secondary-side resonance coil 15 are not limited to coils in which an electric wire is wound in a cylindrical shape.
  • the electric wire circulates on a single plane, and the length of the circulatory portion sequentially changes. It is good also as the shape wound so.
  • the coil may have a configuration in which the electric wires are closely wound so that adjacent winding portions of the electric wires are in contact with each other, or a configuration in which the winding portions are spaced apart from each other so that the winding portions are not in contact with each other.
  • the primary coil 13, the primary side resonance coil 14, the secondary side resonance coil 15, and the secondary coil 16 need not all be formed to have the same diameter.
  • the primary resonance coil 14 and the secondary resonance coil 15 may have the same diameter, and the primary coil 13 and the secondary coil 16 may have different diameters.

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Abstract

　非接触電力伝送装置は、交流電源と、共鳴系と、負荷と、インピーダンス測定部と、解析部とを含む。共鳴系は、交流電源に接続された１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、及び２次コイルを有する。負荷は、２次コイルに接続される。インピーダンス測定部は、共鳴系の入力インピーダンスを測定可能である。解析部は、インピーダンス測定部の測定結果を解析する。

Description

非接触電力伝送装置
　本発明は、非接触電力伝送装置に関する。
　例えば、非特許文献１及び特許文献１は、図１１に示すように、二つの銅線コイル５１，５２（共鳴コイル）を離れた状態で配置し、一方の銅線コイル５１から他方の銅線コイル５２に電磁場の共鳴によって電力を伝送する技術を開示している。具体的には、交流電源５３に接続された１次コイル５４で発生した磁場は銅線コイル５１，５２による磁場共鳴により増強される。増強された磁場は、銅線コイル５２付近から２次コイル５５によって電磁誘導を利用して電力として取り出され、負荷５６に供給される。そして、半径３０ｃｍの銅線コイル５１，５２を２ｍ離して配置した場合に、負荷５６としての６０Ｗの電灯を点灯できることが確認されている。
　また、非特許文献１及び特許文献１は、ロボットへの電源供給についても記載している。
ＮＩＫＫＥＩ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　２００７．１２．３　１１７頁～１２８頁
国際公開特許ＷＯ／２００７／００８６４６　Ａ２
　この非接触電力伝送装置において交流電源の電力を負荷に効率良く供給するには、交流電源からの電力を効率良く共鳴系に供給することが必要になる。しかし、非特許文献１及び特許文献１には非接触電力伝送装置の概要が記載されているだけである。したがって、具体的にどのようにすればそのような効率的な電力供給を行い得る非接触電力伝送装置を得ることができるのかに付いては記載されていない。
　また、共鳴コイル間距離及び負荷抵抗により共鳴系の入力インピーダンスが変化する。そのため、効率良く非接触で電力伝送を行うには、送信側（送電側）の銅線コイル５１と受信側（受電側）の銅線コイル５２との距離に対応した適切な周波数で交流電源５３から１次コイル５４に電流を供給する必要がある。送電側の銅線コイル５１及び受電側の銅線コイル５２とも所定の位置に固定配置されて使用される非接触電力伝送装置の場合は、最初に銅線コイル５１，５２間の距離を測定してその距離における適切な周波数で１次コイル５４に電流を供給すれば良い。しかし、例えば、移動体に搭載された負荷に非接触で電力伝送を行う場合は、負荷が搭載されている移動体に受電側の銅線コイル５２を搭載する必要がある。この場合、移動体が送電側の銅線コイル５１から電力を受ける位置に停止した際に、銅線コイル５１，５２間の距離を測定する必要がある。銅線コイル５１，５２間の距離を測定するために専用のセンサを設けると、同センサの分だけ製造に手間がかかり、装置が大型化する。また、移動体に搭載された二次電池に充電する場合、同二次電池の充電状態を把握して充電を行うのが望ましい。しかし、充電状態を把握するために専用のセンサを設けると、同センサの分だけ、製造に手間がかかり、装置が大型化する。
　本発明の目的は、共鳴系の入力インピーダンスを解析することにより、適切な条件で電力伝送を行うことができる非接触電力伝送装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明に従う非接触電力伝送装置は、交流電源と、共鳴系と、負荷と、インピーダンス測定部と、解析部とを含む。前記共鳴系は、前記交流電源に接続された１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、及び２次コイルを有する。前記負荷は、前記２次コイルに接続される。前記インピーダンス測定部は、前記共鳴系の入力インピーダンスを測定可能である。前記解析部は、前記インピーダンス測定部の測定結果を解析する。
本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置を示す構成図。 充電装置と移動体との関係を示す模式図。 （ａ）～（ｅ）は、共鳴コイル間距離を一定にして、負荷抵抗を変化させたときにおける周波数に対する共鳴系の入力インピーダンス及び出力電圧の関係を示すグラフ。 （ａ）～（ｅ）は、共鳴コイル間距離を一定にして、負荷抵抗を変化させたときにおける周波数に対する共鳴系の入力インピーダンス及び電力伝送効率の関係を示すグラフ。 負荷抵抗に対する最大出力電圧及び最大電力伝送効率の関係を示すグラフ。 負荷抵抗を変えたときの入力インピーダンス及び周波数の関係を示すグラフ。 （ａ）～（ｅ）は、負荷抵抗を一定にして、共鳴コイル間距離を変化させたときにおける周波数に対する共鳴系の入力インピーダンス及び電力伝送効率の関係を示すグラフ。 （ａ）～（ｅ）は、負荷抵抗を一定にして、共鳴コイル間距離を変化させたときにおける周波数に対する共鳴系の入力インピーダンス及び出力電圧の関係を示すグラフ。 共鳴コイル間距離に対する最大出力電圧及び最大電力伝送効率の関係を示すグラフ。 入力インピーダンス値の極大点及び極小点での周波数の差と共鳴コイル間距離との関係を示すグラフ。 従来技術の非接触電力伝送装置を示す構成図。
　以下、本発明を具体化した一実施形態を図１～図１０にしたがって説明する。
　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から供給される電力を非接触で伝送する共鳴系１２を備える。共鳴系１２は、交流電源１１に接続される１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、２次コイル１６とを有する。２次コイル１６は負荷１７に接続されている。
　この実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、移動体（例えば、車両）１８に搭載された二次電池１９に対して非接触充電を行うシステムに適用されている。そして、図２に示すように、移動体１８に２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６が搭載されている。２次コイル１６は整流回路３０を介して負荷１７としての二次電池１９に接続されている。また、交流電源１１、１次コイル１３及び１次側共鳴コイル１４は二次電池１９に非接触状態で充電を行う充電装置２０に装備されている。
　非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から１次コイル１３に交流電圧を印加することにより１次コイル１３に磁場を発生させる。この磁場を１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５とによる磁場共鳴により増強する。増強された磁場は、２次側共鳴コイル１５付近から２次コイル１６によって電磁誘導を利用して電力（エネルギー）として取り出され、負荷１７に供給される。１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は電線により形成されている。コイルの径や巻数は、伝送すべき電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は、同じ径を有している。
　交流電源１１は、交流電圧を出力する電源である。交流電源１１の出力交流電圧の周波数は自由に変えられる。したがって、共鳴系１２に印加される交流電圧の周波数は自由に変えることができる。
　充電装置２０は、共鳴系１２の入力インピーダンスを測定可能なインピーダンス測定部２２と、制御部としての制御装置２３とを備えている。「共鳴系１２の入力インピーダンス」とは、１次コイル１３の両端で測定した共鳴系１２全体のインピーダンスを指す。制御装置２３は、ＣＰＵ２４及びメモリ２５を備え、メモリ２５にはインピーダンス測定部２２の測定結果を解析する解析プログラムが記憶されている。ＣＰＵ２４は、インピーダンス測定部２２の測定結果を解析する解析部を構成する。
　解析プログラムは、インピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離（共鳴コイル間距離）を演算する距離演算プログラムと、２次コイル１６に接続されている負荷１７（二次電池１９）のインピーダンスを演算する負荷演算プログラムとを含む。メモリ２５には、共鳴系１２の入力インピーダンス値の極大点及び極小点での交流電源１１の周波数の差と、共鳴コイル間距離との関係を示す距離演算用マップが記憶されている。入力インピーダンスの値の極大点及び極小点がそれぞれ２箇所現れる場合は、周波数の低い側の極大点での周波数と、周波数の高い側の極小点での周波数との差が記憶されている。また、メモリ２５には、共鳴系１２の入力インピーダンスと、周波数と、負荷のインピーダンスとの関係を示す負荷インピーダンス演算用マップが記憶されている。
　距離演算プログラムは、入力インピーダンス値の極大点での周波数と極小点での周波数との差を求めた後、距離演算用マップを用いてその周波数の差の値に対応する共鳴コイル間距離を求める。そして、制御装置２３は、非接触電力伝送装置１０の駆動時には、１次コイル１３に移動体１８との距離に対応した適切な周波数の交流電流が供給されるように交流電源１１を制御する。ここで、適切な周波数とは、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離（共鳴コイル間距離）に対応する周波数を意味し、共鳴系１２の入力インピーダンスの値と周波数との関係をグラフにした場合、入力インピーダンスの値の極大点での周波数と極小点での周波数との間の周波数を意味する。また、共鳴系１２における電力伝送効率が最も良い周波数を共鳴周波数とする。
　負荷演算プログラムは、インピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、負荷インピーダンス演算用マップを用いて負荷１７のインピーダンスを演算する。そして、制御装置２３は、充電に際して、二次電池１９のインピーダンスの状態から二次電池１９の充電状態を把握して充電制御を行う。
　前記マップは、共鳴コイル間距離、即ち１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５間の距離を一定にして２次コイル１６に接続される負荷の抵抗（負荷抵抗）を変えた場合と、負荷抵抗を一定にして共鳴コイル間距離を変えた場合とにおいて、周波数に対する共鳴系１２の入力インピーダンス、電力伝送効率及び出力電圧の関係が変化することに基づいて作成した。
　１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を次の仕様で形成して、実験を行った場合の結果を例示する。各コイル１３，１４，１５，１６の電線として、サイズが０．５ｓｑ（平方ｍｍ）の自動車用薄肉ビニル絶縁低圧電線（ＡＶＳ線）を使用する。
　１次コイル１３及び２次コイル１６：巻数…２巻、径…直径１５０ｍｍ、密巻
　両共鳴コイル１４，１５：巻数…４５巻、径…直径１５０ｍｍ、密巻、コイルの両端を開放
　［測定条件］
　入力電圧：２０Ｖｐｐ（振幅１０Ｖ）の正弦波２ＭＨｚ～５ＭＨｚ
　共鳴コイル間距離：２００ｍｍ
　負荷抵抗：１０Ω、２０Ω、３０Ω、５０Ω、１００Ω
　周波数に対する共鳴系１２の入力インピーダンス及び出力電圧の関係を図３に、周波数に対する共鳴系１２の入力インピーダンス及び電力伝送効率の関係を図４に示す。また、負荷抵抗に対する最大出力電圧及び最大電力伝送効率の関係を図５に、入力インピーダンス及び周波数の関係を図６に示す。なお、図５中の数字は出力電圧及び電力伝送効率ηが最大となる周波数の値（ＭＨｚ）を示す。また、電力伝送効率ηは次のようにして求められる。
　電力伝送効率η＝（負荷での消費電力／１次コイルへの入力電力）×１００［％］
　図３～図５から次のことが言える。
　最大出力電圧は負荷抵抗の増加に従い単調に増加する。
　負荷抵抗５０Ωにおいて最も効率が良い。
　順抵抗において、負荷抵抗の変化による共鳴周波数の変動は少ない。
　負荷抵抗の変化は、共鳴周波数付近で入力インピーダンスに影響を与える。
　共鳴コイル間距離が分かれば、予め設定された周波数における共鳴系１２の入力インピーダンスから負荷抵抗を求めることができる。
　そして、この実施形態では、負荷インピーダンス演算用マップとして、図６のように様々な共鳴コイル間距離に応じた、入力インピーダンス及び周波数の関係を示す複数のグラフが、メモリ２５に記憶されている。
　また、共鳴系１２を構成する各コイルの仕様は同じで、負荷抵抗を５０Ωで一定にして、共鳴コイル間距離を次のように変更して実験を行った場合の結果を例示する。
　［測定条件］
　入力電圧：２０Ｖｐｐ（振幅１０Ｖ）の正弦波２ＭＨｚ～５ＭＨｚ
　負荷抵抗：５０Ω
　共鳴コイル間距離：５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ
　共鳴系１２の入力インピーダンス及び電力伝送効率と周波数との関係を図７に、共鳴系１２の入力インピーダンス及び出力電圧と周波数との関係を図８に示す。また、共鳴コイル間距離を変えたときの、最大出力電圧及び最大電力伝送効率の関係を図９に示す。なお、図９中の数字は出力電圧及び電力伝送効率ηが最大となる周波数の値（ＭＨｚ）を示す。
　図７～図９から次のことが言える。
　共鳴コイル間距離がある程度以上大きくなると、最大電力伝送効率が低下する。
　出力電圧が最大となる周波数と電力伝送効率が最大となる周波数とは異なる。
　共鳴コイル間距離が短くなると共鳴点が２つ存在する。これは、共鳴コイルによる相互インダクタンスの影響が強くなるためであると考えられる。
　共鳴点が２つ存在する距離においては、広い周波数帯（範囲）で高効率となる共鳴コイル間距離が存在する。
　共鳴系１２の入力インピーダンス値の極大点での周波数及び極小点での周波数の差（入力インピーダンスの値の極大点及び極小点がそれぞれ２箇所現れる場合は、周波数の低い側の極大点での周波数と、周波数の高い側の極小点での周波数との差）から、共鳴コイル間距離を求めることができる。
　図１０は、共鳴系１２の入力インピーダンス値の極大点での周波数及び極小点での周波数の差と共鳴コイル間距離との関係を示すグラフである。そして、この実施形態では、距離演算用マップとして、負荷抵抗が異なる複数種の、図１０に示すようなグラフが、メモリ２５に記憶されている。
　次に前記のように構成された非接触電力伝送装置１０の作用を説明する。
　移動体１８に搭載された二次電池１９の充電が必要な状態になると、移動体１８は充電装置２０による二次電池１９の充電を行うために、充電装置２０と対応する位置で停止する。なお、移動体１８には二次電池１９の負荷抵抗を検出するセンサが装備され、二次電池１９の負荷抵抗が予め設定された値に達すると充電を行う。
　充電装置２０に装備された図示しないセンサにより移動体１８が充電位置に停止したことが検知されると、インピーダンス測定部２２により予め設定された周波数範囲、例えば、２ＭＨｚ～５ＭＨｚの範囲において共鳴系１２の入力インピーダンスが測定される。ＣＰＵ２４は、インピーダンス測定部２２の測定結果から共鳴系１２の入力インピーダンスと周波数との関係を解析して、先ず、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離（共鳴コイル間距離）を演算する。具体的には、共鳴系１２の入力インピーダンスの値と周波数との関係をグラフにした場合の、入力インピーダンスの値の極大点での周波数と極小点での周波数との差を演算する。そして、距離演算用マップを用いて、その周波数差に対応する共鳴コイル間距離を求める。
　次に制御装置２３は、その共鳴コイル間距離、即ち充電装置２０と移動体１８との距離に対応した適切な周波数で１次コイル１３に交流電圧を供給する。即ち、制御装置２３からの指令により、交流電源１１から１次コイル１３に共鳴系１２の共鳴周波数で交流電圧が印加され、１次コイル１３に磁場が発生する。この磁場が１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５とによる磁場共鳴により増強される。増強された磁場は、２次側共鳴コイル１５付近から２次コイル１６により電力として取り出され、整流回路３０を通して二次電池１９に供給され、二次電池１９が充電される。
　充電開始後、ＣＰＵ２４はインピーダンス測定部２２の測定信号から共鳴系１２の入力インピーダンスを演算し、負荷インピーダンス演算用マップを用いて負荷１７即ち二次電池１９のインピーダンス（負荷抵抗）を演算する。二次電池１９の負荷抵抗は充電状態により変化し、満充電の状態と満充電に達していない状態とではその値が異なる。メモリ２５には二次電池１９の満充電状態の負荷抵抗の値が記憶されており、制御装置２３は、二次電池１９の負荷抵抗の値が満充電状態の値に達して所定時間経過後に、充電を停止する。
　この実施形態は、以下に示す利点を有する。
　（１）非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１と、交流電源１１に接続された１次コイル１３と１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５と２次コイル１６とを有する共鳴系１２と、２次コイル１６に接続された負荷１７とを備えている。さらに、非接触電力伝送装置１０は、共鳴系１２の入力インピーダンスを測定可能なインピーダンス測定部２２と、インピーダンス測定部２２の測定結果を解析する解析部（ＣＰＵ２４）とを備えている。したがって、共鳴系１２の入力インピーダンスの解析結果に基づいて適切な条件で電力伝送を行うことができる。
　（２）ＣＰＵ２４は、少なくともインピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離（共鳴コイル間距離）を演算するとともに、負荷１７のインピーダンスを演算可能である。したがって、専用の距離センサを設けずに共鳴コイル間距離を求めることができる他に、２次コイル１６に接続されている負荷１７のインピーダンスを特定することができる。
　（３）ＣＰＵ２４は、入力インピーダンスの低周波数側の極大値における周波数の値と、入力インピーダンスの高周波数側の極小値における周波数の値との差（周波数差）に基づいて、マップを用いて１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離を演算する。したがって、専用の距離センサを設けずに共鳴コイル間距離を求めることができる。
　（４）非接触電力伝送装置１０は、移動体１８に搭載された二次電池１９に対して非接触充電を行うシステムに適用されている。２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は移動体１８に搭載される。２次コイル１６は負荷としての二次電池１９に接続されており、交流電源１１、１次コイル１３及び１次側共鳴コイル１４は二次電池１９に非接触状態で充電を行う充電装置２０に装備されている。そして、充電装置２０は解析部（ＣＰＵ２４）を備えた制御装置２３により、移動体１８との距離に対応した適切な周波数の電流を１次コイル１３に供給する。したがって、充電に際して、移動体１８との距離に対応した適切な周波数で１次コイル１３に電流が供給されるため、効率良く充電を行うことができる。
　（５）２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は移動体１８に搭載される。２次コイル１６は負荷としての二次電池１９に接続されており、交流電源１１、１次コイル１３及び１次側共鳴コイル１４は二次電池１９に非接触状態で充電を行う充電装置２０に装備されている。そして、充電装置２０はＣＰＵ２４を備えた制御装置２３により、二次電池１９の充電状態を把握して充電制御を行う。したがって、充電に際して充電不足や過充電を回避することができる。
　（６）ＣＰＵ２４は、インピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、２次コイル１６に接続されている二次電池１９のインピーダンスを演算する。したがって、二次電池１９の充電状態を把握するのに専用のセンサを設ける必要がない。また、送電側のインピーダンス測定部２２で受電側の負荷のインピーダンスを計測することができる。
　実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
　１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６の巻数、巻径は前記実施形態の値に限らない。
　移動体１８は車両に限らず、二次電池を備えた自走式のロボットあるいは携帯用の電子機器であってもよい。
　移動体１８は二次電池を備えたものに限らず、コンベア等の移送部により定められた作業位置に移動されるとともに、電力で駆動されるモータを備えた装置であってもよい。この場合、モータが負荷１７を構成し、移動体１８には２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６が設けられる。また、作業位置毎に交流電源１１、１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４及び制御装置２３が設けられる。そして、移動体１８が作業位置に移動された状態で、交流電源１１から装置に電力が供給される。
　非接触電力伝送装置１０は、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５が共に所定位置に固定されて使用される構成であってもよい。例えば、１次側共鳴コイル１４が天井に設けられ、２次側共鳴コイル１５が床に設けられる構成の場合、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を予め設定された共鳴周波数に対応する共鳴コイル間距離に合わせて装置を位置精度良く設置するのでは、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を目的とする距離になるように設置するのに手間がかかる。しかし、共鳴系１２の入力インピーダンスを測定するインピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離を演算することができる。そのため、設置された位置の共鳴周波数で送電側から電力伝送を行えば、装置を位置精度良く設置しなくても効率良く非接触電力伝送を行うことができる。
　非接触電力伝送装置１０は、共鳴系１２の入力インピーダンスを測定可能なインピーダンス測定部２２と、インピーダンス測定部２２の測定結果を解析する解析部とを備えていればよい。例えば、解析部（ＣＰＵ２４）は、インピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離を演算可能であるが、２次コイル１６に接続されている負荷１７のインピーダンスを演算可能でなくてもよい。そして、二次電池１９の充電を行う場合、二次電池１９の充電状態を送電側（制御装置２３）で判断せず、充電開始から所定時間経過後に充電を終了したり、受電側に二次電池１９の充電状態を検出する検出部を設けて、受電側からの満充電信号により充電を終了したりしてもよい。
　解析部（ＣＰＵ２４）は、インピーダンス測定部２２の測定結果に基づいて、２次コイル１６に接続されている負荷１７のインピーダンスを演算可能であるが、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離を演算可能でなくてもよい。例えば、移動体１８の二次電池１９の充電を行う場合、１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５との距離に対応する移動体１８と充電装置２０との距離を検出する専用のセンサを設け、そのセンサで測定された共鳴コイル間距離に基づいて共鳴周波数を決定して制御装置２３による充電制御を行ってもよい。
　距離演算用マップとして、入力インピーダンスの極大点での周波数及び極小点での周波数の差と、共鳴コイル間距離との関係を示すマップに代えて、１次コイル１３の電圧の最大点での周波数及び最小点での周波数の差と、共鳴コイル間距離との関係を示すマップを用いてもよい。
　距離演算用マップに代えて、入力インピーダンスの極大点での周波数及び極小点での周波数の差と、共鳴コイル間距離との関係を示す関係式、あるいは１次コイル１３の電圧の最大点での周波数及び最小点での周波数の差と、共鳴コイル間距離との関係を示す関係式をメモリ２５に記憶しておき、同関係式を共鳴コイル間距離の演算に用いてもよい。
　負荷インピーダンス演算用マップに代えて、共鳴系１２の入力インピーダンスと、周波数と、負荷のインピーダンスとの関係を示す関係式をメモリ２５に記憶しておき、同関係式を負荷インピーダンスの演算に用いてもよい。
　電線を巻回してコイルを形成する場合、コイルは円筒状に限らない。例えば、三角筒状、四角筒状、六角筒状等の多角筒状や楕円筒状等の単純な形状の筒状としたり、対称図形ではなく他の異形断面の筒状としたりしてもよい。
　１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、電線が一平面上で周回し、かつ周回部の長さが順次変化するように巻回された形状としてもよい。
　コイルは、電線の隣接する巻回部同士が接触するように電線を密巻した構成でも、巻回部同士が接触しないように巻回部の間隔が互いに空いた構成であってもよい。
　１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６が全て同じ径に形成されている必要はない。例えば、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は同じ径で、１次コイル１３及び２次コイル１６は異なる径としてもよい。

Claims (7)

  1. 　交流電源と、
    　前記交流電源に接続された１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、及び２次コイルを有する共鳴系と、
    　前記２次コイルに接続された負荷と、
    　前記共鳴系の入力インピーダンスを測定可能なインピーダンス測定部と、
    　前記インピーダンス測定部の測定結果を解析する解析部と、
    を備える非接触電力伝送装置。
  2. 　前記解析部は、少なくとも前記インピーダンス測定部の測定結果に基づいて、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算するとともに、前記負荷のインピーダンスを演算可能である請求項１に記載の装置。
  3. 　前記解析部は、少なくとも前記インピーダンス測定部の測定結果に基づいて、前記負荷のインピーダンスを演算するとともに、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算可能である請求項１に記載の装置。
  4. 　前記２次側共鳴コイル及び前記２次コイルは移動体に搭載されるとともに前記２次コイルは負荷としての二次電池に接続されており、前記交流電源、前記１次コイル及び前記１次側共鳴コイルは前記二次電池に非接触状態で充電を行う充電装置に装備されており、前記充電装置は前記解析部を備える制御部により、前記移動体との距離に対応した適切な周波数で前記１次コイルに電流を供給する請求項２又は請求項３に記載の装置。
  5. 　前記２次側共鳴コイル及び前記２次コイルは移動体に搭載されるとともに前記２次コイルは負荷としての二次電池に接続されており、前記交流電源、前記１次コイル及び前記１次側共鳴コイルは前記二次電池に非接触状態で充電を行う充電装置に装備されており、前記充電装置は前記解析部を備えた制御部により、前記二次電池の充電状態を把握して充電制御を行う請求項２～請求項４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 　前記解析部は、前記入力インピーダンスの低周波数側の極大値における周波数の値と、前記入力インピーダンスの高周波数側の極小値における周波数の値との差に基づいて、前記１次側共鳴コイルと前記２次側共鳴コイルとの距離を演算する請求項２～請求項４のいずれか一項に記載の装置。
  7. 　前記解析部は、予め設定された周波数における前記入力インピーダンスの値に基づいて、前記負荷のインピーダンスを演算する請求項２～請求項５のいずれか一項に記載の装置。
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