WO2012095896A1 - 無線電力伝送システム及び位置ずれ検知装置 - Google Patents

無線電力伝送システム及び位置ずれ検知装置 Download PDF

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宮下 功寛
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system and a positional deviation detection device capable of detecting a positional relationship between a power transmission coil and a power reception coil.
  • wireless power transmission systems have been developed for non-contact charging of, for example, electric vehicles.
  • a power transmission coil is provided on the charging device side, and a power reception coil is provided on the electric vehicle side.
  • an electromagnetic induction method By using an electromagnetic induction method, high-efficiency transmission efficiency has been realized without contact.
  • the transmission efficiency is greatly deteriorated due to, for example, the displacement of the power receiving coil with respect to the power transmitting coil.
  • a positional shift is detected by electrically detecting a change in mutual inductance caused by a positional shift between both coils, and the operation of the system is controlled (for example, Patent Document 1, 2 and 3).
  • JP 2002-101578 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-322247 JP 2008-288889 A
  • an object of the present invention is to provide a wireless power transmission system and a displacement detection device that can detect the relative positions of both coils.
  • the present invention is a wireless power transmission system capable of transmitting power between two coils in a non-contact manner and detecting a shift amount of the other coil in a predetermined direction with respect to one coil. And having at least first and second loop antenna elements arranged in the vicinity of the one coil, and a loop of the transmitting antenna arranged in the predetermined direction, and the first and second loop antenna elements At least a third loop antenna element whose axis is orthogonal to the loop axis, and a receiving antenna disposed in the vicinity of the other coil, and a magnetic field transmitted from the first and second loop antenna elements.
  • Position calculating means is provided that receives the third loop antenna element and detects the amount of deviation based on a difference in received magnetic field by the third loop antenna element.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wireless power transmission system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 in Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when the loop axis directions of the loop antenna elements in Embodiment 1 of the present invention do not match.
  • FIG. 4 is a diagram showing a procedure for detecting position information of the power receiving coil 103 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing experimental results of data AB and data BA with respect to the Y coordinate in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an experimental result of a difference between data AB and data BA with respect to the Y coordinate in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when there is one transmission antenna element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when detecting position information in the X direction according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of mounting on the electric propulsion vehicle 400 in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit of the wireless power transmission system in the magnetic field communication in step 2 and step 3 in the second embodiment of the present invention.
  • Embodiment 1 Details of Embodiment 1 of the wireless power transmission system of the present invention will be described below.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wireless power transmission system of the present invention.
  • the wireless power transmission system includes a power transmission device 10 arranged at a predetermined location and a power reception device 20 installed on the moving body side.
  • the present wireless power transmission system is typically applied to a non-contact power feeding system of an electric propulsion vehicle such as an electric vehicle.
  • the power reception device 20 is installed in an electric propulsion vehicle as a moving body, and the power transmission device 10 is typically fixedly installed in a parking lot.
  • the power transmission device 10 is not limited to being fixed, and may be configured to be movable.
  • the power transmission device 10 includes a high-frequency oscillation source 101, a power transmission coil 102, a first antenna 301, a position calculation unit 308, a power transmission side position information notification unit 309, a power transmission side GPS receiver 311, and a power transmission side wireless communication. Means 202 and power transmission side control means 201 are provided.
  • the power receiving device 20 includes a power receiving coil 103, a load circuit 104, a second antenna 304, a magnetic field output unit 307, a power receiving side position information notifying unit 310, a power receiving side GPS receiver 312, and a power receiving side wireless.
  • Communication means 204 and power receiving side control means 203 are provided.
  • the high frequency oscillation source 101 is an oscillation source that generates and outputs high frequency power.
  • the power transmission coil 102 is connected to the high frequency oscillation source 101 and generates a high frequency magnetic field.
  • the power receiving coil 103 is a coil that receives power from a magnetic field generated from the power transmitting coil 102.
  • the load circuit 104 is a circuit including a rectifier circuit, a battery, and the like that are connected to the power receiving coil 103 and supply electric power obtained from the power receiving coil 103.
  • the power transmission side control means 201 includes, for example, a microcomputer and a processor, and performs various processes described later. As an example, the power transmission side control unit 201 exchanges control information with a power reception side control unit 203 described later using a power transmission side wireless communication unit 202 which is a wireless communication unit.
  • the power receiving side control means 203 includes, for example, a microcomputer and a processor, and performs various processes described later. As an example, the power receiving side control unit 203 exchanges control information with the power transmission side control unit 201 using the power receiving side wireless communication unit 204 which is a wireless communication unit.
  • the power transmission side wireless communication unit 202 may perform wireless communication using a first antenna 301 described later.
  • the power receiving side wireless communication unit 204 may perform wireless communication using a second antenna 304 described later.
  • the first antenna 301 is an antenna (receiving antenna) that is disposed in the vicinity of the power transmission coil 102 and receives a magnetic field generated by a second antenna 304 described later.
  • the second antenna 304 is an antenna (transmission antenna) that is disposed in the vicinity of the power receiving coil 103 and transmits a magnetic field.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304.
  • X, Y, and Z indicate respective coordinate axes, and the X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other.
  • the first antenna 301 has loop antenna elements 301a and 301b.
  • the second antenna 304 has loop antenna elements 304a and 304b.
  • a pedestal 303 is a pedestal on which the power transmission coil 102 and the first antenna 301 are installed, and a pedestal 306 is a pedestal on which the power receiving coil 103 and the second antenna 304 are installed.
  • the loop antenna elements 301a, 301b, 304a, and 304b are arranged so that the loop antenna elements that transmit a magnetic field and the loop antenna elements that receive the transmitted magnetic field are orthogonal to each other.
  • the change characteristic of the reception level of the magnetic field with respect to the change in the position on the XY plane between the first antenna 301 and the second antenna 304 varies, and the distance in the Z direction between the first antenna 301 and the second antenna 304 varies.
  • good position detection accuracy can be obtained.
  • the loop antenna elements included in the first antenna 301 and the second antenna 304 are arranged side by side in the direction in which the position is detected. For example, when the position in the Y direction is detected, each loop antenna element included in the first antenna 301 and the second antenna 304 is arranged along the Y direction as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when the loop axis directions of the loop antenna elements do not match.
  • the loop antenna element 301b receives the magnetic field transmitted from the loop antenna element 304a and the loop antenna element 301a receives the magnetic field transmitted from the loop antenna element 304b
  • the loop axis directions of the loop antenna elements to be transmitted and received are orthogonal to each other. If so, the loop axis directions of the loop antenna elements included in each of the first antenna 301 and the second antenna 304 do not have to coincide with each other as shown in FIG.
  • the magnetic field output means 307 is an oscillation source that generates high-frequency power and outputs it to the second antenna 304. As a result, a magnetic field is output from the second antenna 304.
  • the magnetic field output means 307 selects and outputs one of a plurality of loop antenna elements (see FIG. 2) included in the second antenna 304.
  • the position calculation means 308 includes, for example, a microcomputer and a processor, and calculates the position of the power receiving coil 103 from the intensity of the magnetic field received from the first antenna 301 by the microcomputer.
  • the position calculation means 308 and the first antenna 301 constitute the position deviation detection device 30.
  • the power transmission side position information notification unit 309 includes a display and a speaker connected to the power transmission side control unit 201.
  • the power transmission side position information notifying unit 309 outputs the position information of the power receiving coil 103 as sound or an image from a speaker or a display and notifies the user.
  • the power receiving side position information notifying unit 310 includes a display and a speaker connected to the power receiving side control unit 203.
  • the power receiving side position information notifying unit 310 outputs the position information of the power receiving coil 103 as a sound or an image from a speaker or a display and notifies the user.
  • the power transmission side GPS receiver 311 is a GPS receiver that is connected to the power transmission side control means 201 and outputs the position data (hereinafter referred to as position data) where it is present by receiving radio waves from GPS satellites.
  • the power-receiving-side GPS receiver 312 is connected to the power-receiving-side control means 203, and is a GPS receiver that outputs position data on which it is present by receiving radio waves from GPS satellites.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a procedure for detecting position information of the power receiving coil 103.
  • the power transmission side control unit 201 and the power reception side control unit 203 determine the distance between the power transmission device 10 and the power reception device 20 from the position data output by the power transmission side GPS receiver 311 and the power reception side GPS receiver 312. calculate.
  • the power transmission side control unit 201 sends the output position data of the power transmission side GPS receiver 311 to the power receiving device 20 via the power transmission side wireless communication unit 202.
  • the power receiving side control unit 203 receives the position data from the power transmitting device 10 via the power receiving side wireless communication unit 204, and the received position data and the output position data of the power receiving side GPS receiver 312. Is used to calculate the distance between the power transmission device 10 and the power reception device 20.
  • the power transmission side control unit 201 also receives the position data of the power receiving device 20 in the same manner, and calculates the distance between the power transmitting device 10 and the power receiving device 20 using this.
  • the power receiving device 20 and the power receiving device 10 are regarded as being in an area close to each other, and the power transmitting control unit 201 and the power receiving control unit 203 start detecting position information. To do. An area where the power receiving device 20 and the power transmitting device 10 are close to each other depending on whether or not wireless communication is possible between the power transmitting side control unit 201 and the power receiving side control unit 203 via the power transmitting side wireless communication unit 202 and the power receiving side wireless communication unit 204.
  • the power transmission side control means 201 and the power reception side control means 203 may start position information detection.
  • Whether or not the power receiving device 20 and the power transmitting device 10 are in an area close to each other is determined based on whether or not the magnetic field communication between the first antenna 301 and the second antenna 304 can be performed, and the power transmitting side control unit 201 and the power receiving side control are determined.
  • the means 203 may start position information detection. Whether magnetic field communication can be performed is determined by whether the magnetic field intensity received by the first antenna 301 is equal to or higher than a predetermined value, or by using the magnetic field communication signal as a modulation signal and being normally received by the first antenna 301. .
  • the magnetic field output means 307 generates high frequency power and outputs it to the loop antenna element 304a.
  • the loop antenna element 304a outputs a magnetic field according to the applied high frequency power.
  • the output signal may be an unmodulated signal or a modulated signal.
  • step 3 the position calculation means 308 receives the magnetic field from the loop antenna element 304a by the loop antenna element 301b, and measures the magnetic field strength.
  • the signal output in step 2 is a modulation signal
  • the magnetic field strength may be measured only in step 3 when it is recognized that the signal is a desired modulation signal. As a result, erroneous reception due to noise can be prevented.
  • step 4 the position calculation means 308 holds the measured value of the magnetic field intensity obtained in step 3 as data AB.
  • step 5 the magnetic field output means 307 generates high frequency power and outputs it to the loop antenna element 304b.
  • the loop antenna element 304b outputs a magnetic field according to the applied high frequency power.
  • step 6 the position calculation means 308 receives the magnetic field from the loop antenna element 304b by the loop antenna element 301a, and measures the magnetic field strength.
  • step 7 the position calculating means 308 holds the measured value of the magnetic field strength obtained in step 6 as data BA.
  • step 8 the position calculation means 308 calculates the difference between the data AB and the data BA.
  • step 9 the position calculation means 308 calculates the positional relationship between the first antenna 301 and the second antenna 304 from the difference between the data AB and the data BA obtained in step 8.
  • the relationship between the positional relationship between the first antenna 301 and the second antenna 304 and the difference amount between the data AB and the data BA is obtained in advance by experiments or the like, and the position is calculated from the difference amount using the result. From the positional relationship between the power receiving coil 103 and the second antenna 304, the position of the power receiving coil 103 with respect to the power transmitting coil 102 is calculated.
  • FIG. 5 shows the experimental results of data AB and data BA with respect to the Y coordinate.
  • FIG. 6 shows the experimental results of the difference between data AB and data BA with respect to the Y coordinate.
  • Y 250 mm under the condition that the centers of the power transmitting coil 102 and the power receiving coil 103 are the same. This is a result of an experiment in which the distance between the loop antenna elements is set to about 450 mm.
  • Data AB and data BA indicate changes opposite to each other with respect to changes in position. This is because the positional relationship between transmitting and receiving antenna elements is symmetric with respect to the ZX plane.
  • the data for evaluating the position can be a relative value instead of an absolute value. Even if the distance in the Z direction between the first antenna 301 and the second antenna 304 fluctuates and the absolute value of the magnetic field strength changes, it does not vary greatly, so that deterioration in position detection accuracy can be reduced.
  • the transmitting / receiving antenna elements face each other, and the position can be detected only up to the position where the magnetic field strength is maximum.
  • the distance between the antenna elements can be increased, and the detection range can be expanded compared to when there is only one transmitting antenna. Can do.
  • step 10 the power transmission side position information notification unit 309 and the power reception side position information notification unit 310 notify the user or the like of the position information of the power reception coil 103.
  • the data AB and the data BA may be calculated by acquiring the data AB and the data BA a plurality of times and calculating the average value, the median value, or the maximum value. As a result, it is possible to prevent the position detection accuracy from deteriorating due to variations in the values of the data AB and data BA due to the influence of noise and the like.
  • the position may be calculated using only data AB or data BA because the reception level changes depending on the position as shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when there is one transmission antenna element. As shown in FIG. 7, the position detection range deteriorates, but the number of transmission antenna elements may be one. As a result, the transmission antenna switching process can be omitted.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the first antenna 301 and the second antenna 304 when detecting position information in the X direction. As shown in FIG. 8, position information in the X direction can be detected by arranging the antenna elements in the X direction whose position is to be detected. By providing both FIG. 2 and FIG. 8, position information in the X and Y directions can be detected.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of mounting the wireless power transmission system of the present invention on an electric propulsion vehicle (hereinafter simply referred to as a vehicle) 400.
  • a plurality of power transmission coils 102a, 102b, and 102c are mounted on the ground side, and the power receiving coil 103 is mounted on the vehicle 400 side.
  • the position of the power receiving coil 103 is calculated by the above procedure, and the high-frequency oscillation source 101 selects the power transmitting coil closest to the power receiving coil 103 among the plurality of power transmitting coils and transmits power to the power receiving coil 103.
  • a plurality of power reception coils may be used.
  • the antenna 301, the position calculation means 308, and the second antenna 304 and the magnetic field output means 307 may be provided on the power transmission coil 102 side.
  • the configuration of the second antenna 304 and the magnetic field output means 307 generates a magnetic field, and therefore it is desirable to install the second antenna 304 and the magnetic field output means 307 in a place where humans cannot approach as much as possible. For example, in the case of the configuration shown in FIG.
  • the antenna arranged in the vicinity of the power transmission coil on the power transmission device 10 side can be approached by a human in a state where the vehicle on which the power reception device 20 is installed does not move. It becomes a state.
  • the antenna disposed in the vicinity of the power receiving coil on the power receiving device 20 side is disposed at the bottom of the vehicle, it becomes difficult for a person to approach.
  • the second antenna 304 and the magnetic field output means 307 are preferably installed on the power receiving device 20 side.
  • the wireless power transmission system of the present invention can realize the coil position detection.
  • the present invention is not limited thereto, and for example, the power receiving device 20 is installed in a mobile device as another example of the moving body.
  • the power transmission device 10 may be installed in a charger for the portable device.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the wireless power transmission system in the magnetic field communication in Step 2 and Step 3.
  • L1 represents the loop antenna element 304a of the second antenna 304
  • L2 represents the loop antenna element 301b of the first antenna 301
  • L3 represents the power transmission coil 102
  • L4 represents the inductance of the power reception coil 103.
  • the coupling coefficients between these inductances are k12, k23, k34, k14, k13, and k24.
  • Z1 indicates the magnetic field output means 307
  • Z2 indicates the position calculation means 308
  • Z3 indicates the high-frequency oscillation source 101
  • Z4 indicates the circuit impedance of the load circuit 104.
  • the frequency of the magnetic field communication between L1 and L2 for position calculation is f1
  • the frequency of the high-frequency magnetic field between L3 and L4 for wireless power transmission is f2.
  • Each inductance is connected to the circuit impedance via an impedance matching circuit so that the power supply condition is maximized.
  • Matching circuits 501, 502, 503, and 504 are provided so that L1 and L2 are impedance-matched at frequency f1, and L3 and L4 are impedance-matched at frequency f2.
  • Magnetic field communication between L1 and L2 for position calculation is performed using magnetic field coupling with a coupling coefficient k12.
  • L1 and L2 cause magnetic field coupling due to L3 and L4 for wireless power transmission and coupling coefficients k23, k14, k13, and k24.
  • L3 and L4 receive the magnetic field of frequency f1 generated from L1 due to magnetic field coupling by the coupling coefficients k23, k14, k13, and k24, the power level received by L2 decreases, and the position calculation between L1 and L2 is performed. Magnetic field communication is disturbed.
  • the frequency value is set so that the magnetic field communication frequency f1 is different from the wireless power transmission frequency f2.
  • the power of the frequency f1 received by L3 and L4 is reduced due to impedance mismatch, and the influence of magnetic field communication interference can be reduced.
  • the matching frequency of the matching circuits 503 and 504 is set to be a frequency f3 different from the magnetic field communication frequency f1.
  • the power of the frequency f1 received by L3 and L4 is reduced due to impedance mismatch, and the influence of magnetic field communication interference can be reduced.
  • a switching circuit that switches the values of the circuit impedances Z3 and Z4 so as to be impedance mismatched at the frequency f1 at the time of position calculation may be provided.
  • the high frequency oscillation source 101 configured by an inverter circuit or the like and the load circuit 104 are turned on or off, or both terminals of the high frequency oscillation source 101 and the load circuit 104 are short-circuited by the switch circuits 601 and 602.
  • the high-frequency oscillation source 101, the load circuit 104, and the matching circuit are disconnected by the switch circuits 603 and 604.
  • the wireless power transmission system of the present invention can detect the position of the coil. Therefore, the wireless power transmission system of the present invention can be applied as a non-contact charger such as a portable device or an electric propulsion vehicle.

Abstract

 無線電力伝送システムは、送電コイル102と受電コイル103との間で非接触で電力を伝送可能であって、送電コイル102に対する受電コイル103の所定方向へのずれ量を検出する。この無線電力伝送システムにおいて、送信側アンテナ304は、所定方向に配列されかつ磁界を送信する第1及び第2のループアンテナ素子を有し、受電コイル103の近傍に配置される。受信側アンテナ301は、第1及び第2のループアンテナ素子双方のループ軸とループ軸が直交し、第1及び第2のループアンテナから送信された磁界を受信する第3のループアンテナ素子を有し、送電コイル102の近傍に配置される。位置演算手段308は、第1のループアンテナ素子から受信した磁界と第2のループアンテナ素子から受信した磁界との差に基づき、ずれ量を検出する。

Description

無線電力伝送システム及び位置ずれ検知装置
 本発明は、送電コイルおよび受電コイルの間の位置関係を検出可能な無線電力伝送システム及び位置ずれ検知装置に関する。
 近年、例えば電気自動車などへの非接触充電のために、無線電力伝送システムが開発されている。この無線電力伝送システムにおいては、充電装置側に送電コイルが、電気自動車側に受電コイルが設けられ、電磁誘導方式を用いることにより非接触で高効率の伝送効率を実現してきた。しかしながら、この電磁誘導による無線電力伝送システムでは、例えば送電コイルに対する受電コイルの位置ずれにより、伝送効率が大きく劣化することが知られている。
 伝送効率の劣化防止のため、従来は両コイル間の位置ずれにより生じた相互インダクタンスの変化を電気的に検出することにより位置ずれを検出し、システムの動作を制御してきた(例えば特許文献1、2、3を参照)。
特開2002-101578号公報 特開平10-322247号公報 特開2008-288889号公報
 しかしながら、上記特許文献1、2、3の方法では、両コイル同士の位置ずれを検出することはできても、例えば送電コイルに対する受電コイルの位置を知ることはできないため、両コイル同士の位置合わせをすることはできなかった。
 本発明は、上記従来の課題に鑑み、両コイルの相対位置を検出できる無線電力伝送システム及び位置ずれ検知装置を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本発明は、2コイル間で非接触で電力を伝送可能であって、一方のコイルに対する他方のコイルの所定方向へのずれ量を検出する無線電力伝送システムであって、前記一方のコイル近傍に配置された第1及び第2のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記所定方向に配列された送信側アンテナと、前記第1及び前記第2のループアンテナ素子のループ軸とループ軸が直交する第3のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記他方のコイル近傍に配置された受信側アンテナと、前記第1及び前記第2のループアンテナ素子から送信された磁界を前記第3のループアンテナ素子が受信し、前記第3のループアンテナ素子による受信磁界の差に基づき、前記ずれ量を検出する位置演算手段を備えている。
 以上の構成により、本発明によれば、受電コイルと送電コイルとの相対的な位置関係を求めることが可能となる。
図1は本発明の実施の形態1における無線電力伝送システムの構成を示す図 図2は本発明の実施の形態1における第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図 図3は本発明の実施の形態1におけるループアンテナ素子のループ軸方向が一致しない場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図 図4は本発明の実施の形態1における受電コイル103の位置情報検出手順を示した図 図5は本発明の実施の形態1におけるY座標に対するデータAB、データBAの実験結果を示す図 図6は本発明の実施の形態1におけるY座標に対するデータAB、データBAの差の実験結果を示す図 図7は本発明の実施の形態1における送信アンテナ素子が1個の場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図 図8は本発明の実施の形態1におけるX方向の位置情報を検出する場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図 図9は本発明の実施の形態1における電気推進車両400への搭載例を示した図 図10は本発明の実施の形態2におけるステップ2およびステップ3の磁界通信における無線電力伝送システムの等価回路を示した図
 以下、本発明の無線電力伝送システムを実施するための形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
 (実施の形態1)
 以下に、本発明の無線電力伝送システムの実施の形態1の詳細について説明する。
 図1は、本発明の無線電力伝送システムの構成を示す図である。図1において、無線電力伝送システムは、所定の場所に配置される送電装置10と、移動体側に設置される受電装置20とを備えている。ここで、本無線電力伝送システムは、典型的には、例えば電気自動車のような電気推進車両の非接触給電システムに応用される。この場合、受電装置20は、移動体としての電気推進車両に設置され、送電装置10は、典型的には駐車場に固定的に設置される。なお、送電装置10は、固設に限らず、移動可能に構成されてもかまわない。
 送電装置10は、高周波発振源101と、送電コイル102と、第1のアンテナ301と、位置演算手段308と、送電側位置情報通知手段309と、送電側GPS受信機311と、送電側無線通信手段202と、送電側制御手段201とを備えている。
 また、受電装置20は、受電コイル103と、負荷回路104と、第2のアンテナ304と、磁界出力手段307と、受電側位置情報通知手段310と、受電側GPS受信機312と、受電側無線通信手段204と、受電側制御手段203とを備えている。
 高周波発振源101は、高周波電力を生成し出力する発振源である。送電コイル102は、高周波発振源101に接続され、高周波の磁界を発生するコイルである。
 受電コイル103は、送電コイル102から発生する磁界をうけて電力を得るコイルである。負荷回路104は、受電コイル103に接続され、受電コイル103から得られた電力を供給する整流回路、電池などを含む回路である。
 送電側制御手段201は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、後述する各種処理を行う。その一例として、送電側制御手段201は、無線通信手段である送電側無線通信手段202を用いて後述する受電側制御手段203と制御情報をやり取りする。
 受電側制御手段203は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、後述する各種処理を行う。その一例として、受電側制御手段203は、無線通信手段である受電側無線通信手段204を用いて送電側制御手段201と制御情報をやり取りする。
 なお、送電側無線通信手段202は、後述する第1のアンテナ301を用いて無線通信を行ってもよい。また、受電側無線通信手段204は後述する第2のアンテナ304を用いて無線通信を行ってもよい。
 第1のアンテナ301は送電コイル102の近辺に配置され、後述する第2のアンテナ304の発生する磁界を受信するアンテナ(受信アンテナ)である。第2のアンテナ304は、受電コイル103の近辺に配置され、磁界を送信するアンテナ(送信アンテナ)である。
 図2は、第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図である。X、YおよびZは、各々の座標軸を示しており、X軸、Y軸およびZ軸は互いに直交する。図2において、第1のアンテナ301は、ループアンテナ素子301a、301bを有している。第2のアンテナ304は、ループアンテナ素子304a、304bを有している。台座303は送電コイル102、第1のアンテナ301を、台座306は受電コイル103、第2のアンテナ304を設置する台座である。
 ループアンテナ素子301a、301b、304a、304bの配置は、磁界を送信するループアンテナ素子と、送信された磁界を受信するループアンテナ素子の互いのループ軸方向が直交するように配置する。これにより第1のアンテナ301、第2のアンテナ304間のXY平面における位置の変化に対する磁界の受信レベルの変化特性が、第1のアンテナ301、第2のアンテナ304間のZ方向の距離が変動しても、大きく変わらないため、良好な位置検知精度を得ることができる。
 第1のアンテナ301、第2のアンテナ304が有する各ループアンテナ素子は位置を検知する方向に並べて配置する。例えばY方向の位置を検知する場合、第1のアンテナ301、第2のアンテナ304が有する各ループアンテナ素子は図2のようにY方向に沿って配置する。
 図3は、ループアンテナ素子のループ軸方向が一致しない場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図である。
 ループアンテナ素子304aから送信する磁界をループアンテナ素子301bが受信する、ループアンテナ素子304bから送信する磁界をループアンテナ素子301aが受信するとした場合、送受信するループアンテナ素子同士の互いのループ軸方向が直交していれば、図3のように第1のアンテナ301、第2のアンテナ304のそれぞれが有するループアンテナ素子のループ軸方向が一致していなくても良い。
 再度図1を参照する。磁界出力手段307は高周波電力を生成し、第2のアンテナ304へ出力する発振源である。これにより第2のアンテナ304から磁界を出力する。また磁界出力手段307は、第2のアンテナ304が備える複数のループアンテナ素子(図2参照)のうちいずれかを選択して出力する。
 位置演算手段308は、例えばマイクロコンピュータやプロセッサを含んでおり、マイクロコンピュータなどにより、第1のアンテナ301から受信した磁界の強度から受電コイル103の位置を算出する。なお、本実施形態では、上記位置演算手段308及び第1のアンテナ301が位置ずれ検知装置30を構成する。
 送電側位置情報通知手段309は、送電側制御手段201に接続されるディスプレイやスピーカを含んでいる。この送電側位置情報通知手段309は、受電コイル103の位置情報を、スピーカやディスプレイから音や画像などとして出力し、ユーザに通知する。
 受電側位置情報通知手段310は、受電側制御手段203に接続されるディスプレイやスピーカを含んでいる。この受電側位置情報通知手段310は、受電コイル103の位置情報を、スピーカやディスプレイから音や画像などとして出力し、ユーザに通知する。
 送電側GPS受信機311は、送電側制御手段201に接続され、GPS衛星からの電波を受信することにより自分が存在する位置のデータ(以下、位置データという)を出力するGPS受信機である。
 受電側GPS受信機312は受電側制御手段203に接続され、GPS衛星からの電波を受信することにより、自分が存在する位置データを出力するGPS受信機である。
 以上のように構成された無線電力伝送システムについて、その動作を説明する。ここではY方向の位置情報を検出する場合を例にとり説明する。
図4は、受電コイル103の位置情報検出手順を示した図である。
 まずステップ1において、送電側制御手段201および受電側制御手段203は、送電側GPS受信機311と受電側GPS受信機312が出力する位置データより、送電装置10と受電装置20の間の距離を算出する。この距離算出のために、送電側制御手段201は、送電側GPS受信機311の出力位置データを、送電側無線通信手段202を介して、受電装置20に送る。受電装置20においては、受電側制御手段203は、受電側無線通信手段204を介して、送電装置10からの位置データを受け取り、受け取った位置データと、受電側GPS受信機312の出力位置データとを用いて、送電装置10及び受電装置20の間の距離を算出する。なお、送電側制御手段201も、同様の方法で、受電装置20の位置データを受け取り、これを用いて送電装置10及び受電装置20の間の距離を算出する。
 この算出した距離がある所定距離以下になった場合、受電装置20および送電装置10が互いに近接したエリア内にあるとみなして、送電側制御手段201および受電側制御手段203は位置情報検出を開始する。なお、送電側無線通信手段202、受電側無線通信手段204を介して送電側制御手段201および受電側制御手段203間の無線通信ができるかどうかをもって受電装置20および送電装置10が互いに近接したエリア内にあるか判別し、送電側制御手段201および受電側制御手段203は位置情報検出を開始するとしてもよい。
 なお、第1のアンテナ301および第2のアンテナ304間の磁界通信ができるかどうかをもって受電装置20および送電装置10が互いに近接したエリア内にあるか判別し、送電側制御手段201および受電側制御手段203は位置情報検出を開始するとしてもよい。磁界通信ができるかどうかは、第1のアンテナ301で受信する磁界強度が所定の値以上であるか、または磁界通信信号を変調信号とし、第1のアンテナ301で正常に受信できたかによって判断する。
 ステップ2において、磁界出力手段307は高周波電力を生成し、ループアンテナ素子304aに出力する。ループアンテナ素子304aは、与えられた高周波電力に応じて磁界を出力する。出力する信号は無変調信号であっても、変調された信号であってもよい。
 ステップ3において、位置演算手段308は、ループアンテナ素子304aからの磁界をループアンテナ素子301bにて受信し、磁界強度を測定する。ステップ2において出力する信号が変調信号の場合、ステップ3においては所望の変調信号であることを認識できた場合にのみ磁界強度を測定するとしてもよい。これによりノイズによる誤受信を防ぐことができる。
 ステップ4において、位置演算手段308は、ステップ3で得られた磁界強度の測定値をデータABとして保持する。
 ステップ5においては、磁界出力手段307は、高周波電力を生成し、ループアンテナ素子304bに出力する。ループアンテナ素子304bは、与えられた高周波電力に応じて磁界を出力する。
 ステップ6において、位置演算手段308は、ループアンテナ素子304bからの磁界をループアンテナ素子301aにて受信し、磁界強度を測定する。
 ステップ7において、位置演算手段308は、ステップ6で得られた磁界強度の測定値をデータBAとして保持する。
 ステップ8において、位置演算手段308はデータABとデータBAの差を算出する。
 ステップ9において、位置演算手段308はステップ8で得られたデータABとデータBAの差から、第1のアンテナ301、第2のアンテナ304間の位置関係を算出する。
 第1のアンテナ301、第2のアンテナ304間の位置関係と、データABとデータBAの差分量との関係を事前に実験などにより求め、その結果を用いて差分量から位置を計算する。受電コイル103と第2のアンテナ304の位置関係より、送電コイル102に対する受電コイル103の位置が算出される。
 図5にY座標に対するデータAB、データBAの実験結果を示す。図6にY座標に対するデータAB、データBAの差の実験結果を示す。図5、6ともに、送電コイル102、受電コイル103の中心が一致している条件では、Y=250mmである。ループアンテナ素子間の距離は約450mmに設定して実験した結果である。
 データABおよびデータBAは位置の変化に対して、互いに反対の変化を示している。これは送受信するアンテナ素子の位置関係がZX平面に対して対称となるためである。
 これらデータABとデータBAの差をとることにより、位置の変化に対して変化量が大きいデータとすることができ、良好な位置検知精度を得ることができる。
 さらにデータABとデータBAの差をとることにより、位置を評価するデータが絶対値ではなく相対値とすることができる。第1のアンテナ301、第2のアンテナ304間のZ方向の距離が変動して磁界強度の絶対値が変化しても、大きくばらつかないため、位置検知精度の劣化を低減することができる。
 磁界強度の差分量により位置を算出するため、送受信のアンテナ素子同士が対向し、磁界強度が最大となる位置までしか位置検知できない。送信アンテナを2つ設け、ZX面に対して対称となるアンテナ素子同士で送受信することにより、アンテナ素子間の距離をとることができ、送信アンテナが1個のときに比べて検知範囲を広げることができる。
 再度図4を参照する。ステップ10において、送電側位置情報通知手段309、受電側位置情報通知手段310は、受電コイル103の位置情報を使用者などへ通知する。
 なお、位置検知精度向上のため、データAB、データBAをそれぞれ複数回取得し、平均値、あるいは中央値あるいは最大値を算出することによりデータAB、データBAを算出してもよい。これによりノイズなどの影響によりデータAB、データBAの値がばらつくことによる位置検知精度の劣化を防ぐことができる。
 なお、位置検知精度は劣化するが、図5に示すように位置により受信レベルが変化することより、データABもしくはデータBAのみを用いて位置を算出してもよい。
 図7は、送信アンテナ素子が1個の場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図である。図7に示すように、位置検知範囲は劣化するが、送信アンテナ素子を1個としてもよい。これにより送信アンテナの切り替え処理を省略できる。
 図8は、X方向の位置情報を検出する場合の第1のアンテナ301、第2のアンテナ304の構成を示す図である。図8に示すようにアンテナ素子を、位置を検知すべきX方向に並べることでX方向の位置情報を検出することができる。図2および図8を両方備えることでX方向、Y方向の位置情報を検出することができる。
 図9は、本発明の無線電力伝送システムの電気推進車両(以下単に車両という)400への搭載例を示した図である。複数の送電コイル102a、102b、102cが地上側に、受電コイル103は車両400側に搭載される例を示す。上記の手順により受電コイル103の位置を算出し、高周波発振源101は複数の送電コイルのうちもっとも受電コイル103に近接した送電コイルを選択して受電コイル103へ送電を行う。送電コイルを複数用いた場合について述べたが、受電コイルを複数用いてもよい。
 なお、送電コイル102側に第1のアンテナ301および位置演算手段308、受電コイル103側に第2のアンテナ304および磁界出力手段307を備える構成例について説明したが、受電コイル103側に第1のアンテナ301および位置演算手段308、送電コイル102側に第2のアンテナ304および磁界出力手段307を備える構成であってもよい。ただし、第2のアンテナ304および磁界出力手段307の構成は、磁界を発生するため、安全上、人間ができるだけ接近しない箇所に設置されることが望ましい。例えば図9のような構成の場合、送電装置10側の送電コイル近辺に配置されるアンテナは、受電装置20が設置される車両が移動して存在しない状態では、人間が接近することが可能な状態となる。一方、受電装置20側の受電コイル近辺に配置されるアンテナは、車両の底部へ配置される場合、人間が接近することが困難となる。この場合、第2のアンテナ304および磁界出力手段307の構成は、受電装置20側に設置されることが望ましい。
 以上により、本発明の無線電力伝送システムはコイルの位置検出を実現できる。
 なお、以上の実施の形態では、電気推進車両の非接触給電システムへの応用例を説明したが、これに限らず、例えば、受電装置20は、移動体の他の例としての携帯機器に設置され、また、送電装置10は、この携帯機器向けの充電器に設置されてもかまわない。
 (実施の形態2)
 以下に、本発明の無線電力伝送システムの実施の形態2の詳細について説明する。図10は、ステップ2およびステップ3の磁界通信における無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
 L1は第2のアンテナ304のループアンテナ素子304a、L2は第1のアンテナ301のループアンテナ素子301b、L3は送電コイル102、L4は受電コイル103のインダクタンスを示している。これらのインダクタンス間の結合係数をk12、k23、k34、k14、k13、k24とする。
 Z1は磁界出力手段307、Z2は位置演算手段308、Z3は高周波発振源101、Z4は負荷回路104の回路インピーダンスを示している。
 位置演算のためのL1、L2間の磁界通信の周波数はf1、無線電力伝送のためのL3、L4間の高周波磁界の周波数はf2とする。
 各インダクタンスは電力供給条件が最大となるように、インピーダンス整合回路を介して回路インピーダンスへ接続されている。L1、L2は周波数f1にて、L3、L4は周波数f2にてインピーダンス整合されるように整合回路501、502、503、504が設けられる。
 位置演算のためのL1、L2間の磁界通信は、結合係数k12による磁界結合を用いて行われる。しかし、L1、L2は、無線電力伝送のためのL3、L4と結合係数k23、k14、k13、k24により磁界結合を生じる。結合係数k23、k14、k13、k24による磁界結合によりL1より発生した周波数f1の磁界をL3、L4が受信すると、L2に受信される電力レベルが低下し、L1、L2間の位置演算のための磁界通信が妨害される。
 磁界通信周波数f1は、無線電力伝送周波数f2と異なる値となるように周波数値を設定する。これによりL3、L4が受信する周波数f1の電力がインピーダンス不整合のため低下し、磁界通信妨害の影響を軽減することができる。
 または、位置演算時は整合回路503、504のマッチング周波数を磁界通信周波数f1とは異なる周波数f3となるように設定する。これによりL3、L4が受信する周波数f1の電力がインピーダンス不整合のため低下し、磁界通信妨害の影響を軽減することができる。
 または、上記の整合回路503,504の代わりに、位置演算時は周波数f1においてインピーダンス不整合となるように回路インピーダンスZ3、Z4の値を切り替える切替回路を備えていても構わない。具体的にはインバータ回路などで構成される高周波発振源101、負荷回路104の電源を入れるもしくは電源を切断する、あるいは高周波発振源101、負荷回路104の両端子をスイッチ回路601、602にて短絡する、あるいは高周波発振源101、負荷回路104と整合回路との接続をスイッチ回路603、604にて切断する。
 これにより、L3、L4が受信する周波数f1の電力が低下し、磁界通信妨害の影響を軽減することができる。
 本発明の無線電力伝送システムは、コイルの位置検出ができる。よって、本発明の無線電力伝送システムを、例えば、携帯機器、電気推進車両などの非接触充電器として適用できる。
 101 高周波発振源
 102、102a、102b、102c 送電コイル
 103 受電コイル
 104 負荷回路
 201 送電側制御手段
 202 送電側無線通信手段
 203 受電側制御手段
 204 受電側無線通信手段
 301 第1のアンテナ(受信側アンテナ)
 301a、301b ループアンテナ素子
 303、306 台座
 304 第2のアンテナ(送信側アンテナ)
 304a、304b ループアンテナ素子
 307 磁界出力手段
 308 位置演算手段
 309 送電側位置情報通知手段
 310 受電側位置情報通知手段
 311 送電側GPS受信機
 312 受電側GPS受信機
 400 電気推進車両
 501、502、503、504 整合回路
 601、602、603、604 スイッチ回路

Claims (10)

  1. 2コイル間で非接触で電力を伝送可能であって、一方のコイルに対する他方のコイルの所定方向へのずれ量を検出する無線電力伝送システムであって、
     前記一方のコイル近傍に配置された第1及び第2のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記所定方向に配列された送信側アンテナと、
     前記第1及び前記第2のループアンテナ素子のループ軸とループ軸が直交する第3のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記他方のコイル近傍に配置された受信側アンテナと、
     前記第1及び前記第2のループアンテナ素子から送信された磁界を前記第3のループアンテナ素子が受信し、前記第3のループアンテナ素子による受信磁界の差に基づき、前記ずれ量を検出する位置演算手段を備える、無線電力伝送システム。
  2. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1又は前記第2のループアンテナ素子と前記第3のループアンテナとの間の通信周波数と、前記非接触での電力伝送時の前記2コイルで発生する高周波磁界周波数とを異なる値になるよう、前記通信周波数及び前記高周波磁界周波数の少なくとも一方を設定する整合回路をさらに備える、請求項1に記載の無線電力伝送システム。
  3. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1又は前記第2のループアンテナ素子と前記第3のループアンテナとの間の通信周波数と異なる周波数に、内部のマッチング周波数を設定する整合回路をさらに備える、請求項1に記載の無線電力伝送システム。
  4. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1又は前記第2のループアンテナ素子と前記第3のループアンテナとの間の通信周波数においてインピーダンス不整合になるように、前記非接触での電力伝送に用いられる発振源及び負荷回路の回路インピーダンスを変更するスイッチ回路をさらに備える、請求項1に記載の無線電力伝送システム。
  5. 2コイル間で非接触で電力を伝送可能であって、一方のコイルに対する他方のコイルの所定方向へのずれ量を検出する無線電力伝送システムであって、
     第1のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記一方のコイル近傍に配置された送信側アンテナと、
     前記第1のループアンテナ素子のループ軸とループ軸が直交する第2及び第3のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記他方のコイル近傍に配置された受信側アンテナと、
     前記第1のループアンテナ素子から送信された磁界を、前記第2及び前記第3のループアンテナ素子が受信し、前記第2及び前記第3のループアンテナ素子による受信磁界の差に基づき、前記ずれ量を検出する位置演算手段を備える、無線電力伝送システム。
  6. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1のループアンテナ素子と前記第2又は前記第3のループアンテナとの間の通信周波数と、前記非接触での電力伝送時の前記2コイルで発生する高周波磁界周波数とを異なる値になるよう、前記通信周波数及び前記高周波磁界周波数の少なくとも一方を設定する整合回路をさらに備える、請求項5に記載の無線電力伝送システム。
  7. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1のループアンテナ素子と前記第2又は前記第3のループアンテナとの間の通信周波数と異なる周波数に、内部のマッチング周波数を設定する整合回路をさらに備える、請求項5に記載の無線電力伝送システム。
  8. 前記位置演算手段の処理の時、前記第1のループアンテナ素子と前記第2又は前記第3のループアンテナとの間の通信周波数においてインピーダンス不整合になるように、前記非接触での電力伝送に用いられる発振源及び負荷回路の回路インピーダンスを変更するスイッチ回路をさらに備える、請求項5に記載の無線電力伝送システム。
  9. 2コイル間で非接触で電力を伝送可能な無線電力伝送システムに用いられ、一方のコイルに対する他方のコイルの所定方向へのずれ量を検出する位置ずれ検知装置であって、
     前記一方のコイル近傍には、第1及び第2のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記所定方向に配列された送信側アンテナが備わり、
     前記位置ずれ検知装置は、
      前記第1及び前記第2のループアンテナ素子のループ軸とループ軸が直交する第3のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記他方のコイル近傍に配置された受信側アンテナと、
      前記第1及び前記第2のループアンテナ素子から送信された磁界を前記第3のループアンテナ素子が受信し、前記第3のループアンテナ素子による受信磁界の差に基づき、前記ずれ量を検出する位置演算手段を備える、位置ずれ検知装置。
  10. 2コイル間で非接触で電力を伝送可能な無線電力伝送システムに用いられ、一方のコイルに対する他方のコイルの所定方向へのずれ量を検出する位置ずれ検知装置であって、
     前記一方のコイル近傍には、第1のループアンテナ素子を少なくとも有する送信側アンテナが備わり、
     前記位置ずれ検知装置は、
      前記第1のループアンテナ素子のループ軸とループ軸が直交する第2及び第3のループアンテナ素子を少なくとも有し、前記他方のコイル近傍に配置された受信側アンテナと、
      前記第1のループアンテナ素子から送信された磁界を、前記第2及び前記第3のループアンテナ素子が受信し、前記第2及び前記第3のループアンテナ素子による受信磁界の差に基づき、前記ずれ量を検出する位置演算手段を備える、位置ずれ検知装置。
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