WO2012172929A1 - 電力伝送システムおよび受電装置 - Google Patents

電力伝送システムおよび受電装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2012172929A1
WO2012172929A1 PCT/JP2012/062902 JP2012062902W WO2012172929A1 WO 2012172929 A1 WO2012172929 A1 WO 2012172929A1 JP 2012062902 W JP2012062902 W JP 2012062902W WO 2012172929 A1 WO2012172929 A1 WO 2012172929A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power transmission
circuit
electrode
power
device side
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/062902
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
市川敬一
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to GB1313264.2A priority Critical patent/GB2502903A/en
Priority to CN201280015569.4A priority patent/CN103477534B/zh
Priority to JP2013520486A priority patent/JP5590237B2/ja
Publication of WO2012172929A1 publication Critical patent/WO2012172929A1/ja
Priority to US14/017,698 priority patent/US9531216B2/en

Links

Images

Classifications

    • H04B5/79—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H02J7/025—
    • H04B5/22—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00309—Overheat or overtemperature protection

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission system and a power receiving apparatus that transmit electric power by electric field coupling type wirelessly.
  • a magnetic field coupling type power transmission system in which power is transmitted from a primary coil of a power transmission device to a secondary coil of a power reception device using a magnetic field.
  • a magnetic field coupling type power transmission system since the magnitude of magnetic flux passing through each coil greatly affects the electromotive force, high accuracy is required for the relative positional relationship between the primary coil and the secondary coil.
  • the coil since the coil is used, it is difficult to reduce the size of the apparatus.
  • Patent Document 1 an electric field coupling type wireless power transmission system as disclosed in Patent Document 1 is also known.
  • power is transmitted from the coupling electrode of the power transmission apparatus to the coupling electrode of the power reception apparatus via an electric field.
  • the relative positional accuracy of the coupling electrode is relatively loose, and the coupling electrode can be reduced in size and thickness.
  • FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the power transmission system disclosed in Patent Document 1.
  • This power transmission system includes a power transmission device and a power reception device.
  • the power transmission device includes a high frequency high voltage generation circuit 1, a passive electrode 2, and an active electrode 3.
  • the power receiving device includes a high frequency high voltage load circuit 5, a passive electrode 7, and an active electrode 6. Then, when the active electrode 3 of the power transmission device and the active electrode 6 of the power reception device come close to each other through the high voltage electric field region 4, the two electrodes are subjected to electric field coupling.
  • a low-loss resonance circuit As a technique for increasing the transmission efficiency of a power transmission system.
  • This resonance circuit is composed of a capacitance and an inductor at a coupling portion between the power transmission device and the power reception device. Since the Q value of an inductor is generally lower than the Q value of a capacitor, when combined as a resonance circuit, the Q value of the resonance circuit is restricted by the Q value of the inductor. Also, the realization of a small and low-loss inductor becomes a problem. As one method for solving the problem, it is effective to use a piezoelectric device (piezoelectric resonator, piezoelectric transformer) for the inductor.
  • the present invention provides a power transmission system and a power receiving device in which the ratio V2 / V1 between the power receiving device side voltage V2 and the power transmitting device side voltage V1 when the load fluctuation or drive frequency fluctuation of the power receiving device occurs is stabilized. With the goal.
  • the power transmission system of the present invention includes: A power transmission device side coupling electrode composed of an active electrode and a passive electrode, a power transmission device including a high frequency high voltage generation circuit that applies a high frequency high voltage to the power transmission device side coupling electrode, A power receiving device having a power receiving device side coupling electrode composed of an active electrode and a passive electrode and a power receiving circuit connected to the power receiving device side coupling electrode, coupled to the power transmission device side coupling electrode; Electric power is transmitted from the power transmission device to the power receiving device by the electric field coupling between the power transmission device side coupling electrode and the power receiving device side coupling electrode.
  • the power receiving circuit includes a first resonance circuit including an inductance component and a capacitance component connected in series between an active electrode and a passive electrode of the power receiving device side coupling electrode, and the capacitance component and the capacitance component.
  • a second resonance circuit including an inductance component connected in parallel to the second resonance circuit, and a load circuit connected in parallel to the second resonance circuit, The frequency of the high-frequency high-voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit is set between two resonance frequencies due to the composite resonance of the first resonance circuit and the second resonance circuit.
  • the power transmission device controls a voltage detection circuit that detects a voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit and a voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit so that the detection voltage of the voltage detection circuit is constant. And a voltage stabilizing circuit.
  • the power receiving circuit includes an input terminal connected to an active electrode of the power receiving device side coupling electrode, an output terminal connected to a passive electrode of the power receiving device side coupling electrode, and a reference potential terminal. And a piezoelectric transformer that steps down the voltage applied to the input terminal and outputs the voltage to the output terminal.
  • the capacitance component is preferably an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer.
  • the first resonance circuit includes a capacitance component generated in the power transmitting device side coupling electrode and the power receiving device side coupling electrode.
  • the high-frequency high-voltage generation circuit preferably includes a third resonance circuit that resonates with the high-frequency high voltage applied to the power transmission device side coupling electrode.
  • the power receiving device of the present invention includes: A power receiving device that is paired with a power transmitting device including a power transmitting device side coupling electrode composed of an active electrode and a passive electrode and a high frequency high voltage generating circuit that applies a high frequency high voltage to the power transmitting device side coupling electrode, A power receiving device side coupling electrode composed of an active electrode and a passive electrode coupled to the power transmission device side coupling electrode, and a power receiving circuit connected to the power receiving device side coupling electrode;
  • the power reception circuit includes a first resonance circuit including an inductance component and a capacitance component connected in series between an active electrode and a passive electrode of the power reception device side coupling electrode, and the capacitance component and the capacitance component.
  • a second resonance circuit including an inductance component connected in parallel; and a load circuit connected in parallel to the second resonance circuit;
  • the frequency of the high-frequency high-voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit is set between two resonance frequencies due to the composite resonance of the first resonance circuit and the second resonance circuit.
  • the composite resonance system in which the first resonator and the second resonance circuit are coupled is configured, the matching between the power transmission device and the power reception device is improved, the standing wave in the first resonance circuit is reduced, and the electric vibration By smoothly transmitting energy to the load, the ratio V2 / V1 between the load side voltage V2 and the power transmission device side voltage V1 when the load fluctuates can be stabilized.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of a power transmission system disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the power transmission system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the power transmission system 401 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 401 of the first embodiment.
  • FIG. 5A is a block configuration diagram of a high-frequency high-voltage generation circuit of the power transmission apparatus 101.
  • FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the configuration of the switching circuit 56 and the drive control circuit 55.
  • FIG. 6 is another equivalent circuit diagram of the power transmission system 401 of the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of a power transmission system disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the power transmission system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the power transmission system 401 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the power
  • FIG. 7A shows the frequency (voltage conversion ratio) of the ratio of the voltage V2 applied to the coupling electrode of the power receiving apparatus 201 to the voltage V1 applied to the coupling electrode of the power transmission apparatus 101 of the power transmission system according to the first embodiment. It is a figure which shows dependency.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating an example of the frequency dependence of the voltage conversion ratio of the comparative power transmission system ().
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a power transmission system according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 402 of the second embodiment.
  • FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 402 of the second embodiment.
  • FIG. 11 shows the frequency dependence of the ratio (voltage conversion ratio) of the voltage V2 applied to the coupling electrode of the power receiving apparatus 202 to the voltage V1 applied to the coupling electrode of the power transmission apparatus 102 of the power transmission system of the second embodiment.
  • FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 403 of the third embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the power transmission system according to the first embodiment.
  • the power transmission device 101 is provided with a power transmission device-side coupling electrode including an active electrode 13 and a passive electrode 12 on the power transmission device side.
  • the power receiving apparatus 201 is provided with a power receiving apparatus side coupling electrode composed of an active electrode 16 and a passive electrode 17 on the power receiving apparatus side.
  • the power receiving device 201 is provided with a power receiving circuit 15.
  • the power receiving circuit 15 includes a piezoelectric transformer 32, an inductance element L2, and a load circuit RL.
  • a reference potential terminal E12 of the piezoelectric transformer 32 is connected to the passive electrode 17 on the power receiving device side, and an inductance element L2 and a load circuit RL are connected between the passive electrode 17 and the output terminal E11.
  • the voltage stepped down by the piezoelectric transformer 32 is supplied to the load circuit RL.
  • the load circuit RL includes a rectifying / smoothing circuit and a load that operates with a DC voltage output from the rectifying / smoothing circuit.
  • power is transmitted from the power transmission apparatus 101 to the power reception apparatus 201 via the high-voltage electric field region 4 with the power reception apparatus 201 mounted on the power transmission apparatus 101.
  • the power transmission system of the present invention is based on short-range energy transmission using electric field coupling (quasi-static electric field). If the wavelength ⁇ is sufficiently long with respect to the size and operating range (distance d) of the electric field oscillation source, that is, if d / ⁇ ⁇ 1, the quasi-static electric field stays in the vicinity of the electric field generation source (binding). The amount of radiation far away is so small that it can be ignored. That is, energy is hardly emitted as electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave is in a transverse mode (both the electric field and the magnetic field are perpendicular to the propagation direction), whereas in power transmission using a quasi-static electric field as in the present invention, the energy is in the same direction as the electric field. Is transmitted.
  • the load includes, for example, a secondary battery for power supply of the power receiving apparatus 201, and the secondary battery in the power receiving apparatus 201 is charged by attaching the power receiving apparatus 201 to the power transmitting apparatus 101.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the power transmission system 401 according to the first embodiment.
  • the high frequency high voltage generation circuit 11 of the power transmission apparatus 101 generates a high frequency voltage of 100 kHz to several tens of MHz, for example.
  • a voltage generated by the high frequency high voltage generation circuit 11 is applied between the passive electrode 12 and the active electrode 13.
  • the capacitance element CG is a capacitance mainly composed of the passive electrode 12 and the active electrode 13.
  • the capacitance element CL is a capacitance mainly composed of the passive electrode 17 and the active electrode 16.
  • the piezoelectric transformer 32 steps down the voltage applied between the reference potential terminal E12 and the input terminal E20 and outputs it to the output terminal E11.
  • the coupling of the coupling electrode by the passive electrode and the active electrode of the power transmission apparatus 101 and the coupling electrode by the passive electrode and the active electrode of the power reception apparatus 201 can be expressed as being coupled via the mutual capacitance Cm.
  • the high frequency high voltage generation circuit 11 generates a high frequency high voltage of 100 to 3 kV, and the piezoelectric transformer 32 steps down the voltage 100 to 3 kV induced in the capacitance element CL to 5 to 12 V and outputs it to the load circuit RL.
  • the output terminal E11 of the piezoelectric transformer 32 may be connected to the passive electrode 17 of the power receiving apparatus 201, and the inductance element L2 and the load circuit RL may be connected between the passive electrode 17 and the reference potential terminal E12. That is, the reference potential terminal E12 and the output terminal E11 may be interchanged.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 401 of the first embodiment.
  • the piezoelectric transformer 32 is represented by capacitance elements C1 and C2, an inductance element Lp, a capacitance element Cp, a resistor Rp, and an ideal transformer Tp.
  • the capacitance element C2 is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer, and the capacitance element Cp and the inductance element Lp are electromechanical parameters.
  • the resonance frequency of the piezoelectric transformer 32 is determined mainly by the resonance of the resonance circuit by the capacitance element Cp and the inductance element Lp. Since electrical energy conversion is via elastic vibration, it has a natural resonance frequency determined by the elastic wave propagation velocity and dimensions of the piezoelectric ceramic.
  • the first resonance circuit RC1 is configured by the capacitance of the capacitance element CL of the coupling electrode portion of the piezoelectric transformer 32 and the power receiving device 201 and the capacitance element CG of the coupling electrode portion of the power transmission device 101.
  • the resonance frequency of the first resonance circuit RC1 is determined by the circuit constant of the first resonance circuit RC1.
  • the transmission power can be improved.
  • the second resonance circuit RC2 is constituted by the capacitance element (capacitance component) C2 and the inductance element L2 which are equivalent output capacities of the piezoelectric transformer 32, and the capacitance of the capacitance element C2 and the inductance of the inductance element L2 are used.
  • the resonance frequency of the second resonance circuit RC2 is determined.
  • the frequency of the high-frequency high-voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit 11 is determined between two resonance frequencies due to the composite resonance (coupled resonance) of the first resonance circuit RC1 and the second resonance circuit RC2.
  • the inductance element L2 also functions as an impedance matching circuit between the load circuit RL and the piezoelectric transformer 32. Therefore, the standing wave in the first resonance circuit RC1 is reduced, unnecessary energy is not accumulated in the piezoelectric transformer 32, and energy flows smoothly to the load circuit RL. As a result, overheating of the piezoelectric transformer 32 is prevented.
  • the power transmission device can be reduced in size and the leakage magnetic field can be suppressed as compared with the case where a winding transformer is used.
  • FIG. 5A is a block configuration diagram of a high-frequency high-voltage generation circuit of the power transmission apparatus 101.
  • the drive power supply circuit 51 is a power supply circuit that inputs a commercial power supply and generates a constant DC voltage (for example, DC 5 V).
  • the control circuit 52 controls each unit by inputting / outputting signals to / from each unit described below.
  • the drive control circuit 55 switches the switch element of the switching circuit 56 in accordance with the ON / OFF signal output from the control circuit 52. As will be described later, the switching circuit 56 alternately drives the input section of the booster circuit 37.
  • the ACV detection circuit 58 capacitively divides the voltage applied to the active electrode 13 with the passive electrode 12 as a reference, and generates a DC voltage obtained by rectifying the divided AC voltage as a detection signal V (ACV).
  • the ACV detection circuit 58 corresponds to a “voltage detection circuit” according to the present invention.
  • the control circuit 52 reads the detection signal V (ACV) and feedback-controls the generated voltage of the high frequency high voltage generation circuit so that the detection signal V (ACV) becomes constant.
  • the control circuit 52 that performs the feedback control corresponds to a “voltage stabilization circuit” according to the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the configuration of the switching circuit 56 and the drive control circuit 55.
  • the switching circuit 56 performs a push-pull operation by turning on / off the high-side switch element and the low-side switch element, and alternately drives the booster circuit 37.
  • FIG. 6 is another equivalent circuit diagram of the power transmission system 401 of the first embodiment.
  • This equivalent circuit is an equivalent circuit in which the first resonance circuit and the second resonance circuit are combined.
  • the capacitor Co corresponds to a capacitance component generated in the coupling electrode portion of the power transmitting device and the power receiving device
  • the capacitor C corresponds to the capacitor Cp shown in FIG. 4
  • the inductor L corresponds to the inductor Lp shown in FIG.
  • FIG. 7A shows the frequency dependence of the ratio (voltage conversion ratio) of the voltage V2 applied to the load of the power receiving apparatus 201 to the voltage V1 applied to the coupling electrode of the power transmitting apparatus 101 of the power transmission system of the first embodiment. It is a figure which shows sex. Here, a case is shown in which the degree of coupling between the coupling electrode formed by the passive electrode and the active electrode of the power transmission apparatus 101 and the coupling electrode formed by the passive electrode and the active electrode of the power receiving apparatus 201 is constant and the load is varied.
  • FIG. 7B is a diagram showing an example of the frequency dependence of the voltage conversion ratio of the comparative power transmission system.
  • the power receiving device of this comparative power transmission system has a configuration in which the inductance element L2 shown in FIGS. 3 and 4 is not provided. Therefore, the power receiving apparatus of the comparative power transmission system does not have the second resonance circuit (RC2 in FIG. 4).
  • characteristic curves (1) to (10) indicate characteristics at each resistance value when the resistance value of the load R is changed in the range of 10 ⁇ to 10 k ⁇ . .
  • the voltage conversion ratio V2 / V1 increases as the load resistance increases, and may become excessive when there is no load. Recognize.
  • the marker m17 in FIG. 7B is the voltage conversion ratio V2 / V1 at the rated load.
  • the frequencies at which the voltage conversion ratio V2 / V1 becomes excessive are 280 kHz and 330 kHz, both of which are drive frequencies.
  • the voltage conversion ratio V2 / V1 is kept substantially constant even when the drive frequency varies due to load variation or the like.
  • the coupling frequency between the coupling electrode of the power transmission device and the coupling electrode of the power reception device is constant, and the frequency f0 at which the voltage conversion ratio V2 / V1 is maximum or minimum when the load is changed is the driving frequency.
  • FIG. 6 shows that the minimum frequency when the resistance value of the load R approaches 10 k ⁇ from the low resistance side and the maximum frequency when the resistance value of the load R approaches 10 ⁇ from the high resistance side are matched. If the equivalent circuit constant is set and f0 is separated from f1 and f2, the fluctuation of the voltage conversion ratio V2 / V1 can be reduced.
  • the slope of the voltage conversion ratio V2 / V1 with respect to the frequency is not steep and a stable circuit is obtained.
  • a tracking control circuit that searches for a maximum frequency when approaching 10 ⁇ from the high resistance side can be configured relatively easily.
  • the drive frequency fd is determined between the two resonance frequencies due to the composite resonance of the first resonance circuit RC1 and the second resonance circuit RC2, the change in the voltage conversion ratio V2 / V1 with respect to the frequency change is small. Therefore, the ratio V2 / V1 between the load side voltage V2 and the power transmission device side voltage V1 when the load fluctuates can be stabilized.
  • the drive frequency fd is set to the frequency of the marker m17 (the frequency at which the voltage conversion ratio V2 / V1 at the rated load shows a peak) in FIG. 7A, even if the load fluctuates, the voltage conversion ratio V2 / V1 can be further stabilized.
  • the drive frequency of the high frequency high voltage generation circuit 11 of the power transmission device is determined so that the voltage conversion ratio V2 / V1 is constant, high frequency high voltage generation is performed so that the voltage V1 on the power transmission device side is constant.
  • the circuit 11 may be controlled. That is, the voltage V2 on the power receiving device side can be made constant by detecting the voltage V1 on the power transmitting device side and performing feedback control without directly monitoring the voltage V2 on the power receiving device side.
  • control circuit 52 illustrated in FIG. 5A may control the duty of the switching circuit 56 via the drive control circuit 55.
  • the voltage generated by the drive power supply circuit 51 may be controlled.
  • the degree of coupling varies accordingly. In this way, when the degree of coupling varies, the voltage conversion ratio V2 / V1 changes. Therefore, the voltage generated by the high frequency high voltage generation circuit 11 may be changed according to the degree of coupling.
  • the degree of coupling can be estimated by cooperation with the power receiving device side or by measuring the resonance frequency.
  • the voltage V2 on the power receiving device side can be further stabilized by providing a voltage detector on the power receiving device side and feeding back the information to the power transmitting device side.
  • the influence of the characteristic fluctuation on the frequency fluctuation can be effectively reduced.
  • the piezoelectric transformer is used as the first resonance circuit, a configuration in which energy is not accumulated in the piezoelectric transformer can be realized, heat generation of the piezoelectric transformer can be suppressed, and the piezoelectric transformer can be efficiently taken out to the load.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the power transmission system 402 of the second embodiment.
  • the power transmission apparatus 102 includes a pedestal portion 10D and a backrest portion 10B orthogonal thereto.
  • the power transmission device side passive electrode 12 is provided along the pedestal portion 10 ⁇ / b> D inside the casing of the power transmission device 102.
  • a power transmission device side active electrode 13 is provided on the backrest portion 10B.
  • the power receiving device side passive electrode 17 is provided in the lower part inside the housing of the power receiving device 202. Near the back surface, a power receiving device side active electrode 16 is provided.
  • FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 402 of the second embodiment.
  • the high frequency voltage generation circuit OSC of the power transmission apparatus 102 generates a high frequency voltage having a predetermined drive frequency.
  • the booster circuit 37 using the booster transformer TG boosts the voltage generated by the high-frequency voltage generation circuit OSC and applies it between the passive electrode 12 and the active electrode 13 (see FIG. 8).
  • the capacitance element CG is a capacitance mainly composed of the passive electrode 12 and the active electrode 13.
  • a step-down transformer 45 by a step-down transformer TL is connected between the passive electrode 17 and the active electrode 16 of the power receiving device 201 (see FIG. 8).
  • the capacitance element CL is a capacitance mainly composed of the passive electrode 17 and the active electrode 16.
  • a load circuit RL is connected to the secondary side of the step-down transformer TL.
  • the load circuit RL includes a rectifying / smoothing circuit using a diode and a capacitor, and a secondary battery.
  • the coupling between the coupling electrode of the power transmitting apparatus 102 and the coupling electrode of the power receiving apparatus 202 can be expressed as coupled via a mutual capacitance Cm as shown in FIG.
  • FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 402 of the second embodiment.
  • the step-down transformer 45 is represented by a capacitance element C2, an inductance element Ls, a resistance Rs, and an ideal transformer T as shown in FIG.
  • the inductance element Ls is an inductance component of the transformer
  • the capacitance element C2 is a stray capacitance
  • the resistance Rs is a resistance component of the winding.
  • the first resonant circuit RC1 is configured by the capacitance of the capacitance element CL of the coupling electrode section of the step-down transformer 45 and the power receiving apparatus 202 and the capacitance of the capacitance element CG of the coupling electrode section of the power transmission apparatus 102.
  • the resonance frequency is determined by the circuit constant of the first resonance circuit RC1.
  • a second resonant circuit RC2 is configured by the capacitance element C2 and the inductance element L2 which are the stray capacitances, and the resonance of the second resonance circuit RC2 is formed by the capacitance of the capacitance element C2 and the inductance of the inductance element L2. The frequency is determined.
  • the frequency of the high-frequency high-voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit 31 is determined between two resonance frequencies due to the composite resonance of the first resonance circuit RC1 and the second resonance circuit RC2.
  • FIG. 11 shows the frequency dependence of the ratio (voltage conversion ratio) of the voltage V2 applied to the load of the power receiving apparatus 202 to the voltage V1 applied to the coupling electrode of the power transmitting apparatus 102 of the power transmission system of the second embodiment.
  • a case is shown in which the degree of coupling between the coupling electrode formed by the passive electrode and the active electrode of the power transmitting apparatus 102 and the coupling electrode formed by the passive electrode and the active electrode of the power receiving apparatus 202 is constant and the load is varied.
  • characteristic curves (1) to (10) indicate characteristics at respective resistance values when the resistance value of the load circuit RL is changed in the range of 10 ⁇ to 10 k ⁇ . The larger the number in parentheses, the greater the load resistance value.
  • the frequencies at which the voltage conversion ratio V2 / V1 becomes excessive are 0.2 MHz and 0.45 MHz, which are far from the driving frequency (about 0.3 MHz). Therefore, the voltage conversion ratio V2 / V1 is kept substantially constant even when the drive frequency varies due to load variation or the like.
  • the driving frequency of the high frequency high voltage generation circuit 31 of the power transmission device is determined so that the voltage conversion ratio V2 / V1 is constant.
  • the high frequency high voltage generation circuit 31 may be controlled so that the voltage V1 on the power transmission device side is constant. As a result, the voltage V2 on the power receiving device side can be made constant.
  • FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of the power transmission system 403 of the third embodiment.
  • the power transmission system 403 includes a power transmission device 103 and a power reception device 203.
  • the configuration of the power receiving apparatus 203 is the same as that of the power receiving apparatus 202 shown in the second embodiment.
  • the power transmission device 103 includes a step-up transformer. This step-up transformer is represented by an ideal transformer Tr, a resistor Rr, and an inductance element Lr in FIG.
  • the ideal transformer Tr, the resistor Rr, the inductance element Lr, and the capacitance elements CG and CL of the coupling electrode portion constitute a third resonance circuit RC3.
  • the resonance frequency of the third resonance circuit RC3 is determined by the capacitances of the inductance element Lr and the capacitance elements CG and CL of the coupling electrode portion.
  • the resonance frequency of the third resonance circuit RC3 is determined so as to resonate at the frequency of the high frequency voltage generated by the high frequency voltage generation circuit OSC.
  • the third resonance circuit RC3 resonates with the high frequency high voltage applied to the power transmission device side coupling electrode, so that the boost ratio can be increased and the harmonics are resonated. Can be suppressed.
  • the reactance component can be canceled, impedance matching is performed, and the power transmission efficiency from the power transmission apparatus to the power reception apparatus can be increased.

Abstract

　圧電トランス（３２）は、キャパシタンス素子（Ｃ１，Ｃ２）、インダクタンス素子（Ｌｐ）、キャパシタンス素子（Ｃｐ）、抵抗（Ｒｐ）および理想変圧器（Ｔｐ）で表される。圧電トランス（３２）と受電装置（２０１）の結合電極部のキャパシタンス素子（ＣＬ）のキャパシタンスおよび送電装置（１０１）の結合電極部のキャパシタンス素子（ＣＧ）のキャパシタンスによって第１の共振回路（ＲＣ１）が構成されている。一方、圧電トランス（３２）の等価出力容量（Ｃ２）とインダクタンス素子（Ｌ２）とによって第２の共振回路（ＲＣ２）が構成されている。そして、高周波高電圧発生回路（１１）の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路（ＲＣ１）と第２の共振回路（ＲＣ２）の複合共振による二つの共振周波数の間に定められている。

Description

電力伝送システムおよび受電装置
　本発明は電界結合型のワイヤレスで電力を伝送する電力伝送システムおよび受電装置に関するものである。
　代表的なワイヤレス電力伝送システムとして、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルに磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式の電力伝送システムが知られている。しかし、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、装置の小型化が難しい。
　一方、特許文献１に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムも知られている。このシステムでは、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。この方式は、結合電極の相対位置精度が比較的緩く、また、結合電極の小型・薄型化が可能である。
　図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。この電力伝送システムは、送電装置と受電装置とで構成される。送電装置には、高周波高電圧発生回路１、パッシブ電極２およびアクティブ電極３を備えている。受電装置には、高周波高電圧負荷回路５、パッシブ電極７およびアクティブ電極６を備えている。そして、送電装置のアクティブ電極３と受電装置のアクティブ電極６とが高電圧電界領域４を介して近接することにより、この二つの電極同士が電界結合する。
　このように、電界結合方式のワイヤレス電力伝送では送電装置側、受電装置側ともにアクティブ電極とパッシブ電極を配置し、送電装置と受電装置のアクティブ電極同士、およびパッシブ電極同士を結合させる必要がある。伝送電力および伝送効率は電極間結合の強さに依存する。電極間の結合を強くするためには、電極間距離を短くする、電極面積を大きくすることが考えられる。
特表２００９－５３１００９号公報
　一般に電力伝送系の伝送効率を高める手法として、低損失な共振回路を組み込むことが有効である。この共振回路は、送電装置と受電装置の結合部の静電容量とインダクタで構成する。一般にインダクタのＱ値は容量のＱ値よりも低いため、共振回路として組み合わせた場合、インダクタのＱ値で共振回路のＱ値が制約されてしまう。また、小型且つ低損失なインダクタの実現が課題になる。その課題を解決する一つの方法として、インダクタに、圧電デバイス（圧電共振子、圧電トランス）を用いることが有効である。ところが、圧電デバイスは、小型低損失であるものの、周波数特性が急峻であり、且つ負荷変動時に出力電圧（受電装置側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１との比Ｖ２／Ｖ１）が大きく変動するという課題があった。
　また、圧電デバイスを用いない場合でも、負荷変動や駆動周波数の変動に対して出力電圧が変動する問題があった。
　そこで、本発明は、受電装置の負荷変動や駆動周波数変動が生じる場合の受電装置側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１の比Ｖ２／Ｖ１を安定化させた電力伝送システムおよび受電装置を提供することを目的とする。
（１）本発明の電力伝送システムは、
　アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極、この送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置と、
　前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路を備えた受電装置と、を有し、
　前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極が電界結合することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される。
　そして、前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極とパッシブ電極との間に直列接続された、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分を含む第１の共振回路と、前記キャパシタンス成分とこのキャパシタンス成分に対して並列接続されたインダクタンス成分を含む第２の共振回路と、この第２の共振回路に並列接続された負荷回路とを備え、
　前記高周波高電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路と第２の共振回路の複合共振による二つの共振周波数の間に設定されたことを特徴とする。
（２）前記送電装置は、前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧が一定となるように前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を制御する電圧安定化回路とを備えていることが好ましい。
（３）前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極に接続された入力端子と、前記受電装置側結合電極のパッシブ電極に接続された出力端子と、基準電位端子とを有して、前記入力端子に印加される電圧を降圧して前記出力端子へ出力する圧電トランスを備え、
　前記キャパシタンス成分は前記圧電トランスの等価出力容量であることが好ましい。
（４）前記第１の共振回路は、前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に生じるキャパシタンス成分を含むことが好ましい。
（５）前記高周波高電圧発生回路は、前記送電装置側結合電極に印加される前記高周波高電圧に共振する第３の共振回路を備えることが好ましい。
（６）本発明の受電装置は、
　アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極およびこの送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置に対して対をなす受電装置であって、
　前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路、を有し、
　前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極とパッシブ電極との間に直列接続された、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分を含む第１の共振回路と、前記キャパシタンス成分とこのキャパシタンス成分に対して並列接続されたインダクタンス成分を含む第２の共振回路と、この第２の共振回路に並列接続された負荷回路とを備え、
　前記高周波高電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路と第２の共振回路の複合共振による二つの共振周波数の間に設定されたことを特徴とする。
　第１の共振器と第２の共振回路が結合する複合共振系を構成するので、送電装置と受電装置との整合が改善され、第１の共振回路内の定在波が低減し、電気振動エネルギーが負荷へスムーズに伝送されることにより、負荷が変動した場合の負荷側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１の比Ｖ２／Ｖ１を安定化できる。
図１は特許文献１の電力伝送システムの基本構成を示す図である。 図２は第１の実施形態の電力伝送システムの構成図である。 図３は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の回路図である。 図４は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の等価回路図である。 図５（Ａ）は送電装置１０１の高周波高電圧発生回路のブロック構成図である。図５（Ｂ）はスイッチング回路５６の構成と駆動制御回路５５との関係を示す図である。 図６は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の別の等価回路図である。 図７（Ａ）は第１の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０１の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０１の結合電極に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す図である。図７（Ｂ）は比較対照用の電力伝送システム（）の電圧変換比の周波数依存性の例を示す図である。 図８は第２の実施形態の電力伝送システムの構成図である。 図９は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。 図１０は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。 図１１は第２の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０２の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０２の結合電極に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す。 図１２は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の等価回路図である。
《第１の実施形態》
　図２は第１の実施形態の電力伝送システムの構成図である。ここでは、特に送電装置１０１に受電装置２０１を装着した状態を表している。送電装置１０１には送電装置側のアクティブ電極１３およびパッシブ電極１２で構成される送電装置側結合電極が設けられている。受電装置２０１には受電装置側のアクティブ電極１６およびパッシブ電極１７で構成される受電装置側結合電極が設けられている。
　受電装置２０１には受電回路１５が設けられている。この受電回路１５は圧電トランス３２、インダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬを備えている。受電装置側のパッシブ電極１７に圧電トランス３２の基準電位端子Ｅ１２が接続され、パッシブ電極１７と出力端子Ｅ１１との間にインダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬが接続されている。後に詳述するように、圧電トランス３２で降圧された電圧は負荷回路ＲＬに供給される。負荷回路ＲＬは整流平滑回路およびこの整流平滑回路から出力される直流電圧で動作する負荷で構成されている。
　このように送電装置１０１に受電装置２０１を装着した状態で、送電装置１０１から受電装置２０１へ高電圧電界領域４を介して電力伝送がなされる。
　本発明の電力伝送システムは、電界結合（準静的な電場）を用いた短距離エネルギー伝送を基本原理とする。波長λが電場発振源のサイズや動作範囲（距離ｄ）に対して十分長い場合、すなわちｄ／λ＜＜１の関係であれば、準静的な電場は電場発生源の近傍に留まり（束縛され）、遠方への放射量は無視できる程度に小さい。すなわち、電磁波としてエネルギーが放射されることが殆どない。
　なお、電磁波はトランスバースモード（電界と磁界の両方が伝播方向に対して垂直）であるのに対し、本発明のように準静的な電場を使用した電力伝送では、エネルギーが電界と同じ方向に伝送される。準静電場を取り扱う低周波数帯では、すなわち、“Ｚ＝Ｖ／Ｉ”（Ｚ：インピーダンス、Ｖ：電圧、Ｉ：電流）の公式が当てはまる。
　前記負荷は例えば受電装置２０１の電源用の二次電池を備え、受電装置２０１を送電装置１０１に装着することにより、受電装置２０１内の二次電池が充電される。
　図３は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の回路図である。送電装置１０１の高周波高電圧発生回路１１は例えば１００ｋＨｚ～数１０ＭＨｚの高周波電圧を発生する。この高周波高電圧発生回路１１の発生する電圧がパッシブ電極１２とアクティブ電極１３との間に印加される。キャパシタンス素子ＣＧは主にパッシブ電極１２とアクティブ電極１３とによる容量である。
　受電装置２０１のパッシブ電極１７とアクティブ電極１６との間には、圧電トランス３２及びインダクタンス素子Ｌ２による降圧回路が接続されている。キャパシタンス素子ＣＬは主にパッシブ電極１７とアクティブ電極１６とによる容量である。
　圧電トランス３２は基準電位端子Ｅ１２と入力端子Ｅ２０との間に印加される電圧を降圧して出力端子Ｅ１１へ出力する。
　送電装置１０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合は相互容量Ｃｍを介して結合しているものと表すことができる。
　例えば、高周波高電圧発生回路１１は１００～３ｋＶの高周波高電圧を発生し、圧電トランス３２はキャパシタンス素子ＣＬに誘起される電圧１００～３ｋＶを５～１２Ｖに降圧して負荷回路ＲＬへ出力する。
　なお、受電装置２０１のパッシブ電極１７に圧電トランス３２の出力端子Ｅ１１が接続され、パッシブ電極１７と基準電位端子Ｅ１２との間にインダクタンス素子Ｌ２および負荷回路ＲＬが接続されてもよい。すなわち、基準電位端子Ｅ１２と出力端子Ｅ１１とは入れ替えてもよい。
　図４は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の等価回路図である。圧電トランス３２は、図４に示すように、キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２、インダクタンス素子Ｌｐ、キャパシタンス素子Ｃｐ、抵抗Ｒｐおよび理想変圧器Ｔｐで表される。
　キャパシタンス素子Ｃ２は圧電トランスの等価出力容量であり、キャパシタンス素子Ｃｐおよびインダクタンス素子Ｌｐは電気機械的なパラメータである。圧電トランス３２の共振周波数は主にキャパシタンス素子Ｃｐとインダクタンス素子Ｌｐによる共振回路の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この圧電トランス３２と受電装置２０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＬのキャパシタンスおよび送電装置１０１の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧによって第１の共振回路ＲＣ１が構成されている。この第１の共振回路ＲＣ１の回路定数によって第１の共振回路ＲＣ１の共振周波数が定まる。
　なお、送電装置と受電装置の結合を強くすると伝送電力の向上が図れるが、そのために相互容量Ｃｍを大きくすると、相手側（＝送電装置側）の容量の影響が無視できなくなるので、その場合には第１の共振回路ＲＣ１のキャパシタンス成分に、送電装置側結合電極および受電装置側結合電極に生じるキャパシタンス成分ＣＧを含めて設計することが好ましい。
　一方、圧電トランス３２の等価出力容量であるキャパシタンス素子（キャパシタンス成分）Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２とによって第２の共振回路ＲＣ２が構成されていて、このキャパシタンス素子Ｃ２のキャパシタンスとインダクタンス素子Ｌ２のインダクタンスとによって第２の共振回路ＲＣ２の共振周波数が定まる。
　高周波高電圧発生回路１１の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路ＲＣ１と第２の共振回路ＲＣ２の複合共振（結合共振）による二つの共振周波数の間に定められている。
　圧電トランス３２は容量性デバイスであるので、前記インダクタンス素子Ｌ２は負荷回路ＲＬと圧電トランス３２とのインピーダンス整合回路としても作用している。そのため、第１の共振回路ＲＣ１内の定在波が低減し、圧電トランス３２に不要なエネルギーが蓄積されず、負荷回路ＲＬへスムーズにエネルギーが流れる。これにより圧電トランス３２の過熱が防止される。
　また、降圧回路に容量性デバイスである圧電トランスを用いることにより、巻線トランスを用いる場合に比べて電力送電装置を小型化できるとともに漏れ磁界を抑制することができる。
　図５（Ａ）は送電装置１０１の高周波高電圧発生回路のブロック構成図である。ここで駆動電源回路５１は商用電源を入力して一定の直流電圧（例えばＤＣ５Ｖ）を発生する電源回路である。制御回路５２は次に述べる各部との間で信号を入出力して各部の制御を行う。
　駆動制御回路５５は制御回路５２から出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号に従ってスイッチング回路５６のスイッチ素子をスイッチングする。スイッチング回路５６は後に示すように昇圧回路３７の入力部を交番駆動する。
　ＡＣＶ検出回路５８は、パッシブ電極１２を基準とするアクティブ電極１３への印加電圧を容量分圧し、分圧された交流電圧を整流した直流電圧を検出信号Ｖ（ＡＣＶ）として生成する。このＡＣＶ検出回路５８は本発明に係る「電圧検出回路」に相当する。制御回路５２はこの検出信号Ｖ（ＡＣＶ）を読み取って、この検出信号Ｖ（ＡＣＶ）が一定となるように高周波高電圧発生回路の発生電圧を帰還制御する。この帰還制御を行う制御回路５２が本発明に係る「電圧安定化回路」に相当する。
　図５（Ｂ）は前記スイッチング回路５６の構成と駆動制御回路５５との関係を示す図である。スイッチング回路５６はハイサイドのスイッチ素子とローサイドのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦによってプッシュプル動作を行い、昇圧回路３７を交番駆動する。
　図６は第１の実施形態の電力伝送システム４０１の別の等価回路図である。この等価回路は、前記第１の共振回路と第２の共振回路を複合させた等価回路である。ここでキャパシタＣｏは送電装置および受電装置の結合電極部に生じるキャパシタンス成分、キャパシタＣは図４に示したキャパシタＣｐに相当し、インダクタＬは図４に示したインダクタＬｐに相当する。
　図７（Ａ）は第１の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０１の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０１の負荷に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す図である。ここで、送電装置１０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０１のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合度を一定とし、負荷を変動させた場合について表している。
　図７（Ａ）において、共振周波数ｆｏの角周波数ωｏ（＝２πｆｏ）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、共振周波数ｆ１の角周波数ω１（＝２πｆ１）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　さらに、共振周波数ｆ２の角周波数ω２（＝２πｆ２）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図７（Ｂ）は比較対照用電力伝送システムの前記電圧変換比の周波数依存性の例を示す図である。この比較対照用電力伝送システムの受電装置は、図３、図４に示したインダクタンス素子Ｌ２を設けていない構成である。したがって、比較対照用電力伝送システムの受電装置は第２の共振回路（図４中のＲＣ２）は存在しない。
　図７（Ａ）、図７（Ｂ）において、特性曲線(1)～(10)は負荷Ｒの抵抗値を１０Ω～１０ｋΩの範囲で変化させたときの各抵抗値での特性を示している。括弧内の数字が大きいほど負荷抵抗の値は大きい。図７（Ｂ）においては(5)以上の高抵抗負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１のピークが図のレンジから大きくはみ出ている。
　第２の共振回路を備えない受電装置を用いると、図７（Ｂ）から明らかなように、負荷抵抗を高くするにしたがい電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が増大し、無負荷では過大になることがわかる。図７（Ｂ）中のマーカーｍ１７は定格負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１であるが、この定格負荷で電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が確保できる周波数（約３０５ｋＨｚ）と、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数（約３０９ｋＨｚ）が非常に近接しているので、負荷変動にともなう周波数変動によって電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が変化し、受電装置側電圧Ｖ２が大きく変動することになる。そのため、負荷変動に対して精密・敏感な制御が要求される。
　これに対し、本発明の第１の実施形態によれば、図７（Ａ）に表れているように、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数は、２８０ｋＨｚおよび３３０ｋＨｚであり、共に駆動周波数（約３０５ｋＨｚ）から大きく離れており、負荷変動等によって駆動周波数が変動しても電圧変換比Ｖ２／Ｖ１はほぼ一定に保たれる。
　送電装置の結合電極と受電装置の結合電極の結合度を一定とし、負荷を変動させた場合に電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が極大もしくは極小を示す周波数ｆ０を駆動周波数とするのが最良である。負荷Ｒの抵抗値を低抵抗側から１０ｋΩに近づけた場合の極小となる周波数と負荷Ｒの抵抗値を高抵抗側から１０Ωに近づけた場合の極大となる周波数とを一致させるように、図６の等価回路定数を設定し、ｆ１およびｆ２からｆ０を離せば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の変動を小さくすることができる。
　図７（Ａ）の特性曲線（３）、（４）を示す負荷Ｒの抵抗値を定格負荷として設定すれば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の周波数に対する傾きが急峻ではなく、安定な回路になる。また、高抵抗側から１０Ωに近づけた場合の極大となる周波数を探す追従制御回路も比較的簡易に構成できる。
　このように、駆動周波数ｆｄを第１の共振回路ＲＣ１および第２の共振回路ＲＣ２の複合共振による二つの共振周波数の間に定めれば、周波数変化に対する電圧変換比Ｖ２／Ｖ１の変化が小さい関係となるので、負荷が変動した場合の負荷側電圧Ｖ２と送電装置側電圧Ｖ１の比Ｖ２／Ｖ１を安定化できる。
　特に、駆動周波数ｆｄを図７（Ａ）のマーカーｍ１７（定格負荷での電圧変換比Ｖ２／Ｖ１がピークを示す周波数）の周波数に定めれば、負荷が変動した場合でも、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１をより安定化できる。
　このように、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が一定となるように送電装置の高周波高電圧発生回路１１の駆動周波数を定めておけば、送電装置側の電圧Ｖ１が一定になるように高周波高電圧発生回路１１を制御すればよい。すなわち、受電装置側の電圧Ｖ２を直接モニタリングすることなく、送電装置側の電圧Ｖ１を検出してフィードバック制御することで、受電装置側の電圧Ｖ２を一定にできる。
　なお、駆動周波数は一定にする必要があるので、周波数制御による発生電圧制御を行うことはできない。そのため、図５（Ａ）に示した制御回路５２は駆動制御回路５５を介してスイッチング回路５６のデューティを制御すればよい。または駆動電源回路５１が発生する電圧を制御してもよい。
　送電装置の結合電極と受電装置の結合電極との位置関係が変位すると、それに応じて結合度が変動する。このように結合度が変動するような場合には電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が変化してしまうため、その結合度に応じて高周波高電圧発生回路１１の発生する電圧を変化させればよい。結合度は、受電装置側との連携や共振周波数の測定によって推定できる。
　なお、受電装置側に電圧検出部を備え、送電装置側にその情報をフィードバックさせれば、受電装置側の電圧Ｖ２をより安定化させることができる。
　第１の実施形態によれば、周波数特性が急峻な圧電トランスを用いる場合でも、周波数変動に対する特性変動の影響を効果的に軽減できる。また、圧電トランスを第１の共振回路として用いた場合、圧電トランスにエネルギーを無駄に蓄積しない構成が実現でき、圧電トランスの発熱を抑え、効率よく負荷に取り出すことができる。
《第２の実施形態》
　図８は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の構成図である。ここでは、特に送電装置１０２に受電装置２０２を装着した状態での断面を表している。送電装置１０２は台座部１０Ｄと、それに直交する背もたれ部１０Ｂを備えている。送電装置１０２の筐体内部で台座部１０Ｄに沿って送電装置側パッシブ電極１２が設けられている。背もたれ部１０Ｂには送電装置側アクティブ電極１３が設けられている。受電装置２０２の筐体内部で下部に受電装置側パッシブ電極１７が設けられている。背面付近には受電装置側アクティブ電極１６が設けられている。
　このように送電装置１０２に受電装置２０２を装着した状態で、送電装置１０２から受電装置２０２へ電力伝送がなされる。
　図９は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。図９において、送電装置１０２の高周波電圧発生回路ＯＳＣは所定の駆動周波数の高周波電圧を発生する。昇圧トランスＴＧによる昇圧回路３７は、高周波電圧発生回路ＯＳＣの発生する電圧を昇圧してパッシブ電極１２とアクティブ電極１３との間（図８参照）に印加する。キャパシタンス素子ＣＧは主にパッシブ電極１２とアクティブ電極１３とによる容量である。
　受電装置２０１のパッシブ電極１７とアクティブ電極１６との間（図８参照）には、降圧トランスＴＬによる降圧トランス４５が接続されている。キャパシタンス素子ＣＬは主にパッシブ電極１７とアクティブ電極１６とによる容量である。降圧トランスＴＬの二次側には負荷回路ＲＬが接続されている。この負荷回路ＲＬは、ダイオードとコンデンサによる整流平滑回路及び二次電池で構成されている。送電装置１０２の結合電極と受電装置２０２の結合電極との結合は図９中に示すように、相互容量Ｃｍを介して結合しているものと表すことができる。
　図１０は第２の実施形態の電力伝送システム４０２の等価回路図である。前記降圧トランス４５は、図１０に示すように、キャパシタンス素子Ｃ２、インダクタンス素子Ｌｓ、抵抗Ｒｓおよび理想変圧器Ｔで表される。
　インダクタンス素子Ｌｓはトランスのインダクタンス成分、キャパシタンス素子Ｃ２は浮遊容量、抵抗Ｒｓは巻線の抵抗成分である。この降圧トランス４５と受電装置２０２の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＬのキャパシタンスおよび送電装置１０２の結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧのキャパシタンスによって第１の共振回路ＲＣ１が構成されている。この第１の共振回路ＲＣ１の回路定数によって、その共振周波数が定まる。
　一方、前記浮遊容量であるキャパシタンス素子Ｃ２とインダクタンス素子Ｌ２とによって第２の共振回路ＲＣ２が構成されていて、このキャパシタンス素子Ｃ２のキャパシタンスとインダクタンス素子Ｌ２のインダクタンスとによって第２の共振回路ＲＣ２の共振周波数が定まる。
　高周波高電圧発生回路３１の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路ＲＣ１と第２の共振回路ＲＣ２の複合共振による二つの共振周波数の間に定められている。
　図１１は第２の実施形態の電力伝送システムの送電装置１０２の結合電極に印加される電圧Ｖ１に対する受電装置２０２の負荷に印加される電圧Ｖ２の比率（電圧変換比）の周波数依存性を示す。ここで、送電装置１０２のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極と受電装置２０２のパッシブ電極とアクティブ電極とによる結合電極との結合度を一定とし、負荷を変動させた場合について表している。
　図１１において、特性曲線(1)～(10)は負荷回路ＲＬの抵抗値を１０Ω～１０ｋΩの範囲で変化させたときの各抵抗値での特性を示している。括弧内の数字が大きいほど負荷抵抗の値は大きい。
　本発明の第２の実施形態によれば、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が過大になる周波数は、０．２ＭＨｚおよび０．４５ＭＨｚであり、駆動周波数（約０．３ＭＨｚ）から大きく離れている。そのため、負荷変動等によって駆動周波数が変動しても電圧変換比Ｖ２／Ｖ１はほぼ一定に保たれる。
　このように巻線型のトランスを用いた受電装置を備えた電源伝送システムについても、電圧変換比Ｖ２／Ｖ１が一定となるように送電装置の高周波高電圧発生回路３１の駆動周波数を定めておけば、送電装置側の電圧Ｖ１が一定になるように高周波高電圧発生回路３１を制御すればよい。そのことで受電装置側の電圧Ｖ２を一定にできる。
《第３の実施形態》
　図１２は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の等価回路図である。この電力伝送システム４０３は送電装置１０３および受電装置２０３を備えている。受電装置２０３の構成は第２の実施形態で示した受電装置２０２と同じである。送電装置１０３は昇圧トランスを備えている。この昇圧トランスは図１２における理想変圧器Ｔｒ、抵抗Ｒｒおよびインダクタンス素子Ｌｒで表される。この理想変圧器Ｔｒ、抵抗Ｒｒ、インダクタンス素子Ｌｒおよび結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧ，ＣＬによって第３の共振回路ＲＣ３が構成されている。そしてインダクタンス素子Ｌｒおよび結合電極部のキャパシタンス素子ＣＧ，ＣＬのキャパシタンスによって第３の共振回路ＲＣ３の共振周波数が定まる。
　第３の共振回路ＲＣ３は、高周波電圧発生回路ＯＳＣが発生する高周波電圧の周波数で共振するように共振周波数が定められている。
　第３の実施形態によれば、送電装置側結合電極に印加される高周波高電圧に第３の共振回路ＲＣ３が共振することにより、昇圧比を上げることができるとともに共振させているので高調波を抑制することができる。また、リアクタンス成分をキャンセルすることができるので、インピーダンス整合がなされて送電装置から受電装置への電力伝送効率を高めることができる。
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタンス素子
ＣＧ，ＣＬ…キャパシタンス素子
Ｃｍ…相互容量
Ｃｐ…キャパシタンス素子
Ｅ１１…出力端子
Ｅ１２…基準電位端子
Ｅ２０…入力端子
Ｌ２…インダクタンス素子
Ｌｐ…インダクタンス素子
Ｌｒ…インダクタンス素子
Ｌｓ…インダクタンス素子
ＯＳＣ…高周波電圧発生回路
ＲＣ１…第１の共振回路
ＲＣ２…第２の共振回路
ＲＣ３…第３の共振回路
ＲＬ…負荷回路
Ｒｐ，Ｒｒ，Ｒｓ…抵抗
ＴＧ…昇圧トランス
ＴＬ…降圧トランス
Ｔ，Ｔｐ，Ｔｒ…理想変圧器
Ｖ…検出信号
Ｖ１…送電装置側電圧
Ｖ２…受電装置側電圧
１１…高周波高電圧発生回路
１２…送電装置側パッシブ電極
１３…送電装置側アクティブ電極
１５…受電回路
１６…受電装置側アクティブ電極
１７…受電装置側パッシブ電極
３１…高周波高電圧発生回路
３２…圧電トランス
３７…昇圧回路
４５…降圧トランス
５１…駆動電源回路
５２…制御回路
５５…駆動制御回路
５６…スイッチング回路
５８…ＡＣＶ検出回路
１０１～１０３…送電装置
２０１～２０３…受電装置
４０１～４０３…電力伝送システム

Claims (6)

  1. 　アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極、この送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置と、
    　前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路を備えた受電装置と、を有し、
    　前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極が電界結合することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送される電力伝送システムにおいて、
    　前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極とパッシブ電極との間に直列接続された、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分を含む第１の共振回路と、前記キャパシタンス成分とこのキャパシタンス成分に対して並列接続されたインダクタンス成分を含む第２の共振回路と、この第２の共振回路に並列接続された負荷回路とを備え、
    　前記高周波高電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路と第２の共振回路の複合共振による二つの共振周波数の間に設定されたことを特徴とする電力伝送システム。
  2. 　前記送電装置は、前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を検出する電圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧が一定となるように前記高周波高電圧発生回路の発生電圧を制御する電圧安定化回路とを備えた、請求項１に記載の電力伝送システム。
  3. 　前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極に接続された入力端子と、前記受電装置側結合電極のパッシブ電極に接続された出力端子と、基準電位端子とを有して、前記入力端子に印加される電圧を降圧して前記出力端子へ出力する圧電トランスを備え、
    　前記キャパシタンス成分は前記圧電トランスの等価出力容量である、請求項１または２に記載の電力伝送システム。
  4. 　前記第１の共振回路は、前記送電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に生じるキャパシタンス成分を含む、請求項１～３にいずれかに記載の電力伝送システム。
  5. 　前記高周波高電圧発生回路は、前記送電装置側結合電極に印加される前記高周波高電圧に共振する第３の共振回路を備える、請求項１～４にいずれかに記載の電力伝送システム。
  6. 　アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される送電装置側結合電極およびこの送電装置側結合電極に高周波高電圧を印加する高周波高電圧発生回路を備えた送電装置に対して対をなす受電装置であって、
    　前記送電装置側結合電極に結合する、アクティブ電極およびパッシブ電極で構成される受電装置側結合電極および前記受電装置側結合電極に接続された受電回路、を有し、
    　前記受電回路は、前記受電装置側結合電極のアクティブ電極とパッシブ電極との間に直列接続された、インダクタンス成分およびキャパシタンス成分を含む第１の共振回路と、前記キャパシタンス成分とこのキャパシタンス成分に対して並列接続されたインダクタンス成分を含む第２の共振回路と、この第２の共振回路に並列接続された負荷回路とを備え、
    　前記高周波高電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、第１の共振回路と第２の共振回路の複合共振による二つの共振周波数の間に設定されたことを特徴とする受電装置。
PCT/JP2012/062902 2011-06-13 2012-05-21 電力伝送システムおよび受電装置 WO2012172929A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1313264.2A GB2502903A (en) 2011-06-13 2012-05-21 Power transmission system and power reception device
CN201280015569.4A CN103477534B (zh) 2011-06-13 2012-05-21 电力传输系统以及受电装置
JP2013520486A JP5590237B2 (ja) 2011-06-13 2012-05-21 電力伝送システムおよび受電装置
US14/017,698 US9531216B2 (en) 2011-06-13 2013-09-04 Power transmission system and power receiving apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011131094 2011-06-13
JP2011-131094 2011-06-13

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/017,698 Continuation US9531216B2 (en) 2011-06-13 2013-09-04 Power transmission system and power receiving apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012172929A1 true WO2012172929A1 (ja) 2012-12-20

Family

ID=47356923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/062902 WO2012172929A1 (ja) 2011-06-13 2012-05-21 電力伝送システムおよび受電装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9531216B2 (ja)
JP (2) JP5590237B2 (ja)
CN (1) CN103477534B (ja)
GB (1) GB2502903A (ja)
WO (1) WO2012172929A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015053781A (ja) * 2013-09-06 2015-03-19 株式会社村田製作所 電力変換器
WO2015050095A1 (ja) * 2013-10-03 2015-04-09 株式会社村田製作所 送電装置、受電装置及びワイヤレス電力伝送システム
WO2015053246A1 (ja) * 2013-10-09 2015-04-16 株式会社村田製作所 ワイヤレス電力伝送システム
JP2017005790A (ja) * 2015-06-05 2017-01-05 Tdk株式会社 ワイヤレス電力伝送システム

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9775200B2 (en) * 2014-02-12 2017-09-26 Philips Lighting Holding B.V. Illumination system comprising an array of LEDs
US9673658B2 (en) * 2014-03-06 2017-06-06 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Non-contact capacitive coupling type power charging apparatus and non-contact capacitive coupling type battery apparatus
CN107409007B (zh) 2015-03-03 2019-12-24 华为技术有限公司 用于调度终端设备的方法和网络设备
US20210281123A1 (en) * 2020-03-05 2021-09-09 Powermat Technologies Ltd. Dynamic resonance for wireless power systems

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0538232U (ja) * 1991-10-25 1993-05-25 株式会社東海理化電機製作所 車両用キー装置
JPH09312942A (ja) * 1996-05-21 1997-12-02 Hitachi Ltd 非接触式集電方法およびその装置
JP2009296857A (ja) * 2008-06-09 2009-12-17 Sony Corp 伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法
JP2010537613A (ja) * 2007-08-17 2010-12-02 Ｔｍｍｓ株式会社 電気双極子間の近接場における遠隔縦結合によって電気エネルギを伝達し、分配し、かつ管理するための方法および装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0538232A (ja) 1991-08-07 1993-02-19 Nippon Steel Chem Co Ltd 育苗マツト充填方法及び装置
JPH09312842A (ja) * 1996-05-23 1997-12-02 Ekushingu:Kk Ｍｐｅｇデータ再生装置及びその再生装置を備えたｍｐｅｇデータ供給・再生システム
JPH1092673A (ja) * 1996-07-26 1998-04-10 Tdk Corp 非接触電力伝送装置
JP2002111090A (ja) 2000-09-27 2002-04-12 Nagano Japan Radio Co 圧電トランスおよび圧電トランスの駆動方法
BRPI0621437A2 (pt) 2006-03-21 2012-07-10 Tmms Co Ltd dispositivos de transporte da eletricidade através do vácuo e de materiais dielétricos
JP5375032B2 (ja) * 2008-11-04 2013-12-25 株式会社豊田自動織機 非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送装置の設計方法
JP5093386B2 (ja) * 2010-08-25 2012-12-12 株式会社村田製作所 送電装置および電力伝送システム
WO2012157012A1 (en) * 2011-05-13 2012-11-22 Murata Manufacturing Co., Ltd. Power transmitting device, power receiving device, and power transmission system
JP5884830B2 (ja) * 2011-10-27 2016-03-15 トヨタ自動車株式会社 非接触受電装置、非接触送電装置および非接触送受電システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0538232U (ja) * 1991-10-25 1993-05-25 株式会社東海理化電機製作所 車両用キー装置
JPH09312942A (ja) * 1996-05-21 1997-12-02 Hitachi Ltd 非接触式集電方法およびその装置
JP2010537613A (ja) * 2007-08-17 2010-12-02 Ｔｍｍｓ株式会社 電気双極子間の近接場における遠隔縦結合によって電気エネルギを伝達し、分配し、かつ管理するための方法および装置
JP2009296857A (ja) * 2008-06-09 2009-12-17 Sony Corp 伝送システム、給電装置、受電装置、及び伝送方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOMOFUMI YAMASHITA: "Novel Power-Saving Type Inverter with Piezo-Electric Transformer for Back Light of Liquid Crystal Panel", RICOH TECHNICAL REPORT, vol. 31, no. 31, 2 August 2012 (2012-08-02), pages 59 - 66, Retrieved from the Internet <URL:http://www.ricoh.co.jp/about/company/technology/techreport/31/pdf/A3108.pdf> [retrieved on 20120802] *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015053781A (ja) * 2013-09-06 2015-03-19 株式会社村田製作所 電力変換器
WO2015050095A1 (ja) * 2013-10-03 2015-04-09 株式会社村田製作所 送電装置、受電装置及びワイヤレス電力伝送システム
JP5935950B2 (ja) * 2013-10-03 2016-06-15 株式会社村田製作所 送電装置、受電装置及びワイヤレス電力伝送システム
WO2015053246A1 (ja) * 2013-10-09 2015-04-16 株式会社村田製作所 ワイヤレス電力伝送システム
JP5862844B2 (ja) * 2013-10-09 2016-02-16 株式会社村田製作所 ワイヤレス電力伝送システム
JP2017005790A (ja) * 2015-06-05 2017-01-05 Tdk株式会社 ワイヤレス電力伝送システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014212697A (ja) 2014-11-13
CN103477534A (zh) 2013-12-25
JP5871034B2 (ja) 2016-03-01
JP5590237B2 (ja) 2014-09-17
GB2502903A (en) 2013-12-11
CN103477534B (zh) 2015-08-12
GB201313264D0 (en) 2013-09-11
US9531216B2 (en) 2016-12-27
US20140009002A1 (en) 2014-01-09
JPWO2012172929A1 (ja) 2015-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5871034B2 (ja) 電力伝送システムおよび受電装置
CN107257167B (zh) 送电装置以及无线电力传输系统
US7999414B2 (en) Apparatus and method for wireless energy and/or data transmission between a source device and at least one target device
JP6009043B2 (ja) 非接触電力伝送装置
JP5426570B2 (ja) 誘導電力転送回路
KR101436063B1 (ko) 무선 전력 송수신 장치
WO2010101078A1 (ja) 非接触電力供給装置及び方法
JP5299578B2 (ja) 電力送電装置及び電力伝送システム
JP5516824B2 (ja) 電力伝送システム
CA2639155A1 (en) Apparatus and method for wireless energy and/or data transmission between a source device and at least one target device
JP5862844B2 (ja) ワイヤレス電力伝送システム
EP2603964A1 (en) Wireless energy transmission
JP5949773B2 (ja) 受電装置およびそれを備える車両、ならびに電力伝送システム
JP2012110199A (ja) 電力伝送システム
KR102630557B1 (ko) 무선전력 송신장치
CN101179207A (zh) 一种无线电能传输、充电方法及其装置
JP2012110211A (ja) 電力伝送システム
JP2012034524A (ja) 無線電力伝送装置
JP6112222B2 (ja) 周波数特性測定方法
JP2013081331A (ja) 非接触電力伝送装置
KR101413490B1 (ko) 무선전력 전송장치 및 이를 이용한 무선충전공간을 구축하는 방법
JP2013165617A (ja) 非接触給電装置及びそれを用いた非接触給電システム

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12800851

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013520486

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 1313264

Country of ref document: GB

Kind code of ref document: A

Free format text: PCT FILING DATE = 20120521

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1313264.2

Country of ref document: GB

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12800851

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENPC Correction to former announcement of entry into national phase, pct application did not enter into the national phase

Ref country code: GB