WO2013115245A1 - 非接触電力伝送システム - Google Patents

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田中 信吾
雄太 中川
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矢崎総業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a contactless power transmission system.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a conventional non-contact power transmission system.
  • the non-contact power transmission system 1 includes a power feeding unit 3 as a power feeding unit provided on a fixed body 2 such as a ground of a parking lot, and a power receiving unit 5 as a power receiving unit provided in an abdomen of an automobile 4.
  • a variable voltage source 12 that applies a voltage to both ends of a power supply side varactor 8 (described later) of the power supply unit 3, a control unit 14 that adjusts and controls the voltage of the variable voltage source 12, and a power reception side varactor 11
  • a variable voltage source 15 that applies a voltage to both ends of the variable voltage source 15, and a control unit 16 that adjusts and controls the voltage of the variable voltage source 15.
  • the power supply unit 3 is provided with a power supply side coil 7 to which power is supplied and a power supply side varactor 8 as a capacitor connected in parallel to the power supply side coil 7.
  • the power supply side varactor 8 is a diode whose capacitance value changes according to the voltage applied to both ends.
  • the power receiving unit 5 includes a power receiving side coil 9 and a power receiving side varactor 11 connected in parallel to the power receiving side coil 9.
  • the power receiving varactor 11 is a diode whose capacitance value changes according to the voltage applied to both ends.
  • the power feeding side coil 7 and the power receiving side coil 9 face each other with an interval in the axial direction, the power feeding side coil 7 and the power receiving side are received.
  • the side coil 9 can be electromagnetically coupled to supply power from the power feeding unit 3 to the power receiving unit 5 in a contactless manner.
  • Both the power feeding side coil 7 and the power receiving side coil 9 have the same configuration. Both ends of the coil are ports, both ends of the power supply side coil 7 are power supply ports, and both ends of the power reception side coil 9 are power reception ports.
  • the power feeding side varactor 8 and the power receiving side varactor 11 connected in parallel with the coil are used for adjusting the resonance frequency of the resonance circuit composed of the coil and the capacitor and impedance matching at the port.
  • ferrite may be used in combination, but FIG. 5 shows a configuration without ferrite.
  • simulation (moment method) will be described with an example in which the diameter of the coil is 60 mm, the diameter of the copper wire constituting the coil is 1.2 mm, the number of coil turns is 5, and the impedance of the port is 50 ⁇ . The value of is also valid.
  • FIG. 7 shows (A) frequency versus transmission efficiency when the distance d between the power supply side coil 7 and the power reception side coil 9 is changed when the capacitance values Cp of the power supply side varactor 8 and the power reception side varactor 11 are fixed.
  • the characteristics and (B) frequency vs. reflection characteristics are shown.
  • impedance matching cannot be obtained and reflection loss increases, which causes a reduction in transmission efficiency.
  • an object of the present invention is to provide a non-contact power transmission system that can optimize impedance matching and reduce a decrease in transmission efficiency.
  • the invention according to claim 1 for solving the above-described problem is provided with a power feeding means 3 provided with a power feeding side coil 7 to which power is supplied, and a power receiving side coil 9 electromagnetically coupled to the power feeding side coil 7.
  • the resonance circuit is configured in parallel with at least one of the power feeding side coil 7 and the power receiving side coil 9, and the capacitance value is the power feeding
  • the resonance frequency of the resonance circuit in the case where the power supply side coil 7 and the power receiving side coil 9 are critically coupled at a predetermined distance between the side coil 7 and the power receiving side coil 9, and the distance between the coils that is equal to or less than the predetermined distance between the coils
  • a capacitor 8 (11) that is variable so as to coincide with a resonance frequency in the case of overcoupling in FIG.
  • the invention according to claim 2 for solving the above-described problem is the non-contact power transmission system according to claim 1, wherein the capacitor 8 (11) has the capacitance value at the predetermined inter-coil distance.
  • the resonance circuit is configured by being connected in parallel to at least one of the power supply side coil and the power reception side coil, and the capacitance value is between the predetermined coils between the power supply side coil and the power reception side coil.
  • the resonance frequency of the resonance circuit when the power supply side coil and the power reception side coil are critically coupled at a distance is varied so that the resonance frequency when the coil is overcoupled at a distance between the coils that is equal to or less than a predetermined distance between the coils. Since the capacitor between the power supply side coil and the power reception side coil varies, the impedance matching is optimized and the reduction in transmission efficiency is reduced by changing the capacitance of the capacitor accordingly. be able to.
  • the capacitance value is a resonance frequency of the resonance circuit when the power supply side coil and the power reception side coil 9 are critically coupled at a predetermined inter-coil distance, and a coil having a predetermined inter-coil distance or less. Since it has a capacitor that can be varied so that the resonance frequency having a lower one of the two resonance frequencies in the case of overcoupling having two resonance frequencies in the distance between the power supply side coil and the power reception side Even if the inter-coil distance of the coil varies, impedance matching can be optimized and reduction in transmission efficiency can be reduced by varying the capacitance of the capacitor accordingly.
  • the distance measuring unit measures the inter-coil distance between the feeding side coil and the receiving side coil
  • the adjusting unit adjusts the capacitance value of the capacitor according to the inter-coil distance measured by the distance measuring unit. Therefore, even if the distance between the coils of the power supply side coil and the power reception side coil varies, the capacity should be adjusted so that impedance matching can be automatically optimized and reduction in transmission efficiency can be reduced accordingly. Can do.
  • (Embodiment) 1 shows transmission characteristics when the distance d between the power supply side coil and the power reception side coil at the resonance frequency of 1 MHz in the non-contact power transmission system of FIG. 1 is changed, (A) is a frequency vs. transmission efficiency characteristic diagram, (B). Is a frequency vs. reflection characteristic diagram.
  • (Embodiment) 1 shows transmission characteristics when the distance d between the power supply side coil and the power reception side coil at the resonance frequency of 1.8 MHz in the non-contact power transmission system of FIG. 1 is changed, (A) is a frequency vs. transmission efficiency characteristic diagram; B) is a frequency vs.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a non-contact power transmission system according to the present invention.
  • the non-contact power transmission system 1 includes a power supply unit 3 as a power supply unit provided on a fixed body 2 and the like, and a power reception unit as a power reception unit provided at a belly (vehicle body bottom) portion of an automobile 4 as a moving body. 5, a variable voltage source 12, a distance measuring unit 13, a control unit 14, a variable voltage source 15, and a control unit 16.
  • the power feeding unit 3 includes a power feeding side coil 7 to which power is supplied and a power feeding side varactor 8 as a capacitor connected in parallel to the power feeding side coil 7.
  • the power supply side varactor 8 is a diode whose capacitance value changes according to the voltage from the variable voltage source 12 applied to both ends.
  • the power receiving unit 5 includes a power receiving side coil 9 and a power receiving side varactor 11 connected in parallel to the power receiving side coil 9.
  • the power receiving side varactor 11 is a diode whose capacitance value changes according to the voltage from the variable voltage source 15 applied to both ends.
  • the distance measurement unit 13 uses, for example, an infrared signal such as an infrared distance sensor or a UWB (Ultra Wide Band) positioning sensor radio, or an electrical measurement means using a radio signal, and measures the distance from the fixed body 2 to the abdomen of the automobile 4. Measurement is performed, and the inter-coil distance d between the power feeding side coil 7 and the power receiving side coil 9 is obtained indirectly from the measured distance.
  • the distance d between the coils fluctuates from the distance in the automobile 4 with no occupants or luggage (corresponding to the “predetermined distance between coils” in the claims) so that the distance becomes shorter according to the number of occupants and the amount of loaded luggage. obtain.
  • the control unit 14 is composed of, for example, a CPU, and functions as an adjustment unit that controls the variable voltage source 12 so that a voltage corresponding to the inter-coil distance d measured by the distance measurement unit 13 is applied to the power supply varactor 8.
  • the resonance frequency is adjusted so that the critical coupling is obtained at a predetermined distance between the coils. If the distance is shorter than the predetermined distance between the coils, the resonance frequency is adjusted using overcoupling.
  • the idea of the present invention is to adjust the resonance frequency to be equal to the critical coupling.
  • the distance d is smaller than 16 mm (2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, 12 mm)
  • the power supply side coil 7 and the power reception side coil 9 have two resonance frequencies (f1, f2, (f1 ⁇ f2)).
  • the maximum distance d_max corresponds to a “predetermined inter-coil distance” in the claims.
  • the low frequency f1 of the two resonance frequencies is adjusted to the resonance frequency fo in the case of critical coupling by adjusting the capacitance value Cp of the power supply side varactor 8 and the power reception side varactor 11.
  • the control unit 14 takes in the inter-coil distance d obtained by the distance measurement unit 13.
  • the control unit 14 stores in advance a table indicating the relationship between the inter-coil distance d and the capacitance value Cp of the power supply side varactor 8 as shown in Tables 1 and 2 in a memory (not shown).
  • the control unit 14 reads the capacitance value Cp of the power supply varactor 8 corresponding to the inter-coil distance d fetched from the table, and the variable voltage source 12 so that the capacitance value Cp of the power supply varactor 8 becomes the read value. To control.
  • control unit 14 multiplexes a modulation signal such as AM, FM, PM or ASK, FSK, PSK, etc., modulated by the information of the inter-coil distance d obtained by the distance measurement unit 13 at high frequency during high frequency power transmission. Then, a high frequency power signal is transmitted from the power feeding unit 3 to the power receiving unit 5 as a multiplexed signal.
  • the control unit 16 demodulates the modulation signal from the multiplexed high-frequency power signal received by the power receiving unit 5 and captures information on the inter-coil distance d.
  • control unit 16 a table indicating the relationship between the inter-coil distance d and the capacitance value Cp of the power receiving side varactor 11 as shown in Tables 1 and 2 is described in a memory (not shown).
  • the control unit 16 reads the capacitance value Cp of the power receiving varactor 11 corresponding to the inter-coil distance d fetched from the table, and the variable voltage source 15 so that the capacitance value Cp of the power receiving varactor 11 becomes the read value. To control.
  • the power feeding side varactor 8 and the power receiving side varactor 11 having a variable capacitance value Cp are connected in parallel to the power feeding side coil 7 and the power receiving side coil 9, respectively.
  • the capacitance value Cp of the power supply side varactor 8 and the power reception side varactor 11 is changed, the transmission efficiency varies.
  • the capacitance value Cp of 11 even if the inter-coil distance d between the power supply side coil 7 and the power reception side coil 9 varies, it is possible to supply power in a non-contact manner with high transmission efficiency.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram comparing the above-described present invention and the prior art with a graph in which the horizontal axis represents transmission distance (distance between coils) d and the vertical axis represents transmission efficiency.
  • the change of the capacitance value Cp of the capacitor can be electrically realized by using a varactor. Therefore, when combined with an effective control system, the present invention can also follow the fluctuation of the distance between coils in real time. is there.
  • the scope of the present invention is a countermeasure against distance deviation between coils by changing the capacitance value of the capacitor, and not only a varactor but also a mechanical variable capacitor such as a variable capacitor or a plurality of capacitors connected in parallel can be selectively used. It can also be realized by selecting with a switch.
  • the information of the inter-coil distance d measured by the distance measuring unit 13 is transmitted to the automobile 4 side, but the present invention is not limited to this. For example, you may make it transmit the information of the capacity
  • the distance information is multiplexed with the high-frequency power signal and transmitted to the power receiving unit during power transmission. Instead, the distance information is communicated at a frequency different from the high-frequency power transmission. You can also exchange information.
  • the power supply side varactor 8 and the power reception side varactor 11 are connected in parallel to the power supply side coil 7 and the power reception side coil 9, respectively, but the present invention is not limited to this.
  • the power receiving side varactor 11 may be eliminated, the power feeding side varactor 8 may be provided in parallel only to the power feeding side coil 7, and the capacity of the power feeding side varactor 8 may be adjusted.
  • the power receiving varactor 8 may be omitted, and the power receiving varactor 11 may be provided in parallel only to the power receiving coil 9 so as to adjust the capacity of the power receiving varactor 11.
  • the reflection loss of the target frequency can be monitored at each port, and the capacitance of the capacitor can be controlled so as to minimize the reflection loss.

Abstract

 インピーダンス整合を最適化し、伝送効率の低下を軽減することができる非接触電力伝送システムを提供すること。 電力が供給される給電側コイル(7)が設けられた給電手段(3)と、給電側コイル(7)と電磁誘導結合する受電側コイル(9)が設けられた受電手段(5)と、を備えた非接触電力伝送システムにおいて、給電側コイル(7)及び受電側コイル(9)の少なくとも一方に並列に接続されて共振回路を構成するとともに、容量値が、所定のコイル間距離において給電側コイル(7)及び受電側コイル(9)が臨界結合となる場合の共振回路の共振周波数と、所定のコイル間距離以下のコイル間距離において過結合となる場合の共振周波数とが一致するように、可変に設けられたキャパシタ(8(11))をさらに備えている。

Description

非接触電力伝送システム
 本発明は、非接触電力伝送システムに関するものである。
 図5は、従来の非接触電力伝送システムの概略構成を示す構成図である。非接触電力伝送システム1は、駐車場の地面等の固定体2上などに設けられた給電手段としての給電部3と、自動車4の腹部分などに設けられた受電手段としての受電部5と、給電部3の給電側バラクタ8(後述する)の両端に電圧を印加する可変電圧源12と、可変電圧源12の電圧を調整制御する制御部14と、受電部5の受電側バラクタ11(後述する)の両端に電圧を印加する可変電圧源15と、可変電圧源15の電圧を調整制御する制御部16とを備えている。
 給電部3は、図5及び図6に示すように、電力が供給される給電側コイル7と、給電側コイル7に並列接続されたキャパシタとしての給電側バラクタ8と、が設けられている。
給電側バラクタ8は、両端に印加される電圧に応じて静電容量値が変化するダイオードである。
 受電部5は、受電側コイル9と、受電側コイル9に並列接続された受電側バラクタ11と、が設けられている。受電側バラクタ11は、両端に印加される電圧に応じて静電容量値が変化するダイオードである。
 上述した非接触電力伝送システム1によれば、自動車4が給電部3に近づいて給電側コイル7と受電側コイル9とが軸方向に間隔を空けて対向したときに、給電側コイル7と受電側コイル9とが電磁誘導結合して給電部3から受電部5に非接触で電力を供給できる。
 すなわち、給電側コイル7には、直流電源(不図示)からの直流電力を高周波(周波数f(Hz))電力に変換した電力が供給される。これは、直流電力は空間を伝播できないためである。高周波電力は、送電側コイル7から受電側コイル9へ自由空間伝播により伝送される。受電側コイル9に伝送された高周波電力は、整流器等(不図示)により直流電力に変換される。このようにして、送電側から受電側に直流電力を非接触で伝送することが可能となる。
 給電側コイル7と受電側コイル9は、ともに同一の構成を有している。コイルの両端をポートとし、給電側コイル7の両端を給電ポート、受電側コイル9の両端を受電ポートとする。コイルと並列に接続された給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11は、コイルとコンデンサで構成される共振回路の共振周波数調整と、ポートにおけるインピーダンス整合と、を行うために使用される。また、低周波数における効率改善のためにフェライトが併用されることがあるが、図5ではフェライトなしの構成としている。ここでは、コイルの直径が60mm、コイルを構成する銅線の直径が1.2mm、コイル巻き数が5回巻き、ポートのインピーダンスが50Ωを例にシミュレーション(モーメント法)結果で説明するが、その他の値でも有効である。
 図7は、給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpを固定した場合における、給電側コイル7と受電側コイル9間の距離dを変化させた場合の、(A)周波数対伝送効率特性と、(B)周波数対反射特性とを示す。(A)の周波数対伝送効率特性において、特性曲線A~Fは、それぞれ、距離d=2mm、4mm、6mm、8mm、12mm及び16mmの場合の伝送効率d2_(S21)、d4_(S21)、d6_(S21)、d8_(S21)、d12_(S21)及びd16_(S21)の特性を示す。また、(B)の周波数対反射特性において、特性曲線A~Fは、それぞれ、距離d=2mm、4mm、6mm、8mm、12mm及び16mmの場合の反射d2_(S111)、d4_(S11)、d6_(S11)、d8_(S11)、d12_(S11)及びd16_(S11)の特性を示す。
 図7において、給電側コイル7と受電側コイル9のコイル間距離dが、給電側コイル7と受電側コイル9との臨界結合を与える所定値になると、インピーダンス整合が最適化されて伝送効率が最大かつ反射損が最小になる(特性曲線B参照)。コイル間距離dが上記所定値より増えて疎結合になると、インピーダンス整合が取れず、反射損が増大してしまう(特性曲線C~F参照)。また、コイル間距離dが狭すぎて過結合になった場合、共振周波数は二つに割れて帯域が狭くなるものの、二つの共振周波数においては、伝送効率及び反射損は臨界結合時とほぼ同程度になる(特性曲線A参照)。
 この例では、Cp=1500pFで固定(共振周波数=2.8MHz)しているが、この値は、d=4mm(所定値)においては、最適なインピーダンス整合が得られて(反射損がない)おり、d=4mmにて最大伝送効率が得られている(臨界結合)。しかしながら、d>4mmではインピーダンス整合が得られず、反射損が増大しており、これが伝送効率の低下を引き起こしている。逆に、d<4mm、例えばd=2mm、の場合には過結合となり、共振周波数が2つに分離して帯域が狭くなる。このように、Cp固定では、距離が変化した場合に伝送効率が低下することが、従来技術の問題であった。
特開2010-259204号公報
 そこで、本発明は、インピーダンス整合を最適化し、伝送効率の低下を軽減することができる非接触電力伝送システムを提供することを課題とする。
 上述した課題を解決するための請求項1記載の発明は、電力が供給される給電側コイル7が設けられた給電手段3と、前記給電側コイル7と電磁誘導結合する受電側コイル9が設けられた受電手段5と、を備えた非接触電力伝送システムにおいて、前記給電側コイル7及び前記受電側コイル9の少なくとも一方に並列に接続されて共振回路を構成するとともに、容量値が、前記給電側コイル7及び前記受電側コイル9間の所定のコイル間距離において給電側コイル7及び受電側コイル9が臨界結合となる場合の共振回路の共振周波数と、所定のコイル間距離以下のコイル間距離において過結合となる場合の共振周波数とが一致するように可変されるキャパシタ8(11)をさらに備えていることを特徴とする。
 上述した課題を解決するための請求項2記載の発明は、請求項1記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記キャパシタ8(11)は、容量値が、所定のコイル間距離において前記給電側コイル7及び前記受電側コイル9が臨界結合となる場合の前記共振回路の共振周波数と、前記所定のコイル間距離以下のコイル間距離において2つの共振周波数を持つ過結合となる場合における前記2つの共振周波数のうちの低い周波数を有する共振周波数とが一致するように可変されることを特徴とする。
 上述した課題を解決するための請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の非接触電力伝送システムにおいて、前記給電側コイル7及び前記受電側コイル9のコイル間距離dを測定する距離測定手段13と、前記距離測定手段13により測定したコイル間距離dに応じて前記キャパシタ8(11)の容量値を調整する調整手段14(16)と、をさらに備えていることを特徴とする。
 なお、上述の課題を解決するための手段の説明における参照符号は、以下の、発明を実施するための形態の説明における構成要素の参照符号に対応しているが、これらは、特許請求の範囲の解釈を限定するものではない。
 請求項1記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルの少なくとも一方に並列に接続されて共振回路を構成するとともに、容量値が、給電側コイル及び受電側コイル間の所定のコイル間距離において給電側コイル及び受電側コイルが臨界結合となる場合の共振回路の共振周波数と、所定のコイル間距離以下のコイル間距離において過結合となる場合の共振周波数とが一致するように可変されるキャパシタを備えているので、給電側コイル及び受電側コイルのコイル間距離が変動しても、それに応じてキャパシタの容量を可変することにより、インピーダンス整合を最適化し、伝送効率の低下を軽減することができる。
 請求項2記載の発明によれば、容量値が、所定のコイル間距離において給電側コイル及び受電側コイル9が臨界結合となる場合の共振回路の共振周波数と、所定のコイル間距離以下のコイル間距離において2つの共振周波数を持つ過結合となる場合における2つの共振周波数のうちの低い周波数を有する共振周波数とが一致するように可変されるキャパシタを備えているので、給電側コイル及び受電側コイルのコイル間距離が変動しても、それに応じてキャパシタの容量を可変することにより、インピーダンス整合を最適化し、伝送効率の低下を軽減することができる。
 請求項3記載の発明によれば、距離測定手段が給電側コイル及び受電側コイルのコイル間距離を測定し、調整手段が距離測定手段により測定したコイル間距離に応じてキャパシタの容量値を調整するので、給電側コイル及び受電側コイルのコイル間距離が変動しても、それに応じて、自動的にインピーダンス整合を最適化して伝送効率の低下を軽減することができるような容量に調整することができる。
本発明に係る非接触電力伝送システムの一実施形態の概略構成を示す構成図である。(実施形態) 図1の非接触電力伝送システムにおける共振周波数1MHz時の給電側コイル及び受電側コイル間の距離dを変化させた場合の伝送特性を示し、(A)は周波数対伝送効率特性図、(B)は周波数対反射特性図である。(実施形態) 図1の非接触電力伝送システムにおける共振周波数1.8MHz時の給電側コイル及び受電側コイル間の距離dを変化させた場合の伝送特性を示し、(A)は周波数対伝送効率特性図、(B)は周波数対反射特性図である。(実施形態) 従来技術及び本発明における伝送距離(コイル間距離)d対伝送効率特性図である。(従来技術及び実施形態) 従来の非接触電力伝送システムの一実施形態の概略構成を示す構成図である。(従来技術) 図5の非接触電力伝送システムにおける給電部及び受電部の構成を示す構成図である。(従来技術) 図5の非接触電力伝送システムにおける給電側コイル及び受電側コイル間の距離dを変化させた場合の伝送特性を示し、(A)は周波数対伝送効率特性図、(B)は周波数対反射特性図である。(従来技術)
 以下、本発明の非接触電力伝送システムを図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る非接触電力伝送システムの一実施形態の概略構成を示す構成図である。なお、図5に示す従来例と同一の構成要素は、同一符号を付して説明する。
 非接触電力伝送システム1は、固定体2上などに設けられた給電手段としての給電部3と、移動体である自動車4の腹(車体底部)部分などに設けられた受電手段としての受電部5と、可変電圧源12と、距離測定部13と、制御部14と、可変電圧源15と、制御部16と、を備えて構成される。
 給電部3は、図5及び図6に示すように、電力が供給される給電側コイル7と、給電側コイル7に並列接続されたキャパシタとしての給電側バラクタ8と、が設けられている。給電側バラクタ8は、両端に印加される可変電圧源12からの電圧に応じて静電容量値が変化するダイオードである。
 受電部5は、受電側コイル9と、受電側コイル9に並列接続された受電側バラクタ11と、が設けられている。受電側バラクタ11は、両端に印加される可変電圧源15からの電圧に応じて静電容量値が変化するダイオードである。
 距離測定部13は、例えば、赤外線距離センサやUWB(Ultra Wide Band)測位センサ無線などの赤外線信号や無線信号による電気的測定手段が用いられ、固定体2から自動車4の腹部分までの距離を測定して、測定した距離から間接的に給電側コイル7及び受電側コイル9間のコイル間距離dを求める。コイル間距離dは、乗員や荷物のない状態の自動車4における距離(請求項における「所定のコイル間距離」に相当)から、乗員数や搭載荷物量に応じて距離が短くなるように変動し得る。
 制御部14は、例えばCPUから構成され、距離測定部13により測定されたコイル間距離dに応じた電圧が給電側バラクタ8に印加されるように可変電圧源12を制御する調整手段として働く。
 次に、上述の非接触電力伝送システム1の動作について説明する前に、本発明の基本原理について説明する。
 上述の従来技術における図7から分かるように、コイル間距離dを変化させた場合、コイル間距離dが増えて疎結合になると、インピーダンス整合が取れず、反射損が増大してしまう。しかしながら、コイル間距離dが狭すぎて過結合になった場合、共振周波数は二つに割れて帯域が狭くなるものの、二つの共振周波数においては反射損は極めて低い。そこで、Cpを調整する際に、所定のコイル間距離では臨界結合となるように共振周波数調整を行い、所定のコイル間距離より短い距離になった場合は、過結合を用いて共振周波数調整を行い、臨界結合と等しい共振周波数となるように調整するというのが本発明の考え方である。
 上述の考え方に基づいて、伝送される高周波電力の周波数(=給電部3及び受電部5の共振周波数)1MHz時の給電側コイル7及び受電側コイル9間の距離dを変化させた場合の伝送特性を図2に示す。図2において、(A)は周波数対伝送効率特性、(B)は周波数対反射特性である。(A)の周波数対伝送効率特性において、特性曲線A~Fは、それぞれ、距離d=2mm、4mm、6mm、8mm、12mm及び16mmの場合の伝送効率d2_(S21)、d4_(S21)、d6_(S21)、d8_(S21)、d12_(S21)及びd16_(S21)の特性を示す。また、(B)の周波数対反射特性において、特性曲線A~Fは、それぞれ、距離d=2mm、4mm、6mm、8mm、12mm及び16mmの場合の反射d2_(S111)、d4_(S11)、d6_(S11)、d8_(S11)、d12_(S11)及びd16_(S11)の特性を示す。
 図2から分かるように、d=16mmの場合は、共振周波数fo=1MHzで給電側コイル7及び受電側コイルが臨界結合している。これに対して、距離dが16mmより小さい(2mm、4mm、6mm、8mm、12mm)場合は、給電側コイル7及び受電側コイル9が2つの共振周波数(f1、f2、(f1<f2))を持つ過結合状態であり、2つの共振周波数のうちの低い周波数を有する共振周波数f1を、d=16mmの場合の臨界結合時の共振周波数fo(=1MHz)と一致させている。結果として、d=2mm~16mmの広い範囲において、伝送効率95%以上が得られ、かつ共振周波数foは、d=16mmにおける値(1MHz)に固定されている。
 本発明の具体的な設計手順としては、まず、給電側コイル7及び受電側コイル9間の最大距離d_maxを設定する(図2の場合はd_max=16mm)。最大距離d_maxは、請求項における「所定のコイル間距離」に相当する。このd_maxにおける臨界結合の場合の共振周波数foを求める(図2の場合は、fo=1MHz)。d<d_max(過結合)においては、給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpの調整により、二つの共振周波数のうちの低い周波数f1を、臨界結合の場合の共振周波数foに合わせる。コイル間距離dの変化に応じて変化する過結合時の共振周波数f1を、d=16mmにおける値(1MHz)に合わせるために用いた給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpは、表1の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 同様にして、d_max=8mmの場合の設計結果を図3に示す。結果として、d=2mm~8mmの範囲において、臨界結合の場合の共振周波数fo=1.8MHzで最大伝送効率が得られている。この場合には、d_max=8mmにおける臨界結合時の共振周波数foが1.8MHzとなるので、距離dの変化に応じて変化する過結合時の共振周波数f1を、d=8mmにおける臨界結合の場合の共振周波数値fo=1.8MHzに合わせるために用いた給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpは、表2の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 次に、上述した給電システム1の動作について説明する。まず、制御部14は、距離測定部13により求められたコイル間距離dを取り込む。例えば、制御部14には、図示しないメモリ内に表1、表2に示すようなコイル間距離dと給電側バラクタ8の容量値Cpとの関係を示すテーブルが予め記憶されている。制御部14は、そのテーブルから取り込んだコイル間距離dに対応する給電側バラクタ8の容量値Cpを読み込んで、給電側バラクタ8の容量値Cpがその読み込んだ値になるように可変電圧源12を制御する。
 さらに、制御部14は、高周波電力伝送時に高周波に、距離測定部13によって求められたコイル間距離dの情報により変調されたAM、FM、PMあるいはASK、FSK、PSK等の変調信号を多重し、多重化信号として高周波電力信号を給電部3から受電部5へ送信する。制御部16は、受電部5で受電した多重化高周波電力信号から変調信号を復調してコイル間距離dの情報を取り込む。制御部16には、図示しないメモリ内に表1、表2に示すようなコイル間距離dと受電側バラクタ11の容量値Cpとの関係を示すテーブルが記載されている。制御部16は、そのテーブルから取り込んだコイル間距離dに対応する受電側バラクタ11の容量値Cpを読み込んで、受電側バラクタ11の容量値Cpがその読み込んだ値となるように可変電圧源15を制御する。
 以上のような制御により、給電側コイル7及び受電側コイル9のコイル間距離が所定のコイル間距離以下に変動しても、給電側コイル7及び給電側バラクタ8で構成される共振回路と受電側コイル9及び受電側バラクタ11で構成される共振回路の過結合時の共振周波数f1が、所定のコイル間距離における臨界結合時の共振周波数foと常に一致するので、インピーダンス整合が最適化され、伝送効率は臨界結合時の値にほぼ維持される。
 上述した給電システム1によれば、給電側コイル7及び受電側コイル9に、容量値Cpが可変の給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11をそれぞれ並列に接続した。給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpを変えると伝送効率が変動するため、給電側コイル7及び受電側コイル9のコイル間距離dの変動に応じて給電側バラクタ8及び受電側バラクタ11の容量値Cpを変えることにより、給電側コイル7及び受電側コイル9のコイル間距離dが変動しても、高い伝送効率で電力を非接触で供給することができる。
 図4は、上述の本発明と従来技術とを、横軸を伝送距離(コイル間距離)d、縦軸を伝送効率とするグラフで比較した特性図である。従来技術(共振周波数=2.8MHZ)では、d=4mmで最大の伝送効率が得られるが、その他の距離では伝送効率が低下する。本発明では、伝送距離(コイル間距離)dの変動に対して過結合時の共振周波数f1を所定のコイル間距離における臨界結合時のfo=1MHzに一致するように制御することにより、伝送効率がほとんど変動せずに高効率に保たれる。
 キャパシタの容量値Cpの変化は、バラクタを用いれば電気的に実現可能であるため、有効な制御系と組み合わせれば、本発明によりコイル間距離の変動に対してリアルタイムに追従することも可能である。また、本発明の範囲は、キャパシタの容量値の可変によるコイル間距離ずれ対策であり、バラクタだけでなく、バリコン等の機械的な可変キャパシタや、並列接続した複数のキャパシタの中から選択的にスイッチで選ぶことなどによっても実現可能である。
 本発明においては、フィードバック制御等を用いることで、乗員・荷物の多寡による細かいコイル間距離変動へのきめ細かい対応が可能となる。
 以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。かかる変形、応用によってもなお本考案の構成を具備する限り、勿論、本考案の範疇に含まれるものである。
 例えば、上述の実施形態では、距離測定部13が測定したコイル間距離dの情報を自動車4側へ送信していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、上記コイル間距離dに応じた給電側バラクタ8の容量Cの情報を送信するようにしてもよい。
 また、上述した実施形態では、電力伝送時に距離情報を高周波電力信号に多重して受電部に送信しているが,これに代えて、電力伝送の高周波とは別の周波数で通信して、距離情報をやりとりすることもできる。
 また、上述した実施形態では、給電側コイル7及び受電側コイル9に、それぞれ並列に給電側バラクタ8、受電側バラクタ11を接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、受電側バラクタ11を無くして、給電側コイル7のみに並列に給電側バラクタ8を設けて、この給電側バラクタ8の容量を調整するようにしてもよい。また、給電側バラクタ8を無くして、受電側コイル9のみに並列に受電側バラクタ11を設けて、この受電側バラクタ11の容量を調整するようにしてもよい。
 また、他の実施形態として、各々のポートにおいてターゲット周波数の反射損をモニタして、反射損を最小にするようにキャパシタの容量を制御することも可能である。
 3  給電部(給電手段)
 5  受電部(受電手段)
 7  給電側コイル
 8  給電側バラクタ(キャパシタ)
 9  受電側コイル
 11 受電側バラクタ(キャパシタ)
 12 可変電圧源(調整手段の一部)
 13 距離測定部(距離測定手段)
 14 制御部(調整手段の一部)
 15 可変電圧源(調整手段の一部)
 16 制御部(調整手段の一部)

Claims (3)

  1.  電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁誘導結合する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた非接触電力伝送システムにおいて、
     前記給電側コイル及び前記受電側コイルの少なくとも一方に並列に接続されて共振回路を構成するとともに、容量値が、前記給電側コイル及び前記受電側コイル間の所定のコイル間距離において前記給電側コイル及び前記受電側コイルが臨界結合となる場合の共振回路の共振周波数と、所定のコイル間距離以下のコイル間距離において過結合となる場合の共振周波数とが一致するように可変されるキャパシタをさらに備えていることを特徴とする非接触電力伝送システム。
  2.  請求項1記載の非接触電力伝送システムにおいて、
     前記キャパシタは、容量値が、所定のコイル間距離において前記給電側コイル及び前記受電側コイルが臨界結合となる場合の前記共振回路の共振周波数と、前記所定のコイル間距離以下のコイル間距離において2つの共振周波数を持つ過結合となる場合における前記2つの共振周波数のうちの低い周波数を有する共振周波数とが一致するように可変される
     ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
  3.  請求項1または2記載の非接触電力伝送システムにおいて、
     前記給電側コイル及び前記受電側コイルのコイル間距離を測定する距離測定手段と、
     前記距離測定手段により測定したコイル間距離に応じて前記キャパシタの容量値を調整する調整手段と、をさらに備えている
     ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
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