WO2014069147A1 - 送電機器及び非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

　２次側コイル（２３ａ）を有する受電機器（２１）に非接触で交流電力を送電可能な送電機器（１１）であって、交流電力を出力する交流電源（１２）と；交流電力が入力される１次側コイル（１３ａ）とを備え、送電機器（１１）はさらに、交流電源（１２）と１次側コイル（１３ａ）との間に設けられた調整部（３１）を備え、調整部（３１）は、交流電源（１２）の効率が高くなるように、調整部（３１）の入力インピーダンスを調整する。

Description

送電機器及び非接触電力伝送装置

　本開示は、送電機器及び非接触電力伝送装置に関する。

　従来から、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば磁場共鳴を用いたものが知られている。例えば特開２００９－１０６１３６号公報の非接触電力伝送装置は、交流電源と、交流電源から交流電力が入力される１次側の共振コイルとを有する送電機器を備えている。非接触電力伝送装置は、１次側の共振コイルと磁場共鳴可能な２次側の共振コイルを有する受電機器を備えている。１次側の共振コイルと２次側の共振コイルとが磁場共鳴することによって、送電機器から受電機器に交流電力が伝送される。

特開２００９－１０６１３６号公報

　上記のような非接触電力伝送装置においては、伝送効率の向上が求められている。この伝送効率が依存するパラメータは、例えば交流電源の効率である。非接触電力伝送装置において、交流電源の効率には未だ改善の余地がある。

　上述した事情は、磁場共鳴によって非接触の伝力伝送を行うものに限られず、電磁誘導によって非接触の電力伝送を行うものについても同様である。

　本開示の目的は、交流電源の効率の向上を図ることができる受電機器及びその受電機器を備えた非接触電力伝送装置を提供することである。
　本開示の一側面によれば、２次側コイルを有する受電機器に非接触で交流電力を送電可能な送電機器であって、前記交流電力を出力する交流電源と；前記交流電力が入力される１次側コイルと；前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられた調整部とを備え、前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように、前記調整部の入力インピーダンスを調整する。

　この態様によれば、交流電源の効率が高くなるように調整部の入力インピーダンスが調整されている。これにより、交流電源の効率の向上を図ることができる。
　一態様としては、前記調整部は、前記交流電源から出力される交流電力の電力値が予め定められた許容範囲内で前記交流電源の効率が高くなるように、前記調整部の入力インピーダンスを調整する。

　一態様としては、前記調整部は、前記調整部の入力インピーダンスが特定インピーダンスに近づくように前記１次側コイルの入力インピーダンスをインピーダンス変換するように構成され、前記特定インピーダンスは、前記交流電源の効率が最大となる前記調整部の入力インピーダンスである。

　一態様としては、非接触電力伝送装置であって、交流電力を出力する交流電源、及び前記交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と；前記１次側コイルから前記交流電力を非接触で受電可能な２次側コイルを有する受電機器とを備え、前記非接触電力伝送装置は、前記送電機器として前記一側面に記載の送電機器を備える。これらの態様によれば、非接触電力伝送装置において交流電源の効率の向上を図ることができる。

　本開示の他の側面によれば、非接触電力伝送装置であって、交流電力を出力する交流電源と；前記交流電力が入力される１次側コイルと；前記１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；前記２次側コイルによって受電された交流電力が入力される負荷と；調整部とを備え、前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように、前記交流電源の出力端から前記負荷までのインピーダンスを調整する。この態様によれば、交流電源の効率が高くなるように交流電源の出力端から負荷までのインピーダンスが調整されている。これにより、交流電源の効率の向上を図ることができる。

 
本開示の他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と、本開示の特徴を説明するために付随する図面とによって明らかであろう。

　本開示の新規であると思われる特徴は、特に、添付した請求の範囲において明らかである。目的と利益を伴う本開示は、以下に示す現時点における好ましい実施形態の説明を添付した図面とともに参照することで、理解されるであろう。
図１は、非接触電力伝送装置の電気的構成を示す回路図を示す。 図２は、図１の非接触電力伝送装置の別例を示す回路図を示す。

　以下、本開示に係る非接触電力伝送装置（非接触電力伝送システム）が、図１を用いて説明される。
　図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、地上に設けられた地上側機器１１と、車両に搭載された車両側機器２１とを備える。地上側機器１１が送電機器（１次側機器）に対応し、車両側機器２１が受電機器（２次側機器）に対応する。

　地上側機器１１は、所定の周波数の高周波電力（交流電力）を出力可能な高周波電源１２（交流電源）を備える。高周波電源１２は、インフラとしての系統電源から入力される系統電力を高周波電力に変換し、その高周波電力を出力できるように構成されている。

　高周波電源１２から出力された高周波電力は、非接触で車両側機器２１に伝送され、車両側機器２１に設けられた負荷２２に入力される。具体的には、非接触電力伝送装置１０は、地上側機器１１と車両側機器２１との間の電力伝送を行うものとして、地上側機器１１に設けられた送電器１３と、車両側機器２１に設けられた受電器２３とを備える。

　送電器１３及び受電器２３は、同一の構成であり、磁場共鳴可能に構成されている。具体的には、送電器１３は、並列に接続された１次側コイル１３ａ及び１次側コンデンサ１３ｂからなる共振回路で構成されている。受電器２３は、並列に接続された２次側コイル２３ａ及び２次側コンデンサ２３ｂからなる共振回路で構成されている。送電器１３及び受電器２３の共振周波数は、同一に設定されている。

　かかる構成によれば、高周波電力が送電器１３（１次側コイル１３ａ）に入力された場合、送電器１３と受電器２３（２次側コイル２３ａ）とが磁場共鳴する。これにより、受電器２３は送電器１３のエネルギの一部を受け取る。すなわち、受電器２３は、送電器１３から高周波電力を受電する。

　受電器２３によって受電された高周波電力が入力される負荷２２は、高周波電力を直流電力に整流する整流器と、その直流電力が入力される車両用バッテリ（蓄電装置）とを含む。受電器２３によって受電された高周波電力は、車両用バッテリの充電に用いられる。

　なお、地上側機器１１には、高周波電源１２等の地上側機器１１の制御を行う電源側コントローラ１４が設けられている。また、車両側機器２１には、電源側コントローラ１４と無線通信が可能に構成された車両側コントローラ２４が設けられている。非接触電力伝送装置１０は、各コントローラ１４，２４間での情報のやり取りを通じて、電力伝送の開始や終了等を行う。

　高周波電源１２は、系統電力を直流電力に変換（整流）するＡＣ／ＤＣ変換器１２ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器１２ａから出力された直流電力を高周波電力に変換するＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂとを備える。ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂは、周期的にスイッチングするスイッチング素子１２ｂｂを備え、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数に対応した高周波電力を出力する。ＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂの具体的な構成としては、例えばＤ級増幅器やＥ級増幅器等が考えられる。

　電源側コントローラ１４は、電力伝送に適した高周波電力が高周波電源１２から出力されるように、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング制御を行う。詳細には、電源側コントローラ１４は、スイッチング素子１２ｂｂが送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一周波数でスイッチングするように、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング制御を行う。これにより、送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一周波数の高周波電力が、高周波電源１２から出力される。

　ここで、非接触電力伝送装置１０は、高周波電源１２の出力端から負荷２２までのインピーダンス（以下、負荷インピーダンスＺｉｎという）を調整する調整部としてインピーダンス変換器３１を備える。インピーダンス変換器３１は、以下に詳細に説明される。説明の便宜上、送電器１３及び受電器２３は、予め定められた基準位置に配置されているとする。

　インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２から負荷２２までの間に設けられており、詳細には高周波電源１２と送電器１３との間に設けられている。インピーダンス変換器３１は、ＬＣ回路で構成され、ＬＣ回路は、インダクタ３１ａとインダクタ３１ａに対して並列に接続されたキャパシタ３１ｂとを備える。インピーダンス変換器３１の定数（インピーダンス）、詳細にはインダクタ３１ａのインダクタンス及びキャパシタ３１ｂのキャパシタンスは、固定値となっている。

　インピーダンス変換器３１の定数は、高周波電源１２の効率（電源効率又は変換効率）が高くなるように設定されている。詳細には、高周波電源１２に入力される系統電力の電力値をＰｉｎと称し、高周波電源１２から出力される高周波電力の電力値（以降、単に出力電力値という）をＰｏｕｔと称すると、高周波電源１２の効率は、Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎである。出力電力値Ｐｏｕｔは、負荷インピーダンスＺｉｎに依存している。

　出力電力値Ｐｏｕｔの上限値及び下限値は、高周波電源１２の仕様によって予め定められている。つまり、出力電力値Ｐｏｕｔが変動可能な許容範囲は、予め定められている。
　かかる構成において、インピーダンス変換器３１の定数は、出力電力値Ｐｏｕｔの許容範囲内（出力電力値Ｐｏｕｔが上限値又は下限値を超えない範囲内）において、負荷インピーダンスＺｉｎが高周波電源１２の効率が高くなる値（インピーダンス）となるように設定されている。例えば、高周波電源１２の効率が最大となる負荷インピーダンスＺｉｎを特定インピーダンスと称すると、インピーダンス変換器３１の定数は、出力電力値Ｐｏｕｔの許容範囲内において負荷インピーダンスＺｉｎが特定インピーダンスに近づく（好ましくは一致する）ように設定されている。換言すれば、インピーダンス変換器３１は、負荷インピーダンスＺｉｎが上記特定インピーダンスに近づくように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンス（１次側コイル１３ａの入力インピーダンス）をインピーダンス変換している。

　次に本実施形態の作用が説明される。
　高周波電源１２の効率が高くなるように、負荷インピーダンスＺｉｎは調整されている。これにより、高周波電源１２の効率が高められている。

　高周波電源１２がインピーダンス変換器３１に接続されている点に着目すれば、負荷インピーダンスＺｉｎとは、インピーダンス変換器３１の入力インピーダンスとも言える。高周波電源１２に接続されているインピーダンス変換器３１以降を１つの負荷とすれば、負荷インピーダンスＺｉｎとは、高周波電源１２に接続されている上記負荷のインピーダンスであるとも言える。

　以上詳述した本実施形態は、以下の優れた効果を奏する。
　（１）高周波電源１２の効率が高くなるように負荷インピーダンスＺｉｎを調整するインピーダンス変換器３１が設けられた。これにより、高周波電源１２の効率の向上を図ることができる。

　特に、高周波電源１２の効率を決定付けるものとして、負荷インピーダンスＺｉｎに着目し、その負荷インピーダンスＺｉｎを調整することで高周波電源１２の効率の向上が達成された。これにより、高周波電源１２を構成する各素子として、損失が少ない特殊なものを用いることなく、高周波電源１２の効率の向上を図ることができ、コストの削減等を図ることができる。上記のような損失が少ない特殊な素子を採用する場合には、高周波電源１２の効率の更なる向上を図ることができる。

　例えばスイッチング素子１２ｂｂのスイッチング損失を低減させるためには、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数を低減させることが考えられる。しかしながら、磁場共鳴によって送電器１３と受電器２３との間の電力伝送が行われるため、高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数が、送電器１３及び受電器２３の共振周波数に対してズレると、伝送効率は、大きく低下し得る。

　これに対して、本実施形態では、負荷インピーダンスＺｉｎを調整する構成が採用されたため、スイッチング素子１２ｂｂのスイッチング周波数を変更することなく、高周波電源１２の効率の向上を図ることができる。

　上記実施形態は、以下のように変更されてもよい。
　○　実施形態では、インピーダンス変換器３１は地上側機器１１に設けられていたが、これに限定されない。インピーダンス変換器３１は、例えば車両側機器２１に設けられていてもよい。

　○　実施形態では、インピーダンス変換器３１は１つのインダクタ３１ａ及び１つのキャパシタ３１ｂから構成されていたが、これに限定されず、具体的な構成は任意である。例えば、複数のインダクタ又は複数のキャパシタを備えたπ型、Ｔ型等が用いられてもよい。

　○　ＬＣ回路に限定されず、例えば図２に示すように、負荷インピーダンスＺｉｎを調整するものとして、１次側コイル１３ａと電磁誘導で結合しているものであって、１次側コイル１３ａと協働してトランスを構成する誘導コイル４１が、採用されてもよい。この場合、高周波電源１２の効率が高くなるように、誘導コイル４１のインダクタンス（巻数）が設定されるとよい。

　○　実施形態では、インピーダンス変換器３１の定数は、固定であったが、これに限定されず、可変でもよい。この場合、例えば負荷２２のインピーダンスが変動する場合には、高周波電源１２の効率が高くなるように、負荷２２のインピーダンスの変動に応じてインピーダンス変換器３１の定数が可変制御されてもよい。インピーダンス変換器３１の定数が可変である構成として、インピーダンス変換器３１は、定数が互いに異なる複数のＬＣ回路を設け、それらを選択的に接続するように構成されてもよいし、インダクタンス及びキャパシタンスの少なくとも一方が可変である素子を有するように構成されてもよい。

　○　インピーダンス変換器３１は、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に応じて、インピーダンス変換器３１の定数が可変制御されるように、構成されてもよい。詳細には、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動によって、１次側コイル１３ａと２次側コイル２３ａとの間の相互インダクタンスは、変動し得る。これに対して、各コイル１３ａ，２３ａの相対位置の変動に関わらず、インピーダンス変換器３１は、高周波電源１２の効率が高くなるように定数を可変制御するように構成されてもよい。

　○　高周波電源１２の具体的な構成は、スイッチング素子を有するものであれば、実施形態のものに限定されず、任意である。例えばＡＣ／ＤＣ変換器１２ａとＤＣ／ＲＦ変換器１２ｂとの間に、周期的にスイッチングするスイッチング素子を有するＤＣ／ＤＣコンバータが設けられてもよい。これにより、上記スイッチング素子のスイッチング制御によって、高周波電源１２の効率の向上が図られつつ、高周波電源１２から所望の電力値の高周波電力が出力される。

　詳述すると、負荷インピーダンスＺｉｎが高周波電源１２の効率が高くなる値であり、且つ、高周波電源１２から出力される電圧値が固定されている場合、取り得る出力電力値Ｐｏｕｔは、制限され得る。すると、高周波電源１２の効率を優先した結果、出力電力値Ｐｏｕｔが所望の電力値とはならない場合がある。

　これに対して、高周波電源１２から出力される電圧値を可変にすることによって、負荷インピーダンスＺｉｎが上記高周波電源１２の効率が高くなる値である状態でも、出力電力値Ｐｏｕｔを調整することができる。これにより、高周波電源１２の効率の向上と、出力電力値Ｐｏｕｔを所望の電力値にすることとの両立を図ることができる。

　○　インピーダンス変換器３１とは別に、他のインピーダンス変換器を設けるように、非接触電力伝送装置１０は構成されてもよい。例えば、地上側機器１１においてインピーダンス変換器３１と送電器１３との間に１次側インピーダンス変換器が設けられてもよいし、受電器２３と負荷２２との間に２次側インピーダンス変換器が設けられてもよい。この場合、１次側インピーダンス変換器の定数は、高周波電源１２の出力インピーダンスと、送電器１３の入力インピーダンスとが整合するように設定され、２次側インピーダンス変換器の定数は、受電器２３の出力インピーダンスと、負荷２２のインピーダンスとが整合するように設定されてもよい。

　○　各コイル１３ａ，２３ａの位置ズレに伴い、１次側インピーダンス変換器及び２次側インピーダンス変換器の定数を可変制御するように、非接触電力伝送装置１０は構成されてもよい。この場合、１次側インピーダンス変換器及び２次側インピーダンス変換器の定数の変動に応じて、インピーダンス変換器３１の定数が可変制御されるとよい。

　○　受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、他の抵抗値と比較して、相対的に高い伝送効率となる特定抵抗値が、存在する。換言すれば、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスの実部には、所定の抵抗値（第１抵抗値）よりも伝送効率が高い特定抵抗値（第２抵抗値）が、存在する。詳細には、仮に送電器１３の入力端、インピーダンス変換器３１と送電器１３との間に仮想負荷が設けられた場合において、当該仮想負荷の抵抗値をＲａ１と称し、受電器２３（詳細には受電器２３の出力端）から仮想負荷までの抵抗値をＲｂ１と称すると、特定抵抗値は、√（Ｒａ１×Ｒｂ１）である。

　これに応じて、２次側インピーダンス変換器は、受電器２３の出力端から負荷２２までのインピーダンスが特定抵抗値に近づく（好ましくは一致する）ように、負荷２２のインピーダンスをインピーダンス変換してもよい。

　○　１次側インピーダンス変換器は、例えば力率が改善されるように、送電器１３の入力端から負荷２２までのインピーダンスをインピーダンス変換してもよい。
　○　車両側機器２１における上記２次側インピーダンス変換器と負荷２２との間にインピーダンス変換器が、別途設けられてもよい。この場合、上記インピーダンス変換器３１は、負荷２２のインピーダンスの変動に応じて上記インピーダンス変換器の定数を可変制御するように構成されるとよい。

　○　高周波電源１２から出力される高周波電力の電圧波形は、パルス波形、正弦波等任意である。
　○　実施形態では、１次側コンデンサ１３ｂ及び２次側コンデンサ２３ｂが設けられたが、これらは省略されてもよい。この場合、各コイル１３ａ，２３ａの寄生容量を用いて、コイル１３ａ，２３ａは磁場共鳴させられる。

　○　実施形態では、送電器１３の共振周波数と受電器２３の共振周波数とは同一に設定されていたが、これに限定されない。送電器１３の共振周波数と受電器２３の共振周波数とは、電力伝送が可能な範囲内で互いに異なっていてもよい。

　○　高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数は、送電器１３及び受電器２３の共振周波数と同一であったが、これに限定されない。高周波電源１２から出力される高周波電力の周波数は、電力伝送可能な範囲内でずらされてもよい。

　○　実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴が用いられたが、これに限定されず、電磁誘導が用いられてもよい。
　○　実施形態では、非接触電力伝送装置１０は、車両に適用されていたが、これに限定されず、他の機器に適用されてもよい。例えば非接触電力伝送装置１０は、携帯電話のバッテリを充電するのに適用されてもよい。

　○　車両側機器２１は、省略されてもよい。この場合、負荷インピーダンスＺｉｎ（インピーダンス変換器３１の入力インピーダンス）は、インピーダンス変換器３１の入力端から送電器１３までのインピーダンスである。

　○　負荷２２には、車両用バッテリが含まれていたが、これに限定されず、任意である。例えば、負荷２２として所定の機器が採用されてもよい。負荷２２のインピーダンスは、入力電力の電力値に応じて変動する変動値であってもよいし、固定値であってもよい。

　１０…非接触電力伝送装置、１１…地上側機器（送電機器）、１２…高周波電源（交流電源）、１２ａ…ＡＣ／ＤＣ変換器、１２ｂ…ＤＣ／ＲＦ変換器、１２ｂｂ…スイッチング素子、１３ａ…１次側コイル、１４…電源側コントローラ、２１…車両側機器（受電機器）、２２…負荷、２３ａ…２次側コイル、２４…車両側コントローラ、３１…インピーダンス変換器（調整部）、Ｚｉｎ…負荷インピーダンス。

Claims (5)

1. 　２次側コイルを有する受電機器に非接触で交流電力を送電可能な送電機器であって、
   　前記交流電力を出力する交流電源と；
   　前記交流電力が入力される１次側コイルと；
   前記交流電源と前記１次側コイルとの間に設けられた調整部と
   を備え、
   　前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように、前記調整部の入力インピーダンスを調整する、送電機器。
2. 　前記調整部は、前記交流電源から出力される交流電力の電力値が予め定められた許容範囲内で前記交流電源の効率が高くなるように、前記調整部の入力インピーダンスを調整する、
   　請求項１に記載の送電機器。
3. 　前記調整部は、前記調整部の入力インピーダンスが特定インピーダンスに近づくように前記１次側コイルの入力インピーダンスをインピーダンス変換するように構成され、
   　前記特定インピーダンスは、前記交流電源の効率が最大となる前記調整部の入力インピーダンスである、
   　請求項１又は請求項２に記載の送電機器。
4. 　非接触電力伝送装置であって、
   　交流電力を出力する交流電源、及び前記交流電力が入力される１次側コイルを有する送電機器と；
   　前記１次側コイルから前記交流電力を非接触で受電可能な２次側コイルを有する受電機器と
   を備え、
   　前記非接触電力伝送装置は、前記送電機器として請求項１に記載の送電機器を備える、非接触電力伝送装置。
5. 　非接触電力伝送装置であって、
   　交流電力を出力する交流電源と；
   　前記交流電力が入力される１次側コイルと；
   　前記１次側コイルから非接触で前記交流電力を受電可能な２次側コイルと；
   　前記２次側コイルによって受電された交流電力が入力される負荷と；
   　調整部と
   を備え、
   　前記調整部は、前記交流電源の効率が高くなるように、前記交流電源の出力端から前記負荷までのインピーダンスを調整する、非接触電力伝送装置。

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