WO2014136257A1

WO2014136257A1 - 受電装置

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Publication number: WO2014136257A1
Application number: PCT/JP2013/056463
Authority: WO
Inventors: 晃司柴田
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-12
Also published as: JP6178404B2; JPWO2014136257A1

Abstract

　受電装置（１００）は、送電コイル（１１）を備える送電装置（１０）から出力された電力を非接触で受電する。該受電装置は、送電コイルと間隔をあけて対向して配置される受電コイル（１１０）と、該受電コイルに電気的に接続された入力端と、負荷（２０）に対して電力を出力可能な出力端と、特性可変に構成された整合回路（１２０）と、整流器（１３０）と、を有する受電回路と、送電コイル及び受電コイル間の相対的な位置関係を示す位置関係情報を取得する位置関係取得手段（１４０）と、受電コイルに係る負荷インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段（１５０）と、取得された位置関係情報及び取得された負荷インピーダンスに基づいて、整合回路に係る特性を変更する制御手段（１５０）と、を備える。

Description

受電装置

　本発明は、例えば自動車や電子機器等に搭載され、非接触で電力を充電可能な受電装置の技術分野に関する。

　この種の装置として、例えば、２次側共鳴コイルと、整流器と、該２次側共鳴コイル及び整流器間に設けられた２次側整合器と、該整流器により整流された電力が供給される充電器と、コントローラと、を含む受電側設備が提案されている。ここでは特に、該コントローラの記憶装置に、１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイル間の距離が予め設定された状態におけるバッテリの充電状態と、その状態に対応する２次側整合器のインピーダンスとの関係を示すデータを記憶させておき、充電時に、検出されバッテリの充電状態と記憶されたデータとに基づいて、２次側整合器の調整を行うことが開示されている（特許文献１参照）。

　或いは、受信アンテナと、整流器と、該整流器の後段に接続されたＤＣ－ＤＣ変換器と、を備える電力受信機が提案されている。ここでは特に、ＤＣ－ＤＣ変換器のデューティ比を変更することによって、該電力受信機に係るＡＣインピーダンスを調整することが開示されている（特許文献２参照）。

特開２０１１－２４４５３０号公報特表２０１２－５２１７３７号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、受電時に、１次側共鳴コイル及び２次側共鳴コイル間の距離が変化した場合に、最適な状態での電力の受電が困難になる可能性があるという技術的問題点がある。また、特許文献２に記載の技術では、ＤＣ－ＤＣ変換器を使用しなければならず制御が複雑になる可能性があるという技術的問題点がある。

　本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、比較的簡便にインピーダンスを調整でき、且つ、受電中にコイル間の距離が変化した場合であっても適切に受電を継続することができる受電装置を提供することを課題とする。

　請求項１に記載の受電装置は、上記課題を解決するために、送電コイルを備える送電装置から出力された電力を非接触で受電する受電装置であって、前記送電コイルと間隔をあけて対向して配置される受電コイルと、前記受電コイルに電気的に接続された入力端と、負荷に対して電力を出力可能な出力端と、前記入力端及び前記出力端間に配置され、特性可変に構成された整合回路と、前記入力端及び前記出力端間に配置された整流器と、を有する受電回路と、前記送電コイル及び前記受電コイル間の相対的な位置関係を示す位置関係情報を取得する位置関係取得手段と、前記受電コイルに係る負荷インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、前記取得された位置関係情報及び前記取得された負荷インピーダンスに基づいて、前記整合回路に係る特性を変更する制御手段と、を備える。

　本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

ワイヤレス電力伝送システムの基本構成を示す概念図である。図１に示した基本構成の等価回路を示す図である。図２に示した等価回路をＦパラメータ解析に適するように示す図である。実施例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。比較例に係る一のワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。比較例に係る他のワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。実施例に係る整合回路制御処理を示すフローチャートである。実施例の第１変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。実施例の第２変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。実施例の第３変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。

　本発明の受電装置に係る実施形態について説明する。

　実施形態に係る受電装置は、送電コイルを備える送電装置から出力された電力を、例えば磁気共鳴方式等により非接触で受電する。該受電装置は、受電コイル、受電回路、位置関係取得手段、インピーダンス取得手段及び制御手段を備えて構成されている。

　受電コイルは、送電装置の送電コイルと間隔をあけて、該送電コイルと対向するように配置される。

　受電回路は、受電コイルに電気的に接続された入力端と、例えばバッテリ等の負荷に対して電力を出力可能な出力端と、入力端及び出力端間に配置された整合回路及び整流器と、を備えて構成されている。ここで特に、整合回路は、その特性（例えば、整合回路定数等）を変更可能に構成されている。

　例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる位置関係取得手段は、送電コイル及び受電コイル間の相対的な位置関係を示す位置関係情報を取得する。ここで、相対的な位置関係は、例えば送電コイル及び受電コイル間の垂直方向の距離及び水平方向の距離として示されてもよいし、例えば結合係数等、送電コイルに対する受電コイルの位置に応じて変化する物理量若しくはパラメータとして示されてもよい。尚、位置関係情報の取得は、一定周期又は不定周期毎に行われる。

　例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなるインピーダンス取得手段は、受電コイルに係る負荷インピーダンスを取得する。尚、負荷インピーダンスの取得は、一定周期又は不定周期毎に行われる。

　ここで、負荷インピーダンスは、例えば受電回路に係る電流値及び電圧値を検出し、該検出された電流値及び電圧値に基づいて取得すればよい。尚、受電回路に係る電流値及び電圧値の検出は、例えば受電回路の入力端において行ってもよいし、整流回路の後段において行ってもよい。

　例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御手段は、位置関係取得手段により取得された位置関係情報と、インピーダンス取得手段により取得された負荷インピーダンスに基づいて、整合回路に係る特性を変更する。具体的には例えば、制御手段は、位置関係情報及び負荷インピーダンスに基づいて、受電効率が向上するように整合回路に係る特性を変更する（つまり、所謂インピーダンスマッチングを行う）。尚、整合回路に係る特性の変更は、一定周期又は不定周期毎に行われる。

　以上の結果、本実施形態に係る受電装置によれば、仮に受電中に送電コイル及び受電コイル間の位置関係が変化したとしても、適切に受電を継続することができる。加えて、上記特許文献２に記載の技術のように、ＤＣ－ＤＣ変換器を用いない場合でもインピーダンスを調整することができる。

　実施形態に係る受電装置の一態様では、受電回路は、該受電回路に電力を供給可能な電源（典型的には、直流電源）と、該受電回路の入力端及び出力端間が電気的に接続される第１電路と、該電源及び該出力端間が電気的に接続される第２電路とを相互に切り替える切替手段と、を更に有し、インピーダンス取得手段により負荷インピーダンスが取得される際、切替手段は第２電路を選択する。

　この態様によれば、比較的精度の良い負荷インピーダンスを取得することができ、実用上非常に有利である。

　本発明の受電装置に係る実施例について、図面に基づいて説明する。

　先ず、ワイヤレス電力伝送の基本構成について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、ワイヤレス電力伝送システムの基本構成を示す概念図である。図２は、図１に示した基本構成の等価回路を示す図である。図３は、図２に示した等価回路をＦパラメータ解析に適するように示す図である。

　図１において、送電側装置は、出力インピーダンスＺ_Ｇの高周波電源と、容量Ｃ_１の送電側直列共振コンデンサと、インダクタンスＬ_１の送電側コイルと、を備えて構成されている。他方、受電側装置は、インダクタンスＬ_２の受電側コイルと、容量Ｃ_２の受電側直列共振コンデンサと、負荷Ｚ_Ｌと、を備えて構成されている。

　送電側コイルと受電側コイルとの間の相互インダクタンスＬ_ｍ、インダクタンスＬ_１及びインダクタンスＬ_２を用いて、送電側コイルと受電側コイルとの間の結合係数ｋは、次の式で表わすことができる。尚、結合係数ｋは、送電側コイル及び受電側コイル各々の大きさや形態、並びに、送電側コイル及び受電側コイル間の距離に応じて変化する。

　次に、図１に示したワイヤレス電力伝送システムにおける送電側コイル及び受電側コイル各々の直列等価抵抗ｒ_１及びｒ_２を反映させた、等価回路を図２に示す。図２において、破線で囲まれた部分が、相互に結合した送電側コイル及び受電側コイルの等価回路に該当する。

　次に、Ｆパラメータを解析するために、図２に示した等価回路における要素を、直列接続部分と並列接続部分とに分けた図を図３に示す。

　図３において、破線Ｆ_１部分におけるインピーダンスＺ_１は、次の式で表わすことができる。

　図３において、破線Ｆ_２部分におけるアドミタンスＹは、次の式で表わすことができる。

　図３において、破線Ｆ_３部分におけるインピーダンスＺ_２は、次の式で表わすことができる。

　高周波電源からの入力電圧Ｖ_ｉｎ及び入力電流Ｉ_ｉｎと、負荷にかかる出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び出力電流Ｉ_ｏｕｔと、上記インピーダンスＺ_１及びＺ_２と、上記アドミタンスＹと、の関係をＦパラメータで表わすと、次式のようになる。

　出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、出力電流Ｉ_ｏｕｔ及び負荷Ｚ_Ｌを用いて次の式のように表わすことができる。

　送電側装置に係るＱ値であるＱ_１は、インダクタンスＬ_１及び直列等価抵抗ｒ_１を用いて次の式で表わすことができる。

　同様に、受電側装置に係るＱ値であるＱ_２は、インダクタンスＬ_２及び直列等価抵抗ｒ_２を用いて次の式で表わすことができる。

　相互インダクタンスＬｍは、上記［数１］を変形して、次のように表わすことができる。

　上記［数６］乃至［数９］を用いると、効率ηは次の式で表わすことができる。

　ここで、［数１０］のように示される効率ηを負荷Ｚ_Ｌについて微分して得られる微分係数がゼロになるときに効率ηは最大となる。効率ηが最大となるときの負荷Ｚ_Ｌを、最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}とすると、該最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}は、次の式で表わすことができる。

　本実施例に係る受電装置を含むワイヤレス電力伝送システムは、高周波電源の周波数が、例えば１３．５６ＭＨｚ等と比較的高い周波数を用いるシステムであって、送電側コイル及び受電側コイル間の距離（即ち、ギャップ）が比較的大きい磁界共鳴方式を用いたシステムを、前提としている。本実施例に係る受電装置は、該システムにおいて、電力伝送効率を向上させることができるように構成されている。以下、本実施例に係る受電装置について、図４を参照して具体的に説明する。

　図４において、実施例に係るワイヤレス電力伝送システムは、送電装置１０と、受電装置２０とを備えて構成されている。

　送電装置１０は、送電コイル１１と、整合回路１２と、高周波電源１３とを備えて構成されている。尚、送電装置１０を構成する各要素については、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。

　受電装置１００は、受電コイル１１０と、整合回路１２０と、整流回路１３０と、結合係数推定部１４０と、演算ブロック１５０と、電流計１６０と、電圧計１７０とを備えて構成されている。

　受電コイル１１０に含まれる直列共振コンデンサは、独立した素子に限らず、例えば寄生容量であってもよい。受電コイル１１０は、受電回路の入力端Ｐ_ｉｎに電気的に接続されている。

　整合回路１２０及び整流回路１３０により、本発明に係る「受電回路」の一例が構成されている。ここで、整合回路１２０は、可変容量コンデンサと、可変コイルとを備えて構成されている。つまり、整合回路１２０は、可変整合回路である。受電回路の出力端Ｐ_ｏｕｔは、例えばバッテリ等の負荷２０に電気的に接続されている。

　電流計１６０は、整流回路１３０の後段における直流電流値を計測し、該計測された直流電流値を示す信号を演算ブロック１５０に対して送信する。電圧計１７０は、整流回路１３０の後段における直流電圧値を計測し、該計測された直流電圧値を示す信号を演算ブロック１５０に対して送信する。

　結合係数推定部１４０は、送電コイル１１及び受電コイル１１０間の相対的な位置関係を示す位置関係情報を取得する。具体的には例えば、送電コイル１１及び受電コイル１１０間の距離を検出することによって、該位置関係情報を取得する。結合係数推定部１４０は、取得された位置関係情報に基づいて、送電コイル１１及び受電コイル１１０間に係る結合係数ｋを推定する。

　結合係数推定部１４０は、更に、推定された結合係数ｋに基づいて、最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}を演算して、該演算された最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}を示す信号を、演算ブロック１５０に対して送信する。尚、上記［数１１］に示すように、最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}の演算には、送電コイル１１及び受電コイル１１０各々に係るＱ値が必要であるが、該Ｑ値は固有の定数であるので、事前に固定値として設定すればよい。

　演算ブロック１５０は、直流電流値、直流電圧値及び最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}に基づいて、整合回路１２０に係る可変コンデンサの値及び可変コイルの値各々を決定して、該決定された値になるように整合回路１２０を制御する。

　ここで、本実施例に係る受電装置１００の効果について、比較例を参照しつつ説明する。

　例えば図５に示すワイヤレス電力伝送システムでは、負荷の変動に対応できないため、電力伝送効率を最大に維持することが困難である。また、図６に示すワイヤレス電力伝送システムでは、受電側の整流回路の前段に整合回路が設けられているので、特定の負荷に対しては電力伝送効率を最大にすることができる。しかしながら、図６に示すワイヤレス電力伝送システムでも、負荷の変動に対応できないため、電力伝送効率を最大に維持することが困難である。

　他方で、本実施例に係る受電装置１００では、上述の如く、結合係数推定部１４０により最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}が演算されると共に、演算ブロック１５０により、直流電流値、直流電圧値及び最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}に基づいて、整合回路１２０に係る可変コンデンサの値及び可変コイルの値各々が決定される。このため、本実施例に係る受電装置１００によれば、負荷が変動したとしても、電力伝送効率を最大にすることができる。

　次に、以上のように構成された受電装置１００において実施される整合回路制御処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。

　図７において、先ず、結合係数推定部１４０は、例えば送電コイル１１及び受電コイル１１０間の距離を検出して、送電コイル１１及び受電コイル１１０間に係る結合係数ｋを推定する（ステップＳ１０１）。

　続いて、結合係数推定部１４０は、推定された結合係数ｋと、送電コイル１１及び受電コイル１１０各々に係るＱ値等に基づいて、最適負荷Ｚ_{Ｌ＿ｏｐｔ}を演算する（ステップＳ１０２）。

　上記ステップＳ１０１及びＳ１０２と並行して、電流計１６０により直流電流値が計測される。また、電圧計１７０により直流電圧値が計測される（ステップＳ１０３）。尚、電流計１６０及び電圧計１７０は、逐次、計測を行っていてよい。

　次に、演算ブロック１５０は、計測された直流電流値及び直流電圧値に基づいて、負荷抵抗値Ｒ_Ｌ＝（直流電圧値）／（直流電流値）を算出する（ステップＳ１０４）。続いて、演算ブロック１５０は、負荷抵抗値Ｒ_Ｌに応じた整流回路１３０の入力複素インピーダンス（又は、複素アドミタンス）を演算する（ステップＳ１０５）。

　尚、複素インピーダンス（又は、複素アドミタンス）は、負荷抵抗値Ｒ_Ｌと複素インピーダンス（又は複素アドミタンス）との関係を示すテーブルを予め、演算ブロック１５０のメモリ等に格納しておき、該テーブルが参照されることにより取得されてもよいし、逐次演算されてもよい。尚、整流回路１３０にダイオードが用いられている場合は、ダイオードが非線形素子であるので、整流回路１３０の出力の消費電力が異なると負荷抵抗値Ｒ_Ｌが同じであっても複素インピーダンスは異なる。

　次に、演算ブロック１５０は、整合回路１２０の可変コンデンサ及び可変コイル各々の値を設定する（ステップＳ１０６）。具体的には、可変コンデンサの値Ｃ及び可変コイルの値Ｌ各々は、下記式により求められる。尚、下記［数１２］及び［数１３］は、一例であり、該［数１２］及び［数１３］に限定されるものではない。

　次に、演算ブロック１５０は、求められた可変コンデンサの値Ｃ及び可変コイルの値Ｌに基づいて、整合回路１２０を制御する。その後、ステップＳ１０１の処理が再び実施される。

　尚、本実施例に係る「整流回路１３０」及び「結合係数推定部１４０」は、夫々、本発明に係る「整流器」及び「位置関係取得手段」の一例である。本実施例に係る「演算ブロック１５０」は、本発明に係る「インピーダンス取得手段」及び「制御手段」の一例である。

　＜第１変形例＞
　実施例に係る受電装置の第１変形例について、図８を参照して説明する。図８は、実施例の第１変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。

　図８において、第１変形例に係る受電装置は、受電コイル１１０と整合回路１２０との間に電気的に接続された方向性結合器１８０を備えている。演算ブロック１５０は、方向性結合器１８０によって得られる進行波と反射波との情報に基づいて、該進行波及び反射波の振幅比と、該進行波及び反射波の位相差とから、入力複素インピーダンスを求める。

　＜第２変形例＞
　実施例に係る受電装置の第２変形例について、図９を参照して説明する。図９は、実施例の第２変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。

　図９において、第２変形例に係る受電装置は、整合回路１２０の前段において高周波電流を計測する高周波電流センサ１６１と、整合回路１２０の前段において高周波電圧を測定する高周波電圧センサ１７１と、を備えている。演算ブロック１５０は、測定された高周波電圧を、測定された高周波電流で除することにより、入力複素インピーダンスを求める。

　＜第３変形例＞
　実施例に係る受電装置の第３変形例にについて、図１０を参照して説明する。図１０は、実施例の第３変形例に係るワイヤレス電力伝送システムの構成を示す概略構成図である。

　図１０において、第３変形例に係る受電装置は、整流回路１３０の後段に設けられた、本発明に係る「電源」の一例としての直流電源１９０と、本発明に係る「切替手段」の一例としての、スイッチＳＷと、を備えている。スイッチＳＷが端子ａに接続されている場合、受電コイル１１０を介して受電された電力が負荷２０に対して出力される。他方、スイッチＳＷが端子ｂに接続されている場合、直流電源１９０から出力された電力が負荷２０に対して出力される。

　尚、スイッチＳＷが端子ａに接続されている場合の電路が、本発明に係る「第１電路」の一例であり、スイッチＳＷが端子ｂに接続されている場合の電路が、本発明に係る「第２電路」の一例である。

　本変形例に係る受電装置は、整流回路１３０の出力電圧を計測する電圧計１７２を更に備えている。演算ブロック１５０は、電圧計１７２により計測された整流回路１３０の出力電圧に基づいて、該整流回路１３０の出力電圧と、直流電源１９０の出力電圧とが同じになるように、該直流電源１９０を制御する。

　例えば一定周期毎に、スイッチＳＷが端子ｂに接続されるように構成すれば、直流電源１９０から出力される比較的質の高い直流電源により、電流値及び電圧値が得られるので、演算ブロック１５０により算出される入力複素インピーダンスの精度を向上させることができる。

　本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う受電装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

　１０…送電装置、１１…送電コイル、１２、１２０…整合回路、１３…高周波電源、２０…負荷、１００…受電装置、１１０…受電コイル、１３０…整流回路、１４０…結合係数推定部、１５０…演算ブロック、１６０…電流計、１６１…高周波電流センサ、１７０…電圧計、１７１…高周波電圧センサ、１８０…方向性結合器、１９０…直流電源、Ｐ_ｉｎ…入力端、Ｐ_ｏｕｔ…出力端、ＳＷ…スイッチ

Claims

　送電コイルを備える送電装置から出力された電力を非接触で受電する受電装置であって、
　前記送電コイルと間隔をあけて対向して配置される受電コイルと、
　前記受電コイルに電気的に接続された入力端と、負荷に対して電力を出力可能な出力端と、前記入力端及び前記出力端間に配置され、特性可変に構成された整合回路と、前記入力端及び前記出力端間に配置された整流器と、を有する受電回路と、
　前記送電コイル及び前記受電コイル間の相対的な位置関係を示す位置関係情報を取得する位置関係取得手段と、
　前記受電コイルに係る負荷インピーダンスを取得するインピーダンス取得手段と、
　前記取得された位置関係情報及び前記取得された負荷インピーダンスに基づいて、前記整合回路に係る特性を変更する制御手段と、
　を備えることを特徴とする受電装置。
　前記受電回路において、前記整合回路は、前記入力端及び前記整流器間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
　前記インピーダンス取得手段は、前記整流器後段における電流値及び電圧値を検出し、前記検出された電流値及び電圧値に基づいて、前記負荷インピーダンスを取得することを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
　前記インピーダンス取得手段は、入力端に係る電流値及び電圧値を検出し、前記検出された電流値及び電圧値に基づいて、前記負荷インピーダンスを取得することを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
　前記受電回路は、
　前記受電回路に電力を供給可能な電源と、
　前記入力端及び前記出力端間が電気的に接続される第１電路と、前記電源及び前記出力端間が電気的に接続される第２電路とを相互に切り替える切替手段と、
　を更に有し、
　前記インピーダンス取得手段により前記負荷インピーダンスが取得される際、前記切替手段は前記第２電路を選択する
　ことを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
　前記位置関係取得手段は、前記送電コイル及び前記受電コイル間における結合係数を前記位置関係情報として取得することを特徴とする請求項１に記載の受電装置。