WO2017026136A1

WO2017026136A1 - 電界結合式非接触給電システム

Info

Publication number: WO2017026136A1
Application number: PCT/JP2016/057754
Authority: WO
Inventors: 宮崎　弘行
Original assignee: スミダコーポレーション株式会社
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-02-16

Abstract

送電側装置１は、受電側装置２の受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗにそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を生成するインバータ２１とを有する。受電側装置２は、送電側装置１の送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗと、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を整流するコンバータ２１とを有する。

Description

電界結合式非接触給電システム

　本発明は、電界結合式非接触給電システムに関するものである。

　非接触給電システムの種類には、電磁誘導式、磁界結合式などがある。電磁誘導式および磁界結合式の非接触給電システムには受電側にコイルおよびコアが必要になるため、受電側装置が大型になるとともに重量が大きくなるため、好ましくない。

　他方、電界結合式の非接触給電システムでは、送電側の電極と受電側の電極と間の電界結合によって、送電側装置から受電側装置へ給電するため、受電側装置に、受電用のコイルなどが必要ない（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／０５４８００号

　特許文献１に記載の非接触給電システムでは、給電用のアクティブ電極およびパッシブ電極並びに基準電位用の電極が、送電側装置および受電側装置にそれぞれ設けられており、送電側装置および受電側装置のそれぞれにおいて、３枚の電極分の設置面積が必要となる。また、特許文献１に記載の非接触給電システムでは、給電用のアクティブ電極およびパッシブ電極によって単相交流で給電が行われており、大電力の伝送のためには大きな電極の設置面積が必要になってしまう。

　なお、給電周波数を高くすれば電極間のインピーダンスが低くなり電極間電圧が低くなるが、送電側装置内のインバータの効率が悪くなってしまうため、好ましくない。

　本発明は、小さな電極設置面積で大電力の伝送が可能な電界結合式非接触給電システムを得ることを目的とする。

　本発明に係る電界結合式非接触給電システムは、送電側装置と、受電側装置とを備える。送電側装置は、受電側装置の受電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極と、送電側電極および受電側電極を介して導通する三相交流電流を生成するインバータとを有する。受電側装置は、送電側装置の送電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極と、受電側電極に接続され、送電側電極および受電側電極を介して導通する三相交流電流を整流するコンバータとを有する。

　本発明に係る送電側装置は、電界結合式非接触給電システムの受電側装置の受電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極と、送電側電極および受電側電極を介して導通する三相交流電流を生成するインバータとを備える。

　本発明に係る受電側装置は、電界結合式非接触給電システムの送電側装置の送電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極と、受電側電極に接続され、送電側電極および受電側電極を介して導通する三相交流電流を整流するコンバータとを備える。

　本発明によれば、小さな電極設置面積で大電力の伝送が可能な電界結合式非接触給電システムが得られる。

　本発明の上記又は他の目的、特徴および優位性は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から更に明らかになる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電界結合式非接触給電システムの構成を示すブロック図である。

　以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

　図１は、本発明の実施の形態に係る電界結合式非接触給電システムの構成を示すブロック図である。図１に示す電界結合式非接触給電システムは、送電側装置１と、受電側装置２とを備える。送電側装置１は、受電側装置２へ送電する装置であり、受電側装置２は、送電側装置１から受電する装置である。例えば、受電側装置２は、自動車、自動二輪、船舶などの移動体に内蔵され、送電側装置１は、そのような移動体へ給電する給電ステーションなどに内蔵され、給電によって例えば受電側装置２内の二次電池が充電される。

　送電側装置１は、インバータ１１、直流電源Ｅ、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ、抵抗１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ、およびインダクタ１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗを備える。

　受電側装置２は、コンバータ２１、受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗ、および負荷２３を備える。

　送電側装置１において、インバータ１１は、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を生成する。

　送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、三相のそれぞれの相に対応し、受電側装置２の受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗにそれぞれ電界結合する電極板である。送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗは、平板状、曲板状、筒状などの所定の形状を有する。

　また、受電側装置２において、コンバータ２１は、受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗに接続され、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を整流する。

　受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは、三相のそれぞれの相に対応し、送電側装置１の送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにそれぞれ電界結合する電極板である。受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの形状に対応する、平板状、曲板状、筒状などの所定の形状を有する。

　送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗのうちの各２相の電極の間隔は、受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗのうちの各２相の電極の間隔と同じになっている。送電側電極１２Ｕおよび受電側電極２２Ｕは、給電時に所定の距離で配置され、所定の静電容量Ｃｒのキャパシタを構成する。また、送電側電極１２Ｖおよび受電側電極２２Ｖは、給電時に所定の距離で配置され、所定の静電容量Ｃｒのキャパシタを構成する。また、送電側電極１２Ｗおよび受電側電極２２ｗは、給電時に所定の距離で配置され、所定の静電容量Ｃｒのキャパシタを構成する。

　抵抗１３Ｕ、インダクタ１４Ｕ、並びに送電側電極１２Ｕおよび受電側電極２２Ｕによるキャパシタは、直列共振回路を構成する。また、抵抗１３Ｖ、インダクタ１４Ｖ、並びに送電側電極１２Ｖおよび受電側電極２２Ｖによるキャパシタは、直列共振回路を構成する。また、抵抗１３Ｗ、インダクタ１４Ｗ、並びに送電側電極１２Ｗおよび受電側電極２２Ｗによるキャパシタは、直列共振回路を構成する。

　これらの直列共振回路は、インバータ１１により生成される三相交流電流の周波数と同一の共振周波数を有する。

　送電側装置１におけるインバータ１１は、スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮ，ＱＶＰ，ＱＶＮ，ＱＷＰ，ＱＷＮ、発振回路ＯｓｃＵＰ，ＯｓｃＵＮ，ＯｓｃＶＰ，ＯｓｃＶＮ，ＯｓｃＷＰ，ＯｓｃＷＮ、昇圧器ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ、および抵抗Ｒｎを備える。ここでは、スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮ，ＱＶＰ，ＱＶＮ，ＱＷＰ，ＱＷＮは、Ｎチャネル型ＭＯＳ－ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であるが、他のスイッチング素子でもよい。

　スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮ、発振回路ＯｓｃＵＰ，ＯｓｃＵＮ、および昇圧器ＴＵは、三相（Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相）のうちのＵ相について設けられている。スイッチング素子ＱＶＰ，ＱＶＮ、発振回路ＯｓｃＶＰ，ＯｓｃＶＮ、および昇圧器ＴＶは、Ｖ相について設けられている。スイッチング素子ＱＷＰ，ＱＷＮ、発振回路ＯｓｃＷＰ，ＯｓｃＷＮ、および昇圧器ＴＷは、Ｗ相について設けられている。

　Ｕ相について、スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮは、昇圧器ＴＵの２つの一次巻線Ｌ１ＵＰ，Ｌ１ＵＮにそれぞれ直列に接続されている。一次巻線Ｌ１ＵＰ，Ｌ１ＵＮは、互いに逆相で、二次巻線Ｌ２Ｕに磁気結合している。また、スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮおよび昇圧器ＴＵの２つの一次巻線Ｌ１ＵＰ，Ｌ１ＵＮによる直列回路が並列に直流電源Ｅに接続されている。発振回路ＯｓｃＵＰ，ＯｓｃＵＮは、それぞれ、互いに逆相で、生成すべき三相交流電流の周波数と同一の周波数の制御信号を生成し、スイッチング素子ＱＵＰ，ＱＵＮは、発振回路ＯｓｃＵＰ，ＯｓｃＵＮにより生成された制御信号でオンオフ動作する。これにより、二次巻線Ｌ２Ｕに、制御信号と同一の周波数で昇圧後の交流電圧が誘起する。つまり、発振回路ＯｓｃＵＰ、スイッチング素子ＱＵＰ、および一次巻線Ｌ１ＵＰによって、１周期の半分の期間、二次巻線Ｌ２Ｕに、交流電圧を誘起させ、発振回路ＯｓｃＵＮ、スイッチング素子ＱＵＮ、および一次巻線Ｌ１ＵＮによって、１周期の残りの半分の期間、二次巻線Ｌ２Ｕに、交流電圧を誘起させる。

　Ｖ相についても、スイッチング素子ＱＶＰ，ＱＶＮ、発振回路ＯｓｃＶＰ，ＯｓｃＶＮ、および昇圧器ＴＶは、同様に接続され、同様に動作する。これにより、二次巻線Ｌ２Ｖに、制御信号と同一の周波数で昇圧後の交流電圧が誘起する。ただし、二次巻線Ｌ２Ｖに誘起する交流電圧の位相と二次巻線Ｌ２Ｕに誘起する交流電圧の位相は互いに１２０度ずれている。

　また、Ｗ相についても、スイッチング素子ＱＷＰ，ＱＷＮ、発振回路ＯｓｃＷＰ，ＯｓｃＷＮ、および昇圧器ＴＷは、同様に接続され、同様に動作する。これにより、二次巻線Ｌ２Ｗに、制御信号と同一の周波数で昇圧後の交流電圧が誘起する。ただし、二次巻線Ｌ２Ｗに誘起する交流電圧の位相と二次巻線Ｌ２Ｖに誘起する交流電圧の位相は互いに１２０度ずれており、二次巻線Ｌ２Ｕに誘起する交流電圧の位相と二次巻線Ｌ２Ｗに誘起する交流電圧の位相は互いに１２０度ずれている。

　また、二次巻線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｖ，Ｌ２Ｗのそれぞれの一端は中性点に接続され、中性点は、抵抗Ｒｎを介して接地されている。これにより、二次巻線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｖ，Ｌ２Ｗには三相交流電圧が誘起する。

　二次巻線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｖ，Ｌ２Ｗのそれぞれの他端は、直列共振回路４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗのそれぞれの一端に接続されている。

　他方、受電側装置２におけるコンバータ２１は、整流回路３１および平滑回路３２を備える。整流回路３１は、直列共振回路４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗのそれぞれの他端に接続されており、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）のそれぞれについて、直列接続されたダイオードＤｉＰ，ＤｉＮ（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）を備え、全波整流を行う。平滑回路３２は、整流回路３１に接続された、キャパシタＣおよび抵抗Ｒの直列回路であり、整流回路３１により整流された後の直流電圧を平滑する。

　また、受電側装置２における負荷２３は、コンバータ２１に接続され、直流電圧を印加される。これにより、負荷２３には直流電流が導通する。

　次に、上記システムによる給電動作について説明する。

　送電側装置１および受電側装置２が相対的に所定位置に配置される。これにより、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗの位置、および両者間の距離が所定の位置および距離となり、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗによる静電容量が所定値Ｃｒとなる。なお、このとき、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは互いに接触しないが、送電側装置１の表面と受電側装置２の表面とは、互いに接触していてもよい。

　この状態で、送電側装置１では、インバータ１１が、三相交流電流を生成する。この三相交流電流は、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する。そして、受電側装置２では、コンバータ２１によって、その三相交流電流は、直流電流に整流され、直流電流が負荷２３に導通する。

　以上のように、上記実施の形態によれば、送電側装置１は、受電側装置２の受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗにそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を生成するインバータ２１とを有する。受電側装置２は、送電側装置１の送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗにそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗと、受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗに接続され、送電側電極１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗおよび受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗを介して導通する三相交流電流を整流するコンバータ２１とを有する。

　これにより、小さな電極設置面積で大電力の伝送が可能となる。

　例えば、周波数３００キロヘルツの三相交流で１キロワットの電力を伝送する場合、送電側電極と受電側電極との間の耐圧を考慮して各相の送電側電極と受電側電極との間の電圧（実効値）を約５キロボルト以下に抑えるためには、各相の送電側電極と受電側電極とによる静電容量Ｃｒは、少なくとも２１７ｐＦ必要になる。３相（つまり、３組）の合計では、６５１ｐＦの静電容量が必要となる。

　他方、周波数３００キロヘルツの単相交流で１キロワットの電力を伝送する場合、送電側電極と受電側電極との間の電圧（実効値）を約５キロボルト以下に抑えるためには、アクティブ電極とパッシブ電極のそれぞれの静電容量Ｃｒは、少なくとも７５２ｐＦ必要になる。アクティブ電極とパッシブ電極の（つまり、２組）合計では、１５０４ｐＦの静電容量が必要となる。

　電極間の距離を同一とした場合、静電容量を大きくするためには、電極面積を大きくする必要があるので、上述の場合、周波数３００キロヘルツの三相交流で１キロワットの電力を伝送する場合の３相分の電極面積は、周波数３００キロヘルツの単相交流で１キロワットの電力を伝送する場合の電極面積の約４３パーセントで済む。

　このように、上述のように三相交流の電界結合方式で給電した場合、単相交流の電界結合方式より、電極面積が小さくて済む。

　なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

　例えば、上記実施の形態において、直列共振回路４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの抵抗１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗおよびインダクタ１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗは送電側装置１に設けられておりが、その代わりに、抵抗１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗおよびインダクタ１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗの一方または両方を、受電側装置２に（つまり、受電側電極２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗとコンバータ２１との間）設けてもよい。

　また、上記実施の形態において、インバータ１１における二次巻線Ｌ２Ｕ，Ｌ２Ｖ，Ｌ２Ｗは、スター結線となっているが、デルタ結線としてもよい。

　また、上記実施の形態において、電界結合式非接触給電システムを、モバイル端末装置（タブレット端末、携帯ＰＯＳ（Point Of Sales）端末など）といった電子機器への給電に適用してもよい。その場合、受電側装置２は、モバイル端末装置に内蔵され、送電側装置１は、そのようなモバイル端末装置へ給電する給電装置（クレードルなど）に内蔵され、給電によって受電側装置２内の二次電池が充電される。

　本発明は、例えば、非接触給電システムに適用可能である。

　１　送電側装置
　２　受電側装置
　１１　インバータ
　１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ　送電側電極
　２１　コンバータ
　２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗ　受電側電極
　４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ　直列共振回路　

Claims

　送電側装置と、
　受電側装置とを備え、
　前記送電側装置は、
　前記受電側装置の受電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極と、
　前記送電側電極および前記受電側電極を介して導通する三相交流電流を生成するインバータとを有し、
　前記受電側装置は、
　前記送電側装置の送電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極と、
　前記送電側電極および前記受電側電極を介して導通する三相交流電流を整流するコンバータとを有すること、
　を特徴とする電界結合式非接触給電システム。
　各相に対して、前記送電側電極および前記受電側電極による静電容量を使用し、前記三相交流電流の周波数と同一の共振周波数を有する直列共振回路をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電界結合式非接触給電システム。
　前記受電側装置は移動体に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電界結合式非接触給電システム。
　電界結合式非接触給電システムの受電側装置へ給電する送電側装置において、
　前記受電側装置の受電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの送電側電極と、
　前記送電側電極および前記受電側電極を介して導通する三相交流電流を生成するインバータと、
　を備えることを特徴とする送電側装置。
　電界結合式非接触給電システムの送電側装置から給電される受電側装置において、
　前記送電側装置の送電側電極にそれぞれ電界結合し、三相のそれぞれの相に対応する３つの受電側電極と、
　前記送電側電極および前記受電側電極を介して導通する三相交流電流を整流するコンバータと、
　を備えることを特徴とする受電側装置。