JP2012152075A

JP2012152075A - 送電デバイス

Info

Publication number: JP2012152075A
Application number: JP2011010499A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takegawa; 雅之竹川; Takashi Uchida; 貴内田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】一次側アンテナ及び二次側アンテナを配置する時の位置自由度を維持しつつ、両アンテナの位置関係が固定されている場合と同様に高い伝送効率が得られる。
【解決手段】二次側アンテナ２１へ電力を送電する一次側アンテナ１３と、一次側アンテナ１３から反射される反射エネルギを検出する反射エネルギ検出手段１７ａ及び１７ｂと、一次側アンテナ１３を移動させる移動手段１５及び１６と、反射エネルギに基づいて、一次側アンテナ１３が二次側アンテナ２１に対して最適な位置に配置するように移動手段１５及び１６を制御する制御手段１８とを備えることを特徴とする送電デバイス１０。
【選択図】図１

Description

本発明は送電デバイスに関し、特に、電気的に接触することなく受電デバイスに給電を行なう送電デバイスに関する。

従来の電磁誘導を用いた非接触（ワイヤレス）電力伝送システムは、一次側アンテナを内蔵した給電台（送電デバイス）に二次側アンテナを内蔵した被給電デバイス（受電デバイス）をセットし、一次側の送電デバイスと二次側の受電デバイスの位置を固定し電力を伝送する。

このシステムで用いる送電デバイスでは、電源プラグで受けた電力を送電回路により適切な波形に変換し、一次側アンテナで電磁界を発生させる。そして、受電デバイスでは、この電磁界の作用を受けた二次側アンテナを介して、受電回路により電力を所定の形式に変換する。

また、近年では、パッシブ型の非接触ＩＣタグなど、ある程度の位置自由度を持たせた状態で給電するシステムが実用化されるとともに、電磁誘導方式に比べて位置自由度が格段に高い磁界共鳴を用いた電力伝送システムも提案されている。

関連のある技術として、以下の文献が開示されている。

特開平７−２３６２０４号公報

しかしながら、前述のような電磁誘導を用いた一般的な非接触電力伝送システムでは、ワイヤレスであることの利点を部分的にしか生かせないという問題があった。すなわち、被給電デバイスを給電台に置く必要があるなど位置自由度が低いため、端子が無いことによる感電防止効果や、端子の腐食などが発生しないという限定的なメリットしか享受できなかった。

また、非接触ＩＣタグなどのように位置自由度を有するシステムでは、エネルギ効率を犠牲にしても問題ないレベルの微弱な電力を短時間送受信する場合にしか適用することができないという問題があった。

また、磁界共鳴を用いた電力伝送システムでは、一次側及び二次側のアンテナ形状や回路定数を、給電システムの設計時に想定した両アンテナの位置関係によるアンテナ間の結合係数と整合させている。このため、両アンテナの位置関係が当初の想定とは異なりアンテナ間の結合係数が変化してしまった場合に、高い電力伝送効率を維持することができない。すなわち、実運用時に位置自由度を高めることができないという問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、一次側アンテナ及び二次側アンテナを配置する時の位置自由度を維持しつつ、両アンテナの位置関係が固定されている場合と同様に高い伝送効率が得られる送電デバイスを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の送電デバイスは、二次側アンテナへ電力を送電する一次側アンテナと、前記一次側アンテナから反射される反射エネルギを検出する反射エネルギ検出手段と、前記一次側アンテナを移動させる移動手段と、前記反射エネルギに基づいて、前記一次側アンテナが前記二次側アンテナに対して最適な位置に配置するように前記移動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる電力伝送システムは、一次側アンテナから二次側アンテナへ電力を伝送する電力伝送システムであって、前記一次側アンテナから反射される反射エネルギを検出する反射エネルギ検出手段と、前記一次側アンテナを移動させる移動手段と、前記反射エネルギに基づいて、前記一次側アンテナが前記二次側アンテナに対して最適な位置に配置するように前記移動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる電力伝送システムは、一次側アンテナから二次側アンテナへ電力を伝送する電力伝送システムであって、送信手段と、前記送信手段から受信した信号の検出位置に基づいて、所定の面方向における前記一次側アンテナと前記二次側アンテナとの相対的な位置を検出する位置検出手段と、前記一次側アンテナから反射される反射エネルギを検出する反射エネルギ検出手段と、前記一次側アンテナを移動させる移動手段と、前記位置検出手段により検出された位置情報に基づいて、前記一次側アンテナが前記二次側アンテナに対して前記所定の面方向において最適な位置に配置され、前記反射エネルギに基づいて、前記一次側アンテナが前記二次側アンテナに対して最適な位置に配置するように前記移動手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、前記電力伝送システムの電力伝送方式は磁界共鳴型であることを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記反射エネルギ検出手段により検出された反射エネルギが最小となるように前記移動手段を制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記位置検出手段により検出された位置情報が予め設定された目標位置と一致するように前記移動手段を制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記位置検出手段での受信状況を監視し、前記受信が遮断された場合に電力の送電を中止させることを特徴とする。

一次側アンテナ及び二次側アンテナを配置する時の位置自由度を維持しつつ、両アンテナの位置関係が固定されている場合と同様に高い伝送効率が得られる電力伝送システムを提供することができる。

本実施の形態に係る電力伝送システムの断面図である。本実施の形態に係る電力伝送システムのアンテナ間距離がＤ１である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。本実施の形態に係る電力伝送システムのアンテナ間距離がＤ２である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。本実施の形態に係る電力伝送システムのアンテナ間距離がＤ３である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。本実施の形態に係る電力伝送システムの動作を示すフローチャートである。

本実施の形態に係る電力伝送システム１について図を用いて説明する。なお、以下では、本実施の形態の説明で必要な図のみ用いて説明する。このため、本発明はこれらの図に限定されるものではない。また、以下では、磁界共鳴型の伝送方式を用いて自動車の充電池に給電する形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係る電力伝送システム１の断面図である。電力伝送システム１は送電デバイス１０及び受電デバイス２０を有する。

送電デバイス１０は、電源プラグ１１、送電部１２、一次側アンテナ１３、位置検出部（位置検出手段）１４、平面移動部（移動手段）１５、垂直移動部（移動手段）１６、反射エネルギ検出部（反射エネルギ検出手段）１７ａ、１７ｂ、制御部（制御手段）１８及び送電部１２と一次側アンテナ１３とを接続する送電線１９を有する。送電部１２は電源プラグ１１で受電した電力を伝送周波数に変換する回路を有し、例えばＡＣ−ＡＣコンバータが挙げられる。

一次側アンテナ１３は共振コイルであり、不図示のコンデンサが接続されている。一次側アンテナ１３は、送電部１２で伝送周波数に変換された電力により、所定の共振周波数を有する磁界を発生させて電力を受電デバイス２０に送電する。

位置検出部１４は、ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）等からなり、受信した光の分布に基づいて送電デバイス１０の平面方向（路面方向）の二次元の座標を検出する。平面移動部１５は例えばアクチュエータ等により構成され、送信デバイス１０を路面方向に移動する。垂直移動部１６は、平面移動部１５と同様にアクチュエータ等により構成され、送信デバイス１０を平面移動部１５の移動方向とは垂直の方向に移動させる。

反射エネルギ検出部１７ａ及び１７ｂは送電線１９に接続されている。反射エネルギ検出部１７ａは一次側アンテナ１３側へ伝送される成分（透過波）の伝送エネルギ（透過係数）を検出し、制御部１８へ出力する。反射エネルギ検出部１７ｂは一次側アンテナ１３側から反射される成分（反射波）の反射エネルギ（反射係数）を検出し、制御部１８へ出力する。

ここで、反射エネルギは、一次側アンテナ１３と後述する二次側アンテナとの距離に依存し、この距離が最適化されると所定の伝送周波数における反射エネルギも最小値を示す。

具体的には図２〜図４を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る電力伝送システム１のアンテナ間距離がＤ１である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。図３は、本実施の形態に係る電力伝送システム１のアンテナ間距離がＤ２である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。図４は、本実施の形態に係る電力伝送システム１のアンテナ間距離がＤ３である場合における伝送エネルギ及び反射エネルギの周波数依存性を示す図である。なお、これらの図において、アンテナ間距離の関係はＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３である。これらの図から、アンテナ間距離がＤ２の時に伝送周波数ｆ_０での反射エネルギが最小値を示すことから、Ｄ２が最適なアンテナ間の距離となる。この最適な距離は、一次側アンテナ１３及び後述する二次側アンテナの結合係数から一次側アンテナ１３から発生する磁界の通過帯域幅とこの通過帯域幅内のリップルとが定まり、このリップルが電力伝送システム１の設計条件に合うような距離である。

制御部１８はＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）及びメモリを有する制御回路である。制御部１８は位置検出部１４の検出結果を受信し、検出結果がメモリに記憶されている予め設定された位置情報と一致するように平面移動部１５を制御する。また、制御部１８は反射エネルギ検出部１７ａ及び１７ｂの検出結果を受信し、この検出結果に基づいて反射エネルギが低減するように垂直移動部１６を制御する。制御部１８の動作については後述する。

なお、予め設定された位置情報とは路面方向の座標に関する情報を表す。具体的には、位置検出部１４から出力される座標が座標点（０，０）で赤外線を受信した時に、一次側アンテナ１３と後述する二次側アンテナとの位置関係が最適になる設計とした場合の座標点（０，０）を表す。

受電デバイス２０はタイヤ２５を有する自動車に搭載されており、二次側アンテナ２１、受電部２２、充電部２３及び発光素子（送信手段）２４を有する。二次側アンテナ２１は、一次側アンテナ１３と同様に共振コイルであり、不図示のコンデンサが接続されている。二次側アンテナ２１は、一次側アンテナ１３から発生した磁界と共鳴することにより電力を受電する。

受電部２２は、二次側アンテナ２１で受電した電力を受電デバイス２０に適した形式に変換する回路を有し、例えばＡＣ−ＡＣコンバータが挙げられる。充電部２３はバッテリを充電する。発光素子２４（送信手段）は位置検出部１４へ赤外線等の光を発光する素子である。発光素子２４は、赤外線の他、可視光、紫外線等の電磁波を照射するものでもよく、超音波やレーザを照射するものでもよい。

次に、電力伝送システム１の動作例を説明する。図５は、本実施の形態に係る電力伝送システム１の動作を示すフローチャートである。

まず、受電デバイス２０を有する自動車は所定の位置に停止する。受電デバイス２０は、送電デバイス１０と対向する任意の位置に配置された後、発光素子２４から赤外線を照射する（Ｓ１）。位置検出部１４は照射された赤外線を検出し、検出結果を制御部１８へ送信する（Ｓ２）。制御部１８は位置検出部１４から検出結果を受信した後、メモリから予め定められた座標を読み込む（Ｓ３）。制御部１８は、読み込んだ座標と位置検出部１４の検出結果が一致するように、平面移動部１５により一次側アンテナ１３を路面方向に移動させる（Ｓ４）。

制御部１８は、送電部１２により一次側アンテナ１３を介して二次側アンテナ２１に微弱電力を送電させる（Ｓ５）。ここで、微弱電力を送電するのは以下の理由による。送電を開始する時点では一次側アンテナ１３と二次側アンテナ２１との距離が最適ではない可能性が高い。このため、一次側アンテナ１３と二次側アンテナ２１との最適な距離が定まるまで出力を抑えることにより、送電デバイス１０の消費電力を低減し、且つ周囲の機器への悪影響を防ぐ。

微弱電力の送電を開始した後、反射エネルギ検出部１７ａは伝送エネルギを検出し、反射エネルギ検出部１７ｂは反射エネルギを検出する（Ｓ６）。そして、反射エネルギ検出部１７ａ及び１７ｂは検出結果を制御部１８に送信する。

制御部１８は、垂直移動部１６により一次側アンテナ１３を二次側アンテナ２１側に一定距離だけ垂直移動させる（Ｓ７）。反射エネルギ検出部１７ａ及び１７ｂは、ステップ６と同様に、各々伝送エネルギ及び反射エネルギを検出し、検出結果を制御部１８に送信する（Ｓ８）。

そして、制御部１８は、ステップ８において検出された反射エネルギがステップ６において検出された反射エネルギと比べて減少しているか否か判断する（Ｓ９）。減少している場合（Ｓ９、ｙｅｓ）、ステップ７に戻る。一方減少していない場合（Ｓ９、ｎｏ）、制御部１８は、垂直移動部１６により一次側アンテナ１３を二次側アンテナ２１側とは逆側に一定距離だけ垂直移動させる（Ｓ１０）。

制御部１８は送電部１２により通常出力の電力を一次側アンテナ１３を介して二次側アンテナ２１へ送電させる（Ｓ１１）。受電デバイス２０は二次側アンテナ２１を介して受電部２２により電力を受電する（Ｓ１２）。

以上のように、本実施の形態に係る電力伝送システム１は、一次側アンテナ１３からの反射エネルギが最小値を示すように一次側アンテナ１３を移動することができる。このため、一次側アンテナ１３の位置自由度を維持しつつ、アンテナの位置が最適な位置に固定されている場合と同様に高い伝送効率で電力を伝送することができる。

なお、本実施の形態では、高い伝送効率を実現可能な磁界共鳴型の電力伝送方式を利用した場合について説明したが、電界共鳴型の電力伝送方式を利用することもできる。電界共鳴型は磁界共鳴型と同様に、一次側アンテナ１３と二次側アンテナ２１との距離が最適である場合に反射エネルギが低くなるためである。

また、本実施の形態では、制御部１８は、反射エネルギに基づいて垂直移動部１６により一次側アンテナ１３を路面方向とは垂直な方向にのみ移動しているが、反射エネルギに基づいて平面移動部１５及び垂直移動部１６により、一次側アンテナ１３を路面方向及び路面方向とは垂直の方向に移動してもよい。この場合、発光素子２４及び位置検出部１４を設置せずとも、路面方向及び路面方向とは垂直の方向についてアンテナの位置合わせが可能なため、高効率な電力伝送を実現できるとともに、アンテナの位置合わせに費やす時間を短縮することができる。

なお、前述のように反射エネルギのみに基づいて一次側アンテナ１３の位置合わせを行う手順としては、まず、自動車が所定の位置に停車した後、図５のステップ５から開始する。そして、制御部１８は、路面方向の所定の方向（ｘ軸方向）において、平面移動部１５によりステップ６〜１０のように反射エネルギが減少する方向に一次側アンテナ１３を移動させる。同様に、制御部１８は、路面方向の所定の方向とは直角方向（ｙ軸方向）及び路面方向とは垂直の方向（ｚ軸方向）において、ｘ軸方向と同様に一次側アンテナ１３を移動させる。

また、本実施の形態では、図５に記載のように一次側アンテナ１３が移動した位置毎に反射エネルギを比較しているが、一次側アンテナ１３が所定の位置に配置された後、一次側アンテナ１３の可動範囲内のすべての位置における反射エネルギを検出し、検出結果から最も反射エネルギが小さい位置に一次側アンテナ１３を移動してもよい。図５に記載のステップと比べて時間を費やすものの、確実に反射エネルギが小さい位置を検出することができる。

また、本実施の形態では、発光素子２４及び位置検出部１４を平面方向の位置を検出するために用いているが、送電デバイス１０と受電デバイス２０との間に異物が侵入したか否かの判断に用いてもよい。すなわち、制御部１８は、位置検出部１４での検出結果を継続して受信することにより位置検出部１４の受信状況を監視し、異物の有無を判断してもよい。制御部１８は、位置検出部１４から出力される検出結果の信号が途絶えた場合、送電デバイス１０と受電デバイス２０との間に異物が侵入したと判断し、送電部１２に送電を停止させる。これにより、異物の進入による伝送効率の低下を防ぐとともに、安全な作業条件を確保することができる。

また、本実施の形態では、電力伝送システムを自動車に適用した例について説明したが、携帯端末の充電、監視カメラの設置や電力供給等にも適用することができる。

１電力伝送システム、１０送電デバイス、１１電源プラグ、１２送電部、１３一次側アンテナ、１４位置検出部、１５平面移動部、１６垂直移動部、１７ａ及び１７ｂ反射エネルギ検出部、１８制御部、１９送電線、２０受電デバイス、２１二次側アンテナ、２２受電部、２３充電部、２４発光素子、２５タイヤ。

Claims

二次側アンテナへ電力を送電する一次側アンテナと、
前記一次側アンテナから反射される反射エネルギを検出する反射エネルギ検出手段と、
前記一次側アンテナを移動させる移動手段と、
前記反射エネルギに基づいて、前記一次側アンテナが前記二次側アンテナに対して最適な位置に配置するように前記移動手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする送電デバイス。