JP2013121230A

JP2013121230A - 非接触電力伝送システム

Info

Publication number: JP2013121230A
Application number: JP2011267493A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oka; 利昭岡
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】簡易な構成で受電側に必要な電力のみを給電することができる電力伝送システムを提供すること。
【解決手段】交流定電圧電力供給部、給電側共振コンデンサ、および給電アンテナコイルを備えた給電装置と、受電アンテナコイル、および負荷を備え、給電装置に対して相対的に移動することが可能な受電装置を有し、受電装置は給電アンテナコイルから受電アンテナコイルへ伝送された電力を負荷へ供給し、交流定電圧電力供給部に対して、送電側共振コンデンサと送電アンテナコイルが並列に接続されている非接触電力伝送システムとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波により給電側から受電側へ非接触で電力を供給する非接触電力伝送システムに関する。

特許文献１には、送電側ユニットの送電コイルと共振コンデンサが直列に接続され、受電側ユニットの共振コンデンサが受電コイルと並列に接続されている構成が開示されている。また、送電側ユニットの送電コイル近傍にはさらにホール素子が配置され、受電側ユニットの受電コイルの近傍に配置された永久磁石による磁束を検出した場合に送電コイルから受電コイルへ電力を伝送する構成も開示されている。

一方、特許文献２には、インダクタンスとキャパシタから構成される入出力装置の共振回路と本体側共振回路は電磁誘導結合し、電磁誘導により本体側共振回路から入出力装置の共振回路へ電力が供給される構成が開示されている。

なお、共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの値は、機器本体の通信回路が本体側共振回路のインダクタンスに流す電流の周波数に応じて共振回路で共振が生じるような値に設定されている。また、共振回路をインダクタンスとキャパシタを直列接続した直列共振回路構成としてもよいとの記載もある。

特開２０１１−１３０５６９号公報特開２０１１−１３０４７４号公報

特許文献１の構成では、受電側ユニットが電力を必要としていない場合でも送電コイルと受電コイルが対向していれば電力が供給されてしまう上に、送電側ユニットの送電コイルと共振コンデンサが直列に接続されている部分が低インピーダンスとなることから、無駄な電力を消費してしまうという課題がある。

また、特許文献２の構成でも、電力が供給される入出力装置側が電力を必要としていない場合でも電力が供給され、本体側で無駄な電力を消費してしまうという課題がある。

従って本発明の目的は、簡易な構成で受電側に必要な電力のみを給電することができる電力伝送システムを提供することにある。

本発明は上記課題を、交流定電圧電力供給部、給電側共振コンデンサ、および給電アンテナコイルを備えた給電装置と、受電アンテナコイル、および負荷を備え、給電装置に対して相対的に移動することが可能な受電装置を有し、受電装置は給電アンテナコイルから受電アンテナコイルへ伝送された電力を負荷へ供給し、交流定電圧電力供給部に対して、送電側共振コンデンサと送電アンテナコイルが並列に接続されている非接触電力伝送システムにより解決する。

また、受電装置はさらに受電側マッチングコンデンサを備え、受電アンテナコイルの一端が受電側マッチングコンデンサを介して負荷に接続され、受電アンテナコイルの他端が負荷に直接接続されていてもよい。

また、受電装置はさらに受電側昇圧コンデンサを備え、受電側昇圧コンデンサの一端が受電アンテナコイルと受電側マッチングコンデンサの間に接続され、受電側昇圧コンデンサの他端が受電アンテナコイルと負荷の間に接続されていてもよい。

また、給電アンテナコイルを複数備え、全て給電側共振コンデンサと並列接続されていてもよい。

本発明によって、簡易な構成で受電側に必要な電力のみを給電する電力伝送システムを提供することができる。

本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。擬似負荷のインピーダンスに対する電力伝送効率を示すグラフである。送電電力の周波数に対する電力伝送効率を示すグラフである。アンテナ面積比と電力伝送効率の関係を示すグラフである。

（実施形態１）
本発明は、例えば、交流定電圧電力供給部、給電側共振コンデンサ、および給電アンテナコイルを備えた給電装置と、受電アンテナコイル、および負荷を備え、給電装置に対して相対的に移動することが可能な受電装置を有し、受電装置は給電アンテナコイルから受電アンテナコイルへ伝送された電力を負荷へ供給し、交流定電圧電力供給部に対して、送電側共振コンデンサと送電アンテナコイルが並列に接続されている非接触電力伝送システムの実施形態を取り得る。

ここで、交流定電圧電力供給部とは、負荷のインピーダンス変動によらず一定の電圧振幅の交流電圧を提供する機能を持つものであり、負荷のインピーダンス変動により電圧振幅が変動したとしても、負荷のインピーダンス変動に対する電圧振幅の変動を抑える設計思想を持つ電源や回路等であればこれに含まれる。

給電側共振コンデンサと給電アンテナコイルにより並列共振回路を構成し、並列共振回路の共振点に近い周波数の交流定電圧電力を並列共振回路に供給すると、並列共振回路は高インピーダンスとなるため、並列共振回路における電力消費は最小限に抑えられる。

このような並列共振回路が高インピーダンスとなる状態を以降では待機状態と呼ぶ。待機状態では、給電アンテナコイル近傍に一定の電磁場のエネルギーが蓄えられている。

給電装置の給電アンテナコイルと受電装置の受電アンテナコイルが近接し、かつ対向すると、受電装置における負荷のインピーダンスが低い場合には、給電アンテナコイル近傍に蓄えられた電磁場のエネルギーが受電アンテナコイルに伝送され、給電アンテナコイルから受電アンテナコイルへの電力伝送が起こる。

このとき、給電装置側の並列共振回路は受電アンテナコイルとの相互インダクタンスが生じることで共振点から外れ、インピーダンスが低下する。このような並列共振回路が低インピーダンスとなる状態を電力伝送状態と呼ぶ。

このような電力伝送状態では給電装置側の並列共振回路で電力の消費が起こるが、消費された電力はそのまま受電アンテナコイルを介して受電装置へ伝送される電力となる。

このように、受電装置へ電力を供給する必要が無い場合には給電装置は待機状態となり、受電装置へ電力を供給する必要がある場合には給電装置は電力伝送状態へと移行する。

すなわち、特許文献１に記載されたホール素子と永久磁石を用いた磁気スイッチのような複雑な機構を必要とせず、受電装置にとって必要な電力のみを給電装置より供給することができ、しかも電力伝送効率の高い非接触電力伝送システムとすることができる。

なお、受電装置の負荷が例えば整流回路を介した二次電池であり、その二次電池が満充電の状態にある場合、負荷のインピーダンスは高くなる。

さらに、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルが近接し、かつ対向していても、負荷のインピーダンスが高いことから、受電アンテナコイルのインピーダンスも高くなり、給電装置における並列共振回路のインピーダンスも低下せず、受電装置への電力伝送はほとんど起こらない。

すなわち、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルが近接し、かつ対向していても、受電装置が電力を必要としていなければ、無駄な電力伝送は起こらない。

また、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルの間が少し離れていたり、コイルの中心位置が互いに少しずれていたりする場合には、給電装置から受電装置へ伝送できる電力量が低下する。

この場合は電力伝送状態のときのような給電装置の並列共振回路のインピーダンス低下があまり起こらないため、給電装置から受電装置へ供給する伝送電力量が抑えられる。従ってこの場合も電力伝送の無駄が生じない。

すなわち、本実施形態とすることにより、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルの間が少し離れていたり、コイルの中心位置が互いに少しずれていたりしていても、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルの大きさが等しく、中心位置が互いに合っている場合と同等の電力伝送効率を維持することができる。

本実施形態の具体例について、図面と共に説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。交流定電圧電力供給部１０には給電側共振コンデンサ１１と給電アンテナコイル１２が並列接続され給電装置を構成し、受電アンテナコイル２０は整流回路２１１に接続され、整流回路２１１は二次電池２１２に接続され受電装置を構成している。

なお、整流回路２１１と二次電池２１２は受電アンテナコイル２０に対する負荷となっている。

また、二次電池２１２は直流電圧で駆動する電子回路としてもよい。さらに、交流電圧で駆動する電動機や超音波振動子等の負荷であれば、整流回路２１１を介さずに直接受電アンテナコイル２０へ接続してもよい。

図２は、本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。図２は、図１の構成における受電アンテナコイル２０へ受電側共振コンデンサ２２を並列接続し、受電側共振コンデンサ２２を整流回路２１１へと接続した構成である。

給電装置における給電側共振コンデンサ１１と給電アンテナコイル１２による並列共振回路の共振点と、受電装置における受電アンテナコイル２０と受電側共振コンデンサ２２による並列共振回路の共振点を合わせることで、整流回路２１１に対して高効率で電力を供給することが可能となる。

なお、給電アンテナコイル１２に誘起される電磁場は交流定電圧電力供給部１０によって制御されているため、受電アンテナコイル２０と受電側共振コンデンサ２２による並列共振回路に過剰な電圧が誘起されることを防ぐことができる。

（実施形態２）
本発明は、実施形態１に加え、さらに、受電装置がさらに受電側マッチングコンデンサを備え、受電アンテナコイルの一端が受電側マッチングコンデンサを介して負荷に接続され、受電アンテナコイルの他端が負荷に直接接続されている実施形態を取り得る。

受電側マッチングコンデンサのリアクタンスを調整することで、受電アンテナコイルと受電側マッチングコンデンサ、および負荷の合成インピーダンスを最小値とすることができるため、給電装置から受電装置へ伝送される電力量を大きくすることができる。

また、受電アンテナコイルと受電側マッチングコンデンサ、および負荷の合成インピーダンスにおけるリアクタンス成分の絶対値を最小値、望ましくは零とできるため、受電アンテナコイルから給電アンテナコイルへの電力反射を最小限に抑え、電力伝送効率をより向上させることができる。

本実施形態の具体例について、図面と共に説明する。

図３は、本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。図３は、図１の構成における受電アンテナコイル２０の一端と整流回路２１１の間に受電側マッチングコンデンサ２３を接続した構成である。

（実施形態３）
本発明は、実施形態２に加え、さらに、受電装置がさらに受電側昇圧コンデンサを備え、受電側昇圧コンデンサの一端が受電アンテナコイルと受電側マッチングコンデンサの間に接続され、受電側昇圧コンデンサの他端が受電アンテナコイルと負荷の間に接続されている実施形態を取り得る。

受電側昇圧コンデンサを受電アンテナコイルと並列に接続しておき、給電アンテナコイルから発生する交流磁場の周波数に対して共振点を近付ければ負荷に供給される交流電圧振幅を大きく、共振点から離せば負荷に供給される交流電圧振幅を小さくすることができる。

従って、例えば負荷が電子回路である場合には、受電側昇圧コンデンサのインピーダンスを調整することで、駆動する上で最適な交流電圧振幅を持つ電力を負荷となる電子回路へ供給することができる。

また、例えば負荷が整流回路を介した二次電池である場合でも、受電側昇圧コンデンサによって整流回路に加えられる電圧振幅を調整することによって、二次電池を充電する上で十分な電圧を確保することができる。

すなわち、実施形態２における受電側直列共振コンデンサによって負荷に加えられる交流電流振幅を、本実施形態における受電側昇圧コンデンサによって負荷に加えられる交流電圧振幅を調整することが可能となる。

本実施形態の具体例について、図面と共に説明する。

図４は、本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。図４は、図３の構成における受電アンテナコイル２０の一端と受電側マッチングコンデンサ２３の間に受電側昇圧コンデンサ２４の一端を接続し、受電アンテナコイル２０の他端と整流回路２１１の間に受電側昇圧コンデンサ２４の他端を接続した構成である。

（実施形態４）
本発明は、実施形態１に加え、さらに、給電アンテナコイルを複数備え、全て給電側共振コンデンサと並列接続されている実施形態を取り得る。

実施形態１により、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルの間が少し離れていたり、コイルの中心位置が互いに少しずれていたりしていても、給電アンテナコイルと受電アンテナコイルの大きさが等しく、中心位置が互いに合っている場合と同等の電力伝送効率を維持することができるが、本実施形態では、給電アンテナコイルを複数備えることで、受電装置に対する電力伝送の可能な領域を拡大している。

なお、本実施形態における互いに隣接する給電アンテナコイルの相互インダクタンスすなわち結合係数を極小値とすることが望ましい。

隣接する給電アンテナコイルの結合係数が零であれば、各々の給電アンテナコイルより生じる電磁場が互いに打ち消しあうことがないため、複数の給電アンテナコイルにより生じる電磁場の領域を最も広くすることが可能となる。

隣接する給電アンテナコイル間結合係数を零とする調整は、一方の給電アンテナコイル両端を短絡し、他方の給電アンテナコイルのインダクタンスが最大となる給電アンテナコイル中心間の距離を見出すこと等により行えば良い。

本実施形態の具体例について、図面と共に説明する。

図５は、本発明の実施形態の一例を示す回路ブロック図である。図５は、図１の構成における給電側共振コンデンサ１１と、給電アンテナコイル１２、１２１を並列接続した構成である。

本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例は実施形態２における図３の回路構成とした上で、各構成要素は以下のように構成した。

交流定電圧電力供給部１０からは１３．５６ＭＨｚの一定電圧振幅の交流電圧が供給される。

給電アンテナコイル１２は、両面フレキシブル基板に形成した直径３０ｍｍ、幅１．５ｍｍ、間隔１．０ｍｍで３ターンのパターンコイルと、パターンコイルに貼り付けられた外径３０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの軟磁性粉と結合材により構成したシートである軟磁性シートにより構成した。

給電側共振コンデンサ１１は交流定電圧電力供給部１０から供給される交流電圧の周波数１３．５６ＭＨｚと共振点が合うよう調整した。

受電アンテナコイル２０は両面フレキシブル基板に形成した外径２０ｍｍ、幅１．５ｍｍ、間隔１．０ｍｍで３ターンのパターンコイルと、パターンコイルに貼り付けられた直径２０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの軟磁性シートにより構成した。

なお、軟磁性シートは給電アンテナコイル１２と受電アンテナコイル２０の各々が対向する側の面に対する背面に配置した。

受電側マッチングコンデンサ２３は受電アンテナコイル２０との直列共振周波数が１１．８６ＭＨｚとなるよう調整した。

整流回路２１１はダイオードブリッジ回路である。

二次電池２１２は１０Ωのインピーダンスを持つ擬似負荷へ置き換えた。

上記構成とした上で、給電アンテナコイル１２と受電アンテナコイル２０を充分離した場合には、給電アンテナコイル１２と給電側共振コンデンサ１１による共振回路のインピーダンスは１ｋΩとなり、給電装置側の共振回路による電力消費が抑制された。

給電アンテナコイル１２と受電アンテナコイル２０を近接し、対向させた場合には、給電アンテナコイル１２と給電側共振コンデンサ１１による共振回路のインピーダンスは１１Ωとなり、給電装置から受電装置へ２．７Ｗの電力を送電することができた。

このとき、給電装置側で消費する電力に対する受電装置の受け取る電力の割合である電力伝送効率は９０％であった。

また、給電アンテナコイル１２へループアンテナを内蔵したＩＣカードを近接し、対向させた場合には、給電アンテナコイル１２と給電側共振コンデンサ１１による共振回路のインピーダンスは７００Ωとなり、給電装置からＩＣカードへ送電される電力は２９ｍＷとなり、過剰な電力が供給されることはなかった。

（実施例２）
本実施例は実施形態３における図４の回路構成とした。

交流定電圧電力供給部１０、給電側共振コンデンサ１１、給電アンテナコイル１２、受電アンテナコイル２０、整流回路２１１は実施例１と同じ構成とした。

本実施例では、電力伝送効率が最大となるよう、受電側マッチングコンデンサ２３と受電側昇圧コンデンサ２４を調整している。

図６は擬似負荷のインピーダンスに対する電力伝送効率を示すグラフである。図６には、本実施例の構成での電力伝送効率と、本実施例から給電側共振コンデンサ１１を除去した比較例構成での電力伝送効率を記載している。

特に擬似負荷が１０Ωから３０Ωの範囲では、本実施例が電力伝送効率を維持しているのに対し、比較例では電力伝送効率が大きく低下しているのがわかる。

図７は擬似負荷を１０Ωとした場合の交流定電圧電力供給部の供給電力の周波数、すなわち送電電力の周波数に対する電力伝送効率を示すグラフである。

なお、比較例構成は図６の場合と同様に構成している。図７から、５ＭＨｚ以上の周波数では、本実施例の電力伝送効率が９０％と高い水準にあるのに対し、比較例の電力伝送効率は８０％に留まっている。

図８は擬似負荷を１０Ωとした場合の給電アンテナコイル１２に対する受電アンテナコイル２０の面積比であるアンテナ面積比と電力伝送効率の関係を示すグラフである。なお、比較例構成は図６の場合と同様に構成している。

図８から、本実施例ではアンテナ面積比を０．２〜０．７としても電力伝送効率を維持しているのに対し、比較例では電力伝送効率が大きく低下しているのがわかる。

１０交流定電圧電力供給部
１１給電側共振コンデンサ
１２、１２１給電アンテナコイル
２０受電アンテナコイル
２２受電側共振コンデンサ
２３受電側マッチングコンデンサ
２４受電側昇圧コンデンサ
２１１整流回路
２１２二次電池

Claims

交流定電圧電力供給部、
給電側共振コンデンサ、
および給電アンテナコイルを備えた
給電装置と、
受電アンテナコイル、
および負荷を備え、
前記給電装置に対して相対的に移動することが可能な受電装置を有し、
前記受電装置は前記給電アンテナコイルから前記受電アンテナコイルへ伝送された電力を前記負荷へ供給し、
前記交流定電圧電力供給部に対して、前記送電側共振コンデンサと前記送電アンテナコイルが並列に接続されていることを特徴とする
非接触電力伝送システム。
前記受電装置は、
さらに受電側マッチングコンデンサを備え、
前記受電アンテナコイルの一端が前記受電側マッチングコンデンサを介して前記負荷に接続され、
前記受電アンテナコイルの他端が前記負荷に直接接続されていることを特徴とする
請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
前記受電装置は
さらに受電側昇圧コンデンサを備え、
前記受電側昇圧コンデンサの一端が前記受電アンテナコイルと前記受電側マッチングコンデンサの間に接続され、
前記受電側昇圧コンデンサの他端が前記受電アンテナコイルと前記負荷の間に接続されていることを特徴とする
請求項２に記載の非接触電力伝送システム。
前記給電アンテナコイルを複数備え、全て前記給電側共振コンデンサと並列接続されていることを特徴とする
請求項１から３のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。