JP2014176155A - Non-contact power transmission apparatus and non-contact power transmission method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電コイルと受電コイル間の電力の伝送を、非接触(ワイヤレス)で行う非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送方法に関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission device and a non-contact power transmission method that perform non-contact (wireless) power transmission between a power transmission coil and a power reception coil.
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導(数100kHz)による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したLC共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波(数GHz)によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波(光)によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路(トランス方式)で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。 As a method of transmitting power in a non-contact manner, an electromagnetic induction type by electromagnetic induction (several hundreds of kHz), an electric field / magnetic field resonance type by transmission between LC resonances via electric field or magnetic field resonance, a microwave power transmission type by radio waves (several GHz), Alternatively, a laser power transmission type using electromagnetic waves (light) in the visible light region is known. Among them, the electromagnetic induction type has already been put into practical use. This has the advantage that it can be realized with a simple circuit (transformer system), but there is also a problem that the transmission distance is short.
そこで、最近になって近距離伝送(〜2m)が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。 Therefore, recently, electric field / magnetic field resonance type power transmission capable of short-distance transmission (up to 2 m) has attracted attention. Among these, in the case of the electric field resonance type, when a hand or the like is put in the transmission path, the human body is a dielectric, so that energy is absorbed as heat and dielectric loss occurs. On the other hand, in the case of the magnetic resonance type, the human body hardly absorbs energy, and dielectric loss can be avoided. From this point of view, attention to the magnetic resonance type has been increasing.
図9は、従来の磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置の一般的な構成の概略を示した図である。送電装置1は、ループコイル3aと送電用共鳴コイル4aを組み合わせた送電コイル、受電装置2は、ループコイル3bと受電用共鳴コイル4bを組み合わせた受電コイルを備えている。送電装置1のループコイル3aには高周波電力ドライバー5が接続され、交流電源(AC100V)6の電力を送電可能な高周波電力に変換して供給する。受電装置2のループコイル3bには、整流器7を介して負荷8として例えば充電池が接続されている。
FIG. 9 is a diagram showing an outline of a general configuration of a conventional non-contact power transmission apparatus using magnetic field resonance. The
ループコイル3aは、高周波電力ドライバー5から供給される電気信号により励起され、電磁誘導により送電用共鳴コイル4aに電気信号を伝送する誘電素子である。送電用共鳴コイル4aはループコイル3aから出力された電気信号に基づいて磁界を発生させる。この送電用共鳴コイル4aは、共振周波数fr=1/{2π(LC)1/2}(Lは送電側の送電用共鳴コイル4aのインダクタンスで、Cは浮遊容量を示す)において磁界強度が最大となる。送電用共鳴コイル4aに供給された電力は、磁界共鳴により受電用共鳴コイル4bに非接触で伝送される。伝送された電力は、受電用共鳴コイル4bから電磁誘導によりループコイル3bへ伝送され、整流器7により整流されて負荷8である充電池に供給される。この場合、一般的には送電用共鳴コイル4aと受電用共鳴コイル4bの共振周波数は同一に設定される。
The loop coil 3a is a dielectric element that is excited by an electric signal supplied from the high-frequency power driver 5 and transmits the electric signal to the power
このような磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置であれば、通常の住居等に用いられている厚い壁を介在させた非接触電力伝送が可能である。但し、その様な場合には、送電装置と受電装置の相互位置関係の視認や確認が困難であり、装置の取り付けや運転開始に困難を伴うことになる。例えば、送電を開始する際に、相手の受電装置が配置されているのか、又は、充電可能な位置に設置されているのか不明であれば、送電を不用意に開始できない。また、金属などが送電装置と受電装置の間の空間に存在すると、磁場の影響により金属が異常に加熱したり、電力伝送効率が低下したりする可能性がある。 If it is a non-contact electric power transmission apparatus using such a magnetic field resonance, the non-contact electric power transmission which intervened the thick wall currently used for the normal residence etc. is possible. However, in such a case, it is difficult to visually recognize and confirm the mutual positional relationship between the power transmission device and the power reception device, and it is difficult to attach the device and start operation. For example, when starting power transmission, it is not possible to start power transmission carelessly if it is unknown whether the other power receiving device is located or installed at a chargeable position. In addition, when metal or the like is present in the space between the power transmission device and the power reception device, the metal may be abnormally heated or the power transmission efficiency may be reduced due to the influence of the magnetic field.
この問題に関連して、特許文献1には、送電コイルの近傍に磁界強度を測定するセンサを配置することが開示されている。すなわち、磁界強度センサにより、壁越しでの非接触電力伝送を行う際に双峰特性等の特性を検出し、それに応じて伝送を制御する。双峰特性の場合、2つピーク周波数の内、高い側の周波数で電力を転送すれば、送電と受電コイル間の磁界強度が最低となる。従って、この状態に設定することにより、壁等を通した適切な電力伝送が可能であることが示唆されている。
In relation to this problem,
磁界共鳴を利用した非接触電力伝送装置を用いて、壁などの介在物を介して送電装置と受電装置を互いに向かい合わせて配置して非接触電力伝送を行う場合、次のような問題がある。すなわち、介在物の厚さに応じて、送電コイルと受電コイル間の距離が大きくなると、それに伴って各コイルのサイズは大きくなり、従って、送電装置や受電装置が大きくなり、壁などへの設置が困難になる。 When non-contact power transmission is performed by using a non-contact power transmission device using magnetic resonance and arranging a power transmission device and a power reception device facing each other through an inclusion such as a wall, there are the following problems. . In other words, depending on the thickness of the inclusion, as the distance between the power transmission coil and the power reception coil increases, the size of each coil increases accordingly, so that the power transmission device and the power reception device become larger and are installed on a wall or the like. Becomes difficult.
また、非接触電力伝送装置を高い場所、即ち天井や軒下に近い場所に設置する場合には、大型化して重量が重くなっている場合は、特に装置の取り付けが難しい。故障した場合における装置内の部品交換や、定期的なメンテナンスがし難いという問題もある。 Further, when the non-contact power transmission device is installed in a high place, that is, a place near the ceiling or the eaves, it is particularly difficult to attach the device when the size is increased and the weight is increased. There is also a problem that it is difficult to replace parts in the device in the event of a failure or to perform regular maintenance.
更に、例えば、鉄筋が入ったコンクリート壁を介して非接触電力伝送を行う場合にも、困難を伴う。すなわち、送電コイルと受電コイルの配置を適切に行わなければ電力損失が大きくなってしまうので、最適な取り付け場所を探す必要があり、その場合にも送電装置や受電装置が大きくて重いと、作業に支障をきたすからである。 Furthermore, for example, when contactless power transmission is performed through a concrete wall containing a reinforcing bar, there is a difficulty. In other words, if the power transmission coil and power reception coil are not properly arranged, power loss will increase. Therefore, it is necessary to find the optimal installation location. This is because it causes troubles.
本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、壁等への取り付けが容易で取り付け位置の自由度も高く、かつ良好な電力伝送が可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。 The present invention solves such problems in the prior art, and provides a non-contact power transmission device that can be easily mounted on a wall or the like, has a high degree of freedom in the mounting position, and is capable of good power transmission. The purpose is to do.
本発明の非接触電力伝送装置は、基本構成として、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送するように構成される。 The contactless power transmission device of the present invention includes, as a basic configuration, a power transmission resonator including a power transmission coil and a resonant capacitor, a power transmission device including a power transmission circuit that supplies high-frequency power to the power transmission resonator, a power reception coil, and a resonance A power receiving resonator having a capacity, and a power receiving device having a power receiving circuit that stably transmits power generated by the power receiving resonator to a load, and the power transmission via an action between the power transmitting coil and the power receiving coil. It is configured to transmit power from a device to the power receiving device.
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、前記送電共振器と前記送電回路とは互いに分離されて、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納され、前記受電共振器と前記受電回路とは互いに分離されて、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納され、前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により、前記送電共振器と前記送電回路、及び前記受電共振器と前記受電回路が電気的に接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the non-contact power transmission device of the present invention, the power transmission resonator and the power transmission circuit are separated from each other, and are housed in a power transmission coil case and a power transmission circuit case, respectively. The power receiving circuit and the power receiving circuit are separated from each other and housed in a power receiving coil case and a power receiving circuit case, respectively, and elements that do not fix the mutual arrangement relationship of the cases. The resonator and the power receiving circuit are electrically connected.
本発明の非接触電力伝送方法は、基本的には、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器、及び前記送電共振器に高周波電力を給電する送電回路を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを用い、前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。 The non-contact power transmission method of the present invention basically includes a power transmission resonator including a power transmission coil and a resonant capacitor, a power transmission device including a power transmission circuit that supplies high-frequency power to the power transmission resonator, a power reception coil, Using a power receiving resonator configured by a resonant capacitor, and a power receiving device having a power receiving circuit that stably transmits power generated in the power receiving resonator to a load, the operation is performed through the action between the power transmitting coil and the power receiving coil. Electric power is transmitted from the power transmitting device to the power receiving device.
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送方法は、前記送電共振器と前記送電回路とを互いに分離して、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納し、前記受電共振器と前記受電回路とを互いに分離して、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納し、介在物の一方の側に前記送電コイルケースを、前記介在物を挟んで他方の側に前記受電コイルケースを配置し、前記送電回路ケースを配置するとともに前記送電コイルケースとの相互配置関係を固定することのない要素により前記送電共振器と前記送電回路を電気的に接続し、前記受電回路ケースを配置するとともに前記受電コイルケースとの相互配置関係を固定することのない要素により前記受電共振器と前記受電回路を電気的に接続し、前記送電コイルから前記受電コイルに電力を伝送することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the contactless power transmission method of the present invention separates the power transmission resonator and the power transmission circuit from each other, and stores them in a power transmission coil case and a power transmission circuit case, respectively, The power receiving circuit is separated from each other and housed in a power receiving coil case and a power receiving circuit case, respectively, the power transmitting coil case on one side of the inclusion, and the power receiving coil case on the other side of the inclusion. And arranging the power transmission circuit case and electrically connecting the power transmission resonator and the power transmission circuit by an element that does not fix the mutual arrangement relationship with the power transmission coil case, and arranges the power reception circuit case And the power receiving resonator and the power receiving circuit are electrically connected by an element that does not fix the mutual arrangement relationship with the power receiving coil case, and And wherein the transmitting power to the electric coils.
本発明によれば、送電共振器と送電回路、受電共振器と受電回路が、互いに分離して別々のケースに収納され、各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により、送電共振器と送電回路、及び受電共振器と受電回路が電気的に接続されている。これにより、必要に応じてケース同士を十分離すことができ、送電コイル、受電コイルの取り付け位置の自由度が増える。また、送電コイルケース及び受電コイルケース内には内蔵された回路部分は僅かであり薄い構造に出来、軽量となるために、種々の形状の壁などへ容易に取り付け可能となる。 According to the present invention, the power transmission resonator and the power transmission circuit, the power reception resonator and the power reception circuit are separated from each other and housed in separate cases, and the elements that do not fix the mutual arrangement relationship of the cases are provided. And the power transmission circuit, and the power receiving resonator and the power receiving circuit are electrically connected. Thereby, cases can be separated enough as needed, and the freedom degree of the attachment position of a power transmission coil and a receiving coil increases. In addition, since there are only a few circuit portions built in the power transmission coil case and the power reception coil case, the circuit portion can be made thin and lightweight, so that it can be easily attached to walls of various shapes.
本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。 The non-contact power transmission apparatus of the present invention can take the following aspects based on the above configuration.
すなわち、前記送電コイルケース内の要素と前記送電回路ケース内の要素間、及び前記受電コイルケース内の要素と前記受電回路ケース内の要素間がそれぞれケーブルにより電気的に接続された構成とすることができる。この場合、前記ケーブルと前記各要素はコネクタを介して接続された構成とすることができる。2つのケース間をコネクタ付きのケーブルで接続することにより、簡便に接続可能な構成となる。また、前記送電コイルケースと前記送電回路ケース間を接続する前記ケーブルがシールド構造を有する構成とすることができる。 That is, the elements in the power transmission coil case and the elements in the power transmission circuit case, and the elements in the power reception coil case and the elements in the power reception circuit case are electrically connected by cables. Can do. In this case, the cable and each element can be connected via a connector. By connecting the two cases with a cable with a connector, it is possible to easily connect. The cable connecting the power transmission coil case and the power transmission circuit case may have a shield structure.
また、前記送電コイルケース、前記送電回路ケース、及び前記受電コイルケースは金属製であり、前記送電コイルと前記受電コイル間で電力伝送が行われる領域に介在する各ケースの面の少なくとも一部には非金属部、例えば樹脂基板が設けられた構成とすることができる。 Further, the power transmission coil case, the power transmission circuit case, and the power receiving coil case are made of metal, and at least a part of the surface of each case interposed in a region where power is transmitted between the power transmitting coil and the power receiving coil. Can be configured to be provided with a non-metal part, for example, a resin substrate.
また、前記送電コイルケース内に前記送電共振器の共振電圧を検出するための共振電圧検出回路が配置された構成とすることができる。これにより、安定な電力伝送が可能となる。すなわち、送電装置には、受電コイルの有無や配置を検出するとともに、金属などの異物を検出し、壁などの介在物を隔てて受電側を視認できなくても、安定な電力伝送を行うために、送電コイルの共振回路部分の共振電圧を検出するための共振電圧検出回路を設けることが望ましい。この場合、共振電圧検出回路を送電コイルケース内に配置することにより、送電回路ケースと送電コイルケース間のケーブルに磁界共鳴による電力伝送時(共振時)における高電圧(数1000V)が印加されるのを防ぐことができる。また、送電回路ケースと送電コイルケース間は高周波電流が流れるため、シールド構造のケーブルを用いることにより、外部への妨害を軽減することができる。 Moreover, it can be set as the structure by which the resonance voltage detection circuit for detecting the resonance voltage of the said power transmission resonator is arrange | positioned in the said power transmission coil case. Thereby, stable electric power transmission is attained. In other words, the power transmission device detects the presence and location of the power receiving coil, detects foreign objects such as metal, and performs stable power transmission even if the power receiving side cannot be visually recognized across an inclusion such as a wall. It is desirable to provide a resonance voltage detection circuit for detecting the resonance voltage of the resonance circuit portion of the power transmission coil. In this case, by arranging the resonance voltage detection circuit in the power transmission coil case, a high voltage (several thousand volts) is applied to the cable between the power transmission circuit case and the power transmission coil case during power transmission (resonance) by magnetic field resonance. Can be prevented. In addition, since a high-frequency current flows between the power transmission circuit case and the power transmission coil case, interference with the outside can be reduced by using a shielded cable.
また、前記受電コイルケース内に前記受電共振器の高周波電力を検波する検波回路が配置された構成とすることができる。これにより、受電コイルケースと受電回路ケース間のケーブルがシールド構造を有する必要が無くなるため、安価に構成可能となる。また、負荷が直流電力で動作する場合には、受電回路ケースを金属で作製する必要が無いので安価にできる。 Moreover, it can be set as the structure by which the detection circuit which detects the high frequency electric power of the said receiving resonator is arrange | positioned in the said receiving coil case. As a result, the cable between the power receiving coil case and the power receiving circuit case does not need to have a shield structure, and can be configured at low cost. Further, when the load operates with DC power, the power receiving circuit case does not need to be made of metal, so that the cost can be reduced.
また、前記送電コイルケース内、及び前記受電コイルケース内に、前記送電装置と前記受電装置間の情報通信のためのアンテナが配置された構成とすることができる。但し、鉄筋コンクリート造りなど鉄筋で囲まれた部屋に送電装置が設置されたり、ケースが金属の筐体に収容されて、通信に不都合な場合もある。そこで、通信用のアンテナは送電装置側では送電コイルの近くに、受電装置側では受電コイル近くに配置する。これにより、鉄筋が存在する壁の場合には予め特性に影響の少ない場所を選んで送電コイル及び受電コイルを配置しているので、安定に送電装置と受電装置との相互間で情報をやり取りすることが可能となる。 Moreover, it can be set as the structure by which the antenna for the information communication between the said power transmission apparatus and the said power receiving apparatus is arrange | positioned in the said power transmission coil case and the said power receiving coil case. However, there is a case where a power transmission device is installed in a room surrounded by reinforcing bars such as a reinforced concrete structure, or the case is housed in a metal casing, which may be inconvenient for communication. Therefore, the communication antenna is arranged near the power transmission coil on the power transmission device side and near the power reception coil on the power reception device side. As a result, in the case of a wall with reinforcing bars, a power transmission coil and a power reception coil are arranged in advance by selecting a place having little influence on the characteristics, so that information is stably exchanged between the power transmission device and the power reception device. It becomes possible.
この場合、前記送電コイル及び前記受電コイルの互いに対向させられる対向面の裏面側に接して、それぞれフェライト部材が設けられ、前記アンテナは前記フェライト部材よりも前記対向面に近い側に配置された構成とすることができる。すなわち、ケース内に通信用のアンテナを配置した場合には、人体防護や妨害電波対策としてケース自体を金属などでシールド構造としているため、通信用の電波がケース外に出ない可能性がある。また、コイルと回路の間、あるいはコイルと金属の間に設けたフェライト部材(磁性シート)により、通信状態が不安定になる可能性がある。そこで、確実な情報のやり取りをするために、フェライト部材よりも対向面に近い側に通信用のアンテナを設けることが望ましい。 In this case, the ferrite members are respectively provided in contact with the back surfaces of the facing surfaces of the power transmission coil and the power receiving coil that face each other, and the antenna is disposed closer to the facing surface than the ferrite member. It can be. That is, when a communication antenna is arranged in the case, the case itself has a shield structure made of metal or the like for human body protection or interference radio wave countermeasures, so there is a possibility that communication radio waves do not go out of the case. Further, the communication state may become unstable due to the ferrite member (magnetic sheet) provided between the coil and the circuit or between the coil and the metal. Therefore, in order to exchange information reliably, it is desirable to provide a communication antenna on the side closer to the facing surface than the ferrite member.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment shows an example embodying the present invention, and the present invention is not limited to this.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1における非接触電力伝送装置の構成を示す模式断面図である。なお、図9に示した従来例の非接触電力伝送装置と同様の要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。
<
1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a non-contact power transmission apparatus according to
この非接触電力伝送装置は、送電装置1と受電装置2を、壁9などの介在物を挟んで互いに向かい合わせて配置し(この図では室内側に送電装置1を、室外側に受電装置2を配置)、送電コイルと受電コイルの間の磁気結合等の作用、例えば磁界共鳴により非接触電力伝送を行うことが容易なように構成されている。
In this non-contact power transmission device, a
送電装置1は、その構成要素を2群に分割し、各群の要素を互いに分離して、送電コイルケース10と送電回路ケース11に各々収容した構成を有する。2群の要素間は、コネクタ付のケーブル12及び各ケースに設けたコネクタ13を介して電気的に接続されている。ケーブル12は、各ケースの相互配置関係を固定することなく、収納された各群の要素を各ケース間で電気的に接続するための要素の一例として用いられる。送電コイルケース10内には、送電用共鳴コイル4a及び送電用共振容量14により構成された送電共振器を含む送電側コイルモジュールが収容されている。送電回路ケース11内には、交流電源6の電力を送電可能な高周波電力に変換する高周波電力ドライバー5を含む送電回路15が収容されている。送電回路15と交流電源6の間も、コネクタ16を介して接続されている。
The
受電装置2も同様に、構成要素を2群に分割し、各群の要素を互いに分離して、受電コイルケース17と受電回路ケース18に各々収容した構成を有する。2群の要素間は、コネクタ付のケーブル19及び各ケースに設けたコネクタ20を介して電気的に接続されている。受電コイルケース17内には、受電用共鳴コイル4b及び受電用共振容量21により構成された受電共振器を含む受電側コイルモジュールが収容されている。受電回路ケース18内には、負荷へ安定な電力を伝送するための受電回路22及び蓄電部23が収容されている。受電回路ケース18と負荷8の間も、コネクタ24を介して接続されている。
Similarly, the
以上のような2群に分離した構成により、壁等へ簡便に設置可能となる。更に、送電コイルケース10及び受電コイルケース17内には形状の大きい回路部分がほとんど内蔵されていないので、薄い構造に出来る。これにより、壁越しの電力伝送の際の送電コイルケース10及び受電コイルケース17の設置場所の自由度が増し、より使い勝手の優れた非接触電力伝送装置を提供できる。図示した状態では、送電装置1及び受電装置2に搭載されている送電用共鳴コイル4aと受電用共鳴コイル4bの中心軸は、ほぼ一致している。
With the structure separated into two groups as described above, it can be easily installed on a wall or the like. Furthermore, since a large-sized circuit part is hardly built in the power
送電コイルケース10及び受電コイルケース17は、金属を用いて形成することにより、ケース自体を人体防護や妨害電波対策のためのシールド構造としている。但し、電力伝送のための送電用共鳴コイル4a及び受電用共鳴コイル4bが面する領域には金属を使用せずに、非金属の一例として樹脂基板25、26を用いている。以下の実施の形態においても、電力伝送を行う共鳴コイル面側は金属を使用せずに、何も設けないか樹脂基板を用いる。
The power
送電コイルケース10と送電回路ケース11とを繋ぐケーブル12には高周波電流が流れるので、ケーブル12をシールド構造とすることにより外部への妨害を軽減することが好ましい。
Since a high-frequency current flows through the cable 12 that connects the power
以上が基本構成であるが、送電装置1では、送電コイルケース10内にさらに、送電用共鳴コイル4aに接してフェライトシート27が配置されている。また、送電用共鳴コイル4bの共振電圧を検出するための共振電圧検出回路28、及び送電側の通信用アンテナ29が配置されている。
The above is the basic configuration, but in the
フェライトシート27は、送電用共鳴コイル4aで発生した磁場の影響で回路が誤動作するのを防ぐため、また、金属製の送電コイルケース10の影響でコイル特性が劣化するのを防ぐために設けられている。通信用アンテナ29は、フェライトシート27の影響を少なくし、確実な情報のやり取りをするために、フェライトシート27よりも壁9側に寄らせて配置されている。
The
共振電圧検出回路28は、受電用共振コイル4bの有無や配置を検出するとともに、金属などの異物を検出するために設けられる。これにより、壁9などの介在物を隔てて受電側を視認できなくても、共振電圧検出回路28の出力に基づく確認を行えば、安定な電力伝送が可能となる。共振電圧検出回路28を送電コイルケース10内に配置することにより、送電回路ケース11と送電コイルケース10間のケーブル12に、磁界共鳴による電力伝送時(共振時)における高電圧(数1000V)が印加されることを防ぐことができる。
The resonance
図1の送電装置1では、送電コイルはループコイルを用いずに送電用共鳴コイル4aのみで構成され、高周波ドライバーからの電力は送電用共鳴コイル4aに直接供給される(直列共振)が、送電用のループコイル3a(図9参照)を設けても良い。
In the
一方、受電装置2では、受電コイルケース17内にさらに、受電用ループコイル3bに接してフェライトシート30が配置されている。また、検波回路31、及び受電側の通信用アンテナ32が配置されている。
On the other hand, in the
フェライトシート30は、受電用共鳴コイル4bで発生した磁場の影響で回路が誤動作するのを防ぐため、また、金属製の受電コイルケース17の影響でコイル特性が劣化するのを防ぐために設けられている。通信用アンテナ32は、フェライトシート30の影響を少なくし、確実な情報のやり取りをするために、フェライトシート30よりも壁9側に寄らせて配置されている。
The
検波回路31は、伝送される高周波の電力をダイオードブリッジ等により整流し直流電力に変換するために設けられている。受電コイルケース17内に検波回路31を設けることにより、受電コイルケース17と受電回路ケース18間のケーブル19には直流電流が流れることになる。そのため、ケーブル19をシールド構造とする必要が無くなり、安価にできる。場合によってはシールド構造のケーブルを用いても良い。
The
受電装置2において、受電用ループコイル3bで得られた電力は、検波回路31に供給され、高周波電力から直流電力に変換されて受電回路22に供給される。受電回路22では内蔵された受電電圧設定DC−DCコンバータを経由して、蓄電部23や負荷8に電力が伝達される。蓄電部23の代わりにスーパーキャパシタを用いても良い。また、負荷8が交流で動作する場合には、DC−ACインバータを設けて直流を交流に変換する構成としてもよい。負荷8としては、監視カメラ、電灯、電気自動車(EV)などを適用することができる。
In the
図2は、送電コイルケース10内に収容された送電側コイルモジュールの一部、すなわち、送電用共鳴コイル4aと送電用共振容量14とにより構成された共振回路、及び共振電圧検出回路28の構成例を示す回路図である。共振回路が共振した場合には、接続部33に高い共振電圧が発生する。共振電圧検出回路28は、メグオーム単位の高抵抗34、検波用のダイオード35、検波電圧を蓄積するコンデンサ36、及び分圧用の抵抗37で構成されている。ほぼ抵抗34と抵抗37の分圧比で分圧された電圧が、コンデンサ36に蓄積される。検波された電圧は、送電回路15内の増幅器に入力され、共振電圧検出出力として送電回路15に供給される。
FIG. 2 shows a part of the power transmission side coil module housed in the power
図3は、受電コイルケース17内に収容された受電側コイルモジュールの一部、すなわち、受電用共鳴コイル4bと受電用共振容量21とにより構成された共振回路、受電用ループコイル3b、及び検波回路31の構成例を示す回路図である。検波回路31は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサで構成されており、受電用ループコイル3bで得られた電力を直流電力に変換する。
FIG. 3 shows a part of the power receiving coil module housed in the power receiving
本実施の形態においては、送電回路ケース11と交流電源6との接続、及び受電回路ケース18と負荷8との接続に、それぞれコネクタ16及びコネクタ24を用いているが、これに限定されることはない。目的によっては、送電回路15と交流電源6、あるいは受電回路22と負荷8とをコネクタを用いないで直接接続しても良い。また、図示しないが、必要に応じて送電共振器の反射電力、送電共振器のインダクタンス等をモニターする要素を送電装置1内に含んでも良い。送電用共振容量14、あるいは受電用共振容量21としては、回路素子として可変コンデンサ(バリコンあるいはトリマコンデンサなど)あるいは固定コンデンサを用いることができる。
In the present embodiment, the connector 16 and the connector 24 are used for the connection between the power
以上のような構成によれば、直径の異なる共鳴コイルを内蔵した送電コイルケース10及び受電コイルケース17を複数種類用意しておき、壁の厚さに応じてコネクタ部で取り換えて使用することが容易になる。送電コイルケース10や受電コイルケース17に収納されている共鳴コイルは、送受電間の間隔(壁の厚さ)が大きくなるほどコイル径を大きくする必要があるが、この構成を用いることにより、種々の壁等に直ちに対応でき、設置工事等での利便性が向上する。それぞれの共振回路の周波数を予め合わせておけば、特に調整する必要は無く使い勝手が向上する。
According to the above configuration, a plurality of types of power
図4〜図7に、本実施の形態の構成に基づく送電装置1及び受電装置2の、壁9の取り付け、及び各種負荷への給電の種々の例を示す。
4 to 7 show various examples of attachment of the
図4は、コイル径を小さくして材料コストを下げるために、送電装置1及び受電装置2を設置する壁9aにおける壁厚の薄い箇所38を利用した構成例である。送電回路ケース11を室内側の使用者の手の届く位置に固定し、送電コイルケース10を壁9aの通常の位置に比べて薄い箇所38に固定する。この送電コイルケース10の室外側の対面に、受電コイルケース17を固定する(両共鳴コイルの中心軸はほぼ同じ)。次に、目的の位置まで受電コイルケース17のケーブルを延ばし、受電回路ケース18を固定する。図には、電灯付監視カメラ39を負荷として受電回路ケース18と一体化した例が示されている。ここで、電灯付監視カメラ39の筐体がシールド構造となっている場合には、受電回路ケース18を用いないで、受電回路ケース18に収容すべき受電回路22等を直接監視カメラ39の筐体に収容することができる。これによりコストダウンを図ることができる。
FIG. 4 is a configuration example using a
この構成例によれば、送受電コイル径を小さくすることにより、それを収容するケースの大きさも小さく軽くできる。その結果、コストダウンも図ることができる。例えば、送電回路ケース11のコネクタ部13から取り換えて送電コイルケース10のみ交換することが出来るので、種々の壁等に直ちに対応できる。
According to this configuration example, by reducing the diameter of the power transmission / reception coil, the size of the case that accommodates it can be reduced. As a result, cost can be reduced. For example, since it is possible to replace only the power
図5は、受電側の負荷として、DC電源対応のネットワークカメラ40を複数個適用した構成例である。このように受電側の負荷が大きくなる場合には、送受電コイルの直径を大きくして電力伝送パワーを大きくすればよい。
FIG. 5 is a configuration example in which a plurality of
図6は、室外側に停車させた電気自動車(EV)41に、室内側から壁9越しに電力伝送を行って充電する構成例を示す。この場合、室外側の受電コイルケース17は高い位置に、また受電回路ケース18は電気自動車41の近くに設置した方が、使い勝手や人体防護の点から好ましい。受電回路を電気自動車41のバッテリーに直接接続する場合には、受電回路ケース18からプラグを通じて直流電力を供給すれば良い。一方、電気自動車41に非接触給電用の受電コイルケース42が設けられている場合には、電気自動車41に対して非接触給電することができる。すなわち、受電回路ケース18の受電回路内にDC−ACインバータを設けて、受電回路ケース18から非接触給電用の送電コイルケース43に高周波電力を供給する構成とする(点線で表示)。
FIG. 6 shows a configuration example in which an electric vehicle (EV) 41 stopped outside the room is charged by transmitting power from the indoor side through the
図7A及び図7Bは、鉄筋コンクリート壁のように内部に金属がある壁9bが存在する部屋において電力伝送を行う場合に適切な、非接触電力伝送装置の例を示す。この例では、窓ガラス44を介して電力伝送を行うことを想定している。図7Aは室内側からみた正面図、図7Bは、その断面図である。この例では、窓枠45に固定される取り付け治具46を用いて、送電コイルケース10や受電コイルケース17を固定する構成を採っている。窓ガラス44に直接、送電コイルケース10や受電コイルケース17を固定すると、窓を開閉する時にケースがぶつかったりケーブルの距離が変わってしまう問題を解消するためである。
FIG. 7A and FIG. 7B show an example of a non-contact power transmission apparatus suitable for performing power transmission in a room where a
取り付け治具46を窓枠45に固定し(窓枠が狭い場合には、壁に固定する)、窓ガラス44が存在する位置に送電コイルケース10を取り付ける。そしてこの送電コイルケース10と送電回路ケース11とを、シールド構造のケーブル12で接続する。送電回路ケース11にモニター部を設け、電力伝送の状態や監視カメラ47の映像などを表示させても良い。受電コイルケース17は送電コイルケース10と対向するように室外側に固定し(中心軸はほぼ同じ)、窓ガラス44に当接しないようにする。監視カメラ47は、目的の位置に固定すればよい。
The
なお、以上の記載では、介在物の例として、コンクリート(鉄筋入りも)の壁やガラスを通して給電する例を示したが、水を介在させて給電など、他の介在物を通過させる給電にも本実施の形態を適用可能である。 In the above description, as an example of the inclusion, an example in which power is supplied through a wall of concrete (including a reinforcing bar) or glass has been shown. However, power supply through other inclusions such as power supply through water is also used. This embodiment can be applied.
<実施の形態2>
図8A、図8Bを参照して、実施の形態2における非接触電力伝送装置について説明する。
<
With reference to FIG. 8A and FIG. 8B, the non-contact electric power transmission apparatus in
一般的な非接触電力伝送において、受電用共鳴コイル4bと受電用ループコイル3b間は電磁誘導で電力が伝送されるが、両コイル間の結合係数の大きさにより伝送できる電力が異なる。従来技術では、受電用共鳴コイル4bと受電用ループコイル3b間の距離を変化させて電力を調整(最適化)することが一般的である。
In general non-contact power transmission, power is transmitted by electromagnetic induction between the power
しかし、本発明の効果を十分に得ようとすると、受電用共鳴コイル4bと受電用ループコイル3b間の距離を変えることは困難である。何故ならば、本発明においては、送電コイルケース10や受電コイルケース17を薄くして軽量化を図ることも一つの目的としており、そのため、受電用共鳴コイル4bと受電用ループコイル3bとはほとんど接触した状態で用いるからである。
However, in order to obtain the effect of the present invention sufficiently, it is difficult to change the distance between the power
そこで、本実施の形態では、受電用共鳴コイル4bと受電用ループコイル3b間の距離を変化させて電力を最適化する場合と同様な効果を得るために、壁の厚さ等に応じて受電用ループコイル3bのターン数(コイル線の巻き数)やピッチ等を変化させて最適化を行う。
Therefore, in the present embodiment, in order to obtain the same effect as when the power is optimized by changing the distance between the power
図8Aは、受電用ループコイル3bのターン数を変えた場合の電力伝送効率を測定するための装置の概略図を示す。送電コイルケース10、及び受電コイルケース17の構成は図1に示した実施の形態1と同様である。
FIG. 8A shows a schematic diagram of an apparatus for measuring the power transmission efficiency when the number of turns of the power
測定用の送電用共鳴コイル4a及び受電用共鳴コイル4bとして、共に直径180mm(50T)のコイルを用い、厚さ100mmの壁9に固定して、電子負荷48の電圧を変えた場合の電力伝送効率依存性を測定した。電源としてDC電源49を用い、送電回路50及び受電回路51は、それに合わせて構成したものであるが、基本的な機能は送電回路15及び受電回路22と同様である。パラメータとしては、直径180mmの受電用ループコイル3bのターン数を、5T、10T、及び15T(ピッチは6mm固定)に変化させた。
As a power
この実験の結果を、図8Bに示す。受電用ループコイル3bのターン数が5Tと少ない場合は、電力伝送効率が低くなる。逆に受電用ループコイル3bのターン数が15Tと多い場合は、電力伝送効率は低くないものの、電子負荷48の電圧が40V以上と高くなってしまう。一般的には、回路の仕様により、電子負荷の電圧は制限され、この実験においては電子負荷の電圧を40V以下としていることを考慮すると、この実験の条件下では受電用ループコイル3bのターン数は10Tが最適である。
The result of this experiment is shown in FIG. 8B. When the number of turns of the power
このように、受電用ループコイル3bのターン数(巻き数)やピッチ等を変えて最適化すれば、壁の厚さ等に対応できることが分かる。実際には、受電用ループコイルのターン数などが異なる受電コイルケースを複数用意し、壁の厚さに応じてコネクタ部から取り換えて使用すれば、壁の厚さ等に応じて容易に最適化が可能である。あるいは、予め多めのターン数を巻いたループコイルを使用し、壁の厚さ等に応じていくつかのターン数ごとに分離した領域をスイッチなどにより切り替えるようにしても良い。
In this way, it can be seen that if the number of turns (number of turns), pitch, etc. of the power
本発明の非接触電力伝送装置は、コイル系と回路系を分離することにより、コイルの取り付け位置の自由度が増え、かつ薄型軽量となるために、種々の形状の壁などへ容易に取り付け可能であり、壁などの介在物を通して用いる非接触電力伝送装置に好適である。 The non-contact power transmission device of the present invention can be easily mounted on walls of various shapes because the coil system and the circuit system are separated to increase the degree of freedom of the coil mounting position and become thin and light. It is suitable for a non-contact power transmission device used through inclusions such as walls.
1 送電装置
2 受電装置
3a、3b ループコイル
4a 送電用共鳴コイル
4b 受電用共鳴コイル
5 高周波電力ドライバー
6 交流電源
7 整流回路
8 負荷
9、9a、9b 壁
10、43 送電コイルケース
11 送電回路ケース
12、19 ケーブル
13、16、20、24 コネクタ
14 送電用共振容量
15、50 送電回路
17、42 受電コイルケース
18 受電回路ケース
21 受電用共振容量
22、51 受電回路
23 蓄電部
25、26 樹脂基板
27、30 フェライトシート
28 共振電圧検出回路
29、32 通信用アンテナ
31 検波回路
33 接続部
34、37 抵抗
35 ダイオード
36 コンデンサ
38 薄い箇所
39 電灯付監視カメラ
40 ネットワークカメラ
41 電気自動車(EV)
44 窓ガラス
45 窓枠
46 取り付け治具
47 監視カメラ
48 電子負荷
49 DC電源
DESCRIPTION OF
44
Claims (10)
受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器、及び前記受電共振器で発生した電力を安定に負荷へ伝送する受電回路を有する受電装置とを備え、
前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電共振器と前記送電回路とは互いに分離されて、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納され、
前記受電共振器と前記受電回路とは互いに分離されて、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納され、
前記各ケースの相互配置関係を固定することのない要素により、前記送電共振器と前記送電回路、及び前記受電共振器と前記受電回路が電気的に接続されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。 A power transmission resonator including a power transmission coil and a resonant capacitor, and a power transmission device including a power transmission circuit that supplies high-frequency power to the power transmission resonator;
A power receiving resonator including a power receiving coil and a resonant capacitor, and a power receiving device having a power receiving circuit that stably transmits power generated by the power receiving resonator to a load,
In the non-contact power transmission device that transmits power from the power transmission device to the power reception device through the action between the power transmission coil and the power reception coil,
The power transmission resonator and the power transmission circuit are separated from each other and housed in a power transmission coil case and a power transmission circuit case, respectively.
The power receiving resonator and the power receiving circuit are separated from each other and housed in a power receiving coil case and a power receiving circuit case, respectively.
The non-contact power, wherein the power transmission resonator and the power transmission circuit, and the power reception resonator and the power reception circuit are electrically connected by an element that does not fix the mutual arrangement relationship of the cases. Transmission equipment.
前記送電コイルと前記受電コイル間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する非接触電力伝送方法において、
前記送電共振器と前記送電回路とを互いに分離して、各々送電コイルケース及び送電回路ケースに収納し、
前記受電共振器と前記受電回路とを互いに分離して、各々受電コイルケース及び受電回路ケースに収納し、
介在物の一方の側に前記送電コイルケースを、前記介在物を挟んで他方の側に前記受電コイルケースを配置し、
前記送電回路ケースを配置するとともに前記送電コイルケースとの相互配置関係を固定することのない要素により前記送電共振器と前記送電回路を電気的に接続し、
前記受電回路ケースを配置するとともに前記受電コイルケースとの相互配置関係を固定することのない要素により前記受電共振器と前記受電回路を電気的に接続し、
前記送電コイルから前記受電コイルに電力を伝送することを特徴とする非接触電力伝送方法。 A power transmission resonator including a power transmission coil and a resonance capacitor, a power transmission device including a power transmission circuit that supplies high-frequency power to the power transmission resonator, a power reception resonator including a power reception coil and a resonance capacitor, and the power reception resonator Using a power receiving device having a power receiving circuit that stably transmits the power generated in the load to the load,
In the non-contact power transmission method for transmitting power from the power transmission device to the power reception device through the action between the power transmission coil and the power reception coil,
The power transmission resonator and the power transmission circuit are separated from each other and housed in a power transmission coil case and a power transmission circuit case, respectively.
The power receiving resonator and the power receiving circuit are separated from each other and housed in a power receiving coil case and a power receiving circuit case, respectively.
The power transmission coil case is disposed on one side of the inclusion, the power reception coil case is disposed on the other side across the inclusion,
Electrically connecting the power transmission resonator and the power transmission circuit by an element that does not fix the mutual arrangement relationship with the power transmission coil case while arranging the power transmission circuit case,
The power receiving resonator and the power receiving circuit are electrically connected by an element that does not fix the mutual arrangement relationship with the power receiving coil case while arranging the power receiving circuit case,
A non-contact power transmission method, wherein power is transmitted from the power transmission coil to the power reception coil.
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