JP5902644B2 - 非接触電力伝送システム、および、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触電力伝送システム、および、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法に関する。

負荷と電源とを直接接続することなく、電源が出力する電力を非接触で負荷に伝送する方法が開発されている。当該技術は、一般的に、非接触電力伝送やワイヤレス給電と呼ばれている。

当該技術は、携帯電話や家電製品、電気自動車などへの給電に応用されている。例えば、特許文献１には、磁界共鳴方式の非接触電力伝送技術を、電気自動車の蓄電池の充電に用いる技術が記載されている。また、特許文献２には、レールに沿って配置された給電線から搬送車に非接触で電力を伝送するモノレール方式の搬送システムが記載されている。

特許第４９６２６２１号公報 特開平８−２６４３５７号公報

非接触電力伝送で使用する送電アンテナおよび受電アンテナを設計する際に、使用する目的や環境、電力伝送に使用する周波数によってアンテナの物理的な寸法や配置については制限があり、おおよその寸法が決定される。しかし、高い電力伝送効率を実現するためには、アンテナのインダクタンス値について、適切に設計する必要がある。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、物理的な寸法や配置により決定したアンテナ間の結合係数から、高い電力伝送効率を実現するためのアンテナを設計する方法を提供すること、および、当該方法を用いてアンテナの設計が行われた非接触電力伝送システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される非接触電力伝送システムは、送電アンテナと、前記送電アンテナに共振周波数ｆ₀の高周波電力を供給する電力供給手段と、前記送電アンテナに直列接続された第１のコンデンサと、前記送電アンテナに磁気的に結合される受電アンテナと、前記受電アンテナに接続されて電力を消費する負荷と、前記受電アンテナに直列接続された第２のコンデンサとを備え、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数をｋ、前記電力供給手段の内部抵抗をＲ_S、前記負荷の抵抗をＲ_Lとした場合に、前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_S、前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_L、前記第１のコンデンサのキャパシタンスＣ_S、前記第２のコンデンサのキャパシタンスＣ_Lが下記の関係式を満たすことを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_Sおよび前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_Lが等しい場合は下記の関係式を満たす。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記送電アンテナは、２本の導体線を平行に敷設した平行二線路によって構成されている。

本発明の第２の側面によって提供されるアンテナ設計方法は、送電アンテナと、前記送電アンテナに共振周波数ｆ₀の高周波電力を供給する電力供給手段と、前記送電アンテナに直列接続された第１のコンデンサと、前記送電アンテナに磁気的に結合される受電アンテナと、前記受電アンテナに接続されて電力を消費する負荷と、前記受電アンテナに直列接続された第２のコンデンサとを備える非接触電力伝送システムにおいて、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナを設計する方法であって、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数をｋ、前記電力供給手段の内部抵抗をＲ_S、前記負荷の抵抗をＲ_Lとした場合に、下記（１）式に基づいて、前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_Sおよび前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_Lを設計する第１の工程と、前記第１の工程によって設計された前記自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lと、下記（２）式に基づいて、前記第１のコンデンサのキャパシタンスＣ_Sおよび前記第２のコンデンサのキャパシタンスＣ_Lを設計する第２の工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によると、上記関係式を用いてアンテナが適切に設計されているので、電力供給手段から負荷に電力を効率よく伝送することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体構成を説明するための図である。 非接触電力伝送システムの伝送路がインピーダンス変換回路の役割を果たすことを説明するための図である。 回路の共振を説明するための図である。 非接触電力伝送システムの等価回路を説明するための図である。 Ｔ型のハイパスフィルタ回路を説明するための図である。 インピーダンス変換をスミスチャート上で説明するための図である。 非接触電力伝送システムの等価回路を示す図である。 第２実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体構成を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体構成を説明するための図である。

図１に示すように、非接触電力伝送システム１は、高周波電力を発生する高周波電源装置２、高周波電源装置２で発生した高周波電力が出力される平行二線路３、平行二線路３に直列接続される共振コンデンサ４、平行二線路３に磁気的に結合されたコイル６、コイル６に直列接続される共振コンデンサ７、および、コイル６に接続された負荷５を備えている。高周波電源装置２、平行二線路３および共振コンデンサ４によって送電部１Ａが構成され、負荷５、コイル６および共振コンデンサ７によって受電部１Ｂが構成されている。

高周波電源装置２は、受電部１Ｂの負荷５に供給する高周波電力を生成する。高周波電源装置２は、ＡＣ-ＤＣコンバータ、インバータ、および、フィルタを含み、商用電源から入力される交流電圧をＡＣ-ＤＣコンバータで直流電圧に変換し、インバータとフィルタによって所定の高周波電圧に変換して、平行二線路３に出力する。

平行二線路３は、２本の導体線３ａ，３ｂを平行に敷設した平行二線路（分布定数線路）によって構成され、両導体線３ａ，３ｂを含む線路面Ｓ_Sが地面に対して水平となるように敷設されている。平行二線路３は、高周波電源装置２が出力する電力を送出する送電アンテナとして機能する。本実施形態では、平行二線路３の先端はショートされているが、オープンや特定のインピーダンスを接続した状態であってもよい。

共振コンデンサ４は、平行二線路３に直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。

負荷５は、高周波電源装置２が供給する高周波電力を消費するものである。

コイル６は、幅Ｗ_Lが導体線３ａと導体線３ｂとの間隔Ｗ_Sとほぼ同じで、長さＤ_Lが平行二線路３の長さＤ_Sに対して十分に小さい矩形状のコイル面Ｓ_Lを有する１ターン又は複数ターンのコイルである。コイル６は、平行二線路３が送出した電力を受信する受電アンテナとして機能する。本実施形態では、コイル６のコイル面Ｓ_Lの形状を矩形状としているが、これに限定されない。例えば、円形状や楕円形状のコイル６を用いるようにしてもよい。コイル６は、コイル面Ｓ_Lの幅方向の中心を線路面Ｓ_Sの幅方向の中心に略一致させ、線路面Ｓ_Sから所定の高さＨの位置で、コイル面Ｓ_Lが線路面Ｓ_Sと平行になるようにして配置される。

なお、本実施形態では、線路面Ｓ_Sが地面に対して水平となるように敷設される場合について説明したが、これに限られない。例えば、線路面Ｓ_Sが地面に対して垂直になるように敷設されていてもよい。この場合も、コイル６は、コイル面Ｓ_Lが線路面Ｓ_Sと平行になるように、配置される。

共振コンデンサ７は、コイル６に直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。

次に、図２〜図７を参照して、平行二線路３、コイル６、および、共振コンデンサ４，７の設計方法について、説明する。

高周波回路では、信号源からの電力を効率よく負荷に伝送するために、インピーダンス整合が重要になる。一般的に、信号源の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスとは一致していないため、図２（ａ）に示すように、伝送路にインピーダンス変換回路を挿入し、または、伝送路そのものの特性を利用して、インピーダンス整合を行う。

非接触電力伝送システム１について考えた場合、信号源である高周波電源装置２の出力インピーダンスと負荷５の負荷インピーダンスとは一致していない。伝送路８がインピーダンス変換回路の役割を果たして、整合状態となった場合に、非接触電力伝送システム１の伝送特性が最適になる。伝送路８は、高周波電源装置２の出力電力を負荷５に伝送するものであり、磁気結合した平行二線路３およびコイル６と、平行二線路３に直列接続する共振コンデンサ４と、コイル６に直列接続する共振コンデンサ７とを合わせたものが相当する。すなわち、アンテナ間伝送を行う伝送路８が、負荷５の負荷インピーダンスから高周波電源装置２の出力インピーダンスへのインピーダンス変換回路の役割を果たすように設計すれば、非接触電力伝送システム１の伝送特性を最適にすることができる。

磁界共鳴方式の非接触電力伝送においては、伝送に用いるアンテナを共振周波数ｆ₀において共振させるため、アンテナの自己インダクタンスＬ_Rと、これに直列接続した共振コンデンサのキャパシタンスＣ_Rとが、下記（３）式の関係になるように設計される。すなわち、図３に示す回路の端子部から測定したインピーダンスの虚部が、共振周波数ｆ₀においてゼロとなるようにする。

図１に示す非接触電力伝送システム１の等価回路は、図４（ａ）のようになる。高周波電源装置２の内部抵抗をＲ_Sとし、共振コンデンサ４のキャパシタンスをＣ_Sとし、平行二線路３の自己インダクタンスをＬ_Sとしている。また、負荷５の抵抗をＲ_Lとし、共振コンデンサ７のキャパシタンスをＣ_Lとし、コイル６の自己インダクタンスをＬ_Lとしている。また、平行二線路３とコイル６との間の磁気結合による相互インダクタンスをＭとしている。なお、平行二線路３およびコイル６の導体損失抵抗は無視している。

図４（ａ）に示す回路は、図４（ｂ）に示す等価回路を経て、図４（ｃ）に示す等価回路に変換することができる。

すなわち、高周波電源装置２の電源電圧Ｖは、下記（４）式で表すことができ、また、下記（５）式も成立する。

上記（４）および（５）式をそれぞれ変形して下記（６）および（７）式とすると、この（６）および（７）式より、図４（ｂ）の等価回路が得られる。

さらに、図４（ｂ）の等価回路の配線を整理すると、図４（ｃ）の等価回路が得られる。

図５の回路は高周波において、Ｔ型のハイパスフィルタ回路として知られている。また、下記（８）式を満たす共振周波数ｆ₀においては、特性インピーダンスＺ_Fを持つ１／４波長分の伝送路と同じ特性を示すことも知られている。

１／４波長分の伝送路によるインピーダンス変換を伝送路の特性インピーダンスＺ_Fで正規化したスミスチャート上でみると、特性インピーダンスＺ_Fを中心とした時計回りの１８０゜回転となる。すなわち、図５に示す回路に負荷インピーダンスＺ_Lの負荷を接続した場合、入力側からみたインピーダンスＺ_inは、下記（９）式の関係を満たす値となる。図６は、伝送路の特性インピーダンスＺ_Fで正規化したスミスチャート上で、このインピーダンス変換を示したものである。

図１に示す非接触電力伝送システム１の送電部１Ａおよび受電部１Ｂは、それぞれ、上記（３）式の共振条件を満たすので、下記（１０）および（１１）式を満たす。

上記（１０）および（１１）式より、下記（１２）式を導くことができる。

図７は、図４（ｃ）と同じ、図１に示す非接触電力伝送システム１の等価回路を示している。同図においては、伝送路８に相当する部分を、高周波電源装置２および負荷５に相当する部分と区別するように記載している。

図７に示す等価回路において、破線で囲んだ部分８ａの、共振周波数ｆ₀におけるインピーダンスは、下記（１３）式から、（−ｊ２πｆ₀Ｍ）になる。同様に、破線で囲んだ部分８ｂの、共振周波数ｆ₀におけるインピーダンスも、下記（１４）式から、（−ｊ２πｆ₀Ｍ）になる。

また、破線で囲んだ部分８ｃの、共振周波数ｆ₀におけるインピーダンスは、（ｊ２πｆ₀Ｍ）になり、破線で囲んだ部分８ａおよび８ｂのインピーダンスと共役の関係になっている。したがって、平行二線路３とコイル６とが磁気結合した状態の伝送路８の等価回路は、共振周波数ｆ₀において、特性インピーダンスＺ₀＝２πｆ₀ＭであるＴ型のハイパスフィルタ回路と同じ特性を示すことになる。

また、伝送路８の等価回路の特性インピーダンスＺ₀は、平行二線路３およびコイル６の自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lや共振コンデンサ４，７のキャパシタンスＣ_S，Ｃ_Lに関係なく、平行二線路３とコイル６との間の磁気結合による相互インダクタンスＭにより決定される。相互インダクタンスＭは、平行二線路３とコイル６との間の結合係数をｋとすると、下記（１５）式で表され、この結合係数ｋは平行二線路３およびコイル６の形状や、相互の距離・向きで決定される。

すなわち、上記アンテナ相互の条件が変動して相互インダクタンスＭが変化するということは、図５に示すＴ型のハイパスフィルタ回路の特性インピーダンスＺ_Fが変化するということを意味する。これは、１／４波長線路の特性インピーダンスＺ_Fが変化することと同等である。アンテナ間の結合状態が変化した場合、伝送路の特性インピーダンスＺ_Fが変化することになる。

入出力のインピーダンスが既知の場合、伝送特性を最適にするためのインピーダンスマッチングがなされる伝送路の特性インピーダンスＺ_Fは、信号源の出力インピーダンスをＺ_in、負荷インピーダンスをＺ_outとすると、下記（１６）式で表される。

前述したように、結合係数ｋは平行二線路３およびコイル６の形状や、相互の距離・向きで決定される。結合係数ｋが固定されている場合に、伝送特性を最適にするための、平行二線路３およびコイル６の自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lの算出方法を考える。

図１に示す非接触電力伝送システム１において、信号源の出力インピーダンスＺ_inは高周波電源装置２の内部抵抗Ｒ_Sであり、負荷インピーダンスＺ_outは負荷５の抵抗Ｒ_Lなので、上記（１６）式より、伝送路８の伝送特性を最適にするためには、伝送路８の特性インピーダンスＺ₀が、下記（１７）式を満たす必要がある。

上記（１５）および（１７）式より、下記（１８）式が算出される。すなわち、平行二線路３の自己インダクタンスＬ_Sとコイル６の自己インダクタンスＬ_Lとを、下記（１８）式を満たすように設計すれば、整合状態となり、伝送路８の伝送特性が最適になる。

また、非接触電力伝送システム１の送電部１Ａおよび受電部１Ｂは、それぞれ共振条件を満たすので、上記（１０）および（１１）式を満たしている。したがって、自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lを設計した場合、下記（１９）および（２０）式を用いて、キャパシタンスＣ_S，Ｃ_Lも設計される。

平行二線路３の自己インダクタンスＬ_Sと、コイル６の自己インダクタンスＬ_Lは、上記（１８）式を満たすように設計され、共振コンデンサ４のキャパシタンスＣ_Sと、共振コンデンサ７のキャパシタンスＣ_Lは、上記（１９）および（２０）式を満たすように設計される。

本実施形態によると、自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_LおよびキャパシタンスＣ_L，Ｃ_Sが、上記（１８）〜（２０）式を満たしているので、非接触電力伝送システム１は、結合係数ｋが変化しない限り、高周波電源装置２から負荷５へ効率的に電力を伝送することができる。

上記第１実施形態においては、平行二線路３を送電アンテナとして用いる場合について説明したが、これに限られない。例えば、送電アンテナも、受電アンテナであるコイル６と同様のものとしてもよい。

図８は、第２実施形態に係る非接触電力伝送システムの全体構成を説明するための図である。同図において、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１(図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図８に示す非接触電力伝送システム１’は、送電アンテナおよび受電アンテナを、同様のコイル３’，６’としている点で、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１と異なる。この場合でも、上記（１８）〜（２０）式を満たすように、コイル３’の自己インダクタンスＬ_S、コイル６’の自己インダクタンスＬ_L、共振コンデンサ４のキャパシタンスＣ_Lおよび、共振コンデンサ７のキャパシタンスＣ_Sを設計することで、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、コイル３’の自己インダクタンスＬ_Sとコイル６’の自己インダクタンスＬ_Lとを同一にするのであれば、下記（２１）式を用いて、自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lを算出することができる。

本発明に係る非接触電力伝送システム、および、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る非接触電力伝送システム、および、非接触電力伝送システムのアンテナ設計方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

１，１’ 非接触電力伝送システム
１Ａ，１Ａ’ 送電部
１Ｂ，１Ｂ’ 受電部
２ 高周波電源装置（電力供給手段）
３ 平行二線路（送電アンテナ）
３ａ，３ｂ 導体線
３’ コイル（送電アンテナ）
４ 共振コンデンサ（第１のコンデンサ）
５ 負荷
６，６’ コイル（受電アンテナ）
７ 共振コンデンサ（第２のコンデンサ）
８ 伝送路

Claims (4)

1. 送電アンテナと、
   前記送電アンテナに共振周波数ｆ₀の高周波電力を供給する電力供給手段と、
   前記送電アンテナに直列接続された第１のコンデンサと、
   前記送電アンテナに磁気的に結合される受電アンテナと、
   前記受電アンテナに接続されて電力を消費する負荷と、
   前記受電アンテナに直列接続された第２のコンデンサと、
   を備え、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数をｋ、前記電力供給手段の内部抵抗をＲ_S、前記負荷の抵抗をＲ_Lとした場合に、前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_S、前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_L、前記第１のコンデンサのキャパシタンスＣ_S、前記第２のコンデンサのキャパシタンスＣ_Lが下記の関係式を満たす、
   ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
   

   
2. 前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_Sおよび前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_Lが等しい場合は下記の関係式を満たす、
   請求項１に記載の非接触電力伝送システム。
   

   
3. 前記送電アンテナは、
   ２本の導体線を平行に敷設した平行二線路によって構成されている、
   請求項１または２に記載の非接触電力伝送システム。
4. 送電アンテナと、前記送電アンテナに共振周波数ｆ₀の高周波電力を供給する電力供給手段と、前記送電アンテナに直列接続された第１のコンデンサと、前記送電アンテナに磁気的に結合される受電アンテナと、前記受電アンテナに接続されて電力を消費する負荷と、前記受電アンテナに直列接続された第２のコンデンサとを備える非接触電力伝送システムにおいて、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナを設計する方法であって、
   前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の結合係数をｋ、前記電力供給手段の内部抵抗をＲ_S、前記負荷の抵抗をＲ_Lとした場合に、下記（１）式に基づいて、前記送電アンテナの自己インダクタンスＬ_Sおよび前記受電アンテナの自己インダクタンスＬ_Lを設計する第１の工程と、
   前記第１の工程によって設計された前記自己インダクタンスＬ_S，Ｌ_Lと、下記（２）式に基づいて、前記第１のコンデンサのキャパシタンスＣ_Sおよび前記第２のコンデンサのキャパシタンスＣ_Lを設計する第２の工程と、
   を備えていることを特徴とするアンテナ設計方法。
   

   

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