JP6675109B2 - 無線電力伝送システム - Google Patents
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Description
図1から図3を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。図1の様に、第1の実施形態の無線電力伝送システムは、送電回路10と受電回路20から成る。送電回路10は、電源回路30の電力を送電コイル1に導く回路である。受電回路20は、送電回路10の送電コイル1から空間を隔てて配置した受電コイル2で無線電力を受電し、受電コイル2が受電した受電電力を負荷回路40に導く回路から成る。
送電回路10は、自己インダクタンスL1の送電コイル1の配線の両端を共振用容量C1でつないだ共振回路を作り、その送電コイル1の配線の中間のポート1(P1)に電源回路30を接続し、電源回路30から共振電流I1を送電コイル1に流入させる。電源回路30は、出力インピーダンスが十分に小さい定電圧回路や定電流回路等を使用することができる。なお、電源回路30を共振用容量C1に並列に接続した送電回路10を用いることもできる。
送電回路10の変形例1として、送電回路10用の顕わな共振回路は設けずに、交流電流を流す電源回路30に直接に送電コイル1を接続した送電回路10を用いることもできる。
受電回路20は、図1のように、自己インダクタンスL2の受電コイル2の両端に共振用容量C2をつないで構成した受電側共振回路を有する。その受電側共振回路に直列に受電コイル電流制御回路50を挿入し、更に、受電側共振回路に直列に負荷回路40を接続する。つまり、受電側共振回路の受電コイル2の配線の中間にポート2(P2)を設け、そのポート2に負荷回路40と受電コイル電流制御回路50を直列に接続する。また、受電回路20には、受電コイル電流制御回路50の動作を制御する制御演算手段60を加える。
図2(b)の側面図のように、送電回路10の送電コイル1と受電回路20の受電コイル2を空間を隔てて対向させて、図1の様に両コイルを相互インダクタンスMで誘導結合させる。それにより、送電コイル1が発生した磁界の電磁誘導により受電コイル2に誘導電圧を発生させる。その誘導電圧が受電回路20の受電側共振回路を共振させて共振電流I2を流すことで、受電コイル2が送電コイル1から無線電力を受電する。
負荷回路40は、整流回路41と直流電圧変換回路(DC/DCコンバータ)80と蓄電装置70を持つ。直流電圧変換回路80の出力電力を蓄電装置70と負荷42で消費させ、また、蓄電装置70は、受電コイル電流制御回路50に電力を供給する。
制御演算手段60は半導体集積回路で構成した中央処理装置を備えるコンピュータ(情報処理装置)等で構成する。制御演算手段60は、共振電流センサ61や交流電圧センサ62や充電電流センサ63や充電電圧センサ64から測定値を受信する。そして、制御演算手段60は、それらの測定値に応じて受電側共振回路の共振電流I2を増減させるために、受電コイル電流制御回路50を用いて共振電流I2を制御する。また、制御演算手段60は直流電圧変換回路80の制御を行うこともできる。
受電コイル電流制御回路50は、図1の様に、負荷回路40から電力を供給されて動作し、制御演算手段60に制御されて共振電流I2と同じ周期で繰り返すパルス電圧Vpを受電側共振回路に直列に加える。それにより受電コイル電流制御回路50は、受電側共振回路(受電コイル2)に流れる共振電流I2を増加あるいは減少させて増減させる制御を行なう。
送電コイル1が電磁誘導により受電コイル2に誘導する交流の誘導電圧と共振電流I2の積の受電電力が送電コイル1から受電コイル2に送電される。受電コイル電流制御回路50が共振電流I2を増加させることで、受電コイル2が送電コイル1から受電する受電電力を共振電流I2に比例させて増すことができる。
負荷回路40の蓄電装置70から電力を供給された受電コイル電流制御回路50が、受電側共振回路にパルス電圧Vpを加えている間は、受電コイル電流制御回路50が受電側共振回路に電力を加えていて、その間、受電コイル2に流れる共振電流I2も増す。受電コイル電流制御回路50が受電側共振回路に加えた電力は結局、負荷回路40の蓄電装置70に充電され、その蓄電装置70の電力が再び受電コイル電流制御回路50に供給されるという電力の循環がある。
送電コイル1が発生した磁界が電磁誘導で受電コイル2に発生する誘導電圧が小さい場合は、共振電流I2の増え方が緩やかである。その場合に制御演算手段60は、受電コイル電流制御回路50を用いて送電コイル1の誘導電圧に直列に、より高い電圧のパルス電圧Vpを加えることで共振電流I2の増加速度を加速させる制御を行う。それにより、図3(b)の様に、共振電流I2を速やかに所定の定常電流の値まで増加させる制御を行う。
制御演算手段60は、共振電流I2の電流波形を共振電流センサ61で測定し、測定した共振電流I2の振幅の値が目標値に達した場合に受電コイル電流制御回路50からの受電側共振回路へのパルス電圧Vpの印加を停止して共振電流I2を目標値に維持する。
本実施形態では直流電圧変換回路(DC/DCコンバータ)80を用いる。直流電圧変換回路80は、整流回路41が共振電流I2を整流して出力する直流の電圧を、異なる値の電圧に変換する回路である。直流電圧変換回路80の回路構成は、制御演算手段60が直流電圧変換回路80の制御用パルス信号のパルス幅を変えることで電圧の昇圧比を変えることができる昇圧形チョッパ回路を用いる。
制御演算手段60が受電コイル電流制御回路50を用いて受電コイル2の受電電力を制御する例として、例えば、送電コイル1に対向させる受電コイル2の位置がずれることで送電コイル1が受電コイル2に電磁誘導で発生する誘導電圧が変化する場合に、以下の様にして、受電コイル2の受電電力を一定に制御することができる。
また、送電コイル1が受電コイル2に誘導する誘導電圧が一定の場合において、より多くの電力を受電コイル2に受電させる必要がある場合に、制御演算手段60が受電コイル電流制御回路50を用いて共振電流I2をより大きな値に制御することで、誘導電圧と共振電流I2の積の受電電力をより大きな値に制御することができる。
また、受電コイル2に流れる共振電流I2は、負荷回路40の影響で、電流の値が定常値になる以前の一時期に、電流が定常値以上に大きくなることがある。その場合に、制御演算手段60は受電コイル電流制御回路50を用いて、共振電流I2を減少させる方向にパルス電圧Vpを加えることで、共振電流I2の増加を抑え、共振電流I2を目標値に安定化させる制御を行うことができる。
また、蓄電装置70に電力が充電されるにつれて、蓄電装置70へ単位時間当たりに流入する電力の必要量が時間経過とともに変化する場合がある。その場合は、蓄電装置70の充電電圧を充電電圧センサ64で検出し、制御演算手段60が時間の経過とともに、蓄電装置70の充電電圧に応じて、受電コイル2が送電コイル1から受電する受電電力の目標値を変えて、受電コイル電流制御回路50を用いて蓄電装置70への電力の充電量を各時刻での適正な値に制御する。
図4を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。第2の実施形態は、図4の様に、受電回路20を、共振用容量C2に並列に負荷回路40を接続した点が第1の実施形態と相違する。送電回路10には、第1の実施形態と同様な回路を用いる。
第2の実施形態の受電回路20は、図4のように、自己インダクタンスL2の受電コイル2の両端に共振用容量C2をつないで構成した受電側共振回路を有する。その受電側共振回路に直列に受電コイル電流制御回路50を挿入する。第2の実施形態では、受電コイル2の両端をポート2(P2)にし、そのポート2に、共振用容量C2と受電コイル電流制御回路50を直列に接続し、その共振用容量C2に並列に負荷回路40を接続する。
負荷回路40を共振用容量C2に並列に接続する。その共振用容量C2に充電された電力の一部を負荷回路40が消費する。共振用容量C2から負荷回路40に流れ出した電流を整流回路41で直流に整流して直流電圧変換回路80で電圧変換して蓄電装置70に充電する。
本実施形態の制御演算手段60は、共振電流センサ61と充電電流センサ63と充電電圧センサ64から測定値を受信する。
受電コイル電流制御回路50が受電電力を制御するために共振電流I2を変化させると、共振用容量C2の電圧が共振電流I2に比例して変化する。その結果、負荷回路40の整流回路41の出力電圧は、共振用容量C2の電圧の絶対値と同程度の値に変化する。そのように変化する整流回路41の出力電圧を、直流電圧変換回路80が変換して蓄電装置70又は負荷42に一定の電圧を加える様に制御する。
本実施形態の変形例2として、制御演算手段60が受電コイル電流制御回路50を用いて共振電流I2を常に一定値に制御する場合は、共振用容量C2の交流電圧及び整流回路41の出力電圧が一定値になる。その場合は、直流電圧変換回路80には、電圧の降圧比が常に一定値に固定された簡易な回路を用いる事ができる効果がある。
本実施形態において送電コイル1が受電コイル2に電磁誘導で発生する誘導電圧が変化する場合に、以下の様にして、受電コイル2の受電電力を一定に制御することができる。
負荷回路40の蓄電装置70に電力が充電されるにつれて、負荷回路40が必要とする電力が時間経過とともに変わる場合は、制御演算手段60が、充電電圧センサ64が検出した蓄電装置70の電圧により蓄電装置70の充電量を把握する。そして、その充電量に応じて蓄電装置70の充電電力の目標値を変えて、蓄電装置70への電力の充電量を適正な値に制御する。
図5を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。第3の実施形態は、負荷回路40の前段に変圧回路を設置することで、直流電圧変換回路80の替わりにした点が先に記載した実施形態と相違する。その変圧回路の出力端子側には2次側共振用容量C4を接続して2次側共振回路を構成し、その2次側共振回路に直列に整流回路41の入力端子を接続する。
受電回路20は、図5のように、自己インダクタンスL2の受電コイル2の両端に共振用容量C2をつないで構成した受電側共振回路を有し、その受電側共振回路の受電コイル2の配線の中間のポート2(P2)に負荷回路40と受電コイル電流制御回路50を直列に接続する。
本実施形態の負荷回路40の前段の変圧回路は、入力端子側に自己インダクタンスL3の1次コイルL3を設置し、その1次コイルL3に自己インダクタンスL4の2次コイルL4を相互インダクタンスMtで誘導結合させる。この変圧回路の2次コイルL4の出力端子側に2次側共振用容量C4を接続して2次側共振回路を構成する。その2次側共振回路の共振周波数を、受電側共振回路の共振周波数と同じ周波数にする。
変圧回路は、1次コイルL3の漏れインダクタンス及び2次コイルL4の漏れインダクタンスと2次側共振用容量C4が受電側共振回路の共振周波数と同じ周波数で共振する共振トランス型変圧回路を構成することができる。
また、変形例3として、変圧回路を、以下の構成のイミタンス変換回路で構成することができる。すなわち、受電コイル2の自己インダクタンスL2と変圧回路の1次コイルL3の自己インダクタンスとを合わせた総インダクタンスと受電側共振回路の共振用容量C2(あるいは、C2に直列にイミタンス変換回路の1次側用の容量を接続した総体の容量)を、受電側共振回路の共振周波数で共振させる。
本実施形態の受電コイル電流制御回路50は、第1の実施形態と同様に、制御演算手段60に制御されて、共振電流I2と同じ周期で繰り返すパルス電圧Vpを受電側共振回路に直列に加えることで、受電側共振回路に流れる共振電流I2を増加あるいは減少させる制御を行なう。
制御演算手段60が、共振電流I2の目標値を設定し、受電コイル電流制御回路50を用いて共振電流I2を目標値に合わせる制御を行う。それにより共振電流I2を一定値に制御し、一定値の共振電流I2が流れる変圧回路の1次コイルL3が発生する磁界が2次コイルL4に誘導する誘導電圧を一定値に制御する。その誘導電圧が2次側共振回路に直列に接続した整流回路41に加わり、整流回路41の出力端子に発生する直流電圧が一定値になり、その一定値の直流電圧が蓄電装置70に加わる。
第4の実施形態が先に記載した実施形態と相違する点は、受電コイル電流制御回路50が、受電側共振回路に直列に補助交流駆動電圧Vaを加えて受電側共振回路の共振電流I2を増加あるいは減少させる制御を行う点である。
第4の実施形態の受電コイル電流制御回路50は、交流駆動電圧電源53と半導体スイッチング素子52で構成する。制御演算手段60が受電コイル電流制御回路50の半導体スイッチング素子52をスイッチ開閉制御信号sig1で切り替えて受電側共振回路に直列に補助交流駆動電圧Vaを加えて受電側共振回路の共振電流I2を増加あるいは減少させる制御を行う。また、交流駆動電圧電源53の交流の電圧波形を計測する駆動電圧センサ65を設置することもできる。
制御演算手段60は、受電コイル電流制御回路50の交流駆動電圧電源53の交流の周波数を交流周波数制御信号sig2で制御する。また、制御演算手段60は、制御演算手段60は、交流電圧センサ62が検出する交流電圧を受電コイル2に誘導する交流の誘導電圧と等しいとみなして、交流電圧センサ62が検出した交流電圧の値が最大になるタイミングに、補助交流駆動電圧Vaの電圧値を最大にするようにタイミングを合わせるように補助交流駆動電圧Vaの位相を制御して同期させる。
制御演算手段60は、共振電流I2の電流波形を共振電流センサ61で測定し、測定した共振電流I2の振幅の値が目標値に達した場合は、スイッチ開閉制御信号sig1で半導体スイッチング素子52を切ることで受電側共振回路への補助交流駆動電圧Vaの印加を停止して共振電流I2を目標値に維持する。
2 受電コイル、
10 送電回路、
20 受電回路、
30 電源回路、
40 負荷回路、
41 整流回路、
42 負荷、
50 受電コイル電流制御回路、
51 直流駆動電圧電源、
52 半導体スイッチング素子、
53 交流駆動電圧電源、
60 制御演算手段、
61 共振電流センサ、
62 交流電圧センサ、
63 充電電流センサ、
64 充電電圧センサ、
65 駆動電圧センサ、
70 蓄電装置、
80 直流電圧変換回路(DC/DCコンバータ)、
C1 送電回路の共振回路の共振用容量、
C2 受電回路の共振回路の共振用容量、
C4 変圧回路の2次側共振用容量、
h コイル間隔、
I1 送電コイルに流れる共振電流、
I2 受電コイルに流れる共振電流、
L1 送電コイルの自己インダクタンス、
L2 受電コイルの自己インダクタンス、
L3 変圧回路の1次コイル、
L4 変圧回路の2次コイル、
M、Mt 相互インダクタンス、
P1 送電回路の共振回路のポート1、
P2 受電回路の共振回路のポート2、
sig1 スイッチ開閉制御信号、
sig2 交流周波数制御信号、
Va 補助交流駆動電圧、
Vp パルス電圧
Claims (1)
- 交流電流で磁界を発生させる送電コイルと、劾送電コイルの電磁誘導により誘導電圧を発生する受電コイルを有し、劾受電コイルに共振用容量を接続して構成した共振回路を有し、前記共振回路に流れる共振電流を目標値に合わせる制御を行う制御演算手段を有し、前記制御演算手段に制御されて前記共振回路に電力を加えて前記共振電流を増す受電コイル電流制御回路を有し、前記共振回路から電力を受電する負荷回路を有し、前記受電コイル電流制御回路が、前記共振回路に加える電力を前記負荷回路から供給されて動作することを特徴とする無線電力伝送システム。
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