次に、図面を参照して、本発明の第1~第5の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
又、以下に示す第1~第5の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。更に、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を90度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を180度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。図6(a)~図7(c)に示したような、渦巻きの螺旋の向きも同様に説明の便宜上における単なる選択に過ぎず、実際の設計事情に応じて右巻きを左巻きに、左巻きを右巻きに選択することも可能である。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る電力伝送装置は、図1(a)に示すように、一次側回路2と二次側回路3とを備える。一次側回路2は、静電エネルギーを蓄積する送電側コンデンサC1、送電側コンデンサC1に並列接続され送電側コンデンサC1から送られた静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄積し、この磁気エネルギーを送電側コンデンサC1に環流すると同時に、二次側回路3の受電側コイルL2 に磁気的に結合し、磁気エネルギーを送受する送電側コイルL1を有するLC共振回路である。互いに直列に接続された直流電源5と一次側駆動スイッチSW1とが、送信側コンデンサC1に並列接続されている。直流電源5は送電側コンデンサC1に直流電圧を供給する。
後述するように「一次側駆動スイッチSW1」は一次側回路2の自由振動を制限する回路素子である。自由振動を制限することにより、一次側駆動スイッチSW1は一次側回路2における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる。直流電源5は、擬似的な定電圧源でよく、単に整流したのみの簡単な構造の直流電源で大きなリップル成分を含む電源でもよいので制御回路や周辺回路が単純で壊れにくく回路設計が容易でしかも安価な直流電源5が採用できる。二次側回路3は、送電側コイルL1に対向して離間し、送電側コイルL1から磁気エネルギーを受け取る受電側コイルL2、受電側コイルL2に並列接続され受電側コイルL2に蓄積された磁気エネルギーを静電エネルギーとして蓄積する受電側コンデンサC2を有するLC共振回路である。
互いに直列に接続された負荷側ダイオードD2と負荷素子6とが受信側コンデンサC2に並列接続されている。負荷素子6は、例えば電気自動車(EV)の車載用のリチウム(Li)イオン電池等の充電式電池が採用可能である。図1(a)では、例示的にリチウムイオン電池の等価回路を抵抗とコンデンサの直並列回路で模式的に示している。リチウムイオン電池には集電体や電界液の抵抗、電池内の界面にできる電気的2重層のコンデンサや抵抗が含まれる。負荷側ダイオードD2は、アノードが受信側共振器2側、カソードが負荷素子6側を向くように接続され、充電電流ICの流れる方向を一方向に限定している。
図1(a)において直流電源5と等価内部抵抗r1の端子間電圧をE、送信側コンデンサC1の端子間電圧をVC1、受電側コンデンサC2の端子間電圧をVC2、負荷素子6の端子間で測られる充電電圧をVCS、負荷側等価浮遊抵抗rLを流れる電流を充電電流ICとする。等価内部抵抗r1は、直流電源5の内部インピーダンスを近似的に抵抗値で示している。そして、一次側駆動スイッチSW1をオン・オフ駆動した場合の実測によって得られた端子間電圧VC1の過渡応答波形を図1(b)に示す。
第1の実施形態では、負荷素子6の充電電圧VCSの初期状態における値は、充電完了電圧に近い(満充電に近い)、高い値であるものとする。時間t=0の時点で、送電側コンデンサC1は充電されておらず端子間電圧VC1=0である。t=0で一次側駆動スイッチSW1をオン状態にすると、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。t=0のステップ入力により、最初はコンデンサC1への充電電流が流れ、その値はE/r1である。この時にコイルL1は流入する電流を阻止するよう逆起電力を発生するので、L1への電流はゼロである。図1(b)に示すように、等価内部抵抗r1、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1、相互インダクタンスMで決まる時定数τ1で送電側コンデンサC1が充電され、端子間電圧VC1は増加する。時定数τ1は、主に送信側コンデンサC1の容量C1と等価内部抵抗r1の抵抗値C1の積C1・r1に関係したパラメータに依存する値となる。
次第にC1の電圧が上昇し、電流が小さくなるにしたがってL1の逆起電力は小さくなりL1への電流が流れ始める。それによってC1の両端の電圧は少し下がる。この時点で SW1を閉じる(t=t1)。このスイッチを閉じる時間t1は、コイルに電流が流れ始めた時点で、かつそれを切ることによって生じる逆起電力によって生じるSW1に加えられる電圧によってSW1が破壊しないような時間とする。t=t1で一次側駆動スイッチSW1をオフにすると、送電側コンデンサC1から送電コイルL1に電流が流れるようになり本格的な放電を開始する。送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動しようとする。この時に送電側コイルL1に流れる電流によってL1の周囲に発生した磁界により、相互インダクタンスMで結合した受電側コイルL2に起電力が生じ電流が流れる。後に述べるように、この時に一次側回路2と二次側回路3の特性が調和していれば、この伝送された電力によって最も効率よく受電側コンデンサC2が充電される。すなわち一次側回路2から二次側回路3へ電力が最も効率よく伝送される。この受電側コイルL2に流れる電流によって受電側コイルL2の周囲に生じた磁界によってL1に起電力が生じる。もともとの電圧とこの起電力によって、送電側コイルL1の電圧は通常の交流の波形ではない正弦波から逸脱した鋸波のようになる。この鋸波の電圧の最も電圧の低い部分を少し過ぎたあたりで瘤のように盛り上がりつつ上昇する瘤付き鋸波特性となる。
この瘤のように盛り上がりが発生するまでの時定数τ2は、主に送信側コンデンサC1の容量C1、送電側コイルL1のインダクタンスL1及び送電側コイルL1の寄生抵抗をRstr(L1)に、後述する式(4)に類似な関係で示されるパラメータに依存する値となる。ただし、送電側コイルL1のインダクタンスは、時間tに依存する値である受電側コイルL2のとの相互インダクタンスM=M(t)を考慮する必要がある。
t=t2で一次側コンデンサの電圧は再び極大ピークとなり、この時に二次側のコンデンサの電圧は極小に近い値となる。このピークに合わせて一次側駆動スイッチSW1を再度オン状態にすると、再度、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。先ほどと同様に、最初はコンデンサC1への充電電流が流れ、その値は直流電源5の端子間電圧Eからt=t2おけるコンデンサC1の電圧を引いたものをr1で除した値である。この時にコイルL1は流入する電流を阻止するよう逆起電力を発生するので、L1への電流はゼロである。次第にC1の電圧が上昇し、電流が小さくなるにしたがってL1の逆起電力は小さくなりL1への電流が流れ始める。それによってC1の両端の電圧は少し下がる。この時点で SW1を閉じる(t=t3)。このスイッチを閉じる時間t3は、コイルに電流が流れ始めた時点で、かつそれを切ることによって送電コイルL1生じる逆起電力によってSW1に加えられる電圧によってSW1が破壊しないような時間とする。t=t3で一次側駆動スイッチSW1をオフした後は送電側コンデンサC1から送電コイルL1に電流が流れるようになり本格的な放電を開始する。送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動しようとする。この時に送電側コイルL1に流れる電流によってL1の周囲に発生した磁界により、相互インダクタンスMで結合した受電側コイルL2に起電力が生じ電流が流れる。後に述べるように、この時に一次側回路2と二次側回路3の特性が調和していれば、この伝送された電力によって最も効率よく受電側コンデンサC2が充電される。すなわち一次側回路2から二次側回路3へ電力が最も効率よく伝送される。この受電側コイルL2に流れる電流によって受電側コイルL2の周囲に生じた磁界によってL1に起電力が生じる。もともとの電圧とこの起電力によって、送電側コイルL1の電圧は通常の交流の波形ではない正弦波から逸脱した鋸波のようになる。この鋸波の電圧の最も電圧の低い部分を少し過ぎたあたりで瘤のように盛り上がりつつ上昇する瘤付き鋸波特性となる。
この結果、t=t3以降は、図1(b)の右側に示すように、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は減少し、再度負の値になる。送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値になると、送電側コイルL1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コンデンサC1に環流し始め、図1(b)の右端に示すように、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は環流電流により増大を開始し、正の値になり、更に増大する。ここまでの時間は、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1、相互インダクタンスMで決まる時定数τ2で決められる。図1(b)に示すように、一次側駆動スイッチSW1による直流電源5の端子間電圧Eのステップ入力と遮断により、端子間電圧VC1の変化は通常の交流理論における正弦波の波形ではなく、瘤付鋸波がなまった立ち上がり・立ち下がり特性の繰り返し波形の過渡応答を示す。
一次側回路2の回路特性に内在する時定数と二次側回路3の回路特性に内在する時定数とが調和したとき、一次側回路2の電気エネルギーが二次側回路3に最も効率よく伝送され、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。この一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる際の一次側回路2の端子間電圧VC1と、二次側回路3の端子間電圧VC2の過渡応答波形を図2(a)に示す。図2(a)では、図1(b)と同様に、一次側駆動スイッチSW1による直流電源5の端子間電圧Eのステップ入力と遮断により、端子間電圧VC1が瘤付鋸波がなまった立ち上がり・立ち下がり特性の繰り返し過渡応答波形を示している。図2(a)に実線で示した過渡応答波形は、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値から増大を開始し、正の値になり、更に増大して、t=tiで一次側駆動スイッチSW1がオン状態に至る様子である。
このとき、図2(a)の左側に破線で示したように、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって、二次側回路3の受電側コンデンサC2が充電され、受電側コンデンサC2の端子間電圧をVC2がピーク値に到達した後、受電側コンデンサC2が放電を開始し、端子間電圧をVC2が減少を開始している。t=tiで一次側駆動スイッチSW1をオン状態にすると、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2はt=tiでは負の値にまで減少している。
t=tiのステップ入力により、図2(a)の中央左側付近に示すように、等価内部抵抗r1、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1、相互インダクタンスMで決まる時定数τ1で一次側回路2の送電側コンデンサC1が充電され、端子間電圧VC1は増加する。図2(a)に示すように、一次側回路2の端子間電圧VC1はピーク値に到達した後、減少を開始する。t=ti+1で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、一次側回路2の送電側コンデンサC1は本格的な放電を開始し、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動する。二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は破線で示したようにt=tiからt=ti+1での間では負の値である。
t=ti+1以降は、図2(a)の中央付近に実線で示すように、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1、相互インダクタンスMで決まる時定数τ2で送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は減少し負の値になり、送電側コンデンサC1に蓄積された電気エネルギーは送電側コイルL1に移る。送電側コイルL1に蓄積された電気エネルギーは、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送された電気エネルギーは、二次側回路3の受電側コンデンサC2に蓄積される。
この結果、t=ti+1以降において、図2(a)の中央付近に破線で示すように、二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は増大を開始する。二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2はピーク値に到達した後、減少を開始し、図2(a)の右側に破線で示すように負の値となる。本実施形態での条件として、負荷素子6の充電電圧VCSの初期状態における値は、充電完了電圧に近い(満充電に近い)、高い値であるため、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2がピーク値になった付近で負荷素子6の充電電圧VCSを超えるため、負荷素子6に電流が流れ、受電側コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーは負荷素子6に移動し、負荷素子6である充電式電池が充電される。
t=ti+1以降は、図2(a)の中央の実線に示すように送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値の最小値に到達すると、送電側コイルL1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コンデンサC1に環流し始め、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は環流電流により増大を開始し、正の値になり、更に増大する。図2(a)の右側に破線で示すように、端子間電圧VC1が正の値になると、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は負の値になる。
送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が正の値で増大し、t=ti+2で一次側駆動スイッチSW1を再度オン状態にすると、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。t=ti+2のステップ入力により、図2(a)の右側の実線に示すように送電側コンデンサC1が充電され、端子間電圧VC1は増加する。図2(a)の実線に示すように、端子間電圧VC1はピーク値E0に到達した後、再度減少を開始する。t=ti+3で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、送電側コンデンサC1は再度放電を開始し、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動する。二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は破線で示したようにt=ti+2からt=ti+3での間では負の値である。
送電側コイルL1に蓄積された電気エネルギーは、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送された電気エネルギーは、二次側回路3の受電側コンデンサC2に蓄積される。図2(a)に示すように、一次側駆動スイッチSW1による端子間電圧Eのステップ入力と遮断により、一次側回路2の端子間電圧VC1の変化は通常の交流理論における正弦波の波形ではなく、瘤付鋸波がなまった立ち上がり・立ち下がり特性の繰り返し波形の過渡応答を示す。一方、二次側回路3の端子間電圧VC2の変化は、間引かれた三角波のような繰り返し波形の過渡応答を示すが、通常の交流理論における正弦波の波形ではない。図2(a)から分かるように「間引かれた三角波」とは、台形波の極性を逆にした波形とも解釈できる。いずれにせよ、一次側回路2の振動波形と二次側回路3の振動波形とは互いに対称性のある振動波形ではない。
図2(b)は図2(a)に示した端子間電圧VC1及び端子間電圧VC2の過渡応答波形に更に直流電源5の端子間電圧E、負荷素子6の端子間電圧VCS及び負荷素子6である充電式電池への充電電流ICを加えた過渡応答の実測波形である。t=tiで一次側駆動スイッチSW1をオン状態にして送電側コンデンサC1に電荷を蓄えたのち、t=ti+1で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、一次側回路2から二次側回路3への一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。一次側駆動スイッチSW1をオン状態にすると、直流電源5の等価内部抵抗r1が小さいので、図2(b)において太い実線で示した直流電源5の端子間電圧Eが一次側回路2の端子間電圧VC1に重畳する変化を示している。
図2(b)のt=ti+1以降の過渡応答に着目して説明する。図2(b)の中央付近に実線で示すように、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は、t=ti+1以降において減少し負の値になる。送電側コンデンサC1に蓄積された電気エネルギーは送電側コイルL1に移り、送電側コイルL1に蓄積される。送電側コイルL1に蓄積された電気エネルギーは、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって二次側回路3の受電側コイルL2に伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2に伝送された電気エネルギーは、二次側回路3の受電側コンデンサC2に蓄積されるため、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は、図2(b)の中央付近に破線で示すように、t=ti+1以降において負の値から増大を始める。
二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は、中央の左側よりの破線で示したようにt=tiからt=ti+1での間では負の値である。受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は、t=ti+1の負の値から増大し、正の値になり更に増大し、ピーク値に到達した後、図2(b)の右側に破線で示すように、減少を開始する。端子間電圧VC2が減少すると、受電側コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーは、図2(b)の右側に一点鎖線で示した充電電流ICとして負荷素子6に流れ、負荷素子6が充電される。一点鎖線で示した充電電流ICの増大とほぼ同期して、図2(b)の右側に点線で示した負荷素子6の端子間電圧VCSも僅かに増大し、ピーク値を経た後に、充電電流ICの減少に同期して減少する過渡応答を示す。充電電流ICが減少してゼロになると、負荷素子6の端子間電圧VCSの減少は停止し、増大に転じ、負荷素子6の端子間電圧が定常値になる。Icに応じたVcsの変化は図1(a)に例示的に等価回路を示したような抵抗とコンデンサの直並列回路が存在するために生じる。
t=ti+1以降において、図2(b)の中央の実線に示すように送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値の最小値に到達すると、送電側コイルL1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コンデンサC1に環流し始め、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は環流電流により増大を開始し、正の値になり、更に増大する。図2(b)の右側に破線で示すように、端子間電圧VC1が正の値になると、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は負の値になる。
送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が正の値で増大し、t=ti+2で一次側駆動スイッチSW1を再度オン状態にすると、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。t=ti+2のステップ入力により、図2(b)の右側の実線に示すように送電側コンデンサC1が充電され、端子間電圧VC1は増加する。前述したように、直流電源5の等価内部抵抗r1が小さいので、一次側駆動スイッチSW1をオン状態にすると、図2(b)の太い実線で示した直流電源5の端子間電圧Eは端子間電圧VC1に重畳する変化をする。図2(b)の右端の端子間電圧Eに重畳された実線に示されるように、端子間電圧VC1はピーク値に到達した後、再度減少を開始する。t=ti+3で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、送電側コンデンサC1は再度放電を開始し、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動する。二次側回路3の受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は破線で示したようにt=ti+2からt=ti+3での間では負の値である。
t=ti以前の振る舞いも同様であり、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は、図2(b)の左側に破線で示すように、ピーク値に到達した後、減少を開始する。端子間電圧VC2が増加していきVcsを上回ると、受電側コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーは、図2(b)の左側に一点鎖線で示した充電電流ICとして負荷素子6に流れ、負荷素子6が充電される。一点鎖線で示した充電電流ICの増大とほぼ同期して、図2(b)の左側に点線で示した負荷素子6の端子間電圧VCSも僅かに増大し、ピーク値を経た後に、充電電流ICの減少に同期して減少する過渡応答を示す。充電電流ICが減少してゼロになると、負荷素子6の端子間電圧VCSの減少は停止し、増大に転じ、負荷素子6の端子間電圧が定常値になる。Icに応じたVcsの変化は図1(a)に例示的に等価回路を示したような抵抗とコンデンサの直並列回路が存在するために生じる。
そして、既に説明したt=ti+1で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、図2(b)の中央の実線に示すように送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値に向かって減少を開始する。このようにして、送電側コイルL1に蓄積された電気エネルギーは、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送された電気エネルギーは、二次側回路3の受電側コンデンサC2に蓄積される。図2(b)に示すように、一次側駆動スイッチSW1による端子間電圧Eのステップ入力と遮断により、一次側回路2の端子間電圧VC1の変化は通常の交流理論における正弦波の波形ではなく、瘤付鋸波がなまった立ち上がり・立ち下がり特性の繰り返し過渡応答波形を示し、二次側回路3の端子間電圧VC2は間引かれた三角波のような繰り返し波形の過渡応答を示す。
図3(a)は一次側回路2と二次側回路3との電磁的結合がない状態での、一次側回路2の単独回路としてのステップ応答を説明する回路図である。図3(a)において、直流電源の端子間電圧をE、送信側コンデンサC1の端子間電圧をVC1、送電側コイルL1を流れる電流を送電側コイル電流IL1とする。t=0msで一次側駆動スイッチSW1をオン状態にすると、直流電源5の端子間電圧Eがステップ入力される。t=0msのステップ入力により、図3(b)に示すように、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1で決まる時定数が送電側コンデンサC1が充電の立ち上がり波形Vriseを規定し、端子間電圧VC1は立ち上がり波形Vriseで増加する。同時に送電側コイル電流IL1も、図3(b)に示すように増加を開始する。
図3(b)に示すように、端子間電圧VC1は立ち上がり波形Vriseで増加してt=0.075msでピーク値に到達した後、減少を開始する。端子間電圧VC1が減少を開始した後も、送電側コイル電流IL1が増加を継続し、送電側コンデンサC1の電気エネルギーが送電側コイルL1に移動し続けていることが分かる。t=0.15msで一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にすると、送電側コンデンサC1は本格的な放電を開始し、立ち下がり波形Vfallで急激に減少する。このとき送電側コイル電流IL1は増加を継続しており、t=0.17msで送電側コイル電流IL1のピーク値に到達するまで、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイルL1に移動する。
この結果、t=0.15ms以降は、図3(b)に示すように、送電側コンデンサの容量C1、送電側コイルのインダクタンスL1で決まる時定数で送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は減少し、t=0.17msで送電側コイル電流IL1のピーク値に到達したとき、端子間電圧VC1はゼロになる。そして、t=0.17ms以降は、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は負の値になる。送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が負の値になると、送電側コイル電流IL1の値が減少し始め、送電側コイルL1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コンデンサC1に環流し始める。そして、図3(b)に示すように、送電側コイル電流IL1の値がt=0.29msでゼロになったとき、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は環流電流により増大を開始する。送電側コイル電流IL1の値が、t=0.4msでゼ負の値の最小値になったとき、端子間電圧VC1はゼロになり、この後、端子間電圧VC1は正の値になり、更に増大する。
図3(a)に示す回路は、t=0.15msで一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にした後、一次側駆動スイッチSW1を再度オン状態にすることはない。つまり、図3(a)に示す回路の場合は、図3(b)の右側に斜線で示した領域において自由振動をするので、通常の正弦波の交流理論で処理できる。しかしながら、図1(a)に示す回路では一次側駆動スイッチSW1が周期的にオン/オフを繰り返す強制的なステップ応答の駆動をするので、図3(b)の斜線で示した自由振動の領域は、第1の実施形態に係る電力伝送装置の対象外である。強制的なステップ応答の場合、図1(b)~図2(b)に示したように、一次側回路2の端子間電圧VC1は瘤付鋸波がなまった立ち上がり・立ち下がり特性の繰り返し波形の過渡応答を示す。又、二次側回路3の端子間電圧VC2は間引かれた三角波のような繰り返し波形の過渡応答を示す。
即ち、第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、通常の交流理論での正弦波に依拠した共振ではなく、一次側回路2の回路特性に内在する時定数と二次側回路3の回路特性に内在する時定数とが調和したとき、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって、一次側回路2の電気エネルギーが、効率よく二次側回路3に伝送される。一次側回路2の回路特性に内在する時定数と二次側回路3の回路特性に内在する時定数とを調和させるためには、送電側コンデンサC1と送電側コイルL1の積、と受電側コンデンサC2と受電側コイルL2の積を同じにすることを基本とし、送電側、受電側の寄生抵抗、浮遊容量などを加味したそれぞれの時定数を一致もしくは整数倍にして調和させなければならない。最も簡単な方法は、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量を、コンデンサの寄生抵抗を含めて等しくし、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスをコイルの寄生抵抗を含めて等しくすることである。なお、コイル及びコンデンサに寄生抵抗が存在する場合は、後述するように、コイルのインダクタンスLとコンデンサの容量Cが式(19)を満たすとき、伝送効率が最大となることにも留意すべきである。
図1(a)に示した一次側駆動スイッチSW1として、電磁接触器等の機械的なスイッチング素子の他、より好ましい態様として、より高速スイッチングが可能な電力用半導体スイッチング素子が用いられる。電力用半導体スイッチング素子としては、電界効果トランジスタ(FET)、静電誘導トランジスタ(SIT)、バイポーラトランジスタ(BJT)の他、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)、静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)等のサイリスタが好適である。特に、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MISFET)、絶縁ゲート型静電誘導トランジスタ(MISSIT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、MOS制御SIサイリスタ等の電圧駆動型のスイッチング素子は、消費電力が小さくなり好適である。市場での入手可能性と電力用半導体スイッチング素子の内部抵抗の評価からは、現状においては、MISFETの類型であるMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)を図4(a)に示す回路のように採用することが可能である。
EVの車載用の充電式電池を負荷素子6とするような電力伝送装置においては大電流が流れることによるジュール熱の発生が大きく、数百ワット以上の発熱が伴うことになり、電力伝送装置が暖房装置(ヒーター)になってしまう。第1の実施形態に係る電力伝送装置では一次側駆動スイッチSW1として用いる電力用半導体スイッチング素子は1個のみで良いので、銅のブロック等のヒートシンクで覆い熱伝導性を上げ、発熱による素子の破壊を防ぐ構造が簡単に設計でき、しかも浮遊抵抗、浮遊容量、浮遊インダクタンスの発生も最小化できる。送電側コイルL1及び受電側コイルL2の浮遊抵抗(寄生抵抗)による発熱も大きいので、送電側コイルL1及び受電側コイルL2を空冷、水冷する等の対策が好ましい。
EVの車載用等の大電力用電力伝送装置におけるジュール熱の発生を押さえる一つの方法は、一次側回路2の電圧を高め、送電側コイルL1と受電側コイルL2の巻線比で二次側回路3の電圧を負荷素子6の最適電圧に設定することである。一次側駆動スイッチSW1として電力用半導体スイッチング素子を採用する場合には、電力用半導体スイッチング素子をオン/オフ制御する単純な制御だけでよいので、一次側回路2の電圧を高める回路設計は容易である。
このように、第1の実施形態に係る電力伝送装置によれば、一次側駆動スイッチSW1が1個のみの単純設計であるので、一次側回路2の電圧を高めて一次側回路2側のジュール熱の発生による電力損失を最小限に抑制する設計が容易である。ジュール熱発生によるエネルギー損失も少なくできるので第1の実施形態に係る電力伝送装置によれば、EVの車載用等の大電力用電力伝送の場合における電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率が高くなり、人類のエネルギー問題の解消に寄与できる。
図4(a)に示す実装回路においては、送電側コイルL1からの環流電流を考慮し第1の還流ダイオード(フリーホイルダイオード)FWD1が、第1の半導体スイッチング素子Q1としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、保護素子として並列接続されている。又、送電側コイルL1からの環流電流が直流電源5に環流するのを防ぐため、電源側ダイオードD1が直流電源5と第1の半導体スイッチング素子Q1の間に直列接続されている。図4(a)に示す実装回路では負荷素子6の等価インピーダンスXLeqを充電容量Csで近似して表現している。
通常の定常状態の正弦波に依拠した交流理論では、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の相互インダクタンスMは、結合係数KACを用いて:
M=KAC(L1・L2)1/2 ……(1)
と示すことができる。そして送電側コンデンサC1と送電側コイルL1との直列回路と、受電側コンデンサC2と受電側コイルL2の直列回路との相互誘導は、相互インダクタンスMを用いると、以下の結合方程式
L1di1/dt+(1/C1)∫i1dt+Mdi2/dt=0 …(2)
L2di1/dt+(1/C2)∫i2dt+Mdi1/dt=0 …(3)
によって表される。式(2)及び(3)において、∫は積分記号である。即ち、図4(a)に示す実装回路は、通常の定常状態の正弦波に依拠した交流理論によれば、相互インダクタンスMのコイルを用いて図4(b)のように表現できる。
ただし、第1の実施形態に係る電力伝送装置は、正弦波の交流理論に依拠しない過渡応答の伝送技術であるので、図4(b)の等価回路の表現は近似的な物理モデルを考える上での模式図に過ぎない。時間変化のある場合のマックスウェルの方程式は、時間変化が正弦波に依拠する場合は解析的に解くことが可能である。しかし、図1(b)~図2(b)に示したように鋸波状の時間変化がある場合は、マックスウェルの方程式を解析的に解くことは極めて難しい。よって、交流理論で用いられる相互インダクタンスMは、本発明においては、tを時間とする関数M(t)で表現される時間依存性のあるパラメータであり、図4(b)の等価回路の表現には注意が必要である。
図5は、図4(a)に示す実装回路に第1の半導体スイッチング素子Q1の一例として用いているnMOSFETの大信号用等価回路を示す。図5(a)に示すように、一般的なnMOSFETはp型基板71にn+型のソース領域72とn+型のドレイン領域73をチャネル領域となるp型基板71の表面を挟んで対向させている。ソース領域72とドレイン領域73のチャネル領域の上には厚さTOXのゲート酸化膜81を介してゲート電極84が設けられている。ソース領域72の上にはソース電極82が、ドレイン領域73の上にはドレイン電極83がそれぞれオーミック接触している。
図5(a)に示すように、一般的なnMOSFETではゲート電極84とソース領域72の間にはゲート・ソース間容量CGSが、ゲート電極84とドレイン領域73の間にはゲート・ドレイン間容量CGDが、ゲート電極84と基板71の間にはゲート・基板間容量CGBが存在する。更に、ソース領域72と基板71の間にはソース・基板間容量CBSが、ドレイン領域73と基板71の間にはドレイン・基板間容量CBDが存在する。図5(b)に示す等価回路では、ドレイン電極とチャネル領域の間に直列接続されるドレイン抵抗RDと、ソース電極とチャネル領域の間に直列接続されるソース抵抗RSとが、チャネル領域に設けられた電流IDSの定電流源に直列接続された構成が示されている。
図4に示した第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、第1の半導体スイッチング素子Q1のオン抵抗となる図5に示したMOSFETのドレイン抵抗RDとソース抵抗RSが重要な意味を持ち、第1の半導体スイッチング素子Q1にはオン抵抗の小さな素子を選ぶ必要がある。したがって、図4(a)に示す実装回路において、直流電源5の等価内部抵抗r1に第1の半導体スイッチング素子Q1のオン抵抗を含ませて、一次側回路2の回路特性に内在する時定数を決定する必要がある。
図1(b)のt=t1で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にした場合、一次側回路2はRLC直列回路になる。交流理論によれば、送電側コイルL1の寄生抵抗をRstr(L1)とすると、RLC直列回路の減衰係数ζ1は、
ζ1=(Rstr(L1)/2)(C1/L1)1/2 ……(4)
と表される。しかし、送電側コイルL1のインダクタンスは、実際には図4(b)に示した相互インダクタンスM=M(t)を考慮する必要があるが、相互インダクタンスM=M(t)を解析的に説明するのは困難である。
このときの二次側回路3の負荷側の負荷側ダイオードD2と負荷素子6等を無視すれば、RLC直列回路と見なすことができる。負荷側ダイオードD2と負荷素子6等を無視して交流理論を採用すれば、受電側コイルL2の寄生抵抗をRstr(L2)として、二次側回路3の減衰係数ζ2は、
ζ2=(Rstr(L2)/2)(C2/L2)1/2 ……(5)
と表される。(5)式においても、受電側コイルL2のインダクタンスは、図4(b)に示した相互インダクタンスM=M(t)を考慮する必要がある。
図1(b)のt=t1で一次側駆動スイッチSW1をオフ状態で構成されるRLC直列回路の共振周波数は、交流理論によれば、
fo1=(1/2π)(C1・L1)-1/2 ……(6)
と近似できる。上述したとおり、(6)式において、実際には、受電側コイルL1のインダクタンスとして、図4(b)に示した相互インダクタンスM=M(t)を考慮する必要があることに留意が必要である。同様に、二次側回路3の負荷側の負荷側ダイオードD2と負荷素子6等を無視した場合のRLC直列回路の共振周波数は、交流理論によれば、
fo2=(1/2π)(C2・L2)-1/2 ……(7)
と近似できる。(7)式においても、受電側コイルL2のインダクタンスは、図4(b)に示した相互インダクタンスM=M(t)を考慮する必要がある。
第1の実施形態に係る電力伝送装置の送電側コイルL1と受電側コイルL2は、例えば図6(a)~図7(c)に示したような、渦巻き状平面コイルとすることができる。一次側回路2と二次側回路3は、交流理論が成立する定常状態では、図4(b)に示したように、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間が等価結合係数K、相互インダクタンスMで磁気的に結合された回路で近似することが可能である。ここで「等価結合係数K」は、交流理論から導かれる結合係数KACと等価な、過渡応答時に定義される非定常状態における擬結合係数であり、厳密には時間に依存するパラメータである。よって、一次側回路2の回路特性に内在する時定数と二次側回路3の回路特性に内在する時定数との一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送においても、交流理論の結合係数KACと同様な「磁気的結合度」で評価することができる。
図6(a)~図7(c)は、図4(a)の送電側コイルL1と受電側コイルL2の構造を具体化して示した模式図である。第1の実施形態に係る電力伝送装置では、例えば、導体断面積16mm2の配線用ケーブルをそれぞれ9巻して直径約30Cm程度の渦巻き状平面コイルとしている。この直径約30Cm程度の2つの渦巻き状平面コイルを、間隔dのギャップを設けて、非接触で互いに平行に対抗させて配置する。一次側回路2から二次側回路3への一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の効率は、交流理論で定義される結合係数KACと同様な磁気的結合度の値に依存する。磁気的結合度は、2つの渦巻き状平面コイルの間隔dによって異なり、2つの渦巻き状平面コイの間隔dを制御する必要がある。
磁気的結合度は、2つの渦巻き状平面コイルの位置関係を機械的に調整する、2つの渦巻き状平面コイルの間に磁性体を挿入する、若しくは2つの渦巻き状平面コイルの周辺に磁性体を配置する、2つの渦巻き状平面コイルの間に働く吸引力若しくは反発力を利用してあらかじめ形作られたカップリングにアタッチする等によって調整することができる。
第4の実施形態等で説明するが、交流理論の結合係数KAC=0.6にほぼ近似できる等価結合係数Kとなる送電側コイルL1と受電側コイルL2の相互関係のときが、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送には好適である。導体断面積16mm2の配線用ケーブルをそれぞれ9巻した渦巻き状平面コイルの場合、等価結合係数K=0.6を実現するためには、間隔dは、0Cm~2.0Cm程度が必要になる。一方、交流理論の結合係数KAC=0.1にほぼ近似できる等価結合係数Kとなる条件の送電側コイルL1と受電側コイルL2の相互関係を実現するためには、間隔dは10Cm程度である。図6(b)に送電側コイルL1と受電側コイルL2を誇張(拡大)して模式的に示すように、EVの車載用の充電式電池である負荷素子6を第1の実施形態に係る電力伝送装置を用いて充電するためには、後輪の車止め33を磁気的結合度制御機構として用いて送電側コイルL1と受電側コイルL2の間隔dを10Cm程度に制御し、効率のよい無接触給電をすることができる。
送電側コイルL1と受電側コイルL2の間隔dを制御する磁気的結合度制御機構として、図7(a)に示すように、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間に厚さd0のスペーサ32を挟めば、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間隔d=d0に制御できる。なお、一次側回路2から二次側回路3への一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の効率に重要な磁気的結合度の値に対応する送電側コイルL1と受電側コイルL2の相互関係は、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間隔d以外のパラメータによっても磁気的結合度制御機構を構成することが可能である。
例えば、図7(b)に示すように送電側コイルL1と受電側コイルL2の間に透磁率μrのフェライト等の磁性体板31Cを挿入して磁気的結合度制御機構を構成しもよい。磁性体板31Cの上下方向における挿入位置、若しくは磁性体板31Cの挿入面積によって、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の磁気的結合度の値は制御できる。磁性体板31Cは、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間ではなく、図7(c)に示すように、磁性体板31bを送電側コイルL1の裏側に挿入しても構わない。磁性体板31bの上下方向における挿入位置、若しくは送電側コイルL1の面積に対する磁性体板31bの挿入面積の比によって、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の磁気的結合度の値は制御できる。図示を省略しているが、磁性体板を受電側コイルL2の裏側に挿入しても同様に、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の磁気的結合度の値を制御できることは、勿論である。
具体的に図7(b)に示した磁性体板31Cの上下方向における挿入位置や図7(c)に示した磁性体板31bの上下方向における挿入位置を制御するには、図8(a)に示すような光学的な測距ユニット41を、送電側コイルL1が設けられている給電装置側に設けてもよい。測距ユニット41は発光部411と受光部412を備えた磁気的結合度制御機構を用意すればよい。受光部412が光飛行時間型(TOF型)の測距素子dであれば、発光部411から、パルス発光がなされる。パルス発光は、例えば、近赤外LD(レーザダイオード)や近赤外LEDが用いられる。受電側コイルL2やEVの後部から反射したパルス光が、レンズやBPF(バンドパスフィルタ)などを通して受光部412に照射される。測距ユニット41はレーザ干渉計等の構成でも構わない。
測距ユニット41の受光部412は、図8(a)に示した論理演算制御部42の距離演算部421が接続されている。受光部412の出力は、図示を省略した出力バッファやインターフェイスを介して、磁気的結合度制御機構を構成する距離演算部421に入力され、距離演算部421において、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の距離測定に必要な演算処理が実施される。論理演算制御部42には論理演算制御部42における磁気的結合度の値の計算等の論理演算に必要なデータや所望の等価結合係数(擬結合係数)を実現するために必要な磁性体板の上下方向における挿入位置のデータが格納されたデータ記憶装置45が接続されている。なお、図示を省略しているが、論理演算制御部42には論理演算制御部42の動作を命令するプログラムを記憶したプログラム記憶装置等が接続されていてもよい。
距離演算部421が計算した送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の距離のデータは、論理演算制御部42の結合係数計算部422に送信される。結合係数計算部422は、距離演算部421が計算した送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の距離のデータから、現在の送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の磁気的結合度の値を求める。結合係数計算部422は更に、データ記憶装置45に格納された、所望の等価結合係数を実現するために必要な磁性体板の上下方向における挿入位置のデータから、磁性体板の移動距離を算出し、結合係数調整駆動装置43に出力する。図8(a)に示した磁気的結合度制御機構の結合係数調整駆動装置43は結合係数計算部422から送られた磁性体板の移動距離のデータから、図7(b)に示した磁性体板31Cの上下方向における挿入位置や図7(c)に示した磁性体板31bの上下方向における挿入位置を所望の位置になるように駆動制御する。結合係数調整駆動装置43にはステップモータ等、周知の位置制御機構を採用可能である。このようにして、測距ユニット41の出力から、磁性体板31Cや磁性体板31bの上下方向における挿入位置を所望の位置になるようにフィードバック制御することができる。
図8(a)に示す論理演算制御部42を含む磁気的結合度制御機構のコンピュータシステムにおいて、データ記憶装置45は、複数のレジスタ、複数のキャッシュメモリ、主記憶装置、補助記憶装置を含む一群の内から適宜選択された任意の組み合わせとすることも可能である。又、キャッシュメモリは1次キャッシュメモリと2次キャッシュメモリの組み合わせとしてもよく、更に3次キャッシュメモリを備えるヒエラルキーを有しても構わない。図8(a)に示した論理演算制御部42は、マイクロチップとして実装されたマイクロプロセッサ(MPU)等を使用してコンピュータシステムを構成することが可能である。又、磁気的結合度制御機構のコンピュータシステムを構成する論理演算制御部42として、算術演算機能を強化し信号処理に特化したデジタルシグナルプロセッサ(DSP)や、メモリや周辺回路を搭載し組込み機器制御を目的としたマイクロコントローラ(マイコン)等を用いてもよい。或いは、現在の汎用コンピュータのメインCPUを論理演算制御部42に用いてもよい。
図9は、図4(a)に示した実装回路の動作をタイミング毎に分けて時系列で示す図である。図9(a)に示すように、一次側駆動スイッチSW1としての第1の半導体スイッチング素子Q1をオン状態にしたタイミングでは、先ず送電側コンデンサC1に電荷が蓄えられる。図9(a)に示すように、このときの第1の半導体スイッチング素子Q1の内部抵抗ron1である。図9(a)のタイミングにおいて、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が増大し始めると、送電側コンデンサC1に蓄積された電気エネルギーの一部は送電側コイル電流IL1として送電側コイルL1に移り、送電側コイルL1に蓄積される。送電側コイルL1の電気エネルギーは、僅かであるが、二次側回路3の受電側コイルL2に伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2に伝送された電気エネルギーは、受電側コイル電流IL2として二次側回路3の受電側コンデンサC2の充電に費やされる。しかし、図9(a)のタイミングでは受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は負の値である。
次に、図9(b)に示すタイミングで、一次側駆動スイッチSW1としての第1の半導体スイッチング素子Q1を遮断状態(オフ状態)にすると、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が減少し始め、送電側コンデンサC1に蓄積された電気エネルギーは送電側コイル電流IL1として送電側コイルL1に移り、送電側コイルL1に蓄積される。送電側コイルL1に蓄積された電気エネルギーは、一次側回路2と二次側回路3との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって二次側回路3の受電側コイルL2にワイヤレス伝送される。二次側回路3の受電側コイルL2に伝送された電気エネルギーは、受電側コイル電流IL2として二次側回路3の受電側コンデンサC2に蓄積される。図9(b)のタイミングでは受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2は正の値になる。受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2はピーク値に到達した後、減少を開始する。
端子間電圧VC2が減少すると、受電側コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーは、図9(b)に示すように、充電電流ICSとして負荷素子6に流れ、負荷素子6が充電される。しかしながら、端子間電圧VC2の減少に伴い、受電側コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーの一部は、図9(b)に示すように、受電側コイルL2に受電側コイル電流IL2として環流し、受電側コイルL2にも電気的エネルギーが蓄積される。受電側コイルL2に蓄積された電気エネルギーは、図9(c)に示すように、二次側回路3と一次側回路2との間の一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって一次側回路2の送電側コイルL1に環流される。
図9(c)に示すように、送電側コイルL1に環流された送電側コイル電流IL1によって、送電側コイルL1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コンデンサC1に環流し始め、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は環流電流により増大を開始する。したがって、図9(c)に示すように、送電側コイルL1に環流された送電側コイル電流IL1を測定する電流計461、及び端子間電圧VC1を測定する電圧計462を、一次側回路2に設けておけば、二次側回路3から環流した電気エネルギーの大きさが測定できる。即ち、一次側回路2に設けた電流計461と電圧計462によって、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって、一次側回路2から二次側回路3に伝送されるワイヤレス伝送の効率が測定できる。
このため、図7(b)に示した磁性体板31Cの上下方向における挿入位置や図7(c)に示した磁性体板31bの上下方向における挿入位置を制御する磁気的結合度制御機構を構成するには、図8(b)に示すような伝送効率測定ユニット46を、送電側コイルL1が設けられている給電装置側に設けてもよい。伝送効率測定ユニット46は、図9(c)に示したように、一次側回路2に設けた電流計461と電圧計462である。
図9(c)に示した電流計461と電圧計462は、図8(b)に示した磁気的結合度制御機構を構成する論理演算制御部47の伝送効率演算部471が接続されている。電流計461と電圧計462の出力は、図示を省略した出力バッファやインターフェイスを介して伝送効率演算部471に入力され、伝送効率演算部471において、送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の伝送効率測定に必要な演算処理が実施される。論理演算制御部47には論理演算制御部47における伝送効率の演算等の論理演算に必要なデータや所望の伝送効率を実現するために必要な磁性体板の上下方向における挿入位置のデータが格納されたデータ記憶装置45が接続されている。なお、図示を省略しているが、論理演算制御部47には論理演算制御部47の動作を命令するプログラムを記憶したプログラム記憶装置等が接続されていてもよい。
伝送効率演算部471が計算した送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の伝送効率のデータは、磁気的結合度制御機構を構成する論理演算制御部47の結合係数計算部472に送信される。結合係数計算部472は、伝送効率演算部471が計算した送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の伝送効率のデータから、現在の送電側コイルL1と受電側コイルL2の間の磁気的結合度の値を求める。結合係数計算部472は更に、データ記憶装置45に格納された、所望の伝送効率を実現するために必要な磁性体板の上下方向における挿入位置のデータから、磁性体板の移動距離を算出し、結合係数調整駆動装置43に出力する。結合係数調整駆動装置43は結合係数計算部472から送られた磁性体板の移動による伝送効率の変化のデータから、図7(b)に示した磁性体板31Cの上下方向における挿入位置や図7(c)に示した磁性体板31bの上下方向における挿入位置を所望の位置になるように駆動制御する。結合係数調整駆動装置43にはステップモータ等、周知の位置制御機構を採用可能である。このようにして、図8(b)に示した磁気的結合度制御機構は伝送効率測定ユニット46の出力から、磁性体板31Cや磁性体板31bの上下方向における挿入位置を所望の位置になるようにフィードバック制御することができる。
図8(a)で説明したのと同様に、図8(b)に示す磁気的結合度制御機構の一部をなすデータ記憶装置45は、複数のレジスタ、複数のキャッシュメモリ、主記憶装置、補助記憶装置を含む一群の内から適宜選択された任意の組み合わせとすることも可能である。図8(b)に示した論理演算制御部47は、マイクロチップとして実装されたMPU等を使用してコンピュータシステムを構成することが可能である。又、コンピュータシステムを構成する論理演算制御部47として、算術演算機能を強化し信号処理に特化したDSPや、メモリや周辺回路を搭載し組込み機器制御を目的としたマイコン等を用いてもよい。或いは、現在の汎用コンピュータのメインCPUを論理演算制御部47に用いてもよい。
従来知られている「共振」とは、一次側回路2の正弦波の振動が、自由振動している二次側回路3に伝達され、二次側回路3が一次側回路2と同じ周波数で振動する概念である。本発明の第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、一次側回路2の自由振動を制限し、一次側回路2における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる一次側駆動スイッチSW1を備えているので、非正弦波である鋸波状の過渡応答特性を、本発明者らが初めて提案した「特性調和伝送」という概念によって、二次側回路3に伝達することが可能である。非正弦波である鋸波状の過渡応答特性を用いることにより、従来のように一次側回路2の側に正弦波の振動を生成する複雑で高価な交流電源回路が不要となる。
既に述べたとおり、第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、一次側回路2に内在する時定数と二次側回路3に内在する時定数とを調和させて一次側回路2の電気エネルギーを二次側回路3に伝送する。この一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送は、例えば、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量を、コンデンサの寄生抵抗を含めて等しくし、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスをコイルの寄生抵抗を含めて等しくすればよい。よって、例えば一次側駆動スイッチSW1のオン/オフの繰り返し周期を500~600μsとするのであれば、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量を、例えば400μF~600μFの範囲で互いに同一とし、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスを、例えば5μH~20μHの範囲で互いに同一とすればよい。
図1(b)及び図2に示したような鋸波状の過渡応答波形には複数の瘤が1周期に含まれている。第1の実施形態に係る電力伝送装置の過渡応答波形を解析的に解くのは極めて難しい。そこで、近似的ではあるが、図28に示した回路について、交流理論によりシミュレーションをしてみる。図28において、一次側回路2と二次側回路3のコンデンサの容量とコイルのインダクタンスは同じ値にする。即ちC1=C2=500μF、L1=L2=10μHとして近似的なシミュレーションする。このとき(6)式で与えられるRLC直列回路の共振周波数fo1=2.25kHz,(7)式で与えられるRLC直列回路の共振周波数fo2=2.25kHzである。対応する繰り返し周期は444μsとなる。
一次側駆動スイッチSW1をオンにして、ステップ入力があった場合、電流は、最初に送電側コンデンサC1に流れる。送電側コイルL1は、もともと急激な電流の流入を妨げる性質がある。徐々に送電側コンデンサC1の電圧が上昇し、徐々に送電側コイルL1にも電流が流れ始める。そのうちに、送電側コンデンサC1に溜まった電荷も送電側コイルL1側に流れ出すようになる。こうなると、送電側コンデンサC1の電圧は降下する。一次側駆動スイッチSW1をオフするまでの時間は、静電的エネルギー(1/2)CV2と磁気的エネルギー(1/2)LI2の和が最大になるように設定するのが理想であるが、送電側コイルL1に電流Iが流れた状態で、一次側駆動スイッチSW1がオフするので、送電側コイルL1に逆起電力が発生する。
送電側コイルL1に発生する逆起電力の電圧が、図4に示した一次側駆動スイッチSW1に用いる第1の半導体スイッチング素子Q1の耐圧を越えないように注意が必要である。一次側駆動スイッチSW1のオン/オフの繰り返し周期は、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1が、再び上昇してピークとなるまでの時間を考慮して、ピークに達するタイミングより少し早めにする。
図29に近似的なシミュレーション結果としての送電側コンデンサC1の電圧の変化を示す。図29には図1(b)及び図2に示したように、送電側コンデンサC1の電圧の変化に鋸波状の過渡応答波形が得られる。図30を用いて、鋸波の瘤は、受電側コイルL2に誘導される電流による磁束によって一次側回路2の電流が減少させられる為に生じることを説明する。第4の実施形態で後述するような一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4の4つのスイッチを用いるモードの場合と同様に、二次側回路3の電圧が最大となる時に、一次側回路2の電圧がゼロになる現象に対応し、図34に示すW型の過渡応答波形の真ん中の山が鋸波の瘤になる。
図34に示すW型の過渡応答波形については図35を用いて後述する。図28の回路から寄生容量や寄生抵抗等を省略し簡略化した回路図である図31に示した回路を用い、近似的なシミュレーションをしてみると、図32に示したようなWの形状の右側の谷の電圧が持ち上がった過渡応答波形が得られる。図32の破線の円A1及びA2でそれぞれ囲んで示したW型の過渡応答波形の真ん中の山が、寄生容量や寄生抵抗等の影響で、図1(b)及び図2に示したような鋸波に瘤として現れていることが分かる。
第1の実施形態における一次側駆動スイッチSW1のみのモードの場合、図30(a)~(d)に示すように、一次側駆動スイッチSW1のオン/オフの繰り返し周期を長くすると、過渡応答波形の瘤が小さくなり、次第に図1(b)及び図2に示したような鋸波の応答波形に近づいていく。図29は、図30(c)に示した繰り返し周期575μsの場合の過渡応答波形を拡大して示す図であるが、図1(b)及び図2に示した過渡応答波形に対応している。
一次側駆動スイッチSW1のオン/オフの繰り返し周期565μsの場合は、図30(a)の破線の円Aaで囲んで示すようなW型の過渡応答波形である。(6)式及び(7)式が規定するRLC直列回路の共振周波数から求められる繰り返し周期は444μsであるので、図30(a)の繰り返し周期は、SW1をONしている時間100μsを考慮しても交流理論で求められる繰り返し周期よりも長い。即ち第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、交流理論で求められるRLC直列回路の共振周波数とは異なる繰り返し周期で振動していることが分かる。
第1の実施形態に係る電力伝送装置において、二次側回路3に一次側回路2から電気エネルギーを特性調和伝送によって伝送することにより振幅が小さくなる。繰り返し周期を、少し長くして図30(b)の繰り返し周期570μsの場合は、破線の円Abで囲んで示したように、過渡応答波形を示すWの形状のうち右側の谷の電圧が持ち上がる。更に、図1(b)及び図2に示したのと同様に、鋸波の上側にも膨らみが生じはじめる。
特性調和伝送によって一次側回路2から二次側回路3に電気エネルギーを更に伝送することにより、更に振幅が小さくなる。繰り返し周期を更に長くして図30(c)の繰り返し周期575μsとした場合は、破線の円Acで囲んで示したようにWの形状のうち、右側の谷の電圧が更に持ち上がり瘤状の肩部となり、過渡応答波形からWの形状が消える。そして、図1(b)及び図2に示したのと同様に、鋸波の上側にも瘤が現れてくる。
特性調和伝送によって、二次側回路3に電気エネルギーを更に伝送することにより更に振幅が小さくなり、繰り返し周期を更に長くして図30(d)の繰り返し周期580μsとした場合は、破線の円Adで囲んで示したように、過渡応答波形を示す瘤状の肩部が更に持ち上がる。そして、図1(b)及び図2に示したのと同様に、鋸波の上側の瘤も顕著になって、2段の瘤が示されるようになる。このように、過渡応答波形を示すWの形状のうち、振幅がだんだん小さくなり、繰り返し周期を長くすると右側の谷の電圧がだんだん下がらなくなり、Wの形状の右側の谷が持ち上がり、2段の瘤を有する鋸波状の過渡応答波形になっていく。
一次側駆動スイッチSW1のオン/オフの繰り返し周期を長くするとWの形状の右側の谷の電圧が持ち上がるのは、二次側回路3で受け取った電気エネルギーが充電対象である負荷素子6に移動したためと考えられる。一次側駆動スイッチSW1を入れた際の電流の最大値と、負荷素子6に流れる電流の最大値は、第1の実施形態に係る電力伝送装置の実回路を構成している電線の寄生インダクタンスに依存する。実回路で測定された波形の解析から寄生インダクタンスは、1mH~3μH程度あるものと推定される。即ち、図1(b)及び図2に示した複数の瘤を有する鋸波状の過渡応答波形は、寄生抵抗、寄生容量、寄生インダクタンスに依拠した回路に固有の時定数によって、発生していることがわかる。
次に、従来の交流理論である(6)式が与えるRLC直列回路の共振周波数fo1を用い、ω0=2πfo1、ω1=ω0 /(1-k)1/2とし、図35に示すように、エネルギー転送関数f1として、転送タイミングである2π/ω1秒後にステップ状に減衰するシグモイド関数:
f1=V3/[1+exp{106(t-2π/ω1)}]+V2 ……(8)
を考える。ここで、ω1=ω0 /(1-k)1/2を定義するkは、式(1)の定義に用いた交流理論の結合係数KACである(k=KAC)。
更に、任意の減衰関数f2として、適当な減衰定数τで減数をする関数:
f2=exp(-τt) ……(9)
を考える。例えば、第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、減衰関数f2は、一次側コンデンサC1の両端の電圧VC1の最大値の寄生抵抗とコンデンサによる時定数τによる減衰する関数に対応する。
図35に記載したV1,V2,V3は、すべて一次側のコンデンサC1の両端の電圧VC1に対応させることができる。V1は、最初に、一次側のコンデンサC1にチャージされた電圧、V2が、二次側回路3に電気エネルギーに転送されたのちの一次側のコンデンサC1に残った電圧に対応出来る。図35に記載したV3は、それらの差分に対応する。エネルギー転送関数f1は一次側のコンデンサC1の両端の電圧VC1がV1からV2に下がることを意図して作った関数である。
上述のω0=2πfo1を用いω2=ω0 /(1+k)1/2とし相互誘導関数φ(k)を、
φ(k)=cos(ω1t)+cos(ω2t) ……(10)
と定義すれば、関数(V1/2)φ(k)は図35の転送タイミング2π/ω1 秒後の細い破線の曲線で示すような変化を示す。ただし、第1の実施形態に係る電力伝送装置の結合係数Kは時間に依存するパラメータであり、交流理論の結合係数KACとは、厳密には異なることに留意が必要である。図35の細い破線は、負荷回路6に電流を供給する前の波形であり、一次側コンデンサC1の両端の電圧VC1の波形に対応する。転送タイミング2π/ω1秒後の細い破線は一次側コンデンサC1のエネルギーが、二次側に転送されない時の波形と考えることができる。
関数(V2/2)φ(k)は、図35の転送タイミング2π/ω1 秒に至るまでの細い破線の曲線であり、負荷回路6に電流を供給した後のコンデンサC1の両端の電圧VC1の波形である。一次側コンデンサC1のエネルギーが、二次側に転送される分だけ、初めから二次側に移動していたと考えた時の波形に相当する。実線で示した関数f1・f2・φ(k)がコンデンサC1の両端の電圧VC1になり、W型を示すことが分かる。
以上のとおり、第1の実施形態に係る電力伝送装置においては、特性調和伝送によって二次側回路3に電気エネルギーを伝送することにより振幅が小さくなる。即ち、図32に示すように、W型の過渡応答波形の右側の谷が小さくなり、次第に上に持ち上がり、くぼまなくなる。これによって、鋸波的になる全体的にRCの時定数で、寄生抵抗による電気エネルギーの散逸により減衰する。図28に示した回路についての交流理論による近似的なシミュレーションでは、あくまでも近似に過ぎず、交流理論の限界があるが、大凡2段の瘤を有する鋸波状の過渡応答波形が理解できるはずである。現実には、図1(b)及び図2に示した実験データのみが第1の実施形態に係る電力伝送装置の効果を説明できる。
即ち、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2に同一のコンデンサを採用し、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスに同一のコイルを採用すれば、コイル及びコンデンサに寄生抵抗を含めて、一次側回路2に内在する時定数と二次側回路3に内在する時定数とが調和させることができる。
以上述べたとおり、本発明の第1の実施形態に係る電力伝送装置は、特性調和伝送という新規な概念を用いた交流理論に依拠しない技術であるので、安価な直流電源5を使用することができる。このため、第1の実施形態に係る電力伝送装置では高価なスイッチング電源が不要であり、回路構成が単純化され、制御回路側における電力損失も最小化される。特に一次側駆動スイッチSW1として電力用半導体スイッチング素子を採用する場合には、電力用半導体スイッチング素子をオン/オフ制御する単純な制御だけでよいので、制御回路側の電力損失も削減され、電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率を高めることができる。特に回路構成が単純化されるので壊れにくく、回路設計が容易になる。又、電力伝送の限界電力を従来の交流理論における限界電力を凌駕する値にまで押し上げることができる。電力伝送の限界電力は原理的には無限大に押し上げることが出来るものであるが、電力伝送の限界距離も原理的には無限大に伸ばすことができる。
この結果、第1の実施形態に係る電力伝送装置によれば、電力伝送装置の全体の構成を簡略化して制御回路側の電力損失を最小限に抑制し、軽量・小型化及び高効率化が可能となり、省電力化による総合的な電力伝送効率を高めたワイヤレス電力伝送装置を安価に製造することができる。又、従来の交流理論で求められる繰り返し周期よりも長い繰り返し周期で特性調和伝送が実現できるので、従来の交流理論における重共振の場合よりも低い周波数でよい。低周波数の回路設計でよいので、一次側回路2側の電圧を高めることも容易になり、ジュール熱発生によるエネルギー損失も少なくできるので第1の実施形態に係る電力伝送装置は総合的な電力伝送効率が高い電力伝送装置を安価に製造することができる。寄生抵抗を下げることにより、原理的には電力伝送効率が99%を超え、100%に近い値まで高められた電力伝送装置を製造することができる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る電力伝送装置は図10(a)に示すように、図1に示した第1の実施形態に係る電力伝送装置の回路構成に、送電側スイッチSW2を追加した構成となっている。「送電側スイッチSW2」も一次側駆動スイッチSW1と同様に、一次側回路2の自由振動を制限し、一次側回路2における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる回路素子である。
図10(a)に示した一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2として、第1の実施形態に係る電力伝送装置と同様なFET、SIT、BJTの他、GTOサイリスタ、SIサイリスタ等のサイリスタを含む電力用半導体スイッチング素子が用いられる。特に、MISFET、MISSIT、IGBT、MOS制御SIサイリスタ等の電圧駆動型のスイッチング素子を用いれば消費電力が小さくなるので、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2に好適である。市場での入手可能性と電力用半導体スイッチング素子の内部抵抗の評価からは、現状においては、MOSFETを図10(b)に示す回路の一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2として採用することが可能である。
既に第1の実施形態に係る電力伝送装置で説明したとおり、EV用の充電式電池を負荷素子6とするような大電力用電力伝送装置においてはジュール熱の発生が大きい。第2の実施形態に係る電力伝送装置では一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2として用いるとして用いる電力用半導体スイッチング素子は2個のみで良いので、発熱による素子の破壊を防ぐ冷却構造が簡単に設計でき、しかも浮遊抵抗、浮遊容量、浮遊インダクタンスの発生も最小化できる。又、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2をオン/オフ制御する単純な制御だけでよいので、一次側回路2の電圧を高めて、ジュール熱の発生を押さえる設計も簡単にできる。
図10(b)に示す実装回路においては、送電側コイルL1からの環流電流を考慮し第1の還流ダイオードFWD1が第1の半導体スイッチング素子Q1としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第2の還流ダイオードFWD2が第2の半導体スイッチング素子Q2としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、それぞれ保護素子として並列接続されている。図4(a)に示した回路と同様に、送電側コイルL1からの環流電流が直流電源5に環流するのを防ぐため、電源側ダイオードD1が直流電源5と第1の半導体スイッチング素子Q1の間に直列接続されている。図10(b)に示す実装回路でも負荷素子6の等価インピーダンスXLeqを充電容量Csで近似して表現している。
第1の実施形態に係るワイヤレス電力伝送方法を、図11のタイミング図及び図12(a)から図12(d)に示す時系列概略図を参照して説明する。ただし、第1の実施形態と同様、交流理論から導かれる結合係数KAC=0.6に等価な結合係数Kの場合を前提としており、充電電圧VCSの初期状態における値は満充電に近い十分高い電圧であるとする。先ず、図12(a)に示すタイミングにおいて、送電側スイッチSW2をオフ状態、一次側駆動スイッチSW1をオン状態にして、送電側コンデンサC1に初期電圧を印加して電荷を蓄える。図12(a)では一次側駆動スイッチSW1に第1の半導体スイッチング素子Q1を用いているので、第1の半導体スイッチング素子Q1のオン抵抗ron1で一次側駆動スイッチSW1のオン状態を示している。送電側スイッチSW2をオフ状態では一次側回路2は未だ形成されず、図12(a)に示すように、一次側駆動スイッチSW1のオン状態によって、直流電源5、等価内部抵抗r1、第1の半導体スイッチング素子Q1と第1の還流ダイオード(環流ダイオード)FWD1の並列回路及び送電側コンデンサC1からなる直列」回路によって給電側回路1が構成されている。
図11に細い破線で示したように、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は、リンギングをしながら一定電圧に充電される。図11には示していないが、このタイミングでは受電側コンデンサCの端子間電圧VC2は負の値であるとして図12(a)では示している。次に、図12(b)に示すタイミングにおいて、一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にして、一定時間をおいて、送電側スイッチSW2をオン状態にすると、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイル電流IL1を介して、送電側コイルL1に蓄積され、更に、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。図12(b)のタイミングでは送電側スイッチSW2に第2の半導体スイッチング素子Q2を用いているので、第2の半導体スイッチング素子Q2のオン抵抗ron2で送電側スイッチSW2のオン状態を示している。送電側スイッチSW2をオン状態にすることにより一次側回路2が形成され、直流電源5、等価内部抵抗r1、第1の半導体スイッチング素子Q1と第1の還流ダイオード(環流ダイオード)FWD1の並列回路及び送電側コンデンサC1からなる給電側回路1が消滅する。
送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーが送電側コイルL1に移動すると、図11に細い破線で示した端子間電圧VC1は、負の極大値をとったのち、0Vになる。一次側回路2から二次側回路3への特性調和伝送によって、受電側コイルL2に伝送された電気エネルギーは、受電側コイル電流IL2によって受電側コンデンサC2を充電する。受電側コンデンサC2の充電が開始されると、受電側コンデンサCの端子間電圧VC2は、図11の太い破線で示すように、負の極大値をとったのち、図12(c)に示すように正の値になる。端子間電圧VC1が0Vになった時点で最大値をとる。図11の太い破線の変化から分かるように、端子間電圧VC2は、負の極大値をとったのち、正の値になり、細い破線で示した端子間電圧VC1が0Vになった時点で最大値をとる。
図12(c)に示すタイミングにおいて、端子間電圧VC2の増加に伴って、受電側コンデンサCに蓄積された電気エネルギーの一部によって、図11に一点鎖線で示した充電電流ICSが発生し、負荷素子6としての充電式電池に電荷が蓄えられる。受電側コンデンサCに蓄積された電気エネルギーの他の一部は、受電側コイルL2に受電側コイル電流IL2として還流する。図12(d)に示すタイミングにおいて、充電電流ICが0になった時点で、端子間電圧VC2は、充電電圧VCSと同じ値となる。
受電側コンデンサCに蓄積された電気エネルギーが受電側コイルL2に還流すると、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じ、一次側回路2に電気エネルギーの一部が戻る。受電側コンデンサCに蓄積された電気エネルギーが負荷素子6及び受電側コイルL2に移動すると、受電側コンデンサC2は放電される。受電側コンデンサC2が放電すると、図11の右側に太い破線で示した端子間電圧VC2は、負の極大値をとったのち、0Vになる。このとき、図11の右側に細い破線で示した端子間電圧VC1は、負の極大値をとったのち、正の値となり増大し、送電側スイッチSW2がオフ状態になった時点で一定値に維持される。図9(d)説明したのと同様に、端子間電圧VC1を測定することにより、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の伝送効率や負荷素子6としての充電式電池の充電の状況をモニターすることができることが分かる。図11から分かるように一次側回路2の端子間電圧VC1の振動波形と二次側回路3の端子間電圧VC2の振動波形とは互いに対称性のある振動波形ではない。
既に述べたように、「共振」とは、自由振動している系に適用される概念である。これに対し、本発明の第2の実施形態に係る電力伝送装置においては、一次側回路2の自由振動を制限し、一次側回路2における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる送電側スイッチSW2及び一次側駆動スイッチSW1を備えている。このため、第2の実施形態に係る電力伝送装置においては、非正弦波の過渡応答特性を、新たな概念である「特性調和伝送」によって、二次側回路3に伝達することが可能である。制御回路の構成が単純で安価な直流電源5に依拠した非正弦波の過渡応答特性を用いることができるので、従来のように一次側回路2に対し商用周波数よりも高い正弦波振動を生成させる高価な交流電源回路が不要となり、壊れにくく回路設計が容易になる。
図33に示した回路は、図28に示した回路の場合と同様に、交流理論により近似的なシミュレーションをする場合の第2の実施形態に係る電力伝送装置の回路であるが、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2の2つのスイッチを備えている。図33(a)~(c)において、一次側回路2と二次側回路3のコンデンサの容量とコイルのインダクタンスは同じに設定している。即ちC1=C2=500μF、L1=L2=10μHとする。
図33(a)は、直流電源5の電圧E0=36Vで、一次側回路2の電気エネルギーを特性調和伝送で二次側回路3に伝送し、負荷回路36として採用している充電式電池の充電電圧Vcs=24Vとする場合の第2の実施形態に係る電力伝送装置の回路である。図33(b)は、図33(a)と同じ直流電源5の電圧E0=36Vを用い、一次側回路2の電気エネルギーを特性調和伝送で二次側回路3に伝送するが、負荷回路36として採用している充電式電池の充電電圧Vcs=100Vとし、負荷回路36に電流が流れないように設定する場合の回路である。図33(b)は、図33(b)と同じように負荷回路36として採用している充電式電池の充電電圧Vcs=100Vとし、負荷回路36に電流が流れないように設定する場合であるが、二次側回路3に伝送される分を予め差し引き、直流電源5の電圧E0=26Vとした場合である。
図34に近似的なシミュレーション結果としての送電側コンデンサC1の電圧の変化を示す。図32に示したのと同様に、第2の実施形態に係る電力伝送装置の交流理論による近似的シミュレーションでは、送電側コンデンサC1の電圧の変化は図3に示したのと同様なW型の過渡応答波形を示す。図34の実線は、図33(a)に示した回路に対する近似的シミュレーションの結果、図34の破線は図33(b)に示した回路に対する近似的シミュレーションの結果、図34の一点鎖線は図33(c)に示した回路に対する近似的シミュレーションの結果である。
最初は、図34の破線で示したように負荷回路36に電流を流そうとするが、充電式電池の充電電圧Vcs=100Vと高くしているので負荷回路36に電流が流れず、一点鎖線で示した曲線のような変化になる。負荷回路36に電流を流そうとするタイミングは、図34のW型の過渡応答波形の中央の山の位置あたりと推定される。
以上のように、第2の実施形態に係る電力伝送装置によれば、第1の実施形態に係る電力伝送装置と同様に、制御回路や周辺回路が単純で安価な直流電源5を使用することができるので高価なスイッチング電源が不要である。第2の実施形態に係る電力伝送装置の回路構成は単純化され、制御回路側における電力損失も最小化され壊れにくくなる上に、回路設計も容易になる。この結果、電力伝送装置の全体の構成が簡略化され軽量・小型化及び高効率化が可能になり、電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率を高めたワイヤレス電力伝送装置を安価に製造することができる。第1の実施形態に係る電力伝送装置で述べたのと同様に、電力伝送の限界電力を従来の交流理論における限界電力を凌駕する値にまで押し上げ、原理的には無限大に押し上げ、電力伝送の限界距離も原理的には無限大に伸ばすことができる。更に電力伝送効率を原理的には100%に近い値まで高めることが可能である。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る電力伝送装置は、図13(a)に示すように、第2の実施形態に係る電力伝送装置に受電側スイッチSW3を追加した構成となっている。「受電側スイッチSW3」も、送電側スイッチSW2や一次側駆動スイッチSW1と同様に、二次側回路3の自由振動を制限し、二次側回路3における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる回路素子である。
図13(a)に示した一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3として、第1及び第2の実施形態に係る電力伝送装置と同様なFET、SIT、BJTの他、GTOサイリスタ、SIサイリスタ等のサイリスタを含む電力用半導体スイッチング素子が用いられる。低い内部抵抗の要求と市場での入手可能性から、MOSFETを、図13(b)に示す実装回路の一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3としてそれぞれ採用することが、工業的には優位と考えられる。
第1及び第2の実施形態に係る電力伝送装置で説明したとおり、大電力用電力伝送装置においてはジュール熱の発生が大きい。第3の実施形態に係る電力伝送装置では一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3として用いるとして用いる電力用半導体スイッチング素子は3個のみで良いので、発熱による素子の破壊を防ぐ冷却構造が簡単に設計でき、しかも浮遊抵抗、浮遊容量、浮遊インダクタンスの発生も最小化できる。又、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2をオン/オフ制御する単純な制御だけでよいので、一次側回路2の電圧を高めて、ジュール熱の発生を押さえる設計も簡単にできる。
図13(b)に示す実装回路においては、第1の還流ダイオードFWD1が第1の半導体スイッチング素子Q1としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第2の還流ダイオードFWD2が第2の半導体スイッチング素子Q2としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第3の還流ダイオードFWD3が第3の半導体スイッチング素子Q3としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、それぞれ保護素子として並列接続されている。図13(b)に示すように、第3の還流ダイオードFWD3は、受電側コイルL2にからの環流電流を流す方向に設けられるので、第2の還流ダイオードFWD2がとは反対向きに設けられている。図4(a)及び図10(b)に示した回路と同様に、送電側コイルL1からの環流電流が直流電源5に環流するのを防ぐため、電源側ダイオードD1が直流電源5と第1の半導体スイッチング素子Q1の間に直列接続されている。図13(b)に示す実装回路でも負荷素子6の等価インピーダンスXLeqを充電容量Csで近似して表現している。
第1の実施形態に係るワイヤレス電力伝送方法を、図14に示すフローチャート及び図15に示すタイミング図を参照して説明する。ただし、第1及び第2の実施形態と同様、交流理論による結合係数KAC=0.6に相当する条件での特性調和伝送を仮定しており、充電電圧VCSの初期状態における値は満充電に近い十分高い電圧であるとする。
先ず、図14のフローチャートのステップS31において、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にし、一次側駆動スイッチSW1のみをオン状態にする。図15に細い破線で示したように、送電側コンデンサC1の端子間電圧VC1は、リンギングをしながら一定電圧に充電される。図15には示していないが、このタイミングでは受電側コンデンサCの端子間電圧VC2は負の値である。送電側コンデンサC1に初期電圧を印加して電荷を蓄えたのち、図15に示すように一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にする。前述したように、この時点での充電電圧VCSは高いものと仮定している。
図15に示すように、一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にした後、一定時間をおいて、ステップS32において、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3を同時にオン状態にする。送電側スイッチSW2がオン状態になると、送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーは送電側コイル電流を介して、送電側コイルL1に蓄積され、更に、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。送電側コンデンサC1に蓄えられた電気エネルギーが送電側コイルL1に移動すると、図15に細い破線で示した端子間電圧VC1は、負の極大値をとったのち、0Vになる。一次側回路2から二次側回路3への特性調和伝送によって、受電側コイルL2に伝送された電気エネルギーは、受電側スイッチSW3がオン状態なので、受電側コイル電流によって受電側コンデンサC2を充電する。受電側コンデンサC2の充電が開始されると、受電側コンデンサCの端子間電圧VC2は、図15の太い破線で示すように、負の極大値から増大し始め、図15の中央の左よりの位置に示したように、正の値になる。端子間電圧VC2が負の値をとっている間は充電電流ICSは流れないが、端子間電圧VC2が正の値になると、図15の中央に一点鎖線で示したように充電電流ICSが立ち上がり始める。
充電電流ICSが立ち上がり始めたタイミングで、ステップS33において送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にする。送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3のオフ状態は、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって、図15の太い破線で示した端子間電圧VC2が最大になり、且つ細い破線で示した端子間電圧VC1が0Vになる時点である。図15の中央に一点鎖線で示した充電電流ICSは、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3がオフ状態になった後も増大しピーク値な到達した後、減少し、ステップS34においてゼロになる。
図15の中央の右よりの位置に示したように、太い破線で示した端子間電圧VC2の最大値は、充電電流ICが減少を開始すると、若干低い値の一定値になり段差(肩)状の波形になる。充電電流ICがゼロになった後も、図15に太い破線で示した端子間電圧VC2の値は、送電側スイッチSW2のオフ時の最大値よりも低い値を維持している。送電側スイッチSW2のオフ後、一定時間を経過すると、端子間電圧VC2の最大値は減少するが、ステップS31の時点で充電電圧VCSが高い場合、充電電流ICによる端子間電圧VC2の最大値の減少量は小さく、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送に与える影響は少ない。
充電電流ICが0AとなったのちにステップS35において、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3を同時に、再度オン状態にすると、再度一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。ステップS35における送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3のオン状態により、図15の右側に太い破線で示した端子間電圧VC2は減少を開始し、負の極大値をとったのち、0Vになる。このとき、図15の右側に細い破線で示した端子間電圧VC1も減少を開始し、負の極大値をとったのち、正の値となり増大する。
次に、ステップS36において、端子間電圧VC1が最大になり、端子間電圧VC2が0Vになる時点で送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にする。図15に示すようにステップS36時点での細い破線で示した端子間電圧VC1はステップS34時点での太い破線で示した端子間電圧VC2と同じ値であり、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3がオフ状態になった時点以降一定値に維持される。る。なお、図示を省略しているが、ステップS36時点で端子間電圧VC1と負荷素子6の端子間電圧は同じ値である。このため、図9(d)で説明したのと同様に、端子間電圧VC1を測定することにより、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の伝送効率や負荷素子6としての充電式電池の充電の状況をモニターすることができることが分かる。図11に示した第2の実施形態に係る電力伝送装置のタイミング図と図15に示した第3の実施形態に係る電力伝送装置のタイミング図を比較すると、受電側スイッチSW3が1個増えても、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送における端子間電圧VC1や端子間電圧VC2等の時間的変化(過渡応答)を示す波形は、殆ど同じであることが分かる。
「共振」は自由振動をしている交流回路で用いられる概念であるが、第3の実施形態に係る電力伝送装置においては、一次側回路2と二次側回路3の自由振動を制限し、一次側回路2と二次側回路3における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3を備えている。このため、第3の実施形態に係る電力伝送装置においては、一次側回路2の過渡応答特性を、新たな概念である「特性調和伝送」によって、二次側回路3に伝達することが可能である。制御回路の構成が単純で安価な直流電源5に依拠した非正弦波の過渡応答特性を用いて電気エネルギーの伝達をすることができるので、一次側回路2に対し、商用周波数よりも高い正弦波振動を生成させる高価な交流電源回路が不要となる。
よって、本発明の第3の実施形態に係る電力伝送装置によれば、第1及び第2の実施形態に係る電力伝送装置と同様に、制御回路や周辺回路が単純で安価な直流電源5を使用することができるので高価なスイッチング電源が不要であり、回路構成が単純化され、制御回路側における電力損失も最小化される。この結果、第3の実施形態に係る電力伝送装置によれば、電力伝送装置の全体の構成が簡略化され軽量・小型化及び高効率化が可能になり、電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率を高めたワイヤレス電力伝送装置を安価に製造することができる。第1及び第2の実施形態に係る電力伝送装置で述べたのと同様に第3の実施形態に係る電力伝送装置によれば、回路構成が単純化されるので壊れにくく回路設計が容易になる。又、電力伝送の限界電力を原理的には無限大に押し上げ、電力伝送の限界距離を原理的には無限大に伸ばし、電力伝送効率を原理的には100%に近い値まで高めることが可能である。
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係る電力伝送装置は、図16(a)に示すように、第3の実施形態に係る電力伝送装置に、負荷制御スイッチSW4を追加した構成となっている。「負荷制御スイッチSW4」は、受電側スイッチSW3と同様に、二次側回路3の自由振動を制限し、二次側回路3における過渡的な電流-電圧の変化を実現させる回路素子である。
図16(a)に示した一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4として、第1~第3の実施形態に係る電力伝送装置と同様に、FET、SIT、BJTの他、GTOサイリスタ、SIサイリスタ等のサイリスタを含む電力用半導体スイッチング素子を用いることが可能である。低い内部抵抗の要求を考慮すると、現状での市場での入手可能性により、MOSFETが図16(b)に示した実装回路の一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4としてそれぞれ採用することが好ましい。
第4の実施形態に係る電力伝送装置では一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4として用いるとして用いる電力用半導体スイッチング素子は4個のみで良いので、ジュール熱の発生を防ぐ冷却構造が簡単に設計でき、しかも浮遊抵抗、浮遊容量、浮遊インダクタンスの発生も最小化できる。又、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2をオン/オフ制御する単純な制御だけでよいので、一次側回路2の電圧を高めてジュール熱の発生を押さえる設計も簡単にできる。
図16(b)に示す実装回路においては、第1の還流ダイオードFWD1が第1の半導体スイッチング素子Q1としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第2の還流ダイオードFWD2が第2の半導体スイッチング素子Q2としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第3の還流ダイオードFWD3が第3の半導体スイッチング素子Q3としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、第4の還流ダイオードFWD4が第4の半導体スイッチング素子Q4としてのMOSFETのソース・ドレイン間に、それぞれ保護素子として並列接続されている。図16(b)に示すように、第3の還流ダイオードFWD3は、受電側コイルL2にからの環流電流を流す方向に設けられるので、第2の還流ダイオードFWD2がとは反対向きに設けられているのは図13(b)と同様である。図4(a)、図10(b)及び図13(b)に示した回路と同様に、送電側コイルL1からの環流電流が直流電源5に環流するのを防ぐため、電源側ダイオードD1が直流電源5と第1の半導体スイッチング素子Q1の間に直列接続されている。図16(b)に示す実装回路でも負荷素子6の等価インピーダンスXLeqを充電容量Csで近似して表現している。
既に述べたとおり、図11に示した第2の実施形態に係る電力伝送装置のタイミング図と図15に示した第3の実施形態に係る電力伝送装置のタイミング図を比較すると、受電側スイッチSW3が1個増えても、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送における端子間電圧VC1や端子間電圧VC2等の時間的変化(過渡応答)を示す波形は、殆ど同じである。図16(a)に示すように、第3の実施形態に係る電力伝送装置に、負荷制御スイッチSW4を追加した構成となっても、特性調和伝送の本質は変わらず、その基本的動作や、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送における端子間電圧VC1や端子間電圧VC2等の時間的変化(過渡応答)を示す波形は、殆ど同じである。
しかしながら、図16(a)に示すように、一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4の4つのスイッチを有する構成においては、一次側駆動スイッチSW1と負荷制御スイッチSW4を遮断状態、送電側スイッチSW2と受電側スイッチSW3を導通状態としたタイミングにおいて、直流電源5側の回路と負荷素子6側の回路が、それぞれ一次側回路2及び二次側回路3から分離されるので、一次側回路2と二次側回路3が自由振動することが可能となる。即ち一次側回路2のLC共振回路と二次側回路3のLC共振回路が相互インダクタンスMで結合した回路として扱えるので、交流理論における重共振の考え方が採用可能となる。即ち、一次側駆動スイッチSW1と負荷制御スイッチSW4を遮断状態、送電側スイッチSW2と受電側スイッチSW3を導通状態としたタイミングにおいては、既に述べた式(2)及び(3)の結合方程式で、特性調和伝送の効率を検討することができる。
ただし、実装回路においては、一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4の4つのスイッチに、それぞれ用いる電力用半導体スイッチング素子のオン抵抗を考慮しなくてはならないので、式(2)及び(3)の結合方程式では記述できない。よって、一次側駆動スイッチSW1と負荷制御スイッチSW4を遮断状態、送電側スイッチSW2と受電側スイッチSW3を導通状態としたタイミングの動作では、一次側回路2のLCR共振回路と二次側回路3のLCR共振回路が相互インダクタンスMで結合した回路としての検討が必要になる。
又、一次側駆動スイッチSW1や負荷制御スイッチSW4を導通状態としたときのステップ応答等の過渡応答におけるエネルギー伝送を考慮する必要があるので、本発明の第4の実施形態に係る電力伝送装置のすべてを従来の交流理論で解釈できるわけではない。即ち既に図3(b)の斜線で示したような自由振動の領域では従来の正弦波の交流理論を用いることができるが、一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4の4つのスイッチを用いて回路の境界条件を時々刻々変化させている第4の実施形態に係る電力伝送装置の動作環境では、図2(b)に例示したような鋸波状の立ち上がり特性等の過渡応答を含めて解析する必要がある。
(特性調和伝送波形のシミュレーション)
図16(a)に例示した構成における送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2のそれぞれの端子間電圧VC1と端子間電圧VC2の波形を通常の交流理論によるシミュレーションによって求め、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送波形を確認する。一次側回路2と二次側回路3の結合係数KACを0.6、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量をいずれも65μF、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスをいずれも60μHとする。
先ず、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4をオフ状態にし、一次側駆動スイッチSW1をオン状態にして、送電側コンデンサC1に初期電圧20Vを印加して送電側コンデンサC1に電荷を蓄える。次に、一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にし、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオン状態にすると、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じると期待できる。シミュレーションによって得られた端子間電圧VC1と端子間電圧VC2の波形を図17(a)に示す。端子間電圧VC1の波形及び端子間電圧VC2の波形のいずれもが大きな振幅の正弦波と小さな振幅の正弦波が合成されたような波形であり、通常の交流理論における正弦波とは異なる。
図17(a)において、0.2msで送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオン状態にしている。0.45msで、端子間電圧VC1が0Vになり、端子間電圧VC2が20Vになる。このことは、送電側のエネルギーがすべて受電側へ伝送されていることを示しており、0.45msで送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にすると、効率よく、特性調和伝送による電力伝送を行うことができる。
(実装回路による特性調和伝送波形の測定)
続いて、図16(a)に例示した構成の実装回路により、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の波形の測定を行う。一次側回路1と二次側回路2の等価結合係数Kを0.6、送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量をいずれも65μF、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスをいずれも60μH、送電側コンデンサC1に印加する初期電圧を20Vとする。これらはシミュレーションの場合と同様の値である。測定によって得られた送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2のそれぞれの端子間電圧VC1と端子間電圧VC2の波形を図17(b)に示すが、端子間電圧VC1の波形と端子間電圧VC2の波形の間に対称性がないことが分かる。
実装回路では寄生抵抗が存在するため、図17(a)の通常の交流理論によるシミュレーションの結果と異なり、波形は時間とともに減衰している。図17(b)において、0.2msから伝送が始まり、0.45msで端子間電圧VC2が最大の15Vになる。この時の端子間電圧VC1は―3Vであり、送電側のエネルギーのすべてが受電側へ伝送されておらず、一部のエネルギーは送電側に残留しているが、送電側のエネルギーが受電側に伝送されていることが確認できる。既に述べたとおり、第3の実施形態に係る電力伝送装置に対し、負荷制御スイッチSW4を追加した構成となっても、端子間電圧VC1や端子間電圧VC2等の時間的変化(過渡応答)を示す波形は、殆ど同じである。即ち、図17(b)に示す端子間電圧VC1の波形と端子間電圧VC2の波形はマクロな変化を示す図であり、マクロには大きな振幅の正弦波と小さな振幅の正弦波が合成されたような波形のように見えるが、時間軸を長くして詳細にみれば、図11や図15に示した波形と同様であり、正弦波の変化を示しているのではない。
(等価結合係数の変化と特性調和伝送の変化)
図16(a)に例示した構成において、送電側コンデンサC1に電荷を蓄えたのち、一次側駆動スイッチSW1及び負荷制御スイッチSW4をオフ状態にし、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオン状態にしたとき、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。この動作は、従来の交流理論によれば、既に述べた式(2)及び式(3)の結合方程式によって表される。
従来の交流理論では、式(2)及び式(3)の結合方程式を解き一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって発生する受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2を求めると、式(10)で定義される相互誘導関数φ(k)を用いて、
VC2=VC0/2×(L2/L1)(1/2)×φ(k) ……(11)
となる。ここで、VC0は送電側コンデンサC1の端子間の初期電圧、ω0は共振角周波数であり、ω0=L1×C1=L2×C2である。送電側コンデンサの端子間電圧VC1が0のとき式(11)は最大値VC0×(L2/L1)(1/2)となり、通常の交流理論によれば、このとき送電側のすべてのエネルギーが受電側に伝送されたことになる。
図16(a)に例示した構成において、通常の交流理論による結合係数KACを変化させたときの一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送の波形の変化を、通常の交流理論によるシミュレーションによって求める。送電側コンデンサC1と受電側コンデンサC2の容量をいずれも500μF、送電側コイルL1と受電側コイルL2のインダクタンスをいずれも10μH、送電側コンデンサC1に印加する初期電圧を25Vとする。以下の説明では交流理論による結合係数KACが等価結合係数に等しいと近似し、等価結合係数Kを0.00、0.1、0.6、0.8、0.88として、それぞれ通常の交流理論によるシミュレーションを行った。通常の交流理論によるシミュレーションの結果得られた端子間電圧VC1と端子間電圧VC2の波形を、図18(a)から図19(c)に示す。図18(a)に示すように、通常の交流理論による結合係数K=0.00のとき、一次側回路1と二次側回路は互いに相互作用せず、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送は生じない。
等価結合係数K=0.1、0.6、0.8、0.88のときはいずれも一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じている。図18(b)に示すように等価結合係数K=0.1のときは2.2ms、図19(a)に示すように、等価結合係数K=0.6のときは0.28ms、図19(c)に示すように、等価結合係数K=0.88のときは0.3msで送電側コンデンサの端子間電圧VC1が0Vになり、受電側コンデンサの端子間電圧VC2が送電側コンデンサC1の端子間の初期電圧VC0と同じ値になっており、送電側のエネルギーがすべて受電側に伝送されている。図19(b)に示すように、等価結合係数K=0.8のとき、受電側コンデンサの端子間電圧VC2の最大値は送電側コンデンサC1の端子間の初期電圧VC0より小さい値をとっており、等価結合係数K=0.1、0.6、0.88のときと比較して、等価結合係数K=0.8のときは、効率よく電力伝送を行うことができない。
又、等価結合係数K=0.6、0.88のときと比較して、等価結合係数K=0.1のときは、受電側コンデンサの端子間電圧VC2が最大値をとるまでの時間が長い。式(11)は2つのモードの和で表され、
(1+k)(1/2)/(1―k)(1/2)=2 ……(12)
のとき、即ち等価結合係数K=0.6のとき、受電側コンデンサC2の端子間電圧VC2が最大値をとるまでの時間が最も短く、次に短いのは、
(1+k)(1/2)/(1―k)(1/2)=4 ……(13)
のとき、即ち等価結合係数K=0.88のときである。実装回路ではコイルの寄生抵抗rL=Rstr(L1)=Rstr(L2)及びコンデンサの寄生抵抗rCによって波形が時間とともに減衰するため、等価結合係数K=0.6、0.88のとき最も効率よく電力伝送を行うことができる。又、寄生抵抗rL、rCが低い場合、等価結合係数K=0.1のときでも効率よく電力伝送を行うことができる。間隔dを大きくすると等価結合係数Kは小さくなるため、寄生抵抗rL、rCが十分低ければ、長距離を隔てて送ることができるといえる。
図19(a)に示した、等価結合係数K=0.6のときの端子間電圧VC1と端子間電圧VC2の波形を拡大したものを図20(a)に示す。又、このときの送電側コイルL1と受電側コイルL2の電流I1とI2の波形を図20(b)に示す。0.28msで端子間電圧VC1が0Vになり、端子間電圧VC2が送電側コンデンサC1の端子間の初期電圧VC0と同じ値になると同時に、電流I1とI2は0Aになっている。0.28msで送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にすると、最大効率で電力伝送を行うことができ、更に、このとき電流I1とI2が0Aであり、送電側コイルL1と受電側コイルL2に生じる逆起電力が0となることから、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3の破壊を防ぐことができる。
(インダクタンスLと容量Cの最適な組み合わせ)
図16(a)に例示した構成において、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって送電側に蓄えられていたエネルギーを受電側に伝送するときの、最も伝送効率のよいコイルのインダクタンスLとコンデンサの容量Cの組み合わせを以下の手順で求める。伝送効率Pは、一回で伝送しようとするエネルギーをPonCe-tr、コイルの寄生抵抗rL及びコンデンサの寄生抵抗rCによって一回で損失するエネルギーをPonCe-loss、一回に必要な時間をτonCeとすれば、式(14)で表される。
P=(PonCe-tr―PonCe-loss)/τonCe ……(14)
一回で伝送しようとするエネルギーPonCe-trは1/2×CV0
2、一回で損失するエネルギーPonCe-lossは(rL+rC)/2×C/L×V0
2、一回に必要な時間τonCeは2(1.6)1/2π(LC)1/2であるので、伝送効率Pは、式(15)で表される。
P=(1/2×CV0
2-(rL+rC)/2×C/L×V0
2)/(2(1.6)1/2π(LC)1/2) ……(15)
ここで、V0は、送電側コンデンサC1に印加する初期電圧である。
コイルの寄生抵抗rL及びコンデンサの寄生抵抗rCに対し、KL=rL/L、KC=rC×Cとし、コイルに流れる最大電流をImaxとするとImax=(C/L)1/2×Vであるので、
P=ImaxV{(1.6)-1/2π-1―(KL(LC)1/2+KC(LC)-1/2)}
………(16)
となり、
KL(LC)1/2+KC(LC)-1/2>=2(KLKC)1/2……(17)
である。
伝送効率Pが最大になるとき
KL(LC)1/2+KC(LC)-1/2=2(KLKC)1/2……(18)
であり、このとき
LC=KC/KL……(19)
となる。コイルのインダクタンスLとコンデンサの容量Cが式(19)を満たすとき、伝送効率が最大となる。
図16(a)に例示した構成において、コイルのインダクタンスとコンデンサの容量を変化させたときの伝送効率を通常の交流理論によるシミュレーションによって求める。V=36V、結合係数KL=600/H、結合係数KC=3.00×10-6ΩFとする。通常の交流理論によるシミュレーションの結果得られた、コイルのインダクタンスが1、2、5、10、20、50μHのときのコンデンサの容量に対する伝送効率の変化を図21に示す。図21に示すように、伝送効率が最大となるコイルのインダクタンスLとコンデンサの容量Cの組み合わせは、コイルのインダクタンスが1、2、5、10、20、50μHのとき、コンデンサの容量Cはそれぞれ5000、2500、1000、500、250、100μFであり、式(19)を満たしている。
(負荷素子の端子間電圧が低い場合の電力伝送)
充電式電池としての負荷素子6の端子間電圧が低い場合の、第4の実施形態に係る第1のワイヤレス電力伝送方法を、図23に示すフローチャート及び図24(a)に示すタイミング図を参照して説明する。ただし、交流理論で定義される結合係数KAC=0.6、0.88に等価な等価結合係数K等、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じた際に、端子間電圧VC2の最大値が送電側コンデンサC1の端子間の初期電圧VC0と同じ値になり、その時、端子間電圧VC1は0Vになるように、等価結合係数Kは調整されているものとする。
先ず、ステップS11において、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4をオフ状態にし、一次側駆動スイッチSW1をオン状態にする。送電側コンデンサC1に初期電圧を印加して電荷を蓄えたのち、一次側駆動スイッチSW1をオフ状態にする。なお、この時点で負荷素子6の端子間電圧は十分低いものとする。次に、ステップS12において、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオン状態にすると一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。次に、ステップS13において、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって端子間電圧VC2の絶対値が最大になり、端子間電圧VC1が0Vになる時点で送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にする。
次に、ステップS14において、負荷制御スイッチSW4をオン状態にすると、充電電流ICSが発生し、端子間電圧VC2は減少する。次に、ステップS15において、充電電流ICSが0になった時点で負荷制御スイッチSW4をオフ状態にする。このときの端子間電圧VC2と負荷素子6の端子間電圧は同じ値となる。ステップS11の時点で負荷素子6の端子間電圧が十分低い場合、ステップS15の時点で受電側コンデンサの端子間電圧VC2は0V、又は0Vとみなせる程度に十分低く、受電側コンデンサC2を放電することなくステップS11に戻ることができる。
(負荷素子の端子間電圧が低くない場合の電力伝送方法)
負荷素子6の端子間電圧が低くない場合の、第4の実施形態に係る第2のワイヤレス電力伝送方法を、図25に示すフローチャート及び図24(b)に示すタイミング図を参照して説明する。ただし、等価結合係数Kは負荷素子6の端子間電圧が低い場合と同様に調整されているものとする。
ステップS21からステップS24は、ステップS11からステップS14と同様である。ステップS25において、充電電流ICSが0になった時点で負荷制御スイッチSW4をオフ状態にする。このときの端子間電圧VC2は充電電圧VCSと同じ値になる。次のステップS26で受電側コンデンサの放電を行う。
ステップS26において、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオン状態にすると、再度一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じる。ステップS27において、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送によって端子間電圧VC1の絶対値が最大になり、端子間電圧VC2が0Vになる時点で送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3をオフ状態にする。ステップS27時点での端子間電圧VC1はステップS25時点での端子間電圧VC2と同じ値であるので、ステップS27時点で端子間電圧VC1と充電電圧VCSは同じ値である。よって、この場合、端子間電圧VC1で、充電電圧VCSをモニターすることができる。
以上に述べたように、本発明の第4の実施形態に係る電力伝送装置によれば、第1~第3実施形態に係る電力伝送装置と同様に、制御回路や周辺回路が単純で安価な直流電源5を使用することができるので高価なスイッチング電源が不要であり、回路構成は単純化され、制御回路側における電力損失も最小化される上に壊れにくくなり、回路設計も容易になる。この結果第4の実施形態に係る電力伝送装置によれば、電力伝送装置の全体の構成が簡略化され軽量・小型化及び高効率化が可能になり、電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率を原理的には100%に近い値まで高め、電力伝送の限界電力を原理的には無限大に押し上げ、電力伝送の限界距離を原理的には無限大に伸ばしたワイヤレス電力伝送装置を安価に製造することができる。
(第5の実施形態)
本発明の第5の実施形態に係る電力伝送装置は、図26に示すように、一次側回路2Cと二次側回路3Cとが、第1の相互結合コンデンサC23及び第2の相互結合コンデンサC24で静電的に結合しており、第1の実施形態に係る電力伝送装置の、コイルをコンデンサに、コンデンサをコイルに入れ替えた構成となっている。電磁誘導の法則、及びマックスウェルの方程式より、このようなコイルとコンデンサの入れ替えが可能である。即ち図26に示すように第5の実施形態に係る電力伝送装置は、図1(a)に示した第1の実施形態に係る電力伝送装置と同様に、静電エネルギーを蓄積する送電側コンデンサC21、送電側コンデンサC21に並列接続され送電側コンデンサC21から送られた静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄積し、この磁気エネルギーを送電側コンデンサC21に環流する送電側コイルL21を有する一次側回路2を備える。
そして、第5の実施形態に係る電力伝送装置は、図26に示すように、送電側コンデンサC21と送電側コイルL21を並列に接続する一方のノードに一方の電極を接続した第1の相互結合コンデンサC23と、送電側コンデンサC21と送電側コイルL21を並列に接続する他方のノードに一方の電極を接続した第2の相互結合コンデンサC24を更に備える点が、図1に示した第1の実施形態に係る電力伝送装置とは異なる。そして、第5の実施形態に係る電力伝送装置は第1の相互結合コンデンサC23の他方の電極に一方の電極を接続し、第2の相互結合コンデンサC24の他方の電極に他方の電極を接続し、一次側回路2から静電エネルギーを受け取る受電側コンデンサC22、受電側コンデンサC22に並列接続され受電側コンデンサC22に蓄積された静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄積する受電側コイルL22を有する二次側回路3を更に備える。
更に、図26に示すように第5の実施形態に係る電力伝送装置は、送電側コイルL21の一方の端子と他方の端子の間を接続する回路を構成する直流電源5と、送電側コイルL21の一方の端子と直流電源5との間に直列に接続され、送電側コイルL21に断続的な直流電圧をステップ入力する一次側駆動スイッチSW1を備える。又、受電側コイルL22の一方の端子と他方の端子の間を接続する回路を構成し、受電側コイルL22から磁気エネルギーを受け取る負荷素子6と、アノードが受電側コイルL22の一方の端子の側に、カソードが負荷素子6に接続された負荷側ダイオードD2を備える。図26に示すような静電的な結合であっても、第5の実施形態に係る電力伝送装置は、一次側回路2から二次側回路3に非接触で電気エネルギーを伝送することができる。通常の交流理論によるシミュレーションによって送電側コイルL21と受電側コイルL22に流れる電流の波形を求め、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送波形を確認する。
一次側回路21と二次側回路22の等価結合係数を0、送電側コイルL21と受電側コイルL22のインダクタンスをいずれも0.1μH、送電側コンデンサC21と受電側コンデンサC22の容量をいずれも400pF、第1の相互結合コンデンサC23と第2の相互結合コンデンサC24の容量をいずれも500pFとする。直流電源5は第1の実施形態の場合と同様、定電圧源である。送電側コイルL21と受電側コイルL22に流れる電流の波形を図27(a)に示す。又、送電側コンデンサC21と受電側コンデンサC22のそれぞれの端子間電圧V21、V22の波形を図27(b)に示す。0nsで送電側コイルL21と受電側コイルL22に流れる電流がそれぞれ30Aと0Aであり、60nsで送電側コイルL21と受電側コイルL22に流れる電流がそれぞれ30Aと0Aになっており、一次側回路2と二次側回路3の間の特性調和伝送が生じている。
以上に述べたように、本発明の第5の実施形態に係る電力伝送装置によれば、静電的な結合であっても、第1~第4の実施形態に係る電力伝送装置における磁気的結合の場合と同様に制御回路や周辺回路が単純で安価な直流電源5を使用することができるので高価なスイッチング電源が不要である。又、静電的な結合であっても、第1~第4の実施形態に係る電力伝送装置と同様に回路構成は単純化され壊れにくく回路設計が容易になる上に制御回路側における電力損失も最小化される。この結果、本発明の第5の実施形態に係る電力伝送装置によれば電力伝送装置の全体の構成が簡略化され軽量・小型化及び高効率化が可能になり、電源回路(0次回路)の損失を含めた総合的な電力伝送効率を100%に近い値まで高め、電力伝送の限界電力を原理的には無限大に押し上げ、電力伝送の限界距離を原理的には無限大に伸ばしたワイヤレス電力伝送装置を安価に製造することができる。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1~第5の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、本発明の第5の実施形態に係る電力伝送装置においては静電的な結合方式として一次側駆動スイッチSW1を1個のみ含む回路構成を説明したが。単なる例示に過ぎない。本発明の第2の実施形態に係る電力伝送装置において説明したように、静電的な結合方式の回路構成の場合であっても、一次側駆動スイッチSW1及び送電側スイッチSW2を含む構成とすることが可能である。
同様に、本発明の第3の実施形態に係る電力伝送装置で説明したように静電的な結合方式の回路構成の場合であっても、一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2及び受電側スイッチSW3を含む構成とすることが可能である。更に、一次側駆動スイッチSW1、送電側スイッチSW2、受電側スイッチSW3及び負荷制御スイッチSW4を含んで、本発明の第4の実施形態に係る電力伝送装置と同様な構成にしても構わない。
即ち、本発明に係る電力伝送装置は、図1(a)、10(a)、13(a)、16(a)及び26で示したようなそれぞれの実施形態の技術思想を互いに組み合わせて構成することもできる。又、本発明の第1の実施形態に係る電力伝送装置において図6(a)~図8(b)を用いて説明した磁気的結合度制御機構を、第2~第4の実施形態に係る電力伝送装置に適用しても構わない。以上のとおり本発明は、本明細書及び図面に記載していない様々な実施形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。