JP5790189B2

JP5790189B2 - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP5790189B2
Application number: JP2011134352A
Authority: JP
Inventors: 成文遠嶋; 祐司前川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: JP2013005591A

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来から非接触給電方式として、電磁誘導方式、電波受信方式、電界結合方式及び磁界共鳴方式等が知られている。これらの方式の内、磁界共鳴方式とは、送電回路側と受電回路側に、コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を設け、両回路間で磁界を共鳴させてワイヤレスで電力を伝送する技術である（下記特許文献参照）。
この磁界共鳴方式は、広く実用化されている電磁誘導方式と比べて、弱い磁界で高効率且つ長距離の電力伝送を実現できるという特徴があり、携帯端末や電気自動車等に利用可能な次世代のワイヤレス充電技術として注目されている。

特表２００９−５０１５１０号公報特開２０１０−０８７３５３号公報特開２０１０−０９８８９６号公報特開２０１０−１１４９６５号公報

従来の磁界共鳴方式では、送電回路及び受電回路ともに単一のヘリカルコイルを使用し、送電回路側の送電コイルと受電回路側の受電コイルとを正対させながら磁界共鳴を発生させて電力伝送を行うことが一般的であるが、送電コイルから受電コイルへの磁界の伝搬方向が一方向のみであるため、送電コイルと受電コイルとの位置関係にズレが生じると電力の伝送効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、送電コイルと受電コイルとの位置関係に依らずに高効率での非接触給電を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、交流電源から供給される交流電力を磁気エネルギに変換して無線送電する送電コイルと、前記磁気エネルギを交流電力に再変換する受電コイルとを備える非接触給電装置であって、前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方は、球形状に組み付けられた複数のヘリカルコイルから構成されている、という手段を採用する。

また、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記送電コイルと前記受電コイルの両方が前記球形状に組み付けられた複数のヘリカルコイルから構成されており、前記送電コイルを構成する各ヘリカルコイルの両端と前記交流電源の出力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う送電側スイッチと、前記受電コイルを構成する各ヘリカルコイルの両端と負荷の入力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う受電側スイッチと、前記交流電源から前記送電側スイッチへ伝搬する進行波と、前記送電側スイッチから前記交流電源へ伝搬する反射波とを分離して取り出す波形分離手段と、前記送電コイルを構成するヘリカルコイルと前記受電コイルを構成するヘリカルコイルとの組合わせの中から伝送効率の最も高い組合わせを前記進行波及び反射波に基づいて割出し、その結果得られた組合わせを使用して非接触給電を行う制御手段とを備える、という手段を採用する。

また、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方にコアを挿入し、そのコア位置を調整自在とするコア位置調整機構を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、複数のヘリカルコイルからなる球形状の送電コイル及び受電コイルを採用することにより、送電コイルから受電コイルへの磁界の伝搬方向が複数存在することになるため、送電コイルと受電コイルとの位置関係に依らずに高効率での非接触給電を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る非接触給電装置Ａの構成概略図である。非接触給電装置Ａの動作フローチャートである。非接触給電装置Ａの変形例に関する説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る非接触給電装置Ａの構成概略図である。この非接触給電装置Ａは、例えばバッテリ等の負荷Ｌに対して、離れた位置に設置された交流電源Ｐから非接触で（ワイヤレスで）電力伝送を行うものであり、送電回路１及び受電回路２から構成されている。

送電回路１は、送電コイル１１、送電側スイッチ１２、方向性結合器１３及びコントローラ１４を備えている。送電コイル１１は、螺旋状に巻かれた３つのヘリカルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃから構成されている。図１に示すように、これらのヘリカルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、球形状に組み付けられて１つの送電コイル１１を構成している。なお、ヘリカルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、互いに電気的に絶縁されている。

送電側スイッチ１２は、コントローラ１４による制御に応じて、送電コイル１１を構成する各ヘリカルコイル１１ａ、１１ｂ、１１ｃの両端と交流電源Ｐの出力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う。
なお、ヘリカルコイル１１ａの両端は、送電コイル１１から引き出されて送電側スイッチ１２の外部端子１２ａに接続されている。ヘリカルコイル１１ｂの両端は、送電コイル１１から引き出されて送電側スイッチ１２の外部端子１２ｂに接続されている。ヘリカルコイル１１ｃの両端は、送電コイル１１から引き出されて送電側スイッチ１２の外部端子１２ｃに接続されている。また、交流電源Ｐの出力端子は、方向性結合器１３を介して送電側スイッチ１２の外部端子１２ｄに接続されている。

つまり、送電側スイッチ１２は、ヘリカルコイル１１ａの両端と交流電源Ｐの出力端子とを接続する場合、外部端子１２ａと外部端子１２ｄとを接続状態に切り替える（図１参照）。また、送電側スイッチ１２は、ヘリカルコイル１１ｂの両端と交流電源Ｐの出力端子とを接続する場合、外部端子１２ｂと外部端子１２ｄとを接続状態に切り替える。また、送電側スイッチ１２は、ヘリカルコイル１１ｃの両端と交流電源Ｐの出力端子とを接続する場合、外部端子１２ｃと外部端子１２ｄとを接続状態に切り替える。

方向性結合器１３は、送電側スイッチ１２と交流電源Ｐとの間に介挿され、交流電源Ｐ側から送電コイル１１側へ伝搬する進行波と、送電コイル１１側から交流電源Ｐ側へ伝搬する反射波とを分離して取り出す波形分離手段である。なお、この方向性結合器１３は、取り出した進行波Ｗ１と反射波Ｗ２（いずれも電気信号）をコントローラ１４へ出力する。

コントローラ１４は、例えばメモリやＣＰＵ、入出力インターフェース等が一体的に組み込まれたマイコンであり、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１及び反射波Ｗ２に基づいて定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果から最も伝送効率の高い状態に送電側スイッチ１２を制御する機能を有している。なお、このコントローラ１４の機能の詳細については後述する。

一方、受電回路２は、受電コイル２１、受電側スイッチ２２及び整流回路２３を備えている。受電コイル２１は、送電コイル１１と同様に、螺旋状に巻かれた３つのヘリカルコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃから構成されている。図１に示すように、これらのヘリカルコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、球形状に組み付けられて１つの受電コイル２１を構成している。なお、ヘリカルコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、互いに電気的に絶縁されている。

受電側スイッチ２２は、ユーザによる手動操作に応じて、受電コイル２１を構成する各ヘリカルコイル２１ａ、２１ｂ、２１ｃの両端と整流回路２３（負荷Ｌの前段回路）の入力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う。
なお、ヘリカルコイル２１ａの両端は、受電コイル２１から引き出されて受電側スイッチ２２の外部端子２２ａに接続されている。ヘリカルコイル２１ｂの両端は、受電コイル２１から引き出されて受電側スイッチ２２の外部端子２２ｂに接続されている。ヘリカルコイル２１ｃの両端は、受電コイル２１から引き出されて受電側スイッチ２２の外部端子２２ｃに接続されている。また、整流回路２３の入力端子は、受電側スイッチ２２の外部端子２２ｄに接続されている。

つまり、受電側スイッチ２２は、ヘリカルコイル２１ａの両端と整流回路２３の入力端子とを接続する場合、外部端子２２ａと外部端子２２ｄとを接続状態に切り替える（図１参照）。また、受電側スイッチ２２は、ヘリカルコイル２１ｂの両端と整流回路２３の入力端子とを接続する場合、外部端子２２ｂと外部端子２２ｄとを接続状態に切り替える。また、受電側スイッチ２２は、ヘリカルコイル２１ｃの両端子と整流回路２３の入力端子とを接続する場合、外部端子２２ｃと外部端子２２ｄとを接続状態に切り替える。

整流回路２３は、受電側スイッチ２２を介して受電コイル２１から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷Ｌに出力する。

以上のように構成された非接触給電装置Ａにおいて、送電コイル１１と受電コイル２１は、それぞれ不図示のコンデンサとともにＬＣ共振回路を構成している。送電コイル１１の共振周波数と受電コイル２１の共振周波数とが等しくなるように回路定数を設定すれば、送電コイル１１と受電コイル２１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

磁界共鳴が発生すると、交流電源Ｐから供給される交流電力は送電コイル１１によって磁気エネルギに変換されて無線送信され、その磁気エネルギは受電コイル２１によって交流電力に再変換される。受電コイル２１から得られた交流電力は、整流回路２３によって直流電力に変換された後、負荷Ｌに供給されることになる。このように、負荷Ｌに対して、離れた位置に設置された交流電源Ｐから非接触で電力伝送を行うことができる。

ここで、本実施形態では、送電コイル１１及び受電コイル２１が、球形状に組み付けられた複数（本実施形態では３つ）のヘリカルコイルから構成されている。前述のように、従来では、送電コイルから受電コイルへの磁界の伝搬方向が一方向のみであったため、送電コイルと受電コイルとの位置関係にズレが生じると電力の伝送効率が低下するという問題があった。これに対して、本実施形態では、複数のヘリカルコイルからなる球形状の送電コイル１１及び受電コイル２１を採用することで、送電コイル１１から受電コイル２１への磁界の伝搬方向が複数存在することになるため、送電コイル１１と受電コイル２１との位置関係に依らずに高効率での非接触給電を実現することができる。

ところで、本実施形態では、電力伝送に使用される送電コイル１１側のヘリカルコイルと受電コイル２１側のヘリカルコイルの組み合わせ（以下、この組み合わせを伝送コイルペアと称す）によって電力の伝送効率が異なるため、送電コイル１１と受電コイル２１との位置関係に応じて最も伝送効率が高くなるように伝送コイルペアを決定する必要がある。
本実施形態では、非接触給電装置Ａによる給電開始時において、図２のフローチャートに示す手順に従って最も伝送効率の高い伝送コイルペアを決定し、その伝送コイルペアを使用して非接触給電を行う。

図２に示すように、まず、受電側スイッチ２２を手動操作して、受電コイル２１のヘリルカルコイル２１ａと負荷Ｌとを接続させる（ステップＳ１）。そして、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ａと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ２）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ａと２１ａとが伝送コイルペアとなる。

そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ３）。なお、コントローラ１４は、進行波Ｗ１の振幅Ｖ１と反射波Ｗ２の振幅Ｖ２を検出し、これらＶ１、Ｖ２の値と下記（１）式及び（２）式に基づいて定在波比ＶＳＷＲを算出する。
ρ＝Ｖ２／Ｖ１・・・（１）
ＶＳＷＲ＝（１＋｜ρ｜）／（１−｜ρ｜）・・・（２）

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｂと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ４）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｂと２１ａとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ５）。

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｃと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ６）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｃと２１ａとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ７）。

次に、受電側スイッチ２２を手動操作して、受電コイル２１のヘリルカルコイル２１ｂと負荷Ｌとを接続させる（ステップＳ８）。そして、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ａと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ９）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ａと２１ｂとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ１０）。

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｂと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ１１）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｂと２１ｂとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ１２）。

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｃと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ１３）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｃと２１ｂとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ１４）。

次に、受電側スイッチ２２を手動操作して、受電コイル２１のヘリルカルコイル２１ｃと負荷Ｌとを接続させる（ステップＳ１５）。そして、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ａと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ１６）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ａと２１ｃとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ１７）。

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｂと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ１８）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｂと２１ｃとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ１９）。

続いて、コントローラ１４は、送電側スイッチ１２を制御して、送電コイル１１のヘリカルコイル１１ｃと交流電源Ｐとを接続させる（ステップＳ２０）。つまり、この場合、ヘリカルコイル１１ｃと２１ｃとが伝送コイルペアとなる。そして、コントローラ１４は、方向性結合器１３から入力される進行波Ｗ１と反射波Ｗ２に基づいて、今回の伝送コイルペアでの定在波比ＶＳＷＲを算出し、その算出結果を内部メモリに保存する（ステップＳ２１）。

最後に、コントローラ１４は、内部メモリに保存した各伝送コイルペアの定在波比ＶＳＷＲに基づいて最も伝送効率の高いペアを割出し、その伝送コイルペアとなるように送電側スイッチ１２を制御する（ステップＳ２２）。この時、受電側スイッチ２２側は手動操作にて切り替える。従って、最も伝送効率の高い伝送コイルペアをユーザに知らせる必要があるため、不図示の表示装置等に最も伝送効率の高い伝送コイルペアを表示させる機能をコントローラ１４に持たせることが望ましい。なお、周知のように、定在波比ＶＳＷＲが低いほど伝送効率は高くなるため、各伝送コイルペアの中から最も定在波比ＶＳＷＲが低いペアを、最も伝送効率の高いペアとして決定すれば良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数のヘリカルコイルからなる球形状の送電コイル１１及び受電コイル２１を採用することにより、送電コイル１１から受電コイル２１への磁界の伝搬方向が複数存在することになるため、送電コイル１１と受電コイル２１との位置関係に依らずに高効率での非接触給電を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、送電コイル１１及び受電コイル２１ともに、３つのヘリカルコイルによって構成した場合を例示したが、図３（ａ）に示すように、３つ以上のヘリカルコイルを球形状に組み付けて構成しても良い。ヘリカルコイル数が多いほど、伝送効率の高い伝送コイルペアを発見しやすくなる。また、送電コイル１１と受電コイル２１の少なくとも一方が、球形状に組み付けられた複数のヘリカルコイルから構成されていれば良い。

（２）図３（ｂ）に示すように、送電コイル１１と受電コイル２１の少なくとも一方にコア３１を挿入し、そのコア３１の位置を調整自在とするコア位置調整機構３２を設けても良い。このような構成を採用することにより、送電コイル１１または受電コイル２１のＱ値を調整できるようになるため、より効率の高い非接触給電を実現できる。なお、コア位置調整機構３２は、手動、自動を問わず、公知の技術によって実現できる。

（３）上記実施形態において、送電コイル１１または受電コイル２１の各ヘリカルコイルの巻数やコンデンサの値等を変えておけば、各ヘリカルコイルのそれぞれの共振周波数やＱ値が異なるため、利用する周波数の選択や最適なＱ値の選択による高効率な非接触給電を実現できる。

Ａ…非接触給電装置、１…送電回路、２…受電回路、１１…送電コイル、１２…送電側スイッチ、１３…方向性結合器（波形分離手段）、１４…コントローラ（制御手段）、２１…受電コイル、２２…受電側スイッチ、２３…整流回路、３１…コア、３２…コア位置調整機構、Ｐ…交流電源、Ｌ…負荷

Claims

交流電源から供給される交流電力を磁気エネルギに変換して無線送電する送電コイルと、前記磁気エネルギを交流電力に再変換する受電コイルとを備える非接触給電装置であって、
前記送電コイルと前記受電コイルの両方は、球形状に組み付けられた複数のヘリカルコイルから構成されており、
前記送電コイルを構成する各ヘリカルコイルの両端と前記交流電源の出力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う送電側スイッチと、
前記受電コイルを構成する各ヘリカルコイルの両端と負荷の入力端子との電気的な接続または切断の切り替えを行う受電側スイッチと、
前記交流電源から前記送電側スイッチへ伝搬する進行波と、前記送電側スイッチから前記交流電源へ伝搬する反射波とを分離して取り出す波形分離手段と、
前記送電コイルを構成するヘリカルコイルと前記受電コイルを構成するヘリカルコイルとの組合わせの中から伝送効率の最も高い組合わせを前記進行波及び反射波から算出された定在波比に基づいて割出し、その結果得られた組合わせを使用して非接触給電を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする非接触給電装置。
前記送電コイルと前記受電コイルの少なくとも一方にコアを挿入し、そのコア位置を調整自在とするコア位置調整機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。