JP5825882B2 - 給電システム - Google Patents

Description

本発明は、給電システムに係り、特に、給電側コイルから受電側コイルに非接触で電力を供給する給電システムに関するものである。

上述した給電システムとして、例えば図５に示すものが知られている（例えば非特許文献１、２）。同図に示すように、給電システム１は、給電手段としての給電部３と、受電手段としての受電部５と、を備えている。上記給電部３は、電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル３３と、が設けられている。

上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置されると電磁共鳴する受電側コイルとしての受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され当該受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、が設けられている。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。

さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続されたバッテリなどの負荷に供給される。上述した給電システム１によれば、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との電磁共鳴により非接触で給電側から受電側に電力を供給することができる。

そして、上述した受電部５を自動車４に設け、給電部３を道路２などに設けることにより、上述した給電システム１を利用してワイヤレスで自動車４に搭載されたバッテリに電力を供給することが考えられている。

上述した給電側システム１においては、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２と、が一直線状に並んだ横ずれｘ＝０の状態で、伝送効率が最も良くなるように給電部３、受電部５のインピーダンスを調整している（即ち、給電部３と受電部５とのインピーダンスを整合させている）。

しかしながら、上述した給電システム１においては、給電側ヘリカルコイル３３の中心軸Ｚ１と、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２と、が同軸となるように、自動車４を停車させることは難しく、図５に示すように、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ（＞０）が生じることがある。

本発明者らは、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０の状態で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合した図５に示す給電システム１である従来品について、横ずれｘを０〜０．３７５Ｄ（Ｄ＝給電側ヘリカルコイル３３、受電側ヘリカルコイル５１の直径）の範囲で変化させたときの伝送効率をシミュレーションした。結果を図４中において黒丸でプロットした。

同図に示すように、横ずれｘが０のときは伝送効率が９８％程度あるのに対して、横ずれｘが０．３７５Ｄのときは８２％まで下がってしまう、という問題があった。

A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher,M.Soljacic,"Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances",Science,Vol.317,pp.83-86,July6,2007 M.Soljacic,A.Karalis,J.Joannopoulos,A.Kurs,R.Moffatt,P.fisgeR,"電力を無線伝送する技術を開発 実験で６０Ｗの電球を点灯"、日経エレクトロニクス,3Dec.2007

そこで、本発明は、給電側コイルと受電側コイルとの横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる給電システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合され、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が一致する位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合されていなく、前記インピーダンスが整合される前記ずれた位置は、０．０６２５Ｄ〜０．３７５Ｄ（Ｄは前記給電側コイル及び前記受電側コイルの直径）範囲内であることを特徴とする給電システムに存する。

請求項２記載の発明は、前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、円形に巻いて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。

以上説明した請求項１記載の発明によれば、給電側コイルと受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で給電手段及び受電手段のインピーダンスが整合されているので、給電側コイルと受電側コイルとの横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電手段から受電手段へ高効率で電力を供給することができる。

請求項２記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルが円形に巻いて設けられているので、伝送効率の異方性をなくすことができる。

本発明の給電システムを示す図である。 図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。 （Ａ）は本発明の最も伝送効率が良くなる位置を説明するための図であり、（Ｂ）は従来の最も伝送効率が良くなる位置を説明するための図である。 中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０で給電部及び受電部のインピーダンスを整合した従来品と、中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘを０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄ、０．１８７５Ｄ、０．２５Ｄ、０．３１２５Ｄ、０．３７５Ｄとした状態で給電部及び受電部のインピーダンスを整合した本発明品Ａ〜Ｆと、について各々、中心軸Ｚ１、Ｚ２のずれが０〜０．３７５Ｄの範囲で変動したときの伝送効率を示すグラフである。 従来の給電システムを示す図である。

以下、本発明の給電システムを図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の給電システムを示す図である。図２は、図１に示す給電システムを構成する給電側ループアンテナ、給電側ヘリカルコイル、受電側ヘリカルコイル及び受電側ループアンテナの斜視図である。同図に示すように、給電システム１は、道路２上などに設けられた給電手段としての給電部３と、自動車４の腹部分などに設けられた受電手段としての受電部５と、を備えている。

上記給電部３は、直流電源６から供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器３１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される給電側ループアンテナ３２と、給電側ループアンテナ３２に対してその中心軸方向に対向するように離間して配置され、給電側ループアンテナ３２に電磁結合された給電側コイルとしての給電側ヘリカルコイル３３と、給電側ヘリカルコイル３３に並列接続されたキャパシタＣ１と、が設けられている。

上記給電側ループアンテナ３２は、円ループ状に設けられていて、その中心軸が道路２から自動車４の腹部分に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。この給電側ループアンテナ３２の両端には、ＤＣ／ＡＣ変換器３１が接続されていて、上述したようにＤＣ／ＡＣ変換器３１により変換された交流電力が供給される。

上記給電側ヘリカルコイル３３は、例えば巻線を円形のヘリカル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、給電側ヘリカルコイル３３は、その巻数が２巻に設けられている。また、給電側ヘリカルコイル３３は、上記給電側ループアンテナ３２の自動車４側に、給電側ループアンテナ３２と同軸上に配置されている。上記給電側ループアンテナ３２と給電側ヘリカルコイル３３とは、互いに電磁結合できる範囲内、即ち、給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給され、交流電流が流れると給電側ヘリカルコイル３３に電磁誘導が発生するような範囲内で、互いに離間して設けられている。上記コンデンサＣ１は、共鳴周波数を調整するために設けられている。

上記受電部５は、給電側ヘリカルコイル３３と電磁共鳴する受電側コイルとしての受電側ヘリカルコイル５１と、この受電側ヘリカルコイル５１に対してその中心軸方向に対向するように配置され、受電側ヘリカルコイル５１に電磁結合された受電側ループアンテナ５２と、受電側ループアンテナ５２が受電した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器５３と、受電側ヘリカルコイル５１に並列接続されたコンデンサＣ２と、が設けられている。

上記受電側ループアンテナ５２には、ＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して車載バッテリなどの負荷７が接続されている。また、受電側ループアンテナ５２は、円形のループ状に設けられていて、その中心軸が自動車４の腹部分から道路２に向かう方向、即ち鉛直方向に沿うように配置されている。また、本実施形態においては、図２に示すように、上記受電側ループアンテナ５２は、上述した給電側ループアンテナ３２と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ループアンテナ５２の径が、上述した給電側ループアンテナ３２の径よりも小さく設けられていても良い。

上記受電側ヘリカルコイル５１は、例えば巻線を円形のヘリカルコイル状に巻いて構成されている。本実施形態においては、受電側ヘリカルコイル５１は、給電側ヘリカルコイル３３と同様に、その巻数が２巻に設けられている。また、上記受電側ヘリカルコイル５１は、上述した給電側ヘリカルコイル３３と同じ径に設けられているが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、受電側ヘリカルコイル５１の径が、上述した給電側ヘリカルコイル３３の径よりも小さく設けられていてもよい。

また、受電側ヘリカルコイル５１は、上述した受電側ループアンテナ５２の道路２側に、受電側ループアンテナ５２と同軸上に配置されている。これにより、受電側ループアンテナ５２と受電側ヘリカルコイル５１とは、互いに電磁結合する範囲内、即ち、受電側ヘリカルコイル５１に交流電流が流れると受電側ループアンテナ５２に誘導電流が発生する範囲内に、互いに離間して設けられている。上記コンデンサＣ２は、コンデンサＣ１と同様に、共鳴周波数を調整するために設けられている。これらコンデンサＣ１、Ｃ２は、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の共鳴周波数が所望の周波数ｆ０（例えば１０ＭＨｚ）となるように容量が予め調整されている。

上述した給電システム１によれば、自動車４の受電部５が道路２に設けた給電部３に近づいて給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが中心軸方向に互いに間隔を空けて対向したとき、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが電磁共鳴して給電部３から受電部５に非接触で電力を供給できる。

詳しく説明すると、上記給電側ループアンテナ３２に交流電力が供給されると、その電力が電磁誘導により給電側ヘリカルコイル３３に送られる。即ち、給電側ヘリカルコイル３３には、給電側ループアンテナ３２を介して電力が供給される。給電側ヘリカルコイル３３に電力が送られると、その電力が磁界の共鳴によって受電側ヘリカルコイル５１にワイヤレスで送られる。さらに、受電側ヘリカルコイル５１に電力が送られると、その電力が電磁誘導によって受電側ループアンテナ５２に送られ、この受電側ループアンテナ５２に接続された負荷７にＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して供給される。

これら給電システム１は、図３（Ａ）に示すように、給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１との中心軸Ｚ１、Ｚ２がｘだけ（＞０）横ずれした位置で最も伝送効率が高くなるように給電部３及び受電部５のインピーダンスが調整されている（即ち、給電部３及び受電部５のインピーダンスが整合されている）。この中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘは、中心軸方向に給電側ヘリカルコイル３３と受電側ヘリカルコイル５１とが互いに重なる範囲内でずらされている。

給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合させる方法としては、例えば給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１や給電側、受電側ループアンテナ３２、５２の両端に整合器を設け、この整合器を用いてインピーダンスを調整したり、ＤＣ／ＡＣ変換器３１、ＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整することが考えられる。

図３（Ｂ）に示す従来のように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０の位置で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合した場合、中心軸Ｚ１上の点Ｐが最も効率良く、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２がこの点Ｐから離れるに従って伝送効率が低下してしまう。

これに対して、図３（Ａ）に示すように給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１との中心軸Ｚ１、Ｚ２がｘだけ横ずれした位置で給電部３及び受電部５のインピーダンスを整合すると、中心軸Ｚ１を中心とした半径ｘの円Ｒ上が最も効率良く、受電側ヘリカルコイル５１の中心軸Ｚ２がこの円Ｒから離れるに従って伝送効率が低下する。図３（Ａ）及び（Ｂ）を比較しても明らかなように、従来は点Ｐの一点のみが最も伝送効率が良かったが、本実施形態では、円Ｒ上が最も伝送効率が良い点となる。このため、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１との位置ずれｘに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができる。

次に、本発明者らは、図３（Ｂ）に示すように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘ＝０で給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のインピーダンスを整合した従来品と、図３（Ａ）に示すように中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれを０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄ、０．１８７５Ｄ、０．２５Ｄ、０．３１２５Ｄ、０．３７５Ｄとした状態で給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のインピーダンスを整合した本発明品Ａ〜Ｆと、について中心軸Ｚ１、Ｚ２の横ずれｘが０〜０．３７５Ｄの範囲で変動するときの伝送効率をシミュレーションした。結果を図４に示す。

同図に示すように、従来品は、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９８％であるが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは８２％まで低下してしまう。これに対して、横ずれｘ＝０．０６２５Ｄ、０．１２５Ｄでインピーダンス整合した従来品Ａ、Ｂは、ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは約８５％までに低下を抑えることができる。また、横ずれｘ＝０．１８７５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｃは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９７．５％と若干低下してしまうが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは８９％近くまで低下を押さえることができる。

また、横ずれｘ＝０．２５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｄは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９５．５％であるが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは９２％と伝送効率の低下を大きく抑えることができる。また、横ずれｘ＝０．３１２５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｅは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が９１％まで低下してしまうが、横ずれｘ＝０．３７５Ｄのときは９６％まで大きくすることができる。

さらに、横ずれｘ＝０．３７５Ｄでインピーダンス整合した本発明品Ｆは、横ずれｘ＝０のときの伝送効率が８４％まで低下してしまうが、横ずれ０.３７５Ｄのときは９８％まで大きくすることができる。以上のことから明らかなように従来品では、０〜０．３７５Ｄの範囲で横ずれｘが生じると伝送効率が８２％まで低下してしまうのに対して、本発明品Ａ〜Ｆは、０〜０．３７５Ｄの範囲で横ずれｘが生じたとしても８４％以上の伝送効率を得ることができ、横ずれに起因する伝送効率の低下を抑制し、給電部３から受電部５へ高効率で電力を供給することができることが分かった。

また、上述した実施形態によれば、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１は、円形に巻いて設けられているので、伝送効率の異方性をなくすことができる。

なお、上述した実施形態によれば、給電側、受電側ヘリカルコイル３１、５１は円形に巻いて設けられていたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側、受電側ヘリカルコイル３１、５１の形状としては、円形でなくてもよく、四角形や三角形であってもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 給電システム
３ 給電部（給電手段）
５ 受電部（受電手段）
３３ 給電側ヘリカルコイル（受電側コイル）
５１ 受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）

Claims (2)

1. 電力が供給される給電側コイルが設けられた給電手段と、前記給電側コイルと電磁共鳴して前記給電側コイルからの電力を受電する受電側コイルが設けられた受電手段と、を備えた給電システムにおいて、
   前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が互いにずれた位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合され、前記給電側コイルと前記受電側コイルとの中心軸が一致する位置で前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが整合されていなく、
   前記インピーダンスが整合される前記ずれた位置は、０．０６２５Ｄ〜０．３７５Ｄ（Ｄは前記給電側コイル及び前記受電側コイルの直径）範囲内である
   ことを特徴とする給電システム。
2. 前記給電側コイル及び前記受電側コイルは、円形に巻いて設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。

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