JP5847468B2

JP5847468B2 - 給電システムの設計方法

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Publication number: JP5847468B2
Application number: JP2011154733A
Authority: JP
Inventors: 和義加々美; 田中　信吾; 信吾田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP2013021862A

Description

本発明は、給電システムの設計方法に係り、特に、電力が供給される給電側コイルを有する給電手段と、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受電する受電側コイルを有する受電手段と、を備えた給電システムの設計方法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１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、を有している。上記給電側ループアンテナ３２に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。

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、を有している。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７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。

ところで、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の結合は、コイルの大きさ、コイル間距離、周波数に依存することが知られている。広帯域に渡り安定した伝送効率を得るためには密結合でも疎結合でもない、臨界結合付近を使うことが理想である。そこで、従来は、所望の共鳴周波数で臨界結合を得るために、給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１のコイルの大きさやコイル間距離を調整していた。

しかしながら、上述したようにコイルの大きさを調整する場合は、所望の共鳴周波数毎に異なる大きさの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１を用意する必要があり、コスト的に問題となる。また、上述したように道路２に給電側ヘリカルコイル３３を配置し、自動車４に受電側ヘリカルコイル５１に配置する給電システム１においては、コイル間距離を調整すること自体が非常に困難である。従って、コイルの大きさやコイル間距離の調整によって臨界結合を得ることが難しく、帯域が２分割される、伝送効率が低下するなどの問題があった。

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、受電側コイルの大きさやコイル間距離を調整しなくても所望の共鳴周波数で臨界結合を実現し、広帯域に渡り高い伝送効率を得ることができる給電システムの設計方法を提供することを課題とする。

本発明者は、給電側、受電側コイルの大きさやコイル間距離を調整せずに所望の共鳴周波数で臨界結合が得られるようにすべく検討を重ねた結果、給電手段及び受電手段のインピーダンスを調整すると給電側コイルと受電側コイルとの結合状態が調整できることを見い出し、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１記載の発明は、電力が供給される給電側コイルと直流電力を交流電力に変換して、前記給電側コイルに供給する直流／交流変換器とを有する給電手段と、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受電する受電側コイルと前記受電側コイルが受電した交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器とを有する受電手段と、を備えた給電システムの設計方法であって、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの大きさ及びコイル間距離を変えずに、前記直流／交流変換器及び前記交流／直流変換器のリアクタンスを調整してインピーダンスを調整することにより、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの共鳴周波数が小さくなるほど前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが小さくなるように設計することを特徴とする給電システムの設計方法に存する。

請求項２記載の発明は、電力が供給される給電側コイルを有する給電手段と、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受電する受電側コイルを有する受電手段とを備え、前記給電手段が前記給電手段のインピーダンスを調整する整合器を有し、前記受電手段が前記受電手段のインピーダンスを調整する整合器を有する給電システムの設計方法であって、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの大きさ及びコイル間距離を変えずに、前記両整合器のリアクタンスを調整してインピーダンスを調整することにより、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの共鳴周波数が小さくなるほど前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが小さくなるように設計することを特徴とする給電システムの設計方法に存する。

以上説明したように請求項１〜２記載の発明によれば、給電側コイル及び受電側コイルの共鳴周波数が小さくなるほど給電手段及び受電手段のインピーダンスが小さくなるように設計するので、コイルの大きさや距離を調整しなくても所望の共鳴周波数で臨界結合を実現し、広帯域に渡り高い伝送効率を得ることができる。

本発明の給電システムの設計方法が実施される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。給電部及び受電部の特性インピーダンス＝５０Ω、共鳴周波数０．１ｆ０の給電システム（＝製品Ｂ）について、周波数０．１ｆ０付近での通過特性及び反射特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。給電部及び受電部の特性インピーダンス＝５０Ω、共鳴周波数０．００１ｆ０の給電システム（＝製品Ｃ）について、周波数０．００１ｆ０付近での通過特性及び反射特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。製品Ｂについて、周波数０．１ｆ０付近でのインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。製品Ｃについて、周波数０．００１ｆ０付近でのインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。給電部及び受電部の特性インピーダンス＝２７Ω、共鳴周波数０．１ｆ０の給電システム（＝製品Ｄ）について、周波数０．１ｆ０付近での通過特性及び反射特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。製品Ｄについて、周波数０．１ｆ０付近でのインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。給電部及び受電部の特性インピーダンス＝０．３Ω、共鳴周波数０．００１ｆ０の給電システム（＝製品Ｅ）について、周波数０．００１ｆ０付近での通過特性及び反射特性をシミュレーションした結果を示すグラフである。製品Ｅについて、周波数０．００１ｆ０付近でのインピーダンス特性をシミュレーションした結果を示すスミスチャートである。臨界結合となる共鳴周波数と特性インピーダンスとの関係を示すグラフである。

まず、本発明の給電システムの設計方法が実施される給電システムを図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の設計方法が実施される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。図１に示すように、上記給電システム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（直流）／ＡＣ（交流）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に電磁供給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に並列接続されたコンデンサＣ１と、を有している。

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、その巻線が１巻に設けられているが、２巻以上であっても良い。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（交流）／ＤＣ（直流）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、を有している。

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、その巻線が１巻に設けられているが、２巻以上であってもよい。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良い。

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。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。

次に、本発明の給電システム１の設計方法について説明する。まず、本発明者らは、給電部３及び受電部５の特性インピーダンス＝５０Ωにして、周波数ｆ０が共鳴周波数となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量を調整した給電システム１（以下これを製品Ａとする）について、周波数ｆ０付近での通過特性をシミュレーションした。結果、周波数ｆ０付近の広い範囲で高い通過特性が得ることができ、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の臨界結合できている。

次に、本発明者らは、上記周波数ｆ０付近で臨界結合が得られている製品Ａにおいて周波数０．１ｆ０が共鳴周波数となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量のみを調整した給電システム１（以下これを製品Ｂとする）について、共鳴周波数０．１ｆ０付近での通過特性及び反射特性をシミュレーションした。結果を図３に示す。同図に示すように、周波数０．１ｆ０付近では、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の結合が強くなりすぎ、結果帯域が２分割され、帯域が狭くなってしまっている。

さらに、本発明者らは、上記周波数ｆ０付近で臨界結合が得られている製品Ａにおいて周波数０．００１ｆ０が共鳴周波数となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量のみを調整した給電システム１（以下これを製品Ｃとする）について、周波数０．００１ｆ０付近での通過特性及び反射特性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、周波数０．００１ｆ０付近では、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の結合が強くなりすぎ、もはや通過特性がほとんどない状態となっている。

そこで、本発明者らは、給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の大きさや距離を変えずに給電側ヘリカルコイル３３及び受電側ヘリカルコイル５１の結合を調整できる方法を検討すべく、製品Ｂについて周波数０．１ｆ０付近でのインピーダンス特性をシミュレーションしてみた。結果を図５に示す。また、本発明者らは製品Ｃについて周波数０．００１ｆｏ付近でのインピーダンス特性をシミュレーションした。結果を図６に示す。

同図に示すように、製品Ｂにおいては周波数０．１ｆ０付近でインピーダンスが５０Ω（図５中の１＝５０Ω）よりも低くなっていることが分かった。また、製品Ｃにおいては周波数０．００１ｆ０付近でのインピーダンスが５０Ω（図６中の１＝５０Ω）よりもかなり低くなっていることが分かった。

そこで、本発明者らは、給電部３及び受電部５の特性インピーダンスが２７ΩになるようにＤＣ／ＡＣ変換器３１、ＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整し、周波数０．１ｆ０が共鳴周波数となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量が調整された給電システム１（製品Ｄ）について周波数０．１ｆ０付近での通過特性及び反射特性とインピーダンス特性とをシミュレーションした。結果を図７及び図８に示す。なお、製品Ａの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１と製品Ｄの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１とは、その大きさ、コイル間距離が互いに同じである。同図からも明らかなように、特性インピーダンスを下げることにより臨界結合が得られることが分かった。

また、本発明者らは、給電部３及び受電部５のインピーダンスが０．３ΩになるようにＤＣ／ＡＣ変換器３１、ＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整し、周波数０．０１ｆ０が共鳴周波数となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量が調整された給電システム１（製品Ｅ）について周波数０．００１ｆ０付近での通過特性及び反射特性とインピーダンス特性とをシミュレーションした。結果を図９及び図１０に示す。なお、製品Ａの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１と製品Ｅの給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１とは、その大きさ、コイル間距離が互いに同じである。同図からも明らかなように、特性インピーダンスを下げることにより臨界結合が得られることが分かった。

即ち、本発明者らは、給電部３及び受電部５のインピーダンスを調整すると給電側、受電側ヘリカルコイル３３、５１の結合状態が調整できることを見い出し、本発明を完成するに至った。

そこで、給電システム１を設計する際には、ＤＣ／ＡＣ変換器３１及びＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整することによって、図１１に示すように所望の共鳴周波数が小さくなるほど給電部３及び受電部５のインピーダンスが小さくなるように設計している。具体的には、ＤＣ／ＡＣ変換器３１及びＡＣ／ＤＣ変換器５３に内蔵されたコンデンサの容量やコイルのインダクタを調整している。ここでは、ＤＣ／ＡＣ変換器３１及びＡＣ／ＤＣ変換器５３で用いられるコンデンサやコイルとしては、臨界結合が得られるような容量やインダクタに固定されたコンデンサやコイルを用いているが、容量やインダクタが可変な可変コンデンサや可変コイルを用いて、容量やインダクタを調整してもよい。

また、特性インピーダンスが５０Ωを超える周波数では給電側ループアンテナ３２と給電側ヘリカルコイル３３との距離、受電側ループアンテナ５２と受電側ヘリカルコイル５１との距離を調整することで臨界結合を得るように調整する。特性インピーダンスが５０Ωでなくなったことにより、従来の高周波回路とのインタフェースが問題となるが、その場合のインピーダンス変換方式にはλ／４伝送線路を用いたもの、Ｌ／Ｃの回路を用いたもの、トランスを用いたものなど各種技術ががあり、これらを組み合わせることで回路のインタフェースは実現可能である。

上述した実施形態によれば、給電部３及び受電部５のインピーダンスが小さくなるように調整するので、コイルの大きさや距離を調整しなくても所望の共鳴周波数で臨界結合を実現し、広帯域に渡り高い伝送効率を得ることができる。

なお、上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＡＣ変換器３１、ＡＣ／ＤＣ変換器５３のインピーダンスを調整していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、給電部３及び受電部５にそれぞれコンデンサやコイルから成る整合器を設けて、整合器のインピーダンスを調整することにより、給電部３及び受電部５の共鳴周波数が小さくなるほど給電部３及び受電部５のインピーダンスが小さくなるように設計してもよい。

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（給電側コイル）
３１ＤＣ／ＡＣ変換器（直流／交流変換器）
５３ＡＣ／ＤＣ変換器（交流／直流変換器）
５１受電側ヘリカルコイル（受電側コイル）

Claims

電力が供給される給電側コイルと直流電力を交流電力に変換して、前記給電側コイルに供給する直流／交流変換器とを有する給電手段と、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受電する受電側コイルと前記受電側コイルが受電した交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換器とを有する受電手段と、を備えた給電システムの設計方法であって、
前記給電側コイル及び前記受電側コイルの大きさ及びコイル間距離を変えずに、前記直流／交流変換器及び前記交流／直流変換器のリアクタンスを調整してインピーダンスを調整することにより、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの共鳴周波数が小さくなるほど前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが小さくなるように設計する
ことを特徴とする給電システムの設計方法。
電力が供給される給電側コイルを有する給電手段と、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受電する受電側コイルを有する受電手段とを備え、前記給電手段が前記給電手段のインピーダンスを調整する整合器を有し、前記受電手段が前記受電手段のインピーダンスを調整する整合器を有する給電システムの設計方法であって、
前記給電側コイル及び前記受電側コイルの大きさ及びコイル間距離を変えずに、前記両整合器のリアクタンスを調整してインピーダンスを調整することにより、前記給電側コイル及び前記受電側コイルの共鳴周波数が小さくなるほど前記給電手段及び前記受電手段のインピーダンスが小さくなるように設計する
ことを特徴とする給電システムの設計方法。