JP2012034524A - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の送電コイルを設けることなく複数の共振点を有する無線電力伝送装置を提供すること。
【解決手段】非接触で受電装置側に電力を伝送する無線電力伝送装置であって、この無線電力伝送装置は、高周波発振源１０１からの高周波電力を得て、高周波磁界を発生する送電コイル１０２と、キャパシタとインダクタとを含み、送電コイル１０２と共振をとるための並列共振回路２０２ａ〜２０２ｃと、並列共振回路２０２ａ〜２０２ｃに直列接続された直列キャパシタ２０１ａ〜２０１ｃとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波発振源から出力された高周波電力にを得て送電コイルからおよび受電コイルの間の位置関係を検出可能な無線電力伝送装置に関する。

近年、例えば電気自動車などへの非接触充電のために、無線電力伝送装置が開発されている。この無線電力伝送装置においては、充電装置側に送電コイルが、電気自動車側に受電コイルが設けられ、電磁誘導方式を用いることにより非接触で高効率の伝送効率を実現してきた。しかしながら、この電磁誘導による無線電力伝送装置では、送電コイル及び受電コイルの共振周波数のずれにより、伝送効率が大きく劣化することが知られている。

従来は、充電側及び／又は受電側に、共振周波数が互いに異なる複数の送電コイル及び／又は受電コイルを設置し、充電側及び／又は受電側に複数の共振周波数を持たせることにより、周波数調整をすることなく共振周波数のずれを防止してきた（以下の特許文献１〜４を参照）。

特開２００１−１０９８６１号公報 特開２００１−１０９８６２号公報 特開２００４−０７２６１９号公報 特開２００４−３４３４１０号公報

しかしながら、上記従来特許文献１〜４の方法では、複数のコイルを使用するため、電気自動車への充電装置などに使用される、インダクタンスが高く、寸法が大きいコイルを用いたシステムにおいては、寸法面およびコスト面で実現が困難であった。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、複数の送電コイルを設けることなく複数の共振点を有する無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、非接触で受電装置側に電力を伝送する無線電力伝送装置であって、高周波発振源からの高周波電力を得て、高周波磁界を発生する送電コイルと、キャパシタとインダクタとを含み、前記送電コイルと共振をとるための並列共振回路と、前記並列共振回路に直列接続された直列キャパシタとを備えている。

この構成により、無線電力伝送装置に複数の共振点を持たせることが可能となるので、互いに異なる共振周波数を有する複数の送電コイルが不要となる。これによって、小さな寸法でかつ低コストで無線電力伝送装置を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態１における無線電力伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１における共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂより低い場合の反射特性を示す図 本発明の実施の形態１における共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂと接近した場合の反射特性を示す図 本発明の実施の形態１における共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂより高い場合の反射特性を示す図 本発明の実施の形態１における共振回路１０３を送電コイル１０２に並列に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１における共振回路１０３を送電コイル１０２に複数直列に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１における共振回路１０３を送電コイル１０２の両端に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図

以下、本発明の無線電力伝送装置を実施するための最良の形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の無線電力伝送装置の実施の形態１の詳細について説明する。

図１は、本発明の無線電力伝送装置の構成を示す模式図である。図１において、無線電力伝送装置は、高周波発振源１０１と、リード線１０４と、共振回路１０３と、送電コイル１０２と、電磁結合コイル１０５と、共振キャパシタ１０６とを備えている。

高周波発振源１０１は、高周波電力を生成し、出力する発振源である。

送電コイル１０２は、高周波発振源１０１から出力された高周波電力を得て高周波の磁界を発生するコイルである。

共振回路１０３は、送電コイル１０２と共振を取るために設けられた共振回路であり、本実施形態では例示的に、直列キャパシタ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃとを有する。

直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは互いに並列に接続され、高周波発振源１０１、後述する並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃに対して直列に接続されている。

並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃは互いに並列に接続され、直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、送電コイル１０２に対して直列に接続されている。並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃはそれぞれ、インダクタとキャパシタの並列接続回路により構成され、それぞれ異なる共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを有する。また、並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃを構成するインダクタは、送電コイル１０２より低いインダクタンスを有する。これにより並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの寸法、コストを低減することができる。さらには、無線電力伝送装置の小型化・低コスト化を図ることも可能となる。

なお、本実施形態では、直列コンデンサおよび並列共振回路がそれぞれ３つの場合について記載してあるが、１以上であれば、いくつであってもかまわない。

また、直列コンデンサを高周波発振源１０１側、並列共振回路を送電コイル１０２側に接続してあるが、並列共振回路を高周波発振源１０１側、直列コンデンサを送電コイル１０２側に接続した構成であってもよい。

リード線１０４は高周波発振源１０１、送電コイル１０２、共振回路１０３を電気的に接続するリード線である。高周波発振源１０１と送電コイル１０２間の距離が離れているほど、リード線１０４は長くなる。リード線１０４は共振回路１０３を介して送電コイル１０２と接続することにより、リード線１０４にかかる電圧を低く抑えることができる。

電磁結合コイル１０５は共振コンデンサ１０６と直列に接続され、送電コイル１０２と誘導結合する電磁結合コイルである。

以上のように構成された無線電力伝送装置について、その動作を説明する。

高周波発振源１０１の発振周波数が共振周波数ｆａであり、並列共振回路２０２ａが共振状態のとき、直列コンデンサ２０１ａには電流は流れず、直列コンデンサ２０１ｂ、２０１ｃへ電流が流れる。このときの共振回路１０３全体の容量値と送電コイル１０２が共振し、第１の共振点を生成する。

上記発振周波数が共振周波数ｆｂであり、並列共振回路２０２ｂが共振状態のとき、直列コンデンサ２０１ｂには電流は流れず、直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｃへ電流が流れる。このときの共振回路１０３全体の容量値と送電コイル１０２が共振し、第２の共振点を生成する。

上記発振周波数が共振周波数ｆｃであり、並列共振回路２０２ｃが共振状態のとき、直列コンデンサ２０１ｃには電流は流れず、直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂへ電流が流れる。このときの共振回路１０３全体の容量値と送電コイル１０２が共振し、第３の共振点を生成する。

上記発振周波数が並列共振回路２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの共振周波数でない場合、直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ全てに電流が流れる。このときの共振回路１０３全体の容量値と送電コイル１０２が共振し、第４の共振点を生成する。第４の共振点の周波数ｆｔは全ての直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃの合計値と送電コイル１０２のインダクタンスより近似的に計算できる。送電コイル１０２のインダクタンスをＬｔ、直列コンデンサ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃのキャパシタンスをＣａ、Ｃｂ、Ｃｃとするとき、以下の式（１）で近似することができる。

ｆｔ≒１／（２π√Ｌｔ（Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ））…（１）
以上より、並列共振回路の数に１加えた数の共振点を得ることができる。

また、第４の共振周波数は第１から３の共振点が発生する周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃと接近した値であるほうが広い帯域を得ることができる。

以下には、並列共振回路が２つの場合について、高周波発振源１０１とリード線１０４の間を入力端としたときの反射特性の計算結果を用いて説明する。図２は、共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂより低い場合の反射特性を示す図である。図３は、共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂと接近した場合の反射特性を示す図である。図４は、共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂより高い場合の反射特性を示す図である。いずれの場合においても並列共振回路の個数２よりも１つ多い３つの共振点が発生するが、共振周波数ｆｔが並列共振周波数ｆａ、ｆｂと接近した場合（図３の場合）がもっとも各共振点での帯域が広いことがわかる。ここで、ｆｔは、用途にもよるが、並列共振周波数ｆａ、ｆｂの平均値ｆａｖｅ を基準として、±（ｆａｖｅ ×０．２５）の周波数の範囲内にあることが好ましい。なお、並列共振回路が１つの場合、その並列共振回路の共
振周波数（例えばｆａ）を基準として、±（ｆａ×０．２５）の周波数の範囲内にあることが好ましい。

なお、電磁結合コイル１０５を送電コイル１０２と誘導結合させることにより共振点をさらにひとつ増加させることができる。

図５は、共振回路１０３を送電コイル１０２に並列に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図である。図６は、共振回路１０３を送電コイル１０２に複数直列に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図である。図７は、共振回路１０３を送電コイル１０２の両端に接続した場合の無線電力伝送装置の構成を示す図である。図１では共振回路１０３を送電コイル１０２に直列に接続した場合について述べたが、図５から７に示すような接続方法であってもよい。

また、共振回路１０３を送電側に適用した場合について記載したが、受電側に適用してもよい。

以上により、本発明の無線電力伝送装置の構成により、コイルを複数設けることなく回路にて複数の共振点を有する無線電力伝送装置を実現できる。

本発明の無線電力伝送装置は、回路にて複数の共振点を有する無線電力伝送装置を実現できる。これにより周波数調整をすることなく共振周波数のずれを防止できるほか、互いに異なる複数の周波数で無線電力伝送を実現することができる。よって、本発明の無線電力伝送装置を、例えば、携帯機器、電気自動車などの非接触充電器、誘導加熱装置として適用できる。

１０１ 高周波発振源
１０２ 送電コイル
１０３ 共振回路
１０４ リード線
１０５ 電磁結合コイル
１０６ 共振コンデンサ
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ 直列コンデンサ
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ 並列共振回路

Claims (6)

1. 非接触で受電装置側に電力を伝送する無線電力伝送装置であって、
   高周波発振源からの高周波電力を得て、高周波磁界を発生する送電コイルと、
   キャパシタとインダクタとを含み、前記送電コイルと共振をとるための並列共振回路と、
   前記並列共振回路に直列接続された直列キャパシタとを備えた、無線電力伝送装置。
2. 前記並列共振回路の並列共振周波数をｆとし、前記直列キャパシタの容量値と前記送電コイルのインダクタンスとから計算される共振点周波数をｆｔとするとき、
   前記ｆと前記ｆｔとは近接することを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記ｆｔは、前記ｆを基準として、±０．２５×ｆの範囲内にあることを特徴とする、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記無線電力伝送装置は、前記並列共振回路と前記並列共振回路に直列接続された直接キャパシタとを複数組備えており、
   前記並列共振回路と前記直接キャパシタとの組合せは互いに並列に接続されることを特徴する、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記複数の並列共振回路の並列共振周波数の平均値をｆａｖｅ とし、前記直列キャパシタの容量値と前記送電コイルのインダクタンスとから計算される共振点周波数をｆｔとするとき、
   前記ｆａｖｅ と前記ｆｔとは近接することを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
6. 前記インダクタは、前記送電コイルよりも小さいインダクタンスを有することを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送装置。

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