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JP6148501B2 - 送電システム - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、送電システムに関する。
電気機器の充電を無線送電によって行う技術が知られている。例えば、送電装置から送出された電波（マイクロ波）を、受電装置が電気エネルギーに変換することにより、受電装置側のバッテリを充電できる。
しかし、このような無線電力伝送では、電波の一部が周囲へ漏れると、電力伝送効率が低下したり、周囲の機器等に影響が及んだりするという問題があった。
特許第４８６５４５１号公報
本発明は、無線電力伝送における電波の漏れを防止した送電システムを提供することを目的とする。
本実施形態によれば、送電システムは、高周波電源を供給する電源部と、磁性体コア及び巻き線部を有し、前記電源部からの電力を、受電装置に対して相互インダクタンスにより無線で送電する送電インダクタと、を備える送電装置と、所定間隔を空けて配置された複数の導電性のループを有する電波漏れ防止装置と、を備えている。前記送電装置は前記ループ内に配置される。前記ループの巻き方向は、前記巻き線部の巻き方向に対し垂直にならないようになっている。
本実施形態に係る電波漏れ防止装置を使用する無線電力伝送システムのブロック構成図。 無線電力伝送システムを適用した電気自動車のブロック構成図。 本実施形態に係る電波漏れ防止装置の斜視図。 本実施形態による電界強度の変化を示すグラフ。 本実施形態による漏洩電界の減少率を示すグラフ。 本実施形態による磁界強度の変化を示すグラフ。 本実施形態による漏洩磁界の減少率を示すグラフ。 比較例による電界強度分布の一例を示す図。 本実施形態による電界強度分布の一例を示す図。 比較例による磁界強度分布の一例を示す図。 本実施形態による磁界強度分布の一例を示す図。 変形例による電波漏れ防止装置の斜視図。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の実施形態に係る電波漏れ防止装置を使用する無線電力伝送システムのブロック構成を示す。無線電力伝送システムは、送電装置１と、送電装置１から電力が無線伝送される受電装置２とを備え、受電装置２は伝送された電力を電気機器の負荷２８に供給する。受電装置２は、電気機器の内部に設けられていてもよいし、電気機器と一体型に設けられていてもよいし、電気機器本体の外装に固着するようにしてもよい。例えば、電気機器は携帯端末や電気自動車であり、負荷２８は充電池である。
送電装置１は、商用電源から電力伝送用のＲＦに変換する電源部１１と、必要な電力量を制御するとともに、送電装置１の各部を制御する制御部１２と、センサ部１３と、通信部１４と、送電インダクタ１５とを備えている。
センサ部１３は、例えば、送電装置１の発熱を監視する温度センサ、送電インダクタ１５と後述する受電インダクタ２１との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、受電インダクタ２１の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、送電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサを有している。
通信部１４は、後述する受電装置２の通信部２７と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を受信したり、送電装置１の送電状況を送信したりする。
送電インダクタ１５は、図示しない磁性体コア及び巻き線部を有する。磁性体コアは例えばフェライトからなり、巻き線部は銅線からなる。送電インダクタ１５は、巻き線部が磁性体コアに巻きつけられたソレノイド型でもよいし、巻き線部が磁性体コアの表面に配置されたスパイラル型でもよい。
受電装置２は、送電装置１の送電インダクタ１５との相互インダクタンスにより電力を受電する受電インダクタ２１と、受電インダクタ２１と接続されるキャパシタ部２２と、キャパシタ部２２を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器２３と、負荷２８の動作電圧に基づいて昇圧及び／又は降圧を行う昇降圧回路２４と、受電装置２の各部を制御する制御部２５と、センサ部２６と、通信部２７とを備えている。送電装置１側で受電電力を制御する場合は、昇降圧回路２４を省略することができる。
受電インダクタ２１は、図示しない磁性体コア及び巻き線部を有する。磁性体コアは例えばフェライトからなり、巻き線部は銅線からなる。受電インダクタ２１は、送電インダクタ１５と同様の構成を有し、巻き線部が磁性体コアに巻きつけられたソレノイド型でもよいし、巻き線部が磁性体コアの表面に配置されたスパイラル型でもよい。
センサ部２６は、例えば、受電装置２の発熱を監視する温度センサ、受電インダクタ２１と送電インダクタ１５との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、送電インダクタ１５の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、受電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサを有している。通信部２７は、送電装置１の通信部１４と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を送信したり、送電装置１の送電状況を受信したりする。
制御部２５は、通信部２７が送電装置１との通信で取得した情報や、センサ部２６の検出結果に基づいて、受電電力（負荷２８への供給電力）を制御する。
図２は、図１に示す無線電力伝送システムを電気自動車３０に適用した場合の一例を示している。受電装置２が電気機器としての電気自動車３０に設けられる。電源部１１と接続された送電インダクタ１５から、相互インダクタンスを介して、受電インダクタ２１へ電力が伝送され、電力制御装置３２（整流器２３、昇降圧回路２４、制御部２５等）を介して、負荷２８に相当するバッテリ３４が充電される。図２では、説明の便宜上、送電装置１の制御部１２、センサ部１３、通信部１４や、受電装置２のセンサ部２６、通信部２７の図示を省略している。
図２に示すように、送電インダクタ１５が地表又は地中に設けられ、受電インダクタ２１が送電インダクタ１５の上方に位置するように電気自動車３０を駐車する。
図３は、本実施形態に係る電波漏れ防止装置１００の概略構成を示している。電波漏れ防止装置１００は、所定間隔を空けて配置された複数の導電性のループ（ループ線）１１０を備えている。ループ１１０は例えば銅からなる。図３に示すように、ループ１１０で囲まれた領域内に、図１に示す無線電力伝送システムが配置される。例えば、ループ１１０及び送電装置１を有する送電システムが設置され、受電装置２を有する電気自動車（図２参照）が、図３のｘ軸方向に沿って移動し、電波漏れ防止装置１００の開口部１２０を介して電波漏れ防止装置１００内に進入し、受電装置２が送電装置１の上方に位置する場所で停車する。
ここで、ループ１１０の巻き方向は、送電装置１の送電インダクタ１５の巻き線の巻き方向や、受電装置２の受電インダクタ２１の巻き線の巻き方向に対し垂直にならないようになっている。このような巻き方向のループ１１０を設けることで、送電インダクト１５と受電インダクタ２１との間で電力伝送を行う際に、ループ１１０には誘起電流が流れ、漏洩電磁界が打ち消される。
送電インダクタ１５の巻き線の巻き方向や、受電インダクタ２１の巻き線の巻き方向に対し垂直にならないループ１１０の巻き方向は、例えば、送電インダクタ１５の巻き線や受電インダクタ２１の巻き線と同じ巻き方向である。ループ１１０の巻き方向をこのような方向にすることで、漏洩電磁界の打消し効果を最も高めることができる。
図４は電波漏れ防止装置１００を設けた場合と、設けなかった場合の、ｘ軸方向及びｙ軸方向の電界強度の変化を示している。ｘ軸方向、ｙ軸方向は、図３に示すｘ軸方向、ｙ軸方向に対応している。ここで、電波漏れ防止装置１００は、ｘ軸方向に５０ｃｍ間隔で配置された５本のループ１１０を有している。すなわち、両端のループ１１０の距離（電波漏れ防止装置１００のｘ軸方向の大きさ）が２ｍとなっている。また、電波漏れ防止装置１００のｙ軸方向の大きさ（ループ１１０のｙ軸方向の大きさ）を２ｍとする。また、送電装置１及び受電装置２は、電波漏れ防止装置１００の中心部に配置されているものとする。図４の横軸の距離は、送電装置１及び受電装置２の位置を基準としている。
また、図５は、電波漏れ防止装置１００を設けたことよる、ｘ軸方向、ｙ軸方向の漏洩電界の減少率を示している。
図４及び図５から、電波漏れ防止装置１００により、ｘ軸方向、ｙ軸方向において漏洩電界を減少させられることがわかる。特に、ｙ軸方向において漏洩電界を大きく減少させられることがわかる。
図６は電波漏れ防止装置１００を設けた場合と、設けなかった場合の、ｘ軸方向及びｙ軸方向の磁界強度の変化を示している。
また、図７は、電波漏れ防止装置１００を設けたことよる、ｘ軸方向、ｙ軸方向の漏洩磁界の減少率を示している。
図６及び図７から、電波漏れ防止装置１００により、ｘ軸方向、ｙ軸方向において漏洩磁界を減少させられることがわかる。特に、ｙ軸方向において漏洩磁界を大きく減少させられることがわかる。
図８は、電波漏れ防止装置１００を設けなかった場合の、ｙｚ平面及びｚｘ平面での電界強度分布を示す。また、図９は、電波漏れ防止装置１００を設けなかった場合の、ｙｚ平面及びｚｘ平面での磁界強度分布を示す。
一方、図１０は、電波漏れ防止装置１００を設けた場合の、ｙｚ平面及びｚｘ平面での電界強度分布を示す。また、図１１は、電波漏れ防止装置１００を設けた場合の、ｙｚ平面及びｚｘ平面での磁界強度分布を示す。
図８〜図１１から、電波漏れ防止装置１００により、ｘ軸方向、ｙ軸方向だけでなく、ｚ軸方向においても漏洩電界、漏洩磁界を減少させられることがわかる。
なお、ループ１１０には、漏洩電磁界を打ち消すための誘起電流が流れる必要があるため、ループ１１０の直径は表皮厚以上となる。表皮厚δは以下の数式で求めることができる。数式において、ωは角周波数、μは透磁率、σは導電率である。
このように、本実施形態によれば、送電インダクタ１５や受電インダクタ２１と同じ巻き方向のループを複数配置した簡易な構成の電波漏れ防止装置１００により、無線電力伝送における電波の漏れを防止することができる。
電波漏れ防止装置１００を絶縁性の樹脂シート等で覆ってもよい。これにより、無線電力伝送による充電中の電気自動車等を雨などから保護することができる。また、電波漏れ防止装置１００の外部から、誘起電流が流れるループ１１０に直接接触することを防止できる。また、各ループ１１０を絶縁体で覆ってもよい。
上記実施形態では、電波漏れ防止装置１００を複数のループ１１０で構成していたが、図１２に示すように、導体板１３０を設け、この導体板１３０に導線１４０の両端を接続してループを形成してもよい。導体板１３０は例えばアルミニウム板である。この場合も、導体板１３０及び導線１４０からなるループの巻き方向が、送電インダクタ１５や受電インダクタ２１の巻き方向に対し垂直にならないようにする。図１２では、電波漏れ防止装置１００の底面を導体板１３０にしているが、側面や上面を導体板１３０にしてもよい。
上記実施形態では、電波漏れ防止装置１００は、複数の導電性のループ１１０を備えていたが、ループ１１０を１つにしてもよい。
上記実施形態では、地面等への設置容易性から、ループ１１０の形状を矩形（略矩形）にしていたが、半円形など他の形状としてもよい。ループ１１０の形状が半円形の場合は、直線部が電波漏れ防止装置１００の底部となるようにすることで、地面等に容易に設置できる。
また、電波漏れ防止装置１００内への異物（例えば人間や鳥）の侵入を検知するセンサを設けてもよい。このセンサは、送電装置１の通信部１４を介して、又は直接、制御部１２に接続される。センサが異物の侵入を検知した場合、制御部１２は送電を中止する。送電装置１のセンサ部１３が電波漏れ防止装置１００内への異物の侵入を検知してもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 送電装置
２ 受電装置
１１ 電源部
１２ 制御部
１３ センサ部
１４ 通信部
１５ 送電インダクタ
２１ 受電インダクタ
２２ キャパシタ部
２３ 整流器
２４ 昇降圧回路
２５ 制御部
２６ センサ部
２７ 通信部
２８ 負荷
３０ 電気自動車
３２ 電力制御装置
３４ バッテリ
１００ 電波漏れ防止装置
１１０ ループ

Claims (8)

  1. 高周波電源を供給する電源部と、磁性体コア及び巻き線部を有し、前記電源部からの電力を、受電装置に対して相互インダクタンスにより無線で送電する送電インダクタと、を備える送電装置と、
    １つ又は所定間隔を空けて配置された複数の導電性のループを有する電波漏れ防止装置と、を備え、
    前記送電装置は前記ループ内に配置され、
    前記ループの巻き方向は、前記送電インダクタの巻き線部の巻き方向及び前記受電装置に備えた受電インダクタの巻き線部の巻き方向に対し垂直にならない送電システム。
  2. 前記ループは、前記送電インダクタの巻き線部の巻き方向及び前記受電装置に備えた受電インダクタの巻き線部の巻き方向と同じ方向である請求項１に記載の送電システム。
  3. 前記複数のループは、導体板、及び前記導体板に両端が接続された複数の導線を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の送電システム。
  4. 前記電波漏れ防止装置内への異物の侵入を検知するセンサをさらに備え、
    前記センサが異物の侵入を検知した場合、前記送電装置は送電を停止することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の送電システム。
  5. 各ループは絶縁体で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の送電システム。
  6. 前記複数のループを覆う絶縁シートをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の送電システム。
  7. 前記ループの形状は矩形又は半円形であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の送電システム。
  8. 前記ループの開口部は、前記受電装置を有する電気自動車が進入する大きさである請求項１乃至７のいずれかに記載の送電システム。
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