JP6820047B2 - Contactless power transfer system - Google Patents
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Description
本発明は、非接触で電力の伝送を行う非接触電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission system that transmits power in a non-contact manner.
負荷と電源とを直接接続することなく、電源が出力する電力を非接触で負荷に伝送する技術が開発されている。当該技術は、一般的に、非接触電力伝送やワイヤレス給電と呼ばれている。当該技術は、携帯電話や家電製品、電気自動車、無人搬送車(AGV:Automated Guided Vehicle)などへの電力伝送に応用されている。 Technology has been developed to transmit the power output by the power supply to the load in a non-contact manner without directly connecting the load and the power supply. The technology is commonly referred to as contactless power transfer or wireless power transfer. The technology is applied to power transmission to mobile phones, home appliances, electric vehicles, automatic guided vehicles (AGVs), and the like.
非接触電力伝送では、高周波電源装置に接続された送電装置から、負荷に接続された受電装置に、非接触で送電を行う。送電装置には送電コイルが備えられており、受電装置には受電コイルが備えられている。送電コイルと受電コイルとが磁気的に結合されることで、非接触での送電が行われる。例えば、特許文献1には、送電コイルおよび受電コイルがともに直列共振回路を構成する、磁界共鳴方式の非接触電力伝送装置が記載されている。 In non-contact power transmission, power is transmitted non-contactly from a power transmission device connected to a high-frequency power supply device to a power receiving device connected to a load. The power transmission device is equipped with a power transmission coil, and the power reception device is equipped with a power reception coil. Non-contact power transmission is performed by magnetically coupling the power transmission coil and the power reception coil. For example, Patent Document 1 describes a magnetic field resonance type non-contact power transmission device in which both a power transmission coil and a power reception coil form a series resonance circuit.
本願発明者は、高周波電源装置を定電流源とし、送電コイルが直列共振回路を構成し、受電コイルが並列共振回路を構成し、磁界共鳴方式で非接触電力伝送を行うことにより、受電側の並列共振回路からの出力電流を一定の大きさとして、蓄電デバイスを定電流充電する非接触電力伝送システムを開発した(特願2015−221504)。 The inventor of the present application uses a high-frequency power supply device as a constant current source, a transmitting coil constitutes a series resonance circuit, a power receiving coil constitutes a parallel resonance circuit, and non-contact power transmission is performed by a magnetic field resonance method. We have developed a non-contact power transmission system that charges a power storage device with a constant current with the output current from the parallel resonant circuit set to a constant magnitude (Japanese Patent Application No. 2015-221504).
しかしながら、送電コイルと受電コイルとを同様の仕様のコイルとした場合、受電側の並列共振回路からの出力電流が、高周波電源装置の出力電流と比べて小さくなるという問題があった。 However, when the power transmitting coil and the power receiving coil have the same specifications, there is a problem that the output current from the parallel resonant circuit on the power receiving side is smaller than the output current of the high frequency power supply device.
本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、高周波電源装置を定電流源とした場合でも、受電側の共振回路からの出力電流を、高周波電源装置の出力電流と比べて大きくすることができる非接触電力伝送システムを提供することを目的としている。 The present invention has been conceived under the above circumstances, and even when a high-frequency power supply device is used as a constant current source, the output current from the resonance circuit on the power receiving side is compared with the output current of the high-frequency power supply device. The purpose is to provide a non-contact power transmission system that can be increased in size.
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。 In order to solve the above problems, the following technical measures are taken in the present invention.
本発明によって提供される非接触電力伝送システムは、一定の高周波電流を出力する高周波電源装置と、前記高周波電源装置が出力する電力を伝送する送電装置と、前記送電装置から送電される電力を前記送電装置と非接触で受電する受電装置とを備え、前記送電装置は、前記高周波電源装置からの電流出力を電圧出力に変換する変換手段を含むことを特徴とする。この構成によると、高周波電源装置が出力する一定の高周波電流は、変換手段によって、一定の高周波電圧に変換される。したがって、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間の磁気結合による相互インダクタンスを調整することで、受電装置は、高周波電源装置の出力電流と比べて大きい電流を出力することができる。 The non-contact power transmission system provided by the present invention includes a high-frequency power supply device that outputs a constant high-frequency current, a power transmission device that transmits power output by the high-frequency power supply device, and the power transmission device that transmits power. The power transmission device includes a power transmission device and a power reception device that receives power in a non-contact manner, and the power transmission device includes a conversion means for converting a current output from the high frequency power supply device into a voltage output. According to this configuration, the constant high frequency current output by the high frequency power supply device is converted into a constant high frequency voltage by the conversion means. Therefore, by adjusting the mutual inductance due to the magnetic coupling between the power transmission coil of the power transmission device and the power reception coil of the power reception device, the power reception device can output a larger current than the output current of the high frequency power supply device.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記変換手段は、電流−電圧変換回路である。この構成によると、変換手段をハードウエアとして構成することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the conversion means is a current-voltage conversion circuit. According to this configuration, the conversion means can be configured as hardware.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記送電装置は、電力を送電する送電コイルと、前記送電コイルに直列接続されて、共振回路を構成する共振コンデンサと、を有する送電ユニットを備え、前記受電装置は、電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルに直列接続されて、共振回路を構成する共振コンデンサと、を有する受電ユニットを備えている。この構成によると、送電ユニットおよび受電ユニットは、ともに直列共振回路であり、磁界共鳴方式で電力伝送を行う。したがって、受電ユニットは一定の高周波電流を出力することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the power transmission device comprises a power transmission unit having a power transmission coil for transmitting power and a resonance capacitor connected in series to the power transmission coil to form a resonance circuit, and the power reception device. The device includes a power receiving unit having a power receiving coil that receives power and a resonance capacitor that is connected in series to the power receiving coil to form a resonance circuit. According to this configuration, both the power transmission unit and the power reception unit are series resonance circuits, and perform power transmission by a magnetic field resonance method. Therefore, the power receiving unit can output a constant high frequency current.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の磁気結合による相互インダクタンスのインピーダンスは、前記電流−電圧変換回路の特性インピーダンスより小さい。この構成によると、受電ユニットは、高周波電源装置の出力電流より大きい電流を出力することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the impedance of the mutual inductance due to the magnetic coupling between the power transmitting coil and the power receiving coil is smaller than the characteristic impedance of the current-voltage conversion circuit. According to this configuration, the power receiving unit can output a current larger than the output current of the high frequency power supply device.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記電流‐電圧変換回路は、前記高周波電源装置が出力する高周波電流の周波数において各インピーダンスの大きさが等しくなるように設計されているインダクタとコンデンサとを、T型またはπ型に配置したフィルタ回路、および、伝送線路であって、その長さが、前記周波数の、当該伝送線路における伝送波長の略4分の1の長さである伝送線路のいずれか一方を備えている。この構成によると、フィルタ回路または伝送線路だけで、電流‐電圧変換回路を構成することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the current-voltage conversion circuit comprises an inductor and a capacitor designed so that the magnitudes of the respective impedances are equal at the frequency of the high frequency current output by the high frequency power supply device. Either a filter circuit arranged in a T-type or a π-type, or a transmission line whose length is approximately one-fourth of the transmission wavelength of the transmission line at the said frequency. It has one. According to this configuration, the current-voltage conversion circuit can be configured only by the filter circuit or the transmission line.
本発明の好ましい実施の形態においては、前記電流−電圧変換回路は、1つのインダクタと2つのコンデンサとを、π型に配置したフィルタ回路と、伝送線路とを備え、前記伝送線路の長さを、前記高周波電源装置が出力する周波数f0の、当該伝送線路における伝送波長λのx倍とした場合、前記インダクタの自己インダクタンスLと前記コンデンサのキャパシタンスCは、下記式に基づいて設計される。なお、前記伝送線路の特性インピーダンスをZ0としており、βは位相定数(2π/λ)である。この構成によると、伝送線路の長さに応じて、フィルタ回路を適切に設計することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記電流−電圧変換回路は、2つのインダクタと1つのコンデンサとを、T型に配置したフィルタ回路と、伝送線路とを備え、前記伝送線路の長さを、前記高周波電源装置が出力する周波数f0の、当該伝送線路における伝送波長λのx倍とした場合、前記インダクタの自己インダクタンスLと前記コンデンサのキャパシタンスCは、下記式に基づいて設計される。なお、前記伝送線路の特性インピーダンスをZ0としており、βは位相定数(2π/λ)である。この構成によると、伝送線路の長さに応じて、フィルタ回路を適切に設計することができる。
本発明によると、高周波電源装置が出力する一定の高周波電流は、変換手段によって、一定の高周波電圧に変換される。したがって、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間の磁気結合による相互インダクタンスを調整することで、受電装置は、高周波電源装置の出力電流と比べて大きい電流を出力することができる。 According to the present invention, a constant high frequency current output by a high frequency power supply device is converted into a constant high frequency voltage by a conversion means. Therefore, by adjusting the mutual inductance due to the magnetic coupling between the power transmission coil of the power transmission device and the power reception coil of the power reception device, the power reception device can output a larger current than the output current of the high frequency power supply device.
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent with the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下に記載する各寸法、形状、材質、各種の値などは、説明のための例示であって、記載されたものに限定されない。仕様に応じて、適宜変更可能である。また、各図面において、同一または類似の要素には同一の符号を付しており、重複する説明を省略している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. It should be noted that the dimensions, shapes, materials, various values, etc. described below are examples for explanation and are not limited to those described. It can be changed as appropriate according to the specifications. Further, in each drawing, the same or similar elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description is omitted.
図1〜図3は、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムS1を説明するための図である。図1は、非接触電力伝送システムS1の全体構成の概要を示している。図2は、非接触電力伝送システムS1の全体構成を示す回路図である。図3は、高周波電源装置1の内部構成の詳細を示す回路図である。 1 to 3 are diagrams for explaining the non-contact power transmission system S1 according to the first embodiment. FIG. 1 shows an outline of the overall configuration of the non-contact power transmission system S1. FIG. 2 is a circuit diagram showing the overall configuration of the non-contact power transmission system S1. FIG. 3 is a circuit diagram showing details of the internal configuration of the high frequency power supply device 1.
図1に示すように、非接触電力伝送システムS1は、電気自動車などの車体に備えられた受電装置Bと、駐車場などの床面に埋設された送電装置A1とを備えている。送電装置A1は床面に配置された送電コイルを備えており、受電装置Bは車体底面に配置された受電コイルを備えている。送電コイルと受電コイルとが磁気結合することで、受電装置Bは、送電装置A1から送電される高周波電力を受電する。すなわち、送電コイルに高周波電流が流れることで磁束が変化し、この磁束に鎖交する受電コイルに高周波電流が流れる。これにより、送電装置A1から受電装置Bに、非接触で電力を伝送することができる。受電装置Bは、高周波電流を整流平滑回路で整流して、蓄電デバイスDに供給する。 As shown in FIG. 1, the non-contact power transmission system S1 includes a power receiving device B provided in a vehicle body of an electric vehicle or the like, and a power transmission device A1 embedded in a floor surface of a parking lot or the like. The power transmission device A1 includes a power transmission coil arranged on the floor surface, and the power reception device B includes a power reception coil arranged on the bottom surface of the vehicle body. By magnetically coupling the power transmitting coil and the power receiving coil, the power receiving device B receives the high frequency power transmitted from the power transmitting device A1. That is, the magnetic flux changes when a high-frequency current flows through the power transmission coil, and the high-frequency current flows through the power receiving coil interlinking with this magnetic flux. As a result, electric power can be transmitted from the power transmitting device A1 to the power receiving device B in a non-contact manner. The power receiving device B rectifies the high frequency current with a rectifying smoothing circuit and supplies it to the power storage device D.
送電コイルおよび受電コイルは、渦巻状に巻回された平面コイルであり、それぞれコイル面が床面に対して略平行になるように配置されている。給電を行う場合は、図1に示すように、受電装置Bが送電装置A1の真上にきて、受電コイルが送電コイルに上方から見て重なり合うように、車体を配置する。図2は、受電コイルが送電コイルに磁気結合した状態を示している。 The power transmission coil and the power reception coil are planar coils wound in a spiral shape, and the coil surfaces are arranged so as to be substantially parallel to the floor surface. When power is supplied, as shown in FIG. 1, the vehicle body is arranged so that the power receiving device B comes directly above the power transmission device A1 and the power receiving coil overlaps the power transmission coil when viewed from above. FIG. 2 shows a state in which the power receiving coil is magnetically coupled to the power transmission coil.
図2に示すように、送電装置A1は、高周波電源装置1、電流‐電圧変換回路51、および、送電ユニット2を備えている。 As shown in FIG. 2, the power transmission device A1 includes a high-frequency power supply device 1, a current-voltage conversion circuit 51, and a power transmission unit 2.
高周波電源装置1は、高周波電力を出力するものである。高周波電源装置1は、いわゆる定電流源であり、一定の大きさの高周波電流を出力する。図3に示すように、高周波電源装置1は、直流電源装置11、制御装置12、スイッチング素子Qs、ダイオードD1、インダクタL1,L2,L3、および、コンデンサC1,C2,C3,C4,C10を備えている。高周波電源装置1は、直流電源装置11が生成した直流電力を、スイッチング素子Qsのスイッチング動作によって高周波電力に変換する。 The high frequency power supply device 1 outputs high frequency power. The high-frequency power supply device 1 is a so-called constant current source and outputs a high-frequency current of a constant magnitude. As shown in FIG. 3, the high-frequency power supply device 1 includes a DC power supply device 11, a control device 12, a switching element Qs, a diode D1, inductors L1, L2, L3, and capacitors C1, C2, C3, C4, C10. ing. The high-frequency power supply device 1 converts the DC power generated by the DC power supply device 11 into high-frequency power by the switching operation of the switching element Qs.
直流電源装置11は、直流電力を生成して出力するものである。直流電源装置11は、商用電源から入力される交流電圧(例えば、商用電圧200[V]など)を図示しない整流回路によって整流し、図示しない平滑回路によって平滑することで、直流電圧に変換する。そして、図示しないDC−DCコンバータによって、所定のレベル(目標電圧)の直流電圧に変換する。直流電源装置11は、制御装置12から入力される電圧制御信号CS1によって、DC−DCコンバータの変換動作を制御することにより、整流、平滑後の直流電圧を所定のレベルの直流電圧に変換する。なお、直流電源装置11の構成は限定されず、所定の直流電圧を出力するものであればよい。 The DC power supply device 11 generates and outputs DC power. The DC power supply device 11 converts an AC voltage input from a commercial power source (for example, a commercial voltage 200 [V], etc.) into a DC voltage by rectifying it with a rectifying circuit (not shown) and smoothing it with a smoothing circuit (not shown). Then, it is converted into a DC voltage of a predetermined level (target voltage) by a DC-DC converter (not shown). The DC power supply device 11 converts the rectified and smoothed DC voltage into a predetermined level DC voltage by controlling the conversion operation of the DC-DC converter by the voltage control signal CS1 input from the control device 12. The configuration of the DC power supply device 11 is not limited as long as it outputs a predetermined DC voltage.
スイッチング素子Qs、ダイオードD1、インダクタL1,L3、および、コンデンサC1,C3,C4,C10は、いわゆるE級アンプを構成する。E級アンプは、直流電源装置11より直流電力を入力され、高周波電力を生成して出力する。 The switching element Qs, the diode D1, the inductors L1 and L3, and the capacitors C1, C3, C4 and C10 form a so-called class E amplifier. The class E amplifier receives DC power from the DC power supply device 11 to generate and output high-frequency power.
コンデンサC10は、直流電源装置11に並列接続されており、直流電源装置11より入力される直流電圧を平滑化するものである。 The capacitor C10 is connected in parallel to the DC power supply device 11 and smoothes the DC voltage input from the DC power supply device 11.
インダクタL1は、直流電源装置11の高電位側の出力端子とスイッチング素子Qsとの間に直列接続されている。直流電源装置11が一定の直流電圧を出力することにより、インダクタL1は、スイッチング素子Qsに一定の直流電流を供給する。 The inductor L1 is connected in series between the output terminal on the high potential side of the DC power supply device 11 and the switching element Qs. When the DC power supply device 11 outputs a constant DC voltage, the inductor L1 supplies a constant DC current to the switching element Qs.
スイッチング素子Qsは、制御装置12から入力される高周波制御信号CS2に応じて、オン状態とオフ状態とを切り替えるものである。本実施形態では、スイッチング素子QsとしてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を使用している。なお、スイッチング素子QsはMOSFETに限定されず、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)などであってもよい。スイッチング素子Qsのドレイン端子は、インダクタL1の一方の端子(直流電源装置11の出力端子に接続されたのとは異なる方の端子)に接続されている。スイッチング素子Qsのソース端子は、直流電源装置11の低電位側の出力端子に接続されている。スイッチング素子Qsのゲート端子には、制御装置12から高周波制御信号CS2が入力される。高周波制御信号CS2は、所定の周波数f0(例えば、85[kHz]や13.56[MHz]など)でハイレベルとローレベルとを繰り返すパルス信号である。周波数f0は、スイッチング素子Qsをスイッチングさせる周波数なので、以下では「スイッチング周波数f0」と記載する場合がある。スイッチング素子Qsは、高周波制御信号CS2がローレベルのときオフ状態になり、高周波制御信号CS2がハイレベルのときオン状態になる。 The switching element Qs switches between an on state and an off state according to the high frequency control signal CS2 input from the control device 12. In this embodiment, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as the switching element Qs. The switching element Qs is not limited to the MOSFET, and may be a bipolar transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Insulated Gate Bipolar Transistor), or the like. The drain terminal of the switching element Qs is connected to one terminal of the inductor L1 (the terminal different from the terminal connected to the output terminal of the DC power supply device 11). The source terminal of the switching element Qs is connected to the output terminal on the low potential side of the DC power supply device 11. A high frequency control signal CS2 is input from the control device 12 to the gate terminal of the switching element Qs. The high frequency control signal CS2 is a pulse signal that repeats high level and low level at a predetermined frequency f 0 (for example, 85 [kHz], 13.56 [MHz], etc.). Since the frequency f 0 is the frequency at which the switching element Qs is switched, it may be described as "switching frequency f 0 " below. The switching element Qs is turned off when the high frequency control signal CS2 is at a low level, and is turned on when the high frequency control signal CS2 is at a high level.
ダイオードD1は、いわゆるフライホイールダイオードであって、スイッチング素子Qsのドレイン端子とソース端子との間に、逆並列に接続されている。すなわち、ダイオードD1のアノード端子はスイッチング素子Qsのソース端子に接続され、ダイオードD1のカソード端子はスイッチング素子Qsのドレイン端子に接続されている。ダイオードD1は、スイッチング素子Qsの切り替えによって発生する逆起電力による逆方向の高い電圧がスイッチング素子Qsに印加されないようにするためのものである。なお、スイッチング素子Qsが内部にダイオードの動作をする機能を有する場合は、ダイオードD1を設けないようにしてもよい。 The diode D1 is a so-called flywheel diode, and is connected in antiparallel between the drain terminal and the source terminal of the switching element Qs. That is, the anode terminal of the diode D1 is connected to the source terminal of the switching element Qs, and the cathode terminal of the diode D1 is connected to the drain terminal of the switching element Qs. The diode D1 is for preventing a high voltage in the reverse direction due to the counter electromotive force generated by switching the switching element Qs from being applied to the switching element Qs. If the switching element Qs has a function of operating a diode inside, the diode D1 may not be provided.
コンデンサC1は、スイッチング素子Qsに並列接続されており、スイッチング素子Qsがオフ状態のときに電流が流れて、電気エネルギーを蓄積する。そして、コンデンサC1の両端電圧がピークになった後は放電を行い、電気エネルギーを放出する。そして、コンデンサC1の両端電圧がゼロになったタイミングで、スイッチング素子Qsがオフ状態からオン状態に切り替わる。 The capacitor C1 is connected in parallel to the switching element Qs, and when the switching element Qs is in the off state, a current flows and electric energy is stored. Then, after the voltage across the capacitor C1 reaches its peak, discharge is performed to release electrical energy. Then, at the timing when the voltage across the capacitor C1 becomes zero, the switching element Qs switches from the off state to the on state.
インダクタL3とコンデンサC3とは、直列接続されて共振回路LC3を構成している。インダクタL3およびコンデンサC3は、共振周波数がスイッチング周波数f0と一致するように設計される。共振回路LC3は、スイッチング素子Qsのドレイン端子とインダクタL1の一方の端子との接続点と電流‐電圧変換回路51との間に、直列接続されている。共振回路LC3の共振特性により、出力電流が、共振周波数(スイッチング周波数f0)の正弦波状になる。なお、当該共振回路LC3が、本発明の「第1の共振回路」に相当する。 The inductor L3 and the capacitor C3 are connected in series to form a resonant circuit LC3. The inductor L3 and the capacitor C3 are designed so that the resonance frequency coincides with the switching frequency f 0 . The resonance circuit LC3 is connected in series between the connection point between the drain terminal of the switching element Qs and one terminal of the inductor L1 and the current-voltage conversion circuit 51. Due to the resonance characteristics of the resonance circuit LC3, the output current becomes a sinusoidal shape with a resonance frequency (switching frequency f 0 ). The resonant circuit LC3 corresponds to the "first resonant circuit" of the present invention.
コンデンサC4は、共振回路LC3の出力側に、直流電源装置11に対して並列となるように、接続されている。コンデンサC4、インダクタL3およびコンデンサC3は、インピーダンス整合回路として機能する。また、コンデンサC3は、高周波電源装置1から出力される高周波電流から直流成分をカットする。 The capacitor C4 is connected to the output side of the resonance circuit LC3 so as to be in parallel with the DC power supply device 11. The capacitor C4, the inductor L3 and the capacitor C3 function as an impedance matching circuit. Further, the capacitor C3 cuts a DC component from the high frequency current output from the high frequency power supply device 1.
以上の構成から、スイッチング素子Qs、ダイオードD1、インダクタL1,L3、および、コンデンサC1,C3,C4,C10を備えたE級アンプは、制御装置12より入力される高周波制御信号CS2に応じてスイッチング素子Qsがスイッチングすることで、スイッチング周波数f0の高周波電流を生成して出力する。 From the above configuration, the class E amplifier including the switching element Qs, the diode D1, the inductors L1 and L3, and the capacitors C1, C3, C4 and C10 switches according to the high frequency control signal CS2 input from the control device 12. By switching the element Qs, a high frequency current having a switching frequency f 0 is generated and output.
また、本実施形態においては、高周波電源装置1は、インダクタL2とコンデンサC2とが直列接続された共振回路LC2を、スイッチング素子Qsに並列接続させている。インダクタL2およびコンデンサC2は、共振周波数がスイッチング周波数f0の2倍の周波数と一致するように設計される。共振回路LC2は、スイッチング周波数f0の2倍の周波数成分(2次高調波成分)に対して、低インピーダンスとなり、スイッチング周波数f0の成分(基本波成分)およびその3倍の周波数成分(3次高調波成分)に対して、高インピーダンスとなる。なお、当該共振回路LC2が、本発明の「第2の共振回路」に相当する。 Further, in the present embodiment, in the high frequency power supply device 1, the resonance circuit LC2 in which the inductor L2 and the capacitor C2 are connected in series is connected in parallel to the switching element Qs. The inductor L2 and the capacitor C2 are designed so that the resonance frequency coincides with a frequency twice the switching frequency f 0 . Resonant circuit LC2, to the double frequency component of the switching frequency f 0 (2-order harmonic component) becomes a low impedance, the components of the switching frequency f 0 (fundamental wave component) and 3 times the frequency component (3 High impedance with respect to the next harmonic component). The resonant circuit LC2 corresponds to the "second resonant circuit" of the present invention.
また、インダクタL1およびコンデンサC1からなるフィルタLC1も、共振回路LC2と合わせたインピーダンスが、スイッチング周波数f0の成分(基本波成分)およびその3倍の周波数成分(3次高調波成分)に対して、高インピーダンスとなり、スイッチング周波数f0の2倍の周波数成分(2次高調波成分)に対して、低インピーダンスとなるように設計される。なお、コンデンサC1のキャパシタンスは、スイッチング素子Qsの内部の容量成分も考慮して設計される。 Further, the filter LC1 composed of the inductor L1 and the capacitor C1 also has an impedance combined with the resonance circuit LC2 with respect to a component (fundamental wave component) having a switching frequency f 0 and a frequency component (third harmonic component) three times as high as that. It is designed to have high impedance and low impedance with respect to a frequency component (second harmonic component) that is twice the switching frequency f 0 . The capacitance of the capacitor C1 is designed in consideration of the capacitance component inside the switching element Qs.
以上の構成から、発生した高周波電流のうちの2次高調波成分は、共振回路LC2に流れ、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間の2次高調波成分電流による発生電圧を抑制することができる。 From the above configuration, the second harmonic component of the generated high frequency current flows through the resonant circuit LC2, and the voltage generated by the second harmonic component current between the drain and the source of the switching element Qs can be suppressed.
制御装置12は、高周波電源装置1を制御するものであり、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を備えるマイクロコンピュータやFPGA(Field-Programmable Gate Array)で構成される。 The control device 12 controls the high-frequency power supply device 1, and is a microcomputer or FPGA (Field-Programmable Gate Array) equipped with a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). It is composed.
制御装置12は、フィードバック制御によって、直流電源装置11から出力される直流電圧のレベルを制御する。具体的には、制御装置12は、直流電源装置11の出力電圧と設定された目標電圧との偏差をゼロにするための制御パルス信号を生成する。そして、当該制御パルス信号を図示しないドライブ回路でDC−DCコンバータを駆動できるレベルに増幅して、電圧制御信号CS1として直流電源装置11に出力する。これにより、制御装置12は、直流電源装置11から出力される直流電圧を目標電圧に制御して、直流電源装置11から一定の直流電圧を出力させることができる。また、制御装置12は、目標電圧を変更することで、直流電源装置11の出力電圧のレベルを変更する。 The control device 12 controls the level of the DC voltage output from the DC power supply device 11 by feedback control. Specifically, the control device 12 generates a control pulse signal for making the deviation between the output voltage of the DC power supply device 11 and the set target voltage zero. Then, the control pulse signal is amplified to a level at which the DC-DC converter can be driven by a drive circuit (not shown), and output to the DC power supply device 11 as a voltage control signal CS1. As a result, the control device 12 can control the DC voltage output from the DC power supply device 11 to the target voltage and output a constant DC voltage from the DC power supply device 11. Further, the control device 12 changes the level of the output voltage of the DC power supply device 11 by changing the target voltage.
また、制御装置12は、基準クロックに基づいて、スイッチング周波数f0のパルス信号(なお、正弦波信号などでもよい)を生成し、当該パルス信号を図示しないドライブ回路でスイッチング素子Qsを駆動できるレベルに増幅して、高周波制御信号CS2としてスイッチング素子Qsのゲート端子に出力する。 Further, the control device 12 generates a pulse signal having a switching frequency f 0 (note that a sine wave signal or the like) is generated based on the reference clock, and the switching element Qs can be driven by a drive circuit (not shown) of the pulse signal. Is amplified to and output as a high frequency control signal CS2 to the gate terminal of the switching element Qs.
電流‐電圧変換回路51は、電流出力を電圧出力に変換するものである。電流‐電圧変換回路51は、インダクタL11と2つのコンデンサC11、C12とを、π型に配置したフィルタ回路である。インダクタL11は、高周波電源装置1と送電ユニット2との間の電力線対の一方の電力線上に設けられている。コンデンサC11はインダクタL11の上流側に、コンデンサC12はインダクタL11の下流側に、電力線対間に並列接続されている。スイッチング周波数f0におけるインダクタL11およびコンデンサC11,C12の各インピーダンスの大きさが等しくなるように、各インダクタンスおよびキャパシタンスを決定している。電流‐電圧変換回路51は、高周波電源装置1からの電流出力を電圧出力に変換して、送電ユニット2に出力する。 The current-voltage conversion circuit 51 converts the current output into a voltage output. The current-voltage conversion circuit 51 is a filter circuit in which the inductor L11 and the two capacitors C11 and C12 are arranged in a π shape. The inductor L11 is provided on one of the power lines of the power line pair between the high frequency power supply device 1 and the power transmission unit 2. The capacitor C11 is connected to the upstream side of the inductor L11, and the capacitor C12 is connected to the downstream side of the inductor L11 in parallel between the power line pairs. Each inductance and capacitance are determined so that the magnitudes of the impedances of the inductor L11 and the capacitors C11 and C12 at the switching frequency f 0 are equal. The current-voltage conversion circuit 51 converts the current output from the high-frequency power supply device 1 into a voltage output and outputs it to the power transmission unit 2.
送電ユニット2は、送電コイルLtおよび共振コンデンサCtを備えている。送電コイルLtは、電流‐電圧変換回路51を介して高周波電源装置1より供給される高周波電力を、受電装置Bに送電するものである。共振コンデンサCtは、送電コイルLtに直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。 The power transmission unit 2 includes a power transmission coil Lt and a resonance capacitor Ct. The power transmission coil Lt transmits high-frequency power supplied from the high-frequency power supply device 1 to the power receiving device B via the current-voltage conversion circuit 51. The resonance capacitor Ct is connected in series to the power transmission coil Lt to form a series resonance circuit.
送電コイルLtおよび共振コンデンサCtは、共振周波数が高周波電源装置1より供給される高周波電力の周波数f0(スイッチング周波数f0)と一致するように設計される。すなわち、送電コイルLtの自己インダクタンスLtと、共振コンデンサCtのキャパシタンスCtとが、下記(1)式の関係になるように設計される。なお、スイッチング周波数f0が高い場合は、送電コイルLtの巻線間の浮遊キャパシタンスを共振コンデンサCtとして用いるようにしてもよい。
また、図2に示すように、受電装置Bは、受電ユニット3および整流平滑回路4を備えている。 Further, as shown in FIG. 2, the power receiving device B includes a power receiving unit 3 and a rectifying smoothing circuit 4.
受電ユニット3は、受電コイルLr、および、共振コンデンサCrを備えている。受電コイルLrは、送電コイルLtと磁気結合して、非接触で受電するものである。共振コンデンサCrは、受電コイルLrに直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。 The power receiving unit 3 includes a power receiving coil Lr and a resonance capacitor Cr. The power receiving coil Lr is magnetically coupled with the power transmission coil Lt to receive power in a non-contact manner. The resonance capacitor Cr is connected in series to the power receiving coil Lr to form a series resonance circuit.
受電コイルLrおよび共振コンデンサCrは、送電コイルLtおよび共振コンデンサCtと同様に、共振周波数が高周波電源装置1より供給される高周波電力の周波数f0(スイッチング周波数f0)と一致するように設計される。なお、スイッチング周波数f0が高い場合は、受電コイルLrの巻線間の浮遊キャパシタンスを共振コンデンサCrとして用いるようにしてもよい。 The power receiving coil Lr and the resonance capacitor Cr are designed so that the resonance frequency matches the frequency f 0 (switching frequency f 0 ) of the high frequency power supplied from the high frequency power supply device 1, similarly to the transmission coil Lt and the resonance capacitor Ct. To. When the switching frequency f 0 is high, the stray capacitance between the windings of the power receiving coil Lr may be used as the resonance capacitor Cr.
送電ユニット2および受電ユニット3は、いずれも共振回路であり、送電ユニット2から受電ユニット3へは、磁界共鳴方式により、非接触で電力伝送が行われる。受電ユニット3が受電した電力は、整流平滑回路4に出力される。 Both the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are resonance circuits, and power is transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 in a non-contact manner by a magnetic field resonance method. The electric power received by the power receiving unit 3 is output to the rectifying smoothing circuit 4.
整流平滑回路4は、受電ユニット3より出力される高周波電流を整流して、直流電流に変換するものである。整流平滑回路4は、4つのダイオードをブリッジ接続した全波整流回路を備えている。また、整流平滑回路4は、整流後の出力を平滑するための平滑回路も備えている。なお、整流平滑回路4の構成は限定されず、高周波電流を直流電流に変換するものであればよい。整流平滑回路4から出力される直流電流は、蓄電デバイスDに供給される。 The rectifying / smoothing circuit 4 rectifies the high-frequency current output from the power receiving unit 3 and converts it into a direct current. The rectifying / smoothing circuit 4 includes a full-wave rectifying circuit in which four diodes are bridge-connected. The rectifying smoothing circuit 4 also includes a smoothing circuit for smoothing the output after rectification. The configuration of the rectifying / smoothing circuit 4 is not limited as long as it converts a high-frequency current into a direct current. The direct current output from the rectifying / smoothing circuit 4 is supplied to the power storage device D.
蓄電デバイスDは、例えばリチウムイオン電池などの二次電池である。蓄電デバイスDは、整流平滑回路4より出力される直流電力によって充電され、図示しないモータなどに電力を供給する。蓄電デバイスDには、蓄電デバイスDの充電状態に関係なく、一定大きさの電流が入力される。なお、二次電池の種類は限定されず、鉛蓄電池などであってもよい。また、蓄電デバイスDに代えて、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタを用いるようにしてもよい。 The power storage device D is a secondary battery such as a lithium ion battery. The power storage device D is charged by the DC power output from the rectifying / smoothing circuit 4, and supplies power to a motor or the like (not shown). A constant magnitude of current is input to the power storage device D regardless of the charging state of the power storage device D. The type of secondary battery is not limited, and may be a lead storage battery or the like. Further, instead of the power storage device D, an electric double layer capacitor or a lithium ion capacitor may be used.
次に、蓄電デバイスDに供給される電流が一定になること、蓄電デバイスDに供給される電流が高周波電源装置1の出力電流と比べて大きい電流になることを説明する。 Next, it will be described that the current supplied to the power storage device D becomes constant and the current supplied to the power storage device D becomes a larger current than the output current of the high frequency power supply device 1.
まず、比較のために、図4に示す非接触電力伝送システムS’において、蓄電デバイスDに供給される電流が一定になること、蓄電デバイスDに供給される電流が高周波電源装置1の出力電流と比べて小さい電流になることを説明する。非接触電力伝送システムS’は、高周波電源装置1を定電流源とし、送電ユニット2が直列共振回路を構成し、受電ユニット3’が並列共振回路を構成し、磁界共鳴方式で非接触電力伝送を行うことにより、受電ユニット3からの出力電流を一定の大きさとして、蓄電デバイスDを定電流充電する。非接触電力伝送システムS’は、送電装置A’が電流‐電圧変換回路51を備えていない点、および、受電装置B’の受電ユニット3’が並列共振回路を構成する点以外は、非接触電力伝送システムS1と同じ構成である。 First, for comparison, in the non-contact power transmission system S'shown in FIG. 4, the current supplied to the power storage device D becomes constant, and the current supplied to the power storage device D is the output current of the high frequency power supply device 1. It will be explained that the current becomes smaller than that of. In the non-contact power transmission system S', the high-frequency power supply device 1 is used as a constant current source, the transmission unit 2 constitutes a series resonance circuit, and the power reception unit 3'consists of a parallel resonance circuit. By performing the above, the power storage device D is constantly charged with the output current from the power receiving unit 3 having a constant magnitude. The non-contact power transmission system S'is non-contact except that the power transmission device A'does not have a current-voltage conversion circuit 51 and the power receiving unit 3'of the power receiving device B'consists of a parallel resonant circuit. It has the same configuration as the power transmission system S1.
図5(a)は、図4に示す非接触電力伝送システムS’の主要部分を抜き出したものである。 FIG. 5A is an extraction of the main part of the non-contact power transmission system S'shown in FIG.
高周波電源装置1の出力電圧をV1、出力電流をI1とする。また、整流平滑回路4に印加される電圧をV2、整流平滑回路4に入力される電流をI2とする。なお、各電圧V1,V2および各電流I1,I2は、いずれもベクトルである。 Let the output voltage of the high frequency power supply device 1 be V 1 and the output current be I 1 . Further, let V 2 be the voltage applied to the rectifying and smoothing circuit 4, and I 2 be the current input to the rectifying and smoothing circuit 4. The voltages V 1 and V 2 and the currents I 1 and I 2 are all vectors.
一般的に、非接触電力伝送システムの等価回路は、磁気結合した送電コイルと受電コイルとを、3つのコイルで構成されたT型回路に置き換えて表すことができる。図5(a)に示す回路を、T型回路を用いて表した等価回路に変換すると、図5(b)に示す回路になる。図5(b)においては、図に示すように、コンデンサまたはコイルのインピーダンスをZ1〜Z4として表している。なお、各インピーダンスZ1〜Z4は、いずれもベクトルである。T型回路のコイルのうちの送電ユニット側のコイル(インピーダンスZ1に含まれるコイル)のインダクタンスは、送電コイルLtの自己インダクタンスから、送電コイルLtと受電コイルLrとの間の磁気結合による相互インダクタンスを減じたものとなる。T型回路のコイルのうちの受電ユニット側のコイル(インピーダンスZ3に含まれるコイル)のインダクタンスは、受電コイルLrの自己インダクタンスから、送電コイルLtと受電コイルLrとの間の磁気結合による相互インダクタンスを減じたものとなる。また、T型回路のコイルのうちの並列接続されたコイル(インピーダンスZ2に含まれるコイル)のインダクタンスは、送電コイルLtと受電コイルLrとの間の磁気結合による相互インダクタンスとなる。したがって、各インピーダンスZ1〜Z4は、下記(2)〜(5)式で表すことができる。なお、送電コイルLtおよび受電コイルLrの自己インダクタンスを、それぞれ、LtおよびLrとし、共振コンデンサCtおよび共振コンデンサCrのキャパシタンスを、それぞれ、CtおよびCrとしている。また、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をkとし、周波数f0に対応する角周波数をω0(=2πf0)としている。
図5(c)は、図5(b)に示す回路を、Fパラメータを用いて表した等価回路を示す図である。なお、Fパラメータの各要素A,B,C,Dは、いずれもベクトルであり、Fパラメータは、下記(6)式のようになる。
磁界共鳴の条件式であるZ1+Z2=Z2+Z3+Z4=0を、上記(6)式に代入すると、下記(7)式になる。これより、下記(8)式および上記(3),(4)式から、下記(9)式が求められる。
送電コイルLtと受電コイルLrの距離が変化しなければ、結合係数kは変化しない。したがって、上記(9)式より、受電ユニット3から出力される電流I2の大きさは、送電ユニット2に入力される電流I1の大きさに比例する。また、送電ユニット2に入力される電流I1は、高周波電源装置1の出力電流I1である。直流電源装置11が出力する直流電圧が一定の場合、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさは一定である。したがって、直流電源装置11が出力する直流電圧が一定の場合、受電ユニット3の出力電流I2の大きさは、接続される負荷のインピーダンスなどに関係なく、一定である。つまり、受電ユニット3の出力は、一定の大きさの電流I2を出力する定電流源と考えることができる。受電ユニット3の出力電流I2の大きさが一定なので、整流平滑回路4によって整流された電流は一定になる。したがって、蓄電デバイスDに供給される電流は、蓄電デバイスDの充電状態に関係なくほぼ一定になる。 If the distance between the power transmission coil Lt and the power reception coil Lr does not change, the coupling coefficient k does not change. Therefore, from the above equation (9), the magnitude of the current I 2 output from the power receiving unit 3 is proportional to the magnitude of the current I 1 input to the power transmission unit 2. Further, the current I 1 is input to the power transmission unit 2, an output current I 1 of the high-frequency power supply device 1. When the DC voltage output by the DC power supply device 11 is constant, the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1 is constant. Therefore, when the DC voltage output by the DC power supply device 11 is constant, the magnitude of the output current I 2 of the power receiving unit 3 is constant regardless of the impedance of the connected load or the like. That is, the output of the power receiving unit 3 can be considered as a constant current source that outputs a current I 2 having a constant magnitude. Since the magnitude of the output current I 2 of the power receiving unit 3 is constant, the current rectified by the rectifying smoothing circuit 4 becomes constant. Therefore, the current supplied to the power storage device D becomes substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D.
また、送電コイルLtと受電コイルLrとが同様の仕様の場合、それぞれの自己インダクタンスLt,Lrはほぼ等しくなり、Lt/Lr≒1となる。結合係数k<1なので、上記(9)式より、電流I2の大きさは電流I1の大きさより小さくなる。また、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさは小さくなる。 Further, when the power transmission coil Lt and the power reception coil Lr have the same specifications, the self-inductances L t and L r are substantially equal to each other, and L t / L r ≈ 1. Since the coupling coefficient k <1, the magnitude of the current I 2 is smaller than the magnitude of the current I 1 from the above equation (9). Further, the smaller the coupling coefficient k, the smaller the magnitude of the current I 2 .
図6は、図4に示す回路において、シミュレーションを行ったときの各波形を示している。直流電源装置11が出力する直流電圧を40[V]、高周波制御信号CS2を、周波数f=13.56[MHz]の矩形波信号とし、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をk=0.2,0.4とし、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスを1[μF]、100[μF]として、シミュレーションを行った。自己インダクタンスLt,Lrはともに0.6[μH]とし、キャパシタンスCt,Crはともに230[pF]としている。図6(a)は、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間電圧Vdsの波形を示しており、図6(b)は、高周波電源装置1の出力電流I1の波形を示している。また、図6(c)は、受電ユニット3の出力電流I2の波形を示しており、図6(d)は、整流平滑回路4のコンデンサを流れる電流ILOADの波形を示している。図6(c)、(d)において、振幅の大きい方が、結合係数をk=0.4としたときのものである。整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスが1[μF]の場合と100[μF]の場合とで、各波形に大きな変化はなかったので、図6(a)〜(d)においては重なって表示されている。 FIG. 6 shows each waveform when a simulation is performed in the circuit shown in FIG. The DC voltage output by the DC power supply device 11 is 40 [V], the high frequency control signal CS2 is a rectangular wave signal with a frequency f = 13.56 [MHz], and the coupling coefficient of the transmission coil Lt and the power receiving coil Lr is k = 0. The simulation was performed with the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 set to 2 and 0.4 and set to 1 [μF] and 100 [μF]. The self-inductances L t and L r are both 0.6 [μH], and the capacitances C t and C r are both 230 [pF]. FIG. 6A shows the waveform of the drain-source voltage V ds of the switching element Qs, and FIG. 6B shows the waveform of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, FIG. 6 (c) shows the waveform of the output current I 2 of the power receiving unit 3, and FIG. 6 (d) shows the waveform of the current I LOAD flowing through the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4. In FIGS. 6C and 6D, the one having the larger amplitude is the one when the coupling coefficient is k = 0.4. Since there was no significant change in each waveform between the case where the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 was 1 [μF] and the case where the capacitance was 100 [μF], they are displayed overlapping in FIGS. 6 (a) to 6 (d). ing.
図6(b)に示されているように、電流I1の振幅が約1[A]であるところ、図6(c)に示されているように、電流I2の振幅は、k=0.4の場合に約0.4[A]となり、k=0.2の場合に約0.2[A]となっている。つまり、電流I2の大きさが電流I1の大きさより小さくなり、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさが小さくなることが確認できた。 Where the amplitude of the current I 1 is about 1 [A] as shown in FIG. 6 (b), the amplitude of the current I 2 is k = as shown in FIG. 6 (c). When it is 0.4, it is about 0.4 [A], and when k = 0.2, it is about 0.2 [A]. That is, the magnitude of the current I 2 is smaller than the magnitude of the current I 1, as the coupling coefficient k is small, it was confirmed that the magnitude of the current I 2 is reduced.
次に、図2に示す非接触電力伝送システムS1において、蓄電デバイスDに供給される電流が一定になること、蓄電デバイスDに供給される電流が高周波電源装置1の出力電流と比べて大きい電流になることを説明する。 Next, in the non-contact power transmission system S1 shown in FIG. 2, the current supplied to the power storage device D becomes constant, and the current supplied to the power storage device D is larger than the output current of the high frequency power supply device 1. Explain that
図7(a)は、図2に示す非接触電力伝送システムS1の主要部分を抜き出したものである。 FIG. 7A is an extraction of the main part of the non-contact power transmission system S1 shown in FIG.
高周波電源装置1の出力電圧をV1、出力電流をI1とする。また、電流‐電圧変換回路51の出力電圧をV2、出力電流をI2とする。また、受電ユニット3の出力電圧をV3、出力電流をI3とする。つまり、整流平滑回路4に印加される電圧がV3、整流平滑回路4に入力される電流がI3となる。なお、各電圧V1,V2,V3および各電流I1,I2,I3は、いずれもベクトルである。 Let the output voltage of the high frequency power supply device 1 be V 1 and the output current be I 1 . Further, the output voltage of the current-voltage conversion circuit 51 is V 2 , and the output current is I 2 . Further, the output voltage of the power receiving unit 3 is V 3 , and the output current is I 3 . That is, the voltage applied to the rectifying / smoothing circuit 4 is V 3 , and the current input to the rectifying / smoothing circuit 4 is I 3 . The voltages V 1 , V 2 , V 3 and the currents I 1 , I 2 , and I 3 are all vectors.
図7(b)は、電流‐電圧変換回路51の回路を示している。図7(b)においては、図に示すように、コンデンサまたはコイルのインピーダンスをZ1〜Z3として表している。なお、各インピーダンスZ1〜Z3は、いずれもベクトルである。図7(b)に示す回路をFパラメータを用いて表した場合、Fパラメータは、下記(10)式のようになる。なお、Fパラメータの各要素A,B,C,Dは、いずれもベクトルである。
高周波電源装置1より供給される高周波電力の周波数f0(スイッチング周波数f0)におけるインダクタL11およびコンデンサC11,C12の各インピーダンスの大きさが等しくなるように、インダクタンスや各キャパシタンスを決定している。インダクタL11およびコンデンサC11,C12の各インピーダンスを特性インピーダンスZ0とし、周波数f0に対応する角周波数をω0(=2πf0)とすると、各インピーダンスZ1〜Z3は、下記(11)、(12)式で表すことができる。
上記(11)、(12)式を、上記(10)式に代入すると、下記(13)式になる。これより、下記(14)式が求められる。
図7(c)は、送電ユニット2および受電ユニット3の等価回路を示しており、磁気結合した送電コイルLtと受電コイルLrとを、3つのコイルで構成されたT型回路に置き換えて表したものである。図7(c)においては、図に示すように、コンデンサまたはコイルのインピーダンスをZ4〜Z6として表している。なお、各インピーダンスZ4〜Z6は、いずれもベクトルであり、下記(15)〜(17)式で表すことができる。なお、送電コイルLtおよび受電コイルLrのインダクタンスを、それぞれ、LtおよびLrとし、共振コンデンサCtおよび共振コンデンサCrのキャパシタンスを、それぞれ、CtおよびCrとしている。また、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をkとし、周波数f0に対応する角周波数をω0(=2πf0)としている。
図7(c)に示す回路をFパラメータを用いて表した場合、Fパラメータは、下記(18)式のようになる。なお、Fパラメータの各要素A,B,C,Dは、いずれもベクトルである。
磁界共鳴の条件式であるZ4+Z5=Z5+Z6=0を、上記(18)式に代入すると、下記(19)式になる。これより、上記(16)式を用いて、下記(20)式が求められる。
上記(14)、(20)式より下記(21)式となり、下記(22)式が求められる。
送電コイルLtと受電コイルLrの距離が変化しなければ、結合係数kは変化しない。したがって、上記(22)式より、受電ユニット3から出力される電流I3の大きさは、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさに比例する。また、直流電源装置11が出力する直流電圧が一定の場合、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさは一定なので、受電ユニット3の出力電流I3の大きさは、接続される負荷のインピーダンスなどに関係なく、一定である。つまり、受電ユニット3の出力は、一定の大きさの電流I3を出力する定電流源と考えることができる。受電ユニット3の出力電流I3の大きさが一定なので、整流平滑回路4によって整流された電流は一定になる。したがって、蓄電デバイスDに供給される電流は、蓄電デバイスDの充電状態に関係なくほぼ一定になる。 If the distance between the power transmission coil Lt and the power reception coil Lr does not change, the coupling coefficient k does not change. Therefore, from the above equation (22), the magnitude of the current I 3 output from the power receiving unit 3 is proportional to the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, when the DC voltage output by the DC power supply device 11 is constant, the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1 is constant, so that the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is the magnitude of the connected load. It is constant regardless of impedance. That is, the output of the power receiving unit 3 can be considered as a constant current source that outputs a current I 3 having a constant magnitude. Since the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is constant, the current rectified by the rectifying smoothing circuit 4 becomes constant. Therefore, the current supplied to the power storage device D becomes substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D.
送電コイルLtと受電コイルLrとの間の磁気結合による相互インダクタンスMのインピーダンスZM(=jω0M)は、下記(23)式になるので、上記(22)式より下記(24)式となる。したがって、ZM<Z0とすることで、電流I3の大きさを電流I1の大きさより大きくすることができる。
図8は、図2に示す回路において、シミュレーションを行ったときの各波形を示している。直流電源装置11が出力する直流電圧を40[V]、高周波制御信号CS2を、周波数f=13.56[MHz]の矩形波信号とし、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をk=0.2,0.4とし、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスを1[μF]、100[μF]として、シミュレーションを行った。自己インダクタンスLt,Lrはともに0.6[μH]とし、キャパシタンスCt,Crはともに230[pF]としている。図8(a)は、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間電圧Vdsの波形を示しており、図8(b)は、高周波電源装置1の出力電流I1の波形を示している。また、図8(c)は、受電ユニット3の出力電流I3の波形を示しており、図8(d)は、整流平滑回路4のコンデンサを流れる電流ILOADの波形を示している。図8(c)、(d)において、振幅の大きい方が、結合係数をk=0.2としたときのものである。図8(a)〜(d)において、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスが1[μF]の場合と100[μF]の場合とで、位相に若干のずれがあるが、同様の波形になっている。 FIG. 8 shows each waveform when a simulation is performed in the circuit shown in FIG. The DC voltage output by the DC power supply device 11 is 40 [V], the high frequency control signal CS2 is a rectangular wave signal with a frequency f = 13.56 [MHz], and the coupling coefficient of the transmission coil Lt and the power receiving coil Lr is k = 0. The simulation was performed with the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 set to 2 and 0.4 and set to 1 [μF] and 100 [μF]. The self-inductances L t and L r are both 0.6 [μH], and the capacitances C t and C r are both 230 [pF]. FIG. 8A shows the waveform of the drain-source voltage V ds of the switching element Qs, and FIG. 8B shows the waveform of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, FIG. 8 (c) shows the waveform of the output current I 3 of the power receiving unit 3, and FIG. 8 (d) shows the waveform of the current I LOAD flowing through the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4. In FIGS. 8C and 8D, the one having the larger amplitude is the one when the coupling coefficient is k = 0.2. In FIGS. 8A to 8D, there is a slight phase shift between the case where the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and the case where the capacitance is 100 [μF], but the same waveform is obtained. ing.
図8(b)に示されているように、電流I1の振幅が約1.2[A]であるところ、図8(c)に示されているように、電流I3の振幅は、k=0.4の場合に約2.5[A]となり、k=0.2の場合に約5[A]となっている。つまり、電流I3の大きさが電流I1の大きさより大きくなり、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさが大きくなることが確認できた。 Where the amplitude of the current I 1 is about 1.2 [A] as shown in FIG. 8 (b), the amplitude of the current I 3 is as shown in FIG. 8 (c). When k = 0.4, it is about 2.5 [A], and when k = 0.2, it is about 5 [A]. That is, it was confirmed that the magnitude of the current I 3 is larger than the magnitude of the current I 1 , and the smaller the coupling coefficient k, the larger the magnitude of the current I 2 .
次に、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムS1の作用効果について説明する。 Next, the operation and effect of the non-contact power transmission system S1 according to the first embodiment will be described.
本実施形態によると、高周波電源装置1が出力する一定の高周波電流は、電流‐電圧変換回路51によって、一定の高周波電圧に変換される。そして、送電ユニット2および受電ユニット3は、ともに直列共振回路であり、磁界共鳴方式で電力伝送を行う。したがって、受電ユニット3の出力が定電流源の出力と等価になる。よって、蓄電デバイスDの充電状態に関係なく、蓄電デバイスDに出力される電流はほぼ一定になる。つまり、蓄電デバイスDを、定電流で充電することができる。また、高周波電源装置1の出力電流I1と受電ユニット3の出力電流I3とは、上記(24)式の関係になる。したがって、相互インダクタンスM(インピーダンスZM)を調整することで、出力電流I3を出力電流I1より大きくすることができる。 According to this embodiment, the constant high frequency current output by the high frequency power supply device 1 is converted into a constant high frequency voltage by the current-voltage conversion circuit 51. The power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are both series resonance circuits, and perform power transmission by a magnetic field resonance method. Therefore, the output of the power receiving unit 3 becomes equivalent to the output of the constant current source. Therefore, the current output to the power storage device D is substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D. That is, the power storage device D can be charged with a constant current. Further, the output current I 3 of the output current I 1 and the power receiving unit 3 of the high frequency power supply device 1, the relation of the expression (24). Therefore, the output current I 3 can be made larger than the output current I 1 by adjusting the mutual inductance M (impedance Z M ).
また、本実施形態によると、高周波電源装置1は、1つのスイッチング素子Qsに高周波制御信号CS2を入力することで、一定の大きさの高周波電流を出力することができる。スイッチング素子が1つのため、ドライブ回路を単純な構成とすることができる。また、高周波電源装置1のスイッチング素子Qsには、インダクタL2とコンデンサC2からなる共振回路LC2が並列接続されている。当該共振回路LC2は、スイッチング周波数f0の2倍の周波数成分(2次高調波成分)に対して、低インピーダンスとなり、スイッチング周波数f0の成分(基本波成分)およびその3倍の周波数成分(3次高調波成分)に対して、高インピーダンスとなる。したがって、高周波電源装置1で発生した高周波電流のうちの2次高調波成分は、共振回路LC2に流れ、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間の2次高調波成分電流による発生電圧を抑制することができる。よって、スイッチング素子Qsを高耐圧のものにする必要がない。 Further, according to the present embodiment, the high frequency power supply device 1 can output a high frequency current having a constant magnitude by inputting the high frequency control signal CS2 to one switching element Qs. Since there is only one switching element, the drive circuit can have a simple configuration. Further, a resonance circuit LC2 composed of an inductor L2 and a capacitor C2 is connected in parallel to the switching element Qs of the high frequency power supply device 1. The resonant circuit LC2, to the double frequency component of the switching frequency f 0 (2-order harmonic component) becomes a low impedance, the components of the switching frequency f 0 (fundamental wave component) and 3 times the frequency components ( High impedance with respect to the third harmonic component). Therefore, the second harmonic component of the high frequency current generated by the high frequency power supply device 1 flows into the resonance circuit LC2, and the voltage generated by the second harmonic component current between the drain and the source of the switching element Qs can be suppressed. it can. Therefore, it is not necessary for the switching element Qs to have a high withstand voltage.
上記第1実施形態においては、電流‐電圧変換回路51を、インダクタL11と2つのコンデンサC11,C12とをπ型に配置したフィルタ回路とした場合について説明したが、電流‐電圧変換回路51の回路構成は、上述したものに限定されない。例えば、2つのインダクタと1つのコンデンサとをπ型に配置したフィルタ回路(図9(a)参照)としてもよいし、1つのインダクタと2つのコンデンサとをT型に配置したフィルタ回路(図9(b)参照)としてもよいし、2つのインダクタと1つのコンデンサとをT型に配置したフィルタ回路(図9(c)参照)としてもよい。 In the first embodiment, the case where the current-voltage conversion circuit 51 is a filter circuit in which the inductor L11 and the two capacitors C11 and C12 are arranged in a π shape has been described, but the circuit of the current-voltage conversion circuit 51 The configuration is not limited to those described above. For example, it may be a filter circuit in which two inductors and one capacitor are arranged in a π type (see FIG. 9A), or a filter circuit in which one inductor and two capacitors are arranged in a T type (FIG. 9). (See (b)) may be used, or a filter circuit (see FIG. 9 (c)) in which two inductors and one capacitor are arranged in a T shape may be used.
また、電流‐電圧変換回路51は、インダクタとコンデンサを組み合わせたフィルタ回路に限定されない。電流‐電圧変換回路51は、高周波電源装置1からの電流出力を電圧出力に変換するものであればよい。 Further, the current-voltage conversion circuit 51 is not limited to a filter circuit in which an inductor and a capacitor are combined. The current-voltage conversion circuit 51 may be any one that converts the current output from the high-frequency power supply device 1 into a voltage output.
図10(a)は、第2実施形態に係る非接触電力伝送システムS2の構成を示す回路図である。なお、受電装置Bの構成は第1実施形態に係る受電装置Bと同様なので、送電装置A2のみを記載している。非接触電力伝送システムS2は、電流‐電圧変換回路52の構成が、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムS1の電流‐電圧変換回路51と異なっている。 FIG. 10A is a circuit diagram showing the configuration of the non-contact power transmission system S2 according to the second embodiment. Since the configuration of the power receiving device B is the same as that of the power receiving device B according to the first embodiment, only the power transmitting device A2 is described. The non-contact power transmission system S2 differs from the current-voltage conversion circuit 51 of the non-contact power transmission system S1 according to the first embodiment in the configuration of the current-voltage conversion circuit 52.
電流‐電圧変換回路52は、電流出力を電圧出力に変換するものである。電流‐電圧変換回路52は、伝送線路TLを備えている。伝送線路TLは、高周波電源装置1と送電ユニット2との間に直列接続されている。本実施形態においては、伝送線路TLを同軸ケーブルとしている。なお、伝送線路TLは、同軸ケーブルに限定されず、例えば、同軸管、基板上に形成された線路などであってもよい。 The current-voltage conversion circuit 52 converts the current output into a voltage output. The current-voltage conversion circuit 52 includes a transmission line TL. The transmission line TL is connected in series between the high frequency power supply device 1 and the power transmission unit 2. In the present embodiment, the transmission line TL is a coaxial cable. The transmission line TL is not limited to the coaxial cable, and may be, for example, a coaxial tube, a line formed on a substrate, or the like.
伝送線路TLの長さは、高周波電源装置1が出力する高周波の基本波の、伝送線路TLにおける伝送波長の略4分の1としている。高周波電源装置1が出力する高周波の波長λは、周波数をfとして、伝送線路TL内の電波の速度をνとすると、λ[m]=ν[m/s]/f[Hz]で表わされる。同軸ケーブル(ポリエチレン製)上の電波の速度νは、真空中の電波の速度(3.0×108[m/s])の約66%程度なので、例えば、スイッチング周波数f0=13.56[MHz]とすると、高周波電源装置1が出力する高周波の波長λは、λ=(3.0×108)×(66/100)/(13.56×106)≒14.60[m]となる。伝送線路TLの長さは、この波長λの略1/4であるので、14.60×(1/4)≒3.65[m]となる。なお、上記同軸ケーブル上の電波の速度νを、真空中の電波の速度の約66%としたが、同軸ケーブル上の電波の速度は、用いる同軸ケーブルの波長短縮率(詳細には同軸ケーブルの絶縁材料)により異なる。したがって、伝送線路TLの長さは、用いる同軸ケーブルの種類に応じて、適宜変更すればよい。また、上記算出式から分かるように、高周波電源装置1が出力する高周波の周波数が低ければ低いほど、波長λは長くなる。したがって、周波数が低い場合、長い伝送線路TLを用いる必要があり、当該伝送線路TLを送電装置A2の筺体に収容するために、送電装置A2の大きさを大きくしなければならない。よって、高周波電源装置1が出力する高周波の周波数は、6.78MHz以上であることが望ましい。 The length of the transmission line TL is approximately one-fourth of the transmission wavelength of the high-frequency fundamental wave output by the high-frequency power supply device 1 in the transmission line TL. The high-frequency wavelength λ output by the high-frequency power supply device 1 is represented by λ [m] = ν [m / s] / f [Hz], where f is the frequency and ν is the speed of the radio wave in the transmission line TL. .. The radio wave velocity ν of the coaxial cable (polyethylene), so approximately 66% of the speed of a radio wave in vacuum (3.0 × 10 8 [m / s]), for example, the switching frequency f 0 = 13.56 When [MHz], the frequency of the wavelength lambda of the high-frequency power supply device 1 outputs, λ = (3.0 × 10 8 ) × (66/100) / (13.56 × 10 6) ≒ 14.60 [m ]. Since the length of the transmission line TL is approximately 1/4 of this wavelength λ, it is 14.60 × (1/4) ≈3.65 [m]. The speed ν of the radio wave on the coaxial cable is set to about 66% of the speed of the radio wave in vacuum, but the speed of the radio wave on the coaxial cable is the wavelength shortening rate of the coaxial cable used (specifically, that of the coaxial cable. Insulation material). Therefore, the length of the transmission line TL may be appropriately changed according to the type of coaxial cable used. Further, as can be seen from the above calculation formula, the lower the frequency of the high frequency output by the high frequency power supply device 1, the longer the wavelength λ. Therefore, when the frequency is low, it is necessary to use a long transmission line TL, and the size of the power transmission device A2 must be increased in order to accommodate the transmission line TL in the housing of the power transmission device A2. Therefore, it is desirable that the high frequency frequency output by the high frequency power supply device 1 is 6.78 MHz or more.
図10(b)は、図10(a)に示す非接触電力伝送システムS2の主要部分を抜き出したものである。 FIG. 10B is an extraction of the main part of the non-contact power transmission system S2 shown in FIG. 10A.
高周波電源装置1の出力電圧をV1、出力電流をI1とする。また、電流‐電圧変換回路52の出力電圧をV2、出力電流をI2とする。また、受電ユニット3の出力電圧をV3、出力電流をI3とする。つまり、整流平滑回路4に印加される電圧がV3、整流平滑回路4に入力される電流がI3となる。なお、各電圧V1,V2,V3および各電流I1,I2,I3は、いずれもベクトルである。 Let the output voltage of the high frequency power supply device 1 be V 1 and the output current be I 1 . Further, the output voltage of the current-voltage conversion circuit 52 is V 2 , and the output current is I 2 . Further, the output voltage of the power receiving unit 3 is V 3 , and the output current is I 3 . That is, the voltage applied to the rectifying / smoothing circuit 4 is V 3 , and the current input to the rectifying / smoothing circuit 4 is I 3 . The voltages V 1 , V 2 , V 3 and the currents I 1 , I 2 , and I 3 are all vectors.
電流‐電圧変換回路52の回路をFパラメータを用いて表した場合、Fパラメータは、下記(25)式のようになる。なお、Fパラメータの各要素A,B,C,Dは、いずれもベクトルである。Z0は伝送線路TLの特性インピーダンスであり、βは位相定数(2π/λ)であり(λは伝送線路TLにおける伝送波長)、lは線路長である。伝送線路TLの線路長lは、伝送波長λの4分の1なので、β・l=π/2となる。したがって、Fパラメータは、下記(26)式のようになる。これより、下記(27)式が求められる。
つまり、電流‐電圧変換回路52の回路をFパラメータを用いて表した場合、電流‐電圧変換回路51の回路をFパラメータを用いて表した場合と同じになる(上記(13),(14)式参照)。また、送電ユニット2および受電ユニット3は第1実施形態と共通しているので、送電ユニット2および受電ユニット3の等価回路は、図7(c)と同様であり、上記(20)式が求められる。したがって、非接触電力伝送システムS2の場合も、非接触電力伝送システムS1の場合と同様に、上記(22)式が求められる。 That is, when the circuit of the current-voltage conversion circuit 52 is represented by using the F parameter, it is the same as when the circuit of the current-voltage conversion circuit 51 is represented by using the F parameter ((13), (14) above). See formula). Further, since the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are common to the first embodiment, the equivalent circuits of the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are the same as those in FIG. 7C, and the above equation (20) is obtained. Be done. Therefore, in the case of the non-contact power transmission system S2, the above equation (22) is required as in the case of the non-contact power transmission system S1.
上記(22)式より、受電ユニット3から出力される電流I3の大きさは、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさに比例する。また、直流電源装置11が出力する直流電圧が一定の場合、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさは一定なので、受電ユニット3の出力電流I3の大きさは、接続される負荷のインピーダンスなどに関係なく、一定である。つまり、受電ユニット3の出力は、一定の大きさの電流I3を出力する定電流源と考えることができる。受電ユニット3の出力電流I3の大きさが一定なので、整流平滑回路4によって整流された電流は一定になる。したがって、蓄電デバイスDに供給される電流は、蓄電デバイスDの充電状態に関係なくほぼ一定になる。 From the above equation (22), the magnitude of the current I 3 output from the power receiving unit 3 is proportional to the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, when the DC voltage output by the DC power supply device 11 is constant, the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1 is constant, so that the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is the magnitude of the connected load. It is constant regardless of impedance. That is, the output of the power receiving unit 3 can be considered as a constant current source that outputs a current I 3 having a constant magnitude. Since the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is constant, the current rectified by the rectifying smoothing circuit 4 becomes constant. Therefore, the current supplied to the power storage device D becomes substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D.
また、非接触電力伝送システムS2の場合も、非接触電力伝送システムS1の場合と同様に、上記(24)式が求められる。したがって、ZM<Z0とすることで、電流I3の大きさを電流I1の大きさより大きくすることができる。 Further, also in the case of the non-contact power transmission system S2, the above equation (24) is required as in the case of the non-contact power transmission system S1. Therefore, by setting Z M <Z 0 , the magnitude of the current I 3 can be made larger than the magnitude of the current I 1 .
図11は、図10(a)に示す回路において、シミュレーションを行ったときの各波形を示している。なお、図10(a)においては、蓄電デバイスDおよび受電装置Bの記載は省略されている。当該シミュレーションの各条件は、図8に示すシミュレーションと同様である。つまり、直流電源装置11が出力する直流電圧を40[V]、高周波制御信号CS2を、周波数f=13.56[MHz]の矩形波信号とし、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をk=0.2,0.4とし、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスを1[μF]、100[μF]としている。また、自己インダクタンスLt,Lrはともに0.6[μH]とし、キャパシタンスCt,Crはともに230[pF]としている。また、本シミュレーションでは、伝送線路TLの特性インピーダンスZ0=50[Ω]としている。なお、伝送線路TLの線路長は、伝送波長λの4分の1(0.25λ)である。図11(a)は、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間電圧Vdsの波形を示しており、図11(b)は、高周波電源装置1の出力電流I1の波形を示している。また、図11(c)は、受電ユニット3の出力電流I3の波形を示しており、図11(d)は、整流平滑回路4のコンデンサを流れる電流ILOADの波形を示している。図11(c)、(d)において、振幅の大きい方が、結合係数をk=0.2としたときのものである。図11(a)〜(d)において、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスが1[μF]の場合と100[μF]の場合とで、位相に若干のずれがあるが、同様の波形になっている。 FIG. 11 shows each waveform when a simulation is performed in the circuit shown in FIG. 10 (a). In FIG. 10A, the description of the power storage device D and the power receiving device B is omitted. Each condition of the simulation is the same as the simulation shown in FIG. That is, the DC voltage output by the DC power supply device 11 is 40 [V], the high frequency control signal CS2 is a rectangular wave signal with a frequency f = 13.56 [MHz], and the coupling coefficient of the transmission coil Lt and the power receiving coil Lr is k. = 0.2, 0.4, and the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and 100 [μF]. The self-inductances L t and L r are both 0.6 [μH], and the capacitances C t and C r are both 230 [pF]. Further, in this simulation, the characteristic impedance Z 0 = 50 [Ω] of the transmission line TL is set. The line length of the transmission line TL is one-fourth (0.25λ) of the transmission wavelength λ. FIG. 11A shows the waveform of the drain-source voltage V ds of the switching element Qs, and FIG. 11B shows the waveform of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, FIG. 11 (c) shows the waveform of the output current I 3 of the power receiving unit 3, and FIG. 11 (d) shows the waveform of the current I LOAD flowing through the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4. In FIGS. 11C and 11D, the one having the larger amplitude is the one when the coupling coefficient is k = 0.2. In FIGS. 11A to 11D, the same waveform is obtained although there is a slight phase shift between the case where the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and the case where the capacitance is 100 [μF]. ing.
図11(b)に示されているように、電流I1の振幅が約1.2[A]であるところ、図11(c)に示されているように、電流I3の振幅は、k=0.4の場合に約2.5[A]となり、k=0.2の場合に約5[A]となっている。つまり、電流I3の大きさが電流I1の大きさより大きくなり、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさが大きくなることが確認できた。 Where the amplitude of the current I 1 is about 1.2 [A] as shown in FIG. 11 (b), the amplitude of the current I 3 is as shown in FIG. 11 (c). When k = 0.4, it is about 2.5 [A], and when k = 0.2, it is about 5 [A]. That is, it was confirmed that the magnitude of the current I 3 is larger than the magnitude of the current I 1 , and the smaller the coupling coefficient k, the larger the magnitude of the current I 2 .
第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第2実施形態の場合、所定の長さの同軸ケーブルなどの伝送線路TLで、高周波電源装置1と送電ユニット2とを接続すればよいので、インダクタとコンデンサとを組み合わせたフィルタ回路を必要としない。 Also in the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the case of the second embodiment, since the high frequency power supply device 1 and the power transmission unit 2 may be connected by a transmission line TL such as a coaxial cable having a predetermined length, a filter circuit combining an inductor and a capacitor is required. Do not.
ただし、第2実施形態の場合、伝送線路TLの長さが限定されるので、不必要に長い伝送線路TLを用いる必要がある。以下では、伝送線路TLを所望の長さとする場合を、第3および第4実施形態として説明する。 However, in the case of the second embodiment, since the length of the transmission line TL is limited, it is necessary to use an unnecessarily long transmission line TL. Hereinafter, the case where the transmission line TL has a desired length will be described as the third and fourth embodiments.
図12は、第3実施形態に係る非接触電力伝送システムS3の構成を示す回路図である。なお、受電装置Bの構成は第1実施形態に係る受電装置Bと同様なので、送電装置A3のみを記載している。非接触電力伝送システムS3は、電流‐電圧変換回路53の構成が、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムS1の電流‐電圧変換回路51と異なっている。 FIG. 12 is a circuit diagram showing the configuration of the non-contact power transmission system S3 according to the third embodiment. Since the configuration of the power receiving device B is the same as that of the power receiving device B according to the first embodiment, only the power transmitting device A3 is described. In the non-contact power transmission system S3, the configuration of the current-voltage conversion circuit 53 is different from that of the current-voltage conversion circuit 51 of the non-contact power transmission system S1 according to the first embodiment.
電流‐電圧変換回路53は、電流出力を電圧出力に変換するものである。電流‐電圧変換回路53は、インダクタL11’と2つのコンデンサC11’、C12’とをπ型に配置したフィルタ回路と伝送線路TL’とを備えている。伝送線路TL’は、第2実施形態に係る電流‐電圧変換回路52の伝送線路TLと同様の構成であり、その長さは、高周波電源装置1が出力する高周波の基本波の、伝送線路TL’における伝送波長λのx倍(xλ)としている。また、フィルタ回路は、第1実施形態に係る電流‐電圧変換回路51のフィルタ回路と同様の構成であり、インダクタL11’の自己インダクタンスと2つのコンデンサC11’,C12’のキャパシタンスは、伝送線路TL’の長さxλに応じて設計される。電流‐電圧変換回路53では、フィルタ回路が高周波電源装置1側に接続され、伝送線路TL’が送電ユニット2側に接続されている。 The current-voltage conversion circuit 53 converts the current output into a voltage output. The current-voltage conversion circuit 53 includes a filter circuit in which an inductor L11'and two capacitors C11'and C12' are arranged in a π shape, and a transmission line TL'. The transmission line TL'has the same configuration as the transmission line TL of the current-voltage conversion circuit 52 according to the second embodiment, and its length is the transmission line TL of the high-frequency fundamental wave output by the high-frequency power supply device 1. It is x times (xλ) the transmission wavelength λ at ′. Further, the filter circuit has the same configuration as the filter circuit of the current-voltage conversion circuit 51 according to the first embodiment, and the self-inductance of the inductor L11'and the capacitance of the two capacitors C11'and C12' are the transmission line TL. It is designed according to the length xλ of'. In the current-voltage conversion circuit 53, the filter circuit is connected to the high frequency power supply device 1 side, and the transmission line TL'is connected to the power transmission unit 2 side.
次に、フィルタ回路の設計について説明する。 Next, the design of the filter circuit will be described.
フィルタ回路は、線路長l=(0.25−x)λの伝送線路と等価となるように設計される。つまり、フィルタ回路と伝送線路TL’とを合わせて、0.25λ(伝送波長λの4分の1)となるようにしている。 The filter circuit is designed to be equivalent to a transmission line with a line length l = (0.25-x) λ. That is, the filter circuit and the transmission line TL'are combined to be 0.25λ (a quarter of the transmission wavelength λ).
コンデンサC11’のインピーダンスをZ1、インダクタL11’のインピーダンスをZ2、コンデンサC12’のインピーダンスをZ3とした場合、フィルタ回路のFパラメータは、下記(28)式になる。
一方、特性インピーダンスがZ0で、線路長lの伝送線路のFパラメータは、下記(29)式になる。なお、βは位相定数(2π/λ)である。
上記(28)式および上記(29)式のFパラメータが一致するように、インダクタL11’の自己インダクタンスと2つのコンデンサC11’,C12’のキャパシタンスとを設計する。コンデンサC11’のキャパシタンスとコンデンサC12’のキャパシタンスを同一とする。上記(28),(29)式より、下記(30a)〜(30d)式が求められる。
上記(30b)、(30d)式およびZ1=Z3より、下記(31)式となる。
インダクタL11’の自己インダクタンスをLとし、コンデンサC11’,C12’のキャパシタンスをCとすると、Z1=Z3=1/(j2πf0C)、Z2=j2πf0Lなので、(30b),(31)式より、下記(32),(33)式となる。
インダクタL11’の自己インダクタンスLおよびコンデンサC11’,C12’のキャパシタンスCが、上記(32),(33)式となるように設計することで、電流‐電圧変換回路53は、線路長0.25λ(伝送波長λの4分の1)の伝送線路と等価になり、電流出力を電圧出力に変換することができる。 By designing the self-inductance L of the inductor L11'and the capacitance C of the capacitors C11' and C12' to be the above equations (32) and (33), the current-voltage conversion circuit 53 has a line length of 0.25λ. It is equivalent to a transmission line (a quarter of the transmission wavelength λ), and the current output can be converted into a voltage output.
電流‐電圧変換回路53の回路をFパラメータを用いて表した場合、電流‐電圧変換回路51,52の回路をFパラメータを用いて表した場合と同じになる(上記(13),(14)式参照)。また、送電ユニット2および受電ユニット3は第1実施形態と共通しているので、送電ユニット2および受電ユニット3の等価回路は、図7(c)と同様であり、上記(20)式が求められる。したがって、非接触電力伝送システムS3の場合も、非接触電力伝送システムS1の場合と同様に、上記(22)式が求められる。 When the circuit of the current-voltage conversion circuit 53 is represented by using the F parameter, it is the same as when the circuit of the current-voltage conversion circuits 51 and 52 is represented by using the F parameter ((13), (14) above). See formula). Further, since the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are common to the first embodiment, the equivalent circuits of the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are the same as those in FIG. 7C, and the above equation (20) is obtained. Be done. Therefore, in the case of the non-contact power transmission system S3, the above equation (22) is required as in the case of the non-contact power transmission system S1.
上記(22)式より、受電ユニット3から出力される電流I3の大きさは、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさに比例する。また、直流電源装置11が出力する直流電圧が一定の場合、高周波電源装置1の出力電流I1の大きさは一定なので、受電ユニット3の出力電流I3の大きさは、接続される負荷のインピーダンスなどに関係なく、一定である。つまり、受電ユニット3の出力は、一定の大きさの電流I3を出力する定電流源と考えることができる。受電ユニット3の出力電流I3の大きさが一定なので、整流平滑回路4によって整流された電流は一定になる。したがって、蓄電デバイスDに供給される電流は、蓄電デバイスDの充電状態に関係なくほぼ一定になる。 From the above equation (22), the magnitude of the current I 3 output from the power receiving unit 3 is proportional to the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, when the DC voltage output by the DC power supply device 11 is constant, the magnitude of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1 is constant, so that the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is the magnitude of the connected load. It is constant regardless of impedance. That is, the output of the power receiving unit 3 can be considered as a constant current source that outputs a current I 3 having a constant magnitude. Since the magnitude of the output current I 3 of the power receiving unit 3 is constant, the current rectified by the rectifying smoothing circuit 4 becomes constant. Therefore, the current supplied to the power storage device D becomes substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D.
また、非接触電力伝送システムS3の場合も、非接触電力伝送システムS1の場合と同様に、上記(24)式が求められる。したがって、ZM<Z0とすることで、電流I3の大きさを電流I1の大きさより大きくすることができる。 Further, also in the case of the non-contact power transmission system S3, the above equation (24) is required as in the case of the non-contact power transmission system S1. Therefore, by setting Z M <Z 0 , the magnitude of the current I 3 can be made larger than the magnitude of the current I 1 .
図13は、図12に示す回路において、シミュレーションを行ったときの各波形を示している。なお、図12においては、蓄電デバイスDおよび受電装置Bの記載は省略されている。当該シミュレーションの各条件は、図8に示すシミュレーションと同様である。つまり、直流電源装置11が出力する直流電圧を40[V]、高周波制御信号CS2を、周波数f=13.56[MHz]の矩形波信号とし、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をk=0.2,0.4とし、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスを1[μF]、100[μF]としている。また、自己インダクタンスLt,Lrはともに0.6[μH]とし、キャパシタンスCt,Crはともに230[pF]としている。また、本シミュレーションでは、伝送線路TL’の特性インピーダンスZ0=50[Ω]とし、線路長を伝送波長λの8分の1(x=0.125)としている。インダクタL11’の自己インダクタンスLおよびコンデンサC11’,C12’のキャパシタンスCは、上記(32),(33)式において、l=(0.25−0.125)λとして算出しており、自己インダクタンスLは0.415[μH]、キャパシタンスCは97[pF]となっている。図13(a)は、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間電圧Vdsの波形を示しており、図13(b)は、高周波電源装置1の出力電流I1の波形を示している。また、図13(c)は、受電ユニット3の出力電流I3の波形を示しており、図13(d)は、整流平滑回路4のコンデンサを流れる電流ILOADの波形を示している。図13(c)、(d)において、振幅の大きい方が、結合係数をk=0.2としたときのものである。図13(a)〜(d)において、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスが1[μF]の場合と100[μF]の場合とで、位相に若干のずれがあるが、同様の波形になっている。 FIG. 13 shows each waveform when a simulation is performed in the circuit shown in FIG. In FIG. 12, the description of the power storage device D and the power receiving device B is omitted. Each condition of the simulation is the same as the simulation shown in FIG. That is, the DC voltage output by the DC power supply device 11 is 40 [V], the high frequency control signal CS2 is a rectangular wave signal with a frequency f = 13.56 [MHz], and the coupling coefficient of the transmission coil Lt and the power receiving coil Lr is k. = 0.2, 0.4, and the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and 100 [μF]. The self-inductances L t and L r are both 0.6 [μH], and the capacitances C t and C r are both 230 [pF]. Further, in this simulation, the characteristic impedance Z 0 = 50 [Ω] of the transmission line TL'is set, and the line length is set to 1/8 (x = 0.125) of the transmission wavelength λ. The self-inductance L of the inductor L11'and the capacitance C of the capacitors C11'and C12'are calculated as l = (0.25-0.125) λ in the above equations (32) and (33), and the self-inductance L is 0.415 [μH] and the capacitance C is 97 [pF]. FIG. 13 (a) shows the waveform of the drain-source voltage V ds of the switching element Qs, and FIG. 13 (b) shows the waveform of the output current I 1 of the high frequency power supply device 1. Further, FIG. 13 (c) shows the waveform of the output current I 3 of the power receiving unit 3, and FIG. 13 (d) shows the waveform of the current I LOAD flowing through the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4. In FIGS. 13 (c) and 13 (d), the one having the larger amplitude is the one when the coupling coefficient is k = 0.2. In FIGS. 13 (a) to 13 (d), there is a slight phase shift between the case where the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and the case where the capacitance is 100 [μF], but the same waveform is obtained. ing.
図13(b)に示されているように、電流I1の振幅が約1.2[A]であるところ、図13(c)に示されているように、電流I3の振幅は、k=0.4の場合に約2.5[A]となり、k=0.2の場合に約5[A]となっている。つまり、電流I3の大きさが電流I1の大きさより大きくなり、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさが大きくなることが確認できた。 Where the amplitude of the current I 1 is about 1.2 [A] as shown in FIG. 13 (b), the amplitude of the current I 3 is as shown in FIG. 13 (c). When k = 0.4, it is about 2.5 [A], and when k = 0.2, it is about 5 [A]. That is, it was confirmed that the magnitude of the current I 3 is larger than the magnitude of the current I 1 , and the smaller the coupling coefficient k, the larger the magnitude of the current I 2 .
第3実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第3実施形態においては、伝送線路TL’の長さに応じてフィルタ回路を設計すればよいので、伝送線路TL’を所望の長さにすることができる。 Also in the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the third embodiment, since the filter circuit may be designed according to the length of the transmission line TL', the transmission line TL'can be set to a desired length.
図14は、第4実施形態に係る非接触電力伝送システムS4の構成を示す回路図である。なお、受電装置Bの構成は第1実施形態に係る受電装置Bと同様なので、送電装置A4のみを記載している。非接触電力伝送システムS4は、電流‐電圧変換回路54の構成が、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムS1の電流‐電圧変換回路51と異なっている。 FIG. 14 is a circuit diagram showing the configuration of the non-contact power transmission system S4 according to the fourth embodiment. Since the configuration of the power receiving device B is the same as that of the power receiving device B according to the first embodiment, only the power transmitting device A4 is described. The non-contact power transmission system S4 differs from the current-voltage conversion circuit 51 of the non-contact power transmission system S1 according to the first embodiment in the configuration of the current-voltage conversion circuit 54.
電流‐電圧変換回路54は、第3実施形態に係る電流‐電圧変換回路53のフィルタ回路と伝送線路TL’の位置を入れ替えたものである。すなわち、電流‐電圧変換回路54は、インダクタL11’と2つのコンデンサC11’、C12’とをπ型に配置したフィルタ回路が送電ユニット2側に接続され、線路長が伝送波長λのx倍(xλ)である伝送線路TL’が高周波電源装置1側に接続されている。インダクタL11’の自己インダクタンスと2つのコンデンサC11’,C12’のキャパシタンスは、第3実施形態の場合と同様に、伝送線路TL’の長さxλに応じて設計される。したがって、電流‐電圧変換回路54は、線路長0.25λ(伝送波長λの4分の1)の伝送線路と等価になり、電流出力を電圧出力に変換することができる。 The current-voltage conversion circuit 54 has the positions of the filter circuit and the transmission line TL'of the current-voltage conversion circuit 53 according to the third embodiment interchanged. That is, in the current-voltage conversion circuit 54, a filter circuit in which the inductor L11'and the two capacitors C11'and C12'are arranged in a π shape is connected to the power transmission unit 2 side, and the line length is x times the transmission wavelength λ ( The transmission line TL'which is xλ) is connected to the high frequency power supply device 1. The self-inductance of the inductor L11'and the capacitance of the two capacitors C11' and C12'are designed according to the length xλ of the transmission line TL', as in the case of the third embodiment. Therefore, the current-voltage conversion circuit 54 is equivalent to a transmission line having a line length of 0.25λ (a quarter of the transmission wavelength λ), and can convert the current output into a voltage output.
第4実施形態に係る非接触電力伝送システムS4においても、蓄電デバイスDに供給される電流は、蓄電デバイスDの充電状態に関係なくほぼ一定になる。また、送電コイルLtと受電コイルLrとの間の磁気結合による相互インダクタンスMのインピーダンスZM(=jω0M)を特性インピーダンスZ0より小さくすることで、受電ユニット3の出力電流の大きさを高周波電源装置1の出力電流の大きさより大きくすることができる。 Also in the non-contact power transmission system S4 according to the fourth embodiment, the current supplied to the power storage device D is substantially constant regardless of the charging state of the power storage device D. Further, by making the impedance Z M (= jω 0 M) of the mutual inductance M due to the magnetic coupling between the power transmitting coil Lt and the power receiving coil Lr smaller than the characteristic impedance Z 0 , the magnitude of the output current of the power receiving unit 3 can be reduced. It can be made larger than the magnitude of the output current of the high frequency power supply device 1.
第4実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第4実施形態においては、伝送線路TL’の長さに応じてフィルタ回路を設計すればよいので、伝送線路TL’を所望の長さにすることができる。 Also in the fourth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the fourth embodiment, the filter circuit may be designed according to the length of the transmission line TL', so that the transmission line TL'can be set to a desired length.
上記第3および第4実施形態においては、電流‐電圧変換回路53(54)のフィルタ回路を、インダクタL11と2つのコンデンサC11,C12とをπ型に配置したフィルタ回路とした場合について説明したが、フィルタ回路の回路構成は、上述したものに限定されない。例えば、2つのインダクタと1つのコンデンサとをπ型に配置したフィルタ回路(図9(a)参照)としてもよいし、1つのインダクタと2つのコンデンサとをT型に配置したフィルタ回路(図9(b)参照)としてもよいし、2つのインダクタと1つのコンデンサとをT型に配置したフィルタ回路(図9(c)参照)としてもよい。 In the third and fourth embodiments, the case where the filter circuit of the current-voltage conversion circuit 53 (54) is a filter circuit in which the inductor L11 and the two capacitors C11 and C12 are arranged in a π shape has been described. The circuit configuration of the filter circuit is not limited to that described above. For example, it may be a filter circuit in which two inductors and one capacitor are arranged in a π type (see FIG. 9A), or a filter circuit in which one inductor and two capacitors are arranged in a T type (FIG. 9). (See (b)) may be used, or a filter circuit (see FIG. 9 (c)) in which two inductors and one capacitor are arranged in a T shape may be used.
フィルタ回路が2つのインダクタと1つのコンデンサとをT型に配置したフィルタ回路である場合(図15参照)のフィルタ回路の設計について説明する。 The design of the filter circuit when the filter circuit is a filter circuit in which two inductors and one capacitor are arranged in a T shape (see FIG. 15) will be described.
フィルタ回路は、線路長l=(0.25−x)λの伝送線路と等価となるように設計される。つまり、フィルタ回路と伝送線路TL’とを合わせて、0.25λ(伝送波長λの4分の1)となるようにしている。 The filter circuit is designed to be equivalent to a transmission line with a line length l = (0.25-x) λ. That is, the filter circuit and the transmission line TL'are combined to be 0.25λ (a quarter of the transmission wavelength λ).
インダクタL11”のインピーダンスをZ1、コンデンサC11”のインピーダンスをZ2、インダクタL12”のインピーダンスをZ3とした場合、フィルタ回路のFパラメータは、下記(34)式になる。
一方、特性インピーダンスがZ0で、線路長lの伝送線路のFパラメータは、下記(35)式になる。なお、βは位相定数(2π/λ)である。
上記(34)式および上記(35)式のFパラメータが一致するように、2つのインダクタL11”,L12”の自己インダクタンスとコンデンサC11”のキャパシタンスとを設計する。インダクタL11”の自己インダクタンスとインダクタL12”の自己インダクタンスを同一とする。上記(34),(35)式より、下記(36a)〜(36d)式が求められる。
上記(36c)式より下記(37)式になり、上記(36d)式および下記(37)式より下記(38式)となる。
インダクタL11”,L12”の自己インダクタンスをLとし、コンデンサC11”のキャパシタンスをCとすると、Z1=Z3=j2πf0L、Z2=1/(j2πf0C)なので、(37),(38)式より、下記(39),(40)式となる。
インダクタL11”,L12”の自己インダクタンスLおよびコンデンサC11”のキャパシタンスCが、上記(39),(40)式となるように設計することで、電流‐電圧変換回路53(54)は、線路長0.25λ(伝送波長λの4分の1)の伝送線路と等価になり、電流出力を電圧出力に変換することができる。 By designing the self-inductance L of the inductors L11 "and L12" and the capacitance C of the capacitor C11 "to be the above equations (39) and (40), the current-voltage conversion circuit 53 (54) has a line length. It is equivalent to a transmission line of 0.25λ (a quarter of the transmission wavelength λ), and the current output can be converted into a voltage output.
図16は、図15に示す回路において、シミュレーションを行ったときの各波形を示している。なお、図15においては、蓄電デバイスDおよび受電装置Bの記載は省略されている。当該シミュレーションの各条件は、図8に示すシミュレーションと同様である。つまり、直流電源装置11が出力する直流電圧を40[V]、高周波制御信号CS2を、周波数f=13.56[MHz]の矩形波信号とし、送電コイルLtと受電コイルLrの結合係数をk=0.2,0.4とし、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスを1[μF]、100[μF]としている。また、自己インダクタンスLt,Lrはともに0.6[μH]とし、キャパシタンスCt,Crはともに230[pF]としている。また、本シミュレーションでは、伝送線路TL’の特性インピーダンスZ0=50[Ω]とし、線路長を伝送波長λの0.15倍(x=0.15)としている。インダクタL11”,L12”の自己インダクタンスLおよびコンデンサC11”のキャパシタンスCは、上記(39),(40)式において、l=(0.25−0.15)λとして算出しており、自己インダクタンスLは0.299[μH]、キャパシタンスCは190[pF]となっている。図16(a)は、スイッチング素子Qsのドレイン‐ソース間電圧Vdsの波形を示しており、図16(b)は、高周波電源装置1の出力電流I1の波形を示している。また、図16(c)は、受電ユニット3の出力電流I3の波形を示しており、図16(d)は、整流平滑回路4のコンデンサを流れる電流ILOADの波形を示している。図16(c)、(d)において、振幅の大きい方が、結合係数をk=0.2としたときのものである。図16(a)〜(d)において、整流平滑回路4のコンデンサのキャパシタンスが1[μF]の場合と100[μF]の場合とで、位相に若干のずれがあるが、同様の波形になっている。 FIG. 16 shows each waveform when a simulation is performed in the circuit shown in FIG. In FIG. 15, the description of the power storage device D and the power receiving device B is omitted. Each condition of the simulation is the same as the simulation shown in FIG. That is, the DC voltage output by the DC power supply device 11 is 40 [V], the high frequency control signal CS2 is a rectangular wave signal with a frequency f = 13.56 [MHz], and the coupling coefficient of the transmission coil Lt and the power receiving coil Lr is k. = 0.2, 0.4, and the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and 100 [μF]. The self-inductances L t and L r are both 0.6 [μH], and the capacitances C t and C r are both 230 [pF]. Further, in this simulation, the characteristic impedance Z 0 = 50 [Ω] of the transmission line TL'is set, and the line length is set to 0.15 times the transmission wavelength λ (x = 0.15). The self-inductance L of the inductors L11 "and L12" and the capacitance C of the capacitor C11 "are calculated as l = (0.25-0.15) λ in the above equations (39) and (40), and the self-inductance. L is 0.299 [μH] and the capacitance C is 190 [pF]. FIG. 16A shows a waveform of the drain-source voltage V ds of the switching element Qs, and FIG. 16 (b). ) Shows the waveform of the output current I 1 of the high-frequency power supply device 1. FIG. 16 (c) shows the waveform of the output current I 3 of the power receiving unit 3, and FIG. 16 (d) shows the waveform of the output current I 3 . The waveform of the current I LOAD flowing through the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is shown. In FIGS. 16C and 16D, the larger amplitude is the one when the coupling coefficient is k = 0.2. In FIGS. 16A to 16D, there is a slight phase shift between the case where the capacitance of the capacitor of the rectifying smoothing circuit 4 is 1 [μF] and the case where the capacitance is 100 [μF], but the same waveform is obtained. It has become.
図16(b)に示されているように、電流I1の振幅が約1.2[A]であるところ、図16(c)に示されているように、電流I3の振幅は、k=0.4の場合に約2.5[A]となり、k=0.2の場合に約5[A]となっている。つまり、電流I3の大きさが電流I1の大きさより大きくなり、結合係数kが小さいほど、電流I2の大きさが大きくなることが確認できた。 Where the amplitude of the current I 1 is about 1.2 [A] as shown in FIG. 16 (b), the amplitude of the current I 3 is as shown in FIG. 16 (c). When k = 0.4, it is about 2.5 [A], and when k = 0.2, it is about 5 [A]. That is, it was confirmed that the magnitude of the current I 3 is larger than the magnitude of the current I 1 , and the smaller the coupling coefficient k, the larger the magnitude of the current I 2 .
上記第1ないし第4実施形態においては、高周波電源装置1と送電ユニット2との間に、ハードウエアとしての電流−電圧変換回路を備えた場合について説明したが、これに限られない。例えば、FPGA(field-programmable gate array)などによる制御で、高周波電源装置1からの電流出力を電圧出力に変換するようにしてもよい。 In the first to fourth embodiments, the case where the current-voltage conversion circuit as hardware is provided between the high frequency power supply device 1 and the power transmission unit 2 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the current output from the high frequency power supply device 1 may be converted into a voltage output by control by FPGA (field-programmable gate array) or the like.
上記第1ないし第4実施形態においては、高周波電源装置1がいわゆるE級アンプに共振回路LC2を追加したアンプを利用した場合について説明したが、これに限られない。例えば、共振回路LC2を設けないようにした、いわゆるE級アンプを利用してもよい。高周波電源装置1は、いわゆる定電流源であればよい。 In the first to fourth embodiments, the case where the high frequency power supply device 1 uses an amplifier in which the resonance circuit LC2 is added to the so-called class E amplifier has been described, but the present invention is not limited to this. For example, a so-called class E amplifier in which the resonance circuit LC2 is not provided may be used. The high frequency power supply device 1 may be a so-called constant current source.
上記第1ないし第4実施形態においては、送電装置A1〜A4(以下では「送電装置A」と記載する)が床面に埋設されている場合(図1参照)について説明したが、これに限られない。例えば、送電コイルのみが床面に埋設されるようにしてもよいし、送電コイルを床面に埋設せずに床面上に配置するようにしてもよい。また、送電コイルおよび受電コイルが、床面に対して略平行となるように設けられる場合に限定されない。例えば、図17(a)に示すように、受電装置Bが車体の後部に配置され、送電装置Aが車庫の壁面に配置され、送電コイルおよび受電コイルが床面に対して略垂直になるようにしてもよい。また、図17(b)に示すように、受電装置Bが車体の側面に配置され、送電装置Aが車庫の壁面に配置され、送電コイルおよび受電コイルが床面に対して略垂直になるようにしてもよい。要するに、送電コイルと受電コイルとが略平行で向かい合う位置に配置できるように、それぞれ、車体と車庫(駐車場)に配置されていればよい。 In the first to fourth embodiments, the case where the power transmission devices A1 to A4 (hereinafter referred to as “power transmission device A”) is embedded in the floor surface (see FIG. 1) has been described, but the present invention is limited to this. I can't. For example, only the power transmission coil may be embedded in the floor surface, or the power transmission coil may be arranged on the floor surface without being embedded in the floor surface. Further, the present invention is not limited to the case where the power transmission coil and the power reception coil are provided so as to be substantially parallel to the floor surface. For example, as shown in FIG. 17A, the power receiving device B is arranged at the rear part of the vehicle body, the power transmitting device A is arranged on the wall surface of the garage, and the power transmitting coil and the power receiving coil are substantially perpendicular to the floor surface. It may be. Further, as shown in FIG. 17B, the power receiving device B is arranged on the side surface of the vehicle body, the power transmitting device A is arranged on the wall surface of the garage, and the power transmitting coil and the power receiving coil are substantially perpendicular to the floor surface. It may be. In short, the power transmission coil and the power reception coil may be arranged in the vehicle body and the garage (parking lot), respectively, so that they can be arranged at positions facing each other in a substantially parallel manner.
上記第1ないし第4実施形態においては、本発明に係る非接触電力伝送システムを、電気自動車に内蔵された蓄電デバイスの充電に利用する場合を例として説明したが、これに限られない。例えば、工場内の搬送に用いられる無人搬送車の蓄電デバイスへの充電にも、利用することができる。また、電動工具やノートパソコンなどの電気製品の蓄電デバイスに充電を行う場合にも、本発明を適用することができる。また、蓄電デバイスに充電するのではなく、受電装置に接続された電気製品などの負荷に直接、電力を供給する場合にも、本発明を適用することができる。この場合、負荷に一定の電流を供給することができる。また、負荷に高周波電力をそのまま供給するのであれば、整流平滑回路4を設けないようにしてもよい。また、整流後の直流電力を、インバータ回路で適切な交流電力に変換して用いるようにしてもよい。 In the first to fourth embodiments, the case where the non-contact power transmission system according to the present invention is used for charging the power storage device built in the electric vehicle has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, it can also be used to charge the power storage device of an automatic guided vehicle used for transportation in a factory. The present invention can also be applied to the case of charging a power storage device of an electric product such as a power tool or a notebook computer. The present invention can also be applied to a case where power is directly supplied to a load such as an electric product connected to a power receiving device instead of charging the power storage device. In this case, a constant current can be supplied to the load. Further, if the high frequency power is supplied to the load as it is, the rectifying smoothing circuit 4 may not be provided. Further, the rectified DC power may be converted into an appropriate AC power by the inverter circuit and used.
本発明に係る非接触電力伝送システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る非接触電力伝送システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The non-contact power transmission system according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The specific configuration of each part of the non-contact power transmission system according to the present invention can be freely redesigned.
A1,A2,A3,A4,A’,A 送電装置
1 高周波電源装置
11 直流電源装置
12 制御装置
C1,C2,C3,C4,C10 コンデンサ
L1,L2,L3 インダクタ
LC1 フィルタ
LC2 共振回路(第2の共振回路)
LC3 共振回路(第1の共振回路)
Qs スイッチング素子
D1 ダイオード
51,52,53,54 電流-電圧変換回路(変換手段)
L11,L11’,L11”,L12” インダクタ
C11,C12,C11’,C12’,C11” コンデンサ
TL,TL’ 伝送線路
2 送電ユニット
Lt 送電コイル
Ct 共振コンデンサ
B,B’ 受電装置
3,3’ 受電ユニット
Lr 受電コイル
Cr 共振コンデンサ
4 整流平滑回路
S1,S2,S3,S4,S’ 非接触電力伝送システム
D 蓄電デバイス
A1, A2, A3, A4, A', A Transmission device 1 High frequency power supply device 11 DC power supply device 12 Control device C1, C2, C3, C4, C10 Capacitor L1, L2, L3 Inductor LC1 filter LC2 Resonance circuit (second Resonant circuit)
LC3 resonant circuit (first resonant circuit)
Qs switching element D1 diode 51, 52, 53, 54 Current-voltage conversion circuit (conversion means)
L11, L11', L11 ", L12" Inductor C11, C12, C11', C12', C11 "Capacitor TL, TL' Transmission line 2 Transmission unit Lt Transmission coil Ct Resonance capacitor B, B'Power receiving device 3,3' Unit Lr Power receiving coil Cr Resonance capacitor 4 Rectification smoothing circuit S1, S2, S3, S4, S'Non-contact power transmission system D Power storage device
Claims (5)
前記高周波電源装置が出力する電力を伝送する送電装置と、
前記送電装置から送電される電力を前記送電装置と非接触で受電する受電装置と、
を備え、
前記送電装置は、前記高周波電源装置からの電流出力を電圧出力に変換する電流−電圧変換回路を含み、
前記電流−電圧変換回路は、
インダクタとコンデンサとをT型またはπ型に配置したフィルタ回路と、
伝送線路と、
を備え、
前記伝送線路の長さを当該伝送線路における伝送波長の略4分の1の長さとした場合と等価になるように、前記インダクタの自己インダクタンスと前記コンデンサのキャパシタンスとが設計されている、
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。 A high-frequency power supply that outputs a constant high-frequency current,
A power transmission device that transmits the power output by the high-frequency power supply device, and
A power receiving device that receives power transmitted from the power transmission device in a non-contact manner with the power transmission device,
With
The power transmitting device, current converts the current output from the high frequency power supply voltage output - see including a voltage conversion circuit,
The current-voltage conversion circuit
A filter circuit in which the inductor and capacitor are arranged in a T-type or π-type,
Transmission line and
With
The self-inductance of the inductor and the capacitance of the capacitor are designed so as to be equivalent to the case where the length of the transmission line is approximately one-fourth of the transmission wavelength of the transmission line.
A non-contact power transmission system characterized by that.
前記受電装置は、電力を受電する受電コイルと、前記受電コイルに直列接続されて、共振回路を構成する共振コンデンサと、を有する受電ユニットを備えている、
請求項1に記載の非接触電力伝送システム。 The power transmission device includes a power transmission unit having a power transmission coil for transmitting electric power and a resonance capacitor connected in series to the power transmission coil to form a resonance circuit.
The power receiving device includes a power receiving unit having a power receiving coil for receiving power and a resonance capacitor connected in series to the power receiving coil to form a resonance circuit.
The non-contact power transmission system according to claim 1 .
請求項2に記載の非接触電力伝送システム。 The impedance of the mutual inductance due to the magnetic coupling between the power transmitting coil and the power receiving coil is smaller than the characteristic impedance of the current-voltage conversion circuit.
The non-contact power transmission system according to claim 2 .
前記伝送線路の長さを、前記高周波電源装置が出力する周波数f0の、当該伝送線路における伝送波長λのx倍とした場合、
前記インダクタの自己インダクタンスLと前記コンデンサのキャパシタンスCは、下記式に基づいて設計される、
請求項1ないし3のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
なお、前記伝送線路の特性インピーダンスをZ0としており、βは位相定数(2π/λ)である。
When the length of the transmission line is x times the transmission wavelength λ of the transmission line at the frequency f 0 output by the high frequency power supply device,
The self-inductance L of the inductor and the capacitance C of the capacitor are designed based on the following equation.
The non-contact power transmission system according to any one of claims 1 to 3 .
The characteristic impedance of the transmission line is Z 0, and β is a phase constant (2π / λ).
前記伝送線路の長さを、前記高周波電源装置が出力する周波数f0の、当該伝送線路に
おける伝送波長λのx倍とした場合、
前記インダクタの自己インダクタンスLと前記コンデンサのキャパシタンスCは、下記式に基づいて設計される、
請求項1ないし3のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
なお、前記伝送線路の特性インピーダンスをZ0としており、βは位相定数(2π/λ)である。
When the length of the transmission line is x times the transmission wavelength λ of the transmission line at the frequency f 0 output by the high frequency power supply device,
The self-inductance L of the inductor and the capacitance C of the capacitor are designed based on the following equation.
The non-contact power transmission system according to any one of claims 1 to 3 .
The characteristic impedance of the transmission line is Z 0, and β is a phase constant (2π / λ).
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