JP7570678B2 - Wireless power supply device - Google Patents
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Description
本実施形態は、無線給電装置に関する。 This embodiment relates to a wireless power supply device.
例えば電動化された車両などの移動体へ電力を供給する方法として、非接触で電力を供給する無線給電装置が知られている。車両用の無線給電装置は、主として地上に設けられている送電電極部と、車両に設けられこの送電電極部から電力の供給を受ける受電電極部とから構成されている。そして、この無線給電の方式として、電界結合を用いることが提案されている（特許文献１など参照）。 A wireless power supply device that supplies power contactlessly is known as a method for supplying power to a moving object such as an electrically powered vehicle. A wireless power supply device for a vehicle is mainly composed of a power transmission electrode unit that is provided on the ground, and a power receiving electrode unit that is provided on the vehicle and receives power from the power transmission electrode unit. It has been proposed to use electric field coupling as a method for this wireless power supply (see Patent Document 1, etc.).
しかしながら、無線給電装置を車両に適用する場合、車両は送電電極部が設けられている地面を移動したり、任意の位置で回転したりする。このように、車両に移動や回転が生じると、地上側の送電電極部と車両側の受電電極部とが重なり合う面積、つまり送電電極部と受電電極部との間に形成されるコンデンサの結合面積は変化する。結合面積に変化が生じると、送電電極部に電力を供給する電源を基準とするインピーダンスも変化する。このインピーダンスの変化は、電力の反射を招き、送電効率の低下だけでなく、電源に悪影響を及ぼすという問題がある。また、車両の移動や回転によって結合面積が「０」になると、電力の供給自体が不可能になるという問題がある。 However, when a wireless power supply device is applied to a vehicle, the vehicle moves on the ground on which the power transmission electrode unit is provided, and rotates at any position. When the vehicle moves or rotates in this way, the area where the power transmission electrode unit on the ground side and the power receiving electrode unit on the vehicle side overlap, that is, the coupling area of the capacitor formed between the power transmission electrode unit and the power receiving electrode unit, changes. When the coupling area changes, the impedance based on the power source that supplies power to the power transmission electrode unit also changes. This change in impedance causes power reflection, which not only reduces power transmission efficiency but also has a negative effect on the power source. In addition, when the coupling area becomes "0" due to the movement or rotation of the vehicle, there is a problem that power supply itself becomes impossible.
そこで、送電電極部と受電電極部との間の結合面積の変化にともなうインピーダンスの変化を低減し、送電効率を向上する無線給電装置を提供することを目的とする。 Therefore, the objective of the present invention is to provide a wireless power supply device that reduces the change in impedance caused by the change in the coupling area between the power transmitting electrode section and the power receiving electrode section, thereby improving the power transmission efficiency.
本実施形態の無線給電装置では、受電電極部は、送電電極部における第一電極と第二電極との間の距離、つまりこれらの間隔を距離ｂとしたとき、２ｒ＜ｂとなる直径２ｒの仮想的な円に内接している。受電電極部をこのような条件に設定することにより、受電電極部が設けられた移動体が移動や回転しても、受電電極部は、送電電極部の第一電極または第二電極のいずれか一方とのみ重なる。そのため、送電電極部と受電電極部との間には、不要な電気的な容量つまり静電容量の生成が回避される。 In the wireless power supply device of this embodiment, the power receiving electrode unit is inscribed in a virtual circle of diameter 2r such that 2r<b, where b is the distance between the first electrode and the second electrode in the power transmitting electrode unit, i.e., the distance between them. By setting the power receiving electrode unit under such conditions, even if the moving object on which the power receiving electrode unit is provided moves or rotates, the power receiving electrode unit overlaps with only one of the first electrode or the second electrode of the power transmitting electrode unit. Therefore, the generation of unnecessary electrical capacitance, i.e., electrostatic capacitance, between the power transmitting electrode unit and the power receiving electrode unit is avoided.
仮に、１つの受電電極部が２つの送電電極部と重なると、１つの受電電極部あたり２つの静電容量が発生する。受電電極部が設けられた移動体が移動や回転すると、発生した２つの静電容量はそれぞれ変動する。この場合、例えば整合回路などを用いることにより一方の静電容量の変化による影響を低減することができても、他方の静電容量の変化による影響の低減は困難である。つまり、２つの静電容量が発生するとき、これら２つの静電容量の変化に対して同時に影響を低減することは困難である。 If one power receiving electrode unit overlaps with two power transmitting electrodes, two capacitances are generated for each power receiving electrode unit. When a moving body on which the power receiving electrode unit is provided moves or rotates, the two generated capacitances each fluctuate. In this case, even if it is possible to reduce the effect of a change in one of the capacitances by using, for example, a matching circuit, it is difficult to reduce the effect of a change in the other capacitance. In other words, when two capacitances are generated, it is difficult to simultaneously reduce the effect of changes in these two capacitances.
本実施形態では、受電電極部の直径２ｒと距離ｂとの間に、２ｒ＜ｂの関係が成立することにより、１つの受電電極部は常に１つの送電電極部との間に静電容量を発生する。そのため、例えば整合回路などの追加の構成を必要とすることなく、インピーダンスの変化にともなう反射電力の低減が図られる。したがって、送電電極部と受電電極部との間の結合面積の変化にともなうインピーダンスの変化を低減することができ、送電効率を向上することができる。 In this embodiment, the relationship 2r<b is established between the diameter 2r of the power receiving electrode unit and the distance b, so that one power receiving electrode unit always generates a capacitance between one power transmitting electrode unit. Therefore, reflected power due to changes in impedance can be reduced without requiring additional configuration such as a matching circuit. Therefore, the change in impedance due to changes in the coupling area between the power transmitting electrode unit and the power receiving electrode unit can be reduced, and power transmission efficiency can be improved.
以下、一実施形態による無線給電装置を適用した電力供給システムについて説明する。
図１から図３に示すように、電力供給システム１０は、移動体１１および地上部１２を備えている。地上部１２は、例えば道路、駐車場、工場など、移動体１１を用いる電力供給システム１０を提供する設備に設けられている。移動体１１は、例えば電動の車両などである。移動体１１は、例えば人や貨物を搭載可能であり、地上部１２から供給された電力を利用して走行する。移動体１１は、無人での走行または有人での走行のいずれであってもよい。
Hereinafter, a power supply system to which a wireless power supply device according to an embodiment is applied will be described.
As shown in Fig. 1 to Fig. 3, the power supply system 10 includes a mobile body 11 and an above-ground part 12. The above-ground part 12 is provided in a facility that provides the power supply system 10 using the mobile body 11, such as a road, a parking lot, or a factory. The mobile body 11 is, for example, an electric vehicle. The mobile body 11 can carry, for example, people or cargo, and runs using power supplied from the above-ground part 12. The mobile body 11 may run unmanned or manned.
無線給電装置２０は、高周波生成部２１、送電電極部２２および受電電極部２３を備えている。高周波生成部２１は、図示しないインバータなどの高周波を生成する回路を有している。高周波生成部２１は、電源２４から供給された電力を用いて高周波を生成し、送電電極部２２へ供給する。高周波生成部２１で生成した高周波は、送電電極部２２から出力される。受電電極部２３は、送電電極部２２との間の電界結合を用いて、送電電極部２２から出力された電力を非接触、つまり無線で受け取る。 The wireless power supply device 20 includes a high-frequency generating unit 21, a power transmitting electrode unit 22, and a power receiving electrode unit 23. The high-frequency generating unit 21 has a circuit for generating high-frequency waves, such as an inverter (not shown). The high-frequency generating unit 21 generates high-frequency waves using power supplied from a power source 24, and supplies the high-frequency waves to the power transmitting electrode unit 22. The high-frequency waves generated by the high-frequency generating unit 21 are output from the power transmitting electrode unit 22. The power receiving electrode unit 23 receives the power output from the power transmitting electrode unit 22 in a non-contact manner, i.e. wirelessly, using electric field coupling with the power transmitting electrode unit 22.
送電電極部２２は、例えば地上部１２の床面や壁面などの設置面２５に設けられている。設置面２５は、平面や曲面など設備に応じた任意の面である。送電電極部２２は、一対の第一電極３１および第二電極３２を有している。第一電極３１および第二電極３２は、櫛形に形成されている。具体的には、図４に示すように第一電極３１は、幹部３１１と、この幹部３１１から分岐する平行な複数の枝部３１２とを有している。同様に、第二電極３２は、幹部３２１と、この幹部３２１から分岐する平行な複数の枝部３２２とを有している。第一電極３１は、図１に示すように高周波生成部２１の一方の端子に接続され、第二電極３２は、高周波生成部２１の他方の端子に接続されている。第一電極３１の枝部３１２は、第二電極３２の枝部３２２の間に設けられている。これにより、櫛形の第一電極３１と第二電極３２とは、図４に示すように幹部３１１および幹部３２１が伸びる方向において、互いに離間しつつ、枝部３１２と枝部３２２とが櫛歯状に噛み合った形で交互に配置される。 The power transmission electrode unit 22 is provided on an installation surface 25, such as a floor surface or a wall surface of the aboveground part 12. The installation surface 25 is any surface according to the equipment, such as a flat surface or a curved surface. The power transmission electrode unit 22 has a pair of a first electrode 31 and a second electrode 32. The first electrode 31 and the second electrode 32 are formed in a comb shape. Specifically, as shown in FIG. 4, the first electrode 31 has a trunk 311 and a plurality of parallel branch portions 312 branching from the trunk 311. Similarly, the second electrode 32 has a trunk 321 and a plurality of parallel branch portions 322 branching from the trunk 321. The first electrode 31 is connected to one terminal of the high frequency generating unit 21 as shown in FIG. 1, and the second electrode 32 is connected to the other terminal of the high frequency generating unit 21. The branch portions 312 of the first electrode 31 are provided between the branch portions 322 of the second electrode 32. As a result, the comb-shaped first electrode 31 and second electrode 32 are arranged alternately in the direction in which the trunks 311 and 321 extend, with the branches 312 and 322 interdigitated like comb teeth, while being spaced apart from each other as shown in FIG. 4.
送電電極部２２を構成する第一電極３１および第二電極３２は、図５に示すようにいずれもその幅が幅ａに設定されている。つまり、第一電極３１において幹部３１１から分岐する枝部３１２は、その短手方向の幅が幅ａである。同様に、第二電極３２において、幹部３２１から分岐する枝部３２２は、その短手方向の幅が幅ａである。そして、第一電極３１と第二電極３２との間の間隔は、距離ｂに設定されている。つまり、隣り合って配置されている第一電極３１の枝部３１２と第二電極３２の枝部３２２との間の距離は、距離ｂである。したがって、第一電極３１の枝部３１２と第二電極３２の枝部３２２とは、距離ｂの空間を形成して隣り合っている。 As shown in FIG. 5, the first electrode 31 and the second electrode 32 constituting the power transmission electrode section 22 are both set to a width a. That is, in the first electrode 31, the branch portion 312 branching off from the trunk 311 has a width a in the short direction. Similarly, in the second electrode 32, the branch portion 322 branching off from the trunk 321 has a width a in the short direction. The interval between the first electrode 31 and the second electrode 32 is set to a distance b. That is, the distance between the branch portion 312 of the first electrode 31 and the branch portion 322 of the second electrode 32, which are arranged adjacent to each other, is distance b. Therefore, the branch portion 312 of the first electrode 31 and the branch portion 322 of the second electrode 32 are adjacent to each other, forming a space of distance b.
受電電極部２３は、図２に示すように送電電極部２２との間に空間を形成して対向している。送電電極部２２と受電電極部２３との間には、誘電体である空気が存在する。受電電極部２３は、上述のように送電電極部２２との間の電界結合を用いて、送電電極部２２から出力された電力を非接触で受け取る。本実施形態の場合、受電電極部２３は、移動体１１の底面に設けられている。例えば送電電極部２２を設備の壁面に設ける場合、受電電極部２３は移動体１１の側面に設けてもよい。 As shown in FIG. 2, the power receiving electrode unit 23 faces the power transmitting electrode unit 22 with a space formed between them. Air, which is a dielectric, exists between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23. The power receiving electrode unit 23 receives the power output from the power transmitting electrode unit 22 in a non-contact manner using electric field coupling with the power transmitting electrode unit 22 as described above. In this embodiment, the power receiving electrode unit 23 is provided on the bottom surface of the mobile body 11. For example, when the power transmitting electrode unit 22 is provided on the wall surface of the facility, the power receiving electrode unit 23 may be provided on the side surface of the mobile body 11.
移動体１１は、図１から図３に示すように受電電極部２３に加え、本体４１、制御部４２、バッテリ４３および駆動部４４を有している。本体４１は、移動体１１を構成する制御部４２、バッテリ４３および駆動部４４に加え、運搬する人や物などを搭載可能である。制御部４２は、受電電極部２３で送電電極部２２から電界結合で受け取った高周波を直流に整流する図示しない整流回路を有している。バッテリ４３は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池やキャパシタなどで構成され、整流された電力を蓄える。駆動部４４は、モータ４４１および車輪４４２などを有しており、モータ４４１によって車輪４４２を駆動する。制御部４２は、バッテリ４３への充電および駆動部４４の駆動を含め、移動体１１の全体を制御する。受電側の移動体１１に設けられているバッテリ４３およびモータ４４１は、電力を消費する負荷に相当する。負荷は、バッテリ４３およびモータ４４１に限らず、例えば移動体１１の照明や空調機器など電力を消費するものが含まれる。 As shown in Figs. 1 to 3, the mobile body 11 has a main body 41, a control unit 42, a battery 43, and a drive unit 44 in addition to the power receiving electrode unit 23. The main body 41 can carry people and objects to be transported in addition to the control unit 42, battery 43, and drive unit 44 that constitute the mobile body 11. The control unit 42 has a rectifier circuit (not shown) that rectifies the high frequency received by the power receiving electrode unit 23 from the power transmitting electrode unit 22 through electric field coupling to direct current. The battery 43 is composed of a secondary battery such as a lithium ion battery or a capacitor, and stores the rectified power. The drive unit 44 has a motor 441 and wheels 442, and drives the wheels 442 by the motor 441. The control unit 42 controls the entire mobile body 11, including charging the battery 43 and driving the drive unit 44. The battery 43 and motor 441 provided in the mobile body 11 on the power receiving side correspond to a load that consumes power. The load is not limited to the battery 43 and the motor 441, but also includes things that consume power, such as lighting and air conditioning equipment in the mobile object 11.
次に、本実施形態による無線給電装置２０における送電電極部２２と受電電極部２３との関係について詳細に説明する。
受電電極部２３は、図６に示すように直径を直径２ｒとする仮想的な円Ａに内接するように設定されている。つまり、受電電極部２３は、直径２ｒの円Ａを設定したとき、この円Ａと同一形状の円Ａであることが好ましい。この仮想的な円Ａは、半径ｒである。また、受電電極部２３は、円Ａと同一形状でなくても、例えば図７に示すようにこの円Ａに内接する多角形に設定してもよい。さらに、受電電極部２３は、例えば図７に示すように円Ａに内包されつつ、一部が欠けた形状や楕円形状などであってもよい。このように、受電電極部２３は、直径２ｒの円Ａに少なくとも一部が内接する形状に設定されている。より詳細には、受電電極部２３は、最長となる対角線に相当する長さ、または最長となる長軸の長さが、直径２ｒの円Ａの内側に収まっていればよい。
Next, the relationship between the power transmitting electrode section 22 and the power receiving electrode section 23 in the wireless power supply device 20 according to this embodiment will be described in detail.
The power receiving electrode unit 23 is set to be inscribed in a virtual circle A having a diameter of 2r as shown in FIG. 6. In other words, when the power receiving electrode unit 23 is set to a circle A having a diameter of 2r, it is preferable that the power receiving electrode unit 23 is a circle A having the same shape as the circle A. The virtual circle A has a radius r. The power receiving electrode unit 23 may not be the same shape as the circle A, and may be set to a polygon inscribed in the circle A as shown in FIG. 7. Furthermore, the power receiving electrode unit 23 may be a shape that is included in the circle A as shown in FIG. 7, but is partially missing or an elliptical shape. In this way, the power receiving electrode unit 23 is set to a shape that is at least partially inscribed in the circle A having a diameter of 2r. More specifically, the power receiving electrode unit 23 may have a length equivalent to the longest diagonal line or a length of the longest major axis that fits inside the circle A having a diameter of 2r.
また、この直径２ｒの円Ａは、上述の第一電極３１と第二電極３２との間の距離ｂとの間に、２ｒ＜ｂが成立する。つまり、受電電極部２３の直径２ｒは、第一電極３１と第二電極３２との間の距離ｂよりも小さい。直径２ｒと距離ｂとの間に２ｒ＜ｂが成立することにより、１つの受電電極部２３は、同時に２つ以上の第一電極３１または第二電極３２と重なることがない。すなわち、受電電極部２３が設けられた移動体１１が回転や移動しても、１つの受電電極部２３が対向するのは、第一電極３１または第二電極３２の少なくともいずれか一方である。 In addition, the relationship 2r<b holds between the circle A of diameter 2r and the distance b between the first electrode 31 and the second electrode 32. In other words, the diameter 2r of the power receiving electrode unit 23 is smaller than the distance b between the first electrode 31 and the second electrode 32. Since the relationship 2r<b holds between the diameter 2r and the distance b, one power receiving electrode unit 23 does not overlap with two or more first electrodes 31 or second electrodes 32 at the same time. In other words, even if the moving body 11 on which the power receiving electrode unit 23 is provided rotates or moves, one power receiving electrode unit 23 faces at least one of the first electrode 31 or the second electrode 32.
図８に示すように受電電極部２３の直径２ｒと距離ｂとの間の関係が２ｒ＞ｂであるとき、受電電極部２３１は、第一電極３１との間に静電容量Ｃ１＋を形成するとともに、第二電極３２との間に静電容量Ｃ１－を形成する。同様に、受電電極部２３２は、第一電極３１との間に静電容量Ｃ２＋を形成し、第二電極３２との間に静電容量Ｃ２－を形成する。この場合、受電電極部２３１と第二電極３２との間に形成される静電容量Ｃ１－、および受電電極部２３２と第一電極３１との間に形成される静電容量Ｃ２＋は、寄生的な静電容量である。そのため、送電電極部２２から受電電極部２３へ高効率で安定した電力の供給を行なうためには、これら寄生的な静電容量である静電容量Ｃ１－および静電容量Ｃ２＋は、できるだけ小さくすること、さらには「０」にすることが好ましい。 As shown in FIG. 8, when the relationship between the diameter 2r of the power receiving electrode unit 23 and the distance b is 2r>b, the power receiving electrode unit 231 forms a capacitance C1+ between the first electrode 31 and the power receiving electrode unit 231, and a capacitance C1- between the second electrode 32. Similarly, the power receiving electrode unit 232 forms a capacitance C2+ between the first electrode 31 and the power receiving electrode unit 232, and a capacitance C2- between the second electrode 32. In this case, the capacitance C1- formed between the power receiving electrode unit 231 and the second electrode 32, and the capacitance C2+ formed between the power receiving electrode unit 232 and the first electrode 31 are parasitic capacitances. Therefore, in order to supply power from the power transmitting electrode unit 22 to the power receiving electrode unit 23 with high efficiency and stability, it is preferable to make these parasitic capacitances, the capacitance C1- and the capacitance C2+, as small as possible, and even to make them "0".
これに対し、図９に示すように本実施形態の受電電極部２３の直径２ｒと距離ｂとの間の関係が２ｒ＜ｂであるとき、受電電極部２３１は第一電極３１との間に静電容量Ｃ１＋を形成するだけであり、受電電極部２３２は第二電極３２との間に静電容量Ｃ２－を形成するだけである。これにより、受電電極部２３を搭載する移動体１１が回転や移動しても、移動体１１に搭載されている受電電極部２３は、１つにつき常に１つの第一電極３１または第二電極３２と対向する。この場合、受電電極部２３は、第一電極３１との間に静電容量Ｃ１＋、第二電極３２との間に静電容量Ｃ２－を形成することとなる。そのため、負荷である移動体１１側から見たインピーダンスを大きく設定するだけで、受電電極部２３を搭載する移動体１１の回転や移動にともなって送電電極部２２と受電電極部２３との間の重なりが変化しても、電源２４側から見たインピーダンスの変動が低減される。その結果、インピーダンスの変動に起因する送電電極部２２から高周波生成部２１側への電力の反射が低減され、送電効率の低下や電源２４の損傷の低減が図られる。 In contrast, as shown in FIG. 9, when the relationship between the diameter 2r of the power receiving electrode unit 23 of this embodiment and the distance b is 2r<b, the power receiving electrode unit 231 only forms a capacitance C1+ with the first electrode 31, and the power receiving electrode unit 232 only forms a capacitance C2- with the second electrode 32. As a result, even if the mobile body 11 on which the power receiving electrode unit 23 is mounted rotates or moves, each power receiving electrode unit 23 mounted on the mobile body 11 always faces one first electrode 31 or one second electrode 32. In this case, the power receiving electrode unit 23 forms a capacitance C1+ with the first electrode 31 and a capacitance C2- with the second electrode 32. Therefore, by simply setting the impedance as viewed from the mobile body 11 side, which is the load, to a large value, even if the overlap between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23 changes as the mobile body 11 on which the power receiving electrode unit 23 is mounted rotates or moves, the fluctuation in the impedance as viewed from the power source 24 side is reduced. As a result, the reflection of power from the power transmission electrode section 22 to the high frequency generating section 21 caused by impedance fluctuations is reduced, reducing the decrease in power transmission efficiency and damage to the power source 24.
次に、移動体１１に受電電極部２３を２つ以上設ける場合の条件について説明する。移動体１１に２つ以上の受電電極部２３を設ける場合、各受電電極部２３は、次のような関係を満たすことが好ましい。
Ｒ＝（ａ＋ｂ）／ｓｉｎθ 式（１）
Next, a description will be given of conditions when two or more power receiving electrode units 23 are provided on the moving body 11. When two or more power receiving electrode units 23 are provided on the moving body 11, it is preferable that each power receiving electrode unit 23 satisfies the following relationship.
R=(a+b)/sinθ Formula (1)
式（１）において、ａは、図５に示すように上述の第一電極３１の枝部３１２および第二電極３２の枝部３２２の幅である。また、距離ｂは、第一電極３１の枝部３１２と第二電極３２の枝部３２２との間の距離である。移動体１１に２つ以上の受電電極部２３が配置されているとき、各受電電極部２３の中心は、図５に示すように任意の中心点Ｏから同一の距離にある。この中心点Ｏから各受電電極部２３までの距離は、式（１）におけるＲである。そして、この中心点Ｏにおいて、中心点Ｏと各受電電極部２３の中心とを結ぶ仮想的な直線Ｌが形成する角度はθである。角度θは、受電電極部２３の数によって算出される。具体的には、θ＝３６０°／Ｎで算出される。Ｎは、受電電極部２３の数である。図５に示すように受電電極部２３が３つの場合、角度θはθ＝１２０°である。このように、仮想的な任意の中心点Ｏと各受電電極部２３の中心までの距離Ｒは、上記の式（１）に示す関係を満たしている。このように、距離Ｒを設定することにより、複数の受電電極部２３のうちの少なくとも１つが第一電極３１に重なり、他の少なくとも１つが第二電極３２に重なることになる。そして、上記のように直径２ｒと距離ｂとの関係を規定することにより、複数の受電電極部２３の任意の１つは、第一電極３１および第二電極３２と同時に重なることがない。 In formula (1), a is the width of the branch 312 of the first electrode 31 and the branch 322 of the second electrode 32 as shown in FIG. 5. The distance b is the distance between the branch 312 of the first electrode 31 and the branch 322 of the second electrode 32. When two or more power receiving electrode units 23 are arranged on the moving body 11, the centers of the power receiving electrode units 23 are at the same distance from an arbitrary center point O as shown in FIG. 5. The distance from this center point O to each power receiving electrode unit 23 is R in formula (1). At this center point O, the angle formed by the virtual straight line L connecting the center point O and the center of each power receiving electrode unit 23 is θ. The angle θ is calculated based on the number of power receiving electrode units 23. Specifically, it is calculated as θ = 360 ° / N. N is the number of power receiving electrode units 23. When there are three power receiving electrode units 23 as shown in FIG. 5, the angle θ is θ = 120 °. In this way, the distance R between any imaginary center point O and the center of each power receiving electrode unit 23 satisfies the relationship shown in formula (1) above. By setting the distance R in this way, at least one of the multiple power receiving electrode units 23 overlaps the first electrode 31, and at least one of the other overlaps the second electrode 32. Furthermore, by defining the relationship between the diameter 2r and the distance b as described above, any one of the multiple power receiving electrode units 23 will not overlap both the first electrode 31 and the second electrode 32 at the same time.
上記のように受電電極部２３の直径２ｒと距離ｂとの関係を設定することにより、移動体１１に複数の受電電極部２３を設ける場合でも、１つの受電電極部２３と第一電極３１または第二電極３２との間の形成される静電容量は１つに限定される。そのため、上記の条件を満たすことにより、受電側となる移動体１１にはより多くの受電電極部２３を設けることができる。その結果、送電電極部２２と受電電極部２３との間で重なる重なり面積Ｓｏ、つまり電力を伝達する面積を拡大することができる。 By setting the relationship between the diameter 2r of the power receiving electrode unit 23 and the distance b as described above, even if multiple power receiving electrode units 23 are provided on the mobile body 11, the capacitance formed between one power receiving electrode unit 23 and the first electrode 31 or the second electrode 32 is limited to one. Therefore, by satisfying the above conditions, more power receiving electrode units 23 can be provided on the mobile body 11 that is the power receiving side. As a result, the overlapping area So between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23, that is, the area over which power is transmitted, can be increased.
図１０に示すように、例えば移動体１１に５つの送電電極部２２を設ける例について説明する。図１０において、第一電極３１と重なる受電電極部２３の面積をＳ１とし、第二電極３２と重なる受電電極部２３の面積をＳ２とする。このとき、下記の式（２）に示す重なり面積Ｓｏが大きくなるほど、図９で示した静電容量Ｃ１＋および静電容量Ｃ２－は増大する。
Ｓｏ＝（Ｓ１×Ｓ２）／（Ｓ１＋Ｓ２） 式（２）
As shown in Fig. 10, for example, an example in which five power transmitting electrode units 22 are provided on the mobile object 11 will be described. In Fig. 10, the area of the power receiving electrode unit 23 overlapping with the first electrode 31 is S1, and the area of the power receiving electrode unit 23 overlapping with the second electrode 32 is S2. In this case, the larger the overlapping area So shown in the following formula (2) becomes, the larger the capacitance C1+ and the capacitance C2- shown in Fig. 9 become.
So=(S1×S2)/(S1+S2) Formula (2)
ここで、重なり面積Ｓｏは、第一電極３１および第二電極３２と重なる受電電極部２３のうち、重なり合う面積が大きな２つを抽出し、式（２）を用いて算出される。図１０に示す例の場合、受電電極部２３ａおよび受電電極部２３ｂは、重なり合う面積が大きな２つの受電電極部２３として抽出される。最小重なり面積Ｓｍｉｎは、受電側である移動体１１の回転や移動を考慮したとき、上記の式（２）で算出される重なり面積Ｓｏの最小値である。上述のように、最小値である最小重なり面積Ｓｍｉｎが大きくなるほど、送電電極部２２と受電電極部２３との間に形成される静電容量が大きくなり、送電効率が向上する。 Here, the overlap area So is calculated using formula (2) by extracting the two power receiving electrode units 23 with the largest overlapping areas from among the power receiving electrode units 23 that overlap with the first electrode 31 and the second electrode 32. In the example shown in FIG. 10, the power receiving electrode unit 23a and the power receiving electrode unit 23b are extracted as the two power receiving electrode units 23 with the largest overlapping areas. The minimum overlap area Smin is the minimum value of the overlap area So calculated by formula (2) above, taking into account the rotation and movement of the mobile body 11 on the power receiving side. As described above, the larger the minimum value of the minimum overlap area Smin, the larger the capacitance formed between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23, and the more the power transmission efficiency improves.
次に、受電電極部２３の半径ｒと、上述の距離Ｒとの間の関係について説明する。最小重なり面積Ｓｍｉｎを最大限に確保するためには、受電電極部２３の半径ｒと距離Ｒとの間には、次の式（３）のような関係があることが好ましい。以下、Ｒ／ｒは、径比率ともいう。
２＜Ｒ／ｒ 式（３）
Next, the relationship between the radius r of the power receiving electrode unit 23 and the above-mentioned distance R will be described. In order to maximize the minimum overlapping area Smin, it is preferable that the radius r of the power receiving electrode unit 23 and the distance R have a relationship as shown in the following formula (3). Hereinafter, R/r is also referred to as a diameter ratio.
2<R/r Equation (3)
図１１に示すように正三角形の中心と各頂点に受電電極部２３を配置する例について説明する。このような配置の場合、受電電極部２３の半径ｒを変化させると、最小重なり面積Ｓｍｉｎは、距離Ｒに対して、図１２に示すような関係となる。この図１２からもわかるように、最小重なり面積Ｓｍｉｎは、受電電極部２３の半径ｒごとに距離Ｒに依存する極大値が存在する。この図１２から、図１１に示す受電電極部２３の配置の場合、Ｒ＝３．２×ｒの関係があるとき、最小重なり面積Ｓｍｉｎは最大となる。 As shown in FIG. 11, an example will be described in which the power receiving electrode unit 23 is arranged at the center and each vertex of an equilateral triangle. In this arrangement, when the radius r of the power receiving electrode unit 23 is changed, the minimum overlap area Smin has a relationship with the distance R as shown in FIG. 12. As can be seen from FIG. 12, the minimum overlap area Smin has a maximum value that depends on the distance R for each radius r of the power receiving electrode unit 23. From FIG. 12, in the arrangement of the power receiving electrode unit 23 shown in FIG. 11, the minimum overlap area Smin is maximum when the relationship R = 3.2 × r holds.
同様に、図１３に示すように正方形の中心と各頂点に受電電極部２３を配置する例の場合、半径ｒと距離Ｒとの間には、図１４に示す関係から、Ｒ＝３．３２×ｒの関係があるとき、最小重なり面積Ｓｍｉｎは最大となる。また、図示しないが正五角形の各頂点に受電電極部２３を配置した場合、半径ｒと距離Ｒとの間には、図１５に示す関係からＲ＝２．７３×ｒの関係があるとき、最小重なり面積Ｓｍｉｎは最大となる。さらに、図示しないが正六角形の各頂点に受電電極部２３を配置した場合、半径ｒと距離Ｒとの間には、図１６に示す関係から、Ｒ＝２．９３×ｒの関係があるとき、最小重なり面積Ｓｍｉｎは最大となる。これらのような傾向から、式（３）に示すように２＜Ｒ／ｒであるとき、最小重なり面積Ｓｍｉｎは十分に確保されることが分かる。 Similarly, in the case of an example in which the power receiving electrode unit 23 is disposed at the center and each vertex of a square as shown in FIG. 13, the minimum overlapping area Smin is maximized when the relationship between the radius r and the distance R is R = 3.32 × r as shown in FIG. 14. In addition, in the case of disposing the power receiving electrode unit 23 at each vertex of a regular pentagon (not shown), the minimum overlapping area Smin is maximized when the relationship between the radius r and the distance R is R = 2.73 × r as shown in FIG. 15. In addition, in the case of disposing the power receiving electrode unit 23 at each vertex of a regular hexagon (not shown), the minimum overlapping area Smin is maximized when the relationship between the radius r and the distance R is R = 2.93 × r as shown in FIG. 16. From these trends, it can be seen that the minimum overlapping area Smin is sufficiently secured when 2 < R/r as shown in formula (3).
上記した傾向をより詳細に考察するために、受電電極部２３を、正Ｎ角形の各頂点および中心に配置した実施例１と、正Ｎ角形の各頂点のみに配置した実施例２とを比較する。図１７および図１８は、径比率Ｒ／ｒと、最小重なり面積率Ｒｍｉｎ（％）との関係を示している。最小重なり面積率Ｒｍｉｎは、下記の式（４）によって算出される。図１７および図１８では、受電電極部２３を配置する正Ｎ角形の頂点の数が径比率Ｒ／ｒおよび最小重なり面積率（％）に与える影響を示している。図１７は実施例１の結果を示し、図１８は実施例２の結果を示している。
Ｒｍｉｎ＝Ｓｍｉｎ／Ｓｍａｘ×１００ 式（４）
In order to consider the above tendency in more detail, Example 1 in which the power receiving electrode units 23 are arranged at each vertex and the center of a regular N-gon is compared with Example 2 in which the power receiving electrode units 23 are arranged only at each vertex of the regular N-gon. Fig. 17 and Fig. 18 show the relationship between the diameter ratio R/r and the minimum overlapping area ratio Rmin (%). The minimum overlapping area ratio Rmin is calculated by the following formula (4). Fig. 17 and Fig. 18 show the influence of the number of vertices of the regular N-gon on which the power receiving electrode units 23 are arranged on the diameter ratio R/r and the minimum overlapping area ratio (%). Fig. 17 shows the results of Example 1, and Fig. 18 shows the results of Example 2.
Rmin=Smin/Smax×100 Formula (4)
上記の式（４）において、Ｓｍａｘは、最大重なり面積である。最大重なり面積Ｓｍａｘとは、２つの受電電極部２３の面積に相当する。つまり、最大重なり面積Ｓｍａｘは、受電電極部２３の１つが第一電極３１と完全に重なり、受電電極部２３の他の１つが第二電極３２と完全に重なったときの面積に相当する。したがって、最小重なり面積率Ｒｍｉｎは、１００％となるとき、複数の受電電極部２３を搭載する移動体１１がいかなる位置およびいかなる回転角度であっても、受電電極部２３の少なくとも１枚が送電電極部２２の第一電極３１と重なり、他の少なくとも１枚が第二電極３２と重なっていることを示す。つまり、最小重なり面積率Ｒｍｉｎは、受電電極部２３と送電電極部２２との重なりが最大となる面積に対する、最小重なり面積Ｓｍｉｎの比である。 In the above formula (4), Smax is the maximum overlapping area. The maximum overlapping area Smax corresponds to the area of the two power receiving electrode units 23. In other words, the maximum overlapping area Smax corresponds to the area when one of the power receiving electrode units 23 completely overlaps with the first electrode 31, and the other one of the power receiving electrode units 23 completely overlaps with the second electrode 32. Therefore, when the minimum overlapping area ratio Rmin is 100%, it indicates that at least one of the power receiving electrode units 23 overlaps with the first electrode 31 of the power transmitting electrode unit 22, and at least one of the other electrodes overlaps with the second electrode 32, regardless of the position and rotation angle of the mobile body 11 carrying multiple power receiving electrode units 23. In other words, the minimum overlapping area ratio Rmin is the ratio of the minimum overlapping area Smin to the area where the overlap between the power receiving electrode unit 23 and the power transmitting electrode unit 22 is maximum.
図１７に示す実施例１では、最小重なり面積Ｓｍｉｎを確保するためには、受電電極部２３は３つの頂点つまり三角形の各頂点および中心への配置が必要である。すなわち、実施例１の場合、受電電極部２３は、頂点の数であるＮ＝３に、中心の１つを加えた、Ｎ＝３＋１が最小値となる。また、図１８に示す実施例２では、最小重なり面積Ｓｍｉｎを確保するためには、受電電極部２３は５つの頂点つまり五角形の各頂点に配置が必要である。すなわち、実施例２の場合、受電電極部２３は、頂点の数であるＮ＝５が最小値となる。 In Example 1 shown in FIG. 17, in order to ensure the minimum overlapping area Smin, the power receiving electrode unit 23 needs to be arranged at three vertices, that is, at each vertex and the center of a triangle. That is, in the case of Example 1, the power receiving electrode unit 23 has a minimum value of N=3+1, which is the number of vertices N=3 plus one at the center. Also, in Example 2 shown in FIG. 18, in order to ensure the minimum overlapping area Smin, the power receiving electrode unit 23 needs to be arranged at five vertices, that is, at each vertex of a pentagon. That is, in the case of Example 2, the power receiving electrode unit 23 has a minimum value of N=5, which is the number of vertices.
これら図１７および図１８から、径比率が２より大きい、つまり２＜Ｒ／ｒであれば、最小重なり面積率Ｒｍｉｎは０以上になることがわかる。また、Ｎが概ね１０以下であるとき、径比率Ｒ／ｒと最小重なり面積率Ｒｍｉｎとの間には、周期性を含む増減が生じることが分かる。一方、Ｎが５０を超えると、径比率Ｒ／ｒと最小重なり面積率Ｒｍｉｎとの間には、安定した関係が生じることが分かる。 From Figures 17 and 18, it can be seen that if the diameter ratio is greater than 2, i.e., 2<R/r, the minimum overlap area ratio Rmin is greater than or equal to 0. It can also be seen that when N is approximately 10 or less, there is a periodic increase or decrease between the diameter ratio R/r and the minimum overlap area ratio Rmin. On the other hand, when N exceeds 50, it can be seen that a stable relationship is established between the diameter ratio R/r and the minimum overlap area ratio Rmin.
図１９は、Ｒ／ｒ＝２となるＮ＝４の受電電極部２３と送電電極部２２との関係を示す模式図Ｍ１、およびＲ／ｒ＜２となるＮ＝３の受電電極部２３と送電電極部２２との位置的な関係を示す模式図Ｍ２である。非接触の無線給電を実現するには、２つの受電電極部２３が少なくとも１つの第一電極３１と少なくとも１つの第二電極３２に重なる必要がある。しかし、Ｒ／ｒ＝２、またはＲ／ｒ＜２のとき、受電電極部２３を搭載した移動体１１の状態によって、図１９に示すように受電電極部２３と第一電極３１および第二電極３２との重なりが生じない状態が発生する。そのため、最小重なり面積Ｓｍｉｎが０となる状態が生じ、無線給電は実現できない。したがって、式（３）に示すように径比率Ｒ／ｒは、２＜Ｒ／ｒであることが求められる。 19 is a schematic diagram M1 showing the relationship between the power receiving electrode unit 23 and the power transmitting electrode unit 22 when N=4 and R/r=2, and a schematic diagram M2 showing the positional relationship between the power receiving electrode unit 23 and the power transmitting electrode unit 22 when N=3 and R/r<2. To realize non-contact wireless power supply, two power receiving electrode units 23 must overlap at least one first electrode 31 and at least one second electrode 32. However, when R/r=2 or R/r<2, depending on the state of the mobile body 11 equipped with the power receiving electrode unit 23, a state occurs in which the power receiving electrode unit 23 does not overlap with the first electrode 31 and the second electrode 32 as shown in FIG. 19. Therefore, a state occurs in which the minimum overlap area Smin becomes 0, and wireless power supply cannot be realized. Therefore, as shown in formula (3), the diameter ratio R/r is required to be 2<R/r.
以上説明した一実施形態では、受電電極部２３は、送電電極部２２における第一電極３１と第二電極３２との間の距離ｂとしたとき、２ｒ＜ｂとなる直径２ｒの仮想的な円Ａに内接する。受電電極部２３をこのような条件に設定することにより、受電電極部２３が設けられた移動体１１が移動や回転しても、受電電極部２３は、送電電極部２２の第一電極３１または第二電極３２のいずれか一方とのみ重なる。そのため、送電電極部２２と受電電極部２３との間には、不要な電気的な容量つまり不要な静電容量の生成が回避される。 In the embodiment described above, when the distance between the first electrode 31 and the second electrode 32 in the power transmitting electrode unit 22 is b, the power receiving electrode unit 23 is inscribed in a virtual circle A of diameter 2r such that 2r<b. By setting the power receiving electrode unit 23 under such conditions, even if the mobile body 11 on which the power receiving electrode unit 23 is provided moves or rotates, the power receiving electrode unit 23 overlaps only with either the first electrode 31 or the second electrode 32 of the power transmitting electrode unit 22. Therefore, the generation of unnecessary electrical capacitance, that is, unnecessary electrostatic capacitance, between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23 is avoided.
本実施形態では、受電電極部２３の直径２ｒと距離ｂとの間に、２ｒ＜ｂの関係が成立することにより、１つの受電電極部２３は常に１つの送電電極部２２との間に静電容量が発生する。そのため、例えば整合回路などの追加の構成を必要とすることなく、インピーダンスの変化にともなう反射電力の低減が図られる。したがって、送電電極部２２と受電電極部２３との間の結合面積の変化にともなうインピーダンスの変化を低減することができ、送電効率を向上することができる。 In this embodiment, the relationship 2r<b is established between the diameter 2r of the power receiving electrode 23 and the distance b, so that one power receiving electrode 23 always generates a capacitance between one power transmitting electrode 22. Therefore, reflected power due to changes in impedance can be reduced without requiring additional configuration such as a matching circuit. Therefore, the change in impedance due to changes in the coupling area between the power transmitting electrode 22 and the power receiving electrode 23 can be reduced, and power transmission efficiency can be improved.
また、本実施形態では、２つ以上の受電電極部２３を備える場合、これら受電電極部２３の間には、式（１）が成立する。式（１）のように受電電極部２３の直径２ｒと距離ｂとの関係を設定することにより、受電電極部２３と第一電極３１または第二電極３２との間の形成される静電容量は１つに限定される。そのため、受電側となる移動体１１にはより多くの受電電極部２３を設けることができ、送電電極部２２と受電電極部２３との間で重なる重なり面積Ｓｏ、つまり電力を伝達する面積を拡大することができる。 In addition, in this embodiment, when two or more power receiving electrode units 23 are provided, formula (1) is established between these power receiving electrode units 23. By setting the relationship between the diameter 2r of the power receiving electrode unit 23 and the distance b as in formula (1), the capacitance formed between the power receiving electrode unit 23 and the first electrode 31 or the second electrode 32 is limited to one. Therefore, more power receiving electrode units 23 can be provided on the mobile body 11 on the power receiving side, and the overlapping area So between the power transmitting electrode unit 22 and the power receiving electrode unit 23, that is, the area over which power is transmitted, can be increased.
さらに、本実施形態では、径比率Ｒ／ｒを、２＜Ｒ／ｒに設定している。これにより、２つ以上の受電電極部２３を搭載した移動体１１がいかなる位置へ移動したり、いかなる角度回転したりしても、そのうちの少なくとも１つの受電電極部２３は第一電極３１と重なり、他の少なくとも１つの受電電極部２３は第二電極３２と重なる。そのため、最小重なり面積Ｓｍｉｎは、「０」となることなく、確実に確保される。したがって、受電側の移動体１１の姿勢にかかわらず、送電電極部２２から受電電極部２３へ無線給電を達成することができる。 Furthermore, in this embodiment, the diameter ratio R/r is set to 2<R/r. As a result, no matter to what position the mobile body 11 equipped with two or more power receiving electrode units 23 moves to or rotates at what angle, at least one of the power receiving electrode units 23 overlaps with the first electrode 31, and at least one other of the power receiving electrode units 23 overlaps with the second electrode 32. Therefore, the minimum overlap area Smin is reliably secured without becoming "0". Therefore, wireless power supply from the power transmitting electrode unit 22 to the power receiving electrode unit 23 can be achieved regardless of the posture of the mobile body 11 on the power receiving side.
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。 The present invention described above is not limited to the above embodiment, but can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the invention.
図面中、２０は無線給電装置、２２は送電電極部、２３は受電電極部、３１は第一電極、３２は第二電極を示す。 In the drawings, 20 indicates a wireless power supply device, 22 indicates a power transmission electrode section, 23 indicates a power receiving electrode section, 31 indicates a first electrode, and 32 indicates a second electrode.
Claims (3)
前記送電電極部に対して移動可能であり、前記送電電極部と対向し、前記送電電極部との間の電界結合を用いて非接触で電力を受け取る受電電極部と、を備える無線給電装置であって、
前記送電電極部は、隣り合う前記第一電極と前記第二電極との間の距離が距離ｂに設定され、
前記受電電極部は、直径を直径２ｒとする仮想的な円内に内接するとしたとき、前記距離ｂと前記直径２ｒとの間に、
２ｒ＜ｂ
が成立するとともに、
前記受電電極部は、前記送電電極部との最小重なり面積Ｓｍｉｎが最大となるように配置されている無線給電装置。 a comb-shaped power transmitting electrode portion having a pair of a first electrode and a second electrode;
a power receiving electrode unit that is movable with respect to the power transmitting electrode unit, faces the power transmitting electrode unit, and receives power in a non-contact manner using electric field coupling between the power transmitting electrode unit and the power receiving electrode unit,
In the power transmitting electrode unit, a distance between the first electrode and the second electrode adjacent to each other is set to a distance b,
When the power receiving electrode unit is inscribed in a virtual circle having a diameter of 2r, the following relationship exists between the distance b and the diameter 2r:
2r<b
is established,
The power receiving electrode unit is disposed so as to maximize a minimum overlapping area Smin with the power transmitting electrode unit .
前記第一電極および前記第二電極の幅をａとし、
任意の中心点Ｃから前記受電電極部の中心までの距離を距離Ｒとし、
前記中心点Ｃにおいて、前記中心点Ｃと複数の前記受電電極部の中心とを結ぶ仮想的な直線が形成する角度を角度θとしたとき、
前記距離Ｒは、
Ｒ＝（ａ＋ｂ）／ｓｉｎθ
である請求項１記載の無線給電装置。 The power receiving electrode unit includes two or more power receiving electrodes.
The width of the first electrode and the second electrode is a,
The distance from an arbitrary center point C to the center of the power receiving electrode unit is defined as a distance R,
When an angle formed by a virtual straight line connecting the center point C and the centers of the plurality of power receiving electrode units at the center point C is an angle θ,
The distance R is
R=(a+b)/sinθ
The wireless power supply device according to claim 1 .
２＜Ｒ／ｒ2<R/r
である請求項２記載の無線給電装置。The wireless power supply device according to claim 2 .
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| 宮本康平,服部励治，電界結合型無線電力伝送における電極形状と回路考察，２０１４年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会通信講演論文集１，日本，電子情報通信学会，2014年09月23日，p.448，B-21-13 |
| 水谷陽太,笹谷拓也,成末義哲,川原圭博,浅見徹，受電器アレイとシート型送電器を用いた電界結合無線電力伝送における極板形状に関する一検討，電子情報通信学会 信学技報，日本，電子情報通信学会，2016年11月，WPT2016-38，pages.7-11 |
| 熊谷耕輔,中原海司,坂井尚貴,大平孝,矢田祐之,早川浩二朗,相京秀幸，電界結合型２次元ＷＰＴに向けた受電電極の最適構造，電子情報通信学会 信学技報，日本，電子情報通信学会，2018年10月，vol.118, no.227，pages.79-83，WPT2018-43 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022102234A (en) | 2022-07-07 |
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