JP6178107B2 - 給電システム及び共振回路 - Google Patents

Description

本発明は、給電システムに係り、特に、磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイルと、前記一対の共鳴コイルの少なくとも一方に接続されたキャパシタと、を備えた給電システム及び共振回路に関するものである。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして共鳴式のものが知られている（特許文献１、２）。

共鳴式の給電システムは、互いに離間して配置される給電側共振回路と、受電側共振回路と、から構成されている。この給電側共振回路及び受電側共振回路は各々、共鳴コイルと、この共鳴コイルに接続されたキャパシタと、から構成され、共鳴コイルとキャパシタとを直列接続した直列共振回路、並列に接続された並列共振回路の２種類が知られている。

これら給電側、受電側共振回路の共振周波数ｆは、共鳴コイルのインダクタンスをＬ、キャパシタのキャパシタンスをＣとする下記の式（１）で表される。
ｆ＝１／（２πｓｑｒｔ（ＬＣ）） …（１）
上記給電側共振回路と受電側共振回路とを共振させることにより、非接触で給電側から受電側に電力電伝送を実現している。

特開２０１１−２１７５９６号公報 特開２０１２−１５６２８１号公報

上述した従来技術では、給電側から受電側への電力伝送効率が十分ではない、という問題があった。

そこで、本発明は、電力伝送効率の向上を図った給電システム及び当該給電システムに用いられる共振回路を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意探求した結果、給電側、受電側のインピーダンスに応じて、電力伝送効率が高くなる共鳴コイル及びキャパシタの接続（直列接続か並列接続か）が変わることを見出し、本発明に至った。

即ち、請求項１記載の発明は、共鳴コイル及び前記共鳴コイルに接続されたキャパシタからそれぞれ構成された一対の共振回路を備え、当該一対の共振回路の電磁共鳴により非接触給電を行う給電システムにおいて、前記共鳴コイルと前記キャパシタとの接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段と、給電側又は受電側のインピーダンスを検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたインピーダンスに応じて前記切替手段の切り替えを制御する切替制御手段と、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。

請求項２記載の発明は、前記検出手段が、前記一対の共振回路のうち受電側から給電を受けるバッテリの充電状態を検出することにより、受電側のインピーダンスを検出することを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。

請求項３記載の発明は、前記切替制御手段が、前記検出手段により検出されたインピーダンスが所定値より低い場合には、前記直列接続に切り替え、前記所定値以上の場合には、前記並列接続に切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の給電システムに存する。

請求項４記載の発明は、磁界共鳴により非接触給電を行う給電システムに用いられ、共鳴コイル及び前記共鳴コイルに接続されたキャパシタから構成された共振回路であって、前記共鳴コイルと前記キャパシタとの接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段と、給電側又は受電側のインピーダンスを検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたインピーダンスに応じて前記切替手段の切り替えを制御する切替制御手段と、備えたことを特徴とする共振回路に存する。

以上説明したように請求項１及び４記載の発明によれば、共鳴コイルとキャパシタとの接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段を備えているので、給電側、受電側のインピーダンスに応じて電力伝送効率が高い接続に切り替えることができ、電力伝送効率の向上を図ることができる。

請求項１及び４記載の発明によれば、切替制御手段が、検出手段により検出されたインピーダンスに応じて切替手段の切り替えを制御するので、給電側又は受電側のインピーダンスが変動しても、その変動したインピーダンスに応じた電力伝送効率が高い接続に切り替えることができ、電力伝送効率の向上を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、バッテリの充電状態の変動に応じた受電側のインピーダンスの変動を検出することができる。

請求項３記載の発明によれば、給電側、受電側のインピーダンスに応じて電力伝送効率が高い接続に切り替えることができ、電力伝送効率の向上を図ることができる。

従来の給電システムにおける給電側共振回路及び受電側共振回路の接続パターンを説明するための図である。 Ｓ／Ｓ方式、Ｓ／Ｐ方式、Ｐ／Ｓ方式、Ｐ／Ｐ方式の給電システムについて、１次側、２次側双方のインピーダンスを変動させて、インピーダンスの変動に対する電力伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。 Ｓ／Ｓ方式、Ｓ／Ｐ方式、Ｐ／Ｓ方式、Ｐ／Ｐ方式の給電システムについて、１次側インピーダンスを１０Ωに固定し、２次側インピーダンスを変動させて、インピーダンスの変動に対する電力伝送効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。 本発明の給電システムの一実施形態を示す回路図である。

まず、本発明の給電システムについて説明する前に、従来の給電システムの構成について、図１を参照して説明する。同図に示すように、給電システム１は、交流電源Ｖが設けられた電源供給設備の地面などに搭載され、交流電源Ｖからの電源を非接触で給電する１次（受電側）共振回路２と、車両に搭載され、１次共振回路２から非接触で受電して、負荷Ｌに供給する２次共振回路３と、を備えている。

上記１次共振回路２は、１次共鳴コイルＣｏ１と、１次共鳴コイルＣｏ１に接続された１次キャパシタＣａ１と、を有している。この１次共鳴コイルＣｏ１が、請求項中の共鳴コイルに相当し、１次キャパシタＣａ１が、請求項中のキャパシタに相当する。

上記２次共振回路３は、２次共鳴コイルＣｏ２と、２次共鳴コイルＣｏ２に接続された２次キャパシタＣａ２と、を有している。この２次共鳴コイルＣｏ２が、請求項中の共鳴コイルに相当し、２次キャパシタＣａ２が、請求項中のキャパシタに相当する。上記１次共振回路２と２次共振回路３とは共振周波数が等しくなるように設けられている。

上述した給電システム１によれば、１次共振回路２に交流電源Ｖから共振周波数の交流電流を供給すると、１次共鳴コイルＣｏ１及び１次キャパシタＣａ１が共振する。これにより、１次共振回路２と２次共振回路３とが磁界共鳴して、１次共振回路２から２次共振回路３に電力がワイヤレスで送られ、２次共振回路３に接続された負荷Ｌに電力供給が行われる。

上述した１次、２次共振回路２、３は、１次、２次共鳴コイルＣｏ１、Ｃｏ２と、１次、２次キャパシタＣａ１、Ｃａ２と、を直列接続した直列共振回路、並列接続した並列共振回路の２種類が知られている。

以下、図１に示すように、１次、２次共振回路２、３双方とも直列共振回路としたものをＳ（Series）／Ｓ方式、１次共振回路２を直列共振回路、２次共振回路３を並列共振回路としたものをＳ／Ｐ（Parallel）方式、１次共振回路２を並列共振回路、２次共振回路３を直列共振回路としたものをＰ／Ｓ方式、１次、２次共振回路２、３双方とも並列共振回路としたものをＰ／Ｐ方式とする。

次に、本発明者らは、上述したＳ／Ｓ方式、Ｓ／Ｐ方式、Ｐ／Ｓ方式、Ｐ／Ｐ方式の給電システム１について、１次側、２次側双方のインピーダンスを変動させて、インピーダンスの変動に対する電力伝送効率をシミュレーションした。このとき、１次側、２次側のインピーダンスは同じ値に設定されている。結果を図２に示す。

同図に示すように、Ｓ／Ｓ方式の電力伝送効率は、１０Ω〜２５Ωの低インピーダンス領域では９５％程度の高い値を維持し、２５Ω以上になるとインピーダンスが高くなるに従って下がる。Ｓ／Ｐ方式の電力伝送効率は、６０Ω〜２００Ωの高インピーダンス領域では９０％強の高い値を維持し、６０Ω以下になるとインピーダンスが低くなるに従って下がる。

Ｐ／Ｓ方式の電力伝送効率は、１０Ω〜２５Ωの低インピーダンス領域では９５％程度の高い値を維持し、２５Ω以上になるとインピーダンスが高くなるに従って下がる。Ｐ／Ｐ方式の電力伝送効率は、６０Ω〜２００Ωの高インピーダンス領域では９０％以上の高い値を維持し、６０Ω以下になるとインピーダンスが低くなるに従って下がる。

即ち、インピーダンス８０Ωを境に、低インピーダンスではＳ／Ｓ方式もしくはＰ／Ｓ方式が、高インピーダンスではＰ／Ｐ方式もしくはＳ／Ｐ方式が高い伝送効率を得られる。これは、共振周波数においては、直列共振ではインピーダンスがゼロ、並列共振ではインピーダンスが無限大になるため、低インピーダンスでは直列共振回路が、高インピーダンスでは並列共振回路がインピーダンス整合しやすくなるものと考えられる。

また、Ｓ／Ｓ方式とＰ／Ｓ方式とを比較すると、インピーダンスが低い場合には差が少ないが、インピーダンスが高くなるとＳ／Ｓ方式の方が効率が低下する。これも、前述の通りインピーダンスが高いと並列共振時の無限大のインピーダンスがとりやすくなるためと考えられる。

上述したように本発明者らは、１次側、２次側のインピーダンスに応じて電力伝送効率が高くなる１次、２次共振回路２、３の接続（直列接続か並列接続か）が変わることを見出した。

次に、本発明者らは、上述したＳ／Ｓ方式、Ｓ／Ｐ方式、Ｐ／Ｓ方式、Ｐ／Ｐ方式の給電システム１について、１次側インピーダンスを０Ωに固定し、２次側インピーダンスのみを変動させて、インピーダンスの変動に対する電力伝送効率をシミュレーションした。結果を図３に示す。

図２に示す場合と異なり、図３に示す場合は、Ｓ／Ｓ方式とＰ／Ｓ方式、Ｓ／Ｐ方式とＰ／Ｐ方式、の差はほとんどないことが分かった。即ち、２次インピーダンスが８０Ω程度以下では、Ｓ／Ｓ方式及びＰ／Ｓ方式の方が、Ｓ／Ｐ方式及びＰ／Ｐ方式よりも伝送効率が高くなっている。しかしながら、２次インピーダンスが８０Ω程度以上ではＳ／Ｐ方式及びＰ／Ｐ方式の方が、Ｓ／Ｓ方式及びＰ／Ｓ方式よりも伝送効率が高くなっている。

以上のことから１次・２次インピーダンスの変動値に応じて４種類の回路方式を選択できるようにすると、伝送効率の向上を図れることが分かった。具体的には、インピーダンスが低いアプリケーションに給電システム１を設ける場合にはＳ／Ｓ方式又はＰ／Ｓ方式に切り換え、、インピーダンスが高いアプリケーションに給電システム１を設ける場合にはＳ／Ｐ方式及びＰ／Ｐ方式に切り換えると、伝送効率向上を図ることができる。

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車への充電を想定した場合には、負荷ＬとしてＬｉイオン電池を代表とする二次電池や電気二重層キャパシタなどのバッテリに対して給電する。上記バッテリは、そのＳＯＣ（充電状態）によってインピーダンスが変化（ＳＯＣが高いとインピーダンスが高くなり、低いとインピーダンスが低くなる）する。

このため、例えばＳＯＣが高く２次側のインピーダンスが８０Ω以上であればＳ／Ｓ方式よりもＳ／Ｐ方式の方が電力伝送効率を高く、８０Ω以下であればＳ／Ｐ方式よりもＳ／Ｓ方式の方が電力伝送効率を高くできることがわかった。

そこで、本発明者らは、電力伝送効率の向上を図るため、２次側のインピーダンスによって、Ｓ／Ｐ方式とＳ／Ｓ方式とを切り替える給電システム１を考えた。以下、本発明の給電システム１について図４を参照して説明する。

同図に示すように、給電システム１は、図１に示す従来と同様に、１次共振回路２と、２次共振回路３と、を備えている。１次共振回路２は、１次共鳴コイルＣｏ１と１次キャパシタＣａ１とが直列に接続され、直列共振回路を構成している。２次共振回路３は、２次共鳴コイルＣｏ２と、この２次共鳴コイルＣｏ２に接続された２次キャパシタＣａ２と、から構成されている。２次共振回路３が電力供給する負荷Ｌは、例えば二次電池やキャパシタなどのバッテリである。

また、給電システム１は、２次共鳴コイルＣｏ２と２次キャパシタＣａ２との接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段としての切替回路４と、バッテリである負荷Ｌの充電状態から２次側のインピーダンスを検出する検出手段としての検出回路５と、検出回路５により検出されたインピーダンスに応じて切替回路４の切り替えを制御する切替制御手段としての切替制御回路６と、を備えている。

上記２次共振回路３は、２次共鳴コイルＣｏ２と２次キャパシタＣａ２とが直列接続されている。上記切替回路４は、２次キャパシタＣａ２に並列接続されたスイッチＳＷ１と、２次キャパシタＣａ２と負荷Ｌとの間に設けられたスイッチＳＷ２と、負荷Ｌに直列接続されたスイッチＳＷ３と、から構成されている。

以上の構成によれば、表１に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオフ、スイッチＳＷ２をオンすれば、２次共振回路３は直列共振回路となり、スイッチＳＷ１、Ｓ３をオン、スイッチＳ２をオフすれば、２次共振回路３は並列共振回路となる。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は例えば半導体スイッチから構成されている。

検出回路５は、負荷Ｌであるバッテリの両端電圧を検出して、充電状態を検出する。２次共鳴コイルＣｏ２のインダクタンスや、２次キャパシタＣａ２のキャパシタンスは既知であり、変動もしないため、バッテリの充電状態を検出できれば、２次側全体のインピーダンスを求めることができる。

切替制御回路６は、例えばマイクロコンピュータなどから構成され、検出回路５により検出されたインピーダンスに応じてスイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフを制御する。

次に、上述した構成の給電システム１の動作を以下説明する。まず、切替制御回路６は、例えば、給電設備への車両の進入や、１次共振回路２からの給電を検出すると、検出回路５を制御してバッテリの充電状態を検出させて、２次側のインピーダンスを検出させる。次に、切替制御回路６は、検出された受電側のインピーダンスが例えば８０Ω（所定値）より低ければスイッチＳＷ１、ＳＷ３をオン、スイッチＳＷ２をオフにして、２次共振回路３を並列共振回路に切り替える。

一方、切替制御回路６は、検出された受電側のインピーダンスが例えば８０Ω以上であればスイッチＳＷ１、ＳＷ３をオフ、スイッチＳＷ２をオンにして、２次共振回路３を直列共振回路に切り替える。なお、本実施形態では、請求項中の所定値を８０Ωとしていたが、これは一例であり、本発明を適用する給電システム１によって適宜設定されるものである。

上述した実施形態によれば、切替制御回路６が、検出回路５により検出されたインピーダンスに応じて、切替回路４を制御して２次共振回路３を並列共振と直列共振との間で切り替えるので、バッテリの充電状態の変動により受電側のインピーダンスが変動しても、その変動したインピーダンスに応じた電力伝送効率が高い接続に切り替えることができ、電力伝送効率の向上を図ることができる。

また、上述した実施形態によれば、検出回路５が、２次共振回路３から給電を受けるバッテリの充電状態を検出することにより、２次側のインピーダンスを検出するので、バッテリの充電状態の変動に応じた受電側のインピーダンスの変動を検出することができる。

なお、上述した実施形態によれば、２次共振回路３だけに切替回路４を設けて、Ｓ／Ｓ方式とＳ／Ｐ方式との間で切り換えていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、Ｐ／Ｓ方式とＰ／Ｐ方式との間で切り換えてもよい。また、１次、２次共振回路２、３双方に切替回路４を設けて、Ｓ／Ｓ方式とＰ／Ｐ方式との間、Ｐ／Ｓ方式とＳ／Ｐ方式との間、で切り換えてもよい。

また、上述した実施形態によれば、検出回路５は、バッテリの充電状態から受電側のインピーダンスを検出していたが、本発明はこれに限ったものではない。他の方法でインピーダンスを検出するようにしてもよい。

また、上述した実施形態によれば、受電側のインピーダンスによって切替回路４を切り替えていたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側にインピーダンスが変動する要素があれば、給電側のインピーダンスによって切替回路４を切り替えるようにしてもよい。

また、上述した実施形態によれば、検出したインピーダンスによって切替回路４を切り替えていたが、本発明はこれに限ったものではない。インピーダンスの変動があまりないような給電システム１の場合、インピーダンスを検出せずに、給電システム１の搭載時に予め定まっている１次側、２次側のインピーダンスに適した接続となるように切替回路４を制御してもよい。

また、上述した実施形態によれば、１次共振回路２には交流電源Ｖから直接電源が供給されていたが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、電磁誘導などにより非接触で電源を供給するようにしてもよい。また、負荷Ｌには２次共振回路３から直接電源が供給されていたが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、電磁誘導などにより非接触で電源を供給するようにしてもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 給電システム
２ １次共振回路（共振回路）
３ ２次共振回路（共振回路）
４ 切替回路（切替手段）
５ 検出回路（検出手段）
６ 切替制御回路（切替制御手段）
Ｃｏ１ １次共鳴コイル（共鳴コイル）
Ｃｏ２ ２次共鳴コイル（共鳴コイル）
Ｃａ１ １次キャパシタ（キャパシタ）
Ｃａ２ ２次キャパシタ（キャパシタ）

Claims (4)

1. 共鳴コイル及び前記共鳴コイルに接続されたキャパシタからそれぞれ構成された一対の共振回路を備え、当該一対の共振回路の電磁共鳴により非接触給電を行う給電システムにおいて、
   前記共鳴コイルと前記キャパシタとの接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段と、
   給電側又は受電側のインピーダンスを検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出されたインピーダンスに応じて前記切替手段の切り替えを制御する切替制御手段と、
   を備えたことを特徴とする給電システム。
2. 前記検出手段が、前記一対の共振回路のうち受電側から給電を受けるバッテリの充電状態を検出することにより、受電側のインピーダンスを検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記切替制御手段が、前記検出手段により検出されたインピーダンスが所定値より低い場合には、前記直列接続に切り替え、前記所定値以上の場合には、前記並列接続に切り替える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の給電システム。
4. 磁界共鳴により非接触給電を行う給電システムに用いられ、共鳴コイル及び前記共鳴コイルに接続されたキャパシタから構成された共振回路であって、
   前記共鳴コイルと前記キャパシタとの接続を直列接続及び並列接続の間で切り替える切替手段と、
   給電側又は受電側のインピーダンスを検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出されたインピーダンスに応じて前記切替手段の切り替えを制御する切替制御手段と、
   備えたことを特徴とする共振回路。

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