KR20170055426A - 비접촉 전력전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

[과제] 각 송전유닛 및 각 수전유닛의 사양이나 결합 계수가 달라도, 각 수전유닛으로부터 부하에 적절하게 급전할 수 있는 비접촉 전력전송 시스템을 제공한다.
[해결 수단] 송전장치(A)로부터 수전장치(B)에 비접촉으로 전력을 공급하는 비접촉 전력전송 시스템(C)에 있어서, 송전장치(A)는, 일정한 고주파 전류를 출력하는 고주파 전원장치(1)와, 직렬 공진회로를 가진 송전유닛(21 내지 23)을 구비하고, 수전장치(B)는, 병렬 공진회로를 가진 수전유닛(31 내지 33)을 구비하도록 하였다. 송전유닛(21)(22, 23)의 송전코일(Lt1)(Lt2, Lt3)과 수전유닛(31)(32, 33)의 수전코일(Lr1)(Lr2, Lr3)은 자기적으로 결합되어 있다. 각 송전유닛(21 내지 23)은 직렬 접속되고, 각 수전유닛(31 내지 33)은 병렬 접속되며, 송전유닛(21)(22, 23)으로부터 수전유닛(31)(32, 33)으로의 송전 방식은 자계 공명 방식이다.

Description

비접촉 전력전송 시스템{NON-CONTACT POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은, 비접촉으로 전력의 전송을 행하는 비접촉 전력전송 시스템에 관한다.
부하와 전원을 직접 접속하는 일 없이, 전원이 출력하는 전력을 비접촉으로 부하에 전송하는 기술이 개발되어 있다. 해당 기술은, 일반적으로, 비접촉 전력전송이나 무선 급전이라 불리고 있다. 해당 기술은, 휴대전화나 가전제품, 전기 자동차, 무인반송차(AGV: Automated Guided Vehicle) 등에의 급전에 응용되고 있다.
비접촉 전력전송에서는, 고주파 전원장치에 접속된 송전장치로부터, 부하에 접속된 수전(受電)장치에, 비접촉으로 송전을 행한다. 송전장치에는 송전코일이 구비되어 있고, 수전장치에는 수전코일이 구비되어 있다. 송전코일과 수전코일이 자기적으로 결합됨으로써, 비접촉에서의 송전이 행해진다.
부하가 배터리 등의 직류 부하인 경우, 수전장치에는 정류회로가 구비되어 있고, 수전코일로부터 출력되는 교류 전류는, 해당 정류회로에서 직류 전류로 변환된다. 수전코일로부터 출력되는 교류 전류가 클 경우, 정류회로를 구성하는 각 다이오드에 흐르는 전류가 커지고, 다이오드가 고장날 경우가 있다. 다이오드에 흐르는 전류를 분산시키기 위하여, 복수의 다이오드를 병렬 접속해서 이용하는 것이 고려된다. 그러나, 수전코일에서 출력되는 교류 전류가 6.78㎒ 내지 40.68㎒의 고주파 전류인 경우, 배선의 임피던스의 영향 등에 의해, 병렬 접속시킨 다이오드에 흐르는 전류의 밸런스를 취하는 것이 어려우므로, 병렬 접속을 실현하는 것은 곤란하다.
다이오드를 병렬 접속하지 않는 정류회로를 이용할 경우, 정류회로에 흐르는 전류를 억제하기 위하여, 수전장치에 복수의 수전코일을 설치하고, 각 수전코일에 각각 정류회로를 접속하는 방법이 있다. 이 경우, 고주파 전원장치가 출력하는 전력이 복수의 수전코일에 분산되어서 수전되므로, 각 정류회로에 흐르는 전류를 분산시킬 수 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 수전코일 및 공진 컨덴서로 이루어진 공진회로와, 정류회로와, 평활회로를 구비한 수전유닛을 복수개 구비하고, 각 수전유닛의 출력을 병렬 접속해서 부하에 출력하는 비접촉 급전장치가 기재되어 있다.
JP 4293854 B
그러나, 특허문헌 1에 기재된 비접촉 급전장치의 경우, 각 수전유닛이 정전압원과 등가가 되므로, 각 수전유닛의 출력 전력을 부하에 공급하기 위해서는, 각 수전유닛의 출력 전압을 대략 동일하게 할 필요가 있다. 따라서, 각 송전유닛의 사양, 및 각 수전유닛의 사양을 통일시킬 필요가 있다. 또, 송전코일과 수전코일의 결합 계수도, 각 수전유닛에서 동일할 필요가 있다. 그러나, 송전코일과 수전코일의 위치 관계(예를 들면 거리 등)가 변하면 결합 계수도 변해 버린다.
본 발명은 전술한 사정을 기초로 안출된 것으로, 각 송전유닛 및 각 수전유닛의 사양이나 결합 계수가 달라도, 각 수전유닛으로부터 부하에 적절하게 급전할 수 있는 비접촉 전력전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 다음의 기술적 수단을 강구하고 있다.
본 발명의 제1 측면에 의해서 제공되는 비접촉 전력전송 시스템은, 송전장치로부터 수전장치에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력전송 시스템으로서, 상기 송전장치는, 일정한 고주파 전류를 출력하는 고주파 전원장치와, 송전코일, 및 상기 송전코일에 직렬 접속된 공진 컨덴서를 구비하고 있고, 서로 직렬로 접속되어 있는 복수의 송전유닛을 포함하되, 상기 수전장치는, 상기 각 송전유닛에 각각 대응된 수전유닛을 구비하고, 상기 각 수전유닛의 출력이 병렬 접속되어서, 부하에 출력되고 있으며, 상기 각 수전유닛은, 대응하는 송전유닛의 송전코일에 자기적으로 결합되는 수전코일, 및 상기 수전코일에 접속된 공진 컨덴서를 구비하고, 상기 송전유닛으로부터 상기 수전유닛에의 송전 방식은 자계 공명 방식인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 각 수전유닛에는 상기 수전코일과 수전 측의 상기 공진 컨덴서가 병렬 접속되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 각 수전유닛에는, 상기 수전코일과 수전 측의 상기 공진 컨덴서가 직렬 접속되어 있고, 상기 수전장치는, 상기 각 수전유닛의 후단에, 각각, 상기 각 수전유닛으로부터의 전압출력을 전류출력으로 변환하는 전압-전류 변환회로를 더 구비하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 전압-전류 변환회로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 고주파 전류의 주파수에 있어서 임피던스의 크기가 동등하게 되도록 설계되어 있는 인덕터와 컨덴서를 T형 또는 π형으로 배치한 회로이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 전압-전류 변환회로는 상기 수전유닛에 직렬 접속된 전송선로이며, 상기 전송선로의 길이는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 해당 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 4분의 1의 길이이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 전송선로는 동축 케이블이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 수전장치는, 상기 각 수전유닛으로부터의 출력 전류를 각각 정류하는 정류회로를 더 구비하고 있고, 상기 각 정류회로의 출력이 병렬 접속되어서, 상기 부하에 출력된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 각 정류회로의 출력 측에 각각 평활회로가 접속되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 송전유닛이 3개 구비되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 고주파 전원장치는, 직류 전압을 출력하는 직류 전원장치와, 입력되는 고주파 제어신호에 의거해서 스위칭 동작을 행하는 스위칭 소자와, 상기 직류 전원장치와 상기 스위칭 소자 사이에 직렬 접속된 인덕터와, 상기 스위칭 소자와 상기 인덕터의 접속점과 상기 송전유닛의 사이에 직렬 접속되어, 상기 고주파 제어신호의 주파수를 공진주파수로 하는 제1 공진회로를 구비하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 고주파 전원장치는, 상기 스위칭 소자에 병렬 접속되고, 상기 고주파 제어신호의 주파수의 2배의 주파수를 공진주파수로 하는 제2 공진회로를 더 구비하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 고주파 전원장치는, 상기 직류 전원장치와 상기 스위칭 소자 사이에 직렬 접속된 인덕터 대신에, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의 전송 파장의 약 4분의 1의 길이의 전송선로를 구비하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 고주파 전원장치는, 상기 스위칭 소자와 상기 제1 공진회로의 접속점에 일단부가 접속된 제1 전송선로 및 제2 전송선로를 더 구비하되, 상기 제1 전송선로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 상기 제1 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 8분의 1의 길이이고, 타단부가 개방되어 있으며, 상기 제2 전송선로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 상기 제2 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 8분의 1의 길이이고, 타단부가 단락되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 고주파 전원장치는, 푸시 풀 회로(push-pull circuit)로서 구성되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 송전장치는, 상기 각 송전유닛의 입력 단자 사이에 각각 병렬 접속되어 있는 스위치와, 상기 각 스위치를 개방 상태와 도통상태로 전환하는 제어수단을 더 구비하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 각 스위치는 2개의 MOSFET를 역직렬 접속한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 송전장치 및 상기 수전장치는 각각 통신 수단을 더 구비하고 있고, 상기 수전장치는, 상기 부하가 필요로 하는 전류값을 나타내는 정보를, 상기 송전장치의 제어수단에 송신하고, 상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 전류값을 나타내는 정보에 따라서, 상기 각 스위치의 상태를 전환한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 수전장치는, 수전한 전력을 상기 부하인 축전장치에 공급하고 있고, 상기 축전장치가 만충전 상태가 된 경우에, 송전을 정지시키기 위한 송전 정지 신호를 상기 송전장치의 제어수단에 송신하고, 상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 상기 송전 정지 신호에 의거해서, 모든 상기 스위치를 도통상태로 전환한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 수전장치는, 수전한 전력을 상기 부하인 축전장치에 공급하고 있고, 상기 축전장치의 충전 전압 정보를 상기 송전장치의 제어수단에 송신하고, 상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 전기 충전 전압 정보에 의거해서, 모든 상기 스위치를 도통상태로 전환한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 복수의 송전유닛 사이는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의 전송 파장의 약 2분의 1의 자연수배의 길이의 전송선로로 접속되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 수전장치는 차량에 배치되고, 상기 송전장치는 바닥면에 배치되어 있다.
본 발명에 의하면, 고주파 전원장치가 송전유닛에 일정한 고주파 전류를 출력하고, 송전유닛으로부터 수전유닛에는 자계 공명 방식으로 송전을 행하므로, 각 수전유닛이 정전류원과 등가로 된다. 따라서, 각 수전유닛이 출력하는 전류는 합쳐져서, 부하에 공급된다. 이것에 의해, 각 송전유닛이나 각 수전유닛의 사양이 다르거나, 결합 계수가 다른 경우에도, 각 수전유닛으로부터 부하에 적절하게 급전할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은, 첨부 도면을 참조해서 이하에 행하는 상세한 설명에 의해서, 보다 명확해질 것이다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면;
도 2는 도 1에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템을 나타낸 회로;
도 3은 고주파 전원장치의 내부구성의 상세를 나타낸 회로;
도 4는 도 2에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템의 일부의 회로를, 등가 회로로 설명하기 위한 도면;
도 5는 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 변형예를 나타낸 도면;
도 6은 제2 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 구성을 나타낸 회로도;
도 7은 도 6에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템의 일부의 회로를, 등가 회로로 설명하기 위한 도면;
도 8은 제3 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 구성을 나타낸 회로도;
도 9는 도 8에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템의 일부의 회로를 취출한 도면;
도 10은 고주파 전원장치의 변형예를 나타낸 회로도;
도 11은 고주파 전원장치의 변형예를 나타낸 회로도;
도 12는 제4 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면;
도 13은 스위치의 일례를 나타낸 회로도;
도 14는 전환 제어 처리를 설명하기 위한 순서도;
도 15는 제4 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템에 의거해서 시뮬레이션을 행했을 때의 각 파형을 나타낸 도면;
도 16은 제1 내지 제4 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 실시형태를, 본 발명에 따른 비접촉 전력전송 시스템을 전기 자동차의 충전 시스템으로서 이용한 경우를 예로 해서, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 3은 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 비접촉 전력전송 시스템(C)의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템(C)을 나타낸 회로이다. 도 3은 고주파 전원장치(1)의 내부구성의 상세를 나타낸 회로이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 비접촉 전력전송 시스템(C)은, 전기 자동차 등의 배터리(D)를 충전하기 위한 급전 시스템이며, 전기 자동차 등의 차체에 구비된 수전장치(B)와, 주차장 등의 바닥면에 매설된 송전장치(A)를 구비하고 있다. 송전장치(A)는 바닥면에 배치된 송전코일을 구비하고 있고, 수전장치(B)는 차체 밑면에 배치된 수전코일을 구비하고 있다. 송전코일과 수전코일이 자기 결합함으로써, 수전장치(B)는 송전장치(A)로부터 송전되는 고주파 전력을 수전한다. 즉, 송전코일에 고주파 전류가 흐름으로써 자속이 변화되고, 이 자속에 쇄교(鎖交)하는 수전코일에 고주파 전류가 흐른다. 이것에 의해, 송전장치(A)로부터 수전장치(B)에 비접촉으로 전력을 공급할 수 있다. 수전장치(B)는 고주파 전류를 정류 평활회로에서 정류해서, 배터리(D)에 공급한다.
송전코일 및 수전코일은, 소용돌이 형상으로 감긴 평면 코일이며, 각각 코일면이 바닥면에 대해서 대략 평행해지도록 배치되어 있다. 또, 송전코일 및 수전코일의 형상은 한정되지 않는다. 본 실시형태에서는, 송전장치(A)는 3개의 송전코일을 구비하고 있고, 수전장치(B)는 3개의 수전코일을 구비하고 있다. 급전을 행할 경우에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 수전장치(B)가 송전장치(A)의 바로 위에 오고, 각 수전코일이 각각 대응하는 송전코일에 위쪽에서 보아서 중첩되도록, 차체를 배치한다. 도 2는 각 수전코일이 각각 대응하는 송전코일에 자기결합한 상태를 나타내고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 송전장치(A)는 고주파 전원장치(1) 및 송전유닛(21, 22, 23)을 구비하고 있다.
고주파 전원장치(1)는 고주파 전력을 송전유닛(21, 22, 23)에 공급하는 것이다. 고주파 전원장치(1)는, 소위 정전류원이며, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 고주파 전원장치(1)는, 직류 전원장치(11), 전원제어장치(12), 스위칭 소자(Qs), 다이오드(D1), 인덕터(L1, L2, L3) 및 컨덴서(C1, C2, C3, C4, C10)를 구비하고 있다. 고주파 전원장치(1)는, 직류 전원장치(11)가 생성한 직류 전력을 스위칭 소자(Qs)의 스위칭 동작에 의해 고주파 전력으로 변환해서 출력한다.
직류 전원장치(11)는 직류 전력을 생성해서 출력하는 것이다. 직류 전원장치(11)는, 상용전원으로부터 입력되는 교류 전압(예를 들면, 상용전압 200[V] 등)을 도시하지 않은 정류회로에 의해 정류하고, 도시하지 않은 평활회로에 의해 평활 함으로써, 직류 전압으로 변환한다. 그리고, 도시하지 않은 DC-DC 컨버터에 의해서, 소정의 수준(목표전압)의 직류 전압으로 변환한다. 직류 전원장치(11)는, 전원제어장치(12)로부터 입력되는 전압제어 신호(S1)에 의해, DC-DC 컨버터의 변환 동작을 제어함으로써, 정류, 평활 후의 직류 전압을 소정의 수준의 직류 전압으로 변환한다. 또, 직류 전원장치(11)의 구성은 한정되지 않고, 소정의 직류 전압을 출력하는 것이면 된다.
스위칭 소자(Qs), 다이오드(D1), 인덕터(L1, L3) 및 컨덴서(C1, C3, C4, C10)는 소위 E급 증폭기와 마찬가지의 회로를 구성한다. E급 증폭기는, 직류 전원장치(11)로부터 직류 전력이 입력되어, 고주파 전력을 생성해서 출력한다.
컨덴서(C10)는, 직류 전원장치(11)에 병렬 접속되어 있고, 직류 전원장치(11)로부터 입력되는 직류 전압을 평활화하는 것이다.
인덕터(L1)는 직류 전원장치(11)의 고전위 측의 출력 단자와 스위칭 소자(Qs) 사이에 직렬 접속되어 있다. 직류 전원장치(11)가 일정한 직류 전압을 출력함으로써, 인덕터(L1)는 스위칭 소자(Qs)에 일정한 직류 전류를 공급한다.
스위칭 소자(Qs)는, 전원제어장치(12)로부터 입력되는 고주파 제어신호(S2)에 따라서, 온 상태와 오프 상태를 전환하는 것이다. 본 실시형태에서는, 스위칭 소자(Qs)로서 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용하고 있다. 또, 스위칭 소자(Qs)는 MOSFET로 한정되지 않고, 바이폴라 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이어도 된다. 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자는, 인덕터(L1)의 한쪽의 단자(직류 전원장치(11)의 출력 단자에 접속된 것과는 다른 쪽의 단자)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Qs)의 소스 단자는, 직류 전원장치(11)의 저전위 측의 출력 단자에 접속되어 있다. 스위칭 소자(Qs)의 게이트 단자에는, 전원제어장치(12)로부터 고주파 제어신호(S2)가 입력된다. 고주파 제어신호(S2)는, 소정의 주파수(f0)(예컨대, 85[㎑]나 13.56[㎒] 등)에서 고 레벨과 저 레벨을 반복하는 펄스 신호이다. 주파수(f0)는, 스위칭 소자(Qs)를 스위칭시키는 주파수이므로, 이하에서는 「스위칭 주파수(f0)」라 기재할 경우가 있다. 스위칭 소자(Qs)는, 고주파 제어신호(S2)가 저 레벨일 때 오프 상태가 되고, 고주파 제어신호(S2)가 고 레벨일 때 온 상태가 된다.
다이오드(D1)는, 소위 플라이휠 다이오드로서, 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자와 소스 단자 사이에, 역병렬로 접속되어 있다. 즉, 다이오드(D1)의 애노드 단자는 스위칭 소자(Qs)의 소스 단자에 접속되고, 다이오드(D1)의 캐소드 단자는 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자에 접속되어 있다. 다이오드(D1)는, 스위칭 소자(Qs)의 전환에 의해서 발생하는 역기전력에 의한 역방향의 높은 전압이 스위칭 소자(Qs)에 인가되지 않도록 하기 위한 것이다. 또, 스위칭 소자(Qs)가 내부에 다이오드의 동작을 하는 기능을 지닐 경우에는, 다이오드(D1)를 설치하지 않도록 해도 된다.
컨덴서(C1)는, 스위칭 소자(Qs)에 병렬 접속되어 있고, 스위칭 소자(Qs)가 오프 상태일 때에 전류가 흘러서, 전기 에너지를 축적한다. 그리고, 컨덴서(C1)의 양단 전압이 피크로 된 후에는 방전을 행하여, 전기 에너지를 방출한다. 그리고, 컨덴서(C1)의 양단 전압이 제로가 된 타이밍에서, 스위칭 소자(Qs)가 오프 상태로부터 온 상태로 전환된다.
인덕터(L3)와 컨덴서(C3)는 직렬 접속되어서 공진회로(LC3)를 구성하고 있다. 인덕터(L3) 및 컨덴서(C3)는, 공진주파수가 스위칭 주파수(f0)와 일치하도록 설계된다. 공진회로(LC3)는, 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자와 인덕터(L1)의 한쪽의 단자의 접속점과 송전유닛(21) 사이에 직렬 접속되어 있다. 공진회로(LC3)의 공진특성에 의해, 출력 전류가 공진주파수(스위칭 주파수(f0))의 정현파 형상이 된다. 또, 해당 공진회로(LC3)가 본 발명의 「제1 공진회로」에 상당한다.
컨덴서(C4)는, 공진회로(LC3)의 출력 측에, 직류 전원장치(11)에 대하여 병렬이 되도록 접속되어 있다. 컨덴서(C4), 인덕터(L3) 및 컨덴서(C3)는, 임피던스 정합 회로로서 기능한다. 또한, 컨덴서(C3)는, 고주파 전원장치(1)로부터 출력되는 고주파 전류로 직류 성분을 커트시킨다.
이상의 구성으로부터, 스위칭 소자(Qs), 다이오드(D1), 인덕터(L1, L3), 및 컨덴서(C1, C3, C4, C10)를 구비한 E급 앰프는, 전원제어장치(12)로부터 입력되는 고주파 제어신호(S2)에 따라서 스위칭 소자(Qs)가 스위칭함으로써, 스위칭 주파수(f0)의 고주파 전류를 생성해서 출력한다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 고주파 전원장치(1)는, 인덕터(L2)와 컨덴서(C2)가 직렬 접속된 공진회로(LC2)를 스위칭 소자(Qs)에 병렬 접속시키고 있다. 인덕터(L2) 및 컨덴서(C2)는, 공진주파수가 스위칭 주파수(f0)의 2배의 주파수와 일치하도록 설계된다. 공진회로(LC2)는, 스위칭 주파수(f0)의 2배의 주파수 성분(2차 고조파 성분)에 대해서 저임피던스가 되고, 스위칭 주파수(f0)의 성분(기본파 성분) 및 그 3배의 주파수 성분(3차 고조파 성분)에 대해서, 고 임피던스가 된다. 또한, 해당 공진회로(LC2)가 본 발명의 「제2 공진회로」에 상당한다.
또한, 인덕터(L1) 및 컨덴서(C1)로 이루어진 필터(LC1)도, 공진회로(LC2)와 조합시켜서, 스위칭 주파수(f0)의 2배의 주파수 성분(2차 고조파 성분)에 대해서 저임피던스가 되고, 스위칭 주파수(f0)의 성분(기본파 성분) 및 그의 3배의 주파수 성분(3차 고조파 성분)에 대해서 고임피던스가 되도록 설계된다. 또, 컨덴서(C1)의 커패시턴스는, 스위칭 소자(Qs)의 내부의 용량 성분도 고려해서 설계된다.
이상의 구성으로부터, 발생한 고주파 전류 중 2차 고조파 성분이 공진회로(LC2)에 흘러서, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 2차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다.
전원제어장치(12)는, 고주파 전원장치(1)를 제어하는 것이며, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 구비하는 마이크로컴퓨터나 FPGA(Field-Programmable Gate Array)로 구성된다.
전원제어장치(12)는, 피드백 제어에 의해서, 직류 전원장치(11)로부터 출력되는 직류 전압의 레벨을 제어한다. 구체적으로는, 전원제어장치(12)는, 직류 전원장치(11)의 출력 전압과 설정된 목표전압의 편차를 제로로 하기 위한 제어 펄스 신호를 생성한다. 그리고, 해당 제어 펄스 신호를 도시하지 않은 드라이브 회로에서 DC-DC 컨버터를 구동할 수 있는 수준으로 증폭하여, 전압제어 신호(S1)로서 직류 전원장치(11)에 출력한다. 이것에 의해, 전원제어장치(12)는, 직류 전원장치(11)로부터 출력되는 직류 전압을 목표전압으로 제어하여, 직류 전원장치(11)로부터 일정한 직류 전압을 출력시킬 수 있다. 또, 전원제어장치(12)는, 목표전압을 변경함으로써, 직류 전원장치(11)의 출력 전압의 레벨을 변경한다.
또, 전원제어장치(12)는, 기준 클록에 의거해서, 스위칭 주파수(f0)의 펄스 신호(또한, 정현파 신호 등이어도 됨)를 생성하고, 해당 펄스 신호를 도시하지 않은 드라이브 회로에서 스위칭 소자(Qs)를 구동할 수 있는 레벨로 증폭해서, 고주파 제어신호(S2)로서 스위칭 소자(Qs)의 게이트 단자에 출력한다.
또한, 고주파 전원장치(1)의 구성은 한정되지 않고, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력하는 것이면 된다.
송전유닛(21)은, 송전코일(Lt1) 및 공진 컨덴서(Ct1)를 구비하고 있다. 송전코일(Lt1)은, 고주파 전원장치(1)로부터 공급되는 고주파 전력을, 수전장치(B)에 송전하는 것이다. 공진 컨덴서(Ct1)는, 송전코일(Lt1)에 직렬 접속되어서, 직렬 공진회로를 구성하기 위한 것이다.
송전코일(Lt1) 및 공진 컨덴서(Ct1)는, 공진주파수가 고주파 전원장치(1)로부터 공급되는 고주파 전력의 주파수(f0)(스위칭 주파수(f0))와 일치하도록 설계된다. 즉, 송전코일(Lt1)의 자기 인덕턴스(self inductance)(LR)와, 공진 컨덴서(Ct1)의 커패시턴스(CR)가, 하기 (1)식의 관계가 되도록 설계된다. 또, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파 전압의 주파수가 높을 경우에는, 송전코일(Lt1)의 코일 간의 부유 커패시턴스를 공진 컨덴서(Ct1)로서 이용하도록 해도 된다.
Figure pat00001
송전유닛(22)은, 송전유닛(21)과 마찬가지의 구성이며, 송전코일(Lt2) 및 공진 컨덴서(Ct2)를 구비하고 있다. 송전유닛(23)도, 송전유닛(21)과 마찬가지의 구성이며, 송전코일(Lt3) 및 공진 컨덴서(Ct3)를 구비하고 있다. 송전유닛(21, 22, 23)은, 이 순서로 직렬 접속되어서, 고주파 전원장치(1)에 접속되어 있다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 수전장치(B)는, 수전유닛(31, 32, 33) 및 정류 평활회로(41, 42, 43)를 구비하고 있다.
수전유닛(31)은, 수전코일(Lr1), 및 공진 컨덴서(Cr1)를 구비하고 있다. 수전코일(Lr1)은, 송전코일(Lt1)과 자기 결합해서, 비접촉으로 수전하는 것이다. 공진 컨덴서(Cr1)는, 수전코일(Lr1)에 병렬 접속되어서, 병렬 공진회로를 구성하기 위한 것이다.
수전코일(Lr1) 및 공진 컨덴서(Cr1)는, 송전코일(Lt1) 및 공진 컨덴서(Ct1)와 마찬가지로, 공진주파수가 고주파 전원장치(1)로부터 공급되는 고주파 전력의 주파수(f0)(스위칭 주파수(f0))와 일치하도록 설계된다. 또, 주파수(f0)가 높을 경우에는, 수전코일(Lr1)의 코일간의 부유 커패시턴스를 공진 컨덴서(Cr1)로서 이용하도록 해도 된다.
수전유닛(32)은, 수전유닛(31)과 마찬가지의 구성이고, 수전코일(Lr2) 및 공진 컨덴서(Cr2)를 구비하고 있다. 수전유닛(33)도, 수전유닛(31)과 마찬가지의 구성이고, 수전코일(Lr3) 및 공진 컨덴서(Cr3)를 구비하고 있다.
송전유닛(21) 및 수전유닛(31)은, 모두 공진회로이며, 송전유닛(21)으로부터 수전유닛(31)에는, 자계 공명 방식에 의해, 비접촉 급전이 행해진다. 또, 송전유닛(22) 및 수전유닛(32)도, 모두 공진회로이며, 송전유닛(22)으로부터 수전유닛(32)에도, 자계 공명 방식에 의해, 비접촉 급전이 행해진다. 또한, 송전유닛(23) 및 수전유닛(33)도, 모두 공진회로이며, 송전유닛(23)으로부터 수전유닛(33)에도, 자계 공명 방식에 의해, 비접촉 급전이 행해진다. 수전유닛(31 내지 33)이 수전한 전력은, 각각 정류 평활회로(41 내지 43)에 출력된다.
정류 평활회로(41)는, 수전유닛(31)으로부터 출력되는 고주파 전류를 정류하여, 직류 전류로 변환하는 것이다. 정류 평활회로(41)는, 4개의 다이오드를 브리지 접속한 전파정류회로를 구비하고 있다. 또한, 정류 평활회로(41)는, 정류 후의 출력을 평활화하기 위한 평활회로도 구비하고 있다. 또, 정류 평활회로(41)의 구성은 한정되지 않고, 고주파 전류를 직류 전류로 변환하는 것이면 된다. 정류 평활회로(41)로부터 출력되는 직류 전류는, 배터리(D)에 공급된다. 정류 평활회로(42)는, 정류 평활회로(41)와 마찬가지의 구성이며, 수전유닛(32)으로부터 출력되는 고주파 전류를 정류하고, 직류 전류로 변환해서, 배터리(D)에 출력한다. 정류 평활회로(43)도, 정류 평활회로(41)와 마찬가지의 구성이며, 수전유닛(33)으로부터 출력되는 고주파 전류를 정류하고, 직류 전류로 변환해서, 배터리(D)에 출력한다. 정류 평활회로(41 내지 43)는, 각각, 배터리(D)에 병렬 접속되어 있다. 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류는, 합쳐져서, 배터리(D)에 공급된다.
배터리(D)는, 예를 들면 리튬 이온 전지 등의 이차전지이다. 배터리(D)는, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 직류 전력에 의해서 충전되어, 도시하지 않은 모터 등에 전력을 공급한다. 배터리(D)에는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이, 일정 크기의 전류가 입력된다. 또, 이차전지의 종류는 한정되지 않고, 납축전지 등이어도 된다. 또한, 배터리(D) 대신에, 전기２중층 커패시터나 리튬 이온커패시터를 이용하도록 해도 된다.
다음에, 도 4를 참조해서, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류가 합쳐지는 것을 설명한다.
도 4(a)는, 도 2에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템(C) 중, 송전유닛(21)과 수전유닛(31)을 취출한 것이다.
송전유닛(21)에 인가되는 전압을 V1, 입력되는 전류를 I1로 한다. 또, 수전유닛(31)으로부터 출력되는 전압을 V2, 출력되는 전류를 I2로 한다. 또한, 각 전압 V1, V2 및 각 전류 I1, I2는 모두 벡터이다.
일반적으로, 비접촉 전력전송 시스템의 등가 회로는, 자기결합한 송전코일과 수전코일을, 3개의 코일로 구성된 T형 회로로 치환해서 나타낼 수 있다. 도 4(a)에 나타낸 회로를, T형 회로를 이용해서 나타낸 등가 회로로 변환하면, 도 4(b)에 나타낸 회로가 된다. 도 4(b)에 있어서는, 도면에 나타낸 바와 같이, 컨덴서 또는 코일의 임피던스를 Z1 내지 Z4로서 표시하고 있다. 또, 각 임피던스(Z1 내지 Z4)는 모두 벡터이다. T형 회로의 코일 중 송전유닛 측의 코일(임피던스(Z1)에 포함되는 코일)의 인덕턴스는, 송전코일(Lt)의 자기 인덕턴스로부터, 송전코일(Lt)과 수전코일(Lr) 사이의 자기결합에 의한 상호 인덕턴스를 감한 것으로 된다. T형 회로의 코일 중 수전유닛측의 코일(임피던스(Z3)에 포함되는 코일)의 인덕턴스는, 수전코일(Lr)의 자기 인덕턴스로부터, 송전코일(Lt)과 수전코일(Lr) 사이의 자기결합에 의한 상호 인덕턴스를 감한 것이 된다. 또한, T형 회로의 코일 중 병렬 접속된 코일(임피던스(Z2)에 포함되는 코일)의 인덕턴스는, 송전코일(Lt)과 수전코일(Lr) 사이의 자기결합에 의한 상호 인덕턴스가 된다. 따라서, 각 임피던스(Z1 내지 Z4)는, 하기 (2) 내지 (5)식으로 표시될 수 있다. 또, 송전코일(Lt1) 및 수전코일(Lr1)의 자기 인덕턴스를 각각 Lt 및 Lr로 하고, 공진 컨덴서(Ct1) 및 공진 컨덴서(Cr1)의 커패시턴스를 각각 Ct 및 Cr로 하고 있다. 또한, 송전코일(Lt1)과 수전코일(Lr1)의 결합 계수를 k로 하고 있다.
Figure pat00002
도 4(c)는, 도 4(b)에 나타낸 회로를, F 파라미터를 이용해서 나타낸 등가 회로를 표시한 도면이다. 또, F 파라미터의 각 요소 A, B, C, D는 모두 벡터이고, F 파라미터는 하기 (6)식과 같이 된다.
Figure pat00003
자계 공명의 조건식인 Z1+Z2=Z2+Z3+Z4=0을, 상기 (6)식에 대입하면, 하기 (7)식이 된다. 이것에 의해, 하기 (8)식 및 상기 (3), (4)식으로부터, 하기 (9)식이 구해진다.
Figure pat00004
송전코일(Lt1)과 수전코일(Lr1)의 거리가 변화되지 않으면, 결합 계수(k)는 변화되지 않는다. 따라서, 상기 (9)식에 의해, 수전유닛(31)으로부터 출력되는 전류(I2)의 크기는, 송전유닛(21)에 입력되는 전류(I1)의 크기에 비례한다. 또한, 송전유닛(21 내지 23)은 직렬 접속되어 있으므로, 송전유닛(21)에 입력되는 전류(I1)는 고주파 전원장치(1)의 출력 전류이다. 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 고주파 전원장치(1)의 출력 전류의 크기는 일정하고, 전류(I1)도 일정해진다. 따라서, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(31)의 출력 전류(I2)의 크기는, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이, 일정하다. 즉, 수전유닛(31)의 출력은, 일정한 크기의 전류(I2)를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다. 수전유닛(31)의 출력 전류(I2)의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(41)에 의해 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(41)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
마찬가지로, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(32)(33)의 출력 전류의 크기도, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이 일정해서, 수전유닛(32)(33)의 출력도, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다. 수전유닛(32)(33)의 출력 전류의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(42)(43)에 의해 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(42)(43)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
정전류원을 병렬 접속한 경우, 각 출력 전류는 합쳐져서 출력된다. 따라서, 배터리(D)에 공급되는 전류는, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류를 합친 것으로 된다. 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류는, 각각 일정하므로, 이들을 합쳐서 배터리(D)에 공급되는 전류도, 일정해진다. 즉, 비접촉 전력전송 시스템(C)의 출력은, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다.
다음에, 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)의 작용 효과에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 의하면, 각 송전유닛(21 내지 33)은 직렬 공진회로이고, 각 수전유닛(31 내지 33)은 병렬 공진회로이다. 또한, 고주파 전원장치(1)는 각 송전유닛(21 내지 23)에 일정한 크기의 고주파 전류를 출력하고, 송전유닛(21 내지 23)으로부터 수전유닛(31 내지 23)에는 자계 공명 방식으로 송전을 행한다. 따라서, 각 수전유닛(31 내지 33)의 출력이 정전류원의 출력과 등가가 되고, 정류 평활회로(41 내지 43)의 출력도 정전류원의 출력과 등가가 된다. 따라서, 정류 평활회로(41 내지 43)가 출력하는 전류는 합쳐져서 부하(배터리(D))에 공급된다. 이것에 의해, 각 송전유닛(21, 22, 23)이나, 각 수전유닛(31, 32, 33)의 사양이 다르거나, 각 결합 계수가 다를 경우에도, 각 수전유닛(31, 32, 33)으로부터 부하에 적절하게 급전할 수 있다. 예를 들면, 전기 자동차의 정차 위치가 어긋나서, 각 결합 계수가 각각 다른 것으로 되어 있는 상태에서도, 배터리(D)에의 충전을 행할 수 있다.
또, 본 실시형태에 의하면, 고주파 전원장치(1)는, 1개의 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를 송전유닛(21 내지 23)에 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 설정할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 고주파 전원장치(1)의 스위칭 소자(Qs)에는, 인덕터(L2)와 컨덴서(C2)로 이루어진 공진회로(LC2)가 병렬 접속되어 있다. 해당 공진회로(LC2)는, 스위칭 주파수(f0)의 2배의 주파수 성분(2차 고조파 성분)에 대해서, 저 임피던스가 되고, 스위칭 주파수(f0)의 성분(기본파 성분) 및 그 3배의 주파수 성분(3차 고조파 성분)에 대해서, 고 임피던스가 된다. 따라서, 고주파 전원장치(1)에서 발생한 고주파 전류 중 2차 고조파 성분은, 공진회로(LC2)에 흘러서, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 2차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다. 따라서, 스위칭 소자(Qs)를 고내압인 것으로 할 필요가 없다.
또, 스위칭 주파수(f0)가 높고(예를 들면 10[㎒] 이상), 각 송전유닛(21 내지 23)의 간격이 넓을 경우나, 고주파 전원장치(1)로부터 떨어져 있을 경우, 고주파 전원장치(1) 및 송전유닛(21 내지 23)을 접속하는 접속선의 길이의 영향을 무시할 수 없게 된다. 즉, 접속선이 길어지면, 전류의 정재파의 영향으로, 접속선의 각 위치에서 전류의 크기가 변한다. 그 때문에, 각 송전유닛의 전류값이 같아지도록, 고주파 전원장치(1)와 송전유닛(21 내지 23)의 접속은, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 전송 파장의 약 2분의 1의 전송선로를 이용하는 것이 바람직하다. 도 5는 고주파 전원장치(1)와 송전유닛(21 내지 23)을 접속하는 접속선을 전송선로(TL)로 한 것이다. 도 5에 있어서는, 송전장치(A)만을 기재하고 있다. 전송선로(TL)을 이용하도록 한 점 이외에는, 도 1에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템(C)과 동일하다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전송선로(TL)는, 고주파 전원장치(1)와 송전유닛(21) 사이, 송전유닛(21)과 송전유닛(22) 사이, 그리고 송전유닛(22)과 송전유닛(23) 사이에, 각각 직렬 접속되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 전송선로(TL)를 동축 케이블로 하고 있다. 또, 전송선로(TL)는, 동축 케이블로 한정되지 않고, 예를 들면, 동축관 등이어도 된다.
전송선로(TL)의 길이는, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 기본파의, 전송선로(TL)에 있어서의 전송 파장의 약 2분의 1로 하고 있다. 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 전송 파장(λ)은, 주파수를 f로 하고, 전송선로(TL) 내의 전파의 속도를 ν로 하면, λ[m] = ν[m/s]/f[㎐]로 표시된다. 동축 케이블(폴리에틸렌제) 상의 전파의 속도(ν)는, 진공 중의 전파의 속도(3.0×108[m/s])의 약66% 정도이므로, 예를 들면, 스위칭 주파수(f0) = 13.56[㎒]라고 하면, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 전송 파장(λ)은, λ= (3.0×108)×(66/100)/(13.56×106) ≒ 14.60[m]이 된다. 전송선로(TL)의 길이는, 이 전송 파장(λ)의 약 2분의 1이므로, 14.60×(1/2)=7.30[m]이 된다. 또, 상기 동축 케이블 상의 전파의 속도(ν)를, 진공 중의 전파의 속도의 약 66%로 했지만, 동축 케이블 상의 전파의 속도는, 이용하는 동축 케이블의 파장 단축률(상세하게는 동축 케이블의 절연 재료)에 따라 다르다. 따라서, 전송선로(TL)의 길이는, 이용하는 동축 케이블의 종류에 따라서, 적절하게 변경하면 된다.
또, 전송선로(TL)의 길이는, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 기본파의, 전송선로(TL)에 있어서의 전송 파장의 약 2분의 1로 한정되지 않고, 이 자연수배이어도 된다. 즉, 전송선로(TL)의 길이는, 전송 파장과 동일, 전송 파장의 2분의 3배, 전송 파장의 2배, …등이어도 된다. 고주파 전원장치(1) 및 송전유닛(21 내지 23)의 접속을 전송선로(TL)에 의해 행함으로써, 전류의 정재파의 영향을 배제해서, 각 송전유닛의 전류값이 동일해지도록 할 수 있다.
상기 제1 실시형태에 있어서는, 수전유닛(31 내지 33)이 병렬 공진회로인 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 수전유닛(31 내지 33)이 직렬 공진회로일 경우에 대해서, 이하에 설명한다.
도 6은 제2 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C')의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 6에 있어서는, 송전장치(A)는 제1 실시형태에 따른 송전장치(A)와 동일하므로, 수전장치(B')만을 기재하고 있다. 또한, 수전유닛(32', 33'), 이들에 접속된 전압-전류 변환회로(10), 및 정류 평활회로(42, 43)의 기재를 간략화하고 있다. 도 6에 있어서, 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)(도 2 참조)과 동일 또는 유사한 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 비접촉 전력전송 시스템(C')은, 수전유닛(31')(32', 33')이 직렬 공진회로인 점과, 수전유닛(31')(32', 33')과 정류 평활회로(41)(42,43) 사이에, 전압-전류 변환회로(10)가 설치되어 있는 점에서, 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)과는 다르다.
수전유닛(31')은, 공진 컨덴서(Cr1)가 수전코일(Lr1)에 직렬 접속되어 있고, 직렬 공진회로를 구성하고 있다. 수전코일(Lr1) 및 공진 컨덴서(Cr1)는, 송전코일(Lt1) 및 공진 컨덴서(Ct1)와 같이, 공진주파수가 스위칭 주파수(f0)와 일치하도록 설계된다. 또, 스위칭 주파수(f0)가 높을 경우에는, 수전코일(Lr1)의 코일 간의 부유 커패시턴스를 공진 컨덴서(Cr1)로서 이용하도록 해도 된다. 수전유닛(32') 및 수전유닛(33')의 구성도, 수전유닛(31')과 마찬가지이다.
전압-전류 변환회로(10)는, 전압출력을 전류출력으로 변환하는 것이다. 전압-전류 변환회로(10)는, 2개의 인덕터(L11, L12)와 컨덴서(C11)를, T형으로 배치한 회로이다. 인덕터(L11)와 인덕터(L12)는 직렬 접속되어 있고, 수전유닛(31')(32', 33')과 정류 평활회로(41)(42, 43) 사이에, 직렬 접속되어 있다. 그리고, 인덕터(L11)와 인덕터(L12)의 접속점에 컨덴서(C11)가 병렬 접속되어 있다. 스위칭 주파수(f0)에 있어서의 인덕터(L11, L12) 및 컨덴서(C11)의 각 임피던스의 크기가 동등하게 되도록, 각 인덕턴스 및 커패시턴스를 결정하고 있다.
도 7(a)는, 도 6에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템(C') 중, 송전유닛(21), 수전유닛(31') 및 전압-전류 변환회로(10)를 취출한 것이다.
송전유닛(21)에 인가되는 전압을 V1, 입력되는 전류를 I1로 하고, 수전유닛(31')으로부터 출력되는 전압을 V2, 출력되는 전류를 I2로 하고, 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전압을 V3, 출력 전류를 I3으로 한다. 즉, 정류 평활회로(41)에 인가되는 전압이 V3, 정류 평활회로(41)에 입력되는 전류가 I3으로 된다. 또한, 각 전압(V1, V2, V3) 및 각 전류(I1, I2, I3)는 모두 벡터이다.
도 7 (a)에 나타낸 회로를, T형 회로를 이용해서 표시한 등가 회로로 변환하면, 도 7(b)에 나타낸 회로가 된다. 도 7(b)에 있어서는, 도면에 나타낸 바와 같이, 컨덴서 또는 코일의 임피던스를 Z1 내지 Z3로서 표시하고 있다. 또, 각 임피던스(Z1 내지 Z3)은 모두 벡터이며, 하기 (10) 내지 (12)식으로 표시할 수 있다. 또한, 송전코일(Lt1) 및 수전코일(Lr1)의 자기 인덕턴스를 각각 Lt 및 Lr로 하고, 공진 컨덴서(Ct1) 및 공진 컨덴서(Cr1)의 커패시턴스를 각각 Ct 및 Cr로 하고 있다. 또한, 송전코일(Lt)과 수전코일(Lr)의 결합 계수를 k로 하고 있다.
Figure pat00005
도 7(b)에 나타낸 회로를 F 파라미터를 이용해서 표시한 경우, F 파라미터는 하기 (13)식과 같이 된다. 또, F 파라미터의 각 요소 A, B, C, D는 모두 벡터이다.
Figure pat00006
자계 공명의 조건식인 Z1+Z2=Z2+Z3=0을, 상기 (13)식에 대입하면, 하기 (14)식이 된다. 이것에 의해, 하기 (15)식 및 상기 (11)식으로부터 하기 (16)식이 구해진다.
Figure pat00007
송전코일(Lt1)과 수전코일(Lr1)의 거리가 변화되지 않으면, 결합 계수(k)는 변화되지 않는다. 따라서, 상기 (16)식에 의해, 수전유닛(31')으로부터 출력되는 전압(V2)의 크기는, 송전유닛(21)에 입력되는 전류(I1)의 크기에 비례한다. 또한, 송전유닛(21 내지 23)은 직렬 접속되어 있으므로, 송전유닛(21)에 입력되는 전류(I1)는, 고주파 전원장치(1)의 출력 전류이다. 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 고주파 전원장치(1)의 출력 전류의 크기는 일정하고, 전류(I1)도 일정해진다. 따라서, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(31')의 출력 전압(V2)의 크기는, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이, 일정하다. 즉, 수전유닛(31')의 출력은, 일정한 크기의 전압(V2)을 출력하는 정전압원이라고 생각하는 것이 가능하다.
도 7(c)는, 전압-전류 변환회로(10)의 회로를 나타내고 있다. 도 7(c)에 있어서는, 도면에 나타낸 바와 같이, 컨덴서 또는 코일의 임피던스를 Z4 내지 Z6로서 나타내고 있다. 또, 각 임피던스(Z4 내지 Z6)는 모두 벡터이고, 하기 (17) 내지 (19)식으로 표시할 수 있다. 또, 인덕터(L11) 및 인덕터(L12)의 자기 인덕턴스를 각각 L11 및 L12로 하고, 컨덴서(C11)의 커패시턴스를 C11로 하고 있다.
Figure pat00008
도 7(c)에 나타낸 회로를 F 파라미터를 이용해서 표시한 경우, F 파라미터는 하기 (20)식과 같이 된다. 또, F 파라미터의 각 요소 A, B, C, D는 모두 벡터이다.
Figure pat00009
고주파 전원장치(1)로부터 공급되는 고주파 전력의 주파수(f0)(스위칭 주파수(f0))에 있어서의 인덕터(L11, L12) 및 컨덴서(C11)의 각 임피던스의 크기가 동등하게 되도록, 각 인덕턴스나 커패시턴스를 결정하고 있으므로, Z4+Z5=Z5+Z6=0이 된다. 이것을, 상기 (20)식에 대입하면, 하기 (21)식이 된다. 이것에 의해, 하기 (22)식 및 상기 (18)식으로부터 하기 (23)식이 구해진다.
Figure pat00010
커패시턴스(C11)는 고정값이므로, 상기 (23)식으로부터, 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전류(I3)의 크기는, 수전유닛(31')으로부터 출력되어서 전압-전류 변환회로(10)에 입력되는 전압(V2)의 크기에 비례한다. 또한, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(31')의 출력 전압(V2)의 크기는 일정하다. 따라서, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전류(I3)의 크기는, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이, 일정하다. 즉, 전압-전류 변환회로(10)의 출력은, 일정한 크기의 전류(I3)을 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다. 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전류(I3)의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(41)에 의해 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(41)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
마찬가지로, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(32')(33')의 출력 전압의 크기도, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이 일정하고, 수전유닛(32')(33')의 출력도, 일정한 크기의 전압을 출력하는 정전압원이라고 생각할 수 있다. 따라서, 수전유닛(32')(33')의 후단에 각각 접속된 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전류의 크기도, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이, 일정하다. 즉, 각 전압-전류 변환회로(10)의 출력은, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다. 각 전압-전류 변환회로(10)의 출력 전류의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(42)(43)에 의해서 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(42)(43)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
정전류원을 병렬 접속한 경우, 각 출력 전류는 합쳐져서 출력된다. 따라서, 배터리(D)에 공급되는 전류는, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류를 합친 것으로 된다. 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류는, 각각 일정하므로, 이들을 합쳐서 배터리(D)에 공급되는 전류도 일정해진다. 즉, 비접촉 전력전송 시스템(C')의 출력은, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다.
제2 실시형태에 있어서는, 각 송전유닛(21 내지 23)은 직렬 공진회로이며, 각 수전유닛(31' 내지 33')은 직렬 공진회로이다. 또, 고주파 전원장치(1)는 각 송전유닛(21 내지 23)에 일정한 크기의 고주파 전류를 출력하고, 송전유닛(21 내지 23)으로부터 수전유닛(31' 내지 33')에는 자계 공명 방식으로 송전을 행한다. 따라서, 각 수전유닛(31' 내지 33')의 출력이 정전압원의 출력과 등가가 된다. 또한, 수전유닛(31' 내지 33')의 후단에는, 전압-전류 변환회로(10)가 접속되어 있다. 따라서, 각 전압-전류 변환회로(10)의 출력이 정전류원의 출력과 등가가 된다. 따라서, 정류 평활회로(41 내지 43)의 출력도 정전류원의 출력과 등가가 되고, 정류 평활회로(41 내지 43)가 출력하는 전류는 합쳐져서, 부하(배터리(D))에 공급된다. 이것에 의해, 각 송전유닛(21, 22, 23)이나, 각 수전유닛(31', 32', 33')의 사양이 다르거나, 결합 계수가 다른 경우에도, 각 수전유닛(31', 32', 33')으로부터 부하에 적절하게 급전할 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 있어서도, 고주파 전원장치(1)는, 1개의 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를, 송전유닛(21 내지 23)에 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 설정할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 있어서도, 고주파 전원장치(1)의 스위칭 소자(Qs)에는, 인덕터(L2)와 컨덴서(C2)로 이루어진 공진회로(LC2)가 병렬 접속되어 있다. 따라서, 고주파 전원장치(1)에서 발생한 고주파 전류 중 2차 고조파 성분이 공진회로(LC2)에 흘러, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 2차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다.
또, 제2 실시형태에 있어서는, 전압-전류 변환회로(10)를, 2개의 인덕터(L11, L12)와 컨덴서(C11)를 T형으로 배치한 회로로 한 경우에 대해서 설명했지만, 전압-전류 변환회로(10)의 회로 구성은, 전술한 것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 1개의 인덕터와 2개의 컨덴서를 T형으로 배치한 회로로 해도 되고, 2개의 인덕터와 1개의 컨덴서를 π형으로 배치한 회로 해도 되고, 1개의 인덕터와 2개의 컨덴서를 π형으로 배치한 회로로 해도 된다.
또한, 전압-전류 변환회로(10)는, 인덕터와 컨덴서를 조합시킨 회로로 한정되지 않는다. 전압-전류 변환회로(10)는, 수전유닛(31')(32', 33')으로부터의 전압출력을 전류출력으로 변환하는 것이면 된다.
도 8은 제3 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C")의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 8에 있어서는, 송전장치(A)는 제1 실시형태에 따른 송전장치(A)와 동일하므로, 수전장치(B")만을 기재하고 있다. 또한, 수전유닛(32', 33'), 이들에 접속된 전압-전류 변환회로(10'), 및 정류 평활회로(42, 43)의 기재를 간략화하고 있다. 도 8에 있어서, 제2 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C')(도 6 참조)과 동일 또는 유사한 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 비접촉 전력전송 시스템(C")은, 전압-전류 변환회로(10')의 구성이 제2 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C')의 전압-전류 변환회로(10)와는 다르다.
전압-전류 변환회로(10')는, 전압출력을 전류출력으로 변환하는 것이다. 전압-전류 변환회로(10')는, 전송선로(TL')를 구비하고 있다. 전송선로(TL')는, 수전유닛(31')(32', 33')과 정류 평활회로(41)(42,43) 사이에 직렬 접속되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 전송선로(TL')를 동축 케이블로 하고 있다. 또, 전송선로(TL')는, 동축 케이블로 한정되지 않고, 예를 들면, 동축관, 기판 상에 형성된 선로 등이어도 된다.
전송선로(TL')의 길이는, 수전유닛(31')(32', 33')으로부터 입력되는 고주파(즉, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파)의 기본파의, 전송선로(TL')에 있어서의 전송 파장의 약 4분의 1로 하고 있다. 전술한 바와 같이, 스위칭 주파수(f0) = 13.56[㎒]로 한 경우, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 기본파의, 동축 케이블(폴리에틸렌제)에 있어서의 전송 파장(λ)은, 약 14.60[m]이 된다. 전송선로(TL')의 길이는, 이 전송 파장(λ)의 대략 1/4이므로, 14.60× (1/4) ≒ 3.65[m]가 된다. 또, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 주파수가 낮으면 낮을수록, 전송 파장(λ)은 길어진다. 따라서, 주파수가 낮을 경우, 긴 전송선로(TL')를 이용할 필요가 있고, 해당 전송선로(TL')를 수전장치(B")의 하우징에 수용하기 위해서, 수전장치(B")의 크기를 크게 하지 않으면 안 된다. 따라서, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 주파수는 6.78㎒ 이상인 것이 바람직하다.
도 9는, 도 8에 나타낸 비접촉 전력전송 시스템(C") 중, 송전유닛(21), 수전유닛(31') 및 전압-전류 변환회로(10')를 취출한 것이다.
송전유닛(21)에 인가되는 전압을 V1, 입력되는 전류를 I1로 하고, 수전유닛(31')으로부터 출력되는 전압을 V2, 출력되는 전류를 I2로 하고, 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전압을 V3, 출력 전류를 I3으로 한다. 즉, 정류 평활회로(41)에 인가되는 전압이 V3, 정류 평활회로(41)에 입력되는 전류가 I3이 된다. 또, 각 전압(V1, V2, V3) 및 각 전류(I1, I2, I3)는 모두 벡터이다.
송전유닛(21) 및 수전유닛(31')은 제2 실시형태와 공통되므로, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(31')의 출력 전압(V2)의 크기가, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이 일정한 것도 마찬가지이다.
전압-전류 변환회로(10')의 회로를 F 파라미터를 이용해서 표시한 경우, F 파라미터는, 하기 (24)식과 같이 된다. 또, F 파라미터의 각 요소 A, B, C, D는 모두 벡터이다. Z0은 전송선로(TL')의 특성 임피던스이고, β는 위상정수(2π/λ)이며(λ는 전송선로(TL')에 있어서의 전송 파장), l은 선로 길이이다. 전송선로(TL')의 선로 길이(l)는, 전송 파장(λ)의 4분의 1이므로, β·ｌ=π/2가 된다. 따라서, F 파라미터는 하기 (25)식과 같이 된다.
Figure pat00011
이것에 의해, 하기 (26)식으로부터 하기 (27)식이 구해진다:
Figure pat00012
특성 임피던스(Z0)는 고정값이므로, 상기 (27)식으로부터, 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전류(I3)의 크기는, 수전유닛(31')으로부터 출력되어서 전압-전류 변환회로10'에 입력되는 전압(V2)의 크기에 비례한다. 또한, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(31')의 출력 전압(V2)의 크기는 일정하다. 그러나, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전류(I3)의 크기는, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이, 일정하다. 즉, 전압-전류 변환회로(10')의 출력은, 일정한 크기의 전류(I3)를 출력하는 정전류원이라고 생각할 수 있다. 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전류(I3)의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(41)에 의해서 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(41)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
마찬가지로, 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압이 일정한 경우, 수전유닛(32')(33')의 후단에 각각 접속된 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전류의 크기도, 접속되는 부하의 임피던스 등에 관계없이 일정하다. 즉, 각 전압-전류 변환회로(10')의 출력은, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원으로 생각할 수 있다. 각 전압-전류 변환회로(10')의 출력 전류의 크기가 일정하므로, 정류 평활회로(42)(43)에 의해서 정류 및 평활화된 전류는 일정해진다. 따라서, 정류 평활회로(42)(43)로부터 출력되는 전류는, 배터리(D)의 충전 상태에 관계없이 일정해진다.
정전류원을 병렬 접속한 경우, 각 출력 전류는 합쳐져서 출력된다. 따라서, 배터리(D)에 공급되는 전류는, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류를 합친 것으로 된다. 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류는, 각각 일정하므로, 이들을 합쳐서 배터리(D)에 공급하는 전류도 일정해진다. 즉, 비접촉 전력전송 시스템(C")의 출력은, 일정한 크기의 전류를 출력하는 정전류원이라고 생각하는 것이 가능하다.
제3 실시형태에 있어서는, 각 전압-전류 변환회로(10')가, 제2 실시형태에 따른 각 전압-전류 변환회로(10)와 마찬가지로, 정전압출력을 정전류출력으로 변환할 수 있다. 따라서, 제3 실시형태에 있어서도, 제2 실시형태와 마찬가지의 효과를 거둘 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실시형태에 있어서는, 고주파 전원장치(1)가 소위 1석의 E급 앰프를 이용했을 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 푸시 풀 회로로 구성한 앰프를 이용하도록 해도 된다. 고주파 전원장치(1a)는, E급 앰프를 정부 대칭으로 접속해서, 각각이 한쪽의 극성의 신호만을 증폭하도록 한, 소위 푸시-풀(push-pull) 방식의 앰프를 이용한 것이다. 공진회로(LC2)도, 각각의 극성용으로 2개 설치되어 있다. 이 경우에도, 고주파 전원장치(1a)는, 각 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 설정할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다. 또한, 각 스위칭 소자(Qs)에는, 인덕터(L2)와 컨덴서(C2)로 이루어진 공진회로(LC2)가 각각 병렬 접속되어 있다. 따라서, 2차 고조파 성분이 공진회로(LC2)에 흘러서, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 2차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다.
또, 고주파 전원장치(1) 대신에, 공진회로(LC2)를 설치하지 않도록 한, 소위 E급 앰프를 이용한 고주파 전원장치(1b)를 구비하도록 해도 된다(도 10(b) 참조). 고주파 전원장치(1b)도, 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 설정할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다. 또한, 이 경우, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간 전압을 억제할 수 없으므로, 스위칭 소자(Qs)를 고내압의 것으로 할 필요가 있다.
또한, 고주파 전원장치(1b)(도 10(b) 참조)에 있어서, 인덕터(L1) 대신에 전송선로(K)를 설치한 고주파 전원장치(1c)를 구비하도록 해도 된다(도 11(a) 참조). 전송선로(K)는, 전력을 전송하기 위한 선로이며, 직류 전원장치(11)의 고전위 측의 출력 단자와 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자 사이에 직렬 접속되어 있다. 본 변형예에 있어서는, 전송선로(K)를 동축 케이블로 하고 있다. 또, 전송선로(K)는, 동축 케이블로 한정되지 않고, 예를 들면, 동축관, 기판 상에 형성된 선로 등이어도 된다.
전송선로(K)의 길이는, 고주파 전원장치(1c)가 출력하는 고주파의 기본파의, 전송선로(K)에 있어서의 전송 파장의 약 4분의 1로 하고 있다. 즉, 상기 제3 실시형태에서 설명한 전송선로(TL')와 마찬가지인 것을 이용하고 있다. 따라서, 스위칭 주파수(f0)=13.56[㎒]의 경우, 전송선로(K)의 길이는 약 3.65[m]가 된다. 또, 스위칭 주파수(f0)가 낮으면 낮을수록, 전송선로(K)도 길게 할 필요가 있다. 따라서, 전송선로(K)를 고주파 전원장치(1c)의 하우징에 수용하는 것을 고려하면, 스위칭 주파수(f0)는 6.78㎒ 이상인 것이 바람직하다.
스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자로부터 전송선로(K) 측을 본 임피던스는, 스위칭 주파수(f0)의 짝수배의 주파수 성분에 대해서 저임피던스가 되고, 스위칭 주파수(f0)의 성분(기본파 성분) 및 그 홀수배의 주파수 성분에 대해서 고임피던스가 된다. 고주파 전원장치(1c)도, 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 설정할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다. 또한, 전송선로(K)가 짝수차 고조파 성분에 대하여 저임피던스가 되므로, 짝수차 고조파 성분이 전송선로(K)에 흘러, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 짝수차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다.
또한, 고주파 전원장치(1b)(도 10(b) 참조)에 있어서, 전송선로부(K')를 설치한 고주파 전원장치(1d)를 구비하도록 해도 된다(도 11(b) 참조). 전송선로부(K')는, 고주파 전원장치(1d)에서 생성되는 고주파로부터, 소정 차수의 고조파 성분을 감쇠시키는 것이다. 전송선로부(K')는 전송선로(K1) 및 전송선로(K2)를 구비하고 있다.
전송선로(K1)는, 일단부가 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자에 접속되고, 타단부가 개방된 전송선로이다. 전송선로(K2)는, 일단부가 스위칭 소자(Qs)의 드레인 단자에 접속되고, 타단부가 단락된 전송선로이다. 본 변형예에 있어서는, 전송선로(K1, K2)를 동축 케이블로 하고 있다. 또, 전송선로(K1, K2)는, 동축 케이블로 한정되지 않고, 예를 들면, 동축관, 기판 상에 형성된 선로 등이어도 된다.
전송선로(K1, K2)의 길이는, 고주파 전원장치(1d)가 출력하는 고주파의 기본파의, 전송선로(K1, K2)에 있어서의 전송 파장의 약 8분의 1로 하고 있다. 전술한 바와 같이, 스위칭 주파수(f0)=13.56[㎒]로 했을 경우, 고주파 전원장치(1)가 출력하는 고주파의 기본파의, 동축 케이블(폴리에틸렌제)에 있어서의 전송 파장(λ)은, 약 14.60[m]이 된다. 전송선로(K1, K2)의 길이는, 이 전송 파장(λ)의 대략 1/8이므로, 14.60 × (1/8)≒ 1.8[m]이 된다. 또, 스위칭 주파수(f0)가 낮으면 낮을수록, 전송선로(K1, K2)도 길게 할 필요가 있다. 따라서, 전송선로(K1, K2)를 고주파 전원장치(1d)의 하우징에 수용하는 것을 고려하면, 스위칭 주파수(f0)은, 6.78㎒ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 해당 전송선로(K1)가 본 발명의 「제1 전송선로」에 상당하고, 해당 전송선로(K2)가 본 발명의 「제2 전송선로」에 상당한다.
전송선로부(K')는, 스위칭 주파수(f0) 및 f0의 홀수배의 주파수에서, 임피던스가 무한대로 되고, f0의 짝수배의 주파수에서, 임피던스가 0 「Ω」이 된다. 즉, 전송선로부(K')에는, 고주파 전원장치(1d)에서 생성되는 고주파의 기본파 및 홀수배 고조파(3차 고조파, 5차 고조파 등)의 전류는 흐르지 않고, 짝수배 고조파(2차 고조파, 4차 고조파 등)의 전류가 흘러서, 스위칭 소자(Qs)에 발생하는 고조파 성분의 전압을 감쇠시킨다. 고주파 전원장치(1d)도, 스위칭 소자(Qs)에 고주파 제어신호(S2)를 입력함으로써, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력할 수 있다. 고주파 제어신호(S2)에 데드 타임을 구비할 필요가 없으므로, 고주파 제어신호(S2)를 스위칭 소자에 출력하기 위한 드라이브 회로를 단순한 구성으로 할 수 있다. 또한, 짝수배 고조파 성분이 전송선로(K')에 흘러, 스위칭 소자(Qs)의 드레인-소스 간의 2차 고조파 성분 전류에 의한 발생 전압을 억제할 수 있다.
또, 고주파 전원장치(1, 1a 내지 1d) 이외의 고주파 전원장치이어도, 일정한 크기의 고주파 전류를 출력할 수 있는 고주파 전원장치이면, 본 발명에 이용할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실시형태에 있어서는, 송전유닛과 수전유닛의 조를 3개 구비한 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 송전유닛과 수전유닛의 조를 2개 구비하고 있어도 되고, 4개 이상 구비하고 있어도 된다.
상기 제1 내지 제3 실시형태에 있어서는, 직류 전원장치(11)의 목표전압을 변경함으로써, 배터리(D)에 공급하는 전류를 변경할 수 있다. 즉, 목표전압을 변경함으로써, 직류 전원장치(11)의 출력 전압을 변경하고, 고주파 전원장치(1)의 출력 전류를 변경해서, 각 수전유닛(31 내지 33)(31' 내지 33')의 출력 전류를 변경한다. 이것에 의해, 각 정류 평활회로(41 내지 43)의 출력 전류를 변경하고, 배터리(D)에 공급되는 전류를 변경한다. 또, 다른 수법을 이용해서, 배터리(D)에 공급되는 전류를 변경하도록 해도 된다. 송전장치(A)에 스위치를 설치하고, 해당 스위치를 전환함으로써, 배터리(D)에 공급되는 전류를 변경할 경우에 대해서, 이하에 설명한다.
도 12 내지 도 14는 제4 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(E)을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 비접촉 전력전송 시스템(E)의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 도 13은 스위치의 일례를 나타낸 회로도이다. 도 14는 전환 제어 처리를 설명하기 위한 순서도이다.
도 12에 있어서, 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)(도 1 참조)과 동일 또는 유사한 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 비접촉 전력전송 시스템(E)은, 송전장치(A')가 스위치(61, 62, 63), 제어장치(5) 및 통신장치(7)를 구비하고 있는 점과, 수전장치(B)가 제어장치(8) 및 통신장치(9)를 구비하고 있는 점에서, 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력전송 시스템(C)과는 다르다.
스위치(61 내지 63)는, 각각, 송전유닛(21 내지 23)의 입력 단자 간에 병렬 접속되어 있다. 스위치(61)(62, 63)는, 제어장치(5)로부터 입력되는 전환 신호에 따라서, 송전유닛(21)(22, 23)에 고주파 전류가 흐르는 상태와, 흐르지 않는 상태를 전환시킨다. 즉, 전환 신호가 온 신호(고 레벨 신호)인 경우, 스위치(61)(62, 63)는 도통상태가 되고, 송전유닛(21)(22, 23)의 입력 단자 간이 단락되므로, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21)(22, 23)에 흐르지 않는다. 한편, 전환 신호가 오프 신호(저 레벨 신호)인 경우, 스위치(61)(62, 63)는 개방 상태가 되고, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21)(22, 23)에 흐른다. 또, 전환 신호가 온 신호인 경우에 개방 상태로 해서 송전유닛(21)(22, 23)에 고주파 전류가 흐르도록 하고, 오프 신호인 경우에 도통상태로 해서 송전유닛(21)(22, 23)에 고주파 전류가 흐르지 않도록 해도 된다.
본 실시형태에서는, 도 13에 나타낸 바와 같이, 2개의 MOSFET를 역직렬 접속한 것을 스위치(61 내지 63)로서 이용하고 있다. 2개의 MOSFET는, 소스 단자끼리 접속되어 있다. 한쪽의 MOSFET의 드레인 단자는, 송전유닛(21)(22, 23)의 한쪽의 입력 단자에 접속되어 있고, 다른 쪽의 MOSFET의 드레인 단자는 다른 쪽의 입력 단자에 접속되어 있다. 그리고, 양자의 게이트 단자에는, 제어장치(5)로부터 전환 신호가 입력된다. 전환 신호가 온 신호인 경우, 스위치(61)(62, 63)에 고주파 전류가 흘러, 도통상태가 된다.
또, 스위치(61 내지 63)는, MOSFET를 이용한 것으로 한정되지 않고, 다른 반도체 스위치를 이용한 것이어도 된다. 또한, 고체 상태 계전기(반도체 계전기)나, 전자접촉기와 같은 기계적인 스위치이어도 된다. 또, 그 밖의 구성으로, 각 송전유닛(21 내지 23)에 고주파 전류가 흐르는 상태와, 흐르지 않는 상태를 전환하도록 해도 된다.
제어장치(5)는 송전장치(A')의 제어를 행하는 것이다. 제어장치(5)는, 통신장치(7)로부터 입력되는 신호에 따라서, 스위치(61 내지 63)의 전환을 행하기 위한 전환 신호를 출력한다. 해당 전환의 제어에 관한 상세는 후술한다.
통신장치(7)는 수전장치(B)의 통신장치(9)와의 사이에서 무선통신을 행하는 것이다. 통신장치(7)는 통신장치(9)로부터 수신한 신호를 제어장치(5)에 출력한다. 또, 통신장치(7)의 통신 방식이나 이용하는 전자파의 종류는 한정되지 않는다.
제어장치(8)는 수전장치(B)의 제어를 행하는 것이다. 제어장치(8)는, 전기 자동차가 수전 위치에 위치했을 경우에, 송전 개시 신호를 통신장치(9)에 송신시킨다. 송전 개시 신호는, 송전장치(A')에 송전을 개시시키기 위한 신호이다. 수전 위치는, 수전장치(B)의 각 수전코일(Lr1 내지 Lr3)의 중심의 수평방향에서의 위치와 송전장치(A')의 각 송전코일(Lt1 내지 Lt3)의 중심의 수평방향에서의 위치가 대략 일치해서, 각 수전코일(Lr1 내지 Lr3)과 송전코일(Lt1 내지 Lt3)이, 각각 강력하게 자기결합할 수 있게 되는 위치다. 또, 완전히 일치하지 않아도 송전할 수 있으므로, 수전 위치는 소정의 넓이를 가진 영역으로 되어 있다.
전기 자동차는, 소정의 수전 위치에 위치한 것을 검지하기 위한 도시하지 않은 센서를 구비하고 있다. 제어장치(8)는, 해당 센서로부터의 입력에 의거해서, 전기 자동차가 수전 위치에 위치한 것을 검지한다. 또, 수전 위치에 위치한 것을 검지하기 위한 수법은 한정되지 않는다. 예를 들면, 전기 자동차의 수평방향의 위치를 검출하고, 미리 설정되어 있는 송전장치(A')의 수평방향의 위치와의 관계로부터 검지하도록 해도 된다. 또한, 바닥면 상의 송전장치(A')의 위치에 그것을 나타내는 마크를 형성하고, 전기 자동차에 탑재되어서 바닥면을 촬상하는 촬상 센서에 의한 촬상 화상으로부터 해당 마크를 검출하도록 해도 된다. 또한, 전기 자동차가 바닥면을 향해서 소정의 전자파를 출력하고, 바닥면 상의 송전장치(A')의 위치에 설치된 반사부재에 의해 반사된 전자파를 검출함으로써 수전 위치에 위치한 것을 검지하도록 해도 된다.
또, 전기 자동차 측이 아니라, 송전장치(A') 측에, 전기 자동차(수전장치(B))가 수전 위치에 위치한 것을 검출하는 센서를 설치하도록 해도 된다. 이 경우는, 해당 센서로부터의 입력에 의거해서, 송전장치(A')의 제어장치(5)가, 수전 위치에 전기 자동차가 위치한 것을 인식하고, 송전 개시 신호를 수신한 것과 같은 처리를 행하도록 하면 된다.
또한, 제어장치(8)는, 배터리(D)가 만충전 상태가 되었을 경우에, 송전을 정지시키기 위한 송전 정지 신호를, 통신장치(9)에 송신시킨다. 전기 자동차는, 배터리(D)의 충전 전압을 검출하기 위한 도시하지 않은 전압 센서를 구비하고 있고, 제어장치(8)는, 전압 센서가 검출한 충전 전압이 소정의 역치 이상이 되었을 경우에, 배터리(D)가 만충전 상태가 되었다고 판단한다.
또, 제어장치(8)는, 배터리(D)의 충전 전압에 따라서, 필요한 전류값을 나타낸 전류값 신호를, 통신장치(9)에 송신시킨다. 송전장치(A')의 제어장치(5)는, 입력되는 전류값 신호에 따라서 스위치(61 내지 63)의 전환을 행함으로써, 배터리(D)에 입력되는 전류의 크기를 변경한다. 또한, 전류값 신호는, 구체적인 전류값이어도 되고, 전류값을 나타내는 번호이어도 된다.
통신장치(9)는, 송전장치(A')의 통신장치(7)와의 사이에서 무선통신을 행하는 것이다. 통신장치(9)는 제어장치(8)로부터 입력된 신호를 통신장치(7)에 송신한다. 또, 통신장치(9)의 통신 방식이나 이용하는 전자파의 종류는 한정되지 않는다.
다음에, 스위치(61 내지 63)의 전환 제어에 대해서 설명한다.
전술한 바와 같이, 배터리(D)에 입력되는 전류는, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류를 합한 것으로 된다. 또, 송전유닛(21 내지 23)은 직렬 접속되어서, 고주파 전원장치(1)에 접속되어 있고, 고주파 전원장치(1)는 정전류원이다. 따라서, 송전유닛(21 내지 23)에는, 일정한 전류가 입력된다. 이것은, 스위치(61 내지 63)의 상태에 따라서 다른 송전유닛(21 내지 23)에 전류가 흐르고 있는지의 여부와 무관하다. 예를 들면, 송전유닛(21)에 흐르는 전류는, 송전유닛(22, 23)에 전류가 흐르고 있는지의 여부에 관계없이 일정하다. 또한, 송전유닛(21 내지 23)의 입력 전류의 크기가 일정한 경우, 수전유닛(31 내지 33)의 출력 전류의 크기는 각각 일정(상기 (9)식 참조)하고, 정류 평활회로(41 내지 43)로부터 출력되는 전류도 일정해진다. 따라서, 스위치(61 내지 63)의 상태를 전환해서, 송전유닛(21 내지 23)에 전류를 흐르게 할지의 여부를 전환함으로써, 배터리(D)에 입력되는 전류를 전환할 수 있다.
제어장치(5)는, 수전장치(B)로부터 수신하는 신호에 따라서, 스위치(61 내지 63)의 전환을 행한다. 제어장치(5)는, 통신장치(7)로부터 송전 개시 신호가 입력된 경우, 미리 정해진 전류를 배터리(D)에 출력할 수 있도록, 스위치(61 내지 63)에 전환 신호를 출력한다. 본 실시형태에서는, 최대전류로 충전을 개시할 수 있도록, 스위치(61 내지 63)에 각각 오프 신호인 전환 신호를 출력한다. 이 경우, 스위치(61 내지 63)는 개방 상태가 된다(도 12 참조). 다음에, 제어장치(5)는, 고주파 전원장치(1)를 기동시킨다. 구체적으로는, 전원제어장치(12)에 고주파 제어신호(S2)를 출력시키도록 지령을 행한다. 이것에 의해, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21 내지 23)에 흐른다. 따라서, 수전유닛(31 내지 33) 모두로부터 전류가 출력되어, 이들이 합쳐진 전류가 배터리(D)에 출력된다. 또, 충전 개시 시의 전류를 최대전류로 하는 것은 일례이며, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 스위치(61, 62)를 개방 상태, 스위치(63)를 도통상태로 해서, 충전을 개시하도록 해도 되고, 배터리(D)의 충전 전압에 따라서 충전 개시 시의 전류를 설정(그것에 따른 각 스위치(61 내지 63)의 상태를 설정)하도록 해도 된다.
또한, 제어장치(5)는, 통신장치(7)로부터 전류값 신호가 입력된 경우, 전류값 신호에 따라서, 스위치(61 내지 63)에 전환 신호를 출력한다. 예를 들면, 배터리(D)에 최대전류를 출력하고 있는 상태(스위치(61 내지 63)가 모두 개방 상태)로부터 출력 전류를 감소시킬 경우, 제어장치(5)는, 예를 들면 스위치(63)에 온 신호인 전환 신호를 출력한다. 이 경우, 스위치(61, 62)가 개방 상태이고, 스위치(63)가 도통상태가 된다. 이것에 의해, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21, 22)에 흐르지만, 송전유닛(23)에는 흐르지 않게 된다. 따라서, 수전유닛(31, 32)으로부터 전류가 출력되어, 이들이 합쳐진 전류가 배터리(D)에 출력된다. 즉, 배터리(D)에 출력되는 전류는, 수전유닛(33)으로부터 출력되고 있던 분량이 감소한다. 만일, 수전유닛(31 내지 33)이 같은 크기의 전류를 출력할 경우, 수전유닛(33)이 전류를 출력하지 않게 됨으로써, 배터리(D)에 출력되는 전류는, 최대전류의 3분의 2가 된다. 또, 온 신호인 전환 신호를 출력하는 것은, 스위치(61) 또는 스위치(62)이어도 된다. 또한, 스위치(62)가 도통상태가 되어서 송전유닛(22)에도 전류가 흐르지 않게 되면, 배터리(D)에 출력되는 전류는, 수전유닛(31)으로부터의 전류만으로 되어, 최대전류의 3분의 1이 된다.
또, 송전코일(Lt1 내지 Lt3) 및 수전코일(Lr1 내지 Lr3)의 자기 인덕턴스 및 각 코일의 결합 계수를 조정함으로써, 수전유닛(31 내지 33)의 출력 전류를 조정할 수 있다(상기 (9)식 참조). 예를 들면, 수전유닛(32)의 출력 전류가 수전유닛(31)의 출력 전류의 1/2가 되고, 수전유닛(33)의 출력 전류가 수전유닛(31)의 출력 전류의 1/4가 되도록 조정하면, 스위치(61 내지 63)의 전환에 의해, 8가지의 출력 전류를 전환할 수 있다.
또한, 제어장치(5)는, 통신장치(7)로부터 송전 정지 신호를 입력된 경우, 스위치(61 내지 63)에 각각 온 신호인 전환 신호를 출력한다. 이 경우, 스위치(61 내지 63)는 도통상태가 되고, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21 내지 23)에 흐르지 않게 된다. 다음에, 제어장치(5)는, 고주파 전원장치(1)의 운전을 정지시킨다. 구체적으로는, 전원제어장치(12)에 고주파 제어신호(S2)의 출력을 정지시키는 지령을 행한다.
도 14는 제어장치(5)가 행하는 전환 제어 처리를 설명하기 위한 순서도이다. 해당 전환 제어 처리는, 송전장치(A')가 기동했을 때에 개시되어, 송전장치(A')가 가동하고 있는 동안, 실행된다.
우선, 송전 개시 신호가 수신되었는지의 여부가 판별된다(S1). 송전 개시 신호가 수신되지 않을 경우(S1: 아니오), 전류값 신호가 수신되었는지의 여부가 판별된다(S2). 전류값 신호가 수신되지 않을 경우(S2: 아니오), 송전 정지 신호가 수신되었는지의 여부가 판별된다(S3). 송전 정지 신호가 수신되지 않을 경우(S3: 아니오), 단계 S1로 되돌아간다. 즉, 어느 쪽인가의 신호가 수신될 때까지, 단계 S1 내지 S3이 반복된다.
송전 개시 신호가 수신된 경우(S1: 예), 스위치(61 내지 63)에 각각 오프 신호인 전환 신호가 출력된다(S4). 이것에 의해, 스위치(61 내지 63)가 개방 상태가 된다. 다음에, 고주파 전원장치(1)가 기동되어(S5), 단계 S1로 되돌아간다. 구체적으로는, 전원제어장치(12)에 고주파 제어신호(S2)를 출력시키도록 지령을 행한다. 이것에 의해, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21 내지 23)에 흐른다. 따라서, 수전유닛(31 내지 33)의 모두로부터 전류가 출력되고, 이들이 합쳐져서, 배터리(D)에 출력된다. 즉, 배터리(D)가 최대전류로 충전된다.
단계 S2에 있어서, 전류값 신호가 수신된 경우(S2: 예), 해당 전류값 신호에 따라서, 스위치(61 내지 63)에 전환 신호가 출력된다(S6). 이것에 의해, 스위치(61 내지 63)의 상태가 전환되어서, 수전유닛(31 내지 33)으로부터의 전류의 출력 상태가 전환된다. 따라서, 배터리(D)에 출력되는 전류가 필요한 전류로 변경된다.
단계 S3에 있어서, 송전 정지 신호가 수신된 경우(S3: 예), 스위치(61 내지 63)에 각각 온 신호인 전환 신호가 출력된다(S7). 이것에 의해, 스위치(61 내지 63)가 도통상태가 되어, 고주파 전원장치(1)로부터의 고주파 전류가 송전유닛(21 내지 23)에 흐르지 않게 된다. 다음에, 고주파 전원장치(1)의 운전이 정지되고(S8), 단계 S1로 되돌아간다. 구체적으로는, 전원제어장치(12)에 고주파 제어신호(S2)의 출력을 정지시키는 지령을 행한다. 또, 전환 제어 처리의 처리 순서는, 이것으로 한정되지 않는다.
도 15는, 도 12에 나타낸 회로(고주파 전원장치(1)는 도 3에 나타낸 회로 참조)에 있어서, 각 정류 평활회로(41 내지 43)를 정류회로만으로 하고, 배터리(D)를 컨덴서로 치환하고, 시뮬레이션을 행했을 때의 각 파형을 나타내고 있다. 직류 전원장치(11)가 출력하는 직류 전압(Vdc)을 200[V], 고주파 제어신호(S2)를, 주파수(f) = 13.56[㎒]의 직사각형파 신호로 하고 있다. 또한, 각 송전코일(Lt1 내지 Lt3)의 자기 인덕턴스, 각 공진 컨덴서(Ct1 내지 Ct3)의 커패시턴스, 각 수전코일(Lr1 내지 Lr3)의 자기 인덕턴스, 각 공진 컨덴서(Cr1 내지 Cr3)의 커패시턴스를, 각각 같은 값으로 하고 있다. 송전코일(Lt1)과 수전코일(Lr1)의 결합 계수를 k = 0.2, 송전코일(Lt2)과 수전코일(Lr2)의 결합 계수를 k = 0.4, 송전코일(Lt3)과 수전코일(Lr3)의 결합 계수를 k = 0.6으로 하고 있다. 도 15(a)는 정류 평활회로(41)의 출력 전류의 파형을 나타내고 있고, 도 15(b)는 정류 평활회로(42)의 출력 전류의 파형을 나타내고 있으며, 도 15(c)는 정류 평활회로(43)의 출력 전류의 파형을 나타내고 있고, 도 15(d)는 컨덴서에 입력되는 전류의 파형을 나타내고 있다. 시뮬레이션 개시 시에는 스위치(61 내지 63)를 모두 개방 상태로 하고, 개시로부터 60[μS] 후에 스위치(63)를 도통상태로 전환하고, 개시로부터 80[μS] 후에 스위치(62)를 도통상태로 전환하였다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 각 출력 전류는 결합 계수에 비례해서 커지고 있다. 또한, 각 출력 전류는 스위치가 전환될 때까지는 일정하게 되어 있고, 다른 스위치가 전환되어도 변화되고 있지 않은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 15(c)에 나타낸 바와 같이, 스위치(63)를 도통상태로 전환한 후, 정류 평활회로(43)의 출력 전류가 감소해서 제로가 되고, 도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 스위치(62)를 도통상태로 전환한 후, 정류 평활회로(42)의 출력 전류가 감소해서 제로가 되고 있다. 그리고, 도 15(d)에 나타낸 바와 같이, 컨덴서에 입력되는 전류는 정류 평활회로(41 내지 43)의 출력 전류의 합계로 되고 있으며, 60[μS] 후, 80[μS] 후에, 정류 평활회로(42, 43)의 출력 전류의 변화에 따라서 감소하고 있다. 즉, 스위치(61 내지 63)의 전환에 의해, 컨덴서에 입력되는 전류의 크기가 전환되는 것을 확인할 수 있었다.
제4 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태와 마찬가지의 효과를 거둘 수 있다. 또한, 제4 실시형태에 의하면, 제어장치(5)가 수전장치(B)로부터 수신하는 신호에 따라서 스위치(61 내지 63)의 전환을 행함으로써, 출력 전류의 크기를 전환할 수 있다. 따라서, 고주파 전원장치(1)가 출력 전류를 변경할 수 없는 경우에도, 배터리(D)에 출력하는 전류의 크기를 변경할 수 있다.
제4 실시형태에 있어서는, 수전장치(B)가, 배터리(D)가 만충전 상태가 되었을 경우에, 송전 정지 신호를 출력할 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 충전을 정지시키기 위한 조작 버튼을 설치해서, 해당 조작 버튼이 눌린 경우에, 송전 정지 신호를 출력하도록 해도 된다. 또한, 수전장치(B)에서 어떤 이상이 발생한 경우에도, 송전 정지 신호를 출력하도록 해도 된다.
제4 실시형태에 있어서는, 전기 자동차가 수전 위치에 위치한 경우에, 수전장치(B)가 송전 개시 신호를 출력할 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 충전을 개시시키기 위한 조작 버튼을 설치해서, 해당 조작 버튼이 눌린 경우에, 송전 개시 신호를 출력하도록 해도 된다.
제4 실시형태에 있어서는, 수전장치(B)가, 배터리(D)가 만충전이 되었는지의 여부를 판별할 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 수전장치(B)가 배터리(D)의 충전 전압을 정기적으로 송전장치(A')에 송신해서, 송전장치(A')가 만충전인지의 여부를 판별하도록 해도 된다. 이 경우, 제어장치(5)는, 충전 전압에 따라서 배터리(D)가 필요로 하는 전류값을 판단해서, 스위치(61 내지 63)의 전환을 행하도록 해도 된다. 본 변형예의 경우, 배터리(D)가 만충전이 되었는지의 여부를 송전장치(A')가 판별하므로, 수전장치(B)의 제어장치(8)에 만충전의 판별 기능을 설치할 필요가 없다.
상기 제1 내지 제4 실시형태에 있어서는, 송전장치(A)가 바닥면에 매설되어 있을 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 송전코일만이 바닥면에 매설되도록 해도 되고, 송전코일을 바닥면에 매설하지 않고 바닥면 위에 배치하도록 해도 된다.
상기 제1 내지 제4 실시형태에 있어서는, 송전코일 및 수전코일이 바닥면에 대해서 대략 평행이 되도록 설치되어 있을 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 수전장치(B)가 차체의 후부에 배치되고, 송전장치(A)가 차고의 벽면에 배치되며, 송전코일 및 수전코일이 바닥면에 대해서 대략 수직이 되도록 해도 된다. 또, 도 16(b)에 나타낸 바와 같이, 수전장치(B)가 차체의 측면에 배치되고, 송전장치(A)가 차고 벽면에 배치되며, 송전코일 및 수전코일이 바닥면에 대해서 대략 수직이 되도록 해도 된다. 요컨대, 송전코일과 수전코일이 대략 평행하게 마주 보는 위치에 배치될 수 있도록, 각각, 차체와 차고(주차장)에 배치되어 있으면 된다.
상기 제1 내지 제4 실시형태에 있어서는, 본 발명에 따른 비접촉 전력전송 시스템을, 전기 자동차에 내장된 배터리의 충전에 이용할 경우를 예로서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 공장 내의 반송에 이용되는 AGV의 배터리나 전기２중층 커패시터 등에의 충전에도 이용할 수 있다. 또한, 전동공구나 노트북 등의 전기제품의 배터리에 충전을 행할 경우에도, 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 배터리에 충전하는 것이 아니고, 수전장치에 접속된 전기제품 등의 부하에 직접, 전력을 공급할 경우에도, 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 평활회로를 구비하지 않도록 해도 된다. 또한, 부하에 고주파 전력을 그대로 공급하는 것이라면, 정류 평활회로를 설치하지 않도록 해도 된다. 또한, 정류 후의 직류 전력을, 인버터 회로에서 적절한 교류 전력으로 변환해서 이용하도록 해도 된다.
본 발명에 따른 비접촉 전력전송 시스템은, 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 비접촉 전력전송 시스템의 각 부의 구체적인 구성은, 다양하게 설계 변경 가능하다.
A, A': 송전장치 1, 1a, 1b, 1c, 1d: 고주파 전원장치
11: 직류 전원장치 12: 전원제어장치
C1, C2, C3, C4, C10: 컨덴서 L1, L2, L3: 인덕터
LC1: 필터 LC2: 공진회로(제2 공진회로)
LC3: 공진회로(제1 공진회로) Qs: 스위칭 소자
D1: 다이오드 K: 전송선로
K': 전송선로부 K1: 전송선로(제1 전송선로)
K2: 전송선로(제2 전송선로) 21, 22, 23: 송전유닛
Lt1, Lt2, Lt3: 송전코일 Ct1, Ct2, Ct3: 공진 컨덴서
5: 제어장치(제어수단) 61, 62, 63: 스위치
7: 통신장치 TL: 전송선로
B, B', B": 수전장치
31, 32, 33, 31', 32', 33': 수전유닛
Lr1, Lr2, Lr3: 수전코일 Cr1, Cr2, Cr3: 공진 컨덴서
41, 42, 43: 정류 평활회로 8: 제어장치
9: 통신장치 10, 10': 전압-전류 변환회로
L11, L12: 인덕터 C11: 컨덴서
TL': 전송선로
C, C', C", E: 비접촉 전력전송 시스템
D: 배터리(축전장치)

Claims (21)

  1. 송전장치로부터 수전장치에 비접촉으로 전력을 전송하는 비접촉 전력전송 시스템으로서,
    상기 송전장치는,
    일정한 고주파 전류를 출력하는 고주파 전원장치와,
    송전코일, 및 상기 송전코일에 직렬 접속된 공진 컨덴서를 구비하고 있고, 서로 직렬로 접속되어 있는 복수의 송전유닛을 구비하며,
    상기 수전장치는,
    상기 각 송전유닛에 각각 대응된 수전유닛을 구비하고,
    상기 각 수전유닛의 출력이 병렬 접속되어서, 부하에 출력되어 있으며,
    상기 각 수전유닛은, 대응하는 송전유닛의 송전코일에 자기적으로 결합되는 수전코일, 및 상기 수전코일에 접속된 공진 컨덴서를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 수전유닛은, 상기 수전코일과 수전 측의 상기 공진 컨덴서가 병렬 접속되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 수전유닛은, 상기 수전코일과 수전 측의 상기 공진 컨덴서가 직렬 접속되어 있고,
    상기 수전장치는, 상기 각 수전유닛의 후단에, 각각, 상기 각 수전유닛으로부터의 전압출력을 전류출력으로 변환하는 전압-전류 변환회로를 더 구비하고 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전압-전류 변환회로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 고주파 전류의 주파수에 있어서 임피던스의 크기가 동등하게 되도록 설계되어 있는 인덕터와 컨덴서를, T형 또는 π형으로 배치한 회로인, 비접촉 전력전송 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전압-전류 변환회로는 상기 수전유닛에 직렬 접속된 전송선로이고,
    상기 전송선로의 길이는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 상기 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 4분의 1의 길이인, 비접촉 전력전송 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전송선로는 동축 케이블인, 비접촉 전력전송 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수전장치는 상기 각 수전유닛으로부터의 출력 전류를 각각 정류하는 정류회로를 더 구비하고 있고,
    상기 각 정류회로의 출력이 병렬 접속되어서, 상기 부하에 출력되는, 비접촉 전력전송 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 각 정류회로의 출력 측에 각각 평활회로가 접속되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전유닛이 3개 구비되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 전원장치는,
    직류 전압을 출력하는 직류 전원장치와,
    입력되는 고주파 제어신호에 의거해서 스위칭 동작을 행하는 스위칭 소자와,
    상기 직류 전원장치와 상기 스위칭 소자 사이에 직렬 접속된 인덕터와,
    상기 스위칭 소자와 상기 인덕터의 접속점과 상기 송전유닛과의 사이에 직렬 접속되어, 상기 고주파 제어신호의 주파수를 공진주파수로 하는 제1 공진회로를 구비하고 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고주파 전원장치는, 상기 스위칭 소자에 병렬 접속되어, 상기 고주파 제어신호의 주파수의 2배의 주파수를 공진주파수로 하는 제2 공진회로를 더 구비하는, 비접촉 전력전송 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 고주파 전원장치는, 상기 직류 전원장치와 상기 스위칭 소자 사이에 직렬 접속된 인덕터 대신에, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의 전송 파장의 약 4분의 1의 길이의 전송선로를 구비하고 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 고주파 전원장치는, 상기 스위칭 소자와 상기 제1 공진회로의 접속점에 일단부가 접속된 제1 전송선로 및 제2 전송선로를 더 구비하되,
    상기 제1 전송선로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 상기 제1 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 8분의 1의 길이이고, 타단부가 개방되어 있으며,
    상기 제2 전송선로는, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의, 상기 제2 전송선로에 있어서의 전송 파장의 약 8분의 1의 길이이고, 타단부가 단락되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고주파 전원장치는, 푸시 풀 회로(push-pull circuit)로서 구성되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송전장치는,
    상기 각 송전유닛의 입력 단자 사이에 각각 병렬 접속되어 있는 스위치와,
    상기 각 스위치를, 개방 상태와 도통상태로 전환하는 제어수단을 더 구비하고 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각 스위치는, 2개의 MOSFET를 역직렬 접속한 것인, 비접촉 전력전송 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 송전장치 및 상기 수전장치는, 각각, 통신 수단을 더 구비하고 있고,
    상기 수전장치는, 상기 부하가 필요로 하는 전류값을 나타내는 정보를, 상기 송전장치의 제어수단에 송신하며,
    상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 전류값을 나타내는 정보에 따라서, 상기 각 스위치의 상태를 전환하는, 비접촉 전력전송 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 수전장치는,
    수전한 전력을 상기 부하인 축전장치에 공급하고 있고,
    상기 축전장치가 만충전 상태가 되었을 경우에, 송전을 정지시키기 위한 송전 정지 신호를 상기 송전장치의 제어수단에 송신하며,
    상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 상기 송전 정지 신호에 의거해서, 모든 상기 스위치를 도통상태로 전환하는, 비접촉 전력전송 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 수전장치는,
    수전한 전력을 상기 부하인 축전장치에 공급하고 있고,
    상기 축전장치의 충전 전압 정보를, 상기 송전장치의 제어수단에 송신하며,
    상기 송전장치의 제어수단은, 수신한 상기 충전 전압 정보에 의거해서, 모든 상기 스위치를 도통상태로 전환하는, 비접촉 전력전송 시스템.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 송전유닛 간은, 상기 고주파 전원장치가 출력하는 주파수의 전송 파장의 약 2분의 1의 자연수배의 길이의 전송선로로 접속되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치는 차량에 배치되고,
    상기 송전장치는 바닥면에 배치되어 있는, 비접촉 전력전송 시스템.
KR1020160148254A 2015-11-11 2016-11-08 비접촉 전력전송 시스템 Active KR102655303B1 (ko)

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