THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS TECHNICAL REPORT OF IEICE.,,,, E-ma

Size: px

Start display at page:

Download "THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS TECHNICAL REPORT OF IEICE.,,,, E-ma"

めぐのねごろ
5 years ago
Views:

1 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS TECHNICAL REPORT OF IEICE.,,,, SS SP SS SP SS SP Basic Study on Circuit Topology for High Efficiency Wireless Power Transfer through Metal Wall Mai OTSUKA, Takehiro IMURA, Hiroshi FUJIMOTO,,, and Yoichi HORI,, Faculty of Engineering, The University of Tokyo, , 5-1-5, Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, Japan Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, , 5-1-5, Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, Japan Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo, , 5-1-5, Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, Japan Abstract The aim of this research is feeding power wirelessly to the sensor surrounded by the metal wall. Various circuit configurations have been proposed for the magnetic resonant coupling wireless power transfer. In this research, we conducted experiment and compared characteristics of series - series (SS) and series - parallel (SP) circuit topology focusing on the optimum load and the maximum efficiency. When the power transfer through the metal wall was carried out with SS circuit topology, the value of the optimum load that maximizes the transmitting efficiency decreased. The value of the optimum load can be increased by using the SP circuit topology. Key words Topology Wireless Power Transfer, Magnetic Resonance Coupling, Metal, SS Circuit Topology, SP Circuit 1. 7 MIT [1] [] [5] [6] [7] 1

2 5 Hz [6], [8] [9] [1] SS SP SS SP. 1 1 SS SP SS SP. 1 SS SS T 1 [11] 1 (1) () ω L 1 1 = ω 1 = ω C 1 ω C s (1) 1 1 ω = = L1 C 1 L C s () 1 (3) (4) V 1 = I 1 + jω L m I (3) = jω L m I 1 + (R + )I (4) I 1 I C 1 L 1 L m L m R C s V 1 L m V 1 1 SS. Circuit Parameters. Resonant Frequency 85 khz Primary Coil Inductance L 1 µh Secondary Coil Inductance µh Primary Resistance Secondary Resistance R 6 4. Ω. Ω SS. (3) (4) 1 I 1 I (5) (6) I 1 = R + V1 (5) (R + ) + ω L m jω L m I = V1 (6) (R + ) + ω L m (5) (6) (7) η = I = ( )( V 1 I 1 RL + R R ) (7) (ω L m) 1 L m = 5µH (8) (9) η = (8) η < (9) RL (7) (9) (1) opt ss = R(ω L m) + R (1) (7) (1) SS (11)

3 I 1 I C 1 L 1 L m L m R V 1 L m C p V 6 4 Z 3 SP. Z R L. C p R' L C' p 4. η max ss = (ω L m) ( R1 R + R + (ω L m ) ) (11). SP SP T 3 [11] 4 C p SS Z (1) Z = RL jωcprl 1 + ω C p (1) Z (13) Z = R L j 1 ωc p (13) (1) (13) R L C p (14) (15) = 1 + ω C p RL C p = 1 + ω C p R L ω C p R L (14) (15) SS (16) ω = 1 1 = L1 C 1 L C p (16) SS R L (17) = 1 + ω C p ω C p R L (17) (18) C p = C p 1 + ω C p R L (18) 6 L m. 1 R L 5 R L R Lopt sp (19) opt sp = opt ss R (ω L m ) = + R (19) (16) (17) (19) SP () opt sp = R (ω L m ) + R + R (ω L m ) + R () (1) SS SP SP opt sp opt ss = R (ω L m ) + R > (1) SP opt sp () η max sp = η max ss = (ω L m ) ( R1 R + R + (ω L m ) ) () 1 SS SP 3

B a r d 図7 図 8 実験に用いたコイル. 金属壁に磁束が鎖交する様子. 表 3 Coil Specifications. 表 Metal Resistivity. Material Primary Coil Secondary Coil Resistivity ρ [µωm] Steel (SS4).1 Outer Diameter Stainless Steel (SUS34).

4 B a r d 図7 図 8 実験に用いたコイル. 金属壁に磁束が鎖交する様子. 表 3 Coil Specifications. 表 Metal Resistivity. Material Primary Coil Secondary Coil Resistivity ρ [µωm] Steel (SS4).1 Outer Diameter Stainless Steel (SUS34).7 Inner Diameter mm mm Titanium.56 Turns 4 turns 4 turns Copper. Metal Plate Dimention 6 mm 6 mm 1 mm.3 Air Gap mm Resonant Frequency 85 khz Aluminum (5S) 193 mm 185 mm 係を図 6 に示す ω Lm L1 C1 R1 L R が一定の条件下で SS 方式と SP 方式を比較すると最適負荷の値は SP 方ほど電力損失が小さくなる式の方が大きくなり最大効率は等しくなる Lm が大きく低金属による物性の比較として鉄 (SS4) ステンレス下しているときでは SS 方式での最適負荷が小さくなり SP 方 (SUS34) チタン銅アルミニウム (5S) の抵抗率を表式の方がより一般的な負荷に対して高効率を得やすいに示す式 (7) より抵抗率 ρ の大きい材質ほど電力損失が小さくなる従ってチタンやステンレスは鉄銅アルミニ 3. 金属による電力伝送への影響ウムに比べ電力伝送に適している本稿では金属壁としてステンレス板 (SUS34) を用いる 3. 1 渦電流による損失金属壁を介したワイヤレス電力伝送ではコイルからの磁束 3. 渦電流によるインダクタンスの低下が金属に鎖交することで渦電流が生じ損失となる本節ではコイルからの磁束が金属に鎖交するとき金属中で生じた渦図 7 のように厚さ d の金属壁の直径 a の円形部分に対し磁電流がコイルからの磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる束が一様に鎖交しているとして渦電流損を計算する金属に鎖そのためコイル近傍に金属が存在する条件でコイルのインダ交する磁束を ϕ 磁束密度を B とすると電磁誘導により円クタンスと内部抵抗を測定したときインダクタンスは減少しの中心軸から距離 r の位置では式 (3) のように起電力 e が生内部抵抗は増加するまた次側コイルに鎖交する磁束が減じる少するため相互インダクタンスは減少する e= 金属壁を介して電力伝送を行うときコイルのインダクタン ϕ = πr (3) スが減少することで共振条件が変化するため金属壁が存在し導体の抵抗率を ρ とすると位置 r における抵抗 R は式 (4) ないときと比較して伝送効率が最大となる周波数が高くなる電流 i は式 (5) 電力損失 P は式 (6) で表される伝送効率は内部抵抗の増加と相互インダクタンスの減少に R = ρ より低くなる式 (1) より SS 方式では相互インダクタンス πr d r (4) が小さくなるとき最適負荷が次側コイルの内部抵抗 R に近づく i = e d = r r R ρ P = e i = πd ρ ( (5) ) a πd ρ ( 験 4. 1 金属板なしのときの SS 方式と SP 方式の比較 r3 (6) 従って渦電流による電力損失 Pe は式 (7) で表される Pe = 4. 実 ) r3 dr = πd 8ρ ( ) a4 (7) 図 8 に示すコイルを用いて SS 方式と SP 方式の回路構成で電力伝送を行い効率を測定した実験環境の詳細を表 3 回路のパラメータを表 4 に示すコイル間の距離を mm とし 85 khz で共振する条件で金属板を置かずに電力伝送を行い伝送効率をベクトルネットワークアナライザ (Vector 式 (7) より渦電流損は磁束密度の変化速度の乗に比例す Network Analyzer : VNA Keysight 製 E561B) を用いて測るそのため周波数の増加に伴い渦電流損は大きくなるま定した伝送効率は電源周波数が khz から khz までのた渦電流損は抵抗率に反比例するため抵抗率の大きい材質 4

表 4 Circuit Parameters (Without Metal Plate). Primary Coil Inductance L1 13 µh Secondary Coil Inductance L 13 µh Mutual Inductance Lm 47.6 µh Primary Capacitor C1 34. nf Secondary Capacitor Cs 34.

5 表 4 Circuit Parameters (Without Metal Plate). Primary Coil Inductance L1 13 µh Secondary Coil Inductance L 13 µh Mutual Inductance Lm 47.6 µh Primary Capacitor C1 34. nf Secondary Capacitor Cs 34. nf Secondary Capacitor Cp 9. nf Primary Resistance R1. Ω Secondary Resistance R.6 Ω 図 1 実験環境. Secondary coil 1 mm metal plate 1 mm Primary coil 7 図 11 6 SS(Calculated) SS(Measured) SP(Calculated) SP(Measured) 金属板とコイルの配置. Stainless Steel (SUS34) Aluminum (5S) Steel (SS4) 13 RL 図 9 SS 方式と SP 方式の伝送効率の比較 (金属板なし). 範囲での最大値とした測定の結果を図 9 に示す測定値は計算結果に一致している SP 方式は SS 方式に比べ負荷抵抗の変化に対し効率の影響を受けにくく効率が最大となる負荷抵抗の値が大きくなっている 4. 金属材料の違いによる伝送効率の比較 Frequency [khz] 図 1 金属材料ごとの SS 方式での伝送効率. 1 次側と次側のコイル間に金属板 (SUS34 5S SS4).4 境を図 1 コイルと金属板の位置関係を図 11 に示す金属板.35 を置いていないときに 85 khz で共振する条件で電力伝送を行.3 い伝送効率を VNA を用いて測定した測定の結果を図 1 図 13 に示すアルミ板 (5S) 鉄板 (SS4) では伝送効率が 1 % に満たないのに対しステンレス板 (SUS34) では伝送効率が 17 % となっており抵抗率の大を置いたときの SS 方式の電力伝送の効率を測定した実験環きい金属材料では伝送効率が大きくなっているまた渦電流による影響でインダクタンスが減少することで共振条件が変化するため伝送効率が最大となる周波数が 85 khz よりも高くなっている Stainless Steel (SUS34) Aluminum (5S) Steel (SS4) Frequency [khz] 図 13 金属材料ごとの SS 方式での伝送効率 (拡大図) 金属壁を介したワイヤレス電力伝送図 11 のようにコイル間に金属板を設置したときの伝送効率を測定した回路のパラメータを表 5 に示す金属板を置いた状態で 85 khz で共振する条件で電力伝送を行い伝送効率を VNA を用いて測定した伝送効率は電源周波数が khz から khz までの範囲での最大値とした伝送効率の計算値を図 14 測定値を図 15 に示すコイル間に金属板を置いた場合では 1 次側コイルと次側コイルの相互インダクタンスが小さくなるため SS 方式での効率が最大となる負荷抵抗の値が小さくなっているが回路構成を SP 方式にすることでより大きな負荷抵抗でも効率を得られることが示された効率の計算結果と測定値が一致しない理由はコイル付近に金属板が存在するときの相互インダクタンスが JIS 規格の測定法で正しく測定できないためだと考えられる図 16 に相互インダクタンス Lm を µh としたときの負荷抵抗と効率の関係を示すこのとき効率が測定値と一致することから実際の相互インダクタンスの値は µh 程度であると推測される 5

6 Circuit Parameters (With Metal Plate). Primary Coil Inductance L µh Secondary Coil Inductance 54.4 µh Mutual Inductance L m.1 µh Primary Capacitor C 1 Secondary Capacitor C s Secondary Capacitor C p Primary Resistance Secondary Resistance R 68.3 nf 64.3 nf 64.3 nf 1.68 Ω 1.6 Ω SS SP (). SS SP (). SS(Calculated) SS(Measured) SP(Calculated) SP(Measured) L m = µh (). 5. SS SP SS SP SS SP [1] A. Kurs, A. Karalis, R.Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic: Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Science, Vol.317, No.5834, pp.83 86, (7). [] H. Shoki: Trends of Wireless Power Transmission Technologies and Approaches for Commercialization, Technical report of IEICE(WPT1-7), pp.19 4, (1). [3] Siqi Li, and Chunting Chris Mi: Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Applications, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol.3, No.1, pp.4 17, (15). [4] John M. Miller, Omer C. Onar, and Madhu Chinthavali: Primary-Side Power Flow Control of Wireless power Transfer for Electric Vehicle Charging, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol.3, No.1, pp , (15). [5] S. Y. Hui: Planar Wireless Charging Technology for Portable Electronic Products and Qi, PROCEEDINGS OF THE IEEE, Vol.11, No.6, pp , (13). [6] Hubert Zangl, Anton Fuchs, Thomas Bretterklieber, Michael J. Moser, and Gert Holler: Wireless Communication and Power Supply Strategy for Sensor Applications Within Closed Metal Walls, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, Vol.59, No.6, pp , (1). [7] Ding-Xin Yang, Zheng Hu, Hong Zhao, Hai-Feng Hu, Yun- Zhe Sun, and Bao-Jian Hou: Through-Metal-Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review, Sensors 15, 15, , (15). [8] Masato Yamakawa, Yoshihiro Mizuno, Jun Ishida, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi: Wireless Power Transmission into a Space Enclosed by Metal Walls Using Magnetic Resonance Coupling, Wireless Engineering and Technology, Vol. 5 No. 1, pp.19 4, (14). [9] Kohei Shimamura, Masayoshi Koizumi, Yoshihiro Mizuno, Kimiya Komurasaki: Effect of Axial Slit on Metallic Tube for Wireless Power Transfer Via Magnetic Resonance Coupling, IEEE Transaction on Industry Applications, Vol.135, issue 7, pp , (15). [1] Nathan S. Jeong and Francesco Carobolante: Enabling Wireless Power Transfer Through a Metal Encased Handheld Device, WPTC, (16). [11] Takehiro Imura, Yoichi Hori: Unified Theory of Electromagnetic Induction and Magnetic Resonant Coupling, IEEJ Transactions on Industry Applications, Vol.135, No. 6, pp , (15). 6

Presentation Title Arial 28pt Bold Agilent Blue

Presentation Title Arial 28pt Bold Agilent Blue Agilent EEsof 3D EM Application series 磁気共鳴による無線電力伝送システムの解析アジレントテクノロジー第 3 営業統括部 EDA アプリケーションエンジニアリングアプリケーションエンジニア佐々木広明 Page 1 アプリケーション概要実情と現状の問題点非接触による電力の供給システムは以前から研究実用化されていますがそのほとんどが電磁誘導の原理を利用したシステムで