ワイヤレス給電技術の開発 Development of Wireless Power Transmission 平野圭蔵小林茂堀内雅城 Keizo Hirano Shigeru Kobayashi Masaki Horiuchi 大西喬之集要須田保 Takayuki Onishi Tamo

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ゆきさかやぬま
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1 ワイヤレス給電技術の開発 Development of Wireless Power Transmission 平野圭蔵小林茂堀内雅城 Keizo Hirano Shigeru Kobayashi Masaki Horiuchi 大西喬之集要須田保 Takayuki Onishi Tamotsu Suda ( 技術レポート ) ワイヤレス給電技術の開発特旨 W40cm 95% 1kW 3kW 3 Abstract In the JRC group, NJRC has worked on development of Wireless Power Transmission WPT using a magnetic resonant coupling method at an early stage and released a principle proof machine with an automatic matching function of the 30W ahead of other companies in 009. We get more than 95 % of electric power transmitting efficiency by distance 40cm between the coupler by the automatic matching circuit. The technology development of WPT advanced afterwards in the direction where electric power increased to 1kW and 3kW. On the other hand, we developed the sample model that it is easy to treat in small size. Furthermore, by an analysis evaluation by the three-dimensional electromagnetic field simulation, we inspected the conformity to an electromagnetic wave protective guideline and an effect of the shield structure as reduction measure of the magnetic field strength to any place other than the electricity transmission direction. 1. まえがき Wi-Fi Qi, 006MIT Massachusetts Institute of Technology m 1 EV ARIB STD-T kW 3kW 35W 3. ワイヤレス給電の原理と構成.1 磁界共振結合方式ワイヤレス給電モデル t r 図 1 磁界共振結合方式ワイヤレス給電基本モデル Fig.1 Magnetic Resonance Method WPT Model 日本無線技報 No

( 技術レポート ) ワイヤレス給電技術の開発 1 k fom k Q 仕事効率 = 入力電力 fom = k Q Q t r ( 1 1 fom ) 1 1+ + + + 1+ fom fom 1+fom. 自動整合の原理 k=0.

3 図 3 自動整合回路 Automatic Matching Circuit 100 90 80 70 60 理論値 50 実測値 40 0 40 60 80 100 10 カプラ間距離 (cm) 図 4 共振器間伝送効率 Fig.

2 ( 技術レポート ) ワイヤレス給電技術の開発 1 k fom k Q 仕事効率 = 入力電力 fom = k Q Q t r ( 1 1 fom ) fom fom 1+fom. 自動整合の原理 k=0.100 k k 1 伝送効率 % Fig.3 図 3 自動整合回路 Automatic Matching Circuit 理論値 50 実測値カプラ間距離 (cm) 図 4 共振器間伝送効率 Fig.4 Efficiency between the Resonators.3 システム基本構成 5 khz MHz ID 図共振特性と伝送効率 Fig. Resonance Special Quality and Transmitting Efficiency 3 4 図 5 ワイヤレス給電システムの基本構成例 Fig.5 Basic Composition of WPT System 3. ワイヤレス給電の開発事例 00930W 10 30W 009 日本無線技報 No

V 表 1 装置仕様 (30W) Table 1 Specification of Equipment(30W) 40 cm cm 40 cm cm cm 60 cm DC 4V 30 W 図 7 1kWワイヤレス電力伝送デモシステム Fig.

3 ISM13.56MHz 50W cm 60cm30W DC4V 40cm95 16 表装置仕様 (1kW) ワイヤレス給電技術の開発特Table Specification of Equipment(1kW) 700 W 600 H 160 D mm 600 W 600 H 100 D mm cm 7 V 表 1 装置仕様 (30W) Table 1 Specification of Equipment(30W) 40 cm cm 40 cm cm cm 60 cm DC 4V 30 W 図 7 1kWワイヤレス電力伝送デモシステム Fig.7 1kW WPT Demonstration System 3kW NEXCO EV 3 図 6 原理実証機 (30W) Fig.6 30W WPT Principle Proof Model 1kW EV 7V 1kW.45GHz 10 30cm 13.56MHz 80 ITS013 NEXCO Li-ion 3kW 表 3 装置仕様 (3kW) Table 3 Specification of Equipment(3kW) 1,150 W 1,150 H 160 D mm 1,000 W 1,000 H 160 D mm 0 50cm/ 30cm 30cm V Li-ion 日本無線技報 No

技術レポートワイヤレス給電技術の開発 ICNIRPのガイドラインへの適合性評価が欠かせないそこで電磁界分布を掌握するために3次元電磁界シミュレーションを用いた設計解析手法を導入し電力伝送方向以

に解析結果を図11にそれぞれ示すここで解析モデルには電源スタンド超小型EV車両は含めていない図8 EVトラックと送受電カプラ EV Truck and a Transmission and

8 ④35Wサンプルモデル本装置はマーケティングサンプルとしてまた 85kHz の伝送周波数による技術確立を目的として014年に開発した作製したサンプルモデルの装置仕様を表4に外観を図 9に示す

35W 項目仕様送電受電カプラ 100 W 100 H 0 D mm 電源寸法 90 W 45 H 140 D mm カプラ間距離ずれ 15 mm/±10 mm カプラ間距離 10mm 給電対象 DC

10 図10 解析の座標系 The Coordinate System of Analysis 図11ではシミュレーションの計算結果を線で表し実測値を赤丸点で表す特に送受電間の距離30cmについて

z軸ではマイナス側は概ね計算値と一致しているのに対しプラス側は実測値が低くなっているこれは超小型EVの車体が影響していると思われるまた z軸のグラフよりシールドなし破線に対してシールドあり

56MHz であるカプラ間が30cmの距離で1kW充電中ではカプラ端から約10cm以内はこのレベルを超えている一方カプラ間距離が10cmの場合はこのラインを超え

4 技術レポートワイヤレス給電技術の開発 ICNIRPのガイドラインへの適合性評価が欠かせないそこで電磁界分布を掌握するために3次元電磁界シミュレーションを用いた設計解析手法を導入し電力伝送方向以外への磁界強度の低減対策として用いたシールド構造の効果について計算値と実測値を対比し検証している解析評価の一例として前出の超小型EV用デモシステムの1kWワイヤレス電力伝送について解析の座標系を図10 に解析結果を図11にそれぞれ示すここで解析モデルには電源スタンド超小型EV車両は含めていない図8 EVトラックと送受電カプラ EV Truck and a Transmission and Receipt Coupler Fig.8 ④35Wサンプルモデル本装置はマーケティングサンプルとしてまた 85kHz の伝送周波数による技術確立を目的として014年に開発した作製したサンプルモデルの装置仕様を表4に外観を図 9に示す用途によりカプラ形状の変更を可能とするために電源部とカプラを分離してカプラ部のみを交換できるようにしている表4 装置仕様 35W Table 4 Specification of Equipment 35W 項目仕様送電受電カプラ 100 W 100 H 0 D mm 電源寸法 90 W 45 H 140 D mm カプラ間距離ずれ 15 mm/±10 mm カプラ間距離 10mm 給電対象 DC 4V機器伝送周波数 85 khz Fig.10 図10 解析の座標系 The Coordinate System of Analysis 図11ではシミュレーションの計算結果を線で表し実測値を赤丸点で表す特に送受電間の距離30cmについてシールド構造がある場合 with Al の計算値を実線で表し同条件の実測値の赤丸点と対比している x軸のグラフから計算値と実測値が概ね一致しモデル化と解析手法が有効であることがわかる一方 z軸ではマイナス側は概ね計算値と一致しているのに対しプラス側は実測値が低くなっているこれは超小型EVの車体が影響していると思われるまた z軸のグラフよりシールドなし破線に対してシールドあり実線の効果があることが分かる図中の水平の点線 pub_gl はICNIRPの磁界強度における公衆の暴露の参考レベル 0.073A/m.7dB A/ m at 13.56MHz であるカプラ間が30cmの距離で1kW充電中ではカプラ端から約10cm以内はこのレベルを超えている一方カプラ間距離が10cmの場合はこのラインを超える範囲がカプラ端から約70cm以内までに狭まるという結果が得られたこのことは逆にカプラ間距離が離れた場合はシールド構造の考案が大きな課題であることを表す図9 サンプルモデル 35W Fig.9 35W WPT Sample model 4 電波防護指針と電磁界シミュレーション磁界共振結合方式の場合は伝送可能距離が従来の電磁誘導方式に比べ格段に長く利便性が高い一方でその電力伝送区間の内部及び周辺の空間においては磁界暴露からの人体の安全性確保として電波防護指針又は国際的には日本無線技報 No a x-axis Fig.11 b z-axis 図11 磁界強度 Magnetic-Field Strength

5 ( 技術レポート ) ワイヤレス給電技術の開発特集5. あとがき 85kHz 参考文献 1 André Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffat, J.D.Joannopoulos, Peter Fisher, Marin Soljačić Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances Science Express, Vol.317, 007/6, pp , 009/8 3, LED ITSITS /11, pp 用語一覧 ARIB: Association of Radio Industries and Businesses ICNIRP: International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection ISM : Industry Science Medical Qi: WPC Wireless Power Consortium WPT: Wireless Power Transmission 日本無線技報 No

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

ワイヤレス給電技術の開発 Development of Wireless Power Transmission 平野圭蔵 小林 茂 堀内雅城 Keizo Hirano Shigeru Kobayashi Masaki Horiuchi 大西喬之集要 須田 保 Takayuki Onishi Tamo

ワイヤレス給電技術の開発 Development of Wireless Power Transmission 平野圭蔵小林茂堀内雅城 Keizo Hirano Shigeru Kobayashi Masaki Horiuchi 大西喬之集要須田保 Takayuki Onishi Tamo