JP2009278782A - マイクロ波受電システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電側から送信されるマイクロ波を受信して電気エネルギに変換するレクテナ装置と、レクテナ装置により変換された電気エネルギを蓄える手段として電圧が蓄電量に応じて変化する特性を持つ蓄電要素から構成される蓄電装置と、を備えるマイクロ波受電システムにおいて、蓄電装置を充電するレクテナ装置の変換効率を良好に維持できるようにする。
【解決手段】充電時に蓄電装置の電圧がレクテナ装置の変換効率の良好な電圧範囲の上限値V2に達する都度、蓄電装置の蓄電要素の接続状態を切り替えることにより、蓄電装置の電圧の変化を抑える手段（図５のS11〜S19）、を備える。
【選択図】図５

Description

この発明は、マイクロ波受電システムに関する。

マイクロ波の新たな利用分野として、エネルギの無線伝送システムが知れられる（特許文献１，特許文献２）。この無線伝送システムにより、人工衛星に搭載した太陽光発電設備から地上への給電や、地上の各種発電施設から移動体（飛行機や車両）への給電も実現可能となる。

このような給電システムの受電側においては、給電側から送信されるマイクロ波を電気エネルギに変換して取得するレクテナ装置が設けられる。レクテナ装置は、マイクロ波を受信する受信アンテナと、受信したマイクロ波を電力に変換して出力する整流器と、を備える。
特開平０８−０３３２４４ 特開２００４−２２４２１９

このような受電システムにおいては、レクテナ装置からの電力（電気エネルギ）を蓄える蓄電装置として、出力密度が大きく、急速充電に好適であり、充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタを用いることが考えられる。

電気二重層キャパシタは、図８のような特性（充電時の時間-電圧の関係）を備える。つまり、蓄電量に依存して電圧が変化する。その一方、レクテナ装置については、その変換効率に負荷依存性があり、電圧の変化によって図９のように変換効率が大きく変化する。そのため、蓄電装置をレクテナ装置に接続すると、蓄電装置の電圧によっては、レクテナ装置の変換効率が悪化する、という不具合が考えられる。

この発明は、このような課題を改善するための有効な手段の提供を目的とする。

第１の発明は、マイクロ波受電システムにおいて、給電側から送信されるマイクロ波を受信して電気エネルギに変換するレクテナ装置と、前記レクテナ装置により変換された電気エネルギを蓄える手段として電圧が蓄電量に応じて変化する特性を持つ蓄電要素から構成される蓄電装置と、前記レクテナ装置の変換効率を良好に維持するべく前記蓄電装置の電圧の変化を抑える電圧変化抑制手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記電圧変化抑制手段は、蓄電装置の複数の蓄電要素の接続状態を変化させる直列並列切換回路を備えることを特徴とする。

第３の発明は、請求項２に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記直列並列切換回路は、レクテナ装置の変換効率の良好な電圧範囲の上限値に対し、蓄電装置の電圧が上限電圧以上になると、その度に直列接続の蓄電要素数を減らして並列接続の蓄電要素数を増やすように切り替えることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明〜第３の発明の何れか１つに係るマイクロ波受電システムにおいて、前記蓄電要素は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明〜第４の発明の何れか１つに係るマイクロ波受電システムは、移動体に搭載されることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記移動体は、電動駆動車両であることを特徴とする。

第１の発明においては、蓄電要素の電圧が蓄電量に応じて変化するにも拘わらず、電圧抑制手段により、蓄電装置の電圧の変化が抑制されるため、レクテナ装置の変換効率を良好に維持することができる。

第２の発明においては、蓄電要素の電圧が蓄電量に応じて変化するにも拘わらず、直列並列切換回路により、蓄電要素の接続状態が変化して蓄電装置の電圧の変化が抑制されるため、レクテナ装置の変換効率を良好に維持することができる。

第３の発明においては、蓄電要素の電圧が蓄電量に応じて上昇するにも拘わらず、直列並列切換回路により、直列接続の蓄電要素数が減って並列接続の蓄電要素数が増えるので、蓄電装置の電圧が上限値を超えて上昇するのが抑制されるため、レクテナ装置の変換効率を良好に維持することができる。

第４の発明においては、電気二重層キャパシタを用いることにより、出力密度が大きく、急速充電に最適であり、充放電サイクル寿命の長い、蓄電装置を実現することができる。

第５の発明においては、マイクロ波受電システムにより、移動体の電源を自在に確保することができる。

第６の発明においては、マイクロ波受電システムにより、移動体の電源を自在に確保することができる。

図１において、１０は給電側であり、１１は受電側である。受電側１１は、回転電機１２（モータジェネレータ）を動力源とする車両として構成される。給電側１０は、道路に隣接する給電施設として設置される。

受電側１１において、回転電機１２は、蓄電装置１３にインバータ１４を介して接続され、第１制御装置（図示せず）によりインバータ１４を介して制御される。例えば、車両の走行時は、インバータ１４が電動モードに制御されると、蓄電装置１３から供給される電力により、回転電機１２が電動機（モータ）として運転され、車両の駆動力を発生する。また、車両の制動時は、蓄電装置１３が充電可能であれば、インバータ１４が発電モードに制御され、回転電機１２が発電機（ジェネレータ）として運転され、車両の制動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電装置１３を充電するようになっている。

蓄電装置１３は、出力密度が大きく、急速充電に好適であり、充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタが用いられる。蓄電装置１３を必要に応じて充電するため、レクテナ装置１５が備えられる。レクテナ装置１５は、給電側から送信されるマイクロ波を受信するマイクロ波受信アンテナ（図示せず）と、受信したマイクロ波を電力に変換して蓄電装置１３を充電する整流器（図示せず）と、から構成される。

蓄電装置１３は、複数のキャパシタモジュールから組成される。各モジュールは、所定数の電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタセルと称する）からこれらを直接および並列に接続して構成され、各キャパシタセルの電圧を均等化する第２制御装置（図示せず）が備えられる。第２制御装置（図示せず）は、蓄電装置１３の蓄電量を監視しつつ、蓄電量が所定値以下になると、送受信機（図示せず）から給電側への要求信号（指令）を送信する機能が設定される。

給電側においては、給電源となる電力発生手段１８と、電力発生手段１８から出力される電力をマイクロ波に変換して出力するマイクロ波発生器１９と、マイクロ波発生器１９から出力されるマイクロ波を送信するマイクロ波送信アンテナ２０と、を備える。マイクロ波発生器１９は、電力の浪費を回避する上から、必要なときのみ作動させることが望ましい。そのため、第３制御装置（図示せず）および送受信機（図示せず）が設けられ、受電側からの要求信号を受信すると、マイクロ波を発生するようになっている。電力発生手段１８としては、発電所からの電源線、または、近年普及の進むマイクログリッド型の分散型小規模な発電設備、が設定される。

図２は、受電側の蓄電装置１３を例示するものであり、レクテナ装置１５の変換効率を良好に維持するべく、蓄電装置１３の電圧の変化を抑える電圧変化抑制手段が備えられる。２２ａ，２２ｂは蓄電装置１３の接続端子であり、その端子間に複数のキャパシタモジュール２３が介装される。蓄電装置１３の電圧変化抑制手段は、キャパシタモジュール２３の接続状態を変化させる直列並列切換回路に構成される。SW1〜SW9は直列並列切換回路を構成するスイッチであり、これらスイッチのオン（Close）−オフ（Open）により、キャパシタモジュール２３の接続状態は、図３のように変化するのである。(a)は４直列の接続状態、(b)は３直列１並列の接続状態、(c)は２直列３並列の接続状態、(d)は４並列の接続状態、となる。図４は、(a)〜(d)の接続状態に対応する各スイッチ状態（直列並列切換回路の作動状態）を示す表である。

このような直列並列切換回路を制御する機能が第２制御装置（図示せず）に追加される。レクテナ装置１５の変換効率-負荷電圧の関係（図９、参照）から、変換効率の良好な電圧範囲V1〜V2が求められ、第２制御装置のメモリに設定される。

図５は、直列並列切換回路を制御する機能を説明するフローチャートであり、第２制御装置（図示せず）により、蓄電装置１３の電圧が監視され、キャパシタモジュール２３が４直列の接続状態において、蓄電装置１３の電圧が変換効率の良好な電圧範囲V1〜V2の下限値V1に低下すると、給電側への要求信号が送信され、これに応じて給電側から送信されるマイクロ波の受電が開始される。

S11においては、受電（充電）中かどうかを判定する。S11の判定がyesになると、S12へ進み、蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を４直列の接続状態に維持する。レクテナ装置１５からの電力により、蓄電装置１３が充電され、各キャパシタモジュール２３を構成するキャパシタセルの電圧が上昇し、これに伴ってキャパシタモジュール２３の電圧および蓄電装置１３の電圧が上昇する。

S13においては、蓄電装置１３の電圧が変換効率の良好な電圧範囲の上限値V2以上かどうか、蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を３直列２並列の接続状態へ切り替えるべきか否かを判定する。S13の判定がyesになると、S14へ進み、直列並列切換回路の作動によって蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を３直列２並列の接続状態に切り替える。これにより、蓄電装置１３の電圧は、直列接続のキャパシタモジュール２３の数が１つ減る分、低下する。レクテナ装置１５による充電は継続され、各キャパシタモジュール２３の電圧およびこれらを構成するキャパシタセルの電圧は上昇し続け、これに伴って一旦低下した蓄電装置１３の電圧が上昇する。

S15においては、蓄電装置１３の電圧が変換効率の良好な電圧範囲の上限値V2以上かどうか、蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を２直列３並列の接続状態へ切り替えるべきか否かを判定する。S15の判定がyesになると、S16へ進み、直列並列切換回路の作動によって蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を２直列３並列の接続状態に切り替える。これにより、蓄電装置１３の電圧は、直列接続のキャパシタモジュール２３の数が１つ減る分、低下する。レクテナ装置１５による充電は継続され、各キャパシタモジュール２３の電圧およびこれらを構成するキャパシタセルの電圧は上昇し続け、これに伴って一旦低下した蓄電装置１３の電圧が上昇する。

S17においては、蓄電装置１３の電圧が変換効率の良好な電圧範囲の上限値V2以上かどうか、蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を４並列の接続状態へ切り替えるべきか否かを判定する。S17の判定がyesになると、S18へ進み、直列並列切換回路の作動によって蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を４並列の接続状態に切り替える。これにより、蓄電装置１３の電圧は、直列接続のキャパシタモジュールの数が１つ減る分、低下する。レクテナ装置１５による充電は継続され、各キャパシタモジュール２３の電圧およびこれらを構成するキャパシタセルの電圧は上昇し続け、これに伴って一旦低下した蓄電装置１３の電圧が上昇する。

S19においては、蓄電装置１３の電圧が変換効率の良好な電圧範囲の上限値V2以上かどうか、充電の終了（各キャパシタモジュール２３の電圧およびこれらを構成するキャパシタセルの電圧が満充電状態となる）か否かを判定する。この判定がyesになると、受電の終了信号を給電側へ送信し、給電の停止を確認すると、直列並列切換回路の作動によって蓄電装置１３のキャパシタモジュール２３を４直列の接続状態に切り替えて制御を終了する。

このような制御により、蓄電装置１３の電圧を図６のようにレクテナ装置１５の変換効率の良好な電圧範囲V1〜V2に抑えつつ、蓄電装置１３を満充電状態に充電することができる。そのため、レクテナ装置１５の変換効率が良好に維持しえる。また、電圧が低く抑えられ、蓄電装置１３を効率よく充電できる。図７は、直列並列切換回路が機能しない場合における、蓄電装置１３の電圧の変化を例示するものであり、蓄電装置１３の電圧は、直列並列切換回路が機能しないため、図６と異なり、上昇し続けるので、レクテナ装置１５の変換効率を悪化させることになる。

受電側１１は、移動体に限定されず、定置される電気設備であっても良い。また、電圧変化抑制手段（直列並列切換回路）は、蓄電装置１３が電気二重層キャパシタから構成されるものに適用が限定されるものでなく、図８と類似の特性を示す蓄電要素から構成される蓄電装置へ有効に適用可能となる。

エネルギ無線伝送システムの概要構成図である。 蓄電装置のを例示する構成図である。 蓄電装置の作動説明図である。 蓄電装置の作動状態を説明する表である。 蓄電装置に対する制御内容を説明するフローチャートである。 同じく制御内容を説明する電圧特性図である。 同じく比較のための電圧特性図である。 電気二重層キャパシタの電圧特性図である。 レクテナ装置の変換効率特性図である。

符号の説明

１０ 給電側
１１ 受電側
１２ 回転電機（モータジェネレータ）
１３ 蓄電装置
１４ インバータ
１５ レクテナ装置
１８ 電力発生手段
１９ マイクロ波発生器
２０ マイクロ波送信アンテナ
２３ キャパシタモジュール
SW1〜SW9 スイッチ

Claims (6)

1. 給電側から送信されるマイクロ波を受信して電気エネルギに変換するレクテナ装置と、前記レクテナ装置により変換された電気エネルギを蓄える手段として電圧が蓄電量に応じて変化する特性を持つ蓄電要素から構成される蓄電装置と、前記レクテナ装置の変換効率を良好に維持するべく前記蓄電装置の電圧の変化を抑える電圧変化抑制手段と、を備えることを特徴とするマイクロ波受電システム。
2. 請求項１に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記電圧変化抑制手段は、蓄電装置の複数の蓄電要素の接続状態を変化させる直列並列切換回路を備えることを特徴とするマイクロ波受電システム。
3. 請求項２に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記直列並列切換回路は、レクテナ装置の変換効率の良好な電圧範囲の上限値に対し、蓄電装置の電圧が前記上限値以上になると、その度に直列接続の蓄電要素数を減らして並列接続の蓄電要素数を増やすように切り替えることを特徴とするマイクロ波受電システム。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１つに係るマイクロ波受電システムにおいて、前記蓄電要素は、電気二重層キャパシタであることを特徴とするマイクロ波受電システム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１つに係るマイクロ波受電システムは、移動体に搭載されることを特徴とするマイクロ波受電システム。
6. 請求項５に係るマイクロ波受電システムにおいて、前記移動体は、電動駆動車両であることを特徴とするマイクロ波受電システム。

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