JP2011223739A - 給電装置、受電装置、およびワイヤレス給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】回路規模、コストの増大を抑止でき、電力損失を低減でき、しかも給電側、受電側双方のインピーダンス調整を行うことが可能な給電装置、受電装置、およびワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】給電装置20は、給電すべき電力を生成する電力生成部14と、電力生成部で生成される電力が給電されるコイルにより形成される給電素子211と、電磁誘導により結合する共鳴素子212と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部23と、制御信号に応じて電力の給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部22と、インピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部27と、少なくとも検出されたインピーダンス情報と、憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように制御信号を可変整合部に出力する制御部26と、を有する。
【選択図】図3
【解決手段】給電装置20は、給電すべき電力を生成する電力生成部14と、電力生成部で生成される電力が給電されるコイルにより形成される給電素子211と、電磁誘導により結合する共鳴素子212と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部23と、制御信号に応じて電力の給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部22と、インピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部27と、少なくとも検出されたインピーダンス情報と、憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように制御信号を可変整合部に出力する制御部26と、を有する。
【選択図】図3
Description
本発明は、非接触(ワイヤレス)で電力の供給、受信を行う非接触給電方式の給電装置、受電装置、およびワイヤレス給電システムに関するものである。
ワイヤレス(無線)で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。
現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先(受電側)とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。
一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。
この磁界共鳴型を用いたワイヤレス給電システムは、軸合わせが不要で、給電距離を長くする事が可能であるが、この特徴を最大限に発揮するためには動的なインピーダンス制御が必要である。
特許文献1には、電力増幅器の出力インピーダンスが変化する場合でも入出力の整合を確実にとることができる自動インピーダンス整合方式が開示されている。
特許文献1には、電力増幅器の出力インピーダンスが変化する場合でも入出力の整合を確実にとることができる自動インピーダンス整合方式が開示されている。
図1は、特許文献1に開示された自動インピーダンス制御方式を採用した送信機(給電装置)の構成を示すブロック図である。
図1の給電装置(送信機)は、電力増幅器1、負荷インピーダンス検出器2、整合回路3、アンテナ4、A/D変換器5、CPU6、モータまたはリレー駆動回路7、および判定しきい値設定器8を有する。
給電装置において、電力増幅器1とアンテナ(負荷)4との間に負荷側インピーダンス検出器2が配置され、この検出信号によって整合回路3を制御し入出力インピーダンスの整合をとる。
負荷インピーダンス検出器2は、電力増幅器1の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の整合がとれたときの入出力インピーダンス値で、負荷インピーダンスの検出信号電圧が検出電圧の中心値になるように較正してある。
整合回路3を制御するCPU6は、検出出力によってモータ又はリレー駆動回路7を駆動して整合制御し、その整合制御プログラムのインピーダンス判定しきい値が電力増幅器1の出力インピーダンスの変化に応じて変更される。
インピーダンス判定しきい値の変更は判定しきい値設定器8によって切替設定される。
負荷インピーダンス検出器2は、電力増幅器1の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の整合がとれたときの入出力インピーダンス値で、負荷インピーダンスの検出信号電圧が検出電圧の中心値になるように較正してある。
整合回路3を制御するCPU6は、検出出力によってモータ又はリレー駆動回路7を駆動して整合制御し、その整合制御プログラムのインピーダンス判定しきい値が電力増幅器1の出力インピーダンスの変化に応じて変更される。
インピーダンス判定しきい値の変更は判定しきい値設定器8によって切替設定される。
図2は、特許文献1に開示された従来例を示す図である。
この場合、最適な制御を動的に変更する必要が無いため、判定しきい値設定器がない。
この場合、最適な制御を動的に変更する必要が無いため、判定しきい値設定器がない。
上述した特許文献1に開示される構成では、給電装置には、整合させたい機器の間にインピーダンス検出器および可変整合回路が必要である。
そして、受電装置側において、インピーダンス検出器および可変整合回路が必要である。
したがって、上記した技術では、回路規模の増大やコストの増大、そして挿入回路による電力の損失があるなどの不利益がある。
そして、受電装置側において、インピーダンス検出器および可変整合回路が必要である。
したがって、上記した技術では、回路規模の増大やコストの増大、そして挿入回路による電力の損失があるなどの不利益がある。
本発明は、回路規模、コストの増大を抑止でき、電力損失を低減でき、しかも給電側、受電側双方のインピーダンス調整を行うことが可能な給電装置、受電装置、およびワイヤレス給電システムを提供することにある。
本発明の第1の観点の給電装置は、給電すべき電力を生成する電力生成部と、上記電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、制御信号に応じて、上記電力の上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する制御部と、を有する。
本発明の第2の観点の受電装置は、磁界共鳴関係をもって送電された電力を受電する受電素子と、受電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、制御信号に応じて、上記電力の上記給電素子の負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、受電側のインピーダンス特性から送電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する制御部と、を有する。
本発明の第3の観点のワイヤレス給電システムは、給電装置と、上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、上記給電装置は、給電すべき電力を生成する電力生成部と、上記電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、第1の制御信号に応じて、上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む第1の可変整合部と、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記第1の制御信号を上記第1の可変整合部に出力する第1の制御部と、インピーダンス制御情報を上記受電装置に送信可能な第1の通信部と、を含み、上記受電装置は、磁界共鳴関係をもって上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、第2の制御信号に応じて、上記受電素子と負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む第2の可変整合部と、上記第1の通信部から送信されたインピーダンス制御情報を受信可能な第2の通信部と、上記第2の通信部で受信したインピーダンス制御情報に応じた上記第2の制御信号を上記第2の可変整合部に出力する第2の制御部と、を含む。
本発明の第4の観点のワイヤレス給電システムは、給電装置と、上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、上記給電装置は、給電すべき電力を生成する電力生成部と、上記電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、第1の制御信号に応じて、上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む第1の可変整合部と、上記受電装置から送信されたインピーダンス制御情報に応じた上記第1の制御信号を上記第1の可変整合部に出力する第1の制御部と、を含み、上記受電装置は、磁界共鳴関係をもって上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、受電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、第2の制御信号に応じて、上記給電素子と負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む第2の可変整合部と、受電側のインピーダンス特性から送電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記第2の制御信号を上記可変整合部に出力する第2の制御部と、インピーダンス制御情報を上記給電装置に送信可能な第2の通信部と、を含む。
本発明によれば、回路規模、コストの増大を抑止でき、電力損失を低減でき、しかも給電側、受電側双方のインピーダンス調整を行うことができる。
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.ワイヤレス給電システムの第1の実施形態
2.給電コイルおよび可変整合回路の径可変機能
3.給電コイルの径の制御処理
4.コントローラの制御処理
5.磁界共鳴方式の原理
6.インピーダンス制御動作
7.ワイヤレス給電システムの第2の実施形態
なお、説明は以下の順序で行う。
1.ワイヤレス給電システムの第1の実施形態
2.給電コイルおよび可変整合回路の径可変機能
3.給電コイルの径の制御処理
4.コントローラの制御処理
5.磁界共鳴方式の原理
6.インピーダンス制御動作
7.ワイヤレス給電システムの第2の実施形態
<1.ワイヤレス給電システムの第1の実施形態>
図3は、本発明の第1の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。
図4は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。
図3は、本発明の第1の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。
図4は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。
本ワイヤレス給電システム10は、給電装置20および受電装置30を有する。
本第1の実施形態のワイヤレス給電システム10においては、給電装置20にはインピーダンス検出器および可変整合回路が配置され、受電装置30にはインピーダンス検出器は配置されず可変整合回路が配置される。
そして、後で詳述するように、給電側(送電側)の可変整合回路および受電側可変整合回路は、それぞれ制御部としてコントローラにより同様のインピーダンス変換を行うように制御される。
本第1の実施形態のワイヤレス給電システム10においては、給電装置20にはインピーダンス検出器および可変整合回路が配置され、受電装置30にはインピーダンス検出器は配置されず可変整合回路が配置される。
そして、後で詳述するように、給電側(送電側)の可変整合回路および受電側可変整合回路は、それぞれ制御部としてコントローラにより同様のインピーダンス変換を行うように制御される。
給電装置20は、送電素子部21、第1の可変整合回路22、インピーダンス検出器23、高周波電力発生回路24、および第1の制御部としてのコントローラ25を有する。
さらに給電装置20は、記憶部としてのストレージデバイス(メモリ)26、および第1の通信部としての無線信号送受信機27を含んで構成されている。
さらに給電装置20は、記憶部としてのストレージデバイス(メモリ)26、および第1の通信部としての無線信号送受信機27を含んで構成されている。
送電素子部21は、給電素子としての給電コイル211、および共鳴素子としての共鳴コイル212を有する。共鳴コイルは共振コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共鳴コイルと呼ぶこととする。
給電コイル211は、交流電流が給電される空心コイルにより形成される。
給電コイル211は、その直径が、径可変部としての機能を併せ持つ可変整合回路22による切り替え制御信号に応じて変更可能に構成されている。
共鳴コイル212は、給電コイル211と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、受電装置30の共鳴コイル312と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。
給電コイル211は、その直径が、径可変部としての機能を併せ持つ可変整合回路22による切り替え制御信号に応じて変更可能に構成されている。
共鳴コイル212は、給電コイル211と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、受電装置30の共鳴コイル312と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。
<2.給電コイルおよび可変整合回路の径可変機能>
図5は、本実施形態に係る給電コイルおよび可変整合回路の径可変機能を含む構成を模式的に示す図である。
図5は、本実施形態に係る給電コイルおよび可変整合回路の径可変機能を含む構成を模式的に示す図である。
図5の給電コイル211は、給電部としてのフロントエンド部F/Eに一端部が接続された基幹線部ML1が形成されている。
そして、給電コイル211は、基幹線部ML1の他端側に一端部が接続され、直径a1,a2,a3がそれぞれ異なる空心コイル部SL1,SL2,SL3を有している。
空心コイル部SL1,SL2,SL3は、それらの直径a1,a2,a3が、a1<a2<a3の関係をもって形成されている。
そして、給電コイル211は、基幹線部ML1の他端側に一端部が接続され、直径a1,a2,a3がそれぞれ異なる空心コイル部SL1,SL2,SL3を有している。
空心コイル部SL1,SL2,SL3は、それらの直径a1,a2,a3が、a1<a2<a3の関係をもって形成されている。
本実施形態に係る給電コイル211および可変整合回路22は、その直径aを変更するためのスイッチ部SW1、SW2を有する。
このスイッチ部SW1、SW2は、たとえば可変整合回路22の一部あるいは送電素子部21の一部として構成することができる。
このスイッチ部SW1、SW2は、たとえば可変整合回路22の一部あるいは送電素子部21の一部として構成することができる。
スイッチ部SW1、SW2は、端子x,y,zを有する。
スイッチSW1は、端子xがフロントエンド部F/Eに接続され、端子yは非接続状態に保持され、端子zは空心コイル部SL1の他端部に接続されている。
スイッチSW2は、端子xがフロントエンド部F/Eに接続され、端子yが空心コイル部SL2の他端部に接続され、端子zは空心コイル部SL3の他端部に接続されている。
スイッチSW1は、端子xがフロントエンド部F/Eに接続され、端子yは非接続状態に保持され、端子zは空心コイル部SL1の他端部に接続されている。
スイッチSW2は、端子xがフロントエンド部F/Eに接続され、端子yが空心コイル部SL2の他端部に接続され、端子zは空心コイル部SL3の他端部に接続されている。
スイッチSW1,SW2は、たとえばコントローラ25により供給される切り替え制御信号CSW1、2に応じて独立に切り替えられる。
すなわち、たとえば切り替え制御信号CSW1、CSW2が第1状態を指示しているときは、スイッチSW1、SW2は端子xと端子yとの接続状態となる。
この場合、給電コイル211は、その直径が空心コイル部SL2の直径a2となる。
切り替え制御信号CSW1、CSW2が第2状態を指示しているときは、スイッチSW1,SW2は端子xと端子zとの接続状態となる。
この場合、給電コイル211は、その直径が実質的に空心コイル部SL1の直径a1となる。
このとき、空心コイル部SL1と空心コイル部SL3が接続状態に保持されるが、直径は小さい方のa1となる。
すなわち、たとえば切り替え制御信号CSW1、CSW2が第1状態を指示しているときは、スイッチSW1、SW2は端子xと端子yとの接続状態となる。
この場合、給電コイル211は、その直径が空心コイル部SL2の直径a2となる。
切り替え制御信号CSW1、CSW2が第2状態を指示しているときは、スイッチSW1,SW2は端子xと端子zとの接続状態となる。
この場合、給電コイル211は、その直径が実質的に空心コイル部SL1の直径a1となる。
このとき、空心コイル部SL1と空心コイル部SL3が接続状態に保持されるが、直径は小さい方のa1となる。
可変整合回路22は、コントローラ25により供給される制御信号CSW1,CSW2に応じて給電コイル211の給電点におけるインピーダンス整合機能を有する。
<3.給電コイルの径の制御処理>
図4は、磁界共鳴型ワイヤレス給電システム10の基本的な構成を示している。
磁界共鳴型ワイヤレス給電システム10において、給電点および負荷端におけるインピーダンス整合は非常に重要である。
一般に、インピーダンス整合は送受双方の給電コイルと共鳴コイルの間隔Dおよび径の比を調整することで行われる。
図4は、磁界共鳴型ワイヤレス給電システム10の基本的な構成を示している。
磁界共鳴型ワイヤレス給電システム10において、給電点および負荷端におけるインピーダンス整合は非常に重要である。
一般に、インピーダンス整合は送受双方の給電コイルと共鳴コイルの間隔Dおよび径の比を調整することで行われる。
図6は、一般的な可変整合回路の一例を示す図である。
一般にインピーダンスの実部を調整するには直列と並列のリアクタンス素子が必要となり、それらを切り替えるために4個のスイッチSW11,SW12,SW13,SW14が必要になる。
一般にインピーダンスの実部を調整するには直列と並列のリアクタンス素子が必要となり、それらを切り替えるために4個のスイッチSW11,SW12,SW13,SW14が必要になる。
図7は、本実施形態に係る給電装置および受電装置において給電コイルの直径の切り替え構造を模式的に示す図である。
本実施形態においては、磁界共鳴型のインピーダンス整合構造を利用し、給電コイル211,311の直径を切り替えることで、低損失な整合切り替え回路を実現できる。
磁界共鳴型ワイヤレス給電装置では一般に高いQ値の共鳴コイルを用いるため、共鳴コイルに回路を接続すると損失が大きい。
これに対して、給電コイルは低インピーダンスにインピーダンスが変換されているので、給電コイルに回路を接続しても損失が少ない。
磁界共鳴型ワイヤレス給電装置では一般に高いQ値の共鳴コイルを用いるため、共鳴コイルに回路を接続すると損失が大きい。
これに対して、給電コイルは低インピーダンスにインピーダンスが変換されているので、給電コイルに回路を接続しても損失が少ない。
また、図6に示す一般的な可変整合回路ではインピーダンスの実部を3通り可変するのに8個のスイッチSW11〜SW18を要した。これに対して、図5および図7に示す本発明の実施形態に係る方法では2個のスイッチSW1、SW2で可変可能であり、低コストに実現できる。
図8は、本実施形態および比較例における共鳴コイル間隔(送受電間距離)の変更に伴う電力特性を示す図である。
図8において、横軸が共鳴コイル間距離Dを、縦軸が受電レベルを示している。
そして、図8において、Kで示す曲線が本実施形態の給電コイルの直径aを変更可能な場合の特性を示している。
Lで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを272[mm]に固定した場合の特性を示している。
Mで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを210[mm]に固定した場合の特性を示している。
Nで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを179[mm]に固定した場合の特性を示している。
図8において、横軸が共鳴コイル間距離Dを、縦軸が受電レベルを示している。
そして、図8において、Kで示す曲線が本実施形態の給電コイルの直径aを変更可能な場合の特性を示している。
Lで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを272[mm]に固定した場合の特性を示している。
Mで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを210[mm]に固定した場合の特性を示している。
Nで示す曲線が比較例として示す特性であって、給電コイル径aを179[mm]に固定した場合の特性を示している。
通常、磁界共鳴型ワイヤレス給電装置では送受の共鳴コイル間隔(送受電間距離)を変えるとインピーダンスの再調整が必要となる。
たとえば、図8において、給電コイルの径aを272mmで固定した場合、曲線Lで示されるように、共鳴コイル間距離Dが550mmでは大きな特性劣化が見られる。
給電コイルの径aを179mmで固定すると、曲線Nで示されるように、共鳴コイル間距離が550mmでは良好な特性を示すが、共鳴コイル間距離Dが250mm近辺では大きな特性劣化が見られる。
一方、給電コイルの径aを本実施形態のように可変とした場合、曲線Lで示されるように、共鳴コイル間距離Dが250mmから550mmにわたって変化しても特性劣化の少ない良好な特性を実現できている。
たとえば、図8において、給電コイルの径aを272mmで固定した場合、曲線Lで示されるように、共鳴コイル間距離Dが550mmでは大きな特性劣化が見られる。
給電コイルの径aを179mmで固定すると、曲線Nで示されるように、共鳴コイル間距離が550mmでは良好な特性を示すが、共鳴コイル間距離Dが250mm近辺では大きな特性劣化が見られる。
一方、給電コイルの径aを本実施形態のように可変とした場合、曲線Lで示されるように、共鳴コイル間距離Dが250mmから550mmにわたって変化しても特性劣化の少ない良好な特性を実現できている。
本実施形態においては、図5および図7の構成では、2つの直径を切り替える場合を例として説明したが、さらに多くの径の空心コイル部を形成して、スイッチ部SW1で切り替えるように構成することも可能である。
コントローラ25,36は、共鳴コイル間距離Dが短い(近い)ほど、給電コイル211,311の直径aが大きくなり、長い(遠い)ほど、給電コイル211,311の直径aが小さくなるように制御を行う。
コントローラ25,36は、共鳴コイル間距離Dが短い(近い)ほど、給電コイル211,311の直径aが大きくなり、長い(遠い)ほど、給電コイル211,311の直径aが小さくなるように制御を行う。
インピーダンス検出器23は、高周波電力発生回路24で発生された高周波電力等に基づき、給電装置20における給電(送電)側インピーダンスを検出する機能を有し、検出結果を信号S23としてコントローラ25に供給する。
図9は、本実施形態に係るインピーダンス検出器の構成例を示す図である。
このインピーダンス検出器23は、電圧検出器231、電流検出器232を有する。
電圧検出器231は、抵抗素子R1,R2により供給電圧を分圧し、電圧VLを検出する。
電流検出器232は、変圧器T1、および抵抗R3,R4を含み、供給電圧から電流ILを検出する。
そして、検出した電圧VLを電流ILで除してインピーダンスZ(Ω)が求まる。
電圧検出器231は、抵抗素子R1,R2により供給電圧を分圧し、電圧VLを検出する。
電流検出器232は、変圧器T1、および抵抗R3,R4を含み、供給電圧から電流ILを検出する。
そして、検出した電圧VLを電流ILで除してインピーダンスZ(Ω)が求まる。
また、インピーダンス検出器23は、高周波電力発生回路24で発生された高周波電力を可変整合回路22側に供給する。
高周波電力発生回路24は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力を発生する。
高周波電力発生回路24は、高効率に高周波電力を発生させることが望ましいため、スイッチングアンプなどが用いられる。
高周波電力発生回路24で発生された高周波電力は、インピーダンス検出器23を通して可変整合回路22に供給され、送電素子部21の給電コイル211に給電(印加)される。
高周波電力発生回路24は、高効率に高周波電力を発生させることが望ましいため、スイッチングアンプなどが用いられる。
高周波電力発生回路24で発生された高周波電力は、インピーダンス検出器23を通して可変整合回路22に供給され、送電素子部21の給電コイル211に給電(印加)される。
コントローラ25は、インピーダンス検出器23の検出結果を受けて、可変整合回路22におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように第1の制御信号S25を可変整合回路22に出力する。
換言すれば、コントローラ25は、共鳴コイル212が受電装置30の共鳴コイル312と自己共振周波数が一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
なお、制御信号S25には、上述した可変整合回路22における切り替え制御信号CSW1、CSW2を含む。
換言すれば、コントローラ25は、共鳴コイル212が受電装置30の共鳴コイル312と自己共振周波数が一致し、磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送するように制御する。
なお、制御信号S25には、上述した可変整合回路22における切り替え制御信号CSW1、CSW2を含む。
<4.コントローラの制御処理>
コントローラ25は、磁界共鳴型のワイヤレス電力給電装置20において、給電(送電側)と受電側の結合が強結合状態にあるときに、インピーダンス検出結果に応じた制御を高精度に行う。
ここで、強結合とは、送電素子部と受電素子部が電力伝達可能な距離にあることをいい、たとえば給電効率が80%程度あるいはそれ以上である場合をいう。
本実施形態においては、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブル(関係表)としてストレージデバイス26に格納してある。
コントローラ25は、磁界共鳴型のワイヤレス電力給電装置20において、給電(送電側)と受電側の結合が強結合状態にあるときに、インピーダンス検出結果に応じた制御を高精度に行う。
ここで、強結合とは、送電素子部と受電素子部が電力伝達可能な距離にあることをいい、たとえば給電効率が80%程度あるいはそれ以上である場合をいう。
本実施形態においては、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブル(関係表)としてストレージデバイス26に格納してある。
コントローラ25は、インピーダンス検出器23で検出された電圧VLおよび電流ILの情報を受けて、現在の給電(送電)側のインピーダンスZ(=VL/IL)を求める。
コントローラ25は、この検出されたインピーダンスZが、たとえば50Ωである場合には、電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)が理想的な1であると判断する。
コントローラ25は、検出されたインピーダンスZが25Ωまたは100Ωの場合にはVSWRは2であると判断する。
本実施形態において、コントローラ25は、後述するように、検出されたインピーダンスZから現在のインピーダンス特性が、たとえばスミスチャートに応じた第1〜第4象限のいずれに有るかを判定する。
そして、コントローラ25は、VSWRが1に近づく、換言すればスミスチャートの中央部である各象限の境界部分に近づくように可変整合回路22を制御する。
本実施形態のコントローラ25は、実質的に、VSWRがたとえば1.2〜1.5程度になるように、インピーダンス整合制御を行う。
コントローラ25は、このインピーダンスZと、可変整合回路22の設定ステート情報と、ストレージデバイス26のインピーダンス情報と、参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合回路22の設定ステートを求める。
コントローラ25は、この検出されたインピーダンスZが、たとえば50Ωである場合には、電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)が理想的な1であると判断する。
コントローラ25は、検出されたインピーダンスZが25Ωまたは100Ωの場合にはVSWRは2であると判断する。
本実施形態において、コントローラ25は、後述するように、検出されたインピーダンスZから現在のインピーダンス特性が、たとえばスミスチャートに応じた第1〜第4象限のいずれに有るかを判定する。
そして、コントローラ25は、VSWRが1に近づく、換言すればスミスチャートの中央部である各象限の境界部分に近づくように可変整合回路22を制御する。
本実施形態のコントローラ25は、実質的に、VSWRがたとえば1.2〜1.5程度になるように、インピーダンス整合制御を行う。
コントローラ25は、このインピーダンスZと、可変整合回路22の設定ステート情報と、ストレージデバイス26のインピーダンス情報と、参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合回路22の設定ステートを求める。
コントローラ25は、求めた設定ステートとなるよう、可変整合回路22の状態を変更する。
ここでは、可変整合回路22は連続的な切り替え構造ではなく、いくつかの状態を切り替え可能な、図5〜図8に関連付けて説明したような切り替え式可変整合回路とする。
コントローラ25は、これらの制御の結果、送受電側で最適なインピーダンス状態を実現でき、良好なワイヤレス給電動作を実現する。
ここでは、可変整合回路22は連続的な切り替え構造ではなく、いくつかの状態を切り替え可能な、図5〜図8に関連付けて説明したような切り替え式可変整合回路とする。
コントローラ25は、これらの制御の結果、送受電側で最適なインピーダンス状態を実現でき、良好なワイヤレス給電動作を実現する。
図10(A)および(B)は、送受電素子間距離を変えたときの送受電側コイルのインピーダンス特性例を示す図である。
図10(A)は送電側(給電側)インピーダンス特性をスミスチャート1として示している。
図10(B)は受電側インピーダンス特性をスミスチャート2として示している。
送電側と受電側のインピーダンス特性曲線の形成方向が異なるが、それは本質的なことではなく、両特性は、実質的に整合のとれた対応関係を有している。
図中の示すmの値が小さいほど送受電素子間の距離が近く、大きいほど送受電素子間の距離が遠い場合の特性となっている。
図10(A)は送電側(給電側)インピーダンス特性をスミスチャート1として示している。
図10(B)は受電側インピーダンス特性をスミスチャート2として示している。
送電側と受電側のインピーダンス特性曲線の形成方向が異なるが、それは本質的なことではなく、両特性は、実質的に整合のとれた対応関係を有している。
図中の示すmの値が小さいほど送受電素子間の距離が近く、大きいほど送受電素子間の距離が遠い場合の特性となっている。
図11は、スミスチャートの特性範囲を第1〜第4象限SC1〜SC4として区分して示す図である。
0度と180度を結ぶ線L1と、90度と−90度を結ぶ線L2とにより第1〜第4象限SC1〜SC4に区分けされている。
第1象限SC1は、図9の右上の0度から90度の特性範囲を含む。
第2象限SC2は、図9の左上の90度から180度の特性範囲を含む。
第3象限SC3は、図9の左下の180度から−90度の特性範囲を含む。
第4象限SC4は、図9の右下の−90度から0度の特性範囲を含む。
第1象限SC1は、図9の右上の0度から90度の特性範囲を含む。
第2象限SC2は、図9の左上の90度から180度の特性範囲を含む。
第3象限SC3は、図9の左下の180度から−90度の特性範囲を含む。
第4象限SC4は、図9の右下の−90度から0度の特性範囲を含む。
図12は、本実施形態において、現在の送電側インピーダンスの状態と可変整合器の遷移すべき状態との関係をテーブルとして示す図である。
図13(A)および(B)は、送電側および受電側の整合回路の状態によるインピーダンス変化の一例を示す図である。
ST1はインピーダンス変換の第1状態を、ST2は第2状態を、ST3は第3状態を、ST4は第4状態をそれぞれ示している。
図13(A)および(B)は、送電側および受電側の整合回路の状態によるインピーダンス変化の一例を示す図である。
ST1はインピーダンス変換の第1状態を、ST2は第2状態を、ST3は第3状態を、ST4は第4状態をそれぞれ示している。
送電側(給電側)において、第1状態(ST1)は起点となるインピーダンスをやや低いインピーダンスに変換している。第4状態(ST4)では、起点からインピーダンスをかなり低いインピーダンスに大きく変換している。つまりインピーダンスの変換比はST4>ST3>ST2>ST1となっている。
これに対応して、受電側において、第1状態(ST1)は起点となるインピーダンスをスミスチャート上を真上に遷移するように、虚部を負から正の方向へわずかに変換している。第4状態(ST4)では、起点からインピーダンスをスミスチャート上を真上に遷移するように、虚部を負から正の方向へ大きく変換している。つまりインピーダンスの変換比はST4>ST3>ST2>ST1となっている。
これに対応して、受電側において、第1状態(ST1)は起点となるインピーダンスをスミスチャート上を真上に遷移するように、虚部を負から正の方向へわずかに変換している。第4状態(ST4)では、起点からインピーダンスをスミスチャート上を真上に遷移するように、虚部を負から正の方向へ大きく変換している。つまりインピーダンスの変換比はST4>ST3>ST2>ST1となっている。
本実施形態のコントローラ25は、たとえば送電側インピーダンスから求まるVSWRが3以上になったときに整合回路の状態を変える。
その際、図12にテーブルを参照し、現在の整合回路22の状態に応じて次に移るべき状態を求め、状態を移行するように制御信号S25を可変整合回路22に供給する。
このとき、たとえば、図10(A)および(B)に示すインピーダンス特性を持つ送受電素子であれば、送電側コイルの整合回路はその状態によって図13(A)に示すようなインピーダンス変換を行うようにあらかじめ作成しておく。
また、受電側は図13(B)に示すようなインピーダンス変換を行うように作成しておく。
このようにインピーダンス変化とそれに対応する整合回路の組はあらかじめ用意しておく必要がある。
その際、図12にテーブルを参照し、現在の整合回路22の状態に応じて次に移るべき状態を求め、状態を移行するように制御信号S25を可変整合回路22に供給する。
このとき、たとえば、図10(A)および(B)に示すインピーダンス特性を持つ送受電素子であれば、送電側コイルの整合回路はその状態によって図13(A)に示すようなインピーダンス変換を行うようにあらかじめ作成しておく。
また、受電側は図13(B)に示すようなインピーダンス変換を行うように作成しておく。
このようにインピーダンス変化とそれに対応する整合回路の組はあらかじめ用意しておく必要がある。
図12においては、現在の送電側インピーダンスの状態として第1象限SC1、第4象限SC4にある場合、現在の可変整合回路22の状態が第1状態ST1にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
図12においては、現在の送電側インピーダンスの状態として第2象限SC2、第3象限SC3にある場合、現在の可変整合回路22の状態が第1状態ST1にあるときは、コントローラ15は第1状態ST1を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に繊維するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に繊維するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
以上により、本実施形態においては、給電(送電)側、受電側双方のインピーダンス調整が可能とした、ワイヤレス給電用インピーダンス自動整合装置が構成される。
ここでは、距離が変化した際にインピーダンスを自動的に調整する場合を例として記述したが、それ以外の目的にも使用可能である。
たとえば、距離は固定で、受電装置に接続される負荷インピーダンスの変化に伴うインピーダンス不整合を解消する目的に使う場合であれば、次のように構成可能である。
すなわち、負荷インピーダンスと送受電側コイルのインピーダンスの関係を予め対応表化しておくことで、送電側のインピーダンス変化を検出するだけで、送受電側インピーダンスの調整が可能となる。
たとえば、距離は固定で、受電装置に接続される負荷インピーダンスの変化に伴うインピーダンス不整合を解消する目的に使う場合であれば、次のように構成可能である。
すなわち、負荷インピーダンスと送受電側コイルのインピーダンスの関係を予め対応表化しておくことで、送電側のインピーダンス変化を検出するだけで、送受電側インピーダンスの調整が可能となる。
無線信号送受信機27は、無線通信機能を含み、受電装置30側のコントローラ36と無線通信により径変更情報等を含むインピーダンス制御情報や設定情報、インピーダンスの検出結果情報等の授受が可能である。
無線通信としては、たとえばブルートゥースやRFID等を採用可能である。
無線通信としては、たとえばブルートゥースやRFID等を採用可能である。
受電装置30は、受電素子部31、第2の可変整合回路32、整流回路33、電圧安定化回路34、負荷35、第2の制御部としてのコントローラ36、および第2の通信部としての無線信号送受信機37を含んで構成されている。
受電素子部31は、給電素子としての給電コイル311、および共鳴素子としての共振(共鳴)コイル312を有する。
給電コイル311は、共鳴コイル312から電磁誘導によって交流電流が給電される。
給電コイル311は、その直径が、径可変部としての可変整合回路32により変更可能に構成されている。
この給電コイル311および可変整合回路32による給電コイル311の径可変部の構成は前述した給電装置20側と同様な構成を採用することが可能である。したがって、その具体的な説明は省略する。
この場合、フロントエンド部F/Eは受電部として機能する。
給電コイル311は、その直径が、径可変部としての可変整合回路32により変更可能に構成されている。
この給電コイル311および可変整合回路32による給電コイル311の径可変部の構成は前述した給電装置20側と同様な構成を採用することが可能である。したがって、その具体的な説明は省略する。
この場合、フロントエンド部F/Eは受電部として機能する。
共鳴コイル312は、給電コイル311と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、給電装置20の共鳴コイル212と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受信する。
可変整合回路32は、コントローラ36により供給される制御信号CSW31,CSW32を含む制御信号S36に応じて給電コイル311の負荷端におけるインピーダンス整合機能を有する。
この可変整合回路32のインピーダンス整合制御は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように行われる。
この可変整合回路32のインピーダンス整合制御は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように行われる。
整流回路33は、受電した交流電力を整流して直流(DC)電力として電圧安定化回路34に供給する。
電圧安定化回路34は、整流回路33により供給されるDC電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたDC電圧に変換して、その安定化したDC電圧を電子機器である負荷35に供給する。
コントローラ36は、無線信号送受信機27を通して給電装置20側の無線信号送受信機27、さらにはコントローラ25と無線通信によりインピーダンス制御情報等の授受が可能である。
コントローラ36は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように可変整合回路32の制御を行う。
コントローラ36は、可変整合回路32におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように制御信号S36を可変整合回路32に出力する。
コントローラ36は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように可変整合回路32の制御を行う。
コントローラ36は、可変整合回路32におけるインピーダンス整合により高効率な電力伝送が可能なように制御信号S36を可変整合回路32に出力する。
次に、上記構成による動作を、磁界共鳴方式の原理および給電コイル211,311の直径の制御処理を中心に説明する。
<5.磁界共鳴方式の原理>
まず、磁界共鳴方式の原理について、図14〜図17に関連付けて説明する。
まず、磁界共鳴方式の原理について、図14〜図17に関連付けて説明する。
図14は、磁界共鳴方式の原理ついて説明するための図である。
なお、ここでは、給電コイルを給電素子、共鳴コイルを共鳴素子として原理説明を行う。
なお、ここでは、給電コイルを給電素子、共鳴コイルを共鳴素子として原理説明を行う。
電磁共鳴現象には電界共鳴方式と磁界共鳴方式があるが、図14は、そのうちの磁界共鳴方式のワイヤレス(非接触)給電システムで給電側元と受電側が1対1の基本ブロックを示している。
図3の構成と対応付けると、給電側には交流電源24、給電素子211、共鳴素子212を、受電側には共鳴素子312、給電素子311、整流回路33を有している。
図14においては基本原理を説明するための図であって、給電装置20側では、可変整合回路22、インピーダンス検出器23、コントローラ25、ストレージデバイス26、無線信号送受信機27が省略されている。
受電装置30側では、可変整合回路32、電圧安定化回路34、負荷35、コントローラ36、無線信号送受信機37が省略されている。
図3の構成と対応付けると、給電側には交流電源24、給電素子211、共鳴素子212を、受電側には共鳴素子312、給電素子311、整流回路33を有している。
図14においては基本原理を説明するための図であって、給電装置20側では、可変整合回路22、インピーダンス検出器23、コントローラ25、ストレージデバイス26、無線信号送受信機27が省略されている。
受電装置30側では、可変整合回路32、電圧安定化回路34、負荷35、コントローラ36、無線信号送受信機37が省略されている。
給電素子211、311、共鳴素子212、312は空心コイルで形成されている。
給電側において、給電素子211と共鳴素子311とは電磁誘導により強く結合している。同様に、受電側において、給電素子311と共鳴素子312とは電磁誘導により強く結合している。
給電側、受電側双方の共鳴素子212,312である各々の空心コイルの自己共振(共鳴)周波数が一致したときに磁界共鳴関係になり、結合量が最大、損失が最小となる。
交流電源24からは給電素子211に交流電流が供給され、さらに電磁誘導によって共鳴素子212へ電流を誘起させる。
交流電源24で発生させる交流電流の周波数は、共鳴素子212、共鳴素子312の自己共振周波数と同一に設定される。
共鳴素子212と共鳴素子312は互いに磁界共鳴の関係に配置され、共鳴周波数において共鳴素子212から共鳴素子312へとワイヤレス(非接触)で交流電力が供給される。
受電側において、共鳴素子312から電磁誘導によって給電素子311に電流が供給され、整流回路33によって直流電流が作られ出力される。
給電側において、給電素子211と共鳴素子311とは電磁誘導により強く結合している。同様に、受電側において、給電素子311と共鳴素子312とは電磁誘導により強く結合している。
給電側、受電側双方の共鳴素子212,312である各々の空心コイルの自己共振(共鳴)周波数が一致したときに磁界共鳴関係になり、結合量が最大、損失が最小となる。
交流電源24からは給電素子211に交流電流が供給され、さらに電磁誘導によって共鳴素子212へ電流を誘起させる。
交流電源24で発生させる交流電流の周波数は、共鳴素子212、共鳴素子312の自己共振周波数と同一に設定される。
共鳴素子212と共鳴素子312は互いに磁界共鳴の関係に配置され、共鳴周波数において共鳴素子212から共鳴素子312へとワイヤレス(非接触)で交流電力が供給される。
受電側において、共鳴素子312から電磁誘導によって給電素子311に電流が供給され、整流回路33によって直流電流が作られ出力される。
図15は、磁界共鳴方式における結合量の周波数特性を示す図である。
図15において、横軸が交流電源の周波数fを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。
図15において、横軸が交流電源の周波数fを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。
図15は、交流電源の周波数と結合量の関係を示している。
図15から磁気共鳴により周波数選択性を示すことがわかる。
図15から磁気共鳴により周波数選択性を示すことがわかる。
図16は、磁界共鳴方式における共鳴素子間距離と結合量との関係を示す図である。
図16において、横軸が共鳴素子間距離Dを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。
図16において、横軸が共鳴素子間距離Dを、縦軸が結合量をそれぞれ示している。
図16は、給電側の共鳴素子212と受電側の共鳴素子312間の距離Dと結合量の関係を示している。
図16から、ある共鳴周波数において、結合量が最大となる距離Dがあることがわかる。
図16から、ある共鳴周波数において、結合量が最大となる距離Dがあることがわかる。
図17は、磁界共鳴方式における共鳴周波数と最大結合量が得られる共鳴素子間距離の関係を示す図である。
図17において、横軸が共鳴周波数fを、縦軸が共鳴素子間距離Dをそれぞれ示している。
図17において、横軸が共鳴周波数fを、縦軸が共鳴素子間距離Dをそれぞれ示している。
図17は、共鳴周波数と最大結合量が得られる給電側の共鳴素子212と受電側の共鳴素子312間の距離Dの関係を示している。
図17から、共鳴周波数が低いと共鳴素子間隔を広く、共鳴周波数が高いと共鳴素子間隔を狭くすることによって最大結合量が得られることがわかる。
図17から、共鳴周波数が低いと共鳴素子間隔を広く、共鳴周波数が高いと共鳴素子間隔を狭くすることによって最大結合量が得られることがわかる。
<6.インピーダンス制御動作>
給電装置20において、インピーダンス検出器23の電圧VLおよび電流ILが検出され、その結果が信号S23としてコントローラ25に供給される。
コントローラ25では、インピーダンス検出器23で検出された電圧VLおよび電流ILの情報を受けて、現在の給電(送電)側のインピーダンスZ(=VL/IL)を求める。
コントローラ25は、このインピーダンスZと、可変整合回路22の設定ステート情報と、ストレージデバイス26のインピーダンス情報と、参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合回路22の設定ステートを求める。
コントローラ25においては、求めた設定ステートとなるよう、可変整合回路22の状態を変更する。
給電装置20において、インピーダンス検出器23の電圧VLおよび電流ILが検出され、その結果が信号S23としてコントローラ25に供給される。
コントローラ25では、インピーダンス検出器23で検出された電圧VLおよび電流ILの情報を受けて、現在の給電(送電)側のインピーダンスZ(=VL/IL)を求める。
コントローラ25は、このインピーダンスZと、可変整合回路22の設定ステート情報と、ストレージデバイス26のインピーダンス情報と、参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合回路22の設定ステートを求める。
コントローラ25においては、求めた設定ステートとなるよう、可変整合回路22の状態を変更する。
コントローラ25は、たとえば送電側インピーダンスから求まるVSWRが3以上になったときに整合回路22の状態を変える制御を行う。
その際、図12のテーブルを参照し、現在の整合回路22の状態に応じて次に移るべき状態を求め、状態を移行するように制御信号S25を可変整合回路22に供給する。
その際、図12のテーブルを参照し、現在の整合回路22の状態に応じて次に移るべき状態を求め、状態を移行するように制御信号S25を可変整合回路22に供給する。
図12においては、現在の送電側インピーダンスの状態として第1象限SC1、第4象限SC4にある場合、現在の可変整合回路22の状態が第1状態ST1にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が小さくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第4状態ST4を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
図12においては、現在の送電側インピーダンスの状態として第2象限SC2、第3象限SC3にある場合、現在の可変整合回路22の状態が第1状態ST1にあるときは、コントローラ15は第1状態ST1を維持するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に繊維するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が変更されない。
現在の可変整合回路22の状態が第2状態ST2にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第3状態ST3にあるときは、コントローラ25は第2状態ST2に遷移するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
現在の可変整合回路22の状態が第4状態ST4にあるときは、コントローラ25は第3状態ST3に繊維するように制御信号S25を生成する。
この場合、可変整合回路22においては、給電コイル211の径が大きくなるようにコイル径の切り替え制御が行われる。
そして、給電装置20側の整合回路22の制御に追従して受電装置30側の整合回路32の制御が行われるように、無線信号送受信機27から受電装置30側のコントローラ36に対して制御情報が無線送信される。
受電装置30において、コントローラ36は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように可変整合回路323の制御を行う。
受電装置30において、コントローラ36は、無線信号送受信機37を通して受信した給電装置20のコントローラ25の制御情報に応じて、給電装置20側の制御に追従するように可変整合回路323の制御を行う。
<7.ワイヤレス給電システムの第2の実施形態>
図18は、本発明の第2の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。
図18は、本発明の第2の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。
本2の実施形態に係るワイヤレス給電システム10Aと第1の実施形態に係るワイヤレス給電システム10と異なる点は、インピーダンス検出器およびストレージデバイスを給電装置20A側でなく受電装置30A側に配置したことにある。
この場合、受電装置30A側のインピーダンス検出器38の検出結果に応じて第1の実施形態と同様に整合回路32の制御を行う。
そして、受電装置30A側の整合回路32の制御に追従して給電装置20A側の整合回路22の制御が行われるように、第2の通信部としての無線信号送受信機37から給電装置20A側のコントローラ25に対して制御情報が無線送信される。
この場合、受電装置30A側のインピーダンス検出器38の検出結果に応じて第1の実施形態と同様に整合回路32の制御を行う。
そして、受電装置30A側の整合回路32の制御に追従して給電装置20A側の整合回路22の制御が行われるように、第2の通信部としての無線信号送受信機37から給電装置20A側のコントローラ25に対して制御情報が無線送信される。
この場合、可変整合回路32は、制御信号に応じて記電力の給電素子の負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む。
第2の制御部としてのコントローラ36が検出されたインピーダンス情報と、可変整合部の設定状態情報と、ストレージデバイス39の参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合部の設定状態を求める機能を有する。
そして、インピーダンス制御情報が無線信号送受信機37から給電装置20A側のコントローラ25に対して制御情報が無線送信される。
給電装置20Aのコントローラ25は、第1の通信部としての無線信号送受信機27を通して受信した受電装置30Aのコントローラ36の制御情報に応じて、受電装置30A側の制御に追従するように可変整合回路22の制御を行う。
第2の制御部としてのコントローラ36が検出されたインピーダンス情報と、可変整合部の設定状態情報と、ストレージデバイス39の参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合部の設定状態を求める機能を有する。
そして、インピーダンス制御情報が無線信号送受信機37から給電装置20A側のコントローラ25に対して制御情報が無線送信される。
給電装置20Aのコントローラ25は、第1の通信部としての無線信号送受信機27を通して受信した受電装置30Aのコントローラ36の制御情報に応じて、受電装置30A側の制御に追従するように可変整合回路22の制御を行う。
その他の構成は第1の実施形態と同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、回路規模、コストの増大を抑止でき、電力損失を低減でき、しかも給電側、受電側双方のインピーダンス調整を行うことができる。
また、本実施形態によれば、低損失で、低コストな可変整合機能を実現することがきる。
これにより、送受の共鳴コイル間距離(送受電間距離)を変えた場合にも最適なインピーダンス整合により、良好な特性を維持することが可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、回路規模、コストの増大を抑止でき、電力損失を低減でき、しかも給電側、受電側双方のインピーダンス調整を行うことができる。
また、本実施形態によれば、低損失で、低コストな可変整合機能を実現することがきる。
これにより、送受の共鳴コイル間距離(送受電間距離)を変えた場合にも最適なインピーダンス整合により、良好な特性を維持することが可能となる。
10・・・ワイヤレス給電システム、20・・・給電装置、21・・・送電素子部、211・・・給電コイル、212・・・共鳴コイル、22・・・可変整合回路、23・・・インピーダンス検出器、24・・・高周波電力発生回路、25・・・コントローラ、26・・・ストレージデバイス、27・・・無線信号送受信機、30・・・受電装置、31・・・受電素子部、32・・・可変整合回路、33・・・整流回路、34・・・電圧安定化回路、35・・・負荷、36・・・コントローラ、37・・・無線信号送受信機、SL1〜SL3・・・空心コイル、ML1・・・基幹線部。
Claims (16)
- 給電すべき電力を生成する電力生成部と、
上記電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、
給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
制御信号に応じて、上記電力の上記送電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、
送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、
少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する制御部と、
を有する給電装置。 - 上記可変整合部は、
上記制御信号に応じた状態に設定され、
上記制御部は、
上記検出されたインピーダンス情報と、上記可変整合部の設定状態情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合部の設定状態を求める機能を有する
請求項1記載の給電装置。 - 上記制御部で求めたインピーダンスの整合制御情報を受電側に送信可能な通信部を有する
請求項1または2記載の給電装置。 - 上記送電素子は、給電コイルと、上記給電コイルと電磁誘導により結合する共鳴コイルにより形成され、上記給電コイルは径を変更可能に形成され、
上記可変整合部は、
上記給電コイルの径を変更可能である
請求項1から3のいずれか一に記載の給電装置。 - 上記送電素子および可変整合部は、
上記電力生成部で生成された電力を上記送電素子に給電するフロントエンド部と、
一端部が上記フロントエンド部に接続された基幹線部と、
異なる径を有し、一端部が上記基幹線部に接続された複数のコイル部と、
上記複数のコイル部の他端部を上記フロントエンド部に選択的に接続するスイッチ部と、を含む
請求項4記載の給電装置。 - 上記制御部は、
上記制御信号により、上記給電コイルの径を設定するように上記可変整合部に指示する
請求項4または5記載の給電装置。 - 上記制御部は、
上記共鳴コイルと受電側共鳴コイルとの間の距離が短いほど、上記給電コイルの径が大きくなり、長いほど、給電コイルの径が小さくなるように制御を行う
請求項6記載の給電装置。 - 磁界共鳴関係をもって送電された電力を受電する受電素子と、
受電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
制御信号に応じて、上記電力の上記給電素子の負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、
受電側のインピーダンス特性から送電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、
少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記制御信号を上記可変整合部に出力する制御部と、
を有する受電装置。 - 上記可変整合部は、
上記制御信号に応じた状態に設定され、
上記制御部は、
上記検出されたインピーダンス情報と、上記可変整合部の設定状態情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から、送受電側双方のインピーダンスの状態、および最適な可変整合部の設定状態を求める機能を有する
請求項8記載の受電装置。 - 上記制御部で求めたインピーダンスの整合制御情報を給電側に送信可能な通信部を有する
請求項8または9記載の受電装置。 - 上記受電素子は、給電コイルと、上記給電コイルと電磁誘導により結合する共鳴コイルにより形成され、上記給電コイルは
径を変更可能に形成され、
上記可変整合部は、
上記給電コイルの径を変更可能である
請求項8から10のいずれか一に記載の受電装置。 - 上記受電素子および可変整合部は、
上記受電素子で受電された電力を受けるフロントエンド部と、
一端部が上記フロントエンド部に接続された基幹線部と、
異なる径を有し、一端部が上記基幹線部に接続された複数のコイル部と、
上記複数のコイル部の他端部を上記フロントエンド部に選択的に接続するスイッチ部と、を含む
請求項11記載の受電装置。 - 上記制御部は、
上記制御信号により、上記給電コイルの径を設定するように上記可変整合部に指示する
請求項11または12記載の受電装置。 - 上記制御部は、
上記共鳴コイルと送電側共鳴コイルとの間の距離が短いほど、上記給電コイルの径が大きくなり、長いほど、給電コイルの径が小さくなるように制御を行う
請求項13記載の受電装置。 - 給電装置と、
上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、
上記給電装置は、
給電すべき電力を生成する電力生成部と、
上記電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、
給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
第1の制御信号に応じて、上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む第1の可変整合部と、
送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、
少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記第1の制御信号を上記可変整合部に出力する第1の制御部と、
インピーダンス制御情報を上記受電装置に送信可能な第1の通信部と、を含み、
上記受電装置は、
磁界共鳴関係をもって上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、
第2の制御信号に応じて、上記電力の上記給電素子の負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む第2の可変整合部と、
上記第1の通信部から送信されたインピーダンス制御情報を受信可能な第2の通信部と、
上記第2の通信部で受信したインピーダンス制御情報に応じた上記第2の制御信号を上記第2の可変整合部に出力する第2の制御部と、を含む
ワイヤレス給電システム。 - 給電装置と、
上記給電装置から送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電する受電装置と、を有し、
上記給電装置は、
給電すべき電力を生成する電力生成部と、
上記電力生成部で生成される電力が給電されるコイルにより形成される送電素子と、
第1の制御信号に応じて、上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む第1の可変整合部と、
上記受電装置から送信されたインピーダンス制御情報に応じた上記第1の制御信号を上記第1の可変整合部に出力する第1の制御部と、を含み、
上記受電装置は、
磁界共鳴関係をもって上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、
受電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
第2の制御信号に応じて、上記給電素子と負荷との接続部のインピーダンス整合機能を含む第2の可変整合部と、
受電側のインピーダンス特性から送電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、
少なくとも上記検出されたインピーダンス情報と、上記記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように上記第2の制御信号を上記可変整合部に出力する第2の制御部と、
インピーダンス制御情報を上記給電装置に送信可能な第2の通信部と、を含む
ワイヤレス給電システム。
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