JP2012010586A - ワイヤレス受電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率を高める。
【解決手段】ワイヤレス受電装置３００は、ワイヤレス給電装置２００から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号Ｓ１を受信する。共振用キャパシタＣ１は、受信コイルＬ２とともに共振回路２２を形成する。負荷回路２０が受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ２を含む共振回路２２と直列に接続された第１状態φ_１と、負荷回路２０が共振回路２２から切り離された第２状態φ_２と、を切りかえるためのスイッチＳＷ１が設けられる。制御部３０は、スイッチＳＷ１を制御し、第１状態φ_１と第２状態φ_２を時分割的に交互にスイッチングする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０〜９８％程度となっている。
数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

磁場（電場）共鳴型の電力伝送において重要となるパラメータとして、Ｑ値が挙げられる。図１は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム１１００は、ワイヤレス給電装置１２００およびワイヤレス受電装置１３００を備える。
ワイヤレス給電装置１２００は、送信コイルＬ１、共振用キャパシタＣ１および交流電源１０を備える。交流電源１０は、送信周波数ｆ_１を有する電気信号Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣ１および送信コイルＬ１は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数にチューニングされている。送信コイルＬ１からは、電力信号Ｓ１が送出される。

ワイヤレス受電装置１３００は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ２および負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣ２、受信コイルＬ２および負荷回路２０は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。

このようなワイヤレス給電システム１１００においては、Ｑ値が高いほど電力を高効率で長距離伝送することが可能となる。負荷回路２０が、共振用キャパシタＣ２および受信コイルＬ２と直列な経路に抵抗成分Ｒ２を有すると、共振回路のＱ値は、
Ｑ＝２πｆ_１・Ｌ／Ｒ
で与えられ、抵抗値Ｒが大きくなるほどＱ値は低下する。

つまり負荷回路２０が整流回路および電力保存用のキャパシタを介して受信アンテナと接続される系では、電力保存用キャパシタによって負荷回路２０が交流的にショートされるとみなすことができ、負荷回路２０はＱ値に実質的に影響を及ぼさない。
ところが、たとえば負荷回路２０が直接的に受信アンテナに接続される系では、負荷回路２０の抵抗成分によって、Ｑ値が著しく低下し、送電効率が低下するおそれがある。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、伝送効率を高めることにある。

本発明のある態様は、ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、電力信号を受信するための受信コイルと、受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、負荷回路と、を備える。このワイヤレス受電装置は、負荷回路が受信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振回路と直列に接続された第１状態と、負荷回路が共振回路から切り離された第２状態と、を切りかえるためのスイッチと、スイッチを制御し、第１状態と第２状態を時分割的に交互にスイッチングする制御部と、を備える。

第２状態では、負荷回路が共振回路から切り離されるためＱ値が増大する。Ｑ値の増大によって共鳴状態が増強され、給電装置からの伝送効率が増大する。第２状態で供給されたエネルギーは、受信コイルおよび共振用キャパシタに蓄えられる。続いて第１状態に切りかえると、共鳴状態の増強がしばらく持続するため、改善されたＱ値で高効率に電力を受信することができる。やがて共鳴状態が時間とともに低下し、もとの低い値まで低下する。この動作を繰り返すことにより、高効率な電力伝送が実現できる。

第１状態の時間比率はスイッチングの周期の７０％以下であってもよい。

第１状態の時間比率はスイッチングの周期の５０％以下であってもよい。

本発明の別の態様も、ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、電力信号を受信するための受信コイルと、受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、負荷回路と、受信コイルおよび共振用キャパシタが形成するループ上に設けられた第１ダイオードと、第１ダイオードのカソードと負荷の間に、そのカソードが負荷側となる向きで設けられた第２ダイオードと、を備える。

この態様によれば、第１ダイオードと第２ダイオードが形成する半波整流回路によって回路のＱ値が増大され、高効率な電力伝送を実現することができる。

本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置と、電力信号を受信する上述のワイヤレス受電装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、Ｑ値の低下を抑制し、伝送効率を高めることができる。

ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。 第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。 図２のワイヤレス給電システムの動作を示す波形図である。 図２のワイヤレス給電システムの動作のシミュレーションに利用した回路図である。 デューティ比に対する、送信電力、受信電力および効率の関係を示す図である。 第２の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電システム１００は、ワイヤレス給電装置２００およびワイヤレス受電装置３００を備える。

ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス受電装置３００に対して電力信号Ｓ１を送出する。ワイヤレス給電システム１００では、電力信号Ｓ１として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

ワイヤレス給電装置２００は、交流電源１０、送信コイルＬ１、共振用キャパシタＣ１を備える。交流電源１０は、所定の周波数を有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された電気信号Ｓ２を発生する。本実施の形態においては説明の簡潔化と理解の容易化のため、電気信号Ｓ２が一定の周波数を有する交流信号である場合を説明する。たとえば電気信号Ｓ２の周波数ｆ_１は、数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚの間で適宜選択される。

送信コイルＬ１は、交流電源１０が発生した電気信号Ｓ２を、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射するアンテナである。共振用キャパシタＣ１は、送信コイルＬ１と直列に設けられ、共振周波数を送信周波数ｆ_１にチューニングする。

以上がワイヤレス給電装置２００の構成である。続いてワイヤレス受電装置３００の構成を説明する。ワイヤレス受電装置３００は、ワイヤレス給電装置２００から送出される電力信号Ｓ１を受信する。ワイヤレス受電装置３００は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ２、負荷回路２０、スイッチＳＷ１、制御部３０を備える。
共振用キャパシタＣ２は、受信コイルＬ２とともに共振回路２２を形成する。

受信コイルＬ２は、送信コイルＬ１からの電力信号Ｓ１を受信する。受信コイルＬ２には、電力信号Ｓ１に応じた誘起電流（共振電流）Ｉ_ＣＯＩＬが流れ、ワイヤレス受電装置３００はこの誘起電流から電力を取り出す。

負荷回路２０は、ワイヤレス給電装置２００から電力供給を受けて動作する回路であり、その用途、構成は限定されない。この負荷回路２０の直列な抵抗成分をＲ２と書く。

このワイヤレス受電装置３００は、第１状態φ_１と第２状態φ_２が切りかえ可能に構成される。第１状態φ_１では、負荷回路２０が、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ２を含む共振回路２２と直列に接続される。第２状態φ_２では、負荷回路２０が共振回路２２から切り離される。

スイッチＳＷ１は、第１状態φ_１と第２状態φ_２を切りかえるために設けられる。図２では、スイッチＳＷ１として２対１のものが示されるが、１対１のスイッチを２個設けても良いし、別の構成としてもよい。スイッチＳＷ１が共振用キャパシタＣ２側にオンすると第１状態φ_１となり、負荷回路２０側にオンすると第２状態φ_２となる。

制御部３０は、スイッチＳＷ１を制御し、第１状態φ_１と第２状態φ_２を時分割的に交互にスイッチングする。スイッチングの周波数は、電力信号Ｓ１の送信周波数ｆ_１よりも低い。

以上がワイヤレス給電システム１００の構成である。続いてその動作を説明する。
ワイヤレス給電装置２００とワイヤレス受電装置３００の間の伝送効率は、いくつかの要素、たとえば送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の結合係数や、ワイヤレス受電装置３００側のＱ値によって定まる。つまりＱ値を高めることが伝送効率を高めることにつながる。

図３は、図２のワイヤレス給電システム１００の動作を示す波形図である。なお、図３の波形図の縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。はじめに本実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００の効果をより明確とするため、図１に示される比較技術の動作を説明する。

図３には、図１のワイヤレス給電システムの動作が破線で示される。図１のワイヤレス給電システムの動作は、図２のワイヤレス給電システム１００において、第１状態φ_１に固定したときの動作と等価である。上述のように負荷抵抗Ｒ２が受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ２と直列に接続されることにより、Ｑ値が低下する。その結果、送信電力は、低い一定レベルとなる。

続いて図２のワイヤレス給電システム１００の動作を図３の実線を参照して説明する。上述したように、第１状態φ_１と第２状態φ_２とが時分割で交互に繰り返される。図３は、デューティ比が５０％の場合を示す。

第２状態φ_２では負荷回路２０が共振回路２２から切り離されるためＱ値が増大する。Ｑ値の増大によって共鳴状態が増強され、ワイヤレス給電装置２００からの伝送効率が増大する。第２状態φ_２で供給されたエネルギーは、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ２に蓄えられる。

続いて第１状態φ_１に切りかえられると、共鳴状態の増強はしばらくの間持続するため、改善されたＱ値で高効率で電力を受信することができる。やがて共鳴状態が時間とともに低下し、もとの低い値まで低下する。

図２のワイヤレス給電システム１００は、第１状態φ_１と第２状態φ_２を交互に繰り返すことにより、高効率な電力伝送が実現できる。

図２のワイヤレス給電システム１００において、伝送効率および給電電力は、第１状態φ_１と第２状態φ_２の時間比率（デューティ比）に応じて変化する。図４は、図２のワイヤレス給電システム１００の動作のシミュレーションに利用した回路図である。図４では、スイッチＳＷ１が１対１の２つのスイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂとして示される。なお抵抗Ｒ１〜Ｒ３は寄生抵抗を示す。各回路素子の抵抗値、キャパシタンス値、インダクタンス値は、回路素子の近傍に示される。送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の結合度Ｋは０．００５と仮定している。

図５は、デューティ比に対する、送信電力、受信電力および効率の関係を示す図である。横軸は、第１状態φ_１と第２状態φ_２のスイッチングの周期に対する第１状態φ_１の時間比率（％）を示す。１００％は、図１の従来のシステムに対応する。

負荷回路２０を共振回路２２に接続する時間比率を低下させていくにしたがい、実効的なＱ値が増加し、その結果、ワイヤレス給電装置２００が送出する入力電力および負荷回路２０に供給される出力電力がともに増大する。そして伝送効率ηは、時間比率１００％のときにわずかη＝９．４％であったものが、時間比率７０％でη＝１５％にまで改善される。
さらに時間比率を５０％、３０％、２０％、１０％と低下させていくと、伝送効率ηは、２１％、３２％、３８％、４７％と上昇していく。

アプリケーションにも依存するが、たとえば時間比率を７０％以下とすることにより、十分な電力を負荷回路２０に供給することが可能となる。さらに電力が必要な場合には、時間比率を５０％以下まで低下させるとよい。

スイッチングのデューティ比は、ワイヤレス給電システム１００とワイヤレス給電装置２００の距離、結合効率などに応じて変化させてもよい。たとえばワイヤレス給電システム１００とワイヤレス給電装置２００が十分に強く結合している場合には、伝送効率が低くても負荷回路２０に十分な電力を供給できる。したがってこの場合には、負荷回路２０を固定的に共振回路２２と接続してもよい。

一方、ワイヤレス給電システム１００とワイヤレス給電装置２００の距離が離れたり、それらの間に障害物が存在する場合には、負荷回路２０に十分な電力を供給できなくなる。このような場合に、第１状態φ_１の時間比率を低下させることにより、負荷回路２０に電力を供給することが可能となる。

なお、負荷回路２０は第２状態φ_２において共振回路２２と切り離されるため、アンテナから電力供給を受けることができない。したがって負荷回路２０としては、間欠的な電力供給で動作可能なものが利用可能である。あるいは負荷回路２０に、容量値の大きなキャパシタを設けて、間欠的な電力を保持させてもよい。あるいは負荷回路２０に２次電池を搭載し、受信した電力でその電池を充電してもよい。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置３００ａは、図２のスイッチＳＷ１に代えて、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２を備える。第１ダイオードＤ１は、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１が形成するループ上に設けられる。第２ダイオードＤ２は、第１ダイオードＤ１のカソードと負荷Ｒ２の間に、そのカソードが負荷Ｒ２側となる向きで設けられる。

図６のワイヤレス給電システム１００ａにおいて、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２は、半波整流回路として機能し、負荷抵抗Ｒ２を共振回路に間欠的にカップリングするスイッチとして把握することができる。

負荷Ｒ２が共振回路に常時接続される従来の方式では、効率が１０％以下であった。これに対して、図６に示す回路では、入力電力４．２５Ｗ、出力電力０．５６Ｗ、効率１３．７％が得られる。このように図６のワイヤレス受電装置３００ａによれば、効率を改善できることがわかる。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…ワイヤレス給電システム、２００…ワイヤレス給電装置、３００…ワイヤレス受電装置、１０…交流電源、２０…負荷回路、２２…共振回路、ＳＷ１…スイッチ、３０…制御部、Ｌ１…送信コイル、Ｌ２…受信コイル、Ｃ１，Ｃ２…共振用キャパシタ、Ｒ２…負荷抵抗、Ｄ１…第１ダイオード、Ｄ２…第２ダイオード、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…電気信号。

Claims (5)

1. ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
   前記電力信号を受信するための受信コイルと、
   前記受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、
   負荷回路と、
   前記負荷回路が前記受信コイルおよび前記共振用キャパシタを含む前記共振回路と直列に接続された第１状態と、前記負荷回路が前記共振回路から切り離された第２状態と、を切りかえるためのスイッチと、
   前記スイッチを制御し、前記第１状態と前記第２状態を時分割的に交互にスイッチングする制御部と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
2. 前記第１状態の時間比率はスイッチングの周期の７０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
3. 前記第１状態の時間比率はスイッチングの周期の５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
4. ワイヤレス給電装置から送出される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
   前記電力信号を受信するための受信コイルと、
   前記受信コイルとともに共振回路を形成する共振用キャパシタと、
   負荷回路と、
   前記受信コイルおよび前記共振用キャパシタが形成するループ上に設けられた第１ダイオードと、
   前記第１ダイオードのカソードと前記負荷の間に、そのカソードが前記負荷側となる向きで設けられた第２ダイオードと、
   を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
5. 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置と、
   前記電力信号を受信する請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。

Images