JP2012165635A - ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】直流・交流混在環境に対応可能な磁場共振型のワイヤレス電力伝送システムを実現する。
【解決手段】
給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には、磁気共振により電力が伝送される。ワイヤレス受電装置１１８の調整回路１０４は、受電コイルＬ３が受電した第１の交流電力を供給される。調整回路１０４は、直流回路１０６と交流回路１５０を含む。直流回路１０６は、第１の交流電力を直流電力に変換する。交流回路１５０は、この直流電力を更に第２の交流電力に変換する。調整回路１０４は、これらの直流電力および第２の交流電力を別系統から同時または選択的に出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス送電された電力を受電するためのワイヤレス受電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。磁場共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から交流電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルまでの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報 特開２００６−２３００３２号公報 国際公開２００６／０２２３６５号公報 米国公開２００９／００７２６２９号公報 米国公開２００９／００１５０７５号公報 特開２００６−７４８４８号公報 特開２００８−２８８８８９号公報 特開２００２−１２４６９４号公報 特開２００９−１５９６８３号公報 米国公開２０１１／００３７３２２号公報

本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げるためには、給電側の駆動周波数に関わらず、受電側にて所望の出力電圧波形を生成する仕組みが必要であると考える。たとえば、商用周波数である５０Ｈｚや６０Ｈｚの出力電圧を生成したい場合、給電側の駆動周波数を商用周波数帯に調整するよりも、受電された電力の周波数を商用周波数帯に調整する方が合理的である。電力伝送効率という観点からは、共振周波数に近い駆動周波数にて給電する方が望ましいためである。また、１つのワイヤレス給電装置から複数のワイヤレス受電装置に同時給電したい場合にも、受電側で出力電圧波形を個々に調整する方が合理的である。

近年では、太陽電池や燃料電池などの分散型直流電源が徐々に普及しつつある。また、交流電力ではなく直流電力で動作する家電製品も多い。ワイヤレス給電は、このような直流・交流混在環境にも対応していく必要があると考えられる。

本発明の主たる目的は、直流・交流混在環境に対応可能な磁場結合型のワイヤレス電力伝送システムを実現することである。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、受電コイルと、受電コイルが受電した第１の交流電力を供給される調整回路と、を備える。調整回路は、第１の交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、直流電力を更に所定周波数の第２の交流電力に変換する第２変換回路と、を含む。調整回路は、直流電力および第２の交流電力を別系統から出力する。

このような構成によれば、１つのワイヤレス受電装置により、交流電力で駆動される電子機器と直流電力で駆動される電子機器の双方に同時または選択的に給電できる。

この装置は、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから第１の交流電力を受電するロードコイル、を更に備えてもよい。調整回路は、ロードコイルを介して第１の交流電力を供給されてもよい。

第１変換回路から出力される直流電力は家屋の壁面に設置されるＤＣコネクタに供給されてもよい。また、第２変換回路から出力される第２の交流電力も家屋の壁面に設置されるＡＣコネクタに供給されてもよい。

第２変換回路は、更に、基準周波数にて基準信号を発生させる基準信号発生回路と、基準周波数よりも低い周波数成分を含む入力信号を供給され、基準信号の信号レベルと入力信号の信号レベルの大小関係を示す制御信号を発生させる制御信号発生回路と、を含み、制御信号に応じて、直流電力から第２の交流電力を生成してもよい。

制御信号発生回路は、基準信号の信号レベルと入力信号の信号レベルの大小関係に応じて制御信号のデューティ比を変化させてもよい。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、上述のワイヤレス受電装置と、給電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路と、を備える。

給電コイルは屋外に設置され、受電コイルは屋内に設置されてもよい。

本発明に係る別のワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムである。このシステムは、給電コイルと、複数の受電コイルと、給電コイルに交流電力を供給することにより、給電コイルから複数の受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路と、受電コイルが受電した第１の交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、直流電力を更に所定周波数の第２の交流電力に変換する第２変換回路と、を備える。複数の受電コイルには、第１変換回路を介して直流電力を出力する第１の受電コイルと、第１および第２変換回路の双方を介して第２の交流電力を出力する第２の受電コイルが含まれる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、直流・交流混在環境に対応可能な磁場結合型のワイヤレス電力伝送システムを実現できる。

第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。 第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。 第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。 入力信号と基準信号の関係を示すタイムチャートである。 高領域における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。 中領域における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。 低領域における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。 入力信号と出力電圧の関係を示すタイムチャートである。 一般家庭にワイヤレス電力伝送システムを適用した場合を示す概念図である。 第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。 第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの適用例である。 第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。 第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。 ワイヤレス給電対応のドラム式洗濯機を示す図である。 ワイヤレス給電対応のテレビとテレビ台を示す図である。 ワイヤレス給電対応の燃料電池を示す図である。 燃料電池を含むワイヤレス電力伝送システムの応用例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。そして、受電コイル回路１３０により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。

給電ＬＣ共振回路３００は、キャパシタＣ２と給電コイルＬ２を含む。受電ＬＣ共振回路３０２は、キャパシタＣ３と受電コイルＬ３を含む。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態において給電ＬＣ共振回路３００および受電ＬＣ共振回路３０２それぞれの共振周波数が同一となるように、キャパシタＣ２、給電コイルＬ２、キャパシタＣ３、受電コイルＬ３が設定される。この共通の共振周波数をｆｒ０とする。

給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を充分に磁場結合できる程度に近づけた状態では、給電ＬＣ共振回路３００、受電ＬＣ共振回路３０２およびその間に発生する相互インダクタンスにより新たな共振回路が形成される。この新共振回路は、相互インダクタンスの影響により２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有する（ｆｒ１＜ｆｒ０＜ｆｒ２）。ワイヤレス給電装置１１６が、給電源ＶＧから共振周波数ｆｒ１にて交流電力を給電ＬＣ共振回路３００に供給すると、新共振回路の一部である給電ＬＣ共振回路３００は共振点１（共振周波数ｆｒ１）で共振する。給電ＬＣ共振回路３００が共振すると、給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。同じく新共振回路の一部である受電ＬＣ共振回路３０２もこの交流磁場により共振する。給電ＬＣ共振回路３００と受電ＬＣ共振回路３０２が同一の共振周波数ｆｒ１にて共振するとき、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に最大の電力伝送効率にてワイヤレス給電がなされる。ワイヤレス受電装置１１８の負荷ＬＤから受電電力が出力電力として取り出される。なお、新共振回路は、共振点１（共振周波数ｆｒ１）だけでなく共振点２（共振周波数ｆｒ２）でも共振可能である。

図２は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の模式図である。送電制御回路２００は、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）を含み、直流電源２０６から駆動周波数ｆｏの交流電流を生成する。電流検出回路２０４は、給電コイルＬ２に流れる交流電流の電流位相を計測する。位相検出回路２０２は、送電制御回路２００が発生させる電圧Ｖｏの電圧位相と電流検出回路２０４により検出される電流位相を比較する。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１と一致していれば、電流位相と電圧位相も一致する。送電制御回路２００は、電流位相と電圧位相のずれ（位相差）から駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１のずれを検出し、周波数のずれが解消されるように駆動周波数ｆｏを調整する。このような構成により、ワイヤレス給電装置１１６は駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒ１に追随させる。こうして、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に、共振周波数ｆｒ１の交流電力がワイヤレス給電される。

ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。受電コイル回路１３０においては、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。受電コイル回路１３０が受電した交流電力（第１の交流電力）は、更に、ロード回路１４０に供給される。

ロード回路１４０は、直流回路１０６（第１変換回路）と接続される。受電された交流電力は直流回路１０６により整流・平滑化され、直流電力となる。直流電力で駆動される家電製品等の負荷（以下、「直流負荷１７０」とよぶ）には、直流回路１０６が出力する直流電力がそのまま供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５２により、直流電圧のレベル調整を行ってもよい。また、直流回路１０６から出力される直流電力の一部は、交流回路１５０（第２変換回路）により所望の周波数の交流電力（第２の交流電力）に変換される。すなわち、交流回路１５０は、一種のＤＣ／ＡＣコンバータである。交流電力で駆動される家電製品等の負荷（以下、「交流負荷１６０」とよぶ）には、交流回路１５０が出力する交流電力が供給される。

直流回路１０６と交流回路１５０を含む調整回路１０４により、ロード回路１４０は、直流電力と交流電力を別系統から同時または選択的に出力できる。いいかえれば、１つのロード回路１４０により、交流負荷１６０および直流負荷１７０に同時または選択的に給電できる。たとえば、直流回路１０６にスイッチを設け、直流負荷１７０への出力系統および交流負荷１６０への出力系統の双方または一方を出力先として指定すればよい。あるいは、直流負荷１７０および交流負荷１６０のどちらが出力系統に接続されているかに応じて直流電力または交流電力を選択的に出力してもよい。交流回路１５０が出力する交流電力の周波数は交流負荷１６０に応じて任意に調整可能である。

図３は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、給電側のワイヤレス給電装置１１６と、受電側のワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は、交流電源１０２、キャパシタＣ２および給電コイルＬ２を含む。図３におけるワイヤレス給電装置１１６は、エキサイトコイルを介さずに、給電コイルＬ２を直接駆動する簡易構成となっている。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。

ワイヤレス給電装置１１６が有する給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には０．２〜１．０ｍ程度の距離（以下、「コイル間距離」とよぶ）がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態においては共振周波数ｆｒ１＝１００ｋＨｚであるとして説明する。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。低周波数帯には、スイッチングトランジスタ（後述）のコストおよびスイッチング損失を抑制しやすい、電波法の規制が緩いといったメリットがある。

給電コイルＬ２の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、共振周波数ｆｒ１が１００ｋＨｚとなるように設定される。図３では、わかりやすさのため、給電コイルＬ２を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図３に示す各コイルの材質はいずれも銅である。ワイヤレス給電装置１１６には交流電流Ｉ２が流れる。

受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３の巻き数は７回、導体直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒ１も１００ｋＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒ１＝１００ｋＨｚにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも交流電流Ｉ３が流れる。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４が調整回路１０４を介して負荷ＬＤと接続される構成を有する。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。本実施形態においては、受電コイルＬ３のコイル平面とロードコイルＬ４のコイル平面は略同一である。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、導体直径は５ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形である。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に交流電流Ｉ４が流れる。交流電流Ｉ４は調整回路１０４により整流され、負荷ＬＤには電流ＩＳが流れる。調整回路１０４については後述する。

ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３により受電され、最終的には、負荷ＬＤから出力電圧Ｖ５が取り出される。

負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直接接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。

調整回路１０４は、直流回路１０６を含む。直流回路１０６に含まれるキャパシタＣＡ、ＣＢは受電電力（交流電力）によって充電され、直流電圧源として機能する。キャパシタＣＡは図３に示す点Ａと点Ｃの間、キャパシタＣＢは点Ｃと点Ｂの間に設けられる。キャパシタＣＡの電圧（ＡＣ間の電圧）をＶＡ、キャパシタＣＢの電圧（ＣＢ間の電圧）をＶＢとする。以下、ＶＡ＋ＶＢ（ＡＢ間の電圧）を「直流電源電圧」とよぶ。

ロードコイルＬ４に流れる電流Ｉ４は、交流電流であるため、第１経路と第２経路を交互に流れる。第１経路は、ロードコイルＬ４の端点ＥからダイオードＤ１、点Ａ、キャパシタＣＡ、点Ｃ、点Ｄを経由してロードコイルＬ４の端点Ｆに帰還する経路である。第２経路は、第１の経路の逆であり、ロードコイルＬ４の端点Ｆから点Ｄ、点Ｃ、キャパシタＣＢ、点Ｂ、ダイオードＤ２を経由してロードコイルＬ４の端点Ｅに帰還する経路である。この結果、キャパシタＣＡ、ＣＢは受電電力により充電される。

また、点ＡはスイッチングトランジスタＱ１のドレインに接続され、点ＢはスイッチングトランジスタＱ２のソースに接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のドレインは点Ｈにて接続される。点Ｈは、インダクタＬ５、点Ｊ、キャパシタＣ５を介して点Ｄと接続される。インダクタＬ５とキャパシタＣ５を接続する点Ｊは負荷ＬＤの一端と接続され、負荷ＬＤの他端は点Ｄと接続される。

スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラ・トランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。

スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。具体的な制御方法については後述する。このときのメインの電流経路（以下、「ハイ電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣＡの正極から点Ａ、スイッチングトランジスタＱ１、点Ｈ、インダクタＬ５、点Ｊ、負荷ＬＤ、点Ｄを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、ハイ電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路（以下、「ロー電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣＢの正極から点Ｃ、点Ｄ、負荷ＬＤ、点Ｊ、インダクタＬ５、スイッチングトランジスタＱ２、点Ｂを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、ロー電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。

負荷ＬＤを流れる電流ＩＳは交流電流であり、ハイ電流経路を流れるときを正方向、ロー電流経路を流れるときを負方向とする。

調整回路１０４は、更に、制御信号発生回路１０８、基準信号発生回路１１０、インバータ１１２、ハイサイドドライブ１２２およびローサイドドライブ１２４を含む。制御信号発生回路１０８には入力信号が供給される。入力信号の電圧波形は任意である。調整回路１０４は、キャパシタＣＡ、ＣＢを直流電圧源として、この入力信号を増幅した出力電圧Ｖ５を負荷ＬＤに供給する。本実施形態においては、商用周波数の１種である５０Ｈｚ・正弦波の出力電圧Ｖ５を生成するため、５０Ｈｚ・正弦波の入力信号を制御信号発生回路１０８に供給するものとして説明する。また、出力電圧Ｖ５の実効値を１００（Ｖ）とするため、直流電源電圧は、１４１（Ｖ）以上に設定されるものとする。

基準信号発生回路１１０は、入力信号の周波数（以下、「信号周波数」とよぶ）よりも高い周波数（以下、「基準周波数」とよぶ）を有する基準信号を発生させる。本実施形態における基準信号は、２０ｋＨｚ・三角波の交流信号である。

制御信号発生回路１０８は、この入力信号と基準信号の大小関係を示す制御信号を発生させる。制御信号は、入力信号と基準信号の大小関係に応じてそのデューティ比が変化する矩形波状の交流信号である。詳細については後述する。

ハイサイドドライブ１２２やローサイドドライブ１２４は、制御信号発生回路１０８とスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２を物理的に分離するために挿入されるフォトカプラである。制御信号がハイレベルのときには、ハイサイドドライブ１２２を介してスイッチングトランジスタＱ１がオンとなる。一方、インバータ１１２が制御信号を反転させるため、スイッチングトランジスタＱ２はオフとなる。制御信号がローレベルのときには、スイッチングトランジスタＱ１はオフとなる。インバータ１１２がローレベルの制御信号を反転させるのでスイッチングトランジスタＱ２はオンとなる。このように、制御信号によってスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２は相補的に導通する。

直流回路１０６のＶＡ＋ＶＢの直流電源電圧は、そのまま直流負荷１７０（図３では負荷ＬＥが相当する）に供給されてもよい。あるいは、先述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５２によりレベル変換された上で直流負荷１７０に供給されてもよい。直流電源電圧は、図９に関連して後述するように直流コネクタ１５４（直流アウトレット）を介して直流負荷１７０に供給されてもよい。

交流出力電圧Ｖ５は、交流負荷１６０（負荷ＬＤ）に供給される。すなわち、点Ｄ−Ｊ間から交流電力（第２の交流電力）が取り出される。この交流電圧Ｖ５は、図９に関連して後述するように交流コネクタ１５６（交流アウトレット）を介して交流負荷１６０に供給されてもよい。

図４は、入力信号と基準信号の関係を示すタイムチャートである。時刻ｔ１からｔ５までが入力信号１２６の１周期に相当する。本実施形態における入力信号１２６は、信号周波数５０Ｈｚの正弦波交流信号であるため、１周期は２０ｍｓｅｃとなる。一方、基準信号１２８は基準周波数２０ｋＨｚの三角波交流信号であるため、１周期は５０μｓｅｃとなる。図４ではわかりやすさのため基準信号１２８の周期を長めに描いている。基準信号１２８の振幅は入力信号１２６の振幅以上であることが望ましい。本実施形態においては、入力信号１２６の振幅と基準信号１２８の振幅は同一である。また、入力信号１２６および基準信号１２８は、いずれも正成分のみを有する。

制御信号発生回路１０８は、このような入力信号１２６と基準信号１２８を比較して、適宜、制御信号のデューティ比を変化させる。入力信号１２６が最大値付近となる高領域Ｐ１、入力信号１２６が中間値付近となる中領域Ｐ２、入力信号１２６が最小値付近となる低領域Ｐ３それぞれについて、入力信号１２６、基準信号１２８および制御信号の関係を図５から図７に関連して詳述する。

図５は、高領域Ｐ１における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。図５は、図４に示す高領域Ｐ１近辺を時間方向に拡大させた図である。高領域Ｐ１においては入力信号１２６の信号レベルが高いため、ほとんどの期間において入力信号１２６の信号レベルは基準信号１２８の信号レベルよりも高い。制御信号発生回路１０８は、入力信号１２６と基準信号１２８を比較し、入力信号１２６＞基準信号１２８のときにはハイレベルの制御信号を出力し、入力信号１２６≦基準信号１２８のときにはローレベルの制御信号を出力する。制御信号はハイサイド制御信号１３２としてスイッチングトランジスタＱ１のゲートに供給される一方、インバータ１１２により反転されてローサイド制御信号１３４としてもスイッチングトランジスタＱ２に供給される。

ハイサイド制御信号１３２のデューティ比は５０％以上となり、ローサイド制御信号１３４のデューティ比は５０％未満となるため、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなる時間の方がスイッチングトランジスタＱ２がオンとなる時間よりも長くなる。ハイサイド制御信号１３２とローサイド制御信号１３４により制御される電流ＩＳは、インダクタＬ５とキャパシタＣ５により積分され平均化される。この結果、負荷ＬＤには正方向に電流ＩＳが流れやすくなり、出力電圧Ｖ５は正となる。

図６は、中領域Ｐ２における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。図６は、図４に示す中領域Ｐ２近辺を時間方向に拡大させた図である。中領域Ｐ２においては入力信号１２６の信号レベルが基準信号１２８の中間となる。ハイサイド制御信号１３２のデューティ比は５０％近辺となり、ローサイド制御信号１３４のデューティ比も５０％近辺となるため、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなる時間とスイッチングトランジスタＱ２がオンとなる時間は拮抗する。この結果、負荷ＬＤの出力電圧Ｖ５はゼロ近辺となる。

図７は、低領域Ｐ３における入力信号、基準信号および制御信号の関係を示すタイムチャートである。図７は、図４に示す低領域Ｐ３近辺を時間方向に拡大させた図である。低領域Ｐ３においては入力信号１２６の信号レベルが低いため、ほとんどの期間において入力信号１２６の信号レベルは基準信号１２８の信号レベルよりも低い。

ハイサイド制御信号１３２のデューティ比は５０％以下となり、ローサイド制御信号１３４のデューティ比は５０％以上となるため、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなる時間の方がスイッチングトランジスタＱ２がオンとなる時間よりも短くなる。この結果、負荷ＬＤには負方向に電流ＩＳが流れやすくなり、出力電圧Ｖ５は負となる。

図８は、入力信号１２６と出力電圧Ｖ５の関係を示すタイムチャートである。出力電圧Ｖ５は、入力信号１２６を増幅した電圧波形を有する。基準信号１２８によって入力信号１２６の信号レベルを定期的に計測し、計測結果に応じて制御信号のデューティ比を適宜変化させ、デューティ比の変化により出力電圧Ｖ５の電圧レベルが制御される。出力電圧Ｖ５の振幅Ｂを１４１（Ｖ）に設定すれば、商用周波数５０Ｈｚ、実効値１００（Ｖ）の交流電圧をワイヤレス受電装置１１８側にて生成できる。したがって、共振周波数ｆｒ１＝１００ｋＨｚの近辺の交流電力が受電コイルＬ３にて受電された場合でも、商用電源として利用可能な出力電圧Ｖ５を生成できる。

交流負荷１６０に供給される交流電力の周波数は商用周波数である必要はない。入力信号の周波数を制御することにより、任意の周波数を生成できる。したがって、交流負荷１６０となる電気機器は、商用周波数で交流電力を受け取ることを前提条件として設計される必要もなくなる。

図９は、一般家庭にワイヤレス電力伝送システム１００を適用した場合を示す概念図である。屋根１４４の上面に給電コイルＬ２や送電制御回路２００等のワイヤレス給電装置１１６が設置され、その上に太陽電池１４２が設置される。太陽電池１４２は、直流電源２０６として機能する。太陽電池１４２により生成される直流電力の一部は、地下に埋設される別の送電制御回路２００によって共振周波数ｆｒ１の交流電力に変換され、地中の給電コイルＬ２からＥＶ１５８の受電コイルＬ３にワイヤレス給電される。ＥＶ１５８に内蔵されるリチウムイオン電池等（図示せず）は、ワイヤレス給電により充電される。

太陽電池１４２が生成する残りの直流電力は、屋根１４４の上の給電コイルＬ２から屋内の受電コイルＬ３に交流電力としてワイヤレス給電される。屋内の受電コイルＬ３が受電した交流電力は、直流回路１０６により直流電力に変換され、交流回路１５０により更に商用周波数の交流電力に変換される。

直流回路１０６が生成する直流電力は、屋内に設けられる直流コネクタ１５４を介して直流負荷１７０ａ〜１７０ｄに供給される。一方、交流回路１５０が生成する交流電力は従来型の交流コネクタ１５６を介して交流負荷１６０ａ〜１６０ｄに供給される。直流コネクタ１５４や交流コネクタ１５６は、家屋の壁面に設置されればよい。

一般的な家電製品は、商用周波数の交流電力を受け取ることを前提として設計されているが、その多くは実際には直流駆動される。このために、外付けまたは内蔵のＡＣ／ＤＣコンバータにより、交流電力を直流電力に変換することが多い。一方、本実施形態においては、直流回路１０６が生成する直流電力をそのまま直流負荷１７０ａ〜１７０ｄに提供できるため、変換ロスを抑制できる。更に、太陽電池１４２が生成する電力をワイヤレス給電にて屋内に供給できるため、配線工事が実質的に不要となる。屋根１４４の上に太陽電池１４２を設置し、同じく屋根１４４の上のワイヤレス給電装置１１６と接続するだけで屋内のワイヤレス受電装置１１８に太陽電池１４２をつなぐことができる。

［第２実施形態］
図１０は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の模式図である。第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、１つのワイヤレス給電装置１１６に対して複数のワイヤレス受電装置１１８ａ、１１８ｂが対応付けられている。ワイヤレス受電装置１１８ａは、直流回路１０６により、交流電力を直流電力に変換して直流負荷１７０に供給する、いわば「直流型」のワイヤレス受電装置１１８である。一方、ワイヤレス受電装置１１８ｂは、直流回路１０６および交流回路１５０により生成した交流電力を交流負荷１６０に供給する、いわば「交流型」のワイヤレス受電装置１１８である。このように、直流型のワイヤレス受電装置１１８ａと交流型のワイヤレス受電装置１１８ｂをそれぞれ併用することにより、交流負荷１６０および直流負荷１７０に同時または選択的に給電してもよい。

［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の適用例である。太陽電池１４２により発電された直流電力の一部は、図９と同様の経路によりＥＶ１５８に供給される。また、直流電力の一部は、いったん屋内に有線にて引き込まれ、ワイヤレス給電により直流負荷１７０ａ〜１７０ｅに供給される。第３実施形態では、直流負荷１７０ａ〜１７０ｅごとにワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を設けている。更に、太陽電池１４２の直流電力の一部は、交流回路１２０により所定周波数の交流電力に変換される。交流回路１２０は、一般的なＤＣ／ＡＣコンバータである。交流回路１２０が生成する交流電力は、屋内配線を介して交流負荷１６０ａ〜１６０ｃに供給される。

第３実施形態においては、太陽電池１４２（直流電源２０６）から直流電力と交流電力を生成し、それらを同時に屋内配線に供給している。第１および第２実施形態のようにワイヤレス受電装置１１８側ではなく、電源から直流電力と交流電力を別系統にて同時供給してもよい。

［第４実施形態］
図１２は、第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００も、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ただし、ワイヤレス受電装置１１８は受電ＬＣ共振回路３０２を含むが、ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含まない。すなわち、給電コイルＬ２は、ＬＣ共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルＬ２は、ワイヤレス給電装置１１６に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルＬ２に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルＬ２は非共振となる。

給電源ＶＧは、共振周波数ｆｒ１の交流電流を給電コイルＬ２に供給する。給電コイルＬ２は共振しないが、共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。受電ＬＣ共振回路３０２は、この交流磁場により共振する。この結果、受電ＬＣ共振回路３０２には大きな交流電流が流れる。本発明者の検討により、ワイヤレス給電装置１１６においては必ずしもＬＣ共振回路を形成する必要がないことが判明した。給電コイルＬ２は、給電ＬＣ共振回路の一部ではないため、ワイヤレス給電装置１１６としては共振周波数ｆｒ１にて共振状態には移らない。一般的には、磁場共振型のワイヤレス給電は、給電側と受電側双方に共振回路を形成し、それぞれの共振回路を同一の共振周波数ｆｒ１（＝ｆｒ０）で共振させることにより、大電力の送電が可能となると解釈されている。しかし、給電ＬＣ共振回路３００を含まないワイヤレス給電装置１１６であっても、ワイヤレス受電装置１１８が受電ＬＣ共振回路３０２を含んでさえいれば、磁場共振型のワイヤレス給電を実現可能であることがわかった。

給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３とが磁場結合しても、キャパシタＣ２が省略されているため新たな共振回路（共振回路同士の結合による新たな共振回路）が形成されない。この場合、給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３との磁場結合は、その結合が強くなればなるほど受電ＬＣ共振回路３０２の共振周波数に影響を及ぼす。この共振周波数、すなわち共振周波数ｆｒ１近傍の周波数の交流電流を給電コイルＬ２に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。また、キャパシタＣ２が不要であるためサイズやコスト面でも有利となる。

図１３は、第４実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。第４実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、キャパシタＣ２が省略されている。その他の点は、第１実施形態と同様である。

なお、図９〜図１１に示した各構成においても、第４実施形態のようにキャパシタＣ２を省略可能である。

最後に、各実施形態に示したワイヤレス電力伝送システム１００のより具体的な応用例について説明する。

図１４は、ワイヤレス給電対応のドラム式洗濯機１３６を示す図である。家屋の壁面には給電コイルＬ２が埋め込まれ、ドラム式洗濯機１３６は受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４を内蔵する。このような態様によれば、受電コイルＬ３が給電コイルＬ２に向かい合う位置にドラム式洗濯機１３６を設置するだけで、ドラム式洗濯機１３６に電力を供給できる。配線も不要化できる。ドラム式洗濯機１３６に限らず、冷蔵庫やテレビなど他の家電製品についても同様である。

図１５は、ワイヤレス給電対応のテレビ１３８とテレビ台１４６を示す図である。同図右側はテレビ１３８を正面から見た図であり、同図左側はテレビ１３８を上方から見た図である。テレビ台１４６は給電コイルＬ２を内蔵し、テレビ１３８は受電コイルＬ３、ロードコイルＬ４を内蔵する。このような態様によれば、受電コイルＬ３が給電コイルＬ２に向かい合う位置にテレビ１３８を設置するだけで、テレビ１３８に電力を供給できる。テレビ１３８に限らず、卓上扇風機や携帯デバイスなど他の家電製品についても同様である。

図１６は、ワイヤレス給電対応の燃料電池１４８を示す図である。燃料電池１４８は、改質装置１６４、セルスタック１６６、送電制御回路２００、熱回収装置１６８および給電コイルＬ２を含む。いいかえれば、燃料電池１４８はワイヤレス給電装置１１６を内蔵している。改質装置１６４は、都市ガス等に含まれるメタノールから水素を取り出し、セルスタック１６６に供給する。セルスタック１６６は、改質装置１６４から供給される水素と空気中から取り入れる酸素の化学反応により電気を生成する直流電源２０６である。

セルスタック１６６が生成した直流電力は、送電制御回路２００により駆動周波数ｆｒ１の交流電力に変換され、給電コイルＬ２を介して受電コイルＬ３（図１６には示さず）にワイヤレス給電される。

水素と酸素の化学反応により生成される水と熱は、温水として熱回収装置１６８に回収され、タンク１６２に貯蔵される。この温水は家庭用水として使用される。

図１７は、燃料電池１４８を含むワイヤレス電力伝送システム１００の応用例を示す図である。図１７に示す燃料電池１４８は、ワイヤレス給電装置１１６だけでなくワイヤレス受電装置１１８ｂも含む。燃料電池１４８が生成する電力は、屋内のワイヤレス受電装置１１８ａに供給される。受電コイルＬ３に接続されるスイッチＳＷ１がオフとなるときには、ワイヤレス受電装置１１８ａへの給電は停止される。一方、燃料電池１４８の電力の一部は、ワイヤレス受電装置１１８ｂにも供給される。ワイヤレス受電装置１１８ｂへの給電はスイッチＳＷ２により制御される。ワイヤレス受電装置１１８ｂが受電した電力は、パワーコンディショナー１７２を介して送電網に供給される。このように、燃料電池１４８の余剰電力を売電することもできる。

以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。ワイヤレス電力伝送システム１００によれば、受電側に供給される入力信号の波形に基づいて負荷ＬＤの出力電圧Ｖ５を制御できる。したがって、給電側が交流電源１０２の駆動周波数を調整して最大電力効率を追求しても、受電側は受電電力から所望の出力電圧Ｖ５を安定的に生成できる。

また、ワイヤレス給電の場合、屋外から屋内への配線を不要化できるため（図９、図１７等参照）、屋外に太陽電池１４２や燃料電池１４８を設置するだけで屋内のワイヤレス受電装置１１８とこれらの電源を接続できる。また、太陽電池１４２や燃料電池１４８などの直流電源２０６や、交流負荷１６０と直流負荷１７０などにも対応可能である。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

基準信号発生回路１１０が発生させる基準信号は交流信号であればよく、三角波に限らず、ノコギリ波や正弦波、矩形波などでもよい。本実施形態においては、制御信号のデューティ比が入力信号の信号レベルを示すとして説明したが、制御信号の振幅や周波数により入力信号の信号レベルを表現してもよい。また、受電電力を直流回路１０６により直流化するプロセスは必須ではない。たとえば、交流の受電電力を制御信号によって制御することにより、出力電圧Ｖ５を制御してもよい。

ワイヤレス電力伝送システム１００において伝送される「交流電力」は、エネルギーに限らず、信号として伝送されてもよい。アナログ信号やデジタル信号をワイヤレスにて送電する場合にも、本発明におけるワイヤレス電力伝送方法を適用可能である。

本実施形態においては、磁場の共振現象を利用する「磁場共振型」を対象として説明したが、本発明においては磁場の共振は必須要件ではない。たとえば、「磁場共振型」と同様に給電コイルと受電コイルとが磁場結合する、上述の（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）にも適用可能である。

１００ ワイヤレス電力伝送システム、１０２ 交流電源、１０４ 調整回路、１０６ 直流回路、１０８ 制御信号発生回路、１１０ 基準信号発生回路、１１２ インバータ、１１６ ワイヤレス給電装置、１１８ ワイヤレス受電装置、１２０ 交流回路、１２２ ハイサイドドライブ、１２４ ローサイドドライブ、１２６ 入力信号、１２８ 基準信号、１３０ 受電コイル回路、１３２ ハイサイド制御信号、１３４ ローサイド制御信号、１３６ ドラム式洗濯機、１３８ テレビ、１４０ ロード回路、１４２ 太陽電池、１４８ 燃料電池、１５０ 交流回路、１５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５４ 直流コネクタ、１５６ 交流コネクタ、１５８ ＥＶ、１６０ 交流負荷、１６２ タンク、１６４ 改質装置、１６６ セルスタック、１６８ 熱回収装置、１７０ 直流負荷、１７２ パワーコンディショナー、２００ 送電制御回路、２０２ 位相検出回路、２０４ 電流検出回路、２０６ 直流電源、３００ 給電ＬＣ共振回路、３０２ 受電ＬＣ共振回路、Ｌ２ 給電コイル、Ｌ３ 受電コイル、Ｌ４ ロードコイル。

Claims (8)

1. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルからワイヤレスにて送電される交流電力を前記受電コイルにて受電する装置であって、
   前記受電コイルと、
   前記受電コイルが受電した第１の交流電力を供給される調整回路と、を備え、
   前記調整回路は、
   前記第１の交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、
   前記直流電力を更に所定周波数の第２の交流電力に変換する第２変換回路と、を含み、
   前記調整回路は、前記直流電力および前記第２の交流電力を別系統から出力することを特徴とするワイヤレス受電装置。
2. 前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記第１の交流電力を受電するロードコイル、を更に備え、
   前記調整回路は、前記ロードコイルを介して前記第１の交流電力を供給され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変換回路から出力される前記直流電力は家屋の壁面に設置されるＤＣコネクタに供給され、
   前記第２変換回路から出力される前記第２の交流電力は家屋の壁面に設置されるＡＣコネクタに供給され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. 前記第２変換回路は、更に、
   基準周波数にて基準信号を発生させる基準信号発生回路と、
   前記基準周波数よりも低い周波数成分を含む入力信号を供給され、前記基準信号の信号レベルと前記入力信号の信号レベルの大小関係を示す制御信号を発生させる制御信号発生回路と、を含み、
   前記制御信号に応じて、前記直流電力から前記第２の交流電力を生成す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。
5. 前記制御信号発生回路は、前記基準信号の信号レベルと前記入力信号の信号レベルの大小関係に応じて前記制御信号のデューティ比を変化させることを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス受電装置。
6. 請求項１に記載のワイヤレス受電装置と、
   前記給電コイルと、
   前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
7. 前記給電コイルは屋外に設置され、前記受電コイルは屋内に設置されることを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス電力伝送システム。
8. 給電コイルと受電コイルの磁場結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムであって、
   前記給電コイルと、
   前記複数の受電コイルと、
   前記給電コイルに交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記複数の受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、
   前記受電コイルが受電した第１の交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、
   前記直流電力を更に所定周波数の第２の交流電力に変換する第２変換回路と、を備え、
   前記複数の受電コイルには、前記第１変換回路を介して前記直流電力を出力する第１の受電コイルと、前記第１および第２変換回路の双方を介して前記第２の交流電力を出力する第２の受電コイルが含まれることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。

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