JP2015042088A - 電力中継装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】自身に接続された負荷へ分配する電力量および他の装置へ中継する電力量を変更することが可能で、かつ構成が簡易な電力中継装置を得ること。【解決手段】本発明は、送電器１１と受電器３１の間で共鳴方式により電力を中継する電力中継装置（中継器２１1，２１2，…）であって、送電器１１または他の電力中継装置から電力を受電する共振器２０１と、共振器２０１が受電した電力の一部を負荷２０８に分配する受電コイル２０２と、受電コイル２０２に対し、他の電力中継装置と同期したタイミングで負荷２０８への電力分配動作の開始および停止を指示する制御回路２３４と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、送電器から受電器へ供給される電力を無線中継する電力中継装置および無線電力伝送システムに関する。

近年、非接触給電は、電子機器の充電やＩＣカードなど、すでに多くの分野で利用されている。こうした非接触給電を用いる多くの電子機器は、電磁誘導方式と呼ばれる近距離電力伝送技術を利用している。電磁誘導方式は、従来から多く利用されてきた技術であり、簡易に実装できるが、数センチメートル程度の短距離の利用に限られる。

こうした中、共鳴方式と呼ばれる無線電力伝送技術が注目されている。共鳴方式は、電界または磁界の共鳴現象を利用することで、数十センチメートル〜数メートル程度の中距離・高効率の電力伝送を可能にする。一方で、伝送距離が使用する周波数と共振コイルの大きさに依存する、高効率な電力伝送を行うためには送電器と受電器の間で整合条件を満たす必要がある、などの課題がある。また、実用化のためには、機器へ組み込み可能な大きさで、長距離かつ複数機器へ同時給電できることが求められる。

共鳴方式を用いた無線電力伝送技術としては、大型の共振コイルを用いて複数機器への同時給電を実現する技術（特許文献１，２）や、複数の周波数を用いて複数の受電器へ給電する方法（特許文献３）、中継器を用いたマルチホップ伝送により伝送距離を延ばす技術（非特許文献１）などが知られている。また、共鳴方式を用いた無線電力伝送が、バンドパスフィルタとして設計可能であることが報告されている（非特許文献２）。

また、中継器を用いたマルチホップ無線電力伝送系において、中継する各ノードに電力を分配するとともに、中継器に接続された負荷および中継器間の相互インダクタンスを制御することでインピーダンス整合と電力分配比率を調整する技術が存在する（特許文献４）。さらに、複数の受電器に対して、同時に給電する期間と個別に給電する期間を時分割で切り替えることで、各受電器に対する電力の分配比率を動的に変える技術が存在する（特許文献５）。

特開２０１１−１４７２８１号公報 特開２０１３−０４２５４０号公報 特開２０１２−０３９８１５号公報 特表２０１３−５１２６５６号公報 特開２０１２−０６０７２１号公報

成末義哲、川原圭博、浅見徹、「中継器を伴う磁界共振結合型無線電力伝送のためのホップ数可変インピーダンス整合手法」、信学技報 ＷＰＴ２０１２−１１、平成２４年７月、ｐ．９−１４ Ｉｋｕｏ Ａｗａｉ、「Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、ワイヤレス・インフォメーション・テクノロジ・アンド・システム２０１０、平成２２年７月、ｐ．１−４

前述の通り、無線電力伝送を実用化するにあたり、機器へ組み込み可能な大きさで、長距離かつ複数機器へ同時給電できることが望ましい。しかしながら、特許文献１、２は、いずれも送電器に大型の共振コイルが必要となるため、送電器の配置が困難である。

特許文献３では、周波数の時分割制御により電力分配を制御することが可能であるが、周波数を変更するための回路が必要であり、送電器の構成が複雑化する。

特許文献４では、各中継器に接続された負荷を制御することにより、電力分配およびインピーダンス整合を制御することが示されている。負荷の制御手順として、各中継器における反射電力を最小化するよう制御することが示されているが、インピーダンス整合の条件は、中継器を含むすべての受電器の影響を受けるため、所望の電力分配比率を満たす負荷の値を求めることは難しい。また、反射電力を測定する場合、中継器に同機能を実現するための回路が必要となる。

特許文献５では、複数受電器への同時給電期間を設けることにより初期電力の供給と時分割制御のための時刻同期を達成する。一方で、同時給電時の電力分配比率が制御できないため、電力分配が不均一となる問題がある。同時給電時の分配比率が小さい受電器は、初期電力を得ることができず起動することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、自身に接続された負荷へ分配する電力量および他の装置へ中継する電力量を変更することが可能で、かつ構成が簡易な電力中継装置および無線電力伝送システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、送電器と受電器の間で共鳴方式により電力を中継する電力中継装置であって、送電器または他の電力中継装置から電力を受電する受電手段と、前記受電手段が受電した電力の一部を負荷に分配する分配手段と、前記分配手段に対し、他の電力中継装置と同期したタイミングで前記負荷への電力分配動作の開始および停止を指示する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、自身に接続された負荷で消費させる電力と受電器へ向けて中継する電力の分配比率を動的に変化させることが可能で、なおかつ簡易な構成の電力中継装置を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる電力中継装置を含んで構成された無線電力伝送システムの実施の形態１の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１の無線電力伝送システムにおいて、受電器のみに給電を行う状態を示す図である。 図３は、実施の形態１における中継器の等価回路を示す図である。 図４は、共振周波数における中継器の等価回路を示す図である。 図５は、各中継器の受電スイッチをＯＦＦにした状態における無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。 図６は、各中継器の受電スイッチをＯＮにした状態における無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。 図７は、実施の形態１にかかる無線電力伝送システムを構成する手順を示す図である。 図８は、無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 図９は、無線電力伝送システムにおける給電タイミングの一例を示す図である。 図１０は、実施の形態２にかかる無線電力伝送システムを構成する手順を示す図である。 図１１は、実施の形態３にかかる無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 図１２は、実施の形態３にかかる無線電力伝送システムにおける給電タイミングの一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる電力中継装置および無線電力伝送システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力中継装置を含んで構成された無線電力伝送システムの実施の形態１の構成例を示す図である。

図１に示した無線電力伝送システム１は、送電器１０と、受電器３０と、送電器１０と受電器３０の間に配置されたＮ−２個の中継器（電力中継装置に相当する中継器２０₁，２０₂，…）から構成される。なお、以下の説明では、Ｎ−２個の中継器を区別する必要がない場合、中継器２０₁，２０₂，…をまとめて中継器２０と表現する。

送電器１０、中継器２０または受電器３０であるノードは、同一の周波数で共振する共振器（共振器１０１、２０１または３０１）を有し、共鳴方式により受電器３０への電力伝送と、各中継器２０への電力分配とを行う。以下、必要に応じて、送電器１０をノード＃１、Ｎ−２個の中継器２０₁，２０₂，…を順にノード＃２，…，ノード＃Ｎ−１、末端の受電器３０をノード＃Ｎと表現する。

ノード＃１である送電器１０は、共振器１０１と、共振器１０１に結合し、受電器３０に向けて電力を供給する送電コイル１０２と、送電コイル１０２を駆動する高周波電源１０５とを有し、高周波電源１０５から出力された電力を隣接する中継器２０₁へ伝送する。

ノード＃ｋ（k=2,3,…,N-1）である中継器２０は、共振器２０１、受電コイル２０２、受電スイッチ２０３および負荷２０８を有する。なお、負荷２０８は中継器２０の外部に存在していても構わない。中継器２０は、共振器２０１が送電器１０側の隣接装置（送電器１０または他の中継器２０）が備えている共振器（共振器１０１または２０１）に結合することにより送信電力を受信する。受信した電力の一部は、受電コイル２０２によって取り出され、受電スイッチ２０３を介して負荷２０８に供給される。残りの受信電力は共振器２０１によって、隣接する他の中継器２０または受電器３０へ伝送される。

例えば、送電器１０に隣接する中継器２０₁は、共振器２０１が送電器１０の共振器１０１に結合することにより送信電力を受信する。受信した電力は、受電コイル２０２を介して負荷２０８に供給されるか、共振器２０１によって、隣接する中継器２０₂へ伝送される。

ノード＃Nである受電器３０は、共振器３０１と、受電コイル３０２と、負荷３０８とを有し、共振器３０１が送電器１０側の隣接中継器２０が備えている共振器２０１に結合することにより送信電力を受信する。受信した電力は受電コイル３０２を介して負荷３０８に供給される。なお、負荷３０８は受電器３０の外部に存在していても構わない。

各中継器２０は、負荷２０８の接続状態を切り替える受電スイッチ２０３をＯＦＦにすることで負荷２０８を切り離し、単純な中継器として動作する。無線電力伝送システム１においては、各中継器２０の受電スイッチ２０３を切り替えることにより、全ノード（中継器２０₁，２０₂，…、受電器３０）に電力を供給する状態（図１）と、末端の受電器３０のみに電力を供給する状態（図２）を切り替えることが可能である。

図３は、中継器２０の等価回路を表した図である。Ｌ_kおよびＣ_kは共振器２０１を構成するインダクタンスとキャパシタンスを等価的にあらわしたものである。Ｍ_k-1，kおよびＭ_k，k+1は隣接するノードの共振器（共振器１０１、２０１または３０１）との結合を相互インダクタンスとして等価的にあらわしたものである。Ｍ_kは共振器２０１と受電コイル２０２との結合を相互インダクタンスとして等価的にあらわしたものである。Ｒ_kは、負荷インピーダンスを等価的にあらわしたものである。Ｒ’_kは、共振器２０１からみた負荷インピーダンスを表す。Ｚ’_k+1は共振器２０１からみた受電器３０側の隣接ノードの共振器の入力インピーダンスを表す。

共振器２０１の共振周波数ωにおいて、図３に示した等価回路は、Ｒ’_kおよびＺ’_k+1を用いて、図４に示す等価回路に近似できる。したがって、各中継器２０における負荷２０８に供給される電力と、受電器３０側の隣接ノードに伝送される電力との比は、Ｒ’_k：Ｚ’_k+1となる。なお、受電スイッチ２０３がＯＮの時、Ｒ’_kは次式（１）であらわされる。

すべての中継器２０が受電スイッチ２０３をＯＦＦとした場合、無線電力伝送システム１の等価回路は、図５で表わされる。この場合、送電器１０から送電された電力は、すべて受電器３０に接続された負荷３０８に供給される。ここで、Ｚ’₁は、高周波電源１０５から見た無線電力伝送システム１の入力インピーダンスを表している。インピーダンス不整合に伴う反射損失を抑制するために、高周波電源１０５の出力インピーダンスＺ₀と、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁は、一致していることが望ましい。ところで、図５に示した等価回路は、インバータを用いたバンドパスフィルタの等価回路として一般的に知られており、このような入力インピーダンスＺ’₁を実現するための相互インダクタンスＭ_0,1，…，Ｍ_N,N+1を計算によって求めることが可能である（上記の非特許文献２参照）。

すべての中継器２０が受電スイッチ２０３をＯＮとした場合、無線電力伝送システム１の等価回路は、図６で表わされる。このとき、各ノードの共振器（共振器１０１または２０１）から見た受電器３０側の隣接ノードの入力インピーダンスＺ’_kは、次式（２）〜（４）で表わされる。

ここで、各中継器２０および受電器３０への所望の電力分配比率をＰ₂，…，Ｐ_N（１＝Σ_k=2…NＰ_k）とすると、共振器２０１と受電コイル２０２間の相互インダクタンスＭ_kは、次式（５）によって決定することができる。

式（１）〜（５）を用いることによって、送電器１０（ノード＃１）から受電器３０（ノードＮ＃Ｎ）までの各ノードへの入力インピーダンスと、各中継器２０（ノード＃２〜＃Ｎ−１）における共振器２０１と受電コイル２０２の間の相互インダクタンスを決定できる。これらの入力インピーダンスおよび相互インダクタンスを決定する動作の一例を図７に示す。

はじめに、送電器１０から電力の供給を受ける受電器３０および各中継器２０のそれぞれについて、電力分配比率Ｐ₂,…,Ｐ_N、電力優先度および最小電力比率を決定する（ステップＳ１）。ここで、「電力優先度」とは、どのノードに優先的に電力を分配するかを示す情報である。例えば、重要な機器が負荷として接続されているノードの電力優先度が高くなるように設定する、バッテリー搭載機器が負荷として接続されているノードの優先度を低く設定する、などが考えられる。「最小電力比率」とは、各ノードに対して分配する電力の最小比率を示す情報であり、受電器３０および各中継器２０のそれぞれに接続する負荷が動作するために最低限必要となる電力と、送電器１０の最大供給電力との比により計算される。各ノードへの電力分配比率（Ｐ₂,…,Ｐ_N）は、この比率を下回らないように決定する。なお、ステップＳ１で決定する電力分配比率は暫定値であり、後述するように、必要に応じて補正する。

ステップＳ１に続いて、各ノードの共振器（共振器１０１、２０１、３０１）間の相互インダクタンスＭ_k,k+1（k=0,1,…,N）を計算する（ステップＳ２）。このステップＳ２においては、すべての中継器２０において受電スイッチ２０３がＯＦＦの時に、Ｚ₀＝Ｚ’₁となるような相互インダクタンスＭ_0,1，…，Ｍ_N,N+1を計算する。計算方法としては、図５に示した無線電力伝送システム１の等価回路をバンドパスフィルタ回路としてみなし計算する方法（非特許文献２）が考えられる。所望の相互インダクタンスＭ_0,1，…，Ｍ_N,N+1は、各ノードの共振器間の距離や、サイズ、向き等を調整することによって得られる。

ステップＳ２に続いて実行するステップＳ３〜Ｓ９においては、すべての中継器２０において受電スイッチ２０３がＯＮの場合、すなわち、図６に示した等価回路において、各中継器２０（ノード＃２〜ノード＃Ｎ−１）における共振器２０１−受電コイル２０２間の相互インダクタンスＭ_k、および高周波電源１０５から見た、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を計算する。

末端の受電器３０（ノード＃Ｎ）における共振器３０１−受電コイル３０２間の相互インダクタンスＭ_N＝Ｍ_N,N+1は、ステップＳ２で計算済であるため、この相互インダクタンスＭ_N,N+1と上記の式（４）とを用いて、ノード＃Ｎ−１から見た末端の受電器３０の入力インピーダンスＺ’_Nを計算する（ステップＳ３）。

次に、ｋ＝Ｎ−１に設定し（ステップＳ４）、上記の式（５）を用いて、ノード＃Ｎ−１における共振器２０１−受電コイル２０２間の相互インダクタンスＭ_kを計算する（ステップＳ５）。すなわち、ステップＳ１で決定した電力分配比率Ｐ₂，…，Ｐ_Nと、ステップＳ３で算出したＺ’_N（ノード＃Ｎ−１から見た末端の受電器３０の入力インピーダンス）と、ノード＃Ｎ−１に接続された負荷２０８のインピーダンスＲ_kと、上記の式（５）とを用いて、相互インダクタンスＭ_kを算出する。

次に、上記の式（１）および（２）を用いて、ノード＃Ｎ−２からみたノード＃Ｎ−１の入力インピーダンスＺ’_N-2を計算する（ステップＳ６）。すなわち、上記算出済みの相互インダクタンスＭ_k（ノード＃Ｎ−１における共振器２０１−受電コイル２０２間の相互インダクタンス）と、上記算出済みの相互インダクタンスＭ_N-2,N-1（ノード＃Ｎ−２の共振器２０１とノード＃Ｎ−１の共振器２０１との相互インダクタンス）と、上記算出済みのＺ’_N（ノード＃Ｎ−１から見た末端の受電器３０の入力インピーダンス）と、上記の式（１）および（２）とを用いて、入力インピーダンスＺ’_N-2計算する。

ステップＳ６を実行した後は、ノード＃１から見たノード＃２（中継器２０₁）の入力インピーダンスＺ’₂までの計算が終了したかどうかを確認し（ステップＳ７）、終了していなければ（ステップＳ７：Ｎｏ）、ｋ＝ｋ−１として（ステップＳ８）、ステップＳ５およびＳ６を繰り返す。入力インピーダンスＺ’₂の計算が終了した場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、上記の式（３）を用いて、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を計算する（ステップＳ９）。すなわち、ｋ＝２とした状態でのステップＳ６において算出した入力インピーダンスＺ’₂と、ステップＳ２で算出済みの相互インダクタンスＭ_0,1と、上記の式（３）とを用いて、入力インピーダンスＺ’₁を計算する。

所望の相互インダクタンスＭ_kは、各中継器２０における共振器２０１−受電コイル２０２間の位置や、向き、共振器２０１および受電コイル２０２の大きさ等を調整することによって得られる。

ステップＳ３〜Ｓ９に続いて実行するステップＳ１０〜Ｓ１３においては、設定した電力優先度および最小電力比率に基づいて、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を補正する。

すなわち、ステップＳ９にて計算した無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁と高周波電源１０５の出力インピーダンスＺ₀とを比較し（ステップＳ１０，Ｓ１１）、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁が高周波電源１０５の出力インピーダンスＺ₀よりも大きい場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、偶数番目のノードのうち、最小電力比率よりも電力分配比率が大きく、かつ最も電力優先度が低いノードの電力分配比率を下げることで、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を下げる（ステップＳ１２）。そして、上述したステップＳ３〜Ｓ９を再度実行する。一方、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁が高周波電源１０５の出力インピーダンスＺ₀よりも小さい場合（ステップＳ１０：Ｎｏ→ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、奇数番目のノードのうち、最小電力比率よりも電力分配比率が大きく、最も電力優先度が低いノードの電力分配比率を下げることで、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を上げる（ステップＳ１３）。そして、上述したステップＳ３〜Ｓ９を再度実行する。

以上の動作を繰り返すことにより、各ノードへの入力インピーダンスと、各中継器２０（ノード＃２〜＃Ｎ−１）における共振器２０１と受電コイル２０２の間の相互インダクタンスを最適化できる。

このように、無線電力伝送システム１においては、システムを構成する際に、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスと、高周波電源１０５の出力インピーダンスと、中継器２０および受電器３０における、電力分配比率、最小電力比率および電力優先度と、に基づいて、偶数番目または奇数番目のノードの電力分配比率を小さく設定することで、負荷２０８の接続状態を切り替えた場合（図１，図２）でも、各中継器２０および受電器３０へ所望の電力分配を実現するとともに、インピーダンス不整合により伝送効率が低下するのを抑制することができる。

図１および図２においては、説明の便宜上、各中継器２０が備えている受電スイッチ２０３を制御する手段などの記載を省略したが、各ノードは、実際には、例えば、図８に示した構成となっている。また、図９に示したタイミングで電力供給を行う。

図８に示したように、ノード＃１としての送電器１１は、図１に示した送電器１０に対して送電スイッチ１３０を追加した構成となっている。ノード＃ｋ（k=2,3,…,N-1）としての中継器２１（中継装置２１₁，２１₂，…）は、図１に示した中継器２０に対して整流回路２３３および制御回路２３４を追加した構成となっている。ノード＃Ｎとしての受電器３１は、図１に示した受電器３０に対して整流回路３３３を追加した構成となっている。

本実施の形態の無線電力伝送システム（図８に示した構成の無線電力伝送システム）においては、各中継器２１の受電スイッチ２０３を同期して周期的に切り替え、同スイッチのＯＮ時間を調整することにより、各中継器２１への電力分配比率を動的に変化させる。

送電器１１において、送電スイッチ１３０は、送電をＯＮ−ＯＦＦするためのスイッチであり、制御信号１３１に従って電路を開閉する。この送電スイッチ１３０をＯＮにすることで、各中継器２１および受電器３１への電力供給が行われる（図９、給電期間５００）。また、送電スイッチ１３０をＯＦＦにすることで、中継器２１および受電器３１への電力供給が停止する（図９、給電停止期間５０１）。送電器１１においては、図９に示した給電開始５０２を基準として、制御信号１３１により、給電期間５００と給電停止期間５０１を周期的に繰り返す。給電期間５００と給電停止期間５０１を周期的に繰り返す期間を初期化期間５０４と呼ぶ。

各中継器２１の受電スイッチ２０３をすべてＯＮにした場合、送電器１１が送電した電力は、各中継器２１および受電器３１へ同時に給電される（図９、同時給電期間５０５）。また、各中継器２１の受電スイッチ２０３をすべてＯＦＦにした場合、送電器１１が送電した電力は、受電器３１だけに給電される（図９、集中給電期間５０６）。受電スイッチ２０３は、制御回路２３４から出力される受電スイッチ制御信号２３１によって制御される。

受電スイッチ２０３は、無給電時、常にＯＮの状態を保持しており、送電器１１から給電が開始されると（図９、給電開始５０２）、制御回路２３４に電力が供給される。中継器２１は、給電が開始された後の初期化期間５０４（図９参照）において、受電スイッチ２０３を制御する制御回路２３４が動作するために必要な電力を確保する。図示を省略しているが、中継器２１は電力貯蔵するための蓄電手段を備えており、制御回路２３４は、給電が停止した状態では蓄電手段に蓄積された電力を使用して動作を継続する。

必要な電力が確保されると、制御回路２３４は、図９示した給電期間５００と給電停止期間５０１の切り替えタイミング（給電停止期間５０１から給電期間５００に切り替わるタイミングである同期タイミング５０３）の検出を開始する。制御回路２３４は、同期タイミング５０３を検出すると、同時給電期間５０５と集中給電期間５０６を切り替えるために、受電スイッチ２０３の制御を開始する。受電スイッチ２０３の制御方法としては、ひとつ前の給電期間５００の長さに基づいて、次の給電期間の種別（同時給電期間５０５または集中給電期間５０６）を決定する方法が考えられる。例えば、あらかじめ給電時間閾値５０７を定めておき、ひとつ前の給電期間５００の長さが、給電時間閾値５０７よりも長かった場合は、次の期間を集中給電期間５０６とみなして受電スイッチ２０３をＯＦＦにする。ひとつ前の給電期間５００の長さが、給電時間閾値５０７よりも短かった場合は、次の期間を同時給電期間５０５とみなして受電スイッチ２０３をＯＮにする。

各中継器２１が同じ条件で給電期間の種別を判別するように設定しておくことにより、各中継器２１および受電器３１に対する電力分配比率を送電器１１が動的に変化させることが可能となる。

なお、整流回路２３３は、受電コイル２０２から供給される交流電力を直流電力に変換するためのものであり、制御回路２３４および負荷２０８が交流電力で動作可能であれば、省略してもよい。

受電器３１が備えている整流回路３３３は、受電コイル３０２から供給される交流電力を直流電力に変換するためのものであり、負荷３０８が交流電力で動作可能であれば、省略してもよい。

このように、図８に示した構成の本実施の形態にかかる無線電力伝送システムにおいて、各中継器２１は、制御回路２３４が送電器１１の給電切り替えタイミング（同期タイミング５０３）を検出して同期することで、受電スイッチ２０３のＯＮ−ＯＦＦを自動制御する。また、送電器１１の給電期間５００の長さに基づいて受電スイッチ２０３をＯＮ−ＯＦＦ制御するので、送電器１１は、無線電力伝送システム１の動作種別（同時給電期間５０５および集中給電期間５０６）を集中制御することができる。さらに、送電器１１が同時給電期間５０５と集中給電期間５０６の実施比率を変化させることで、各中継器２１と受電器３１への電力分配比率を動的に変化させることができる。

また、送電で使用する周波数を変更するための回路や反射電力を測定するための回路などの特別な回路が不要のため、簡易な構成で中継器２１を実現できる。

実施の形態２．
以下に、実施の形態２にかかる無線電力伝送システムを説明する。先に説明した実施の形態１にかかる無線電力伝送システムを構成する手順（図７）は、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を補正する手順（ステップＳ１０〜Ｓ１３）を含んでいる。これに対して、本実施の形態は、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を補正する手順を含まない。本実施の形態は、先に説明した実施の形態１の構成を基本とし（図１など参照）、構成手順（各中継器への入力インピーダンス、各中継器における共振器と受電コイルの間の相互インダクタンスを決定する手順）のみが異なる。なお、実施の形態１に示した構成手順（図７）と重複する手順については、同一符号を付すことで、その手順の説明については省略する。

図１０は、本実施の形態の構成手順を示したフローチャートである。実施の形態１においては、ステップＳ１としてノード＃２〜＃Ｎに対して電力分配比率Ｐ₂，…，Ｐ_N、電力優先度および最小電力比率を決定していたが、本実施の形態では、ステップＳ１をステップＳ２０に置き換え、ステップＳ２０においては、ノード＃３〜＃Ｎの間の相対的な電力比率（Ｐ₃：Ｐ₄…：Ｐ_N）のみを決定する。また、図７のステップＳ６をステップＳ２１に置き換える。すなわち、実施の形態１の構成手順では、ステップＳ５およびＳ６をノード＃２〜＃Ｎ−１について実施していたが、本実施の形態ではノード＃３〜＃Ｎ−１に対して実施する。ステップＳ２１においてＺ’₃まで計算したと判断した時点（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）で、ノード＃３〜＃Ｎ−１における共振器２０１−受電コイル２０２間の相互インダクタンスＭ₃，…，Ｍ_N-1が求まる。

ここで、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁と、高周波電源１０５の出力インピーダンスＺ₀を一致させるための条件は、次式（６）で表わされる。本実施の形態においては、式（６）を用いてノード＃２における相互インダクタンスＭ₂を決定する（ステップＳ２２）。

本実施の形態によれば、無線電力伝送システム１の構成手順において、無線電力伝送システム１の入力インピーダンスＺ’₁を補正する手順を含まないため、設計時の計算量を少なくすることができる。

実施の形態３．
以下に、本発明にかかる無線電力伝送システムの実施の形態３を説明する。図１１は、実施の形態３にかかる無線電力伝送システムの構成例を示す図である。本実施の形態の無線電力伝送システムは、先に説明した実施の形態１の構成（図８）を基本とするが、２つの給電経路（給電経路４ａおよび４ｂ）を有する点と、それぞれの経路に電力を振り分ける経路切り替え器４０を有する点が異なる。実施の形態１で説明した無線電力伝送システムと重複する構成については、同一符号を付すことで、その構成および動作の説明は省略する。

図１１に示したように、本実施の形態の無線電力伝送システムは、送電器１１と、経路切り替え器４０と、中継器２２₁ａ，…，２２₁ｂ，…と、受電器３２ａおよび３２ｂとを備えて構成されている。

経路切り替え器４０は、２つの給電経路４ａおよび４ｂに対して電力を分配するために、送電器１１から受電し、後段の中継器２２（中継器２２₁ａまたは２２₁ｂ）へ中継するための手段を２系統有している。すなわち、経路切り替え器４０は、給電経路４ａに対して電力を中継するための系統として、共振器４０１ａ、受電コイル４０２ａ、受電スイッチ４０３ａおよび共振器接続スイッチ４３１ａを備え、給電経路４ｂに対して電力を中継するための系統として、共振器４０１ｂ、受電コイル４０２ｂ、受電スイッチ４０３ｂおよび共振器接続スイッチ４３１ｂを備えている。また、負荷４０８と、整流回路４３３ａおよび４３３ｂと、制御回路４３４とを備えている。

経路切り替え器４０においては、各共振器４０１ａおよび４０１ｂに組み込まれた共振器接続スイッチ４３１ａおよび４３１ｂを各々切り替えることで、どちらか１系統の給電経路のみを有効化する。また、受電スイッチ４０３ａおよび４０３ｂをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、負荷４０８および制御回路４３４への電力供給の有無を切り替える。

本実施の形態の無線電力伝送システムにおいては、経路切り替え器４０の共振器接続スイッチ４３１ａ，４３１ｂおよび受電スイッチ４０３ａ，４０３ｂと、各中継器２２（中継器２２₁ａ，２２₂ａ，…，２２₁ｂ，２２₂ｂ，…）の受電スイッチ２０３の状態に応じて、給電状態を下記の４パターンのうちの１つの状態に切り替えることができる。

（給電パターン１：経路４ａ同時給電状態）
共振器接続スイッチ４３１ａをＯＮ、共振器接続スイッチ４３１ｂをＯＦＦ、受電スイッチ４０３ａおよび４０３ｂをＯＮ、給電経路４ａ上のすべての中継器２２の受電スイッチ２０３をＯＮ、とすることで、経路切り替え器４０、給電経路４ａ上の各中継器２２ａ（中継器２２₁ａ，２２₂ａ，…）、および受電器３２ａに給電。

（給電パターン２：経路４ａ集中給電状態）
共振器接続スイッチ４３１ａをＯＮ、共振器接続スイッチ４３１ｂをＯＦＦ、受電スイッチ４０３ａおよび４０３ｂをＯＦＦ、給電経路４ａ上のすべての中継器２２の受電スイッチ２０３をＯＦＦ、とすることで、受電器３２ａ単体に給電。

（給電パターン３：経路４ｂ同時給電状態）
共振器接続スイッチ４３１ａをＯＦＦ、共振器接続スイッチ４３１ｂをＯＮ、受電スイッチ４０３ａおよび４０３ｂをＯＮ、給電経路４ｂ上のすべての中継器２２の受電スイッチ２０３をＯＮ、とすることで、経路切り替え器４０、給電経路４ｂ上の各中継器２２ｂ（中継器２２₁ｂ，２２₂ｂ，…）、および受電器３２ｂに給電。

（給電パターン４：経路４ｂ集中給電状態）
共振器接続スイッチ４３１ａをＯＦＦ、共振器接続スイッチ４３１ｂをＯＮ、受電スイッチ４０３ａおよび４０３ｂをＯＦＦ、給電経路４ｂ上のすべての中継器２２の受電スイッチ２０３をＯＦＦ、とすることで、受電器３２ｂ単体に給電。

経路４ａ同時給電状態の場合、送電器１１の共振器１０１と、経路切り替え器４０の共振器４０１ａが結合することにより、送電器１１から経路切り替え器４０へ電力が伝送される。伝送された電力の一部は、受電コイル４０２ａ、受電スイッチ４０３ａおよび整流回路４３３ａを介して、制御回路４３４および負荷２０８に供給される。同時に、送電器１１から伝送された残りの電力は、共振器４０１ａと隣接する中継器２２₁ａの共振器２０１が結合することにより、中継器２２₁ａに伝送される。中継器２２₁ａは、実施の形態１の中継器２１（図８参照）と同一の構成であり、経路切り替え器４０から伝送された電力を自身に接続された負荷２０８と、隣接する中継器２２₂ａ（図示せず）に分配・伝送する。以降、各中継器２２ａが同様の処理を実行し、給電経路４ａの末端の受電器３２ａまで電力を分配・伝送する。

経路４ａ集中給電状態の場合、経路４ａ同時給電状態と同様、送電器１１の共振器１０１と、経路切り替え器４０の共振器４０１ａが結合することにより、送電器１１から経路切り替え器４０へ電力が伝送される。経路４ａ集中給電状態では、経路切り替え器４０の受電スイッチ４０３ａがＯＦＦになっているため、伝送された電力は、すべて隣接する中継器２２₁ａに伝送される。給電経路４ａ上のすべての中継器２２（中継器２２₁ａ，２２₂ａ，…）は、受電スイッチ２０３がＯＦＦになっているため、伝送された電力は、すべて隣接する中継器２２または受電器３２ａに伝送される。このようにして、経路ａの末端の受電器３２ａまで全ての電力を伝送する。

経路４ｂ同時給電状態の場合、送電器１１の共振器１０１と、経路切り替え器４０の共振器４０１ｂが結合することにより、送電器１１から経路切り替え器４０へ電力が伝送される。伝送された電力の一部は、受電コイル４０２ｂ、受電スイッチ４０３ｂおよび整流回路４３３ｂを介して、制御回路４３４および負荷２０８に供給される。同時に、送電器１１から伝送された残りの電力は、共振器４０１ｂと隣接する中継器２２₁ｂの共振器２０１が結合することにより、中継器２２₁ｂに伝送される。中継器２２₁ｂは、実施の形態１の中継器２１（図８参照）と同一の構成であり、経路切り替え器４０から伝送された電力を自身に接続された負荷２０８と、隣接する中継器２２₂ｂ（図示せず）に分配・伝送する。以降、各中継器２２ｂが同様の処理を実行し、給電経路４ｂの末端の受電器３２ｂまで電力を分配・伝送する。

経路４ｂ集中給電状態の場合、経路４ｂ同時給電状態と同様、送電器１１の共振器１０１と、経路切り替え器４０の共振器４０１ｂが結合することにより、送電器１１から経路切り替え器４０へ電力が伝送される。経路４ｂ集中給電状態では、経路切り替え器４０の受電スイッチ４０３ｂがＯＦＦになっているため、伝送された電力は、すべて隣接する中継器２２₁ｂに伝送される。給電経路４ｂ上のすべての中継器２２（中継器２２₁ｂ，２２₂ｂ，…）は、受電スイッチ２０３がＯＦＦになっているため、伝送された電力は、すべて隣接する中継器２２または受電器３２ｂに伝送される。このようにして、経路ｂの末端の受電器３２ｂまで全ての電力を伝送する。

図１２に示すタイミングチャートに基づいて、経路切り替え器４０が備えている制御回路４３４、および、各中継器２２が備えている制御回路２３４の動作を説明する。経路切り替え器４０と中継器２２に分けて説明する。

＜経路切り替え器４０の動作＞
経路切り替え器４０において、無給電時、受電スイッチ４０３ａ、４０３ｂおよび共振器接続スイッチ４３１ａはＯＮ、共振器接続スイッチ４３１ｂはＯＦＦの状態を維持している（図１１に示した状態）。送電器１１により送電が開始されると（図１２、給電開始５０２）、送電器１１の共振器１０１と、共振器接続スイッチ４３１ａがＯＮになっている共振器４０１ａとが結合し、受信コイル４０２ａ、受電スイッチ４０３ａおよび整流回路４３３ａを介して、制御回路４３４に電力が供給される。図１２に示したように、制御回路４３４への電力供給開始に伴い、初期化期間５２０が開始となる。初期化期間５２０では、制御回路４３４を動作させるために必要な電力を確保する。

必要な電力が確保されると制御回路４３４が動作を開始し、制御回路４３４は、給電期間５００と給電停止期間５０１の切り替えタイミング（同期タイミング５０３）の検出を開始する。制御回路４３４は、同期タイミング５０３を検出すると、給電経路４ａ、４ｂの切り替えと、同時給電期間（同時給電期間５３１，５４１）と集中給電期間（集中給電期間５３２，５４２）の切り替えを行うために、共振器接続スイッチ４３１ａ，４３１ｂおよび受電スイッチ４０３ａ，４０３ｂの制御を開始する。なお、図示したように、初期化期間５２０においては、最初の給電期間５００が終了した直後の給電停止期間の間に、共振器接続スイッチ４３１ａおよび４３１ｂの状態を入れ替え、共振器接続スイッチ４３１ａをＯＦＦ、共振器接続スイッチ４３１ｂをＯＮにする。

なお、図示を省略しているが、経路切り替え器４０は電力貯蔵するための蓄電手段を備えており、制御回路４３４は、給電が停止した状態では蓄電手段に蓄積された電力を使用して動作を継続する。

経路切り替え器４０における共振器接続スイッチ４３１ａ，４３１ｂおよび受電スイッチ４０３ａ，４０３ｂの制御方法としては、ひとつ前の給電期間５００の長さに基づいて、次の給電期間の種別（給電経路４ａ，４ｂ、同時給電期間５３１，５４１および集中給電期間５３２，５４２）を決定する方法が考えられる。例えば、あらかじめ給電時間閾値５１０、５１１および５１２を定めておき、ひとつ前の給電期間５００の長さが、給電時間閾値５１０未満の場合は経路４ｂ同時給電状態、給電時間閾値５１０以上かつ給電時間閾値５１１未満の場合は経路４ｂ集中給電状態、給電時間閾値５１１以上かつ給電時間閾値５１２未満の場合は経路４ａ同時給電状態、給電時間閾値５１２以上の場合は経路４ａ集中給電状態、とみなして各スイッチの制御を行う。

＜中継器２２の動作＞
各中継器２２（中継器２２₁ａ，…、２２₁ｂ，…）において、無給電時、受電スイッチ２０３はＯＮの状態を保持しており、送電器１１から給電が開始され、かつ経路切り替え器４０により自身側へ電力が中継されると、制御回路２３４に電力が供給される。給電開始５０２で送電器１１が給電を開始したとき、経路切り替え器４０においては共振器接続スイッチ４３１ａがＯＮ、共振器接続スイッチ４３１ｂがＯＦＦとなっているので、最初の給電期間５００では、給電経路４ａに位置している中継器２２₁ａ，…に電力が供給され、給電経路４ｂに位置している中継器２２₁ｂ，…には電力が供給されない。給電経路４ｂに位置している中継器２２₁ｂ，…には、次の給電期間５００で電力が供給される。

各中継器２２は、給電が開始されると、まず、制御回路２３４を動作させるために必要な電力を確保する。必要な電力の確保が完了すると制御回路２３４が動作を開始し、制御回路２３４は、給電期間５００と給電停止期間５０１の切り替えタイミング（同期タイミング５０３）の検出を開始する。制御回路２３４は、同期タイミング５０３を検出すると、同時給電期間５３１と集中給電期間５３２の切り替えを行うために、受電スイッチ２０３の制御を開始する。

なお、図示を省略しているが、中継器２２は電力貯蔵するための蓄電手段を備えており、制御回路２３４は、給電が停止した状態では蓄電手段に蓄積された電力を使用して動作を継続する。

中継器２２における受電スイッチ２０３の制御方法としては、経路切り替え器４０と同様に、ひとつ前の給電期間５００の長さに基づいて、次の給電期間の種別（給電経路４ａ，４ｂ、同時給電期間５３１，５４１および集中給電期間５３２，５４２）を決定する方法が考えられる。例えば、あらかじめ給電時間閾値５１０、５１１および５１２を定めておき、ひとつ前の給電期間５００の長さが、給電時間閾値５１０未満の場合は経路４ｂ同時給電状態、給電時間閾値５１０以上かつ給電時間閾値５１１未満の場合は経路４ｂ集中給電状態、給電時間閾値５１１以上かつ給電時間閾値５１２未満の場合は経路４ａ同時給電状態、給電時間閾値５１２以上の場合は経路４ａ集中給電状態、とみなして各スイッチの制御を行う。ただし、中継器２２は、自身が位置している給電経路以外の電力を検出できないので、自身の給電経路以外から自身の給電経路への給電に切り替わった場合は、同時給電期間５３１，５４１として認識する。

経路切り替え器４０および各中継器２２が同じ条件で給電期間の種別を判別するように設定しておくことにより、経路切り替え器４０、各中継器２２および受電器３２ａ，３２ｂに対する電力分配比率を送電器１１が動的に変化させることが可能となる。

このように、本実施の形態の無線電力伝送システムは、経路切り替え器４０を備え、経路切り替え器４０は、送電器１１から受電した電力の伝送先を切り替えるためのスイッチ（共振器接続スイッチ４３１ａ，４３１ｂ）と、受電した電力を負荷に供給するか否かを切り替えるスイッチ（受電スイッチ４０３ａ，４０３ｂ）とを備えているので、共振器接続スイッチ４３１ａおよび４３１ｂを制御することで、複数の経路４ａ、４ｂに対して時分割で電力を供給することが可能となる。さらに、経路切り替え器４０の受電スイッチ４０３ａ，４０３ｂおよび各中継器２２の受電スイッチ２０３を制御することにより、給電経路上の経路切り替え器４０および各中継器２２への電力供給の有無を切り替えることが可能となる。

以上のように、本発明は、無線電力伝送システムにおいて、送電器と受電器の間で電力を中継する電力中継装置に適している。

１ 無線電力伝送システム、１０，１１ 送電器、２０₁，２０₂，２１₁，２１₂，２２₁ａ，２２₁ｂ 中継器、３０，３１，３２ａ，３２ｂ 受電器、１０１，２０１，３０１，４０１ａ，４０１ｂ 共振器、１０２ 送電コイル、１０５ 高周波電源、１３０ 送電スイッチ、２０２，３０２，４０２ａ，４０２ｂ 受電コイル、２０３，４０３ａ，４０３ｂ 受電スイッチ、２０８，３０８，４０８ 負荷、２３３，３３３，４３３ａ，４３３ｂ 整流回路、２３４，４３４ 制御回路、４３１ａ，４３１ｂ 共振器接続スイッチ。

Claims (11)

1. 送電器と受電器の間で共鳴方式により電力を中継する電力中継装置であって、
   送電器または他の電力中継装置から電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段が受電した電力の一部を負荷に分配する分配手段と、
   前記分配手段に対し、他の電力中継装置と同期したタイミングで前記負荷への電力分配動作の開始および停止を指示する制御手段と、
   を備えることを特徴とする電力中継装置。
2. 前記分配手段は、
   前記負荷に接続され、前記受電手段が受電した電力の一部を取り出す受電コイルと、
   前記受電コイルと前記負荷を接続する電路を前記制御手段からの指示に従って開閉する受電スイッチと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力中継装置。
3. 前記受電手段は、所定の周波数で共振する共振器であり、
   前記共振器と前記受電コイルの相互インダクタンスは、前記送電器が送電する電力を生成する電源の出力インピーダンスと前記送電器の入力インピーダンスが一致するように決定した値であることを特徴とする請求項２に記載の電力中継装置。
4. 自装置および他の電力中継装置には、優先度および最小電力比率が設定されており、
   前記相互インダクタンスは、自装置および他の電力中継装置への電力分配比率を決定する第１処理と、前記受電器に近い電力中継装置から順番に、共振器と受電コイルの相互インダクタンスおよび電力中継装置への入力インピーダンスを算出し、全ての電力中継装置における共振器と受電コイルの相互インダクタンスおよび入力インピーダンスを算出する第２処理と、前記送電器が送電する電力を生成する電源の出力インピーダンスと前記送電器の入力インピーダンスを比較し、前記送電器の入力インピーダンスが前記電源の出力インピーダンスよりも大きい場合、送電器に隣接している電力中継装置から数えて奇数番目の電力中継装置のうち、前記決定した電力分配比率が前記最小電力比率よりも大きく、かつ前記優先度が最も低い電力中継装置の電力分配比率を下げ、前記送電器の入力インピーダンスが前記電源の出力インピーダンスよりも小さい場合、送電器に隣接している電力中継装置から数えて偶数番目の電力中継装置のうち、前記決定した電力分配比率が前記最小電力比率よりも大きく、かつ前記優先度が最も低い電力中継装置の電力分配比率を下げる第３処理と、を前記電源の出力インピーダンスと前記送電器の入力インピーダンスが一致するまで繰り返し実行して決定した値であること、
   を特徴とする請求項３に記載の電力中継装置。
5. 前記相互インダクタンスは、自装置および他の電力中継装置のうち、前記送電器に隣接している電力中継装置以外の各電力中継装置への電力分配比率を決定する第１処理と、前記受電器に近い電力中継装置から順番に、共振器と受電コイルの相互インダクタンスを算出し、前記送電器に隣接しているものを除いた残りの電力中継装置における、共振器と受電コイルの相互インダクタンスおよび電力中継装置への入力インピーダンスを算出する第２処理と、前記第２処理で算出した、送電器に隣接している電力中継装置に隣接している電力中継装置への入力インピーダンス、に基づいて、送電器に隣接している電力中継装置における共振器と受電コイルの相互インダクタンスを算出する第３の処理と、を実行して決定した値であること、
   を特徴とする請求項３に記載の電力中継装置。
6. 前記制御手段は、前記送電器による電力供給の開始タイミングおよび停止タイミングに同期して前記分配手段を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電力中継装置。
7. 前記制御手段は、前記送電器による電力供給の継続時間に基づいて、前記分配手段に前記電力分配動作を実行させるか否かを判断することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電力中継装置。
8. 送電器、受電器、および前記送電器と前記受電器の間で共鳴方式により電力を中継する１台以上の中継器により構成された無線電力伝送システムであって、
   前記中継器は、
   送電器または他の中継器から電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段が受電した電力の一部を負荷に分配する分配手段と、
   前記分配手段に対し、他の中継器と同期したタイミングで前記負荷への電力分配動作の開始および停止を指示する制御手段と、
   を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。
9. 送電器、受電器、共鳴方式により受電した電力を複数経路の中のいずれか一つの経路へ出力する経路切り替え器、および前記経路切り替え器と前記受電器の間で共鳴方式により電力を中継する１台以上の中継器により構成された無線電力伝送システムであって、
   前記経路切り替え器は、
   前記送電器から電力を受電して前記複数経路のいずれか一つを構成している中継器へ電力を伝送する電力中継手段と、
   前記電力中継手段が受電した電力の一部を負荷に分配する分配手段と、
   前記電力中継手段に対して電力の伝送経路を指示するとともに、前記分配手段に対し、前記負荷への電力分配動作の開始および停止を指示する制御手段と、
   を備え、
   前記中継器は、
   経路切り替え器または他の中継器から電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段が受電した電力の一部を負荷に分配する分配手段と、
   前記分配手段に対し、他の中継器と同期したタイミングで前記負荷への電力分配動作の開始および停止を指示する制御手段と、
   を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。
10. 前記経路切り替え器において、
    前記制御手段は、前記送電器による電力供給の開始タイミングおよび停止タイミングに同期して前記電力中継手段および前記分配手段を制御することを特徴とする請求項９に記載の無線電力伝送システム。
11. 前記制御手段は、前記送電器による電力供給の継続時間に基づいて、前記電力中継手段に電力を中継させる経路を判定するとともに、前記分配手段に前記電力分配動作を実行させるか否かを判断することを特徴とする請求項９または１０に記載の無線電力伝送システム。

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