JP2017093174A - 給電システム、及び給電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送電デバイスと受電デバイスとの間の伝送距離が可変になっても、高効率での電力伝送を可能にする給電システム、及び給電システムの制御方法を提供する。【解決手段】受電コイルを有する受電デバイスに対して送電コイルを有する送電デバイスから電力伝送を行う給電システムであって、前記送電デバイスは、複数の前記送電コイルと、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、給電システム、及び給電システムの制御方法に関する。

ワイヤレス給電システムを用いて行う電力伝送は、２００６年のＭＩＴ（Massachusetts Institute of Technology）による磁界共振方式の発表を皮切りに世界中で開発が進められており、実用化間近の技術となっている。磁界共振方式を用いたワイヤレス給電システムは、例えば特許文献１、２に記載の構成を有している。

この構成とは、送電デバイス及び受電デバイス各々を構成するコイルのインダクタンス及びコンデンサの容量（ＬＣ回路を構成する回路素子の回路定数）を、両デバイス間の予め設定された伝送距離において伝送効率が最大となるように回路計算により算出する。そして、算出された回路定数を有する回路素子を予めＬＣ回路の回路素子として選定する構成である。

特開２０１４−１７６１２２号公報 特開２０１２−２４４７６３号公報

特許文献１、２に記載の給電システムでは、伝送距離が選定された距離において一定の場合は伝送効率を最大として使用できるため、問題はない。しかしながら、伝送距離が変化する場合には、予め設定された伝送距離に対して遠くても、近くても伝送効率が低下するという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、送電デバイスと受電デバイスとの間の伝送距離が可変になっても、高効率での電力伝送を可能にする給電システム、及び給電システムの制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の給電システムは、受電コイルを有する受電デバイスに対して送電コイルを有する送電デバイスから電力伝送を行う給電システムであって、前記送電デバイスは、複数の前記送電コイルと、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する制御部と、を備える、ことを特徴とする。

また、本発明の給電システムにおいて、前記制御部は、前記受電コイルから前記送電コイルへの反射信号が予め設定された閾値以下になったか否かを判定する反射判定部と、前記反射判定部が閾値以下になったと判定した場合、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを選択する切替制御部と、を有する、ことを特徴とする。

また、本発明の給電システムにおいて、前記複数の前記送電コイルは、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の送電コイルから構成されるコイル群であって、前記コイル群の内側から数えて第ｎ番目の送電コイルの内周側に、第（ｎ−１）番目の送電コイルが配置されている、ことを特徴とする。

また、本発明の給電システムの制御方法は、受電コイルを有する受電デバイスに対して送電コイルを有する送電デバイスから電力伝送を行う給電システムの制御方法であって、制御部が、複数の送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する、ことを特徴とする。

本発明では、送電デバイスに複数のコイルを用い、かつそれを距離に応じて切り換えることにより、電力伝送を行う。これにより、本発明によれば、送電デバイスと受電デバイスとの間の伝送距離が可変になっても、高効率での電力伝送を可能にする給電システム、及び給電システムの制御方法を提供することができる。

本実施形態に係る給電システム１の概略構成図である。 送電デバイス１０の回路構成図である。

（本発明の概要）
本発明は、上記ワイヤレス電力伝送の磁界共振方式の欠点を補うと共に、ワイヤレス電力伝送の建築空間利用を前提とした実装方法に関するものである。送電デバイス及び受電デバイスが、任意の距離で伝送効率を最大化するためには、送電デバイスを構成する回路素子のパラメータを適切に調整する必要があるが、そのためにはコイルの巻き数や径を変えることで可能になる。すなわち、複数のコイルを用いて切り替えればよい。そのとき、建築空間での利用、床、壁、天井への敷設を考えると、コイル配置はできるだけ薄く、かつ広がらないようにした方が良い。
そこで、本発明では、複数のコイルを入れ子に配置し、受電用デバイスの位置に応じて適切に回路切り替えることで、建築空間での実装に適した回路配置を可能にする。
また、回路の切り替えは、一定間隔で随時行ない、送電デバイスでの反射を計測しておき、反射が最も小さくなる、すなわち最も電力伝送ができている回路を、その時点での最大効率回路として選択する。送電デバイスと受電デバイスとの間の距離が一定ならば、反射も一定なので、反射がある閾値を越えて変化した時に、受電デバイスが移動したとし、回路の切り替えをやり直す。

（本発明の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係る給電システム１の概略構成図である。図１（Ａ）は、給電システム１における送電デバイス１０及び受電デバイス２０の概略構成を示す図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す壁３０に対する送電コイル１１１〜送電コイル１１３の配置を示す図である。
図１（Ａ）に示すように、給電システム１では、受電デバイス２０が送電デバイス１０を構成するコイル群１１が配置された壁３０から伝送距離Ｄだけ離れた位置に置かれている。これにより、送電デバイス１０から受電デバイス２０に対しての電力伝送が行われる。
送電デバイス１０は、コイル群１１と、可変コンデンサ１２と、切替回路１３と、制御部１４と、交流電源１５と、を含んで構成される。
送電デバイス１０は、コイル群１１に含まれる１つの送電コイルと可変コンデンサ１２とからなるＬＣ回路（以下、送電用ＬＣ回路という）を利用して、受電デバイス２０に対して、磁界を用いた電力伝送を行う機能を有している。

コイル群１１は、図１（Ｂ）に示すように、複数の（３個の）送電コイルが壁３０に対して入れ子構造で形成されている。ここで、入れ子構造とは、外径、及び内径の異なる複数の送電コイルを外径の大きさの順に電気的に接続されることなく独立に入れ込んで、コイル群１１として一体化した構造をいう。図１（Ａ）では、コイル群１１は、外径、及び内径が最大の送電コイル１１３、外径、及び内径が次に大きい送電コイル１１２、外径、及び内径が最小の送電コイル１１１から構成されている。
なお、コイル群１１は３個の送電コイルで構成されているが、２個以上の複数であれば、４個以上あっても構わない。すなわち、コイル群１１は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の送電コイルから構成されるコイル群１１であって、コイル群１１の内側から数えて第ｎ番目の送電コイルの内周側に、第（ｎ−１）番目の送電コイルが配置されている。図１（Ａ）では、ｎ＝３の場合を示しており、送電コイル１１３（コイル群１１の内側から数えて第３番目の送電コイル）の内周側に送電コイル１１２（第２番目の送電コイル）が配置され、送電コイル１１２（コイル群１１の内側から数えて第２番目の送電コイル）の内周側に送電コイル１１１（第１番目の送電コイル）が配置されている。ここで、コイル群１１を構成する各送電コイルの配置ができるだけ広がらないようにするため、図１（Ｂ）に示すように、各送電コイルの中心部Ｃを共通にすることが望ましい。
また、このような入れ子構造のコイル群１１は、コイル群１１を構成する各送電コイルの配置をできるだけ薄くするため、平面上に配置することができる。
もちろん、コイル群１１を、入れ子構造としたが、これに限らず、送電コイルが互いに隣接するように配置する構造としてもよい。
なお、送電コイルの巻き数は、各送電コイルにおいて異なってもよいし、同一であってもよいが、図１（Ａ）では、各送電コイルを一巻で示している。また、図１（Ａ）では、各送電コイルの形状を四角形で示しているが、コイルとしての機能を発揮できれば、各送電コイルの形状は三角形などの多角形や、楕円等を含む円形の形状であっても構わない。

制御部１４は、反射判定部１４０と、容量制御部１４１と、切替制御部１４２と、を含んで構成される。
可変コンデンサ１２は、容量が変化可能なコンデンサである。制御部１４における容量制御部１４１は、コイル群１１のうちのある一つの送電コイルと可変コンデンサ１２とから構成される送電用ＬＣ回路のインピーダンス値を制御する際、可変コンデンサ１２の容量を変化させる。
切替回路１３は、コイル群１１のうちのある一つの送電コイルと、交流電源１５及び容量が変化された可変コンデンサ１２との接続を行う回路である。制御部１４の反射判定部１４０が受電デバイス２０から反射される反射信号のレベルを判定し、判定結果に応じて制御部１４における切替制御部１４２が切替回路１３による接続を制御する。
交流電源１５は、送電デバイス１０から受電デバイス２０に対して送電する電力を発生する電源である。

受電デバイス２０は、受電コイルとコンデンサとから構成されるＬＣ回路（以下、受電用ＬＣ回路という）を有し、更に受電用ＬＣ回路に接続される負荷を有している。受電デバイス２０は、一例として、携帯電話などの電子機器であり、負荷は２次電池などの充電器である。受電デバイス２０は、受電用ＬＣ回路を利用して、送電デバイス１０から伝送された電力を受け取る機能を有している。
ここで、本実施形態において、伝送効率とは、交流電源１５が供給する電力に対する受電用ＬＣ回路に接続される負荷が消費する電力として定義される。また、伝送効率が最大となるように、ＬＣ回路を構成する回路素子の回路定数が、すなわち送電用ＬＣ回路の送電コイルのインダクタンス（インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３）及びコンデンサの容量（容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が、両デバイス間の予め設定された伝送距離（後述する伝送距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）に対して回路計算により予め算出されている。

図２は、送電デバイス１０の回路構成図である。
切替回路１３は、切替部１３１及び切替部１３２とから構成される。切替部１３１は、切替制御部１４２が出力する切替制御信号により、送電コイル１１１から送電コイル１１３のうちの１つの送電コイルを交流電源１５に接続する。また、切替部１３２は、切替制御部１４２が出力する切替制御信号により、送電コイル１１１から送電コイル１１３のうちの１つの送電コイルを可変コンデンサ１２に接続する。

制御部１４の反射判定部１４０は、一定間隔で受電デバイス２０から反射される反射信号のレベルを判定する。反射信号のレベルが最も小さくなるときが、送電用ＬＣ回路が最も電力伝送ができているとき、すなわち給電システム１の伝送効率が最も高くなるときである。
ここで、反射判定部１４０が判定する反射信号のレベルは、伝送距離ＤがＤ１±ΔＤ１、Ｄ２±ΔＤ２、Ｄ３±ΔＤ３の範囲内のとき、それぞれ所定の閾値ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３以下になるものとする。
また、切替制御部１４２は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ１以下のとき、切替制御信号１を出力する。すなわち、切替制御部１４２は、送電コイル１１１〜送電コイル１１３のうちの一つの送電コイル１１１を選択して送電コイル１１１のインダクタンスをインダクタンスＬ１にする。また、容量制御部１４１は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ１以下のとき、可変コンデンサ１２の容量を容量Ｃ１に変化させる。
また、切替制御部１４２は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ２以下のとき、切替制御信号２を出力する。すなわち、切替制御部１４２は、送電コイル１１１〜送電コイル１１３のうちの一つの送電コイル１１２を選択して送電コイル１１２のインダクタンスをインダクタンスＬ２にする。また、容量制御部１４１は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ２以下のとき、可変コンデンサ１２の容量を容量Ｃ２に変化させる。
また、切替制御部１４２は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ３以下のとき、切替制御信号３を出力する。すなわち、切替制御部１４２は、送電コイル１１１〜送電コイル１１３のうちの一つの送電コイル１１３を選択して送電コイル１１３のインダクタンスをインダクタンスＬ３にする。また、容量制御部１４１は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶ３以下のとき、可変コンデンサ１２の容量を容量Ｃ３に変化させる。

これにより、給電システム１の伝送効率が最も高くなるときの、送電用ＬＣ回路を受電コイルと送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択することができる。
また、送電用ＬＣ回路の選択は、反射信号のレベルが所定の閾値ΔＶを越えて変化した場合に、受電デバイス２０が移動したものとし、送電コイル１１１〜送電コイル１１３のうちの一つの送電コイルの再選択、及び可変コンデンサ１２の容量の再調整を行う。
これにより、給電システム１の伝送効率が最も高くなるときの、送電用ＬＣ回路が再選択される。

以上説明したように、本発明は、受電コイルを有する受電デバイス２０に対して送電コイルを有する送電デバイス１０から電力伝送を行う給電システム１であって、前記送電デバイスは、送電コイル１１１〜送電コイル１１３（複数の前記送電コイル）と、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する制御部１４と、を備える。
また、前記制御部は、前記受電コイルから前記送電コイルへの反射信号が予め設定された閾値以下になったか否かを判定する反射判定部１４０と、前記反射判定部が閾値以下になったと判定した場合、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを選択する切替制御部１４２と、を有する。
これにより、本発明では、送電デバイス１０側に複数のコイルを用い、かつそれを切り換えることで、受電デバイス２０との距離が可変になっても、高効率での電力伝送が可能になる。

また、前記複数の前記送電コイルは、ｎ＝３（ｎは２以上の自然数）個の送電コイルから構成されるコイル群１１であって、コイル群１１の内側から数えて第３番目の送電コイル１１３の内周側に、第２番目の送電コイル１１２が配置され、コイル群１１の内側から数えて第２番目の送電コイル１１２の内周側に、第１番目の送電コイル１１１が配置されている。
これにより、本発明では、複数のコイルの床、壁、天井への実装に際し、入れ子構造を用いることで、建築的な制約の中でも適切なコイル配置が可能になる。

上述した実施形態における制御部１４をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、受電デバイスの位置を、屋内ＧＰＳやＲＦＩＤタグなど、他の位置情報取得装置を使ってより正確な位置を割り出し、その割り出した位置に応じて適切に回路を切り替える構成としてもよい。
また、上記実施形態の説明では、送電コイルの送電先である受電コイル側の負荷として、携帯端末の充電器などを例にとって説明したが、受電コイル側の負荷はこれらに限られない。受電コイル側の負荷としては、例えば、間接照明機器やコピー機など、人が離れていても給電して駆動させることに意味がある電子機器、かつ、蓄電デバイスを有しない電子機器であってもよい。すなわち、受電対象は、実施例で説明した電子機器に限定されるものではないことは言うまでもない。

１…給電システム、１０…送電デバイス、１１…コイル群、１２…可変コンデンサ、１３…切替回路、１４…制御部、１５…交流電源、２０…受電デバイス、３０…壁、１１１，１１２，１１３…送電コイル、１３１，１３２…切替部、１４０…反射判定部、１４１…容量制御部、１４２…切替制御部

Claims (4)

1. 受電コイルを有する受電デバイスに対して送電コイルを有する送電デバイスから電力伝送を行う給電システムであって、
   前記送電デバイスは、
   複数の前記送電コイルと、
   複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する制御部と、
   を備える、
   ことを特徴とする給電システム。
2. 前記制御部は、
   前記受電コイルから前記送電コイルへの反射信号が予め設定された閾値以下になったか否かを判定する反射判定部と、
   前記反射判定部が閾値以下になったと判定した場合、複数の前記送電コイルのうちの１つの送電コイルを選択する切替制御部と、
   を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。
3. 前記複数の前記送電コイルは、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の送電コイルから構成されるコイル群であって、前記コイル群の内側から数えて第ｎ番目の送電コイルの内周側に、第（ｎ−１）番目の送電コイルが配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給電システム。
4. 受電コイルを有する受電デバイスに対して送電コイルを有する送電デバイスから電力伝送を行う給電システムの制御方法であって、
   制御部が、複数の送電コイルのうちの１つの送電コイルを、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の伝送距離に応じて選択する、
   ことを特徴とする給電システムの制御方法。

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