JP2017184563A - 送受電システムおよび送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資すること。【解決手段】受電装置２０は、送電装置１０から送電された電力を受電する受電手段（カプラ２１）と、受電手段によって受電された電力を直流電力に整流する整流手段（整流器２３）と、整流手段によって得られた直流電力を入力し、一定の電圧の直流電力に変換して負荷に供給する変換手段（ＤＣ／ＤＣコンバータ２５）と、を有し、送電装置１０は、受電装置２０に対して電力を送電する送電手段（カプラ１２）と、変換手段の入力インピーダンスが所定の値になるように、送電手段が送電する電力を制御する制御手段（送電側制御部１４）と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、送受電システムおよび送電装置に関するものである。

送電装置と受電装置を有し、これらの間を無線で電力を伝送する送受電システムとしては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。

特許文献１に開示された技術では、負荷に印加される直流電圧および直流電流を検出し、検出したこれらの値に基づいて、送電側の整合回路を調整することで、送電効率を改善する技術が開示されている。

特開２０１２−１４７６５７号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、可変コンデンサや可変コイルを有する整合回路のインピーダンスを調整することで、送電効率の改善を図っているが、このような可変コンデンサや可変コイルは、例えば、素子値を調整するためのアクチュエータが必要になるとともに、素子自体がある程度の大きさを有することから、装置の小型化の阻害要因となるという問題点がある。また、可変コイルは銅損または鉄損等の損失が大きいことから、システム全体としての損失が大きくなるという問題がある。さらに、機械的な制御を行うことから、負荷の消費電力が時々刻々と変化する場合には、制御が追いつかない場合があるという問題点もある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資することが可能な送受電システムおよび送電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、電力を送電する送電装置と、前記送電装置から送電された電力を受電する受電装置とを有する送受電システムにおいて、前記受電装置は、前記送電装置から送電された電力を受電する受電手段と、前記受電手段によって受電された電力を直流電力に整流する整流手段と、前記整流手段によって得られた直流電力を入力し、一定の電圧の直流電力に変換して負荷に供給する変換手段と、を有し、前記送電装置は、前記受電装置に対して電力を送電する送電手段と、前記変換手段の入力インピーダンスが所定の値になるように、前記送電手段が送電する電力を制御する制御手段と、を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資することが可能となる。

また、本発明は、前記制御手段は、前記変換手段の前記入力インピーダンスが所定の閾値未満の場合には送電電力を増加させ、前記入力インピーダンスが所定の閾値以上の場合には送電電力を減少させることを特徴とする。
このような構成によれば、閾値との比較により、入力インピーダンスを一定の値に保つことができる。

また、本発明は、前記変換手段の入力電圧および入力電流を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記入力電圧および前記入力電圧に基づいて前記入力インピーダンスを算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、算出された入力インピーダンスに基づいて、変換手段の入力インピーダンスを一定に保つことができる。

また、本発明は、前記変換手段の入力電圧および入力電流を検出する検出手段と、前記入力インピーダンスが前記所定の値になる場合における、前記入力電圧と前記入力電流の関係を示す情報を格納する格納手段と、を有し、前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出された前記入力電流に対応する入力電圧を前記格納手段に格納されている情報から特定し、当該入力電圧になるように前記送電手段による送電電力を制御することを特徴とする。
このような構成によれば、格納手段に格納される情報に基づいて、変換手段の入力インピーダンスを一定に保つことができる。

また、本発明は、前記送電装置は前記受電装置に対して無線で電力を伝送することを特徴とする。
このような構成によれば、電力を無線送電する場合であっても、一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資することが可能になる。

また、本発明は、電力を送電する送電装置と、前記送電装置から送電された電力を受電手段で受電し、整流手段で直流電力に整流し、一定電圧の直流電力に変換手段で変換して負荷に供給する受電装置とを有する送受電システムの前記送電装置において、前記受電装置に対して電力を送電する送電手段と、前記変換手段の入力インピーダンスが所定の値になるように、前記送電手段が送電する電力を制御する制御手段と、を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資することが可能になる。

本発明によれば、一定範囲の負荷変動に対し、効率良く電力を送電するとともに、装置の小型化に資することが可能な送受電システムおよび送電装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る送受電システムの構成例を示すブロック図である。 従来の送受電システムの構成例を示すブロック図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの特性を示す図である。 図１に示す送電装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示す受電装置の動作を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）本発明の実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係る送受電システムの構成例を示すブロック図である。図１に示す送受電システムは、送電装置１０および受電装置２０を有しており、送電装置１０から無線により受電装置２０に電力を送電する。図１の例では、送電装置１０は、ＲＦ（Radio Frequency）電源１１、カプラ１２、受信部１３、および、送電側制御部１４を有している。また、受電装置２０は、カプラ２１、整合器２２、整流器２３、キャパシタ２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５、負荷２６、電圧・電流検出部２７、受電側制御部２８、および、送信部２９を有している。

ここで、ＲＦ電源１１は、例えば、ＭＨｚ帯域の高周波電源によって構成され、高周波の交流電力を生成してカプラ１２に供給する。カプラ１２は、例えば、２枚の矩形電極およびコイルによって構成され、ＲＦ電源１１が出力する高周波電力の周波数を共振周波数に持ち、電界によって電力をカプラ２１に送電する。受信部１３は、送信部２９から送信される光または電波を媒体とする信号を受信し、送電側制御部１４に供給する。送電側制御部１４は、受信部１３によって受信される情報を参照して、ＲＦ電源１１が出力する電力を制御する。

カプラ２１は、例えば、２枚の矩形電極およびコイルによって構成され、カプラ１２と同じ共振周波数を有し、カプラ１２から電界によって送電された電力を受電して、整合器２２以降の回路に供給する。整合器２２は、例えば、インダクタとコンデンサによるＬＣ回路によって構成され、定格負荷が接続されたときの整流器２３の入力インピーダンスとカプラ２１のインピーダンスとが整合するように調整する。

整流器２３は、例えば、ダイオードによるブリッジ回路によって構成され、整合器２２から出力される交流電力を直流電力に変換して出力する。

キャパシタ２４は、例えば、電解コンデンサによって構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５に供給する電力を蓄電し、負荷２６が急激に変化した場合でも、電圧変動を抑え、制御系の安定性を向上させる働きをする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、キャパシタ２４から供給される直流電力を所定の電圧（一定の電圧）まで昇圧または降圧して負荷２６に供給する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、負荷２６の消費電力が変動した場合でも出力電圧が一定となるように制御する。

負荷２６は、例えば、二次電池を充電する充電装置またはパーソナルコンピュータ等によって構成される。なお、本明細書中では、負荷２６としては、消費電力が時間的に変動するものを想定している。

電圧・電流検出部２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧および入力電流を検出し、受電側制御部２８に供給する。

受電側制御部２８は、電圧・電流検出部２７によって検出された入力電圧および入力電流に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスを算出し、この入力インピーダンスを示す情報を、送信部２９を介して送電装置１０に送信する。

送信部２９は、受電側制御部２８から供給された入力インピーダンスを示す情報を、例えば、光または電波により受信部１３に対して送信する。

（Ｂ）本発明の実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の実施形態の動作について説明する。なお、以下では、図２を参照して、従来技術の動作について説明した後に、本発明の実施形態の動作について説明する。

図２は、従来技術の構成を示す図である。なお、図２において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図２では、図１と比較すると、送電装置１０では、受信部１３および送電側制御部１４が除外され、反射電力検出部４１、可変整合器４２、および、出力電力設定部４３が追加されている。ここで、反射電力検出部４１は、受電装置２０から反射される反射電力を検出して出力電力設定部４３に供給する。可変整合器４２は、例えば、可変コイルおよび可変コンデンサによって構成され、これらの可変要素を調整することで、送電装置１０のインピーダンスを調整する。出力電力設定部４３は、反射電力検出部４１によって検出された反射電力に基づいてＲＦ電源１１の出力を制御する。

一方、受電装置２０では、整合器２２、キャパシタ２４、電圧・電流検出部２７、受電側制御部２８、および、送信部２９が除外され、可変整合器５１が追加されている。ここで、可変整合器５１は、例えば、可変コイルおよび可変コンデンサによって構成され、これらの可変要素を調整することで、受電装置２０のインピーダンスを調整する。

図２に示す従来構成では、ＲＦ電源１１から出力される高周波電力は、可変整合器４２によってインピーダンスが調整された後、カプラ１２を介して受電装置２０に対して送電される。受電装置２０では、カプラ２１によって電力を受電し、可変整合器５１によってインピーダンスを調整した後、整流器２３によって直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、整流器２３から供給される直流電力を所定の電圧の直流電力に昇圧または降圧した後、負荷２６に供給する。

ところで、図２に示す従来の送受電システムでは、負荷２６の消費電力（負荷２６の抵抗値）が変動した場合、送電装置１０から見た、受電装置２０のインピーダンスが変化することから、インピーダンスの不整合が生じる。このため、送電した電力の一部が反射され、送電装置１０に戻される場合がある。このような場合には、ＲＦ電源１１に反射される電力が入力されるので、伝送効率が低下したり、反射電力の大きさによってはＲＦ電源１１が損傷されたりすることがある。そこで、負荷２６が変動した場合には、可変整合器４２または可変整合器５１を調整して、インピーダンスを整合させることが行われていた。しかしながら、このような調整を自動で行うためには、可変整合器４２，５１の可変要素を調整するためのアクチュエータが必要になり、また、機械的な要素が動作することから、調整には時間を要するという問題点がある。

そこで、本発明の実施形態では、図１に示す負荷２６が変動した場合には、ＲＦ電源１１の出力電力を調整することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスが一定になるように制御する。このような構成によれば、インピーダンスの整合を機械的な要素で行う必要がなくなるので、図２に示す可変整合器４２，５１を除外することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスを任意の値に設定することができるので、整合器２２としては、素子値が固定の、たとえば簡素なＬＣ整合回路とすることができる。

図１に示す実施形態の動作について、以下に詳細に説明する。図３は、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２５の特性を示す図である。この図３の上欄に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧Ｖｏｕｔは、負荷２６の変動に拘わらず約２０Ｖで略一定である。また、負荷２６の素子値Ｒが小さくなると、出力電流Ｉｏｕｔが増加するとともに、出力電力Ｐｏｕｔが増加する。また、図３の下欄の左側に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎを変化させると、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率と入力インピーダンスＺｉｎが変化している事がわかる。想定する負荷の変動範囲（ここでは１３〜５０Ｗ）においてＤＣ／ＤＣコンバータが高い効率を発揮し、一定の入力インピーダンスＺｉｎを示す値を探すと、図３に破線で示すように、Ｚｉｎは約５０Ωの値を取る。入力インピーダンスＺｉｎを５０Ωに近い値に保った場合の効率はおおむね８５％以上となる。

そこで、図１に示す実施形態では、電圧・電流検出部２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎを検出し、受電側制御部２８に供給する。受電側制御部２８は、入力電圧Ｖｉｎと入力電流Ｉｉｎに基づいて、入力インピーダンスＺｉｎ（＝Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）を算出する。入力インピーダンスＺｉｎを算出すると、受電側制御部２８は、算出した入力インピーダンスＺｉｎを示す情報を、送信部２９を介して送電装置１０に送信する。

送電装置１０では、受信部１３が送信部２９から送信された情報を受信し、送電側制御部１４に供給する。送電側制御部１４は、受信部１３から供給される入力インピーダンスを示す情報を参照して、ＲＦ電源１１の出力電力を設定する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスが５０Ωよりも小さくなった場合、ＲＦ電源１１の出力電力を増加することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧を増加させ、入力インピーダンスを増加させる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスが５０Ωよりも大きくなった場合、ＲＦ電源１１の出力電力を減少することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧を減少させ、入力インピーダンスを減少させることができる。

以上のような制御を行うことで、負荷２６の変動に拘わらず、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスＺｉｎを略５０Ωに一定に保つことができるので、負荷２６の変動により、入力インピーダンスが変化して、受電装置２０から送電装置１０への反射電力が増加することを防止できる。

つぎに、図４を参照して、図１に示す送電装置１０において実行される処理の一例について説明する。図４に示すフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ１０では、受電側制御部２８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎを検出する。より詳細には、受電側制御部２８は、電圧・電流検出部２７の出力を参照し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎを検出する。

ステップＳ１１では、受電側制御部２８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電流Ｉｉｎを検出する。より詳細には、受電側制御部２８は、電圧・電流検出部２７の出力を参照し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電流Ｉｉｎを検出する。

ステップＳ１２では、受電側制御部２８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスを計算する。より詳細には、受電側制御部２８は、ステップＳ１０で検出した入力電圧Ｖｉｎを、ステップＳ１１で検出した入力電流Ｉｉｎによって除算することで、入力インピーダンスＺｉｎ（＝Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）を得る。

ステップＳ１３では、受電側制御部２８は、ステップＳ１２で算出した入力インピーダンスを示す情報を、送信部２９を介して送電装置１０に送信する。この結果、後述する、図５に示すステップＳ３０の処理において、送電装置１０がこの情報を受信する。

ステップＳ１４では、受電側制御部２８は、処理を終了するか否かを判定し、終了しないと判定した場合（ステップＳ１４：Ｎ）にはステップＳ１０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ１４：Ｙ）には処理を終了する。

つぎに、図５を参照して、図１に示す受電装置２０において実行される処理の一例について説明する。図５に示すフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ３０では、受信部１３は、受電装置２０の送信部２９から送信された入力インピーダンスＺｉｎを示す情報を受信する。

ステップＳ３１では、送電側制御部１４は、ステップＳ３０において受信部１３が受信した情報に基づいて、入力インピーダンスＺｉｎが５０Ωよりも大きいか否かを判定し、５０Ωよりも大きいと判定した場合（ステップＳ３１：Ｙ）にはステップＳ３２に進み、それ以外の場合（ステップＳ３１：Ｎ）にはステップＳ３３に進む。

ステップＳ３２では、送電側制御部１４は、ＲＦ電源１１の出力電力を所定量下げる制御を実行する。例えば、送電側制御部１４は、ＲＦ電源１１の出力電力を１Ｗ下げる制御を実行する。この結果、ＲＦ電源１１の出力電力が下げられるので、受電装置２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎが低下し、その結果として、入力インピーダンスＺｉｎの値が小さくなる。

ステップＳ３３では、送電側制御部１４は、ステップＳ３０において受信部１３が受信した情報に基づいて、入力インピーダンスＺｉｎが５０Ωよりも小さいか否かを判定し、５０Ωよりも小さいと判定した場合（ステップＳ３３：Ｙ）にはステップＳ３４に進み、それ以外の場合（ステップＳ３３：Ｎ）にはステップＳ３５に進む。

ステップＳ３４では、送電側制御部１４は、ＲＦ電源１１の出力電力を所定量上げる制御を実行する。例えば、送電側制御部１４は、ＲＦ電源１１の出力電力を１Ｗ上げる制御を実行する。この結果、ＲＦ電源１１の出力電力が上げられるので、受電装置２０のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電圧Ｖｉｎが増加し、その結果として、入力インピーダンスＺｉｎの値が大きくなる。

ステップＳ３５では、送電側制御部１４は、処理を終了するか否かを判定し、終了しないと判定した場合（ステップＳ３５：Ｎ）にはステップＳ３０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返し、それ以外の場合（ステップＳ３５：Ｙ）には処理を終了する。

以上のフローチャートの処理は、所定の間隔（例えば、数ミリ秒〜数秒間隔）で実行され、入力インピーダンスＺｉｎが５０Ωよりも小さい場合にはＲＦ電源１１の出力電力が増加され、入力インピーダンスＺｉｎが５０Ωよりも大きい場合にはＲＦ電源１１の出力電力が減少される処理が繰り返し実行される。この結果、入力インピーダンスＺｉｎは５０Ωに維持されることになる。

以上の実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスが一定になるように、送電電力を設定するようにしたので、インピーダンス不整合に基づく反射電力を減少させ、効率のよい電力伝送を行うことができる。

また、以上の実施形態によれば、図２に示す従来技術が有する可変整合器４２，５１を除外し、素子値が固定の整合器２２を用いることができるので、可変コンデンサもしくは可変コイルおよびアクチュエータを除外することで、装置の構成を小型化するとともに、負荷２６の変動に迅速に対応することができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、送電装置１０と受電装置２０の間は電界によって電力を送電するようにしたが、磁界によって伝送するようにしてもよい。また、無線で伝送するのではなく、有線によって伝送するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力インピーダンスＺｉｎを検出し、検出した入力インピーダンスＺｉｎに応じて、ＲＦ電源１１の出力電力を制御するようにしたが、例えば、出力電圧を制御するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、入力インピーダンスＺｉｎを受電装置２０で算出し、送電装置１０に送信するようにしたが、入力電圧および入力電流を受電装置２０で検出し、入力インピーダンスＺｉｎは送電装置１０において算出するようにしてもよい。あるいは、所望の入力インピーダンスＺｉｎと現在値との差分値を受電装置２０で求めて、この差分値を送電装置１０に対して送るようにしたり、差分値から電力の増減値を求めて電力の増減値を送電装置１０に対して送電したりしてもよい。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力電流Ｉｉｎと、入力電圧Ｖｉｎおよび、入力インピーダンス設定値ＺｓｖからＤＣ／ＤＣコンバータ入力電圧設定値Ｖｓｖは Ｖｓｖ＝√(Ｖｉｎ×Ｉｉｎ×Ｚｓｖ) で求めることができる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ入力インピーダンス設定値Ｚｓｖは、負荷変動範囲で、効率の高い範囲から選んだ一定のインピーダンスの値であり、図３のＤＣ／ＤＣコンバータの例では、略５０Ωである。前記の式より、入力電圧Ｖｉｎが入力電圧設定値ＶｓｖになるようにＲＦ電源１１の出力電力を制御するようにしてもよい。

１ 送受電システム
１０ 送電装置
１１ ＲＦ電源
１２ カプラ（送電手段）
１３ 受信部
１４ 送電側制御部（制御手段）
２０ 受電装置
２１ カプラ（受電手段）
２２ 整合器
２３ 整流器（整流手段）
２４ キャパシタ
２５ ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換手段）
２６ 負荷
２７ 電圧・電流検出部（検出手段、電流検出手段）
２８ 受電側制御部（算出手段、格納手段）
２９ 送信部

Claims (6)

1. 電力を送電する送電装置と、前記送電装置から送電された電力を受電する受電装置とを有する送受電システムにおいて、
   前記受電装置は、
   前記送電装置から送電された電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段によって受電された電力を直流電力に整流する整流手段と、
   前記整流手段によって得られた直流電力を入力し、一定の電圧の直流電力に変換して負荷に供給する変換手段と、を有し、
   前記送電装置は、
   前記受電装置に対して電力を送電する送電手段と、
   前記変換手段の入力インピーダンスが所定の値になるように、前記送電手段が送電する電力を制御する制御手段と、を有する、
   ことを特徴とする送受電システム。
2. 前記制御手段は、前記変換手段の前記入力インピーダンスが所定の閾値未満の場合には送電電力を増加させ、前記入力インピーダンスが所定の閾値以上の場合には送電電力を減少させることを特徴とする請求項１に記載の送受電システム。
3. 前記変換手段の入力電圧および入力電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された前記入力電圧および前記入力電圧に基づいて前記入力インピーダンスを算出する算出手段と、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の送受電システム。
4. 前記変換手段の入力電圧および入力電流を検出する検出手段と、
   前記入力インピーダンスが前記所定の値になる場合における、前記入力電圧と前記入力電流の関係を示す情報を格納する格納手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出された前記入力電流に対応する入力電圧を前記格納手段に格納されている情報から特定し、当該入力電圧になるように前記送電手段による送電電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の送受電システム。
5. 前記送電装置は前記受電装置に対して無線で電力を伝送することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の送受電システム。
6. 電力を送電する送電装置と、前記送電装置から送電された電力を受電手段で受電し、整流手段で直流電力に整流し、一定電圧の直流電力に変換手段で変換して負荷に供給する受電装置とを有する送受電システムの前記送電装置において、
   前記受電装置に対して電力を送電する送電手段と、
   前記変換手段の入力インピーダンスが所定の値になるように、前記送電手段が送電する電力を制御する制御手段と、を有する、
   ことを特徴とする送電装置。

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