JP2017220960A

JP2017220960A - 無線給電方法

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Publication number: JP2017220960A
Application number: JP2016111201A
Authority: JP
Inventors: 谷　博之; Hiroyuki Tani; 博之谷; 耕一反田; Koichi Handa
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: CN107465273B; CN107465273A; JP6437954B2; EP3252922A1; US20170353052A1; EP3252922B1; US10069339B2

Abstract

【課題】複数の送電部からの送電電波が互いに干渉することなく無線給電することができる無線給電方法を提供する。
【解決手段】複数の送電部２０３は受電機器２０４の受電した電力量を無線により取得しながら、受電電力が最大となる方向へ送電方向を調整するとともに、その位相を調整するにより、複数の送電部２０３における電波干渉を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波（マイクロ波）により電力をワイヤレスで送電する無線給電方法に関するものである。

近年、電磁波により電力を伝送し、ワイヤレスで給電する技術の開発が進んでいる。電
磁波によるワイヤレス給電技術の一例としては、数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数帯の電磁波を用い、電磁誘導又は磁気共鳴といった数ｍ以下の近距離で磁界の結合又は共鳴を用いる方法がある。

また、送電装置から受電装置までの距離が遠方である場合のワイヤレス電力伝送方法として、マイクロ波を用いたシステムがある。数百ＭＨｚから数ＧＨｚのマイクロ波ビームを用いることで、電力を遠方の受電装置まで伝送することが可能となる。このようなワイヤレス電力伝送システムの一例として、太陽光パネルを搭載した人工衛星を赤道上空へ打ち上げ、太陽光によって発電した電力を地上の受電装置へ送電する宇宙太陽光発電システムや遠方の離島へ配置された受電装置へ送電するシステム等がある。

前記のようなマイクロ波による電力伝送方法は、他方式に比べて、送電距離の自由度が高いという特徴を有し、比較的近距離において、電気自動車又はロボット、又は様々な無線端末の電源としてマイクロ波給電を用いることができる。特に、数ｍW〜数Wレベルの電力を用いるセンサ又はモバイル機器の充電又は電池交換を不要とすることを目指し、空間に配置された前記の機器へマイクロ波を放射し、無線により電力供給する方法が提案されている。

しかしながら、マイクロ波給電は空間へ電波を放射するため、放射した電力をすべて回収して使用することは困難であり、効率が低いという問題がある。これに対し、電力を受信する側の機器と送電システムとの間で情報通信し、空間の中でもっとも効率的に送電できる経路を算出し、その方向へマイクロ波を送電するという方法が提供されている(特許文献１)。

図８は従来のマイクロ波給電方法を示す図である。送電部１０１は受電機器１０２との間でマイクロ波を送電し、最も効率的に送電できる経路１０３を算出し、その経路１０３を通る方向へマイクロ波の送電方向を制御することで効率的な送電を実現している。

特開２０１４−２２３０１８号公報

しかしながら、従来の無線給電方法では、広い空間で利用することを想定すると、単一の送電部では、当該送電部と受電機器との距離が離れることにより電波が減衰し、効率が低下するという問題があり、また、複数の受電機器が存在するような環境においては、単一の送電経路では経路を順次切り替える必要があり、連続的に電力供給することが困難である。従って、広い空間で多数存在する受電機器への無線給電においては、複数の送電部を配置し、それぞれの送電部の送電方向を複数機器に効率的に送電できる方向へ制御するとともに、複数の送電部を配置することによる、それぞれの送電部の電波干渉の問題を解決する必要がある。

従って、本発明は、複数の送電部を用いて複数の受電機器へ効率的に送電するとともに、複数の送電部からの送電電波が互いに干渉することなく無線給電することができる無線給電方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる無線給電方法は、複数の送電部と複数の受電機器との間で電力伝送する無線給電方法であって、
前記複数の送電部はそれぞれの送電範囲において、送電対象となる一つ以上の前記受電機器の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる方向へ送電方向を調整するとともに、調整された送電方向へ送電し、
他の送電部の送電対象となる受電機器が受電する漏洩電力量を取得し、
全ての送電部について前記送電方向の調整と前記漏洩電力量とを取得した上で、その調整された送電方向への送電を行い、
前記漏洩電力量が大きい送電部から、順次、その漏洩電力を受電した受電機器を送電対象とする送電部との二つの送電部間において、
この二つの送電部が送電対象とする受電機器の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる位相へ、前記二つの送電部のどちらか一方の送電電波の位相を調整する。

以上のように、本発明の前記態様にかかる無線給電方法は、複数の送電部からの送電電波が互いに干渉することなく無線給電することができる。

本発明の実施形態にかかる無線給電方法を示す説明図全体の流れを示す図送電部に対応した受電機器を認識する方法を示す説明図送電部に対応した受電機器を認識する方法を示す説明図送電方向を決定する方法を示す説明図位相調整方法を示す説明図他機器への漏洩電力取得方法を示す説明図従来の無線給電方法を示す説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（全体の構成）
図１は、本実施の形態における無線給電方法を示す図である。この無線給電方法は、複数の送電部２０３と複数の受電機器２０４との間で電力伝送するものである。

各送電部２０３は、マイクロ波を放射する送電アンテナ２０１と、マイクロ波を発生し、その位相及び送電方向を制御する発振制御部２０２とで構成される。すべての送電部２０３は管理部（無線給電制御部）２０６と接続されて、送電システム２０７を構成している。

また、各送電部２０３からの給電対象となる複数の受電機器２０４は、送電システム２０７のいずれかの送電部２０３から放射された電波を受電し、直流電力へ変換後、自らの電源あるいは電池への充電電力として活用するものとする。

また、本実施の形態では、送電部２０３は、複数個存在し、一例として格子状に配置されるものとし、それぞれ送電範囲２０５を保有しているものとする。ここでは、送電範囲２０５は、理解しやすくするため、直方体形状で図示しているが、これに限られるものではない。

また、複数の受電機器２０４は、各送電部２０３の送電範囲２０５内の任意の位置に配置されており、その場所、個数は分からないものとし、それぞれの受電機器２０４は、固有のＩＤ情報を保有しており、そのＩＤ情報及び各送電部２０３から放射された電波を受電した際の受電電力量を、無線通信により、各送電部１０１へ伝達できるものとする。それぞれの送電部１０１は、それぞれの受電機器２０４から取得したデータを管理部２０６へ情報伝達する。

管理部２０６は、すべての送電部２０３から取得した情報に基づき、順次調整すべき送電部１０１を決定するとともに、当該送電部１０１における以下の調整動作を制御するものとする。

（全体の調整方法の流れ）
全体の調整方法の流れを図２に示す。これらの動作は、基本的に管理部２０６の管理（制御）の基に実施される。

まず、管理部２０６の制御の下に、各送電部２０３は、他の送電部２０３の送電を停止した状態、つまり、単独の送電部２０３での送電状態で、送電方向を決定する（ステップＳ１）。

次いで、管理部２０６の制御の下に、送電する送電部２０３を順次切り替えながら、全ての送電部２０３について送電方向を決定する（ステップＳ２）。

次いで、管理部２０６の制御の下に、全ての送電部２０３の送電方向が決定した後（ステップＳ３でＹｅｓ）、全ての送電部２０３で全体送電を行い（ステップＳ４）、位相を調整する送電部２０３を選び、順次、位相調整を行うことで（ステップＳ５〜ステップＳ６）、送電部２０３全体の位相調整を完了する（ステップＳ７）。

（ステップＳ１〜Ｓ３：送電方向の決定方法）
まず、送電方向の決定方法について説明する。前記のとおり、送電方向決定においては、各送電部２０３は、それぞれ他の送電部２０３の送電を停止した状態で単独の送電部２０３で送電するとする（ステップＳ１）。そして、単独送電毎に、各送電部２０３は、対応する受電機器２０４を認識し、その受電電力を取得しながら送電方向を決定する（ステップＳ２）ものとする。その方法は、送電部２０３は、その送電範囲２０５において、送電範囲２０５の中心を通る方向へ送電を行い、受電機器２０４から受電機器２０４のＩＤ情報及び受電した電力量を無線取得し、その情報を管理部２０６へ情報伝達する。

これを、管理部２０６の制御の下に、すべての送電部２０３について順に行い、認識された受電機器２０４について、それぞれ対応する送電部２０３を管理部２０６で特定する（ステップＳ３）。複数の送電部２０３で認識された受電機器２０４については、その受電電力量が最も大きい送電部２０３に管理部２０６で対応付けするものとする。

これにより、各送電部２０３に対して、受電機器２０４が一つ、もしくは複数個、管理部２０６で対応付けられる。対応付けられる受電機器２０４が存在しない送電部２０３については、管理部２０６では送電を行わないものとし、以降の調整は行わない。

（ステップＳ４〜Ｓ５：送電部と受電機器との対応付け）
管理部２０６の制御の下に、送電部２０３及び受電機器２０４の一例として、例えば具体的に、図３、図４を用いて２つの送電部３０３、４０３で、受電機器３０６、３０７、４０６、４０７を認識して対応付けを行う場合について説明する。

図３は、送電部３０３で送電を行う場合となっており、送電部３０３は、その送電範囲３０５の中心３０１を通る送電方向３０２へ送電を行い（ステップＳ４）、受電機器３０６、３０７、４０６からＩＤ情報及び受電電力量をそれぞれ取得したものとする。

図４では、送電部４０３で送電を行う場合となっており、送電部４０３は、その送電範囲４０５の中心４０１を通る送電方向４０２へ送電を行い、受電機器３０７、４０６、４０７からＩＤ情報及び受電電力量をそれぞれ取得するものとする。この場合、受電機器３０６は、送電部３０３からのみ認識されたこととなり、送電部３０３に対応付ける。また、受電機器４０７は、送電部４０３からのみ認識されたこととなり、管理部２０６で送電部４０３に対応付ける。一方、受電機器３０７、４０６は、送電部３０３、送電部４０３の両方から共に認識されたこととなるが、受電機器３０７の受電した電力量は、送電部３０３からの送電と送電部４０３からの送電とで比較した場合、送電部３０３に近い位置に配置しているため、送電部３０３からの電力の方が大きくなり、送電部３０３に対応付けられる。同様に、受電機器４０６は、送電部３０３からの送電と送電部４０３からの送電とで比較した場合、送電部４０３に近い位置に配置しているため、送電部４０３からの送電の方が大きくなり、管理部２０６で送電部４０３に対応付けられる。

この結果、管理部２０６において、送電部３０３に対応付けられる受電機器は受電機器３０６、３０７となり、送電部４０３に対応付けられる受電機器は受電機器４０６、４０７となる。今回は送電部が２つの場合を例に説明をしたが、送電部の数が増えても同様の方法にて対応付けが行われる。

（ステップＳ５：対応付けられた関係に基づく送電方向決定方法）
次に、管理部２０６の制御の下に、前記対応付けられた関係において、送電方向を決定する方法について説明する。

送電部２０３は、対応付けられた受電機器２０４に対して、その受電した電力量を無線により取得しながら、その受電機器２０４が受電した電力量を管理部２０６で比較し、最も小さい電力量を管理部２０６で求め、その最も小さい電力量が最大となる方向へ送電方向を管理部２０６で調整して送電方向を管理部２０６で決定するという方法である。

例えば、図５は、送電部３０３の送電方向を決定する方法について説明した図である。送電部３０３は、送電を行い、受電機器３０６が受電した電力量と、受電機器３０７が受電した電力量とを無線により取得し、取得した電力量の中から、小さい方の電力量を管理部２０６で求め、その小さい方の電力量が大きくなるように、管理部２０６により送電部３０３の発振制御部２０２で送電方向を調整していく。そして、送電部３０３が送電方向を調整していく間で、小さい方の電力量が最も大きくなる送電方向に管理部２０６で決定する。この処理を、管理部２０６で他の送電部についても順次行っていくことで、全ての送電部について、送電方向が管理部２０６で決定される。

（ステップＳ５〜Ｓ６：位相を調整する方法）
次に、管理部２０６の制御の下に、位相を調整する方法について説明する。すべての送電部２０３で送電する状態においては、各送電部２０３からの送電電波の位相が重なり合うことが想定され、位相の合成により弱めあうことで、受電機器２０４の受電した電力が低下する可能性がある。この状態を回避するため、それぞれの送電部２０３の位相を管理部２０６により送電部３０３の発振制御部２０２で調整し、送電部全体として効率的に送電できる状態へ管理部２０６で調整を行う。

その方法は、全ての送電部２０３で送電する状態において、位相を調整する二つの送電部２０３を管理部２０６で選び、その二つの送電部２０３が対応している受電機器２０４の受電した電力量を管理部２０６で取得し、その受電機器２０４が二つの送電部２０３から受電した二つの電力量を管理部２０６で比較して、最も小さい電力量を管理部２０６で求め、その最も小さい電力量が最大となる値へと、前記二つの送電部２０３のどちらか片方の位相を管理部２０６により送電部３０３の発振制御部２０２で調整するものとする。

例えば図６の場合、二つの送電部３０３、３０４で送電を行い、それぞれ受電機器３０６、３０７、４０６、４０７の受電した４つの電力量を無線により取得する。これらの４つの電力量を管理部２０６で比較し、最も小さい電力量を管理部２０６で取得しながら、その最も小さい電力量が最大となるように送電部３０３もしくは送電部４０３の位相を管理部２０６で調整する。この調整により、二つの送電部２０３の位相調整は完了したものとし、以降、位相を固定して変化させないものとする。これを順次、二つの送電部２０３を管理部２０６で選び、前記同様の位相調整を管理部２０６で行っていくことで、全ての送電部２０３についての位相調整を管理部２０６で完了することができる。また、管理部２０６で選ばれた二つの送電部２０３のうち、既に調整が完了している送電部２０３については、調整を行わず、調整が完了していない送電部２０３の位相を管理部２０６で調整するものとし、選ばれた二つの送電部２０３のうち、両方の位相調整が完了していた場合は、管理部２０６で調整を行わないものとする。

（ステップＳ５〜Ｓ６：二つの送電部を選ぶ方法）
次に、管理部２０６の制御の下に、前記二つの送電部２０３を選ぶ方法について説明する。その方法は、それぞれの送電部２０３が前記決定した送電方向へ送電したときに、対応した受電機器２０４以外の受電機器２０４に及ぼす影響、つまり、周辺にある受電機器２０４が受電する電力量を、それぞれの送電部２０３が取得することで、周辺の受電機器２０４への漏洩電力量の情報を管理部２０６で取得することができる。この漏洩電力量を管理部２０６で取得しておき、その電力量が大きい送電部２０３と漏洩電力を受電した受電機器２０４が対応する送電部２０３の間での位相調整を優先的に管理部２０６で行う。漏洩電力の取得方法については、管理部２０６において、各送電部２０３について、他の送電部２０３の送電を停止した状態で、前記決まった送電方向へ送電を行い、送電部２０３に対応した受電機器２０４以外の受電機器２０４が受電する電力量とその受電機器２０４のＩＤ情報を管理部２０６で取得することで、その送電部２０３からの特定の受電機器２０４への漏洩電力を管理部２０６で取得することが可能となる。これを全ての送電部２０３について管理部２０６で実施していくことで、全ての送電部２０３について、対応している受電機器２０４以外の受電機器２０４への漏洩電力量の情報を管理部２０６で取得することができる。

例えば、図７の場合、送電部２０３の一例としての送電部７０１は、前記決まった送電方向７０２へ送電を管理部２０６で行い、送電部７０１に対応した受電機器７０３、７０４以外で、電力量を取得可能な受電機器を探し、その電力量と受電機器のＩＤ情報を管理部２０６で取得する。この場合は、受電機器７０５、７０６から電力量とＩＤ情報をそれぞれ管理部２０６で取得できたものとする。なお、送電部７０７，７０８は送電部２０３の一例とするとともに、受電機器７０５、７０６は、受電機器２０４の一例とする。この受電機器７０５の受電した電力量を、送電部７０１から受電機器７０５に対応した送電部７０７への漏洩電力量として管理部２０６で記憶する。同様に、受電機器７０６の受電した電力量を、送電部７０１からの受電機器７０６に対応した送電部７０８への漏洩電力量として管理部２０６で記憶する。ここで、記憶した送電部７０１から送電部７０７への漏洩電力量と、送電部７０１から送電部７０８への漏洩電力量とを管理部２０６で比較し、送電部７０１から送電部７０７への漏洩電力量のほうが大きいと管理部２０６で判定すれば、送電部７０１と送電部７０７との二つ送電部を選んで送電部７０１又は送電部７０７の位相を管理部２０６で調整する。逆に、送電部７０１から送電部７０８への漏洩電力の方が大きいと管理部２０６で判定すれば、送電部７０１と送電部７０８との二つの送電部を管理部２０６で選んで送電部７０１又は送電部７０８の位相を管理部２０６で調整する。この処理を全ての送電部について管理部２０６で行い、送電部間の漏洩電力の関係をデータとして管理部２０６で保持し、その漏洩電力の大きい送電部間から優先的に位相調整を管理部２０６で行う。この漏洩電力量を取得するタイミングについては、各送電部について前記の送電方向が決定されたタイミングで合わせて取得しておいてもよいし、その後、別途行ってもよい。

前記実施形態にかかる無線給電方法によれば、管理部２０６の制御の下に、複数の送電部２０３は受電機器２０４の受電した電力量を無線により取得しながら、受電電力が最大となる方向へ送電方向を調整するとともに、その位相を調整するにより、複数の送電部２０３における電波干渉を低減することができる。その結果、複数の送電部２０３を用いて複数の受電機器２０４へ効率的に送電するとともに、複数の送電部２０３からの送電電波が互いに干渉することなく無線給電することができる。よって、広い範囲に配置された複数の受電機器２０４に対し、複数の送電部２０３を配置して、効率的に無線による電力伝送が可能となる。

前記無線給電方法を実施できる無線給電システム２０８は、複数の送電部２０３と、複数の受電機器２０４と、前記複数の送電部２０３と前記複数の受電機器２０４との間で電力伝送を制御する管理部（無線給電制御部）２０６とを備えて、
前記管理部２０６は、以下の動作を制御するものであって、
前記複数の送電部２０３はそれぞれの送電範囲２０５において、送電対象となる一つ以上の前記受電機器２０４の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる方向へ送電方向を調整するとともに、調整された送電方向へ送電し、
他の送電部２０３の送電対象となる受電機器２０４が受電する漏洩電力量を取得し、
全ての送電部２０３について前記送電方向の調整と前記漏洩電力量とを取得した上で、その調整された送電方向への送電を行い、
前記漏洩電力量が大きい送電部２０３から、順次、その漏洩電力を受電した受電機器２０４を送電対象とする送電部２０３との二つの送電部間において、
この二つの送電部２０３が送電対象とする受電機器２０４の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる位相へ、前記二つの送電部２０３のどちらか一方の送電電波の位相を調整する。

このような無線給電システム２０８によれば、前記無線給電方法を実施できて、前記した作用効果を奏することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる無線給電方法は、複数の送電部を配置する環境下において、広いエリアに配置された複数の受電機器への効率的な無線給電を実現するための無線給電方法であることから、多数のセンサによりネットワーク構築する場合のセンサへの電源供給の手段として利用できる方法である。

１０１送電部
１０２受電機器
１０３経路
２０１送電アンテナ
２０２発振制御部
２０３送電部
２０４受電機器
２０５送電範囲
２０６管理部
２０７送電システム
２０８無線給電システム
３０１中心
３０２送電方向
３０３送電部（送電部２０３の具体例）
３０５送電範囲
３０６受電機器（受電機器２０４の具体例）
３０７受電機器（受電機器２０４の具体例）
４０１中心
４０２送電方向
４０３送電部（送電部２０３の具体例）
４０５送電範囲
４０６受電機器（受電機器２０４の具体例）
４０７受電機器（受電機器２０４の具体例）
７０１送電部（送電部２０３の具体例）
７０２送電方向
７０３受電機器（受電機器２０４の具体例）
７０４受電機器（受電機器２０４の具体例）
７０５受電機器（受電機器２０４の具体例）
７０６受電機器（受電機器２０４の具体例）
７０７送電部（送電部２０３の具体例）
７０８送電部（送電部２０３の具体例）

Claims

複数の送電部と複数の受電機器との間で電力伝送する無線給電方法であって、
前記複数の送電部はそれぞれの送電範囲において、送電対象となる一つ以上の前記受電機器の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる方向へ送電方向を調整するとともに、調整された送電方向へ送電し、
他の送電部の送電対象となる受電機器が受電する漏洩電力量を取得し、
全ての送電部について前記送電方向の調整と前記漏洩電力量とを取得した上で、その調整された送電方向への送電を行い、
前記漏洩電力量が大きい送電部から、順次、その漏洩電力を受電した受電機器を送電対象とする送電部との二つの送電部間において、
この二つの送電部が送電対象とする受電機器の受電した電力量を取得し、
取得した電力量の中から最も小さい電力量を求め、
求めた最も小さい電力量が最大となる位相へ、前記二つの送電部のどちらか一方の送電電波の位相を調整する無線給電方法。
前記送電部は、前記送電範囲の中心方向へ電波を送電し、
前記受電機器が受電した電力量を取得し、
取得した電力量から送電対象となる受電機器を決定する、請求項１に記載の無線給電方法。