JP2018026960A - ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】充電効率を向上させるために、送電コイルと受電コイルのとの距離の調整が必要か否かを利用者が把握可能なワイヤレス給電システムを提供すること。
【解決手段】ワイヤレス給電システムは、電源電力を出力する電源部と、電源部から供給された電源電力を送電電力として送信する送電コイルと、送電コイルと接触せずに設けられており、送電電力を受電電力として受信する受電コイルと、受電コイルが受信した受電電力に基づいて充電電流を充電デバイスに供給する供給部と、送電電力の値と受電電力の値とに基づく伝送効率、及び充電電流の少なくとも一方に基づいて、送電コイルと受電コイルとの距離に応じた報知を実行する出力部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電システムに関する。

電源と負荷を直接接続することなく電源から出力された電力を負荷に供給する、いわゆる非接触電力伝送（ワイヤレス給電）に関する技術が注目を浴びている。非接触電力伝送の方式としては、電磁誘導方式や磁界共鳴方式等の様々なものが存在しており、その応用例は、例えば携帯電話や家電製品、電気自動車、及び無人搬送車等、多岐に渡る。

下記の特許文献１には、ワイヤレス給電システムの一例が開示されている。具体的には、特許文献１に記載されたワイヤレス給電システムは、送電側基板ユニットと、受電側基板ユニットとを備えている。送電側基板ユニットには、ソーラーパネル、送電回路、及び、送電側コイルが実装され、少なくとも車両の外殻部材の車外側にソーラーパネルが露出して設けられる。受電側基板ユニットには、受電側コイル、受電回路、及び、電気機器が実装されており、当該ユニットは、外殻部材の車内側に設けられている。さらに、送電側基板ユニットと受電側基板ユニットは、対向する送電側コイルと受電側コイルの間において電力伝送が可能となる位置に設けられている。

特開２０１５−１１６０６８号公報

ワイヤレス給電システムでは、負荷に対して高い充電効率で充電を行うためには、送電コイルと受電コイルの距離の調整が極めて重要である。例えば、送電コイルと受電コイルの間の距離が小さすぎる場合は、伝送経路のインピーダンスが大きくなるため、所望の充電電流を負荷に供給することができない。他方で、送電コイルと受電コイルの間の距離が大きすぎる場合は、両コイル間の結合が弱くなるため、伝送効率が低下してしまう。ところが、特許文献１に記載されているような従来のワイヤレス給電システムでは、充電効率を高めるために送電コイルと受電コイルの間の距離を調整する対策が講じられていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、送電コイルと受電コイルとの距離の調整が必要か否かを利用者が把握可能なワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によるワイヤレス給電システムは、電源電力を出力する電源部と、電源部から供給された電源電力を送電電力として送信する送電コイルと、送電コイルと接触せずに設けられており、送電電力を受電電力として受信する受電コイルと、受電コイルが受信した受電電力に基づいて充電電流を充電デバイスに供給する供給部と、送電電力の値と受電電力の値とに基づく伝送効率、及び充電電流の少なくとも一方に基づいて、送電コイルと受電コイルとの距離に応じた報知を実行する出力部と、を備える。

また、出力部は、音、文字、色、及び光の少なくともいずれかを用いて、距離に応じた報知を実行することが好ましい。

また、出力部は、伝送効率が第１閾値よりも小さい場合には、送電コイルと受電コイルとの距離を小さくすることを促す報知を実行することが好ましい。また、出力部は、充電電流が第２閾値よりも小さい場合には、送電コイルと受電コイルとの距離を大きくすることを促す報知を実行することが好ましい。

また、本発明の一態様による調整支援方法は、電源電力を出力する電源部と、電源部から供給された電源電力を送電電力として送信する送電コイルと、送電コイルと接触せずに設けられており、送電電力を受電電力として受信する受電コイルと、受電コイルが受信した受電電力に基づいて充電電流を充電デバイスに供給する供給部と、を備えるワイヤレス給電システムにおいて、送電コイルと受電コイルとの間の距離を調整することを支援する調整支援方法であって、送電電力の値と受電電力の値に基づく伝送効率、及び充電電流の少なくとも一方に基づいて、送電コイルと受電コイルとの距離に応じた報知を実行するステップを含む。

本発明によれば、充電効率を向上させるために、送電コイルと受電コイルとの距離の調整が必要か否かを利用者が把握できるようになる。

本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る表示部の表示態様の一例を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る表示部の表示態様の一例を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システムを用いた実験結果を示す表である。

本発明に係る実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施形態に限定する趣旨ではない。

（１．システム構成）
図１は、本実施形態のワイヤレス給電システム１の構成を概略的に示すブロック図である。この例では、ワイヤレス給電システム１は、任意の充電デバイス５の充電に用いられる。

ワイヤレス給電システム１は、磁界共鳴方式により送電装置（送電ユニット２および送電部３）から受電装置（受電部４）に数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波電力を非接触で伝送し、高周波電力を受信した受電装置から充電デバイス５に直流電力を供給する。図１に示したブロック図において、充電デバイス５を除いた部分がワイヤレス給電システム１を構成する。なお、磁界共鳴方式の代わりに、電磁誘導方式等の他の方式によって給電を行う構成としてもよい。

送電ユニット２は、電源部２１、制御部２２、及び、表示部２３を備える。電源部２１は、所定の周波数（数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波）の高周波電力（電源電力の一例である。）Ｐ１を発生する。電源部２１は、図示は省略するが、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、パワーアンプから出力される高周波信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、パワーアンプから出力される高周波電力の電力量を制御する電力制御部と、を含む。

パワーアンプは、例えば、Ｄ級アンプやＥ級アンプで構成することができ、高周波信号発生回路から入力される高周波信号によってスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、高周波信号と同一の周期を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータから入力される直流電圧に依存した振幅の高周波信号を生成する。この高周波信号は、ローパスフィルタで高周波成分が除去されることにより、正弦波の高周波信号に整形されて出力される。

電力制御部は、制御部２２から入力される出力制御信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の振幅を制御し、これによりパワーアンプから出力される高周波信号の増幅量（すなわち、高周波電力の電力量）を制御する。

制御部２２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部２２は、電源部２１に対してＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力制御信号を出力し、電源部２１から出力される高周波電力を制御する。

表示部２３は、液晶パネル等であり、制御部２２の制御によって種々の値を表示出力する。本実施形態では、送電ユニット２は、単一の表示部２３を有するものとして説明するが、複数の表示部２３を有する構成とすることもできる。なお、制御部２２及び表示部２３の詳細な機能については後述する。

送電部３は、送電ユニット２の電源部２１から出力される高周波電力Ｐ１を受信し、高周波電力（送電電力の一例である。）Ｐ２を受電部４に無線で伝送する。送電部３は、例えば、インダクタ（以下、「送電コイル」ともいう。）３２とそのインダクタ３２に直列に接続されたキャパシタ３１との直列共振回路で構成される。一例として、送電コイル３２は、巻線コイルや積層コイル、薄膜コイル等である。また、送電コイル３２は複数ターンのソレノイドコイルから構成されてもよい。送電部３における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、電源部２１から出力される高周波電力の周波数（以下、「電源周波数」ともいう。）［ＭＨｚ］に調整されている。

さらに、磁界共鳴方式のワイヤレス給電においては、送電部３は、図１に示す電源部２１側から測定したインピーダンスの虚部が、受電部４との共振周波数ｆ₀においてゼロとなるように設定されている。具体的には送電部３において、自己インダクタンスＬとキャパシタンスＣとが以下の式１を満たすように設定される。

受電部（供給部の一例である。）４は、送電部３との間で磁界結合をして送電部３から高周波電力（受電電力の一例である。）Ｐ３を受信する。受電部４は、送電部３と同様の構成を有し、インダクタ（以下、「受電コイル」ともいう。）４２とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタ４１との直列共振回路で構成される。一例として、受電コイル４２は、送電コイル３２と同様に、巻線コイルや積層コイル、薄膜コイル等であり、また、複数ターンのソレノイドコイルから構成されてもよい。受電部４における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、電源周波数［ＭＨｚ］に調整されている。また、受電部４においては、負荷側から測定したインピーダンスの虚部が、共振周波数ｆ₀においてゼロとなるように、自己インダクタンスＬとキャパシタンスＣとが上述の式１を満たすように設定される。なお、送電コイルと受電コイルを接触しないように配置し、ワイヤレス給電システムを構成している。

図示は省略するが、受電部４は、整流回路を備える構成とすることもできる。整流回路は、受電部４から出力される高周波信号を整流し、充電デバイスに直流電力Ｐ４を供給する。整流回路は、例えば、４個の整流素子（ショットキーバリアーダイオード等）をブリッジ接続したブリッジ回路で構成される。なお、送電部３ではなく受電部４に表示部２３を設ける構成にしてもよい。

（２．制御部２２の機能）
次に、制御部２２の機能について説明する。制御部２２は、上述した機能に加え、検出機能、及び表示制御機能を備えている。

［検出機能］
制御部２２は、各ユニット（送電ユニット２、送電部３、及び受電部４）に入出力する高周波電力の電力値や、各ユニットに流れる電流量を検出する。
具体的には、制御部２２は、
・送電部３において、入力される高周波電力Ｐ１と出力する高周波電力Ｐ２
・受電部４において、入力される高周波電力Ｐ３と出力する高周波電力Ｐ４
・送電コイル３２に流れる電流（送電電流）Ｉ１
・受電コイル４３に流れる電流（受電電流）Ｉ２
・負荷５に流れる電流（充電電流）Ｉ３
を検出する。これらの電力値や電流量の検出には、例えば電圧計や電流計等のセンサを用いる構成でもよい。

さらに、制御部２２は、検出した各値から、消費電力や伝送効率（Ｐ３／Ｐ２）の実測値を算出することができる。例えば制御部２２は、各ユニットにおける入出電力に基づいて各ユニットの消費電力を算出することができる。また、制御部２２は、送電部３が送電した高周波電力Ｐ２と受電部４が受信した高周波電力Ｐ３とに基づいて、伝送効率を算出することができる。

［表示制御機能］
制御部２２は、表示部２３を制御して、検出した電力値や電流量や、算出した消費電力等の各値を表示させたり、送電コイル３２と受電コイル４２との間の距離（コイル間ギャップ）ｄに基づいた報知を実行させることができる。送電ユニット２に複数の表示部２３を設置し、制御部２２がそれぞれの表示部２３に異なる種類の検出値等を表示させるように構成してもよい。

図２は、本実施形態に係る表示部２３が表示する情報の一例を示す。この例では、表示部２３は、任意のユニットの消費電力を段階的に表すインディケータを表示する。例えば、表示部２３は、ユニットの消費電力が小さい場合には、表示するインディケータの数を少なくし、消費電力が大きい場合には、インディケータの数を多くする。

検出した電力値や電流量、算出した消費電力等の各値を表示部２３が表示することによって、利用者はいずれのユニットで損失が大きいのか等の充電特性を観測することができる。これによって、利用者は他の計測機器を用いることなく伝送条件の改善や不具合の検出等を行うことができる。

図３を参照して、送電コイル３２と受電コイル４２との間の距離ｄを調整することを促す報知を実行する一例として、表示部２３にメッセージを表示させる例を説明する。本実施形態では、距離ｄは、送電コイル３２の中心と受電コイル４２の中心との距離をいう。制御部２２は、算出した伝送効率が所定の値（以下、「第１閾値」とも呼ぶ。）よりも小さいか否かを判定部として判定する。判定の結果、伝送効率が第１閾値より小さい場合には、制御部２２は、図３（Ａ）に示すように、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを小さくすることを促すメッセージを表示部２３に表示させる。この際、コイル間の距離ではなく、送電部３と受電部４の距離を小さくすることを促す意味をもった表示としてもよい（この場合も実質的には、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを小さくすることを促すことになる）。

また、制御部２２は、検出した充電電流が所定の値（以下、「第２閾値」とも呼ぶ。）より小さか否かを判定する。判定の結果、充電電流が第２閾値より小さい場合には、制御部２２は、図３（Ｂ）に示すように、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを大きくすることを促すメッセージを表示部２３に表示する。なお、送電部３と受電部４の距離を大きくすることを促す意味をもったメッセージとし、実質的にはコイル間の距離を大きくすることを促すようにしてもよい。

このように本実施形態のワイヤレス給電システム１では、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを大きく又は小さくするためのガイドをメッセージとして表示することによって、充電効率が向上するように送電コイルと受電コイルの距離を利用者が適切に調整することができる。また、利用者は、表示されたメッセージを確認し、その案内に従ってコイル間の距離ｄを調整すればよいため、他の計測機器等を用いて充電効率を常に把握しておく必要が無く、全体として簡易な構成にすることができる。

なお、制御部２２が行う報知は、視覚的なメッセージの出力に限定されない。制御部２２は、例えば音、文字、色、及び光の少なくともいずれかを用いて、距離ｄに基づいた報知を実行することができる。例えば、ワイヤレス給電システム１がランプ等を備える場合には、制御部２２は、ランプの明滅や、明滅の速さ、点灯色等を距離ｄに応じて変更させることで報知を実行することが可能である。一例として、制御部２２は、距離ｄが適切な距離である場合には、ランプを点灯させておき、距離ｄが不適切である場合には、ランプを明滅させたり、点灯させる色を変化させたりすることができる。なお、距離ｄが適切な距離である場合にランプを明滅させておき、距離ｄが不適切である場合に、明滅の速度を速くしたり遅くしたりするようにしてもよい。また例えば制御部２２は、距離ｄを大きく又は小さくする旨の要求を音声メッセージとして出力することにより、報知を実行してもよい。

図４を用いて本実施形態に係るワイヤレス給電システム１が奏する効果について説明する。図４は、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１において、送電コイル３２と受電コイル４２との間の距離（コイル間ギャップ）ｄを変動させて、伝送効率Ｎ及び充電電流Ｉ２の値の変化を検証した実験結果を示す表である。

図４の表に示すように、コイル間の距離ｄが大きくなるに従って、結合係数ｋが小さくなることにより、伝送効率Ｎは低下してしまう。他方で、コイル間の距離ｄが小さくなるに従って、入力インピーダンスＺ₀が大きくなることにより、充電電流Ｉ２の電流量は低下してしまう。このため、送電コイル３２と受電コイル４２の距離を適切に設定しなければ、理想的な伝送効率、及び充電電流Ｉ２の値を得ることができないことが分かる。

上記のように本実施形態に係るワイヤレス給電システム１によれば、実測値から算出した伝送効率と第１閾値との関係、及び、実測値から算出した充電電流の値と第２閾値との関係に基づいて、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを大きくすべきか、又は、小さくすべきかが表示部２３に表示される。これによって利用者は、送電コイル３２と受電コイル４２の距離ｄを、充電効率が向上するよう適切に調整することができる。

以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。

１ ワイヤレス給電システム
２ 送電ユニット
２２ 制御部
２３ 表示部
３ 送電部
３２ 送電コイル
４ 受電部
４２ 受電コイル
５ 受電ユニット
ｄ コイル間ギャップ

さらに、磁界共鳴方式のワイヤレス給電においては、送電部３は、図１に示す電源部２
１側から測定したインピーダンスの虚部が、受電部４との共振周波数ｆ0においてゼロと
なるように設定されている。具体的には送電部３において、自己インダクタンスＬとキャ
パシタンスＣとが以下の式１を満たすように設定される。

Claims (5)

1. 電源電力を出力する電源部と、
   前記電源部から供給された電源電力を送電電力として送信する送電コイルと、
   前記送電コイルと接触せずに設けられており、前記送電電力を受電電力として受信する受電コイルと、
   前記受電コイルが受信した受電電力に基づいて充電電流を充電デバイスに供給する供給部と、
   前記前記送電電力の値と前記受電電力の値に基づく伝送効率、及び前記充電電流の少なくとも一方に基づいて、前記送電コイルと前記受電コイルとの距離に応じた報知を実行する出力部と、
   を備えるワイヤレス給電システム。
2. 前記出力部は、
   音、文字、色、及び光の少なくともいずれかを用いて前記距離に応じた報知を実行する、請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記出力部は、
   前記伝送効率が第１閾値よりも小さい場合には、前記送電コイルと前記受電コイルとの距離を小さくすることを促す報知を実行する、請求項１または２に記載のワイヤレス給電システム。
4. 前記出力部は、
   前記充電電流が第２閾値よりも小さい場合には、前記送電コイルと前記受電コイルとの距離を大きくすることを促す報知を実行する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
5. 電源電力を出力する電源部と、
   前記電源部から供給された電源電力を送電電力として送信する送電コイルと、
   前記送電コイルと接触せずに設けられており、前記送電電力を受電電力として受信する受電コイルと、
   前記受電コイルが受信した受電電力に基づいて充電電流を充電デバイスに供給する供給部と、を備えるワイヤレス給電システムにおいて、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を調整することを支援する調整支援方法であって、
   前記送電電力の値と前記受電電力の値に基づく伝送効率、及び前記充電電流の少なくとも一方に基づいて、前記送電コイルと前記受電コイルとの距離に応じた報知を実行するステップを含む、調整支援方法。