JP2019187053A - 無線電力伝送システム - Google Patents

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Abstract

【課題】送電側で共振用のコンデンサを不要としつつ、二次側の情報がない場合でも一次側が動作できる無線電力伝送システムを提供する。【解決手段】無線電力伝送システムは、第一コイルを有する第一ユニット、第二コイルを有する第二ユニットを備えており、第二ユニットのみがコンデンサを備える。第一送電部は第二ユニットからの第二コイルおよびコンデンサに関する情報の受信の有無に関わらず電力の伝送を開始する送電開始部を備え、送電開始部からの信号に基づき電力を伝送する。【選択図】図1

Description

本発明は、無線電力伝送システムに関する。
非接触で電力を伝送する無線電力伝送では、送電系および受信系の双方においてLC共振回路などの共振構造を用いる技術が知られている。この場合、送電系および受信系の双方においてコイルとコンデンサが必要となり、特に実用化に際して、コンデンサは例えばフィルムコンデンサを使用すると大型化するうえ高価であり、またセラミックコンデンサなどを並列に用いた場合には個体のばらつきによって所望の容量を得るための調整が難しいという問題がある。
他方、送電系ではコイルのみを、受信系においてコイルとコンデンサによるLC共振回路を用いた技術も知られている(特許文献1、非特許文献1)。
再公表2015−173850号公報
牛嶋昌和他「電磁誘導と磁界共振の中間的な構成による電力伝送のシミュレーションと実験」電子情報通信学会技術研究報告7−12頁、445号、114巻、2015年2月13日、一般社団法人電子情報通信学会
コンデンサを用いた場合、大型になり重量が増大するため、送電側、受電側ともにL、Cの共振回路を使用した場合、装置が大型化し重量が増大してしまう。
実用化を考えると、部品点数は少ない方が、価格が下がり、かつ信頼性があがる。特に動作周波数が数十kHzの場合、コンデンサの容量が大きくなり、その配置場所や価格は無視することができない。
特許文献1や非特許文献1に記載の技術では位置ずれ特性が改善しているが、受電側の情報をもとに一次側の駆動周波数を決めており、これによって動作周波数を変えて送受電コイル間の位置関係や距離が変化しても効率が落ちないようになっている。このため、必ず二次側の情報がないと一次側は動作しない、つまり、伝送できない。
また、一次側の動作周波数を変えることができるようになっているため、一次側の回路が複雑で大型になる。
そこで、本発明は、無線電力伝送において、送電側で共振用のコンデンサを不要とし、装置を小型化、軽量化しつつ、二次側の情報がない場合でも一次側が動作できる無線電力伝送システムを目的とする。
本発明の請求項1に係る無線電力伝送システムは、第一コイルを有する第一ユニット、第二コイルを有する第二ユニットを備え、前記第一ユニットは、前記第一コイルを介して前記第二ユニットへ電力を伝送する第一送電部を備え、 前記第二ユニットは、前記第二コイルを介して前記第一ユニットからの電力を受電する第二受電部を備え、 前記第二ユニットのみがコンデンサを備えた無線電力伝送システムであって、前記第一送電部は前記第二ユニットからの前記第二コイルおよび前記コンデンサに関する情報の受信の有無に関わらず電力の伝送を開始する送電開始部を備え、前記送電開始部からの信号に基づき電力を伝送することを特徴とする、無線電力伝送システムである。
ここで、第二ユニットのみがコンデンサを備えるとは、電力伝送に本質的に寄与するコンデンサを第二ユニットのみが備えることを意味しており、第一ユニットにおいて、安定化のためのコンデンサなど、電力伝送に本質的に寄与しないコンデンサを用いることは排除しない。
また、第二コイルおよびコンデンサに関する情報についても同様であり、送電開始部は第二コイルおよび電力伝送に本質的に寄与するコンデンサに関する情報の受信の有無に関わらず電力の伝送を開始することを意味する。
当該技術では受電側からの情報が必須ではなく、例えば、一次側はコイルに流れる電流や電圧値から二次側の状態を事前に測定しておき、その情報を用いて推定することもできる。また、二次側に例えばバッテリ側との状態を通信・制御する機能を持っていれば、必ずしも一次側にそれらの情報を送る必要はない。
通常は二次側の状態を一次側に無線などで送る場合でも、無線などによる伝送の遅延などがあっても問題にならない。
これにより、送電側の信頼性向上、および小型化による装置設置の制約を緩和することができる。例えば、送電側を地中、あるいは床下埋め込むような場合でもコンデンサがない分だけ、装置を薄くできるので地中を掘り起こす範囲を小さくできたり、床下のスペースが小さい場合でも設置が可能である。また、壁に埋め込む場合でも壁を削るなどの加工も少なくて済み設置費用が軽減できる。このように地中や床下、壁などに送電側を埋め込む場合、容易に送電側を交換することができないため、送電側の信頼性をあげる必要がある。
本発明の請求項2に係る無線電力伝送システムは、前記第一コイルのインダクタンスをL1、前記第二コイルのインダクタンスをL2とし、L1は常にL2以上であることを特徴とする、請求項1に記載の無線電力伝送システムである。
当該技術ではL1が常にL2以上になるように選定する。送電側は共振コンデンサがないため、大型化する傾向がある送電側を小型化することができる。そのため、小型化した分、L1をL2以上とすることで受電側の小型化を可能とする。
これにより、送電側よりも受電側の小型化が求められる場合、受電側の設置の制約を緩和できる。例えば、自動搬送車やロボットといったバッテリーで駆動する装置であれば、装置の質量を軽量化できるので動作時間を長くすることができる。
本発明の請求項3に係る無線電力伝送システムは、前記第一ユニットは、固定周波数で前記第二ユニットに電力を送電することを特徴とする、請求項1または2に記載の無線電力伝送システムである。
送電側の周波数は固定のため周波数を可変する場合に比べて部品が削減でき、また制御も容易になり、かつ送電側は共振コンデンサがないため、大型化する傾向がある送電側を小型化することができる。
これにより、送電側の信頼性向上、および小型化による装置設置の制約を緩和することができる。
本発明の請求項4に係る無線電力伝送システムは、前記第二ユニットは、前記コンデンサを複数備え、あるいは、前記コンデンサが可変コンデンサであり、前記第二ユニットの備える前記第二コイルと前記コンデンサで定まる共振周波数を選択する容量選択部を有することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の無線電力伝送システムである。
第二ユニットの第二コイルとコンデンサで定まる共振周波数は、第一ユニットの動作周波数必ずしも一致する必要はなく、少しずらしても伝送可能であり、第二ユニットの第二コイルとコンデンサで定まる共振周波数を第一ユニットの動作周波数とずらすことによって、電力の伝送効率は落ちるが位置ずれ特性が改善することから、複数選択可能とすることにより、位置ずれ特性を改善することができる。
本発明の請求項5に係る無線電力伝送システムは、前記第一ユニットまたは前記第二ユニットは移動部を備えることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の無線電力伝送システムである。
第一ユニットが移動部を備える場合、送電側のコンデンサを不要としているので送電側の装置を小型化、軽量化できる。例えば、送電側、受電側双方に移動部を備えており、受電側が複数台ある場合、同時に複数台の受電側と送電側も同時に電力伝送する分の台数が必要になるが、送電側が移動できるのであれば、受電側を一列に並べて送電側が移動し、順番に送電することで、送電側の台数が減らせるので設備の価格を抑えることができる。
本発明の請求項6に係る無線電力伝送システムは、前記第二ユニットは前記第一ユニットとの空間的な距離を認識する距離認識部、および、前記距離認識部からの信号に基づいて前記第二ユニットにおける受電を制御する受電制御部を有することを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の無線電力伝送システムである。
送電側、受電側の距離に応じて受電側へ供給できる電力がほぼ線形に変化する構成にすることができるため、送電側、受電側の距離を制御することで受電側への電力を変えることができ、消費する電力が異なる受電側装置を1台の送電側装置で対応することができる。

無線電力伝送システムの構成例を示す。 無線電力伝送システムの構成例を示す。 無線電力伝送システムの構成例を示す。 無線電力伝送システムの回路の例を示す。 各αに対して電力伝送の効率が高い組み合わせを示す。 α=1の場合の、各周波数における、実効電力、無効電力、皮相電力を示す。 α=2の場合の、各周波数における、実効電力、無効電力、皮相電力を示す。 第二ユニットの構成例を示す。 第二ユニットの構成例を示す。 無線電力伝送システムの回路の例を示す。 無線電力伝送システムの回路の例を示す。 無線電力伝送システムの別の構成例を示す。 無線電力伝送システムの別の構成例を示す。 第一送電サブシステムS1Sの構成例を示す。 第二送電サブシステムS2Sの構成例を示す。 第一受電サブシステムS1Rの構成例を示す。 第二受電サブシステムS2Rの構成例を示す。 無線電力伝送システムの別の構成例を示す。 コイル間距離Zと送電電力Pとの関係を示す。
図1は、本発明における無線電力伝送システムの構成例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、および、第一コイルL1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、および、第二コンデンサC2を備える。第二ユニットU2は、バッテリを有し、あるいは、バッテリ側との接続部を含んでおり本接続部を介してバッテリを充電する。
第一送電部U1Sは、第一コイルを介して第二ユニットU2へ電力を伝送する。そして、第二受電部U2Rは、第二コイルを介して第一ユニットU1からの電力を受電する。
本実施例では受電側、つまり、第二ユニットU2からの情報が必須ではなく、通常は第二ユニットU2の状態を第一ユニットU1に無線などで送る場合でも、無線などによる伝送の遅延などがあっても問題にならない。
図2は、本発明における無線電力伝送システムの別の構成例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、第一コイルL1、および、第一コイルL1に流れる電流から第二ユニットU2の状態を推定する状態推定部U1Aを備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、および、第二コンデンサC2を備える。ここで、第二ユニットU2の状態とは、第二コイルL2および第二コンデンサC2に関する情報を含む。
本実施例では受電側、つまり第二ユニットU2からの情報が必須ではなく、第一ユニットU1は、状態推定部U1Aにより、コイルに流れる電流値や電圧値から第二ユニットU2の状態を推定する。例えば事前に測定したデータを使用することで、状態の推定の確度を上げることができる。
通常は二次側の状態を一次側に無線などで送る場合でも、無線などによる伝送の遅延などがあっても問題にならない。また、一時的に二次側からの情報が届かなく場合でも送電を停止する必要がない。このため無線としては無線LANやBluetooth(登録商標)といった免許不要で、容易に使用できる規格のものを使用することもできるので、無線部は安価に構成できる。
図3は、本発明における無線電力伝送システムの別の構成例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、および、第一コイルL1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、第二コンデンサC2、および、バッテリ側との状態を通信・制御するバッテリ通信制御部U2Bを備える。
本実施例では受電側からの情報が必須ではなく、第二ユニットU2にバッテリ側との状態を通信・制御する機能を持っているため、必ずしも第一ユニットU1にそれらの情報を送る必要はない。
通常は二次側の状態を一次側に無線などで送る場合でも、無線などによる伝送の遅延などがあっても問題にならない。
図4は、無線電力伝送システムの回路の例を示す。
第一ユニットU1は、抵抗成分R1、第一コイルL1、および、第一コンデンサC1を備える。
第二ユニットU2は、抵抗成分R2、および、第一コイルL1を備える。
第一コイルL1および第二コイルL2は結合係数kで結合する。この結合係数は、第一ユニットU1および第二ユニットU2との相対位置に応じて変化する。Lmは第一コイルL1および第二コイルL2の相互インダクタンスであり、Lm=k×sqrt(L1×L2)となる。ここでsqrtは平方根を示す。
一実施例において、L1は常にL2以上である。L1が常に2以上になるように選定することで、送電側は共振コンデンサがないため、大型化する傾向がある送電側を小型化することができ、小型化した分、受電側の小型化を可能とする。
α=L1/L2とし、現実的なコイルのサイズにおいて、各αに対して電力伝送の効率が高い組み合わせを計算した結果を図5に示す。本図においては、各項目は、α=1の場合の値で規格化している。
図5から、αを大きくすると無効電力が大きくなり力率が悪くなり、効率が悪くなるが、その分、L2を小さくすることができ、受電側の小型化が可能である。
図6は、α=1の場合の、各周波数における、実効電力、無効電力、皮相電力を示す。
図6に示されるとおり、88kHz〜89kHz前後で無効電力が最小になる周波数が存在し、85kHzから90kHz前後で力率のよい周波数が存在することが分かる。
また、共振コンデンサの容量C2は、共振周波数との関係式fs=1/(2π×sqrt((1−k^2)×L2×C2))から求めることができる。ここでsqrtは平方根を示す。
図7は、α=2の場合の、各周波数における、実効電力、無効電力、皮相電力を示す。
図7に示されるとおり、85kHz〜88kHz前後で無効電力が最小になる周波数が存在することが分かる。
図8は、第二ユニットU2が容量選択部SWを備える一実施例における構成を示す。
第二ユニットが複数の第二コンデンサC21、C22を備え、容量選択部SWにより、複数のコンデンサを選択することにより、第二ユニットの備える第二コイルと第二コンデンサで定まる共振周波数を選択する。
図9は、第二ユニットU2が可変コンデンサを備える一実施例における構成を示す。
図に示される一実施例においては、第二ユニットの備える第二コンデンサC2が可変コンデンサ、つまり容量が可変のコンデンサである。可変コンデンサは、容量選択部SWを備えているため、図9では容量選択部SWの記載を省略している。
第二ユニットの第二コイルとコンデンサで定まる共振周波数は、第一ユニットの動作周波数必ずしも一致する必要はなく、少しずらしても伝送可能であり、第二ユニットの第二コイルとコンデンサで定まる共振周波数を第一ユニットの動作周波数とずらすことによって、電力の伝送効率は落ちるが位置ずれ特性が改善することから、複数選択可能とすることにより、位置ずれ特性を改善することができる。
図10は、無線電力伝送システムの回路の例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、第一コイルL1、および、第一移動部M1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、および、第二コンデンサC2を備える。
第一送電部U1Sは、第一コイルを介して第二ユニットU2へ電力を伝送する。そして、第二受電部U2Rは、第二コイルを介して第一ユニットU1からの電力を受電する。
第一移動部M1は、第一ユニットU1と第二ユニットU2とを相対移動させる。
送電側、つまり第一ユニットのコンデンサを不要としているので送電側の装置を小型化、軽量化できる。
送電側で共振用のコンデンサを不要とし、装置を小型化、軽量化しつつ、二次側の情報がない場合でも一次側から無線電力伝送を行える。
一実施例において、受電側、つまり第二ユニットU2は生産ラインに固定されているロボットであり、送電側、つまり泰一ユニットが移動して各ロボットを定期的に充電する。
一実施例において、第一ユニットU1は電動バイク、第二ユニットU2は家庭用電力システムである。災害などの非常時に電動バイクの電力を無線で家庭の電力システムに伝送することができる。
図11は、無線電力伝送システムの別の回路の例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、および、第一コイルL1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、第二コンデンサC2、および、第二移動部M2を備える。
第一送電部U1Sは、第一コイルを介して第二ユニットU2へ電力を伝送する。そして、第二受電部U2Rは、第二コイルを介して第一ユニットU1からの電力を受電する。
第二移動部M2は、第一ユニットU1と第二ユニットU2とを相対移動させる。
一実施例において、第一ユニットU1はロボット本体、第二ユニットU2はロボットアームであり、相対移動は、回転移動である。
本実施例においては、ロボットアームの駆動のための電力を無線電力伝送できるため、配線を不要とすることができる。また、ロボット本体においてコンデンサが不要となるため、ロボット本体を小型化、軽量化することができる。
一実施例において、第一ユニットU1は電動バイクの充電ステーション、第二ユニットU2は電動バイクである。
電動バイクの充電ステーションにおいてコンデンサが不要となるため、電動バイクの充電ステーションを小型化、軽量化することができ、設置面積を小さくし、あるいは、設置場所の自由度を向上することができる。
一実施例において、第一ユニットU1は移動式ロボットの充電ステーション、第二ユニットU2は移動式ロボットである。
移動式ロボットの充電ステーションにおいてコンデンサが不要となるため、移動式ロボットの充電ステーションを小型化、軽量化することができ、設置面積を小さくし、あるいは、設置場所の自由度を向上することができる。
図12は、無線電力伝送システムの別の構成例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、第一コイルL1、および、第一移動部M1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、第二コンデンサC2、および、第二移動部M2を備える。
第一送電部U1Sは、第一コイルを介して第二ユニットU2へ電力を伝送する。そして、第二受電部U2Rは、第二コイルを介して第一ユニットU1からの電力を受電する。
第一移動部M1、第二移動部M2は、第一ユニットU1と第二ユニットU2とを相対移動させる。
一実施例において、第二ユニットU2は無人搬送車であり、例えば倉庫などで無人搬送車の受電部に充電する場合、深夜など稼働しない時間帯に1台ずつ充電していくことができる。その際、送電側、つまり、第一ユニットU1が移動できるため、受電側、つまり第二ユニットを一列に並べて送電側が移動し、順番に送電することで、送電側の台数が減らせるので設備の価格を抑えることができる。
一実施例において、第一ユニットU1、第二ユニットU2はいずれもロボットアームである。
本実施例においては、ロボットアームの駆動のための電力を無線電力伝送できるため、配線を不要とすることができる。また、一方のロボットアームにおいてコンデンサが不要となるため、ロボットアームを小型化、軽量化することができる。
図13は、無線電力伝送システムの別の構成例を示す。
第一ユニットU1は第一送電サブシステムS1S、第一受電サブシステムS1R、および、第一移動部M1を備え、第二ユニットU2は第二送電サブシステムS2S、第二受電サブシステムS2R、および、第二移動部M2を備える。
図14は第一送電サブシステムS1Sの構成例を、図15は第二送電サブシステムS2Sの構成例を、図16は第一受電サブシステムS1Rの構成例を、図17は第二受電サブシステムS2Rの構成例を、それぞれ示す。
第一送電サブシステムS1Sは、第一送電部U1S、および、第一コイルL1を備える。第一受電サブシステムS1Rは、第一受電部U1R、第一コイルL1、および、第一コンデンサC1を備える。
また、第二送電サブシステムS2Sは、第二送電部U2S、および、第二コイルL2を備える。第二受電サブシステムS2Rは、第二受電部U2R、第二コイルL2、および、第二コンデンサC2を備える。
第二送電部は、第二コイルを介して第一ユニットU1へ電力を伝送し、第一受電部は、第一コイルを介して第二ユニットU2からの電力を受電する。
一実施例において、第一ユニットU1、第二ユニットU2は移動式ロボットである。
第一ユニットU1および第二ユニットU2の間で双方向充電が可能であり、移動式ロボット間で相互に充電を行うことができる。
一実施例において、第一ユニットU1は電動バイクであり、第二ユニットU2は家庭用電力システムである。
電力の余剰が多い夜間などに、家庭用電力システムから電動バイクへ電力を電送し、電力の余剰の少ない日中などに必要に応じて電動バイクから家庭用電力システムに電力を電送することで、効率的な電力の使用が可能となる。
図18は、無線電力伝送システムの一構成例を示す。
第一ユニットU1は、第一送電部U1S、および、第一コイルL1を備える。第二ユニットU2は、第二受電部U2R、第二コイルL2、第二コンデンサC2、第一ユニットU1との空間的な距離を認識する距離認識部U2D、および、距離認識部からの信号に基づいて第二ユニットU2における受電を制御する受電制御部U2Cを備える。
図19は、コイル間距離Zと送電電力Pとの関係を示す。
図19に示されるように、送電側、受電側の距離に応じて受電側へ供給できる電力がほぼ線形に変化するため、本実施例では、送電側、受電側の距離を制御することで受電側への電力を変えることができ、消費する電力が異なる受電側装置を1台の送電側装置で対応することができる。
無人搬送車などで最初に500Wの受電側装置を開発し、その後、より長時間動作するもの、あるいは重量物を運ぶため動作時に電力が必要なものなど、1000Wの受電側装置をリリースした場合でも、送電側は新規に設置や交換する必要がなくなるので設置費などを抑えることができる。また、無人搬送車において、使用するモータの効率が良くなり、それほど電力が必要なくなったりした場合に電力が小さくても済む受電側装置に変更することも考えられるがこのような場合でも送電側の交換の必要がない。
本発明は以上の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施例を含むことは言うまでもない。
例えば、先に述べた実施例では、第二コイルL2とコンデンサが直列の場合であるが、第二コイルL2に対してコンデンサが並列に接続されている場合にも適用できる。このとき、コンデンサの容量C2は、用いる共振周波数fpに対して、fp=1/(2π×sqrt(L2×C2))から求めることができる。
C2 第二コンデンサ
C21 第二コンデンサ
C22 第二コンデンサ
L1 第一コイル
L2 第二コイルL2
SW 容量選択部

U1 第一ユニット
U1S 第一送電部
U1R 第一受電部
U1A 状態推定部

U2 第二ユニット
U2S 第二送電部
U2R 第二受電部
U2B バッテリ通信制御部
U2C 受電制御部
U2D 距離認識部

M1 第一移動部
M2 第二移動部

S1S 第一送電サブシステム
S1R 第一受電サブシステム
S2S 第二送電サブシステム
S2R 第二受電サブシステム

Claims (6)

  1. 第一コイルを有する第一ユニット、第二コイルを有する第二ユニットを備え、
    前記第一ユニットは、前記第一コイルを介して前記第二ユニットへ電力を伝送する第一送電部を備え、
    前記第二ユニットは、前記第二コイルを介して前記第一ユニットからの電力を受電する第二受電部を備え、
    前記第二ユニットのみがコンデンサを備えた無線電力伝送システムであって、
    前記第一送電部は前記第二ユニットからの前記第二コイルおよび前記コンデンサに関する情報の受信の有無に関わらず電力の伝送を開始する送電開始部を備え、
    前記送電開始部からの信号に基づき電力を伝送することを特徴とする、無線電力伝送システム。
  2. 前記第一コイルのインダクタンスをL1、前記第二コイルのインダクタンスをL2とし、L1は常にL2以上であることを特徴とする、請求項1に記載の無線電力伝送システム。
  3. 前記第一ユニットは、固定周波数で前記第二ユニットに電力を送電することを特徴とする、
    請求項1または2に記載の無線電力伝送システム。
  4. 前記第二ユニットは、前記コンデンサを複数備え、あるいは、前記コンデンサが可変コンデンサであり、
    前記第二ユニットの備える前記第二コイルと前記コンデンサで定まる共振周波数を選択する容量選択部を有することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
  5. 前記第一ユニットまたは前記第二ユニットは移動部を備えることを特徴とする、
    請求項1ないし4のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
  6. 前記第二ユニットは前記第一ユニットとの空間的な距離を認識する距離認識部、および、
    前記距離認識部からの信号に基づいて前記第二ユニットにおける受電を制御する受電制御部を有することを特徴とする、
    請求項1ないし5のいずれかに記載の無線電力伝送システム。
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