JP5238884B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送装置に関するものである。

近年、送電コイルと受電コイルを使用し無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術が、ＩＣカードや携帯電話など、多くの機器に採用されている。送電コイルと受電コイルとの位置関係により伝送特性が大きく変動するため、現状では、クレードル等を用いて両コイル間の位置関係が固定され、両コイル間の距離は０ｃｍから数ｃｍ程度に限定されている。

両コイル間の位置関係を限定せず、かつ数十ｃｍ以上の伝送距離を実現するためには、コイルの位置により異なる伝送特性を検出し回路パラメータを調整する必要がある。そのため、送電装置内に設けられた回路センサとテーブルにより電磁結合係数を導出して同調コンデンサを調整し、電力伝送効率を高め、発熱を低減する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、上記特許文献１の電力調整方法は、電磁結合係数が０．１付近となる限定的な状況で受信電力を最大化することを目的としている。特許文献１には、電磁結合係数が１に近い理想的な結合状態から０．００１を下回る非常に弱い結合状態までダイナミックに変化するような無線電力伝送システムでも高い電力伝送効率を確保するための方法は開示されていない。

このように従来は、電磁結合係数が大きく変化する無線電力伝送システムにおいて、高い電力伝送効率を確保することが困難であった。

特開２００４−１６６３８４号公報

本発明は、高い電力伝送効率を有する無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による無線電力伝送装置は、受電コイル及び第１キャパシタを含む第１共振回路と負荷回路とを有する受電装置に対して電力を無線で電送する無線電力伝送装置であって、発振周波数が可変であり、該発振周波数を有する信号を生成する電源と、送電コイル及び第２キャパシタを含み、前記信号を前記受電装置に送信する第２共振回路と、前記信号の大きさと、前記第２共振回路から前記電源へ反射される信号の大きさとに基づいて、信号反射係数を測定する測定部と、前記発振周波数に複数の値を設定し、前記信号反射係数が所定の閾値以下となる前記発振周波数の値を検出し、該値に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の電磁結合係数を算出し、前記電磁結合係数に基づいて前記発振周波数又は前記第２キャパシタの容量値を制御する制御部と、を備えるものである。

本発明によれば、電力伝送効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成図。 発振周波数と電力反射係数のシミュレーション結果を示す図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成図。 変形例による無線電力伝送システムの概略構成図。 第５の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す。無線電力伝送システムは、無線電力伝送装置１と、無線電力伝送装置１から電力を伝送される（給電される）半導体装置２と、を備える。

無線電力伝送装置１は、高周波電源１１、反射係数測定部１２、制御部１３、及び共振回路１４を有する。共振回路１４は、送電コイル１５ａ及びキャパシタ１５ｂを含む。半導体装置２は、共振回路２１及び負荷回路２３を有する。共振回路２１は、受電コイル２２ａ及びキャパシタ２２ｂを含む。

高周波電源１１は、無線周波数帯域の周波数を有する高周波信号を出力する。反射係数測定部１２は、共振回路１４に入射される高周波信号の電力と、共振回路１４から反射される高周波信号の電力とに基づいて、電力反射係数を測定する。反射係数測定部１２は、測定した電力反射係数を制御部１３に通知する。共振回路１４は高周波電源１１から出力された信号を送電コイル１５ａから半導体装置２へ送信（送電）する。

制御部１３は、高周波電源１１の発振周波数及び共振回路１４のパラメータ（例えばキャパシタ１５ｂの容量値）を制御することができる。また、制御部１３は、半導体装置２への電力の伝送に先立ち、送電コイル１５ａと受電コイル２２ａとの電磁結合係数を算出する。

電磁結合係数の算出方法を説明する。制御部１３は、高周波電源１１の発振周波数を変化させ、発振周波数に複数の値を設定する。制御部１３は、反射係数測定部１２から複数の発振周波数の各々における電力反射係数を受け取る。図２に、ある特定の伝送装置パラメータに対して、電磁結合係数ｋと高周波電源１１の発振周波数を変化させた場合の、共振回路１４に対する電力反射係数のシミュレーション結果を示す。図２は、電磁結合係数ｋ＝０．１の場合と、ｋ＝０．０５の場合の２つのシミュレーション結果を示す。この図から分かるように、各電磁結合係数において、電力反射係数がピーク値をとる周波数（ピーク周波数）が２つ存在する。

共振回路１４、共振回路２１、負荷回路２３等のパラメータが確定している場合、このピーク周波数は電磁結合係数のみの関数となる。従って、２つのピーク周波数の差から電磁結合係数を一意に算出することができる。本実施形態では、設計時に確定している各種パラメータから２つのピーク周波数の差と、電磁結合係数との対応関係を予め算出しておき、記憶部（図示せず）に記憶しておく。

制御部１３は、電力反射係数が所定の閾値以下となる２つのピーク周波数を検出し、２つのピーク周波数の差分を計算する。そして、制御部１３は、記憶部に記憶されている対応関係を参照し、算出した差分から電磁結合係数を求める。

例えば、図２に示す例では、電力反射係数γを閾値とし、制御部１３は、電力反射係数が閾値γ以下となるピーク周波数を検出する。ピーク周波数の差分がＤ１であった場合、電磁結合係数ｋは０．１であることが分かる。また、ピーク周波数の差分がＤ２であった場合、電磁結合係数ｋは０．０５であることが分かる。

制御部１３は、送電コイル１５ａ及び受電コイル２２ａのパラメータと、算出した電磁結合係数とを用いて、共振回路１４のパラメータ（キャパシタ１５ｂの容量値）及び／又は高周波電源１１の発振周波数を制御し、高効率な無線電力伝送を開始する。

半導体装置２の受電コイル２２ａは、送電コイル１５ａと電磁結合すると誘起電圧が発生し、発生した誘起電圧は負荷回路２３で整流されるとともに所定の電圧に調整され、半導体装置２の動作電圧となる。キャパシタ２２ｂは受電コイル２１に並列又は直列接続され、受電コイル２２ａの自己インダクタンスと共振して伝送効率を高める。

このように、本実施形態では、電磁結合係数は、入射電力と反射電力の絶対測定値に殆ど依存せず、高周波電源１１の発振周波数の設定精度に応じて、高精度に算出できる。そして、高精度に算出された電磁結合係数に基づいて共振回路１４のパラメータ及び／又は高周波電源１１の発振周波数を制御するため、電力伝送効率を向上させることができる。

また、電力測定系は高い絶対精度を持つ必要がないため、電磁結合係数が広い変化幅を持つ場合でも、実装が容易である。

上記実施形態において、実際に無線電力伝送を行うための高周波電源は、高周波電源１１でもよいし、別のものでもよい。また、上記実施形態では電磁結合係数を算出するための高周波電源１１、反射係数測定部１２、制御部１３は送電側（無線電力伝送装置１）に設けていたが、受電側（半導体装置２）に設けてもよい。

上記実施形態において、送電コイル１５ａの浮遊容量をキャパシタ１５ｂとしてもよい。同様に、受電コイル２２ａの浮遊容量をキャパシタ２２ｂとしてもよい。

（第２の実施形態）図３に本発明の第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す。本実施形態に係る無線電力伝送装置１は、図１に示す上記第１の実施形態に係る無線電力伝送装置１にさらに無線送信部１６を備えた構成となっている。また、本実施形態に係る半導体装置２は、図１に示す上記第１の実施形態に係る半導体装置２にさらに無線受信部２４及び制御部２５を備えた構成となっている。

本実施形態のように、送受電コイル間の電磁結合を用いた無線電力伝送システムでは、送電コイル１５ａ及び受電コイル２２ａのパラメータと電磁結合係数とが決まった場合、送受電コイル間の最大有能電力利得、即ち最大電力伝送効率を与えるコイル端のインピーダンス条件は一意に与えられる。ここで、コイル端のインピーダンスとは、キャパシタ２２ｂから受電コイル２２ａを見込んだ際のインピーダンスである。

本実施形態では、制御部１３が、上記第１の実施形態において説明した方法を用いて電磁結合係数を求める。そして、制御部１３は、算出した電磁結合係数に基づいて、電力伝送効率を高めるコイル端インピーダンスを算出し、無線送信部１６に通知する。無線送信部１６は、制御部１３から通知されたコイル端インピーダンスを無線受信部２４へ送信する。

無線受信部２４は、無線送信部１６から受け取ったコイル端インピーダンスを制御部２５に通知する。制御部２５は、通知されたコイル端インピーダンスが実現されるように、半導体装置２の回路パラメータを変更する。制御部２５が変更するパラメータは、キャパシタ２２ｂの容量値等の共振回路２１のパラメータでも良いし、整流器又はＡＣ−ＤＣコンバータ又は純抵抗に代表される負荷回路２３のパラメータであっても良い。

このように、制御部１３により算出された電磁結合係数に基づいて、受電側（半導体装置２）の回路パラメータを制御することで、電力伝送効率をさらに向上させることができる。

上記第２の実施形態では、送電側（無線電力伝送装置１）から受電側（半導体装置２）へ、所望の（最大電力伝送効率を与える）コイル端インピーダンスを送信していたが、制御部１３がこのコイル端インピーダンスが実現される受電側の回路パラメータを求め、無線送信部１６がこの回路パラメータを送信するようにしてもよい。

また、上記第２の実施形態では、無線送信部１６がアンテナ１６ａを介して所望のコイル端インピーダンスを送信し、無線受信部２４がアンテナ２４ａを介して受信していたが、図４（ａ）に示すように、送電コイル１５ａ及び受電コイル２２ａを無線通信のアンテナとして用いてもよい。無線送信部１６と送電コイル１５ａとは接続点（ノード）Ｎ１、Ｎ２で接続される。ノードＮ１は送電コイル１５ａの中間点にあってもよい。また、無線送信部１６と送電コイル１５ａとを単線接続にして、ノードＮ２を省略してもよい。

また、図４（ｂ）に示すように、無線送信部１６、無線受信部２４がそれぞれコイル１７、２７を備え、送電コイル１５ａ、受電コイル２２ａと電磁結合するようにしてもよい。

（第３の実施形態）本発明の第３の実施形態に係る無線電力伝送システムは図３に示す上記第２の実施形態に係る無線電力伝送システムと同様の構成であるため、図３を用いて説明を行う。

本実施形態では、制御部１３が、電力伝送を行う前の電磁結合係数算出段階で、電力反射特性の特徴的な周波数（図２に示すピーク周波数）が一定の周波数範囲に現れるような共振回路１４及び／又は共振回路２１のパラメータを算出する。共振回路のパラメータは例えばキャパシタの容量値である。

そして、制御部１３が算出結果に基づいて共振回路１４のパラメータを変更する。制御部１３が共振回路２１のパラメータを算出した場合は、このパラメータが、無線通信装置（無線送信部１６、無線受信部２４）を介して制御部２５へ送信される。制御部２５は受信したパラメータに基づいて、共振回路２１のパラメータを変更する。

このように、本実施形態では、電力反射係数のピーク周波数が現れる範囲を狭めることで、電磁結合係数を算出するために変化させる高周波電源の発振周波数の範囲を狭めることができ、電磁結合係数を迅速に求めることができる。

（第４の実施形態）本発明の第４の実施形態に係る無線電力伝送システムは図３に示す上記第２の実施形態に係る無線電力伝送システムと同様の構成であるため、図３を用いて説明を行う。

本実施形態では、制御部１３が、電力伝送を行う前の電磁結合係数算出段階で、電力反射特性の特徴的な周波数（図２に示すピーク周波数）のピークが鋭くなるように、無線通信装置（無線送信部１６、無線受信部２４）を介して、制御部２５に、負荷回路２３のパラメータ変更を指示する。制御部２５は、制御部１３からの指示に基づいて負荷回路２３のパラメータを変更する。

具体的には、制御部１３は、負荷回路２３の抵抗値を、受電コイル２２ａの寄生抵抗に比べて十分に小さくするか、又は負荷回路２３から共振回路２１を見込んだインピーダンスに比べて十分大きくするように、制御部２５に指示する。これにより、共振系全体のＱ値が高くなり、電力反射特性のピークが鋭くなる（電力反射係数の半値幅が狭まる）。

このように、本実施形態では、電力反射特性のピークを鋭くすることで、ピーク周波数の読み取り精度を高めることができ、電磁結合係数の算出精度をさらに向上させることができる。

（第５の実施形態）図５に本発明の第５の実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成を示す。本実施形態に係る無線電力伝送システムは、図３に示す上記第２の実施形態に係る無線電力伝送システムにさらに半導体装置３を備えた構成となっている。半導体装置３は、共振回路３１、負荷回路３３、無線受信部３４、及び制御部３５を有する。また、共振回路３１は、受電コイル３２ａ及びキャパシタ３２ｂを含む。半導体装置３は、半導体装置２と同様の構成となっている。

半導体装置３は、高効率に電力伝送を行うために電磁結合係数を測定する一対の送受電装置（無線電力伝送装置１、半導体装置２）の近傍に存在し、実際の電力伝送には関係しない。半導体装置３が、前記一対の送受電装置と類似した共振特性を持っている場合、前記一対の送受電装置間の電磁結合係数を正確に算出することが困難となる。

このような問題を解決するため、本実施形態では無線電力伝送装置１の制御部１３が、無線通信装置（無線送信部１６、無線受信部３４）を介して制御部３５に指示を与え、半導体装置３の共振周波数が前記一対の送受電装置の共振周波数と十分異なる値となるように制御する。具体的には、制御部１３は制御部３５に対して、共振回路３２の容量値若しくはインダクタンス値を変更するか、又はコイル３２ａに設けたスイッチ（図示せず）を短絡若しくは開放するように指示を与える。

このように、半導体装置３の共振特性を変更することで、無線電力伝送装置１と半導体装置２との間の電磁結合係数を高精度に算出することができる。

上記実施形態において、反射係数測定部１２は電力反射係数を測定するとしたが、高周波電源１１から共振回路１４に入射される信号の電流や電圧の大きさと、共振回路１４から反射される信号の電流や電圧の大きさとに基づいて、電圧反射係数や電流反射係数などの他の信号反射係数を測定してもよい。電力反射係数と同様に、電圧反射係数や電流反射係数も、図２に示すような、電磁結合係数に応じたピーク周波数をとる。そのため、制御部１３は、電圧反射係数や電流反射係数のピーク周波数（２つのピーク周波数の周波数差）から、送電コイル１５ａと受電コイル２２ａとの電磁結合係数を算出することができる。なお、ここで信号とは、無線電力伝送装置１から半導体装置２へ電力を伝送するための信号であり、データのような情報を含む必要は無い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、非接触電力伝送を行う無線電力伝送装置において、高精度に算出した電磁結合係数を用いて電力伝送効率を向上させる分野に産業上の利用可能性がある。

１ 無線電力伝送装置
２ 半導体装置
１１ 高周波電源
１２ 反射係数測定部
１３ 制御部
１４、２２ 共振回路
１５ 送電コイル
２１ 受電コイル
２３ 負荷回路

Claims (5)

1. 受電コイル及び第１キャパシタを含む第１共振回路と負荷回路とを有する受電装置に対して電力を無線で電送する無線電力伝送装置であって、
   発振周波数が可変であり、該発振周波数を有する信号を生成する電源と、
   送電コイル及び第２キャパシタを含み、前記信号を前記受電装置に送信する第２共振回路と、
   前記信号の大きさと、前記第２共振回路から前記電源へ反射される信号の大きさとに基づいて、信号反射係数を測定する測定部と、
   前記発振周波数に複数の値を設定し、前記信号反射係数が所定の閾値以下となる前記発振周波数の値を検出し、該値に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルとの間の電磁結合係数を算出し、前記電磁結合係数に基づいて前記発振周波数又は前記第２キャパシタの容量値を制御する制御部と、
   を備える無線電力伝送装置。
2. 前記制御部が前記電磁結合係数に基づいて生成した前記第１キャパシタの容量値及び／又は前記負荷回路のパラメータの変更を指示する制御信号を前記受電装置へ送信する送信部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記制御部は、前記信号反射係数が前記所定の閾値以下となる前記発振周波数が所定の周波数範囲に現れるように前記第１キャパシタ又は前記第２キャパシタの容量値を制御することを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記制御部は、前記信号反射係数の最大値と最小値との差分が大きくなるように前記負荷回路のパラメータを制御することを特徴とする請求項３に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記制御部は、前記発振周波数に複数の値を設定する前に、コイル及びキャパシタを含む第３共振回路と第２負荷回路とを有し、送電又は受電を行う半導体装置に対して、前記半導体装置の共振特性が変化するように、前記コイルのインダクタンス値若しくは前記キャパシタの容量値を変更させるか、又は前記コイルに設けたスイッチを短絡若しくは開放させる第２制御信号を生成し、
   前記送信部が前記第２制御信号を前記半導体装置へ送信することを特徴とする請求項２に記載の無線電力伝送装置。

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