JP5395018B2

JP5395018B2 - 共鳴型無線電力伝送装置

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Publication number: JP5395018B2
Application number: JP2010199726A
Authority: JP
Inventors: 貴史丸山; 達也清水; 征士中津川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012060730A

Description

本発明は、送電側装置から受電側装置へ給電するとともに受電側から送電側に情報を伝送する共鳴型無線電力伝送装置に関する。

携帯電話等の２次電池の充電や、非接触ＩＣカード、ＲＦＩＤタグ等への電力供給には、有線接続を要しない給電方法が採用されている。これを実現する手段の代表例は電磁誘導方式である。電磁誘導方式の無線電力伝送装置では、送電側と受電側とにコイルを配置し、両者が近接して送電側コイルの磁束が受電側コイルを通過することで、受電側に電力が得られる。この詳細な原理は非特許文献１に記載されている。電磁誘導方式は一般に、十分な伝送効率を得るために、送受信コイルは近接して漏れ磁束を少なくする方法がとられる。

このような無線電力伝送装置では、装置の認証等のため、送電側と受電側とが通信を行う場合がある。ここで、送電側から受電側への通信回線を下りリンク、受電側から送電側への通信回線を上りリンクと呼ぶ。電磁誘導を用いて下りリンクを構成するには、送信する電力に変調を加える方法が用いられる。電磁誘導を用いて上りリンクを構成するには、受電側で負荷インピーダンスを変化させ、その変化を送電側で検出する負荷変調が用いられる。

図８は、無線電力伝送装置の構成例を示す。
図８において、送電側装置１０の電源１１に接続される送電側コイル１３と、受電側装置２０の負荷２３に接続される受電側コイル２２が電磁誘導で電気的に結合し、電源１１から負荷２３に電力が供給される。さらに、受電側コイル２２と負荷２３との間に制御部２６により開閉するスイッチ２５を挿入し、送電側コイル１３に復調部１２を接続する。制御部２６は、上りリンクで送信する送信データに対応してスイッチ２５をオンオフすることにより、受電側装置２０の負荷インピーダンスが変化する。送電側装置１０の復調部１２は、これを電流または電圧の変化として検出し、受電側装置２０から送信された送信データを復元する。

また、近年では、ある程度（例えば１ｍ）の伝送距離を有する場合でも高い給電効率が得られる共鳴型無線電力伝送装置が提案されている（非特許文献２）。

図９は、共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図９において、送電側装置１０の送電側コイル１３と電磁誘導で電気的に結合する送電側共鳴コイル１４と、受電側装置２０の受電側コイル２２と電磁誘導で電気的に結合する受電側共鳴コイル２５との共鳴現象によって電力が伝達される。共鳴は特定の周波数でのみ発生する。図１０は共鳴コイルのＳパラメータ(S21) の例を示す。図よりピークが得られる周波数は限定的であること、負荷に依存してピークの周波数が変動することがわかる。また、ピークの周波数は、送電側装置１０と受電側装置２０との間隔によっても変動する。

苅部浩、「非接触ICカード設計入門」、日刊工業新聞社． Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos and Marin Soljacic, 'Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,' Annals of Physics, Vol.323 Issue 1, pp.34-48, Apr 2007.

図９に示す共鳴型無線電力伝送装置においても、受電側で負荷インピーダンスを変化させる負荷変調により、受電側から送電側に送信データを伝送することができる。このとき、送電側の電源周波数を共鳴周波数に一致させる必要があるが、その場合でも送電側装置と受電側装置との距離等の設置条件によっては、負荷変調による負荷インピーダンスの高低と、送電側で検出される電流または電圧の大小との対応が逆転することがある（後述する図２および図３を参照）。その結果、送信データがビット反転して受信され、正しい情報伝送ができなくなる。すなわち、上りリンクを用いた受電側装置の認証や、受電側から受電状態の通知を受けて送電側で電源周波数を調整する等の制御ができなくなる。

本発明は、送信データのビット反転に拘らず受電側から送電側への送信データの伝送を可能にする共鳴型無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、受電側装置から送電側装置へ伝送する送信データと負荷インピーダンスの変化を対応付けてスイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、送電側装置は、送信データに対応する負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、送信データを復元する復調部を備え、受電側装置の制御部は、受電側装置と送電側装置で既知の信号を送信する構成であり、送電側装置の復調部は、復元した既知の信号からビット反転を有無を検出し、ビット反転している場合には後続する送信データをビット反転して出力する構成である。

ここで、既知の信号は複数ビットのビット列とし、送電側装置の復調部は、復元した信号と既知の信号との相関検出を行ってビット反転の有無を検出する構成としてもよい。

また、受電側装置の制御部は、送信データをバースト信号として送信し、かつ当該送信データの送信開始前に既知の信号として１ビットの信号を送信する構成であり、送電側装置の復調部は、復元した１ビットの既知の信号からビット反転を有無を検出し、ビット反転している場合には後続する送信データをビット反転して出力する構成としてもよい。

第２の発明は、送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、受電側装置から送電側装置へ伝送する送信データと負荷インピーダンスの変化を対応付けてスイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、送電側装置は、送信データに対応する負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、送信データを復元する復調部を備え、受電側装置の制御部は、受電側装置と送電側装置で既知のビット列を送信データとして用い、当該既知のビット列を反転したビット列を送信データとして用いない構成であり、送電側装置の復調部は、復元した信号についてビット反転した信号とビット反転しない信号とを生成し、既知のビット列に一致する信号を送信データとして出力する構成である。

第３の発明は、送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、受電側装置から送電側装置へ伝送する送信データと負荷インピーダンスの変化を対応付けてスイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、送電側装置は、送信データに対応する負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、送信データを復元する復調部を備え、受電側装置の制御部は、受電側装置と送電側装置で既知のビット列を送信データとして用い、当該既知のビット列を反転したビット列を送信データとして用いない構成であり、かつ送信データとしてビット反転した信号とビット反転しない信号とを交互に出力する構成であり、送電側装置の復調部は、復元した信号について既知のビット列に一致する信号を送信データとして出力する構成である。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置は、負荷変調による負荷インピーダンスの高低と送電側で検出される電流または電圧の大小との対応が逆転して出力された場合にもビット列を修正し、送信データを確実に伝送することができる。すなわち、負荷変調による情報の伝送精度を高め、認証や受電側からの受電状態通知に基づく送電側の電源周波数の調整などを確実に行うことができる。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。送信データと受信波形の例１を示すタイミングチャートである。送信データと受信波形の例２を示すタイミングチャートである。復調部１２の第１の構成例を示す図である。制御部２６および復調部１２の第２の構成例を示す図である。復調部１２の第３の構成例を示す図である。制御部２６および復調部１２の第４の構成例を示す図である。無線電力伝送装置の構成例を示す図である。共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。共鳴コイルのＳパラメータ（Ｓ21）の例を示す図である。

図１は、本発明の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１において、共鳴型無線電力伝送装置は、電力の送電を担う送電側装置１０と、送電された電力を受け取る受電側装置２０とからなり、受電側装置２０から送電側装置１０に送信データを伝送するための構成を含む。送電側装置１０から受電側装置２０への電力、送信データの流れが下り、受電側装置２０から送電側装置１０への送信データの流れが上りである。

送電側装置１０は、電源１１、受電側装置２０から送られた上り送信データを復元する復調部１２、送電側コイル１３、送電側共鳴コイル１４、電源１１の電源周波数を調整する周波数調整部１５を備える。受電側装置２０は、受電側共鳴コイル２１、受電側コイル２２、負荷２３、抵抗２４、スイッチ２５、制御部２６を備える。送電側コイル１３と送電側共鳴コイル１４とは電磁誘導で電気的に結合している。送電側共鳴コイル１４と受電側共鳴コイル２１とは共鳴により電気的に結合している。受電側共鳴コイル２１と受電側コイル２２とは電磁誘導で電気的に結合している。これにより電源１１から負荷２３および制御部２６に給電することができる。

上りリンクで伝送される送信データは、送電側装置１０および受電側装置２０を認証するためのものでもよいし、受電側装置２０が通信端末である場合の上りデータであってもよい。ここで、簡単のため負荷２３単体のインピーダンスは不変とし、図中のＢ−Ｂ’から右側をみたインピーダンスを負荷インピーダンスと呼ぶ。負荷インピーダンスは、スイッチ２５のオンオフで抵抗２４の通過の有無を選択することにより、２つの状態を取り得る。制御部２６は、送信データに応じてスイッチ２５をオンオフし、負荷インピーダンスを変化させる構成である。ただし、本実施例の構成では、スイッチ２５がオンの場合もオフの場合も負荷２３への接続は開放されないため、負荷２３への電力供給は継続される。

なお、図１の構成では、抵抗２４とスイッチ２５が並列に接続され、抵抗２４と負荷２３とが直列に接続されているが、抵抗２４とスイッチ２５を直列に接続し、抵抗２４と負荷２３とを並列に接続してもよい。

受電側装置２０と送電側装置１０とは電気的に結合しているため、負荷インピーダンスの変化は送電側装置１０のＡ−Ａ’から受電側装置２０をみたインピーダンスの変化となり、電流または電圧の変化として現れる。復調部１２はこの変化を検出し、受電側装置２０から送信された送信データを復元する。

図２は、送電側装置１０の復調部１２における電流または電圧を包絡線検波した波形を表しており、送信データの変化に連動して電流または電圧が変化するのがわかる。これは、送電側装置１０の電源周波数と共鳴周波数が一致している例であり、送信データの１と受信波形の振幅の上昇とが対応し、送信データの０と受信波形の振幅の下降とが対応している。復調部１２はこの変化を適当なタイミングでサンプリングすることにより、受電側装置２０から送信された送信データを復元することができる。

ところで、共鳴周波数が複数存在するため、送電側装置１０の電源周波数が別な共鳴周波数になる場合や、送電側装置１０と受電側装置２０の距離等の設置条件によっては、負荷変調による負荷インピーダンスの高低と、送電側から受電側をみたときのインピーダンスの高低および送電側で検出される電流または電圧の大小との対応が逆転することがある。図３は、この場合の送信ビットと受信波形の関係を示す。ここでは、送信データの１と受信波形の振幅の下降とが対応し、送信データの０と受信波形の振幅の上昇とが対応し、図２の場合と逆転している。すなわち、図２の受信波形を想定して送信データを復元すると、全ビットが反転した信号が得られることになる。しかし、得られたビット列のみを参照しただけでは、ビット列が反転しているかいないかは判別できない。そこで、以下に示す手段を用いてこの問題を解決する。

図４は、復調部１２の第１の構成例を示す。
図４において、復調部１２は、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２、相関検出部１２３、パターン記憶部１２４、ビット反転部１２５により構成される。

検波部１２０は、受信波形、すなわち送電側装置１０における電流または電圧を検波する。これは、包絡線を抽出するＡＭ検波回路で実現できる。この検波出力をＡ／Ｄ変換部１２１でデジタル化し、符号判定部１２２でビット判定して出力する。ここで、受電側装置２０からの送信データには送電側および受電側の双方で既知の信号が付加されているものとし、これをパターン記憶部１２４が保有している。この既知の信号には、例えば、バースト信号の先頭に付与されるプリアンブル信号や、連続信号の中の特定のタイミングで付与されるパイロット信号を用いることができる。

相関検出部１２３は、例えばプリアンブル部に相当するタイミングの符号判定部１２２の出力ビット列と、パターン記憶部１２４が保有している既知の信号とを比較する。ビットが反転していない場合には正の相関が得られ、ビットが反転している場合には負の相関が得られる。符号判定部１２２の出力ビット列を入力するビット反転部１２５は、相関検出部１２３で正の相関のビット列に対しては符号を反転せずに出力し、負の相関のビット列に対しては符号を反転して出力する。

これにより、負荷変調による負荷インピーダンスの高低と送電側で検出される電流または電圧の大小との対応が逆転して出力された場合にもビット列を修正し、正しい信号を伝送することができる。すなわち、負荷変調による情報の伝送精度を高めることができる。

図５は、制御部２６および復調部１２の第２の構成例を示す。
図５において、制御部２６は、ビット１出力部２６１およびスイッチ２６２により構成される。復調部１２は、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２、バースト検出部１２６により構成される。ここで、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２の機能は、図４に示す第１の構成例のものと同様である。

本構成例の制御部２６および復調部１２を用いるためには、上りリンクの送信データは間欠的に生じるバースト信号とする。図１に示す受電側装置２０のスイッチ２５は常時オフのときに受電のみを行い、送信データを送信しない状態とする。送信データが１でスイッチ２５がオン、送信データが０でスイッチ２５がオフで、スイッチ２５がオンオフするときに送信データを送信する状態とする。

制御部２６は、送信データをスイッチ２６２を介して出力するが、送信データを送信しない初期状態ではスイッチ２５をオフとする０のみを出力する。ここで、バースト信号として送信データの送信を開始するときに、スイッチ２６２はビット１出力部２６１に切り替えてビット１を出力し、スイッチ２５をオンとした後にスイッチ２６２を送信データに切り替える。すなわち、当該ビット１が送信データの開始となる。

復調部１２では、第１の構成例と同様に送信データを復元するが、バースト検出部１２６で送信データの開始となるビット１に対応する電流または電圧の変化（増加または減少）を検出し、符号判定部１２２に通知する。符号判定部１２２は、送信データの開始となるビット１に対応する電流または電圧が減少した場合はビット反転になっているので、以後の受信信号に対して元の電流または電圧が生じれば０、電流または電圧が減少すれば１を出力する。同様に、送信データの開始となるビット１に対応する電流または電圧が増加した場合はビット反転になっていないので、以後の受信信号に対して元の電流または電圧が生じれば０、電流または電圧が増加すれば１を出力する。すなわち、本構成例は、第１の構成例における既知のプリアンブルが１ビットで１の場合に相当する。

図６は、復調部１２の第３の構成例を示す。
図６において、復調部１２は、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２、ビット反転部１２７、出力選択部１２８により構成される。ここで、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２の機能は、図４に示す第１の構成例のものと同様である。

本構成例の復調部１２を用いるためには、受電側装置２０から送信する送信データとして送電側および受電側の双方で既知のビット列を用意する。簡単のため、所定の送信データを４ビットで構成し、そのビット列を「１１０１」とする。復調部１２でビット列が反転した場合は「００１０」となるので、この反転したビット列が送信データとして割り当てられないように送信データを構成する。

符号判定部１２２は、符号判定したビット列（ここでは４ビット）をビット反転部１２７と出力選択部１２８に出力する。ビット反転部１２７は、符号判定部１２２から出力されたビット列を反転して出力選択部１２８に出力する。出力選択部１２８は、符号判定部１２２から出力されるビット列と、ビット反転部１２７から出力される反転したビット列の内、既知のビット列と一致するビット列を送信データとして出力する。なお、出力選択部１２８は、符号判定部１２２とビット反転部１２７の各出力を交互に出力するスイッチを用い、その一方は送信データとして既知のビット列であるため有意な送信データとして出力し、他方は既知のビット列ではないため破棄する構成でもよい。

図７は、制御部２６および復調部１２の第４の構成例を示す。
図７において、制御部２６は、ビット反転部２６３およびスイッチ２６２により構成される。復調部１２は、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２、出力選択部１２９により構成される。ここで、検波部１２０、Ａ／Ｄ変換部１２１、符号判定部１２２の機能は、図４に示す第１の構成例のものと同様である。

本構成例の制御部２６および復調部１２を用いるためには、復調部１２の第２の構成例の場合と同様に、受電側装置２０から送信する送信データとして送電側および受電側の双方で既知のビット列を用意し、その反転したビット列が送信データとして割り当てられないように送信データを構成する。

制御部２６では、送信データのビット列をビット反転部２６３とスイッチ２６２に入力する。ビット反転部２６３は、入力するビット列を反転してスイッチ２６２に出力する。スイッチ２６２はバッファ機能を有し、入力するビット列と、ビット反転部２６３から出力される反転したビット列を交互に出力し、図１に示す受電側装置２０のスイッチ２５のオンオフを制御する。したがって、受電側装置２０は、既知のビット列で表される所定の送信データと、そのビット列を反転させた信号を交互に送信することになる。

復調部１２では、第１の構成例と同様に送信データを復元するが、符号判定部１２３の出力を出力選択部１２９で既知のビット列と比較する。ここで、送信データのビット反転が生じても、その一方は送信データとして既知のビット列であるため、有意な送信データとして出力し、他方は既知のビット列ではないため破棄する。

１０送電側装置
１１電源
１２復調部
１２０検波部
１２１Ａ／Ｄ変換部
１２２符号判定部
１２３相関検出部
１２４パターン記憶部
１２５ビット反転部
１２６バースト検出部
１２７ビット反転部
１２８，１２９出力選択部
１３送電側コイル
１４送電側共鳴コイル
２０受電側装置
２１受電側共鳴コイル
２２受電側コイル
２３負荷
２４抵抗
２５スイッチ
２６制御部
２６１ビット１出力部
２６２スイッチ
２６３ビット反転部

Claims

送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、前記受電側装置から前記送電側装置へ伝送する送信データと前記負荷インピーダンスの変化を対応付けて前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記送電側装置は、前記送信データに対応する前記負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、前記送信データを復元する復調部を備え、
前記受電側装置の制御部は、前記受電側装置と前記送電側装置で既知の信号を送信する構成であり、
前記送電側装置の復調部は、復元した前記既知の信号からビット反転を有無を検出し、ビット反転している場合には後続する送信データをビット反転して出力する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記既知の信号は複数ビットのビット列とし、
前記送電側装置の復調部は、復元した信号と前記既知の信号との相関検出を行ってビット反転の有無を検出する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置の制御部は、前記送信データをバースト信号として送信し、かつ当該送信データの送信開始前に前記既知の信号として１ビットの信号を送信する構成であり、
前記送電側装置の復調部は、復元した前記１ビットの既知の信号からビット反転を有無を検出し、ビット反転している場合には後続する送信データをビット反転して出力する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、前記受電側装置から前記送電側装置へ伝送する送信データと前記負荷インピーダンスの変化を対応付けて前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記送電側装置は、前記送信データに対応する前記負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、前記送信データを復元する復調部を備え、
前記受電側装置の制御部は、前記受電側装置と前記送電側装置で既知のビット列を前記送信データとして用い、当該既知のビット列を反転したビット列を前記送信データとして用いない構成であり、
前記送電側装置の復調部は、復元した信号についてビット反転した信号とビット反転しない信号とを生成し、前記既知のビット列に一致する信号を前記送信データとして出力する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、前記受電側装置から前記送電側装置へ伝送する送信データと前記負荷インピーダンスの変化を対応付けて前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記送電側装置は、前記送信データに対応する前記負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の変化を検出し、前記送信データを復元する復調部を備え、
前記受電側装置の制御部は、前記受電側装置と前記送電側装置で既知のビット列を前記送信データとして用い、当該既知のビット列を反転したビット列を前記送信データとして用いない構成であり、かつ前記送信データとしてビット反転した信号とビット反転しない信号とを交互に出力する構成であり、
前記送電側装置の復調部は、復元した信号について前記既知のビット列に一致する信号を前記送信データとして出力する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。