JP5417941B2

JP5417941B2 - 送電装置

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Publication number: JP5417941B2
Application number: JP2009087596A
Authority: JP
Inventors: 浩寧吉川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: US8542018B2; US20100244839A1; JP2010239838A

Description

本発明は、磁界共鳴によって電力を送出する送電装置に関する。

従来、電磁誘導や電波を利用して電力を無線で供給する技術が考えられてきた。さらに近年、磁界を共鳴させる磁界共鳴によって電力を無線供給する技術が考えられている。磁界共鳴は、共振する２つのコイルの間で磁場が結合し、エネルギー伝送が発生する現象であり、磁場共鳴ともいう。

特表２００９−５０１５１０号公報特表２００２−５４４７５６号公報特開２００８−３０１９１８号公報特開２００８−１６０３１２号公報特開２００６−２３０１２９号公報

磁界共鳴によって電力を無線伝送する場合、２つのコイルで発生する磁界の結合度合いが高いほど電力の伝送効率が高まる。そのため、コイル間の磁界結合を高めることが望ましい。

しかしながら、送電コイルに比して受電コイルで磁束変化を捉える面積が小さい場合には磁界結合を高めることができず、伝送効率が低下する。例えば、受電コイルを設ける装置の筐体が小さい場合、受電コイルのループ面積を十分に取ることができない。同様に、受信コイルのループ面を送信コイルのループ面に対して対向に配置できない状況である場合にも伝送効率が低下する。

従来、受電側の要因で伝送効率が低下した場合、送電コイルが送出したエネルギーのうち受電側の装置で受け取ることができなかった分が全て失われるという問題点があった。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、磁界共鳴による電力の無線伝送において、送出するエネルギーのロスを減らすことで伝送効率を向上する送電装置を提供することを目的とする。

本願の開示する送電装置は、電力を磁界共鳴によって磁界エネルギーとして外部に送出する第１磁界共鳴コイルに加え、第１磁界共鳴コイルと磁界共鳴して磁界エネルギーを受け取る第２磁界共鳴コイルを設け、第２磁界共鳴コイルが受け取ったエネルギーを前記第１磁界共鳴コイルに還流する。

本願の開示する送電装置によれば、磁界共鳴による電力の無線伝送において、送出するエネルギーのロスを減らすことで伝送効率を向上する送電装置を得ることができるという効果を奏する。

図１は、本実施例にかかる送電装置の概要構成を示す概要構成図である。図２は、磁界共鳴による送電と還流についての説明図である。図３は、送電制御部２１の処理動作を説明するフローチャートである。図４は、受電装置検知処理の詳細について説明するフローチャートである。図５は、給電効率が最大となる駆動周波数の分離について説明する説明図である。図６は、電流値Ｉがピークとなる駆動周波数がｆ０±ｄに分離した場合の磁界共鳴について説明する説明図である。図７は、本実施例２にかかる送電装置１ａの概要構成を示す概要構成図である。

以下に、本願の開示する送電装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例は開示の技術を限定するものではない。

図１は、本実施例にかかる送電装置の概要構成を示す概要構成図である。図１に示した送電装置１は、受電装置５ａ，５ｂに無線で電力を供給する。送電装置１は、主送電装置２と補助受電装置３とを有する。

主送電装置２は、その内部に送電制御部２１、交流電源２２、電源切替回路２３、電力供給コイル２４、送電コイル２５、センサ２６を有する。また、補助受電装置３は、受電コイル３１および電力取出コイル３２を有する。そして、受電装置５ａ，５ｂは、それぞれ受電コイル５１、電力取出コイル５２および負荷回路５３を有する。

送電コイル２５、受電コイル３１，５１は、それぞれＬＣ共振回路であり磁界共鳴コイルとして機能する。ＬＣ共振回路のコンデンサ成分については素子によって実現してもよいし、コイルの両端を開放し、浮遊容量によって実現してもよい。ＬＣ共振回路では、インダクタンスをＬ、コンデンサ容量をＣとすると、

によって定まるｆが共振周波数となる。

送電コイル２５の共振周波数と受電コイル３１の共振周波数とが十分に近く、かつ送電コイル２５と受電コイル３１との距離が十分に小さい場合、送電コイル２５と受電コイル３１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

同様に、送電コイル２５の共振周波数と受電コイル５１の共振周波数とが十分に近く、かつ送電コイル２５と受電コイル５１との距離が十分に小さい場合、送電コイル２５と受電コイル５１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

そのため、送電コイル２５が共振した状態で磁界共鳴が発生すると、送電コイル２５から受電コイル３１，５１に磁界エネルギーを伝送することができる。

電力供給コイル２４は、電力を電磁誘導によって送電コイル２５に供給する電力送受信部である。電力供給コイル２４と送電コイル２５の配置は、電磁誘導が発生可能な距離および配置とする。電力供給コイル２４を介し、電磁誘導によって送電コイル２５を共振させることにより、送電コイル２５と他の回路との電気的な接続が不要となり、送電コイル２５の共振周波数を任意に、かつ高精度に設計することができる。

受電装置５ａ，５ｂにおいて、電力取出コイル５２は、受電コイル５１との間で電磁誘導が発生する位置に配置する。受電コイル５１が磁界共鳴によって共振すると、受電コイル５１から電力取出コイル５２に電磁誘導によってエネルギーが移動する。電力取出コイル５２は、負荷回路５３に電気的に接続されており、電磁誘導によって電力取出コイル５２に移動したエネルギーは電力として負荷回路５３に提供される。すなわち、電力取出コイル５２は、電力送受信部として機能することとなる。負荷回路５３としては、任意の回路を用いることができ、例えばバッテリーなどであってもよい。

このように電力取出コイル５２を介し、電磁誘導によって受電コイル５１から電力を取り出すことで、受電コイル５１と他の回路との電気的な接続が不要となり、受電コイル５１の共振周波数を任意に、かつ高精度に設計することができる。

補助受電装置３の電力取出コイル３２は、受電コイル３１との間で電磁誘導が発生する位置に配置する。受電コイル３１が磁界共鳴によって共振すると、受電コイル３１から電力取出コイル３２に電磁誘導によってエネルギーが移動する。電力取出コイル３２は、電力還流経路３２ａを介して電源切替回路２３に電気的に接続されている。電磁誘導によって電力取出コイル３２に移動したエネルギーは電力として電源切替回路２３にに提供される。すなわち、電力取出コイル３２は、電力送受信部として機能することとなる。

このように電力取出コイル３２を介し、電磁誘導によって受電コイル３１から電力を取り出すことで、受電コイル３１と他の回路との電気的な接続が不要となり、受電コイル３１の共振周波数を任意に、かつ高精度に設計することができる。

交流電源２２は、送電制御部２１が指定する周波数および振幅の交流電流を出力する主電源である。この交流電源２２の周波数を以降、駆動周波数という。交流電源２２に電気的に接続された電源供給コイル２３は、駆動周波数で振動する。

電源切替回路２３は、補助受電装置３２から受け取った電力と、前記交流電源２２が供給する電力とを選択もしくは組み合わせて電力供給コイル２４に供給する電源管理部である。

電力供給コイル２４は、電源切替回路２３によって駆動周波数で励起される。そのため、送電コイル２５は、駆動周波数で共振する。同じく、受電コイル３１も駆動周波数で共振する。

このように送電装置１では、交流電源２２の電力は、電源供給コイル２４と送電コイル２５との電磁誘導、送電コイル２５と受電コイル５１との磁界共鳴、受電コイル５１と電力取出コイル５２との電磁誘導を経て負荷回路５３に供給される。

また、補助受電装置３の受電コイル３１が送電コイル２５と磁界共鳴することで、補助受電装置３は送電コイル２５が送出したエネルギーの一部を受け取り、受電コイル３１と電力取出コイル３２との電磁誘導を経て主送電装置２に還流する。

送電コイル２５と受電コイル３１，５２の磁界共鳴による送電の効率は、

で表される性能指標に依存する。ここで、Кは単位時間あたりのエネルギー流の大きさ、すなわち２つのコイル間の磁界の結合度合いを示す結合効率である。また、Г_１は送電コイル２５の単位時間あたりのエネルギー損失であり、Г_２は受電コイル３１の単位時間あたりのエネルギー損失である。

上記の式に示されたように、結合効率Кを高めると、磁界共鳴による送電効率を上げることができる。

しかしながら、受電装置５ａ，５ｂの受電コイル５１で磁束変化を捉える面積が送電コイル２５に比して小さい場合には磁界結合を高めることができず、伝送効率が低下する。例えば、受電装置５ａ，５ｂの筐体が小さい場合、受電コイル５１のループ面積を十分に取ることができない。同様に、受電装置５ａ，５ｂの受信コイル５１のループ面を送信コイル２５のループ面に対して対向に配置できない状況である場合にも伝送効率が低下する。

送電コイル２５が送出したエネルギーのうち受電装置５ａ，５ｂで受け取ることができなかった分が全て失われることを防ぐため、送電装置１は、補助受電装置３によって送電コイル２５が送出したエネルギーを回収する。これによって、磁界共鳴による電力の無線伝送において、送出するエネルギーのロスを減らすことができ、もって伝送効率を向上することができる。

図２は、磁界共鳴による送電と還流についての説明図である。図２では送電コイル２５の損失をГ_１、補助受電装置３の受電コイル３１の損失をГ_２、受電装置５ａ，５ｂの受電コイル５１の損失をГ_３としている。また、送電コイル２５と補助受電装置３の受電コイル３１との磁界結合をК_１２、送電コイル２５と受電装置５ａ，５ｂの受電コイル５１の磁界結合をК_１３としている。

補助受電装置３の受電コイル３１は、予め送電コイル２５に合わせて形状と配置を設計することができるので、損失Г_２を小さくし、磁界結合К_１２を大きくして高い伝送効率を得ることができる。

そのため、受電装置の受電コイル５１の損失Г_３が大きく、磁界結合К_１３が小さい場合であっても、送電コイル２５が送出する磁界エネルギーを受電コイル３１で効率よく回収し、送電コイル２５に還流することができる。

図１に戻って説明を続ける。図１に示したセンサ２６は、送電コイル２５近傍の磁界強度を計測し、磁界強度に対応した電流を出力する。送電制御部２１は、その内部に受電装置検知部４１、周波数掃引処理部４２、電源駆動部４３を有する。

受電装置検知部４１は、受電装置５ａ，５ｂが送電装置１からの無線給電を受けることが可能な範囲に接近したことを検知する処理部である。交流電源２２を一定の周波数と振幅で駆動し、送電コイル２５が共振している場合、送電コイル２５と受電コイル５１との距離が近いほど磁界共鳴によって送電コイル２５が送出する磁界エネルギーは強くなる。そこで、交流電源２２を一定の周波数と振幅で駆動し、センサ２６によって送電コイル２５近傍の磁界強度を測定すれば、受電コイル５１の接近すなわち受電装置５ａ，５ｂの接近を検知することができる。具体的には、受電装置検知部４１は、センサ２６の出力電流値が閾値Ｔｈを超えた場合に、受電装置検知と出力する。

周波数掃引処理部４２は、駆動周波数を変化させてセンサ２６の出力変化を取得する処理部である。駆動周波数の変化は、予め設定した範囲を掃引する。センサ２６の出力電流は送電コイル２５近傍の磁界強度を示し、磁界強度は受電コイル５１が送電コイル２５に近いほど、すなわち給電効率が高いほど高くなる。そのため、周波数掃引処理部４２の処理結果は、駆動周波数に対する給電効率の分布を示すこととなる。

電源駆動部４３は、周波数掃引の結果から、給電効率が最も高くなる駆動周波数を選択し、交流電源２２を駆動することで、送電コイル２５と受電コイル５１との間でエネルギー伝送を行なわせる。

図３は、送電制御部２１の処理動作を説明するフローチャートである。送電制御部２１は、図３に示した処理動作を周期的に実行する。処理動作を開始すると、まず、受電装置検知部４１が受電装置検知処理を実行する（Ｓ１０１）。

受電装置検知処理で受電装置検知が出力されなければ（Ｓ１０２，Ｎｏ）、送電制御部２１はそのまま処理を終了する。受電装置検知処理で受電装置検知が出力された場合（Ｓ１０２，Ｙｅｓ）、周波数掃引処理部４２が周波数掃引処理を実行する（Ｓ１０３）。周波数掃引処理部４２は、周波数掃引処理の結果として得られた駆動周波数に対する給電効率の分布から給電効率のピークを検出するピーク検出処理を実行する（Ｓ１０４）。

ピーク検出処理の結果、給電効率のピークが検出されなかった場合（Ｓ１０５，Ｎｏ）、受電装置検知部４１による受電装置検知処理にもどる（Ｓ１０１）。一方、ピークが検出された場合（Ｓ１０５，Ｙｅｓ）、電源駆動部４３は、ピークの駆動周波数を選択して（Ｓ１０６）、交流電源２２を駆動し（Ｓ１０７）、送電コイル２５と受電コイル５１との間に磁界共鳴を発生させ受電装置３に電力を供給する。

その後、電源供給終了の条件が満たされれば（Ｓ１０８，Ｙｅｓ）、送電制御部２１は、給電を停止して処理を終了する。電源供給終了の条件は、電源供給を終了する指示が入力された場合や、給電効率が所定値以下となった場合など、予め定めた任意の条件を用いることができる。電源供給終了の条件が満たされていなければ（Ｓ１０８，Ｎｏ）、電源駆動（Ｓ１０７）を継続し、給電を続ける。

図４は、受電装置検知処理の詳細について説明するフローチャートである。受電装置検知処理部が開始されると、センサ２６が磁界強度を測定し（Ｓ２０１）、受電装置検知部４１は、磁界強度が閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。磁界強度は、センサ２６が出力する電流値として得られるので、受電装置検知部４１は電流値と閾値とを比較することで磁界強度の判定を行なう。

受電装置検知部４１による判定の結果、磁界強度が閾値未満であれば（Ｓ２０２，Ｎｏ）、受電装置検知部４１はそのまま受電装置検知処理を終了する。一方、磁界強度が閾値以上であれば（Ｓ２０２，Ｙｅｓ）、受電装置検知部４１は受電装置検知と出力して（Ｓ２０３）、処理を終了する。

なお、図４に示した受電装置検知処理はあくまで一例であり、受電装置５ａ，５ｂの接近検知は任意の技術を用いることができる。例えば、別途光センサなどを設けて、受電装置５ａ，５ｂを検知することとしても良い。また、磁界共鳴を検知する場合であっても、例えば受電装置検知処理では給電時に比して交流電源の出力を低くするように制御しても良い。

つぎに、駆動電流のピークの分離について説明する。送電コイル２５と受電コイル３１との磁界共鳴において、伝送されるエネルギーがピークとなる駆動周波数、すなわち給電効率が最大となる駆動周波数は、コイルの共振周波数近傍である。しかし、送電コイル２５と受電コイル３１との距離がある程度近くなると、給電効率が最大となる駆動周波数に分離が確認される。

図５は、給電効率が最大となる駆動周波数の分離について説明する説明図である。図５において、ｆは駆動周波数である。また、Ｉは、センサ２６の出力電流であり、給電効率に対応する。閾値Ｔｈは、受電コイル５１の接近検知に用いる閾値である。Ｄ１〜Ｄ６は、送電コイル２５と受電コイル３１との距離であり、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５＜Ｄ６である。

図５に示したように距離Ｄ６〜Ｄ３では、駆動周波数ｆ０で電流値Ｉがピークとなり、距離が小さくなるにつれてピーク値が大きくなる。これに対し、距離Ｄ１〜Ｄ３では、駆動電流ｆ０の低周波側と高周波側にピークが分離する。分離したピークのうち、高周波側の駆動周波数はｆ０＋ｄ、低周波側の駆動周波数はｆ０−ｄとして表すことができる。

図６は、電流値Ｉがピークとなる駆動周波数がｆ０±ｄに分離した場合の磁界共鳴について説明する説明図である。低周波側の駆動周波数ｆ０−ｄで磁界共鳴を発生させると、送電コイル２５の共振と受電コイル３１の共振は同位相となり、磁界の方向は一致する。そのため、磁界共鳴による給電を行なっている間、送電コイル２５と受電コイル３１との間には強い磁界が存在することとなる。

一方、高周波側の駆動周波数ｆ０＋ｄで磁界共鳴を発生させると、送電コイル２５の共振と受電コイル３１の共振は逆位相となり、磁界の方向は反転する。そのため、磁界共鳴による給電を行なっている間、送電コイル２５と受電コイル３１との間に発生する磁界は駆動周波数ｆ０−ｄの場合に比して弱く、場所によっては互いに相殺する。

主送電装置２と補助受電装置３との磁界共鳴を高周波側の駆動周波数ｆ０＋ｄで発生させると互いの磁場が打ち消しあう場所が生じる。電力供給先である受電装置５ａ，５ｂと主送電装置２との間で磁場共鳴を発生させて効率よくエネルギー伝送を行なわせるためには、主送電装置２と補助受電装置３との間に安定した磁場が存在することが望ましい。そこで、送電制御部２１は、駆動周波数のピークに分離が生じた場合には、低周波側の駆動周波数ｆ０−ｄを用いて磁界共鳴を発生させる。

上述してきたように、本実施例１にかかる送電装置１は、磁界共鳴によって受電装置５ａ，５ｂに送電する送電コイル２５に加え、送電コイル２５と磁界共鳴して受け取ったエネルギーを電力として送電コイル２５に還流する補助受電装置３を設けている。このため、送電コイル２５が送出したエネルギーのうち受電装置５ａ，５ｂで受け取ることができなかった分の一部を回収してエネルギーのロスを減らし、伝送効率を向上することができる。

図７は、本実施例２にかかる送電装置１ａの概要構成を示す概要構成図である。図７に示した送電装置１ａは、図示しない受電装置に無線で電力を供給する。送電装置１は、主送電装置２ａと補助受電装置３ａとを有する。

送電装置１では、主送電装置２ａから補助受電装置３ａに磁界共鳴によってエネルギーを伝送する主送電動作と、補助受電装置３ａから主送電装置２ａに磁界共鳴によってエネルギーを伝送する還流動作とを切り替える。

補助受電装置３ａは、受電コイル３１、電力取出コイル３２、バッテリー７１、送電駆動部７２、動作制御部７３を有する。主送電動作時では、受電コイル３１は、磁界共鳴によって主送電装置２ａから磁界エネルギーを受け取り、電力取出コイル３２は、電磁誘導によって受電コイル３１から電力を取り出してバッテリー７１に蓄積する。

そして、還流動作では、送信駆動部７２がバッテリー７１を電源として電力取出コイル３２に電力を供給する。電力取出コイル３２は、供給された電力を電磁誘導で受電コイル３１に渡す。受電コイル３１は、主送電装置２ａの送電コイル２５と磁界共鳴し、磁界エネルギーを送電コイル２５に伝送する。動作制御部７３は、補助受電装置３ａにおいて主送電動作と還流動作とを切り替える動作切替部として機能する。

主送電装置２ａは、交流電源２２、電力供給コイル２４、送電コイル２５、バッテリー６１、送信駆動部６２および動作制御部６３を有する。主送電動作時では、送信駆動部６２は、交流電源２２が供給する電力とバッテリー６１が供給する電力とを選択もしくは組み合わせて電力供給コイル２４に供給する。電力供給コイル２４は、電磁誘導によって電力供給２４から送電コイル２５に電力を供給する。そして、送電コイル２５は磁界共鳴によって受電コイル３１にエネルギーを供給する。

そして、還流動作では、送電コイル２５は、磁界共鳴によって補助受電装置３ａから磁界エネルギーを受け取り、電力供給コイル２４は、電磁誘導によって送電コイル２５から電力を取り出してバッテリー６１に蓄積する。動作制御部６３は、主送電装置２ａにおいて主送電動作と還流動作とを切り替える動作切替部として機能する。

以上説明してきたように、本実施例２にかかる送電装置１ａでは、本実施例１と動世に、磁界共鳴によって受電装置に送電する送電コイル２５に加え、送電コイル２５と磁界共鳴して受け取ったエネルギーを電力として送電コイル２５に還流する補助受電装置３ａを設けることで、エネルギーのロスを減らし、伝送効率を向上する。

さらに、送電装置１ａでは、補助受電装置３ａから主送電装置２ａへの電力の還流に磁界共鳴を利用するので、電力の還流をワイヤレスで実現することができる。

１，１ａ送電装置
２，２ａ主送電装置
３，３ａ補助受電装置
５ａ，５ｂ受電装置
２１送電制御部
２２交流電源
２３電源切替回路
２４電力供給コイル
２５送電コイル
２６センサ
３１，５１受電コイル
３２，５２電力取出コイル
３２ａ電力還流経路
３３負荷回路
４１送電装置検知部
４２周波数掃引処理部
４３電源駆動部
６１，７１バッテリー
６２，７２送信駆動部
６３，７３動作制御部

Claims

電力を磁界共鳴によって磁界エネルギーとして外部に送出する第１磁界共鳴コイルと、
前記第１磁界共鳴コイルに対して少なくとも電力の供給を行なう第１電力送受信部と、
前記第１磁界共鳴コイルと磁界共鳴して前記磁界エネルギーを受け取る第２磁界共鳴コイルと、
前記第２磁界共鳴コイルに対して少なくとも前記電力の受け取りを行なう第２電力送受信部と、
主電源と、
前記第２電力送受信部が受け取った電力と、前記主電源が供給する電力とを選択もしくは組み合わせて前記第１電力送受信部に供給する電源管理部と、
前記第１磁界共鳴コイルから前記第２磁界共鳴コイルに磁気エネルギーを送る主送電動作と、前記第２磁界共鳴コイルから前記第１磁界共鳴コイルに磁気エネルギーを送る還流動作とを切り替える動作切替部と
を備え、
前記第２電力送受信部は、前記主送電動作時で受け取った電力を前記還流動作時で前記第２磁界共鳴コイルに供給し、
前記第１電力送受信部は、前記還流動作時に前記第１磁界共鳴コイルから電力を受け取り、
前記電源管理部は、前記主電源が供給する電力と前記還流動作時に受け取った電力とを選択もしくは組み合わせて前記主送電動作時に使用することを特徴とする送電装置。
前記第１電力送受信部および前記第２電力送受信部は、電磁誘導によって電力の供給もしくは取出しを行なう電磁誘導コイルであることを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
前記磁界共鳴の効率がピークとなるピーク駆動周波数が複数存在する場合に、低周波側の駆動周波数で前記磁界共鳴を発生させる駆動部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の送電装置。