JP5527407B2 - 無線による受電装置及び受電方法 - Google Patents

Description

本発明は、受電装置及び受電方法に関する。

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。

特開２００９−１０６１３６号公報 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

コイル間でエネルギーを伝送させ、エネルギーの取り出し側のコイルに負荷を接続することで、負荷に対して電力を供給することができる。この電力供給の効率は、負荷のインピーダンスに依存する。

負荷としてバッテリを接続した場合、バッテリの充電状態によって負荷のインピーダンスが逐次変化する。このため、従来の技術ではバッテリの放電状態から満充電状態までの間に電力供給の効率が低下する状況が発生していた。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、バッテリに対する電力供給効率を向上した受電装置および受電方法を提供することを目的とする。

本願の開示する受電装置及び受電方法では、受電装置は、電力の供給元となるコイルから電力を取り出す複数の電力取り出しコイルを備え、スイッチによって複数の電力取り出しコイルのいずれかを選択してバッテリに接続する。複数の電力取り出しコイルは径または電力取り出しコイルからの距離やターン数（巻き数）が異なる。開示の装置及び方法は、バッテリの充電状態を検知してスイッチを切り替える。

また、本願の開示する受電装置及び受電方法では、電力の供給元となるコイルから電力を取り出してバッテリを充電する電力取り出しコイルと、電力の供給元となるコイルと電力取り出しコイルとの位置関係を制御する位置制御機構を備える。開示の装置及び方法は、バッテリの充電状態を検知して位置制御機構を制御する。

本願の開示する受電装置及び受電方法によれば、バッテリに対する電力供給効率を向上することができる。

図１は、本実施例にかかる受電装置を含む送受電システムの構成図である。 図２は、図１に示した４つのコイルを有する磁界共鳴型の送受電システムの等価回路図である。 図３は、リチウムイオンバッテリー充電のシーケンスについての説明図である。 図４は、負荷の変動による送電効率低下についての説明図である。 図５は、受電装置３に対する送電効率についての説明図である。 図６は、電力取り出しコイルの具体例の説明図である。（その１） 図７は、電力取り出しコイルの具体例の説明図である。（その２） 図８は、受電装置３の回路構成図である。 図９は、制御回路３５の処理動作を説明するフローチャートである。 図１０は、送受電システムの変形例の説明図である。（その１） 図１１は、送受電システムの変形例の説明図である。（その２）

以下に、本発明にかかる受電装置および受電方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施例は開示の技術を限定するものではない。

図１は、本実施例にかかる受電装置を含む送受電システムの構成図であり、図２は、図１に示した４つのコイルを有する磁界共鳴型の送受電システムの等価回路図である。図１に示した送受電システム１は、送電装置２と受電装置３とを含むシステムである。送電装置２は、その内部に交流電源２１、電力供給コイル１１、送電コイル１２を有する。また、受電装置３は、受電コイル１３、４つの電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４、スイッチ３１、整流回路３２、ＤＤコンバータ（直流・直流変換器）３３、バッテリ（充電池）３４、制御回路３５を有する。

送電コイル１２と受電コイル１３は、それぞれＬＣ共振回路である。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１２の共振周波数と受電コイル１３の共振周波数とが十分に近く、かつ送電コイル１２と受電コイル１３との距離が十分に小さい場合、送電コイル１２と受電コイル１３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１２が共振した状態で磁界共鳴が発生すると、送電コイル１２から受電コイルに１３に磁界エネルギーを伝送することができる。磁界共鳴方式は、電磁波を用いた場合に比べて大電力の伝送が可能であり、電磁誘導方式に比べて送電距離が長くとれるというメリットがある。

電力供給コイル１１は、交流電源２１から得られた電力を電磁誘導によって送電コイル１２に供給する。電力供給コイル１１と送電コイル１２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１１を介し、電磁誘導によって送電コイル１２を共振させることにより、送電コイル１２と他の回路との電気的な接続が不要となり、送電コイル１２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。

電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４は、受電コイル１３との間で電磁誘導が発生する位置に配置する。スイッチ３１は、電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４のうちのいずれか一つを選択し、整流回路３２に接続する。受電コイル１３が磁界共鳴によって共振すると、電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４のうち、スイッチ３１が選択したコイルに受電コイル１３から電磁誘導によるエネルギーの移動が発生する。スイッチ３１が選択したコイルに移動したエネルギーは、電力として取り出され、スイッチ３１、整流回路３２、ＤＤコンバータ３３を介してバッテリ３４にバッテリ３４に提供される。

このように電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４を介し、電磁誘導によって受電コイル１３から電力を取り出すことで、受電コイル１３と他の回路との電気的な接続が不要となり、受電コイル１３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２１は、所定の周波数および振幅の交流電流を出力する。この交流電源２１の周波数を以降、駆動周波数という。交流電源２１に電気的に接続された電源供給コイル１１は、駆動周波数で振動する。そのため、送電コイル１２は、駆動周波数で共振する。同じく、受電コイル１３も駆動周波数で共振する。

このように送受電システム１では、交流電源２１の電力は、電源供給コイル１１と送電コイル１２との電磁誘導、送電コイル１２と受電コイル１３との磁界共鳴、受電コイル１３と電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４との電磁誘導を経て電力として取り出される。取り出された電力は、整流回路３２によって直流に変換され、ＤＤコンバータ３３による電圧の変換を受けてバッテリ３４の充電に用いられる。

ワイヤレス送電に求められる性能に送電部から受電部までの送電効率が挙げられる。図１，図２に示した例では、電力供給コイル１１に入力される実効電力と電力取り出しコイル１４に接続された負荷抵抗で消費される電力の比を送電効率とする。

携帯電話等のモバイル機器や電気自動車（EV: Electric Vehicle）に給電を行う場合、負荷抵抗部は整流回路３２、ＤＤコンバータ３３、バッテリ３４の構成となる。一般にリチウムイオンバッテリー充電では、図３に示したように、放電状態に近いとき定電流充電、ある程度の充電量になると定電圧充電のシーケンスがとられる。この場合、磁界共鳴型ワイヤレス送電システム系からみると、負荷部のインピーダンスが逐次変化することになる。このため、単一の電力取り出しコイルを固定した構成では、図４に示したように常に良好な送電効率を実現するのが困難となる。

図４に示した例では、負荷抵抗が１０オーム程度であれば、０．８以上の良好な送電効率が得られる。しかし、負荷抵抗が１００オームで送電効率は０．５５程度、負荷抵抗が１０００オームで０．１程度となる。

そこで、図１に示した受電装置３は、バッテリ３４の充電量の推移、すなわち負荷インピーダンスの変化による送電効率の悪化または変動を抑えるため、バッテリ３４の充電状態に応じて電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４の切り換え制御を行う。

電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４は、負荷インピーダンスの変化に対応し、径の大きさが異なる。電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４は、例えば同心円状に配置すれば、新たに余分なスペースを確保する必要はない。

電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４と整流回路３２の間に設けたスイッチ３１は、制御回路３５からの指令によって、両者の接続を選択的に切り換える。制御回路３５には、バッテリ３４の電圧や充電電流など、磁界共鳴系から見たときの負荷インピーダンスが検知できる情報を入力する。この情報をもとに、制御回路３５は予め記録されていた当該負荷インピーダンスに対する最適なコイルを電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４から選択し、スイッチ３１に切り換え信号を発信する。以上の動作によって、バッテリ３４の充電の経過とともに負荷インピーダンスが大きく変化する場合でも、送電効率の悪化や変動を抑えることが可能となる。

図５は、受電装置３に対する送電効率についての説明図である。径が最も小さい電力取り出しコイル１４＿１を用いた場合、負荷抵抗１０オームで送電効率Ｅ１は０．８を超え、負荷抵抗１００オーム以降は送電効率Ｅ１が０．６を下回る。次に径が小さい電力取り出しコイル１４＿２を用いた場合、負荷抵抗１０オームで送電効率Ｅ２は０．８を超えており、負荷抵抗１００オーム以降は送電効率Ｅ２が０．８を下回る。次に径が小さい電力取り出しコイル１４＿３を用いた場合、負荷抵抗１００オームで送電効率Ｅ３は０．８を超えており、負荷抵抗１０００オーム以降は送電効率Ｅ３が０．５を下回る。径が最も大きい電力取り出しコイル１４＿４を用いた場合、負荷抵抗１００オームで送電効率Ｅ４は０．８程度であり、負荷抵抗１００オームから１０００オームまで送電効率Ｅ４は０．７以上を維持する。

従って、電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿４を負荷抵抗に合せて切り替えた場合の送電効率Ｅ５は、負荷抵抗１０００オームまでの範囲で０．７以上を維持することができる。

図６および図７は、電力取り出しコイルの具体例の説明図である。図６，７では、説明を簡明にするため、３つの電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿３を図示している。

図６に示したコイル基板１４ａは、基板の一方の面である１層目に、大きさが異なり、重心が重なる矩形状の配線を設けて電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿３を形成している。各矩形は、４つの角のうち一つで配線が途切れ、配線の端部はスルーホールに接続している。図６に示した例では、スルーホールのうち、電力取り出しコイル１４＿３に対応する配線の１つの端部にスルーホールＨ１１を設けている。

コイル基板１４ａは、基板の他方の面、すなわち裏面にスルーホールから基板外部に接続する配線を設けている。この配線は負荷側への接続に用いられる接続用配線である。また、コイル基板１４ａの裏面では、３つの矩形状の配線がそれぞれ有する２つの端部のうち、一端を同一の接続用配線に接続している。このように３つの矩形状の配線で共用される接続用配線は、常に負荷側に接続され、残りの３つの配線のうちいずれかを選択することで、電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿３の切り替えが行なわれる。

図７に示したコイル基板１４ｂは、基板の一方の面である１層目に、螺旋状に矩形の配線を設けている。螺旋状の配線の２つの端部はそれぞれスルーホールに接続している。このうち、外周側の端部がスルーホールＨ１２である。加えて、コイル基板１４ｂは、螺旋状の配線の２つの端部の経路上に２つのスルーホールを設けている。

また、コイル基板１４ｂは、基板の他方の面、すなわち裏面にスルーホールから基板外部に接続する配線を設けている。この配線が負荷側への接続に用いられる接続用配線である。コイル基板１４ｂでは、スルーホールＨ１２につながる接続用配線は常に負荷側に接続され、残りの３つのスルーホールのうちいずれかを選択することで、電力取り出しコイル１４＿１〜１４＿３の切り替えが行なわれ、電力取り出しコイルのターン数を切り換える。

図８は、受電装置３の回路構成図である。図８では、コイル基板１４ａを使用した場合の回路図を示している。３つの矩形状の配線で共用される接続用配線は、整流回路３２に接続される。そして残りの３つの接続用配線がスイッチ３１に接続される。

スイッチ３１は、制御回路３５の指示をうけて、３つの接続用配線を切り替える。整流回路３２の出力はＤＤコンバータ３３に入力される。ＤＤコンバータ３３とバッテリ３４との２本の配線のうち、一方に電流検出用の抵抗（センス抵抗）Ｒｓを設ける。

制御回路３５は、バッテリ３４に供給される電圧を取得するとともに、センス抵抗Ｒｓ前後の電圧を取得して電流値を算出する。また、制御回路３５は、バッテリ３４から残量を取得する。制御回路３５は、この供給電圧、電流、バッテリ残量から使用する電力取り出しコイルを選択し、必要に応じて切り替え指示をスイッチ３１に出力する。

図９は、制御回路３５の処理動作を説明するフローチャートである。処理を開始すると、制御回路３５は、供給電圧、電流、バッテリ残量を充電状態として検出する（Ｓ１０１）。次に、制御回路３５は、充電状態から使用する電力取り出しコイルを選択し（Ｓ１０２）、必要に応じて電力取り出しコイルの切り替え指示をスイッチ３１に出力して（Ｓ１０３）、処理を終了する。なお、この処理動作は、バッテリ３４の充電中に制御回路３５によって繰り返し実行される。

図１０は、送受電システムの変形例の説明図である。図１０に示した送受電システム１ａでは、受電装置３ａは、受電コイル１３、１つの電力取り出しコイル１５、整流回路３２、ＤＤコンバータ３３、バッテリ３４、制御回路３５ａ、位置制御機構３６を有する。

受電装置３ａは、電力取り出しコイル１５の位置を位置制御機構３６によって変更し、受電コイル１３と電力取り出しコイル１５との距離を調整することができる。制御回路３５ａは、バッテリ３４の充電状態に基づいて位置制御機構３６を制御することで、負荷抵抗の変化に合せて送電効率を維持することができる。その他の構成及び動作については図１に示した送受電システム１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１１は、送受電システムの変形例の説明図である。図１１に示した送受電システム１ｂは、送電装置２ｂと受電装置３ｂとを含むシステムである。送電装置２ｂは、その内部に交流電源２１ｂ、電力供給コイル１６を有する。また、受電装置３は、電力取り出しコイル１７、４つの電力取り出しコイル１７、スイッチ３１、整流回路３２、ＤＤコンバータ３３、バッテリ３４、制御回路３５ｂを有する。

この送受電システム１ｂでは、送信装置２ｂの電力供給コイル１６から受信装置３ｂの電力取り出しコイル１７に電磁誘導によってエネルギーの移動が行なわれる。従って、制御回路３５ｂは、バッテリ３４の充電状態に基づいて、電磁誘導によるエネルギーの移動が効率的に行なわれるようスイッチ３１を制御し、電力取り出しコイル１７を選択することとなる。このように、開示の技術は、電磁誘導によるワイヤレス給電にも適用可能である。その他の構成及び動作は、図１に示した送受電システム１と同様であるので、同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。

上述したように、本実施例にかかる送受電システム１は、受電装置３がバッテリ３４の充電状態に合せて電力取り出しコイルの径や位置を制御するので、磁界共鳴や電磁誘導を用いたワイヤレス給電における電力供給効率を向上することができる。

なお、本実施例はあくまで一例であり、構成及び動作は適宜変更して実施することができる。例えば、バッテリ３４は、受信装置３の外部に配置しても良いし、着脱可能としても良い。

また、径が同一で受電コイル１３や電力供給コイル１６からの距離が異なる複数の電力取り出しコイルを設けて、充電状態に合せて電力取り出しコイルを切り替える構成であっても良い。また、径と距離がそれぞれ異なる複数の電力取り出しコイルを設ける構成であっても良い。また、電力取り出しコイルの位置を固定し、受電コイルの位置を制御することで電力取り出しコイルと受電コイルの距離を変更する構成であっても良い。

１，１ａ 送受電システム
２，２ｂ 送電装置
３，３ｂ 受電装置
１１，１６ 電力供給コイル
１２ 送電コイル
１３ 受電コイル
１４＿１〜１４＿４，１５，１７ 電力取り出しコイル
１４ａ，１４ｂ コイル基板
２１，２１ｂ 交流電源
３１ スイッチ
３２ 整流回路
３３ ＤＤコンバータ
３４ バッテリ
３５，３５ａ，３５ｂ 制御回路
３６ 位置制御機構

Claims (5)

1. 電力の供給元となるコイルから無線により電力を取り出す複数の電力取り出しコイルと、
   前記複数の電力取り出しコイルのいずれかを選択してバッテリに接続するスイッチと、
   前記バッテリの充電状態を検知して前記スイッチを切り替える制御部と
   を備え、
   前記複数の電力取り出しコイルは径または巻き数または前記電力取り出しコイルからの距離が異なることを特徴とする受電装置。
2. 電力の供給元となるコイルから無線により電力を取り出してバッテリを充電する電力取り出しコイルと、
   前記電力の供給元となるコイルと前記電力取り出しコイルとの位置関係を制御する位置制御機構と、
   前記バッテリの充電状態を検知して前記位置制御機構を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする受電装置。
3. 前記電力の供給元となるコイルを装置内部に備え、前記電力の供給元となるコイルは装置外部のコイルから磁界共鳴によって電力を受け取ることを特徴とする請求項１または２に記載の受電装置。
4. 電力の供給元となるコイルから無線により電力を取り出す複数の電力取り出しコイルのうちいずれかと接続されたバッテリの充電状態を検知するステップと、
   前記バッテリの充電状態に基づいて前記複数の電力取り出しコイルのうちいずれかを選択するステップと、
   前記選択の結果に基づいて前記複数の電力取り出しコイルと前記バッテリの接続関係を切り替えるステップと
   を含んだことを特徴とする受電方法。
5. 電力の供給元となるコイルから無線により電力を取り出す電力取り出しコイルと接続されたバッテリの充電状態を検知するステップと、
   前記バッテリの充電状態に基づいて前記電力の供給元となるコイルと前記電力取り出しコイルとの距離を決定するステップと、
   前記決定した距離に基づいて前記電力の供給元となるコイルと前記電力取り出しコイルとの位置関係を制御するステップと
   を含んだことを特徴とする受電方法。

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