JP5599447B2 - 無線電力伝送による伝送システム及び受信側伝送装置 - Google Patents

Description

この発明は、非接触で電力を伝送する無線電力伝送による伝送システム及び受信側伝送装置に関するものである。

従来の無線電力伝送において、伝送電力を効率的に制御することを目的とした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された方法では、磁場共振型のワイヤレス給電において、送電部の電流位相と電圧位相を比較して、位相差がゼロとなるように送信周波数の調整を行っている。これにより、送信コイル及び受信コイル間の共振周波数に送信周波数を追随させることができ、伝送電力の効率を高めることができる。

特開２０１１−２１７５９６号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、送電部の送信周波数を可変制御するため、使用する周波数帯域を広くとる必要がある。したがって、電波法の規制を満足する設計を行うためには、送信電力の小電力化や漏洩電磁界のシールド構造などが必要であり、製品化が困難であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定した一つの送信周波数により負荷変動に対しても高効率な電力伝送を可能とする無線電力伝送による伝送システム及び受信側伝送装置を提供することを目的としている。

この発明に係る無線電力伝送による伝送システムは、単一周波数の電力を供給する送信電源と、送信電源からの電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部と、受信アンテナにより受信された電力を受信する受信電源と、受信アンテナの電圧、又は電圧及び電流を検出し、当該検出した電圧、又は電圧及び電流の波形に基づいて送受信部の共振結合インピーダンスを調整する共振結合インピーダンス調整部とを備え、共振結合インピーダンス調整部は、受信アンテナの電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出された電圧の振幅を制御する振幅制御部と、振幅制御部により制御された電圧の振幅が最大となるよう受信アンテナの共振インピーダンスを調整する共振インピーダンス調整回路とを備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、固定した一つの送信周波数により負荷変動に対しても高効率な電力伝送を可能とすることができ、電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による伝送システムの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における受信アンテナの電圧及び電流の波形の例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による伝送システムの別の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送による伝送システムの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態２における受信アンテナの電圧及び電流の波形の例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送による伝送システムの別の構成を示す模式図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による伝送システムの構成を示す模式図である。
無線電力伝送による伝送システムは、電気信号を含む電力を無線伝送する装置である。この無線電力伝送による伝送システムは、図１に示すように、送信電源１、送受信部２、受信電源３及び共振結合インピーダンス調整部４から構成されている。また、送受信部２は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を有している。

送信電源１は、送信アンテナ５に対し、単一周波数の電力を供給するものである。
送信アンテナ５は、送信電源１から供給された電力を、受信アンテナ６に無線伝送するものである。
受信アンテナ６は、送信アンテナ５からの電力を受信するものである。
受信電源３は、受信アンテナ６により受信された電力を負荷機器など（不図示）に供給するものである。
なお、送受信部２の無線伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

共振結合インピーダンス調整部４は、電力伝送の高効率化を図るため、受信アンテナ６の入力インピーダンスの変化に応じて、送受信部２の共振結合インピーダンスを調整するものである。なお、共振結合インピーダンスとは、送信アンテナ５と受信アンテナ６との間における結合係数を調整するインピーダンスである。また、共振結合インピーダンス調整部４では、共振結合インピーダンス制御により、受信周波数を共振周波数（図１に示すｆｏ１）に常に同調させている。
この共振結合インピーダンス調整部４は、電圧検出部４１、電流検出部４２、振幅制御部４３、位相制御部４４及び共振インピーダンス調整回路４５から構成されている。

電圧検出部４１は、受信アンテナ６の電圧を検出するものである。
電流検出部４２は、受信アンテナ６の電流を検出するものである。
振幅制御部４３は、電圧検出部４１により検出された電圧の振幅を制御するものである。
位相制御部４４は、電圧検出部４１により検出され振幅制御部４３を介して入力された電圧と、電流検出部４２により検出された電流との位相差を制御するものである。

共振インピーダンス調整回路４５は、振幅制御部４３及び位相制御部４４による制御結果に基づいて、受信アンテナ６の共振インピーダンスを調整するものである。ここで、共振インピーダンス調整回路４５は、振幅制御部４３により制御された電圧の振幅が最大となり、かつ、位相制御部４４により制御された電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるよう、共振インピーダンスを調整する。

次に、受信アンテナ６の電圧及び電流の波形の例について、図２を参照しながら説明する。
受信アンテナ６の電圧及び電流の波形は、例えば図２に示すような波形である。そして、共振インピーダンス調整回路４５では、図２に示す電圧の振幅が最大となり、また、その際の電圧と電流との位相差が所定の範囲（およそ±９０度）内となるように、受信アンテナ６の共振インピーダンスを調整する。
ここで、電圧の振幅を最大とする理由は、例えば送信側からの伝送電力が少ない場合には、受信アンテナ６で受信する電力も少なく、その際の電圧の振幅も小さい。一方、伝送電力が増加した場合には、受信アンテナ６にて受信する電力も増加し、その際の電圧も増加するためである。すなわち、電圧の振幅が最大となる条件において、最も効率よく電力伝送が行われることになる。

以上のように、この実施の形態１によれば、受信アンテナ６の電圧及び電流を検出し、電圧の振幅が最大となり、かつ、電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるように受信アンテナ６の共振インピーダンスを調整するように構成したので、固定した一つの送信周波数により負荷変動に対しても高効率な電力伝送が可能となり、ＩＳＭ帯などを使用することにより電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。

また、特許文献１に開示される従来方法では、送信側の電流と電圧との位相差がゼロとなるように送信周波数を制御している。しかしながら、この方法では、受信側の入力インピーダンスによっては必ずしも最適な効率点とならないため、常に最適な高効率伝送は望めない。それに対して、本方法では、受信アンテナ６の入力インピーダンスの変動に対して、常に高効率な電力伝送となるよう最適な制御を行うため、上記課題を解決することが可能となる。

さらに、単一系統の伝送システムを近距離に複数個設置する場合においても、各受信アンテナ６の共振インピーダンス制御を同様に行うことで、各伝送システム全体での共振条件に同調させることが可能となり、単一系統の場合と同様の伝送システムが構築できる。これにより、小電力の伝送システムを複数個用いることで大電力の伝送システムを容易に構成することが可能である。

なお、図１に示す実施の形態１では、振幅制御部４３及び位相制御部４４の両方を備えた場合について示したが、図３に示すように、電流検出部４２及び位相制御部４４を削除して、振幅制御部４３のみを備えるようにしてもよく、負荷変動に対して高効率な電力伝送を可能とすることができる。しかしながら、この場合には電圧と電流との位相差を考慮していないため、電圧の振幅が最大であっても位相差が適切な範囲内でない場合があり、常に高効率な電力伝送を実現することは難しい。

実施の形態２．
実施の形態１では、受信アンテナ６の電圧の振幅が最大となるよう共振インピーダンスを調整する場合について示した。それに対して、実施の形態２では、受信アンテナ６の電流の振幅が最大となるよう共振インピーダンスを調整する場合について示す。
図４はこの発明の実施の形態２に係る無線電力伝送による伝送システムの構成を示す模式図である。図４に示す実施の形態２に係る無線電力伝送による伝送システムは、図１に示す実施の形態１に係る無線電力伝送による伝送システムの共振結合インピーダンス調整部４を共振結合インピーダンス調整部４ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

共振結合インピーダンス調整部４ｂは、電力伝送の高効率化を図るため、受信アンテナ６の入力インピーダンスの変化に応じて、送受信部２の共振結合インピーダンスを調整するものである。また、共振結合インピーダンス調整部４ｂでは、共振結合インピーダンス制御により、受信周波数を共振周波数（図４に示すｆｏ１）に常に同調させている。
この共振結合インピーダンス調整部４ｂは、電圧検出部４１ｂ、電流検出部４２ｂ、振幅制御部４３ｂ、位相制御部４４ｂ及び共振インピーダンス調整回路４５ｂから構成されている。

電圧検出部４１ｂは、受信アンテナ６の電圧を検出するものである。
電流検出部４２ｂは、受信アンテナ６の電流を検出するものである。
振幅制御部４３ｂは、電流検出部４２ｂにより検出された電流の振幅を制御するものである。
位相制御部４４ｂは、電圧検出部４１ｂにより検出された電圧と、電流検出部４２ｂにより検出され振幅制御部４３ｂを介して入力された電流との位相差を制御するものである。

共振インピーダンス調整回路４５ｂは、振幅制御部４３ｂ及び位相制御部４４ｂによる制御結果に基づいて、受信アンテナ６の共振インピーダンスを調整するものである。ここで、共振インピーダンス調整回路４５ｂは、振幅制御部４３ｂにより制御された電流の振幅が最大となり、かつ、位相制御部４４ｂにより制御された電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるよう、共振インピーダンスを調整する。

次に、受信アンテナ６の電圧及び電流の波形の例について、図５を参照しながら説明する。
受信アンテナ６の電圧及び電流の波形は、例えば図５に示すような波形である。そして、共振インピーダンス調整回路４５ｂでは、図５に示す電流の振幅が最大となり、また、その際の電圧と電流との位相差が所定の範囲（およそ±９０度）内となるように、送信アンテナ５の共振インピーダンスを調整する。
ここで、電流の振幅を最大とする理由は、例えば送信側からの伝送電力が少ない場合には、受信アンテナ６にて受信する電力も少なく、その際の電流の振幅も小さい。一方、伝送電力が増加した場合には、受信アンテナ６にて受信する電力も増加し、その際の電流も増加するためである。すなわち、電流の振幅が最大となる条件において、最も効率よく電力伝送が行われることになる。

以上のように、この実施の形態２によれば、受信アンテナ６の電圧及び電流を検出し、電流の振幅が最大となり、かつ、電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるように受信アンテナ６の共振インピーダンスを調整するように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、図４に示す実施の形態２では、振幅制御部４３ｂ及び位相制御部４４ｂの両方を備えた場合について示したが、図３と同様に、電圧検出部４１ｂ及び位相制御部４４ｂを削除して、振幅制御部４３ｂのみを備えるようにしてもよく、負荷変動に対して高効率な電力伝送を可能とすることができる。しかしながら、この場合には電圧と電流との位相差を考慮していないため、電流の振幅が最大であっても位相差が適切な範囲内でない場合があり、常に高効率な電力伝送を実現することは難しい。

また、図１に示す実施の形態１では振幅制御部４３にて電圧の振幅制御を行い、図４に示す実施の形態２では振幅制御部４３ｂにて電流の振幅制御を行う場合について示した。それに対して、例えば図６に示すように、振幅制御部（第２の振幅制御部）４３及び振幅制御部４３ｂを両方設けるようにしてもよい。そして振幅制御部４３，４３ｂにて電圧及び電流の振幅制御を行い、共振インピーダンス調整回路４５にて、電圧の振幅が最大となり、電流の振幅が最大となり、かつ、電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるように、共振インピーダンスを調整するようにしてもよい。これにより、受信アンテナ６の入力インピーダンスにより電圧及び電流の振幅を考慮する必要がある場合にも対応可能となり、また、実施の形態１，２の構成に対して伝送効率の精度が向上する。

また、図１，４に示す実施の形態１，２では、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を各々単一のコイルから構成する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、各コイルを、各々例えば給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよく、２個以上のコイルで構成するようにしてもよい。

また、送信アンテナ５では、対となる受信アンテナ６間の距離や負荷電流・負荷インピーダンスなどによって共振条件が変化する。そこで、送信側に、このような伝送状況の変化に応じて、送信アンテナ５に対して成立させる共振条件を可変とする送信電源回路を追加してもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 送信電源、２ 送受信部、３ 受信電源、４，４ｂ 共振結合インピーダンス調整部、５ 送信アンテナ、６ 受信アンテナ、４１，４１ｂ 電圧検出部、４２，４２ｂ 電流検出部、４３，４３ｂ 振幅制御部、４４，４４ｂ 位相制御部、４５，４５ｂ 共振インピーダンス調整回路。

Claims (11)

1. 単一周波数の電力を供給する送信電源と、
   前記送信電源からの電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、前記送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部と、
   前記受信アンテナにより受信された電力を受信する受信電源と、
   前記受信アンテナの電圧、又は電圧及び電流を検出し、当該検出した電圧、又は電圧及び電流の波形に基づいて前記送受信部の共振結合インピーダンスを調整する共振結合インピーダンス調整部とを備え、
   前記共振結合インピーダンス調整部は、
   前記受信アンテナの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧の振幅を制御する振幅制御部と、
   前記振幅制御部により制御された電圧の振幅が最大となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する共振インピーダンス調整回路とを備えた
   ことを特徴とする無線電力伝送による伝送システム。
2. 前記共振結合インピーダンス調整部は、
   前記受信アンテナの電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧と、前記電流検出部により検出された電流との位相差を制御する位相制御部とを備え、
   前記共振インピーダンス調整回路は、前記位相制御部により制御された電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による伝送システム。
3. 単一周波数の電力を供給する送信電源と、
   前記送信電源からの電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、前記送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部と、
   前記受信アンテナにより受信された電力を受信する受信電源と、
   前記受信アンテナの電圧、又は電圧及び電流を検出し、当該検出した電圧、又は電圧及び電流の波形に基づいて前記送受信部の共振結合インピーダンスを調整する共振結合インピーダンス調整部とを備え、
   前記共振結合インピーダンス調整部は、
   前記受信アンテナの電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部により検出された電流の振幅を制御する振幅制御部と、
   前記受信アンテナの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧と、前記電流検出部により検出された電流との位相差を制御する位相制御部と、
   前記振幅制御部により制御された電流の振幅が最大となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する共振インピーダンス調整回路とを備え、
   前記共振インピーダンス調整回路は、前記位相制御部により制御された電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する
   ことを特徴とする無線電力伝送による伝送システム。
4. 前記共振結合インピーダンス調整部は、
   前記電圧検出部により検出された電圧の振幅を制御する第２の振幅制御部を備え、
   前記共振インピーダンス調整回路は、前記第２の振幅制御部により制御された電圧の振幅が最大となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する
   ことを特徴とする請求項３記載の無線電力伝送による伝送システム。
5. 前記送受信部は、磁界共鳴により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による伝送システム。
6. 前記送受信部は、電界共鳴により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による伝送システム。
7. 前記送受信部は、電磁誘導により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による伝送システム。
8. 前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々２個以上のコイルから構成された
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による伝送システム。
9. 前記送信アンテナの伝送状況に応じて前記送信アンテナの共振条件を可変する送信電源回路を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による伝送システム。
10. 無線伝送された電力を受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナにより受信された電力を受信する受信電源と、
    前記受信アンテナの電圧、又は電圧及び電流を検出し、当該検出した電圧、又は電圧及び電流の波形に基づいて前記受信アンテナと送信元との間の共振結合インピーダンスを調整する共振結合インピーダンス調整部とを備え、
    前記共振結合インピーダンス調整部は、
    前記受信アンテナの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部により検出された電圧の振幅を制御する振幅制御部と、
    前記振幅制御部により制御された電圧の振幅が最大となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する共振インピーダンス調整回路とを備えた
    ことを特徴とする無線電力伝送による受信側伝送装置。
11. 無線伝送された電力を受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナにより受信された電力を受信する受信電源と、
    前記受信アンテナの電圧、又は電圧及び電流を検出し、当該検出した電圧、又は電圧及び電流の波形に基づいて前記受信アンテナと送信元との間の共振結合インピーダンスを調整する共振結合インピーダンス調整部とを備え、
    前記共振結合インピーダンス調整部は、
    前記受信アンテナの電流を検出する電流検出部と、
    前記電流検出部により検出された電流の振幅を制御する振幅制御部と、
    前記受信アンテナの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部により検出された電圧と、前記電流検出部により検出された電流との位相差を制御する位相制御部と、
    前記振幅制御部により制御された電流の振幅が最大となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する共振インピーダンス調整回路とを備え、
    前記共振インピーダンス調整回路は、前記位相制御部により制御された電圧と電流との位相差が所定の範囲内となるよう前記受信アンテナの共振インピーダンスを調整する
    ことを特徴とする無線電力伝送による受信側伝送装置。

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