JP5622901B1 - 無線電力伝送装置及び無線電力伝送装置の供給電力制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記給電モジュールは、
入力インピーダンスにおける位相を検出する位相検出器と、
前記給電モジュールに供給する電力を制御する制御機器と、を備え、
前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び前記受電モジュールにおける共振周波数よりも低い電源周波数帯域、及び、前記共振周波数よりも高い電源周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように設定されており、
前記制御機器は、前記位相検出器が検出した、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における入力インピーダンスの位相と、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における入力インピーダンスの位相との差を利用して、前記給電モジュールに電力を供給するか否かを判定することを特徴としている。
しかし、電源周波数を共振周波数に設定していることから、待機状態における入力インピーダンスの位相と給電状態における入力インピーダンスの位相との間に差が生じない設定となる。
そこで、上記構成によって、給電モジュール及び受電モジュールにおける伝送特性の値を双峰性の特性を有するように設定することにより、伝送特性の値のピークを共振周波数ではない帯域に現れるように設定することができる。これにより、電源周波数を共振周波数ではない帯域に現れるピーク付近に設定して使用できることから、待機状態における入力インピーダンスの位相と給電状態における入力インピーダンスの位相との間に差を設けることができるようになる。そして、この位相の差を位相検出器が検出することにより、制御機器が給電モジュールに電力を供給するか否かを判定し、もって、待機状態における消費電力を低減することが可能となる。
前記給電コイルは、抵抗R1及びコイルL1を要素とするRL回路を備え、
前記給電共振器は、抵抗R2、コイルL2及びコンデンサC2を要素とするRLC回路を備え、
前記受電共振器は、抵抗R3、コイルL3及びコンデンサC3を要素とするRLC回路を備え、
前記受電コイルは、抵抗R4及びコイルL4を要素とするRL回路を備えたことを特徴としている。
前記給電コイルは、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC回路を備え、
前記給電共振器は、抵抗R2、コイルL2及びコンデンサC2を要素とするRLC回路を備え、
前記受電共振器は、抵抗R3、コイルL3及びコンデンサC3を要素とするRLC回路を備え、
前記受電コイルは、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC回路を備えたこと、
(ただし、前記給電コイルがRLC直列回路の場合は、コイルL1とコイルL2との間の結合係数k12と、コイルL2とコイルL3との間の結合係数k23と、の関係が、k12≠k23の関係であること、及び、給電コイルの共振周波数f1と、給電共振器・受電共振器における共振周波数f0と、の関係が、f1≠f0の関係であることの少なくとも一方の関係を満たすことを条件とする)を特徴としている。
前記給電モジュールは、
入力インピーダンスにおける位相を検出する位相検出器と、
前記給電モジュールに供給する電力を制御する制御機器と、を備え、
前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び前記受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域、及び、前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように設定されており、
前記制御機器は、前記位相検出器が検出した、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における入力インピーダンスの位相と、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における入力インピーダンスの位相との差を利用して、前記給電モジュールに電力を供給するか否かを判定する処理を実行することを特徴としている。
しかし、電源周波数を共振周波数に設定していることから、待機状態における入力インピーダンスの位相と給電状態における入力インピーダンスの位相との間に差が生じない設定となる。
そこで、上記方法によって、給電モジュール及び受電モジュールにおける伝送特性の値を双峰性の特性を有するように設定することにより、伝送特性の値のピークを共振周波数ではない帯域に現れるように設定することができる。これにより、電源周波数を共振周波数ではない帯域に現れるピーク付近に設定して使用できることから、待機状態における入力インピーダンスの位相と給電状態における入力インピーダンスの位相との間に差を設けることができるようになる。そして、この位相の差を位相検出器が検出することにより、制御機器が給電モジュールに電力を供給するか否かを判定し、もって、待機状態における消費電力を低減することが可能となる。
図1に示すように、無線電力伝送装置1は、充電器101及び無線式ヘッドセット102によって構成されている。そして、充電器101は、図2に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を有した給電モジュール2と、位相検出器4と、制御機器5とを備えている。また、無線式ヘッドセット102は、イヤホンスピーカ部102a、受電コイル31及び受電共振器32を有した受電モジュール3と、受電された交流電力を整流化する安定回路7と、過充電を防止する充電回路8と、二次電池9(リチウムイオン二次電池等)とを備えている(なお、音響機器としての装置は省略している)。そして、給電モジュール2には、制御機器5を介して、給電モジュール2に電力を供給する交流電源6(外部の電力供給源61、発振回路62)が接続され、受電モジュール3には、安定回路7及び充電回路8を介して二次電池9が接続されている。なお、図面では、説明の都合上、安定回路7、充電回路8及び二次電池9を受電モジュール3の外に記載しているが、実際は、ソレノイド状の受電コイル31及び受電共振器32のコイル内周側に配置されている。また、本実施形態における安定回路7、充電回路8、及び、二次電池9は、図1及び図2に示すように、最終的な電力の給電先となる被給電機器10であり、被給電機器10は、受電モジュール3に接続された電力の給電先の機器全体の総称である。
・・・(式1)
・・・(式2)
・・・(式3)
・・・(式4)
次に、上記待機状態、及び、給電状態の概念を踏まえて、無線電力伝送を利用した電力伝送において、待機状態における無駄な消費電力を防ぐことが必要な理由を説明する。上述したように、給電モジュール2及び受電モジュール3が備える給電共振器22と受電共振器32との間の共振現象(磁界共鳴状態)を利用して磁場を結合させることにより無線電力伝送をするときには、受電モジュール3を給電モジュール2に近づけて、給電モジュール2から受電モジュール3に対して給電できる距離(給電可能領域)になるように配置して使用する必要がある(図1及び図4参照)。このような使用過程において、給電モジュールと受電モジュールとが給電可能領域内にない場合(待機状態)、給電モジュールでは、受電モジュールが給電可能領域に近接配置される(給電状態)のに備えて常に電力が供給され続けた状態になる。
そうすると、待機状態における給電モジュール2の消費電力は無駄になってしまう。
そこで、待機状態では、交流電源6から給電モジュール2への電力の供給を遮断することが求められる。
本実施形態では、給電状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じるように設定し、生じた位相の差を利用して、待機状態と判断された場合には、交流電源6から給電モジュール2への電力供給を遮断する構成をしている。
本実施形態では、給電状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じる設定としては、無線電力伝送装置1に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』が、双峰性の性質を有するように設定することで実現している。なお、無線電力伝送装置1が双峰性の性質を有するには、給電コイル21のRL回路のR1、L1、給電共振器22のRLC回路のR2、L2、C2、受電共振器32のRLC回路のR3、L3、C3、受電コイル31のRL回路のR4、L4における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数k12、k23、k34をそれぞれ調整することによって実現される。
ここで、伝送特性『S21』とは、ネットワークアナライザ(アジレント・テクノロジー株式会社製のE5061Bなど)を給電モジュール2及び受電モジュール3に接続して計測される信号を表しており、デシベル表示され、数値が大きいほど電力伝送効率が高いことを意味する。そして、給電モジュール2及び受電モジュール3に供給する電力の電源周波数に対する伝送特性『S21』は、給電モジュール2及び受電モジュール3の間の磁界による結びつき度合い(磁界結合)の強度により、単峰性の性質を有するものと双峰性の性質を有するものに分かれる。そして、単峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『S21』のピークが一つで、そのピークが共振周波数帯域(fo)において現れるものをいう(図6の破線51参照)。一方、双峰性とは、電源周波数に対する伝送特性『S21』のピークが二つあり、その二つのピークが共振周波数よりも低い電源周波数帯域(fL)と共振周波数よりも高い電源周波数帯域(fH)において現れるものをいう(図6の実線52参照)。更に詳細に双峰性を定義すると、上記ネットワークアナライザに給電モジュール2及び受電モジュール3を接続して計測される反射特性『S11』が二つのピークを有する状態をいう。従って、電源周波数に対する伝送特性『S21』のピークが一見して一つに見えたとしても、計測されている反射特性『S11』が二つのピークを有する場合には、双峰性の性質を有するものとする。
以下比較例、及び、実施例を示して、給電状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じる設定とし、無線電力伝送装置1に供給する電力の電源周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』が、双峰性の性質を有するように設定することが良いことを説明する。以下の比較例、実施例では、様々な設定をした給電モジュール2及び受電モジュール3を用いて、待機状態(OFF)における電源周波数に対する入力インピーダンスZinと給電状態(ON)における電源周波数に対する入力インピーダンスZinの解析結果、及び、待機状態(OFF)における電源周波数に対する入力インピーダンスZinの位相と給電状態(ON)における電源周波数に対する入力インピーダンスZinの位相の解析結果を示す。なお、比較例及び実施例では、安定回路7、充電回路8、及び、充電池9の代わりに可変抵抗器11(Rl)を接続して解析している。
比較例1に係る無線電力伝送装置1の給電モジュール2は、図4に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備えた構成をしている。一方、受電モジュール3は、受電共振器32及び受電コイル31を備えた構成をしている。そして、比較例1における無線電力伝送装置1では、R1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.5Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、4.5μHに設定した。また、被給電機器10のRLは100Ωである。また、給電共振器22、及び、受電共振器32における共振周波数は1.0MHzである。また、結合係数k12、k34は0.3であり、結合係数k23は0.03である(なお、給電状態での結合係数の値である)。また、上述したように、比較例1に係る無線電力伝送装置1は、単峰性の性質を有している。
実施例1に係る無線電力伝送装置1の給電モジュール2は、比較例1同様に、図4に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備えた構成をしている。また、受電モジュール3も、比較例1同様に、受電共振器32及び受電コイル31を備えた構成をしている。そして、実施例1における無線電力伝送装置1では、結合係数k23は0.3に設定している(他の設定は、比較例1と同様である)。このように、結合係数k23を0.3に設定することにより、実施例1に係る無線電力伝送装置1が、双峰性の性質を有するように設定している。
比較例2に係る無線電力伝送装置1では、給電モジュール2の給電コイル21が、図9に示すように、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC直列回路であり、受電モジュール3の受電コイル31が、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC直列回路としており、他の設定は、実施例1と同様である。また、給電コイル21の共振周波数(f1)、及び、受電コイル31における共振周波数(f4)は、1.0MHzであり、また、給電共振器22、及び、受電共振器32の共振周波数(f0)は、1.0MHzである(f1=f0)。また、結合係数k12、k23、k34は0.3に設定している(k12=k23)。また、比較例2に係る無線電力伝送装置1は、双峰性の性質を有するように設定している。
実施例2に係る無線電力伝送装置1では、比較例2と同様に、給電モジュール2の給電コイル21が、図9に示すように、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC直列回路であり、受電モジュール3の受電コイル31が、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC直列回路としている。そして、実施例2では、結合係数k12を0.2に設定し、結合係数k23、k34は0.3に設定している(k12≠k23)。また、給電コイル21の共振周波数(f1)、及び、受電コイル31における共振周波数(f4)は、1.0MHzであり、また、給電共振器22、及び、受電共振器32の共振周波数(f0)は、1.0MHzである(f1=f0)。なお、実施例2に係る無線電力伝送装置1は、比較例2同様に、双峰性の性質を有するように設定している。
実施例3に係る無線電力伝送装置1では、実施例2と同様に、給電モジュール2の給電コイル21が、図9に示すように、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC直列回路であり、受電モジュール3の受電コイル31が、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC直列回路としている。そして、実施例3では、結合係数k12を0.2に設定し、結合係数k23、k34は0.3に設定している(k12≠k23)。また、給電コイル21の共振周波数(f1)、及び、受電コイル31における共振周波数(f4)は、0.9MHzであり、また、給電共振器22、及び、受電共振器32の共振周波数(f0)は、1.0MHzである(f1≠f0)。なお、実施例3に係る無線電力伝送装置1は、実施例2同様に、双峰性の性質を有するように設定している。
実施例4に係る無線電力伝送装置1では、実施例2と同様に、給電モジュール2の給電コイル21が、図9に示すように、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC直列回路であり、受電モジュール3の受電コイル31が、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC直列回路としている。そして、実施例4では、結合係数k12、k23、k34は0.3に設定している(k12=k23)。また、給電コイル21の共振周波数(f1)、及び、受電コイル31における共振周波数(f4)は、0.9MHzであり、また、給電共振器22、及び、受電共振器32の共振周波数(f0)は、1.0MHzである(f1≠f0)。なお、実施例4に係る無線電力伝送装置1は、実施例2同様に、双峰性の性質を有するように設定している。
しかしながら、実施例2及び実施例3で説明したように、給電コイル21をRLC直列回路とした場合でも、コイルL1とコイルL2との間の結合係数k12と、コイルL2とコイルL3との間の結合係数k23との関係が、k12≠k23の関係を満たせば、同相共振モード及び逆相共振モードにおいて、給電状態における入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じるように設定することができることが分かる。
また、実施例3及び実施例4で説明したように、給電コイル21をRLC直列回路とした場合でも、給電コイル21の共振周波数(f1)と、給電共振器22及び受電共振器32の共振周波数(f0)との関係が、f1≠f0の関係を満たせば、同相共振モード及び逆相共振モードにおいて、給電状態における入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じるように設定することができることが分かる。
なお、実施例3で説明したように、給電コイル21をRLC直列回路とした場合、k12≠k23の関係を満たし、且つ、f1≠f0の関係を満たす場合も、同相共振モード及び逆相共振モードにおいて、給電状態における入力インピーダンスZinの位相と、待機状態における入力インピーダンスZinの位相との間に差が生じるように設定することができることが分かる。
上記無線電力伝送装置1の構成等を踏まえて、無線電力伝送装置1を利用した二次電池9への給電(充電)動作について説明する(供給電力制御方法)。具体的には、無線電力伝送装置1において、主に制御機器5が実行する給電動作フロー(処理)を、図14を参照して説明する。なお、本給電動作フローでは、上述した実施例1の無線電力伝送装置1の設定(同相共振モード)で説明する。
上記構成・方法によれば、無線電力伝送装置1(給電モジュール2及び受電モジュール3)における伝送特性『S21』の値を双峰性の特性を有するように設定することにより、伝送特性の値のピークを共振周波数ではない帯域に現れるように設定することができる。これにより、電源周波数を共振周波数(f0)ではない帯域に現れるピーク付近に設定(同相共振モード、又は、逆相共振モード)して使用できることから、待機状態における入力インピーダンスZinの位相と給電状態における入力インピーダンスZinの位相との間に差を設けることができるようになる。そして、この位相の差を位相検出器4が検出することにより、制御機器5が給電モジュール2に電力を供給するか否かを判定し、もって、待機状態における消費電力を低減することが可能となる。
上記の説明では、充電器101及び無線式ヘッドセット102を例示して説明したが、充電池を備えた機器であれば、タブレット型PC、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。
2 給電モジュール
3 受電モジュール
4 位相検出器
5 制御機器
6 交流電源
7 安定回路
8 充電回路
9 充電池
10 被給電機器
21 給電コイル
22 給電共振器
31 受電コイル
32 受電共振器
101 充電器
102 無線式ヘッドセット
Claims (4)
- 電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する無線電力伝送装置であって、
前記給電モジュールは、
入力インピーダンスにおける位相を検出する位相検出器と、
前記給電モジュールに供給する電力を制御する制御機器と、を備え、
前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び前記受電モジュールにおける共振周波数よりも低い電源周波数帯域、及び、前記共振周波数よりも高い電源周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように設定されており、
前記制御機器は、前記位相検出器が検出した、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における入力インピーダンスの位相と、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における入力インピーダンスの位相との差を利用して、前記給電モジュールに電力を供給するか否かを判定することを特徴とする無線電力伝送装置。 - 前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、給電コイル、給電共振器、受電共振器及び受電コイルを備えており、
前記給電コイルは、抵抗R1及びコイルL1を要素とするRL回路を備え、
前記給電共振器は、抵抗R2、コイルL2及びコンデンサC2を要素とするRLC回路を備え、
前記受電共振器は、抵抗R3、コイルL3及びコンデンサC3を要素とするRLC回路を備え、
前記受電コイルは、抵抗R4及びコイルL4を要素とするRL回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。 - 前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、給電コイル、給電共振器、受電共振器及び受電コイルを備えており、
前記給電コイルは、抵抗R1、コイルL1及びコンデンサC1を要素とするRLC回路を備え、
前記給電共振器は、抵抗R2、コイルL2及びコンデンサC2を要素とするRLC回路を備え、
前記受電共振器は、抵抗R3、コイルL3及びコンデンサC3を要素とするRLC回路を備え、
前記受電コイルは、抵抗R4、コイルL4及びコンデンサC4を要素とするRLC回路を備えたこと、
(ただし、前記給電コイルがRLC直列回路の場合は、コイルL1とコイルL2との間の結合係数k12と、コイルL2とコイルL3との間の結合係数k23と、の関係が、k12≠k23の関係であること、及び、給電コイルの共振周波数f1と、給電共振器・受電共振器における共振周波数f0と、の関係が、f1≠f0の関係であることの少なくとも一方の関係を満たすことを条件とする)を特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。 - 電源に接続された給電モジュールから、受電モジュールに対して共振現象を利用して電力を供給する無線電力伝送装置の供給電力制御方法であって、
前記給電モジュールは、
入力インピーダンスにおける位相を検出する位相検出器と、
前記給電モジュールに供給する電力を制御する制御機器と、を備え、
前記給電モジュール及び前記受電モジュールは、前記給電モジュールに供給する電力の電源周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び前記受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域、及び、前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように設定されており、
前記制御機器は、前記位相検出器が検出した、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されていない待機状態における入力インピーダンスの位相と、前記給電モジュールから前記受電モジュールに対して電力が供給されている給電状態における入力インピーダンスの位相との差を利用して、前記給電モジュールに電力を供給するか否かを判定する処理を実行することを特徴とする無線電力伝送装置の供給電力制御方法。
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