JP5702696B2 - ワイヤレス受電装置、ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム - Google Patents
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Description
数m以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数W以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数m程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている(非特許文献1参照)。
第1状態と第2状態は、駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされてもよい。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致しない場合、送信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、第1状態と第2状態をスイッチングすると、第1補助コイルに電流が流れ、その大きさ(および向き)は、送信アンテナに流れる電流と駆動電圧が同位相となるように調節される。その結果生成される第1補助電流によって、共振状態において送信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに送信アンテナに流れる電流の差分が補正され、給電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。
Hブリッジ回路は、駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされてもよい。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致する場合、第3補助コイルに流れる電流はゼロとなる。
送信アンテナの共振周波数が駆動電圧の周波数と一致しない場合、送信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、送信アンテナには、駆動電圧に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、Hブリッジ回路をスイッチングすると、第3補助コイルに電流が流れ、その大きさ(および向き)は、送信アンテナに流れる電流と駆動電圧が同位相となるように調節される。その結果生成される第3補助電流によって、共振状態において送信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに送信アンテナに流れる電流の差分が補正され、給電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、送信アンテナを駆動電圧に対して自動的にチューニングすることができる。
第1状態と第2状態は、電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされてもよい。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致しない場合、受信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、受信アンテナには、電力信号に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、第1状態と第2状態をスイッチングすると、第1補助コイルに電流が流れ、その大きさ(および向き)は、受信アンテナに流れる電流と電力信号が同位相となるように調節される。その結果生成される第1補助電流によって、共振状態において受信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに受信アンテナに流れる電流の差分が補正され、受電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受電アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。
Hブリッジ回路は、電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされてもよい。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致する場合、第3補助コイルに流れる電流はゼロとなる。
受信アンテナの共振周波数が電力信号の周波数と一致しない場合、受信アンテナを含む共振回路のインピーダンスは容量性または誘導性となるため、受信アンテナには、電力信号に対して遅れたあるいは進んだ位相の電流が発生する。このとき、Hブリッジ回路をスイッチングすると、第3補助コイルに電流が流れ、その大きさ(および向き)は、受信アンテナに流れる電流と電力信号が同位相となるように調節される。その結果生成される第3補助電流によって、共振状態において受信アンテナに流れるべき電流と、自動チューニング補助回路が存在しないときに受信アンテナに流れる電流の差分が補正され、受電装置において擬似的な共振状態を実現できる。
この態様によれば、共振用キャパシタの容量値の調節などを行わなくても、受信アンテナを電力信号に対して自動的にチューニングすることができる。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
(第1の実施の形態)
図2は、第1の実施の形態に係るワイヤレス給電装置2の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置2は、ワイヤレス受電装置(不図示)に対して電力信号S1を送出する。電力信号S1は、電波になっていない電磁波の近傍界(電界、磁界、あるいは電磁界)が利用される。
第1状態φ1では、第1補助コイルLA1が送信アンテナ20にカップリングされて、第1補助コイルLA1に流れる電流に応じた第1補正電流IAが、送信アンテナ20に注入され、もしくは送信アンテナ20から引き抜かれる。
第2状態φ2では、第1補助コイルLA1が送信アンテナ20から切り離され、第1補助コイルLA1に流れる電流ILA1が、送信アンテナ20とは独立した電流経路に流れる。
はじめに図6(a)を参照し、自動チューニング補助回路30を動作させない状態、すなわち第1スイッチSW1をオフで固定し、第2スイッチSW2をオンで固定した状態について説明する。これは、補正電流IAがゼロの状態を示す。
送信アンテナ20のインピーダンスZは式(1)で与えられ、その共振周波数fcは式(2)で与えられる。なお、ここでは抵抗成分を無視しているが、実際の回路には直列抵抗が寄与することは言うまでもない。
Z=jωLTX+1/(jωCTX) …(1)
fC=1/(2π√(LTX・CTX)) …(2)
補正電流IA(fTX)は、図4の補正電流IAの基本波成分(fTX)を意味する。この補正電流IA(fTX)は、駆動電圧VDRVに対して位相差θを有する。
このようにワイヤレス給電装置2によれば、送信アンテナ20の共振周波数fcを調節することなく、疑似共振状態を実現するように回路の状態を自動的にチューニングすることができる。ワイヤレス送電では、ワイヤレス給電装置2とワイヤレス受電装置4の位置関係によって、共振周波数が時々刻々と変化するが、ワイヤレス給電装置2によれば、その変化に高速に追従することができ、高効率な電力伝送が可能となる。
位相差θTXは、0°もしくは180°から外れていてもよい。この場合、図7に示すベクトル図において、電流成分IDRVとIAの位相差θTXが90°ではなくなるが、この場合でも、それらを合成した共振電流ITXの位相が0°となるように、補正電流IAが自動的に調節される。ただし、位相差θTXが0°もしくは180°に近いほど、補正電流IAの振幅を小さくできるという利点がある。
図9は、第1の変形例に係る自動チューニング補助回路30aの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路30aは、図2の自動チューニング補助回路30に加えて、第2補助コイルLA2を備える。
第1状態φ1において、第2補助コイルLA2が送信アンテナ20から切り離され、第2補助コイルLA2に流れる電流ILA2が、送信アンテナ20とは独立した電流経路に流れる。第2状態φ2において、第2補助コイルLA2が送信アンテナ20にカップリングされて、第2補助コイルLA2に流れる電流ILA2に応じた第2補正電流IA2が、送信アンテナ20に注入され、もしくは送信アンテナ20から引き抜かれる。
第2の変形例では、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2は、片方向スイッチを用いて構成される。図11(a)、(b)は、第2の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。
図9の自動チューニング補助回路30aも、片方向スイッチを用いて構成できる。図12は、第3の変形例に係る自動チューニング補助回路の構成を示す回路図である。図12の自動チューニング補助回路30aにおいて、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2は、図11(a)と同様に構成され、第3スイッチSW3および第4スイッチSW4は、図11(b)と同様に構成される。図12の自動チューニング補助回路30aによっても、図9の自動チューニング補助回路30aと同様の効果を得ることができる。
図13は、第2の実施の形態に係る自動チューニング補助回路30bを備えるワイヤレス給電装置2bの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路30bは、送信アンテナ20とカップリングされ、送信アンテナ20に補正電流IAを注入し、または送信アンテナ20から補正電流IAを引き抜く。
駆動電圧VDRVのある位相から半周期の間において、Hブリッジ回路36の4つのスイッチSW11〜SW14のうち、対角に位置する第1のペアSW11、SW14がオンとなり、続く半周期の間、第2のペアSW12、SW13がオンとなる。第1のペアSW11、SW14がオンする半周期、第3補助コイルLA3に流れる電流ILA3が第1の向きで送信アンテナ20に供給され、第2のペアSW12、SW13がオンする半周期、第3補助コイルLA3に流れる電流ILA3が第2の向きで送信アンテナ20に供給される。
図15は、図13の自動チューニング補助回路30bの変形例を示す回路図である。この変形例では、スイッチSW11〜SW14は、片方向スイッチを用いて構成される。
図15の変形例によれば、図13の自動チューニング補助回路30bと同様の効果を得ることができる。
また、図16(c)〜(f)の構成では、図16(a)、(b)に比べて、自動チューニング補助回路30の端子31−32間の電圧を下げることができる。したがって、自動チューニング補助回路30を構成するスイッチに低耐圧素子を利用することができ、設計が容易となり、あるいは低コスト化できる。
上述した自動チューニング補助回路は、ワイヤレス受電装置にも利用することができる。以下では、ワイヤレス受電装置について説明する。
図17は、第1の実施の形態に係るワイヤレス受電装置4の構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置4は、上述の、あるいは全く別構成のワイヤレス給電装置から送信される電力信号S1を受ける。電力信号S1は、電波になっていない電磁波の近傍界(電界、磁界、あるいは電磁界)が利用される。
第2状態φ2では、第6スイッチSW6がオンし、第1補助コイルLA1が受信アンテナ50から切り離され、第1補助コイルLA1に流れる電流ILA1が、受信アンテナ50とは独立した電流経路(SW6)に流れる。
このように図17のワイヤレス受電装置4によれば、共振用キャパシタCRXの容量値を調節することなく、自動的に共振状態を実現することができる。
図20は、第1の変形例に係る自動チューニング補助回路60aの構成を示す回路図である。自動チューニング補助回路60aは、図9の自動チューニング補助回路30aと同様に構成され、図17の自動チューニング補助回路60に加えて、第7スイッチSW7、第8スイッチSW8、第2補助コイルLA2を備える。この変形例によれば、図17のワイヤレス受電装置4と同様に、疑似共振状態を実現できる。
ワイヤレス給電装置2と同様に、ワイヤレス受電装置4のスイッチを片方向スイッチを用いて構成することができる。第2の変形例に係るワイヤレス受電装置4aでは、自動チューニング補助回路60は片方向スイッチを用いて構成され、具体的には図11(a)、(b)の自動チューニング補助回路30と同様に構成される。
ワイヤレス受電装置4において、第1の変形例と第2の変形例の組み合わせも有効である。第3の変形例に係る自動チューニング補助回路60は、図12の自動チューニング補助回路30と同様に構成される。
図21は、第2の実施の形態に係るワイヤレス受電装置4bの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置4bは、自動チューニング補助回路60bを備える。自動チューニング補助回路60bは、図13の自動チューニング補助回路30bと同様に、Hブリッジ回路66と第2制御部64bを含む。第2制御部64bは、Hブリッジ回路66の第1のペアSW11、SW14がオンとなる第1状態と、第2のペアSW12、SW13がオンとなる第2状態と、を電力信号S1と同じ周波数でスイッチングする。
また、図22(c)〜(f)の構成では、図22(a)、(b)に比べて、自動チューニング補助回路60の端子61−62間の電圧を下げることができる。したがって、自動チューニング補助回路60を構成するスイッチに低耐圧素子を利用することができ、設計が容易となり、あるいは低コスト化できる。
上述のワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置を組み合わせることにより、ワイヤレス送電システムを実現できる。
反対にワイヤレス受電装置4にのみ自動チューニング補助回路60を設け、ワイヤレス給電装置2は、従来のように共振用キャパシタCTXの調節を行ってもよい。
これらの場合、単一の自動チューニング補助回路によって、電源10と負荷70の間のインピーダンスマッチングがとれるようにチューニングされ、高効率な電力伝送が可能となる。
あるいは、単一のワイヤレス給電装置2が複数のワイヤレス受電装置4に給電する際に、自動チューニング補助回路を利用することにより端末毎の給電量を制御できる。
Claims (29)
- ワイヤレス受電装置に対して、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
送信コイルを含む送信アンテナと、
前記送信アンテナの両端間に交流の駆動電圧を印加する電源と、
前記送信アンテナとカップリングされ、前記送信アンテナに補正電流を注入し、または前記送信アンテナから補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
前記送信アンテナとカップリングされる第1端子および第2端子と、
前記第1端子と前記第2端子の間に設けられ、前記駆動電圧に応じた周波数でスイッチングされるHブリッジ回路と、
前記Hブリッジ回路の出力端子間に設けられた第3補助コイルと、
を含むことを特徴とするワイヤレス給電装置。 - 前記Hブリッジ回路は、前記駆動電圧と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記Hブリッジ回路を前記駆動電圧に対してある位相差でスイッチングする制御部をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記Hブリッジ回路を構成する複数のスイッチはそれぞれ、
片方向スイッチと、
前記片方向スイッチと直列に設けられ、かつ前記片方向スイッチの逆導通素子と逆向きに設けられた整流ダイオードと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載のワイヤレス給電装置。 - 前記Hブリッジ回路を構成する複数のスイッチは、双方向スイッチで構成されることを特徴とする請求項3に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記送信アンテナと直接カップリングされることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記送信アンテナとトランスを介してカップリングされることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記第1端子は、前記送信コイルの一端に接続され、前記第2端子は、前記送信コイルの他端に接続されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送信アンテナは、前記送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタをさらに含み、
前記第1端子は、前記共振用キャパシタの一端に接続され、前記第2端子は、前記共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記送信コイルにはタップが設けられており、
前記第1端子は、前記タップと接続され、
前記第2端子は、前記送信コイルの一端と接続されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記送信アンテナは、前記送信コイルと直列に設けられた2つの共振用キャパシタをさらに含み、
前記第1端子は、一方の共振用キャパシタの一端に接続され、前記第2端子は、前記一方の共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記送信コイルと磁気的に結合された第1コイルをさらに備え、
前記第1端子は、前記第1コイルの一端と接続され、前記第2端子は、前記第1コイルの他端と接続されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - その1次巻線が前記送信アンテナと直列に設けられたトランスをさらに備え、
前記第1端子は、前記トランスの2次巻線の一端と接続され、前記第2端子は、前記トランスの2次巻線の他端と接続されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する請求項1から13のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。 - ワイヤレス給電装置から送信される電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を受信するワイヤレス受電装置であって、
受信コイルを含む受信アンテナと、
前記受信アンテナとカップリングされ、前記受信アンテナに補正電流を注入し、または前記受信アンテナから補正電流を引き抜く自動チューニング補助回路と、
を備え、
前記自動チューニング補助回路は、
前記受信アンテナとカップリングされる第1端子および第2端子と、
前記第1端子と前記第2端子の間に設けられ、前記電力信号に応じた周波数でスイッチングされるHブリッジ回路と、
前記Hブリッジ回路の出力端子間に設けられた第3補助コイルと、
を含むことを特徴とするワイヤレス受電装置。 - 前記Hブリッジ回路は、前記電力信号と同じ周波数、もしくはその奇数倍または奇数分の1倍の周波数でスイッチングされることを特徴とする請求項15に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記Hブリッジ回路を、前記電力信号に対してある位相差でスイッチングする制御部をさらに含むことを特徴とする請求項15または16に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記Hブリッジ回路を構成する複数のスイッチはそれぞれ、
片方向スイッチと、
前記片方向スイッチと直列に設けられ、かつ前記片方向スイッチの逆導通素子と逆向きに設けられた整流ダイオードと、
を含むことを特徴とする請求項15または16に記載のワイヤレス受電装置。 - 前記Hブリッジ回路を構成する複数のスイッチは、双方向スイッチで構成されることを特徴とする請求項15または16に記載のワイヤレス受電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記受信アンテナと直接カップリングされることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
- 前記自動チューニング補助回路は、前記受信アンテナとトランスを介してカップリングされることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
- 前記第1端子は、前記受信コイルの一端に接続され、前記第2端子は、前記受信コイルの他端に接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
- 前記受信アンテナは、前記受信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタをさらに含み、
前記第1端子は、前記共振用キャパシタの一端に接続され、前記第2端子は、前記共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。 - 前記受信コイルにはタップが設けられており、
前記第1端子は、前記タップと接続され、
前記第2端子は、前記受信コイルの一端と接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。 - 前記受信アンテナは、前記受信コイルと直列に設けられた2つの共振用キャパシタをさらに含み、
前記第1端子は、一方の共振用キャパシタの一端に接続され、前記第2端子は、前記一方の共振用キャパシタの他端に接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。 - 前記受信コイルと磁気的に結合された第1コイルをさらに備え、
前記第1端子は、前記第1コイルの一端と接続され、前記第2端子は、前記第1コイルの他端と接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。 - その1次巻線が前記受信アンテナと直列に設けられたトランスをさらに備え、
前記第1端子は、前記トランスの2次巻線の一端と接続され、前記第2端子は、前記トランスの2次巻線の他端と接続されることを特徴とする請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。 - 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置と、
前記電力信号を受信する請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する請求項1から13のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記ワイヤレス給電装置からの前記電力信号を受信する請求項15から19のいずれかに記載のワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
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