JP5819030B2 - 無線電力伝送による多重化伝送システム、送信側多重化伝送装置及び課金・情報システム - Google Patents

Description

この発明は、非接触で電力を多重化して伝送する無線電力伝送による多重化伝送システム、送信側多重化伝送装置及び課金・情報システムに関するものである。

従来から、無線電力伝送装置において、共振磁界の位相差を９０度以上１８０度以下の範囲でずらして伝送する複数の電力伝送部を備えることで、昇圧しながら電力伝送を可能とする構成が知られている（例えば特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１２／０４６４５３

しかしながら、特許文献１の装置では、電圧の昇圧化を目的としており、多重化伝送による問題が考慮されていない。すなわち、この装置では、各系統のアンテナ間において共有磁束が発生するため、複数のアンテナ間で相互干渉を引き起こすという課題がある。また、共振磁界の位相差が１８０度に近づくに従い、アンテナ間の磁束方向が反転して打ち消しあうため、電力伝送できるエネルギー量が小さくなるという課題もある。
そのため、従来の装置において多重化伝送を行う場合には、各系統のアンテナ間の距離を近づけることが困難である。そして、アンテナ間の相互干渉の影響を小さくするためには、各系統を伝送距離以上離して設置するか、各系統の磁束を分離するための磁気シールド対策を行う必要がある。よって、無線電力伝送システムとして小型化できない、また、磁気シールド対策などのコストがかか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、小型かつ安価な構成で、非接触で電力を多重化して伝送することができる無線電力伝送による多重化伝送システム、送信側多重化伝送装置及び課金・情報システム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多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、複数系統の送信アンテナ、及び、送信アンテナと対となる複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、各系統の送信アンテナの共振条件を成立させる送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、送信電源回路は、一次送信電源が一次側に接続され、送信アンテナと対となる複数系統の出力巻線が二次側に設けられたトランスと、対となる出力巻線に一端が接続され、対となる送信アンテナに他端が接続された複数の出力系統と、複数の出力系統に跨って設けられ、出力巻線からの電力を送信アンテナに分配する方向性結合器型出力フィルタとを有するものである。

また、この発明に係る課金・情報システムは、無線電力伝送による多重化伝送システムを用いた課金・情報システムであって、送信アンテナは、複数の給電エリアにそれぞれ配置され、給電エリアに位置した受信アンテナ及び受信電源回路を備えた機器から、課金又は当該課金に相当する情報を取得する課金・情報取得部と、課金・情報取得部により取得された課金又は情報に応じて、一次送信電源、送信電源回路及び該当する送信アンテナを制御して該当する機器に対して給電を行う給電制御部とを備えたものである。

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高効率な多重化電力伝送が可能となり、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、各系統間のアンテナ距離を近づけることによる相互干渉の問題を防ぐことが可能になるため、装置を小型化することが可能である。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における方向性結合器型送信電源回路の構成例を示す回路図である。 従来の送信電源回路の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る課金・情報システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る課金・情報システムの別の構成を示す図である。

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多重化伝送システムの構成を示す図である。
無線電力伝送による多重化伝送システムは、電気信号を含む複数系統の電力を並列に無線伝送する装置である。この無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示すように、一次送信電源１、方向性結合器型送信電源回路（送信電源回路）２、送受信部３及び受信電源回路４から構成されている。また、送受信部３は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を有している。そして、多重化伝送システムは、多重化伝送を行うため、送信アンテナ５、受信アンテナ６及び受信電源回路４を各々複数系統有している（図１の例では２系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ，ｂを付している）。図１に示す多重化伝送システムにおいて、一次送信電源１、方向性結合器型送信電源回路２及び送信アンテナ５は送信側多重化伝送装置を構成し、受信アンテナ６及び受信電源回路４は受信側多重化伝送装置を構成する。

一次送信電源１は、方向性結合器型送信電源回路２を介して各送信アンテナ５に対し、単一周波数の電力を供給するものである。
方向性結合器型送信電源回路２は、一次送信電源１と送信アンテナ５間に配置され、共鳴インピーダンス制御により、各送信アンテナ５の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数への同調を行うとともに、各送信アンテナ５に対して電力の分配を行う。この方向性結合型送信電源回路２の詳細については後述する。

送信アンテナ５は、方向性結合器型送信電源回路２を介して一次送信電源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、対となる送信アンテナ５からの電力を受信するものである。この受信アンテナ６により受信された電力は受信電源回路４を介して負荷機器等（不図示）に供給される。

受信電源回路４は、受信アンテナ６と負荷機器等間に配置され、入力インピーダンス制御により、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数（図１に示すｆｏ１＝ｆｏ２）の同調を行う。
なお、送受信部３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。

次に、方向性結合器型送信電源回路２の構成について説明する。図２はこの発明の実施の形態１における方向性結合器型送信電源回路２の構成例を示す回路図である。
方向性結合器型送信電源回路２には、図２に示すように、トランスＴ１の二次側に、送信アンテナ５ごとの出力系統が接続されている。そして、各出力系統に跨って方向性結合器型出力フィルタ２１が設けられている。この方向性結合器型出力フィルタ２１は、各送信アンテナ５に対して電力を分配するものである。この方向性結合器型出力フィルタ２１は、図２に示すように、例えばコンデンサＣ３〜Ｃ８及びコイルＬ３，Ｌ４から構成される。

次に、方向性結合器型送信電源回路２の動作について、図２を参照しながら説明する。
方向性結合器型送信電源回路２の動作では、まず、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作により、トランスＴ１の各巻線に交流電圧が発生する。

そして、トランスＴ１の２次側の出力巻線からコンデンサＣ３へ伝わる交流電圧は、それぞれ以下の２つの経路で送信アンテナ５ａと送信アンテナ５ｂへ伝送される。
（１−１）コンデンサＣ３→コイルＬ３→コンデンサＣ４→送信アンテナ５ａ
（１−２）コンデンサＣ３→コンデンサＣ７→コイルＬ４→コンデンサＣ８→コンデンサＣ４→送信アンテナ５ａ
（２−１）コンデンサＣ３→コイルＬ３→コンデンサＣ８→コンデンサＣ６→送信アンテナ５ｂ
（２−２）コンデンサＣ３→コンデンサＣ７→コイルＬ４→コンデンサＣ６→送信アンテナ５ｂ

ここで、各送信アンテナ５ａ，５ｂへ伝送された交流電圧は、ほぼ等振幅であるが位相が９０度異なる特性を持つ。この特性を利用して、以下の２つの経路による受信アンテナ６ａへの通過特性をほぼ等振幅で逆位相にすることが可能となる。
（１）コンデンサＣ３→送信アンテナ５ａ→受信アンテナ６ａ
（２）コンデンサＣ３→送信アンテナ５ｂ→受信アンテナ６ａ

そして、コンデンサＣ５から受信アンテナ６ｂへの通過特性も上記同様の特性とすることが可能である。これにより、それぞれ独立した２重の無線電力伝送を実現できる。

なお、図２に示すような方向性結合器型出力フィルタ２１は、図３に示す従来の送信電源回路において、出力電圧の歪補正のために設けられるπ型出力フィルタを利用することで容易に作製可能である。また、方向性結合器型出力フィルタ２１は、図２に示す構成に限るものではなく、各系統において相互干渉することなく電力を分配可能な構成であればよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、方向性結合器型送信電源回路２にて、各送信アンテナ５へ電力を分配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高効率な多重化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、系統間のアンテナ距離を近づけることによる相互干渉の問題を防ぐことが可能になるため、装置を小型化することが可能である。さらに、単一系統の無線電力伝送装置を近距離に複数個設置する場合においても、各送信電源間の電圧と電流の位相制御を同様に行うことで、各系統における相互干渉の問題を回避することが可能である。

実施の形態２．
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多重化伝送システムの構成を示す図である。図４に示す実施の形態２に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示す無線電力伝送による多重化伝送システムの方向性結合器型送信電源回路２及び受信電源回路４にそれぞれＯＮ／ＯＦＦ回路２２，４１を追加したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。

ＯＮ／ＯＦＦ回路２２は、送信アンテナ５ごとに、方向性結合器型送信電源回路２の動作を任意にＯＮ／ＯＦＦ設定可能とするものである。
ＯＮ／ＯＦＦ回路４１は、受信電源回路４の動作を任意にＯＮ／ＯＦＦ設定可能とするものである。

以上のように、この実施の形態２によれば、方向性結合器型送信電源回路２及び受信電源回路４に、送信系統・受信系統ごとに動作をＯＮ／ＯＦＦ設定可能とするＯＮ／ＯＦＦ回路２２，４１を設けたので、必要な送信系統・受信系統のみ動作させることができる。

なお、図４では、方向性結合器型送信電源回路２及び受信電源回路４の両方にＯＮ／ＯＦＦ回路２２，４１を設けた場合について示したが、一方にのみ設けるようにしてもよい。

また、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、受信アンテナ６では、対となる送信アンテナ５間の距離や負荷電流・負荷インピーダンス等によって共振条件が変化する。そこで、受信側回路４にて、このような伝送状況の変化に応じて、受信アンテナ６に対して成立させる共振条件を可変とする機能を追加してもよい。また同様に、方向性結合器型送信電源回路２にて送信アンテナ５の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。さらに、両回路２，４に各アンテナ５，６の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、図１に示す実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムを課金・情報システムに適用した場合について示す。図５，６はこの発明の実施の形態３に係る課金・情報システムの構成を示す図である。

課金・情報システムは、給電エリアに位置した受信装置７を備えた機器８から課金又は当該課金に相当する情報を取得することで、それらに応じた給電を行うものである。この課金・情報システムは、図５，６に示すように、課金・情報装置９、及び実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化システムから構成されている。ここで、無線電力伝送による多重化システムのうち、受信アンテナ６及び受信電源回路４は上記受信装置７として上記機器８に設けられている。なお、図５では機器８が移動体（例えば、電気自動車や電気バイク、電気自転車、電動ゴルフカート、電動車イス）８ａである場合を示し、図６では機器８が移動端末（例えば、スマートフォンやタブレットＰＣ、ノードＰＣ、モバイル給電ブースター）８ｂである場合を示している。また、送信アンテナ５は、複数の給電エリアにそれぞれ配置されている。

課金・情報装置９は、図５，６に示すように、機器識別部９１、課金・情報取得部９２、給電制御部９３及び使用履歴記憶部９４から構成されている。
機器識別部９１は、給電エリアに位置した受信装置７を備えた機器８を識別するものである。
課金・情報取得部９２は、機器識別部９１により識別された機器８から、課金又は当該課金に相当する情報（例えば、クレジットカード決済、ＥＴＣ決済、スマートフォン決済に関する情報）を取得するものである。

給電制御部９３は、課金・情報取得部９２により取得された課金又は情報に応じて、一次送信電源１、送信電源回路２及び該当する送信アンテナ５を制御して該当する機器８に対して給電を行うものである。この際、本発明の無線電力伝送による多重化伝送システムを用いることで、隣接する給電エリア間での相互干渉を防止することができ、独立した電力伝送が可能となる。
使用履歴記憶部９４は、機器識別部９１により識別された機器８ごとに、給電制御部９３による給電に関する履歴を記憶するものである。

以上のように、この実施の形態３によれば、本発明の無線電力伝送による多重化伝送システムを課金・情報システムに適用することで、給電を行う際に隣接する給電エリア間での相互干渉を防止することができ、独立した電力伝送が可能となる。

また、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。

この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、小型かつ安価な構成で、非接触で電力を多重化して伝送することができ、非接触で電力を多重化して伝送する無線電力伝送による多重化伝送システム等に用いるのに適している。

１ 一次送信電源、２ 方向性結合器型送信電源回路、３ 送受信部、４，４ａ，４ｂ 受信電源回路、５，５ａ，５ｂ 送信アンテナ、６，６ａ，６ｂ 受信アンテナ、７ 受信装置、８ 機器、８ａ 移動体、８ｂ 移動端末、９ 課金・情報装置、２１ 方向性結合器型出力フィルタ、２２，２２ａ，２２ｂ，４１，４１ａ，４１ｂ ＯＮ／ＯＦＦ回路、９１ 機器識別部、９２ 課金・情報取得部、９３ 給電制御部、９４ 使用履歴記憶部。

Claims (11)

1. 単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
   複数系統の送信アンテナ、及び、前記送信アンテナと対となる複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
   各系統の前記送信アンテナの共振条件を成立させる送信電源回路と、
   対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、
   前記送信電源回路は、
   前記一次送信電源が一次側に接続され、前記送信アンテナと対となる複数系統の出力巻線が二次側に設けられたトランスと、
   対となる前記出力巻線に一端が接続され、対となる前記送信アンテナに他端が接続された複数の出力系統と、
   前記複数の出力系統に跨って設けられ、前記出力巻線からの電力を前記送信アンテナに分配する方向性結合器型出力フィルタとを有する
   ことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
2. 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記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
3. 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記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
4. 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記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
5. 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４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
6. 前記受信電源回路は、前記受信アンテナの伝送状況に応じて前記受信アンテナの共振条件を可変する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
7. 前記送信電源回路は、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
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
8. 前記受信電源回路は、自機の動作をＯＮ／ＯＦＦ設定可能とするＯＮ／ＯＦＦ回路を備えた
   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多重化伝送システム。
9. 前記送信電源回路は、前記送信アンテナごとに、自機の動作をＯＮ／ＯＦＦ設定可能とするＯＮ／ＯＦＦ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多重化伝送システム。
10. 単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
    複数系統の送信アンテナと、
    各系統の前記送信アンテナの共振条件を成立させる送信電源回路とを備え、
    前記送信電源回路は、
    前記一次送信電源が一次側に接続され、前記送信アンテナと対となる複数系統の出力巻線が二次側に設けられたトランスと、
    対となる前記出力巻線に一端が接続され、対となる前記送信アンテナに他端が接続された複数の出力系統と、
    前記複数の出力系統に跨って設けられ、前記出力巻線からの電力を前記送信アンテナに分配する方向性結合器型出力フィルタとを有する
    ことを特徴とする無線電力伝送による送信側多重化伝送装置。
11. 請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システムを用いた課金・情報システムであって、
    前記送信アンテナは、複数の給電エリアにそれぞれ配置され、
    前記給電エリアに位置した前記受信アンテナ及び前記受信電源回路を備えた機器から、課金又は当該課金に相当する情報を取得する課金・情報取得部と、
    前記課金・情報取得部により取得された課金又は情報に応じて、前記一次送信電源、前記送信電源回路及び該当する前記送信アンテナを制御して該当する前記機器に対して給電を行う給電制御部とを備えた
    ことを特徴とする課金・情報システム。

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