JP5953785B2

JP5953785B2 - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス電力伝送システム

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Publication number: JP5953785B2
Application number: JP2012023658A
Authority: JP
Inventors: 浦野　高志; 高志浦野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-02-07
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Description

本発明は、ワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。

電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。

電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。

磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。

エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。

米国公開２００８／０２７８２６４号公報特開２００６−２３００３２号公報国際公開２００６／０２２３６５号公報米国公開２００９／００７２６２９号公報特開２００６−７４８４８号公報

本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げるためには、給電電力を自動制御して出力を安定させる仕組みが必要であると考える。特許文献５が開示する非接触電力伝送装置は、上記タイプ（Ａ）ではあるが、受電側の２次側ユニットが出力電圧の大きさを送電側の１次側ユニットに伝え、１次側ユニットは出力電圧に応じて給電電力を制御している。具体的には、コイルＬ４（２次側ユニット）からコイルＬ３（１次側ユニット）に、出力電圧の大きさを示す電磁波信号を送信している。

磁場共振型の場合には、給電コイルと受電コイルの間に発生する強力な電磁場が信号に大きな影響を及ぼす。このため、特許文献５の仕組みを磁場共振型にそのまま応用することはできない。また、特許文献５の場合、受電側が給電側に情報伝送するための手段が必要であるため、システムが複雑化しやすいという問題点がある。

本発明は、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御することを主たる目的とする。

本発明にかかるワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電する。この装置は、給電コイルと、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給することにより、給電コイルから受電コイルに交流電力を給電させる送電制御回路と、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。位相検出回路は、交流電力の電圧レベルが所定範囲内となる第１検出期間と交流電力の電流レベルが所定範囲内となる第２検出期間のずれを検出することにより、位相差を検出する。

「給電コイルと受電コイルの磁場共振現象」とは、給電コイルが発生させる交流磁場に基づく受電コイル回路の共振現象を意味する。給電コイルに駆動周波数の交流電流を供給すると、給電コイルは駆動周波数の交流磁場を発生させる。この交流磁場により、給電コイルおよび受電コイルを主として磁場成分により結合（磁場結合）させることにより受電コイル回路を共振させる。

ここでいう「所定範囲内」とは、最低値および最大値という２つの境界値により規定される範囲に限らず、所定の最低値以上、あるいは、所定の最大値以内といった１つの境界値により規定される範囲も含まれる。

送電制御回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。給電電力の電流位相および電圧位相の位相差を検出することにより、共振状態が保たれているかを給電側にて監視できる。第１検出期間と第２検出期間という２つの期間の比較により位相差を検出するため、全体的な制御をシンプルにできる。

位相検出回路は、第１検出期間と第２検出期間の排他的論理和として特定される期間の長さを検出することにより、位相差を検出してもよい。排他的論理和に限らず、論理和や論理積等、他の論理演算により第１検出期間と第２検出期間のずれの大きさを特定することも可能である。

送電制御回路は、検出された位相差が減少するように駆動周波数を調整してもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることにより、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。

位相検出回路は、位相差を検出する前に、電圧波形および電流波形の双方または一方をデジタル波形に整形してもよい。位相検出回路は、電圧波形および電流波形のうちの一方の位相を所定値だけずらした上で、位相差を検出してもよい。

位相検出回路は、電流波形を分周した後、位相差を検出してもよい。また、位相検出回路は、電圧波形を分周した後、位相差を検出してもよい。電流波形や電圧波形を分周することにより、それらのデューティ比を整えやすくなる。

位相検出回路は、第１検出期間と第２検出期間のずれの大きさを示す直流信号を生成し、直流信号のレベルにより位相差を検出してもよい。

送電制御回路は、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の給電コイルから、受電コイルに交流電力を給電させてもよい。ここでいう「実質的に非共振」とは、給電コイルの共振をワイヤレス給電の必須構成要件としないことを意味する。給電コイルがなんらかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。

給電コイルが、給電側の回路要素とは受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しない構成としてもよい。給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成であってもよい。

送電制御回路は、結合トランスを介することなく、給電コイルに交流電力を供給してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御しやすくなる。

第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの模式図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。駆動周波数と出力電力およびコイル間距離の関係を示すグラフである。駆動周波数と位相差およびコイル間距離の関係を示すグラフである。受電ＬＣ共振回路のインピーダンスと駆動周波数の関係を示すグラフである。駆動周波数と共振周波数が一致するときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数と共振周波数が一致するときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。位相差と信号Ｗ２の関係を示すグラフである。信号ＳＣと駆動周波数の関係を示すグラフである。駆動周波数が共振周波数よりも小さいときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数が共振周波数よりも小さいときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数が共振周波数よりも大きいときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数が共振周波数よりも大きいときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。そして、受電コイル回路１３０により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。

給電ＬＣ共振回路３００は、キャパシタＣ２と給電コイルＬ２を含む。受電ＬＣ共振回路３０２は、キャパシタＣ３と受電コイルＬ３を含む。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態において給電ＬＣ共振回路３００および受電ＬＣ共振回路３０２それぞれの共振周波数が同一となるように、キャパシタＣ２、給電コイルＬ２、キャパシタＣ３、受電コイルＬ３が設定される。この共通の共振周波数をｆｒ０とする。

給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を充分に磁場結合できる程度に近づけた状態では、給電ＬＣ共振回路３００、受電ＬＣ共振回路３０２およびその間に発生する相互インダクタンスにより新たな共振回路が形成される。この新共振回路は、相互インダクタンスの影響により２つの共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２を有する（ｆｒ１＜ｆｒ０＜ｆｒ２）。ワイヤレス給電装置１１６が、給電源ＶＧから共振周波数ｆｒ１にて交流電力を給電ＬＣ共振回路３００に供給すると、新共振回路の一部である給電ＬＣ共振回路３００は共振点１（共振周波数ｆｒ１）で共振する。給電ＬＣ共振回路３００が共振すると、給電コイルＬ２は共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。同じく新共振回路の一部である受電ＬＣ共振回路３０２もこの交流磁場により共振する。給電ＬＣ共振回路３００と受電ＬＣ共振回路３０２が同一の共振周波数ｆｒ１にて共振するとき、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に最大の電力伝送効率にてワイヤレス給電がなされる。ワイヤレス受電装置１１８の負荷ＬＤから受電電力が出力電力として取り出される。なお、新共振回路は、共振点１（共振周波数ｆｒ１）だけでなく共振点２（共振周波数ｆｒ２）でも共振可能である。

この原理図に示すワイヤレス給電装置１１６は、エキサイトコイルＬ１を含んでいないがエキサイトコイルＬ１を含む場合でも基本的な原理は同じである。

図２は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の模式図である。送電制御回路２００は、交流電源として機能し、駆動周波数ｆｏの交流電力を結合トランスＴＳ１を介して給電コイル回路１２０に供給する。電流検出回路２０４は、給電コイルＬ２に流れる交流電流の電流位相を計測する。位相検出回路１５０は、送電制御回路２００が発生させる交流電圧Ｖｏの電圧位相と電流検出回路２０４により検出される電流位相を比較する。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１と一致していれば、電流位相と電圧位相は一致する。位相検出回路１５０が電流位相と電圧位相のずれ（位相差）を検出すると、送電制御回路２００は駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１のずれが解消されるように駆動周波数ｆｏを調整する。このような構成により、ワイヤレス給電装置１１６は駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒ１に追随させる。

ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。受電コイル回路１３０においては、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３により受電ＬＣ共振回路３０２が形成される。

電流検出回路２０４により検出された電流波形（アナログ波形）を示す信号Ｓ０は、整流回路１０２によりデジタル波形に整流され、信号Ｓ１となる。信号Ｓ１は、電流波形分周回路１０４により１／２周期に分周され、信号Ｓ２となる。信号Ｓ２は、２入力のＥＸＯＲ回路１０６の入力信号となる。整流回路１０２や電流波形分周回路１０４の役割の詳細については後述する。

一方、送電制御回路２００が発生させる交流電圧Ｖｏの電圧波形（デジタル波形）を示す信号Ｔ０は、位相調整回路１０８により９０度だけ位相遅延されて信号Ｔ１となる。信号Ｔ１は、電圧波形分周回路１１０により１／２周期に分周され、信号Ｔ２となる。信号Ｔ２は、ＥＸＯＲ回路１０６の入力信号となる。位相調整回路１０８や電圧波形分周回路１１０の役割の詳細については後述する。

ＥＸＯＲ回路１０６は、出力信号Ｗ１を出力する。信号Ｗ１は、信号Ｔ２および信号Ｓ２のどちらか一方がハイレベルで他方がローレベルとなっているときにハイレベルとなり、それ以外のときにはローレベルとなる。すなわち、信号Ｗ１は、信号Ｔ２および信号Ｓ２の排他的論理和となっている。信号Ｗ１は、ローパスフィルタ１１２（ＬＰＦ）により平滑（直流化）され、直流信号Ｗ２となる。信号Ｗ２は、比較回路１１４において基準電圧Ｖｒｅｆと比較され、その比較結果が信号ＳＣとなる。送電制御回路２００は、信号ＳＣに応じて駆動周波数ｆｏを変化させる。

駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致するときには信号ＳＣはゼロとなり、駆動周波数ｆｏは変化しない。一方、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１がずれると信号ＳＣは非ゼロとなり、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒ１に近づく方向に調整される。このようなメカニズムにより、なんらかの要因により非共振状態に陥っても自律的に共振状態に回帰させることが可能となる。より詳細なメカニズムについては後述する。

図３は、第１実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス給電装置１１６は、基本構成として、送電制御回路２００、給電コイル回路１２０および位相検出回路１５０を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。図３においては、ワイヤレス電力伝送システム１００の構成を中心として説明し、具体的な動作については図７以降に関連して詳述する。

給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には０．０１〜０．０３ｍ程度の距離（コイル間距離）がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態においては、コイル間距離＝２２ｍｍのときの共振周波数ｆｒ１が１４９．１ｋＨｚであるとして説明する。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。

給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２、トランスＴＳ１二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴＳ１二次コイルＬｉは、トランスＴＳ１一次コイルＬｂと共に結合トランスＴＳ１を形成し、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ２が流れる。

受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続されたＬＣ共振回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒ１にて交流磁場を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が磁場結合し、受電コイル回路１３０に電流Ｉ３が流れる。給電コイルＬ２が発生させる交流磁場によって受電コイル回路１３０も共振する。

ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離はゼロである。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合（電磁誘導による結合）している。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に交流電流Ｉ４が流れる。交流電流Ｉ４は負荷ＬＤを流れる。

ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３により受電され、負荷ＬＤから取り出される。

負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直接接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。電力伝送効率を高めるためには、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。

送電制御回路２００は、駆動周波数ｆｏの交流電圧Ｖｏを発生させる「交流電源」として機能する。交流電圧Ｖｏの波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波（デジタル波形）であるとして説明する。送電制御回路２００は、位相検出回路１５０から出力される信号ＳＣに基づいて駆動周波数ｆｏを動的に変化させる。

送電制御回路２００が駆動周波数ｆｏにて交流電圧Ｖｏを供給すると、駆動周波数ｆｏの交流電流がトランスＴＳ１一次コイルＬｂを流れるため、給電コイル回路１２０にも駆動周波数ｆｏにて交流電流Ｉ２が流れる。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１に近いほど、電力伝送効率は高くなる。駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒ１であれば、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は強く磁場結合する。このとき、電力伝送効率は最大となる。

共振周波数ｆｒ１は、受電コイル回路１３０の使用状態や使用環境によって微妙に変化する。受電コイル回路１３０を交換した場合にも共振周波数ｆｒ１は変化する。あるいは、キャパシタＣ３の静電容量を可変とすることにより共振周波数ｆｒ１を積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。また、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３のコイル間距離により共振周波数ｆｒ１は変化する。共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏの差が変化すると電力伝送効率が変化する。電力伝送効率が変化すると、負荷ＬＤの電圧（出力電圧）が変化する。したがって、負荷ＬＤの出力電圧を最大化・安定化するためには、共振周波数ｆｒ１が変化したときでも、共振周波数ｆｒ１に駆動周波数ｆｏを追随させる必要がある。

給電コイル回路１２０には検出コイルＬＳＳが設けられる。検出コイルＬＳＳは、貫通孔を有するコア１５４（トロイダルコア）にＮｓ回巻き付けられたコイルである。コア１５４の材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ（permalloy）等の既知材料である。本実施形態における検出コイルＬＳＳの巻き数Ｎｓは１００回である。

給電コイル回路１２０の電流経路の一部もコア１５４の貫通孔を貫通している。これは、コア１５４に対する給電コイル回路１２０の巻き数Ｎｐが１回であることを意味する。このような構成により、検出コイルＬＳＳと給電コイルＬ２は結合トランスを形成する。給電コイルＬ２の交流電流Ｉ２が発生させる交流磁場により、検出コイルＬＳＳには同相の誘導電流ＩＳＳが流れる。等アンペア・ターンの法則により、誘導電流ＩＳＳの大きさは、Ｉ２・（Ｎｐ／Ｎｓ）となる。

検出コイルＬＳＳの両端には抵抗Ｒ４が接続される。抵抗Ｒ４の一端Ｂは接地され、他端Ａの電位ＶＳＳ（信号Ｓ０）は整流回路１０２に供給される。

整流回路１０２は、コンパレータ１２２を含む。信号Ｓ０（アナログ電流波形）は、コンパレータ１２２によって２値化され、デジタル波形の信号Ｓ１となる。コンパレータ１２２の出力端には、信号Ｓ１の負成分をカットするためにダイオード１２４が接続されている。コンパレータ１２２は信号Ｓ０が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧３．０（Ｖ）を出力する。電流Ｉ２と誘導電流ＩＳＳは同相であり、誘導電流ＩＳＳと電位ＶＳＳ（信号Ｓ０）は同相である。したがって、信号Ｓ０や信号Ｓ１の波形を観察することにより給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に供給される交流電力の電流位相を計測できる。

信号Ｓ１は、更に、電流波形分周回路１０４に入力される。本実施形態における電流波形分周回路１０４は、いわゆるＴ型フリップフロップ回路である。デジタル信号Ｓ１がハイレベルからローレベルに変化するとき、すなわち、信号Ｓ１のフォールエッジのタイミングにて、電流波形分周回路１０４の出力である信号Ｓ２は反転（トグル）する。この結果、信号Ｓ１の周波数が１／２に分周され、信号Ｓ２となる。電流波形分周回路１０４の目的は、信号Ｓ１の周波数を変化させることではなく、デューティ比５０％の信号Ｓ２を作り出すことである。信号Ｓ１のデューティ比が５０％でなくても、信号Ｓ１のフォールエッジに基づいてデューティ比５０％の信号Ｓ２を作り出すことができる。詳細については図７に関連して後述する。信号Ｓ２は、ＥＸＯＲ回路１０６に入力される。

一方、送電制御回路２００の信号Ｔ０（デジタル電圧波形）は、位相調整回路１０８により９０度だけ位相遅延されて信号Ｔ１となる。信号Ｔ１の周波数は、電圧波形分周回路１１０により１／２に分周され、信号Ｔ２となる。電圧波形分周回路１１０の目的も、デューティ比５０％の信号Ｔ２を作り出すことであり、１／２という数字に特段の意義はない。信号Ｔ２はＥＸＯＲ回路１０６に入力される。

ＥＸＯＲ回路１０６は、信号Ｓ２と信号Ｔ２の排他的論理和である信号Ｗ１を出力する。信号Ｗ１は、ローパスフィルタ１１２により直流化され、直流信号Ｗ２となる。ローパスフィルタ１１２は、抵抗Ｒ５とキャパシタＣ５を含む一般的な回路である。信号Ｗ２は比較回路１１４に入力される。比較回路１１４は、抵抗Ｒ６、Ｒ７、コンパレータ１２６を含む。コンパレータ１２６の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、反転入力端子に信号Ｗ２が供給される。基準電圧Ｖｒｅｆと信号Ｗ２（直流電圧信号）のレベルが等しいときには、比較回路１１４は信号ＳＣ＝０を出力する。基準電圧Ｖｒｅｆ＞信号Ｗ２のときには信号ＳＣ＞０、基準電圧Ｖｒｅｆ＜信号Ｗ２のときには信号ＳＣ＜０となる。送電制御回路２００は、信号ＳＣの大きさにより、電圧位相と電流位相のずれの大きさを認識し、駆動周波数ｆｏを調整する。

図４は、駆動周波数ｆｏと出力電力およびコイル間距離の関係を示すグラフである。ここでいう出力電力とは、負荷ＬＤから取り出される電力の大きさをいう。近距離特性１３２は、コイル間距離が１４ｍｍのときの駆動周波数ｆｏと出力電力の関係を示す。近距離特性１３２の場合、駆動周波数ｆｏ＝１４３．６ｋＨｚのとき出力電力が最大となっている。いいかえれば、コイル間距離が１４ｍｍのときの共振周波数ｆｒ１＝１４３．６ｋＨｚである。中距離特性１３４は、コイル間距離が２２ｍｍのときの駆動周波数ｆｏと出力電力の関係を示す。このときの共振周波数ｆｒ１は１４９．１ｋＨｚである。長距離特性１３６は、コイル間距離が３０ｍｍのときの駆動周波数ｆｏと出力電力の関係を示す。このときの共振周波数ｆｒ１は１５４．８ｋＨｚである。コイル間距離が短いほど共振周波数ｆｒ１は小さくなる。

図５は、駆動周波数ｆｏと位相差およびコイル間距離の関係を示すグラフである。ここでいう位相差とは電流位相と電圧位相のずれを意味する。近距離特性１３２の場合、駆動周波数ｆｏ＝１４３．６ｋＨｚのとき、位相差はゼロとなっている。いいかえれば、コイル間距離が１４ｍｍのときの共振周波数ｆｒ１＝１４３．６ｋＨｚである。中距離特性１３４、長距離特性１３６についてもそれぞれ共振周波数ｆｒ１＝１４９．１ｋＨｚ、１５４．８ｋＨｚで位相差がゼロとなる。

図６は、受電ＬＣ共振回路３０２のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。縦軸は、受電コイル回路１３０（キャパシタＣ３と受電コイルＬ３の直列回路）のインピーダンスＺを示す。横軸は駆動周波数ｆｏを示す。インピーダンスＺは、共振時において最低値Ｚ_ｍｉｎとなる。共振時にＺ_ｍｉｎ＝０となるのが理想であるが、受電コイル回路１３０には若干の抵抗成分が含まれるため、Ｚ_ｍｉｎは通常ゼロとはならない。

図６においては、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒ１となるとき、インピーダンスＺは最低となり、受電コイル回路１３０は共振状態となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１がずれると、インピーダンスＺにおける容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスが優勢となるためインピーダンスＺも大きくなる。

駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１と一致するとき、給電コイルＬ２には共振周波数ｆｒ１にて交流電流Ｉ２が流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒ１にて交流電流Ｉ３が流れる。受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、共振周波数ｆｒ１にて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。

駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１がずれると、給電コイルＬ２には非・共振周波数の交流電流Ｉ２が流れる。このため、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振できなくなるため、電力伝送効率は急速に悪化する。

図７は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致するときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）においては、電流が正方向に流れる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致している場合、送電制御回路２００が発生させる交流電圧Ｖｏが正となる期間と第１期間は完全に一致する。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）においては、電流は負方向に流れる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致している場合、交流電圧Ｖｏが負となる期間と第２期間は完全に一致する。

電流位相を示すアナログ電圧波形信号Ｓ０は、整流回路１０２によってデジタル信号Ｓ１に変換される。負成分はダイオード１２４によりカットされる。電流波形分周回路１０４は、信号Ｓ１のフォールエッジを検出するごとに出力信号Ｓ２のレベルを反転させる。図７の場合、時刻ｔ１にて信号Ｓ２はハイレベルとなり、時刻ｔ３にて信号Ｓ２はローレベルに変化している。この結果、信号Ｓ１のデューティ比が５０％でなくても、信号Ｓ１の変化周期に対応したデューティ比５０％の信号Ｓ２を生成できる。

電圧位相を示すデジタル電圧波形信号Ｔ０のライズエッジとフォールエッジは、共振状態においてはＳ１信号と完全に同期する。信号Ｔ０の位相は、位相調整回路１０８により９０度遅延され、信号Ｔ１となる。この結果、信号Ｔ１は、時刻ｔ０と時刻ｔ１の中間である時刻ｔ６にハイレベルに変化し、時刻ｔ１と時刻ｔ２の中間である時刻ｔ７にローレベルに変化する。電圧波形分周回路１１０は、信号Ｔ１のフォールエッジを検出するごとに出力信号Ｔ２のレベルを反転させる。

以上の処理により、共振状態においては、信号Ｓ２がハイレベルとなる期間（以下、「第２検出期間」とよぶ）よりも信号Ｔ２がハイレベルとなる期間（以下、「第１検出期間」とよぶ）は９０度遅れる。

図８は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致するときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。信号Ｗ１は、信号Ｓ２と信号Ｔ２の排他的論理和として形成される。いいかえれば、第１検出期間と第２検出期間の一方がハイレベル他方がローレベルとなる期間に限り、信号Ｗ１はハイレベルとなる。図７からあきらかなように、信号Ｗ１は時刻ｔ１〜ｔ７、ｔ３〜ｔ９においてそれぞれハイレベルとなる。以下、信号Ｗ１がハイレベルとなる期間（時刻ｔ１〜ｔ７や時刻ｔ３〜ｔ９の期間）のことを「Ｗ１活性期間」とよぶ。共振時におけるＷ１活性期間の長さは１／４周期に相当する。

ローパスフィルタ１１２は、信号Ｗ１を直流に変換し、信号Ｗ２を生成する。Ｗ１活性期間が長いほど、信号Ｗ２のレベルは高くなる。比較回路１１４は、基準電圧Ｖｒｅｆと信号Ｗ２を比較する。基準電圧Ｖｒｅｆは、共振状態における信号Ｗ２のレベルと等しくなるようにあらかじめ設定されている。したがって、共振状態にあるとき、比較回路１１４から出力される信号ＳＣはゼロとなる。送電制御回路２００は、信号ＳＣ＝０のときには駆動周波数ｆｏを変化させないため、共振状態が保たれる。図８、図１２および図１４に示す交流電圧Ｖｏ（信号Ｔ０）の波形は、信号ＳＣに基づく調整後の交流電圧を示している。図８においては、交流電圧Ｖｏ（信号Ｔ０）の波形は、調整後も変化しない。

図９は、位相差と信号Ｗ２の関係を示すグラフである。上述したように、第１検出期間と第２検出期間の位相差が９０度のとき、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒ１と一致している。この位相差は０度〜１８０度の範囲で検出され、それに応じて駆動周波数ｆｏが調整される。位相差が９０度よりも大きくなるとき、いいかえれば、電圧位相よりも電流位相が進むときには、信号Ｗ２のレベルが高くなる。位相差が９０度よりも小さくなるとき、いいかえれば、電圧位相よりも電流位相が遅れるときには信号Ｗ２のレベルが低くなる。

図１０は、信号ＳＣと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１が一致しているとき、信号ＳＣはゼロとなる。本実施形態においては、コイル間距離が基本設定の２２ｍｍであるときの共振周波数ｆｒ１が１４９．１ｋＨｚとなる。ここで、コイル間距離が１４ｍｍまで近づくと共振周波数は１４３．６ｋＨｚに低下する。このとき信号ＳＣは大きくなる。信号ＳＣが大きくなると、送電制御回路２００は駆動周波数ｆｏを低下させ、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１を一致させようとする。一方、コイル間距離が３０ｍｍまで離れると共振周波数ｆｒ１は１５４．８ｋＨｚまで上昇する。このとき信号ＳＣは小さく成る。信号ＳＣが小さくなると、送電制御回路２００は駆動周波数ｆｏを上昇させ、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１を一致させようとする。次に、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも低い場合と高い場合のそれぞれについて、フィードバック制御の仕組みを説明する。

図１１は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも小さいときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも小さいとき、交流電圧Ｖｏが正となる期間は第１期間よりも遅れる。したがって、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも小さいときには、信号Ｔ０のライズエッジとフォールエッジは信号Ｓ１のライズエッジやフォールエッジよりも遅れることになる。信号Ｔ０の位相は、位相調整回路１０８により更に９０度遅延され、信号Ｔ１となる。この結果、信号Ｔ１は、時刻ｔ６よりも遅い時刻ｔ１０にハイレベルに変化し、時刻ｔ７よりも遅い時刻ｔ１１にローレベルに変化する。

このように、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも小さいときには、信号Ｔ２がハイレベルとなる第１検出期間は信号Ｓ２がハイレベルとなる第２検出期間よりも９０度以上遅れる。

図１２は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも小さいときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。図１１からあきらかなように、信号Ｗ１は時刻ｔ１〜ｔ１１、ｔ３〜ｔ１３においてそれぞれハイレベルとなる。すなわち、Ｗ１活性期間は、共振時よりも長くなる。

ローパスフィルタ１１２は、信号Ｗ１を直流に変換し、信号Ｗ２を生成する。Ｗ１活性期間が長くなるため、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも低いときの信号Ｗ２は、共振時の信号Ｗ２よりも高くなる。比較回路１１４は、基準電圧Ｖｒｅｆと信号Ｗ２を比較する。信号Ｗ２＞基準電圧Ｖｒｅｆであるため、信号ＳＣは負となる。送電制御回路２００は、信号ＳＣが負値のときには駆動周波数ｆｏを図１０の関係にしたがって高くする。この結果、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒ１に追随する。

図１３は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいときの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｔ１、Ｔ２の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいとき、交流電圧Ｖｏが正となる期間は第１期間よりも位相が進む。したがって、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいときには、信号Ｔ０のライズエッジとフォールエッジは信号Ｓ１のライズエッジやフォールエッジよりも進む。信号Ｔ０の位相は、位相調整回路１０８により９０度遅延され、信号Ｔ１となる。この結果、信号Ｔ１は、時刻ｔ６よりも早い時刻ｔ１４にハイレベルに変化し、時刻ｔ７よりも早い時刻ｔ１５にローレベルに変化する。

このように、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいときには、第１検出期間の第２検出期間に対する遅れは９０度未満となる。

図１４は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいときの信号Ｗ１、Ｗ２、ＳＣ、交流電圧Ｖｏの変化過程を示すタイムチャートである。図１３からあきらかなように、信号Ｗ１は時刻ｔ１〜ｔ１５、ｔ３〜ｔ１７においてそれぞれハイレベルとなる。すなわち、Ｗ１活性期間は、共振時よりも短くなる。

ローパスフィルタ１１２は、信号Ｗ１を直流に変換し、信号Ｗ２を生成する。Ｗ１活性期間が短くなるため、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒ１よりも大きいときの信号Ｗ２は、共振時の信号Ｗ２よりも低くなる。比較回路１１４は、基準電圧Ｖｒｅｆと信号Ｗ２を比較する。信号Ｗ２＜基準電圧Ｖｒｅｆであるため、信号ＳＣは正となる。送電制御回路２００は、信号ＳＣが正値のときには駆動周波数ｆｏを図１０の関係にしたがって小さくする。この結果、駆動周波数ｆｏは共振周波数ｆｒ１に追随する。

［第２実施形態］
図１５は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００の原理図である。第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００も、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ただし、ワイヤレス受電装置１１８は受電ＬＣ共振回路３０２を含むが、ワイヤレス給電装置１１６は給電ＬＣ共振回路３００を含まない。すなわち、給電コイルＬ２は、ＬＣ共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルＬ２は、ワイヤレス給電装置１１６に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルＬ２に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルＬ２は非共振となる。

給電源ＶＧは、共振周波数ｆｒ１の交流電流を給電コイルＬ２に供給する。給電コイルＬ２は共振しないが、共振周波数ｆｒ１の交流磁場を発生させる。受電ＬＣ共振回路３０２は、この交流磁場により共振する。この結果、受電ＬＣ共振回路３０２には大きな交流電流が流れる。本発明者の検討により、ワイヤレス給電装置１１６においては必ずしもＬＣ共振回路を形成する必要がないことが判明した。給電コイルＬ２は、給電ＬＣ共振回路の一部ではないため、ワイヤレス給電装置１１６としては共振周波数ｆｒ１にて共振状態には移らない。一般的には、磁場共振型のワイヤレス給電は、給電側と受電側双方に共振回路を形成し、それぞれの共振回路を同一の共振周波数ｆｒ１（＝ｆｒ０）で共振させることにより、大電力の送電が可能となると解釈されている。しかし、給電ＬＣ共振回路３００を含まないワイヤレス給電装置１１６であっても、ワイヤレス受電装置１１８が受電ＬＣ共振回路３０２を含んでさえいれば、磁場共振型のワイヤレス給電を実現可能であることがわかった。

給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３とが磁場結合しても、キャパシタＣ２が省略されているため新たな共振回路（共振回路同士の結合による新たな共振回路）が形成されない。この場合、給電コイルＬ２と受電側コイルＬ３との磁場結合は、その結合が強くなればなるほど受電ＬＣ共振回路３０２の共振周波数に影響を及ぼす。この共振周波数、すなわち共振周波数ｆｒ１近傍の周波数の交流電流を給電コイルＬ２に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。また、キャパシタＣ２が不要であるためサイズやコスト面でも有利となる。

図１６は、第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。第２実施形態のワイヤレス電力伝送システム１００においては、キャパシタＣ２が省略されている。また、給電コイルＬ２は、結合トランスＴＳ１を介することなく、送電制御回路２００と直接接続されている。

給電コイル回路１２０がＬＣ共振回路である場合、給電コイル回路１２０には低電圧・大電流にて電力を供給することが望ましい。そのためには結合トランスＴＳ１により、電圧および電流を調整する必要がある。しかし、第２実施形態におけるワイヤレス給電装置１１６の場合、給電コイルＬ２を共振させる必要がないため、給電コイルＬ２に大電圧を印加可能である。この結果、結合トランスＴＳ１を不要化できるため、ワイヤレス給電装置１１６をいっそう省サイズ化できる。

以上、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００について説明した。磁場共振型のワイヤレス給電の場合、共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏの一致度が電力伝送効率に大きく影響する。第１および第２実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム１００は、共振周波数ｆｒ１と駆動周波数ｆｏのずれを検出し、自律的に駆動周波数ｆｏを共振周波数ｆｒ１に追随させることができるため、使用条件が変化しても、電力伝送効率を最大値に維持しやすくなる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

ワイヤレス電力伝送システム１００において伝送される「交流電力」は、エネルギーに限らず、信号として伝送されてもよい。アナログ信号やデジタル信号をワイヤレスにて送電する場合にも、本発明におけるワイヤレス電力伝送方法を適用可能である。

本実施形態においては、第１検出期間と第２検出期間の排他的論理和により特定される期間であるＷ１活性期間の長短により、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１のずれを検出している。変形例として、第１検出期間と第２検出期間の論理積や論理和により特定される期間の長短により、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒ１のずれを検出してもよい。すなわち、排他的論理和に限らず、さまざまな論理演算を適用可能である。

１００ワイヤレス電力伝送システム、１０２整流回路、１０４電流波形分周回路、１０６ＥＸＯＲ回路、１０８位相調整回路、１１０電圧波形分周回路、１１２ローパスフィルタ、１１４比較回路、１１６ワイヤレス給電装置、１１８ワイヤレス受電装置、１２０給電コイル回路、１２２コンパレータ、１２４ダイオード、１２６コンパレータ、１３０受電コイル回路、１３２近距離特性、１３４中距離特性、１３６長距離特性、１４０ロード回路、１５０位相検出回路、１５４コア、２００送電制御回路、２０４電流検出回路、３００給電ＬＣ共振回路、３０２受電ＬＣ共振回路、ＬＤ負荷、Ｌ２給電コイル、Ｌ３受電コイル、Ｌ４ロードコイル、Ｃ２キャパシタ、Ｃ３キャパシタ、ＬＳＳ検出コイル。

Claims

給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
前記給電コイルと、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、
前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記位相検出回路は、前記交流電力の電圧波形および前記交流電力の電流波形のうちの一方の位相を９０度ずらした上で、前記交流電力の電圧レベルが所定範囲内となる第１検出期間と前記交流電力の電流レベルが所定範囲内となる第２検出期間のずれを検出することにより、０度〜１８０度の範囲の前記位相差を検出し、
前記送電制御回路は、前記検出された位相差に応じて前記駆動周波数を調整することを特徴とするワイヤレス給電装置。
前記位相検出回路は、前記第１検出期間と前記第２検出期間の排他的論理和として特定される期間の長さを検出することにより、前記位相差を検出す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。
前記位相検出回路は、前記位相差を検出する前に、前記電圧波形および前記電流波形の双方または一方をデジタル波形に整形する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。
前記位相検出回路は、前記電流波形を分周した後、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記位相検出回路は、前記電圧波形を分周した後、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記位相検出回路は、前記第１検出期間と前記第２検出期間のずれの大きさを示す直流信号を生成し、前記直流信号のレベルにより前記位相差を検出す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。
前記送電制御回路は、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の前記給電コイルから、前記受電コイルに前記交流電力を給電させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記給電コイルは、給電側の回路要素とは前記受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しないことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
前記送電制御回路は、結合トランスを介することなく、前記給電コイルに前記交流電力を供給することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
請求項１から１０のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した交流電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。