JP6114541B2 - 非接触給電システム、送電システム、受電システム、送電方法、受電方法及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、第1の実施形態における非接触給電システム1の構成を示す概略ブロック図である。非接触給電システム1は、送電システム10と、受電システム20とを備える。非接触給電システム1は、送電システム10から受電システム20へエネルギーを伝送させる。
13を備える。以下、第1の送電装置11、第2の送電装置12それぞれを親機ともいう。第1の送電装置11は、電源111と、アンテナ112とを備える。第1の送電装置11は、電源111とアンテナ112とが接続された回路である。電源111は、一例として電流源であり、電流I[1]を生成し、生成した電流をアンテナ112に供給する。アンテナ112は、電源111から供給された電流で周囲に磁界を発生させる。アンテナ112は例えばインダクタであり、そのインダクタンスはLである。
送電システム10の電源111と電源121は、同期信号生成部13から入力された第1の同期信号に同期した電流を生成する。受電システム20の電源211と電源221は、同期信号生成部13から入力された第2の同期信号に同期した電流を生成する。これにより、受電システム20の電源211と電源221の電流の位相は、送電システム10の電源111と電源121の電流の位相より90度遅れる。
電源211は、アンテナ212から供給された電流を受け取る。電源211は、一例として電流源であり、アンテナ212から供給された電流を用いて電流I[3]を生成する。電源211は、例えば生成した電流I[3]を不図示の負荷に供給する。
電源221は、一例として電流源であり、アンテナ222の両端にかかる電圧から電流I[4]を生成する。
また、全てのアンテナの組で相互インダクタンスは一例として4×4の実対称行列Mで表すことができる。である。具体的には、アンテナ112とアンテナ122の相互インダクタンスはM[1,2]である。アンテナ112とアンテナ212の相互インダクタンスはM[1,3]である。アンテナ112とアンテナ222の相互インダクタンスはM[1,4]である。アンテナ122とアンテナ212の相互インダクタンスはM[2,4]である。アンテナ122とアンテナ222の相互インダクタンスはM[3,4]である。
k番目(kは正の整数)の送電装置の電源が放出するエネルギーPower[k]は、次の式(1)で表される。
符号〜が上に付された行列Yは、行列Yを転置した行列である。符号〜が上に付された行列Y*は、行列Y*を転置した行列である。ここで、行列Y*は、行列Yの複素共役である。行列(列ベクトル)E*は、行列(列ベクトル)Eの複素共役である。
式(2)の最右辺の括弧内の第二項はスカラーであるから、転置しても値を不変である。そこで、式(2)の最右辺の括弧内の第二項を転置すると、式(2)は次の式(3)で表される。
Bは、次の式(6)で表される。
(1)n、mがともに子機を表すときは、B[n,m]=Re[Y[n,m]]である。
(2)n、mがともに親機を表すときは、B[n,m]=0である。
(3)nが親機を、mが子機を表すときは、B[n,m]=Y[n,m]/2である。ここで、Y[n,m]は、アドミッタンス行列Yのn行m列の成分である。
(4)nが子機を、mが親機を表すときは、B[n,m]=Y[n,m]*/2である。ここで、Y[n,m]*は、アドミッタンス行列Yの複素共役の行列Y*のn行m列成分である。
インピーダンス行列の場合も同様である。Y[n,m]=Y[m,n]であるので、B[m,n]=B[n,m]*である。よって、行列Bはエルミート行列になり実数の固有値を持つ。後述するように固有値は、λが固有値であれば、−λも固有値である。
その場合に、送電装置の送電エネルギーを一定にした場合に受電装置に最大のエネルギーが供給されるようにするには、各電源は以下のように動作する。各電源は、行列Cの二乗C2をエルミート行列とし、行列DをD=(C−1)〜BC−1(ここで、〜は転置を表す)と定義する。このとき、行列Dの固有値λは、各アンテナに流れる電流の絶対値の二乗の和が、インピーダンス行列またはアドミッタンス行列を行列Aとすると行列Aの二乗A2のときのエネルギーを示すので、最大固有値がアンテナに流れる電流の絶対値の二乗の和の最大値となる。各アンテナの抵抗rが、最大固有値より十分に小さいとき、損失はr×電流の二乗和である。よって、各電源は最大固有値の規格化された固有ベクトルに比例した電流を生成することにより、最大のエネルギー伝送効率を得ることができる。よって、各電源は、行列Dの最大固有値に対応する固有ベクトルをXとするとき、CXに含まれる成分であって各電源に対応する成分に比例する電流または電圧をアンテナに供給する。
まず、親機のアンテナと子機のアンテナ間のx方向の位置の違いx1が0mのときについて説明する。その場合、インダクタンス行列Lは、次の式(10)で表される。
また、行列Dは次の式(11)で表される。
続いて、親機のアンテナと子機のアンテナ間のx方向の位置の違いx1が0.3mの場合について説明する。インダクタンス行列Lは、次の式(14)で表される。
また、行列Dは次の式(15)で表される。
続いて、親機のアンテナと子機のアンテナ間のx方向の位置の違いx1が0.5mの場合について説明する。インダクタンス行列Lは、次の式(18)で表される。
また、行列Dは次の式(19)で表される。
続いて、親機のアンテナと子機のアンテナ間のx方向の位置の違いx1が0.8mの場合について説明する。インダクタンス行列Lは、次の式(22)で表される。
また、行列Dは次の式(23)で表される。
続いて、親機のアンテナと子機のアンテナ間のx方向の位置の違いx1が1.0mの場合について説明する。インダクタンス行列Lは、次の式(26)で表される。
また、行列Dは次の式(27)で表される。
これにより、各電源は、アンテナ間の位置関係に応じて適切な電流または電圧をアンテナに供給することができるので、伝送効率を向上させることができる。
これにより、各電源は、アンテナ間の位置関係に応じて適切な電流または電圧をアンテナに供給することができるので、伝送効率を向上させることができる。
f=[f1,…,fNp+Nc] 〜を大きさ1のベクトル、F=[F1,…,FNp+Nc] 〜を大きさ1の固有ベクトル(以下、規格化固有ベクトルともいう)とすると、固有ベクトルのずれ量Δは、次の式(30)で定義される。
続いて、第2の実施形態について説明する。図2は、第2の実施形態における非接触給電システム2の構成を示す概略ブロック図である。図1と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。非接触給電システム2は、送電システム30と受電システム40とを備える。また、送電システム30と受電システム40が備える各アンテナの位置関係は第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。また、各アンテナのインダクタンス及び相互インダクタンスは第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
第1の制御部33は、例えば、電圧計113から入力された第1電圧情報が示す電圧と電圧計123から入力された第2電圧情報が示す電圧を参照して、電源111の電流と電源121の電流を制御する。第1の制御部33の処理の詳細は、後述する。
第2の制御部43は、例えば、電圧計213から入力された第3電圧情報が示す電圧と電圧計223から入力された第4電圧情報が示す電圧を参照して、電源211の電流と電源221の電流を制御する。第2の制御部43の処理の詳細は、後述する。
第2の抽出部431は、第1の抽出部と同様の機能を有する。第2の抽出部431は、電圧計213から第3電圧情報を取得する。第2の抽出部431は、第3電圧情報が示す電圧と同相の電流成分を抽出する。また、第2の抽出部431は、電圧計223から第4電圧情報を取得する。第2の抽出部431は、取得した第4電圧情報が示す電圧と同相の電流成分を抽出する。第2の抽出部431は、上記の処理を例えば、以下の処理により行う。第2の抽出部431は、アンテナ212にかかる電圧とアンテナ222にかかる電圧とを成分とする電圧ベクトルを取得し、その電圧ベクトルと同相の電流成分を抽出する。
続いて、第1の制御部33と第2の制御部43で電流値を繰り返し更新することで、更新後の電流が行列Dの最大固有値に対応する固有ベクトルに徐々に収束させることができる原理について説明する。
このとき、行列Bは次の式(33)で表される。
(ステップS101)第1の制御部33はベクトルIpが示す電流を回路に流す。このとき、ベクトルIpに含まれる電流は全て同位相である。
(ステップS102)ステップS101と並行して、第2の制御部43はベクトルIcが示す電流を回路に流す。このとき、ベクトルIcに含まれる電流は全て同位相である。またベクトルIcに含まれる電流の位相は、ベクトルIpに含まれる電流より90°遅れる。
(ステップS103)第1の制御部33はアンテナにかかる電圧成分からなる電圧ベクトルVpを取得し、電圧ベクトルVpと同相の電流成分を抽出する。
(ステップS104)ステップS103と並行して、第2の制御部43はアンテナにかかる電圧成分からなる電圧ベクトルVcを取得し、電圧ベクトルVcと同相の電流成分を抽出する。
(ステップS105)第1の制御部33はベクトルIpの成分にそのベクトルIpの成分に正の定数を乗じた値を加える。そして、第1の制御部33は、加えることで得た値を子機内で規格化する。
(ステップS106)ステップS105と並行して、第2の制御部43はベクトルIcの成分に、そのベクトルIcの成分に正の定数を乗じた値を加える。そして、第2の制御部43は、加えることで得た値を子機内で規格化する。
(ステップS107)第1の制御部33は、その規格化して得たベクトルの成分を次のベクトルIpとし、ステップS101の処理に戻り、ステップS101以降の処理を繰り返す。
(ステップS108)ステップS107と並行して、第2の制御部43はその規格化して得たベクトルの成分を次のベクトルIcとし、ステップS102の処理に戻り、ステップS102以降の処理を繰り返す。以上で、本フローチャートの説明を終了する。
また、第2の実施形態の第1の制御部33または第2の制御部43の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、第1の制御部33または第2の制御部43に係る上述した種々の処理を行ってもよい。
10、30 送電システム
11、31 第1の送電装置
12、32 第2の送電装置
13 同期信号生成部
20、40 受電システム
21 第1の受電装置
22 第2の受電装置
33 第1の制御部
43 第2の制御部
111 電源
112 アンテナ
113、123、213、223 電圧計
121 電源
122 アンテナ
211 電源
212 アンテナ
221 電源
222 アンテナ
331 第1の抽出部(抽出部)
332 第1の規格化部(規格化部)
333 第1の電源制御部(電源制御部)
431 第2の抽出部(抽出部)
432 第2の規格化部(規格化部)
433 第2の電源制御部(電源制御部)
Claims (16)
- 一台以上の送電装置と、前記送電装置から磁界により非接触でエネルギーを受電する一台以上の受電装置とを備え、前記送電装置と前記受電装置の合計が三台以上である非接触給電システムであって、
少なくとも一台の送電装置及び少なくとも一台の受電装置を含む、少なくとも三台の各送電装置及び各受電装置は、
前記各送電装置及び前記各受電装置のアンテナ間のインピーダンスに関するインピーダンス情報に基づいて決定された電流または電圧を、前記各送電装置及び前記各受電装置で同期させて、前記アンテナに供給する電源を備える非接触給電システム。 - 前記電流または電圧は、前記インピーダンス情報を参照して算出された固有ベクトルに基づいて決定されている請求項1に記載の非接触給電システム。
- 前記インピーダンス情報は、前記アンテナ間のインピーダンス行列またはアドミッタンス行列であり、
前記アンテナ間のインピーダンス行列またはアドミッタンス行列を行列Aとして行列Aのn行m列の成分(n,mは整数)をA[n,m](A[n,m]は複素数であり、A[n,m]=A[m,n])とするとき、行列Bを(Np+Nc)×(Np+Nc)次元のエルミート行列とし(但し、Npは送電装置の数、Ncは受電装置の数)、nが送電装置かつmが受電装置を表すとき行列Bのn行m列の成分B[n,m]=A[n,m]/2とし、nが送電装置かつmが受電装置を表すとき成分B[n,m]=A*[n,m]/2=A*[m,n]/2とし(*は複素共役を表す)、n及びmが受電装置を表すとき成分B[n,m]=Re[A[n,m]]とし、n及びmが送電装置を表すとき成分B[n,m]=0とし、行列Cの二乗C2をエルミート行列とし、行列D=(C−1)〜BC−1(〜は転置を表す)の固有ベクトルをXとするとき、前記各送電装置及び各受電装置が備える電源は前記固有ベクトルXに基づいて決定された電流または電圧を前記アンテナに供給する請求項1または2のいずれか一項に記載の非接触給電システム。 - 前記電源が供給する電流または電圧は、前記固有ベクトルXが規格化された規格化固有ベクトルを基準として予め決められた範囲のベクトルに、左から前記行列Cを乗じて得た行列の対応する成分に比例する請求項3に記載の非接触給電システム。
- 前記規格化固有ベクトルを基準として予め決められた範囲のベクトルと前記規格化固有ベクトルの差のベクトルの大きさの二乗は2−√2以下である請求項4に記載の非接触給電システム。
- 前記各送電装置及び各受電装置が備える電源はそれぞれ行列CXの成分のうち該電源が対応する成分に比例する電流または電圧を前記アンテナに供給する請求項3から5のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
- 前記行列Dの固有値のうち最大固有値に対応する固有ベクトルに比例した電流または電圧を前記アンテナに供給する請求項6に記載の非接触給電システム。
- 前記行列Cの二乗C2は単位行列である請求項3から7のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
- 前記行列Cの二乗C2はインピーダンス行列の実部またはアドミッタンス行列の実部である請求項3から7のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
- 前記行列Cの二乗C2はインダクタンス行列である請求項3から7のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
- 磁界により非接触でエネルギーを供給する第1のアンテナと、該第1のアンテナに第1の電気量を、各送電装置で同期させて供給することにより電力を放出する第1の電源とを備える送電装置を複数備える送電システムと、磁界により非接触でエネルギーを受電する第2のアンテナと、該第2のアンテナに第1の電気量を、前記各送電装置が発生する磁界と同期させて供給することにより電力を吸収する第2の電源とを備える受電装置を複数備える受電システムとを備える非接触給電システムであって、
前記送電システムは、
前記第1のアンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する第1の抽出部と、
前記第1の抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、複数の前記送電装置間で規格化する第1の規格化部と、
前記第1の規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記第1の電源に生成させる第1の電源制御部と、
を備え、
前記受電システムは
前記第2のアンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する第2の抽出部と、
前記第2の抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、前記複数の受電装置間で規格化する第2の規格化部と、
前記第2の規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記第2の電源に生成させる第2の電源制御部と、
を備え、
前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧である非接触給電システム。 - 磁界により非接触でエネルギーを供給する第1のアンテナと、該第1のアンテナに第1の電気量を、前記エネルギーを受電する第2のアンテナに供給される第1の電力量と同期させて、供給することにより電力を放出する第1の電源とを備える送電装置を複数備える送電システムであって、
前記第1のアンテナに発生した第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、複数の前記送電装置間で規格化する規格化部と、
前記規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記第1の電源に生成させる電源制御部と、
を備え、
前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧である送電システム。 - 磁界により非接触でエネルギーを供給する第1のアンテナから前記エネルギーを受電する第2のアンテナと、該第2のアンテナに第1の電気量を、前記第1のアンテナに供給される第1の電力量と同期させて、供給することにより電力を吸収する電源とを備える受電装置を複数備える受電システムであって、
前記第2のアンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する抽出部と、
前記抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、複数の前記受電装置間で規格化する規格化部と、
前記規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記電源に生成させる電源制御部と、
を備え、
前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧である受電システム。 - 磁界により非接触でエネルギーを供給する第1のアンテナと、該第1のアンテナに第1の電気量を、前記エネルギーを受電する第2のアンテナに供給される第1の電力量と同期させて、供給することにより電力を放出する第1の電源とを備える送電装置を複数備える送電システムが実行する送電方法であって、
抽出部が、前記第1のアンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する手順と、
規格化部が、前記抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、複数の前記送電装置間で規格化する手順と、
電源制御部が、前記規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記第1の前記電源に生成させる手順と、
を有し、
前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧である送電方法。 - 磁界により非接触でエネルギーを供給する第1のアンテナから前記エネルギーを受電する第2のアンテナと、該第2のアンテナに第1の電気量を、前記第1のアンテナに供給される第1の電力量と同期させて、供給することにより電力を吸収する電源とを備える受電装置を複数備える受電システムが実行する受電方法であって、
抽出部が、前記第2のアンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する手順と、
規格化部が、前記抽出部が抽出した第2の電気量成分に基づく値を、前記複数の受電装置間で規格化する手順と、
電源駆動部が、前記規格化部が規格化した後の第2の電気量を前記電源に生成させる手順と、
を有し、
前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧である受電方法。 - コンピュータに、
アンテナに発生する第1の電気量と同相の第2の電気量成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップで抽出された第2の電気量成分に基づく値を、複数の送電装置間または複数の受電装置間で規格化する規格化ステップと、
前記規格化ステップで規格化された後の第2の電気量を、第1のアンテナに供給される前記第1の電力量と、前記第1のアンテナからエネルギーを受電する第2のアンテナに供給される前記第1の電力量と、を同期させて、電源に生成させる電源制御ステップと、
を実行させるためのプログラムであって、前記第1の電気量が電圧かつ前記第2の電気量が電流であるか、または前記第1の電気量が電流かつ前記第2の電気量が電圧であるプログラム。
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