JP6141171B2

JP6141171B2 - 送電装置及び無線電力伝送システム

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Publication number: JP6141171B2
Application number: JP2013232014A
Authority: JP
Inventors: 井上　仁志; 仁志井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: JP2015095906A

Description

本発明は、受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置及び無線電力伝送システムに関する。

従来、一の装置から他の装置に対して無線で電力を伝送する技術が検討されている。例えば、このような電力伝送方式として、磁界共鳴方式が提案されている。具体的には、送電装置のコイル（送電コイル）及び受電装置のコイル（受電コイル）を磁界共鳴させることにより、送電装置から受電装置に対して無線で電力が伝送される（例えば、特許文献１）。

また、磁界共鳴方式は、電磁誘導方式及び電界誘導方式などの他の方式に比べ、電力伝送距離が長いことが知られている。例えば、送電コイルと受電コイルとの間の距離が数メートル程度離れていても、送電装置から受電装置に対して電力を伝送できる。

特開２０１１−１６６８８３号公報

上述したように磁界共鳴方式の電力伝送距離は長いため、受電装置が複数の送電装置から同時に電力を受けるケースが想定される。

このようなケースにおいて、各送電装置の送電位相が同期している場合には、受電装置に伝送される電力が合成され、単一の送電装置のみの場合に比べ、大きな電力が受電装置に伝送される。

しかしながら、各送電装置の送電位相が非同期である場合には、受電装置に伝送される電力が合成される際に、打ち消し合われてしまい、極めて小さい電力しか受電装置に伝送されないため、電力伝送効率が低下する問題がある。

そこで、本発明は、簡易な方法で電力伝送効率を向上させることができる送電装置及び無線電力伝送システムを提供することを目的とする。

第１の特徴に係る送電装置は、受電装置に対して無線で電力を伝送する。前記送電装置は、コイルを含む送電回路と、商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、を備え、前記信号生成回路は、前記送電回路と１対１で設けられる。

第２の特徴に係る無線電力伝送システムは、受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置を複数有する。各送電装置は、コイルを含む送電回路と、商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、を備え、前記信号生成回路は、前記送電回路と１対１で設けられる。

第３の特徴に係る送電装置は、受電装置に対して無線で電力を伝送する。前記送電装置は、コイルを含む送電回路と、商用交流電源の位相に同期しており、かつ、前記商用交流電源の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）倍した周波数を有する送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、前記商用交流電源の周波数を判定する周波数判定器と、前記周波数判定器により判定した周波数と前記送電信号の目標周波数とに基づいて、前記送電信号の周波数が前記目標周波数になるように前記ｎの値を設定する制御部と、を備える。

本発明によれば、簡易な方法で電力伝送効率を向上させることができる。

第１実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図である。送電側共振器及び受電側共振器を示す図である。第１実施形態に係る送電装置を示す図である。第１実施形態に係る無線電力伝送システムの動作を示す図である。第１実施形態の比較例を説明するための図である。第２実施形態に係る無線電力伝送システムを示す図である。第２実施形態に係る送電装置を示す図である。第２実施形態に係る無線電力伝送システムの動作を示す図である。

［実施形態の概要］
実施形態に係る送電装置は、受電装置に対して無線で電力を伝送する。前記送電装置は、コイルを含む送電回路と、商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、を備える。

実施形態では、前記信号生成回路は、前記商用交流電源の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）倍した周波数を有する前記送電信号を生成する。

実施形態では、前記信号生成回路は、入力される電圧に応じて前記送電信号を発生させる電圧制御発振器と、前記送電信号の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）分の１に分周する可変分周器と、前記商用交流電源の位相と前記可変分周器の出力信号の位相との位相差に応じた電圧を出力する位相比較器と、前記位相比較器の出力と前記電圧制御発振器の入力との間に設けられたループフィルタと、を含む。

実施形態では、前記送電装置は、前記商用交流電源の周波数を判定する周波数判定器と、前記周波数判定器により判定した周波数と前記送電信号の目標周波数とに基づいて、前記送電信号の周波数が前記目標周波数になるように前記ｎの値を設定する制御部と、をさらに備える。

実施形態では、前記送電装置は、制御装置又は前記受電装置との無線通信を行う通信部をさらに備える。前記制御部は、前記無線通信により前記目標周波数を取得する。

実施形態に係る無線電力伝送システムは、受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置を複数有する。各送電装置は、コイルを含む送電回路と、商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、を備える。

実施形態に係る送電装置は、受電装置に対して無線で電力を伝送する。前記送電装置は、商用交流電源の位相に同期した電力を伝送する。

実施形態では、前記電力は交流電力である。

実施形態に係るシステムは、送電装置と、受電装置と、を備える。前記送電装置は、商用交流電源の位相に同期した電力を伝送する。前記受電装置は、前記送電装置から伝送される電力を受けることにより受電する。

実施形態に係る送電装置は、受電装置に対して無線で電力を伝送する。前記送電装置は、商用交流電源の位相に同期した信号に基づく電力を伝送する。

［第１実施形態］
以下において、第１実施形態について説明する。

（無線電力伝送システム）
図１は、第１実施形態に係る無線電力伝送システム１を示す図である。

図１に示すように、無線電力伝送システム１は、複数の送電装置１００（送電装置１００Ａ，１００Ｂ，・・・）及び受電装置２００を備える。第１実施形態では、無線電力伝送システム１に適用される電力伝送方式が磁界共鳴方式である一例について説明する。図１では、１つの受電装置２００が例示されているが、複数の受電装置２００が無線電力伝送システム１に設けられていてもよい。受電装置２００は、例えば、部屋内の各位置に設けられるセンサ類（人感センサ、温度センサ、照度センサ）を有しており、送電装置１００から伝送される電力によって動作する。送電装置１００は、例えば、各センサ類に電力を伝送するために、部屋の天井や床下等に埋め込まれる。また、複数の送電装置１００は、同一の部屋に設けられる場合に限らず、複数の部屋に分散して設けられてもよい。

図２は、送電装置１００に設けられる送電側共振器１０７及び受電装置２００に設けられる受電側共振器２０７を示す図である。

図２に示すように、送電側共振器１０７は、高周波送電信号（高周波電圧）が印加されるコイルＬ１と、コイルＬ１との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイルＬ２と、コイルＬ２と並列接続されたコンデンサＣ１と、を備える。コイルＬ１は駆動コイルに相当し、コイルＬ２は送電コイルに相当する。コイルＬ２及びコンデンサＣ１はＬＣ共振回路を構成する。

受電側共振器２０７は、コイルＬ２との磁界共鳴によって高周波電圧が誘起されるコイルＬ３と、コイルＬ３と並列接続されたコンデンサＣ２と、コイルＬ３との電磁誘導によって高周波電圧が誘起されるコイルＬ４と、を備える。コイルＬ３は受電コイルに相当する。コイルＬ３及びコンデンサＣ２はＬＣ共振回路を構成する。コイルＬ４で誘起された高周波電圧を基に、負荷（例えばセンサ類など）に電力が供給される。ここで、コイルＬ２とコイルＬ３とが磁界共鳴するとは、コイルＬ２が発振することによって生じた波（波の周波数は共振周波数）にコイルＬ３が共振（共鳴）することを意味する。

このように、無線電力伝送システム１では、送電装置１００のコイルＬ２（送電コイル）及び受電装置２００のコイルＬ３（受電コイル）を磁界共鳴させることにより、送電装置１００から受電装置２００に対して無線で電力が伝送される。

なお、図２においては、送電装置１００にコイルＬ１及びコイルＬ２を設ける構成について示したが、コイルＬ１及びコイルＬ２を共通化して１つのコイルとしてもよい。また、受電装置２００にコイルＬ３及びコイルＬ４を設ける構成について示したが、コイルＬ３及びコイルＬ４を共通化して１つのコイルとしてもよい。ただし、このようにコイルを共通化する場合、当該コイルの抵抗及びキャパシタンスが大きくなり、Ｑ値が小さくなるため、コイルを共通化しない構成とすることが好ましい。

（送電装置）
図３は、第１実施形態に係る送電装置１００を示す図である。

図３に示すように、送電装置１００は、商用交流電源１０と電気的に接続される。送電装置１００は、周波数判定器１０１、位相比較器１０２、ループフィルタ１０３、電圧制御発振器１０４、可変分周器１０５、増幅器１０６、送電側共振器１０７、及び制御部１３０を備える。

位相比較器１０２、ループフィルタ１０３、電圧制御発振器１０４、及び可変分周器１０５は、信号生成回路１１０を構成する。すなわち、信号生成回路１１０は、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路である。信号生成回路１１０は、商用交流電源１０の位相に同期した高周波送電信号を生成し、当該生成した高周波送電信号を送電回路１２０に出力する。信号生成回路１１０は、商用交流電源１０の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）倍した周波数を有する高周波送電信号を生成する。

増幅器１０６及び送電側共振器１０７は、送電回路１２０を構成する。送電回路１２０は送電側共振器１０７を含み、送電側共振器１０７はコイルＬ２（送電コイル）を含む。

周波数判定器１０１には、商用交流電源１０からの交流電力が入力される。周波数判定器１０１は、商用交流電源１０からの交流電力に基づいて、商用交流電源１０の周波数を判定する。周波数判定器１０１は、判定した周波数を示す信号を制御部１３０に出力する。

位相比較器１０２には、商用交流電源１０からの交流電力が周波数判定器１０１を介して入力される。また、位相比較器１０２には、可変分周器１０５の出力信号が入力される。位相比較器１０２は、商用交流電源１０からの交流電力の位相（すなわち、商用交流電源１０の位相）と可変分周器１０５の出力信号の位相とを比較する。位相比較器１０２は、商用交流電源１０の位相と可変分周器１０５の出力信号の位相との位相差に応じた電圧を出力する。

ループフィルタ１０３は、位相比較器１０２の出力と電圧制御発振器１０４の入力との間に設けられる。ループフィルタ１０３はローパスフィルタであり、不要な発振を防止するために短周期の変動を遮断する。ループフィルタ１０３は、ＰＬＬ回路のループ時定数を決定する。

電圧制御発振器１０４には、位相比較器１０２からの電圧がループフィルタ１０３を介して入力される。電圧制御発振器１０４は、入力される電圧に応じて高周波送電信号を発生させる。具体的には、電圧制御発振器１０４の出力周波数は、電圧制御発振器１０４に入力される電圧に応じて変化する。

可変分周器１０５には、電圧制御発振器１０４からの高周波送電信号が入力される。可変分周器１０５は、高周波送電信号の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）分の１に分周して位相比較器１０２に出力する。可変分周器１０５に設定される分周比（ｎの値）は、商用交流電源１０の周波数に対する高周波送電信号の周波数の倍率（逓倍率）に等しい。

可変分周器１０５に設定される分周比（ｎの値）は、制御部１３０により制御される。制御部１３０は、周波数判定器１０１により判定した商用交流電源１０の周波数と高周波送電信号の目標周波数とに基づいて、高周波送電信号の周波数が目標周波数になるようにｎの値を設定する。これにより、例えば送電装置１００の使用地域により商用交流電源１０の周波数が異なる場合でも、高周波送電信号の周波数が目標周波数になるよう制御される。

商用交流電源１０の周波数を「ｆ」、目標周波数を「Ｆ」とすると、制御部１３０は、ｎ＝Ｆ／ｆの式により「ｎ」の値を設定する。例えば、目標周波数が１３．５６ＭＨｚである場合で、かつ、商用交流電源１０の周波数が５０Ｈｚである場合には、ｎの値は「２７１２００」である。また、目標周波数が１３．５６ＭＨｚである場合で、かつ、商用交流電源１０の周波数が６０Ｈｚである場合には、ｎの値は「２２６０００」である。ここで、目標周波数とは、送電側コイルの共振周波数と、受電側コイルの共振周波数と一致することが望ましい。

増幅器１０６には、電圧制御発振器１０４からの高周波送電信号が入力される。増幅器１０６は、高周波送電信号を増幅して送電側共振器１０７に出力する。増幅器１０６の増幅率は、例えば制御部１３０により制御される。送電側共振器１０７に入力される高周波送電信号の電力の大きさにより、送電装置１００の送電電力の大きさが決定される。送電側共振器１０７の構成は、図２に示した通りである。

（動作）
図４は、第１実施形態に係る無線電力伝送システム１の動作を説明するための図である。図４において、送電電力波形１は送電装置１００Ａにより伝送される電力（電圧）の波形であり、送電電力波形２は、送電装置１００Ｂにより伝送される電力（電圧）の波形であり、送電電力波形３は、送電装置１００Ｃにより伝送される電力（電圧）の波形である。

図４に示すように、受電装置２００は、複数の送電装置１００から同時に電力を受ける。具体的には、受電装置２００は、送電装置１００Ａにより伝送される送電電力１と、送電装置１００Ｂにより伝送される送電電力２と、送電装置１００Ｃにより伝送される送電電力３と、を受ける。

第１実施形態に係る各送電装置１００は、商用交流電源１０の位相に同期した高周波送電信号を生成する。言い換えると、各送電装置１００は、商用交流電源１０の位相に同期した電力を伝送する。よって、受電装置２００が複数の送電装置１００から同時に電力を受けるケースにおいて、各送電装置１００から送電される電力（電圧、電流）の位相を同期させることができる。その結果、受電装置２００に伝送される電力が合成され、単一の送電装置１００のみの場合に比べ、大きな電力を受電装置２００に伝送することができる。このように、第１実施形態における電力伝送効率は高い。ここで、送電される電力は、交流電力である。

図５は、第１実施形態の比較例を説明するための図である。

図５に示すように、比較例では、各送電装置１００の送電位相が非同期である。この場合、受電装置２００に伝送される電力が合成される際に、打ち消し合われてしまい、極めて小さい電力しか受電装置２００に伝送されない。このように、比較例における電力伝送効率は極めて低い。

上述したように、第１実施形態に係る送電装置１００は、受電装置２００に対して無線で電力を伝送する。送電装置１００は、コイルＬ２を含む送電回路１２０と、商用交流電源１０の位相と同期した位相を有する高周波送電信号を生成し、当該生成した高周波送電信号を送電回路１２０に出力する信号生成回路１１０と、を備える。これにより、送電装置１００は、商用交流電源１０の位相に同期した電力（電圧）を受電装置２００に対して伝送できる。よって、受電装置２００が複数の送電装置１００から同時に電力を受けるケースにおいて、各送電装置１００の送電位相を同期させることができる。従って、簡易な方法で電力伝送効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
以下において、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。

（無線電力伝送システム）
図６は、第２実施形態に係る無線電力伝送システム１を示す図である。

図６に示すように、第２実施形態に係る無線電力伝送システム１は、送電装置１００を制御する制御装置３００を備える。制御装置３００は、特に限定されるものではないが、需要家の電力を管理するＥＭＳ（ＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）であってもよい。ＥＭＳとしては、ＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）、ビルに設けられるＢＥＭＳ（ＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）、工場に設けられるＦＥＭＳ（ＦａｃｔｏｒｙＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）、店舗に設けられるＳＥＭＳ（ＳｔｏｒｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）等が挙げられる。

（送電装置）
図７は、第２実施形態に係る送電装置１００を示す図である。

図７に示すように、送電装置１００は、制御装置３００との無線通信を行う通信部１４０を備える。通信部１４０は、制御装置３００との無線通信に加えて、又は制御装置３００との無線通信に代えて、受電装置２００との無線通信を行ってもよい。

制御部１３０は、通信部１４０の無線通信により高周波送電信号の目標周波数を取得する。そして、制御部１３０は、周波数判定器１０１により判定した商用交流電源１０の周波数と、無線通信により取得した目標周波数とに基づいて、高周波送電信号の周波数が目標周波数になるように、可変分周器１０５の分周比（ｎの値）を設定する。

（動作）
図８は、第２実施形態に係る無線電力伝送システム１の動作を説明するための図である。

図８に示すように、ステップＳ１０において、制御装置３００は、高周波送電信号の目標周波数を示す情報を複数の送電装置１００に送信する。複数の送電装置１００は、高周波送電信号の目標周波数を示す情報を制御装置３００から受信する。複数の送電装置１００は、制御装置３００から受信した情報が示す目標周波数と、周波数判定器１０１により判定した商用交流電源１０の周波数と、に基づいて、高周波送電信号の周波数が目標周波数になるように、可変分周器１０５の分周比（ｎの値）を設定する。これにより、各送電装置１００における高周波送電信号の周波数を揃えることができる。

なお、制御装置３００に代えて、受電装置２００が、高周波送電信号の目標周波数を示す情報を複数の送電装置１００に送信してもよい。複数の送電装置１００は、高周波送電信号の目標周波数を示す情報を受電装置２００から受信してもよい。

［その他の実施形態］
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、信号生成回路１１０の一例としてＰＬＬ回路を説明した。しかしながら、ＰＬＬ回路に限らず、商用交流電源の位相に同期した高周波送電信号を生成する回路であれば、信号生成回路１１０の構成に採用可能である。

また、上述した第１実施形態及び第２実施形態では、無線電力伝送システム１に適用される電力伝送方式の一例として磁界共鳴方式を説明した。しかしながら、磁界共鳴方式に限らず、電力伝送距離が長い電力伝送方式（例えばマイクロ波方式など）であれば、無線電力伝送システム１に適用可能である。

１・・・無線電力伝送システム、１０・・・商用交流電源、１００・・・送電装置、１０１・・・周波数判定器、１０２・・・位相比較器、１０３・・・ループフィルタ、１０４・・・電圧制御発振器、１０５・・・可変分周器、１０６・・・増幅器、１０７・・・送電側共振器、１１０・・・信号生成回路、１２０・・・送電回路、１３０・・・制御部、１４０・・・通信部、２００・・・受電装置、２０７・・・受電側共振器、３００・・・制御装置、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４・・・コイル、Ｃ１，Ｃ２・・・コンデンサ

Claims

受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置であって、
コイルを含む送電回路と、
商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、
を備え、
前記信号生成回路は、前記送電回路と１対１で設けられることを特徴とする送電装置。
前記信号生成回路は、前記商用交流電源の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）倍した周波数を有する前記送電信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置であって、
コイルを含む送電回路と、
商用交流電源の位相に同期しており、かつ、前記商用交流電源の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）倍した周波数を有する送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、
前記商用交流電源の周波数を判定する周波数判定器と、
前記周波数判定器により判定した周波数と前記送電信号の目標周波数とに基づいて、前記送電信号の周波数が前記目標周波数になるように前記ｎの値を設定する制御部と、
を備えることを特徴とする送電装置。
前記信号生成回路は、
入力される電圧に応じて前記送電信号を発生させる電圧制御発振器と、
前記送電信号の周波数をｎ（ｎ；２以上の整数）分の１に分周する可変分周器と、
前記商用交流電源の位相と前記可変分周器の出力信号の位相との位相差に応じた電圧を出力する位相比較器と、
前記位相比較器の出力と前記電圧制御発振器の入力との間に設けられたループフィルタと、
を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の送電装置。
制御装置又は前記受電装置との無線通信を行う通信部をさらに備え、
前記制御部は、前記無線通信により前記目標周波数を取得することを特徴とする請求項３に記載の送電装置。
受電装置に対して無線で電力を伝送する送電装置を複数有する無線電力伝送システムであって、
各送電装置は、
コイルを含む送電回路と、
商用交流電源の位相に同期した送電信号を生成し、当該生成した送電信号を前記送電回路に出力する信号生成回路と、を備え、
前記信号生成回路は、前記送電回路と１対１で設けられることを特徴とする無線電力伝送システム。