JP6820513B2 - 無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法に関する。

スマートフォンやタブレットＰＣ（パーソナルコンピュータ）などのモバイル端末、電気自動車の普及段階に入っているが、これらに必須な蓄電池は現状では必要十分な容量を有しているとは言い難い。至る所に充電インフラを揃える事で、常に蓄電池はフル充電という状況を作り出せる。その一つの方策として、無線電力伝送がにわかに注目を浴びている。無線電力伝送には、電磁誘導方式、電界共鳴方式（電界共振方式等ともいう）、磁界共鳴方式（磁界共振方式等ともいう）、電波放射方式など各種方式が提案されている。特に電磁誘導方式や電界・磁界共鳴方式では、送電装置と受電装置の相対的な位置関係によっては、電力の伝送効率が著しく低下するという課題がある。例えば、送受電装置が正対する方向から数ｃｍずれると、電力伝送効率が半分以下に低下することが報告されている。

従来技術としては、例えば特許文献１に記載されているシステムのように、伝送効率を最大化する位置関係からのずれの影響が小さくなるシステムは存在するが、給電方向は制御できない。

また、特許文献２に記載されているシステムのように、給電方向をある程度特定するシステムは存在するが、送電方向の特定が２次元平面上に限られている。

また、特許文献３に記載されているシステムのように、給電方向により伝送効率を最適化するシステムは存在するが、送受電装置内のコイルを物理的に移動する必要があり、次の（１）〜（３）の問題が挙げられる。（１）コイルが最適な位置に移動するまでの時間は伝送効率が低下する。（２）送受信装置の位置関係が頻繁に変化する場合、コイルの移動が間に合わず、伝送効率が定常的に低下する可能性がある。（３）コイル移動のためのモータなどの駆動機構が必要になり、装置の大型化、高コスト化につながる。

特開２０１３−２０８０１２号公報 特開２０１１−１５１９８９号公報 特開２０１２−１４７６５９号公報

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、送電装置と受電装置の任意の位置関係において高効率な電力伝送を実現することができる無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一態様は、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を供給する交流電源を有する送電装置と、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置とを備え、前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、さらに、前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する制御部とを備える無線電力伝送システムである。

また、本発明の一態様は、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を給する交流電源を有する送電装置と、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置と、前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する制御部とを備え、前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、前記データベースに登録されている前記各位置情報に対応する前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報に対応する位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有する無線電力伝送システムである。

また、本発明の一態様は、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に第１可変リアクタンス回路を介して電力を供給する交流電源を有する送電装置と、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を複数有するとともに前記各受電側共振回路に第２可変リアクタンス回路を介して接続された負荷回路を有する受電装置と、前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路、前記第１可変リアクタンス回路および前記第２可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する制御部とを備え、前記複数の送電側共振回路と前記複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、前記データベースに登録されている前記各位置情報に対応する前記各可変リアクタンス回路、前記第１可変リアクタンス回路および前記第２可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報に対応する位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有する無線電力伝送システムである。

また、本発明の一態様は、上記無線電力伝送システムであって、前記受電装置が複数であり、前記負荷回路が蓄電池を含み、前記制御部が、前記各蓄電池の充電状態に応じて電力を無線伝送する１の前記受電装置を選択し、前記選択した受電装置の前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する。

また、本発明の一態様は、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を供給する交流電源を有する送電装置と、コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置と、位置情報取得部と、制御部とを用いて、前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送する方法であって、前記位置情報取得部によって、前記受電装置の位置情報を取得し、前記制御部によって、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する無線電力伝送方法である。

本発明によれば、送電装置と受電装置の任意の位置関係において高効率な電力伝送を実現することができる。

本発明の実施形態の構成例を説明するための模式図である。 図１に示すデータベース５３の構成例を説明するための模式図である。 本発明の実施形態の構成例を説明するための回路図である。 図１に示す無線電力伝送システム１０の適用例を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明による無線電力伝送システムの一実施形態の構成例を概略的に示す模式図である。図１に示す無線電力伝送システム１０は、磁界共鳴方式の無線電力伝送システムであり、送電装置１と、受電装置２−１および２−２と、制御装置５とを備える。

送電装置１は、コイル（インダクタ）と可変リアクタンス回路からなる複数の共振回路（送電側共振回路）１１、１２、１３および１４を有するとともに、共振回路１１、１２、１３および１４に電力を供給する交流電源１５を有する。また、送電装置１は、可変リアクタンス回路（第１可変リアクタンス回路）１６と制御部１７を有する。本願においてリアクタンス回路とは、容量性リアクタンスを有するコンデンサや誘導性リアクタンスを有するコイルから構成される回路である。また、可変リアクタンス回路とは、リアクタンスを可変制御することができるリアクタンス回路である。例えば、各可変リアクタンス回路は各１個の可変コンデンサで構成することができる。また、コイルと可変リアクタンス回路からなる共振回路の共振周波数は、可変リアクタンス回路のリアクタンスを予め定めた所定の値に制御した場合に共振回路の誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが等しくなる周波数である。共振回路１１は直列接続されたコイル１１１および可変リアクタンス回路１１２を有する。共振回路１２は直列接続されたコイル１２１および可変リアクタンス回路１２２を有する。共振回路１３は直列接続されたコイル１３１および可変リアクタンス回路１３２を有する。共振回路１４は直列接続されたコイル１４１および可変リアクタンス回路１４２を有する。なお、コイル１１１、１２１、１３１および１４１は、軸方向が一定方向となるように配列されている。また、送電装置１は、可変リアクタンス回路１６を有し、可変リアクタンス回路１６を介して交流電源１５から共振回路１１、１２、１３および１４へ電力を供給する。交流電源１５の出力周波数と、共振回路１１、１２、１３および１４の共振周波数とは同一である。

コイル１１１、１２１、１３１および１４１の各一端は、交流電源１５の出力の一方に共通に接続されている。コイル１１１の他端は可変リアクタンス回路１１２の一端に接続されている。コイル１２１の他端は可変リアクタンス回路１２２の一端に接続されている。コイル１３１の他端は可変リアクタンス回路１３２の一端に接続されている。コイル１４１の他端は可変リアクタンス回路１４２の一端に接続されている。可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２および１４２の各他端は、可変リアクタンス回路１６の一端に共通に接続されている。可変リアクタンス回路１６の他端は交流電源１５の出力の他方に接続されている。

可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２、１４２および１６は、例えば、可変コンデンサを用いて構成する場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）可変容量素子、可動部とトリマコンデンサの組み合わせ等、制御部１７が例えば電気的に静電容量を可変することができる素子を用いて構成することができる。また、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２、１４２および１６は、例えば、可変インダクタを用いて構成する場合、可動部とフェライトコイルの組み合わせ等、制御部１７が例えば電気的にインダクタンスを可変することができる素子を用いて構成することができる。制御部１７は、制御装置５から受信したリアクタンス制御用の制御信号に基づき、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２、１４２および１６のリアクタンスを制御する。送電装置１は、例えば無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等を用いて可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２、１４２および１６のリアクタンスを制御するための制御信号を制御装置５から受信する。

一方、受電装置２−１および２−２は、互いに同一構成であり、コイルと可変リアクタンス回路からなる共振回路（受電側共振回路）２１を有するとともに共振回路２１の負荷回路２２を有する。また、受電装置２−１および２−２は、制御部２３を有する。共振回路２１は、直列接続されたコイル２１１および可変リアクタンス回路２１２を有する。共振回路２１の共振周波数は、共振回路１１、１２、１３および１４の共振周波数と同一である。コイル２１１の一端は負荷回路２２の一端に接続されている。コイル２１１の他端は可変リアクタンス回路２１２の一端に接続されている。可変リアクタンス回路２１２の他端は負荷回路２２の他端に接続されている。負荷回路２２は、例えば図示しているように１個の電球であってもよいし、整流回路、電圧変換回路、蓄電池、その他の電気・電子回路等を含むものであってもよい。また、受電装置２−１および２−２は、図示してない入出力装置、位置取得装置や通信装置を備えている。受電装置２−１および２−２は、例えば、スマートフォンやタブレットＰＣなどのモバイル端末、電気自動車等に搭載あるいは内蔵されている。また、制御部２３は、モバイル端末、電気自動車等が備えるコントローラ（コンピュータ）が提供する一機能として構成されていてもよい。

可変リアクタンス回路２１２は、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２、１４２、１６等と同様に、制御部２３が例えば電気的にリアクタンスを可変することができる素子を用いて構成することができる。制御部２３は、制御装置５から受信したリアクタンス制御用の制御信号に基づき、可変リアクタンス回路２１２のリアクタンスを制御する。また、制御部２３は、受電装置２−１または２−２の位置情報を制御装置５に対して提供する。受電装置２−１および２−２と制御装置５は例えば無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等を用いて可変リアクタンス回路２１２のリアクタンスを制御するための制御信号や位置情報を送受信する。制御部２３は、例えば、受電装置２−１および２−２が有する図示していない屋内ＧＰＳ（Global Positioning System）やビーコンの受信機を用いて受電装置２−１または２−２の位置情報を取得したり、ユーザの受電装置２−１および２−２に対する図示していない入力部に対する所定の入力操作に基づいて位置情報を決定したりすることができる。

位置情報は、例えば、３次元（あるいは２次元）の受電装置２−１または２−２の座標と、共振回路２１が有するコイル２１１の軸方向とによって定義することができる。ただし、コイル２１１の軸方向を表す情報は位置情報に必ずしも含まれていなくてもよい。例えば、受電時の受電装置２−１および２−２の向きが固定である場合、すなわちコイル２１１の軸方向が例えば鉛直方向一定である場合とか、一定の傾斜角と向きで固定されている場合等には、位置情報は座標情報から構成されるものとすることができる。なお、コイル２１１の軸方向は、例えば、受電装置２−１および２−２が有する図示していない地磁気センサ、加速度センサ、傾斜角センサ等を用いて検知することができる。

本実施形態の無線電力伝送システム１０は、上述した送電装置１と受電装置２−１および２−２によって、送電側の複数の共振回路１１〜１４と受電側の共振回路２１を共鳴結合することで交流電源１５から負荷回路２２へ電力を無線伝送する。

一方、制御装置５は、コンピュータであり、中央処理装置、記憶装置、通信装置、入出力装置等を有する。制御装置５は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムを実行することで各装置を制御して次の機能を提供する。すなわち、本実施形態において、制御装置５は、制御部５１および位置情報取得部５２として機能するとともに、記憶装置内にデータベース５３を格納して管理する。

制御部５１は、データベース５３を参照して、位置情報取得部５２が取得した受電装置２−１および２−２の位置情報に基づき送電装置１ならびに受電装置２−１および２−２の各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを制御する。制御部５１は、例えば、送電装置１と受電装置２−１および２−２の任意の位置関係において予め取得したコイル１１１、１２１、１３１および１４１ならびにコイル２１１の自己インダクタンスと各コイル間の相互インダクタンスとに基づいて、電力の伝送効率が高効率となるように、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２および１４２と可変リアクタンス回路２１２（あるいはさらに可変リアクタンス回路１６）の各リアクタンスを最適化した値に制御する。

位置情報取得部５２は、受電装置２−１および２−２の位置情報を受電装置２−１および２−２から取得する。

データベース５３は、受電装置２−１および２−２の位置情報と各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを決定するための情報との対応関係を表す情報を含む。データベース５３は、例えばその対応関係を表す情報を１または複数のテーブルとして含む。各リアクタンスを決定するための情報とは、例えば、各位置情報に対応した各リアクタンスの値そのものであってもよいし、各位置情報に対応した各リアクタンスの値を計算する際に用いる情報、例えば、各コイルの自己インダクタンスや各コイル間の相互インダクタンスの値を示す情報等であってもよい。複数の位置情報の個数は、例えば、受電装置２−１および２−２を受電可能とする範囲を一定の領域毎に区分した各区分に対応する個数である。図２は、データベース５３の構成例を説明するための模式図である。図２はデータベース５３が含むテーブルの構成例を示す図であり、図２（ａ）と図２（ｂ）は異なる構成例を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）はデータベース５３が含むテーブルが含むレコードの構成例を示す。

図２（ａ）に示すレコード５３Ｒ１は、位置情報フィールド５３１とインダクタンス情報フィールド５３２とを含む。位置情報フィールド５３１は、受電装置２−１および２−２から位置情報取得部５２が取得する受電装置２−１および２−２の位置情報と同一の（あるいは対応する）情報が格納される。位置情報は、例えば３次元または２次元の受電装置２−１または２−２の座標を表す情報と共振回路２１が有するコイル２１１の軸方向を表す情報とを含む。インダクタンス情報フィールド５３２は、受電装置２−１または２−２が位置情報フィールド５３１に格納された位置情報で示される位置に配置された場合、すなわち、送電装置１と受電装置２−１または２−２を位置情報フィールド５３１に格納された位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られるコイル１１１、１２１、１３１および１４１ならびにコイル２１１の自己インダクタンスと各コイル間の相互インダクタンスを表す情報が格納される。自己インダクタンスと相互インダクタンスは、位置情報に基づく送電装置１と受電装置２−１または２−２の位置関係において、コイル１１１、１２１、１３１および１４１ならびにコイル２１１の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを、実際に計測したり、あるいは計算処理によって求めたり、あるいは計測と計算処理を組み合わせて求めたりすることで取得することができる。制御部５１は、データベース５３を参照し、インダクタンス情報フィールド５３２に格納されている受電装置２−１または２−２の位置情報に基づく位置関係におけるコイル１１１、１２１、１３１および１４１ならびにコイル２１１の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを用いて、電力の伝送効率が高効率となるように、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２および１４２と可変リアクタンス回路２１２（あるいはさらに可変リアクタンス回路１６）の各リアクタンスの最適値を求め、各リアクタンスを制御する。各リアクタンスの求め方については後述する。

図２（ｂ）に示すレコード５３Ｒ２は、位置情報フィールド５３１とリアクタンス情報フィールド５３３とを含む。位置情報フィールド５３１は、レコード５３Ｒ１の位置情報フィールド５３１と同一である。リアクタンス情報フィールド５３３は、位置情報に基づく送電装置１と受電装置２−１または２−２の位置関係におけるコイル１１１、１２１、１３１および１４１ならびにコイル２１１の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを用いて、電力の伝送効率が高効率となるように求めた、可変リアクタンス回路１１２、１２２、１３２および１４２と可変リアクタンス回路２１２（あるいはさらに可変リアクタンス回路１６）の各リアクタンスの最適値を表す情報を格納する。

なお、データベース５３は、図２に示すテーブルの他、例えば、交流電源１５の出力電圧、出力周波数および出力抵抗、負荷回路２２の抵抗値等を表す情報を格納するテーブルを含むことができる。

以上の構成おいて、図１に示す無線電力伝送システム１０では、受電装置２−１および２−２は、自装置の位置情報を例えば定期的に制御装置５に対して送信する。制御装置５では、受電装置２−１および２−２が送信した位置情報を位置情報取得部５２が受信する。位置情報取得部５２が位置情報を受信すると、制御部５１は、送電装置１の位置（既知）と受電装置２−１または２−２から送信された位置情報により、電力伝送効率が最大となるように送電装置１および受電装置２−１または２−２内の各可変リアクタンス回路の最適リアクタンスを、計算することで（あるいはデータベース５３から読み出すことで）決定する。そして、制御部５１は、決定した最適リアクタンスに基づき、送電装置１および受電装置２−１または２−２に設置した可変リアクタンス回路のリアクタンスを制御する。これによって、本実施形態によれば、送受電装置の位置関係によらず高効率な無線電力伝送が可能となる。

以上のように各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを制御することで、本実施形態では、磁界共鳴方式の無線電力伝送システムにおいて特定の方向への給電に際して（すなわち任意の位置関係に配置した場合でも）例えば送電装置の物理的回転をすることなく高い電力伝送効率を実現することができる。

なお、本発明の実施形態は、図１に示す構成に限定されない。例えば送電装置１が有する共振回路１１〜１４は、４個に限らず、２以上の複数個とすることができる。ただし、立体的に給電方向を調整する場合には３以上の複数個であることが望ましい。また、受電装置２−１および２−２が有する共振回路２１は、１個に限らず、２以上の複数個であってもよい。また、共振回路を２以上の複数個とする場合には、各共振回路と負荷回路２２の間に可変リアクタンス回路（第２可変リアクタンス回路）を設けてもよい。受電装置２−１および２−２に共振回路を複数設置した場合、更なる高効率化を図ることが可能である。

なお、本実施形態では、送電装置１が固定して設置されていて、受電装置２−１および２−２は移動可能な状態で使用される。ただし、送電装置１と受電装置２−１および２−２の両方を移動可能な状態で使用したり、受電装置２−１または２−２の一方を固定して設置したりしてもよい。送電装置１を移動させる場合には、送電装置１に位置情報の検知部と送信部とを設け、送電装置１が送信した位置情報を位置情報取得部５２が受信するようにする。また、データベース５３の位置情報フィールド５３１には、例えば、送電装置１と受電装置２−１および２−２の双方の位置情報あるいは相対的な位置関係を示す情報を格納する。

次に、図３を参照して、本発明の実施形態における各可変リアクタンス回路の各リアクタンスの決定手順について説明する。図３は、本発明による無線電力伝送システムの一実施形態の構成例を示す回路図である。図３に示す無線電力伝送システム１０ａは、送電装置１ａと、受電装置２ａとを備える。また、図示を省略しているが、無線電力伝送システム１０ａは、図１に示すものと同じ制御装置５を備える。送電装置１ａは、共振回路３１と共振回路３２と交流電圧源３０１と抵抗（レジスタ）３０２と可変リアクタンス回路（第１可変リアクタンス回路）３０３を有する。ここで、交流電圧源３０１は内部抵抗が零の理想的な電圧源であり、抵抗３０２は現実の電圧源の内部抵抗に相当する。共振回路３１は、直列接続された可変リアクタンス回路３０４とコイル３０５を有する。共振回路３２は、直列接続された可変リアクタンス回路３０６とコイル３０７を有する。受電装置２ａは、共振回路４１と共振回路４２と可変リアクタンス回路（第２可変リアクタンス回路）４０５と抵抗４０６を有する。共振回路４１は、直列接続された可変リアクタンス回路４０１とコイル４０２を有する。共振回路４２は、直列接続された可変リアクタンス回路４０３とコイル４０４を有する。また、図示していないが、送電装置１ａは、図１に示す制御部１７と同じ制御部を備えている。また、図示していないが、受電装置２ａは、図１に示す制御部２３と同じ制御部を備えている。

送電装置１ａにおいて、交流電圧源３０１の出力の一方は接地されていて、他方は抵抗３０２の一端に接続されている。抵抗３０２の他端は可変リアクタンス回路３０３の一端に接続されている。可変リアクタンス回路３０３の他端は、可変リアクタンス回路３０４および可変リアクタンス回路３０６の各一端に接続されている。可変リアクタンス回路３０４の他端はコイル３０５の一端に接続されている。可変リアクタンス回路３０６の他端はコイル３０７の一端に接続されている。コイル３０５およびコイル３０７の各他端は接地されている。

受電装置２ａにおいて、コイル４０２の一端は可変リアクタンス回路４０１の一端に接続されていて、他端は接地されている。コイル４０４の一端は可変リアクタンス回路４０３の一端に接続されていて、他端は接地されている。可変リアクタンス回路４０１および可変リアクタンス回路４０３の各他端は、可変リアクタンス回路４０５の一端に接続されている。可変リアクタンス回路４０５の他端は抵抗４０６の一端に接続されている。抵抗４０６の他端は接地されている。

図１に示す無線電力伝送システム１０では、送電装置１が４つの共振回路１１〜１４を有するとともに、受電装置２−１および２−２が１つの共振回路２１を有していた。これに対し、図３に示す無線電力伝送システム１０ａでは、送電装置１ａが２つの共振回路３１および３２を有するとともに、受電装置２ａが２つの共振回路４１および４２を有している。図３に示す無線電力伝送システム１０ａでは共振回路３１および３２が、例えば図１に示す共振回路１１および１２に対応する。図３の可変リアクタンス回路３０３が図１の可変リアクタンス回路１６に対応する。図３の交流電圧源３０１と抵抗３０２が図１の交流電源１５に対応する。例えば図３の共振回路４１が図１の共振回路２１に対応する。図３の抵抗４０６が図１の負荷回路２２に対応する。また、図３の受電装置２ａには、共振回路４２と可変リアクタンス回路４０５が新たに設けられている。

また、交流電圧源３０１の出力電圧は電圧Ｖ_ｉｎである。コイル３０５、３０７、４０２および４０４の自己インダクタンスはそれぞれインダクタンスＬ_１１、Ｌ_２２、Ｌ_３３およびＬ_４４である。コイル３０５とコイル３０７の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_１２またはＬ_２１である。コイル３０５とコイル４０２の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_１３またはＬ_３１である。コイル３０５とコイル４０４の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_１４またはＬ_４１である。コイル３０７とコイル４０２の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_２３またはＬ_３２である。コイル３０７とコイル４０４の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_２４またはＬ_４２である。コイル４０２とコイル４０４の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_３４またはＬ_４３である。抵抗３０２（現実の交流電圧源の内部抵抗）の抵抗値（レジスタンス）は抵抗値Ｒ_０である。抵抗４０６の抵抗値は抵抗値Ｒ_Ｌである。

また、可変リアクタンス回路３０３、３０４、３０６、４０１、４０３および４０５のリアクタンスはそれぞれリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５であるとする。抵抗３０２、可変リアクタンス回路３０４、可変リアクタンス回路３０６、可変リアクタンス回路４０１、可変リアクタンス回路４０３および抵抗４０６に流れる電流はそれぞれ電流ｉ_０、ｉ_１、ｉ_２、ｉ_３、ｉ_４およびｉ_５であるとする。交流電圧源３０１と抵抗３０２の直列回路（すなわち現実の交流電圧源の出力回路）、コイル３０５、コイル３０７、コイル４０２、コイル４０４、抵抗４０６の各端子電圧は、それぞれ電圧Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４およびＶ_５であるとする。電圧Ｖ_５は無線電力伝送システム１０ａの出力電圧Ｖ_ｏｕｔである。

図３に示す無線電力伝送システム１０ａ（送電装置１ａおよび受電装置２ａ）を示す回路は、次の回路方程式で表すことができる。次の回路方程式は、定常状態の正弦波交流回路を表していて、電流ｉ_０、ｉ_１、ｉ_２、ｉ_３、ｉ_４およびｉ_５ならびに電圧Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４およびＶ_５はフェーサで表され、回路素子は複素インピーダンスで表されている。

ここで、ωは交流電圧源３０１の出力の角周波数であり、ｊは虚数単位である。

本実施形態において、上記回路方程式を用いて各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを決定する際には、決定に先立って、送電装置１ａと受電装置２ａの複数の位置関係において、自己インダクタンスＬ_１１、Ｌ_２２、Ｌ_３３およびＬ_４４と、相互インダクタンスＬ_１２またはＬ_２１、Ｌ_１３またはＬ_３１、Ｌ_１４またはＬ_４１、Ｌ_２３またはＬ_３２、Ｌ_２４またはＬ_４２、Ｌ_３４またはＬ_４３を実測や計算によって取得しておく。また、抵抗値Ｒ_０およびＲ_Ｌも実測や計算によって取得しておく。また、電圧Ｖ_ｉｎは所定の値に設定しておく。この場合、電圧Ｖ_ｉｎ、インダクタンスＬ_１１、Ｌ_２２、Ｌ_３３およびＬ_４４、Ｌ_１２またはＬ_２１、Ｌ_１３またはＬ_３１、Ｌ_１４またはＬ_４１、Ｌ_２３またはＬ_３２、Ｌ_２４またはＬ_４２、Ｌ_３４またはＬ_４３、抵抗値Ｒ_０（現実の交流電圧源の内部抵抗）および抵抗値Ｒ_Ｌは既知の値（すなわち定数）である。一方、可変リアクタンス回路３０３、３０４、３０６、４０１、４０３および４０５のリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５は未決定の値（すなわち変数）である。

そして、各可変リアクタンス回路の各リアクタンスは、以下に示す電力伝送効率ηが最大となるように決定する。

ここで、Ｐ_Ｌは抵抗４０６に供給される電力であり、Ｐ_ｉｎは交流電圧源３０１から出力される電力であり、次のように表される。

ここで、関数Ｒｅは実部を返す関数であり、関数ｃｏｎｊは共役複素数を返す関数である。また、式中のＶ_０、ｉ_０、Ｖ_５およびｉ_５は上記回路方程式を解くことにより算出する。

なお、電力伝送効率ηが最大（あるいは一定以上の高効率）となる各可変リアクタンス回路の各リアクタンスの値は、例えば各リアクタンスを一定の範囲で変化させて電力伝送効率ηを複数回算出し、算出した複数の電力伝送効率ηのうちで電力伝送効率ηが最大（あるいは一定以上の高効率）となる各リアクタンスの組み合わせを選択することで決定することができる。最大（あるいは一定以上の高効率）となる電力伝送効率ηが複数の組み合わせで算出された場合には、例えば、共振回路のＱ値（Quality factor）や結合係数ｋ等の値を考慮していずれかの組み合わせを選択することができる。

図２（ａ）を参照して説明したように、位置情報とインダクタンス情報とを対応づける情報をデータベース５３が含む場合、制御部５１は、受電装置２ａから位置情報を受信すると、その位置情報に対応するインダクタンス情報をデータベース５３から取得する。次に、制御部５１は、各コイルの各自己インダクタンスおよび各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを変数として一定の範囲で変化させて、上記回路方程式を用いて電力伝送効率ηを複数回算出する。次に、制御部５１は、算出した複数の電力伝送効率ηに基づき、例えば電力伝送効率ηが最大となる場合のリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５の各値を制御目標として決定する。次に、制御部５１は、決定した各値を制御目標として、送電装置１ａおよび受電装置２ａに所定の制御信号を送信し、可変リアクタンス回路３０３、３０４、３０６、４０１、４０３および４０５のリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５を制御する。

一方、図２（ｂ）を参照して説明したように、位置情報とリアクタンス情報とを対応づける情報をデータベース５３が含む構成とする場合、複数の位置関係において上述したようにして電力伝送効率ηに基づいてリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５の各値を予め算出しておき、算出結果をデータベース５３に登録しておく。この場合、制御部５１は、受電装置２ａから位置情報を受信すると、その位置情報に対応するリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５の各値をデータベース５３から取得する。次に、制御部５１は、取得した各値を制御目標として、送電装置１ａおよび受電装置２ａに所定の制御信号を送信し、可変リアクタンス回路３０３、３０４、３０６、４０１、４０３および４０５のリアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５を制御する。

以上のように、本実施形態によれば、送受電の位置関係によらず高効率なワイヤレス給電が実現できる。

図４は、図１に示す無線電力伝送システム１０（あるいは図３に示す無線電力伝送システム１０ａ）の構成を一部変更してオフィスに利用した場合の適用イメージを示す。図４に示す無電電力伝送システム１０ｂでは、送電装置１をオフィスの天井あるいは天井裏に設置する。受電装置２−１ｂはスマートフォン６−１に内蔵され、受電装置２−２ｂはスマートフォン６−２に内蔵されている。受電装置２−１ｂ、受電装置２−２ｂおよび制御装置５ｂは、図１に示す受電装置２−１、受電装置２−２および制御装置５にそれぞれ対応する構成であり、次の点が異なる。すなわち、受電装置２−１ｂおよび受電装置２−２ｂは、負荷回路２２（図１）が、スマートフォン６−１およびスマートフォン６−２の電源である蓄電池を含む。また、受電装置２−１ｂおよび受電装置２−２ｂは、制御部２３（図１）が、位置情報を制御装置５ｂに対して送信するとともに、蓄電池の電池残量を示す情報を制御装置５ｂに対して送信する。一方、制御装置５ｂは、受電装置２−１ｂおよび受電装置２−２ｂから位置情報と電池残量を示す情報を受信し、各蓄電池の充電状態に応じて電力を無線伝送する一つの受電装置２−１ｂまたは２−２ｂを選択し、選択した受電装置２−１ｂまたは２−２ｂの位置情報に基づき各リアクタンスを制御する。本実施形態では、スマートフォンの電池残量と位置情報を制御装置５ｂが管理することにより、電池残量が少ないスマートフォンに優先的に給電（充電）することができる。本実施形態によれば、送電ロスを最小限に抑えながら給電することが可能となる。なお、無電電力伝送システム１０ｂでは、複数の受電装置に対して時分割で選択給電を行ったり、各受電装置に対する給電の平均時間を充電状態に応じて変化させるようにしたりしてもよい。

以上のように本発明の各実施形態によれば、送電装置と受電装置の任意の位置関係において高効率な電力伝送を実現することができる。また、本発明の各実施形態によれば、物理的な移動が必要となる素子をなくすことができるため、常に高効率な電力伝送が実現できる。また、送受電装置の位置関係が連続的に変化した場合も高効率な電力伝送が実現でき、装置の大型化、高コスト化が防止できる。また、磁界共鳴型のワイヤレス給電において、装置の大型化や複雑化を防ぎつつ、給電方向を制御することにより高い伝送効率を実現することができる。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲のものを含む。例えば、各可変リアクタンス回路や各コイルは、複数の可変リアクタンス回路や複数のコイルを並列や直列に接続した構成を有していてもよい。

１、１ａ 送電装置
２−１、２−２、２ａ、２−１ｂ、２−２ｂ 受電装置
５、５ｂ 制御装置
１０、１０ａ、１０ｂ 無線電力伝送システム
１１、１２、１３、１４、２１、３１、３２、４１、４２ 共振回路
１５ 交流電源
１６、１１２、１２２、１３２、１４２、２１２、３０３、３０４、３０６、４０１、４０３、４０５ 可変リアクタンス回路
２２ 負荷回路
５１ 制御部
５２ 位置情報取得部
５３ データベース
１１１、１２１、１３１、１４１、２１１、３０５、３０７、４０２、４０４ コイル
３０１ 交流電圧源
３０２、４０６ 抵抗

Claims (5)

1. コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を供給する交流電源を有する送電装置と、
   コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置と
   を備え、
   前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、
   さらに、
   前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する制御部と
   を備える無線電力伝送システム。
2. コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を供給する交流電源を有する送電装置と、
   コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置と、
   前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、
   前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する制御部と
   を備え、
   前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、
   前記データベースに登録されている前記各位置情報に対応する前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報に対応する位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有する
   無線電力伝送システム。
3. コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に第１可変リアクタンス回路を介して電力を供給する交流電源を有する送電装置と、
   コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を複数有するとともに前記各受電側共振回路に第２可変リアクタンス回路を介して接続された負荷回路を有する受電装置と、
   前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路、前記第１可変リアクタンス回路および前記第２可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、
   前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する制御部と
   を備え、
   前記複数の送電側共振回路と前記複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するシステムであって、
   前記データベースに登録されている前記各位置情報に対応する前記各可変リアクタンス回路、前記第１可変リアクタンス回路および前記第２可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報に対応する位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有する
   無線電力伝送システム。
4. 前記受電装置が複数であり、
   前記負荷回路が蓄電池を含み、
   前記制御部が、前記各蓄電池の充電状態に応じて電力を無線伝送する１の前記受電装置を選択し、前記選択した受電装置の前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システム。
5. コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる送電側共振回路を複数有するとともに前記各送電側共振回路に電力を供給する交流電源を有する送電装置と、
   コイルと、少なくとも可変コンデンサを含む可変リアクタンス回路とからなる受電側共振回路を１または複数有するとともに前記各受電側共振回路の負荷回路を有する受電装置と、
   位置情報取得部と、
   制御部と
   を用いて、前記複数の送電側共振回路と前記１または複数の受電側共振回路とを共鳴結合する磁界共鳴方式で前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送する方法であって、
   前記位置情報取得部によって、前記受電装置の位置情報を取得し、
   前記制御部によって、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する
   無線電力伝送方法。

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