JP6939080B2 - 送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法 - Google Patents

送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法 Download PDF

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Description

この出願で言及する実施例は、送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法に関する。
近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を伝送する無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer，非接触電力伝送，ワイヤレス給電)技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、自動車等の電力インフラ機器といった受電装置に対して、無線で電力伝送を行う送電装置が研究・開発されている。
従来、このような送電装置としては、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が適用されている。また、近年では、送電装置(送電器)と受電装置(受電器：電子機器)の距離をある程度離しつつ、無線による電力伝送が可能な磁界共鳴(磁界共振)を利用するものが有望視されている。
磁界共鳴を用いた送電装置は、例えば、数Ｗ以上の電力を数ｃｍ〜数十ｃｍ離れた場所に伝送することができるため、電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器等に対して適用することが可能である。なお、本実施形態の適用は、磁界共鳴や電界共鳴(電界共振)といった強結合系の共振を用いたワイヤレス電力伝送に限定されず、１つの送電装置からの電力を、複数の受電装置に対してワイヤレスで同時に伝送可能であれば、電磁誘導等を用いたものであってもよい。
従来、例えば、磁界共鳴を用いてワイヤレス電力伝送を行うものとしては、様々な提案がなされている。
特開２０１３−０３４３６７号公報 特開２０１４−１３８５０７号公報 特開２０１３−０５５８７１号公報
ところで、ワイヤレス電力伝送において、原理的には、複数の受電装置に対して、同時に電力を伝送することが可能である。しかしながら、複数の受電装置に同時に電力の伝送を行う場合、全ての受電装置に対して適切な電力を無駄なく送ることは困難である。これは、各受電装置は、送電装置との位置関係により受け取る電力が不均一であり、また、各受電装置が必要とする電力(必要電力)は、それぞれの受電装置の動作状況や二次電池の充電度合等により異なるためである。
すなわち、例えば、受電効率が高い受電装置や必要電力が少ない受電装置に基づいて送電装置からの送電電力を制御すると、受電効率が低い受電装置や必要電力が大きい受電装置では、送電装置から受け取る電力(受電電力)が不足する。逆に、例えば、受電効率が低い受電装置に基づいて送電装置からの送電電力を制御すると、受電効率が高い受電装置や必要電力が少ない受電装置では、不要な電力によりデバイスの破損や無駄な電力の増大を招く虞がある。
また、例えば、制御を行わずに、送電装置は常に最大電力を送電し、受電装置側で過剰な電力を破棄すると、受電装置の数や必要電力に関わらず常に最大の電力を消費することになり、システム全体の効率が低下する。さらに、電力が過剰になる受電装置が１つでも存在すれば送電電力を低下させる制御を行うと、１つでも受電電力が大きい、或いは必要電力が小さい受電装置が存在すると、全ての受電装置に対して適切な電力を同時に給電することが困難になる。
一実施形態によれば、複数の受電装置に対して、電力をワイヤレスで同時に伝送可能な送電装置であって、送電側通信回路と、送電電力制御部と、送電アンテナと、を有する送電装置が提供される。
前記送電側通信回路は、前記受電装置の受電電力の情報を無線で受け取り、前記送電電力制御部は、前記送電側通信回路で受け取った前記受電装置の受電電力の情報に基づいて、送電電力を制御し、前記送電アンテナは、前記送電電力を出力する。前記送電電力制御部は、全ての前記受電装置において、最も大きな電力が求められる受電装置の受電電力の情報に基づいて送電電力を制御し、全ての前記受電装置が電力過剰の場合、現在の送電電力が最小値でなければ、送電電力を下げるように制御し、全ての前記受電装置が電力過剰ではなく、少なくとも１つの前記受電装置が電力不足の場合、現在の送電電力が最大値でなければ、送電電力を上げるように制御する。
開示の送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法は、無駄な電力の消費を抑えつつ、全ての受電装置に対して適切な電力を同時に供給することができるという効果を奏する。
図１は、ワイヤレス電力伝送システムの一例を示すブロック図である。 図２は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図３は、受電装置の第１実施例を示すブロック図である。 図４は、図３に示す受電装置における受電状態判定回路の処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図５は、図３に示す受電装置における受電状態判定回路および使用電力計算回路の一例を示すブロック図である。 図６は、図３に示す整流回路の一例を示すブロック図である。 図７は、図３に示す受電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図８は、送電装置の第１実施例を示すブロック図である。 図９は、送電装置の第２実施例を示すブロック図である。 図１０は、受電装置の存在を検出していない場合における送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図１１は、受電装置の存在を検出した場合における送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。
まず、送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法の実施例を詳述する前に、ワイヤレス電力伝送システムの一例を、図１を参照して説明する。図１は、ワイヤレス電力伝送システムの一例を示すブロック図である。図１に示されるように、ワイヤレス電力伝送システムは、１つの送電装置２００、および、複数の受電装置１００Ａ，１００Ｂを含む。送電装置２００は、例えば、磁界共鳴を使用して、複数の受電装置１００Ａ，１００Ｂに対して、電力をワイヤレスで同時に伝送可能となっている。なお、図１では、２つの受電装置１００Ａ，１００Ｂのみが描かれているが、さらに多数の受電装置を含んでもよいのはもちろんである。
受電装置１００Ａおよび１００Ｂは、同様の構成として描かれており、磁気ループアンテナ１０１、整合回路１０２、整流平滑回路１０３、変復調回路１０４およびマイコン(ＭＣＵ：Micro Control Unit)１０５を含む。さらに、受電装置１００Ａおよび１００Ｂは、メモリ１０６、通信回路１０７、ＤＣ／ＤＣコンバータ(ＤＣ／ＤＣ)１０８および電池１０９を含む。また、送電装置２００は、磁気ループアンテナ２０１、整合回路２０２、発振器２０３、変復調回路２０４およびマイコン(ＭＣＵ)２０５、メモリ２０６、通信回路２０７および電力送電回路２０８を含む。なお、受電装置１００Ａおよび１００Ｂは、異なる構成であってもよいが、磁気ループアンテナ１０１、マイコン１０５および通信回路１０７等を含むものとする。
受電装置１００Ａおよび１００Ｂにおけるそれぞれの磁気ループアンテナ１０１は、送電装置２００の磁気ループアンテナ２０１からの電力を、例えば、磁界共鳴を利用して受け取る。受電装置１００Ａ(１００Ｂ)において、磁気ループアンテナ１０１の出力(交流電圧)は、整合回路１０２を介して整流平滑回路１０３により直流電圧に整流平滑化され、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８により所定の安定した電圧に変換される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０８の出力電圧により電池１０９を充電する。ここで、複数の受電装置１００Ａ，１００Ｂは、送電装置２００からの電力をワイヤレスで同時に受け取ることができる。
受電装置１００Ａ(１００Ｂ)において、整合回路１０２は、例えば、送電装置２００の共振周波数と同じ周波数で磁気ループアンテナ１０１が共振するように、整合回路１０２のインダクタンスおよびキャパシタンスの値を制御してインピーダンスの整合を行う。受電装置１００Ａ(１００Ｂ)には、変復調回路１０４および通信回路１０７等が設けられ、例えば、変復調回路２０４および通信回路２０７等が設けられた送電装置２００との間で通信を行う。また、それぞれの受電装置１００Ａ，１００Ｂの間における通信も行うことができる。
しかしながら、図１に示すワイヤレス電力伝送システムにおいて、各受電装置１００Ａ，１００Ｂは、送電装置２００との位置関係により受け取る電力が不均一になる。すなわち、受電装置１００Ａ(１００Ｂ)の磁気ループアンテナ１０１と、送電装置２００の磁気ループアンテナ２０１の相対的な位置や距離等により、各受電装置１００Ａ，１００Ｂが受け取る電力が異なる。そのため、全ての受電装置に対して適切(適正)な電力を無駄なく送ることは困難なものとなっている。
以下、送電装置、受電装置、ワイヤレス電力伝送システムおよびワイヤレス電力伝送方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。ここで、ワイヤレス電力伝送システムは、１つの送電装置２および複数の受電装置１を含み、送電装置２は、複数の受電装置１に対して、電力をワイヤレスで同時に伝送することが可能となっている。まず、本実施形態のワイヤレス電力伝送システムの概要を説明する。
受電装置１は、現在の受電電力(受電装置が送電装置から受け取る電力)が必要電力(受電装置が必要とする電力)に対して、「十分か」、「過剰か」、或いは、「不足か」といった受電状態を、送電装置２に通知する無線通信機能を含む。さらに、受電装置１は、受電電力が過剰な場合、その過剰部分の電力を受電しないようにする機能を含む。また、送電装置２は、受電装置１からの受電状態を受信する機能と、それにより送電電力を制御する機能を含む。そして、受電装置１および送電装置２により次の動作を行うことで、ワイヤレス電力伝送システムにおける全ての受電装置１に対して、適正(適切)な電力を供給することができる。
受電装置１は、電力を受けていないとき、「受電無し」として、送電なし(給電なし)の動作を行う。また、受電装置１は、電力を受けているとき、受電している電力(受電電力)と、自身が必要とする動作電力および充電電力(必要電力)並びに許容(受容)できる許容電力に応じて、送電装置２に対する通知を行う。すなわち、受電装置１は、「電力不足」(受電電力が必要電力に対して不十分)、「電力適正」(受電電力が必要電力に対して十分)または「電力過剰」(受電電力が大き過ぎる)のいずれかを送電装置２に通知する。これら「電力不足」、「電力適正」または「電力過剰」は、受電装置１の受電状態(受電電力状態)になる。
なお、「電力過剰」の状態では、受電装置１の回路破損等を回避するため、送電装置２から受け取る電力を減少または無くすために、例えば、受電コイルのＬ成分やＣ成分を調整して受電コイルの共振周波数を変更する。或いは、受電コイルを短絡状態にすることで、受電コイルが受け取った電力を消費しない状態とするような受電電力を削減するための制御を行う。ここで、受電電力の削減を、受電コイルの共振周波数の変更、または、短絡により実現する場合、ある受電装置１が受電電力を減少させると、「電力過剰」ではない他の受電装置１により電力が吸収されることになり、システム全体の電力としては無駄にならない。
図２は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムにおける送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。送電装置２では、まず、ステップＳＴ１０において、一定時間、送電装置２の通信回路(受信器)２０を動作させ、電力を必要としている受電装置１の受電状態情報(受電電力の情報)を無線で受け取り、ステップＳＴ１１に進む。ステップＳＴ１１では、全ての受電装置１が「電力過剰」かどうかを判定し、全ての受電装置１が「電力過剰」であると判定すると、ステップＳＴ１２に進む。ステップＳＴ１２では、現在の送電電力が、その送電装置２にとって最小値かどうかを判定し、最小値ではないと判定すると、ステップＳＴ１３に進んで、送電電力を下げてから、ステップＳＴ１０に戻り、上述したのと同様の処理を繰り返す。また、ステップＳＴ１２において、現在の送電電力が最小値であると判定すると、そのままステップＳＴ１０に戻る。
次に、ステップＳＴ１１において、全ての受電装置１が「電力過剰」ではないと判定すると、ステップＳＴ１４に進んで、少なくとも１つの受電装置１が「電力不足」かどうかを判定する。ステップＳＴ１４において、少なくとも１つの受電装置１が「電力不足」であると判定すると、ステップＳＴ１５に進んで、現在の送電電力が、その送電装置２にとって最大値かどうかを判定し、最大値であると判定すると、ステップＳＴ１０に戻る。また、ステップＳＴ１５において、現在の送電電力が最大値ではないと判定すると、ステップＳＴ１６に進んで、送電電力を上げてから、ステップＳＴ１０に戻り、上述したのと同様の処理を繰り返す。
以上により、送電装置２は、その送電装置２からの電力をワイヤレスで同時に伝送可能な複数の受電装置１に対して、送電装置２の送電能力が許す限り、「電力適正」または「電力過剰」となるように制御される。すなわち、送電装置２は、全ての受電装置１が「電力適正」の状態となるように、或いは、少なくとも１つの受電装置１が「電力適正」で、それ以外の受電装置１が「電力過剰」の状態となるように制御される。例えば、送電装置２の上に複数の受電装置１を配置したとき、全ての受電装置１の状態を「電力適正」または「電力過剰」とすることができる。なお、「電力過剰」となる受電装置１では、受電装置自身が受け取る電力を制限することにより、回路の保護を行うことができる。また、全ての受電装置１が「電力過剰」の場合には、送電装置２が送電電力を下げることにより、ワイヤレス電力伝送システムの消費電力を低下させることが可能になる。
図３は、受電装置の第１実施例を示すブロック図である。図３に示されるように、第１実施例の受電装置１は、受電アンテナ１０、整流回路１１、電圧変換回路１２、受電状態判定回路１３、使用電力計算回路１４、通信回路１５、ＭＣＵ１６、ＲＯＭ１７、ＲＡＭ１８および通信アンテナ１９を含む。受電アンテナ１０は、例えば、送電装置２からの電力を、磁界共鳴を利用して受け取る受電コイル(受電共振コイル)に相当するものであり、例えば、インダクタンス(Ｌ)成分またはキャパシタンス(Ｃ)成分が調整可能となっている。
整流回路１１は、受電電力の測定および削減する機能を有する受電電力削減回路１１ａを含み、受電アンテナ１０からの交流電圧を整流し、直流電圧を、ノードＰaを介して電圧変換回路１２に出力する。電圧変換回路１２は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、入力した整流回路１１の出力電圧を、電力を使用する後段の回路(例えば、充電回路や動作回路)に適した電圧に変換して出力する。ここで、受電電力削減回路１１ａ，受電状態判定回路１３、使用電力計算回路１４およびＭＣＵ１６は、例えば、受電装置１における受電電力を制御する受電電力制御部を形成する。
受電状態判定回路１３は、受電電力および必要電力、並びに、電圧変換回路１２が受け付ける最大電力(受電装置１が故障を生じることなく受け取れる最大の電力)を比較し、現在電力を受電しているか、また、受電しているときは、その受電状態を判定する。使用電力計算回路１４は、例えば、現在、充電回路や動作回路が使用している電力を計算する。ここで、使用電力計算回路１４は、電圧変換回路１２の前(入力)または後(出力)の電圧もしくは電流のいずれか、或いは、それらの内のいくつかを測定し、後段の回路で使用している電力を計算する。なお、使用電力計算回路１４は、例えば、受電状態判定回路１３と組み合わせて１つの回路とすることもできる。
通信回路(受電側通信回路)１５は、例えば、ブルートゥース(Bluetooth)（登録商標）ローエナジー(Low Energy：ＢＬＥ)等を適用して送電装置２との間で無線通信を行うためのものである。ＭＣＵ(Micro Control Unit：受電側ＭＣＵ)１６は、例えば、受電状態判定回路１３、通信回路１５、ＲＯＭ(Read Only Memory)１７およびＲＡＭ(Random Access Memory)１８に接続され、例えば、受電電力削減回路１１ａ等の様々な制御を行う。すなわち、受電状態判定回路１３は、電力を受電しているとき、「電力不足」，「電力適正」または「電力過剰」のいずれかの状態であるかを判定し、その判定結果をＭＣＵ１６に出力する。また、受電状態判定回路１３は、判定結果が「電力過剰」の場合、整流回路１１(受電電力削減回路１１ａ)に対して、受電電力削減信号Ｓprを出力して受電電力の削減を行う。
図４は、図３に示す受電装置における受電状態判定回路の処理の一例を説明するためのフローチャートである。受電状態判定回路１３では、判定処理が開始すると、まず、ステップＳＴ２０において、受電電力が零かどうかを判定し、受電電力が零ではないと判定すると、ステップＳＴ２２に進んで、受電電力が最大電力よりも大きいかどうかを判定する。ここで、最大電力とは、前述したように、受電装置１が故障を生じることなく受け取ることが可能な最大の電力を意味する。ステップＳＴ２２において、受電電力が最大電力よりも大きいと判定すると、ステップＳＴ２３に進んで「電力過剰」として判定処理を終了する。なお、ステップＳＴ２０において、受電電力が零であると判定すると、ステップＳＴ２１に進んで「受電無し」として判定処理を終了する。
次に、ステップＳＴ２２において、受電電力が最大電力よりも大きくないと判定すると、ステップＳＴ２４に進み、受電電力が最大電力−αよりも大きいかどうかを判定する。ここで、α(微小分)としては、例えば、最大電力の１割程度とすることができ、この受電電力が、最大電力から１割程度(α)を差し引いた値よりも大きいかどうかを判定することにより、幅を持たせた判定を行う。すなわち、ステップＳＴ２４において、受電電力が最大電力−αよりも大きいと判定すると、ステップＳＴ２５に進んで、前回の判定結果が「電力過剰」かどうかを判定し、「電力過剰」ならば、ステップＳＴ２３に進んで「電力過剰」として判定処理を終了する。
一方、ステップＳＴ２４において、受電電力が最大電力−αよりも大きくないと判定すると、ステップＳＴ２６に進んで、受電電力が必要電力よりも大きいかどうかを判定する。また、ステップＳＴ２５において、前回の判定結果が「電力過剰」ではないと判定したときも、ステップＳＴ２６に進む。そして、ステップＳＴ２６において、受電電力が必要電力よりも大きいと判定すると、ステップＳＴ２７に進んで「電力適正」として判定処理を終了する。なお、ステップＳＴ２６において、受電電力が必要電力よりも大きくないと判定すると、ステップＳＴ２８に進んで「電力不足」として判定処理を終了する。上述した受電状態判定回路１３における判定処理は、例えば、受電装置１の動作中、常に行われる。
図５は、図３に示す受電装置における受電状態判定回路および使用電力計算回路の一例を示すブロック図であり、受電状態判定回路１３および使用電力計算回路１４を組み合わせて１つの回路とした場合の例を示す。図５に示されるように、受電状態判定回路１３(使用電力計算回路１４)は、基準電圧発生回路１３１、ヒステリシスコンパレータ１３２、および、コンパレータ１３３，１３４を含む。ここで、ヒステリシスコンパレータ１３２は、前述した最大電力から差し引く『α』を与えるためのものである。ヒステリシスコンパレータ１３２およびコンパレータ１３３，１３４の一方の入力(＋)には、ノードＰa(整流回路１１の＋出力，電圧変換回路１２の入力)の電圧が入力される。ヒステリシスコンパレータ１３２およびコンパレータ１３３，１３４の一方の他方の入力(−)には、それぞれ基準電圧発生回路１３１からの所定の電圧が入力される。
ここで、電圧変換回路１２として降圧型コンバータ(Buck式ＤＣ／ＤＣコンバータ)を適用する場合、例えば、降圧型コンバータの入力電力よりも消費電力が少ないと入力電圧が上昇し、逆に、消費電力が多くなると入力電圧が下降する。すなわち、ノードＰaの電圧は、受電した電力が後段の電圧変換回路１２で消費しきれない場合には徐々に上昇し、逆に、後段の使用電力が受電電力を上回る場合には下降する。そのため、電圧変換回路１２の入力電圧(ノードＰaの電圧)を監視することで、受電電力＞使用電力であるか、或いは、受電電力＜使用電力であるかを判定することも可能である。
ヒステリシスコンパレータ１３２は、ノードＰaの電圧と、基準電圧発生回路１３１で生成した電圧変換回路１２の最大動作電圧Ｖmaxを比較する。そして、Ｐaの電圧が最大動作電圧Ｖmaxを超えると、整流回路１１(受電電力削減回路１１ａ)に対して受電電力削減信号Ｓprを出力すると共に、ＭＣＵ１６に対して電圧過剰信号Ｓeを出力(アサート)する。また、コンパレータ１３３は、Ｐaの電圧と、基準電圧発生回路１３１で生成した電圧変換回路１２が動作可能な最小電圧Ｖminを比較し、Ｐaの電圧が最小電圧Ｖminを下回ると、ＭＣＵ１６に対して電圧不足信号Ｓsを出力する。さらに、コンパレータ１３４は、Ｐaの電圧と、０Ｖ近傍の電圧Ｖoを比較し、Ｐaの電圧が０Ｖ近傍の電圧Ｖoであれば、ＭＣＵ１６に対して、電圧無し信号Ｓnを出力する。
なお、電圧過剰信号Ｓe，電圧不足信号Ｓsおよび電圧無し信号Ｓnの全てがネゲートされている時は、電圧適正状態である。また、電圧無し信号Ｓnがアサートされている場合は、他の電圧不足信号Ｓsおよび電圧過剰信号Ｓeがどうであれ、受電無し状態になる。ここで、使用電力の検出は、ノードＰaの電圧を検出する手法の他に、例えば、電圧変換回路１２から流れる電流量を検出する手法などを適用することもできる。また、Ａ／Ｄコンバータ等を利用して、ノードＰaの電圧、或いは、電圧変換回路１２から流れる電流量をデジタル変換してＭＣＵ１６に取り込み、コンパレータ１３２〜１３４と同等の機能をソフトウェアで実現することも可能である。以上により、前述した受電状態判定回路１３および使用電力計算回路１４の動作を実現することができる。
図６は、図３に示す整流回路の一例を示すブロック図である。図６に示されるように、整流回路１１は、受電電力削減回路１１ａ，整流部１１ｂおよびキャパシタＣ１を含む。整流部１１ｂは、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含み、ブリッジ整流を行うようになっており、整流された電圧は、キャパシタＣ１により平滑されて、電圧変換回路１２に出力される。すなわち、受電アンテナ１０からの交流電圧は、整流部１１ｂおよびキャパシタＣ１により平滑されて、電圧変換回路１２に出力される。
受電電力削減回路１１ａは、２つのｎチャネル型ＭＯＳ(ｎＭＯＳ)トランジスタＱ１，Ｑ２を含み、例えば、前述した受電電力削減信号Ｓprがアサート(出力)されて高レベル『Ｈ』になると、ｎＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２がオンする。これにより、受電アンテナ１０からの交流電圧(電力)が遮断され、受電電力を削減することができる。なお、受電電力削減信号Ｓprがネゲートされているとき、受電電力削減信号Ｓprは、低レベル『Ｌ』になってｎＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２はオフし、受電アンテナ１０からの交流電圧は、そのまま整流部１１ｂに入力される。
すなわち、受電状態が「電力適正」または「電力不足」のとき、受電状態判定回路１３からの受電電力削減信号Ｓprはネゲートされ、トランジスタＱ１，Ｑ２はオフ状態になり、通常の整流回路１１としての動作を行う。そして、受電状態が「電力過剰」になると、受電状態判定回路１３からの受電電力削減信号Ｓprがアサートされ、トランジスタＱ１，Ｑ２がオン状態になって受電アンテナ１０の出力が短絡し、電力を受け取らなくなる。これにより、受電電力の削減を実現することができる。
なお、図６に示す整流回路１１は、単なる例であり、受電電力削減回路１１ａおよび整流部１１ｂは、図６のものに限定されず、様々な構成を適用することができる。例えば、整流部１１ｂとしてトランジスタを使用し、コンパレータにより電力を比較するように構成してもよく、さらに、使用電力計算回路１４を、整流回路１１の前段に設けるといった様々な変更および変形が可能なのはいうまでもない。
或いは、受電電力削減回路１１ａとして、例えば、「電力過剰」の状態の受電装置１において、受電アンテナ(受電共振コイル)１０のＬ成分やＣ成分を調整して受電コイルの共振周波数を変更し、受電電力を低減することも可能である。
図７は、図３に示す受電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。受電装置１では、まず、ステップＳＴ３０において、一定時間待ち、ステップＳＴ３１に進んで、受電状態判定回路１３からの判定結果(受電状態)を読み出す。次に、ステップＳＴ３２に進んで、受電状態が「受電無し」かどうかを判定し、受電状態が「受電無し」であると判定すると、ステップＳＴ３０に戻って、同様の処理を繰り返す。
ステップＳＴ３２において、受電状態が「受電無し」ではないと判定すると、ステップＳＴ３３に進んで、通信回路１５により、取得した受電状態を送電装置２に通知し、ステップＳＴ３０に戻って、同様の処理を繰り返す。以上の動作により、受電装置１が送電装置２から電力を受けている間、受電装置１の受電状態は、定期的に送電装置２に通知されることになる。
図８は、送電装置の第１実施例を示すブロック図である。図８に示されるように、第１実施例の送電装置２は、通信回路２０、ＭＣＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、送電アンテナ２４、増幅器２５、発振器２６および通信アンテナ２７を含む。通信回路(送電側通信回路)２０は、例えば、ブルートゥース(Bluetooth)（登録商標）ローエナジー(Low Energy：ＢＬＥ)等を適用して受電装置１との間で無線通信を行うためのものである。ＭＣＵ(送電側ＭＣＵ)２１は、例えば、通信回路２０、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、増幅器２５および発振器２６に接続され、例えば、送電電力等の様々な制御を行う。ここで、ＭＣＵ２１、増幅器２５および発振器２６は、例えば、通信回路２０で受け取った受電装置１の情報(受電電力，電力状態)に基づいて、送電電力を制御する送電電力制御部を形成する。
送電アンテナ２４は、例えば、磁界共鳴や電界共鳴といった強結合系の共振を利用し、受電アンテナ１０を介して受電装置１に無線で電力を伝送するためのものである。なお、前述したように、本実施例の適用は、強結合系の共振を利用したものに限定されず、１つの送電装置２(送電アンテナ２４)からの電力を、複数の受電装置１(受電アンテナ１０)に対して同時に無線で伝送可能であれば、電磁誘導等を利用したものでもよい。
発振器２６は、送電に使用する電磁波の周波数を生成し、増幅器２５は、発振器２６からの電磁波を増幅し、送電アンテナ２４を介して出力する。なお、通信回路２０は、例えば、複数の受電装置１からの受電状態(受電電力の情報)等を受信するために使用されるが、他に様々なデータの遣り取りを行うことができるのはいうまでもない。なお、図８に示す送電装置２は、単なる例であり、様々な変更および変形が可能であり、また、それぞれの部品は、１つのパッケージとして形成することもできる。すなわち、通信回路２０、ＭＣＵ２１、ＲＯＭ２２およびＲＡＭ２３として、これらの部品が一体化されたＳoＣ(System on Chip)を適用してもよく、また、後述する制御フローを組み込んだロジック回路を適用してもよい。また、通信回路２０は、例えば、受電装置１からのデータを受け取る受信機能のみ有する受信機とすることも可能である。
ここで、送電装置２は、通信回路２０により定期的に受電装置１の状態(受電状態)を受け取り、送電装置２からの電力を受け取る受電装置１が存在する場合には、発振器２６および増幅器２５を動作させ、送電アンテナ２４を介して送電を開始する。また、通信回路２０により受電装置１の受電状態を１つも取得できない、すなわち、送電装置２からの電力を受け取る受電装置１が存在しない場合には、発振器２６および増幅器２５を停止して送電を終了する。
そして、複数の受電装置１の受電状態を確認して、全ての受電装置１が「電力過剰」状態を通知している場合には、例えば、増幅器２５の増幅率を低下させることで送電電力を減少する。また、少なくとも１つの受電装置１が「電力不足」状態を通知している場合には、例えば、増幅器２５の増幅率を上昇させることで送電電力を増大する。なお、第１実施例の送電装置２における処理は、前に、図８を参照して説明した通りである。
図９は、送電装置の第２実施例を示すブロック図である。図９と、上述した図８の比較から明らかなように、第２実施例の送電装置２'は、第１実施例の送電装置２に対してタイマ２８が追加されている。上述した第１実施例の送電装置２は、例えば、受電装置１が搭載する電池の電力がほぼ全て消費され、受電装置１の通信回路１５を駆動して受電状態(「電力不足」)を送電装置２に伝えることができないと、送電装置２は送電電力を出力しない。
第２実施例の送電装置２'は、受電装置１が存在しないと判断される場合でも、常に(所定時間だけ)電力を送電し、このような電池の電力がほぼ全て消費された受電装置１に対しても電力を伝送可能とするものである。なお、受電装置１およびその処理は、図３〜図７を参照して説明したのと同様のものを適用することができる。また、通信回路２０、ＭＣＵ２１、ＲＯＭ２２およびＲＡＭ２３に加え、タイマ２８も含めてＳoＣとして一体化することも可能なのはいうまでもない。
ここで、第２実施例の送電装置２'の処理は、受電装置の存在を検出していない場合の処理と、受電装置の存在を検出した場合の処理に分けて考えることができ、受電装置の存在を検出した場合の処理は、図２を参照して説明したものを適用することができる。なお、初期状態では、例えば、送電装置２における発振器２６および増幅器２５を停止しておき、受電装置１の存在を検出していないとして処理を開始する。
図１０は、受電装置の存在を検出していない場合における送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートであり、第２実施例の送電装置２'における受電装置の存在を検出していない場合の処理の一例を説明するためのものである。第２実施例の送電装置２'では、まず、ステップＳＴ４０において、例えば、タイムアウト時間を６０秒に設定してタイマ２８をスタートさせ、ステップＳＴ４１に進む。なお、ステップＳＴ４０において設定するタイムアウト時間は、後述するステップＳＴ４６で設定するタイムアウト時間(３秒)よりも十分長ければ、任意の時間とすることができる。ステップＳＴ４１では、一定時間、送電装置２'の通信回路２０を動作させ、受電装置１からの受電状態情報(受電電力の情報)を受け取り、ステップＳＴ４２に進んで、「電力過剰」以外の受電状態情報を少なくとも１つ取得したかどうかを判定する。
ステップＳＴ４２において、「電力過剰」以外の受電状態情報を少なくとも１つ取得した、すなわち、電力を必要とする受電装置１が少なくとも１つあったと判定すると、ステップＳＴ４３に進んで送電を開始し、ステップＳＴ４４に進む。ここで、ステップＳＴ４４は、例えば、受電装置１の存在を検出したときの処理の一例である図２に対応し、この図２に示すフローチャートの処理に移行する。
一方、ステップＳＴ４２において、「電力過剰」以外の受電状態情報を１つも取得していないと判定すると、ステップＳＴ４５に進み、タイマ２８がタイムアウトかどうかを判定する。ステップＳＴ４５において、タイマ２８がタイムアウト(６０秒経過)したと判定すると、ステップＳＴ４６に進み、例えば、タイムアウト時間を３秒に設定してタイマ２８をスタートさせ、ステップＳＴ４７に進む。なお、ステップＳＴ４５において、タイマ２８がタイムアウトしていないと判定すると、ステップＳＴ４１に戻り、上述した処理を繰り返す。
ステップＳＴ４７では、送電電力を最大として送電を開始し、ステップＳＴ４８に進んで、タイマ２８がタイムアウトかどうかを判定し、タイマ２８がタイムアウト(３秒経過)したと判定すると、ステップＳＴ４９に進み、送電を停止してステップＳＴ４０に戻る。また、ステップＳＴ４８において、タイマ２８がタイムアウトしていないと判定すると、そのまま送電を継続する。
このように、第２実施例によれば、例えば、受電装置１が搭載する電池の電力がほぼ全て消費され、受電装置１の通信回路１５を駆動して現在の受電状態を送信できない場合でも、送電装置２は、一定時間間隔で電力を送電することになる。そして、受電装置１は、この一定時間間隔で送電された電力を受け取ることにより、通信回路１５が動作できるまでの電力を蓄えて受電状態を送電装置２に伝え、通常の受電状態とすることができる。
図１１は、受電装置の存在を検出した場合における送電装置の処理の一例を説明するためのフローチャートであり、第２実施例の送電装置２'における受電装置の存在を検出した場合の処理の一例を説明するためのものである。第２実施例の送電装置２'では、まず、ステップＳＴ５０において、一定時間、送電装置２'の通信回路２０を動作させ、電力を必要としている受電装置１の受電状態情報を受け取り、ステップＳＴ５１に進む。ステップＳＴ５１において、受電状態情報を１つでも受け取ることができるかどうかを判定し、受電状態情報を１つも受け取れないと判定すると、受電装置１が１つも存在しないとして、ステップＳＴ５２に進んで送電を停止し、ステップＳＴ５３に進む。ここで、ステップＳＴ５３は、例えば、受電装置１の存在を検出しなかったときの処理の一例である図１０に対応し、この図１０に示すフローチャートの処理に移行する。
一方、ステップＳＴ５１において、少なくとも１つの受電装置１からの受電状態情報を受け取ることができたと判定すると、ステップＳＴ５４に進んで、全ての受電装置１が「電力過剰」かどうかを判定する。ステップＳＴ５４において、全ての受電装置１が「電力過剰」であると判定すると、ステップＳＴ５５に進み、現在の送電電力が、その送電装置２'にとって最小値かどうかを判定する。ステップＳＴ５５において、現在の送電電力が最小値ではないと判定すると、ステップＳＴ５６に進んで、送電電力を下げてから、ステップＳＴ５０に戻り、上述したのと同様の処理を繰り返す。また、ステップＳＴ５５において、現在の送電電力が最小値であると判定すると、ステップＳＴ５２に進んで送電を停止し、ステップＳＴ５３に進む。
次に、ステップＳＴ５４において、全ての受電装置１が「電力過剰」ではないと判定すると、ステップＳＴ５７に進んで、少なくとも１つの受電装置１が「電力不足」かどうかを判定する。ステップＳＴ５７において、少なくとも１つの受電装置１が「電力不足」であると判定すると、ステップＳＴ５８に進んで、現在の送電電力が、その送電装置２'にとって最大値かどうかを判定し、最大値であると判定すると、ステップＳＴ５０に戻る。また、ステップＳＴ５８において、現在の送電電力が最大値ではないと判定すると、ステップＳＴ５９に進んで、送電電力を上げてから、ステップＳＴ５０に戻り、上述したのと同様の処理を繰り返す。
このように、第２実施例によれば、送電装置２'は、受電装置１を検出できないときは、ほとんどの時間は送電を停止することができる。さらに、上述したように、受電装置１は、自身の電力が低く受電状態を通信(送信)できない場合でも、送電装置２'から最小限の電力供給を受け取って通信回路１５等を動作させ、受電状態を送電装置２'に伝えることが可能になる。
上述したように、本実施例によれば、１つの送電装置から複数の受電装置に対して、電力をワイヤレスで同時に伝送可能なワイヤレス電力伝送システムにおいて、無駄な電力の消費を抑えつつ、全ての受電装置に対して適切な電力を同時に供給することができる。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
１ 受電装置
２，２' 送電装置
１０ 受電アンテナ
１１ 整流回路
１１ａ 受電電力削減回路
１２ 電圧変換回路
１３ 受電状態判定回路
１４ 使用電力計算回路
１５ 通信回路(受電側)
１６ ＭＣＵ(受電側)
１７ ＲＯＭ(受電側)
１８ ＲＡＭ(受電側)
１９ 通信アンテナ(受電側)
２０ 通信回路(送電側)
２１ ＭＣＵ(送電側)
２２ ＲＯＭ(送電側)
２３ ＲＡＭ(送電側)
２４ 送電アンテナ
２５ 増幅器
２６ 発振器
２７ 通信アンテナ(送電側)
２８ タイマ

Claims (9)

  1. 複数の受電装置に対して、電力をワイヤレスで同時に伝送可能な送電装置であって、
    前記受電装置の受電電力の情報を無線で受け取る送電側通信回路と、
    前記送電側通信回路で受け取った前記受電装置の受電電力の情報に基づいて、送電電力を制御する送電電力制御部と、
    前記送電電力を出力する送電アンテナと、を有し、
    前記送電電力制御部は、
    全ての前記受電装置において、最も大きな電力が求められる受電装置の受電電力の情報に基づいて送電電力を制御し、
    全ての前記受電装置が電力過剰の場合、現在の送電電力が最小値でなければ、送電電力を下げるように制御し、
    全ての前記受電装置が電力過剰ではなく、少なくとも１つの前記受電装置が電力不足の場合、現在の送電電力が最大値でなければ、送電電力を上げるように制御する、
    ことを特徴とする送電装置。
  2. さらに、
    時間設定が可能なタイマを有し、
    前記送電電力制御部は、前記送電側通信回路が前記受電装置の受電電力の情報を１つも受け取れないとき、前記タイマにより設定された時間に基づいて送電電力を出力するように制御する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の送電装置からの電力を、ワイヤレスで受電可能な受電装置であって、
    前記送電装置からの電力を受け取る受電アンテナと、
    前記受電アンテナで受け取った交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、
    前記受電装置が必要とする必要電力、および、前記送電装置から受け取る受電電力に基づいて、前記受電電力を制御する受電電力制御部と、
    前記受電電力の情報を前記送電装置に無線で送信する受電側通信回路と、を有し、
    前記受電電力制御部は、前記送電装置から受け取る前記受電電力が所定値を超えるとき、その所定値を超えた過剰な電力を前記受電装置内で削減する、
    ことを特徴とする受電装置。
  4. 前記受電電力制御部は、前記受電電力が所定値を超えるとき、その所定値を超えた過剰な電力を、前記受電アンテナを短絡して削減する受電電力削減回路を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載の受電装置。
  5. 前記受電電力制御部は、前記受電電力が所定値を超えるとき、その所定値を超えた過剰な電力を、前記受電アンテナのＬ成分またはＣ成分を調整して共振周波数を変更して行う、
    ことを特徴とする請求項３に記載の受電装置。
  6. １つの送電装置と、前記送電装置からの電力をワイヤレスで同時に受電可能な複数の受電装置と、を含むワイヤレス電力伝送システムであって、
    前記送電装置は、請求項１または請求項２に記載の送電装置であり、
    前記受電装置は、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の受電装置である、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
  7. 前記送電装置から前記受電装置への電力伝送は、前記送電アンテナと前記受電アンテナの間の磁界共鳴を利用して行う、
    ことを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  8. １つの送電装置からの電力をワイヤレスで同時に複数の受電装置に伝送するワイヤレス電力伝送方法であって、
    前記送電装置は、
    前記受電装置の受電電力の情報を無線で受け取り、
    受け取った前記受電装置の受電電力の情報に基づいて、送電電力を制御し、
    全ての前記受電装置において、最も大きな電力が求められる受電装置の受電電力の情報に基づいて送電電力を制御し、
    全ての前記受電装置が電力過剰の場合、現在の送電電力が最小値でなければ、送電電力を下げるように制御し、
    全ての前記受電装置が電力過剰ではなく、少なくとも１つの前記受電装置が電力不足の場合、現在の送電電力が最大値でなければ、送電電力を上げるように制御し、
    前記受電装置は、
    前記送電装置から受け取る前記受電電力が所定値を超えるとき、その所定値を超えた過剰な電力を前記受電装置内で削減する、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送方法。
  9. 前記送電装置は、前記受電装置の受電電力の情報を１つも受け取れないとき、所定の時間に基づいて送電電力を出力するように制御する、
    ことを特徴とする請求項８に記載のワイヤレス電力伝送方法。
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