JP7061913B2

JP7061913B2 - 無線電力伝送システムおよび無線電力伝送方法

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Publication number: JP7061913B2
Application number: JP2018075571A
Authority: JP
Inventors: 俊博山根
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2022-05-02
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: JP2019187095A

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。

一例として、図６および図７を参照して、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事例について説明する。
図６は、従来の無線電力伝送システムの構成例を説明するための回路図であり、図７は、図６に示す無線電力伝送システムの伝送効率を説明するための図である。
図６に示すように、無線電力伝送システム９０は、送電装置１ａと、受電装置２ａと、を備える。また、送電装置１ａは、共振回路３１と、共振回路３２と、を備える。また、受電装置２ａは、共振回路４１と、共振回路４２と、を備える。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、アンテナのケーブル３０５１と、アンテナのコイル３０５と、を備える。共振回路３２、共振回路４１、共振回路４２に関しても、共振回路３１と同様に、それぞれ可変リアクタンス回路（３０６、４０１、４０３）と、アンテナのケーブル（３０７１、４０２１、４０４１）と、アンテナのコイル（３０７、４０２、４０４）と、を備える。

図７は、図６に示す無線電力伝送システム９０において、送受電システム間距離ｄ０を変化させた場合の伝送効率Ｓ２１の計算結果を示している。実線であらわすＬ６１は、（送受電システム間距離ｄ０＝１００ｍｍ、ケーブル長Ｌ＝６２０ｍｍ）の場合の計算結果（周波数ｆと伝送効率Ｓ２１との関係）を表わしている。また、点線であらわすＬ６２は、（送受電システム間距離ｄ０＝２０ｍｍ、ケーブル長Ｌ＝６２０ｍｍ）の場合の計算結果を示している。Ｌ６１は、設計した共振周波数（目標共振周波数という）ｆ０ｏｆｇにおいて、伝送効率Ｓ２１がピークとなっており、無線電力伝送システムにおいては、共振周波数ｆ０ｏｆｇにおける伝送効率Ｓ２１が、０．８７程度と高効率な無線電力伝送を実現していることが分かる。

これに対して、Ｌ６２は、共振周波数ｆ０が低下し、共振周波数ｆ０ｏｆｇにおける伝送効率Ｓ２１は０．２８程度となり、Ｌ６１と比較して１／３程度に低下している。すなわち、送受電システム間距離ｄ０が設計時の１００ｍｍから２０ｍｍにずれた場合、送受電システム間距離ｄ０＝１００ｍｍの場合と比較して、電力伝送効率が半分以下である１／３程度に低下していることが分かる。
このように、送受信システム間距離ｄ０の位置ずれによる変化により、伝送効率が大幅に低下してしまう。

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とともに、位置関係からのずれを制御するために共振周波数（固有周波数）を変更する際の変更制御を簡易に行うことができないという問題がある。

特開２０１４－５７４５８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、かつ、共振周波数を変更することにより位置ずれによる伝送効率の低下を簡易に抑制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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数を、データベースから読み出すことにより決定する制御部とを備え、前記データベースには、前記位置情報と前記位置情報が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されてい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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されているデータベースと、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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数が、前記データベースから読み出されることにより決定され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、前記コイルの給電部は、一端が前記可変リアクタンス回路に接続され、他端が接地されており、前記スイッチは、前記コイルを構成する複数の巻線各々に設けられ、前記給電部に近い側の前記スイッチが順番にオンすることにより前記コイルの巻数を選択する。

また、本発明の一態様は、コイルと、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数を、データベースから読み出すことにより決定し、前記データベースには、前記位置情報と前記位置情報が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されてい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、かつ、共振周波数を変更することにより位置ずれによる伝送効率の低下を簡易に抑制することができる。

本発明の実施形態の無線電力伝送システムの構成例を説明するための回路図である。図１に示すコイルの構成を示す図である。周波数ｆと相互インダクタンスＭとの関係を示す図である。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。図１に示す無線電力伝送システムの伝送効率を説明するための図である。従来の無線電力伝送システムの構成例を説明するための回路図である。図６に示す無線電力伝送システムの伝送効率を説明するための図である。

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、本発明の実施形態の無線電力伝送システム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と、制御装置５とを備える。本システムでは、磁気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、共振周波数ｆ０を制御することにより高い伝送効率を実現するシステムを提供する。

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）３１、３２を有するとともに、共振回路３１および３２に電力を供給する交流電圧源３０１（交流電源）と、交流電源の内部抵抗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と、制御部１７とを有する。
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。
（送電側）共振回路３１は、コイル３０５と、可変リアクタンス回路３０４と、コイル３０５の巻数を選択するスイッチ３０５３とから構成される。

ここで、コイル３０５の巻数を選択することは、巻数ｎを制御することにより、相互インダクタンスＭの絶対値が最大となる周波数を電力伝送に用いる目標共振周波数ｆ０ｏｆｇとすることで、同周波数において高い伝送効率の電力伝送を可能とするために行われる。
図２は、図１に示すコイルの構成を示す図である。ここで、図１に示すコイルとは、コイル３０５、３０７、４０２、４０４である。
磁界共鳴型のワイヤレス給電では、アンテナとして、図２に示すヘリカルアンテナ（らせん状のアンテナ）を用いることが多い。また、高い伝送効率を実現するためには、アンテナ間の磁気的結合を示す相互インダクタンスＭの絶対値を高い値とする必要がある。
ヘリカルアンテナの形状を決めるパラメータとしては、図２（ａ）に示すように巻数ｎ、内半径ｒ、線直径Φ、線間隔ｄなどが挙げられる。

また、図３は、周波数ｆと相互インダクタンスＭとの関係を示す図である。例えば、図３に示す相互インダクタンスＭの実測値Ｍ１５は、ｎ＝１５巻、内半径ｒ＝１５０ｍｍ、線直径Φ＝１．６ｍｍ、線間隔ｄ＝２０ｍｍの２つのヘリカルアンテナを距離１ｍにて対向させた場合の相互インダクタンスＭの測定結果であり、その絶対値は、共振周波数ｆ０＝１２．５ＭＨｚにて最大値として約１．００×１０^－４をとっている。
本システムでは、ヘリカルアンテナの巻数ｎを変化させることにより相互インダクタンスＭの絶対値が最大となる共振周波数ｆ０を制御し、位置ずれによる伝送効率の低下を防止することを主目的とする。
そのため、本実施形態では、図１に示すように、従来システムを示す図６と比較すると、アンテナを構成するコイル３０５に巻数ｎを可変とするためのスイッチ３０５３を設けている。

図２（ｂ）は、図１にコイル３０５に巻数ｎを可変とするためのスイッチ３０５３の構成を示す図である。図２（ｂ）、図１に示すように、コイル３０５の一端（給電部の左側の端子）は、可変リアクタンス回路３０４の他端に接続されている。一方、コイル３０５の他端（給電部の右側の端子）は、接地されている。
スイッチ３０５３（スイッチＳＷＤｍ、…、ＳＷＤ２、ＳＷＤ１、ＳＷＵ１、ＳＷＵ２、…ＳＷＵｍ）は、コイル３０５を構成する複数の巻線各々に設けられる。そして、スイッチ３０５３は、給電部に近い側のスイッチ（ＳＷＤ２、ＳＷＤ１、ＳＷＵ１、ＳＷＵ２）が順番にオンする（例えば、ＳＷＤ１がオン、ＳＷＵ１がオン、ＳＷＤ２がオン、ＳＷＵ２がオンする）ことにより、コイルの巻数ｎを選択する。
このように、図２（ｂ）に示すスイッチ３０５３でコイルの巻数ｎを変化させることにより、相互インダクタンスＭおよび共振周波数ｆ０を調整する（詳細後述）。

図１に戻って、共振回路３２は、コイル３０７と、可変リアクタンス回路３０６と、コイル３０７の巻数を選択するスイッチ３０７３とから構成される。
なお、コイル３０５および３０７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３０３を有し、可変リアクタンス回路３０３を介して交流電圧源３０１から共振回路３１および３２へ電力を供給する。また、可変リアクタンス回路３０３、３０４および３０６のリアクタンスはそれぞれリアクタンスＸ_０、Ｘ_１およびＸ_２であるとする。交流電圧源３０１の出力周波数と、共振回路３１および３２の共振周波数とは同一である。

送電装置１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。

可変リアクタンス回路３０４、３０６および３０３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３０４、３０６および３０３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３０４、３０６および３０３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３０４、３０６および３０３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。
また、上述したスイッチ３０５３およびスイッチ３０７３の選択の指示は、例えば、制御装置５における制御部５１が、制御部１７に、リアクタンス制御としてスイッチの選択指示を送信し、制御部１７が選択されるスイッチの個数(巻線ｎの個数)を変化する構成をとってもよい。もちろん、ユーザが、予め位置情報により設計された選択されるスイッチの個数(巻線ｎの個数)を、実際の位置情報に応じて調整しても構わない。

一方、受電装置２は、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）４１および４２を有するとともに、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と、制御部２３を有する。
共振回路４１は、コイル４０２と、可変リアクタンス回路４０１と、コイル４０２の巻数を選択するスイッチ４０２３とから構成される。
共振回路４２は、コイル４０４と、可変リアクタンス回路４０３と、コイル４０４の巻数を選択するスイッチ４０４３とから構成される。
また、共振回路４１および４２の共振周波数は、送信側の共振回路３１および３２の共振周波数と同一である。
なお、コイル４０２および４０４は、軸方向が一定方向となるように配列されている。
また、受電装置２は、可変リアクタンス回路４０５を有し、可変リアクタンス回路４０５を介して共振回路４１および４２から抵抗４０６へ電力を供給する。
受電装置２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、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。
ここで、抵抗４０６は、例えば照明やカメラといった機器（負荷回路）であり、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てもよい。受電装置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４０１、４０３および４０５は、送電装置１における可変リアクタンス回路３０４、３０６および３０３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。また、可変リアクタンス回路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_３、Ｘ_４およびＸ_５であるとする。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４０１、４０３および４０５のリアクタンスを制御する。
また、制御部２３は、受電装置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４０１、４０３および４０５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の位置情報を取得したり、ユーザの受電装置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。
また、スイッチ４０２３およびスイッチ４０４３の選択の指示は、例えば、制御装置５における制御部５１が、制御部２３に、リアクタンス制御としてスイッチの選択指示を送信し、制御部２３が選択されるスイッチの個数(巻線ｎの個数)を変化する構成をとってもよい。もちろん、ユーザが、予め位置情報により設計された選択されるスイッチの個数(巻線ｎの個数)を、実際の位置情報に応じて調整しても構わない。

位置情報は、例えば、３次元（あるいは２次元）の受電装置２の座標と、共振回路４１が有するコイル４０２および共振回路４２が有するコイル４０４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４０２およびコイル４０４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の向きが固定である場合、すなわちコイル４０２およびコイル４０４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４０２およびコイル４０４の軸方向は、例えば、受電装置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によって、送電側の複数の共振回路３１および３２と受電側の共振回路４１および４２を共鳴結合することで交流電圧源３０１から抵抗４０６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の位置情報に基づき送電装置１および受電装置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および受電装置２の任意の位置関係において予め取得したコイル３０５、３０７、４０２および４０４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Ｍと共振周波数ｆ０に基づいて、例えば特願２０１６－２４８１９７や特願２０１７－０５８６２０に記載された決定手順を用いて、電力の伝送効率が高効率となるように設計時において求めた、可変リアクタンス回路３０４および３０６と可変リアクタンス回路４０１および４０３（あるいはさらに可変リアクタンス回路３０３および４０５）の各リアクタンスの最適化した値を有するように各リアクタンスを制御する。

位置情報取得部５２は、受電装置２の位置情報を受電装置２から取得する。
データベース５３は、受電装置２の位置情報とコイルの巻数ｎ（コイルの巻数情報）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。複数の位置情報の個数は、例えば、受電装置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４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４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４に示すレコード５３Ｒは、位置情報フィールド５３１とコイルの巻数情報フィールド５３２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、受電装置２から位置情報取得部５２が取得する受電装置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の座標を表す情報と共振回路４１が有するコイル４０２および共振回路４２が有するコイル４０４の軸方向を表す情報とを含む。
コイルの巻数情報フィールド５３２は、上記コイル３０５、３０７、４０２、４０４の巻数ｎを、スイッチ３０５３、３０７３、４０２３、４０４３により調整可能な値の範囲（図２（ｂ）に示すコイルにおける１≦ｎ≦２ｍ）にしたコイルの巻数情報ｎが格納される。
また、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の位置関係におけるコイル３０５、３０７、４０２および４０４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Ｍと相互インダクタンスＭに基づく共振周波数ｆ０（交流電圧源３０１の出力の角周波数と等しい）に基づいて、例えば特願２０１６－２４８１９７や特願２０１７－０５８６２０に記載された決定手順を用いて、電力の伝送効率が高効率となるように設計時において求めた、可変リアクタンス回路３０４および３０６と可変リアクタンス回路４０１および４０３（あるいはさらに可変リアクタンス回路３０３および４０５）の各リアクタンスの最適値を表わす情報を格納する。

なお、データベース５３は、図２に示すテーブルの他、例えば、交流電圧源３０１の出力電圧、出力周波数および出力抵抗、抵抗４０６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。

また、上述したように、コイル（３０５、３０７、４０２および４０４）と可変リアクタンス回路（３０４、３０６、４０１および４０３）とコイルの巻数を選択するスイッチ（３０５３、３０７３、４０２３、４０４３）とからなる共振回路３１、３２、４１および４２の共振周波数ｆ０は、可変リアクタンス回路（３０４、３０６、４０１および４０３）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。
ここで、本実施形態においては、使用するスイッチ（３０５３、３０７３、４０２３、４０４３）が選択するコイル（３０５、３０７、４０２および４０４）の巻数ｎを物理的に変化させることにより共振周波数ｆ０を制御し、位置ずれによる伝送効率の低下を防止する。

図５は、図１に示す無線電力伝送システムの伝送効率を説明するための図である。
図５は、図１に示す無線電力伝送システムにおいて、距離１ｍで２つのヘリカルアンテナを対向させた場合について、巻数ｎを変化させた場合の相互インダクタンスＭの測定結果を示している。ここで、２つのヘリカルアンテナを対向させるとは、例として、図１においてコイル３０５とコイル４０２および４０４、コイル３０７とコイル４０２および４０４を対向させた場合を示している。
実線であらわすＭ１５は、送受信システム間距離（以下、位置情報という）ｄ０＝１ｍ）、巻数ｎ＝１５の場合の測定結果（周波数ｆと相互インダクタンスＭとの関係）を表わしている。なお、この測定条件は、図３に示すＭ１５の測定条件と同様である。ここで、相互インダクタンスＭ１５の絶対値は、共振周波数ｆ０＝１２．５ＭＨｚにて最大値１．０×１０^－４をとっている。
また、点線で表すＭ１４は、位置情報ｄ０＝１ｍ、巻数ｎ＝１４の場合の測定結果を表わしている。ここで、相互インダクタンスＭ１４の絶対値は、共振周波数ｆ０＝１４．４ＭＨｚにて最大値７．０×１０^－５をとっている。
また、破線で表すＭ１３は、位置情報ｄ０＝１ｍ、巻数ｎ＝１３の場合の測定結果を表わしている。ここで、相互インダクタンスＭ１３の絶対値は、共振周波数ｆ０＝１６．２ＭＨｚにて最大値３．８１×１０^－５をとっている。

すなわち、図５に示すように、コイルの巻数ｎが大きくなるにつれて相互インダクタンスＭの絶対値が最大となる周波数が低周波数側にシフトしており、巻数ｎの変化により相互インダクタンスＭの絶対値が最大となる共振周波数ｆ０が制御可能であることが分かる。
以上の結果から、コイルの巻数ｎを制御することにより、共振周波数ｆ０を設計時の目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに一致させ、目標共振周波数ｆ０ｏｆｇにおいて高い伝送効率を実現可能であることが分かる。

ここで、データベース５３は、上述のように、位置情報フィールド５３１と、コイルの巻数情報フィールド５３２と、リアクタンス情報フィールド５３３と、を含む。そして、データベース５３は、受電装置２の位置情報とコイルの巻数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。
すなわち、データベース５３に登録されている各位置情報ｄ０に対応する各可変リアクタンス回路の各リアクタンス（リアクタンスＸ_０、Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４およびＸ_５）は、送電装置と受電装置とを位置情報ｄ０に対応する位置関係に配置した場合に得られる各送電側共振回路および各受電側共振回路の共振周波数ｆ０と電力の伝送効率Ｓ２１との関係に基づき決定された各値を有する。
また、共振周波数ｆ０と電力の伝送効率Ｓ２１との関係は、各位置情報（位置情報ｄ０）および各位置情報に対応するコイルの巻数情報（コイルの巻数ｎ）からなる組合せの情報で構成され、目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに対応する電力の伝送効率を含んでいる。
つまり、各送電側共振回路および各受電側共振回路の共振周波数ｆ０と電力の伝送効率Ｓ２１との関係は、設計時において目標とした目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに対応する電力の伝送効率Ｓ２１を含むため、例えば、データベース５３は、上記Ｍ１５、Ｍ１４、Ｍ１３（位置情報ｄ０＝１ｍとコイルの巻数ｎ＝１５、１４、１３）の情報、と当該情報に基づいて予め設計時において算出された各リアクタンスを含んで構成される。
また、データベース５３は、実際の動作のとき、位置情報ｄ０がｄ０＝１ｍからｄ０＝ｄｘに位置ずれを起こしているとき、ｄ０＝ｄｘ、コイルの巻数ｎ＝ｎｘに対応する情報であって、目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに対応する電力の伝送効率Ｓ２１を含むため、位置情報ｄ０＝ｄｘおよびコイルの巻数（コイルの巻数ｎ＝ｎｘ）の情報と、と当該情報に基づいて予め設計時において算出された各リアクタンスを含んで構成される。

もちろん、データベース５３は、ｄ０＝ｄｘ以外の値（ｄ０＝ｄｙ）に位置ずれを起こしたとき、当該位置情報ｄｙに対応するコイルの巻数ｎ＝ｎｙであって、目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに対応する電力の伝送効率Ｓ２１を含むため、位置情報ｄ０およびコイルの巻数ｎからなる複数の組合せの情報、当該情報に基づいて予め設計時において算出された各リアクタンスを含んで構成され、目標共振周波数ｆ０ｏｆｇに対応する電力の伝送効率を含んでいる。

以上の構成において、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から送信された位置情報、およびコイルの巻数ｎの情報により、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内の各可変リアクタンス回路の最適リアクタンス、および各コイルの巻数ｎを、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とともに、各コイルにおけるコイルの巻数ｎ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であり、かつ共振周波数を変更することにより位置ずれによる伝送効率の低下を簡易に抑制することができる無線電力伝送が可能となる。

以上のように、設計時において算出された各可変リアクタンス回路の各リアクタンス、および各コイルにおけるコイルの巻数ｎをデータベース５３から読み出し、送電装置１および受電装置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とともに、共振回路３１、３２、４１及び４２のコイルにおけるコイルの巻数ｎ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、かつ、共振周波数を変更することにより位置ずれによる伝送効率の低下を簡易に抑制することができる。

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３１および３２は、２個に限らず、３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が有する共振回路４１および４２は、２個に限らず、１または３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、各共振回路と抵抗４０６の間に可変リアクタンス回路４０５（第２可変リアクタンス回路）を設けてもよい。受電装置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。

また、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の両方を移動可能な状態で使用したり、受電装置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。

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、２ａ受電装置
５制御装置
１０、９０無線電力伝送システム
３１、３２、４１、４２共振回路
３０３、３０４、３０６、４０１、４０３、４０５可変リアクタンス回路
１７、２３、５１制御部
５２位置情報取得部
５３データベース
３０５、３０７、４０２、４０４コイル
３０５３、３０７３、４０２３、４０４３スイッチ
３０１交流電圧源
３０２、４０６抵抗

Claims

コイルと、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数を、データベースから読み出すことにより決定する制御部と
を備え、
前記データベースには、前記位置情報と前記位置情報が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されている
無線電力伝送システム。
コイルと、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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位置情報が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されているデータベースと、
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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数が、前記データベースから読み出されることにより決定される
無線電力伝送システム。
前記コイルの給電部は、一端が前記可変リアクタンス回路に接続され、他端が接地されており、
前記スイッチは、前記コイルを構成する複数の巻線各々に設けられ、前記給電部に近い側の前記スイッチが順番にオンすることにより前記コイルの巻数を選択する、
請求項１または請求項２に記載の無線電力伝送システム。
コイルと、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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、可変リアクタンス回路と、前記コイルの巻数を選択するスイッチ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こと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前記電力の伝送効率が最大となるように、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスおよび前記コイルの巻数を、データベースから読み出すことにより決定し、
前記データベースには、前記位置情報と前記位置情報が示す前記受電装置の位置において前記電力の伝送効率が高効率となる前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスと前記コイルの巻数があらかじめ記憶されている
無線電力伝送方法。