JP7521962B2

JP7521962B2 - 無線電力伝送システム、及び無線電力伝送方法

Info

Publication number: JP7521962B2
Application number: JP2020127460A
Authority: JP
Inventors: 正一梶原; 博之谷; 拓磨池田; 勇気田中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2024-07-24
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: JP2022024713A; US11616533B2; US20220038137A1

Description

本開示は、無線電力伝送システム、及び無線電力伝送方法に関する。

特許文献１には、送電部から受信機器に効率的に電力波を伝送する無線電力伝送システムが開示されている。特許文献１に記載の無線電力伝送システムは、電力波を放射する複数の送電部と、電力波の受電電力量を無線通信で送電部へ伝達する複数の受信機器と、複数の送電部を管理する管理部とを備える。

管理部は、受信機器の受電電力を高めるため、受電電力量に基づき、複数の送電部のそれぞれの電力波の放射方向と位相を制御する。

特許第６４３７９５４号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術では、無線通信用の機器（送電部、受信機器など）以外にも、無線電力伝送のために、複数の送電部を管理する管理部が必要である。このように既存の無線通信システムに無線電力伝送のための機器を追加しなければならず、システム全体のコストが増加する恐れがある。

本開示の非限定的な実施例は、コストの増加を抑制しながら無線電力伝送を実現できる無線電力伝送システムの提供に資する。

本開示の一実施例に係る無線電力伝送システムは、電力波を放射する複数の第１無線機と、前記電力波の受信強度を示す強度信号を放射する少なくとも１つの受信機と、前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を送信する第２無線機と、を備える無線電力伝送システムであって、前記少なくとも１つの受信機は、受信した前記電力波に基づく前記強度信号の生成を行う制御部、及び前記強度信号を前記第２無線機に対して送信するアンテナを有し、前記第２無線機は、受信した前記強度信号に基づき前記制御信号を生成する制御信号生成部、及び前記制御信号を複数の前記第１無線機に対して送信するアンテナを有し、
前記複数の第１無線機は、前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定した電力波を前記少なくとも１つの受信機に向けて放射する。

本開示の一実施例に係る無線電力伝送方法は、電力波を放射する複数の第１無線機と、前記電力波の受信強度を示す強度信号を放射する少なくとも１つの受信機と、前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を送信する第２無線機と、を備える無線電力伝送システムで実施される無線電力伝送方法であって、前記少なくとも１つの受信機が、受信した前記電力波に基づく前記強度信号を生成し、前記少なくとも１つの受信機が、前記強度信号を前記第２無線機に対して送信し、前記第２無線機が、受信した前記強度信号に基づき前記制御信号を生成し、前記第２無線機が、前記制御信号を複数の前記第１無線機に対して送信し、前記複数の第１無線機が、前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定し、前記複数の第１無線機が、前記電力波を前記少なくとも１つの受信機に向けて放射する。

本開示の一実施例によれば、コストの増加を抑制しながら無線電力伝送を実現できる無線電力伝送システムを構築できる。

本開示の一実施例における更なる利点及び効果は、明細書及び図面から明らかにされる。かかる利点及び／又は効果は、いくつかの実施形態並びに明細書及び図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つ又はそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。

本開示の実施の形態１に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図無線機１０の構成例を示す図無線機２０の構成例を示す図図４は受信機３０の構成例を示す図無線電力伝送システム１００の動作を説明するためのフローチャート本開示の実施の形態２に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。なお本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（実施の形態１）
＜無線電力伝送システム１００の構成例＞
図１は本開示の実施の形態１に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図である。無線電力伝送システム１００は、無線機１０、複数の無線機２０、及び受信機３０を備える。机１０２の上などに複数の無線機２０が設置される。複数の無線機２０は本実施の形態の第１無線機の一例であり、無線機１０は、本実施の形態の第２無線機の一例である。

＜無線機１０の構成例＞
次に図２を参照して無線機１０の構成例について説明する。図２は無線機１０の構成例を示す図である。無線機１０は、アンテナ１１、発振部１２、制御信号生成部１３及び電源部１４を備える。

無線機１０は、所定の無線通信規格に対応する携帯電話用の無線基地局、無線信号を中継するリピータ、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）機器、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）機器、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）機器、ＮＦＣ（Near Field Communication）機器などである。

アンテナ１１は、制御信号１３Ａを含む電波１０Ａを、無線機２０に向けて送信すると共に、受信機３０から送信される強度信号３０Ａを受信する送受信アンテナである。制御信号１３Ａの詳細については後述する。

強度信号３０Ａは、受信機３０が受信した電力波２０Ａの受信強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）を示す信号である。電力波２０Ａは、連続波でもよいし変調波（振幅変調波、周波数変調波）などでもよい。

アンテナ１１は、例えば指向性アンテナ、無指向性アンテナなどである。特定の方向へ長距離送電したい場合には指向性アンテナが使用され、近距離で広い範囲に送電したい場合には無指向性アンテナが使用される。

発振部１２は、例えば発振回路、増幅回路などを備え、無線機２０との間で無線通信を実現するための高周波信号に制御信号１３Ａを重畳して、アンテナ１１へ送信する。アンテナ１１はこれらの信号を電波１０Ａとして放射する。

制御信号生成部１３は、例えばメモリ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備え、強度信号３０Ａに基づき、制御信号１３Ａを生成する。制御信号１３Ａは、受信機３０で受信される電力波２０Ａの電波強度を高めるように、複数の無線機のそれぞれから放射される電力波２０Ａの周波数と位相を制御するための信号である。

電源部１４は、例えば商用交流電源から直流電力を生成する電力変換回路を備え、無線機１０を動作させるための電源を供給する。

＜無線機２０の構成例＞
次に図３を参照して無線機２０の構成例について説明する。図３は無線機２０の構成例を示す図である。無線機２０は、アンテナ２１、送受信部２２、及び電源部２４を備える。

無線機２０は、所定の無線通信規格に対応する携帯電話、スマートフォン、リピータ、Ｗｉ－Ｆｉ機器、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ機器などである。

アンテナ２１は、電力波２０Ａを放射すると共に電波１０Ａを受信する送受信アンテナである。

送受信部２２は、例えば発振回路、増幅回路などを備え、電波１０Ａに含まれる制御信号１３Ａに基づき、周波数及び位相が同期した電力波２０Ａを生成して、アンテナ２１に送信する。

電力波２０Ａの周波数を制御する場合、送受信部２２が備える周波数設定回路（例えば電圧制御発振器）が、制御信号１３Ａで設定された制御電圧に従い、発振周波数を調整する。これにより、複数の無線機２０のそれぞれから放射される電力波２０Ａの周波数を揃えることができる。

電力波２０Ａの位相を制御する場合、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送信される時刻信号に基づき、送受信部２２が備えるフェーズシフタ（移相器）が、電力波２０Ａの周波数の位相を調整する。これにより、複数の無線機２０のそれぞれから放射される電力波２０Ａの位相を揃えることができる。

なお、位相制御方法はこれに限定されず、例えば、可変コンデンサ、可変コイル、可変抵抗などに構成されるインピーダンス変化部が、制御信号１３Ａに含まれるインピーダンス設定値に従って、アンテナ２１に接続される複素インピーダンスを変化させることで位相を設定してもよい。

電源部２４は、例えば商用交流電源から直流電力を生成する電力変換回路を備え、送受信部２２を動作させるための電源を供給する。

＜受信機３０の構成例＞
次に図４を参照して受信機３０の構成例について説明する。図４は受信機３０の構成例を示す図である。受信機３０は、アンテナ３１、整流部３２、制御部３４及び負荷３５を備える。

受信機３０は、所定の無線通信規格に対応するＷｉ－Ｆｉ機器、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ機器、ＢＬＥ機器、ＮＦＣ機器などである。

アンテナ３１は、電力波２０Ａを受信すると共に強度信号３０Ａを送信する送受信アンテナである。アンテナ３１は、例えば指向性アンテナ、無指向性アンテナなどである。

整流部３２は、整流ダイオード、フィルタ回路などで構成され、アンテナ３１が受信した電力波２０Ａを直流電力へ変換する。

制御部３４は、直流電力の負荷３５への供給制御を行うと共に、整流された電力値に基づき強度信号３０Ａを生成し、生成した強度信号３０Ａを整流部３２を介して、アンテナ３１へ送信する。

負荷３５は、例えばIoT(Internet of Things)で活用される温湿度計、気圧計、気温計、加速度計などのセンサである。

次に図５を参照して無線電力伝送システム１００の動作について説明する。図５は無線電力伝送システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。

複数の無線機２０が電力波２０Ａを送信すると（ステップＳ１）、電力波２０Ａを受信した受信機３０は電力波２０Ａに基づき強度信号３０Ａを生成する（ステップＳ２）。

受信機３０は強度信号３０Ａを無線機１０に向けて送信し（ステップＳ３）、強度信号３０Ａを受信した無線機１０は、強度信号３０Ａに基づき制御信号１３Ａを生成する（ステップＳ４）。

無線機１０は、生成した制御信号１３Ａを高周波信号に重畳して、電波１０Ａとして複数の無線機２０に対して送信する（ステップＳ５）。電波１０Ａを受信した複数の無線機２０は、電波１０Ａに含まれる制御信号１３Ａに基づき電力波２０Ａの周波数及び位相を変更し、当該電力波２０Ａを受信機３０に対して送信する（ステップＳ６）。

受信機３０は、周波数及び位相が揃えられた複数の電力波２０Ａを受信することで、複数の電力波２０Ａが重ね合わせられるため、安定した強度の電波を受信し得る。

なお、複数の電力波２０Ａの位相や周波数が互いに異なる場合、受信機３０で受信される複数の電力波２０Ａが互いに弱め合う（打ち消し合う）ため、受信機３０における電波強度が低下し得る。

これに対して、本実施の形態に係る無線電力伝送システム１００によれば、制御信号１３Ａを複数の無線機に送信することで、複数の電力波２０Ａの位相や周波数が揃えられ、受信機３０で受信される複数の電力波２０Ａが互いに強め合う。よって、受信機３０における電波強度を高めることができる。

従って、本実施の形態に係る無線電力伝送システム１００によれば、電力波２０Ａを送信するための専用の送信アンテナなどを追加することなく、受信機３０における電波強度を高めることができる。その結果、コストの増加を抑制しながら無線電力の供給が可能になる。

また、電力波２０Ａを送信するための専用の送信アンテナなどを設置する必要がないため、当該送信アンテナを設置した場所の周辺のみに無線電力の送信が可能な従来技術に比べて、より広範囲に無線電力の供給が可能になる。

また、電力波２０Ａを送信するための専用の送信アンテナなどを特定の箇所に設置する必要がないため、例えば、複数の無線機２０が設置される閉空間内（建物の部屋など）の何れの箇所においても、無線電力の供給を受けることができる。つまり、閉空間内において無線電力を供給できない箇所を減らすことができる。

従って、閉空間内で人が移動したり机の位置などが変わった場合でも、専用の送信アンテナの位置を変えなくとも、受信機３０の動作に必要な電力を確保できる。

また、本実施の形態に係る無線電力伝送システム１００によれば、閉空間内に複数の受信機３０が存在する場合でも、それぞれの受信機３０と第１無線機２０との間のインピーダンスを調整する必要がなく、インピーダンス調整に要する作業時間が大幅に削減される。

（実施の形態２）
図６は本開示の実施の形態２に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図である。実施の形態２に係る無線電力伝送システム１００は、互いに異なる周波数の電波を受信するように設定されている複数の受信機３０－１及び受信機３０－２を備える。以下では、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分について述べる。

無線機１０の制御信号生成部１３は、複数の無線機２０に対して、異なる周波数を設定する周波数設定信号をさらに生成する。

複数の無線機２０の内、２以上の無線機２０で構成される第１無線機群は、周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値に設定された電力波２０Ａ１を、第１受信機（受信機３０－１）に向けて放射する。

複数の無線機２０の内、２以上の無線機２０で構成される第２無線機群は、周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値とは異なる第２の値に設定された電力波２０Ａ２を、第２受信機（受信機３０－２）に向けて放射する。

例えば１．５ＧＨｚの送信周波数が設定された１台の無線機２０と、１．５ＧＨｚの受信周波数が設定された２台の受信機３０との間で通信を行う場合、無線機２０が１００ｍＷの電力波２０Ａを出力すると、２台の受信機３０のそれぞれに到達する電力波２０Ａの電力が例えば１／１０に低下しているとした場合、２台の受信機３０のそれぞれで受信される電力波２０Ａの電力は５ｍＷ（＝１０ｍＷ／２）となる。

実施の形態２に係る無線電力伝送システム１００では、受信機３０－１及び受信機３０－２に対して互いに周波数が異なる電力波で無線電力が供給される。つまり、受信機３０－１及び受信機３０－２には、互いに異なる無線電力周波数が割り当てられる。また、各受信機３０－１及び３０－２に割り当てられる無線機２０の数は、単一の無線電力周波数が割り当てられる場合よりも多い。

例えば、１．５ＧＨｚの送信周波数が設定された無線機２０と、１．５ＧＨｚの受信周波数が設定された受信機３０－１との間で通信を行う場合、当該無線機２０が１００ｍＷの電力波２０Ａを出力すると、受信機３０－１に到達する電力波２０Ａの電力が例えば１／１０に低下しているとした場合、受信機３０－１で受信される電力波２０Ａの電力は約１０ｍＷとなる。

また、２．０ＧＨｚの送信周波数が設定された無線機２０と、２．０ＧＨｚの受信周波数が設定された受信機３０－２との間で通信を行う場合、当該無線機２０が１００ｍＷの電力波２０Ａを出力すると、受信機３０－２に到達する電力波２０Ａの電力が例えば１／１０に低下しているとした場合、当該受信機３０－２で受信される電力波２０Ａの電力は約１０ｍＷとなる。

よって、受信機３０－１及び受信機３０－２に対して、単一の周波数が設定された電力波による無線電力伝送が行われる場合に比べ、単一の無線電力伝送システム１００内において、それぞれ効率よく電力供給を受けることができる。また、異なる周波数を用いることによりフェージングの影響を小さくすることができる。

なお、上述した各実施の形態では、無線機１０が制御信号生成部１３を有し、複数の無線機２０が制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定した電力波を受信機３０に向けて放射する構成例を説明した。しかしながら、本開示に係る実施の形態はこれに限定されるものではない。

例えば、複数の無線機２０の１つが制御信号生成部を有する構成としてもよい。この場合、無線機２０の１つが有する制御信号生成部で生成された制御信号に基づいて、他の複数の無線機２０のそれぞれが、周波数と位相を所定の値に設定した電力波を受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２に向けて放射する構成としてもよい。なお、この場合、制御信号生成部を有する無線機２０は第２無線機に相当し、他の複数の無線機２０は第１無線機に相当する。

また、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２が制御信号生成部を有する構成としてもよい。この場合、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２が有する制御信号生成部で生成された制御信号に基づいて、複数の無線機２０のそれぞれが、周波数と位相を所定の値に設定した電力波を受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２に向けて放射する構成としてもよい。なお、この場合、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２は受信機であると共に第２無線機に相当し、複数の無線機２０は第１無線機に相当する。

また、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２が制御信号生成部を有すると共に、無線機１０が複数ある構成としてもよい。この場合、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２が有する制御信号生成部で生成された制御信号に基づいて、複数の無線機１０のそれぞれが、周波数と位相を所定の値に設定した電力波を複数の無線機２０の１つ又は複数に向けて放射する構成としてもよい。なお、この場合、受信機３０、受信機３０－１又は受信機３０－２は受信機であると共に第２無線機に相当し、複数の無線機１０は第１無線機に相当する。また、複数の無線機２０の１つ又は複数は、受信機に相当する。

なお、例えば、以下のような態様も本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

（１）本実施の形態に係る無線電力伝送システムは、電力波を放射する複数の第１無線機と、前記電力波を受信する受信機における前記電力波の受信強度を示す信号に基づき前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を生成する制御信号生成部、及び前記制御信号を複数の前記第１無線機に対して送信するアンテナを有する第２無線機と、を備え、複数の前記第１無線機は、前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定した電力波を受信機に向けて放射する。

（２）本実施の形態に係る無線電力伝送システムの前記制御信号生成部は、複数の前記第１無線機の内の第１無線機群と、複数の前記第１無線機の内の第２無線機群とに対して、互いに異なる周波数を設定する周波数設定信号をさらに生成し、前記第１無線機群は、前記周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値に設定された電力波を、第１受信機に向けて放射し、前記第２無線機群は、前記周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値とは異なる第２の値に設定された電力波を、第２受信機に向けて放射する。

（３）無線電力伝送方法は、複数の第１無線機と無線通信を行う第２無線機が、複数の前記第１無線機から放射される電力波を受信する受信機における前記電力波の受信強度を示す信号に基づき、前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を生成するステップと、前記第２無線機が、前記制御信号を、アンテナを介して複数の前記第１無線機に対して送信するステップと、前記制御信号を受信した複数の前記第１無線機が、前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定した電力波を受信機に向けて放射するステップと、を含む。

本開示の一実施例は、無線電力伝送装置、無線電力伝送システムに好適である。

１０無線機
１０Ａ電波
１１アンテナ
１２発振部
１３制御信号生成部
１４電源部
２０無線機
２１アンテナ
２２送受信部
２４電源部
３０受信機
３０Ａ強度信号
１００無線電力伝送システム

Claims

電力波を放射する複数の第１無線機と、
前記電力波の受信強度を示す強度信号を放射する少なくとも１つの受信機と、
前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を送信する第２無線機と、を備える無線電力伝送システムであって、
前記少なくとも１つの受信機は、
受信した前記電力波に基づく前記強度信号の生成を行う制御部、及び
前記強度信号を前記第２無線機に対して送信するアンテナを有し、
前記第２無線機は、
受信した前記強度信号に基づき前記制御信号を生成する制御信号生成部、及び
前記制御信号を複数の前記第１無線機に対して送信するアンテナを有し、
前記複数の第１無線機は、
前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定した電力波を前記少なくとも１つの受信機に向けて放射する、
無線電力伝送システム。
前記少なくとも１つの受信機は、第１受信機及び第２受信機を含み、
前記制御信号生成部は、複数の前記第１無線機の内の第１無線機群と、複数の前記第１無線機の内の第２無線機群とに対して、互いに異なる周波数を設定する周波数設定信号をさらに生成し、
前記第１無線機群は、前記周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値に設定された電力波を、前記第１受信機に向けて放射し、
前記第２無線機群は、前記周波数設定信号に基づき、周波数が第１の値とは異なる第２の値に設定された電力波を、前記第２受信機に向けて放射する、請求項１に記載の無線電力伝送システム。
電力波を放射する複数の第１無線機と、
前記電力波の受信強度を示す強度信号を放射する少なくとも１つの受信機と、
前記電力波の周波数と位相を同期させる制御信号を送信する第２無線機と、を備える無線電力伝送システムで実施される無線電力伝送方法であって、
前記少なくとも１つの受信機が、受信した前記電力波に基づく前記強度信号を生成し、
前記少なくとも１つの受信機が、前記強度信号を前記第２無線機に対して送信し、
前記第２無線機が、受信した前記強度信号に基づき前記制御信号を生成し、
前記第２無線機が、前記制御信号を複数の前記第１無線機に対して送信し、
前記複数の第１無線機が、前記制御信号に基づき周波数と位相を所定の値に設定し、
前記複数の第１無線機が、前記電力波を前記少なくとも１つの受信機に向けて放射する、無線電力伝送方法。