JPWO2011099071A1 - 磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法、送電装置、および受電装置 - Google Patents

Abstract

送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送システムにおいて、コイルの共振周波数を高速にかつ正確にリアルタイムで調整できるようにする。送電系コイルに供給される電圧の位相および送電系コイルまたは受電系コイルに流れる電流の位相を検出し、それらの位相差が目標値となるように、送電系コイルまたは受電系コイルの共振周波数を可変する。送電系コイルは、交流電源が接続される電力供給コイル、および電力供給コイルと電磁的に密に結合した送電共振コイルを有し、受電系コイルは、受電共振コイル、および受電共振コイルと電磁的に密に結合した電力取出コイルを有する。交流電源の電圧と送電共振コイルの電流との位相差が目標値βとなるように、交流電源の電圧と受電共振コイルの電流との位相差が目標値（β−π／２）となるように制御される。

Description

本発明は、磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法、送電装置、および受電装置に関する。

無線で電力を伝送する、所謂無線電力伝送またはワイヤレス電力供給（ＷＰＳ：Wireless Power Supply ) においては、空間的に離れた２点間でケーブルを用いることなく電力（エネルギ）の送受電を行なう。無線電力伝送には、電磁誘導を用いる方式と電波を用いる方式の２つの方式がある。また、磁界共鳴（磁場共鳴、磁気共鳴、磁界共鳴モードともいう）を用いる方式も提案されている（特許文献１）。
再公表ＷＯ９８／３４３１９

本発明は、磁界共鳴型電力伝送システムにおいて、コイルの共振周波数を高速にかつ正確にリアルタイムで調整できるようにすることを目的とする。

本発明が適用される磁界共鳴型電力伝送システムを説明する。

磁界共鳴を用いた方式（磁界共鳴型）では、電波を用いた方式と比べて大電力の伝送が可能であり、電磁誘導方式と比べて伝送距離を長くすることができまたは送受電用のコイルを小さくできる、というメリットがある。

磁界共鳴を用いた方式では、送電系コイルおよび受電系コイルの共振周波数を互いに同じ値に設定しておき、その近傍の周波数で電力伝送を行うことによって、高い効率でエネルギの伝送を行うことが可能になる。

磁界共鳴型電力伝送システムにおいて電力伝送の効率を高めるために、１次コイル側の発振信号の周波数に比して高い周波数を２次コイル側の共振周波数としたものがある（特許文献１）。これによると、キヤパシタンスを小さくし、１次コイルと２次コイルとの結合係数を見かけ上高くすることができるとのことである。

コイル同士の結合度を高めることによって、電力伝送の効率をある程度高めることが可能である。

また、電力伝送の効率を高めるために、各コイルの共振ピークができるだけ鋭くなるようにすることが考えられる。そのためには、例えば各コイルのＱ値が高くなるように設計すればよい。

しかし、Ｑ値を高くした場合には、両コイルの共振周波数のズレに対する感度が高くなってしまうという問題、つまり両コイルの共振周波数のズレによる電力伝送の効率の低下への影響が大きくなってしまうという問題がある。

例えば、温度などの環境要因の変化、人や金属などの導体または磁性体が近づくことによるインダクタンスや容量の変化などによって、コイルの共振周波数が変化してしまう。また、製造時におけるバラツキによる共振周波数のズレもある。

そのため、Ｑ値が高い磁界共鳴型電力伝送システムにおいては、その最大限のメリットを生かすためには、コイルの共振周波数を環境変動などに対応して調整する仕組みが必要である。

コイルの共振周波数を目標周波数に合わせるためには、コイルのＬ（インダクタンス）またはコンデンサのＣ（容量）を調整する必要がある。

ここに述べる１つの形態の方法では、送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法において、前記送電系コイルに供給される電圧の位相および前記送電系コイルまたは前記受電系コイルに流れる電流の位相を検出し、それらの位相差が目標値となるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変する。

前記送電系コイルと前記受電系コイルとの結合度が大きくなって双峰特性が現れたときに、前記交流電源の周波数において電流のピークが現れるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変することも可能である。

また、ここに述べる１つの形態の装置では、送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送システムにおいて、前記送電系コイルに供給される電圧の位相および前記送電系コイルまたは前記受電系コイルに流れる電流の位相を検出する位相検出部と、検出されたそれらの位相の位相差が目標値となるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変する共振周波数制御部と、を有する。

磁界共鳴型の電力伝送方法を示す図である。 磁界共鳴型の電力伝送システムの概要を示す図である。 本実施形態の電力伝送システムの制御部の構成の例を示す図である。 共振周波数制御における電流および位相の状態を示す図である。 共振周波数制御における電流および位相の状態を示す図である。 双峰特性が現れた場合の電流および位相の状態を示す図である。 双峰特性が現れた場合の共振周波数制御における電流および位相の状態を示す図である。 双峰特性に対応した共振周波数制御を行った場合の伝送電力の変化の例を示す図である。 電力伝送システムの周波数依存性を示す図である。 コイルの共振周波数をスイープする方法を説明する図である。 共振周波数制御と双峰共振制御とを切り替える構成の例を示す図である。 共振周波数制御の概略の処理手順を示すフローチャートである。 共振周波数制御の概略の処理手順を示すフローチャートである。

以下に述べる実施形態の電力伝送システム（電力伝送装置）１では、交流電源の電圧（ドライブ電圧）とコイルに流れる電流との位相差Δφを基に、コイル（共振回路）のＬまたはＣに対してリアルタイムの共振周波数制御を行う。

また、送電系コイルと受電系コイルとの結合が大きくなって双峰特性（スプリット）が現れたときに、電力伝送の効率の低下を抑えるため、ピーク（スプリットピーク）が交流電源の周波数において現れるように、送電系コイルまたは受電系コイルの共振周波数をシフトさせる。この場合の共振周波数制御を、双峰特性が現れていない場合の共振周波数制御と区別するため、「双峰共振制御」ということがある。

また、「双峰共振制御」を含まない場合の共振周波数制御を「通常の共振周波数制御」と記載することがある。単に「共振周波数制御」と記載したときは原則として「双峰共振制御」を含む。

図１および図２において、電力伝送システム１は、送電系コイルＳＣ、受電系コイルＪＣ、交流電源１１、送電側制御部１４、負荷となるデバイス２１、および受電側制御部２４を備える。

図２において、送電系コイルＳＣは、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３を備える。電力供給コイル１２は、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に交流電源１１による交流電圧（高周波電圧）が印加される。

送電共振コイル１３は、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル１３１と、コイル１３１の両端に接続されたコンデンサ１３２とからなり、それらによる共振回路を形成する。共振周波数ｆ0 は次の（１）式で示される。

なお、Ｌはコイル１３１のインダクタンス、Ｃはコンデンサ１３２の静電容量である。

送電共振コイル１３のコイル１３１は、例えばワンターンコイルである。コンデンサ１３２として、種々の形式のコンデンサが用いられるが、できるだけ損失が少なく十分な耐圧を有するものが好ましい。本実施形態では、共振周波数を可変するために、コンデンサ１３２として可変コンデンサが用いられる。可変コンデンサとして、例えばＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスが用いられる。半導体を用いた可変容量デバイス（バラクタ）でもよい。

電力供給コイル１２と送電共振コイル１３とは、電磁的に互いに密に結合するように配置される。例えば、同一平面上にかつ同心上に配置される。つまり、例えば、送電共振コイル１３の内周側に電力供給コイル１２が嵌まり込んだ状態で配置される。または、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。

この状態で、交流電源１１から電力供給コイル１２に交流電圧が供給されたときに、電力供給コイル１２に生じた交番磁界による電磁誘導によって送電共振コイル１３に共振電流が流れる。つまり、電磁誘導によって、電力供給コイル１２から送電共振コイル１３に電力が供給される。

受電系コイルＪＣは、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３を備える。受電共振コイル２２は、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に巻かれたコイル２２１と、コイル２２１の両端に接続されたコンデンサ２２２とからなる。受電共振コイル２２の共振周波数ｆ0 は、コイル２２１のインダクタンスおよびコンデンサ２２２の静電容量に基づいて上の（１）式で示される。

受電共振コイル２２のコイル２２１は、例えばワンターンコイルである。コンデンサ２２２として、上に述べたように種々の形式のコンデンサが用いられる。本実施形態では、共振周波数を可変するために、コンデンサ２２２として可変コンデンサが用いられる。可変コンデンサとして、例えばＭＥＭＳ技術を用いて製作された可変容量デバイスが用いられる。半導体を用いた可変容量デバイス（バラクタ）でもよい。

電力取出コイル２３は、銅線またはアルミニウム線などの金属線が円周状に複数回巻かれたものであり、その両端に負荷であるデバイス２１が接続される。

受電共振コイル２２と電力取出コイル２３とは、電磁的に互いに密に結合するように配置される。例えば、同一平面上にかつ同心上に配置される。つまり、例えば、受電共振コイル２２の内周側に電力取出コイル２３が嵌まり込んだ状態で配置される。または、同軸上で適当な距離をあけて配置してもよい。

この状態で、受電共振コイル２２に共振電流が流れると、それによって発生した交番磁界による電磁誘導によって電力取出コイル２３に電流が流れる。つまり、電磁誘導によって、受電共振コイル２２から電力取出コイル２３に電力が送られる。

送電系コイルＳＣと受電系コイルＪＣとは、磁界共鳴によって無線で電力を伝送するため、図２に示されるように、コイル面が互いに平行になるように、かつコイル軸心が互いに一致するかまたは余りずれないように、互いに適当な距離の範囲内に配置される。例えば、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の直径が１００ｍｍ程度の場合に、数百ｍｍ程度の距離の範囲内に配置される。

図２に示す電力伝送システム１において、コイル軸心ＫＳに沿う方向が磁界ＫＫの主な放射方向であり、送電系コイルＳＣから受電系コイルＪＣに向かう方向が送電方向ＳＨである。

ここで、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓと受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊとが、ともに交流電源１１の周波数ｆｄと一致しているときは、最大の電力が伝送される。しかし、もし、それらの共振周波数ｆｓ，ｆｊが互いにズレたり、それらと交流電源１１の周波数ｆｄとがズレたりすると、伝送される電力は低下し、効率が低下する。

すなわち、図９において、横軸は交流電源１１の周波数ｆｄ〔ＭＨｚ〕であり、縦軸は伝送される電力の大きさ〔ｄＢ〕である。曲線ＣＶ１は、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓと受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊとが一致している場合を示す。この場合に、図９によると、その共振周波数ｆｓ，ｆｊは１３．５６ＭＨｚである。

また、曲線ＣＶ２，ＣＶ３は、受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊが送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓに対して、５パーセント、１０パーセント、それぞれ高い場合を示す。

図９において、交流電源１１の周波数ｆｄが１３．５６ＭＨｚであるときに、曲線ＣＶ１では最高の電力が伝送されるが、曲線ＣＶ２，ＣＶ３では順次低下している。また、交流電源１１の周波数ｆｄが１３．５６ＭＨｚからシフトしたとき、上側に僅かにシフトしたときを除いて、曲線ＣＶ１〜ＣＶ３のいずれにおいても伝送される電力が低下している。

したがって、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の共振周波数ｆｓ，ｆｊを、交流電源１１の周波数ｆｄに極力一致させる必要がある。

図１０において、横軸は周波数〔ＭＨｚ〕であり、縦軸はコイルに流れる電流の大きさ〔ｄＢ〕である。曲線ＣＶ４は、コイルの共振周波数が交流電源１１の周波数ｆｄに一致している場合を示す。この場合に、図１０によると、その共振周波数は１０ＭＨｚである。

また、曲線ＣＶ５，ＣＶ６は、コイルの共振周波数が、交流電源１１の周波数ｆｄに対して、高くなった場合または低くなった場合を示す。

図１０において、曲線ＣＶ４では最大の電流が流れるが、曲線ＣＶ５，ＣＶ６ではいずれも電流が低下している。なお、コイルのＱ値が高い場合には、共振周波数のズレによる電流または伝送電力の低下への影響が大きい。

そこで、本実施形態の電力伝送システム１では、送電側制御部１４および受電側制御部２４により、交流電源１１の位相φｖｓ、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流の位相φｉｓ，φｉｊを用いて、共振周波数制御を行う。

ここで、送電側制御部１４は、送電系コイルＳＣに供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓおよび送電系コイルＳＣに流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出し、それらの位相差Δφｓが所定の目標値φｍｓとなるように、送電系コイルＳＣの共振周波数ｆｓを可変する。

すなわち、送電側制御部１４は、電流検出センサＳＥ１、位相検出部１４１，１４２、目標値設定部１４３、フィードバック制御部１４４、および位相送信部１４５を有する。

電流検出センサＳＥ１は、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓを検出する。電流検出センサＳＥ１として、ホール素子、磁気抵抗素子、または検出コイルなどを用いることが可能である。電流検出センサＳＥ１は、例えば電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。

位相検出部１４１は、電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓを検出する。位相検出部１４１は、例えば、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を出力する。この場合に、電圧Ｖｓをそのまま出力してもよく、または適当な抵抗によって分圧して出力してもよい。したがって、位相検出部１４１は、単なる電線により、または１つまたは複数の抵抗器によって構成することも可能である。

位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１からの出力に基づいて、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓを検出する。位相検出部１４２は、例えば、電流Ｉｓの波形に応じた電圧信号を出力する。この場合には、位相検出部１４２は、電流検出センサＳＥ１の出力をそのまま出力してもよい。したがって、電流検出センサＳＥ１が位相検出部１４２を兼ねるようにすることも可能である。

目標値設定部１４３は、位相差Δφｓの目標値φｍｓを設定して記憶する。したがって、目標値設定部１４３には目標値φｍｓを記憶するためのメモリが設けられる。目標値φｍｓとして、後で述べるように、例えば、「−π」、または「−πに適当な補正値ａを加えた値」などが設定される。

なお、目標値φｍｓの設定は、予め記憶された１つまたは複数のデータの中から選択することにより行ってもよく、またＣＰＵやキーボードなどからの指令によって行われるようにしてもよい。

フィードバック制御部１４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓとの位相差Δφｓが、設定された目標値φｍｓとなるように、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを可変する。

位相送信部１４５は、電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓについての情報を、受電側制御部２４に対して例えば無線で送信する。位相送信部１４５は、例えば、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を、アナログ信号としてまたはデジタル信号として送信する。その場合に、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、電圧Ｖｓの波形に応じた電圧信号を整数倍に逓倍して送信してもよい。

受電側制御部２４は、送電系コイルＳＣに供給される電圧ＶＳの位相φｖｓおよび受電系コイルＪＣに流れる電流ＩＪの位相φｉｊを検出し、それらの位相差Δφｊが所定の目標値φｍｊとなるように、受電系コイルＪＣの共振周波数ｆｊを可変する。

すなわち、受電側制御部２４は、電流検出センサＳＥ２、位相受信部２４１、位相検出部２４２、目標値設定部２４３、およびフィードバック制御部２４４を有する。

電流検出センサＳＥ２は、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊを検出する。電流検出センサＳＥ２として、ホール素子、磁気抵抗素子、または検出コイルなどを用いることが可能である。電流検出センサＳＥ２は、例えば電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。

位相受信部２４１は、位相送信部１４５から送信された位相φｖｓについての情報を受信し、その情報を出力する。位相送信部１４５において電圧信号を逓倍した場合には、位相受信部２４１において元に戻すために分周を行う。位相受信部２４１は、例えば、電圧Ｖｓに応じた電圧信号を出力する。

位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２からの出力に基づいて、受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｊの位相φｉｊを検出する。位相検出部２４２は、例えば、電流Ｉｊの波形に応じた電圧信号を出力する。この場合には、位相検出部２４２は、電流検出センサＳＥ２の出力をそのまま出力してもよい。したがって、電流検出センサＳＥ２が位相検出部２４２を兼ねるようにすることも可能である。

目標値設定部２４３は、位相差Δφｊの目標値φｍｊを設定して記憶する。目標値φｍｊとして、後で述べるように、例えば、送電側制御部１４における目標値φｍｓに「−π／２」を加算した値が設定される。つまり目標値φｍｊとして、「−３π／２」が設定される。または、それに適当な補正値ｂを加えた値などが設定される。なお、目標値φｍｊの設定方法などについては、目標値φｍｓの場合と同様である。

フィードバック制御部２４４は、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓと受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊとの位相差Δφｊが、設定された目標値φｍｊとなるように、受電共振コイル２２の共振周波数ｆｊを可変する。

なお、送電側制御部１４における目標値設定部１４３とフィードバック制御部１４４、受電側制御部２４における目標値設定部２４３とフィードバック制御部２４４は、それぞれ共振周波数制御部の例である。

以下において、図３を用いてさらに詳しく説明する。なお、図３において、図２に示した要素と同じ機能を有する要素には、同じ符号を付して説明を省略しまたは簡略化することがある。

図３において、電力伝送システム（電力伝送装置）１Ｂは、送電装置３および受電装置４を有する。

送電装置３は、交流電源１１、電力供給コイル１２および送電共振コイル１３からなる送電系コイルＳＣ、および共振周波数制御部ＣＴｓなどを備える。

受電装置４は、受電共振コイル２２および電力取出コイル２３からなる受電系コイルＪＣ、および共振周波数制御部ＣＴｊなどを備える。

送電側の共振周波数制御部ＣＴｓは、目標値設定部１４３、位相比較部１５１、加算部１５２、ゲイン調整部１５３，１５４、補償部１５５、およびドライバ１５６などを備える。

位相比較部１５１は、電流検出センサＳＥ１で検出された電流Ｉｓの位相φｉｓと、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓとを比較し、それらの差である位相差Δφｓを出力する。

加算部１５２は、位相比較部１５１の出力する位相差Δφｓと、目標値設定部１４３に設定された目標値φｍｓとを加算する。本実施形態では、目標値φｍｓは、目標となる位相差Δφｓに対して正負が逆になるように設定されるので、位相差Δφｓと目標値φｍｓとの絶対値が一致したときに、加算部１５２の出力は０となる。

ゲイン調整部１５３，１５４は、制御が正しく行われるよう、それぞれ入力される値またはデータに対するゲイン（利得）を調整し、またはデータなどの換算を行う。

補償部１５５は、例えば低周波成分に対するゲインを定める。本実施形態の共振周波数制御部ＣＴｓは、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスに対するフィードバック制御を行うサーボ系を構成するとみることができる。したがって、補償部１５５には、サーボ系の安定化、高速化、高精度化を図るための適当なサーボフィルタが用いられる。また、このようなサーボ系においてＰＩＤ動作を行わせるためのフィルタ回路または微分積分回路などが、必要に応じて用いられる。

ドライバ１５６は、コンデンサ１３２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスを駆動し、その静電容量を可変制御するために、コンデンサ１３２に駆動ＫＳｓを出力する。

ＭＥＭＳ可変容量デバイス（ＭＥＭＳ可変キャパシタ）は、例えば、ガラスの基板上に下部電極および上部電極が設けられ、それらの間に印加する電圧による静電吸引力によって撓んで間隔が変化し、それらの間の静電容量が可変される。キャパシタのための電極と駆動のための電極とが別個に設けられることもある。駆動のための電極に印加する電圧と静電容量の変化量との関係が線形でないので、ドライバ１５６においてその変換のための演算またはテーブル換算なども必要に応じて行う。

受電側の共振周波数制御部ＣＴｊは、目標値設定部２４３、位相比較部２５１、加算部２５２、ゲイン調整部２５３，２５４、補償部２５５、およびドライバ２５６などを備える。受電側の共振周波数制御部ＣＴｊの各部の構成および動作は、上に述べた送電側の共振周波数制御部ＣＴｓの各部の構成および動作と同様である。

なお、電力伝送システム１，１Ｂにおける送電側制御部１４、受電側制御部２４、共振周波数制御部ＣＴｓ，ＣＴｊなどは、ソフトウエアまたはハードウエアにより、またはそれらの組み合わせにより、実現することが可能である。例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのメモリ、その他の周辺素子などよりなるコンピュータを用い、適当なコンピュータプログラムをＣＰＵに実行させてもよい。その場合に、適当なハードウエア回路を併用すればよい。

次に、図４〜図７を参照して、電力伝送システム１Ｂにおける共振周波数制御の動作について説明する。

図４〜図７において、それぞれの各図（Ａ）では、横軸は交流電源１１の周波数ｆ〔ＭＨｚ〕であり、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの大きさ〔ｄＢ〕である。各図（Ｂ）では、横軸は交流電源１１の周波数ｆ〔ＭＨｚ〕であり、縦軸は各コイルに流れる電流Ｉの位相φ〔radian〕である。図４〜図７のそれぞれにおいて、図（Ａ）と図（Ｂ）とは対応している。

なお、位相φは、交流電源１１の電圧Ｖｓの位相φｖｓ、つまり電力供給コイル１２に供給される電圧Ｖｓの位相φｖｓを基準とし、その位相差Δφを示している。つまり、位相φｖｓと一致した場合に位相φが０となる。

各曲線に付した符号ＣＡＡ１〜４、ＣＡＢ１〜４、ＣＢＡ１〜４、ＣＢＢ１〜４、ＣＣＡ１〜４、ＣＣＢ１〜４、ＣＤＡ１〜４、ＣＤＢ１〜４において、末尾の数字１、２、３、４は、それぞれ、電力供給コイル１２、送電共振コイル１３、受電共振コイル２２、電力取出コイル２３に対応することを示す。

そして、共振周波数制御において、送電共振コイル１３、または送電共振コイル１３と受電共振コイル２２とを、その共振周波数ｆｓ，ｆｊが１０ＭＨｚとなるように制御する。

これら図４〜図７は、このような条件の下でコンピュータによるシミュレーションを行ってその結果を示したものである。

図４は送電側制御部１４または送電装置３のいずれかのみによって共振周波数制御を行った場合を示し、図５は送電側制御部１４または送電装置３および受電側制御部２４または受電装置４の両方によって共振周波数制御を行った場合を示す。

図４において、送電共振コイル１３について、その共振周波数ｆｓが１０ＭＨｚとなるように、共振周波数制御が行われる。この場合に、交流電源１１の周波数ｆｄを１０ＭＨｚとし、目標値設定部１４３においては目標値φｍｓとして「−π」が設定される。

曲線ＣＡＡ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。

曲線ＣＡＢ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−πとなっている。つまり、目標値φｍｓと一致している。

また、送電共振コイル１３は、電力供給コイル１２からみて直列共振回路と見ることができる。したがって、共振周波数ｆｓよりも低い周波数ｆｄにおいては容量性となって−π／２に近づき、高い周波数ｆｄにおいては誘導性となって−３π／２に近づく。

このように、送電共振コイル１３に流れる電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓの近辺において大きく変化する。位相φｉｓつまり位相差Δφｓが−πとなるように制御することによって、送電共振コイル１３の共振周波数ｆｓを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。

なお、曲線ＣＡＡ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉも、共振周波数ｆｓにおいて最大となる。曲線ＣＡＢ１に示されるように、電力供給コイル１２に流れる電流Ｉの位相φｉは、共振周波数ｆｓの近辺において０または進み位相となり、共振周波数ｆｓから外れると−π／２となる。

図５において、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２について、その共振周波数ｆｓ，ｆｊが１０ＭＨｚとなるように、共振周波数制御が行われる。この場合に、目標値設定部１４３，２４３において、目標値φｍｓとして「−π」が、目標値φｍｊとして「−３π／２」が、それぞれ設定される。

つまり、目標値φｍｊには、目標値φｍｓに−π／２を加算した値「φｍｓ−π／２」、つまり目標値φｍｓよりもπ／２遅れた位相が設定される。

曲線ＣＢＡ２および曲線ＣＢＢ２については、図４における曲線ＣＡＡ２および曲線ＣＡＢ２とほぼ同様である。

曲線ＣＢＡ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊは、交流電源１１の周波数ｆｄと一致する１０ＭＨｚにおいて最大となっている。

曲線ＣＢＢ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−３π／２となっている。つまり、目標値φｍｊと一致している。また、周波数ｆｄが共振周波数ｆｓよりも低くなった場合に、位相差Δφが減少して−π／２に近づき、共振周波数ｆｓよりも高くなった場合に、位相差Δφが増大して−５π／２つまり−π／２に近づく。

このように、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２に流れる電流Ｉｓ，Ｉｊの位相φｉｓ，φｉｊは、共振周波数ｆｓ，ｆｊの近辺において大きく変化する。位相φｉｓ，φｉｊつまり位相差Δφｓ，Δφｊが−πまたは−３π／２となるように制御することによって、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の共振周波数ｆｓ，ｆｊを電圧Ｖｓの周波数ｆｄに高精度で一致させることができる。

このように、本実施形態の電力伝送システム１，１Ｂによると、送電系コイルＳＣおよび受電系コイルＪＣの共振周波数を高速にかつ正確にリアルタイムで制御することができる。

これにより、送電系コイルＳＣおよび受電系コイルＪＣの共振周波数を交流電源１１の周波数ｆｄに正確に一致させることができ、送電装置３から受電装置４に対し常に最大の電力を伝送することが可能である。

そのため、環境要因などの変化があっても、常に最大の電力を伝送することができ、高い効率でエネルギの伝送を行うことができる。

また、本実施形態の共振周波数制御方法によると、交流電源の電圧Ｖｓに対するコイル電流の位相差Δφを基に制御を行うので、スイープサーチ法による場合のように電流の振幅の変動による影響を受けることがなく、正確な制御が行える。

なお、スイープサーチ法では、例えば、送電系コイルＳＣまたは受電系コイルＪＣにおけるＬまたはＣをスイープさせ、コイルの電流値が最大（ピーク）となる位置を試行錯誤的にサーチする。

しかし、このようなスイープサーチ法による場合には次の問題が考えられる。すなわち、
（１）使用状態によってはコイルの電流値が常に変動するので、コイルの電流値の変動（振幅変動）によって誤検出が生じ、正確な調整を行うのが容易でない。
（２）調整のために往復スイープ動作が必要となり、調整に時間を要し、高速なリアルタイム制御が困難である。また、一度調整を行っても、使用環境が変わると再度調整を行う必要があるので、その都度使用を一時停止しなければならない。

しかし、本実施形態の共振周波数制御方法によると、リアルタイムで制御を行っているので、交流電源１１の周波数ｆｄの変動や環境要因などの変動に対して常に補正が行われ、スイープサーチ法による場合のように再調整や一時停止などの必要がない。

また、本実施形態の電力伝送システム１，１Ｂでは、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２のＱ値が高い場合に、両コイルの共振周波数のズレに対する感度が高くなってしまう。

しかし、本実施形態の共振周波数制御方法によると、Ｑ値が高くなることによって、位相φｉｓ，φｉｊの共振周波数の近辺における変化割合が大きくなるので、これによって制御の感度も高くなる。その結果、位相差Δφｓ，Δφｊをより高い精度で目標値φｍｓ，φｍｊに一致させることができ、Ｑ値が高くなることによって一層高い効率の電力伝送を行うことができる。

次に、送電系コイルＳＣと受電系コイルＪＣとの結合が大きくなって双峰特性が現れたときの共振周波数制御（双峰共振制御）について説明する。

図６には、双峰特性が現れた場合であって、双峰共振制御を行っていない場合の、電流Ｉｓ，Ｉｊおよび位相φｉｓ、φｉｊの状態が示されている。

つまり、図６に示す状態は、例えば図５に示す状態で動作しているときに、受電系コイルＪＣが送電系コイルＳＣに近づいて結合が大きくなった場合に現れる。

図５において曲線ＣＢＡ２，ＣＢＡ３，に示すように単峰であったものが、図６においては、曲線ＣＣＡ２，ＣＣＡ３に示すように双峰となっている。これにより、共振周波数である１０ＭＨｚにおいて、曲線ＣＣＡ４に示すように、電力取出コイル２３から取り出される電流が低下し、伝送電力が減少する。

そこで、双峰共振制御では、２つあるピークのうちの１つのピークが、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて現れるように、送電系コイルＳＣおよび受電系コイルＪＣの共振周波数をシフトさせる。

そのため、通常の共振周波数制御では目標値φｍｊとして「−３π／２」が設定されたが、双峰共振制御では、目標値φｍｊとしてさらに−π／２を加算した位相、つまりさらにπ／２だけ遅れた位相である「−２π」を設定する。つまり、目標値φｍｊを、「−３π／２」から「−２π」に切り替える。

このように、双峰共振制御においては、目標値設定部２４３の目標値φｍｊとして、「−２π」が設定される。

目標値設定部１４３の目標値φｍｓは、「−π」のままで変わらない。したがって、目標値φｍｓと目標値φｍｊとの差が、双峰共振制御になることによって、−π／２から−πに切り替わる。

図７において、曲線ＣＤＢ２に示されるように、送電共振コイル１３の電流Ｉｓの位相φｉｓは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−πとなっている。また、曲線ＣＤＢ３に示されるように、受電共振コイル２２の電流Ｉｊの位相φｉｊは、共振周波数ｆｓである１０ＭＨｚにおいて、−２πとなっている。

曲線ＣＤＡ２，ＣＤＡ３，ＣＤＡ４に示されるように、いずれの電流Ｉも双峰共振制御によって増大している。例えば、曲線ＣＤＡ４において、通常の共振周波数制御においては電流が約−３０ｄＢであったものが、双峰共振制御においては約−２０ｄＢとなり、約１０ｄＢ増大している。

図８には、送電共振コイル１３と受電共振コイル２２との距離を、２００ｍｍから１００ｍｍの間で変化させた場合の、電力取出コイル２３から取り出される電力の変化の状態が示されている。

なお、図８は、コイルの直径を１００ｍｍとし、電力供給コイル１２と送電共振コイル１３との間隔を５０ｍｍ、受電共振コイル２２と電力取出コイル２３との間隔を４０ｍｍとしてシミュレーションを行った結果である。電力取出コイル２３の負荷であるデバイス２１として、１０Ωの抵抗器を接続した。

図８において、曲線ＣＵ１は通常の共振周波数制御と双峰共振制御とを切り替えた場合、曲線ＣＵ２は双峰共振制御を行わなかった場合を、それぞれ示す。

双峰共振制御を行わない場合には、曲線ＣＵ２に示されるように、コイル間の距離が近づくにつれて電力が低下する。これに対し、曲線ＣＵ１に示されるように、コイル間の距離が１４０ｍｍ程度に近づいたときに双峰共振制御に切り替えると、電力は低下することなく、却って増大する。

なお、通常の共振周波数制御と双峰共振制御とを自動的に切り替える方法として、種々の方法が考えられる。

例えば、図１１に示すように、目標値設定部２４３Ｃに、通常の共振周波数制御のための目標値φｍｊ１と、双峰共振制御のための目標値φｍｊ２とを記憶しておく。そして、双峰特性が現れたことを検出するための双峰検出部２４５を設ける。

目標値設定部２４３Ｃは、通常の共振周波数制御においては目標値φｍｊ１を目標値φｍｊとして出力するが、双峰検出部２４５が検出信号Ｓ１を出力したときには、目標値φｍｊ２を目標値φｍｊとして出力する。これによって、通常の共振周波数制御と双峰共振制御とが自動的に切り替えられる。

なお、双峰検出部２４５は、例えば、伝送電力が所定量よりも低下したこと、または、受電系コイルＪＣの距離が所定よりも近づいたことなどを検出するものでもよい。または、適当なタイミングで、２つの目標値φｍｊ１，φｍｊ２を切り替えて出力し、電力の大きい方の目標値φｍを選択するようにしてもよい。

次に、本実施形態の電力伝送システム１，１Ｂにおける共振周波数制御について、フローチャートを参照して説明する。

図１２において、交流電源１１の位相φｖｓを検出し（＃１１）、送電共振コイル１３および受電共振コイル２２の位相φｉｓ，φｉｊを検出し（＃１２）、位相差Δφｓ，Δφｊを求める（＃１３）。

そして、位相差Δφｓ，Δφｊが目標値φｍｓ，φｍｊと一致するように、フィードバック制御を行う（＃１４）。

図１３において、フィードバック制御では、双峰特性が現れたか否かによって（＃２１）、目標値φｍｊ２，φｍｊ１を切り替える（＃２２、２３）。

このように、双峰特性が現れたときに双峰共振制御を行うことにより、伝送電力の低下を抑制することができ、電力伝送の効率を向上させることができる。

したがって、通常の共振周波数制御と、双峰特性が現れた場合の双峰共振制御とを、切り替えて行うことにより、送電装置３から受電装置４に対し常に最大の電力を伝送することができ、高い効率でエネルギの伝送を行うことができる。

上に述べた各実施形態においては、目標値φｍｓとして−πを、目標値φｍｊとして−３π／２または−２πを設定した。目標値φｍｓとして設定された「−π」は、目標値「β」の例である。また、目標値φｍｊとして設定された「−３π／２」および「−２π」は、それぞれ目標値「β−π／２」「β−π」の例である。

これら目標値φｍｓ，φｍｊは、送電側制御部１４、受電側制御部２４、フィードバック制御部１４４，２４４、共振周波数制御部ＣＴｓ，ＣＴｊの構成に応じて、種々変更することが可能である。

なお、本実施形態では、位相および位相差をラジアン（radian) で表した。位相または位相差をα〔radian〕としたとき、これは（α＋２ｎπ）〔radian〕と等価である。ｎは任意の整数である。また、位相および位相差をラジアンではなく、度で表してもよい。

また、目標値φｍｓ，φｍｓの設定に際し、それらの値に補正値ａ，ｂを加えてもよいことを述べた。そのような補正値ａ，ｂは、例えば、実際に最大の電力が得られるように決めればよい。

上に述べた実施形態において、位相検出部１４１，１４２の構成は種々変更することが可能である。つまり、電圧波形または電流波形であってもよく、位相を示す値またはデータなどであってもよい。つまり電圧Ｖｓまたは電流Ｉｓについての位相情報を含んだ信号またはデータであればよい。

上に述べた実施形態において、加算部１５２とゲイン調整部１５３、および加算部２５２とゲイン調整部２５３は、それぞれ演算部の例である。ドライバ１５６，２５６によってコンデンサ１３２，２２２であるＭＥＭＳ可変容量デバイスを駆動したが、他の形態のコンデンサを駆動するようにしてもよい。また、ドライバ１５６によって、コンデンサではなく、コイルのインダクタンスを可変するように駆動してもよい。

上に述べた実施形態において、送電系コイルＳＣ、受電系コイルＪＣ、送電側制御部１４、受電側制御部２４、フィードバック制御部１４４，２４４、共振周波数制御部ＣＴｓ，ＣＴｊ、送電装置３、受電装置４、電力伝送システム１，１Ｂの各部または全体の構成、構造、回路、形状、個数、配置などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。

上に述べた実施形態の電力伝送システム（電力伝送装置）１，１Ｂは、例えば、携帯電話、モバイルコンピュータ、および携帯音楽プレーヤなどのモバイル機器に内蔵した二次電池の充電、または、自動車などの輸送機器の二次電池の充電などに適用することが可能である。

Claims (16)

1. 送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法において、
   前記送電系コイルに供給される電圧の位相および前記送電系コイルまたは前記受電系コイルに流れる電流の位相を検出し、それらの位相差が目標値となるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変する、
   磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法。
2. 前記送電系コイルは、交流電源が接続される電力供給コイル、および前記電力供給コイルと電磁的に密に結合した送電共振コイルを有し、
   前記受電系コイルは、受電共振コイル、および前記受電共振コイルと電磁的に密に結合した電力取出コイルを有しており、
   前記交流電源の電圧と前記送電共振コイルの電流との位相差が目標値βとなるように、前記送電共振コイルの共振周波数を可変し、
   前記交流電源の電圧と前記受電共振コイルの電流との位相差が目標値（β−π／２）となるように、前記受電共振コイルの共振周波数を可変する、
   請求項１記載の磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法。
3. 前記目標値βは、−πである、
   請求項２記載の磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法。
4. 前記送電系コイルと前記受電系コイルとの結合度が大きくなって双峰特性が現れたときに、前記交流電源の周波数において電流のピークが現れるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変する、
   請求項１記載の磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法。
5. 前記送電系コイルは、交流電源が接続される電力供給コイル、および前記電力供給コイルと電磁的に密に結合した送電共振コイルを有し、
   前記受電系コイルは、受電共振コイル、および前記受電共振コイルと電磁的に密に結合した電力取出コイルを有しており、
   前記送電共振コイルと前記受電共振コイルとの結合度が大きくなって双峰特性が現れたときに、
   前記交流電源の電圧と前記送電共振コイルの電流との位相差が目標値βとなるように、前記送電共振コイルの共振周波数を可変し、
   前記交流電源の電圧と前記受電共振コイルの電流との位相差が目標値（β−π）となるように、前記受電共振コイルの共振周波数を可変する、
   請求項１記載の磁界共鳴型電力伝送システムにおける共振周波数制御方法。
6. 送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送装置において、
   前記送電系コイルに供給される電圧の位相および前記送電系コイルまたは前記受電系コイルに流れる電流の位相を検出する位相検出部と、
   検出されたそれらの位相の位相差が目標値となるように、前記送電系コイルまたは前記受電系コイルの共振周波数を可変する共振周波数制御部と、
   を有する磁界共鳴型電力伝送装置。
7. 送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置であって、
   前記送電系コイルに供給される電圧の位相および前記送電系コイルに流れる電流の位相を検出する送電系位相検出部と、
   検出されたそれら位相の位相差が目標値となるように、前記送電系コイルの共振周波数を可変する送電系共振周波数制御部と、
   を有する磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。
8. 前記送電系コイルは、交流電源が接続される電力供給コイルと、前記電力供給コイルと電磁的に密に結合した送電共振コイルとを有し、
   前記送電系共振周波数制御部は、
   前記目標値を設定して記憶する目標値設定部と、
   前記交流電源の電圧と前記送電共振コイルの電流との位相差が設定された前記目標値となるように、前記送電共振コイルの共振周波数を可変するフィードバック制御部と、を有する、
   請求項７記載の磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。
9. 前記フィードバック制御部は、
   前記電圧の位相と前記電流の位相とを比較し、それらの差である位相差を出力する位相比較部と、
   前記位相比較部の出力する位相差と、前記目標値設定部に設定された目標値とを演算する演算部と、
   前記送電共振コイルにおけるインダクタンスまたは静電容量を可変するために駆動するドライバと、を含む、
   請求項８記載の磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。
10. 前記目標値設定部は、前記目標値として−πを設定する、
    請求項８または９記載の磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。
11. 前記送電系コイルに供給される電圧の位相に関する情報を無線で送信する位相情報送信部を有する、
    請求項７ないし１０のいずれかに記載の磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。
12. 送電系コイルから受電系コイルへ磁界共鳴を利用して電力を伝送する磁界共鳴型電力伝送装置における受電装置であって、
    前記送電系コイルに供給される電圧の位相に関する情報を受信する位相情報受信部と、
    前記受電系コイルに流れる電流の位相を検出する受電系位相検出部と、
    前記位相情報受信部によって受信された電圧の位相と検出された電流の位相との位相差が目標値となるように、前記受電系コイルの共振周波数を可変する受電系共振周波数制御部と、
    を有する磁界共鳴型電力伝送装置における受電装置。
13. 前記受電系コイルは、受電共振コイル、および前記受電共振コイルと電磁的に密に結合した電力取出コイルを有し、
    前記受電系共振周波数制御部は、
    前記目標値を設定して記憶する目標値設定部と、
    前記位相情報受信部によって受信された電圧の位相と検出された電流の位相との位相差が前記目標値となるように、前記受電共振コイルの共振周波数を可変するフィードバック制御部と、を有する、
    請求項１２記載の磁界共鳴型電力伝送装置における受電装置。
14. 前記フィードバック制御部は、
    前記電圧の位相と前記電流の位相とを比較し、それらの差である位相差を出力する位相比較部と、
    前記位相比較部の出力する位相差と、前記目標値設定部に設定された目標値とを演算する演算部と、
    前記受電共振コイルにおけるインダクタンスまたは静電容量を可変するために駆動するドライバと、を含む、
    請求項１３記載の磁界共鳴型電力伝送装置における受電装置。
15. 前記目標値設定部は、前記目標値として−３π／２を設定する、
    請求項１３または１４記載の磁界共鳴型電力伝送装置における受電装置。
16. 前記目標値設定部は、前記送電系コイルと前記受電系コイルとの結合度が大きくなって双峰特性が現れたときに、前記目標値を切り替えて−２πに設定する、
    請求項１３記載の磁界共鳴型電力伝送装置における送電装置。

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