JPWO2013133028A1 - 電力伝送システム - Google Patents

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Abstract

送電コイル（Ｌｐ）に直列に接続された共振キャパシタ（Ｃｒ）を含む送電装置側共振回路と、受電コイル（Ｌｓ）に直列に接続された共振キャパシタ（Ｃｒｓ）を含む受電装置側共振回路とを共鳴させることによりそれぞれが共振し、そのことにより送電コイル（Ｌｐ）と受電コイル（Ｌｓ）との間で磁界共鳴結合と電界共鳴結合を利用して電力伝送を行う。共振現象を利用することで有効電力のみを送電装置側から受電装置側へ伝送し、反射した無効電力は送電装置側と受電装置側のそれぞれの共振回路において共振エネルギーとして保存される。

Description

本発明は、電力送電装置と電力受電装置とで構成される電力伝送システムに関するものである。
近年、電子機器の小型軽量化および低消費電力化、さらには電池容量の増大化に伴い、電池駆動の電子機器が増加している。また、近距離では機器間のデータ通信を無線で行う利用形態も増えている。これらの事情に伴って電力についても非接触での伝送技術が要求されている。
従来の非接触型の充電システムは、例えば特許文献１に示されるように、充電台等に一次側コイルを備える送電装置と、二次コイルおよび充電電池を備えた携帯電子機器とで構成されていて、ユーザは携帯電子機器を送電装置に載置する。これにより、送電装置の一次側コイルと携帯電子機器の二次側コイルとが電磁誘導結合（磁界結合）して充電装置側へ電力が供給され、二次電池が充電される。
特開２００８−２０６３２７号公報
しかしながら、特許文献１の電力伝送システムにおいては、送電コイルと受電コイルとは電磁誘導を利用した絶縁トランスとして作用し、磁気結合を利用した変圧器として利用しているに過ぎない。電磁誘導を利用したトランスでは、１次巻線に流れる電流により発生した磁束を２次巻線に鎖交させて電流を流し、電気から磁気、そして電気へと効率よく変換することが重要となっている。一般に、１次巻線に流れる電流により発生した磁束のうち、２次巻線と鎖交する磁束の割合は（磁気）結合度と呼ばれ、電磁誘導を利用したトランスでは、電力変換効率を高めるためには磁気結合度を如何に高めるかが重要となっている。しかしながら、磁気飽和を防止するため、または物理的な制約により、トランスの磁気結合度を大きくすることが困難な場合も多く、結果的に高い電力変換効率が得られないという結果となっている。
また、一般に電力伝送システムでは、インピーダンスマッチングを行なって電力を伝送するため、制御においては動作周波数を変化させる。一方、電子機器では機器ごとに使用できる周波数帯域が決められている。そのため、EMC（電磁両立性）や伝送エネルギーの制御性などを考えると固定周波数で動作することが好ましい。
本発明は、装置を大型化することなく電力伝送時の電力変換効率を高めた電力伝送システムを提供することを目的としている。
本発明の電力伝送システムは次のように構成される。
（１）送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスで電磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
（２）送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
（３）送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、送電装置側共振キャパシタとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振インダクタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
前記受電装置は、受電装置側共振キャパシタとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振インダクタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互キャパシタンスで電界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする。
（４）前記受電装置は、前記受電装置側整流回路の出力情報を検出して前記送電装置側に前記出力情報を伝送する情報送信回路を備え、
前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を制御する伝送電力制御回路とを備えることが好ましい。
（５）例えば、前記情報送信回路は、無線通信で前記出力情報を送信する回路であり、
前記出力情報受信回路は無線通信で前記出力情報を受信する回路である。
（６）また例えば、前記情報送信回路は、電気信号を光信号に変換して前記出力情報を送信する回路であり、
前記出力情報受信回路は光信号を電気信号に変換して前記出力情報を受信する回路である。
（７）例えば、前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路をオン／オフするスイッチング周波数を変化させる周波数制御PFM（Pulse Frequency Modulation）により伝送電力を制御するように構成してもよい。
（８）また例えば、前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路を固定のスイッチング周波数でオン／オフして、時比率を制御するPWM（Pulse Width Modulation）により共鳴電流の波形を理想的な正弦波に対して歪ませることで伝送電力を制御するように構成してもよい。
（９）前記受電装置側整流回路はスイッチ素子を備えた同期整流回路であることが好ましい。
（１０）前記受電装置は、前記同期整流回路の動作周波数（スイッチング周波数）を制御する動作周波数制御回路を備え、前記動作周波数によって受電電力を制御するように構成することが好ましい。
（１１）前記受電装置は、該受電装置側の回路を制御する制御回路を備え、該制御回路は、前記受電装置が受電した電力によって動作するように構成することが好ましい。
（１２）前記受電装置側整流回路の出力部から電力が伝送されるとき、前記受電装置側整流回路は前記送電装置側交流電流発生回路として作用するとともに、前記送電装置側交流電流発生回路は前記受電装置側整流回路として作用し、そのことで双方向に電力伝送が可能であることが好ましい。
（１３）前記送電コイルまたは前記受電コイルに対して並列に共振キャパシタを備えていることが好ましい。
（１４）前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される電界共鳴による等価的なキャパシタンスとなる浮遊容量で構成されていることが好ましい。
（１５）前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される等価的な相互キャパシタンスで構成されていることが好ましい。
（１６）例えば、前記送電コイルおよび前記受電コイルは空心のインダクタである。
（１７）前記相互インダクタンスは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁界共鳴結合により生じる等価的な励磁インダクタンスであることが好ましい。
（１８）前記送電コイルもしくは前記受電コイルのインダクタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れインダクタンスを前記送電装置側共振回路または前記受電装置側共振回路を構成するインダクタとして用いることが好ましい。
（１９）前記送電装置側交流電流発生回路は、前記送電コイルと前記スイッチ回路をそれぞれ複数備え、前記送電コイルと前記スイッチ回路がそれぞれ電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行うことが好ましい。
（２０）前記送電装置側交流電流発生回路は、前記スイッチ回路を複数備えており、前記送電コイルに前記複数のスイッチ回路が電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行うことが好ましい。
本発明によれば、送電装置側と受電装置側の双方にＬＣ共振回路を備え、２つのＬＣ共振回路を共鳴させて、送電コイルと受電コイルとの間で磁界または電界または双方の共鳴結合を利用して電力伝送を行うことができる。また、共振現象を利用することで有効電力のみを送電装置側から受電装置側へ伝送し、電力伝送されずに反射した無効電力は送電装置側と受電装置側のそれぞれのＬＣ共振回路において循環して共振エネルギーとして保存されるため電力損失を非常に小さくすることができる。
図１は第１の実施形態の電力伝送システム１１１の回路図である。 図２は、図１に示した電力伝送システム１１１の各部の電圧電流波形図である。 図３（Ａ）は、図１に示した電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタＣｒ、Ｃｒｓで構成される電磁界共鳴結合回路を含めた複共振回路の回路図である。図３（Ｂ）はその等価回路図である。 図４は第２の実施形態の電力伝送システム１１２の回路図である。 図５は第３の実施形態の電力伝送システム１１３の回路図である。 図６は第４の実施形態の電力伝送システム１１４の回路図である。 図７は第５の実施形態の電力伝送システム１１５の回路図である。 図８は第６の実施形態の電力伝送システム１１６の回路図である。 図９は第７の実施形態の電力伝送システム１１７の回路図である。 図１０は第８の実施形態の電力伝送システム１１８の回路図である。 図１１は第９の実施形態の電力伝送システム１１９の回路図である。 図１２は第１０の実施形態の電力伝送システム１２０の回路図である。 図１３は第１１の実施形態の電力伝送システム１２１の回路図である。 図１４は第１２の実施形態の電力伝送システム１２２の回路図である。 図１５は第１３の実施形態の電力伝送システム１２３の回路図である。 図１６は第１３の実施形態の別の構成例である電力伝送システム１２３Ａの回路図である。 図１７は第１４の実施形態の電力伝送システム１２４の回路図である。 図１８は第１５の実施形態の電力伝送システム１２５の回路図である。 図１９は第１６の実施形態の電力伝送システム１２６の回路図である。 図２０は第１７の実施形態の電力伝送システム１２７の回路図である。 図２１は第１８の実施形態の電力伝送システム１２８の回路図である。 図２２は第１９の実施形態の電力伝送システム１２９の回路図である。 図２３は第２０の実施形態の電力伝送システム１３０の回路図である。 図２４は第２１の実施形態の電力伝送システムで用いられる送電コイルおよび受電コイルの例である。 図２５は第２２の実施形態の電力伝送システムにおいて、負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスの周波数特性を示す図である。 図２６は、第２２の実施形態の電力伝送システムの各部の電圧電流波形図である。
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態の電力伝送システム１１１の回路図である。
電力伝送システム１１１は電力送電装置ＰＳＵと電力受電装置ＰＲＵとで構成されている。
この電力伝送システム１１１は、電力送電装置ＰＳＵの入力部に入力電源Ｖｉを備え、電力受電装置ＰＲＵの負荷Ｒｏへ安定した直流のエネルギーを供給するシステムである。
送電装置ＰＳＵは、送電コイルＬｐ、送電コイルＬｐとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタＣｒ，Ｃｐと、送電コイルＬｐに接続されて、スイッチ素子Ｑ１、ダイオードＤｄｓ１およびキャパシタＣｄｓ１の並列接続回路で構成されたスイッチ回路Ｓ１、ならびに入力される直流電圧から、送電コイルＬｐに流す交流電流に対して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタＬｆを備え、送電コイルＬｐに流す交流電流を発生させる送電装置側交流電流発生回路（Ｌｆ，Ｓ１，Ｃｒ，Ｃｐ，Ｌｐ）を備えている。インダクタＬｆのインダクタンス値は、送電コイルＬｐのインダクタンス値よりも十分に大きく、スイッチング周波数において高インピーダンスとなるものであり、流れる電流の変動は十分に小さい。
受電装置ＰＲＵは、受電コイルＬｓ、受電コイルＬｓとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタＣｒｓ，Ｃｓと、受電コイルＬｓに接続されて、該受電コイルＬｓに生じる交流電流を整流する、インダクタＬｆｓ、スイッチ回路Ｓ２およびキャパシタＣｏで構成される受電装置側整流回路（Ｌｆｓ，Ｓ２，Ｃｏ）とを備えている。スイッチ回路Ｓ２はスイッチ素子Ｑ２、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されている。
また、送電装置ＰＳＵにはスイッチ素子Ｑ１を制御するスイッチング制御回路１０が設けられている。受電装置ＰＲＵにはスイッチ素子Ｑ２を制御するスイッチング制御回路２０および伝送制御回路５０が設けられている。伝送制御回路５０は、スイッチ素子Ｑ１に対するスイッチング制御信号（同期信号）をスイッチング制御回路１０から受信し、また電力受電装置ＰＲＵの受電電力を制御するためにスイッチング制御回路１０へ与える制御信号を発生する。
スイッチング制御回路１０と伝送制御回路５０とは信号伝達手段３０により電気的に絶縁状態で伝送される。
送電コイルＬｐ、受電コイルＬｓおよび共振キャパシタＣｐ，Ｃｓは電磁界共鳴結合回路９０を構成している。この電磁界共鳴結合回路９０および共振キャパシタＣｒ，Ｃｒｓにより複共振回路４０が構成されている。
この電力伝送システム１１１の特徴的な構成および作用は次のとおりである。
（１）送電コイルＬｐおよび受電コイルＬｓを用いた電力伝送システムである。
（２）送電コイルＬｐおよび受電コイルＬｓの電流は互いに共鳴し、共鳴結合を形成して電力伝送する。
（３）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間で電磁界共鳴結合を形成する。
（４）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間で磁界共鳴結合を形成する。
（５）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間で電界共鳴現象を形成する。
（６）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓを含めた複共振回路が有する共鳴周波数に対して、スイッチング周波数を高く設定してスイッチング動作をさせることにより、スイッチ素子においてＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）動作を行うことが可能である。
（７）スイッチング周波数ｆｓとＬＣ複共振回路（Ｌｒ−Ｃｒ、Ｌｒｓ−Ｃｒｓ）とが共鳴して共振することにより電力伝送を行う。送受電回路の共振回路における共鳴現象により電力伝送する。
（８）出力を検出して、送電装置側に帰還回路を用いて情報を伝達し、送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を調整する。
（９）帰還回路に無線通信機器を用いて出力情報を送電装置側に伝達する。
（１０）帰還回路に光電素子を用いて出力情報を送電装置側に伝達する。
（１１）スイッチング周波数を変化させて周波数制御ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）により伝送電力を制御する。
（１２）スイッチ素子のオン時比率を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により伝送電力を制御する。
（１３）受電装置側の同期整流回路により整流損失を低減する。
（１４）受電装置側の同期整流回路の動作を制御する。
（１５）受電装置側は、受電した電力により制御回路を動作させることができる。
（１６）双方向の電力伝送が可能である。
（１７）後に示すように、順方向と逆方向とでスイッチング周波数を切り替えることができ、順方向または逆方向のそれぞれにおいて、適切なスイッチング周波数を選択して送電電力を制御し、誤った方向に送電する誤動作を防止することができる。
（１８）送電コイルまたは受電コイルのインダクタンス成分のうち、結合に関与しない漏れインダクタンスを送電装置側共振回路または受電装置側共振回路を構成するインダクタとして用いる。
（１９）送電コイルＬｐまたは受電コイルＬｓに並列に備えたキャパシタは、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間に形成される相互キャパシタンスと整合させることができる。
（２０）相互キャパシタンスは、送電コイルと受電コイルとの間に形成される電界共鳴結合による等価的なキャパシタンスとなる浮遊容量を用いることができる。
（２１）共振キャパシタＣｐ，Ｃｓには、送電コイルまたは受電コイルの巻線の両端に形成される電界共鳴により形成される等価的な浮遊容量を用いることができる。
（２２）送電コイルと受電コイルが形成する磁路にフェライトなどの磁性体を用いて電磁界共鳴結合を形成して、効率よく電力送電を行うことができる。
（２３）相互インダクタンスは、送電コイルと受電コイルとの間に形成される磁気共鳴結合による等価的なインダクタンスとなる励磁インダクタンスを用いることができる。
図１に示した電力伝送システム１１１の動作は次のとおりである。
スイッチ素子Ｑ１が、スイッチング制御回路１０の制御によりオンオフすることにより送電装置側交流電流発生回路は送電コイルＬｐに交流電流を流す。一方、スイッチ素子Ｑ２がスイッチング制御回路２０の制御によりオンオフすることにより、受電コイルＬｓに電圧を誘起して流れる電流を直流に整流する。スイッチング制御回路２０は、スイッチング制御回路１０から伝送制御回路５０を介してスイッチ素子Ｑ１に対するスイッチング制御信号（同期信号）を受信し、スイッチ素子Ｑ２の同期整流制御を行う。図１に示す第１の実施形態の電力伝送システム１１１では、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２にＭＯＳＦＥＴなどの、寄生の出力容量や寄生ダイオードを有するスイッチ素子を用い、この寄生出力容量や寄生ダイオードを利用してスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２を構成している。
伝送制御回路５０は、負荷Ｒｏへの出力（電圧、電流、または電力）を検出し、信号伝達手段３０を介して送電装置ＰＳＵ側にフィードバック情報を伝達する。
図１において太い破線で囲んだ部分は電磁界共鳴結合回路９０、細い破線で囲んだ部分は複共振回路４０を構成している。図１に示すパラメータＭｌは磁界共鳴結合の相互係数、すなわち相互インダクタンスの存在を示したものであり、Ｍｃは電界共鳴結合の相互係数、すなわち相互キャパシタンスの存在を示したものである。相互インダクタンスＭｌと相互キャパシタンスＭｃとの合成により電磁界共鳴結合としての相互係数Ｍは構成される。この電磁界共鳴結合回路９０を含めた複共振回路４０は、送電装置側と受電装置側の２つのＬＣ共振回路で共鳴動作する。
送電装置ＰＳＵの共振キャパシタＣｒと、これに直列接続される等価的な共振インダクタ（Ｌｒ：このＬｒについては後に等価回路で説明する。）とによって送電装置側共振回路が構成される。同様に、受電装置ＰＲＵの共振キャパシタＣｒｓと、これに直列接続される等価的なインダクタンス（Ｌｒｓ：このＬｒｓについても後に等価回路で説明する。）とによって受電装置側共振回路が構成される。この送電装置側の共振回路と受電装置側の共振回路とが共鳴することによりそれぞれが共振し、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間で相互インダクタンスによる磁界と相互キャパシタンスによる電界の２つの共鳴結合により電力伝送が行われる。
なお、キャパシタＣｐ、Ｃｓは電磁界共鳴結合での電力伝送を促進する。すなわち、キャパシタＣｐ、Ｃｓ、そして後に等価回路で示す相互キャパシタンス（Ｃｍ）とでπ型の電界共鳴結合による電力伝送回路を構成して電力を伝送する。この相互キャパシタンスＣｍは、共振キャパシタＣｒ、Ｃｒｓとも電界共鳴結合による電力伝送回路を構成している。
共振キャパシタＣｒ、Ｃｒｓは共に直流電圧を保持したり、直流電流を遮断したりするためのキャパシタを兼ねている。送電装置ＰＳＵ側ではスイッチ素子Ｑ１のオン期間に共振キャパシタＣｒを充電し、スイッチ素子Ｑ１のオフ期間に共振キャパシタＣｒを放電する。一方、受電装置ＰＲＵ側では、スイッチ素子Ｑ２がオンして受電コイルＬｓに発生する電圧に共振キャパシタＣｒｓの電圧を加えて共振キャパシタＣｒｓを放電しながら負荷Ｒｏにエネルギーを供給し、受電コイルＬｓに発生する電圧によりインダクタＬｆｓを介して共振キャパシタＣｒｓを充電して静電エネルギーを蓄える。つまり、スイッチ素子Ｑ２もしくはＱ１それぞれの導通期間に発生する受電コイルＬｓの電圧を加算して負荷Ｒｏにエネルギーを出力する。
スイッチ素子Ｑ１のスイッチング周波数ｆｓで送電装置側と受電装置側の２つの共振回路は共鳴する。電磁界共鳴結合回路９０を含めた送電装置側と受電装置側の２つの共振回路から複共振回路４０は構成される。複共振回路４０は、複共振回路４０の合成インピーダンスのリアクタンスが０付近となり、合成インピーダンスの大きさが最も小さくなる共鳴周波数ｆｒを有しており、スイッチング周波数ｆｓと共鳴周波数ｆｒとが近づいて共振することにより、それぞれ２つの共振回路に流れる電流は大きくなり、出力電力は増加する。すなわち、電磁界共鳴結合回路を含めた送電装置側共振回路と受電装置側共振回路とを合成した全体の複共振回路４０が有する共鳴周波数ｆｒよりも高いスイッチング周波数ｆｓでスイッチ素子をオンオフ動作させ、スイッチング周波数ｆｓが共鳴周波数ｆｒに近づいて共振することにより、複共振回路に流入する電流は大きくなり、出力電力は増加する。
したがって、送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスで電磁界共鳴結合回路９０が構成されて、送電装置側共振回路と受電装置側共振回路とが共鳴して、送電装置から受電装置へ電力が伝送される。一方、送電装置から送電されずに反射したエネルギー（無効電力）は送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存される。また、受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギー（無効電力）も受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存される。このように入射電力に対して透過電力とならない反射電力をエネルギー損失とすることなく、共振エネルギーとして保存することができる。
図２は、図１に示した電力伝送システム１１１の各部の電圧電流波形図である。図１、図２を参照して、スイッチング周期における各状態での動作を以下に示す。
［１］状態１ 時刻ｔ１〜ｔ２
送電装置側では、スイッチ素子Ｑ１に流れる電流id1は負電流となり、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ１の両端のダイオードＤｄｓ１が導通する。送電コイルＬｐと共振キャパシタＣｒ、および受電コイルＬｓと共振キャパシタＣｒｓには共振電流が流れる。
受電装置側では、共振電流が同期整流スイッチ素子Ｑ２により整流され、整流平滑された電流が負荷に供給され、電力が伝送される。
スイッチ素子Ｑ１に流れる電流id1が正電流となると状態２となる。
［２］状態２ 時刻ｔ２〜ｔ３
スイッチ素子Ｑ１に流れる電流id1は正電流となり、ダイオードＤｄｓ１が非導通となって、スイッチ素子Ｑ１のみに電流が流れる。送電コイルＬｐと共振キャパシタＣｒ、および受電コイルＬｓと共振キャパシタＣｒｓには共振電流が流れる。
受電装置側では、共振電流が同期整流スイッチ素子Ｑ２により整流され、整流平滑された電流が負荷に供給され、電力が伝送される。
スイッチ素子Ｑ１がターンオフすると状態３となる。
［３］状態３ 時刻ｔ３〜ｔ４
スイッチ素子Ｑ１の両端のキャパシタＣｄｓは共振をはじめ、まずは充電されて、ピーク電圧を越えると放電する。電圧vds1が0Vになると状態４となる。
［４］状態４ 時刻ｔ４〜ｔ１
電流id1は負電流となり、ダイオードＤｄｓ１が導通する。この期間においてスイッチ素子Ｑ１をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルＬｐと共振キャパシタＣｒ、および受電コイルＬｓと共振キャパシタＣｒｓには共振電流が流れる。
受電装置側では、共振電流が同期整流スイッチ素子Ｑ２により整流され、整流平滑された電流が負荷に供給され、電力が伝送される。
スイッチ素子Ｑ１がターンオンすると状態１となる。
以降、状態１〜４を周期的に繰り返す。
図３（Ａ）は、図１に示した電磁界共鳴結合回路９０と共振キャパシタＣｒ、Ｃｒｓで構成される等価的な電磁界共鳴結合を含めた複共振回路４０の回路図である。図３（Ｂ）はその等価回路図である。ここで、相互インダクタンスＬｍは、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの磁界共鳴結合により電力を伝送する等価的なインダクタとして示され、相互キャパシタンスＣｍは、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの電界共鳴結合により電力を伝送する等価的なキャパシタとして示される。
共鳴現象により、電磁界共鳴結合回路への入力電流ｉac in (t)は、共振電流の振幅をIacとして、近似的に次式で表すことができる。
ｉacin (t) ＝Ｉacsin(ωsｔ)
但し、ωs＝２π／Ｔｓ
端子１−１’間には正弦波電流ｉac in (t)が与えられる。端子１−１’間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流波形はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流波形のみが流れ、効率良く電力を伝送することができる。
第１の実施形態によれば次のような効果を奏する。
（１）離れた場所に直接的に給電する電力伝送システムを構成することができ、複数の電力変換機構を削減して非常に簡素に構成でき、電力伝送システム装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
（２）送受電回路のそれぞれの共振回路において起こる共鳴現象により電力伝送を行うことで、電磁誘導による電力伝送よりも高効率、長距離の電力伝送が可能となる。
（３）送電コイルと受電コイルとの間で形成される磁界共鳴結合だけでなく電界共鳴結合をも利用して電力伝送を行うことで、磁界共鳴結合だけの場合より効率良く電力を伝送することができる。
（４）送電コイルと受電コイルとの間に形成される電磁界共鳴結合により形成される等価的な相互キャパシタンスと相互インダクタンスに共鳴電流を流すことで互いに共鳴して電力伝送を行うことができる。
（５）送電コイルと受電コイルとの間に形成される磁界共鳴結合により形成される等価的な相互インダクタンスに共鳴電流を流すことで互いに共鳴して電力伝送を行うことができる。
（６）送電コイルと受電コイルとの間に形成される電界共鳴結合により形成される等価的な相互キャパシタンスに共鳴電流を流すことで互いに共鳴して電力伝送を行うことができる。
（７）送電コイルと受電コイルのインダクタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れインダクタンスを送電装置側共振回路または受電装置側共振回路を構成する等価的なインダクタとして用いることができる。そのため、共振インダクタの部品が不要になり、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（８）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓは、それぞれ電界共鳴により等価的なキャパシタを形成し、共振キャパシタとして利用することができる。そのため、キャパシタンスの部品が不要になり小型軽量化を図ることができる。
（９）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓを含めた複共振回路が有する共鳴周波数に対して、スイッチング周波数を高く設定してスイッチング動作をさせることにより、スイッチ素子においてZVS（ゼロ電圧スイッチング）動作を行い、スイッチング損失を低減することができる。
（１０）出力を検出して、送電装置側に帰還回路を用いて情報を伝達し、送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を調整することができ適切に電子機器を動作させることができる。
（１１）帰還回路に無線通信機器を用いて出力情報を送電装置側に伝達することで、電気的に絶縁して送電装置側で出力電力を調整することができる。
（１２）帰還回路に光電素子を用いて出力情報を送電装置側に伝達することで、電気的に絶縁して送電装置側で出力電力を調整することができる。
（１３）共鳴結合回路を含めた複共振回路の合成インピーダンスが周波数によって変化することを利用して、スイッチング周波数を変化させて出力電力を制御する周波数制御PFM（Pulse Frequency Modulation）により共鳴電流の振幅を変化させて伝送電力を制御することができ、電子機器の要求に応じた電力を供給して適切に動作をさせることができる。
（１４）また、スイッチング周波数を固定して、スイッチ素子のオン時比率を制御して電力を制御するPWM（Pulse Width Modulation）制御により、共鳴電流の波形を理想的な正弦波に対して歪ませることで伝送電力を制御することもでき、電子機器の要求に応じた電力を供給して適切に動作させることができる。また、固定のスイッチング周波数を用いることにより利用周波数帯域を限定することができ、EMC対策も容易となる。また出力を制御する制御性も改善できる。
（１５）受電装置側のオン抵抗の小さなスイッチング素子を用いた同期整流回路により、順方向電圧降下の大きいダイオードを用いた場合と比較して整流損失を低減できる。
（１６）受電装置側の同期整流回路の動作を制御することができ、受電装置側の同期整流回路の動作周波数を制御することで、送電装置側ではない受電装置側での伝送電力の調整が可能となる。
（１７）受電装置側は、受電した電力により制御回路を動作させることができる。受電装置側に電源を備える必要がなく、装置の小型軽量化を図ることができる。
（１８）双方向の電力伝送が可能となることで、受電装置側から送電装置側へ電力を伝送したり、受電装置側を中継点として、受電した電力をさらに別のところへ送電したりできる。中継システムとしても利用可能で、本装置を複数用意して中継することで長距離の電力伝送が可能となる。
（１９）順方向や逆方向など電力を伝送したい方向ごとにスイッチング周波数を切り替えることができ、指向性や認証を行い、適切に電力を伝送することができる。スイッチング周波数ごとに特定の場所を設定しておき、目的にあった場所への電力伝送が可能となる。そのため、スイッチング周波数を切り替えることにより、電力伝送の混線を防ぎ、目的とする離れた場所に電力を伝送することができる。
（２０）送電コイルまたは受電コイルに並列に備えたキャパシタは、送電コイルと受電コイルとの間に形成される相互キャパシタンスと整合させ、適切な共鳴周波数を設定して電力を伝送できる。
（２１）送電コイルまたは受電コイルに並列に備えたキャパシタは、送電コイルと受電コイルとの間に形成される相互キャパシタンスとによって整合をとることで、効率の良い電界共鳴結合回路を形成することができる。磁界共鳴結合だけの場合より効率よく電力伝送ができる。
（２２）送電コイルと受電コイルを空心とすることでコイルの鉄損がなくなり、高い周波数でも効率よくワイヤレスで電力送電を行うことができる。
（２３）送電コイルと受電コイルとの間に形成される磁界共鳴結合により形成される相互インダクタンスを用いることで部品が不要になり、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
なお、図１に示した例では、スイッチング制御回路２０が伝送制御回路５０から同期信号を受け取るようにしたが、受電コイルＬｓの誘起電圧を検出してこれに同期してスイッチ素子Ｑ２を駆動してもよい。
《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態の電力伝送システムの回路図である。
図４は電力伝送システム１１２の回路図である。図１に示した電力伝送システム１１１と異なり、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの磁界共鳴結合に関与する等価的なインダクタンスである相互インダクタンスＬｍｐ、Ｌｍｓおよび磁界共鳴結合に関与しない等価的なインダクタンスである漏れインダクタンスＬｒ、Ｌｒｓを明示している。また、相互キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２および電界共鳴結合に関与しない等価的なキャパシタンスである漏れキャパシタンスＣｐｐ、Ｃｓｓも明示している。これらのインダクタンスＬｍｐ、Ｌｍｓ、Ｌｒ、ＬｒｓおよびキャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２、Ｃｐｐ、Ｃｓｓは、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓの等価インダクタ、または共振キャパシタＣｐと共振キャパシタＣｓの等価容量で構成される。もしくは、単体の電子部品で構成されていてもよいし、等価インダクタンスおよび等価キャパシタンスと合成されたものであってもよい。
また、図１に示した電力伝送システム１１１と異なり、インダクタＬｆｓに代えてスイッチ素子Ｑ４が設けられている。受電装置側のスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４は受電装置側に設けられたスイッチング制御回路によってデッドタイムを挟んで交互にスイッチングされることにより、同期整流される。
この電力伝送システム１１２は次のような効果を奏する。
（ａ）送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間に形成される磁界共鳴結合による等価的なインダクタンスとなる相互インダクタンスＬｍｐ、Ｌｍｓを用いることで、相互インダクタの部品が不要または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（ｂ）送電コイルＬｐもしくは受電コイルＬｓのインダクタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れインダクタンスを送電装置側共振回路または受電装置側共振回路を構成する共振インダクタとして用いることで共振インダクタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（ｃ）送電装置側の共振キャパシタＣｐと受電装置側の共振キャパシタＣｓとの間に形成される電界共鳴結合による等価的なキャパシタンスとなる相互キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を用いることで、相互インダクタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（ｄ）送電装置側の共振キャパシタＣｐもしくは受電装置側の共振キャパシタＣｓのキャパシタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れキャパシタンスを送電装置側共振回路もしくは受電装置側共振回路を構成する共振キャパシタとして用いることで共振キャパシタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（ｅ）スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４による同期整流回路により、半周期ごとに電圧が加算され、等価的に２倍の電圧が生成される。
《第３の実施形態》
図５は電力伝送システム１１３の回路図である。第１の実施形態で図１に示した電力伝送システム１１１と異なり、送電装置側の共振キャパシタＣｐと受電装置側の共振キャパシタＣｓとの電界共鳴結合に関与する等価的なキャパシタンスである相互キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２、および電界共鳴結合に関与しない等価的なキャパシタンスである漏れキャパシタンスＣｐｐ、Ｃｓｓを備える。磁界共鳴結合に関与する等価的なインダクタンスである相互インダクタンスを備えていない。すなわち、電界と磁界の共鳴結合である電磁界共鳴結合回路（図１の電磁界共鳴結合回路９０）ではなく、電界のみの共鳴結合である電界共鳴結合回路９２を形成する。
この電力伝送システム１１３では電界共鳴結合回路９２を形成するため、電磁界共鳴結合回路を形成する場合に比べ部品数が少なく、簡素な回路で構成することができ、次のような効果を奏する。
（ａ）送電装置側の共振キャパシタＣｐと受電装置側の共振キャパシタＣｓとの間に形成される電界共鳴結合による等価的なキャパシタンスとなる相互キャパシタンスＣｍ１、Ｃｍ２を用いることで、相互インダクタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
（ｂ）送電装置側の共振キャパシタＣｐもしくは受電装置側の共振キャパシタＣｓのキャパシタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れキャパシタンスを送電装置側共振回路もしくは受電装置側共振回路を構成する共振キャパシタとして用いることで共振キャパシタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態の電力伝送システム１１４の回路図である。この例では第１の実施形態の電力伝送システム１１１と異なり、受電装置側に同期整流素子であるスイッチ素子Ｑ２に代えて、整流ダイオードＤ１を備えている。すなわちダイオードＤ１で受電装置側整流回路を構成している。
この電力伝送システム１１４では、電力受電装置ＰＲＵを簡素に構成できる。また、整流ダイオードＤ１は順方向だけに電流を流し、第１の実施形態の電力伝送システム１１１と比較して、受電装置側整流回路には負電流は流れない。このため、出力側から回生される電流はなくなり、受電装置側共振回路を循環する電流が減少して導通損を低減できる。
《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態の電力伝送システム１１５の回路図である。第１の実施形態で図１に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置ＰＲＵ側の構成である。第５の実施形態では、受電コイルＬｓ１、Ｌｓ２、ダイオードＤ３、Ｄ４、キャパシタＣｏによってセンタータップ整流回路が構成されている。送電装置ＰＳＵの構成は第１の実施形態で示したものと同様である。
この第５の実施形態では、受電装置ＰＲＵ側では受電コイルＬｓ１、Ｌｓ２に生じる浮遊容量または単体のキャパシタにより共振キャパシタＣｒｓａ，Ｃｒｓｂ（図１におけるＣｓに相当するキャパシタ）を構成している。
この電力伝送システム１１５は２つの受電コイルＬｓ１，Ｌｓ２と２つの整流ダイオードＤ３，Ｄ４を用いることで、受電装置側での損失を分散することができ、電力損失が少なくできる。また、ブリッジ整流と比較して整流素子の数が少ない。また、受電装置側に並列共振回路が構成されているので、直列共振回路構成とする場合に比較して電圧利得を大きくできる。
《第６の実施形態》
図８は第６の実施形態の電力伝送システム１１６の回路図である。第５の実施形態で図７に示した電力伝送システムと異なり、この例では、受電装置ＰＲＵ側に共振キャパシタＣｒｓを備えている。このように受電装置側に直列共振回路を構成することにより、並列共振回路を構成した場合に比較して電流利得を大きくできる。
《第７の実施形態》
図９は第７の実施形態の電力伝送システム１１７の回路図である。第１の実施形態で図１に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置ＰＲＵ側の構成である。第７の実施形態では、受電コイルＬｓに、ダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８、キャパシタＣｏによってブリッジ整流回路が接続されている。送電装置ＰＳＵの構成は第１の実施形態で示したものと同様である。
受電装置ＰＲＵ側では受電コイルＬｓに生じる浮遊容量または単体のキャパシタにより共振キャパシタＣｒｓ（図１におけるＣｓに相当するキャパシタ）を構成している。
この第７の実施形態の電力伝送システム１１７では、第６の実施形態で図８に示した電流伝送システムに比べて整流素子の耐圧を低減することができる。また、受電装置側に並列共振回路が構成されているので、直列共振回路構成とする場合に比較して電圧利得を大きくできる。
《第８の実施形態》
図１０は第８の実施形態の電力伝送システム１１８の回路図である。第７の実施形態で図９に示した電力伝送システムとは共振キャパシタＣｒｓの位置が異なる。このため、このキャパシタＣｒｓによって所定の共振周波数で電磁界共鳴動作をさせることができる。
この第８の実施形態の電力伝送システム１１８では、このように受電装置側に直列共振回路を構成することにより、並列共振回路を構成した場合に比較して電流利得を大きくすることができる。
《第９の実施形態》
図１１は第９の実施形態の電力伝送システム１１９の回路図である。この例では受電装置ＰＲＵ側に４つのスイッチ素子Ｑｓ１，Ｑｓ２，Ｑｓ３，Ｑｓ４によるブリッジ整流構成の整流回路が設けられている。
この第９の実施形態によれば、第１〜第８の実施形態に比べて、受電装置ＰＲＵ側のスイッチ素子Ｑｓ１、Ｑｓ２、Ｑｓ３、Ｑｓ４に印加される電圧がそれぞれ半分となるため、スイッチ素子での損失を低減できる。
この電力伝送システム１１９では、第８の実施形態で示した電力伝送システムに比べて同期整流回路により整流損失を低減できる。また、ブリッジ構成により整流スイッチ素子の耐圧を低減することができる。また、スイッチ素子による整流回路であるので、双方向の電力伝送が可能である。さらに、共振キャパシタＣｒｓを用いて所定の共振周波数で電磁共鳴動作をすることが可能となる。
《第１０の実施形態》
図１２は第１０の実施形態の電力伝送システム１２０の回路図である。この例では受電装置ＰＲＵ側に２つのダイオードＤ１，Ｄ２による整流回路を設けている。
第１０の実施形態によれば、第９の実施形態に比べて受電装置ＰＲＵ側の構成を簡素にできる。また、整流回路が受動回路であるので、整流回路を駆動制御する回路が不要となる。
《第１１の実施形態》
図１３は第１１の実施形態の電力伝送システム１２１の回路図である。
この例では入力電源Ｖｉの電圧を分圧するキャパシタＣｒ１、Ｃｒ２、および出力電圧Ｖｏを分圧するキャパシタＣｒｓ１、Ｃｒｓ２を備えている。すなわち、第１の実施形態で示した電力伝送システムにおける共振キャパシタＣｒをＣｒ１、Ｃｒ２に分割し、共振キャパシタＣｒｓをＣｒｓ１、Ｃｒｓ２に分割したものである。ここでは、送電コイルＬｐおよび受電コイルＬｓの漏れインダクタンスを共振インダクタＬｒ、Ｌｒｓとして明示している。その他は第１の実施形態で図１に示したものと同様である。
第１１の実施形態では、共振キャパシタに流れる電流が２つのキャパシタに分割されるので、キャパシタによる損失が分散され全体の損失が低減され、発熱が分散される。また、複数の共振キャパシタを用いることで任意に共振周波数を設定でき、共鳴動作が容易になる。
なお、キャパシタＣｒ１、Ｃｒ２およびキャパシタＣｒｓ１、Ｃｒｓ２は、直流電圧を保持したり、直流電流を遮断したりする作用と直列共振用キャパシタとしての作用の両方の役割を果たす。
《第１２の実施形態》
図１４は第１２の実施形態の電力伝送システム１２２の回路図である。この例では、受電装置側のキャパシタＣｒｓに発生する電圧を負荷に供給するようにして電力伝送を行う。図１０等に示した例のように、受電装置側のキャパシタに流れる電流を負荷に供給するようにして電力伝送を行う構成に比べて、負荷に供給する電圧が高い場合に、同じ給電電力において効率よく電力伝送を行うことが可能となる。
《第１３の実施形態》
図１５は第１３の実施形態の電力伝送システム１２３の回路図である。この例では、送電装置側に２つのＦＥＴＱ１，Ｑ２を含むプッシュプル回路を構成している。これにより、１つのＦＥＴを用いてプッシュプル構成にした場合に比べて、大きな電力を給電することが可能となる。また、2つのＦＥＴＱ１，Ｑ２が交互にスイッチング動作を行うことにより等価的に２倍の周波数の電磁界共鳴結合回路を形成することができる。
図１６は、第１３の実施形態とは別の構成例である電力伝送システム１２３Ａの回路図である。この例では、送電装置側に複数のＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を含む構成としている。これにより、４つのＦＥＴを同じスイッチング周波数、同じ時比率で順次にスイッチング動作をさせることにより、１石の場合と比較して大きな電力を給電することが可能となる。また、１石のスイッチング周波数に対して等価的に４倍の周波数の電磁界共鳴結合回路を形成することができる。すなわちｎ石のＦＥＴを用いることで等価的にｎ倍の高周波の電磁界共鳴結合回路を形成することができる。高周波化にともないコイルを小さくしたり、小さい容量のキャパシタンスを用いたりでき、電力伝送システムの小型化を図ることができる。
《第１４の実施形態》
図１７は第１４の実施形態の電力伝送システム１２４の回路図である。この例は、電磁界共鳴結合を形成する磁路にフェライトなどの磁性体を用いた例である。
図１７に示した電力伝送システム１２４では、磁性体を用いることで磁気結合の度合いが大きくなり、電力伝送効率を高くすることができる。また、空間に放出される電磁波（磁束と電束）をフェライトにより抑制することができる。
《第１５の実施形態》
図１８は第１５の実施形態の電力伝送システム１２５の回路図である。この例は、電磁界共鳴結合を形成する磁路にフェライトなどの磁性体を用いた例である。この例でも磁性体を用いることで磁気結合の度合いが大きくなり、電力伝送効率を高くすることができる。また、空間に放出される電磁波（磁束と電束）をフェライトにより抑制することができる。
《第１６の実施形態》
図１９は第１６の実施形態の電力伝送システム１２６の回路図である。この例では、送電装置ＰＳＵに二つの共振キャパシタＣｒ１，Ｃｒ２、受電装置ＰＲＵに二つの共振キャパシタＣｒｓ１，Ｃｒｓ２がそれぞれ設けられている。また、受電装置ＰＲＵ側に４つのスイッチ素子Ｑｓ１、Ｑｓ２、Ｑｓ３、Ｑｓ４によるブリッジ整流構成の整流回路が設けられている。
この電力伝送システム１２６では、送電装置ＰＳＵの送電コイルＬｐおよび受電装置ＰＲＵの受電コイルＬｓをそれぞれフェライトなどの磁芯を有するコイルとしている。そのため、磁性体を用いることで磁気結合の度合いが大きくなり、電力伝送効率を高めることができる。また、空間に放出される電磁波（磁束と電束）をフェライトにより抑制することができる。
《第１７の実施形態》
図２０は第１７の実施形態の電力伝送システム１２７の回路図である。
この電力伝送システム１２７は、双方向電力伝送可能な複数の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ１、ＰＳＵ/ＰＲＵ２、ＰＳＵ/ＰＲＵ３、ＰＳＵ/ＰＲＵ４を備えたシステムである。
第１の電力送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ１が送電装置として作用するとき、それに対応して電磁界共鳴結合を形成する第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２は受電装置として作用する。したがって、第１の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ１から第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２へ電力が伝送される。ここで、第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２の負荷Ｒｏには充電電池およびその充電回路を備える。
第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３は第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２に対応していて、第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２が送電装置として作用するとき、第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３は受電装置として作用する。このとき、第２の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ２は前記充電電池が電源として用いられる。そして第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３の負荷Ｒｏ２は充電電池およびその充電回路を備える。
第４の送受電装置ＰＳＵ／ＰＲＵ４は第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３に対応していて、第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３が送電装置として作用するとき、第４の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ４は受電装置として作用する。このとき、第３の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ３は前記充電電池が電源として用いられる。そして第４の送受電装置ＰＳＵ/ＰＲＵ４の負荷Ｒｏ３は充電電池およびその充電回路である。
このようにして、複数の電力送受電装置を備えることにより、途中の電力送受電装置が電力を中継して遠方まで電力を伝送することが可能となる。
なお、複数の受電装置側の共振回路の共振周波数を異ならせておき、送電装置側は、送電先に応じたスイッチング周波数でスイッチング動作するように構成すれば、複数の受電装置に対して所定の受電装置に選択的に電力を伝送できる。
また、電力送受電装置の電力伝送方向に応じてスイッチング周波数を切り替えることにより、スイッチング周波数ごとに目的にあった方向（場所）への電力伝送が可能となる。すなわち、スイッチング周波数を切り替えるなどの制御を行うことにより、適切な電子機器を選択したりや適切な方向や場所へ電力を送電して、電力伝送の混線を防ぐことができる。
《第１８の実施形態》
図２１は第１８の実施形態の電力伝送システム１２８の回路図である。この例では、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓ４との間に複数の共振器を設置している。図２１において、受電コイル（インダクタ）Ｌｓ１およびキャパシタＣｓ１で第１の中継用ＬＣ共振回路が構成されていて、受電コイル（インダクタ）Ｌｓ２およびキャパシタＣｓ２で第２の中継用ＬＣ共振回路が構成されていて、受電コイル（インダクタ）Ｌｓ３およびキャパシタＣｓ３で第３の中継用ＬＣ共振回路が構成されている。
このように複数の共振器を設置することで、複数の共振器を含めて電磁界共鳴結合を形成し、共振器を所定の間隔で設置することにより、より離れた場所への電力供給が可能となる。また、高い電力伝送効率で離れた距離の給電が可能となる。
《第１９の実施形態》
図２２は第１９の実施形態の電力伝送システム１２９の回路図である。この例は、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓにヘリカルコイルを用い、それぞれ中央給電している。そのため、送電装置側のヘリカルコイルは等価的インダクタンスＬ（Ｌｐ）および等価的キャパシタンスＣ（Ｌｐ）を有し、共振回路を構成している。同様に、受電装置側のヘリカルコイルはインダクタンスＬ（Ｌｓ）およびキャパシタンスＣ（Ｌｓ）を有し、共振回路を構成している。そして、この二つのヘリカルコイルは巻回軸がほぼ揃っている（ほぼ同軸）であることにより、ヘリカルコイル間に電磁界共鳴結合回路が形成される。その他の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。
このようにして、中央給電したヘリカルコイルを用いて、主に電磁界共鳴結合により電力伝送を行うことができる。
《第２０の実施形態》
図２３は第２０の実施形態の電力伝送システム１３０の回路図である。この例は、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓにヘリカルコイルを用いている。また送電装置側に共振キャパシタＣｒ、受電装置側に共振キャパシタＣｒｓがそれぞれ設けられている。そのため、送電装置側のヘリカルコイルによる送電コイルＬｐのインダクタンスＬ（Ｌｐ）と共振キャパシタＣｒとで共振回路が構成され、同様に、受電装置側のヘリカルコイルによる受電コイルのインダクタンスＬ（Ｌｓ）と共振キャパシタＣｒｓとで共振回路が構成されている。そして、この二つのヘリカルコイルは巻回軸がほぼ揃っている（ほぼ同軸）であることにより、ヘリカルコイル間に磁界共鳴結合回路が形成される。その他の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。
このようにして、ヘリカルコイルを用いて主に磁界共鳴結合により電力伝送を行うことができる。
《第２１の実施形態》
図２４は第２１の実施形態の電力伝送システムで用いられる送電コイルおよび受電コイルの例である。この例では、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓにそれぞれメアンダラインコイルを用いている。そして、それぞれ中央給電される。そのため、送電コイルＬｐは等価的インダクタンスＬ（Ｌｐ）および等価的キャパシタンスＣ（Ｌｐ）を有し、共振回路を構成している。同様に、受電コイルＬｓはインダクタンスＬ（Ｌｓ）およびキャパシタンスＣ（Ｌｓ）を有し、共振回路を構成している。そして、この二つのコイルは主に電界共鳴結合を形成している。したがって、この送電コイルＬｐおよび受電コイルＬｓを用いて、主に電界共鳴結合により電力伝送を行うことができる。
なお、メアンダラインコイルの両端を回路に接続して、メアンダラインコイルの主にインダクタンスを用いるようにしてもよい。すなわち、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓを図２３に示した例と同様に接続して電力伝送システムを構成してもよい。
《第２２の実施形態》
第２２の実施形態では、送電装置側および受電装置側の共振回路の共振周波数とスイッチング周波数との関係について示す。
回路構成は例えば図１に示したとおりである。受電回路に接続される負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のリアクタンスが０となる共振周波数よりもスイッチング周波数を僅かに高く設定することで、負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスは誘導性リアクタンスとなる。電磁界共鳴結合回路に流入する電流（ir）は、スイッチ素子の電圧（vds1）の基本波より位相が遅れる。スイッチ素子（Ｑ１）がターンオンする直前でスイッチ素子（Ｑ１）に並列の逆方向ダイオードが導通して、ZVS動作を実現する。
図２５は負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスの周波数特性を示す図である。この例では、送電装置側および受電装置側の共振回路の共振周波数ｆｏは30.78MHzである。この図２５において、送電コイルと受電コイルとの間隔をｄｘで表すと、dx=0.5mのとき、二つの共振回路の結合度が高いので、共振周波数はスプリットし、２共振状態（双峰性）となっている。例えば、この二つの共振周波数のうち高い方の周波数ｆｒ２より高い周波数領域で、負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスが誘導性リアクタンスとなるので、この周波数帯域を用いる。また、例えば、この二つの共振周波数のうち低い方の周波数ｆｒ１より高く固有共振周波数ｆｒよりも低い周波数領域で、負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスは誘導性リアクタンスとなるので、この周波数帯域を用いる。距離dx=0.6m以上の場合は、周波数ｆｒより高い周波数領域で、負荷を含めた電磁界共鳴結合回路のインピーダンスが誘導性リアクタンスとなるので、この周波数帯域を用いる。
図２６は、この実施形態の電力伝送システムの各部の電圧電流波形図である。回路構成は第１の実施形態で図１に示したものである。この図２６を参照して、スイッチング周期における各状態での動作を以下に示す。
［１］状態１ 時刻ｔ１〜ｔ２
送電装置側では、スイッチ素子Ｑ１は導通し、流れる電流id1は0Aから流れ始めて正電流となる。送電コイルＬｐと共振キャパシタＣｒ、および受電コイルＬｓと共振キャパシタＣｒｓには共振電流が流れる。
受電装置側では、共振電流が同期整流スイッチ素子Ｑ２により整流され、整流平滑された電流が負荷に供給され、電力が伝送される。スイッチ素子Ｑ１がターンオフすると状態２となる。
［２］状態２ 時刻ｔ２〜ｔ３
スイッチ素子Ｑ１の両端のキャパシタＣｄｓ１は共振をはじめ、まずは充電されて、ピーク電圧を越えると放電する。電圧vds1は次第に0Vに漸近し、スイッチ素子Ｑ１がターンオンすると状態２は終わる。
以降、状態１、２を周期的に繰り返す。
このように、図２に示した例とは異なり、スイッチ素子Ｑ１のターンオンの直前で電圧vdsが0Vに漸近し、ターンオンのタイミングで電流id1が0Aから流れ始める。スイッチ素子Ｑ１がZVS動作をすることにより、スイッチング損失とスイッチングノイズを大幅に低減できる。また、スイッチ回路Ｓ１のダイオードＤｄｓ１が導通しないため、導通損失も低減される。
Ｃｍ…相互キャパシタンス
Ｃｍ１…相互キャパシタンス
Ｃｏ…平滑キャパシタ
Ｃｐ…送電装置側共振キャパシタ
Ｃｐｐ…漏れキャパシタンス
Ｃｒ…共振キャパシタ
Ｃｒ１，Ｃｒ２…共振キャパシタ
Ｃｒｓ…共振キャパシタ
Ｃｒｓ１，Ｃｒｓ２…共振キャパシタ
Ｃｒｓａ，Ｃｒｓｂ…共振キャパシタ
Ｃｓ…共振キャパシタ
Ｃｓｓ…漏れキャパシタンス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…整流ダイオード
Ｌｆ，Ｌｆｓ…インダクタ
Ｌｍ…相互インダクタンス
Ｌｍｐ…相互インダクタンス
Ｌｐ…送電コイル
Ｌｒ…共振インダクタ
Ｌｓ…受電コイル
Ｌｓ１，Ｌｓ２，Ｌｓ３，Ｌｓ４…受電コイル
ＰＲＵ…電力受電装置
ＰＳＵ…電力送電装置
Ｑ１〜Ｑ４…スイッチ素子
Ｑｓ１…スイッチ素子
Ｒｏ，Ｒｏ２，Ｒｏ３…負荷
Ｓ１，Ｓ２…スイッチ回路
１０，２０…スイッチング制御回路
３０…信号伝達手段
４０…複共振回路
５０…伝送制御回路
９０…電磁界共鳴結合回路
９２…電界共鳴結合回路
１１１〜１３０…電力伝送システム
受電装置ＰＲＵは、受電コイルＬｓ、受電コイルＬｓとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタＣｒｓ，Ｃｓと、受電コイルＬｓに接続されて、該受電コイルＬｓに生じる交流電流を整流する、インダクタＬｆｓ、スイッチ回路Ｓ２および平滑キャパシタＣｏで構成される受電装置側整流回路（Ｌｆｓ，Ｓ２，Ｃｏ）とを備えている。スイッチ回路Ｓ２はスイッチ素子Ｑ２、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されている。
（７）スイッチング周波数ｆｓとＬＣ複共振回路（Ｌｆ−Ｃｒ、Ｌｆｓ−Ｃｒｓ）とが共鳴して共振することにより電力伝送を行う。送受電回路の共振回路における共鳴現象により電力伝送する。
送電装置ＰＳＵの共振キャパシタＣｒと、これに直列接続される等価的な共振インダクタＬｆとによって送電装置側共振回路が構成される。同様に、受電装置ＰＲＵの共振キャパシタＣｒｓと、これに直列接続される等価的なインダクタンスＬｆｓとによって受電装置側共振回路が構成される。この送電装置側の共振回路と受電装置側の共振回路とが共鳴することによりそれぞれが共振し、送電コイルＬｐと受電コイルＬｓとの間で相互インダクタンスによる磁界と相互キャパシタンスによる電界の２つの共鳴結合により電力伝送が行われる。
［３］状態３ 時刻ｔ３〜ｔ４
スイッチ素子Ｑ１の両端のキャパシタＣｄｓ１は共振をはじめ、まずは充電されて、ピーク電圧を越えると放電する。電圧vds1が0Vになると状態４となる。
《第５の実施形態》
図７は第５の実施形態の電力伝送システム１１５の回路図である。第１の実施形態で図１に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置ＰＲＵ側の構成である。第５の実施形態では、受電コイルＬｓ１、Ｌｓ２、ダイオードＤ３、Ｄ４、平滑キャパシタＣｏによってセンタータップ整流回路が構成されている。送電装置ＰＳＵの構成は第１の実施形態で示したものと同様である。
《第７の実施形態》
図９は第７の実施形態の電力伝送システム１１７の回路図である。第１の実施形態で図１に示した電力伝送システムと異なるのは、受電装置ＰＲＵ側の構成である。第７の実施形態では、受電コイルＬｓに、ダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８、平滑キャパシタＣｏによってブリッジ整流回路が接続されている。送電装置ＰＳＵの構成は第１の実施形態で示したものと同様である。
このように、図２に示した例とは異なり、スイッチ素子Ｑ１のターンオンの直前で電圧vds1が0Vに漸近し、ターンオンのタイミングで電流id1が0Aから流れ始める。スイッチ素子Ｑ１がZVS動作をすることにより、スイッチング損失とスイッチングノイズを大幅に低減できる。また、スイッチ回路Ｓ１のダイオードＤｄｓ１が導通しないため、導通損失も低減される。

Claims (20)

  1. 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
    前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
    前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
    前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスで電磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
    前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
    前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。
  2. 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
    前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
    前記受電装置は、前記受電コイルとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
    前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互インダクタンスで磁界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
    前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
    前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。
  3. 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成される電力伝送システムにおいて、
    前記送電装置は、送電装置側共振キャパシタとともに送電装置側共振回路を構成する送電装置側共振インダクタと、前記送電コイルに電気的に接続されて、スイッチ素子、ダイオードおよびキャパシタの並列接続回路で構成されたスイッチ回路、ならびに入力される直流電圧から、前記送電コイルに流す交流電流に比較して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタを備え、前記送電コイルに流す交流電流を発生する送電装置側交流電流発生回路と、を備え、
    前記受電装置は、受電装置側共振キャパシタとともに受電装置側共振回路を構成する受電装置側共振インダクタと、前記受電コイルに接続されて、該受電コイルに生じる交流電流を整流する受電装置側整流回路と、を備え、
    前記送電コイルと受電コイルとの間に等価的に形成される相互キャパシタンスで電界共鳴結合回路が構成されて、前記送電装置側共振回路と前記受電装置側共振回路とが共鳴して、前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
    前記送電装置から送電されずに反射したエネルギーは無効電力として前記送電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存され、
    前記受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギーは無効電力として前記受電装置側共振回路に共振エネルギーとして保存されることを特徴とする電力伝送システム。
  4. 前記受電装置は、前記受電装置側整流回路の出力情報を検出して前記送電装置側に前記出力情報を伝送する情報送信回路を備え、
    前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電装置側交流電流発生回路を制御して伝送電力を制御する伝送電力制御回路とを備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の電力伝送システム。
  5. 前記情報送信回路は、無線通信で前記出力情報を送信する回路であり、
    前記出力情報受信回路は無線通信で前記出力情報を受信する回路である、請求項４に記載の電力伝送システム。
  6. 前記情報送信回路は、電気信号を光信号に変換して前記出力情報を送信する回路であり、
    前記出力情報受信回路は光信号を電気信号に変換して前記出力情報を受信する回路である、請求項４に記載の電力伝送システム。
  7. 前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路をオン／オフするスイッチング周波数を変化させる周波数制御PFM（Pulse Frequency Modulation）により伝送電力を制御する、請求項１〜６のいずれかに記載の電力伝送システム。
  8. 前記送電装置側交流電流発生回路は、スイッチ回路を固定のスイッチング周波数でオン／オフして、時比率を制御するPWM（Pulse Width Modulation）により伝送電力を制御する、請求項１〜６のいずれかに記載の電力伝送システム。
  9. 前記受電装置側整流回路はスイッチ素子を備えた同期整流回路である、請求項１〜６のいずれかに記載の電力伝送システム。
  10. 前記受電装置は、前記同期整流回路の動作周波数を制御する動作周波数制御回路を備え、前記動作周波数によって受電電力を制御する、請求項９に記載の電力伝送システム。
  11. 前記受電装置は、該受電装置側の回路を制御する制御回路を備え、該制御回路は、前記受電装置が受電した電力によって動作する、請求項１〜１０のいずれかに記載の電力伝送システム。
  12. 前記受電装置側整流回路の出力部から電力が伝送されるとき、前記受電装置側整流回路は前記送電装置側交流電流発生回路として作用するとともに、前記送電装置側交流電流発生回路は前記受電装置側整流回路として作用し、双方向に電力伝送が可能な、請求項１〜１１のいずれかに記載の電力伝送システム。
  13. 前記送電コイルまたは前記受電コイルに対して並列に共振キャパシタを備えた、請求項１〜１２のいずれかに記載の電力伝送システム。
  14. 前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される電界共鳴による等価的なキャパシタンスとなる浮遊容量で構成されている、請求項１３に記載の電力伝送システム。
  15. 前記共振キャパシタは前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される等価的な相互キャパシタンスで構成されている、請求項１３または１４に記載の電力伝送システム。
  16. 前記送電コイルおよび前記受電コイルは空心のインダクタである、請求項１〜１５のいずれかに記載の電力伝送システム。
  17. 前記相互インダクタンスは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁界共鳴結合により生じる等価的な励磁インダクタンスである、請求項１〜１６のいずれかに記載の電力伝送システム。
  18. 前記送電コイルもしくは前記受電コイルのインダクタンス成分のうち、共鳴結合に関与しない漏れインダクタンスを前記送電装置側共振回路または前記受電装置側共振回路を構成するインダクタとして用いた、請求項１〜１７のいずれかに記載の電力伝送システム。
  19. 前記送電装置側交流電流発生回路は、前記送電コイルと前記スイッチ回路をそれぞれ複数備え、前記送電コイルと前記スイッチ回路がそれぞれ電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行う、請求項１〜１８のいずれかに記載の電力伝送システム。
  20. 前記送電装置側交流電流発生回路は、前記スイッチ回路を複数備えており、前記送電コイルに前記複数のスイッチ回路が電気的に接続されて構成され、前記複数のスイッチ回路が周期的に順次にスイッチング動作を行う、請求項１〜１９のいずれかに記載の電力伝送システム。
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