JPWO2015177905A1 - 受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法 - Google Patents

受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器のｋＱ値を、前記送電器と前記受電器の間における、磁界または電界の結合の程度を示すｋ値と、磁界または電界の損失の程度を示すＱ値の積として求めるにあたり、前記受電器は、前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、を有し、前記電力検出用抵抗の抵抗値を制御し、前記受電コイルの抵抗値と前記電力検出用抵抗の抵抗値の抵抗比、並びに、前記受電コイルによる受電電圧から、受電電力を算出し、前記送電器から出力する送電電力と前記受電電力から測定効率を算出し、前記抵抗比および前記測定効率から、前記受電器のｋＱ値を算出する。

Description

この出願で言及する実施例は、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法に関する。
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、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。
ところで、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)を利用する場合、電力を送る側の送電器と、送電器から送られた電力を受け取る側の受電器がそれぞれ異なるメーカの製品であっても支障なく使用するために標準化を行うのが好ましい。
従来、無線による電力伝送技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。
そして、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、強結合系の共振を用いたワイヤレス送電技術が注目されている。
この強結合系の共振を用いたワイヤレス送電としては、例えば、磁界共鳴(磁界共振)や電界共鳴(電界共振)を利用した無線電力伝送技術が知られている。
従来、無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
国際公開第２００９／０１４１２５号パンフレット 特開２０１３−１９８３２７号公報
前述したように、従来、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技術が注目されている。この無線電力伝送技術を適用した無線電力伝送システムは、通常、複数の受電器に対して電力を伝送するが、各受電器が要望する電力、或いは、送電器に対する各受電器の位置関係等に基づいた電力伝送制御が求められている。
ところで、近年、送電器(送電コイル)と受電器におけるｋＱ値を利用して給電制御を行うことが研究開発されている。具体的に、例えば、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器に対して順番に電力を伝送する時分割電力伝送モードと、複数の受電器に対して同時に電力を伝送する同時電力伝送モードを切り替えて無線電力伝送を行う研究がなされている。
また、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器をグループ分けし、或いは、受電器(受電共振コイル)の共振点をずらしてデチューンすることも研究されている。さらに、今後、無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用した様々な提案がなされるものと期待されている。
ここで、ｋＱ値(ｋＱ)は、電磁界(磁界または電界)の結合の程度を示すｋ値(ｋ)と、電磁界の損失の程度を示すＱ値(Ｑ)の積である。また、ｋ値は、その値が大きいほど、結合の程度が大きいことを示し、また、Ｑ値は、その値が大きいほど、損失の程度が小さいことを示す。
しかしながら、無線電力伝送システムにおいて、各受電器とのｋ値、従って、ｋＱ値を精度よく算出する(求める)ことは困難であり、有効な提案がなされていないのが実情である。
一実施形態によれば、少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器であって、受電コイルと、内部回路と、電力検出用抵抗と、スイッチと、受電制御部と、通信回路部と、を有する受電器が提供される。
前記受電コイルは、前記送電器からの電力を無線により受け取り、前記内部回路は、前記受電コイルによる電力を使用し、前記電力検出用抵抗は、前記受電コイルによる電力を検出する。
前記スイッチは、前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加し、前記受電制御部は、前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御し、前記通信回路部は、前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う。
開示の受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法は、各受電器におけるｋＱ値の算出精度を向上することができるという効果を奏する。
図１Ａは、有線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図１Ｂは、無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図２Ａは、二次元無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図２Ｂは、三次元無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図３は、無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。 図４Ａは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その１)である。 図４Ｂは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その２)である。 図４Ｃは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その３)である。 図５Ａは、独立共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図５Ｂは、独立共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図５Ｃは、独立共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図５Ｄは、独立共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図６Ａは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図６Ｂは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図６Ｃは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図６Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図７Ａは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その１)である。 図７Ｂは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その２)である。 図７Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その３)である。 図８Ａは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その１)である。 図８Ｂは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その２)である。 図８Ｃは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その３)である。 図９Ａは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その１)である。 図９Ｂは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その２)である。 図９Ｃは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その３)である。 図１０は、ｋＱ値が適用される無線電力伝送システムの一例を説明するための図である。 図１１は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。 図１２Ａは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その１)である。 図１２Ｂは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その２)である。 図１２Ｃは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その３)である。 図１３は、第１実施例の無線電力伝送システムを説明するためのブロック図である。 図１４は、第２実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。 図１５は、第３実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。 図１６は、本実施例のｋＱ値算出方法における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、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法の実施例を詳述する前に、電力伝送システムの例、並びに、複数の送電器および受電器を含む関連技術の無線電力伝送システムを、図１〜図１２Ｃを参照して説明する。
図１Ａは、有線電力伝送(ワイヤー接続給電)システムの一例を模式的に示す図であり、図１Ｂは、無線電力伝送(ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図である。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、参照符号２Ａ１〜２Ｃ１は、それぞれ受電器を示す。
ここで、受電器２Ａ１は、例えば、要望電力が１０Ｗのタブレットコンピュータ(タブレット)を示し、受電器２Ｂ１は、例えば、要望電力が５０Ｗのノートパソコンを示し、受電器２Ｃ１は、例えば、要望電力が２．５Ｗのスマートフォンを示す。なお、要望電力は、例えば、それぞれの受電器２Ａ１〜２Ｃ１における充電池(二次電池)を充電するための電力に相当する。
図１Ａに示されるように、通常、タブレット２Ａ１やスマートフォン２Ｃ１の二次電池を充電する場合、例えば、パソコン(Personal Computer)のＵＳＢ(Universal Serial Bus)端子(または、専用電源等)３Ａに対して電源ケーブル４Ａ，４Ｃを介して接続する。また、ノートパソコン２Ｂ１の二次電池を充電する場合、例えば、専用の電源装置(AC-DC Converter)３Ｂに対して電源ケーブル４Ｂを介して接続する。
すなわち、図１Ａに示されるように、携帯可能な受電器２Ａ１〜２Ｃ１であっても、一般的に、電源ケーブル４Ａ〜４Ｃを使用してＵＳＢ端子３Ａや電源装置３Ｂからワイヤー接続により給電(有線電力伝送)を行っている。
この場合、例えば、各電源ケーブル４Ａ〜４Ｃは、コネクタを介して受電器２Ａ１〜２Ｃ１に接続されるため、コネクタの先に接続された受電器(接続機器)をコネクタごとに検知することで、台数を検知し、コネクタ形状により給電電力を固定することができる。さらに、要望電力に応じた電源ケーブルの接続をユーザが行うことで、要望電力を認識すると同時に、それぞれの接続機器へ適切な給電を行うようになっている。
ところで、近年、電磁誘導に代表される非接触給電技術の進歩により、例えば、シェーバーや電動歯ブラシ等でワイヤレス給電(無線電力伝送)が実用化されている。そこで、図１Ｂに示されるように、例えば、送電器１Ａ１から、タブレット２Ａ１，ノートパソコン２Ｂ１およびスマートフォン２Ｃ１に対して無線電力伝送することが考えられている。
図２Ａは、二次元無線電力伝送(二次元ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図であり、例えば、上述したシェーバーや電動歯ブラシ等と同様に、電磁誘導により無線電力伝送を行う様子を示している。
図２Ａに示されるように、電磁誘導を利用して無線電力伝送を行う場合には、非接触給電であっても送電距離が短いために、送電器１Ａ２にほぼ接触している受電器だけが給電可能である。
すなわち、送電器(受電台)１Ａ２上に置かれた受電器(ノートパソコン)２Ｂ２に対しては給電することができても、受電台１Ａ２から離れたノートパソコン２Ｂ３に対しては給電することは困難である。このように、図２Ａに示す無線電力伝送システムは、受電台１Ａ２上の自由な配置を可能とする二次元的なワイヤレス給電システムである。
図２Ｂは、三次元無線電力伝送(三次元ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図であり、例えば、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行う様子を示している。図２Ｂに示されるように、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行う場合には、送電器１Ａ２から所定範囲内(図２Ｂにおける破線の内側)に存在する複数の受電器に対して給電することが可能である。
すなわち、送電器１Ａ３から所定範囲内のタブレット２Ａ２，２Ａ３、ノートパソコン２Ｂ２，２Ｂ３およびスマートフォン２Ｃ２に対して無線電力伝送することが可能である。なお、図２Ｂでは、１つの送電器１Ａ３のみ描かれているが、複数の送電器により、様々な角度および位置の複数の受電器に対して、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行うようになっている。
このように、図２Ｂに示す無線電力伝送システムは、例えば、磁界共鳴を利用することにより、電磁誘導を利用したものに比べて遠方の空間においても高い送電効率を得ることができる三次元的なワイヤレス給電システムである。
図３は、無線電力伝送(三次元ワイヤレス給電)システムの一例を概略的に示すブロック図である。図３において、参照符号１は一次側(送電側：送電器)を示し、２は二次側(受電側：受電器)を示す。
図３に示されるように、送電器１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部(第１通信回路部)１４を含む。また、受電器２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部(整流部)２２、受電制御部２３および通信回路部(第２通信回路部)２４を含む。
ワイヤレス送電部１１は、第１コイル(電力供給コイル)１１ｂおよび第２コイル(送電共振コイル：送電コイル)１１ａを含み、また、ワイヤレス受電部２１は、第３コイル(受電共振コイル：受電コイル)２１ａおよび第４コイル(電力取出コイル)２１ｂを含む。
図３に示されるように、送電器１と受電器２は、送電共振コイル１１ａと受電共振コイル２１ａの間の磁界共鳴(電界共鳴)により、送電器１から受電器２へエネルギー(電力)の伝送を行う。なお、送電共振コイル１１ａから受電共振コイル２１ａへの電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
送電器１と受電器２は、通信回路部１４と通信回路部２４により、通信(近距離通信)を行う。ここで、送電器１の送電共振コイル１１ａと受電器２の受電共振コイル２１ａによる電力の伝送距離(電力伝送範囲)は、送電器１の通信回路部１４と受電器２の通信回路部２４による通信距離(通信範囲)よりも短く設定される。
また、送電共振コイル１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、通信回路部１４および２４による通信とは独立した方式(Out-band通信)になっている。具体的に、送電共振コイル１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、例えば、６．７８ＭＨｚの周波数帯域を使用し、通信回路部１４および２４による通信は、例えば、２．４ＧＨｚの周波数帯域を使用する。
この通信回路部１４および２４による通信としては、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、上述した無線電力伝送システムは、例えば、使用する周波数の波長の１／６程度の距離の近傍界(near field)において、送電器１の送電共振コイル１１ａと、受電器２の受電共振コイル２１ａによる磁界共鳴または電界共鳴を利用して電力の伝送を行う。従って、電力伝送範囲(送電圏)は、電力伝送に使用する周波数に従って変化する。
高周波電源部１２は、電力供給コイル(第１コイル)１１ｂに対して電力を供給し、電力供給コイル１１ｂは、その電力供給コイル１１ｂの至近に配設された送電共振コイル１１ａに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。送電共振コイル１１ａは、受電共振コイル２１ａとの間に磁場共鳴を生じさせる送電周波数により、受電共振コイル２１ａ(受電器２)に電力を伝送する。
受電共振コイル２１ａは、その受電共振コイル２１ａの至近に配設された電力取出コイル(第４コイル)２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。電力取出コイル２１ｂには受電回路部２２が接続され、所定の電力が取り出される。なお、受電回路部２２からの電力は、例えば、バッテリ部(負荷)２５におけるバッテリの充電、或いは、受電器２の回路に対する電源出力等として利用される。
ここで、送電器１の高周波電源部１２は、送電制御部１３により制御され、また、受電器２の受電回路部２２は、受電制御部２３により制御される。そして、送電制御部１３および受電制御部２３は、通信回路部１４および２４を介して接続され、送電器１から受電器２への電力伝送を好ましい状態で行うことができるように、様々な制御を行うようになっている。
図４Ａ〜図４Ｃは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図である。ここで、図４Ａおよび図４Ｂは、３コイル構成の例を示し、図４Ｃは、２コイル構成の例を示す。
すなわち、図３に示す無線電力伝送システムでは、ワイヤレス送電部１１が第１コイル１１ｂおよび第２コイル１１ａを含み、ワイヤレス受電部２１が第３コイル２１ａおよび第４コイルを含んでいる。
これに対して、図４Ａの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのコイル(受電共振コイル：ＬＣ共振器)２１ａとし、図４Ｂの例では、ワイヤレス送電部１１を１つのコイル(送電共振コイル：ＬＣ共振器)１１ａとしている。
さらに、図４Ｃの例では、ワイヤレス受電部２１を１つの受電共振コイル２１ａに設定すると共に、ワイヤレス送電部１１を１つの送電共振コイル１１ａとしている。なお、図４Ａ〜図４Ｃは、単なる例であり、様々に変形することができるのはいうまでもない。
図５Ａ〜図５Ｄは、独立共振コイル(受電共振コイル２１ａ)の例を示す回路図であり、図６Ａ〜図６Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイル(受電共振コイル２１ａ)の例を示す回路図である。
ここで、図５Ａ〜図５Ｄは、図３および図４Ｂにおける受電共振コイル２１ａに対応し、図６Ａ〜図６Ｄは、図４Ａおよび図４Ｃにおける受電共振コイル２１ａに対応する。
図５Ａおよび図６Ａに示す例は、受電共振コイル２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１，容量(Ｃ)２１２およびスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオフしておく。図５Ｂおよび図６Ｂに示す例は、受電共振コイル２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１および容量(Ｃ)２１２と、容量２１２に並列に接続されたスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図５Ｃおよび図６Ｃに示す例は、図５Ｂおよび図６Ｂの受電共振コイル２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および抵抗(Ｒ)２１４を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図５Ｄおよび図６Ｄに示す例は、図５Ｂおよび図６Ｂの受電共振コイル２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および他の容量(Ｃ')２１５を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
上述した各受電共振コイル２１ａにおいて、通常時に受電共振コイル２１ａが動作しないように、スイッチ２１３をオフまたはオンに設定するようになっている。これは、例えば、不使用の受電器２や故障した受電器２に対して電力が伝送されて発熱等が生じるのを避けるためである。
以上において、送電器１の送電共振コイル１１ａも図５Ａ〜図５Ｄおよび図６Ａ〜図６Ｄと同様にすることもできるが、送電器１の送電共振コイル１１ａとしては、通常時に動作するようにして、高周波電源部１２の出力でオン／オフ制御してもよい。この場合、送電共振コイル１１ａは、図５Ａおよび図６Ａにおいて、スイッチ２１３を短絡したものになる。
以上により、複数の受電器２が存在する場合、送電器１から送電を行う所定の受電器２の受電共振コイル２１ａのみを選択して動作可能な状態とすることにより、その選択された受電器２に対する電力の伝送(時分割電力伝送)を行うことが可能になる。
図７Ａ〜図７Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図である。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、参照符号１Ａおよび１Ｂは送電器を示し、２は受電器を示す。
図７Ａに示されるように、送電器１Ａの磁界共鳴に使用する送電用の送電共振コイル１１ａＡと送電器１Ｂの磁界共鳴に使用する送電用の送電共振コイル１１ａＢは、例えば、直交するように配設されている。
また、受電器２の磁界共鳴に使用する受電用の受電共振コイル２１ａは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢにより囲まれた個所で異なる角度(平行にならない角度)に配置されている。
ここで、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１１ａＡおよび１１ａＢは、１つの送電器に設けることも可能である。すなわち、１つの送電器１が複数のワイヤレス送電部１１を含んでいてもよい。
図７Ｂは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが同じ位相の磁界を出力している様子を示し、図７Ｃは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが逆の位相の磁界を出力している様子を示す。
例えば、２個の直交する送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが同相出力の場合と逆相出力の場合を比較すると、合成磁界は９０°回転した関係となり、それぞれの受電器２(受電共振コイル２１ａ)の向きに合わせた送電を行う。
このように、複数の送電器１Ａ，１Ｂにより、任意の位置および姿勢(角度)の受電器２に対して電力を伝送する場合、送電器１Ａ，１Ｂの送電共振コイル１１ａＡ，１１ａＢに発生させる磁界は様々に変化することが分かる。
上述した無線電力伝送システムは、複数の送電器と、少なくとも１つの受電器とを含み、受電器の位置(Ｘ,Ｙ,Ｚ)および姿勢(θX,θY,θZ)に応じて、その複数の送電器間の出力(強度および位相)を調整する。
なお、三次元空間に関しても、例えば、実際の三次元空間における３個以上の送電器を用いて、それぞれの出力位相差および出力強度比を調整することで、三次元空間上の任意の方向に磁界(電界)の向きを調整することが可能になることが理解されるであろう。
図８Ａ〜図８Ｃは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図である。なお、図８Ａ〜図８Ｃでは、説明を簡略化するために、１つの送電器１Ａおよび２つの受電器(携帯電話)２Ａ，２Ａ’のみ示しているが、送電器の数および受電器の数や種類等は様々に変化し得るのはいうまでもない。すなわち、図８Ａに示されるように、１つの送電器１Ａにより、２つの受電器２Ａ，２Ａ’に対するワイヤレス給電を行う場合を想定する。
まず、時分割電力伝送によりワイヤレス給電を行うときは、図８Ｂの左側図に示されるように、一方の受電器２Ａだけに給電した後、図８Ｂの右側図に示されるように、他方の受電器２Ａだけに給電する。なお、受電器の数がさらに多い場合も同様であり、時分割的に給電する受電器を順番に切り替えてワイヤレス給電を行う。
すなわち、時分割電力伝送は、複数の受電器がある場合、給電する対象となる受電器を順次選択することにより、ある瞬間には常に送電器に対して１つの受電器が対応することになる。このときの制御は、例えば、送電器と受電器が１対１の場合と同様とすることができる。ただし、時分割した結果、給電(満充電)に要する時間は、受電器の数だけの時間となるため、受電器が２台であれば１台のときの２倍の時間を要することになる。
次に、同時電力伝送によりワイヤレス給電を行うときは、図８Ｃに示されるように、１つの送電器１Ａにより、２つの受電器２Ａ，２Ａ’の両方に給電する。なお、受電器の数がさらに多い場合も同様であり、それら複数の受電器に対して同時にワイヤレス給電を行う。
この同時電力伝送は、例えば、２台の受電器がある場合にはその２台の受電器を同時に給電するため、給電に要する時間は、同時給電される受電器の数に関わらず、１台分でよいため、ユーザメリットを考えると望ましい給電方法(無線電力伝送制御方法)と言える。
ただし、複数の受電器を同時給電(同時電力伝送)するには、受電器が１台のときとは異なる制御を行うことになる。また、複数の受電器に対して同時電力伝送を行う場合、送電上限や効率等の問題があるため、常に選択可能であるわけではない。なお、受電器の数が多数の場合、一部の複数の受電器に対して同時電力伝送を行い、他の受電器に対して時分割電力伝送を行うことも考えられる。
図９Ａ〜図９Ｃは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図である。ここで、図９Ａは、例えば、磁界共鳴を利用して、１つの送電器１Ａにより、要望電力が異なる２つの受電器２Ａ，２Ｂにワイヤレス給電する様子を示す。
また、図９Ｂは、送電器１Ａ(送電共振コイル１１ａ)から、受電器２Ａ(受電共振コイル２１ａＡ)および受電器２Ｂ(受電共振コイル２１ａＢ)にワイヤレス給電する様子を示す。図９Ｃは、受電器２Ｂの共振点をずらして(デチューンして)、電力配分比を制御する手法を説明するためのものである。
なお、受電器２Ａは、例えば、要望電力が５Ｗの携帯電話を示し、受電器２Ｂは、例えば、要望電力が５０Ｗのノートパソコンを示す。また、説明を簡略化するために、携帯電話２ＡのＬＣ共振器(ワイヤレス受電部)およびノートパソコン２ＢのＬＣ共振器は、同じ仕様のものとする。さらに、図９Ｃにおいて、参照符号ＬＬ０は全体送電効率を示し、ＬＬＡは携帯電話２Ａの受電電力を示し、ＬＬＢはノートパソコン２Ｂの受電電力を示す。
ところで、複数の受電器への同時ワイヤレス給電を行う場合それぞれの受電器における受電電力量が異なるケースが多発すると考えられる。例えば、図９Ａに示されるように、要望電力が５Ｗの携帯電話と要望電力が５０Ｗのノートパソコン、或いは、同じ種類の受電器であっても、バッテリ残量によっては、要望電力が異なるケースも考えられる。
例えば、受電器２Ａ，２Ｂの位置や向き大きな差がない場合、同じ仕様の受電コイルが搭載されているとき、電力は等しく分配される。具体的に、携帯電話２Ａの受電共振コイルにおけるインダクタンスをＬA，キャパシタンスをＣAとし、ノートパソコン２Ｂの受電共振コイルにおけるインダクタンスをＬB，キャパシタンスをＣBとする。
このとき、図９Ｃにおける参照符号ＰＰ０で示されるように、そのままの状態(共振点ずらさない状態)では、Ｌ0Ｃ0＝ＬAＣA＝ＬBＣBが成立する。すなわち、図９Ｂにおけるそれぞれの共振周波数は、ｆ0＝ｆA＝ｆBの関係が成立する。
そのため、例えば、送電器１Ａからの送電電力が６８．７５Ｗで送電効率が８０％だと仮定すると、携帯電話２Ａおよびノートパソコン２Ｂは、両方とも２７．５Ｗの電力を受け取ることになる。
すなわち、図９Ａに示されるように、要望電力が１０倍異なる受電器２Ａと２Ｂであっても、例えば、５５Ｗの要望電力に相当する出力を送電器１Ａから出力した場合、受電器２Ａ，２Ｂ側では、それぞれ２７．５Ｗずつの電力を受電する結果となる。
このとき、携帯電話２Ａの要望電力は５Ｗで、ノートパソコン２Ｂの要望電力は５０Ｗであるため、携帯電話２Ａの受電共振コイルによる共振点をずらして受電効率(ηip)を低下させるように制御する。
例えば、図９Ｃの矢印ＭＡに示されるように、携帯電話２Ａの受電共振コイル２１ａＡにおける容量のキャパシタンスＣAを、受電効率が最大となる受電共振コイルの共振点からずらすために、小さく(または、大きく)なるように制御する。
すなわち、図９Ｃの矢印ＭＡのように、共振条件を意図的にずらす(キャパシタンスＣAをずらす)ことでＱ値を低下させ、携帯電話２Ａの受電電力ＬＬＡは、共振点(Ｐ０)の２７．５Ｗから次第に減少して、例えば、要望電力の５Ｗに設定することができる。
このとき、携帯電話２Ａが受電しなくなった電力は、そのほとんどがノートパソコン２Ｂの受電電力となる。すなわち、ノートパソコン２Ｂの受電電力ＬＬＢは、携帯電話２Ａの受電電力ＬＬＡの低下に応じて上昇し、無線電力伝送システムにおける全体送電効率ＬＬ０は、ほとんど低下しないことが分かる。
このように、共振条件を変えることで、具体的には、受電器２Ａの共振用コンデンサ(容量)２１２の容量値(キャパシタンスＣA)を変化させることで、結合が調整され、結果として、受電電力を所望の配分比に制御することが可能となる。
ここで、重要なこととして、共振条件を可変した受電器２Ａの効率は低下していても、システム全体の送受電効率はほぼ一定を保っており、受電器２Ａに到達していた電力を減らした分、受電器２Ｂへの電力が増加する。その結果、受電器２Ａ，２Ｂの一方だけの単体給電時と比べても、ほぼ同じ効率で全体(両方の受電器２Ａ，２Ｂ)に送電しつつ受電電力を所望の比に分配(配分)できることがわかる。
ところで、近年、複数の送電器(送電コイル)および複数の受電器を含む無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用して給電制御を行うことが注目されている。具体的に、例えば、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器に対して順番に電力を伝送する時分割電力伝送モードと、複数の受電器に対して同時に電力を伝送する同時電力伝送モードと、を切り替えて無線電力伝送を行う研究がなされている。
また、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器をグループ分けし、或いは、受電器(受電共振コイル)の共振点をずらしてデチューンすることも研究されている。さらに、無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用した様々な提案がなされるものと期待されている。
ここで、ｋＱ値(ｋＱ)は、電磁界(磁界または電界)の結合の程度を示すｋ値(ｋ)と、電磁界の損失の程度を示すＱ値(Ｑ)の積である。なお、ｋ値は、その値が大きいほど、結合の程度が大きいことを示し、また、Ｑ値は、その値が大きいほど、損失の程度が小さいことを示す。
すなわち、ｋＱは、次の式(１)により表される。ここで、Ｑ1は、送電器のＱ値を示し、Ｑ2は、受電器のＱ値を示す。
Figure 2015177905
また、ｋは、次の式(２)により表される。ここで、Ｍ12は、送電器と受電器の間の相互インダクタンスを示し、Ｌ1は、送電器の自己インダクタンス、そして、Ｌ2は、受電器の自己インダクタンスを示す。
Figure 2015177905
さらに、Ｑは、次の式(３)により表される。ここで、ωは、角振動数を示し、Ｒ1は、送電器の共振コイルの損失、そして、Ｒ2は、受電器の共振コイルの損失を示す。
Figure 2015177905
図１０は、ｋＱ値が適用される無線電力伝送システムの一例を説明するための図であり、ｋＱ値のおおきさによりグループ分けを行う例を示すものである。なお、図１０では、１つの送電器１Ａおよび６個の受電器２Ａ〜２Ｆを示しているが、これは単なる例であり、様々な場合があり得るのはいうまでもない。
図１０に示されるように、例えば、無線電力伝送システムに６個の受電器２Ａ〜２Ｆが含まれる場合、各受電器２Ａ〜２ＦのｋＱ値(評価指標)を評価し、ｋＱ値によりグループ分けを行う。まず、全ての受電器２Ａ〜２Ｆを、それぞれ単体評価する。
例えば、受電器２Ａを評価するとき、受電器２Ａのみオンして、他の受電器２Ｂ〜２Ｆをオフ(例えば、図５Ａの受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３をオフ)する。そして、例えば、ｋＱ値が最大(ｋＱmax1)となる受電器２Ｂを基準とし、他の受電器のｋＱ値(ｋＱother)に関して、ｋＱother／ｋＱmax1が一定値以上ならば、同一グループとする。具体的に、図１０では、ｋＱ値がｋＱ1-1の受電器２ＦおよびｋＱ値がｋＱ1-2の受電器２Ｃが、第１グループＧＰ１とされている。
次に、ｋＱ値が最大(ｋＱmax1)となる受電器２Ｂを含む第１グループＧＰ１以外の受電器２Ａ，２Ｄ，２Ｅにおいて、ｋＱ値が最大(ｋＱmax2)となる受電器２Ａを基準として、同様にグループ分けを行う。具体的に、図１０では、受電器２Ａ，２Ｄ，２Ｅが、第２グループＧＰ２とされている。
そして、分割されたグループＧＰ１，ＧＰ２を単位として、同一グループ内では、例えば、同時給電を行う。また、ｋＱ値によりグループ分けされた受電器に関して、例えば、閾値以下となるグループの受電器に対しては、時分割給電を行う。さらに、閾値以上となるグループの受電器に対して、同一グループ内の給電では、電力分配を調整(デチューン)して同時給電を行うことができ、異なるグループにまたがる受電器に対しては、時分割給電を行うのが好ましい。
ところで、一般的に、ワイヤレス送電可能なシステムの要件として、電力と効率は、比例する関係が好ましい。つまり、大電力を送電するシステムでは、高効率が望まれ、また、小電力を送電するシステムでは、低効率であっても許容することができる。これは、特に、ロスが結果として発熱になるため、放熱の問題を考えれば容易に理解することができる。
すなわち、大電力系において効率が低い場合には、放熱すべき電力が大きくなるため、システムを構築することが難しくなるためである。言い換えれば、送電電力に応じて、許容効率が規定されていると考えることもできる。
そのような状況で、ｋＱ値が異なる複数の受電器に対した、同時給電すべきか、或いは、時分割給電すべきかを検討すると、送電完了時間を優先すれば、同時給電が常に望ましいと考えられるが、上述したように、許容できる効率は各系に応じて異なっている。
そこで、許容効率を確保しつつ、同時給電を行うことのできる方法を考えるのが現実的であり、本実施例では、ｋＱ値の近いものをグループ化し、そのグループ内では同時給電を優先し、グループ外では時分割給電を優先するようになっている。
これは、ｋＱ値が同じ(近い)ものの同時給電であれば、Ｑ値を少し可変することで電力のバランスを調整することが容易である一方で、ｋＱ値が大きく異なっているものの同時給電では、バランス調整のために、Ｑ値を大きく低下させることになる。これは、結果として、全体の効率低下を招くことになる。
一例として、ノートパソコン群とスマートフォン群への給電を考える。ここで、ノートパソコン群(ノートパソコン)は、例えば、３０Ｗの給電を要求し(要望電力が３０Ｗであり)、その電力の大きさゆえに許容最低効率は８０％とする。また、ノートパソコンは、サイズが大きいために受電コイルを大きくすることができ、ｋＱ値を大きくすることが可能である。
一方、スマートフォン群(スマートフォン)は、例えば、５Ｗの給電を要求し(要望電力が５Ｗであり)、許容効率は４０％とする。また、スマートフォンは、サイズが小さく、位置がより自由であるため、ｋＱ値は小さく抑えられてしまう。
このような２つの郡への同時給電を行うと、ｋＱ値が異なるグループへの同時給電となるが、ノートパソコン群への給電ばかりが実行され、スマートフォン群へ電力が届かないことになる。
このとき、例えば、Ｑ値を低下させて電力のバランスを取ることもできるが、その場合には、全体の効率が低下してしまい、ノートパソコンを含む給電の効率が低くなり、例えば、許容効率が８０％以下となってしまうこともあり得る。
そのため、ｋＱ値が異なるグループへの同時給電は好ましくないことが分かる。すなわち、ｋＱ値(評価指標)が設定値以上となる受電器が３つ以上存在するとき、そのｋＱ値の大きさに基づいてグループ分けを行うが、近いｋＱ値を持つ受電器が同じグループとなるようにグループ分けを行うのが好ましい。
ここで、ｋＱ値によりグループ分けされた受電器に関して、例えば、閾値以下となるグループの受電器に対しては、時分割給電を行うことになる。また、閾値以上となるグループの受電器に対して、同一グループ内の給電では、電力分配を調整して同時給電を行うことができ、異なるグループにまたがる受電器に対しては、時分割給電を行うのが好ましい。
なお、複数の受電器をｋＱ値により複数のグループに分けるための閾値としては、想定される無線電力伝送システムの規模や仕様により様々に変化させることができ、それに従って、グループの数や各グループに含まれる受電器の数も変化することになる。
図１１は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図であり、２つの送電器１Ａ，１Ｂ、および、２つの受電器２Ａ，２Ｂを含む例を示すものである。図１１に示されるように、送電器１Ａ，１Ｂは同様の構成を有し、それぞれワイヤレス送電部１１Ａ，１１Ｂ、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂ、送電制御部１３Ａ，１３Ｂおよび通信回路部１４Ａ，１４Ｂを含む。
高周波電源部１２Ａ，１２Ｂは、高周波の電力を発生するもので、例えば、前述した図３における高周波電源部１２に相当し、固有の電源インピーダンスを有する。例えば、出力インピーダンスが５０Ωに整合された定電圧電源や、高い出力インピーダンスのＨｉ−ＺΩ電源(定電流電源)などである。
送電制御部１３Ａ，１３Ｂは、送電部１１Ａ，１１Ｂを制御し、通信回路部１４Ａ，１４Ｂは、各送電器および受電器間の通信を可能とするものであり、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ外部電源１０Ａ，１０Ｂから電力の供給を受け取り、送電制御部１３Ａ，１３Ｂには、検出部ＳＡ，ＳＢからの信号が入力されている。なお、送電器１Ａおよび送電器１Ｂは、例えば、１つの送電器１に設けた２つの送電部(１１)としてもよいのはいうまでもない。
ワイヤレス送電部１１Ａ，１１Ｂは、磁界共鳴であればコイルに相当し、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂから供給される高周波電力を磁界に変換する。検出部ＳＡ，ＳＢは、送電器１Ａ，１Ｂの相対位置関係や受電器２Ａ，２Ｂの相対位置関係を検出する。
なお、例えば、送電器１Ａ，１Ｂの位置関係が固定され(送電共振コイル１１ａ１，１１ａ２が特定のＬ字ブロック状に固定され)、その情報を送電制御部１３Ａ，１３Ｂが把握し、受電器２Ａ，２Ｂが検出機能を有する場合、検出部ＳＡ，ＳＢは省略可能である。
受電器２Ａ，２Ｂも同様の構成を有し、それぞれワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂ、整流部(受電回路部)２２Ａ，２２Ｂ、受電制御部２３Ａ，２３Ｂ、通信回路部２４Ａ，２４Ｂおよび機器本体(バッテリ部)２５Ａ，２５Ｂを含む。
受電制御部２３Ａ，２３Ｂは、受電器２Ａ，２Ｂを制御するものであり、通信回路部２４Ａ，２４Ｂは、各送電器および受電器間の通信を可能とするもので、前述したように、例えば、無線ＬＡＮやブルートゥース(Bluetooth（登録商標）)を利用する。
ワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂは、磁界共鳴であればコイルに相当し、無線で伝達された電力を電流に変換する。整流部２２Ａ，２２Ｂは、ワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂから得られた交流電流をバッテリ充電や機器本体で使用可能なように直流電流に変換する。
上述したように、送電器１Ａ，１Ｂおよび受電器２Ａ，２Ｂは、それぞれの通信回路部１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂを介して通信を行う。このとき、例えば、送電器１Ａをマスタ(全体制御器)とし、このマスタ(送電器)１Ａが、他の送電器１Ｂおよび受電器２Ａ，２Ｂをスレーブとして制御することもできる。
ここで、送電器１Ａ，１Ｂの通信回路部１４Ａ，１４Ｂ、並びに、受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介した通信により、同時送電と時分割送電の切り替え、並びに、同時送電における電力配分比調整等の制御を行う。
具体的に、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介して、それぞれの受電器２Ａ，２ＢにおけるＱ値を、無線電力伝送の制御を行うマスタ(例えば、送電器１Ａ)に通信で伝える。
また、同時給電を行う場合、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ｂの通信回路部２４Ｂを介して、受電器２Ｂの受電共振コイルにおける容量のキャパシタンス(ＣA)を共振点からずらし、電力配分比の調整を行う。具体的に、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａにおける容量２１２のキャパシタンスの値を制御して、受電器２Ａ，２Ｂの電力配分比を調整する。
さらに、時分割給電を行う場合、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介して、ワイヤレス給電を行う受電器の切り替えを行う。
具体的に、例えば、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３を制御して、ワイヤレス給電を行う受電器のスイッチ２１３だけを順にオンするように制御する。或いは、例えば、前述した図５Ｂに示す受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３を制御して、ワイヤレス給電を行う受電器のスイッチ２１３だけを順にオフするように制御する。
なお、ワイヤレス送電部１１Ａおよび１１Ｂと、ワイヤレス受電部２１Ａまたは２１Ｂの間は、磁界共鳴を利用した電力伝送に限定されるものではなく、例えば、電界共鳴、或いは、電磁誘導や電界誘導を利用した電力伝送方式を適用することもできる。
前述したように、複数の送電器(送電コイル)および複数の受電器を含む無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用して給電制御を行うことが注目され、様々な研究がなされている。
しかしながら、無線電力伝送システムにおいて、各受電器とのｋ値、従って、ｋＱ値を精度よく算出する有効な提案がなされていないのが実情である。すなわち、無線電力伝送システムにおける各受電器とのｋＱ値を精度よく算出するのは難しい。
以下、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。ここで、本実施例は、少なくとも１つの送電器および少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムに適用することができる。
なお、以下の説明では、１つの受電器とのｋＱ値を求める例を示すが、無線電力伝送システムが複数の受電器を含む場合には、１つの受電器のみを順番にオンしてそれぞれの受電器とのｋＱ値を求めることになる。
例えば、図１１の例において、送電器１Ａ(送電制御部１３Ａ)がマスタとしてシステム全体を制御する場合、受電器２ＡのｋＱ値を算出するには、受電器２Ａのワイヤレス受電部２１Ａを動作状態とし、受電器２Ｂのワイヤレス受電部２１Ｂを停止する。
例えば、受電器２Ａ，２Ｂのワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂが共に、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａを有する場合、受電器２Ａにおける受電共振コイル２１ａのスイッチ２１３をオンし、受電器２Ｂにおけるスイッチ２１３をオフすることになる。
また、無線電力伝送システムが複数の送電器を含む場合には、複数の送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を算出することもできるが、１つの送電器のみを順番にオンし、それぞれの送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を求めることもできる。これらは、得られたｋＱ値の適用、或いは、ｋＱ値に基づいた様々な制御に従って適宜行われる。
さらに、それぞれの受電器とのｋＱ値が得られたとき、例えば、それぞれの受電器(受電共振コイル)における磁界(電界)の損失の程度を示すＱ値が既知の場合には、磁界(電界)の結合の程度を示すｋ値を算出し、そのｋ値を使用して様々な制御を行うこともできる。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図である。ここで、図１２Ａは、送電器１(送電共振コイル１１ａ)および受電器２(受電共振コイル２１ａ)を概念的に示す図であり、例えば、前述した図４Ｃに示す伝送コイルの例に相当する。
また、図１２Ｂは、図１２Ａにおける送電器１および受電器２の等化回路を示す図であり、図１２Ｃは、ＲL／Ｒ2による効率(η)とｋＱ値の関係を示す図である。なお、伝送コイル(ワイヤレス送電部およびワイヤレス受電部)は、図４Ｃのものに限定されず、図３，図４Ａおよび図４Ｂ等の構成であってもよいのはいうまでもない。
１つの送電器１(送電共振コイル１１ａ)と１つの受電器２(受電共振コイル２１ａ)間の磁界(電界)による電力伝送は、図１２Ａのように考えることができ、これは、図１２Ｂの等化回路により表される。
なお、図１２Ｂにおいて、参照符号Ｒ1およびＬ1は、送電共振コイル１１ａ(コイル)の損失(抵抗値)および自己インダクタンスを示し、Ｒ2およびＬ2は、受電共振コイル２１ａ(コイル２１１)の抵抗値および自己インダクタンスを示す。また、参照符号ＲLは、給電対象(バッテリ部２５)の負荷抵抗を示し、Ｍは、送電共振コイル１１ａと受電共振コイル２１ａ間の相互インダクタンスを示す。
参照符号Ｃ1は、送電共振コイル１１ａ(容量)のキャパシタンスを示し、Ｃ2は、受電共振コイル２１ａ(容量２１２)のキャパシタンスを示し、Ｉ1およびＩ2は、送電共振コイル１１ａおよび受電共振コイル２１ａを流れる電流を示し、Ｅは電源回路(１２)を示す。
前述したように、ｋＱ値、ｋ値、並びに、送電器および受電器のＱ値(Ｑ1，Ｑ2)は、次の式(１)〜式(３)により表される。
Figure 2015177905
ここで、受電共振コイル２１ａ(受電器２)の効率は、コイル２１１の抵抗値Ｒ2だけでなく、給電対象となる負荷抵抗ＲLにより変化する。例えば、受電器において、受電共振コイル２１ａにおけるコイル２１１の抵抗値Ｒ2は最小化を目指して設計されるが、負荷抵抗ＲLは、例えば、二次電池の充電率等によって変化する。なお、図１２Ｃにおいて、効率ηは、次の式(４)により表される。
Figure 2015177905
次に、ｋＱ値と効率(η)の関係が、負荷抵抗ＲLにより大きく変化することを、図１２Ｃを参照して説明する。図１２Ｃにおいて、曲線ＬＬhは、コイル２１１の抵抗値Ｒ2と負荷抵抗ＲLの比率が常に最適な場合(理想効率，最大効率)の特性を示し、また、ＬＬiは、ＲL／Ｒ2＝１のとき、ＬＬjは、ＲL／Ｒ2＝１０のとき、ＬＬkは、ＲL／Ｒ2＝１００のときの特性を示す。
図１２Ｃから明らかなように、ＲL／Ｒ2の値により、ｋＱ値と効率の関係が大きく変化するのが分かる。ここで、エネルギー損失の程度を示すＱ値に関して、例えば、送電共振コイル１１ａにおけるωおよびＬ1、並びに、受電共振コイル２１ａにおけるωおよびＬ2は、通常、不変とみなすことができる。
図１３は、第１実施例の無線電力伝送システムを説明するためのブロック図である。ここで、図１３では、１つの送電器１および１つの受電器２のみが描かれているが、前述したように、本実施例の無線電力伝送システムは、複数の送電器および複数の受電器を含んでもよい。
なお、システムに複数の受電器が含まれている場合には、例えば、１つの受電器のみを順番にオンしてそれぞれの受電器とのｋＱ値を求める。また、システムに複数の送電器が含まれている場合には、複数の送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を算出し、或いは、１つの送電器のみを順番にオンし、それぞれの送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を求める。
図１３に示されるように、送電器１は、送電共振コイル１１ａ(ワイヤレス送電部１１)、送電制御部(メモリを含む)１３、通信回路部１４、アンプ１５および整合回路１６を含む。
送電制御部１３は、例えば、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って、アンプ制御信号Ｓaによりアンプ１５の出力を制御し、整合回路１６を介して送電共振コイル１１ａを駆動する。
ここで、送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って送電電力Ｐ1を検出するようになっている。また、送電制御部１３にはメモリが設けられていて、例えば、送電共振コイル１１ａのコイルにおける損失Ｑ1を予め記憶しておくようになっている。
受電器２は、受電共振コイル２１ａ(ワイヤレス受電部２１：受電コイル)、整流回路２２ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂ、受電制御部(メモリを含む)２３、通信回路部２４、二次電池２５、スイッチ２６、および、電力検出用抵抗２７を含む。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂおよび二次電池２５は、受電コイル(２１，２１ａ)からの電力を使用する内部回路に相当する。
スイッチ２６は、受電制御部２３からの切り替え制御信号Ｓsに従って、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した直流の受電電圧Ｖｒを、電力検出用抵抗(負荷抵抗)２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに切り替え可能として印加する。また、負荷抵抗２７は、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされている。
受電制御部２３は、整流回路２２ａからの受電電圧Ｖｒを受け取り、例えば、スイッチ制御信号Ｓsによりスイッチ２６を制御して受電電圧Ｖｒを負荷抵抗２７に印加し、その負荷抵抗２７の抵抗値ＲLによる受電電力Ｐ2を検出する。
なお、図１３(および図１４)において、スイッチ２６および負荷抵抗２７は、整流回路２２ａの後段に設けられ、整流された直流の受電電圧Ｖｒおよび負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出しているが、整流回路２２ａの前段に設けることもできる。
すなわち、後述する図１５の第３実施例のように、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出することも可能である。
これにより、受電制御部２３は、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLと受電共振コイル２１ａ(コイル２１１)の抵抗値Ｒ2の抵抗比ＲL／Ｒ2、および、受電電力Ｐ2を得ることができ、この受電電力の検出情報を、通信により送電制御部１３に伝達する。また、受電制御部２３にはメモリが設けられていて、例えば、受電共振コイル２１ａのコイル２１１における損失Ｑ2を予め記憶しておくようになっている。
なお、受電器２(受電制御部２３)から送電器１(送電制御部１３)への受電電力の検出情報として、例えば、受電電圧Ｖｒ，抵抗比ＲL／Ｒ2および損失Ｑ2を、そのまま送電制御部１３に伝達し、送電制御部１３で受電電力Ｐ2等の算出を行ってもよい。
或いは、受電器２(受電制御部２３)が、通信を介して、送電器１(送電制御部１３)から、送電電力Ｐ1および送電共振コイル１１ａの損失Ｑ1等の情報を受け取って、ｋＱ値(ｋ値)を算出することも可能である。
ここで、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrによる、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLの制御は、図１２Ｃの各特性曲線から明らかなように、ＲL／Ｒ2が小さい、すなわち、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLが小さい値から大きな値に変化するように制御するのが低効率時における検出精度を確保する上で好ましい。
受電制御部２３は、通信(受電器側の通信回路部２４および送電器側の通信回路部１４)を介して、例えば、送電制御部１３から送電条件(給電タイミング情報)を受け取り、送電制御部１３に対して、所定のＲL／Ｒ2に対する受電電力Ｐ2および損失Ｑ2を伝達する。
これにより、例えば、無線電力伝送システムのマスタとして全体を制御する送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａのコイルの損失Ｑ1、送電電力Ｐ1、受電共振コイル２１ａのコイルの損失Ｑ2およびＲL／Ｒ2の値を認識することができる。
従って、送電制御部１３は、送電器１の送電電力Ｐ1，受電器２におけるＲL／Ｒ2の値、および、受電器２の受電電力Ｐ2を認識することで、抵抗比ＲL／Ｒ2と測定効率(Ｐ2／Ｐ1)から受電器２とのｋＱ値を式(４)に基づいて推定することが可能となる。
すなわち、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して説明した式(４)に対して、求めた測定効率(Ｐ2／Ｐ1)を効率ηとして適用し、さらに、求めた抵抗比ＲL／Ｒ2をＲL／Ｒ2として、また、その逆数をＲ2／ＲLとして適用することで、ｋＱ値を算出(推定)することができる。すなわち、第１実施例によれば、受電器におけるｋＱ値の算出精度を向上することが可能になる。このｋＱ値の算出精度を向上することは、以下の第２および第３実施例でも同様の効果として得られる。
なお、送電制御部１３のメモリに記憶されたＱ1および受電制御部２３のメモリに記憶されたＱ2からＱ値を求めることができるので、ｋＱ値を算出できれば、ｋ値を算出することも可能となる。
また、受電共振コイル２１ａのコイルの損失Ｑ2の値は、受電制御部２３から通信を介して送電制御部１３に伝達せずに、例えば、受電器の種類や型番を示す情報からＱ2の値を参照できるテーブルを、予め、送電器側に設けておくこともできる。
以上の処理は、例えば、送電器１から送電される電力により、受電器２における二次電池２５の充電を行う本送電の前に、送電器１から小電力を送電して行うテスト送電において実施することができる。
図１４は、第２実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。図１４と上述した図１３の比較から明らかなように、第２実施例における受電器は、第１実施例における受電器と、スイッチ２６'および負荷抵抗２７'の構成が異なっている。
すなわち、第１実施例では、負荷抵抗２７が、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされているのに対して、第２実施例では、負荷抵抗２７'が、複数(図１４では、３個)の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含んでいる。
すなわち、第１実施例の受電器では、負荷抵抗２７が、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされている。これに対して、第２実施例の受電器では、負荷抵抗２７'が複数の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含み、その抵抗素子の１つが、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓs'に従って動作するスイッチ２６'により選択されるようになっている。
すなわち、スイッチ２６'は、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓs'に従って、受電電圧Ｖｒを、負荷抵抗２７'におけるいずれかの抵抗素子ＲL1〜ＲL3、或いは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに切り替え可能として印加する。
ここで、各抵抗素子ＲL1〜ＲL3の抵抗値としては、例えば、図１２Ｃに示されるように、抵抗比ＲL／Ｒ2の値が１，１０，１００程度となるように設定することができる。なお、負荷抵抗２７'に設ける抵抗素子の数および各抵抗素子の設定値等は、様々に設定することができるのはいうまでもない。
図１５は、第３実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。図１５に示されるように、第３実施例における受電器は、ワイヤレス受電部２１が受電共振コイル２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む。すなわち、受電共振コイル２１ａおよび電力取出コイル２１ｂは、受電コイル(ワイヤレス受電部２１)に相当する。
これは、例えば、前述した図３および図４Ｂに示す受電器のワイヤレス受電部２１と同様であり、受電共振コイル２１ａは、その受電共振コイル２１ａの至近に配設された電力取出コイル２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。
受電共振コイル２１ａには、スイッチ２６および負荷抵抗２７が設けられ、例えば、テスト送電時に、スイッチ２６を切り替えて、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'を負荷抵抗２７に印加する。
なお、スイッチ２６を制御する受電制御部２３からの切り替え制御信号Ｓs、並びに、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを制御する抵抗値制御信号Ｓrは、図１３を参照して説明したものと同様である。
ただし、第３実施例の受電器において、受電制御部２３は、受電共振コイル２１ａからの交流の受電電圧Ｖr'および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出することになる。
そして、電力取出コイル２１ｂには、整流回路２２ａが接続され、整流回路２２ａを介して取り出された直流の受電電圧Ｖｒは、スイッチ２６"を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されるようになっている。
ここで、スイッチ２６および２６"は、受電制御部２３からの切り替え制御信号ＳsおよびＳs"により、スイッチングのタイミングが同期するように制御されている。すなわち、スイッチ２６により、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'が負荷抵抗２７に印加されるとき、スイッチ２６"により、整流回路２２ａによる直流の受電電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されないようになっている。
換言すると、例えば、テスト送電時において、受電制御部２３は、スイッチ２６および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを制御して、交流の受電電圧Ｖr'および抵抗値ＲL(抵抗比ＲL／Ｒ2)から受電電力Ｐ2を算出する。
このとき、受電制御部２３は、スイッチ２６"を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂの入力が高インピーダンス状態となるように制御する。このテスト送電により、受電制御部２３は、受電電力Ｐ2を算出し、その算出された受電電力Ｐ2を、通信を介してＲL／Ｒ2等の情報と共に送電器１の送電制御部１３に伝達する。
そして、本送電を行う場合、受電制御部２３は、スイッチ２６を制御して負荷抵抗２７を受電共振コイル２１ａから切り離すと共に、スイッチ２６"を制御して整流回路２２ａからの受電電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されるようにする。
第３実施例において、スイッチ２６および負荷抵抗２７は、例えば、図１４を参照して説明した第２実施例と同じ構成を有するスイッチ２６'および複数の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含む負荷抵抗２７'とすることもできる。
図１６は、本実施例のｋＱ値算出処理の一例を説明するためのフローチャートである。図１６において、送電器側の処理をステップＳＴ１１〜ＳＴ１９で示し、受電器側の処理をステップＳＴ２１〜ＳＴ２７で示す。
図１６に示されるように、ｋＱ値算出処理が開始すると、送電器(１)において、ステップＳＴ１１でテスト送電を設定し、ステップＳＴ１２に進んで、テスト送電を通知し、ステップＳＴ１３に進んで、テスト送電を開始する。ここで、テスト送電は、送電器１からテストのための比較的小電力の送電を行うことになる。
さらに、送電器１では、ステップＳＴ１４において、送電電力Ｐ1を検出する。すなわち、送電器１において、送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って送電電力Ｐ1を検出できるようになっている。
そして、ステップＳＴ１５に進んで、受電器２からの通知が有ったかどうかを判定、すなわち、受電器２からの通知が有るまで待って、受電器２からの通知が有ったと判定すれば、ステップＳＴ１６に進む。
一方、受電器(２)では、送電器１のステップＳＴ１２におけるテスト送電通知を受けて、ステップＳＴ２１において、テスト送電を設定する。すなわち、受電器２において、例えば、通信回路部１４および２４による通信により、或いは、送電器１からのテスト送電用の電力を受信して、スイッチ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂから負荷抵抗(電力検出用抵抗)２７への接続切り替えを行う。
具体的に、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓsに従ったスイッチ２６の切り替えにより、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した受電電圧Ｖｒは、負荷抵抗２７に印加される。このとき、負荷抵抗２７の抵抗値(ＲL)は、受電制御部２３からの抵抗制御信号Ｓrにより、例えば、小さい値から大きな値に変化するように可変制御される。
さらに、ステップＳＴ２２に進んで、受電電圧Ｖrを検出したかどうかを判定し、受電電圧Ｖrを検出したと判定すると、ステップＳＴ２３に進んで、受電電力Ｐ2および抵抗比(ＲL／Ｒ2)を通信(通信回路部２４，１３)により、送電器１へ伝える。すなわち、受電制御部２３は、可変制御した負荷抵抗２７の抵抗値(ＲL)を認識しているので、ＲL／Ｒ2の値および受電電力Ｐ2を算出し、通信により、送電器１の送電制御部１３に通知することができる。
送電器１では、この受電器２からの通知を受け取ると、ステップＳＴ１６において、ｋＱ値の演算を行う。すなわち、送電器１の送電制御部１３は、送電器１の送電電力Ｐ1，受電器２におけるＲL／Ｒ2の値、および、受電器２の受電電力Ｐ2が分かるため、抵抗比ＲL／Ｒ2と測定効率(Ｐ2／Ｐ1)から受電器２のｋＱ値の演算を行うことができる。
具体的に、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して説明した式(４)に対して、求めた測定効率(Ｐ2／Ｐ1)を効率ηとして適用し、さらに、求めた抵抗比ＲL／Ｒ2をＲL／Ｒ2として、また、その逆数をＲ2／ＲLとして適用することで、ｋＱ値を算出することができる。
なお、受電器２とのｋＱ値が求められると、送電制御部１３のメモリに記憶されたＱ1および受電制御部２３のメモリに記憶されたＱ2からＱ値が分かるため、ｋ値を演算することもできる。ここで、ｋＱ値またはｋ値は、論理式を用いて算出することもできるが、例えば、予めテーブルを準備しておき、そのテーブルを利用して求めることも可能である。
さらに、送電器１では、ステップＳＴ１７に進んで、検出精度が許容範囲かどうかを判定し、検出精度が許容範囲ではない(検出精度ＮＧ：No Good)と判定すると、ステップＳＴ１４に戻って同様の処理を繰り返し、さらに、受電器２へ通知する。
すなわち、受電器２では、ステップＳＴ２４において、本送電の通知ではないと判定し、ステップＳＴ２５に進む。テップＳＴ２５では、検出精度ＮＧの通知であると判定し、ステップＳＴ２６に進み、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを、例えば、より大きな値に切り替え、或いは、可変制御し、ステップＳＴ２２に戻って同様の処理を繰り返す。
一方、送電器１のステップＳＴ１７において、検出精度が許容範囲内である(検出精度ＯＫ)と判定すると、ステップＳＴ１９に進んで、本送電の設定／通知／開始を行って処理を終了する。すなわち、送電器１は、実際に、受電器２の二次電池２５を充電するための本送電を開始し、その本送電の通知を、例えば、通信を介して受電器２伝える。
これを受けて、受電器２では、ステップ２４において、本送電通知が有ったと判定し、ステップＳＴ２７に進んで、本送電用の設定を行う。すなわち、受電器２において、例えば、通信により、或いは、送電器１からの本送電用の電力を受信して、スイッチ２６は、負荷抵抗２７からＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂへの接続切り替えを行う。
具体的に、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓsに従ったスイッチ２６の切り替えにより、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した受電電圧Ｖｒは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加される。
なお、前述したように、例えば、無線電力伝送システムが複数の受電器を含む場合には、１つの受電器のみを順番にオンしてテスト送電を行い、それぞれの受電器とのｋＱ値を求めることになる。また、例えば、予めＱ1値およびＱ2値が分かっていれば、Ｑ値を求めることができ、ｋ値を算出することが可能である。そして、算出された複数の受電器とのｋＱ値またはｋ値は、給電方式の選択や複数の受電器のグループ化を始めとして、様々な制御に利用することができるのは前述した通りである。
ここに記載されている全ての例および条件的な用語は、読者が、本発明と技術の進展のために発明者により与えられる概念とを理解する際の助けとなるように、教育的な目的を意図したものである。
また、具体的に記載されている上記の例および条件、並びに、本発明の優位性および劣等性を示すことに関する本明細書における例の構成に限定されることなく、解釈されるべきものである。
さらに、本発明の実施例は詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲から外れることなく、様々な変更、置換および修正をこれに加えることが可能であると解すべきである。
１ 送電器(一次側：送電側)
１Ａ〜１Ｄ，１Ａ１〜１Ａ３ 送電器
２ 受電器(二次側：受電側)
２Ａ〜２Ｆ，２Ａ１〜２Ａ３，２Ｂ１〜２Ｂ３，２Ｃ１，２Ｃ２ 受電器
１０Ａ，１０Ｂ 外部電源
１１，１１Ａ，１１Ｂ ワイヤレス送電部
１１ａ，１１ａＡ，１１ａＢ、１１ａ１，１１ａ２ 送電共振コイル(第２コイル：ＬＣ共振器)
１１ｂ 電力供給コイル(第１コイル)
１２，１２Ａ，１２Ｂ 高周波電源部
１３，１３Ａ，１３Ｂ 送電制御部
１４，１４Ａ，１４Ｂ 通信回路部(第１通信回路部)
２１，２１Ａ，２１Ｂ ワイヤレス受電部
２１ａ 受電共振コイル(第３コイル：ＬＣ共振器)
２１ｂ 電力取出コイル(第４コイル)
２２，２２Ａ，２２Ｂ 受電回路部(整流部)
２３，２３Ａ，２３Ｂ 受電制御部
２４ 通信回路部(第２通信回路部)
２５，２５Ａ，２５Ｂ バッテリ部(機器本体，負荷)
２６，２６'，２６" スイッチ
２７，２７' 電力検出用抵抗(負荷抵抗)
この出願で言及する実施例は、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法に関する。
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、電力インフラ機器に対して、無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムが研究・開発されている。
ところで、無線電力伝送(ワイヤレス電力伝送：Wireless Power Transfer)を利用する場合、電力を送る側の送電器と、送電器から送られた電力を受け取る側の受電器がそれぞれ異なるメーカの製品であっても支障なく使用するために標準化を行うのが好ましい。
従来、無線による電力伝送技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が知られている。
そして、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつ、複数の受電器に対する電力伝送および受電器の三次元的な様々な姿勢に対する電力伝送が可能なものとして、強結合系の共振を用いたワイヤレス送電技術が注目されている。
この強結合系の共振を用いたワイヤレス送電としては、例えば、磁界共鳴(磁界共振)や電界共鳴(電界共振)を利用した無線電力伝送技術が知られている。
従来、無線電力伝送技術としては、様々な提案がなされている。
国際公開第２００９／０１４１２５号 特開２０１３−１９８３２７号公報
前述したように、従来、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技術が注目されている。この無線電力伝送技術を適用した無線電力伝送システムは、通常、複数の受電器に対して電力を伝送するが、各受電器が要望する電力、或いは、送電器に対する各受電器の位置関係等に基づいた電力伝送制御が求められている。
ところで、近年、送電器(送電コイル)と受電器におけるｋＱ値を利用して給電制御を行うことが研究開発されている。具体的に、例えば、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器に対して順番に電力を伝送する時分割電力伝送モードと、複数の受電器に対して同時に電力を伝送する同時電力伝送モードを切り替えて無線電力伝送を行う研究がなされている。
また、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器をグループ分けし、或いは、受電器(受電共振コイル)の共振点をずらしてデチューンすることも研究されている。さらに、今後、無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用した様々な提案がなされるものと期待されている。
ここで、ｋＱ値(ｋＱ)は、電磁界(磁界または電界)の結合の程度を示すｋ値(ｋ)と、電磁界の損失の程度を示すＱ値(Ｑ)の積である。また、ｋ値は、その値が大きいほど、結合の程度が大きいことを示し、また、Ｑ値は、その値が大きいほど、損失の程度が小さいことを示す。
しかしながら、無線電力伝送システムにおいて、各受電器とのｋ値、従って、ｋＱ値を精度よく算出する(求める)ことは困難であり、有効な提案がなされていないのが実情である。
一実施形態によれば、少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器であって、受電コイルと、内部回路と、電力検出用抵抗と、スイッチと、受電制御部と、通信回路部と、を有する受電器が提供される。
前記受電コイルは、前記送電器からの電力を無線により受け取り、前記内部回路は、前記受電コイルによる電力を使用し、前記電力検出用抵抗は、前記受電コイルによる電力を検出する。
前記スイッチは、前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加し、前記受電制御部は、前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御し、前記通信回路部は、前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う。
開示の受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法は、各受電器におけるｋＱ値の算出精度を向上することができるという効果を奏する。
図１Ａは、有線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図１Ｂは、無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図２Ａは、二次元無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図２Ｂは、三次元無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。 図３は、無線電力伝送システムの一例を概略的に示すブロック図である。 図４Ａは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その１)である。 図４Ｂは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その２)である。 図４Ｃは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図(その３)である。 図５Ａは、独立共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図５Ｂは、独立共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図５Ｃは、独立共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図５Ｄは、独立共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図６Ａは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その１)である。 図６Ｂは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その２)である。 図６Ｃは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その３)である。 図６Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイルの例を示す回路図(その４)である。 図７Ａは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その１)である。 図７Ｂは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その２)である。 図７Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図(その３)である。 図８Ａは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その１)である。 図８Ｂは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その２)である。 図８Ｃは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図(その３)である。 図９Ａは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その１)である。 図９Ｂは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その２)である。 図９Ｃは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図(その３)である。 図１０は、ｋＱ値が適用される無線電力伝送システムの一例を説明するための図である。 図１１は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図である。 図１２Ａは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その１)である。 図１２Ｂは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その２)である。 図１２Ｃは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図(その３)である。 図１３は、第１実施例の無線電力伝送システムを説明するためのブロック図である。 図１４は、第２実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。 図１５は、第３実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。 図１６は、本実施例のｋＱ値算出方法における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、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法の実施例を詳述する前に、電力伝送システムの例、並びに、複数の送電器および受電器を含む関連技術の無線電力伝送システムを、図１〜図１２Ｃを参照して説明する。
図１Ａは、有線電力伝送(ワイヤー接続給電)システムの一例を模式的に示す図であり、図１Ｂは、無線電力伝送(ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図である。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、参照符号２Ａ１〜２Ｃ１は、それぞれ受電器を示す。
ここで、受電器２Ａ１は、例えば、要望電力が１０Ｗのタブレットコンピュータ(タブレット)を示し、受電器２Ｂ１は、例えば、要望電力が５０Ｗのノートパソコンを示し、受電器２Ｃ１は、例えば、要望電力が２．５Ｗのスマートフォンを示す。なお、要望電力は、例えば、それぞれの受電器２Ａ１〜２Ｃ１における充電池(二次電池)を充電するための電力に相当する。
図１Ａに示されるように、通常、タブレット２Ａ１やスマートフォン２Ｃ１の二次電池を充電する場合、例えば、パソコン(Personal Computer)のＵＳＢ(Universal Serial Bus)端子(または、専用電源等)３Ａに対して電源ケーブル４Ａ，４Ｃを介して接続する。また、ノートパソコン２Ｂ１の二次電池を充電する場合、例えば、専用の電源装置(AC-DC Converter)３Ｂに対して電源ケーブル４Ｂを介して接続する。
すなわち、図１Ａに示されるように、携帯可能な受電器２Ａ１〜２Ｃ１であっても、一般的に、電源ケーブル４Ａ〜４Ｃを使用してＵＳＢ端子３Ａや電源装置３Ｂからワイヤー接続により給電(有線電力伝送)を行っている。
この場合、例えば、各電源ケーブル４Ａ〜４Ｃは、コネクタを介して受電器２Ａ１〜２Ｃ１に接続されるため、コネクタの先に接続された受電器(接続機器)をコネクタごとに検知することで、台数を検知し、コネクタ形状により給電電力を固定することができる。さらに、要望電力に応じた電源ケーブルの接続をユーザが行うことで、要望電力を認識すると同時に、それぞれの接続機器へ適切な給電を行うようになっている。
ところで、近年、電磁誘導に代表される非接触給電技術の進歩により、例えば、シェーバーや電動歯ブラシ等でワイヤレス給電(無線電力伝送)が実用化されている。そこで、図１Ｂに示されるように、例えば、送電器１Ａ１から、タブレット２Ａ１，ノートパソコン２Ｂ１およびスマートフォン２Ｃ１に対して無線電力伝送することが考えられている。
図２Ａは、二次元無線電力伝送(二次元ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図であり、例えば、上述したシェーバーや電動歯ブラシ等と同様に、電磁誘導により無線電力伝送を行う様子を示している。
図２Ａに示されるように、電磁誘導を利用して無線電力伝送を行う場合には、非接触給電であっても送電距離が短いために、送電器１Ａ２にほぼ接触している受電器だけが給電可能である。
すなわち、送電器(受電台)１Ａ２上に置かれた受電器(ノートパソコン)２Ｂ２に対しては給電することができても、受電台１Ａ２から離れたノートパソコン２Ｂ３に対しては給電することは困難である。このように、図２Ａに示す無線電力伝送システムは、受電台１Ａ２上の自由な配置を可能とする二次元的なワイヤレス給電システムである。
図２Ｂは、三次元無線電力伝送(三次元ワイヤレス給電)システムの一例を模式的に示す図であり、例えば、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行う様子を示している。図２Ｂに示されるように、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行う場合には、送電器１Ａ２から所定範囲内(図２Ｂにおける破線の内側)に存在する複数の受電器に対して給電することが可能である。
すなわち、送電器１Ａ３から所定範囲内のタブレット２Ａ２，２Ａ３、ノートパソコン２Ｂ２，２Ｂ３およびスマートフォン２Ｃ２に対して無線電力伝送することが可能である。なお、図２Ｂでは、１つの送電器１Ａ３のみ描かれているが、複数の送電器により、様々な角度および位置の複数の受電器に対して、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線電力伝送を行うようになっている。
このように、図２Ｂに示す無線電力伝送システムは、例えば、磁界共鳴を利用することにより、電磁誘導を利用したものに比べて遠方の空間においても高い送電効率を得ることができる三次元的なワイヤレス給電システムである。
図３は、無線電力伝送(三次元ワイヤレス給電)システムの一例を概略的に示すブロック図である。図３において、参照符号１は一次側(送電側：送電器)を示し、２は二次側(受電側：受電器)を示す。
図３に示されるように、送電器１は、ワイヤレス送電部１１、高周波電源部１２、送電制御部１３および通信回路部(第１通信回路部)１４を含む。また、受電器２は、ワイヤレス受電部２１、受電回路部(整流部)２２、受電制御部２３および通信回路部(第２通信回路部)２４を含む。
ワイヤレス送電部１１は、第１コイル(電力供給コイル)１１ｂおよび第２コイル(送電共振コイル：送電コイル)１１ａを含み、また、ワイヤレス受電部２１は、第３コイル(受電共振コイル：受電コイル)２１ａおよび第４コイル(電力取出コイル)２１ｂを含む。
図３に示されるように、送電器１と受電器２は、送電共振コイル１１ａと受電共振コイル２１ａの間の磁界共鳴(電界共鳴)により、送電器１から受電器２へエネルギー(電力)の伝送を行う。なお、送電共振コイル１１ａから受電共振コイル２１ａへの電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴等も可能であるが、以下の説明では、主として磁界共鳴を例として説明する。
送電器１と受電器２は、通信回路部１４と通信回路部２４により、通信(近距離通信)を行う。ここで、送電器１の送電共振コイル１１ａと受電器２の受電共振コイル２１ａによる電力の伝送距離(電力伝送範囲)は、送電器１の通信回路部１４と受電器２の通信回路部２４による通信距離(通信範囲)よりも短く設定される。
また、送電共振コイル１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、通信回路部１４および２４による通信とは独立した方式(Out-band通信)になっている。具体的に、送電共振コイル１１ａおよび２１ａによる電力伝送は、例えば、６．７８ＭＨｚの周波数帯域を使用し、通信回路部１４および２４による通信は、例えば、２．４ＧＨｚの周波数帯域を使用する。
この通信回路部１４および２４による通信としては、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、上述した無線電力伝送システムは、例えば、使用する周波数の波長の１／６程度の距離の近傍界(near field)において、送電器１の送電共振コイル１１ａと、受電器２の受電共振コイル２１ａによる磁界共鳴または電界共鳴を利用して電力の伝送を行う。従って、電力伝送範囲(送電圏)は、電力伝送に使用する周波数に従って変化する。
高周波電源部１２は、電力供給コイル(第１コイル)１１ｂに対して電力を供給し、電力供給コイル１１ｂは、その電力供給コイル１１ｂの至近に配設された送電共振コイル１１ａに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。送電共振コイル１１ａは、受電共振コイル２１ａとの間に磁場共鳴を生じさせる送電周波数により、受電共振コイル２１ａ(受電器２)に電力を伝送する。
受電共振コイル２１ａは、その受電共振コイル２１ａの至近に配設された電力取出コイル(第４コイル)２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。電力取出コイル２１ｂには受電回路部２２が接続され、所定の電力が取り出される。なお、受電回路部２２からの電力は、例えば、バッテリ部(負荷)２５におけるバッテリの充電、或いは、受電器２の回路に対する電源出力等として利用される。
ここで、送電器１の高周波電源部１２は、送電制御部１３により制御され、また、受電器２の受電回路部２２は、受電制御部２３により制御される。そして、送電制御部１３および受電制御部２３は、通信回路部１４および２４を介して接続され、送電器１から受電器２への電力伝送を好ましい状態で行うことができるように、様々な制御を行うようになっている。
図４Ａ〜図４Ｃは、図３の無線電力伝送システムにおける伝送コイルの変形例を説明するための図である。ここで、図４Ａおよび図４Ｂは、３コイル構成の例を示し、図４Ｃは、２コイル構成の例を示す。
すなわち、図３に示す無線電力伝送システムでは、ワイヤレス送電部１１が第１コイル１１ｂおよび第２コイル１１ａを含み、ワイヤレス受電部２１が第３コイル２１ａおよび第４コイルを含んでいる。
これに対して、図４Ａの例では、ワイヤレス受電部２１を１つのコイル(受電共振コイル：ＬＣ共振器)２１ａとし、図４Ｂの例では、ワイヤレス送電部１１を１つのコイル(送電共振コイル：ＬＣ共振器)１１ａとしている。
さらに、図４Ｃの例では、ワイヤレス受電部２１を１つの受電共振コイル２１ａに設定すると共に、ワイヤレス送電部１１を１つの送電共振コイル１１ａとしている。なお、図４Ａ〜図４Ｃは、単なる例であり、様々に変形することができるのはいうまでもない。
図５Ａ〜図５Ｄは、独立共振コイル(受電共振コイル２１ａ)の例を示す回路図であり、図６Ａ〜図６Ｄは、負荷または電源に接続された共振コイル(受電共振コイル２１ａ)の例を示す回路図である。
ここで、図５Ａ〜図５Ｄは、図３および図４Ｂにおける受電共振コイル２１ａに対応し、図６Ａ〜図６Ｄは、図４Ａおよび図４Ｃにおける受電共振コイル２１ａに対応する。
図５Ａおよび図６Ａに示す例は、受電共振コイル２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１，容量(Ｃ)２１２およびスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオフしておく。図５Ｂおよび図６Ｂに示す例は、受電共振コイル２１ａを、直列接続されたコイル(Ｌ)２１１および容量(Ｃ)２１２と、容量２１２に並列に接続されたスイッチ２１３としたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図５Ｃおよび図６Ｃに示す例は、図５Ｂおよび図６Ｂの受電共振コイル２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および抵抗(Ｒ)２１４を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
図５Ｄおよび図６Ｄに示す例は、図５Ｂおよび図６Ｂの受電共振コイル２１ａにおいて、容量２１２と並列に、直列接続されたスイッチ２１３および他の容量(Ｃ')２１５を設けたもので、通常時はスイッチ２１３をオンしておく。
上述した各受電共振コイル２１ａにおいて、通常時に受電共振コイル２１ａが動作しないように、スイッチ２１３をオフまたはオンに設定するようになっている。これは、例えば、不使用の受電器２や故障した受電器２に対して電力が伝送されて発熱等が生じるのを避けるためである。
以上において、送電器１の送電共振コイル１１ａも図５Ａ〜図５Ｄおよび図６Ａ〜図６Ｄと同様にすることもできるが、送電器１の送電共振コイル１１ａとしては、通常時に動作するようにして、高周波電源部１２の出力でオン／オフ制御してもよい。この場合、送電共振コイル１１ａは、図５Ａおよび図６Ａにおいて、スイッチ２１３を短絡したものになる。
以上により、複数の受電器２が存在する場合、送電器１から送電を行う所定の受電器２の受電共振コイル２１ａのみを選択して動作可能な状態とすることにより、その選択された受電器２に対する電力の伝送(時分割電力伝送)を行うことが可能になる。
図７Ａ〜図７Ｃは、複数の送電器による磁界の制御例を説明するための図である。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、参照符号１Ａおよび１Ｂは送電器を示し、２は受電器を示す。
図７Ａに示されるように、送電器１Ａの磁界共鳴に使用する送電用の送電共振コイル１１ａＡと送電器１Ｂの磁界共鳴に使用する送電用の送電共振コイル１１ａＢは、例えば、直交するように配設されている。
また、受電器２の磁界共鳴に使用する受電用の受電共振コイル２１ａは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢにより囲まれた個所で異なる角度(平行にならない角度)に配置されている。
ここで、送電共振コイル(ＬＣ共振器)１１ａＡおよび１１ａＢは、１つの送電器に設けることも可能である。すなわち、１つの送電器１が複数のワイヤレス送電部１１を含んでいてもよい。
図７Ｂは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが同じ位相の磁界を出力している様子を示し、図７Ｃは、送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが逆の位相の磁界を出力している様子を示す。
例えば、２個の直交する送電共振コイル１１ａＡおよび１１ａＢが同相出力の場合と逆相出力の場合を比較すると、合成磁界は９０°回転した関係となり、それぞれの受電器２(受電共振コイル２１ａ)の向きに合わせた送電を行う。
このように、複数の送電器１Ａ，１Ｂにより、任意の位置および姿勢(角度)の受電器２に対して電力を伝送する場合、送電器１Ａ，１Ｂの送電共振コイル１１ａＡ，１１ａＢに発生させる磁界は様々に変化することが分かる。
上述した無線電力伝送システムは、複数の送電器と、少なくとも１つの受電器とを含み、受電器の位置(Ｘ,Ｙ,Ｚ)および姿勢(θX,θY,θZ)に応じて、その複数の送電器間の出力(強度および位相)を調整する。
なお、三次元空間に関しても、例えば、実際の三次元空間における３個以上の送電器を用いて、それぞれの出力位相差および出力強度比を調整することで、三次元空間上の任意の方向に磁界(電界)の向きを調整することが可能になることが理解されるであろう。
図８Ａ〜図８Ｃは、複数の受電器に対する無線電力伝送を説明するための図である。なお、図８Ａ〜図８Ｃでは、説明を簡略化するために、１つの送電器１Ａおよび２つの受電器(携帯電話)２Ａ，２Ａ’のみ示しているが、送電器の数および受電器の数や種類等は様々に変化し得るのはいうまでもない。すなわち、図８Ａに示されるように、１つの送電器１Ａにより、２つの受電器２Ａ，２Ａ’に対するワイヤレス給電を行う場合を想定する。
まず、時分割電力伝送によりワイヤレス給電を行うときは、図８Ｂの左側図に示されるように、一方の受電器２Ａだけに給電した後、図８Ｂの右側図に示されるように、他方の受電器２Ａだけに給電する。なお、受電器の数がさらに多い場合も同様であり、時分割的に給電する受電器を順番に切り替えてワイヤレス給電を行う。
すなわち、時分割電力伝送は、複数の受電器がある場合、給電する対象となる受電器を順次選択することにより、ある瞬間には常に送電器に対して１つの受電器が対応することになる。このときの制御は、例えば、送電器と受電器が１対１の場合と同様とすることができる。ただし、時分割した結果、給電(満充電)に要する時間は、受電器の数だけの時間となるため、受電器が２台であれば１台のときの２倍の時間を要することになる。
次に、同時電力伝送によりワイヤレス給電を行うときは、図８Ｃに示されるように、１つの送電器１Ａにより、２つの受電器２Ａ，２Ａ’の両方に給電する。なお、受電器の数がさらに多い場合も同様であり、それら複数の受電器に対して同時にワイヤレス給電を行う。
この同時電力伝送は、例えば、２台の受電器がある場合にはその２台の受電器を同時に給電するため、給電に要する時間は、同時給電される受電器の数に関わらず、１台分でよいため、ユーザメリットを考えると望ましい給電方法(無線電力伝送制御方法)と言える。
ただし、複数の受電器を同時給電(同時電力伝送)するには、受電器が１台のときとは異なる制御を行うことになる。また、複数の受電器に対して同時電力伝送を行う場合、送電上限や効率等の問題があるため、常に選択可能であるわけではない。なお、受電器の数が多数の場合、一部の複数の受電器に対して同時電力伝送を行い、他の受電器に対して時分割電力伝送を行うことも考えられる。
図９Ａ〜図９Ｃは、複数の受電器に対する二次元の無線電力伝送制御方法の一例を説明するための図である。ここで、図９Ａは、例えば、磁界共鳴を利用して、１つの送電器１Ａにより、要望電力が異なる２つの受電器２Ａ，２Ｂにワイヤレス給電する様子を示す。
また、図９Ｂは、送電器１Ａ(送電共振コイル１１ａ)から、受電器２Ａ(受電共振コイル２１ａＡ)および受電器２Ｂ(受電共振コイル２１ａＢ)にワイヤレス給電する様子を示す。図９Ｃは、受電器２Ｂの共振点をずらして(デチューンして)、電力配分比を制御する手法を説明するためのものである。
なお、受電器２Ａは、例えば、要望電力が５Ｗの携帯電話を示し、受電器２Ｂは、例えば、要望電力が５０Ｗのノートパソコンを示す。また、説明を簡略化するために、携帯電話２ＡのＬＣ共振器(ワイヤレス受電部)およびノートパソコン２ＢのＬＣ共振器は、同じ仕様のものとする。さらに、図９Ｃにおいて、参照符号ＬＬ０は全体送電効率を示し、ＬＬＡは携帯電話２Ａの受電電力を示し、ＬＬＢはノートパソコン２Ｂの受電電力を示す。
ところで、複数の受電器への同時ワイヤレス給電を行う場合それぞれの受電器における受電電力量が異なるケースが多発すると考えられる。例えば、図９Ａに示されるように、要望電力が５Ｗの携帯電話と要望電力が５０Ｗのノートパソコン、或いは、同じ種類の受電器であっても、バッテリ残量によっては、要望電力が異なるケースも考えられる。
例えば、受電器２Ａ，２Ｂの位置や向き大きな差がない場合、同じ仕様の受電コイルが搭載されているとき、電力は等しく分配される。具体的に、携帯電話２Ａの受電共振コイルにおけるインダクタンスをＬA，キャパシタンスをＣAとし、ノートパソコン２Ｂの受電共振コイルにおけるインダクタンスをＬB，キャパシタンスをＣBとする。
このとき、図９Ｃにおける参照符号ＰＰ０で示されるように、そのままの状態(共振点ずらさない状態)では、Ｌ0Ｃ0＝ＬAＣA＝ＬBＣBが成立する。すなわち、図９Ｂにおけるそれぞれの共振周波数は、ｆ0＝ｆA＝ｆBの関係が成立する。
そのため、例えば、送電器１Ａからの送電電力が６８．７５Ｗで送電効率が８０％だと仮定すると、携帯電話２Ａおよびノートパソコン２Ｂは、両方とも２７．５Ｗの電力を受け取ることになる。
すなわち、図９Ａに示されるように、要望電力が１０倍異なる受電器２Ａと２Ｂであっても、例えば、５５Ｗの要望電力に相当する出力を送電器１Ａから出力した場合、受電器２Ａ，２Ｂ側では、それぞれ２７．５Ｗずつの電力を受電する結果となる。
このとき、携帯電話２Ａの要望電力は５Ｗで、ノートパソコン２Ｂの要望電力は５０Ｗであるため、携帯電話２Ａの受電共振コイルによる共振点をずらして受電効率(ηip)を低下させるように制御する。
例えば、図９Ｃの矢印ＭＡに示されるように、携帯電話２Ａの受電共振コイル２１ａＡにおける容量のキャパシタンスＣAを、受電効率が最大となる受電共振コイルの共振点からずらすために、小さく(または、大きく)なるように制御する。
すなわち、図９Ｃの矢印ＭＡのように、共振条件を意図的にずらす(キャパシタンスＣAをずらす)ことでＱ値を低下させ、携帯電話２Ａの受電電力ＬＬＡは、共振点(Ｐ０)の２７．５Ｗから次第に減少して、例えば、要望電力の５Ｗに設定することができる。
このとき、携帯電話２Ａが受電しなくなった電力は、そのほとんどがノートパソコン２Ｂの受電電力となる。すなわち、ノートパソコン２Ｂの受電電力ＬＬＢは、携帯電話２Ａの受電電力ＬＬＡの低下に応じて上昇し、無線電力伝送システムにおける全体送電効率ＬＬ０は、ほとんど低下しないことが分かる。
このように、共振条件を変えることで、具体的には、受電器２Ａの共振用コンデンサ(容量)２１２の容量値(キャパシタンスＣA)を変化させることで、結合が調整され、結果として、受電電力を所望の配分比に制御することが可能となる。
ここで、重要なこととして、共振条件を可変した受電器２Ａの効率は低下していても、システム全体の送受電効率はほぼ一定を保っており、受電器２Ａに到達していた電力を減らした分、受電器２Ｂへの電力が増加する。その結果、受電器２Ａ，２Ｂの一方だけの単体給電時と比べても、ほぼ同じ効率で全体(両方の受電器２Ａ，２Ｂ)に送電しつつ受電電力を所望の比に分配(配分)できることがわかる。
ところで、近年、複数の送電器(送電コイル)および複数の受電器を含む無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用して給電制御を行うことが注目されている。具体的に、例えば、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器に対して順番に電力を伝送する時分割電力伝送モードと、複数の受電器に対して同時に電力を伝送する同時電力伝送モードと、を切り替えて無線電力伝送を行う研究がなされている。
また、ｋＱ値の大きさに基づいて、複数の受電器をグループ分けし、或いは、受電器(受電共振コイル)の共振点をずらしてデチューンすることも研究されている。さらに、無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用した様々な提案がなされるものと期待されている。
ここで、ｋＱ値(ｋＱ)は、電磁界(磁界または電界)の結合の程度を示すｋ値(ｋ)と、電磁界の損失の程度を示すＱ値(Ｑ)の積である。なお、ｋ値は、その値が大きいほど、結合の程度が大きいことを示し、また、Ｑ値は、その値が大きいほど、損失の程度が小さいことを示す。
すなわち、ｋＱは、次の式(１)により表される。ここで、Ｑ1は、送電器のＱ値を示し、Ｑ2は、受電器のＱ値を示す。
Figure 2015177905
また、ｋは、次の式(２)により表される。ここで、Ｍ12は、送電器と受電器の間の相互インダクタンスを示し、Ｌ1は、送電器の自己インダクタンス、そして、Ｌ2は、受電器の自己インダクタンスを示す。
Figure 2015177905
さらに、Ｑは、次の式(３)により表される。ここで、ωは、角振動数を示し、Ｒ1は、送電器の共振コイルの損失、そして、Ｒ2は、受電器の共振コイルの損失を示す。
Figure 2015177905
図１０は、ｋＱ値が適用される無線電力伝送システムの一例を説明するための図であり、ｋＱ値のおおきさによりグループ分けを行う例を示すものである。なお、図１０では、１つの送電器１Ａおよび６個の受電器２Ａ〜２Ｆを示しているが、これは単なる例であり、様々な場合があり得るのはいうまでもない。
図１０に示されるように、例えば、無線電力伝送システムに６個の受電器２Ａ〜２Ｆが含まれる場合、各受電器２Ａ〜２ＦのｋＱ値(評価指標)を評価し、ｋＱ値によりグループ分けを行う。まず、全ての受電器２Ａ〜２Ｆを、それぞれ単体評価する。
例えば、受電器２Ａを評価するとき、受電器２Ａのみオンして、他の受電器２Ｂ〜２Ｆをオフ(例えば、図５Ａの受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３をオフ)する。そして、例えば、ｋＱ値が最大(ｋＱmax1)となる受電器２Ｂを基準とし、他の受電器のｋＱ値(ｋＱother)に関して、ｋＱother／ｋＱmax1が一定値以上ならば、同一グループとする。具体的に、図１０では、ｋＱ値がｋＱ1-1の受電器２ＦおよびｋＱ値がｋＱ1-2の受電器２Ｃが、第１グループＧＰ１とされている。
次に、ｋＱ値が最大(ｋＱmax1)となる受電器２Ｂを含む第１グループＧＰ１以外の受電器２Ａ，２Ｄ，２Ｅにおいて、ｋＱ値が最大(ｋＱmax2)となる受電器２Ａを基準として、同様にグループ分けを行う。具体的に、図１０では、受電器２Ａ，２Ｄ，２Ｅが、第２グループＧＰ２とされている。
そして、分割されたグループＧＰ１，ＧＰ２を単位として、同一グループ内では、例えば、同時給電を行う。また、ｋＱ値によりグループ分けされた受電器に関して、例えば、閾値以下となるグループの受電器に対しては、時分割給電を行う。さらに、閾値以上となるグループの受電器に対して、同一グループ内の給電では、電力分配を調整(デチューン)して同時給電を行うことができ、異なるグループにまたがる受電器に対しては、時分割給電を行うのが好ましい。
ところで、一般的に、ワイヤレス送電可能なシステムの要件として、電力と効率は、比例する関係が好ましい。つまり、大電力を送電するシステムでは、高効率が望まれ、また、小電力を送電するシステムでは、低効率であっても許容することができる。これは、特に、ロスが結果として発熱になるため、放熱の問題を考えれば容易に理解することができる。
すなわち、大電力系において効率が低い場合には、放熱すべき電力が大きくなるため、システムを構築することが難しくなるためである。言い換えれば、送電電力に応じて、許容効率が規定されていると考えることもできる。
そのような状況で、ｋＱ値が異なる複数の受電器に対した、同時給電すべきか、或いは、時分割給電すべきかを検討すると、送電完了時間を優先すれば、同時給電が常に望ましいと考えられるが、上述したように、許容できる効率は各系に応じて異なっている。
そこで、許容効率を確保しつつ、同時給電を行うことのできる方法を考えるのが現実的であり、本実施例では、ｋＱ値の近いものをグループ化し、そのグループ内では同時給電を優先し、グループ外では時分割給電を優先するようになっている。
これは、ｋＱ値が同じ(近い)ものの同時給電であれば、Ｑ値を少し可変することで電力のバランスを調整することが容易である一方で、ｋＱ値が大きく異なっているものの同時給電では、バランス調整のために、Ｑ値を大きく低下させることになる。これは、結果として、全体の効率低下を招くことになる。
一例として、ノートパソコン群とスマートフォン群への給電を考える。ここで、ノートパソコン群(ノートパソコン)は、例えば、３０Ｗの給電を要求し(要望電力が３０Ｗであり)、その電力の大きさゆえに許容最低効率は８０％とする。また、ノートパソコンは、サイズが大きいために受電コイルを大きくすることができ、ｋＱ値を大きくすることが可能である。
一方、スマートフォン群(スマートフォン)は、例えば、５Ｗの給電を要求し(要望電力が５Ｗであり)、許容効率は４０％とする。また、スマートフォンは、サイズが小さく、位置がより自由であるため、ｋＱ値は小さく抑えられてしまう。
このような２つの郡への同時給電を行うと、ｋＱ値が異なるグループへの同時給電となるが、ノートパソコン群への給電ばかりが実行され、スマートフォン群へ電力が届かないことになる。
このとき、例えば、Ｑ値を低下させて電力のバランスを取ることもできるが、その場合には、全体の効率が低下してしまい、ノートパソコンを含む給電の効率が低くなり、例えば、許容効率が８０％以下となってしまうこともあり得る。
そのため、ｋＱ値が異なるグループへの同時給電は好ましくないことが分かる。すなわち、ｋＱ値(評価指標)が設定値以上となる受電器が３つ以上存在するとき、そのｋＱ値の大きさに基づいてグループ分けを行うが、近いｋＱ値を持つ受電器が同じグループとなるようにグループ分けを行うのが好ましい。
ここで、ｋＱ値によりグループ分けされた受電器に関して、例えば、閾値以下となるグループの受電器に対しては、時分割給電を行うことになる。また、閾値以上となるグループの受電器に対して、同一グループ内の給電では、電力分配を調整して同時給電を行うことができ、異なるグループにまたがる受電器に対しては、時分割給電を行うのが好ましい。
なお、複数の受電器をｋＱ値により複数のグループに分けるための閾値としては、想定される無線電力伝送システムの規模や仕様により様々に変化させることができ、それに従って、グループの数や各グループに含まれる受電器の数も変化することになる。
図１１は、無線電力伝送システムの一例を示すブロック図であり、２つの送電器１Ａ，１Ｂ、および、２つの受電器２Ａ，２Ｂを含む例を示すものである。図１１に示されるように、送電器１Ａ，１Ｂは同様の構成を有し、それぞれワイヤレス送電部１１Ａ，１１Ｂ、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂ、送電制御部１３Ａ，１３Ｂおよび通信回路部１４Ａ，１４Ｂを含む。
高周波電源部１２Ａ，１２Ｂは、高周波の電力を発生するもので、例えば、前述した図３における高周波電源部１２に相当し、固有の電源インピーダンスを有する。例えば、出力インピーダンスが５０Ωに整合された定電圧電源や、高い出力インピーダンスのＨｉ−ＺΩ電源(定電流電源)などである。
送電制御部１３Ａ，１３Ｂは、送電部１１Ａ，１１Ｂを制御し、通信回路部１４Ａ，１４Ｂは、各送電器および受電器間の通信を可能とするものであり、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）(Bluetooth（登録商標）)を利用することができる。
なお、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ外部電源１０Ａ，１０Ｂから電力の供給を受け取り、送電制御部１３Ａ，１３Ｂには、検出部ＳＡ，ＳＢからの信号が入力されている。なお、送電器１Ａおよび送電器１Ｂは、例えば、１つの送電器１に設けた２つの送電部(１１)としてもよいのはいうまでもない。
ワイヤレス送電部１１Ａ，１１Ｂは、磁界共鳴であればコイルに相当し、高周波電源部１２Ａ，１２Ｂから供給される高周波電力を磁界に変換する。検出部ＳＡ，ＳＢは、送電器１Ａ，１Ｂの相対位置関係や受電器２Ａ，２Ｂの相対位置関係を検出する。
なお、例えば、送電器１Ａ，１Ｂの位置関係が固定され(送電共振コイル１１ａ１，１１ａ２が特定のＬ字ブロック状に固定され)、その情報を送電制御部１３Ａ，１３Ｂが把握し、受電器２Ａ，２Ｂが検出機能を有する場合、検出部ＳＡ，ＳＢは省略可能である。
受電器２Ａ，２Ｂも同様の構成を有し、それぞれワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂ、整流部(受電回路部)２２Ａ，２２Ｂ、受電制御部２３Ａ，２３Ｂ、通信回路部２４Ａ，２４Ｂおよび機器本体(バッテリ部)２５Ａ，２５Ｂを含む。
受電制御部２３Ａ，２３Ｂは、受電器２Ａ，２Ｂを制御するものであり、通信回路部２４Ａ，２４Ｂは、各送電器および受電器間の通信を可能とするもので、前述したように、例えば、無線ＬＡＮやブルートゥース（登録商標）(Bluetooth（登録商標）)を利用する。
ワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂは、磁界共鳴であればコイルに相当し、無線で伝達された電力を電流に変換する。整流部２２Ａ，２２Ｂは、ワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂから得られた交流電流をバッテリ充電や機器本体で使用可能なように直流電流に変換する。
上述したように、送電器１Ａ，１Ｂおよび受電器２Ａ，２Ｂは、それぞれの通信回路部１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂを介して通信を行う。このとき、例えば、送電器１Ａをマスタ(全体制御器)とし、このマスタ(送電器)１Ａが、他の送電器１Ｂおよび受電器２Ａ，２Ｂをスレーブとして制御することもできる。
ここで、送電器１Ａ，１Ｂの通信回路部１４Ａ，１４Ｂ、並びに、受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介した通信により、同時送電と時分割送電の切り替え、並びに、同時送電における電力配分比調整等の制御を行う。
具体的に、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介して、それぞれの受電器２Ａ，２ＢにおけるＱ値を、無線電力伝送の制御を行うマスタ(例えば、送電器１Ａ)に通信で伝える。
また、同時給電を行う場合、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ｂの通信回路部２４Ｂを介して、受電器２Ｂの受電共振コイルにおける容量のキャパシタンス(ＣA)を共振点からずらし、電力配分比の調整を行う。具体的に、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａにおける容量２１２のキャパシタンスの値を制御して、受電器２Ａ，２Ｂの電力配分比を調整する。
さらに、時分割給電を行う場合、例えば、送電器１Ａの通信回路部１４Ａおよび受電器２Ａ，２Ｂの通信回路部２４Ａ，２４Ｂを介して、ワイヤレス給電を行う受電器の切り替えを行う。
具体的に、例えば、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３を制御して、ワイヤレス給電を行う受電器のスイッチ２１３だけを順にオンするように制御する。或いは、例えば、前述した図５Ｂに示す受電共振コイル２１ａにおけるスイッチ２１３を制御して、ワイヤレス給電を行う受電器のスイッチ２１３だけを順にオフするように制御する。
なお、ワイヤレス送電部１１Ａおよび１１Ｂと、ワイヤレス受電部２１Ａまたは２１Ｂの間は、磁界共鳴を利用した電力伝送に限定されるものではなく、例えば、電界共鳴、或いは、電磁誘導や電界誘導を利用した電力伝送方式を適用することもできる。
前述したように、複数の送電器(送電コイル)および複数の受電器を含む無線電力伝送システムにおいて、ｋＱ値を利用して給電制御を行うことが注目され、様々な研究がなされている。
しかしながら、無線電力伝送システムにおいて、各受電器とのｋ値、従って、ｋＱ値を精度よく算出する有効な提案がなされていないのが実情である。すなわち、無線電力伝送システムにおける各受電器とのｋＱ値を精度よく算出するのは難しい。
以下、受電器、無線電力伝送システムおよびｋＱ値算出方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。ここで、本実施例は、少なくとも１つの送電器および少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムに適用することができる。
なお、以下の説明では、１つの受電器とのｋＱ値を求める例を示すが、無線電力伝送システムが複数の受電器を含む場合には、１つの受電器のみを順番にオンしてそれぞれの受電器とのｋＱ値を求めることになる。
例えば、図１１の例において、送電器１Ａ(送電制御部１３Ａ)がマスタとしてシステム全体を制御する場合、受電器２ＡのｋＱ値を算出するには、受電器２Ａのワイヤレス受電部２１Ａを動作状態とし、受電器２Ｂのワイヤレス受電部２１Ｂを停止する。
例えば、受電器２Ａ，２Ｂのワイヤレス受電部２１Ａ，２１Ｂが共に、前述した図５Ａに示す受電共振コイル２１ａを有する場合、受電器２Ａにおける受電共振コイル２１ａのスイッチ２１３をオンし、受電器２Ｂにおけるスイッチ２１３をオフすることになる。
また、無線電力伝送システムが複数の送電器を含む場合には、複数の送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を算出することもできるが、１つの送電器のみを順番にオンし、それぞれの送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を求めることもできる。これらは、得られたｋＱ値の適用、或いは、ｋＱ値に基づいた様々な制御に従って適宜行われる。
さらに、それぞれの受電器とのｋＱ値が得られたとき、例えば、それぞれの受電器(受電共振コイル)における磁界(電界)の損失の程度を示すＱ値が既知の場合には、磁界(電界)の結合の程度を示すｋ値を算出し、そのｋ値を使用して様々な制御を行うこともできる。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、本実施例に適用されるｋＱ値を説明するための図である。ここで、図１２Ａは、送電器１(送電共振コイル１１ａ)および受電器２(受電共振コイル２１ａ)を概念的に示す図であり、例えば、前述した図４Ｃに示す伝送コイルの例に相当する。
また、図１２Ｂは、図１２Ａにおける送電器１および受電器２の等化回路を示す図であり、図１２Ｃは、ＲL／Ｒ2による効率(η)とｋＱ値の関係を示す図である。なお、伝送コイル(ワイヤレス送電部およびワイヤレス受電部)は、図４Ｃのものに限定されず、図３，図４Ａおよび図４Ｂ等の構成であってもよいのはいうまでもない。
１つの送電器１(送電共振コイル１１ａ)と１つの受電器２(受電共振コイル２１ａ)間の磁界(電界)による電力伝送は、図１２Ａのように考えることができ、これは、図１２Ｂの等化回路により表される。
なお、図１２Ｂにおいて、参照符号Ｒ1およびＬ1は、送電共振コイル１１ａ(コイル)の損失(抵抗値)および自己インダクタンスを示し、Ｒ2およびＬ2は、受電共振コイル２１ａ(コイル２１１)の抵抗値および自己インダクタンスを示す。また、参照符号ＲLは、給電対象(バッテリ部２５)の負荷抵抗を示し、Ｍは、送電共振コイル１１ａと受電共振コイル２１ａ間の相互インダクタンスを示す。
参照符号Ｃ1は、送電共振コイル１１ａ(容量)のキャパシタンスを示し、Ｃ2は、受電共振コイル２１ａ(容量２１２)のキャパシタンスを示し、Ｉ1およびＩ2は、送電共振コイル１１ａおよび受電共振コイル２１ａを流れる電流を示し、Ｅは電源回路(１２)を示す。
前述したように、ｋＱ値、ｋ値、並びに、送電器および受電器のＱ値(Ｑ1，Ｑ2)は、次の式(１)〜式(３)により表される。
Figure 2015177905
ここで、受電共振コイル２１ａ(受電器２)の効率は、コイル２１１の抵抗値Ｒ2だけでなく、給電対象となる負荷抵抗ＲLにより変化する。例えば、受電器において、受電共振コイル２１ａにおけるコイル２１１の抵抗値Ｒ2は最小化を目指して設計されるが、負荷抵抗ＲLは、例えば、二次電池の充電率等によって変化する。なお、図１２Ｃにおいて、効率ηは、次の式(４)により表される。
Figure 2015177905
次に、ｋＱ値と効率(η)の関係が、負荷抵抗ＲLにより大きく変化することを、図１２Ｃを参照して説明する。図１２Ｃにおいて、曲線ＬＬhは、コイル２１１の抵抗値Ｒ2と負荷抵抗ＲLの比率が常に最適な場合(理想効率，最大効率)の特性を示し、また、ＬＬiは、ＲL／Ｒ2＝１のとき、ＬＬjは、ＲL／Ｒ2＝１０のとき、ＬＬkは、ＲL／Ｒ2＝１００のときの特性を示す。
図１２Ｃから明らかなように、ＲL／Ｒ2の値により、ｋＱ値と効率の関係が大きく変化するのが分かる。ここで、エネルギー損失の程度を示すＱ値に関して、例えば、送電共振コイル１１ａにおけるωおよびＬ1、並びに、受電共振コイル２１ａにおけるωおよびＬ2は、通常、不変とみなすことができる。
図１３は、第１実施例の無線電力伝送システムを説明するためのブロック図である。ここで、図１３では、１つの送電器１および１つの受電器２のみが描かれているが、前述したように、本実施例の無線電力伝送システムは、複数の送電器および複数の受電器を含んでもよい。
なお、システムに複数の受電器が含まれている場合には、例えば、１つの受電器のみを順番にオンしてそれぞれの受電器とのｋＱ値を求める。また、システムに複数の送電器が含まれている場合には、複数の送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を算出し、或いは、１つの送電器のみを順番にオンし、それぞれの送電器に対するそれぞれの受電器とのｋＱ値を求める。
図１３に示されるように、送電器１は、送電共振コイル１１ａ(ワイヤレス送電部１１)、送電制御部(メモリを含む)１３、通信回路部１４、アンプ１５および整合回路１６を含む。
送電制御部１３は、例えば、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って、アンプ制御信号Ｓaによりアンプ１５の出力を制御し、整合回路１６を介して送電共振コイル１１ａを駆動する。
ここで、送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って送電電力Ｐ1を検出するようになっている。また、送電制御部１３にはメモリが設けられていて、例えば、送電共振コイル１１ａのコイルにおける損失Ｑ1を予め記憶しておくようになっている。
受電器２は、受電共振コイル２１ａ(ワイヤレス受電部２１：受電コイル)、整流回路２２ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂ、受電制御部(メモリを含む)２３、通信回路部２４、二次電池２５、スイッチ２６、および、電力検出用抵抗２７を含む。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂおよび二次電池２５は、受電コイル(２１，２１ａ)からの電力を使用する内部回路に相当する。
スイッチ２６は、受電制御部２３からの切り替え制御信号Ｓsに従って、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した直流の受電電圧Ｖｒを、電力検出用抵抗(負荷抵抗)２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに切り替え可能として印加する。また、負荷抵抗２７は、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされている。
受電制御部２３は、整流回路２２ａからの受電電圧Ｖｒを受け取り、例えば、スイッチ制御信号Ｓsによりスイッチ２６を制御して受電電圧Ｖｒを負荷抵抗２７に印加し、その負荷抵抗２７の抵抗値ＲLによる受電電力Ｐ2を検出する。
なお、図１３(および図１４)において、スイッチ２６および負荷抵抗２７は、整流回路２２ａの後段に設けられ、整流された直流の受電電圧Ｖｒおよび負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出しているが、整流回路２２ａの前段に設けることもできる。
すなわち、後述する図１５の第３実施例のように、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出することも可能である。
これにより、受電制御部２３は、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLと受電共振コイル２１ａ(コイル２１１)の抵抗値Ｒ2の抵抗比ＲL／Ｒ2、および、受電電力Ｐ2を得ることができ、この受電電力の検出情報を、通信により送電制御部１３に伝達する。また、受電制御部２３にはメモリが設けられていて、例えば、受電共振コイル２１ａのコイル２１１における損失Ｑ2を予め記憶しておくようになっている。
なお、受電器２(受電制御部２３)から送電器１(送電制御部１３)への受電電力の検出情報として、例えば、受電電圧Ｖｒ，抵抗比ＲL／Ｒ2および損失Ｑ2を、そのまま送電制御部１３に伝達し、送電制御部１３で受電電力Ｐ2等の算出を行ってもよい。
或いは、受電器２(受電制御部２３)が、通信を介して、送電器１(送電制御部１３)から、送電電力Ｐ1および送電共振コイル１１ａの損失Ｑ1等の情報を受け取って、ｋＱ値(ｋ値)を算出することも可能である。
ここで、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrによる、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLの制御は、図１２Ｃの各特性曲線から明らかなように、ＲL／Ｒ2が小さい、すなわち、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLが小さい値から大きな値に変化するように制御するのが低効率時における検出精度を確保する上で好ましい。
受電制御部２３は、通信(受電器側の通信回路部２４および送電器側の通信回路部１４)を介して、例えば、送電制御部１３から送電条件(給電タイミング情報)を受け取り、送電制御部１３に対して、所定のＲL／Ｒ2に対する受電電力Ｐ2および損失Ｑ2を伝達する。
これにより、例えば、無線電力伝送システムのマスタとして全体を制御する送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａのコイルの損失Ｑ1、送電電力Ｐ1、受電共振コイル２１ａのコイルの損失Ｑ2およびＲL／Ｒ2の値を認識することができる。
従って、送電制御部１３は、送電器１の送電電力Ｐ1，受電器２におけるＲL／Ｒ2の値、および、受電器２の受電電力Ｐ2を認識することで、抵抗比ＲL／Ｒ2と測定効率(Ｐ2／Ｐ1)から受電器２とのｋＱ値を式(４)に基づいて推定することが可能となる。
すなわち、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して説明した式(４)に対して、求めた測定効率(Ｐ2／Ｐ1)を効率ηとして適用し、さらに、求めた抵抗比ＲL／Ｒ2をＲL／Ｒ2として、また、その逆数をＲ2／ＲLとして適用することで、ｋＱ値を算出(推定)することができる。すなわち、第１実施例によれば、受電器におけるｋＱ値の算出精度を向上することが可能になる。このｋＱ値の算出精度を向上することは、以下の第２および第３実施例でも同様の効果として得られる。
なお、送電制御部１３のメモリに記憶されたＱ1および受電制御部２３のメモリに記憶されたＱ2からＱ値を求めることができるので、ｋＱ値を算出できれば、ｋ値を算出することも可能となる。
また、受電共振コイル２１ａのコイルの損失Ｑ2の値は、受電制御部２３から通信を介して送電制御部１３に伝達せずに、例えば、受電器の種類や型番を示す情報からＱ2の値を参照できるテーブルを、予め、送電器側に設けておくこともできる。
以上の処理は、例えば、送電器１から送電される電力により、受電器２における二次電池２５の充電を行う本送電の前に、送電器１から小電力を送電して行うテスト送電において実施することができる。
図１４は、第２実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。図１４と上述した図１３の比較から明らかなように、第２実施例における受電器は、第１実施例における受電器と、スイッチ２６'および負荷抵抗２７'の構成が異なっている。
すなわち、第１実施例では、負荷抵抗２７が、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされているのに対して、第２実施例では、負荷抵抗２７'が、複数(図１４では、３個)の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含んでいる。
すなわち、第１実施例の受電器では、負荷抵抗２７が、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより抵抗値が制御される可変抵抗とされている。これに対して、第２実施例の受電器では、負荷抵抗２７'が複数の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含み、その抵抗素子の１つが、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓs'に従って動作するスイッチ２６'により選択されるようになっている。
すなわち、スイッチ２６'は、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓs'に従って、受電電圧Ｖｒを、負荷抵抗２７'におけるいずれかの抵抗素子ＲL1〜ＲL3、或いは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに切り替え可能として印加する。
ここで、各抵抗素子ＲL1〜ＲL3の抵抗値としては、例えば、図１２Ｃに示されるように、抵抗比ＲL／Ｒ2の値が１，１０，１００程度となるように設定することができる。なお、負荷抵抗２７'に設ける抵抗素子の数および各抵抗素子の設定値等は、様々に設定することができるのはいうまでもない。
図１５は、第３実施例の無線電力伝送システムにおける受電器を説明するためのブロック図である。図１５に示されるように、第３実施例における受電器は、ワイヤレス受電部２１が受電共振コイル２１ａおよび電力取出コイル２１ｂを含む。すなわち、受電共振コイル２１ａおよび電力取出コイル２１ｂは、受電コイル(ワイヤレス受電部２１)に相当する。
これは、例えば、前述した図３および図４Ｂに示す受電器のワイヤレス受電部２１と同様であり、受電共振コイル２１ａは、その受電共振コイル２１ａの至近に配設された電力取出コイル２１ｂに対して電磁誘導を利用して電力を供給する。
受電共振コイル２１ａには、スイッチ２６および負荷抵抗２７が設けられ、例えば、テスト送電時に、スイッチ２６を切り替えて、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'を負荷抵抗２７に印加する。
なお、スイッチ２６を制御する受電制御部２３からの切り替え制御信号Ｓs、並びに、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを制御する抵抗値制御信号Ｓrは、図１３を参照して説明したものと同様である。
ただし、第３実施例の受電器において、受電制御部２３は、受電共振コイル２１ａからの交流の受電電圧Ｖr'および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLから受電電力Ｐ2を検出することになる。
そして、電力取出コイル２１ｂには、整流回路２２ａが接続され、整流回路２２ａを介して取り出された直流の受電電圧Ｖｒは、スイッチ２６"を介してＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されるようになっている。
ここで、スイッチ２６および２６"は、受電制御部２３からの切り替え制御信号ＳsおよびＳs"により、スイッチングのタイミングが同期するように制御されている。すなわち、スイッチ２６により、受電共振コイル２１ａによる交流の受電電圧Ｖr'が負荷抵抗２７に印加されるとき、スイッチ２６"により、整流回路２２ａによる直流の受電電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されないようになっている。
換言すると、例えば、テスト送電時において、受電制御部２３は、スイッチ２６および負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを制御して、交流の受電電圧Ｖr'および抵抗値ＲL(抵抗比ＲL／Ｒ2)から受電電力Ｐ2を算出する。
このとき、受電制御部２３は、スイッチ２６"を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂの入力が高インピーダンス状態となるように制御する。このテスト送電により、受電制御部２３は、受電電力Ｐ2を算出し、その算出された受電電力Ｐ2を、通信を介してＲL／Ｒ2等の情報と共に送電器１の送電制御部１３に伝達する。
そして、本送電を行う場合、受電制御部２３は、スイッチ２６を制御して負荷抵抗２７を受電共振コイル２１ａから切り離すと共に、スイッチ２６"を制御して整流回路２２ａからの受電電圧ＶｒがＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加されるようにする。
第３実施例において、スイッチ２６および負荷抵抗２７は、例えば、図１４を参照して説明した第２実施例と同じ構成を有するスイッチ２６'および複数の抵抗素子ＲL1〜ＲL3を含む負荷抵抗２７'とすることもできる。
図１６は、本実施例のｋＱ値算出処理の一例を説明するためのフローチャートである。図１６において、送電器側の処理をステップＳＴ１１〜ＳＴ１９で示し、受電器側の処理をステップＳＴ２１〜ＳＴ２７で示す。
図１６に示されるように、ｋＱ値算出処理が開始すると、送電器(１)において、ステップＳＴ１１でテスト送電を設定し、ステップＳＴ１２に進んで、テスト送電を通知し、ステップＳＴ１３に進んで、テスト送電を開始する。ここで、テスト送電は、送電器１からテストのための比較的小電力の送電を行うことになる。
さらに、送電器１では、ステップＳＴ１４において、送電電力Ｐ1を検出する。すなわち、送電器１において、送電制御部１３は、送電共振コイル１１ａの電圧電流入力波形Ｆcを受け取って送電電力Ｐ1を検出できるようになっている。
そして、ステップＳＴ１５に進んで、受電器２からの通知が有ったかどうかを判定、すなわち、受電器２からの通知が有るまで待って、受電器２からの通知が有ったと判定すれば、ステップＳＴ１６に進む。
一方、受電器(２)では、送電器１のステップＳＴ１２におけるテスト送電通知を受けて、ステップＳＴ２１において、テスト送電を設定する。すなわち、受電器２において、例えば、通信回路部１４および２４による通信により、或いは、送電器１からのテスト送電用の電力を受信して、スイッチ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂから負荷抵抗(電力検出用抵抗)２７への接続切り替えを行う。
具体的に、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓsに従ったスイッチ２６の切り替えにより、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した受電電圧Ｖｒは、負荷抵抗２７に印加される。このとき、負荷抵抗２７の抵抗値(ＲL)は、受電制御部２３からの抵抗値制御信号Ｓrにより、例えば、小さい値から大きな値に変化するように可変制御される。
さらに、ステップＳＴ２２に進んで、受電電圧Ｖrを検出したかどうかを判定し、受電電圧Ｖrを検出したと判定すると、ステップＳＴ２３に進んで、受電電力Ｐ2および抵抗比(ＲL／Ｒ2)を通信(通信回路部２４，１４)により、送電器１へ伝える。すなわち、受電制御部２３は、可変制御した負荷抵抗２７の抵抗値(ＲL)を認識しているので、ＲL／Ｒ2の値および受電電力Ｐ2を算出し、通信により、送電器１の送電制御部１３に通知することができる。
送電器１では、この受電器２からの通知を受け取ると、ステップＳＴ１６において、ｋＱ値の演算を行う。すなわち、送電器１の送電制御部１３は、送電器１の送電電力Ｐ1，受電器２におけるＲL／Ｒ2の値、および、受電器２の受電電力Ｐ2が分かるため、抵抗比ＲL／Ｒ2と測定効率(Ｐ2／Ｐ1)から受電器２のｋＱ値の演算を行うことができる。
具体的に、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して説明した式(４)に対して、求めた測定効率(Ｐ2／Ｐ1)を効率ηとして適用し、さらに、求めた抵抗比ＲL／Ｒ2をＲL／Ｒ2として、また、その逆数をＲ2／ＲLとして適用することで、ｋＱ値を算出することができる。
なお、受電器２とのｋＱ値が求められると、送電制御部１３のメモリに記憶されたＱ1および受電制御部２３のメモリに記憶されたＱ2からＱ値が分かるため、ｋ値を演算することもできる。ここで、ｋＱ値またはｋ値は、論理式を用いて算出することもできるが、例えば、予めテーブルを準備しておき、そのテーブルを利用して求めることも可能である。
さらに、送電器１では、ステップＳＴ１７に進んで、検出精度が許容範囲かどうかを判定し、検出精度が許容範囲ではない(検出精度ＮＧ：No Good)と判定すると、ステップＳＴ１４に戻って同様の処理を繰り返し、さらに、受電器２へ通知する。
すなわち、受電器２では、ステップＳＴ２４において、本送電の通知ではないと判定し、ステップＳＴ２５に進む。テップＳＴ２５では、検出精度ＮＧの通知であると判定し、ステップＳＴ２６に進み、負荷抵抗２７の抵抗値ＲLを、例えば、より大きな値に切り替え、或いは、可変制御し、ステップＳＴ２２に戻って同様の処理を繰り返す。
一方、送電器１のステップＳＴ１７において、検出精度が許容範囲内である(検出精度ＯＫ)と判定すると、ステップＳＴ１９に進んで、本送電の設定／通知／開始を行って処理を終了する。すなわち、送電器１は、実際に、受電器２の二次電池２５を充電するための本送電を開始し、その本送電の通知を、例えば、通信を介して受電器２伝える。
これを受けて、受電器２では、ステップＳＴ２４において、本送電通知が有ったと判定し、ステップＳＴ２７に進んで、本送電用の設定を行う。すなわち、受電器２において、例えば、通信により、或いは、送電器１からの本送電用の電力を受信して、スイッチ２６は、負荷抵抗２７からＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂへの接続切り替えを行う。
具体的に、受電制御部２３からのスイッチ制御信号Ｓsに従ったスイッチ２６の切り替えにより、受電共振コイル２１ａおよび整流回路２２ａを介して取り出した受電電圧Ｖｒは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ｂに印加される。
なお、前述したように、例えば、無線電力伝送システムが複数の受電器を含む場合には、１つの受電器のみを順番にオンしてテスト送電を行い、それぞれの受電器とのｋＱ値を求めることになる。また、例えば、予めＱ1値およびＱ2値が分かっていれば、Ｑ値を求めることができ、ｋ値を算出することが可能である。そして、算出された複数の受電器とのｋＱ値またはｋ値は、給電方式の選択や複数の受電器のグループ化を始めとして、様々な制御に利用することができるのは前述した通りである。
ここに記載されている全ての例および条件的な用語は、読者が、本発明と技術の進展のために発明者により与えられる概念とを理解する際の助けとなるように、教育的な目的を意図したものである。
また、具体的に記載されている上記の例および条件、並びに、本発明の優位性および劣等性を示すことに関する本明細書における例の構成に限定されることなく、解釈されるべきものである。
さらに、本発明の実施例は詳細に説明されているが、本発明の精神および範囲から外れることなく、様々な変更、置換および修正をこれに加えることが可能であると解すべきである。
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
（付記１）
少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器であって、
前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、
前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加するスイッチと、
前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御する受電制御部と、
前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う通信回路部と、を有する、
ことを特徴とする受電器。
（付記２）
前記受電制御部は、
前記電力検出用抵抗の抵抗値を制御し、前記受電コイルの抵抗値と前記電力検出用抵抗の抵抗値の抵抗比、並びに、前記受電コイルによる受電電圧から、前記受電電力を算出し、
算出された前記受電電力の検出情報を、前記通信回路部を介して前記送信回路に伝達する、
ことを特徴とする付記１に記載の受電器。
（付記３）
前記スイッチは、前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗および前記内部回路に切り替えて印加する、
ことを特徴とする付記１または付記２に記載の受電器。
（付記４）
前記電力検出用抵抗は、前記受電制御部により抵抗値が可変制御される可変抵抗であり、
前記スイッチは、受電コイルを、前記電力検出用抵抗と前記内部回路に切り替えて接続する、
ことを特徴とする付記３に記載の受電器。
（付記５）
前記電力検出用抵抗は、複数の抵抗素子を含み、
前記スイッチは、複数の前記抵抗素子のいずれかと、前記内部回路を切り替えて接続する、
ことを特徴とする付記３に記載の受電器。
（付記６）
前記受電コイルは、
前記送電器からの電力を無線により受け取る受電共振コイルと、
前記受電共振コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取る電力取出コイルと、を含み、
前記スイッチは、
前記受電共振コイルによる第１受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加する第１スイッチと、
前記電力取出コイルによる第２受電電圧を、前記内部回路に切り替えて印加する第２スイッチと、を含む、
ことを特徴とする付記１または付記２に記載の受電器。
（付記７）
前記受電制御部は、
前記受電コイルの損失を記憶するメモリを含む、
ことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の受電器。
（付記８）
前記内部回路は、二次電池を含み、
前記受電コイルによる電力を使用して前記二次電池を充電する、
ことを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１項に記載の受電器。
（付記９）
少なくとも１つの送電器、および、前記送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムであって、
前記受電器は、
前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、
前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加するスイッチと、
前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御する受電制御部と、
前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う第１通信回路部と、を有し、
前記送電器は、
前記受電器に対して、電力を無線により伝送する送電コイルと、
前記受電器に対する送電電力および前記受電器からの前記検出情報に基づいて、ｋＱ値を算出する送電制御部と、
前記受電器との間で、前記検出情報および前記給電タイミング情報を含む通信を行う第２通信回路部と、を有する、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
（付記１０）
前記受電器は、付記２乃至付記８のいずれか１項に記載の受電器である、
ことを特徴とする付記９に記載の無線電力伝送システム。
（付記１１）
前記送電制御部は、
前記送電コイルの損失を記憶するメモリを含む、
ことを特徴とする付記９または付記１０に記載の無線電力伝送システム。
（付記１２）
少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器のｋＱ値を、前記送電器と前記受電器の間における、磁界または電界の結合の程度を示すｋ値と、磁界または電界の損失の程度を示すＱ値の積として求めるｋＱ値算出方法であって、
前記受電器は、
前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、を有し、
前記電力検出用抵抗の抵抗値を制御し、前記受電コイルの抵抗値と前記電力検出用抵抗の抵抗値の抵抗比、並びに、前記受電コイルによる受電電圧から、受電電力を算出し、
前記送電器から出力する送電電力と前記受電電力から測定効率を算出し、
前記抵抗比および前記測定効率から、前記受電器のｋＱ値を算出する、
ことを特徴とするｋＱ値算出方法。
（付記１３）
さらに、
前記受電器における前記受電コイルの損失、および、前記送電器における送電コイルの損失から前記Ｑ値を算出し、
算出された前記ｋＱ値からｋ値を算出する、
ことを特徴とする付記１２に記載のｋＱ値算出方法。
（付記１４）
前記ｋＱ値の算出は、前記送電器から小電力を送電して行うテスト送電において行われる、
ことを特徴とする付記１２または付記１３に記載のｋＱ値算出方法。
（付記１５）
前記ｋＱ値の算出は、前記送電器において行われる、
ことを特徴とする付記１２乃至付記１４のいずれか１項に記載のｋＱ値算出方法。
１ 送電器(一次側：送電側)
１Ａ〜１Ｄ，１Ａ１〜１Ａ３ 送電器
２ 受電器(二次側：受電側)
２Ａ〜２Ｆ，２Ａ１〜２Ａ３，２Ｂ１〜２Ｂ３，２Ｃ１，２Ｃ２ 受電器
１０Ａ，１０Ｂ 外部電源
１１，１１Ａ，１１Ｂ ワイヤレス送電部
１１ａ，１１ａＡ，１１ａＢ、１１ａ１，１１ａ２ 送電共振コイル(第２コイル：ＬＣ共振器)
１１ｂ 電力供給コイル(第１コイル)
１２，１２Ａ，１２Ｂ 高周波電源部
１３，１３Ａ，１３Ｂ 送電制御部
１４，１４Ａ，１４Ｂ 通信回路部(第１通信回路部)
２１，２１Ａ，２１Ｂ ワイヤレス受電部
２１ａ 受電共振コイル(第３コイル：ＬＣ共振器)
２１ｂ 電力取出コイル(第４コイル)
２２，２２Ａ，２２Ｂ 受電回路部(整流部)
２３，２３Ａ，２３Ｂ 受電制御部
２４ 通信回路部(第２通信回路部)
２５，２５Ａ，２５Ｂ バッテリ部(機器本体，負荷)
２６，２６'，２６" スイッチ
２７，２７' 電力検出用抵抗(負荷抵抗)

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器であって、
    前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
    前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、
    前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加するスイッチと、
    前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御する受電制御部と、
    前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う通信回路部と、を有する、
    ことを特徴とする受電器。
  2. 前記受電制御部は、
    前記電力検出用抵抗の抵抗値を制御し、前記受電コイルの抵抗値と前記電力検出用抵抗の抵抗値の抵抗比、並びに、前記受電コイルによる受電電圧から、前記受電電力を算出し、
    算出された前記受電電力の検出情報を、前記通信回路部を介して前記送信回路に伝達する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の受電器。
  3. 前記スイッチは、前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗および前記内部回路に切り替えて印加する、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受電器。
  4. 前記電力検出用抵抗は、前記受電制御部により抵抗値が可変制御される可変抵抗であり、
    前記スイッチは、受電コイルを、前記電力検出用抵抗と前記内部回路に切り替えて接続する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の受電器。
  5. 前記電力検出用抵抗は、複数の抵抗素子を含み、
    前記スイッチは、複数の前記抵抗素子のいずれかと、前記内部回路を切り替えて接続する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の受電器。
  6. 前記受電コイルは、
    前記送電器からの電力を無線により受け取る受電共振コイルと、
    前記受電共振コイルからの電力を、電磁誘導を利用して受け取る電力取出コイルと、を含み、
    前記スイッチは、
    前記受電共振コイルによる第１受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加する第１スイッチと、
    前記電力取出コイルによる第２受電電圧を、前記内部回路に切り替えて印加する第２スイッチと、を含む、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受電器。
  7. 前記受電制御部は、
    前記受電コイルの損失を記憶するメモリを含む、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の受電器。
  8. 前記内部回路は、二次電池を含み、
    前記受電コイルによる電力を使用して前記二次電池を充電する、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の受電器。
  9. 少なくとも１つの送電器、および、前記送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る少なくとも１つの受電器を含む無線電力伝送システムであって、
    前記受電器は、
    前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
    前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、
    前記受電コイルによる受電電圧を、前記電力検出用抵抗に切り替えて印加するスイッチと、
    前記電力検出用抵抗および前記スイッチを制御する受電制御部と、
    前記送電器との間で、受電電力の検出情報および給電タイミング情報を含む通信を行う第１通信回路部と、を有し、
    前記送電器は、
    前記受電器に対して、電力を無線により伝送する送電コイルと、
    前記受電器に対する送電電力および前記受電器からの前記検出情報に基づいて、ｋＱ値を算出する送電制御部と、
    前記受電器との間で、前記検出情報および前記給電タイミング情報を含む通信を行う第２通信回路部と、を有する、
    ことを特徴とする無線電力伝送システム。
  10. 前記受電器は、請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の受電器である、
    ことを特徴とする請求項８に記載の無線電力伝送システム。
  11. 前記送電制御部は、
    前記送電コイルの損失を記憶するメモリを含む、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の無線電力伝送システム。
  12. 少なくとも１つの送電器からの電力を、磁界共鳴または電界共鳴を利用して無線により受け取る受電器のｋＱ値を、前記送電器と前記受電器の間における、磁界または電界の結合の程度を示すｋ値と、磁界または電界の損失の程度を示すＱ値の積として求めるｋＱ値算出方法であって、
    前記受電器は、
    前記送電器からの電力を無線により受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルによる電力を使用する内部回路と、
    前記受電コイルによる電力を検出する電力検出用抵抗と、を有し、
    前記電力検出用抵抗の抵抗値を制御し、前記受電コイルの抵抗値と前記電力検出用抵抗の抵抗値の抵抗比、並びに、前記受電コイルによる受電電圧から、受電電力を算出し、
    前記送電器から出力する送電電力と前記受電電力から測定効率を算出し、
    前記抵抗比および前記測定効率から、前記受電器のｋＱ値を算出する、
    ことを特徴とするｋＱ値算出方法。
  13. さらに、
    前記受電器における前記受電コイルの損失、および、前記送電器における送電コイルの損失から前記Ｑ値を算出し、
    算出された前記ｋＱ値からｋ値を算出する、
    ことを特徴とする請求項１２に記載のｋＱ値算出方法。
  14. 前記ｋＱ値の算出は、前記送電器から小電力を送電して行うテスト送電において行われる、
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載のｋＱ値算出方法。
  15. 前記ｋＱ値の算出は、前記送電器において行われる、
    ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載のｋＱ値算出方法。
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