KR101528723B1 - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 있는 경우와 없는 경우에, 입력 임피던스의 위상에 차가 생기도록 하고, 이 위상의 차를 검출함으로써, 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 급전 가능 영역에 없을 때의 전력 소비를 방지한다. 무선 전력 전송 장치(1)는, 급전 모듈(2), 수전 모듈(3), 위상 검출기(4), 제어 기기(5)를 구비하고, 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정되어 있고, 제어 기기(5)가, 위상 검출기(4)가 검출한, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상의 차를 이용하여, 급전 모듈(2)에 전력을 공급할지 여부를 판정한다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법 {WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING POWER SUPPLY FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은, 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 휴대 게임기, 이어폰형 음악 플레이어, 무선식 헤드셋, 보청기, 리코더 등 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 휴대형 전자 기기가 급속하게 보급되고 있다. 그리고, 이들 휴대형 전자 기기의 대부분에는 충전지가 탑재되어 있어, 정기적인 충전이 필요하다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간이하게 하기 위해서, 급전 모듈과 전자 기기에 탑재된 수전 모듈 사이에서 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의해, 충전지를 충전하는 기기가 점점 증가하고 있다.
무선 전력 전송 기술로서는, 코일간의 전자기 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 기술이나(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 급전 장치(급전 모듈) 및 수전 장치(수전 모듈)가 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
예를 들어, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈이 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈을 급전 모듈에 근접시켜, 급전 모듈로부터 수전 모듈에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)로 되도록 배치하여 사용할 필요가 있다. 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 없는 경우, 급전 모듈에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치될 것에 대비하여 항상 전력이 계속해서 공급되어, 불필요하게 전력이 소비되어 버리는 문제가 있다(대기 전력이 커진다).
이 문제에 대하여, 어떠한 검출부(센서 등)를 급전 모듈 또는 수전 모듈에 설치하고, 그 검출부가, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 배치된 것에 의한 각종 변화를 검출하고, 그 검출 결과를 트리거로 하여 급전 모듈에 전력 공급을 개시하는 대처법이 제안되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 3의 급전 시스템의 급전 장치(급전 모듈)에는, 검출부(전류ㆍ전압 검출부(113))가 설치되고, 이 검출부에서 측정한 전류값ㆍ전압값에 기초하여 임피던스를 구하고, 이 임피던스의 변화(임피던스의 증가량 등: 단락 [0047] 등 참조)를 미리 설정한 역치와 비교함으로써, 급전 장치(급전 모듈)와 2차측 기기(수전 모듈)가 급전 가능 영역에 있는지 여부를 판단하는 구성이 기재되어 있다.
확실히, 상기와 같이 검출부를 설치하여, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 있는지 여부를 판단하면, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 없다고 판단한 경우는, 급전 모듈에의 전력 공급을 멈추어 불필요하게 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있다.
일본 특허 제4624768호 공보 일본 특허 공개 제2010-239769호 공보 일본 특허 공개 제2013-62895호 공보
단, 급전 장치(급전 모듈)와 2차측 기기(수전 모듈)의 조건 설정에 따라서는, 급전 장치(급전 모듈)와 2차측 기기(수전 모듈)가 급전 가능 영역에 있는지 여부를 판단하는 임피던스의 변화가 현저하게 나타나지 않는 경우가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 급전 모듈 또는 수전 모듈의 입력 임피던스의 위상에 주목하여, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 있는 경우와 없는 경우에, 입력 임피던스의 위상에 차가 생기도록 하여, 이 위상의 차를 검출함으로써, 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 그로써, 급전 가능 영역에 없을 때 불필요하게 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치이며,
상기 급전 모듈은,
입력 임피던스에 있어서의 위상을 검출하는 위상 검출기와,
상기 급전 모듈에 공급하는 전력을 제어하는 제어 기기를 구비하고,
상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 전원 주파수 대역, 및 상기 공진 주파수보다 높은 전원 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정되어 있고,
상기 제어 기기는, 상기 위상 검출기가 검출한, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되지 않는 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상의 차를 이용하여, 상기 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하고 있다.
종래, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 전송 특성의 값을 단봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 전송 특성의 값의 피크가 공진 주파수 부근에 나타나도록 설정하고 있었다. 이 경우, 전원 주파수를 공진 주파수로 설정하여 사용함으로써, 급전 모듈로부터 수전 모듈에의 전력 전송 효율을 최대화할 수 있었다.
그러나, 전원 주파수를 공진 주파수로 설정하고 있기 때문에, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상 사이에 차가 발생하지 않는 설정으로 된다.
따라서, 상기 구성에 의해, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 전송 특성의 값을 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 전송 특성의 값의 피크를 공진 주파수가 아닌 대역에 나타나도록 설정할 수 있다. 이에 의해, 전원 주파수를 공진 주파수가 아닌 대역에 나타나는 피크 부근에 설정하여 사용할 수 있기 때문에, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상 사이에 차를 설정할 수 있게 된다. 그리고, 이 위상의 차를 위상 검출기가 검출함으로써, 제어 기기가 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 그로써, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있고,
상기 급전 코일은, 저항 R1 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로를 구비하고,
상기 급전 공진기는, 저항 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
상기 수전 공진기는, 저항 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
상기 수전 코일은, 저항 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈 및 수전 모듈에 관하여, 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비한 구성으로 할 수 있어, 급전 코일 및 수전 코일을 비교적 간이한 RL 회로로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있고,
상기 급전 코일은, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
상기 급전 공진기는, 저항 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
상기 수전 공진기는, 저항 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
상기 수전 코일은, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구비한 것(단, 상기 급전 코일이 RLC 직렬 회로인 경우에는, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수 k12와, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수 k23의 관계가, k12≠k23의 관계인 것, 및 급전 코일의 공진 주파수 f1과, 급전 공진기ㆍ수전 공진기에 있어서의 공진 주파수 f0의 관계가, f1≠f0의 관계인 것 중 적어도 한쪽의 관계를 만족시키는 것을 조건으로 함)을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 급전 모듈 및 수전 모듈에 관하여, 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비한 구성으로 할 수 있어, 급전 코일 및 수전 코일을 RLC 회로로 구성할 수 있다. 이와 같이 급전 코일 및 수전 코일을 RLC 회로로 구성함으로써, 설계상 변경할 수 있는 요소가 증가하기 때문에 설계 자유도를 높일 수 있다(급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 전송 특성의 값을 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정하기 위한 가변 요소가 증가한다).
또한, 본 발명의 하나는, 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법이며,
상기 급전 모듈은,
입력 임피던스에 있어서의 위상을 검출하는 위상 검출기와,
상기 급전 모듈에 공급하는 전력을 제어하는 제어 기기를 구비하고,
상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역, 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정되어 있고,
상기 제어 기기는, 상기 위상 검출기가 검출한, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되지 않는 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상의 차를 이용하여, 상기 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하고 있다.
종래, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 전송 특성의 값을 단봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 전송 특성의 값의 피크가 공진 주파수 부근에 나타나도록 설정하고 있었다. 이 경우, 전원 주파수를 공진 주파수로 설정하여 사용함으로써, 급전 모듈로부터 수전 모듈에의 전력 전송 효율을 최대화할 수 있었다.
그러나, 전원 주파수를 공진 주파수로 설정하고 있기 때문에, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상 사이에 차가 발생하지 않는 설정으로 된다.
따라서, 상기 방법에 의해, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 전송 특성의 값을 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 전송 특성의 값의 피크를 공진 주파수가 아닌 대역에 나타나도록 설정할 수 있다. 이에 의해, 전원 주파수를 공진 주파수가 아닌 대역에 나타나는 피크 부근에 설정하여 사용할 수 있기 때문에, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상 사이에 차를 설정할 수 있게 된다. 그리고, 이 위상의 차를 위상 검출기가 검출함으로써, 제어 기기가 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 그로써, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다.
급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역에 있는 경우와 없는 경우에, 입력 임피던스의 위상에 차가 생기도록 하여, 이 위상의 차를 검출함으로써, 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 그로써, 급전 가능 영역에 없을 때 불필요하게 전력이 소비되는 것을 방지할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 급전 모듈을 탑재한 충전기 및 수전 모듈을 탑재한 무선식 헤드셋의 설명도이다.
도 2는 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 3은 대기 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치의 설명도이다.
도 4는 급전 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치를 등가 회로에 의해 나타낸 설명도이다.
도 5는 대기 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치를 등가 회로에 의해 나타낸 설명도이다.
도 6은 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 관계를 도시한 설명도이다.
도 7의 (A)는 비교예 1에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7의 (B)는 비교예 1에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8의 (A)는 실시예 1에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8의 (B)는 실시예 1에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 2 및 실시예 2에 따른 무선 전력 전송 장치를 등가 회로에 의해 나타낸 설명도이다.
도 10의 (A)는 비교예 2에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10의 (B)는 비교예 2에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11의 (A)는 실시예 2에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11의 (B)는 실시예 2에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12의 (A)는 실시예 3에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 12의 (B)는 실시예 3에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13의 (A)는 실시예 4에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 13의 (B)는 실시예 2에 따른, 대기 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 제어 기기가 실행하는 급전 동작 흐름을 설명한 흐름도이다.
이하에 본 발명인 무선 전력 전송에 사용하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 공급 방법의 실시 형태에 대하여 설명한다.
먼저, 본 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(1)로서, 급전 모듈(2)을 구비한 충전기(101) 및 수전 모듈(3)을 구비한 무선식 헤드셋(102)을 예로 들어 설명한다.
(무선 전력 전송 장치(1)의 구성)
도 1에 도시한 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(1)는, 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 충전기(101)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 가진 급전 모듈(2)과, 위상 검출기(4)와, 제어 기기(5)를 구비하고 있다. 또한, 무선식 헤드셋(102)은, 이어폰 스피커부(102a), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 가진 수전 모듈(3)과, 수전된 교류 전력을 정류화하는 안정 회로(7)와, 과충전을 방지하는 충전 회로(8)와, 이차 전지(9)(리튬 이온 이차 전지 등)를 구비하고 있다(또한, 음향 기기로서의 장치는 생략하고 있다). 그리고, 급전 모듈(2)에는, 제어 기기(5)를 통해서, 급전 모듈(2)에 전력을 공급하는 교류 전원(6)(외부의 전력 공급원(61), 발진 회로(62))이 접속되고, 수전 모듈(3)에는, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해서 이차 전지(9)가 접속되어 있다. 또한, 도면에서는, 설명의 사정상, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 이차 전지(9)를 수전 모듈(3) 밖에 기재하고 있지만, 실제는, 솔레노이드 형상의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 내주측에 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 이차 전지(9)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 최종적인 전력의 급전처로 되는 피급전 기기(10)이며, 피급전 기기(10)는 수전 모듈(3)에 접속된 전력의 급전처의 기기 전체의 총칭이다.
또한, 도시하지 않았지만, 충전기(101)는, 무선식 헤드셋(102)을 수납하기 위한, 무선식 헤드셋(102)의 형상에 입각한 수납 홈이 형성되어 있고, 이 충전기(101)의 수납 홈에 무선식 헤드셋(102)을 수납함으로써, 충전기(101)가 구비하는 급전 모듈(2)과 무선식 헤드셋(102)이 구비하는 수전 모듈(3)이 대향 배치되도록 무선식 헤드셋(102)을 위치 결정할 수 있도록 되어 있다.
급전 코일(21)은, 교류 전원(6)으로부터 얻어진 전력을 전자기 유도에 의해 급전 공진기(22)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(21)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 저항기 R1 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L1 부분은, 구리선재(절연 피막 부착)를 사용하여, 코일 직경을 15㎜φ로 설정하고 있다. 또한, 급전 코일(21)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 코일(21)을 구성하는 저항기 R1 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고 있다. 또한, 급전 코일(21)에 흐르는 전류를 I1이라 한다.
수전 코일(31)은, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자기 유도에 의해 수전하고, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해서 이차 전지(9)에 공급하는 역할을 한다. 이 수전 코일(31)은, 급전 코일(21)과 마찬가지로, 도 4에 도시한 바와 같이, 저항기 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L4 부분은, 구리선재(절연 피막 부착)를 사용하여, 코일 직경 15㎜φ로 설정하고 있다. 또한, 수전 코일(31)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 코일(31)을 구성하는 저항기 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고 있다. 또한, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)(안정 회로(7), 충전 회로(8), 이차 전지(9))의 합계의 임피던스를 ZL이라 하고 있다. 또한, 수전 코일(31)에 흐르는 전류를 I4라 하고 있다. 또한, 피급전 기기(10)의 합계 임피던스를 ZL이라 하고 있지만, 편의적으로 RL로 치환해도 된다.
급전 공진기(22)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 각각 공진 회로로 되어, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 여기서, 자계 공명 상태(공진 현상)란, 2개 이상의 코일이 공진 주파수에 있어서 공진하는 것을 말한다. 또한, 급전 공진기(22)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 공진기(22)를 구성하는, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 공진기(32)를 구성하는, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고 있다. 또한, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류를 I2라 하고, 수전 공진기(32)에 흐르는 전류를 I3이라 한다.
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 회로로서의 RLC 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, 수학식 1에 의해 정해지는 f가 공진 주파수로 된다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)는 1㎒로 하고 있다.
Figure 112015019639907-pct00001
또한, 급전 공진기(22)는, 구리선재(절연 피막 부착)에 의해 구성한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 구리선재(절연 피막 부착)에 의해 구성한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 일치시키고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 코일을 사용한 공진기라면, 스파이럴형이나 솔레노이드형 등의 코일이어도 된다.
또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리를 d12라 하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리를 d23이라 하고, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리를 d34라 하고 있다(도 1 참조).
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)의 코일 L1과 급전 공진기(22)의 코일 L2 사이의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일 L2와 수전 공진기(32)의 코일 L3 사이의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일 L3과 수전 코일(31)의 코일 L4 사이의 상호 인덕턴스를 M34라 하고 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수를 k12라 표기하고, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수를 k23이라 표기하고, 코일 L3과 코일 L4 사이의 결합 계수를 k34라 한다.
또한, 무선 전력 전송 장치(1)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 이차 전지(9)를 포함함)의 회로도를 도시하면 도 4의 하측 도면과 같이 된다. 이것은, 무선 전력 전송 장치(1)를 구성하는 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 이차 전지(9)를 포함함) 전체를 하나의 입력 임피던스 Zin으로 치환하여 나타낸 것이며, 무선 전력 전송 장치(1)에 인가하는 전압을 전압 Vin, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력하는 전류를 Iin이라 하고 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin을 보다 상세하게 나타내기 위해서, 무선 전력 전송 장치(1)의 구성을 등가 회로에 의해 나타내면 도 4에 도시한 바와 같이 된다. 그리고, 도 4의 등가 회로로부터, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin은 수학식 2와 같이 표기할 수 있다.
Figure 112015019639907-pct00002
그리고, 본 실시 형태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)에 있어서의 임피던스 Z1, Z2, Z3, Z4, ZL은, 각각 수학식 3과 같이 표기할 수 있다.
Figure 112015019639907-pct00003
또한, 급전 코일(21)의 RL 회로 R1, L1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RL 회로 R4, L4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34는, 설계ㆍ제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로서 설정된다.
또한, 충전기(101)가 구비하는, 위상 검출기(4)는, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin을 검출하고, 검출한 입력 임피던스 Zin으로부터, 입력 임피던스 Zin의 위상을 검출할 수 있다. 예를 들어, 위상 검출기(4)로서는, 전류 검출기 및 전압 검출기를 사용하여, 각각, 무선 전력 전송 장치(1)에 인가되는 전압 Vin, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력되는 전류 Iin을 검출한다. 그리고, 검출한 전압 Vin 및 전류 Iin에 기초하여 입력 임피던스 Zin을 구하고(수학식 4 참조), 구한 입력 임피던스 Zin으로부터, 입력 임피던스 Zin의 위상을 검출한다.
Figure 112015019639907-pct00004
또한, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 소비 전력의 삭감의 필요성으로부터, 위상 검출기(4)에 의한 입력 임피던스 Zin의 위상의 검출은 항상 행하는 것은 아니고, 소정의 시간 간격을 두고 정기적으로 행하는 것이 바람직하다.
제어 기기(5)는, 상세는 후술하지만, 위상 검출기(4)가 검출한 입력 임피던스 Zin의 위상의 변화에 따라, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에 전력을 공급할지 여부를 판단하는 기능을 갖고, 전력을 공급하지 않는다는 취지의 판단이 이루어진 경우에는, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력의 공급을 차단하는 기능을 갖는다. 구체적으로는, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 소정의 역치를 설정하고, 그 역치를 초과한 경우에, 급전 상태로부터 대기 상태(교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력의 공급을 차단함), 또는, 대기 상태로부터 급전 상태(교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력 공급을 행함)로 전환하는 제어를 행한다. 또한, 제어 기기(5)는, 예를 들어 마이크로컴퓨터ㆍ기억 장치 등에 의해 구성된다.
여기서, 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 전력이 공급되고 있는 상태를 급전 상태라 한다. 이 급전 상태는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 자계 공명 상태를 창출하였을 때라고도 할 수 있다. 또한, 급전 상태는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이 어느 정도 근접 배치된 경우(급전 가능 영역)에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어지고 있는 상태를 급전 상태라 할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 전력이 공급되지 않는 상태를 대기 상태라 한다. 이 대기 상태는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32)가 자계 공명 상태를 창출하고 있지 않을 때라고도 할 수 있다. 또한, 대기 상태는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이, 상기 자계 공명 상태를 창출하지 않을 정도의 배치 관계에 있는 경우에 성립하는 상태이기도 하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 무선식 헤드셋(102)에 있어서의 충전지(9)에 충전이 이루어지지 않은 상태를 대기 상태라 할 수 있다.
예를 들어, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상이 29°이고, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상이 88°인 경우(하기 실시예 1 참조), 그 사이의 58°로 역치를 설정해 두고, 위상 검출기(4)가 검출한 위상값이, 낮은 값(29°)으로부터 역치인 58°를 초과하여, 높은 값(88°)으로 변화한 경우, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로 이행하였다고 판단하고, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력의 공급을 차단한다. 한편, 위상 검출기(4)가 검출한 위상값이, 높은 값(88°)으로부터 역치인 58°를 초과하여, 낮은 값(29°)으로 변화한 경우, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로 이행하였다고 판단하고, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력 공급을 행한다.
상기 무선 전력 전송 장치(1)에 의하면, 급전 공진기(22)의 공진 주파수와 수전 공진기(32)의 공진 주파수를 일치시킨 경우, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 공진한 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 전력을 자계 에너지로서 전송하는 것이 가능해지고, 제어 기기(5)에 의해, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에 전력을 공급해도 된다고 판단되면, 급전 모듈(2)을 구비한 충전기(101)로부터, 수전 모듈(3)을 구비한 무선식 헤드셋(102)에 전력이 무선 전송되어, 무선식 헤드셋(102) 내에 설치된 충전지(9)가 충전되게 된다.
(대기 상태에 있어서의 불필요한 소비 전력을 방지하는 것이 필요한 이유)
다음에, 상기 대기 상태 및 급전 상태의 개념을 근거로 하여, 무선 전력 전송을 이용한 전력 전송에 있어서, 대기 상태에 있어서의 불필요한 소비 전력을 방지하는 것이 필요한 이유를 설명한다. 상술한 바와 같이, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 무선 전력 전송을 할 때는, 수전 모듈(3)을 급전 모듈(2)에 접근시켜, 급전 모듈(2)로부터 수전 모듈(3)에 대하여 급전할 수 있는 거리(급전 가능 영역)로 되도록 배치하여 사용할 필요가 있다(도 1 및 도 4 참조). 이러한 사용 과정에 있어서, 급전 모듈과 수전 모듈이 급전 가능 영역 내에 없는 경우(대기 상태), 급전 모듈에서는, 수전 모듈이 급전 가능 영역에 근접 배치되는(급전 상태) 것에 대비하여 항상 전력이 계속해서 공급된 상태로 된다.
그렇게 되면, 대기 상태에 있어서의 급전 모듈(2)의 소비 전력은 낭비되게 된다.
따라서, 대기 상태에서는, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력의 공급을 차단할 필요가 있다.
본 실시 형태에서는, 급전 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하도록 설정하고, 발생한 위상의 차를 이용하여, 대기 상태라 판단된 경우에는, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력 공급을 차단하는 구성을 하고 있다.
(입력 임피던스 Zin의 위상차의 설정)
본 실시 형태에서는, 급전 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하는 설정으로서는, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이, 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정함으로써 실현하고 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖기 위해서는, 급전 코일(21)의 RL 회로 R1, L1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RL 회로 R4, L4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34를 각각 조정함으로써 실현된다.
(쌍봉성의 성질)
여기서, 전송 특성 『S21』이란, 네트워크 애널라이저(애질런트 테크놀로지 가부시끼가이샤제의 E5061B 등)를 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 접속하여 계측되는 신호를 나타내고 있고, 데시벨 표시되며, 수치가 클수록 전력 전송 효율이 높은 것을 의미한다. 그리고, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』은, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 사이의 자계에 의한 결합 정도(자계 결합)의 강도에 의해, 단봉성의 성질을 갖는 것과 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 나누어진다. 그리고, 단봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 하나이고, 그 피크가 공진 주파수 대역(f0)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 6의 파선(51) 참조). 한편, 쌍봉성이란, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 2개이며, 그 2개의 피크가 공진 주파수보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 6의 실선(52) 참조). 더욱 상세하게 쌍봉성을 정의하면, 상기 네트워크 애널라이저에 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 접속하여 계측되는 반사 특성 『S11』이 2개의 피크를 갖는 상태를 말한다. 따라서, 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 언뜻 보아 하나로 보였다고 해도, 계측된 반사 특성 『S11』이 2개의 피크를 갖는 경우에는, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 한다.
상기 단봉성의 성질을 갖는 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에 있어서는, 도 6의 파선(51)으로 나타내는 바와 같이, 전원 주파수가 공진 주파수 f0에서 전송 특성 『S21』이 최대화된다(전력 전송 효율이 최대화된다).
한편, 쌍봉성의 성질을 갖는 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에서는, 도 6의 실선(52)으로 나타내는 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 전원 주파수 대역(fL)과 공진 주파수 f0보다 높은 전원 주파수 대역(fH)에 있어서 최대화된다.
또한, 일반적으로, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리가 동일하면, 쌍봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(fL 또는 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값)은, 단봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(f0에서의 전송 특성 『S21』의 값)보다 낮은 값으로 된다(도 6의 그래프 참조).
예를 들어, 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 낮은 주파수 대역에 나타나는 피크(fL) 부근의 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동위상에서 공진 상태로 되어, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 된다. 그 결과, 도 6의 그래프에 나타내는 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 전원 주파수를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않은 경우라도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다(실선(52)). 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라 칭하기로 한다.
또한, 상기 동상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여, 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감ㆍ방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능해진다.
한편, 예를 들어 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에, 공진 주파수 f0보다 높은 주파수 대역에 나타나는 피크(fH) 부근의 주파수 대역에 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 전원 주파수를 설정한 경우, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역위상에서 공진 상태로 되어, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향으로 된다. 그 결과, 도 6의 그래프에 나타내는 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 전원 주파수를 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않은 경우라도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다(실선(52)). 여기서, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라 칭하기로 한다.
또한, 상기 역상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여, 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감ㆍ방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 이 역상 공진 모드에 의해 형성되는 자계 공간은, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에 형성되므로, 이 공간에 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등의 전자 부품을 내장함으로써 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 자체의 콤팩트화ㆍ설계 자유도의 향상이 실현된다.
(비교예 및 실시예)
이하 비교예 및 실시예를 나타내어, 급전 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하는 설정으로 하고, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이, 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하는 것이 좋은 것을 설명한다. 이하의 비교예, 실시예에서는, 다양한 설정을 한 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 사용하여, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 해석 결과, 및 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상의 해석 결과를 나타낸다. 또한, 비교예 및 실시예에서는, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 충전지(9) 대신에 가변 저항기(11)(Rl)를 접속하여 해석하고 있다.
또한, 비교예 1에서는, 급전 상태에 있어서의, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이, 단봉성의 성질을 갖는 것으로 해석하고 있다. 또한, 비교예 2 및 실시예 1 내지 4에서는, 급전 상태에 있어서의, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성 『S21』이, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 해석하고 있다.
(비교예 1)
비교예 1에 따른 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 모듈(2)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비한 구성을 하고 있다. 한편, 수전 모듈(3)은, 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 그리고, 비교예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에서는, R1, R2, R3, R4의 값을 각각, 0.5Ω으로 설정하였다. 또한, L1, L2, L3, L4의 값을 각각, 4.5μH로 설정하였다. 또한, 피급전 기기(10)의 RL은 100Ω이다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 1.0㎒이다. 또한, 결합 계수 k12, k34는 0.3이며, 결합 계수 k23은 0.03이다(또한, 급전 상태에서의 결합 계수의 값이다). 또한, 상술한 바와 같이, 비교예 1에 따른 무선 전력 전송 장치(1)는 단봉성의 성질을 갖고 있다.
대기 상태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
비교예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 7의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 7의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 7의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 대기 상태 및 급전 상태 모두, 전원 주파수를, 공진 주파수 f0(1㎒: 전력 전송 효율을 최대화함)으로 함으로써 입력 임피던스 Zin이 최대화됨을 알 수 있다.
비교예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 7의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 7의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 7의 (B)에 도시한다. 이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 단봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 최대화하는 공진 주파수 f0에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 19°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 11°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 약간에 차가 발생하지만, 그 차가 작기 때문에, 제어 기기(5)에서의 판정에는 적합하지 않음을 알 수 있다. 또한, 엄밀하게 말하면, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 약간에 차가 발생하기 때문에, 이 차를 검출하는 것도 가능하다. 그러나, 그 경우, 위상의 차가 작기 때문에, 이 차를 검출하여 판단하는 검출기나 제어 기기에 고정밀도의 것이 요구되기 때문에(오작동 방지), 무선 전력 전송 장치(1)의 코스트 퍼포먼스의 관점에서 적절하지 않다고 판단하고 있다.
(실시예 1)
실시예 1에 따른 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 모듈(2)은, 비교예 1과 마찬가지로, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비한 구성을 하고 있다. 또한, 수전 모듈(3)도, 비교예 1과 마찬가지로, 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성을 하고 있다. 그리고, 실시예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 결합 계수 k23은 0.3으로 설정하고 있다(다른 설정은 비교예 1과 마찬가지이다). 이와 같이, 결합 계수 k23을 0.3으로 설정함으로써, 실시예 1에 따른 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고 있다.
대기 상태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 8의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 8의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 8의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 급전 상태에서는, 동상 공진 모드(fL: 0.88㎒) 또는 역상 공진 모드(fH: 1.19㎒)로 되는 전원 주파수에서 피크를 가짐을 알 수 있다.
실시예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 8의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 8의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 8의 (B)에 도시한다.
이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 동상 공진 모드(fL)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 29°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 88°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 59° 발생하였다. 이 때문에, 예를 들어 역치를 58°로 설정하였다고 하면, 이 역치(58°)와 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상(29°) 사이에 큰 차(29°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다(위상의 차가 작으면, 오검출이 발생하기 쉬운, 즉, 위상 검출기(4)의 정밀도에 의한 위상의 검출값의 편차 등에 영향을 받아 버린다). 마찬가지로, 이 역치(58°)와 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상(88°) 사이에 큰 차(30°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차가 크기 때문에, 위상 검출기(4), 제어 기기(5)에 사용하는 기기에 고정밀도의 것을 필요로 하지 않기 때문에, 무선 전력 전송 장치(1)의 코스트 퍼포먼스의 관점에서도 바람직하다.
한편, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 역상 공진 모드(fH)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 26°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 87°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 61° 발생하였다. 이 때문에, 동상 공진 모드와 마찬가지로, 제어 기기(5)는 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
(비교예 2)
비교예 2에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)이, 도 9에 도시한 바와 같이, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로이며, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)이, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 직렬 회로이고, 다른 설정은 실시예 1과 마찬가지이다. 또한, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1) 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 주파수(f4)는 1.0㎒이며, 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)는 1.0㎒이다(f1=f0). 또한, 결합 계수 k12, k23, k34는 0.3으로 설정하고 있다(k12=k23). 또한, 비교예 2에 따른 무선 전력 전송 장치(1)는 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고 있다.
대기 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
비교예 2에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 10의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 10의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 10의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 급전 상태에서는, 동상 공진 모드(fL: 0.88㎒) 또는 역상 공진 모드(fH: 1.19㎒)로 되는 전원 주파수에서 피크를 가짐을 알 수 있다.
비교예 2에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 10의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 10의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 10의 (B)에 도시한다.
이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 동상 공진 모드(fL)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 0°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 0°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 발생하지 않았다. 한편, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 역상 공진 모드(fH)에서도, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 0°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 0°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 발생하지 않았다. 이와 같이, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)을, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 하고, 결합 계수에 관해서 k12=k23의 관계를 만족시키고, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1)와, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)의 관계가 f1=f0의 관계를 만족시키는 경우, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서는, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차는 발생하지 않음을 알 수 있다.
따라서, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)을, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 한 경우에서도, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하도록 설정할 필요가 있다. 그 설정을 이하 실시예 2 내지 4에 나타낸다.
(실시예 2)
실시예 2에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 비교예 2와 마찬가지로, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)이, 도 9에 도시한 바와 같이, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로이며, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)이, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 되어 있다. 그리고, 실시예 2에서는, 결합 계수 k12를 0.2로 설정하고, 결합 계수 k23, k34는 0.3으로 설정하고 있다(k12≠k23). 또한, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1) 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 주파수(f4)는 1.0㎒이며, 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)는 1.0㎒이다(f1=f0). 또한, 실시예 2에 따른 무선 전력 전송 장치(1)는, 비교예 2와 마찬가지로, 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고 있다.
대기 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 2에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 11의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 11의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 11의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 급전 상태에서는, 동상 공진 모드(fL: 0.88㎒) 또는 역상 공진 모드(fH: 1.19㎒)로 되는 전원 주파수에서 피크를 가짐을 알 수 있다.
실시예 2에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 11의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 11의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 11의 (B)에 도시한다.
이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 동상 공진 모드(fL)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 -33°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 -79°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 46° 발생하였다. 이 때문에, 예를 들어 역치를 -56°로 설정하였다고 하면, 이 역치(-56°)와 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상(-33°) 사이에 큰 차(23°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다. 마찬가지로, 이 역치(-56°)와 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상(-79°) 사이에 큰 차(23°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차가 크기 때문에, 위상 검출기(4), 제어 기기(5)에 사용하는 기기에 고정밀도의 것을 필요로 하지 않기 때문에, 무선 전력 전송 장치(1)의 코스트 퍼포먼스의 관점에서도 바람직하다.
한편, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 역상 공진 모드(fH)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 30°이며, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 82°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 52° 발생하였다. 이 때문에, 동상 공진 모드와 마찬가지로, 제어 기기(5)는 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
(실시예 3)
실시예 3에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 실시예 2와 마찬가지로, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)이, 도 9에 도시한 바와 같이, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로이며, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)이, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 되어 있다. 그리고, 실시예 3에서는, 결합 계수 k12를 0.2로 설정하고, 결합 계수 k23, k34는 0.3으로 설정하고 있다(k12≠k23). 또한, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1) 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 주파수(f4)는 0.9㎒이고, 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)는 1.0㎒이다(f1≠f0). 또한, 실시예 3에 따른 무선 전력 전송 장치(1)는, 실시예 2와 마찬가지로, 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고 있다.
대기 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 3에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 12의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 12의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 12의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 급전 상태에서는, 동상 공진 모드(fL: 0.88㎒) 또는 역상 공진 모드(fH: 1.19㎒)로 되는 전원 주파수에서 피크를 가짐을 알 수 있다.
실시예 3에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 12의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 12의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 12의 (B)에 도시한다.
이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 동상 공진 모드(fL)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 -15°이고, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 72°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 87° 발생하였다. 이 때문에, 예를 들어 역치를 29°로 설정하였다고 하면, 이 역치(29°)와 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상(-15°) 사이에 큰 차(44°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다. 마찬가지로, 이 역치(29°)와 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상(72°) 사이에 큰 차(43°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차가 크기 때문에, 위상 검출기(4), 제어 기기(5)에 사용하는 기기에 고정밀도의 것을 필요로 하지 않기 때문에, 무선 전력 전송 장치(1)의 코스트 퍼포먼스의 관점에서도 바람직하다.
한편, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 역상 공진 모드(fH)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 38°이고, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 86°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 48° 발생하였다. 이 때문에, 동상 공진 모드와 마찬가지로, 제어 기기(5)는 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
(실시예 4)
실시예 4에 따른 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 실시예 2와 마찬가지로, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)이, 도 9에 도시한 바와 같이, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로이며, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)이, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 되어 있다. 그리고, 실시예 4에서는, 결합 계수 k12, k23, k34는 0.3으로 설정하고 있다(k12=k23). 또한, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1) 및 수전 코일(31)에 있어서의 공진 주파수(f4)는 0.9㎒이고, 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)는 1.0㎒이다(f1≠f0). 또한, 실시예 4에 따른 무선 전력 전송 장치(1)는, 실시예 2와 마찬가지로, 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정하고 있다.
대기 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 급전 상태에서는, 급전 모듈(2)을 구성하는 급전 코일(21), 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 수전 공진기(32), 수전 코일(31)에 있어서의 입력 임피던스를 Zin이라 하고 있다.
실시예 4에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 13의 (A) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin(도 13의 (A) 실선)의 해석 결과를 도 13의 (A)에 도시한다. 이것을 보면, 급전 상태에서는, 동상 공진 모드(fL: 0.88㎒) 또는 역상 공진 모드(fH: 1.19㎒)로 되는 전원 주파수에서 피크를 가짐을 알 수 있다.
실시예 4에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에 관한, 대기 상태(OFF)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 13의 (B) 파선)과 급전 상태(ON)에 있어서의 전원 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 위상(도 13의 (B) 실선)의 해석 결과를 도 13의 (B)에 도시한다.
이것을 보면, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 동상 공진 모드(fL)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 -13°이고, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 81°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 94° 발생하였다. 이 때문에, 예를 들어 역치를 34°로 설정하였다고 하면, 이 역치(34°)와 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상(-13°) 사이에 큰 차(47°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다. 마찬가지로, 이 역치(34°)와 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상(81°) 사이에 큰 차(47°의 차)가 생기므로, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차가 크기 때문에, 위상 검출기(4), 제어 기기(5)에 사용하는 기기에 고정밀도의 것을 필요로 하지 않기 때문에, 무선 전력 전송 장치(1)의 코스트 퍼포먼스의 관점에서도 바람직하다.
한편, 무선 전력 전송 장치(1)가 쌍봉성의 성질을 갖는 경우에 전력 전송 효율을 높게 하는 역상 공진 모드(fH)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 23°이고, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 76°이었다. 이 경우, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이의 차는 53° 발생하였다. 이 때문에, 동상 공진 모드와 마찬가지로, 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로의 이행을 고정밀도로 행할 수 있다.
상기 비교예 2에서 설명한 바와 같이, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)을, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 직렬 회로로 하고, 결합 계수에 관하여 k12=k23의 관계를 만족시키고, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1)와, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)의 관계가 f1=f0의 관계를 만족시키는 경우, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서는, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차는 발생하지 않는다.
그러나, 실시예 2 및 실시예 3에서 설명한 바와 같이, 급전 코일(21)을 RLC 직렬 회로로 한 경우에서도, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수 k12와, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수 k23의 관계가 k12≠k23의 관계를 만족시키면, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하도록 설정할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 3 및 실시예 4에서 설명한 바와 같이, 급전 코일(21)을 RLC 직렬 회로로 한 경우에서도, 급전 코일(21)의 공진 주파수(f1)와, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수(f0)의 관계가 f1≠f0의 관계를 만족시키면, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하도록 설정할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 3에서 설명한 바와 같이, 급전 코일(21)을 RLC 직렬 회로로 한 경우, k12≠k23의 관계를 만족시키고, 또한, f1≠f0의 관계를 만족시키는 경우도, 동상 공진 모드 및 역상 공진 모드에서, 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차가 발생하도록 설정할 수 있음을 알 수 있다.
(급전의 ON/OFF의 전환 제어: 급전 동작 흐름)
상기 무선 전력 전송 장치(1)의 구성 등을 근거로 하여, 무선 전력 전송 장치(1)를 이용한 이차 전지(9)에의 급전(충전) 동작에 대하여 설명한다(공급 전력 제어 방법). 구체적으로는, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 주로 제어 기기(5)가 실행하는 급전 동작 흐름(처리)을, 도 14를 참조하여 설명한다. 또한, 본 급전 동작 흐름에서는, 상술한 실시예 1의 무선 전력 전송 장치(1)의 설정(동상 공진 모드)에 대하여 설명한다.
실시예 1의 무선 전력 전송 장치(1)는, 쌍봉성의 성질을 갖고, 교류 전원(6)의 전원 주파수는, 동상 공진 모드(0.88㎒)로 되도록 설정되어 있다. 그리고, 실시예 1에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 29°이고, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상은 88°이다. 그리고, 급전 상태(ON)의 입력 임피던스 Zin의 위상(29°)과, 대기 상태(OFF)의 입력 임피던스 Zin의 위상(88°) 사이의 58°로 역치를 설정하고 있다.
먼저, 제어 기기(5)는, 위상 검출기(4)에 의해 검출된, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값을 검출한다(S1). 구체적으로는, 소정의 시간 간격을 두고 검출된 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값을, 제어 기기(5) 내에 저장하는 기억 장치에 축차적으로 저장해 간다.
다음에, 제어 기기(5)는, S1에서 검출된, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치인 58°를 초과하였는지 여부를 판단한다(S2). 구체적으로는, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 낮은 값측으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 높은 값측으로 변화된 경우, 또는, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 높은 값측으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 낮은 값측으로 변화된 경우에는, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치인 58°를 초과하였다고 판단된다.
그리고, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치인 58°를 초과하였다고 판단되지 않은 경우(S2: "아니오"), S1의 처리로 이행한다.
한편, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치인 58°를 초과하였다고 판단된 경우(S2: "예"), 제어 기기(5)는, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 낮은 값측(급전 상태)으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 높은 값측(대기 상태)으로 변화되었는지 여부를 판단한다(S3).
그리고, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 낮은 값측으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 높은 값측으로 변화되었다고 판단된 경우(S3: "예"), 제어 기기(5)는, 급전 상태로부터 대기 상태로 이행하였다고 판단하고, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에의 전력의 공급을 차단한다(S4). 즉, 이차 전지(9)에 대한 충전을 종료시킨다. 그리고, 본 흐름은 종료된다.
한편, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 낮은 값측으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 높은 값측으로 변화되지 않았다고 판단된 경우(S3: "아니오"), 즉, S1의 처리에서 축차적으로 저장된 소정의 시간 간격을 둔 2점의 입력 임피던스 Zin의 위상의 값이, 역치 58°보다 높은 값측으로부터, 역치를 초과하여, 역치보다 낮은 값측으로 변화된 경우, 제어 기기(5)는, 대기 상태로부터 급전 상태로 이행하였다고 판단하고, 교류 전원(6)으로부터 급전 모듈(2)에 전력 공급을 행한다(S5). 즉, 이차 전지(9)에 대한 충전을 개시시킨다. 그리고, 본 흐름은 종료된다.
(효과)
상기 구성ㆍ방법에 의하면, 무선 전력 전송 장치(1)(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3))에 있어서의 전송 특성 『S21』의 값을 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 전송 특성의 값의 피크를 공진 주파수가 아닌 대역에 나타나도록 설정할 수 있다. 이에 의해, 전원 주파수를 공진 주파수(f0)가 아닌 대역에 나타나는 피크 부근에 설정(동상 공진 모드, 또는, 역상 공진 모드)하여 사용할 수 있기 때문에, 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상과 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 위상 사이에 차를 설정할 수 있게 된다. 그리고, 이 위상의 차를 위상 검출기(4)가 검출함으로써, 제어 기기(5)가 급전 모듈(2)에 전력을 공급할지 여부를 판정하고, 그로써, 대기 상태에 있어서의 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 1의 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관하여, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성으로 할 수 있고, 급전 코일(21) 및 수전 코일(31)을 비교적 간이한 RL 회로로 구성할 수 있다.
또한, 실시예 2의 구성에 의하면, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 관하여, 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)을 구비한 구성으로 할 수 있고, 급전 코일(21) 및 수전 코일(31)을 RLC 회로로 구성할 수 있다. 이와 같이 급전 코일(21) 및 수전 코일(31)을 RLC 회로로 구성함으로써, 설계상 변경할 수 있는 요소가 증가하기 때문에 설계 자유도를 높일 수 있다(급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 전송 특성 『S21』의 값을 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정하기 위한 가변 요소가 증가한다).
(그 밖의 실시 형태)
상기 설명에서는, 충전기(101) 및 무선식 헤드셋(102)을 예시하여 설명하였지만, 충전지를 구비한 기기라면, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 이어폰형 음악 플레이어, 보청기, 집음기 등에도 사용할 수 있다.
또한, 상기에서는, 피급전 기기(10)에 충전지(9)를 포함하는 것으로서 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 피급전 기기(10)에 직접 전력을 소비하면서 가동하는 기기를 채용해도 된다.
또한, 상기 설명에서는, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 휴대형 전자 기기에 탑재한 경우를 상정하여 설명하였지만, 용도는 이들 소형의 것에 한하지 않고, 필요 전력량에 맞추어 사양을 변경함으로써, 예를 들어 비교적 대형의 전기 자동차(EV)에 있어서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형의 의료용 무선식 위(胃) 카메라 등에도 탑재할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명하였지만, 본 발명은, 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태ㆍ실시예에 한정되지 않고, 그 밖의 실시 형태ㆍ실시예에도 적용할 수 있고, 그 적용 범위는 가능한 한 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 사용한 용어 및 어법은, 본 발명을 적확하게 설명하기 위해서 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위해서 사용한 것은 아니다. 또한, 당업자라면 본 명세서에 기재된 발명의 개념으로부터, 본 발명의 개념에 포함되는 다른 구성, 시스템, 방법 등을 추고하는 것은 용이하다고 생각된다. 따라서, 청구 범위의 기재는, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 균등한 구성을 포함하는 것이라고 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위해서, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.
1: 무선 전력 전송 장치
2: 급전 모듈
3: 수전 모듈
4: 위상 검출기
5: 제어 기기
6: 교류 전원
7: 안정 회로
8: 충전 회로
9: 충전지
10: 피급전 기기
21: 급전 코일
22: 급전 공진기
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
101: 충전기
102: 무선식 헤드셋

Claims (4)

  1. 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치이며,
    상기 급전 모듈은,
    입력 임피던스에 있어서의 위상을 검출하는 위상 검출기와,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력을 제어하는 제어 기기를 구비하고,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 전원 주파수 대역 및 상기 공진 주파수보다 높은 전원 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정되어 있고,
    상기 제어 기기는, 상기 위상 검출기가 검출한, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되지 않는 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상의 차를 이용하여, 상기 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있고,
    상기 급전 코일은, 저항 R1 및 코일 L1을 요소로 하는 RL 회로를 구비하고,
    상기 급전 공진기는, 저항 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
    상기 수전 공진기는, 저항 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
    상기 수전 코일은, 저항 R4 및 코일 L4를 요소로 하는 RL 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 급전 코일, 급전 공진기, 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고 있고,
    상기 급전 코일은, 저항 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
    상기 급전 공진기는, 저항 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
    상기 수전 공진기는, 저항 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구비하고,
    상기 수전 코일은, 저항 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구비한 것(단, 상기 급전 코일이 RLC 직렬 회로인 경우에는, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수 k12와, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수 k23의 관계가 k12≠k23의 관계인 것, 및 급전 코일의 공진 주파수 f1과, 급전 공진기·수전 공진기에 있어서의 공진 주파수 f0의 관계가 f1≠f0의 관계인 것 중 적어도 한쪽의 관계를 만족시키는 것을 조건으로 함)을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 전원에 접속된 급전 모듈로부터, 수전 모듈에 대하여 공진 현상을 이용하여 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법이며,
    상기 급전 모듈은,
    입력 임피던스에 있어서의 위상을 검출하는 위상 검출기와,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력을 제어하는 제어 기기를 구비하고,
    상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈은, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 전원 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역, 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정되어 있고,
    상기 제어 기기는, 상기 위상 검출기가 검출한, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되지 않는 대기 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상과, 상기 급전 모듈로부터 상기 수전 모듈에 대하여 전력이 공급되고 있는 급전 상태에 있어서의 입력 임피던스의 위상의 차를 이용하여, 상기 급전 모듈에 전력을 공급할지 여부를 판정하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 공급 전력 제어 방법.
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