KR20150106950A - 송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법 - Google Patents

송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법 Download PDF

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Abstract

영향을 서로 미치는 제1 송전 코일 및 제2 송전 코일을 포함하는 송전기이며, 상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과, 상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원과, 상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 송전 제어부를 갖고, 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있도록 한다.

Description

송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법{POWER TRANSMITTER, WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM, AND WIRELESS POWER TRANSFER METHOD}
본 출원에서 언급하는 실시예는, 송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전원 공급이나 충전을 행하기 위해서, 무선으로 전력을 전송하는 기술이 주목받고 있다. 예를 들어, 휴대 단말기나 노트북 컴퓨터를 비롯한 다양한 전자 기기나 가전 기기, 또는, 전력 인프라 기기에 대하여 무선으로 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 시스템이 연구·개발되고 있다.
그런데, 무선 전력 전송(와이어리스 전력 전송:Wireless Power Transfer)을 이용하는 경우, 전력을 보내는 측의 송전기와, 송전기로부터 보내진 전력을 수취하는 측의 수전기가 각각 상이한 메이커의 제품이어도 지장없이 사용하기 위해서 표준화를 행하는 것이 바람직하다.
종래, 무선에 의한 전력 전송 기술로서는, 일반적으로, 전자기 유도를 이용한 기술이나 전파를 이용한 기술이 알려져 있다.
최근 들어, 송전기와 수전기의 거리를 어느 정도 이격하면서, 복수의 수전기에 대한 전력 전송 및 수전기의 삼차원적인 다양한 자세에 대한 전력 전송이 가능한 것으로서, 자계 공명(자계 공진)이나 전계 공명(전계 공진)을 이용한 전력 전송 기술에 대한 기대가 높아지고 있다.
종래, 무선 전력 전송 기술로서는, 각종 제안이 이루어져 있다.
일본 특허 공개 제2011-199975호 공보 일본 특허 공개 제2008-283789호 공보
우치다 아키요시 외(UCHIDA Akiyoshi, et al.), "Phase and Intensity Control of Multiple Coil Currents in Resonant Magnetic Coupling," IMWS-IWPT2012, THU-C-1, pp. 53-56, May 10-11, 2012 이시자키 도시오 외(ISHIZAKI Toshio, et al.), "3-D Free-Access WPT System for Charging Movable Terminals," IMWS-IWPT2012, FRI-H-1, pp.219-222, May 10-11, 2012
전술한 바와 같이, 종래, 전원 공급이나 충전을 행하기 위해서 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 기술이 주목받고 있다. 그러나, 영향을 서로 미치는 복수의 송전 코일(송전기)에 의해 전력 전송을 행하면, 어떤 송전 코일에 대하여 다른 송전 코일이 부하로 되어 전력 전송을 최적의 상태에서 행하는 것이 어려워진다.
이것은, 자계 공명이나 전계 공명을 이용한 전력 전송에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전자기 유도나 전계 유도를 이용해서 전력 전송을 행하는 경우에도 문제가 된다.
또한, 본 실시 형태는, 독립적으로 출력을 제어할 수 있는 적어도 2개의 송전 코일을 포함하는 송전기에 있어서, 그 적어도 2개의 송전 코일의 출력이 각각 영향을 서로 미치는 송전기에 대하여 적용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 독립적으로 출력을 제어할 수 있는 적어도 2개의 송전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 그 적어도 2개의 송전기의 출력이 각각 영향을 서로 미치는 무선 전력 전송 시스템에 대해서도 적용할 수 있다.
일 실시 형태에 의하면, 영향을 서로 미치는 제1 송전 코일 및 제2 송전 코일을 포함하는 송전기이며, 상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과, 상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원과, 송전 제어부를 갖는 송전기가 제공된다.
상기 송전 제어부는, 상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어한다.
개시의 송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법은, 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 블록도.
도 2a는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 1).
도 2b는, 도 1의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 2).
도 2c는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 3).
도 3a는 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 1).
도 3b는 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 2).
도 3c는 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 3).
도 3d는 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 4).
도 4a는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 1).
도 4b는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 2).
도 4c는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 3).
도 4d는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 4).
도 5a는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 1).
도 5b는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 2).
도 5c는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 3).
도 6은 관련 기술로서의 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 도 6에 있어서의 각 수전기의 상태를 설명하기 위한 도면.
도 8a는 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면(그 1).
도 8b는 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면(그 2).
도 8c는 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면(그 3).
도 9는 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면(그 4).
도 10은 단수 송전기에 있어서의 송전 플랜 설계를 설명하기 위한 도면.
도 11은 복수 송전기에 있어서의 송전 플랜 설계를 설명하기 위한 도면.
도 12는 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 13a는, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면.
도 13b는, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면.
도 14는, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면.
도 15a는, 도 14에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면.
도 15b는, 도 14에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면.
도 16은, 본 실시 형태의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 도시하는 블록도.
도 17은 도 16에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 1).
도 18은 도 16에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 2).
도 19는 송전기와 송전기 간의 전달 정보의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 20은 송전기와 수전기 간의 전달 정보의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 21은 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 파라미터 최적화를 설명하기 위한 도면.
도 22는 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 파라미터 최적화를 설명하기 위한 도면.
도 23은 도 21 및 도 22에 도시하는 파라미터의 최적화 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도.
도 24는 정전류 전원의 일례를 도시하는 블록도.
도 25는 도 16에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 송전기의 일례를 도시하는 블록도.
먼저, 송전기, 무선 전력 전송(와이어리스 전력 전송) 시스템 및 무선 전력 전송 방법의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 무선 전력 전송 시스템의 예 및 복수의 송전기 및 수전기를 포함하는 관련 기술의 무선 전력 전송 시스템을, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 1은, 무선 전력 전송 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 도 1에 있어서, 참조 부호 1은 1차측(송전측:송전기)을 나타내고, 참조 부호 2는 2차측(수전측:수전기)을 나타낸다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 송전기(1)는, 와이어리스 송전부(11), 고주파 전원부(12), 송전 제어부(13) 및 통신 회로부(제1 통신 회로부)(14)를 포함한다. 또한, 수전기(2)는, 와이어리스 수전부(21), 수전 회로부(정류부)(22), 수전 제어부(23) 및 통신 회로부(제2 통신 회로부)(24)를 포함한다.
와이어리스 송전부(11)는, 제1 코일(전력 공급 코일)(11b) 및 제2 코일(송전 공진 코일)(11a)을 포함하고, 또한 와이어리스 수전부(21)는, 제3 코일(수전 공진 코일)(21a) 및 제4 코일(전력 취출 코일)(21b)을 포함한다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 송전기(1)와 수전기(2)는, 송전 공진 코일(11a)과 수전 공진 코일(21a) 사이의 자계 공명(전계 공명)에 의해, 송전기(1)로부터 수전기(2)에 에너지(전력)의 전송을 행한다. 또한, 송전 공진 코일(11a)로부터 수전 공진 코일(21a)에의 전력 전송은, 자계 공명뿐만 아니라 전계 공명 등도 가능하지만, 이하의 설명에서는, 주로 자계 공명을 예로서 설명한다.
송전기(1)와 수전기(2)는, 통신 회로부(14)와 통신 회로부(24)에 의해, 통신(근거리 통신)을 행한다. 여기서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)과 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)에 의한 전력의 전송 거리(전력 전송 범위 PR)는, 송전기(1)의 통신 회로부(14)와 수전기(2)의 통신 회로부(24)에 의한 통신 거리(통신 범위 CR)보다도 짧게 설정된다(PR<CR).
또한, 송전 공진 코일(11a 및 21a)에 의한 전력 전송은, 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신과는 독립된 방식(Out-band 통신)으로 되어 있다. 구체적으로, 송전 공진 코일(11a 및 21a)에 의한 전력 전송은, 예를 들어 6.78㎒의 주파수 대역을 사용하고, 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신은, 예를 들어 2.4㎓의 주파수 대역을 사용한다.
이 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신으로서는, 예를 들어 IEEE 802.11b에 준거한 DSSS 방식의 무선 LAN이나 블루투스(Bluetooth(등록 상표))를 이용할 수 있다.
또한, 상술한 무선 전력 전송 시스템은, 예를 들어 사용하는 주파수의 파장 정도의 거리의 근방계(near field)에 있어서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)과, 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)에 의한 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 전력의 전송을 행한다. 따라서, 전력 전송 범위(송전권) PR은, 전력 전송에 사용하는 주파수에 따라서 변화된다.
고주파 전원부(12)는, 전력 공급 코일(제1 코일)(11b)에 대하여 전력을 공급하고, 전력 공급 코일(11b)은, 그 전력 공급 코일(11b)의 지근에 배치된 송전 공진 코일(11a)에 대하여 전자기 유도를 이용해서 전력을 공급한다. 송전 공진 코일(11a)은, 수전 공진 코일(21a)과의 사이에 자장 공명을 발생시키는 공진 주파수에 의해, 수전 공진 코일(21a)(수전기(2))에 전력을 전송한다.
수전 공진 코일(21a)은, 그 수전 공진 코일(21a)의 지근에 배치된 전력 취출 코일(제4 코일)(21b)에 대하여 전자기 유도를 이용해서 전력을 공급한다. 전력 취출 코일(21b)에는 수전 회로부(22)가 접속되고, 소정의 전력이 취출된다. 또한, 수전 회로부(22)로부터의 전력은, 예를 들어 배터리부(부하)(25)에 있어서의 배터리의 충전, 또는, 수전기(2)의 회로에 대한 전원 출력 등으로서 이용된다.
여기서, 송전기(1)의 고주파 전원부(12)는, 송전 제어부(13)에 의해 제어되고, 또한 수전기(2)의 수전 회로부(22)는, 수전 제어부(23)에 의해 제어된다. 그리고, 송전 제어부(13) 및 수전 제어부(23)는, 통신 회로부(14 및 24)를 개재해서 접속되고, 송전기(1)로부터 수전기(2)에의 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있도록, 여러 가지 제어를 행하게 되어 있다.
도 2a 내지 도 2c는, 도 1의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 2a 및 도 2b는, 3 코일 구성의 예를 나타내고, 도 2c는, 2 코일 구성의 예를 나타낸다.
즉, 도 1에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에서는, 와이어리스 송전부(11)가 제1 코일(11b) 및 제2 코일(11a)을 포함하고, 와이어리스 수전부(21)가 제3 코일(21a) 및 제4 코일을 포함하고 있다.
이에 비해, 도 2a의 예에서는, 와이어리스 수전부(21)를 1개의 코일(수전 공진 코일:LC 공진기)(21a)로 하고, 도 2b의 예에서는, 와이어리스 송전부(11)를 1개의 코일(송전 공진 코일:LC 공진기)(11a)로 하고 있다.
또한, 도 2c의 예에서는, 와이어리스 수전부(21)를 1개의 수전 공진 코일(21a)에 설정함과 함께, 와이어리스 송전부(11)를 1개의 송전 공진 코일(11a)로 하고 있다. 또한, 도 2a 내지 도 2c는, 단순한 예이며, 다양하게 변형할 수 있는 것은 물론이다.
도 3a 내지 도 3d는, 독립 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 도시하는 회로도이며, 도 4a 내지 도 4d는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 도시하는 회로도이다.
여기서, 도 3a 내지 도 3d는, 도 1 및 도 2b에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응하고, 도 4a 내지 도 4d는, 도 2a 및 도 2c에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응한다.
도 3a 및 도 4a에 도시하는 예는, 수전 공진 코일(21a)을, 직렬 접속된 코일(L)(211), 용량(C)(212) 및 스위치(213)로 한 것으로, 통상 시에는 스위치(213)를 오프해 둔다. 도 3b 및 도 4b에 도시하는 예는, 수전 공진 코일(21a)을, 직렬 접속된 코일(L)(211) 및 용량(C)(212)과, 용량(212)에 병렬로 접속된 스위치(213)로 한 것으로, 통상 시에는 스위치(213)를 온해 둔다.
도 3c 및 도 4c에 도시하는 예는, 도 3b 및 도 4b의 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 용량(212)과 병렬로, 직렬 접속된 스위치(213) 및 저항(R)(214)을 설치한 것으로, 통상 시에는 스위치(213)를 온해 둔다.
도 3d 및 도 4d에 도시하는 예는, 도 3b 및 도 4b의 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 용량(212)과 병렬로, 직렬 접속된 스위치(213) 및 다른 용량(C’)(215)을 설치한 것으로, 통상 시에는 스위치(213)를 온해 둔다.
상술한 각 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 통상 시에 수전 공진 코일(21a)이 동작하지 않도록, 스위치(213)를 오프 또는 온으로 설정하게 되어 있다. 이것은, 예를 들어 불사용의 수전기(2)나 고장난 수전기(2)에 대하여 전력이 전송되어 발열 등이 발생하는 것을 피하기 위해서이다.
이상에 있어서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)도 도 3a 내지 도 3d 및 도 4a 내지 도 4d와 마찬가지로 할 수도 있지만, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)로서는, 통상 시에 동작하도록 하여, 고주파 전원부(12)의 출력으로 온/오프 제어해도 된다. 이 경우, 송전 공진 코일(11a)은, 도 3a 및 도 4a에 있어서, 스위치(213)를 단락한 것이 된다.
이상에 의해, 복수의 수전기(2)가 존재하는 경우, 송전기(1)로부터 송전을 행하는 소정의 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)만을 선택해서 동작 가능한 상태로 함으로써, 그 선택된 수전기(2)에 대한 전력의 전송을 행하는 것이 가능해진다.
도 5a 내지 도 5c는, 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 내지 도 5c에 있어서, 참조 부호 1A 및 1B는 송전기를 나타내고, 참조 부호 2는 수전기를 나타낸다.
도 5a에 도시되는 바와 같이, 송전기(1A)의 자계 공명에 사용하는 송전용 송전 공진 코일(11aA)과 송전기(1B)의 자계 공명에 사용하는 송전용 송전 공진 코일(11aB)은, 예를 들어 직교하도록 배치되어 있다.
또한, 수전기(2)의 자계 공명에 사용하는 수전용 수전 공진 코일(21a)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)에 의해 둘러싸인 개소에서 서로 다른 각도(평행이 되지 않는 각도)로 배치되어 있다.
여기서, 송전 공진 코일(LC 공진기)(11aA 및 11aB)은, 1개의 송전기에 설치하는 것도 가능하다. 즉, 1개의 송전기(1)가 복수의 와이어리스 송전부(11)를 포함하고 있어도 된다.
또한, 나중에 상세하게 설명하겠지만, 복수의 송전기 중, 1개의 송전기를 마스터로 하고, 다른 송전기를 슬레이브로 한다는 것은, 1개의 마스터 송전기의 연산 처리 장치(CPU)에 의해, 마스터 송전기 및 슬레이브 송전기에 포함되는 모든 LC 공진기를 제어하는 것을 의미한다.
도 5b는, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동일한 위상의 자계를 출력하고 있는 모습을 나타내고, 도 5c는, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 반대의 위상 자계를 출력하고 있는 모습을 나타낸다.
예를 들어, 2개의 직행하는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동상 출력인 경우와 역상 출력인 경우를 비교하면, 합성 자계는 90° 회전된 관계로 되고, 각각의 수전기(2)(수전 공진 코일(21a))의 방향에 맞춘 송전을 행한다.
이와 같이, 복수의 송전기(1A, 1B)에 의해, 임의의 위치 및 자세(각도)의 수전기(2)에 대하여 전력을 전송하는 경우, 송전기(1A, 1B)의 송전 공진 코일(11aA, 11aB)에 발생시키는 자계는 다양하게 변화되는 것을 알 수 있다.
상술한 무선 전력 전송 시스템은, 복수의 송전기와, 적어도 1개의 수전기를 포함하고, 수전기의 위치(X, Y, Z) 및 자세(θX, θY, θZ)에 따라, 그 복수의 송전기 간의 출력(강도 및 위상)을 조정한다.
또한, 삼차원 공간에 대해서도, 예를 들어 실제의 삼차원 공간에 있어서의 3개 이상의 송전기를 사용하여, 각각의 출력 위상차 및 출력 강도비를 조정함으로써, 삼차원 공간 상의 임의의 방향으로 자계(전계)의 방향을 조정하는 것이 가능해짐이 이해될 것이다.
도 6은, 관련 기술로서의 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응의 일례를 도시하는 도면이고, 도 7은, 도 6에 있어서의 각 수전기의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 6 및 도 7은, 2개의 송전기(1A 및 1B), 및, 5개의 수전기(2A 내지 2E)가 설치된 경우를 도시하는 것이다.
도 6에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에서는, 복수의 송전기(1A, 1B)에 있어서의 1개의 송전기(1A)를 마스터(주)로 함과 함께, 다른 송전기(1B)를 슬레이브(종)라고 정하고, 예를 들어 복수의 송전기 및 수전기의 최적화 등의 처리는, 마스터(송전기(1A))가 결정하는 것으로 한다.
도 6에 있어서, 참조 부호 PRa는 송전기(1A)의 전력 전송 범위(마스터 송전권)를 나타내고, PRb는 송전기(1B)의 전력 전송 범위(슬레이브 송전권)를 나타내고, CRa는 송전기(1A)의 통신 범위(마스터 통신권)를 나타내고, CRb는 송전기(1B)의 통신 범위(슬레이브 통신권)를 나타낸다.
따라서, 수전기(2A 내지 2E)는, 다음과 같이 된다. 즉, 도 7에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A)는, 마스터 통신권 CRa 외(×), 슬레이브 통신권 Crb 외, 마스터 송전권 PRa 외 및 슬레이브 송전권 PRb 외로 되고, 간단히 송전기로부터의 통신을 대기하게 된다.
이어서, 수전기(2B)는, 마스터 통신권 CRa 내(○), 슬레이브 통신권 CRb 외, 마스터 송전권 PRa 외 및 슬레이브 송전권 PRb 외로 되고, 마스터의 송전기(1A)와의 통신을 행함으로써, 전력권 외(마스터 및 슬레이브의 송전권 외)인 것을 확인할 수 있다.
또한, 수전기(2C)는, 마스터 통신권 CRa 내, 슬레이브 통신권 CRb 내, 마스터 송전 PRa권 외 및 슬레이브 송전권 PRb 외로 되고, 마스터 및 슬레이브의 송전기(1A, 1B)와의 통신을 행함으로써, 전력권 외인 것을 확인할 수 있다.
또한, 수전기(2D)는, 마스터 통신권 CRa 내, 슬레이브 통신권 CRb 내, 마스터 송전권 PRa 내 및 슬레이브 송전권 PRb 외로 되고, 송전기(1A, 1B)와의 통신을 행함으로써, 참조 부호 1A의 전력권 내(마스터 송전권 PRa 내)인 것을 확인할 수 있다.
그리고, 수전기(2E)는, 마스터 통신권 CRa 내, 슬레이브 통신권 CRb 내, 마스터 송전권 PRa 내 및 슬레이브 송전권 PRb 내로 되고, 송전기(1A, 1B)와의 통신을 행함으로써, 참조 부호 1A, 1B의 전력권 내(송전권 PRa, PRb 내)인 것을 확인할 수 있다.
여기서, 복수의 송전기에 있어서, 마스터가 되는 1개의 송전기를 결정하지만, 그 결정 방법으로서는, 후술하는 바와 같이, 예를 들어 그 통신권 내에 가장 많은 수전기가 존재하거나, 또는, 그 송전권 내에 가장 많은 수전기가 존재한다고 하는 조건에 의해 결정한다.
예를 들어, 그 통신권 내에 각각 1개의 수전기가 존재한다고 하는 동등한 조건이 성립하는 경우, 예를 들어 수전기와의 사이의 통신 강도와 같은 또 다른 조건을 부가해서 마스터를 결정하거나, 또는, 난수표 등을 사용해서 임의의 1개의 송전기를 마스터로 결정해도 된다.
그런데, 다른 제조 메이커에 의한 송전기는, 예를 들어 그 송전기의 강도나 위상의 최적화 룰은 각각 상이하다. 그래서, 예를 들어 복수의 송전기 중 1개를 마스터로서 결정함으로써, 그 마스터가 된 송전기가 다른 슬레이브의 송전기를 포함시켜, 최적화를 제어한다.
도 8a 내지 도 8c는, 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면이며, 복수의 송전기 간에 있어서의 마스터/슬레이브의 결정 방법을 설명하는 것이다.
먼저, 복수의 송전기에 있어서, 마스터 송전기 및 슬레이브 송전기를 설정하는 것은, 송전기가 서로 통신 범위(통신권) 내에 있고, 전력 전송 범위(송전권)가 겹쳐 있고, 게다가, 수전기에 의해 송전권이 겹쳐 있는 것이 검출되는 경우이다.
즉, 도 8a는, 송전기(1A)의 통신권 CRa 및 송전기(1B)의 통신권 CRb는 겹쳐 있지만, 송전기(1A)의 송전권 PRa 및 송전기(1B)의 송전권 PRb는 겹쳐 있지 않은 경우를 나타낸다. 이때, 서로의 송전권 PRa, PRb는 겹치지 않으므로, 양쪽의 송전기(1A 및 1B)가, 각각 마스터 송전기로서 설정된다.
이어서, 도 8b는, 송전기(1A)의 통신권 CRa 및 송전권 PRa와, 송전기(1B)의 통신권 CRb 및 송전권 PRb가 겹치고, 수전기(2)가 송전권 PRa 및 PRb의 양쪽에 포함되는 위치에 존재하는 경우를 나타낸다.
이 도 8b의 경우에는, 송전기(1A, 1B)가 서로 통신권 CRa, CRb 내에 있고, 송전권 PRa, PRb가 겹쳐 있고, 게다가, 수전기(2)에 의해 송전권 PRa, PRb가 겹쳐 있는 것이 검출된다.
따라서, 도 8b의 경우에는, 송전기(1A, 1B) 중, 한쪽(1A)을 마스터 송전기로 설정하고, 다른쪽(타면)(1B)을 슬레이브 송전기로 설정한다. 이때, 송전기(1B)를 마스터로 하고, 송전기(1A)를 슬레이브로 해도 되지만, 어느 하나를 마스터 송전기로 설정한다.
또한, 도 8c는, 송전기(1A 및 1B)는, 상술한 도 8b와 동일 위치 관계로 배치되어 있지만, 수전기(2)가 존재하지 않는(통신권 CRa 및 CRb에 존재하지 않는) 경우이며, 이때는, 양쪽 모두 마스터로 설정한다.
또한, 3개 이상의 송전기에 대해서도, 예를 들어 도 8b에 상당하는 경우에는, 어느 하나를 마스터 송전기로 설정한다. 또한, 복수의 송전기로부터 1개의 마스터 송전기를 결정하는 방법은, 다양한 것을 생각할 수 있지만, 그 일례를, 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는, 복수의 송전기 및 수전기 간의 대응을 설명하기 위한 도면(그 4)이며, 4개의 송전기(1A 내지 1D)가 일렬로 배열된 경우를 나타내는 것이다. 여기서, 송전기(1A)의 통신권 CRa는, 송전기(1B)를 포함하지만 송전기(1C 및 1D)를 포함하지 않고, 마찬가지로, 송전기(1D)의 통신권 CRd는, 송전기(1C)를 포함하지만 송전기(1A 및 1B)를 포함하지 않는다.
또한, 송전기(1B)의 통신권 CRb는, 송전기(1A 및 1C)를 포함하지만 송전기(1D)를 포함하지 않고, 마찬가지로, 송전기(1C)의 통신권 CRc는, 송전기(1B 및 1D)를 포함하지만 송전기(1A)를 포함하지 않는다.
이 도 9의 경우, 예를 들어 송전기(1B)를 마스터(마스터 송전기)로 하고, 다른 송전기(1A, 1C, 1D)를 슬레이브(슬레이브 송전기)로 설정한다. 여기서, 송전기(1C)를 마스터로 설정할 수도 있다.
또한, 송전기(1B)를 마스터로 설정하면, 송전기(1D)에 대하여 직접 통신하는 것은 곤란해지지만, 그 경우, 송전기(1D)에 대해서는, 송전기(1C)를 경유해서 통신을 행하여, 최적화 등의 제어를 행한다. 이와 같이, 복수의 송전기로부터 1개의 마스터를 결정하는 경우, 가장 많은 송전기와 직접 통신이 가능한 것을 마스터로 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 도 9에서는, 4개의 송전기(1A 내지 1D)가 직선 상에 배열되어 있지만, 실제로는, 예를 들어 방 벽이나 천장에 매립되거나, 책상이나 테이블에 내장되거나, 또는, 바닥이나 테이블 등에 적재되는 등의, 다양한 위치 관계로 복수의 송전기가 배치되게 된다.
이하, 송전기, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 방법의 실시예를, 관련 기술의 설명과 함께, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 먼저, 도 10 및 도 11을 참조하여, 단수 송전기 및 복수 송전기에 있어서의 송전 플랜 설계를 설명한 후, 도 12 내지 도 15b를 참조하여, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 일례에 있어서의 송전 효율의 자세 의존성을 설명한다.
도 10은, 단수 송전기에 있어서의 송전 플랜 설계를 설명하기 위한 도면이며, 예를 들어 전술한 도 1과 같이, 수전기(2)에 대하여 1개의 송전기(1)로 전력을 전송할 때의 송전 플랜 설계를 등가 회로 모델에 의해 설명하기 위한 것이다.
도 10에 도시하는 등가 회로 모델에 있어서, 참조 부호 Vs 및 Rs는 고주파 전원부(12)에 대응하고, L1 및 R1은 전력 공급 코일(제1 코일)(11b)에 대응하고, C2, L2 및 R2는 송전 공진 코일(제2 코일:LC 공진기)(11a)에 대응한다.
또한, 참조 부호 C3, L3 및 R3은 수전 공진 코일(제3 코일:LC 공진기)(21a)에 대응하고, L4 및 R4는 전력 취출 코일(제4 코일)(21b)에 대응하고, 그리고, RL은 부하(배터리부)(25)에 대응한다.
여기서, 도 10에 도시하는 등가 회로 모델에 있어서, 용량값 C2, C3 및 저항값 RL, RS가 기지이며, 저항값 R1 내지 R4, 인덕턴스 L1 내지 L4, 상호 인덕턴스 M12, M13, M14, M23, M24, M34가 전자계 시뮬레이션으로부터 계산 가능하다.
따라서, 상기 각 값을 고정 파라미터로 하여 등가 회로 모델에 의한 회로 시뮬레이터에 설정하고, 연산을 실행함으로써, 도 1과 같은 단수 송전기에 있어서의 전력의 송전 효율을 구할 수 있다.
즉, [수전 전력 POUT]/[송수전 효율(POUT/PIN)]으로부터, 송전 전력 PIN을 산출할 수 있다. 이에 의해, 산출된 송전 전력 PIN을 전력 공급 코일(11b)에 입력함으로써, 부하 RL에 대하여 적절한 수전 전력 POUT를 부여하는 것이 가능해진다. 또한, 본 명세서에 있어서, 송수전 효율은, 송전 효율이라고도 칭한다.
도 11은, 복수 송전기에 있어서의 송전 플랜 설계를 설명하기 위한 도면이며, 예를 들어 전술한 도 5a와 같이, 수전기(2)에 대하여 2개의 송전기(1A, 1B)로 전력을 전송할 때의 송전 플랜 설계를 등가 회로 모델에 의해 설명하기 위한 것이다.
도 11에 도시하는 등가 회로 모델에 있어서, 참조 부호 Vs1 및 Rs1은 송전기(1A)의 고주파 전원부(12A)에 대응하고, Vs2 및 Rs2는 송전기(1B)의 고주파 전원부(12B)에 대응한다. 또한, L11 및 R11은 송전기(1A)의 전력 공급 코일(11bA)에 대응하고, L12 및 R12는 송전기(1B)의 전력 공급 코일(11bB)에 대응한다.
또한, 참조 부호 C21, L21 및 R21은 송전기(1A)의 송전 공진 코일(11aA)에 대응하고, C22, L22 및 R22는 송전기(1B)의 송전 공진 코일(11aB)에 대응한다. 또한, 수전기(2)에 대해서는, 상술한 도 10과 마찬가지이며, 참조 부호 C3, L3 및 R3은 수전 공진 코일(21a)에 대응하고, L4 및 R4는 전력 취출 코일(21b)에 대응하고, 그리고, RL은 부하(25)에 대응한다.
도 11에 도시하는 등가 회로 모델에 있어서, 용량값 C21, C22, C3 및 저항값 RL, RS1, RS2가 기지이고, 저항값 R11, R12, R21, R22, R3, R4, 인덕턴스 L11, L12, L21, L22, L3, L4가 전자계 시뮬레이션으로부터 계산 가능하다. 또한, 상호 인덕턴스 M112, M122, M113, M114, M213, M214, M123, M124, M223, M224, M111, M111’, M222, M222’, M34도 전자계 시뮬레이션으로부터 계산 가능하다.
따라서, 상기 각 값을 고정 파라미터로 하여 등가 회로 모델에 의한 회로 시뮬레이터에 설정하고, Vs1 및 Vs2를 가변 파라미터로 하여 연산을 실행함으로써, 도 5a와 같은 복수 송전기에 있어서의 전력의 송전 효율을 구할 수 있다. 또한, Vs1 및 Vs2의 설정값에는, Vs1 및 Vs2의 위상차와, Vs1 및 Vs2의 강도비가 포함된다.
여기서, 도 11에 도시하는 등가 회로 모델에 있어서, 송전기(1A)에 있어서의 RS1은, 송전기(1B)에 대하여 수전기와 마찬가지로 부하로서 보이고 또한 송전기(1B)에 있어서의 RS2는, 송전기(1A)에 대하여 수전기와 마찬가지로 부하로서 보인다. 따라서, 고주파 전원부(12A 및 12B)의 임피던스 RS1 및 RS2는, 도 11에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 송전 효율에 영향을 주게 된다.
이어서, 도 12, 도 13a 및 도 13b, 및 도 14, 도 15a 및 도 15b를 참조하여, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송에 있어서, 각 송전기의 전원 임피던스에 의해 송전 효율의 자세 의존성이 변화되는 모습을 설명한다.
도 12는, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 있어서, 참조 부호 11a1, 11a2는 송전기(1)의 송전 공진 코일(제2 코일:LC 공진기), 참조 부호 15는 발진기, 참조 부호 16은 위상 제어부, 참조 부호 171, 172는 증폭기, 그리고, 참조 부호 21a는 수전기(2)의 수전 공진 코일(제3 코일:LC 공진기)을 나타낸다.
여기서, 도 12는, 위상 및 강도를 제어할 수 있는 2개의 송전 공진 코일(11a1, 11a2)을 갖는 송전기(1)에 의해, 수전 공진 코일(21a)을 개재해서 수전기(2)에 전력 전송을 행하는 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 12에서는, 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)보다도 충분히 작은 것으로 한다. 또한, 송전 공진 코일(11a1)은 제1 송전 코일에 대응하고, 송전 공진 코일(11a2)은 제2 송전 코일에 대응한다.
도 12에 도시되는 바와 같이, 발진기(15)에 의한 발진 신호는, 증폭기(171)에 입력됨과 함께, 위상 제어부(16)를 개재해서 증폭기(172)에 입력된다. 여기서, 위상 제어부(16)는, 증폭기(172)에 입력되는 신호의 위상을 제어함으로써, 증폭기(171)의 출력 위상과 증폭기(172)의 출력 위상의 차를 조정한다.
증폭기(171 및 172)는, 각각 입력된 발진 신호를 증폭해서 출력하고, 증폭기(171)의 출력은, 송전 공진 코일(11a1)(와이어리스 송전부(111))에 입력되고, 증폭기(172)의 출력은, 송전 공진 코일(11a2)(와이어리스 송전부(112))에 입력된다.
여기서, 위상 제어부(16)에 의한 발진 신호의 위상 제어로 증폭기(171 및 172)의 위상차가 조정되고, 증폭기(171 및 172)의 증폭률의 제어로 증폭기(171 및 172)의 강도비가 조정된다.
또한, 위상 제어부(16)에 있어서의 위상 제어, 및 증폭기(171 및 172)에 있어서의 증폭률의 제어는, 예를 들어 도 1에 있어서의 송전 제어부(13)에 따라서 행하여진다.
도 12에 있어서의 증폭기(고주파 전원)(171 및 172)는, 교류의 임피던스 특성을 갖고, 이 전원의 임피던스 특성(도 11에 있어서의 임피던스 RS1 및 RS2)이 송전 효율에 영향을 주게 된다.
또한, 도 12에서는, 1개의 송전기(1)에 있어서의 2개의 송전 공진 코일(11a1 및 11a2)을 직각으로 배치하고 있지만, 예를 들어 도 5a와 마찬가지로, 다른 송전기(1A 및 1B)의 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로 해도 된다.
이 경우, 송전기(1A 및 1B)는, 각각 발진기를 갖고, 예를 들어 각각의 통신부를 통하여 위상 정보를 교환해서 출력 신호의 위상차를 조정한다. 또한, 송전기(1A 및 1B)의 출력 신호의 강도비의 조정에 대해서도 마찬가지이다.
또한, 송전 공진 코일(11a1 및 11a2)을, 다른 송전기(1A 및 1B)의 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로 한 경우, 위상 제어(위상차의 제어)는, 송전기(1A 및 1B)간의 통신을 이용해서 행하여진다.
즉, 2개의 송전기(1A 및 1B)에 있어서의 출력 신호의 위상차 및 강도비의 제어는, 예를 들어 후에 도 16을 참조하여 설명하는 마스터의 송전기(1A)에 있어서의 송전 제어부(13A)에 따라, 통신 회로부(14A, 14B)를 개재해서 행하여진다.
도 13a는, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 13b는, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 정전압 전원은, 예를 들어 전력 전송에 사용하는 6.78㎒의 신호를 출력하고, 출력 임피던스가 수Ω 내지 수십Ω(일례로서, 50Ω)에 정합된 전원이다. 또한, 본 실시예에 적용될 수 있는 출력 임피던스가 50Ω에 정합된 고주파 전원은, 종래부터 다양한 것이 제안되고, 예를 들어 통신 분야에 있어서 널리 사용되고 있다.
또한, 전력 전송에 사용하는 주파수는, 6.78㎒에 한정되는 것이 아니고, 또한 정합하는 출력 임피던스는, 50Ω이 아니고 75Ω인 것도 널리 이용되고 있고, 그것을 적용해도 된다.
또한, 정전류 전원은, 예를 들어 전력 전송에 사용하는 6.78㎒의 신호를 출력하고, 출력 임피던스가 높은 전원(높은 임피던스 전원:Hi-ZΩ 전원)이다. 또한, 정전류 전원의 출력 임피던스는, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 1MΩ 이상이다. 또한, 정전류 전원은, 입력측의 특성으로부터 0Ω 전원이라고 불리는 경우도 있다. 나중에, 이 정전류 전원의 일례를, 도 24를 참조하여 설명한다.
도 13a 및 도 13b에 있어서, 횡축은 공진 수전 코일(21a)의 회전 각도(수전기(2)의 자세)를 나타내고, 종축은 송전 효율을 나타낸다. 또한, 곡선(LL11 및 LL21)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 0°(동상)인 경우를 나타내고, 곡선(LL12 및 LL22)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 90°인 경우를 나타낸다.
또한, 곡선(LL13 및 LL23)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 180°(역상)인 경우를 나타내고, 곡선(LL14 및 LL24)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 -90°인 경우를 나타낸다.
또한, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 송전 출력의 강도비는 1:1로 고정해서 조정을 행하지 않고, 수전기(2)는 각 송전 공진 코일(11aA, 11aB)로부터 등거리에 배치되어 있는 것으로 한다.
먼저, 도 13a에 도시되는 바와 같이, 정전압 전원을 적용한 경우, 예를 들어 증폭기(171 및 172)의 출력 임피던스가 50Ω일 때, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 위상차에 의해 최대의 송전 효율이 얻어지는 회전 각도가 변화되는 것을 알 수 있다.
즉, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 위상차가 0°일 때(LL11)는, 공진 수전 코일(21a)(수전기(2))의 회전 각도가 0° 및 180°에서 최대의 송전 효율(약 43%)이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 위상차가 90°일 때(LL12)는, 수전기(2)의 회전 각도가 135°에서 최대의 송전 효율이 얻어지고, 위상차가 180°일 때(LL13)는, 수전기(2)의 회전 각도가 90°에서 최대의 송전 효율이 얻어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 위상차가 -90°(270°)일 때(LL14)는, 수전기(2)의 회전 각도가 45°에서 최대의 송전 효율이 얻어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 수전기(2)의 회전 각도가 임의의 값이어도, 즉, 어떠한 자세의 수전기(2)에 대해서도, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 송전 출력의 위상차를 적절하게 조정함으로써 최대의 송전 효율로 전력을 전송하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
이어서, 도 13b에 도시되는 바와 같이, 정전류 전원을 적용한 경우, 예를 들어 증폭기(171 및 172)의 출력 임피던스가 Hi-ZΩ일 때, 도 13a와는 상이한 특성이 얻어진다.
구체적으로, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 위상차가 0°일 때(LL21) 및 위상차가 180°일 때(LL23)는, 상술한 곡선(LL11 및 LL13)을, 극대값 및 극소값을 변화시키지 않고, 효율의 중앙값을 상방으로 변형시킨 특성이 된다.
이에 비해, 위상차가 90°일 때(LL22) 및 위상차가 -90°일 때(LL24)는, 수전기(2)의 회전 각도에 관계없이, 즉, 수전기(2)의 자세에 영향을 받지 않고, 거의 일정한 효율(약 27%)이 되는 것을 알 수 있다.
도 14는, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 상술한 도 12에서는, 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)보다도 충분히 작았지만, 도 14는, 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)과 동일 정도의 크기로 되어 있다.
즉, 도 12와 도 14에서는, 송전기(송전 공진 코일(11a1, 11a2))와 수전기(수전 공진 코일(21a))의 결합 특성이 상이하다. 또한, 다른 구성 및 조건은, 도 12 및 도 14에서 공통이며, 그 설명은 생략한다.
도 14는, 복수 송전기에 의한 무선 전력 전송 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 상술한 도 12에서는, 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)보다도 충분히 작았지만, 도 14는, 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)과 동일 정도의 크기로 되어 있다. 또한, 다른 구성 및 조건은, 도 12 및 도 14에서 공통이며, 그 설명은 생략한다.
도 15a는, 도 14에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면이며, 전술한 도 13a에 대응한다. 또한, 도 15b는, 도 14에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 송전 효율의 자세 의존성을 설명하기 위한 도면이며, 전술한 도 13b에 대응한다.
또한, 도 15a 및 도 15b에 있어서, 횡축은 공진 수전 코일(21a)의 회전 각도(수전기(2)의 자세)를 나타내고, 종축은 송전 효율을 나타낸다. 또한, 곡선(LL31 및 LL41)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 0°인 경우를 나타내고, 곡선(LL32 및 LL42)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 90°인 경우를 나타낸다.
또한, 곡선(LL33 및 LL43)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 180°인 경우를 나타내고, 곡선(LL34 및 LL34)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)로부터의 송전 출력의 위상차가 -90°인 경우를 나타낸다.
도 15a 및 도 15b와, 상술한 도 13a 및 도 13b의 비교로부터 명백한 바와 같이, 수전 공진 코일(21a)의 크기가 송전 공진 코일(11a1, 11a2)과 동일 정도의 크기로 되면, 송전 효율이 커지는 것을 알 수 있다. 이것은, 수전 공진 코일(21a)이 커지면 송전 공진 코일(11a1, 11a2)로부터의 출력 전력을 충분히 수취할 수 있게 되기 때문이다.
또한, 도 15a와 도 13a의 비교로부터 명백한 바와 같이, 수전 공진 코일(21a)이 커지면, 위상차가 0°일 때(LL31) 및 위상차가 180°일 때(LL33)는 극소값을 변화시키지 않고, 효율의 극대값 및 중앙값을 상방으로 변형시킨 특성이 된다. 구체적으로, 송전 효율의 최댓값은, 예를 들어 도 13a의 약 43%로부터 도 15a의 약 90%로 대폭으로 커진다.
또한, 수전 공진 코일(21a)이 커지면, 위상차가 90°일 때(LL32) 및 위상차가 -90°일 때(LL34)는, 효율의 극대값 및 극소값 모두 대폭으로 정보로 변화된다.
즉, 곡선(LL32 및 LL34)의 극대값은, 곡선(LL31 및 LL33)의 극대값보다는 낮지만(단, 80%는 초과함), 극소값이라도 70%에 육박하는 것으로 되어 있다.
또한, 도 15b와 도 13b의 비교로부터 명백한 바와 같이, 수전 공진 코일(21a)이 커지면, 위상차가 0°일 때(LL41) 및 위상차가 180°일 때(LL43)는, 극소값을 변화시키지 않고, 효율의 극대값 및 중앙값을 상방으로 변형시킨 특성이 된다. 이 곡선(LL41 및 LL43)은, 상술한 도 15a에 있어서의 곡선(LL31 및 LL33)과 거의 일치한다.
또한, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)의 위상차가 90°일 때(LL42) 및 위상차가 -90°일 때(LL44)는, 수전기(2)의 자세에 영향을 받지 않고, 거의 일정한 효율(약 75% 내지 84%)이 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 복수 송전기로 무선 전력 전송을 행하는 경우, 복수의 송전기의 출력 신호의 위상차나 강도비뿐만 아니라, 송전기의 전원의 임피던스 특성(정전류 전원/정전압 전원)이나 수전 공진 코일(21a)의 크기와 같은 조건을 고려하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
즉, 복수의 송전기에 의한 제휴 송전을 행하는 경우, 원하는 효율을 확보하는 제어 플랜을 책정하기 위해서는, 전원의 임피던스 특성의 정보, 및 수전기와 송전기의 결합 특성의 정보를 가미하는 것이 바람직하다.
그리고, 원하는 송전 효율 특성이 얻어지는 가변 파라미터의 조합을 선택함으로써 각 송전기 출력을 결정하고, 예를 들어 최대의 송전 효율에 의한 전력 전송, 또는, 높은 강건성(로바스트성) 효율에 의한 전력 전송을 선택적으로 실현하는 것이 가능해진다.
여기서, 높은 강건성 효율은, 예를 들어 센서 네트워크에 대하여 각 센서의 자세에 관계없이 각각 충전을 행하는 경우 등에 있어서, 큰 효과가 얻어지게 된다. 또한, 도 12 내지 도 15b를 참조하여 설명한 것은 단순한 예이며, 여러 변형이 가능한 것은 물론이다.
도 16은, 본 실시 형태의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 도시하는 블록도이며, 2개의 송전기(1A, 1B) 및, 2개의 수전기(2A, 2B)를 포함하는 예를 나타내는 것이다.
도 16에 도시되는 바와 같이, 송전기(1A, 1B)는 마찬가지의 구성을 갖고, 각각 와이어리스 송전부(11A, 11B), 고주파 전원부(12A, 12B), 송전 제어부(13A, 13B) 및 통신 회로부(14A, 14B)를 포함한다.
고주파 전원부(12A, 12B)는, 고주파의 전력을 발생하는 것이며, 예를 들어 전술한 도 1에 있어서의 고주파 전원부(12), 또는, 도 12 및 도 14에 있어서의 증폭기(171, 172)에 상당하고, 고유의 전원 임피던스를 갖는다. 예를 들어, 출력 임피던스가 50Ω에 정합된 정전압 전원이나, 높은 출력 임피던스의 Hi-ZΩ 전원(정전류 전원) 등이다.
송전 제어부(13A, 13B)는, 송전부(11A, 11B)를 제어하는 것이며, 예를 들어 도 12 및 도 14에 있어서의 발진기(15) 및 위상 제어부(16)를 포함해도 된다. 통신 회로부(14A, 14B)는, 각 송전기 및 수전기 간의 통신을 가능하게 하는 것이며, 예를 들어 IEEE 802.11b에 준거한 DSSS 방식의 무선 LAN이나 블루투스(Bluetooth(등록 상표))를 이용할 수 있다.
또한, 고주파 전원부(12A, 12B)는, 각각 외부 전원(10A, 10B)으로부터 전력의 공급을 수취하고, 송전 제어부(13A, 13B)에는, 검출부(SA, SB)로부터의 신호가 입력되고 있다. 또한, 송전기(1A) 및 송전기(1B)는, 예를 들어 1개의 송전기(1)에 설치한 2개의 송전부(11)로 해도 되는 것은 물론이다.
와이어리스 송전부(11A, 11B)는, 자계 공명이면 코일에 상당하고, 고주파 전원부(12A, 12B)로부터 공급되는 고주파 전력을 자계로 변환한다. 검출부(SA, SB)는, 송전기(1A, 1B)의 상대 위치 관계나 수전기(2A, 2B)의 상대 위치 관계를 검출한다. 여기서, 상대 위치 관계를 검출하는 방법으로서는, 예를 들어, 카메라에 의한 촬상계를 적용할 수 있다.
또한, 예를 들어 송전기(1A, 1B)의 위치 관계가 고정되고(송전 공진 코일(11a1, 11a2)이 특정한 L자 블록 형상으로 고정되고), 그 정보를 송전 제어부(13A, 13B)가 파악하고, 수전기(2A, 2B)가 검출 기능을 갖는 경우, 검출부(SA, SB)는 생략 가능하다.
수전기(2A, 2B)도 마찬가지의 구성을 갖고, 각각 와이어리스 수전부(21A, 21B, 정류부(수전 회로부)(22A, 22B, 수전 제어부(23A, 23B, 통신 회로부(24A, 24B) 및 기기 본체(배터리부)(25A, 25B)를 포함한다.
수전 제어부(23A, 23B)는, 수전기(2A, 2B)를 제어하는 것이며, 통신 회로부(24A, 24B)는, 각 송전기 및 수전기 간의 통신을 가능하는 것으로, 전술한 바와 같이, 예를 들어 무선 LAN이나 블루투스(Bluetooth(등록 상표))를 이용한다.
와이어리스 수전부(21A, 21B)는, 자계 공명이면 코일에 상당하고, 무선으로 전달된 전력을 전류로 변환한다. 정류부(22A, 22B)는, 와이어리스 수전부(21A, 21B)로부터 얻어진 교류 전류를 배터리 충전이나 기기 본체에서 사용 가능하도록 직류 전류로 변환한다.
상술한 바와 같이, 송전기(1A, 1B) 및 수전기(2A, 2B)는, 각각의 통신 회로부(14A, 14B, (24A, 24B)를 개재해서 통신을 행한다. 이때, 예를 들어 송전기(1A)를 마스터(전체 제어기)로 하고, 이 마스터(송전기)(1A)가, 다른 송전기(1B) 및 수전기(2A, 2B)를 슬레이브로서 제어할 수도 있다.
또한, 와이어리스 송전부(11A 및 11B)와, 와이어리스 수전부(21A 또는 21B) 사이는, 자계 공명을 이용한 전력 전송에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전계 공명, 또는, 전자기 유도나 전계 유도를 이용한 전력 전송 방식을 적용할 수도 있다.
도 17 및 도 18은, 도 16에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이며, 도 16은 수전기가 부재인 경우의 처리를 나타내고, 도 17은 수전기가 존재하는 경우의 처리를 나타낸다.
또한, 도 17 및 도 18은, 송전기(1A)가 마스터(전체 제어기)이고 송전기(1B)가 슬레이브인 경우의 처리를 나타낸다. 여기서, 슬레이브 송전기(1B)와 마스터 송전기(1A) 사이는, 예를 들어 통신 회로부(14A, 14B)를 개재해서 정보의 교환을 행하고, 수전기(2A, 2B)와 마스터 송전기(1A) 사이는, 예를 들어 통신 회로부(14A, 24A, 24B)를 개재해서 정보의 교환을 행한다.
도 17에 도시되는 바와 같이, 먼저, 마스터 송전기(1A)는, 다른 송전기(슬레이브 송전기(1B))를 검색하고, 스텝 ST13에 있어서, 다른 송전기(슬레이브 송전기(1B))를 통신에 의해 확인한다. 또한, 통신은, 무선 및 유선 중 어느 것이어도 상관없다.
즉, 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST10에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 존재를 전달하고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST13에 있어서, 다른 송전기와의 통신을 확립할 수 있고, ID를 인증할 수 있었던 경우에, 다른 송전기를 검출할 수 있었다고 판정한다. 또한, 다른 송전기(슬레이브 송전기(1B))를 검출하지 못한 경우에는, 예를 들어 도 10을 참조하여 설명한 단순한 단수 송전기에 의한 전력 전송을 행하게 된다.
마스터 송전기(1A)는, 다른 송전기(슬레이브 송전기(1B))를 검출한 후, 스텝 ST14에 있어서, 예를 들어 검출부 SA를 사용해서 슬레이브 송전기(1B)와의 상대 위치 관계를 확인한다. 여기서, 예를 들어 마스터 송전기(1A)와 슬레이브 송전기(1B)의 상대 위치가 멀다는 등의 이유에 의해 송전 범위가 겹치지 않는 경우에는, 도 10을 참조하여 설명한 단순한 단수 송전기에 의한 전력 전송을 행하게 된다.
스텝 ST14에 있어서, 예를 들어 검출부 SA를 사용해서 슬레이브 송전기(1B)와의 상대 위치 관계를 확인하고, 송전 범위가 겹칠 가능성이 있는 다른 송전기(슬레이브 송전기(1B))를 검출한 경우, 스텝 ST15로 진행한다. 즉, 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST11에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 송전부 정보를 전달하고, 마스터 송전기(1A)는, 그 슬레이브 송전기(1B)의 송전부(와이어리스 송전부)(11B)를 확인한다.
또한, 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST12로 진행하여, 마스터 송전기(1A)에 대하여 전원 임피던스를 전달하고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST16으로 진행하여, 확인한 송전기(1B)의 전원 임피던스를 확인한다.
즉, 이 스텝 ST12 및 ST16에 의해, 슬레이브 송전기(1B)의 전원 및 자신(마스터 송전기(1A))의 전원이, 예를 들어 50Ω에 정합된 정전압 전원이나, 또는, Hi-ZΩ의 정전류 전원인지를 확인한다. 또한, 슬레이브 송전기(1B)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달하는 정보는, 예를 들어 이후에, 도 19를 참조하여 설명하는 정보(데이터)이다.
그리고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST17로 진행하여, 급전 대상을 검색한다. 이 급전 대상의 검색은, 예를 들어 각 통신 회로부(14A, 14B, 24A, 24B)를 사용해서 수전기(2A, 2B)를 탐색한다.
이상에 있어서, 슬레이브 송전기는 복수이어도 된다. 또한, 마스터 송전기(1A)에 의한 수전기(2A, 2B)의 탐색은, 무선 통신에 의해 행하고, 급전 대상으로 되는 수전기가 검출될 때까지, 수전기의 탐색을 계속하게 된다.
도 18에 도시되는 바와 같이, 마스터 송전기(1A)(전체 제어기)는, 스텝 ST22에 있어서, 급전 대상을 검색, 즉, 수전기(2A, 2B)를 탐색한다. 수전기(2A)는, 스텝 ST28에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 존재를 전달한다. 또한, 도 18은, 수전기(2A)에 대하여 전력 전송을 행하는 경우를 나타내지만, 이 수전기(2A)도 마스터 송전기(1A)에 대한 슬레이브로서 기능한다.
즉, 슬레이브 수전기(2A)는, 스텝 ST28에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 존재를 전달하고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST22에 있어서, 다른 수전기와의 통신을 확립할 수 있고, ID를 인증할 수 있었던 경우에, 다른 수전기를 검출할 수 있었다고 판정한다.
마스터 송전기(1A)는, 다른 수전기(슬레이브 수전기(2A))를 검출한 후, 스텝 ST23에 있어서, 예를 들어 슬레이브 수전기(2A)와의 상대 위치 관계를 확인한다. 여기서, 예를 들어 마스터 송전기(1A)와 슬레이브 수전기(2A)와의 상대 위치가 멀다는 등의 이유에 의해 송전 범위가 겹치지 않는 경우에는, 다른 수전기를 검출할 수 없었다고 재 판정한다.
마스터 송전기(1A)는 또한 스텝 ST24로 진행하여, 확인한 슬레이브 수전기(2A)의 수전부(와이어리스 수전부)(21A)를 확인한다. 즉, 슬레이브 수전기(2A)는, 스텝 ST29에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 수전부 정보를 전달한다.
이 수전부 정보에는, 예를 들어 수전기(2A)에 있어서의 수전 공진 코일(21a)의 크기의 정보 등이 포함된다. 또한, 슬레이브 수전기(2A)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달하는 정보는, 예를 들어 이후에, 도 20을 참조하여 설명하는 정보(데이터)이다.
이어서, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST25로 진행하여, 전체 정보로부터 최적화 플랜을 책정한다. 여기서, 마스터 송전기(1A)가 사용하는 전체 정보에는, 예를 들어 도 17의 스텝 ST16에서 확인한 전원 임피던스 정보 및 스텝 ST24에서 확인한 수전기(2A)에 있어서의 수전 공진 코일(21a)의 크기의 정보 등이 포함된다.
또한, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST26으로 진행하여, 각 송전기(슬레이브 송전기(1B))에 대하여 위상차·강도비(위상·강도 조건)를 전달한다. 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST20에 있어서, 마스터 송전기(1A)로부터의 위상·강도 조건을 수취하고, 스텝 ST21로 진행하여, 그 위상·강도 조건에 따라 송전을 개시한다.
그리고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST27로 진행하여, 송전을 개시한다. 또한, 스텝 ST27에 있어서의 마스터 송전기(1A)의 송전 개시와, 스텝 ST21에 있어서의 슬레이브 송전기(1B)의 송전 개시는, 예를 들어 통신 회로부(14A 및 14B)를 개재해서 동기시켜서 행한다.
도 19는, 송전기와 송전기 간의 전달 정보의 일례를 설명하기 위한 도면이며, 예를 들어 슬레이브 송전기(1B)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달하는 정보의 일례를 나타낸다. 도 19에 도시되는 바와 같이, 슬레이브 송전기(1B)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달되는 것은, 예를 들어 데이터(1)의 제품 ID, 또는, 데이터(2)와 같은 각 항목에 대한 실제의 데이터이어도 된다.
여기서, 슬레이브 송전기(1B)로부터 마스터 송전기(1A)에 대하여, 예를 들어 『1011』의 제품 ID가 전달되면, 마스터 송전기(1A)는, 미리 설치되어 있는 메모리 테이블로부터, 전달된 제품 ID에 대응하는 데이터(2)와 마찬가지의 각 항목의 데이터를 인식한다.
또는, 마스터 송전기(1A)는, 예를 들어 유선 또는 무선 회선을 개재해서 인터넷에 접속하고, 소정의 외부 서버나 웹 사이트로부터, 전달된 제품 ID에 대응하는 최신의 데이터를 다운로드해서 각 항목의 데이터를 인식할 수도 있다.
또한, 슬레이브 송전기(1B)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달되는 정보(각 항목의 데이터)에는, 예를 들어 송전 공진 코일(11aB) 및 전력 공급 코일(11bB)의 정보와 함께, 전술한 전원 임피던스에 관한 정보도 포함되어 있다. 또한, 도 19에 도시하는 항목은, 단순한 예이며, 다양하게 변경될 수 있다.
도 20은, 송전기와 수전기 간의 전달 정보의 일례를 설명하기 위한 도면이며, 예를 들어 슬레이브 수전기(2A)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달하는 정보의 일례를 나타낸다. 도 20에 도시되는 바와 같이, 슬레이브 수전기(2A)로부터 마스터 송전기(1A)에 전달되는 것은, 예를 들어 데이터(1)와 같은 제품 ID, 충전 요구 및 배터리 잔량이다.
여기서, 도 19를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로, 예를 들어 『1101』의 제품 ID가 전달되면, 마스터 송전기(1A)는, 미리 설치되어 있는 테이블, 또는, 인터넷의 소정의 웹 사이트로부터, 데이터(2)와 같은 각 항목의 데이터를 인식한다.
또한, 슬레이브 수전기(2A)로부터 마스터 송전기(1A)에 대하여 충전 요구 및 배터리 잔량과 함께, 데이터(1)의 제품 ID가 아니고 데이터(2)와 같은 각 항목에 대한 실제의 데이터를 전달해도 된다. 또한, 도 20에 도시하는 항목은, 단순한 예이며, 다양하게 변경될 수 있는 것은 물론이다.
도 21은, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전압 전원을 적용한 경우의 파라미터의 최적화를 설명하기 위한 도면이며, 출력 임피던스가 50Ω인 정전압 전원에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것이다.
도 21에 있어서, 곡선(LL61)은, 송전 공진 코일(11a1 및 11a2)(증폭기(171 및 172))의 출력 신호에 있어서의 강도비를 고정해서 위상차를 최적화했을 때의, 수전 공진 코일(21a)(수전기(2))의 회전 각도에 대한 송전 효율의 변화를 나타낸다.
또한, 곡선 LL62는, 송전 공진 코일(11a1 및 11a2)의 출력 신호에 있어서의 위상차를 0°(동상) 또는, 180°(역상)로 고정해서 강도비를 최적화했을 때의, 수전기(2)의 회전 각도에 대한 송전 효율의 변화를 나타낸다.
도 21로부터 명백한 바와 같이, 예를 들어 출력 임피던스가 50Ω인 정전압 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 위상차가 고정되어 있으면, 강도비를 어떻게 조정해도, 항상 최대의 송전 효율을 얻을 수 있다고는 할 수 없다.
즉, 정전압 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 위상차가 고정되어 있으면, 강도비를 어떻게 조정해도 수전기의 자세에 따라서는 최대의 송전 효율이 얻어지지 않는 자세가 있는 것을 알 수 있다.
이에 비해, 예를 들어 출력 임피던스가 50Ω인 정전압 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 강도비를 고정해서 위상차를 조정함으로써, 항상 최대의 송전 효율을 얻을 수 있다.
따라서, 송전기(와이어리스 송전부)로서 정전압 전원을 적용하는 경우, 출력 신호의 강도비를 고정해서 위상차를 조정하는 것이 바람직하고, 최대의 송전 효율을 얻는 최적화를 위한 지배적인 파라미터가 출력 신호의 위상차인 것을 알 수 있다.
도 22는, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서 정전류 전원을 적용한 경우의 파라미터 최적화를 설명하기 위한 도면이며, 출력 임피던스가 Hi-ZΩ인 정전류 전원에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것이다.
도 22에 있어서, 곡선 LL71은, 출력 신호에 있어서의 강도비를 고정해서 위상차를 최적화했을 때의, 수전기(2)의 회전 각도에 대한 송전 효율의 변화를 나타낸다. 또한, 곡선 LL72는, 출력 신호에 있어서의 위상차를 동상 또는 역상으로 고정해서 강도비를 최적화했을 때의, 수전기(2)의 회전 각도에 대한 송전 효율의 변화를 나타낸다.
도 22로부터 명백한 바와 같이, 예를 들어 출력 임피던스가 Hi-ZΩ인 정전류 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 강도비가 고정되어 있으면, 위상차를 어떻게 조정해도, 항상 최대의 송전 효율을 얻을 수 있다고는 할 수 없다.
즉, 정전류 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 강도비가 고정되어 있으면, 위상차를 어떻게 조정해도 수전기의 자세에 따라서는 최대의 송전 효율이 얻어지지 않는 자세가 있는 것을 알 수 있다.
이에 비해, 예를 들어 출력 임피던스가 Hi-ZΩ인 정전류 전원을 적용한 경우, 출력 신호의 위상차를 동상 또는 역상으로 고정해서 강도비를 조정함으로써, 항상 최대의 송전 효율을 얻을 수 있다.
따라서, 송전기(와이어리스 송전부)로서 정전류 전원을 적용하는 경우, 출력 신호의 위상차를 고정해서 강도비를 조정하는 것이 바람직하고, 최대의 송전 효율을 얻는 최적화를 위한 지배적인 파라미터가 출력 신호의 강도비인 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 최적화 플랜을 책정하는 경우, 어느 파라미터가 지배적이고 유효한 파라미터가 될지는, 전원 임피던스에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 즉, 원하는 효율을 확보하는 제어 플랜을 책정하기 위해서는, 전원의 임피던스 특성의 정보를 가미하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
이와 같이 하여 최적화 플랜이 책정되면, 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에서는, 그 책정된 플랜에 대응한 설정 조건을 송전기(1)에 있어서의 위상 제어부(16) 및 증폭기(171, 172)에 전달하고, 그 설정 조건에 따른 송전을 개시한다.
상술한 바와 같이 해서 최적화 플랜에 따른 설정 조건에 의해 송전을 행하지만, 계산에 의한 설정 조건에서는, 만족스럽게 조정할 수 없는 경우에는, 테스트 송전을 행하는 것이 바람직하다. 도 23은, 도 21 및 도 22에 도시하는 파라미터의 최적화 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이며, 테스트 송전의 일례를 설명하기 위한 것이다.
도 23에 도시되는 바와 같이, 스텝 ST30에 있어서, 테스트 송전을 개시하면, 스텝 ST34로 진행하여, 송전 전력 및 수전 전력을 확인하고, 송수전 효율(송전 효율)을 확인한다. 즉, 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST31에 있어서, 전체 제어기(마스터 송전기(1A))에 대하여 자신의 송전 전력을 전달하고, 슬레이브 수전기(2A)는, 스텝 ST37에 있어서, 마스터 송전기(1A)에 대하여 자신의 수전 전력을 전달한다.
마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST35로 진행하여, 스텝 ST34에서 확인한 송수전 효율이 원하는 효율인지 여부를 판정한다. 스텝 ST34에 있어서, 송수전 효율이 원하는 효율이라고 판정하면, 테스트 송전을 종료하고 본격 송전을 행한다.
한편, 스텝 ST34에 있어서, 송수전 효율이 원하는 효율이 아니라고 판정하면, 스텝 ST36으로 진행하여, 도 21 및 도 22를 참조하여 설명한 전원 임피던스에 따른 지배적 파라미터를 가변해서 최적화 플랜의 재설정을 행한다.
즉, 스텝 ST36에서는, 50Ω 전원을 적용하고 있는 경우에는, 전원의 위상차를 가변해서 최적화 플랜의 재설정을 행하고, 한편, Hi-ZΩ 전원을 적용하고 있는 경우에는, 전원의 강도비를 가변해서 최적화 플랜의 재설정을 행한다. 이와 같이, 전원 임피던스에 따른 지배적 파라미터를 조정함으로써, 최적화 플랜의 재설정을 단시간에 행하는 것이 가능해진다.
또한, 스텝 ST36에 있어서, 마스터 송전기(1A)는, 재설정된 최적화 플랜에 따른 위상 및 강도가 설정되고, 스텝 ST33으로 진행하여 다시 테스트 송전을 개시한다. 그리고, 마스터 송전기(1A)는, 스텝 ST33에서 테스트 송전을 개시한 후, 스텝 ST34로 복귀하여 마찬가지의 처리를 반복한다.
슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST32에 있어서, 스텝 ST36에서 재설정된 최적화 플랜에 따른 위상 및 강도 조건을 수취해서 그 조건을 설정하고, 스텝 ST33으로 진행하여 다시 테스트 송전을 개시한다.
그리고, 슬레이브 송전기(1B)는, 스텝 ST33에서 테스트 송전을 개시한 후, 스텝 ST34로 복귀하여 마찬가지의 처리를 반복한다.
이와 같이, 상술한 테스트 송전에서는, 예를 들어 위상차와 강도비를 독립적으로 가변하는 것이 아니고, 전원 임피던스 정보로부터 얻어지는 지배적인 파라미터를 가변함으로써, 단시간에 최적의 조건을 탐색하는 것이 가능해진다.
이하에, 무선 전력 전송 방법의 실시예를 설명한다. 먼저, 제1 실시예는, 효율을 우선하는 무선 전력 전송 방법이며, 제2 실시예는, 고강건(high-robust)을 우선하는 무선 전력 전송 방법이다.
먼저, 제1 실시예의 효율을 우선하는 무선 전력 전송 방법을 설명한다. 예를 들어, 포터블 전자 기기(예를 들어, 몇 W 내지 십수 W의 전력 용량)에의 급전에서는, 비교적 전력이 크기 때문에, 높은 효율이 요구된다. 일반적으로, 송전 효율이 저하될 때, 전력은, 송전기의 발열 형태로 손실이 되기 때문에, 특히, 급전(송전) 전력이 클수록 문제가 된다.
예를 들어, 스마트폰으로 대표되는 포터블 전자 기기이면, 본래 각종 센서를 탑재하고 있고, 각종 정보를 센서로부터 얻어서 송전측(마스터 송전기)에 전달할 수 있다. 이것은, 예를 들어 수전기의 자세에 대응한 송전이 요구되는 삼차원 와이어리스 송전에 있어서, 수전기의 상대 위치 관계 정보를 얻는 것이 가능한 것을 의미한다.
그 때문에, 예를 들어 포터블 전자 기기에의 급전에서는, 수전기의 위치 정보에 기초하여 최대 효율이 얻어지도록, 각 송전기 간의 조정을 행하는 제어가 바람직하다. 따라서, 예를 들어 전술한 도 12에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 대해서는, 도 21 및 도 22를 참조하여 설명한 처리를 행해서 최대의 송수전 효율(송전 효율)을 얻는다.
즉, 정전압 전원(50Ω 전원)을 적용하고 있는 경우에는, 도 21을 참조하여 설명한 바와 같이, 전원의 강도비를 고정해서 위상차를 가변하고, 최대 효율이 얻어지도록 한다. 또한, 정전류 전원(Hi-ZΩ 전원)을 적용하고 있는 경우에는, 도 22를 참조하여 설명한 바와 같이, 전원의 위상차를 고정해서 강도비를 가변하고, 최대 효율이 얻어지도록 한다.
이어서, 제2 실시예의 고강건을 우선하는 무선 전력 전송 방법을 설명한다. 예를 들어, 센서 네트워크에 있어서의 각 센서(예를 들어, 수㎼ 내지 수㎽의 전력 용량)에의 급전에서는, 비교적 전력이 작기 때문에, 효율은 중요한 문제가 아니다.
가령, 급전(송전) 전력이 10㎽인 경우, 효율이 10% 정도이어도, 송전계의 발열은 100㎽ 정도이기 때문에, 방열도 용이하다. 한편, 각 센서는, 소형 또한 저비용인 것이 요구되기 때문에, 포터블 전자 기기와 같이, 위치 검출 기능 등을 모든 센서에 탑재하는 것은 기대할 수 없다.
그로 인해, 센서 네트워크에서는, 각 센서의 자세 정보를 개별로 얻을 수 없고, 그 결과, 센서 네트워크에의 급전은, 수전기(각 센서)의 자세에 관계없이 항상 일정한 효율을 확보할 수 있는, 자세에 대한 강건성이 높은 제어가 바람직하다.
그 때문에, 예를 들어 센서 네트워크의 각 센서에의 급전에서는, 예를 들어 전술한 도 13b(곡선(LL22, LL24))를 참조하여 설명한 바와 같이, 출력 임피던스가 Hi-ZΩ의 정전류 전원을 사용하고, 위상차를 90°(-90°)로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 13b에 있어서, 곡선(LL22 및 LL24)은, 송전 공진 코일(11aA, 11aB)의 송전 출력의 위상차가 90° 및 -90°인 경우이지만, 위상차는, 반드시 그들의 값에 한정되는 것은 아니다.
즉, 위상차는, 90° 및 -90°로부터 어느 정도의 범위에서 벗어나 있어도, 회전 각도에 의한 영향은 커지지만, 실용상의 자세에 대한 강건성을 확보할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 도 13a를 참조하여 설명한 바와 같이, 예를 들어 출력 임피던스가 50Ω인 정전압 전원을 적용한 경우, 위상차를 90°(-90°)로 해도 자세에 대한 고강건성을 얻는 것은 곤란하다.
도 24는, 정전류 전원의 일례를 도시하는 블록도이며, 고주파 전원부(12)의 일례를 나타내는 것이다. 도 24에 도시되는 바와 같이, 정전류 전원(12)는, 교류 신호 생성부(121), 연산 증폭기(연산 증폭기)(122), 전류 버퍼(123), 기준 저항(124), 귀환 저항(125) 및 용량(126)을 구비하고, 출력단에 부하가 접속되어 있다. 여기서, 부하는, 전력 공급 코일(제1 코일)(11b)에 대응한다.
교류 신호 생성부(121)는, 기준 교류 전압(예를 들어, 주파수가 6.78㎒이고 진폭이 일정한 교류 전압)을 생성하고, 그 기준 교류 전압을, 연산 증폭기(122)의 비반전 입력(정입력)에 부여한다. 연산 증폭기(122)의 반전 입력(부입력)은 기준 저항(124)을 개재해서 접지되고, 연산 증폭기(122)의 출력은, 전류 버퍼(123)에 입력된다.
또한, 본 실시 형태에 적용하는 정전류 전원(및 정전압 전원)은 6.78㎒의 신호를 출력하는 것에 한정되지 않고, 전력 전송에 사용하는 주파수에 따라서 변화되는 것은 물론이다.
전류 버퍼(123)의 출력은, 용량(126)을 개재해서 부하(전력 공급 코일)(11b)의 일단부에 입력됨과 함께, 귀환 저항(125) 및 기준 저항(124)을 개재해서 접지된다. 또한, 전력 공급 코일(11b)의 타단부는, 기준 저항(124)을 개재해서 접지된다.
이 도 24에 도시하는 정전류 전원(12)은, 그 출력 임피던스가 고임피던스(Hi-ZΩ)로 되어 있다. 또한, 도 24의 정전류 전원은, 단순한 일례이며, 본 실시 형태에 대해서는, 여러 가지 정전류 전원을 적용할 수 있는 것은 물론이다.
또한, 예를 들어 50Ω에 정합된 정전압 전원은, 통신 분야에 있어서 다양한 형식의 것이 널리 사용되고 있고, 본 실시 형태에 대해서는, 그들 여러 가지 정전압 전원을 적용할 수 있다.
도 25는, 도 16에 도시하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 송전기(마스터 송전기(1A))의 일례를 도시하는 블록도이다. 도 21 및 도 16에 도시되는 바와 같이, 마스터 송전기(1A)에 있어서, 와이어리스 송전부(11A)는, LC 공진기(11aA) 및 전력 공급 코일(11bA)을 포함한다. 고주파 전원부(12A)는, 발진기(127), 증폭기(128) 및 정합기(129)를 포함한다.
송전 제어부(13A)는, 송전 제어 회로(131) 및 주파수 로크 회로(132)를 포함한다. 주파수 로크 회로(132)는, 통신 회로부(14A)로부터의 동기 신호를 수취하고, 소정의 간격(예를 들어, 수분 내지 수십분 간격)으로, 발진기(127)의 동기 처리를 행한다. 발진기(127)는, 소정의 주파수(예를 들어, 6.78㎒)의 주파수의 구동 신호를 생성하고, 증폭기(128) 및 정합기(129)를 개재해서 와이어리스 송전부(11A)(전력 공급 코일(11bA))에 출력한다.
송전 제어 회로(131)는, 내부 버스(133)로 연결된 CPU(연산 처리 장치)(134), 메모리(135) 및 입출력 회로(I/O부)(136)를 포함한다. 여기서, 메모리(135)는, 플래시 메모리 등의 재기입 가능한 불휘발성 메모리 및, DRAM(Dynamic Random Access Memory) 등을 포함한다. 그리고, 마스터 송전기(1A), 슬레이브 송전기(1B) 및 수전기 등의 각종 처리(software program)를 실행한다.
마스터 송전기(1A)에는, 예를 들어 슬레이브 송전기(1B)와의 상대 위치 관계를 확인하기 위한 검출부 SA가 설치되어 있다. 이 검출부 SA의 출력은, 예를 들어 I/O부(136)를 개재해서 CPU(134)에 입력되고, 메모리(135)에 저장된 소프트웨어 프로그램(무선 전력 전송 프로그램, 또는, 송전기의 제어 프로그램)에 따른 처리에 이용된다.
또한, 무선 전력 전송 프로그램(송전기의 제어 프로그램)은, 예를 들어 그 프로그램이 기록된 가반형 기록 매체(예를 들어, SD(Secure Digital) 메모리 카드)(70)로부터 I/O부(136)를 개재해서 메모리(135)에 저장되어도 된다.
또는, 프로그램(데이터) 제공자(60)의 하드 디스크 장치(61)로부터 회선 및 I/O부(136)를 개재해서 메모리(135)에 저장되어도 된다. 여기서, 하드 디스크 장치(61)로부터 I/O부(136)에의 회선은, 통신 회로부(14)를 이용한 무선 통신 회선이어도 된다.
또한, 무선 전력 전송 프로그램이 기록된 가반 기록 매체(컴퓨터 판독 가능한 기록 매체)로서는, 이외에 DVD(Digital Versatile Disk) 디스크나 블루레이 디스크(Blu-ray Disc) 등의 기록 매체이어도 된다.
이상의 설명에 있어서, 송전기 및 수전기는, 주로 1개 또는 2개로서 설명했지만, 각각 다수일 수도 있다. 또한, 각 실시예의 설명은, 주로 자계 공명을 이용한 전력 전송을 예로 했지만, 본 실시 형태는, 전계 공명을 이용한 전력 전송, 또는, 전자기 유도나 전계 유도를 이용한 전력 전송에 대해서도 적용할 수 있다.
즉, 본 실시 형태는, 독립적으로 출력의 위상 또는 강도 중 적어도 한쪽을 제어할 수 있는 적어도 2개의 송전 코일을 포함하는 송전기에 있어서, 그 적어도 2개의 송전 코일의 출력이 각각 영향을 서로 미치는 송전기에 대하여 적용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 적어도 2개의 송전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 그 적어도 2개의 송전기의 출력이 각각 영향을 서로 미치는 무선 전력 전송 시스템에 대해서도 적용할 수 있다. 또한, 각 송전기는, 예를 들어 독립적으로 출력의 위상 또는 강도 중 적어도 한쪽을 제어할 수 있는 적어도 1개의 송전 코일을 포함한다.
여기에 기재되어 있는 모든 예 및 조건적인 용어는, 독자가, 본 발명과 기술의 진전을 위해서 발명자에 의해 부여되는 개념을 이해할 때의 도움이 되도록, 교육적인 목적을 의도한 것이다.
또한, 구체적으로 기재되어 있는 상기 예 및 조건, 및 본 발명의 우위성 및 열등성을 나타내는 것에 관한 본 명세서에 있어서의 예의 구성에 한정되지 않고, 해석되어야 할 것이다.
또한, 본 발명의 실시예는 상세하게 설명되어 있지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 변형, 치환 및 수정을 이것에 가하는 것이 가능하다고 이해해야 할 것이다.
1 송전기(1차측:송전측)
1A 내지 1D 송전기
2 수전기(2차측:수전측)
2A 내지 2E 수전기
10A, 10B 외부 전원
11, 11A, 11B 와이어리스 송전부
11a, 11aA, 11aB, 11a1, 11a2 송전 공진 코일(제2 코일:LC 공진기)
11b, 11bA, 11bB 전력 공급 코일(제1 코일)
12, 12A, 12B 고주파 전원부
13, 13A, 13B 송전 제어부
14, 14A, 14B 통신 회로부(제1 통신 회로부)
15 발진기
16 위상 제어부
21, 21A, 21B 와이어리스 수전부
21a, 21aA, 21aB 수전 공진 코일(제3 코일:LC 공진기)
21b, 21bA, 21bB 전력 취출 코일(제4 코일)
22, 22A, 22B 수전 회로부(정류부)
23, 23A, 23B 수전 제어부
24 통신 회로부(제2 통신 회로부)
25 배터리부(부하)
60 프로그램(데이터) 제공자
61 하드 디스크 장치
70 가반형 기록 매체
127 발진기
128 증폭기
129 정합기
131 송전 제어 회로
132 주파수 로크 회로
133 내부 버스
134 CPU(연산 처리 장치)
135 메모리
136 입출력 회로(I/O부)
171, 172 증폭기

Claims (20)

  1. 영향을 서로 미치는 제1 송전 코일 및 제2 송전 코일을 포함하는 송전기로서,
    상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과,
    상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원과,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 송전 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 송전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원을 개재해서 상기 제1 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 송전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제2 전원을 개재해서 상기 제2 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 송전기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일과, 상기 송전기로부터 전력을 전송하는 적어도 1개의 수전기의 수전 코일의 결합 특성에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 송전기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전압 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 강도비를 고정하고, 위상차의 최적화를 행하는 것을 특징으로 하는 송전기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전류 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차를 고정하고, 강도비의 최적화를 행하는 것을 특징으로 하는 송전기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일은, 전계 공명 또는 자계 공명을 이용해서 전력을 송전하는 공진 코일인 것을 특징으로 하는 송전기.
  8. 영향을 서로 미치는, 제1 송전 코일을 포함하는 제1 송전기 및 제2 송전 코일을 포함하는 제2 송전기를 구비하고, 무선에 의해 적어도 1개의 수전기에 대하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과,
    상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원과,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 송전 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 송전기 또는 상기 제2 송전기 중 어느 하나를 마스터로 한 송전기에 있어서의 송전 제어부인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원을 개재해서 상기 제1 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제2 전원을 개재해서 상기 제2 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일과, 상기 수전기의 수전 코일의 결합 특성에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전압 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 강도비를 고정하고, 위상차의 최적화를 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  14. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 제어부는,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전류 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차를 고정하고, 강도비의 최적화를 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일은, 전계 공명 또는 자계 공명을 이용해서 전력을 송전하는 공진 코일인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  16. 영향을 서로 미치는 제1 송전 코일 및 제2 송전 코일을 포함하고, 무선에 의해 적어도 1개의 수전기에 대하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 방법으로서,
    상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과,
    상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원을 갖고,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽은, 상기 제1 전원에 의해 독립적으로 제어되고,
    상기 제2 송전 코일의 출력 신호에 있어서의 위상 및 강도 중 적어도 한쪽은, 상기 제2 전원에 의해 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일과, 상기 수전기의 수전 코일의 결합 특성에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    또한,
    상기 제1 송전 코일 및 상기 제2 송전 코일의 출력 신호를 조정하기 위해서 테스트 송전을 행하고,
    상기 테스트 송전에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전압 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 강도비를 고정해서 위상차의 최적화를 행하고,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원이 정전류 전원일 때, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차를 고정해서 강도비의 최적화를 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  20. 영향을 서로 미치는 제1 송전 코일 및 제2 송전 코일과, 상기 제1 송전 코일을 구동하는 제1 전원과, 상기 제2 송전 코일을 구동하는 제2 전원을 포함하고, 무선에 의해 적어도 1개의 수전기에 대하여 전력을 전송하는 무선 전력 전송 프로그램으로서,
    컴퓨터에,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원의 임피던스 정보에 따라, 상기 제1 송전 코일의 출력 신호와 상기 제2 송전 코일의 출력 신호와의 위상차 및 강도비 중 적어도 한쪽을 제어하는 수순을 실행시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 프로그램.
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