KR20160145150A - 수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법 - Google Patents

수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 1개의 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해 수취하는 수전기의 kQ값을, 상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의, 자계 또는 전계의 결합 정도를 나타내는 k값과, 자계 또는 전계의 손실 정도를 나타내는 Q값의 곱으로서 구하는 데 있어서, 상기 수전기는, 상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하는 수전 코일과, 상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하는 내부 회로와, 상기 수전 코일에 의한 전력을 검출하는 전력 검출용 저항을 갖고, 상기 전력 검출용 저항의 저항값을 제어하여, 상기 수전 코일의 저항값과 상기 전력 검출용 저항의 저항값의 저항비 및 상기 수전 코일에 의한 수전 전압으로부터, 수전 전력을 산출하고, 상기 송전기로부터 출력하는 송전 전력과 상기 수전 전력으로부터 측정 효율을 산출하고, 상기 저항비 및 상기 측정 효율로부터, 상기 수전기의 kQ값을 산출한다.

Description

수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법{POWER RECEIVER, WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM, AND kQ-VALUE CALCULATION METHOD}
본 출원에서 언급하는 실시예는 수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법에 관한 것이다.
최근들어, 전원 공급이나 충전을 행하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 기술이 주목받고 있다. 예를 들어, 휴대 단말기나 노트북 컴퓨터를 비롯한 다양한 전자 기기나 가전 기기, 혹은 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 위하여 표준화를 행하는 것이 바람직하다.
종래, 무선에 의한 전력 전송 기술로서는, 일반적으로, 전자기 유도를 이용한 기술이나 전파를 이용한 기술이 알려져 있다.
그리고, 최근들어 송전기와 수전기의 거리를 어느 정도 이격하면서, 복수의 수전기에 대한 전력 전송 및 수전기의 삼차원적인 다양한 자세에 대한 전력 전송이 가능한 것으로서, 강결합계의 공진을 사용한 와이어리스 송전 기술이 주목받고 있다.
이 강결합계의 공진을 사용한 와이어리스 송전으로서는, 예를 들어 자계 공명(자계 공진)이나 전계 공명(전계 공진)을 이용한 무선 전력 전송 기술이 알려져 있다.
종래, 무선 전력 전송 기술로서는, 다양한 제안이 이루어져 있다.
국제 공개 제2009/014125호 팸플릿 일본 특허 공개 제2013-198327호 공보
전술한 바와 같이, 종래, 전원 공급이나 충전을 행하기 위하여 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 기술이 주목받고 있다. 이 무선 전력 전송 기술을 적용한 무선 전력 전송 시스템은, 통상 복수의 수전기에 대하여 전력을 전송하지만, 각 수전기가 요망하는 전력, 혹은, 송전기에 대한 각 수전기의 위치 관계 등에 기초한 전력 전송 제어가 요구되고 있다.
그런데, 최근들어 송전기(송전 코일)와 수전기에 있어서의 kQ값을 이용하여 급전 제어를 행하는 것이 연구 개발되고 있다. 구체적으로, 예를 들어 kQ값의 크기에 기초하여, 복수의 수전기에 대하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드와, 복수의 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드를 전환하여 무선 전력 전송을 행하는 연구가 이루어지고 있다.
또한, kQ값의 크기에 기초하여, 복수의 수전기를 그룹 분리하거나, 혹은 수전기(수전 공진 코일)의 공진점을 어긋나게 하여 디튠(Detune)하는 것도 연구되고 있다. 또한, 금후, 무선 전력 전송 시스템에 있어서, kQ값을 이용한 다양한 제안이 이루어질 것으로 기대되고 있다.
여기서, kQ값(kQ)은, 전자계(자계 또는 전계)의 결합의 정도를 나타내는 k값(k)과, 전자계의 손실의 정도를 나타내는 Q값(Q)의 곱이다. 또한, k값은, 그 값이 클수록, 결합의 정도가 큰 것을 나타내고, 또한, Q값은, 그 값이 클수록, 손실의 정도가 작은 것을 나타낸다.
그러나, 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각 수전기와의 k값, 따라서, kQ값을 고정밀도로 산출하는(구하는) 것은 곤란하여, 유효한 제안이 이루어지고 있지 않은 것이 실정이다.
일 실시 형태에 의하면, 적어도 1개의 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해 수취하는 수전기이며, 수전 코일과, 내부 회로와, 전력 검출용 저항과, 스위치와, 수전 제어부와, 통신 회로부를 갖는 수전기가 제공된다.
상기 수전 코일은, 상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하고, 상기 내부 회로는, 상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하고, 상기 전력 검출용 저항은, 상기 수전 코일에 의한 전력을 검출한다.
상기 스위치는, 상기 수전 코일에 의한 수전 전압을, 상기 전력 검출용 저항으로 전환하여 인가하고, 상기 수전 제어부는, 상기 전력 검출용 저항 및 상기 스위치를 제어하고, 상기 통신 회로부는, 상기 송전기와의 사이에서, 수전 전력의 검출 정보 및 급전 타이밍 정보를 포함하는 통신을 행한다.
개시의 수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법은, 각 수전기에 있어서의 kQ값의 산출 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1a는 유선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 1b는 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2a는 이차원 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2b는 삼차원 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 4a는, 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 4b는, 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 4c는, 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 5a는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 1)이다.
도 5b는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 2)이다.
도 5c는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 3)이다.
도 5d는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 4)이다.
도 6a는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 1)이다.
도 6b는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 2)이다.
도 6c는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 3)이다.
도 6d는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(그 4)이다.
도 7a는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 7b는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 7c는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 8a는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 8b는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 8c는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 9a는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 9b는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 9c는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 10은 kQ값이 적용되는 무선 전력 전송 시스템의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 무선 전력 전송 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 12a는 본 실시예에 적용되는 kQ값을 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 12b는 본 실시예에 적용되는 kQ값을 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 12c는 본 실시예에 적용되는 kQ값을 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 13은 제1 실시예의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 14는 제2 실시예의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 수전기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 15는 제3 실시예의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 수전기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 16은 본 실시예의 kQ값 산출 방법에 있어서의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 전력 전송 시스템의 예 및 복수의 송전기 및 수전기를 포함하는 관련 기술의 무선 전력 전송 시스템을, 도 1 내지 도 12c를 참조하여 설명한다.
도 1a는 유선 전력 전송(와이어 접속 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이며, 도 1b는 무선 전력 전송(와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 참조 부호 2A1 내지 2C1은 각각 수전기를 나타낸다.
여기서, 수전기(2A1)는 예를 들어 요망 전력이 10W인 태블릿 컴퓨터(태블릿)를 나타내고, 수전기(2B1)는 예를 들어 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터를 나타내고, 수전기(2C1)는 예를 들어 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타낸다. 또한, 요망 전력은, 예를 들어 각각의 수전기(2A1 내지 2C1)에 있어서의 충전지(이차 전지)를 충전하기 위한 전력에 상당한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 통상 태블릿(2A1)이나 스마트폰(2C1)의 이차 전지를 충전하는 경우, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer)의 USB(Universal Serial Bus) 단자(또는 전용 전원 등)(3A)에 대하여 전원 케이블(4A, 4C)을 개재하여 접속한다. 또한, 노트북 컴퓨터(2B1)의 이차 전지를 충전하는 경우, 예를 들어 전용 전원 장치(AC-DC Converter)(3B)에 대하여 전원 케이블(4B)을 개재하여 접속한다.
즉, 도 1a에 도시된 바와 같이, 휴대 가능한 수전기(2A1 내지 2C1)라도, 일반적으로 전원 케이블(4A 내지 4C)을 사용하여 USB 단자(3A)나 전원 장치(3B)로부터 와이어 접속에 의해 급전(유선 전력 전송)을 행하고 있다.
이 경우, 예를 들어 각 전원 케이블(4A 내지 4C)은, 커넥터를 개재하여 수전기(2A1 내지 2C1)에 접속되기 때문에, 커넥터의 끝에 접속된 수전기(접속 기기)를 커넥터마다 검지함으로써, 대수를 검지하고, 커넥터 형상에 의해 급전 전력을 고정할 수 있다. 또한, 요망 전력에 따른 전원 케이블의 접속을 유저가 행함으로써, 요망 전력을 인식하는 동시에, 각각의 접속 기기에 적절한 급전을 행하게 되어 있다.
그런데, 최근들어 전자기 유도로 대표되는 비접촉 급전 기술의 진보에 의해, 예를 들어 전기 면도기나 전동 칫솔 등에서 와이어리스 급전(무선 전력 전송)이 실용화되고 있다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 송전기(1A1)로부터, 태블릿(2A1), 노트북 컴퓨터(2B1) 및 스마트폰(2C1)에 대하여 무선 전력 전송하는 것을 생각할 수 있다.
도 2a는, 이차원 무선 전력 전송(이차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이며, 예를 들어 상술한 전기 면도기나 전동 칫솔 등과 마찬가지로, 전자기 유도에 의해 무선 전력 전송을 행하는 모습을 나타내고 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 전자기 유도를 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 경우에는, 비접촉 급전이라도 송전 거리가 짧기 때문에, 송전기(1A2)에 거의 접촉하고 있는 수전기만이 급전 가능하다.
즉, 송전기(수전대)(1A2) 위에 놓인 수전기(노트북 컴퓨터)(2B2)에 대해서는 급전할 수 있어도, 수전대(1A2)로부터 이격된 노트북 컴퓨터(2B3)에 대해서는 급전하는 것은 곤란하다. 이와 같이, 도 2a에 도시하는 무선 전력 전송 시스템은, 수전대(1A2) 위의 자유로운 배치를 가능하게 하는 이차원적인 와이어리스 급전 시스템이다.
도 2b는, 삼차원 무선 전력 전송(삼차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이며, 예를 들어 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 모습을 나타내고 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 경우에는, 송전기(1A2)로부터 소정 범위 내(도 2b에 있어서의 파선의 내측)에 존재하는 복수의 수전기에 대하여 급전하는 것이 가능하다.
즉, 송전기(1A3)로부터 소정 범위 내의 태블릿(2A2, 2A3), 노트북 컴퓨터(2B2, 2B3) 및 스마트폰(2C2)에 대하여 무선 전력 전송하는 것이 가능하다. 또한, 도 2b에서는, 1개의 송전기(1A3)만 도시되어 있지만, 복수의 송전기에 의해, 다양한 각도 및 위치의 복수의 수전기에 대하여, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하게 되어 있다.
이와 같이, 도 2b에 도시하는 무선 전력 전송 시스템은, 예를 들어 자계 공명을 이용함으로써, 전자기 유도를 이용한 것에 비하여 먼 곳의 공간에 있어서도 높은 송전 효율을 얻을 수 있는 삼차원적인 와이어리스 급전 시스템이다.
도 3은 무선 전력 전송(삼차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 도 3에 있어서, 참조 부호 1은 1차측(송전측: 송전기)을 나타내고, 2는 2차측(수전측: 수전기)을 나타낸다.
도 3에 도시된 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: 송전 코일)(11a)을 포함하고, 또한, 와이어리스 수전부(21)는 제3 코일(수전 공진 코일: 수전 코일)(21a) 및 제4 코일(전력 취출 코일)(21b)을 포함한다.
도 3에 도시된 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)로의 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)는, 송전기(1)의 통신 회로부(14)와 수전기(2)의 통신 회로부(24)에 의한 통신 거리(통신 범위)보다도 짧게 설정된다.
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 2.4GHz의 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 의 1/6 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 이용하여 전력의 전송을 행한다. 따라서, 전력 전송 범위(송전권)는, 전력 전송에 사용하는 주파수에 따라 변화한다.
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 배설된 송전 공진 코일(11a)에 대하여 전자기 유도를 이용하여 전력을 공급한다. 송전 공진 코일(11a)은, 수전 공진 코일(21a)과의 사이에 자장 공명을 발생시키는 송전 주파수에 의해 수전 공진 코일(21a)(수전기(2))에 전력을 전송한다.
수전 공진 코일(21a)은, 그 수전 공진 코일(21a)의 지근에 배설된 전력 취출 코일(제4 코일)(21b)에 대하여 전자기 유도를 이용하여 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, 혹은 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 개재하여 접속되고, 송전기(1)로부터 수전기(2)로의 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있도록, 다양한 제어를 행하게 되어 있다.
도 4a 내지 도 4c는, 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 4a 및 도 4b는, 3코일 구성의 예를 나타내고, 도 4c는 2코일 구성의 예를 나타낸다.
즉, 도 3에 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 반하여, 도 4a의 예에서는, 와이어리스 수전부(21)를 1개의 코일(수전 공진 코일: LC 공진기)(21a)로 하고, 도 4b의 예에서는, 와이어리스 송전부(11)를 1개의 코일(송전 공진 코일: LC 공진기)(11a)로 하고 있다.
또한, 도 4c의 예에서는, 와이어리스 수전부(21)를 1개의 수전 공진 코일(21a)로 설정함과 함께, 와이어리스 송전부(11)를 1개의 송전 공진 코일(11a)로 하고 있다. 또한, 도 4a 내지 도 4c는, 단순한 예이며, 다양하게 변형될 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
도 5a 내지 도 5d는, 독립 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 나타내는 회로도이며, 도 6a 내지 도 6d는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 나타내는 회로도이다.
여기서, 도 5a 내지 도 5d는, 도 3 및 도 4b에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응하고, 도 6a 내지 도 6d는, 도 4a 및 도 4c에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응한다.
도 5a 및 도 6a에 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 5b 및 도 6b에 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 5c 및 도 6c에 도시하는 예는, 도 5b 및 도 6b의 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 5d 및 도 6d에 도시하는 예는, 도 5b 및 도 6b의 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 5a 내지 도 5d 및 도 6a 내지 도 6d와 마찬가지로 할 수도 있지만, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)로서는, 통상 시에 동작하도록 하고, 고주파 전원부(12)의 출력으로 온/오프 제어해도 된다. 이 경우, 송전 공진 코일(11a)은, 도 5a 및 도 6a에 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 선택하여 동작 가능한 상태로 함으로써, 그 선택된 수전기(2)에 대한 전력의 전송(시분할 전력 전송)을 행하는 것이 가능해진다.
도 7a 내지 도 7c는, 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7a 내지 도 7c에 있어서, 참조 부호 1A 및 1B는 송전기를 나타내고, 참조 부호 2는 수전기를 나타낸다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 송전기(1A)의 자계 공명에 사용하는 송전용의 송전 공진 코일(11aA)과 송전기(1B)의 자계 공명에 사용하는 송전용의 송전 공진 코일(11aB)은, 예를 들어 직교하도록 배설되어 있다.
또한, 수전기(2)의 자계 공명에 사용하는 수전용의 수전 공진 코일(21a)은, 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)에 의해 둘러싸인 개소에서 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.
도 7b는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동일한 위상의 자계를 출력하고 있는 모습을 나타내고, 도 7c는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 반대의 위상 자계를 출력하고 있는 모습을 나타낸다.
예를 들어, 2개의 직교하는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동상 출력인 경우와 역상 출력인 경우를 비교하면, 합성 자계는 90° 회전된 관계가 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 변화하는 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 사이의 출력(강도 및 위상)을 조정한다.
또한, 삼차원 공간에 관해서도, 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 가능해지는 것이 이해될 것이다.
도 8a 내지 도 8c는, 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8a 내지 도 8c에서는, 설명을 간략화하기 위하여, 1개의 송전기(1A) 및 2개의 수전기(휴대 전화)(2A, 2A')만 도시되어 있지만, 송전기의 수 및 수전기의 수나 종류 등은 다양하게 변화할 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 즉, 도 8a에 도시된 바와 같이, 1개의 송전기(1A)에 의해, 2개의 수전기(2A, 2A')에 대한 와이어리스 급전을 행하는 경우를 상정한다.
먼저, 시분할 전력 전송에 의해 와이어리스 급전을 행할 때는, 도 8b의 좌측 도면에 도시된 바와 같이, 한쪽의 수전기(2A)에만 급전한 후, 도 8b의 우측 도면에 도시된 바와 같이, 다른 쪽의 수전기(2A)에만 급전한다. 또한, 수전기의 수가 더욱 많을 경우도 마찬가지이며, 시분할적으로 급전하는 수전기를 차례로 전환하며 와이어리스 급전을 행한다.
즉, 시분할 전력 전송은, 복수의 수전기가 있는 경우, 급전하는 대상이 되는 수전기를 순차 선택함으로써, 어느 순간에는 항상 송전기에 대하여 1개의 수전기가 대응하게 된다. 이때의 제어는, 예를 들어 송전기와 수전기가 일대일인 경우와 마찬가지로 할 수 있다. 단, 시분할한 결과, 급전(만충전)에 필요한 시간은, 수전기의 수만큼의 시간이 되기 때문에, 수전기가 2대라면 1대일 때의 2배의 시간을 요하게 된다.
이어서, 동시 전력 전송에 의해 와이어리스 급전을 행할 때는, 도 8c에 도시된 바와 같이, 1개의 송전기(1A)에 의해, 2개의 수전기(2A, 2A') 양쪽에 급전한다. 또한, 수전기의 수가 더욱 많을 경우도 마찬가지이며, 그들 복수의 수전기에 대하여 동시에 와이어리스 급전을 행한다.
이 동시 전력 전송은, 예를 들어 2대의 수전기가 있는 경우에는 그 2대의 수전기를 동시에 급전하기 때문에, 급전에 필요한 시간은, 동시 급전되는 수전기의 수와 관계없이, 1대분으로 족하기 때문에, 유저 장점을 생각하면 바람직한 급전 방법(무선 전력 전송 제어 방법)이라 할 수 있다.
단, 복수의 수전기를 동시 급전(동시 전력 전송)하기 위해서는, 수전기가 1대일 때와는 상이한 제어를 행하게 된다. 또한, 복수의 수전기에 대하여 동시 전력 전송을 행하는 경우, 송전 상한이나 효율 등의 문제가 있기 때문에, 항상 선택 가능한 것은 아니다. 또한, 수전기의 수가 다수인 경우, 일부의 복수의 수전기에 대하여 동시 전력 전송을 행하고, 다른 수전기에 대하여 시분할 전력 전송을 행하는 것도 생각할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 9a는 예를 들어 자계 공명을 이용하여, 1개의 송전기(1A)에 의해, 요망 전력이 상이한 2개의 수전기(2A, 2B)에 와이어리스 급전하는 모습을 나타낸다.
또한, 도 9b는 송전기(1A)(송전 공진 코일(11a))로부터, 수전기(2A)(수전 공진 코일(21aA)) 및 수전기(2B)(수전 공진 코일(21aB))에 와이어리스 급전하는 모습을 나타낸다. 도 9c는 수전기(2B)의 공진점을 어긋나게 하여(디튠하여), 전력 배분비를 제어하는 방법을 설명하기 위한 것이다.
또한, 수전기(2A)는, 예를 들어 요망 전력이 5W인 휴대 전화를 나타내고, 수전기(2B)는, 예를 들어 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터를 나타낸다. 또한, 설명을 간략화하기 위하여, 휴대 전화(2A)의 LC 공진기(와이어리스 수전부) 및 노트북 컴퓨터(2B)의 LC 공진기는, 동일한 사양의 것으로 한다. 또한, 도 9c에 있어서, 참조 부호 LL0는 전체 송전 효율을 나타내고, LLA는 휴대 전화(2A)의 수전 전력을 나타내고, LLB는 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력을 나타낸다.
그런데, 복수의 수전기에의 동시 와이어리스 급전을 행하는 경우 각각의 수전기에 있어서의 수전 전력량이 상이한 케이스가 다발한다고 생각되어진다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 요망 전력이 5W인 휴대 전화와 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터, 혹은 동일한 종류의 수전기라도, 배터리 잔량에 따라서는, 요망 전력이 상이한 케이스도 생각할 수 있다.
예를 들어, 수전기(2A, 2B)의 위치나 방향에 큰 차가 없는 경우, 동일한 사양의 수전 코일이 탑재되어 있을 때, 전력은 동등하게 분배된다. 구체적으로, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LA, 캐패시턴스를 CA로 하고, 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LB, 캐패시턴스를 CB로 한다.
이때, 도 9c에 있어서의 참조 부호 PP0로 나타낸 바와 같이, 그대로의 상태(공진점을 어긋나게 하지 않은 상태)에서는, L0C0=LACA=LBCB가 성립된다. 즉, 도 9b에 있어서의 각각의 공진 주파수는 f0=fA=fB의 관계가 성립된다.
그 때문에, 예를 들어 송전기(1A)로부터의 송전 전력이 68.75W이고 송전 효율이 80％라고 가정하면, 휴대 전화(2A) 및 노트북 컴퓨터(2B)는, 양쪽 모두 27.5W의 전력을 수취하게 된다.
즉, 도 9a에 도시된 바와 같이, 요망 전력이 10배 상이한 수전기(2A와 2B)라도, 예를 들어 55W의 요망 전력에 상당하는 출력을 송전기(1A)로부터 출력한 경우, 수전기(2A, 2B)측에서는, 각각 27.5W씩의 전력을 수전하는 결과가 된다.
이때, 휴대 전화(2A)의 요망 전력은 5W이고, 노트북 컴퓨터(2B)의 요망 전력은 50W이기 때문에, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 하여 수전 효율(ηip)을 저하시키도록 제어한다.
예를 들어, 도 9c의 화살표 MA로 나타낸 바와 같이, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일(21aA)에 있어서의 용량의 캐패시턴스 CA를, 수전 효율이 최대가 되는 수전 공진 코일의 공진점으로부터 어긋나게 하기 위하여, 작아지도록(또는 커지도록) 제어한다.
즉, 도 9c의 화살표 MA와 같이, 공진 조건을 의도적으로 어긋나게 함으로써(캐패시턴스 CA를 어긋나게 함으로써) Q값을 저하시키고, 휴대 전화(2A)의 수전 전력 LLA는, 공진점(P0)의 27.5W로부터 점차적으로 감소시켜, 예를 들어 요망 전력의 5W로 설정할 수 있다.
이때, 휴대 전화(2A)가 수전하지 않게 된 전력은, 그 대부분이 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력이 된다. 즉, 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력 LLB는, 휴대 전화(2A)의 수전 전력 LLA의 저하에 따라 상승하고, 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전체 송전 효율 LL0는 거의 저하되지 않는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 공진 조건을 바꿈으로써, 구체적으로는, 수전기(2A)의 공진용 콘덴서(용량)(212)의 용량값(캐패시턴스 CA)을 변화시킴으로써, 결합이 조정되어, 결과적으로, 수전 전력을 원하는 배분비로 제어하는 것이 가능해진다.
여기서, 중요한 것으로서, 공진 조건을 가변한 수전기(2A)의 효율은 저하되어 있어도, 시스템 전체의 송수전 효율은 거의 일정하게 유지하고 있으며, 수전기(2A)에 도달하고 있던 전력을 저감시킨 만큼, 수전기(2B)로의 전력이 증가한다. 그 결과, 수전기(2A, 2B)의 한쪽만의 단체 급전 시와 비교해도, 거의 동일한 효율로 전체(양쪽의 수전기(2A, 2B))에 송전하면서 수전 전력을 원하는 비로 분배(배분)할 수 있는 것을 알 수 있다.
그런데, 최근들어 복수의 송전기(송전 코일) 및 복수의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, kQ값을 이용하여 급전 제어를 행하는 것이 주목받고 있다. 구체적으로, 예를 들어 kQ값의 크기에 기초하여, 복수의 수전기에 대하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드와, 복수의 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드를 전환하여 무선 전력 전송을 행하는 연구가 이루어지고 있다.
또한, kQ값의 크기에 기초하여, 복수의 수전기를 그룹 분리하거나, 혹은 수전기(수전 공진 코일)의 공진점을 어긋나게 하여 디튠하는 것도 연구되고 있다. 또한, 무선 전력 전송 시스템에 있어서, kQ값을 이용한 다양한 제안이 이루어질 것으로 기대되고 있다.
여기서, kQ값(kQ)은 전자계(자계 또는 전계)의 결합의 정도를 나타내는 k값(k)과, 전자계의 손실의 정도를 나타내는 Q값(Q)의 곱이다. 또한, k값은, 그 값이 클수록 결합의 정도가 큰 것을 나타내고, 또한, Q값은, 그 값이 클수록 손실의 정도가 작은 것을 나타낸다.
즉, kQ는, 하기의 식 (1)에 의해 표현된다. 여기서, Q1은 송전기의 Q값을 나타내고, Q2는 수전기의 Q값을 나타낸다.
Figure pct00001
또한, k는 하기의 식 (2)에 의해 표현된다. 여기서, M12는 송전기와 수전기 사이의 상호 인덕턴스를 나타내고, L1은 송전기의 자기 인덕턴스, 그리고 L2는 수전기의 자기 인덕턴스를 나타낸다.
Figure pct00002
또한, Q는 하기의 식 (3)에 의해 표현된다. 여기서, ω은 각 진동수를 나타내고, R1은 송전기의 공진 코일의 손실, 그리고, R2는 수전기의 공진 코일의 손실을 나타낸다.
Figure pct00003
도 10은 kQ값이 적용되는 무선 전력 전송 시스템의 일례를 설명하기 위한 도면이며, kQ값의 크기에 따라 그룹 분리를 행하는 예를 나타내는 것이다. 또한, 도 10에서는 1개의 송전기(1A) 및 6개의 수전기(2A 내지 2F)를 나타내고 있지만, 이것은 단순한 예이며, 다양한 경우가 있을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
도 10에 도시된 바와 같이, 예를 들어 무선 전력 전송 시스템에 6개의 수전기(2A 내지 2F)가 포함되는 경우, 각 수전기(2A 내지 2F)의 kQ값(평가 지표)을 평가하고, kQ값에 의해 그룹 분리를 행한다. 먼저, 모든 수전기(2A 내지 2F)를, 각각 단체 평가한다.
예를 들어, 수전기(2A)를 평가할 때, 수전기(2A)만 온하고, 다른 수전기(2B 내지 2F)를 오프(예를 들어, 도 5a의 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 오프)한다. 그리고, 예를 들어 kQ값이 최대(kQmax1)가 되는 수전기(2B)를 기준으로 하여, 다른 수전기의 kQ값(kQother)에 관해서, kQother/kQmax1이 일정값 이상이면, 동일 그룹으로 한다. 구체적으로, 도 10에서는, kQ값이 kQ1 -1인 수전기(2F) 및 kQ값이 kQ1-2인 수전기(2C)가 제1 그룹 GP1로 되어 있다.
이어서, kQ값이 최대(kQmax1)가 되는 수전기(2B)를 포함하는 제1 그룹 GP1 이외의 수전기(2A, 2D, 2E)에 있어서, kQ값이 최대(kQmax2)가 되는 수전기(2A)를 기준으로 하여, 마찬가지로 그룹 분리를 행한다. 구체적으로, 도 10에서는 수전기(2A, 2D, 2E)가 제2 그룹 GP2로 되어 있다.
그리고, 분할된 그룹 GP1, GP2를 단위로 하여, 동일 그룹 내에서는, 예를 들어 동시 급전을 행한다. 또한, kQ값에 의해 그룹 분리된 수전기에 관해서, 예를 들어 역치 이하가 되는 그룹의 수전기에 대해서는, 시분할 급전을 행한다. 또한, 역치 이상이 되는 그룹의 수전기에 대하여, 동일 그룹 내의 급전에서는, 전력 분배를 조정(디튠)하여 동시 급전을 행할 수 있고, 상이한 그룹에 걸쳐진 수전기에 대해서는, 시분할 급전을 행하는 것이 바람직하다.
그런데, 일반적으로 와이어리스 송전 가능한 시스템의 요건으로서, 전력과 효율은 비례하는 관계가 바람직하다. 즉, 대전력을 송전하는 시스템에서는, 고효율이 요망되고, 또한 소전력을 송전하는 시스템에서는, 저효율이라도 허용할 수 있다. 이것은, 특히 로스가 결과적으로 발열이 되기 때문에, 방열의 문제를 생각하면 용이하게 이해할 수 있다.
즉, 대전력계에 있어서 효율이 낮은 경우에는, 방열해야 할 전력이 커지기 때문에, 시스템을 구축하는 것이 어려워지기 때문이다. 환언하면, 송전 전력에 따라, 허용 효율이 규정되어 있다고 생각할 수도 있다.
그러한 상황에서, kQ값이 상이한 복수의 수전기에 대한, 동시 급전할지, 혹은 시분할 급전할지를 검토하면, 송전 완료 시간을 우선하면, 동시 급전이 항상 바람직하다고 생각할 수 있지만, 상술한 바와 같이 허용할 수 있는 효율은 각 계에 따라 상이하다.
따라서, 허용 효율을 확보하면서, 동시 급전을 행할 수 있는 방법을 생각하는 것이 현실적이며, 본 실시예에서는 kQ값이 가까운 것을 그룹화하고, 그 그룹 내에서는 동시 급전을 우선하고, 그룹 밖에서는 시분할 급전을 우선하도록 되어 있다.
이것은, kQ값이 동일한(가까운) 것의 급전이면, Q값을 조금 가변함으로써 전력의 밸런스를 조정하는 것이 용이한 한편, kQ값이 크게 상이한 것의 동시 급전에서는, 밸런스 조정을 위하여 Q값을 크게 저하시키게 된다. 이것은, 결과적으로 전체의 효율 저하를 초래하게 된다.
일례로서, 노트북 컴퓨터군과 스마트폰군으로의 급전을 생각한다. 여기서, 노트북 컴퓨터군(노트북 컴퓨터)은, 예를 들어 30W의 급전을 요구하고(요망 전력이 30W이며), 그 전력의 크기 때문에 허용 최저 효율은 80％로 한다. 또한, 노트북 컴퓨터는, 사이즈가 크기 때문에 수전 코일을 크게 할 수 있어, kQ값을 크게 하는 것이 가능하다.
한편, 스마트폰군(스마트폰)은, 예를 들어 5W의 급전을 요구하고(요망 전력이 5W이며), 허용 효율은 40％로 한다. 또한, 스마트폰은, 사이즈가 작고, 위치가 보다 자유롭기 때문에, kQ값은 작게 억제되어 버린다.
이러한 2개의 군으로의 동시 급전을 행하면, kQ값이 상이한 그룹으로의 동시 급전이 되지만, 노트북 컴퓨터군으로의 급전만이 실행되어, 스마트폰군으로 전력이 도달하지 않게 된다.
이때, 예를 들어 Q값을 저하시켜 전력의 밸런스를 취할 수도 있지만, 그 경우에는, 전체의 효율이 저하되어 버려, 노트북 컴퓨터를 포함하는 급전의 효율이 낮아져, 예를 들어 허용 효율이 80％ 이하로 되어 버릴 수도 있다.
그로 인해, kQ값이 상이한 그룹으로의 동시 급전은 바람직하지 않은 것을 알 수 있다. 즉, kQ값(평가 지표)이 설정값 이상이 되는 수전기가 3개 이상 존재할 때, 그 kQ값의 크기에 기초하여 그룹 분리를 행하지만, 가까운 kQ값을 가진 수전기가 동일한 그룹이 되도록 그룹 분리를 행하는 것이 바람직하다.
여기서, kQ값에 따라 그룹 분리된 수전기에 관해서, 예를 들어 역치 이하가 되는 그룹의 수전기에 대해서는, 시분할 급전을 행하게 된다. 또한, 역치 이상이 되는 그룹의 수전기에 대하여, 동일 그룹 내의 급전에서는, 전력 분배를 조정하여 동시 급전을 행할 수 있고, 상이한 그룹에 걸쳐지는 수전기에 대해서는, 시분할 급전을 행하는 것이 바람직하다.
또한, 복수의 수전기를 kQ값에 따라 복수의 그룹으로 나누기 위한 역치로서는, 상정되는 무선 전력 전송 시스템의 규모나 사양에 따라 다양하게 변화시킬 수 있고, 그것에 따라, 그룹의 수나 각 그룹에 포함되는 수전기의 수도 변화하게 된다.
도 11은 무선 전력 전송 시스템의 일례를 나타내는 블록도이며, 2개의 송전기(1A, 1B) 및 2개의 수전기(2A, 2B)를 포함하는 예를 나타내는 것이다. 도 11에 도시된 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 발생시키는 것이며, 예를 들어 전술한 도 3에 있어서의 고주파 전원부(12)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 제어하고, 통신 회로부(14A, 14B)는, 각 송전기 및 수전기 사이의 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, SB로부터의 신호가 입력되어 있다. 또한, 송전기(1A) 및 송전기(1B)는, 예를 들어 1개의 송전기(1)에 설치한 2개의 송전부(11)로 해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
와이어리스 송전부(11A, 11B)는, 자계 공명이면 코일에 상당하고, 고주파 전원부(12A, 12B)로부터 공급되는 고주파 전력을 자계로 변환한다. 검출부 SA, SB는, 송전기(1A, 1B)의 상대 위치 관계나 수전기(2A, 2B)의 상대 위치 관계를 검출한다.
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, SB는 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 사이의 통신을 가능하게 함으로써, 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 통하여 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.
여기서, 송전기(1A, 1B)의 통신 회로부(14A, 14B) 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통한 통신에 의해, 동시 송전과 시분할 송전의 전환 및 동시 송전에 있어서의 전력 배분비 조정 등의 제어를 행한다.
구체적으로, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통하여, 각각의 수전기(2A, 2B)에 있어서의 Q값을, 무선 전력 전송의 제어를 행하는 마스터(예를 들어, 송전기(1A))에 통신으로 전달한다.
또한, 동시 급전을 행하는 경우, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2B)의 통신 회로부(24B)를 통하여, 수전기(2B)의 수전 공진 코일에 있어서의 용량의 캐패시턴스(CA)를 공진점으로부터 어긋나게 하여, 전력 배분비의 조정을 행한다. 구체적으로, 전술한 도 5a에 도시하는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 용량(212)의 캐패시턴스값을 제어하여, 수전기(2A, 2B)의 전력 배분비를 조정한다.
또한, 시분할 급전을 행하는 경우, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통하여, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 전환을 행한다.
구체적으로, 예를 들어 전술한 도 5a에 도시하는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 제어하여, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 스위치(213)만을 순서대로 온하도록 제어한다. 혹은, 예를 들어 전술한 도 5b에 도시하는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 제어하여, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 스위치(213)만을 순서대로 오프하도록 제어한다.
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, 혹은 전자기 유도나 전계 유도를 이용한 전력 전송 방식을 적용할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 송전기(송전 코일) 및 복수의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, kQ값을 이용하여 급전 제어를 행하는 것이 주목되어, 다양한 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각 수전기와의 k값, 따라서, kQ값을 고정밀도로 산출하는 유효한 제안이 이루어져 있지 않은 것이 실정이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 각 수전기와의 kQ값을 고정밀도로 산출하는 것은 어렵다.
이하, 수전기, 무선 전력 전송 시스템 및 kQ값 산출 방법의 실시예를, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 실시예는 적어도 1개의 송전기 및 적어도 1개의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 적용할 수 있다.
또한, 이하의 설명에서는, 1개의 수전기와의 kQ값을 구하는 예를 기재하지만, 무선 전력 전송 시스템이 복수의 수전기를 포함하는 경우에는 1개의 수전기만을 차례로 온하여 각각의 수전기와의 kQ값을 구하게 된다.
예를 들어, 도 11의 예에 있어서, 송전기(1A)(송전 제어부(13A))가 마스터로서 시스템 전체를 제어하는 경우, 수전기(2A)의 kQ값을 산출하기 위해서는, 수전기(2A)의 와이어리스 수전부(21A)를 동작 상태로 하고, 수전기(2B)의 와이어리스 수전부(21B)를 정지한다.
예를 들어, 수전기(2A, 2B)의 와이어리스 수전부(21A, 21B)가 모두, 전술한 도 5a에 도시하는 수전 공진 코일(21a)을 갖는 경우, 수전기(2A)에 있어서의 수전 공진 코일(21a)의 스위치(213)를 온하고, 수전기(2B)에 있어서의 스위치(213)를 오프하게 된다.
또한, 무선 전력 전송 시스템이 복수의 송전기를 포함하는 경우에는, 복수의 송전기에 대한 각각의 수전기와의 kQ값을 산출할 수도 있지만, 1개의 송전기만을 차례로 온하여, 각각의 송전기에 대한 각각의 수전기와의 kQ값을 구할 수도 있다. 이들은, 얻어진 kQ값의 적용, 혹은 kQ값에 기초한 다양한 제어에 따라 적절히 행하여진다.
또한, 각각의 수전기와의 kQ값이 얻어졌을 때, 예를 들어 각각의 수전기(수전 공진 코일)에 있어서의 자계(전계)의 손실의 정도를 나타내는 Q값이 기지의 경우에는, 자계(전계)의 결합의 정도를 나타내는 k값을 산출하고, 그 k값을 사용하여 다양한 제어를 행할 수도 있다.
도 12a 내지 도 12c는 본 실시예에 적용되는 kQ값을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 12a는 송전기(1)(송전 공진 코일(11a)) 및 수전기(2)(수전 공진 코일(21a))를 개념적으로 도시하는 도면이며, 예를 들어 전술한 도 4c에 도시하는 전송 코일의 예에 상당한다.
또한, 도 12b는, 도 12a에 있어서의 송전기(1) 및 수전기(2)의 등화 회로를 도시하는 도면이며, 도 12c는, RL/R2에 의한 효율(η)과 kQ값의 관계를 도시하는 도면이다. 또한, 전송 코일(와이어리스 송전부 및 와이어리스 수전부)은, 도 4c의 것에 한정되지 않고, 도 3, 도 4a 및 도 4b 등의 구성이어도 되는 것은 말할 필요도 없다.
1개의 송전기(1)(송전 공진 코일(11a))와 1개의 수전기(2)(수전 공진 코일(21a)) 사이의 자계(전계)에 의한 전력 전송은, 도 12a와 같이 생각할 수 있고, 이것은, 도 12b의 등화 회로에 의해 표현된다.
또한, 도 12b에 있어서, 참조 부호 R1 및 L1은 송전 공진 코일(11a)(코일)의 손실(저항값) 및 자기 인덕턴스를 나타내고, R2 및 L2는 수전 공진 코일(21a)(코일(211))의 저항값 및 자기 인덕턴스를 나타낸다. 또한, 참조 부호 RL은 급전 대상(배터리부(25))의 부하 저항을 나타내고, M은 송전 공진 코일(11a)과 수전 공진 코일(21a) 사이의 상호 인덕턴스를 나타낸다.
참조 부호 C1은 송전 공진 코일(11a)(용량)의 캐패시턴스를 나타내고, 참조 부호 C2는 수전 공진 코일(21a)(용량(212))의 캐패시턴스를 나타내고, 참조 부호 I1 및 I2는 송전 공진 코일(11a) 및 수전 공진 코일(21a)을 흐르는 전류를 나타내고, 참조 부호 E는 전원 회로(12)를 나타낸다.
전술한 바와 같이, kQ값, k값 및 송전기 및 수전기의 Q값(Q1, Q2)은, 하기의 식 (1) 내지 식 (3)에 의해 표현된다.
Figure pct00004
여기서, 수전 공진 코일(21a)(수전기(2))의 효율은 코일(211)의 저항값 R2뿐만 아니라, 급전 대상이 되는 부하 저항 RL에 따라 변화한다. 예를 들어, 수전기에 있어서, 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 코일(211)의 저항값 R2는 최소화를 목표로 설계되지만, 부하 저항 RL은, 예를 들어 이차 전지의 충전율 등에 따라 변화한다. 또한, 도 12c에 있어서, 효율 η은, 하기의 식 (4)에 의해 표현된다.
Figure pct00005
이어서, kQ값과 효율(η)의 관계가, 부하 저항 RL에 따라 크게 변화하는 것을, 도 12c를 참조하여 설명한다. 도 12c에 있어서, 곡선 LLh는, 코일(211)의 저항값 R2와 부하 저항 RL의 비율이 항상 최적인 경우(이상 효율, 최대 효율)의 특성을 나타내고, 또한, LLi는 RL/R2=1일 때, LLj는 RL/R2=10일 때, LLk는 RL/R2=100일 때 특성을 나타낸다.
도 12c로부터 명백해진 바와 같이, RL/R2의 값에 따라 kQ값과 효율의 관계가 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 여기서, 에너지 손실의 정도를 나타내는 Q값에 관해서, 예를 들어 송전 공진 코일(11a)에 있어서의 ω 및 L1 및 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 ω 및 L2는 통상 불변으로 간주할 수 있다.
도 13은 제1 실시예의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 블록도이다. 여기서, 도 13에서는, 1개의 송전기(1) 및 1개의 수전기(2)만이 도시되어 있지만, 전술한 바와 같이, 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템은, 복수의 송전기 및 복수의 수전기를 포함해도 된다.
또한, 시스템에 복수의 수전기가 포함되어 있는 경우에는, 예를 들어 1개의 수전기만을 차례로 온하여 각각의 수전기와의 kQ값을 구한다. 또한, 시스템에 복수의 송전기가 포함되어 있는 경우에는, 복수의 송전기에 대한 각각의 수전기와의 kQ값을 산출하거나, 혹은, 1개의 송전기만을 차례로 온하여, 각각의 송전기에 대한 각각의 수전기와의 kQ값을 구한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 송전기(1)는 송전 공진 코일(11a)(와이어리스 송전부(11)), 송전 제어부(메모리를 포함함)(13), 통신 회로부(14), 증폭기(15) 및 정합 회로(16)를 포함한다.
송전 제어부(13)는 예를 들어 송전 공진 코일(11a)의 전압 전류 입력 파형 Fc를 수취하고, 증폭기 제어 신호 Sa에 의해 증폭기(15)의 출력을 제어하고, 정합 회로(16)를 통하여 송전 공진 코일(11a)을 구동한다.
여기서, 송전 제어부(13)는 송전 공진 코일(11a)의 전압 전류 입력 파형 Fc를 수취하여 송전 전력 P1을 검출하게 되어 있다. 또한, 송전 제어부(13)에는 메모리가 설치되어 있어, 예를 들어 송전 공진 코일(11a)의 코일에 있어서의 손실 Q1을 미리 기억해 두도록 되어 있다.
수전기(2)는 수전 공진 코일(21a)(와이어리스 수전부(21: 수전 코일), 정류 회로(22a), DC/DC 컨버터(22b), 수전 제어부(메모리를 포함함)(23), 통신 회로부(24), 이차 전지(25), 스위치(26) 및 전력 검출용 저항(27)을 포함한다. 여기서, DC/DC 컨버터(22b) 및 이차 전지(25)는 수전 코일(21, 21a)로부터의 전력을 사용하는 내부 회로에 상당한다.
스위치(26)는 수전 제어부(23)로부터의 전환 제어 신호 Ss에 따라, 수전 공진 코일(21a) 및 정류 회로(22a)를 통하여 취출한 직류의 수전 전압 Vr을, 전력 검출용 저항(부하 저항)(27)과 DC/DC 컨버터(22b)로 전환 가능하게 하여 인가한다. 또한, 부하 저항(27)은, 수전 제어부(23)로부터의 저항값 제어 신호 Sr에 의해 저항값이 제어되는 가변 저항으로 되어 있다.
수전 제어부(23)는 정류 회로(22a)로부터의 수전 전압 Vr을 수취하고, 예를 들어 스위치 제어 신호 Ss에 의해 스위치(26)를 제어하여 수전 전압 Vr을 부하 저항(27)에 인가하고, 그 부하 저항(27)의 저항값 RL에 의한 수전 전력 P2를 검출한다.
또한, 도 13(및 도 14)에 있어서, 스위치(26) 및 부하 저항(27)은, 정류 회로(22a)의 후단에 설치되고, 정류된 직류의 수전 전압 Vr 및 부하 저항(27)의 저항값 RL로부터 수전 전력 P2를 검출하고 있지만, 정류 회로(22a)의 전단에 설치할 수도 있다.
즉, 후술하는 도 15의 제3 실시예와 같이, 수전 공진 코일(21a)에 의한 교류의 수전 전압 Vr' 및 부하 저항(27)의 저항값 RL로부터 수전 전력 P2를 검출하는 것도 가능하다.
이에 의해, 수전 제어부(23)는 부하 저항(27)의 저항값 RL과 수전 공진 코일(21a)(코일(211))의 저항값 R2의 저항비 RL/R2 및 수전 전력 P2를 얻을 수 있고, 이 수전 전력의 검출 정보를, 통신에 의해 송전 제어부(13)로 전달한다. 또한, 수전 제어부(23)에는 메모리가 설치되어 있어, 예를 들어 수전 공진 코일(21a)의 코일(211)에 있어서의 손실 Q2를 미리 기억해 두도록 되어 있다.
또한, 수전기(2)(수전 제어부(23))로부터 송전기(1)(송전 제어부(13))로의 수전 전력의 검출 정보로서, 예를 들어 수전 전압 Vr, 저항비 RL/R2 및 손실 Q2를 그대로 송전 제어부(13)로 전달하여, 송전 제어부(13)에서 수전 전력 P2 등의 산출을 행해도 된다.
혹은, 수전기(2)(수전 제어부(23))가, 통신을 통하여 송전기(1)(송전 제어부(13))로부터 송전 전력 P1 및 송전 공진 코일(11a)의 손실 Q1 등의 정보를 수취하여, kQ값(k값)을 산출하는 것도 가능하다.
여기서, 수전 제어부(23)로부터의 저항값 제어 신호 Sr에 의한, 부하 저항(27)의 저항값 RL의 제어는, 도 12c의 각 특성 곡선으로부터 명백해진 바와 같이, RL/R2가 작은, 즉, 부하 저항(27)의 저항값 RL이 작은 값으로부터 큰 값으로 변화되도록 제어하는 것이 저효율 시에 있어서의 검출 정밀도를 확보하는 데 있어서 바람직하다.
수전 제어부(23)는 통신(수전기측의 통신 회로부(24) 및 송전기측의 통신 회로부(14))을 통하여, 예를 들어 송전 제어부(13)로부터 송전 조건(급전 타이밍 정보)을 수취하고, 송전 제어부(13)에 대하여, 소정의 RL/R2에 대한 수전 전력 P2 및 손실 Q2를 전달한다.
이에 의해, 예를 들어 무선 전력 전송 시스템의 마스터로서 전체를 제어하는 송전 제어부(13)는 송전 공진 코일(11a)의 코일의 손실 Q1, 송전 전력 P1, 수전 공진 코일(21a)의 코일의 손실 Q2 및 RL/R2의 값을 인식할 수 있다.
따라서, 송전 제어부(13)는 송전기(1)의 송전 전력 P1, 수전기(2)에 있어서의 RL/R2의 값 및 수전기(2)의 수전 전력 P2를 인식함으로써, 저항비 RL/R2와 측정 효율(P2/P1)로부터 수전기(2)의 kQ값을 식 (4)에 기초하여 추정하는 것이 가능해진다.
즉, 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 설명한 식 (4)에 대하여, 구한 측정 효율(P2/P1)을 효율 η로서 적용하고, 또한, 구한 저항비 RL/R2를 RL/R2로서, 또한, 그 역수를 R2/RL로서 적용함으로써, kQ값을 산출(추정)할 수 있다. 즉, 제1 실시예에 의하면, 수전기에 있어서의 kQ값의 산출 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다. 이 kQ값의 산출 정밀도를 향상시키는 것은, 이하의 제2 및 제3 실시예에서도 마찬가지의 효과로서 얻어진다.
또한, 송전 제어부(13)의 메모리에 기억된 Q1 및 수전 제어부(23)의 메모리에 기억된 Q2로부터 Q값을 구할 수 있으므로, kQ값을 산출할 수 있으면, k값을 산출하는 것도 가능해진다.
또한, 수전 공진 코일(21a)의 코일의 손실 Q2의 값은, 수전 제어부(23)로부터 통신을 통하여 송전 제어부(13)로 전달하지 않고, 예를 들어 수전기의 종류나 형식(model) 번호를 나타내는 정보로부터 Q2의 값을 참조할 수 있는 테이블을 미리 송전기측에 설치해 둘 수도 있다.
이상의 처리는, 예를 들어 송전기(1)로부터 송전되는 전력에 의해 수전기(2)에 있어서의 이차 전지(25)의 충전을 행하는 본 송전 전에, 송전기(1)로부터 소전력을 송전하여 행하는 테스트 송전에 있어서 실시할 수 있다.
도 14는 제2 실시예의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 수전기를 설명하기 위한 블록도이다. 도 14와 상술한 도 13의 비교로부터 명백해진 바와 같이, 제2 실시예에 있어서의 수전기는, 제1 실시예에 있어서의 수전기와, 스위치(26') 및 부하 저항(27')의 구성이 상이하다.
즉, 제1 실시예에서는, 부하 저항(27)이, 수전 제어부(23)로부터의 저항값 제어 신호 Sr에 의해 저항값이 제어되는 가변 저항으로 되어 있는 것에 반하여, 제2 실시예에서는, 부하 저항(27')이, 복수(도 14에서는 3개)의 저항 소자 RL1 내지 RL3을 포함하고 있다.
즉, 제1 실시예의 수전기에서는, 부하 저항(27)이, 수전 제어부(23)로부터의 저항값 제어 신호 Sr에 의해 저항값이 제어되는 가변 저항으로 되어 있다. 이에 반하여, 제2 실시예의 수전기에서는, 부하 저항(27')이 복수의 저항 소자 RL1 내지 RL3을 포함하고, 그 저항 소자의 1개가, 수전 제어부(23)로부터의 스위치 제어 신호 Ss'에 따라 동작하는 스위치(26')에 의해 선택되도록 되어 있다.
즉, 스위치(26')는 수전 제어부(23)로부터의 스위치 제어 신호 Ss'에 따라, 수전 전압 Vr을 부하 저항(27')에 있어서의 어느 한 쪽의 저항 소자 RL1 내지 RL3, 혹은 DC/DC 컨버터(22b)로 전환 가능하게 하여 인가한다.
여기서, 각 저항 소자 RL1 내지 RL3의 저항값으로서는, 예를 들어 도 12c에 도시된 바와 같이, 저항비 RL/R2의 값이 1, 10, 100 정도가 되도록 설정할 수 있다. 또한, 부하 저항(27')에 설치하는 저항 소자의 수 및 각 저항 소자의 설정값 등은, 다양하게 설정할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
도 15는 제3 실시예의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 수전기를 설명하기 위한 블록도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 있어서의 수전기는, 와이어리스 수전부(21)가 수전 공진 코일(21a) 및 전력 취출 코일(21b)을 포함한다. 즉, 수전 공진 코일(21a) 및 전력 취출 코일(21b)은 수전 코일(와이어리스 수전부(21))에 상당한다.
이것은, 예를 들어 전술한 도 3 및 도 4b에 도시하는 수전기의 와이어리스 수전부(21)와 마찬가지이며, 수전 공진 코일(21a)은 그 수전 공진 코일(21a)의 지근에 배설된 전력 취출 코일(21b)에 대하여 전자기 유도를 이용하여 전력을 공급한다.
수전 공진 코일(21a)에는 스위치(26) 및 부하 저항(27)이 설치되고, 예를 들어 테스트 송전 시에 스위치(26)를 전환하여, 수전 공진 코일(21a)에 의한 교류의 수전 전압 Vr'을 부하 저항(27)에 인가한다.
또한, 스위치(26)를 제어하는 수전 제어부(23)로부터의 전환 제어 신호 Ss 및 부하 저항(27)의 저항값 RL을 제어하는 저항값 제어 신호 Sr은, 도 13을 참조하여 설명한 것과 마찬가지이다.
단, 제3 실시예의 수전기에 있어서, 수전 제어부(23)는 수전 공진 코일(21a)로부터의 교류의 수전 전압 Vr' 및 부하 저항(27)의 저항값 RL로부터 수전 전력 P2를 검출하게 된다.
그리고, 전력 취출 코일(21b)에는 정류 회로(22a)가 접속되어, 정류 회로(22a)를 통하여 취출된 직류의 수전 전압 Vr은 스위치(26")를 통하여 DC/DC 컨버터(22b)에 인가되도록 되어 있다.
여기서, 스위치(26 및 26")는 수전 제어부(23)로부터의 전환 제어 신호 Ss 및 Ss"에 의해, 스위칭의 타이밍이 동기하도록 제어되어 있다. 즉, 스위치(26)에 의해, 수전 공진 코일(21a)에 의한 교류의 수전 전압 Vr'이 부하 저항(27)에 인가될 때, 스위치(26")에 의해, 정류 회로(22a)에 의한 직류의 수전 전압 Vr이 DC/DC 컨버터(22b)에 인가되지 않도록 되어 있다.
환언하면, 예를 들어 테스트 송전 시에 있어서, 수전 제어부(23)는 스위치(26) 및 부하 저항(27)의 저항값 RL을 제어하여, 교류의 수전 전압 Vr' 및 저항값 RL(저항비 RL/R2)로부터 수전 전력 P2를 산출한다.
이때, 수전 제어부(23)는 스위치(26")를 제어하여, DC/DC 컨버터(22b)의 입력이 고임피던스 상태가 되도록 제어한다. 이 테스트 송전에 의해 수전 제어부(23)는 수전 전력 P2를 산출하고, 그 산출된 수전 전력 P2를, 통신을 통하여 RL/R2 등의 정보와 함께 송전기(1)의 송전 제어부(13)로 전달한다.
그리고, 본 송전을 행하는 경우, 수전 제어부(23)는 스위치(26)를 제어하여 부하 저항(27)을 수전 공진 코일(21a)로부터 분리함과 함께, 스위치(26")를 제어하여 정류 회로(22a)로부터의 수전 전압 Vr이 DC/DC 컨버터(22b)에 인가되도록 한다.
제3 실시예에 있어서, 스위치(26) 및 부하 저항(27)은, 예를 들어 도 14를 참조하여 설명한 제2 실시예와 동일한 구성을 갖는 스위치(26') 및 복수의 저항 소자 RL1 내지 RL3을 포함하는 부하 저항(27')으로 할 수도 있다.
도 16은 본 실시예의 kQ값 산출 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다. 도 16에 있어서, 송전기측의 처리를 스텝 ST11 내지 ST19에 나타내고, 수전기측의 처리를 스텝 ST21 내지 ST27에 나타낸다.
도 16에 도시된 바와 같이 kQ값 산출 처리가 개시되면, 송전기(1)에 있어서, 스텝 ST11에서 테스트 송전을 설정하고, 스텝 ST12로 진행하여, 테스트 송전을 통지하고, 스텝 ST13으로 진행하여, 테스트 송전을 개시한다. 여기서, 테스트 송전은, 송전기(1)로부터 테스트를 위한 비교적 소전력의 송전을 행하게 된다.
또한, 송전기(1)에서는, 스텝 ST14에 있어서, 송전 전력 P1을 검출한다. 즉, 송전기(1)에 있어서, 송전 제어부(13)는 송전 공진 코일(11a)의 전압 전류 입력 파형 Fc를 수취하여 송전 전력 P1을 검출할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 스텝 ST15로 진행하여, 수전기(2)로부터의 통지가 있었는지 여부를 판정, 즉 수전기(2)로부터의 통지가 있을 때까지 기다리고, 수전기(2)로부터의 통지가 있었다고 판정하면, 스텝 ST16으로 진행한다.
한편, 수전기(2)에서는, 송전기(1)의 스텝 ST12에 있어서의 테스트 송전 통지를 받아, 스텝 ST21에 있어서, 테스트 송전을 설정한다. 즉, 수전기(2)에 있어서, 예를 들어 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신에 의해서나, 혹은 송전기(1)로부터의 테스트 송전용 전력을 수신하고, 스위치(26)는 DC/DC 컨버터(22b)로부터 부하 저항(전력 검출용 저항)(27)으로의 접속 전환을 행한다.
구체적으로, 수전 제어부(23)로부터의 스위치 제어 신호 Ss에 따른 스위치(26)의 전환에 의해, 수전 공진 코일(21a) 및 정류 회로(22a)를 통하여 취출한 수전 전압 Vr은 부하 저항(27)에 인가된다. 이때, 부하 저항(27)의 저항값(RL)은 수전 제어부(23)로부터의 저항 제어 신호 Sr에 의해, 예를 들어 작은 값으로부터 큰 값으로 변화되도록 가변 제어된다.
또한, 스텝 ST22로 진행하여, 수전 전압 Vr을 검출했는지 여부를 판정하여, 수전 전압 Vr을 검출했다고 판정하면, 스텝 ST23으로 진행하여, 수전 전력 P2 및 저항비(RL/R2)를 통신(통신 회로부(24, 13))에 의해 송전기(1)로 전달한다. 즉, 수전 제어부(23)는 가변 제어한 부하 저항(27)의 저항값(RL)을 인식하고 있으므로, RL/R2의 값 및 수전 전력 P2를 산출하고, 통신에 의해 송전기(1)의 송전 제어부(13)에 통지할 수 있다.
송전기(1)에서는, 이 수전기(2)로부터의 통지를 수취하면, 스텝 ST16에 있어서, kQ값의 연산을 행한다. 즉, 송전기(1)의 송전 제어부(13)는 송전기(1)의 송전 전력 P1, 수전기(2)에 있어서의 RL/R2의 값 및 수전기(2)의 수전 전력 P2를 알 수 있기 때문에, 저항비 RL/R2와 측정 효율(P2/P1)로부터 수전기(2)의 kQ값의 연산을 행할 수 있다.
구체적으로, 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 설명한 식 (4)에 대하여, 구한 측정 효율(P2/P1)을 효율 η로서 적용하고, 또한, 구한 저항비 RL/R2를 RL/R2로서, 또한, 그 역수를 R2/RL로서 적용함으로써, kQ값을 산출할 수 있다.
또한, 수전기(2)와의 kQ값이 구해지면, 송전 제어부(13)의 메모리에 기억된 Q1 및 수전 제어부(23)의 메모리에 기억된 Q2로부터 Q값을 알 수 있기 때문에, k값을 연산할 수도 있다. 여기서, kQ값 또는 k값은 논리식을 사용하여 산출할 수도 있지만, 예를 들어 미리 테이블을 준비해 두고, 그 테이블을 이용하여 구하는 것도 가능하다.
또한, 송전기(1)에서는, 스텝 ST17로 진행하여, 검출 정밀도가 허용 범위인지 여부를 판정하여, 검출 정밀도가 허용 범위가 아니라고(검출 정밀도 NG: No Good) 판정하면, 스텝 ST14로 되돌아가 마찬가지의 처리를 반복하여, 재차 수전기(2)에 통지한다.
즉, 수전기(2)에서는, 스텝 ST24에 있어서, 본 송전의 통지가 아니라고 판정하고, 스텝 ST25로 진행한다. 스텝 ST25에서는, 검출 정밀도 NG의 통지라고 판정하고, 스텝 ST26으로 진행하여, 부하 저항(27)의 저항값 RL을, 예를 들어 보다 큰 값으로 전환하거나, 혹은 가변 제어하고, 스텝 ST22로 되돌아가 마찬가지의 처리를 반복한다.
한편, 송전기(1)의 스텝 ST17에 있어서, 검출 정밀도가 허용 범위 내(검출 정밀도 OK)라고 판정하면, 스텝 ST19로 진행하여, 본 송전의 설정/통지/개시를 행하여 처리를 종료한다. 즉, 송전기(1)는 실제로 수전기(2)의 이차 전지(25)를 충전하기 위한 본 송전을 개시하고, 그 본 송전의 통지를, 예를 들어 통신을 통하여 수전기(2)에 전달한다.
이것을 받아, 수전기(2)에서는, 스텝 ST24에 있어서, 본 송전 통지가 있었다고 판정하고, 스텝 ST27로 진행하여, 본 송전용의 설정을 행한다. 즉, 수전기(2)에 있어서, 예를 들어 통신에 의해, 혹은, 송전기(1)로부터의 본 송전용 전력을 수신하여, 스위치(26)는 부하 저항(27)으로부터 DC/DC 컨버터(22b)로의 접속 전환을 행한다.
구체적으로, 수전 제어부(23)로부터의 스위치 제어 신호 Ss에 따른 스위치(26)의 전환에 의해, 수전 공진 코일(21a) 및 정류 회로(22a)를 통하여 취출한 수전 전압 Vr은 DC/DC 컨버터(22b)에 인가된다.
또한, 전술한 바와 같이, 예를 들어 무선 전력 전송 시스템이 복수의 수전기를 포함하는 경우에는, 1개의 수전기만을 차례로 온하여 테스트 송전을 행하여, 각각의 수전기와의 kQ값을 구하게 된다. 또한, 예를 들어 미리 Q1값 및 Q2값을 알고 있으면, Q값을 구할 수 있어, k값을 산출하는 것이 가능하다. 그리고, 산출된 복수의 수전기와의 kQ값 또는 k값은, 급전 방식의 선택이나 복수의 수전기의 그룹화를 비롯하여, 다양한 제어에 이용할 수 있는 것은 전술한 바와 같다.
여기에 기재되어 있는 모든 예 및 조건적인 용어는, 독자가, 본 발명과 기술의 진전을 위하여 발명자에 의해 부여되는 개념을 이해할 때의 도움이 되도록, 교육적인 목적을 의도한 것이다.
또한, 구체적으로 기재되어 있는 상기한 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 일탈하지 않고, 다양한 변경, 치환 및 수정을 이것에 가하는 것이 가능하다고 이해해야 한다.
1: 송전기(1차측: 송전측)
1A 내지 1D, 1A 1 내지 1A3: 송전기
2: 수전기(2차측: 수전측)
2A 내지 2F, 2A1 내지 2A3, 2B1 내지 2B3, 2C1, 2C2: 수전기
10A, 10B: 외부 전원
11, 11A, 11B: 와이어리스 송전부
11a, 11aA, 11aB, 11a1, 11a2: 송전 공진 코일(제2 코일: LC 공진기)
11b: 전력 공급 코일(제1 코일)
12, 12A, 12B: 고주파 전원부
13, 13A, 13B: 송전 제어부
14, 14A, 14B: 통신 회로부(제1 통신 회로부)
21, 21A, 21B: 와이어리스 수전부
21a: 수전 공진 코일(제3 코일: LC 공진기)
21b: 전력 취출 코일(제4 코일)
22, 22A, 22B: 수전 회로부(정류부)
23, 23A, 23B: 수전 제어부
24: 통신 회로부(제2 통신 회로부)
25, 25A, 25B: 배터리부(기기 본체, 부하)
26, 26', 26": 스위치
27, 27': 전력 검출용 저항(부하 저항)

Claims (15)

  1. 적어도 1개의 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해 수취하는 수전기로서,
    상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하는 수전 코일과,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하는 내부 회로와,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 검출하는 전력 검출용 저항과,
    상기 수전 코일에 의한 수전 전압을, 상기 전력 검출용 저항으로 전환하여 인가하는 스위치와,
    상기 전력 검출용 저항 및 상기 스위치를 제어하는 수전 제어부와,
    상기 송전기와의 사이에서, 수전 전력의 검출 정보 및 급전 타이밍 정보를 포함하는 통신을 행하는 통신 회로부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 수전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수전 제어부는,
    상기 전력 검출용 저항의 저항값을 제어하여, 상기 수전 코일의 저항값과 상기 전력 검출용 저항의 저항값의 저항비 및 상기 수전 코일에 의한 수전 전압으로부터, 상기 수전 전력을 산출하고,
    산출된 상기 수전 전력의 검출 정보를, 상기 통신 회로부를 통하여 상기 송신 회로로 전달하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스위치는, 상기 수전 코일에 의한 수전 전압을, 상기 전력 검출용 저항 및 상기 내부 회로로 전환하여 인가하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전력 검출용 저항은, 상기 수전 제어부에 의해 저항값이 가변 제어되는 가변 저항이며,
    상기 스위치는, 수전 코일을, 상기 전력 검출용 저항과 상기 내부 회로로 전환하여 접속하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전력 검출용 저항은 복수의 저항 소자를 포함하고,
    상기 스위치는 복수의 상기 저항 소자 중 어느 하나와, 상기 내부 회로를 전환하여 접속하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수전 코일은,
    상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하는 수전 공진 코일과,
    상기 수전 공진 코일로부터의 전력을, 전자기 유도를 이용하여 수취하는 전력 취출 코일을 포함하고,
    상기 스위치는,
    상기 수전 공진 코일에 의한 제1 수전 전압을, 상기 전력 검출용 저항으로 전환하여 인가하는 제1 스위치와,
    상기 전력 취출 코일에 의한 제2 수전 전압을, 상기 내부 회로로 전환하여 인가하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수전 제어부는,
    상기 수전 코일의 손실을 기억하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 회로는 이차 전지를 포함하고,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하여 상기 이차 전지를 충전하는 것을 특징으로 하는 수전기.
  9. 적어도 1개의 송전기 및 상기 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해 수취하는 적어도 1개의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    상기 수전기는,
    상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하는 수전 코일과,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하는 내부 회로와,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 검출하는 전력 검출용 저항과,
    상기 수전 코일에 의한 수전 전압을, 상기 전력 검출용 저항으로 전환하여 인가하는 스위치와,
    상기 전력 검출용 저항 및 상기 스위치를 제어하는 수전 제어부와,
    상기 송전기와의 사이에서, 수전 전력의 검출 정보 및 급전 타이밍 정보를 포함하는 통신을 행하는 제1 통신 회로부를 갖고,
    상기 송전기는,
    상기 수전기에 대하여, 전력을 무선에 의해 전송하는 송전 코일과,
    상기 수전기에 대한 송전 전력 및 상기 수전기로부터의 상기 검출 정보에 기초하여, kQ값을 산출하는 송전 제어부와,
    상기 수전기와의 사이에서, 상기 검출 정보 및 상기 급전 타이밍 정보를 포함하는 통신을 행하는 제2 통신 회로부를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 수전기는, 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 수전기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 송전 제어부는,
    상기 송전 코일의 손실을 기억하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  12. 적어도 1개의 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해 수취하는 수전기의 kQ값을, 상기 송전기와 상기 수전기의 사이에 있어서의, 자계 또는 전계의 결합 정도를 나타내는 k값과, 자계 또는 전계의 손실 정도를 나타내는 Q값의 곱으로서 구하는 kQ값 산출 방법으로서,
    상기 수전기는,
    상기 송전기로부터의 전력을 무선에 의해 수취하는 수전 코일과,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 사용하는 내부 회로와,
    상기 수전 코일에 의한 전력을 검출하는 전력 검출용 저항을 갖고,
    상기 전력 검출용 저항의 저항값을 제어하여, 상기 수전 코일의 저항값과 상기 전력 검출용 저항의 저항값의 저항비 및 상기 수전 코일에 의한 수전 전압으로부터, 수전 전력을 산출하고,
    상기 송전기로부터 출력하는 송전 전력과 상기 수전 전력으로부터 측정 효율을 산출하고,
    상기 저항비 및 상기 측정 효율로부터, 상기 수전기의 kQ값을 산출하는 것을 특징으로 하는 kQ값 산출 방법.
  13. 제12항에 있어서, 또한,
    상기 수전기에 있어서의 상기 수전 코일의 손실 및 상기 송전기에 있어서의 송전 코일의 손실로부터 상기 Q값을 산출하고,
    산출된 상기 kQ값으로부터 k값을 산출하는 것을 특징으로 하는 kQ값 산출 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 kQ값의 산출은, 상기 송전기로부터 소전력을 송전하여 행하는 테스트 송전에 있어서 행하여지는 것을 특징으로 하는 kQ값 산출 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 kQ값의 산출은, 상기 송전기에 있어서 행하여지는 것을 특징으로 하는 kQ값 산출 방법.
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