KR20160145152A - 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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아끼요시 우찌다
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후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

복수의 송전 코일 및 복수의 수전기를 포함하고, 복수의 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 적어도 2개의 상기 수전기에 동시에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법이며, 복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하고, 상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출하고, 상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기를 선택하고, 상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어한다.

Description

무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템{WIRELESS POWER TRANSMISSION CONTROL METHOD AND WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 출원에서 언급하는 실시예는, 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 전원 공급이나 충전을 행하기 위해서, 무선으로 전력을 전송하는 기술이 주목받고 있다. 예를 들어, 휴대 단말기나 노트북 컴퓨터를 비롯한 여러 가지 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.
그리고, 최근 들어, 송전기와 수전기의 거리를 어느 정도 이격하면서, 복수의 수전기에 대한 전력 전송 및 수전기의 삼차원적인 여러 가지 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, 여러 가지 제안이 이루어져 있다.
일본 특허 공개 제2005-110399호 공보 일본 특허 공개 제2012-034454호 공보 일본 특허 공개 제2013-034367호 공보 국제 공개 제2013/035873호 팸플릿
우치다 아키라요시 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, 여러 가지 방법이 연구 개발되고 있다.
즉, 복수의 송전기(송전 코일) 및 복수의 수전기를 포함하고, 복수의 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 각각의 수전기에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법으로서, 여러 가지 방법이 연구 개발되고 있다.
예를 들어, 각각의 수전기의 송전 효율에 기초하여, 특정한 수전기에 대해서만 전력을 전송하는 방법, 복수의 송전기를 제어하고, 자계 또는 전계의 방향을 변화시켜서, 수전기에 대하여 전력을 전송하는 방법이 제안되어 있다.
또한, 전력을 수취하는 적어도 2개의 수전기에 있어서, 전체적인 송전 효율을 유지하면서, 적어도 하나의 수전기의 수전 전력을 저하시켜서, 적어도 2개의 수전기에 대하여 전력을 전송하는 방법도 제안되어 있다.
그러나, 복수의 송전 코일로부터의 전력을 각각의 수전기에 전송하기 위해서는, 예를 들어 각 수전기가 요망하는 전력의 크기, 또는, 각 수전기의 위치나 방향과 같은 여러 가지 요인이 있기 때문에, 무선 전력 전송 시스템의 송전 효율은 충분한 것이라고는 말할 수 없었다.
일 실시 형태에 의하면, 복수의 송전 코일 및 복수의 수전기를 포함하고, 복수의 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 적어도 2개의 상기 수전기에 동시에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법이 제공된다.
먼저, 복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하고, 이어서 상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출한다. 그리고, 상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기를 선택하고, 상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어한다.
개시하는 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템은, 시스템 전체의 송전 효율을 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 도시하는 회로도(그 1)이다.
도 5b는, 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 2)이다.
도 5c는, 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 3)이다.
도 5d는, 독립 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 4)이다.
도 6a는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 1)이다.
도 6b는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 2)이다.
도 6c는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 회로도(그 3)이다.
도 6d는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 도시하는 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 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 8b는, 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 8c는, 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 9a는, 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는, 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 10b는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 10c는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 10d는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면(그 4)이다.
도 10e는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면(그 5)이다.
도 11a는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 11b는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 11c는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 11d는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면(그 4)이다.
도 11e는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면(그 5)이다.
도 12a는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 1)이다.
도 12b는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 2)이다.
도 12c는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 3)이다.
도 12d는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 4)이다.
도 12e는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 5)이다.
도 12f는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 6)이다.
도 12g는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 7)이다.
도 12h는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 8)이다.
도 12i는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면(그 9)이다.
도 13은, 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 14a는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 1)이다.
도 14b는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 2)이다.
도 14c는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 3)이다.
도 14d는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도(그 4)이다.
먼저, 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 전력 전송 시스템의 예 및 복수의 송전기 및 수전기를 포함하는 관련 기술의 무선 전력 전송 시스템을, 도 1 내지 도 9b를 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 도시되는 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 개재해서 접속한다. 또한, 노트북 컴퓨터(2B1)의 이차 전지를 충전하는 경우, 예를 들어 전용의 전원 장치(AC-DC Converter)(3B)에 대하여 전원 케이블(4B)을 개재해서 접속한다.
즉, 도 1a에 도시되는 바와 같이, 휴대 가능한 수전기(2A1 내지 2C1)여도, 일반적으로, 전원 케이블(4A 내지 4C)을 사용해서 USB 단자(3A)나 전원 장치(3B)로부터 와이어 접속에 의해 급전(유선 전력 전송)을 행하고 있다.
이 경우, 예를 들어 각전원 케이블(4A 내지 4C)은 커넥터를 개재해서 수전기(2A1 내지 2C1)에 접속되기 때문에, 커넥터의 끝에 접속된 수전기(접속 기기)를 커넥터마다 검지함으로써, 대수를 검지하고, 커넥터 형상에 따라 급전 전력을 고정할 수 있다. 또한, 요망 전력에 따른 전원 케이블의 접속을 유저가 행함으로써, 요망 전력을 인식함과 동시에, 각각의 접속 기기에 적절한 급전을 행하게 되어 있다.
그런데, 최근 들어, 전자기 유도로 대표되는 비접촉 급전 기술의 진보에 의해, 예를 들어 전기면도기나 전동 칫솔 등에서 와이어리스 급전(무선 전력 전송)이 실용화되고 있다. 따라서, 도 1b에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 송전기(1A1)로부터, 태블릿(2A1), 노트북 컴퓨터(2B1) 및 스마트폰(2C1)에 대하여 무선 전력 전송하는 것이 고려되고 있다.
도 2a는, 이차원 무선 전력 전송(이차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 도면이며, 예를 들어 상술한 전기면도기나 전동 칫솔 등과 마찬가지로, 전자기 유도에 의해 무선 전력 전송을 행하는 모습을 나타내고 있다.
도 2a에 도시되는 바와 같이, 전자기 유도를 이용해서 무선 전력 전송을 행하는 경우에는, 비접촉 급전이어도 송전 거리가 짧기 때문에, 송전기(1A2)에 거의 접촉하고 있는 수전기만이 급전 가능하다.
즉, 송전기(수전대)(1A2) 상에 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 이용해서 무선 전력 전송을 행하는 모습을 도시하고 있다. 도 2b에 도시되는 바와 같이, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 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 그려져 있지만, 복수의 송전기에 의해, 여러 가지 각도 및 위치의 복수의 수전기에 대하여, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 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 쪽의 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 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: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 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 예로 해서 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 2.4㎓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)는, 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)은 통신 회로부(14 및 24)을 개재해서 접속되고, 송전기(1)로부터 수전기(2)에의 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있도록, 여러 가지 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, 3 코일 구성의 예를 나타내고, 도 4c는, 2 코일 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 비해, 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 물론이다.
도 5a 내지 도 5d는, 독립 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 도시하는 회로도이며, 도 6a 내지 도 6d는, 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일(수전 공진 코일(21a))의 예를 도시하는 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 사용하지 않는 수전기(2)나 고장난 수전기(2)에 대하여 전력이 전송되어 발열 등이 발생하는 것을 피하기 위함이다.
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 하여, 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 단락하게 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 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, 2는 수전기를 나타낸다.
도 7a에 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 상이한 각도(평행하게 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 위상 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 출력의 경우와 역상 출력의 경우를 비교하면, 합성 자계는 90° 회전한 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 하나의 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 공간상의 임의의 방향으로 자계(전계)의 방향을 조정하는 것이 가능해짐이 이해될 것이다.
도 8a 내지 도 8c는, 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 8a는, 예를 들어 자계 공명을 이용하여, 1개의 송전기(1A)에 의해, 요망 전력이 상이한 2개의 수전기(2A, 2B)에 와이어리스 급전하는 모습을 나타낸다.
또한, 도 8b는, 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 8c는, 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 위해서, 휴대 전화(2A)의 LC 공진기(와이어리스 수전부) 및 노트북 컴퓨터(2B)의 LC 공진기는, 동일한 사양의 것으로 한다. 또한, 도 8c에 있어서, 참조 부호 LL0은 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 생각된다. 예를 들어, 도 8a에 도시되는 바와 같이, 요망 전력이 5W인 휴대 전화와 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터, 또는, 동일한 종류의 수전기여도, 배터리 잔량에 따라서는, 요망 전력이 상이한 케이스도 생각된다.
예를 들어, 수전기(2A, 2B)의 위치나 방향에 큰 차가 없는 경우, 동일한 사양의 수전 코일이 탑재되어 있을 때, 전력은 동일하게 분배된다. 구체적으로, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LA, 캐패시턴스를 CA라고 하고, 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LB, 캐패시턴스를 CB라고 한다.
이때, 도 8c에 있어서의 참조 부호 PP0으로 나타나는 바와 같이, 그대로의 상태(공진점을 어긋나게 하지 않은 상태)에서는, L0C0=LACA=LBCB가 성립한다. 즉, 도 8b에 있어서의 각각의 공진 주파수는, f0=fA=fB의 관계가 성립한다.
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 8a에 도시되는 바와 같이, 요망 전력이 10배 상이한 수전기(2A와 2B)여도, 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 저하시키게 제어한다.
예를 들어, 도 8c의 화살표 MA로 도시되는 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 위해서, 작아지게(또는, 커지게) 제어한다.
즉, 도 8c의 화살표 MA와 같이, 공진 조건을 의도적으로 어긋나게 함(캐패시턴스 CA를 어긋나게 함)으로써 Q값을 저하시키고, 휴대 전화(2A)의 수전 전력 LLA는, 공진점(P0)의 27.5W로부터 점차적으로 감소해서, 예를 들어 요망 전력인 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 따라서 상승하고, 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전체 송전 효율 LL0은, 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 조정되고, 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 유지되어 있고, 수전기(2A)에 도달해 있던 전력을 저감시킨 분만큼, 수전기(2B)에의 전력이 증가한다. 그 결과, 수전기(2A, 2B)의 한쪽만의 단체 급전시와 비교해도, 거의 동일한 효율로 전체(양쪽 수전기(2A, 2B))에 송전하면서 수전 전력을 원하는 비로 분배(배분)할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 9a는, 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이며, 복수의 송전 공진 코일(송전 코일)에 부여하는 전류 및 위상을 제어해서 자계의 방향을 변화시키고, 수전기(2A, 2B)에 전송하는 전력을 제어하는 방법을 나타낸다.
또한, 도 9b는, 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이며, 전체적인 송전 효율을 유지하면서, 적어도 하나의 수전기의 수전 전력을 저하시켜, 수전기(2A, 2B)에 대한 전력 배분비를 제어하는 방법을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b에 있어서, 수전기(2A)는, 예를 들어 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타내고, 수전기(2B)는, 예를 들어 요망 전력이 10W인 태블릿 컴퓨터(태블릿)를 나타낸다.
또한, 참조 부호 11aA 및 11aB는, 예를 들어 2개의 직교하는 송전 공진 코일을 나타내고, 이들 송전 공진 코일(11aA, 11aB)은 상이한 송전기(1A, 1B)로 해도 되지만, 1개의 송전기에 설치할 수도 있음은, 전술한 바와 같다. 또한, 이하의 설명에서는, 송전 공진 코일(11aA, 11aB)을 상이한 송전기(1A, 1B)로서 설명한다.
예를 들어, 수전기(2A)(스마트폰)의 요망 전력이 2.5W이고 수전기(태블릿)(2B)의 요망 전력이 10W인 경우, 그 요망 전력을 고려해서 송전기(1A, 1B)에 의해 동시 급전하기 위해서는, 예를 들어 도 9a 및 도 9b의 제어 방법이 생각된다.
즉, 도 9a에 나타내는 제어 방법은, 송전기(1A, 1B)로부터 출력되는 자계의 강도 및 위상을 제어하여, 수전기(2A)가 2.5W 수전하고, 수전기(2B)가 10W 수전하도록, 송전기(1A, 1B)로부터의 합성 자계를 제어한다.
여기서, 자계 강도의 제어는, 예를 들어 송전 공진 코일(11aA)의 전류를 크게 해서 송전 공진 코일(11aB)의 전류를 작게 하고, 합성 자계 CMF의 방향이, 수전기(2A)의 수전 공진 코일(21aA)을 직각에 가까운 방향이 되도록 한다.
즉, 도 9a에 나타내는 제어 방법은, 송전기(1A, 1B)로부터 출력되는 자계의 강도 및 위상을 제어하여, 수전기(2A)가 2.5W 수전하고, 수전기(2B)가 10W 수전하도록, 송전기(1A, 1B)로부터의 합성 자계 CMF의 방향을 제어한다.
이어서, 도 9b에 나타내는 제어 방법은, 송전기(1A, 1B)로부터 출력되는 자계의 강도 및 위상은 그 상태로 하고, 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명한 바와 같이, 요망 전력이 작은 수전기(2A)의 수전 공진 코일(21aA)의 공진점을 어긋나게 제어한다. 즉, 합성 자계 CMF는 그 상태로 하고, 수전기(2A)의 디튠을 행함으로써, 전력 배분비를 제어한다.
그러나, 무선 전력 전송(와이어리스 급전), 특히 삼차원 와이어리스 급전에 있어서는, 예를 들어 복수의 송전기의 전류 및 위상 제어 및 복수의 수전기에 있어서의 전력 배분비의 제어는, 여러 가지 파라미터의 조정을 행하는 것이 요구된다.
구체적으로, 파라미터로서는, 예를 들어 전력 배분을 실행하는 각 수전기의 공진 조건, 자계를 제어하는 각 송전기의 출력 강도(전류강도)와 그 위상 등이 있고, 이들은, 송전기 및 수전기의 수가 증가함에 따라서 방대한 것이 된다.
즉, 무한한 시간이 있으면, 모든 파라미터를 변화시킨 시뮬레이션이나 테스트 송전을 행하여, 최적 조건을 정할 수는 있지만, 유한한 시간(일정한 리얼타임성)이 요구되는 실제의 무선 전력 전송에서는, 최적 조건을 구하는 것은 곤란하다. 또한, 평가하는 송전 효율은, 상기 파라미터에 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 실제의 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 라운드 로빈 방식으로 최적화를 찾는 것은 현실적이지 않다.
이하, 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템의 실시예를, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 실시예는, 적어도 하나의 송전기에 의해 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 시스템에 적용할 수 있다.
이하의 설명은, 주로 자계 공명(자계 공진)을 이용해서 2개의 송전 공진 코일(송전 코일)에 의해 복수(2 내지 5개)의 수전기에 대하여 무선으로 전력 전송을 행하는 예를 설명하겠지만, 송전 공진 코일은 3개 이상이어도 된다.
또한, 1개의 송전기가 1개의 송전 공진 코일을 갖는 경우에는, 송전 공진 코일의 수는 송전기의 수와 일치하지만, 1개의 송전기는, 복수의 송전 공진 코일을 포함해도 된다. 또한, 본 실시예는, 자계 공명이 아니고, 전계 공명(전계 공진)을 이용한 무선 전력 전송 시스템에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
먼저, 본 실시예가 적용되는 무선 전력 전송 시스템의 개요를 설명한다. 본 실시예가 적용되는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각각의 수전기는, 공진계(수전 공진 코일)의 온·오프가 가능하고, 이에 의해, 각 수전기의 단체 송전 효율(ηi)을 구하는 것이 가능하게 되어 있다.
이 각 수전기의 단체 송전 효율은, 선택한 수전기가 1개만 배치되고, 다른 수전기는 부재, 또는 공진 조건이 현저하게 벗어나 있는 경우에 있어서의, 각 송전기의 출력(강도비·위상)을 최적화했을 때의 효율을 의미한다. 또한, 이때, 수전기와의 통신에 의해, 수전기가 요망하는 요망 전력을 구할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 예를 들어 어느 한쪽의 송전기가 마스터로서 시스템 전체의 제어를 행해도 되지만, 송전기가 아니고, 어느 하나의 수전기이어도 되고, 또한 송전기 자체가 아니고, 예를 들어 통신 회선을 통한 별도의 컴퓨터가 제어를 행할 수도 있다.
여기서, 각 수전기의 단체 송전 전력 PTi는, 그 수전기에 대한 복수 송전 코일(송전기)에 의한 단체 송전 효율 ηi, 그 수전기 Ri의 요망 전력(단체 요망 전력)을 PRi라고 하면, 다음 식(i)에 의해 산출할 수 있다.
PTi=PRi/ηi (i)
또한, 본 실시예가 적용되는 무선 전력 전송 시스템에서는, 모두 수전기의 공진계(수전 공진계)를 오프한 후, 특정한 수전기의 공진계만을 온하고, 그 특정한 수전기에만 전력을 전송(제1 전력 전송)하는 것이 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 각각의 수전기에 대하여 시분할적으로 전환해서 차례로 전력을 전송하는 시분할 급전을 행할 수 있다.
또한, 복수의 송전 공진 코일의 전류(강도) 및 위상의 제어를 행함으로써, 자계(합성 자계) 방향을 특정한 방향으로 제어해서 동시에 전력을 전송(제2 전력 전송)하는 것이 가능하게 되어 있다. 이에 의해, 다양한 자세의 수전기에 대한 무선 전력 전송(삼차원 와이어리스 급전)을 행할 수 있다.
또한, 각각의 수전기의 공진계(수전 공진 코일)에 있어서, 공진점을 어긋나게 함으로써, 전체의 효율을 유지하면서, 그 공진점을 어긋나게 한 특정한 수전기의 수전 전력을 저하(디튠)시키는 것도 가능하게 되어 있다. 이와 같이, 동일한 합성 자계에 있어서도, 특정한 수전기의 수전 전력을 디튠해서 전력 배분비를 원하는 비율로 조정해서 동시에 전력을 전송(제3 전력 전송)할 수도 있다.
그리고, 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템에서는, 상술한 식(i)에 의해 산출한 각각의 수전기의 단체 송전 전력 PTi에 있어서, 최대가 되는 최대 단체 송전 전력 PTix의 수전기(제1 수전기) Rix를 선택한다. 이 최대 단체 송전 전력 PTix에 기초하여 전력을 전송(제4 전력 전송)하게 되어 있다. 이에 의해, 복수의 수전기에 대한 전체적인 송전 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는, 예를 들어 무선 전력 전송 시스템에 포함되는 각각의 수전기에는, 우선 순위가 없는 것으로서 취급하고 있다. 즉, 이하의 설명에서는, 예를 들어 직장에 있어서, 출장가는 종업원이 휴대할 노트북 컴퓨터(수전기)를 우선해서 충전하는 경우에는, 즉시, 그 노트북 컴퓨터에 대한 송전을 개시하는 등의 처리를 행하지 않는 경우가 상정되어 있다.
또한, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에서는, 예를 들어 제1 전력 전송을 사용하여, 각 수전기를 개별로 취급함으로써, 처리(제어)를 단순화한다. 또한, 제4 전력 전송을 사용하여, 수전기의 단체 송전 전력 PTi가 최대가 되는 최대 단체 송전 전력 PTix의 제1 수전기를 선별(규정)하고, 시스템 전체의 송전 효율을 향상시킨다.
그리고, 선별된 제1 수전기에 기초하여, 각 송전기(송전 공진 코일)의 전류 및 위상 제어를 제어하고, 수전 전력이 요망 전력보다도 큰 수전기에 대해서는, 예를 들어 그 수전 공진 코일의 공진점을 의도적으로 어긋나게 하여 디튠을 행한다.
또한, 수전 전력이 소정의 크기에 미치지 않는 수전기에 대해서는, 예를 들어 그 수전기의 공진계를 오프해서 수전을 정지하고, 다음 기회, 예를 들어 제1 수전기에 대한 급전이 완료한 후 등에 있어서, 급전을 행한다.
또한, 제1 수전기의 최대 단체 송전 전력 PTix에 가까운(예를 들어, PTix의 90% 이상) 수전기에 대해서는, 제1 수전기와 함께, 수전기 그룹으로서 그룹화하고, 그 수전기 그룹에 포함되는 수전기에 대하여 복수의 송전 코일을 제어해서 동시에 전력을 전송한다.
또한, 제1 수전기와 그룹화할 수전기의 단체 송전 전력 PTi를 제1 수전기의 최대 단체 송전 전력 PTix의 소정 비율(90%=α) 이상으로 하는 것은, 단순한 예이며, 여러 가지 비율로 설정 가능이다.
이와 같이 하여, 복수의 송전기에 의한 합성 자계의 방향이 결정된 후, 수전기 그룹에 포함되는 복수의 수전기에 있어서, 수전 전력이 요망 전력보다도 큰 수전기에 대해서는 디튠을 행한다. 또한, 수전 전력이 소정의 크기에 미치지 않는 수전기에 대해서는, 예를 들어 그 수전기의 공진계를 오프해서 수전을 정지한다.
또한, 수전기 그룹에 포함되지 않는 수전기에 있어서도, 수전 전력이 요망 전력보다도 큰 수전기에 대해서는 디튠을 행한다. 또한, 수전 전력이 소정의 크기에 미치지 않는 수전기에 대해서는, 예를 들어 그 수전기의 공진계를 오프해서 수전을 정지한다.
여기서, 수전기 그룹에 포함되는 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하면, 각 수전기의 수전 효율 ηip가 소정의 비율(예를 들어, 10%=β) 이상 얻어지지 않을 때에는, 수전기 그룹을 분할한다. 예를 들어, m을 2 이상의 정수로 하고, 송전 코일(송전기)이 m개일 때, m개의 송전 코일을 m차원의 벡터로서 처리함으로써, 수전기 그룹의 분할을 행한다.
또한, m차원의 벡터는, m개의 송전 코일로부터의 위상을, 동상과 역상의 2방향에서만 처리해도 된다. 이것은, 수전기 그룹 또는 분할된 수전기 그룹에 포함되는 각각의 수전기의 단체 송전 전력은 거의 동일하기(예를 들어, PTix의 90% 이상) 때문에, 전력으로 규격화되어 있다고 생각할 수 있어, 위상의 방향만을 고려하면 되기 때문이다.
그 결과, 송전기(송전 공진 코일)의 전류는, 크기가 규격화된 벡터라고 간주할 수 있고, 예를 들어 4개의 송전 공진 코일의 전류 P1 내지 P4는, P1(I11, I12, I13), P2(I21, I22, I23), P3(I31, I32, I33), P4(I41, I42, I43)로 나타낼 수 있다.
또한, m차원의 벡터 중, 임의의(어느) 1개의 벡터와 다른 벡터가 이루는 각도로 벡터각을 계산한다. 그리고, n을 2 이상의 정수로 하고, 수전기 그룹을 n분할할 때, n이 커짐에 따라서 각도가 좁아지는 범위에 포함되는 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류할 수 있다.
구체적으로, n=2(2분할)일 때에는, 90°÷2=45°의 범위에 포함되는 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류한다. 또한, 2분할해도, 수전기 그룹에 포함되는 수전기의 수전 효율 ηip가 소정의 비율(예를 들어, 10%=β) 이상 얻어지지 않을 때에는, 예를 들어 n+1(=3:3 분할)한다. 3분할일 때에는, 90°÷3=30°의 범위에 포함되는 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류하게 된다.
또한, 수전기 그룹을 분할하는 경우, 2분할일 때에는 45°의 범위로 하고, 또 3분할일 때에는 30°의 범위로 하는 것은 단순한 예이며, 다양한 각도로 설정할 수 있는 것은 물론이다.
도 10a 내지 도 10e는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제1 처리예를 설명하기 위한 도면이다. 도 10a와 도 9a 및 도 9b의 비교로부터 명백해진 바와 같이, 도 10a 내지 도 10e에서는, 도 9a 및 도 9b와 마찬가지로, 직교하는 2개의 송전 공진 코일(11aA, 11aB)(송전기(1A, 1B)) 및 2개의 수전기(2A, 2B)가 설치되어 있다.
또한, 송전 공진 코일(11aA, 11aB)은, 상이한 송전기(1A, 1B)에 설치된 것으로서 설명하겠지만, 1개의 송전기에 2개의 송전 공진 코일(11aA, 11aB)이 설치되어 있어도 된다. 또한, 수전기(2A)는, 예를 들어 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타내고, 수전기(2B)는, 예를 들어 요망 전력이 10W인 태블릿(태블릿 컴퓨터)을 나타낸다.
먼저, 도 10b에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A)(스마트폰)만에 대한 단체 송전 전력 PTA를 구한다. 즉, 수전기(태블릿)(2B)의 수전 공진 코일(21bB)(수전 공진계, 공진계)을 오프해서 수전기(2A)만 온으로 하고, 이 수전기(2A)의 단체 송전 전력 PTA를 구한다.
구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비(강도비)를 1:2로 하고, 수전기(2A)의 단체 송전 효율 ηA를 60%로 하면, 수전기(2A)의 요망 전력이 2.5W이므로, 수전기(2A)의 단체 송전 전력 PTA는, PTA=2.5÷0.6≒4.2[W]가 된다.
이어서, 도 10c에 도시되는 바와 같이, 수전기(2B)만에 대한 단체 송전 전력 PTB를 구한다. 즉, 수전기(2A)의 공진계를 오프해서 수전기(2B)만 온으로 하고, 이 수전기(2B)의 단체 송전 전력 PTB를 구한다.
구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 2:1로 하고, 수전기(2B)의 단체 송전 효율 ηB를 60%로 하면, 수전기(2B)의 요망 전력이 10W이므로, 수전기(2B)의 단체 송전 전력 PTB는, PTB=10÷0.6≒16.7[W]이 된다. 따라서, 단체 송전 전력이 최대가 되는 수전기는, 4.2<16.7이므로, 수전기(2B)가 되고, 최대 단체 송전 전력 PTix는, 거의 16.7W가 된다.
이에 의해, 송전기(1A, 1B)는 동상 출력이고, 그 출력비는 2:1이 되고, 송전기(1A, 1B)에 의한 합성 자계의 방향이 결정된다. 이때, 도 10d에 도시되는 바와 같이, 2개의 수전기(2A, 2B)에 대하여 송전을 행하면, 예를 들어 수전기(2A)의 수전 효율은 8%이고, 수전기(2B)의 수전 효율은 50%가 된다.
그래서, 수전기(2B)의 수전 전력을 10W로 하기 위해서, 송전기(1A, 1B)에 의한 송전 전력을 20W로 하면, 수전기(2A)의 수전 전력은, 20×0.8=1.6[W]이 되어, 수전기(2A)의 요망 전력인 2.5W에 못미친다.
이때, 본 제1 처리예에서는, 예를 들어 수전기(2B)의 디튠(제3 전력 전송)을 행하지 않고, 그대로의 상태(수전기(2A)의 수전 전력이 1.6W인 상태)에서 동시 급전을 행한다. 즉, 도 10e에 도시되는 바와 같이, 송전기(1A, 1B)의 출력비는 2:1, 수전기(2A)의 수전 전력은 1.6W, 수전기(2B)의 수전 전력은 10W, 그리고, 전체의 송전 효율은 58%가 된다. 또한, 예를 들어 수전기(2B)에 대한 급전이 완료된 경우에는, 그 수전기(2B)의 공진계(수전 공진 코일(21aB))가 오프되어, 상술한 처리가 반복되게 된다.
도 11a 내지 도 11e는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제2 처리예를 설명하기 위한 도면이며, 본 제2 처리예는, 상술한 제1 처리예와 달리, 디튠을 행하게 되어 있다. 또한, 도 11a 내지 도 11e에서도, 직교하는 2개의 송전기(1A, 1B)(송전 공진 코일(11aA, 11aB)) 및 2개의 수전기(2A, 2B)가 설치되어 있다.
또한, 상술한 제1 처리예와 마찬가지로, 수전기(2A)는 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타내고, 수전기(2B)는 요망 전력이 10W인 태블릿을 나타낸다. 단, 도 11a에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A, 2B)는 평행하며 거리가 상이하게 배치되어 있다.
먼저, 도 11b에 도시되는 바와 같이, 수전기(태블릿)(2B)의 공진계를 오프해서 수전기(2A)(스마트폰)만 온으로 하고, 이 수전기(2A)의 단체 송전 전력 PTA를 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2A)의 단체 송전 효율 ηA를 10%로 하면, 수전기(2A)의 요망 전력이 2.5W이므로, 수전기(2A)의 단체 송전 전력 PTA는, PTA=2.5÷0.1=25[W]가 된다.
이어서, 도 11c에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A)의 공진계를 오프해서 수전기(2B)만 온으로 하고, 이 수전기(2B)의 단체 송전 전력 PTB를 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2B)의 단체 송전 효율 ηB를 80%로 하면, 수전기(2B)의 요망 전력이 10W이므로, 수전기(2B)의 단체 송전 전력 PTB는, PTB=10÷0.8=12.5[W]가 된다. 따라서, 단체 송전 전력이 최대가 되는 수전기는, 25>12.5이므로, 수전기(2A)가 되고, 최대 단체 송전 전력 PTix는, 25W가 된다.
이에 의해, 송전기(1A, 1B)는 동상 출력이고, 그 출력비는 1:1이 되고, 송전기(1A, 1B)에 의한 합성 자계의 방향이 결정된다. 이때, 도 11d에 도시되는 바와 같이, 2개의 수전기(2A, 2B)에 대하여 송전을 행하면, 예를 들어 수전기(2A)의 수전 효율은 8%이고, 수전기(2B)의 수전 효율은 60%가 된다.
그래서, 수전기(2A)의 수전 전력을 2.5W로 하기 위해서, 송전기(1A, 1B)에 의한 송전 전력을 31.3W로 하면, 수전기(2B)의 수전 전력은, 31.3×0.6≒18.8[W]가 되어, 수전기(2B)의 요망 전력인 10W를 초과해버린다.
이때, 본 제2 처리예에서는, 도 11e에 도시되는 바와 같이, 수전기(2B)의 공진 조건을 의도적으로 어긋나게 하여 수전 전력을 조정한다. 즉, 예를 들어 수전기(2B)에 있어서의 수전 공진 코일(21aB)에 있어서의 용량(예를 들어, 도 5a에 있어서의 용량 212)의 캐패시턴스를 크게(또는, 작게) 해서 공진점으로부터 어긋나게 하여 수전 전력이 10W가 될 때까지 디튠을 행한다. 이에 의해, 예를 들어 송전기(1A, 1B)의 출력비는 1:1, 수전기(2A)의 수전 전력은 2.5W, 수전기(2B)의 수전 전력은 10W, 그리고, 전체의 송전 효율은 45%가 된다.
도 12a 내지 도 12i는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 제3 처리예를 설명하기 위한 도면이다. 도 12a에 도시되는 바와 같이, 본 제3 처리예에서는, 직교하는 2개의 송전기(1A, 1B) 및 5개의 수전기(2A1 내지 2A3, 2B1, 2B2)가 설치되어 있다.
또한, 수전기(2A1 내지 2A3)는, 각각 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타내고, 수전기(2B1, 2B2)는 각각 요망 전력이 10W인 태블릿을 나타낸다. 먼저, 도 12b에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A1)만에 대한 단체 송전 전력 PTA1을 구한다.
즉, 수전기(2A2, 2A3) 및 수전기(2B1, 2B2)의 공진계를 오프해서 수전기(2A1)만 온으로 하고, 이 수전기(2A1)의 단체 송전 전력 PTA1을 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2A1)의 단체 송전 효율 ηA1을 20%로 하면, 수전기(2A1)의 요망 전력이 2.5W이므로, 수전기(2A1)의 단체 송전 전력 PTA1은, PTA1=2.5÷0.2=12.5[W]가 된다.
이어서, 도 12c에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A1, 2A3) 및 수전기(2B1, 2B2)의 공진계를 오프해서 수전기(2A2)만 온으로 하고, 이 수전기(2A2)의 단체 송전 전력 PTA2를 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A)를 멈추고 송전기(1B)만을 동작시키고, 출력비를 0:1로 하고, 수전기(2A2)의 단체 송전 효율 ηA2를 90%로 한다. 이때, 수전기(2A2)의 요망 전력이 2.5W이므로, 수전기(2A2)의 단체 송전 전력 PTA2는, PTA2=2.5÷0.9≒2.8[W]이 된다.
또한, 도 12d에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A1, 2A2) 및 수전기(2B1, 2B2)의 공진계를 오프해서 수전기(2A3)만 온으로 하고, 이 수전기(2A3)의 단체 송전 전력 PTA3을 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 역상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2A3)의 단체 송전 효율 ηA3을 50%로 하면, 수전기(2A3)의 요망 전력이 2.5W이므로, 수전기(2A3)의 단체 송전 전력 PTA3은, PTA3=2.5÷0.5≒5.0[W]이 된다.
또한, 도 12e에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A1 내지 2A3) 및 수전기(2B2)의 공진계를 오프해서 수전기(2B1)만 온으로 하고, 이 수전기(2B1)의 단체 송전 전력 PTB1을 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2B1)의 단체 송전 효율 ηB1을 60%로 하면, 수전기(2B1)의 요망 전력이 10W이므로, 수전기(2B1)의 단체 송전 전력 PTB1은, PTB1=10÷0.6≒16.7[W]이 된다.
또한, 도 12f에 도시되는 바와 같이, 수전기(2A1 내지 2A3) 및 수전기(2B1)의 공진계를 오프해서 수전기(2B2)만 온으로 하고, 이 수전기(2B2)의 단체 송전 전력 PTB2를 구한다. 구체적으로, 예를 들어 송전기(1A, 1B)를 동상 출력이고, 출력비를 1:1로 하고, 수전기(2B2)의 단체 송전 효율 ηB2를 60%로 하면, 수전기(2B2)의 요망 전력이 10W이므로, 수전기(2B2)의 단체 송전 전력 PTB2는, PTB2=10÷0.6≒16.7[W]이 된다.
따라서, 단체 송전 전력이 최대가 되는 수전기는, 16.7>12.5>5>2.8이므로, 수전기(2B1 및 2B2)가 모두 최대가 되고, 최대 단체 송전 전력 PTix는, 거의 16.7W가 된다.
이에 의해, 송전기(1A, 1B)는 동상 출력이고, 그 출력비는 1:1이 되고, 송전기(1A, 1B)에 의한 합성 자계의 방향이 결정된다. 여기서, 수전기(2B1, 2B2)의 단체 송전 전력 PTB1, PTB2는, 거의 16.7W로 동일하고, 최대 단체 송전 전력 PTix의 소정 비율(예를 들어, 90%=α) 이상이 된다.
그래서, 도 12g에 도시되는 바와 같이, 2개의 수전기(2B1, 2B2)를 수전기 그룹으로서 그룹화하고, 그 수전기 그룹에 포함되는 2개의 수전기(2B1, 2B2)에 대하여 송전기(1A, 1B)를 제어해서 동시에 전력을 전송한다. 여기서, 예를 들어 수전기(2B1, 2B2)의 수전 효율이 25%로 하면, 송전기(1A, 1B)의 송전 전력을 40W로 함으로써, 수전기(2B1, 2B2)의 수전 전력을 10W로 할 수 있다.
도 12h에 도시되는 바와 같이, 예를 들어 수전기(2A1)의 수전 효율은 5%, 수전기(2A2)의 수전 효율은 30%, 수전기(2A3)의 수전 효율은 0%로 하면, 수전기(2A1)의 수전 전력은 2W, 수전기(2A2)의 수전 전력은 12W, 수전기(2A3)의 수전 전력은 0W가 된다.
즉, 수전기(2A2)의 수전 전력은, 12W가 되어, 요망 전력 2.5W를 초과하기 때문에, 디튠을 행해서 2.5W까지 저감한다. 또한, 수전기(2A1)의 수전 효율은 5%로, 소정의 수전 효율(예를 들어, 10%=β) 이상의 효율이 얻어지지 않기 때문에, 급전 부족으로서 공진계를 오프해서 급전을 정지한다. 또한, 수전기(2A3)의 수전 전력은 0W이므로, 급전 정지(무급전)로 된다.
이에 의해, 도 12i에 도시되는 바와 같이, 송전기(1A, 1B)는 동상 출력이고, 그 출력비는 1:1이 되고, 수전기(2B1, 2B2)의 수전 효율은 30%, 수전기(2A1)의 수전 효율은 5%, 수전기(2A2)의 수전 효율은 7.5%, 수전기(2A3)의 수전 전력은 0W가 된다.
또한, 예를 들어 수전기 그룹에 포함되지 않는 수전기에 있어서도, 수전 전력이 요망 전력보다도 큰 수전기에 대해서는 디튠을 행해도 된다. 또한, 전술한 바와 같이, 수전기 그룹에 포함되는 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하면, 소정의 수전 효율(예를 들어, 10%=β) 이상 얻어지지 않을 때에는, 수전기 그룹을 분할할 수 있다.
예를 들어, m을 2 이상의 정수로 하고, 송전 코일(송전기)이 m개일 때, m개의 송전 코일을 m차원의 벡터로서 처리함으로써, 수전기 그룹의 분할을 행한다. 또한, m차원의 벡터는, m개의 송전 코일로부터의 위상을, 동상과 역상의 2방향에서만 처리해도 된다.
또한, m차원의 벡터 중, 임의의 1개의 벡터와 다른 벡터가 이루는 각도로 벡터각을 계산한다. 그리고, n을 2 이상의 정수로 하고, 수전기 그룹을 n 분할할 때, n이 커짐에 따라서 각도가 좁아지는 범위에 포함되는 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류할 수도 있다.
즉, 최대 단체 송전 전력의 수전기를 포함하는 수전기 그룹에 있어서, 그 수전기 그룹에 포함되는 복수의 수전기에 대하여 요망 전력과 동일한 비율이 되게 송전기의 출력을 제어한다.
그 때, 수전기 그룹의 모든 수전기에 대하여 소정의 효율(β)이 얻어지지 않는 경우에는, 수전기 그룹을 2분할해서 마찬가지의 처리를 행하고, 또한 그 분할된 그룹의 모든 수전기라도 소정의 효율이 얻어지지 않는 경우에는, 3분할한다. 이러한 처리를 반복하여, 소정의 효율이 얻어질 때까지, 수전기 그룹의 분할을 행해도 된다.
도 13은, 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 도시하는 블록도이며, 2개의 송전기(1A, 1B) 및 2개의 수전기(2A, 2B)를 포함하는 예를 나타내는 것이다. 도 13에 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 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 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, 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(송전 코일)(11a1, 11a2)이 L자 형상으로 고정되고), 그 정보를 송전 제어부(13A, 13B)가 파악하고, 수전기(2A, 2B)가 검출 기능을 갖는 경우, 검출부 SA, SB는 생략 가능하다.
여기서, 전술한 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법은, 예를 들어 무선 전력 전송 시스템 전체를 제어하는 송전기(1A)에 있어서의 송전 제어부(제어 장치: 컴퓨터)(13A)에 의해 실행되는 프로그램으로서 실시하는 것도 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 하는 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 통해서 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 코일(수전 코일)에 있어서의 용량의 캐패시턴스(CA)를 공진점으로부터 어긋나게 하고, 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 온 하도록 제어한다. 또는, 예를 들어 전술한 도 5b에 도시하는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 제어하여, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 스위치(213)만을 순서대로 오프 하도록 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 또는 전자기 유도나 전계 유도를 이용한 전력 전송 방식을 적용할 수도 있다.
도 14a 내지 도 14d는, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다. 먼저, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법의 처리의 일례를 개시하면, 스텝 ST8에 있어서, 수전기측에서 급전 트리거가 입력되고, 스텝 ST9에서, 수전기로부터 송전기에 통신을 통해서 전달되고, 스텝 ST1로 진행한다.
스텝 ST1에 있어서, 송전기는, 수전기로부터의 급전 트리거(급전을 요망하는 신호)를 수취하고, 스텝 ST2로 진행하여, 수전기를 서치한다. 즉, 수전기측에서는, 각각의 수전기가, 송전기로부터의 수전기 서치 신호를 받고, 스텝 ST10에 있어서, 송전기에 응답(정보1을 전달)한다. 이 정보1에는, 예를 들어 각 수전기가 요망하는 요망 전력 및 수전기의 위치나 자세와 같은 정보가 포함된다.
송전기측에서는, 스텝 ST3 수전에 있어서, 수전기로부터의 정보1을 확인하고, 스텝4로 진행하여, 정보1을 사용해서 각 수전기 Ri의 단체 효율(단체 송전 효율)ηi를 산출한다. 이것은, 전술한 바와 같이, 예를 들어 η을 구하는 수전기의 수전 공진 코일(공진계)만을 온하고, 그 이외의 수전기의 공진계를 오프해서 모든 수전기 Ri에 대하여 차례로 행한다.
또한, 스텝5로 진행하여, 각 수전기 Ri에 있어서의 단체 효율 ηi와 요망 전력(단체 요망 전력) PRi로부터, 단체 송전 전력 PTi를 산출한다. 즉, 전술한 바와 같이, PTi=PRi/ηi로부터, 각각의 수전기 Ri의 단체 송전 전력 PTi를 산출하고, 스텝 ST6으로 진행하여, PTi가 최대가 되는 최대 단체 송전 전력 PTix의 수전기(제1 수전기) Rix를 선택한다.
이어서, 스텝 ST7로 진행하여, 최대 단체 송전 전력 PTix에 대하여, 소정 비율 α(예를 들어, 90%) 이상이 되는 단체 송전 전력 PTi의 수전기 Ri를 선택하고, 스텝 ST11로 진행한다.
스텝 ST11에서는, PTix·α≤PTi(예를 들어, PTix×0.9≤PTi)가 되는 PTi의 수전기 Ri가 존재하는지 여부를 판정한다. 스텝 ST11에 있어서, PTix·α≤PTi가 되는 적어도 하나의 수전기 Ri가 존재한다고 판정(NO)되면, 스텝 ST25(분기 BB)로 진행하고, 1개도 존재하지 않는다고 판정(YES)되면 스텝 ST12로 진행한다.
스텝 ST12에서는, 최대 단체 송전 전력 PTix의 수전기(제1 수전기) Rix에 최적인 자계를 결정한다. 이에 의해, 각 송전기에 있어서의 출력의 강도비 및 위상이 확정되고, 출력의 절댓값만 미확정으로 되어 있다.
또한, 스텝 ST13에 진행하여, 정보1을 사용해서 각 수전기 Ri의 효율(단체 송전 효율)ηi를 산출해서 스텝 ST14로 진행하여, 모든 수전기의 수전 효율 ηip가 소정의 비율(예를 들어, 10%=β) 이상인지 여부를 판정한다.
스텝 ST14에서, 모든 수전기의 수전 효율 ηip가 소정의 비율 이상(ηip≥β)이라고 판정되면, 스텝 ST18로 진행하여, 동시 급전 조건 하에서, 수전기(제1 수전기) Rix가 요망 전력을 얻을 수 있는 송전 출력 P를 결정하고, 스텝 ST19로 진행한다.
스텝 ST19에서는, 각 수전기에 있어서, 각각의 수전기의 요망 전력 PRi가 실제로 급전되는 전력(P·ηip) 이상인지 여부를 판정한다. 스텝 ST19에 있어서, PRi≥P·ηip인, 즉, 모든 수전기 Ri에서, 과잉 급전으로는 되지 않는다고 판정하면, 스텝 ST20으로 진행하여, 송전 출력 P에 의해 송전을 개시한다.
한편, 스텝 ST19에 있어서, 모든 수전기 Ri에서 PRi≥P·ηip로는 되지 않는다, 즉, 적어도 하나의 수전기(Rid)의 급전이 과잉으로 된다고 판정되면, 스텝 ST21로 진행한다.
스텝 ST21에서는, PRi<P·ηip로 되는 각 수전기 Rdi에 있어서, PRi=P·ηip’로 되는 디튠 조건을 산출하고, 그 디튠 조건을 각 수전기 Rdi에 대하여 통신을 통하여 전달하고, 스텝 ST22로 진행한다.
스텝 ST22에서는, 동시 급전 조건 및 디튠하에 있어서, 수전기 Rix가 요망 전력을 얻을 수 있는 송전 출력 P’를 결정하고, 스텝 ST23으로 진행하여, 그 송전 출력 P’에 의해 송전을 개시한다.
또한, 수전기(Rdi) 측에서는, 스텝 ST24에 있어서, 스텝 ST21에서 산출된 디튠 조건에 기초하여 디튠을 행한다. 이 수전기 Rdi에 있어서의 디튠은, 예를 들어 도 12h를 참조하여 설명한 수전기(2A2)의 디튠 처리에 상당한다.
이어서, 스텝 ST14에 있어서, 모든 수전기의 수전 효율 ηip가 소정의 비율 이상(ηip≥β)이 아니다, 즉, 수전 효율 ηip가 소정의 비율보다도 작은(ηip<β) 수전기가 적어도 하나 존재한다고 판정한 경우에는, 스텝 ST15로 진행한다.
스텝 ST15에서는, ηip≥β로 되는 수전기 Rin을 선택하고, 그 수전기 Rin의 공진을 오프하는 지시를 출력하고, 스텝 ST16으로 진행한다. 또한, 수전기(Rin) 측에서는, 스텝 ST17에 있어서, 스텝 ST15에 의한 지시에 기초하여, 수전기 Rin의 수전 공진 코일(공진계)을 오프한다. 이 수전기 Rin에 있어서의 공진계의 오프는, 예를 들어 도 12h를 참조하여 설명한 수전기(2A1)의 공진계를 오프해서 급전을 정지하는 처리에 상당한다.
스텝 ST16에서는, ηip≥β로 되는 수전기 Rin을 제외한 수전기 Ri에 대하여 정보1을 사용해서 각 수전기 Ri의 각각의 수전 효율 ηip를 산출하고, 스텝 ST18로 진행하여, 상술한 것과 마찬가지의 처리를 행한다.
전술한 바와 같이, 스텝 ST11에 있어서, PTix·α≤PTi로 되는 수전기 Ri가 적어도 하나 존재한다고 판정(NO)되면, 스텝 ST25(분기 BB)로 진행한다. 스텝 ST25에서는, PTix·α≤PTi를 만족하는 복수의 Rix’에 대하여 PRi의 비를 유지할 수 있는 자계를 산출한다.
여기서, PTix·α≤PTi로 되는 수전기(수전기 그룹) Rix’에는, 최대 단체 송전 전력 PTix의 수전기(제1 수전기) Rix가 포함되기 때문에, Rix’의 수는, 복수(적어도 2개)로 된다.
또한, 스텝 ST26으로 진행하여, 각 수전기 Rix’에 있어서, 모든 수전기의 단체 송전 효율(효율) ηix’가 소정의 값(γ) 이상인지 여부를 판정하고, 모든 수전기가, ηix’≥γ라고 판정되면, 스텝 ST27로 진행한다.
스텝 ST27에서는, 전술한 스텝 ST12와 마찬가지로, 각 송전기에 있어서의 출력의 강도비 및 위상이 확정되고, 출력의 절댓값만 미확정으로 되어 있고, 스텝 ST13(합류 CC)으로 진행하여, 상술한 것과 마찬가지의 처리를 행한다.
한편, 스텝 ST26에 있어서, 적어도 하나의 수전기가, ηix’<γ라고 판정되면, 스텝 ST28로 진행하여, 수전기 그룹 Rix’를 분할하고, 스텝 ST29로 진행하여, 동시 급전 대상의 수전기 Ri를 새롭게 Rix’로 하여, 스텝 ST27로 진행한다.
또한, 이 수전기 그룹 Rix’의 분할 처리 및 도 14a 내지 도 14d의 흐름도를 참조하여 설명한 처리는, 단순한 예이며, 여러 가지 변형 및 변경이 가능한 것은 물론이다.
이상의 설명에 있어서, 송전기 및 수전기는, 주로 1개 또는 2개로서 설명했지만, 각각 더 다수이어도 된다. 또한, 각 실시예의 설명은, 주로 자계 공명을 이용한 전력 전송을 예로 했지만, 본 실시 형태는, 전계 공명을 이용한 전력 전송에 대해서도 적용할 수 있다.
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 조건과 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, 여러 가지 변경, 치환 및 수정을 이것에 부가하는 것이 가능하다고 이해해야 할 것이다.
1 : 송전기(1차측:송전측)
1A, 1B : 송전기
2 : 수전기(2차측:수전측)
2A, 2B, 2A1 내지 2A3, 2B1, 2B2, 2C1, 2C2 : 수전기
10A, 10B : 외부 전원
11, 11A, 11B : 와이어리스 송전부
11a, 11aA, 11aB, 11a1, 11a2 : 송전 공진 코일(송전 코일:제2 코일:LC 공진기)
11b : 전력 공급 코일(제1 코일)
12, 12A, 12B : 고주파 전원부
13, 13B : 송전 제어부
13A : 송전 제어부(제어 장치)
14, 14A, 14B : 통신 회로부(제1 통신 회로부)
21, 21A, 21B : 와이어리스 수전부
21a, 21aA, 21aB : 수전 공진 코일(수전 코일:제3 코일:LC 공진기)
21b : 전력 취출 코일(제4 코일)
22, 22A, 22B : 수전 회로부(정류부)
23, 23A, 23B : 수전 제어부
24, 24A, 24B : 통신 회로부(제2 통신 회로부)
25, 25A, 25B : 배터리부(기기 본체, 부하)

Claims (16)

  1. 복수의 송전 코일 및 복수의 수전기를 포함하고, 복수의 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 적어도 2개의 상기 수전기에 동시에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법으로서,
    복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체(單體) 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하고,
    상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출하고,
    상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기를 선택하고,
    상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  2. 복수의 송전 코일 및 복수의 수전기를 포함하고, 복수의 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법으로서,
    각각의 상기 수전기의 송전 효율에 기초하여, 특정한 수전기만에 대하여 전력을 전송하는 제1 전력 전송과,
    복수의 상기 송전 코일을 제어하고, 자계 또는 전계의 방향을 변화시켜서, 상기 수전기에 대하여 전력을 전송하는 제2 전력 전송과,
    전력을 수취하는 적어도 2개의 상기 수전기에 있어서, 전체적인 송전 효율을 유지하면서, 적어도 하나의 수전기의 수전 전력을 저하시켜, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 전력을 전송하는 제3 전력 전송과,
    복수의 상기 수전기에 있어서, 각각의 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기에 기초하여 전력을 전송하는 제4 전력 전송을 갖고,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전력 전송을 제어하여, 복수의 상기 수전기에 대한 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전력 전송은, 각각의 상기 수전기에 대하여 시분할적으로 전환해서 차례로 전력을 전송하고,
    상기 제2 전력 전송은, 복수의 상기 송전 코일의 전류 및 위상을 제어하고, 자계 또는 전계의 방향을 변화시켜서, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하고, 그리고,
    상기 제3 전력 전송은, 수전 전력을 저하시키는 상기 수전기에 있어서의 수전 공진 코일의 공진점을 어긋나게 하여, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제4 전력 전송은, 복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하고,
    상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출하고,
    상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 상기 제1 수전기를 선택하고,
    상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최대 단체 송전 전력에 대하여 소정 비율 이상의 단체 송전 전력의 수전기가 적어도 하나 존재할 때, 단체 송전 전력이 상기 최대 단체 송전 전력의 소정 비율 이상의 상기 수전기와 상기 제1 수전기를 수전기 그룹으로서 그룹화하고,
    상기 수전기 그룹에 포함되는 적어도 2개의 수전기에 대하여 복수의 상기 송전 코일을 제어해서 동시에 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수전기 그룹에 포함되는 적어도 2개의 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하면, 소정의 수전 효율 이상의 효율이 얻어지지 않을 때, 상기 수전기 그룹을 분할하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수전기 그룹의 분할은, m을 2 이상의 정수로 하고, 상기 송전 코일이 m개일 때, m개의 상기 송전 코일을 m차원의 벡터로서 처리함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 m차원의 벡터는, m개의 상기 송전 코일로부터의 위상을, 동상 및 역상만으로 처리하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 m차원의 벡터 중, 어느 1개의 벡터와 다른 벡터가 이루는 각도로 벡터각을 계산하고,
    n을 2 이상의 정수로 하고, 상기 수전기 그룹을 n 분할할 때, n이 커짐에 따라서 각도가 좁아지는 범위에 포함되는 상기 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수전기 그룹을 n 분할할 때, 90°을 n으로 제산한 각도의 범위에 포함되는 상기 벡터각의 수전기를, 분할된 수전기 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    동시에 전력을 전송하는 복수의 상기 수전기에 있어서, 각각의 수전 전력이, 그 수전기가 요망하는 요망 전력을 초과하는 수전기에서는, 그 수전 공진계의 Q값을 가변해서 수전 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    동시에 전력을 전송하는 복수의 상기 수전기에 있어서, 각각의 수전 전력이 소정의 값에 도달하지 않은 수전기에서는, 수전 공진계를 오프해서 수전을 정지하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  13. 복수의 송전 코일 및 복수의 수전기를 포함하고, 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    각각의 상기 수전기의 송전 효율에 기초하여, 특정한 수전기만에 대하여 전력을 전송하는 제1 전력 전송과,
    복수의 상기 송전 코일을 제어하고, 자계 또는 전계의 방향을 변화시켜서, 상기 수전기에 대하여 전력을 전송하는 제2 전력 전송과,
    전력을 수취하는 적어도 2개의 상기 수전기에 있어서, 전체적인 송전 효율을 유지하면서, 적어도 하나의 수전기의 수전 전력을 저하시켜, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 전력을 전송하는 제3 전력 전송과,
    복수의 상기 수전기에 있어서, 각각의 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기에 기초하여 전력을 전송하는 제4 전력 전송을 갖고,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전력 전송을 제어하여, 복수의 상기 수전기에 대한 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전력 전송은, 각각의 상기 수전기에 대하여 시분할적으로 전환해서 차례로 전력을 전송하고,
    상기 제2 전력 전송은, 복수의 상기 송전 코일의 전류 및 위상을 제어하고, 자계 또는 전계의 방향을 변화시켜서, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하고, 그리고,
    상기 제3 전력 전송은, 수전 전력을 저하시키는 상기 수전기에 있어서의 수전 공진 코일의 공진점을 어긋나게 하여, 적어도 2개의 상기 수전기에 대하여 동시에 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제4 전력 전송은,
    복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하고,
    상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출하고,
    상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 상기 제1 수전기를 선택하고,
    상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  16. 복수의 송전 코일과, 복수의 수전기와, 상기 송전 코일로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용해서 무선에 의해 각각의 상기 수전기에 전송하도록 제어하는 제어 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 제어 프로그램으로서,
    상기 제어 장치에,
    복수의 상기 송전 코일에 의한, 각각의 상기 수전기에 대한 단체 송전 효율 및 각각의 상기 수전기가 요망하는 단체 요망 전력을 구하는 공정과,
    상기 단체 요망 전력을 상기 단체 송전 효율로 제산하여, 각각의 상기 수전기의 단체 송전 전력을 산출하는 공정과,
    상기 단체 송전 전력이 최대가 되는 최대 단체 송전 전력의 제1 수전기를 규정하는 공정과,
    상기 제1 수전기에 대한 송전 효율을 최대화하도록, 복수의 상기 송전 코일을 제어하는 공정을 실행시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템의 제어 프로그램.
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