WO2012164844A1

WO2012164844A1 - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム

Info

Publication number: WO2012164844A1
Application number: PCT/JP2012/003189
Authority: WO
Inventors: 祐樹圓道; 古川　靖夫
Original assignee: 株式会社アドバンテスト
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-12-06
Also published as: TW201308818A; JP2012253944A; US20140132078A1

Abstract

　ワイヤレス給電装置４は、共振回路１０およびマルチトーン電源２０を備え、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号Ｓ１を送信する。共振回路１０は、直列に接続された送信コイルＬ_ＴＸおよび共振用キャパシタＣ_ＴＸを含む。マルチトーン電源２０は、複数の周波数の正弦波信号を重ね合わせたマルチトーン信号Ｓ２を、共振回路１０に出力する。

Description

ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム

　本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

　近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

　電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０～９８％程度となっている。数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波～マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

　図１は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム２ｒは、ワイヤレス給電装置４ｒおよびワイヤレス受電装置６ｒを備える。

　ワイヤレス給電装置４ｒは、送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸおよび交流電源２０ｒを備える。交流電源２０ｒは、送信周波数ｆ_１を有する電気信号Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣ_ＴＸおよび送信コイルＬ_ＴＸは共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数にチューニングされている。送信コイルＬ_ＴＸからは、電力信号Ｓ１が送出される。ワイヤレス給電システム２ｒでは、電力信号Ｓ１として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

　ワイヤレス受電装置６ｒは、受信コイルＬ_ＲＸ、共振用キャパシタＣ_ＲＸおよび負荷３を備える。共振用キャパシタＣ_ＲＸ、受信コイルＬ_ＲＸおよび負荷３は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。

　図２は、図１の給電システムにおける交流電源から負荷への伝達特性（Ｓ２１）を示す図である。送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＴ_ＲＸの距離や向きが変化すると、２つのコイルの結合度Ｋが変化する。伝達特性Ｓ２１は、結合度Ｋが高くなると２つのピークに分離（スプリット）し、ピークの間隔は結合度Ｋに応じて変化する。

　従来の給電システム２ｒにおいては、共振用キャパシタＣ_ＴＸ、Ｃ_ＲＸの容量値を調節することにより、高い伝送効率が得られるピーク付近に、受信側、送信側の共振回路の共振周波数をチューニングしていた。

　しかしながら、給電装置４ｒと受電装置６ｒの距離、すなわち結合度Ｋが時々刻々と変化する状況においては、共振用キャパシタＣ_ＴＸ、Ｃ_ＲＸの調節を、結合度Ｋに応じて追従させるのが難しかった。

　本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、送信コイルと受信コイルの結合度が変化しても、高効率な電力伝送が可能なワイヤレス給電装置の提供にある。

　本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。このワイヤレス給電装置は、直列に接続された送信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振回路と、離散的な複数の周波数の正弦波信号を重ね合わせたマルチトーン信号を、共振回路に出力可能に構成されるマルチトーン電源と、を備える。

　この態様によると、結合度に応じて伝送効率が高い周波数帯域が分離する状況においても、給電側、受電側における共振周波数を変更することなく、効率が高い周波数を利用して電力伝送できる。

　ある態様において、マルチトーン電源は、共振回路と接続されるブリッジ回路と、ブリッジ回路に電源電圧を出力する電源回路と、複数の周波数の正弦波信号を重ね合わせた波形を有するデジタルマルチトーン信号を生成するデジタルマルチトーン信号生成部と、デジタルマルチトーン信号に応じたビットストリーム信号を生成するビットストリーム信号生成部と、ビットストリーム信号に応じてブリッジ回路を駆動するドライバ回路と、を備えてもよい。
　この態様によれば、マルチトーン信号を低損失で生成することができる。

　ある態様において、ビットストリーム信号生成部は、デジタルマルチトーン信号をΔΣ変調することによりビットストリーム信号を生成するバンドパスΔΣ変調器を含んでもよい。
　ΔΣ変調により、量子化ノイズは、複数の周波数よりも高い周波数領域にノイズシェーピングされる。高い周波数領域の信号は、共振回路によってフィルタリングされるため、ノイズがアンテナから送出されるのを抑制できる。

　デジタルマルチトーン信号生成部は、複数の周波数を示す周波数データを逆フーリエ変換することによりデジタルマルチトーン信号を生成する高速逆フーリエ変換器を含んでもよい。

　電源回路は、デジタルマルチトーン信号に応じて、電源電圧を変調してもよい。
　電源電圧を固定した場合、マルチトーン信号は完全な矩形波となるため、そのスペクトルは、サイドバンド成分を多く含む。これに対して、マルチトーン信号の波形に応じて、電源電圧を適切に変調することにより、サイドバンド成分を抑制することができ、帯域外のノイズをさらに低減することができ、あるいは効率を高めることができる。

　マルチトーン電源は、複数の周波数の正弦波を、マルチトーン信号のクレストファクターが小さくなるような位相で重ね合わせてもよい。
　この態様によれば、各周波数成分の振幅を大きくとることができ、送電可能な電力を大きくできる。

　本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムに関する。ワイヤレス給電システムは、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置と、電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明のある態様によれば、送信コイルと受信コイルの結合度が変化しても、高効率な電力伝送が可能となる。

ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。図１の給電システムにおける交流電源から負荷への伝達特性（Ｓ２１）を示す図である。実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。ワイヤレス給電装置の具体的な構成を示す回路図である。図５（ａ）～（ｅ）は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置の動作を示す図である。第２の変形例に係るワイヤレス給電装置の一部の構成を示す回路図である。第４の変形例に係るワイヤレス給電装置の一部の構成を示す回路図である。

　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
　同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

　図３は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置４の構成を示すブロック図である。給電装置４は、共振回路１０およびマルチトーン電源２０を備え、図示しないワイヤレス受電装置に対して電力信号Ｓ１を送出する。電力信号Ｓ１は、電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）である。

　共振回路１０は、直列に接続された送信コイルＬ_ＴＸおよび共振用キャパシタＣ_ＴＸを含む。抵抗Ｒ_ＴＸは、共振回路の抵抗成分を示す。

　マルチトーン電源２０は、離散的な複数の周波数ｆ_１～ｆ_Ｎの正弦波信号を重ね合わせたマルチトーン信号Ｓ２を、共振回路１０に出力可能に構成される。Ｎは、２以上の整数である。複数の周波数ｆ_１～ｆ_Ｎは、共振回路１０の共振周波数ｆ_Ｒを中心として分布することが望ましい。

　マルチトーン電源２０は、複数の周波数ｆ_１～ｆ_Ｎの正弦波を、マルチトーン信号Ｓ２のクレストファクターが小さくなるような位相で重ね合わせることが望ましい。

　図４は、ワイヤレス給電装置４の具体的な構成を示す回路図である。
　マルチトーン電源２０は、ブリッジ回路２２、ドライバ回路２４、電源２６、フォーマット部２７、デジタルマルチトーン信号生成部２８、ビットストリーム信号生成部３０を備える。

　ブリッジ回路２２の出力端子Ｐ１、Ｐ２は、共振回路１０と接続される。図４においてブリッジ回路２２は、Ｈブリッジ回路であり、４つのスイッチＳＷ１～ＳＷ４を含む。
　電源２６は、ブリッジ回路２２に電源電圧Ｖ_ＤＤを出力する。

　フォーマット部２７は、マルチトーン電源２０が生成すべきマルチトーン信号Ｓ２に含まれるべき複数の周波数ｆ_１～ｆ_Ｎを指示する周波数データＳ５を生成する。周波数データＳ５は、各周波数ｆ_１～ｆ_Ｎの振幅データおよび位相データを含む複素データであってもよい。この場合、位相データは、マルチトーン信号Ｓ２のクレストファクターが小さくなるように生成される。

　デジタルマルチトーン信号生成部２８は、周波数データＳ５が指示する複数の周波数ｆ_１～ｆ_Ｎの正弦波信号を重ね合わせた波形を有するデジタルマルチトーン信号Ｓ３を生成する。デジタルマルチトーン信号生成部２８は、周波数データＳ５を逆フーリエ変換することによりデジタルマルチトーン信号Ｓ３を生成する高速逆フーリエ変換器を含む。

　ビットストリーム信号生成部３０は、デジタルマルチトーン信号Ｓ３に応じたビットストリーム信号Ｓ４を生成する。たとえばビットストリーム信号生成部３０は、デジタルマルチトーン信号Ｓ３をΔΣ変調することによりビットストリーム信号Ｓ４を生成するバンドパスΔΣ変調器を含む。

　バンドパスΔΣ変調器は、公知の技術を用いればよい。バンドパスΔΣ変調器の内部のバンドパスフィルタの中心通過周波数ｆｃは、共振回路１０の共振周波数ｆ_Ｒと等しくなるように設計する。バンドパスΔΣ変調器は、オーバーサンプリングにより、中心通過周波数ｆｃの４倍のレートのビットストリーム信号Ｓ４を生成する。

　ビットストリーム信号生成部３０に入力されるデジタルマルチトーン信号Ｓ３は、全帯域に均一に分布する量子化ノイズを有する。バンドパスΔΣ変調器によって、量子化ノイズが、周波数ｆｃ付近で最小となり、そこから離れるに従って増大するように整形（ノイズシェーピング）される。

　ドライバ回路２４は、ビットストリーム信号Ｓ４に応じてブリッジ回路のスイッチＳＷ１～ＳＷ４を駆動する。
　具体的には、ドライバ回路２４は、ビットストリーム信号Ｓ４が第１レベル（たとえばハイレベル）のときスイッチＳＷ１、ＳＷ４のペアをオンし、ビットストリーム信号Ｓ４が第２レベル（たとえばローレベル）のとき、スイッチＳＷ２、ＳＷ３のペアをオンする。

　マルチトーン電源２０をブリッジ回路２２で構成する場合、マルチトーン信号Ｓ２の振幅は、電源２６が生成する電源電圧Ｖ_ＤＤで制限される。クレストファクターが小さくなるように各周波数の位相を最適化することにより、各周波数成分の振幅を大きくとることができ、送電可能な電力を大きくできる。マルチトーン電源２０をアナログアンプで構成する場合においても同様である。

　以上がワイヤレス給電装置４の構成である。
　続いてその動作を説明する。図５（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置４の動作を示す図である。送信コイルＬ_ＴＸと受信コイルＬ_ＲＸの結合度Ｋは、ワイヤレス給電装置４とワイヤレス受電装置６との距離や向きに応じて変化する。そして、マルチトーン電源２０からワイヤレス受電装置６の負荷に対するＳパラメータ（伝達特性）Ｓ２１は、結合度Ｋに応じて変化する。

　図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、ある結合度ＫのときのＳパラメータＳ２１（伝達特性）およびＳ１１（反射特性）を示す。マルチトーン電源２０は、複数の周波数ｆ_１～ｆ_１３を含むマルチトーン信号Ｓ２を生成する。
　ワイヤレス給電装置４は、複数の周波数ｆ_１～ｆ_１３のうち、ＳパラメータＳ２１が大きい周波数成分ｆ_５、ｆ_８によって、高効率でワイヤレス受電装置６に対する給電を行うことができる。その他の周波数成分ｆ_１～ｆ_４、ｆ_６、ｆ_７、ｆ_９～ｆ_１３については、反射率（Ｓ１１）が１に近く、共振回路１０に電流が流れないため、損失とはならないことに留意すべきである。

　以上がワイヤレス給電装置４の動作である。

　実施の形態に係るワイヤレス給電装置４によれば、結合度Ｋが変化することによりＳパラメータＳ２１が大きな周波数成分が変化した場合であっても、マルチトーン信号Ｓ２に含まれる周波数成分のうち、Ｓパラメータに応じた最適な周波数成分によって、高効率な給電が可能となる。

　また、単一のワイヤレス給電装置４から、複数のワイヤレス受電装置６に対して給電する場合にも、複数のワイヤレス受電装置６それぞれに対して、それぞれに最適な周波数成分により給電することができる。

　また図３のワイヤレス給電装置４では、ブリッジ回路２２を用いて、マルチトーン信号Ｓ２を生成する。したがって、リニアアンプを用いる場合に比べて、高効率で電力信号Ｓ１を生成できる。

　さらに、ビットストリーム信号生成部３０にバンドパス型のΔΣ変調器を用いており、その中心周波数ｆｃは、共振回路１０の共振周波数ｆ_Ｒと一致するように選択される。その結果、デジタルマルチトーン信号Ｓ３の量子化ノイズが、バンドパスフィルタの帯域外に分布することになるが、共振回路１０によって好適にフィルタリングすることができる。

　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
　電源２６は、デジタルマルチトーン信号Ｓ３に応じて、電源電圧Ｖ_ＤＤを変調してもよい。この場合、電源２６およびブリッジ回路２２を、ポーラー変調器とみなすことができる。

　電源電圧Ｖ_ＤＤを固定した場合、マルチトーン信号Ｓ２ａは完全な矩形波となるため、そのスペクトルは、サイドバンド成分を多く含む。これに対して、マルチトーン信号Ｓ２の波形に応じて、電源電圧Ｖ_ＤＤを適切に変調することにより、サイドバンド成分を抑制することができ、帯域外のノイズをさらに低減することができ、あるいは効率を高めることができる。

（変形例２）
　図６は、第２の変形例に係るワイヤレス給電装置４ｂの一部の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電装置４ｂでは、ブリッジ回路２２ｂとしてハーフブリッジ回路を備える。ドライバ回路２４は、ビットストリーム信号Ｓ４が第１レベル（ハイレベル）のときに、スイッチＳＷ５をオンし、第２レベル（ローレベル）のときに、スイッチＳＷ６をオンする。
　この変形例によれば、Ｈブリッジ回路と同様の効果を得ることができる。

（変形例３）
　マルチトーン電源２０をアナログのリニアアンプで構成してもよい。たとえばマルチトーン電源２０は、デジタルマルチトーン信号Ｓ３をアナログマルチトーン信号に変換するＤ／Ａコンバータと、Ｄ／Ａコンバータの出力信号を共振回路１０に出力するアナログアンプ（バッファ）で構成できる。この構成によっても、共振回路１０に対して複数の周波数の正弦波を重ね合わせたマルチトーン信号を出力できる。

（変形例４）
　図７は、第４の変形例に係るワイヤレス給電装置４ｃの一部の構成を示す回路図である。ドライバ回路２４ｃは、分配部６０およびデッドタイム設定部６２を含む。分配部６０は、ビットストリーム信号Ｓ４にもとづき、スイッチＳＷ１～ＳＷ４に対するゲート信号Ｇ１～Ｇ４を生成する。たとえばビットストリーム信号Ｓ４がハイレベルのとき、ゲート信号Ｇ１、Ｇ４は、スイッチＳＷ１、ＳＷ４のオンを指示するレベルとなり、ビットストリーム信号Ｓ４がローレベルのとき、ゲート信号Ｇ２、Ｇ３は、スイッチＳＷ２、ＳＷ３のオンを指示するレベルとなる。

　デッドタイム設定部６２は、ビットストリームの各周期ごとに、スイッチＳＷ１～ＳＷ４のオン時間を所定のデッドタイムＴ_ＤＴ短くし、デッドタイムＴ_ＤＴの区間、すべてのスイッチＳＷ１～ＳＷ４をオフする。デッドタイム設定部６２は、デッドタイムＴ_ＤＴの長さが調節可能に構成される。

　このデッドタイムＴ_ＤＴは、いわゆる貫通電流の防止に加えて、共振周波数の制御に利用される。デッドタイム設定部６２は、マルチトーン信号Ｓ２、言い換えればそれに応じた共振電流Ｉ_Ｌが、共振回路１０と部分共振するように、デッドタイムＴ_ＤＴの長さを調節する。

　この変形例によれば、部分共振を利用することにより、共振回路１０の送信コイルＬ_ＴＸ、共振用キャパシタＣ_ＴＸの回路定数を変更することなく、デッドタイムＴ_ＤＴの長さに応じて共振回路１０の実効的な共振周波数を変化させることができる。

（変形例５）
　マルチトーン信号Ｓ２には、何らかの情報を重畳してもよい。情報の重畳は、重ね合わされる各周波数の正弦波に、振幅変調、位相変調などを施すことにより実現できる。

（変形例６）
　実施の形態では、ΔΣ変調を用いる場合を説明したが、パルス幅変調をはじめとするその他の変調方式を用いて、ブリッジ回路２２を駆動してもよい。

　実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…給電システム、４…ワイヤレス給電装置、６…ワイヤレス受電装置、１０…共振回路、２０…マルチトーン電源、２２…ブリッジ回路、２４…ドライバ回路、２６…電源、２７…フォーマット部、２８…デジタルマルチトーン信号生成部、３０…ビットストリーム信号生成部、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…マルチトーン信号、Ｓ３…デジタルマルチトーン信号、Ｓ４…ビットストリーム信号、Ｓ５…周波数データ。

　本発明は、ワイヤレス給電技術に利用できる。

Claims

　電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
　送信コイルを含む共振回路と、
　離散的な複数の周波数の正弦波信号を重ね合わせたマルチトーン信号を、前記共振回路に出力可能に構成される電源と、
　を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
　前記電源は、
　前記共振回路と接続されるブリッジ回路と、
　前記ブリッジ回路に電源電圧を出力する電源回路と、
　前記複数の周波数の正弦波信号を重ね合わせた波形を有するデジタルマルチトーン信号を生成するデジタルマルチトーン信号生成部と、
　前記デジタルマルチトーン信号に応じたビットストリーム信号を生成するビットストリーム信号生成部と、
　前記ビットストリーム信号に応じて前記ブリッジ回路を駆動するドライバ回路と、
　を備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
　前記ビットストリーム信号生成部は、前記デジタルマルチトーン信号をΔΣ変調することにより前記ビットストリーム信号を生成するバンドパスΔΣ変調器を含むことを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
　前記デジタルマルチトーン信号生成部は、
　前記複数の周波数を示す周波数データを逆フーリエ変換することにより前記デジタルマルチトーン信号を生成する高速逆フーリエ変換器を含むことを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
　前記電源回路は、前記デジタルマルチトーン信号に応じて、前記電源電圧を変調することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
　前記電源は、
　前記複数の周波数の正弦波を、前記マルチトーン信号のクレストファクターが小さくなるような位相で重ね合わせることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
　前記共振回路は、前記送信コイルと直列に接続された共振用キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
　電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
　前記電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
　を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。