WO2013035171A1

WO2013035171A1 - 送電装置

Info

Publication number: WO2013035171A1
Application number: PCT/JP2011/070372
Authority: WO
Inventors: 晃司柴田
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-14

Abstract

　送電装置（１０）は、受信アンテナ（２２）と磁気的に結合可能な送信アンテナ（１２）と、所定の共振周波数の交流電力を発生する信号発生手段（１１）と、発生される交流電力を増幅する電力増幅手段（１３）と、送信アンテナからの反射電力を検出する反射電力検出手段（１５）と、（ｉ）信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介して、相互に電気的に接続される経路である第１経路と、（ｉｉ）信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介さずに相互に電気的に接続されると共に、送信アンテナ及び反射電力検出手段が相互に電気的に接続される経路である第２経路と、の一方を選択する経路選択手段（ＳＷ１、ＳＷ２）と、検出された反射電力に基づいて、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されていると判定されたことを条件に、第１経路及び第２経路を交互に選択するように経路選択手段を制御する制御手段（１６）と、を備える。

Description

送電装置

　本発明は、非接触により電力を供給可能な送電装置に関し、特に、電磁界共振結合技術を用いた送電装置の技術分野に関する。

　この種の装置として、例えば、交流信号を発生する信号発生部と、該交流信号の供給を受けて電磁場を発生させる送信アンテナと、該送信アンテナからの反射波電力値と計測する反射電力計測部と、反射波電力値が予め規定された閾値以下又は最小となるように、信号発生部と送信アンテナとの間に配設された可変コンデンサの容量を制御する処理部と、を備える送電装置が提案されている。ここでは特に、該送電装置が、受電装置から出力される無線信号についての受信強度を検出する無線送受信器を備え、該検出された受信強度が基準強度に達したか否かを判別することにより受電装置の存在を検知することが開示されている（特許文献１参照）。

　或いは、コンバータを介して電源から供給された電力を、発振回路から与えられた周波数で送電コイルへ入力する送電アンプと、発振回路を制御する送電コントローラと、送電アンプと送電コイルとの間に配設された方向性結合器と、該方向性結合器と送電コントローラとの間に配設された反射波電力計測器と、受電ユニットと無線通信可能なデータ送受信ユニットと、を備える送電ユニットが提案されている。ここでは特に、送電コントローラは、データ送受信ユニットによる受電ユニットとのデータ送受信結果等に従って、発振回路等を制御することが開示されている（特許文献２参照）。

特開２０１０－１３０８００号公報特開２０１１－１０４３５号公報

　上述の特許文献１及び２に係る送電装置は、受電装置に電力を送電するための送信アンテナの他に、受電装置と通信可能な通信器を備えて構成されている。つまり、上述の特許文献１及び２に記載の技術では、電力を伝送するための部材の他に、受電装置と通信するための部材を別途設ける必要がある。このため、上述の特許文献１及び２に記載の技術では、送電装置の構成が比較的複雑になるという技術的問題点がある。

　本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、構成の簡素化を図ることができる送電装置を提供することを課題とする。

　本発明の送電装置は、上記課題を解決するために、所定の共振周波数で共振すると共に、所定の空間を隔てて配置される受信アンテナと磁気的に結合可能な送信アンテナと、前記所定の共振周波数の交流電力を発生する信号発生手段と、前記発生される交流電力を増幅する電力増幅手段と、前記送信アンテナからの反射電力を検出する反射電力検出手段と、（ｉ）前記信号発生手段及び前記送信アンテナが、前記電力増幅手段を介して、相互に電気的に接続される経路である第１経路と、（ｉｉ）前記信号発生手段及び前記送信アンテナが、前記電力増幅手段を介さずに相互に電気的に接続されると共に、前記送信アンテナ及び前記反射電力検出手段が相互に電気的に接続される経路である第２経路と、の一方を選択する経路選択手段と、前記第２経路が選択されている際に、前記検出された反射電力に基づいて、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されているか否かを判定する判定手段と、前記第２経路が選択されている際に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていると判定されたことを条件に、前記第１経路及び前記第２経路を交互に選択するように前記経路選択手段を制御する制御手段と、を備える。

　本発明の送電装置によれば、送信アンテナは、所定の共振周波数で共振すると共に、空間を隔てて配置される受信アンテナと磁気的に結合可能である。「所定の共振周波数」は、当該送信アンテナが搭載される製品の規格等に基づいて適宜設定される。このため、当該送信アンテナが搭載される製品の規格等で定められた電力伝送周波数の範囲内で共振するように、当該送信アンテナは構成される。

　信号発生手段は、所定の共振周波数の交流電力を発生する。電力増幅手段は、発生される交流電力を増幅する。反射電力検出手段は、送信アンテナに交流電力が供給されている際に、該送信アンテナからの反射電力を検出する。

　例えばスイッチング素子等である経路選択手段は、（ｉ）信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介して、相互に電気的に接続される経路である第１経路と、（ｉｉ）信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介さずに相互に電気的に接続されると共に、送信アンテナ及び反射電力検出手段が相互に電気的に接続される経路である第２経路と、の一方を選択する。

　例えばメモリ、プロセッサ、コンパレータ等を備えてなる判定手段は、経路選択手段により第２経路が選択されている際に、検出された反射電力に基づいて、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されているか否かを判定する。

　例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御手段は、経路選択手段により第２経路が選択されている際に、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されていると判定されたことを条件に、第１経路及び第２経路を交互に選択するように経路選択手段を制御する。

　以下の事項が判明している。即ち、非接触（無線）の電力伝送では、電力伝送可能な状態であるか否か（即ち、送信アンテナと受信アンテナとが互いに磁気的に結合されているか否か）を確認しなければ、周辺環境に悪影響を及ぼす可能性がある、又は送電装置の不具合を引き起こすことが広く知られている。

　このため、電力伝送可能な状態であるか否かを確認するために、例えば受信アンテナの存在等を確認するための、例えば無線通信装置等の装置を、電力伝送用の回路とは別に、設けなければならず、送電装置が比較的複雑になる可能性がある。

　他方で、一つの回路で、電力伝送と、電力伝送可能な状態であるか否かの確認と、を行う場合、電力伝送は比較的大電力で行われるため、電力伝送可能な状態であるか否かの確認をするための部材を、該比較的大電力に耐えうるものとしなければならず、例えば送電装置が肥大化したり、製造コストが増大したりする可能性がある。

　そこで本発明では、信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介して、相互に電気的に接続される経路である第１経路と、信号発生手段及び送信アンテナが、電力増幅手段を介さずに相互に電気的に接続されると共に、送信アンテナ及び反射電力検出手段が相互に電気的に接続される経路である第２経路と、を設けている。そして、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されていると判定されたことを条件に、制御手段により、第１経路及び第２経路を交互に選択するように経路選択手段が制御される。

　ここで特に、第１経路には電力増幅手段が含まれているため、信号発生手段で発生される交流電力が比較的小電力であっても、電力伝送に適した電力を送信アンテナに供給することができる。他方、第２経路には電力増幅手段が含まれていないため、該第２経路に供給される電力は比較的小電力となり、例えば反射電力検出手段の小型化を図ることが可能となる。

　そして、経路選択手段により第１経路及び第２経路が交互に選択されるので、周期的に電力伝送可能な状態であるか否かの確認（即ち、反射電力の検出）をしつつ、送信アンテナから受信アンテナへ電力を適切に伝送することができる。

　従って、本発明の送電装置によれば、当該送電装置の構成の簡素化を図ることができる。加えて、電力伝送可能な状態であるか否かの確認を比較的速やかに実行することができるので、電力伝送開始までの期間を短縮することができ、実用上非常に有利である。

　本発明の送電装置の一態様では、前記判定手段は、前記検出された反射電力が所定の閾値より小さいことを条件に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていると判定する。

　この態様によれば、比較的容易にして、送信アンテナと受信アンテナとが互いに磁気的に結合されているか否かを判定することができる。

　本発明に係る「所定の閾値」は、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されているか否かを決定する値である。このような「所定の閾値」は、実験的若しくは経験的に、又はシミュレーションによって、例えば、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離と、反射電力量との関係を求め、該求められた関係と、所定の共振周波数に起因する理論上の電力を伝送可能な距離と、に基づいて、送信アンテナと受信アンテナとが確実に磁気的に結合される反射電力量として設定すればよい。

　この態様では、前記発生される交流電力は、所定電力以下であってよい。

　このように構成すれば、第２経路に供給される電力を比較的小電力とすることができるので、該第２経路を構成する部材の少なくとも一部に係る電力耐性を比較的小さくすることができる。この結果、第２経路を構成する部材の少なくとも一部の小型化を図ることができる。

　ここで、「所定電力」は、受信アンテナが送信アンテナから所定範囲内にない場合（受信アンテナと送信アンテナとが磁気的に結合していない場合）であっても、周囲の環境に影響を与えないような電力として設定すればよい。

　この態様では、前記制御手段は、前記第２経路が選択されている際に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていないと判定された場合、前記第２経路の選択を維持するように前記経路選択手段を制御し、前記反射電力検出手段は、所定期間毎に前記反射電力を検出してよい。

　このように構成すれば、送信アンテナが受信アンテナと磁気的に結合されていない場合に、該送信アンテナに比較的大電力が供給されることを防止することができる。

　本発明の送電システムは、上記課題を解決するために、上述した本発明の送電装置（但し、その各種態様を含む）を複数備える送電システムであって、複数の前記経路選択手段を夫々制御する統括制御手段を備える。

　本発明の送電システムによれば、上述した本発明の送電装置と同様に、該送電装置の構成の簡素化を図ることができ、もって、当該送電システムの簡素化を図ることができる。

　本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

本発明の実施形態に係る送電装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る送電装置における電力伝送経路を説明するための図である。本発明の実施形態に係る送電処理を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る送電装置の応用例を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る送電装置の変形例を示すブロック図である。

　本発明の送電装置に係る実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。尚、以降の図では、本発明に直接関連する部材のみを示し、その他の部材については図示を省略している。

　先ず、本実施形態に係る送電装置及び受電装置の構成を、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る送電装置の構成を示すブロック図である。

　図１において、送電装置１０は、交流電力を発生する信号発生器１１と、所定の共振周波数で共振するように構成された送信アンテナ１２と、発生される交流電流を増幅する電力増幅器１３と、方向性結合器１４と、送信アンテナ１２からの反射電力を検出する反射電力測定器１５と、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２と、該スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御する制御部１６と、を備えて構成されている。

　送信アンテナ１２は、信号発生器１１から所定の共振周波数の交流電力が供給されることにより、後述する受信アンテナ２２と磁気的に結合可能である。尚、信号発生器１１から出力される交流電力は、所定電力以下に設定されている。

　送信アンテナ１２から受信アンテナ２２へ電力が伝送される場合、図１に示すように、信号発生器１１と電力増幅器１３とがスイッチング素子ＳＷ１により電気的に接続されると共に、電力増幅器１３と送信アンテナ１２とがスイッチング素子ＳＷ２により電気的に接続される（以降、適宜“経路Ａ”と称する）。尚、経路Ａは、本発明に係る「第１経路」の一例である。

　送信アンテナ１２が受信アンテナ２０と磁気的に結合しているか否かが判定される場合、図２に示すように、信号発生器１１と方向性結合器１４とがスイッチング素子ＳＷ１により電気的に接続されると共に、方向性結合器１４と送信アンテナ１２とがスイッチング素子ＳＷ２により電気的に接続される（以降、適宜“経路Ｂ”と称する）。図２は、本実施形態に係る送電装置における電力伝送経路を説明するための図である。尚、経路Ｂは、本発明に係る「第２経路」の一例である。

　この場合、送信アンテナ１２からの反射電力は、方向性結合器１４により反射電力測定器１５に供給される。上述の如く、信号発生器１１から出力される交流電力は、所定電力以下に設定されているので、経路Ｂが選択された場合、方向性結合器１４に供給される交流電力は比較的小さくなる。従って、方向性結合器１４の電力耐性を比較的小さくすることができる。

　再び図１にもどり、受電装置２０は、蓄電池２１と、該蓄電池２１に電気的に接続された受信アンテナ２２と、蓄電池２１及び受信アンテナ２２間に配設された整流器２３及び充電器２４と、を備えて構成されている。

　以上のように構成された送電装置１０における送電処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。

　図３において、制御部１６は、先ず、充電時間ｔ_ＣＨＧを初期化（即ち、“０”）する（ステップＳ１０１）。続いて、制御部１６は、経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨを初期化する（ステップＳ１０２）。

　次に、制御部１６は、経路Ｂが選択されるようにスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御する（ステップＳ１０３）。この結果、送信アンテナ１２からの反射電力ｐ_ＭＥＳが反射電力測定器１５により測定され、測定結果が制御部１６に送信される（ステップＳ１０４）。

　次に、制御部１６は、測定された反射電力ｐ_ＭＥＳが、本発明に係る「所定の閾値」の一例としての、参照反射電力変数Ｐ_ＲＥＦよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

　ここで、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２とが、磁気的に結合されていない場合、送信アンテナ１２は、電波を放出せず、ほとんど全ての電力を反射することが知られている。このため、測定された反射電力ｐ_ＭＥＳが参照反射電力変数Ｐ_ＲＥＦよりも大きければ、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２とは磁気的に結合していないこととなる。他方、測定された反射電力ｐ_ＭＥＳが参照反射電力変数Ｐ_ＲＥＦよりも小さければ、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２とが磁気的に結合されていることとなる。

　ステップＳ１０５の処理において、測定された反射電力ｐ_ＭＥＳが参照反射電力変数Ｐ_ＲＥＦよりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、制御部１６は、ステップＳ１０２の処理を実行する。

　他方、測定された反射電力ｐ_ＭＥＳが参照反射電力変数Ｐ_ＲＥＦよりも小さいと判定された場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御部１６は、受信アンテナ２２に電力を送電するために、経路Ａが選択されるように、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御する（ステップＳ１０６）。

　続いて、制御部１６は、充電時間ｔ_ＣＨＧ及び経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨを夫々更新する（ステップＳ１０７）。次に、制御部１６は、経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨが、経路最大保持時間Ｔ_ＨＯＬＤよりも長いか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

　経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨが、経路最大保持時間Ｔ_ＨＯＬＤよりも短いと判定された場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、制御部１６は、経路Ａが維持されるようにスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御する。

　他方、経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨが、経路最大保持時間Ｔ_ＨＯＬＤよりも長いと判定された場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、制御部１６は、充電時間ｔ_ＣＨＧが充電完了時間Ｔ_ＦＩＮよりも長いか否かを判定する（ステップＳ１０９）。

　充電時間ｔ_ＣＨＧが充電完了時間Ｔ_ＦＩＮより短いと判定された場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、制御部１６は、経路選択時間ｔ_ＰＡＴＨを初期化すると共に、経路Ｂが選択されるようにスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御する。

　このように、周期的に経路Ａと経路Ｂとが交互に選択されることにより、送信アンテナ１２と受信アンテナ２２との磁気的な結合が維持されているか否かを確認しつつ、送信アンテナ１２から受信アンテナ２２への電力伝送を実行することができる。

　他方、充電時間ｔ_ＣＨＧが充電完了時間Ｔ_ＦＩＮより長いと判定された場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、制御部１６は処理を終了する。

　本実施形態に係る「信号発生器１１」、「電力増幅器１３」、「反射電力測定器１５」、並びに「スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２」は、夫々、本発明に係る「信号発生手段」、「電力増幅手段」、「反射電力検出手段」、並びに「経路選択手段」の一例である。本実施形態に係る「制御部１６」は、本発明に係る「判定手段」及び「制御手段」の一例である。

　＜応用例＞
　本実施形態に係る送電装置の応用例について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係る送電装置の応用例を示すブロック図である。

　図４において、送電システム１００は、複数の送電装置１０と、該複数の送電装置１０各々の制御部１６を統括制御する統括制御部３０と、を備えて構成されている。

　複数の送電装置１０を、例えば１本の道路に沿って連続して配列すれば、受電装置２０を搭載する電気自動車が移動しながら、該電気自動車に搭載された蓄電池の充電を実行することができる。

　統括制御部３０を備えることにより、一つのエリア（例えば、駐車場等）で利用可能な総電力量に応じて、複数の送電装置１０各々が利用可能な電力を、比較的容易にして調整することができる。

　＜変形例＞
　本実施形態に係る送電装置の変形例について、図５を参照して説明する。図５は、実施形態に係る送電装置の変形例を示すブロック図である。

　図５において、変形例に係る送電装置４０では、電力増幅器１３が、信号発生器１１とスイッチング素子ＳＷ１との間に配設されている。そして、制御部１６は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２各々の接続状態に応じて、電力増幅器１３の増幅率（即ち、利得）を変更する。

　本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う送電装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

　１０、４０…送電装置、１１…信号発生器、１２…送信アンテナ、１３…電力増幅器、１４…方向性結合器、１５…反射電力測定器、１６…制御部、２０…受電装置、２１…蓄電池、２２…受信アンテナ、３０…統括制御部、１００…送電システム、ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチング素子

Claims

　所定の共振周波数で共振すると共に、空間を隔てて配置される受信アンテナと磁気的に結合可能な送信アンテナと、
　前記所定の共振周波数の交流電力を発生する信号発生手段と、
　前記発生される交流電力を増幅する電力増幅手段と、
　前記送信アンテナからの反射電力を検出する反射電力検出手段と、
　（ｉ）前記信号発生手段及び前記送信アンテナが、前記電力増幅手段を介して、相互に電気的に接続される経路である第１経路と、（ｉｉ）前記信号発生手段及び前記送信アンテナが、前記電力増幅手段を介さずに相互に電気的に接続されると共に、前記送信アンテナ及び前記反射電力検出手段が相互に電気的に接続される経路である第２経路と、の一方を選択する経路選択手段と、
　前記第２経路が選択されている際に、前記検出された反射電力に基づいて、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されているか否かを判定する判定手段と、
　前記第２経路が選択されている際に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていると判定されたことを条件に、前記第１経路及び前記第２経路を交互に選択するように前記経路選択手段を制御する制御手段と、
　を備えることを特徴とする送電装置。
　前記判定手段は、前記検出された反射電力が所定の閾値より小さいことを条件に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
　前記発生される交流電力は、所定電力以下であることを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
　前記制御手段は、前記第２経路が選択されている際に、前記送信アンテナが前記受信アンテナと磁気的に結合されていないと判定された場合、前記第２経路の選択を維持するように前記経路選択手段を制御し、
　前記反射電力検出手段は、所定期間毎に前記反射電力を検出する
　ことを特徴とする請求項３に記載の送電装置。
　請求項１に記載の送電装置を複数備える送電システムであって、
　複数の前記制御手段を夫々制御する統括制御手段を備える
　ことを特徴とする送電システム。