WO2023162288A1 - 受電装置および受電電力推定方法 - Google Patents

Abstract

受電装置は、受電電力を整流して、負荷に出力する主整流回路部と、主整流回路部の受電部と並列に接続される副整流回路部と、副整流回路部の出力部の電力を測定する測定部と、を備える。

Description

受電装置および受電電力推定方法

　本開示は、受電装置および受電電力推定方法に関する。

　従来、無線で電力を伝送可能な無線電力伝送システムが知られている。無線電力伝送システムにおいては、例えば、ＩＯＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）に向けたマイクロ波無線給電技術が適用されたシステムの実用化も検討されている。

　このような無線電力伝送システムの受電装置では、受電電力量をリアルタイムに観測することにより、効率的な動作が可能になる。また、受電電力の情報を送電装置にフィードバックすることにより、送電電力量を必要十分なレベルに維持することができる。

　従来の受電電力量の測定方法としては、入力電力を直接測定する方法、整流回路の出力電力を直接測定する方法が知られている。例えば、特許文献１には、受電部と整流部との間の測定点の入力電力量を測定する構成が開示されている。

国際公開第２０１３／１６０９７８号

　しかしながら、特許文献１に記載の構成では、受電した入力電力を測定点で、整流部側と電力測定部側とに分岐する必要がある。入力電力のような高周波信号を直接的に分岐するためには、ディバイダー等の回路素子を用いて分岐するが、ディバイダーにより電力が分配され、整流部に流入する電力が減少するため、受電システムとして電力損失の影響が大きくなるという問題が生じる。

　また、整流回路の出力電力を直接測定する方法では、整流回路の出力部に測定用の電流検出抵抗等を設ける必要があり、整流回路の出力電力に影響を与えるうえ、電力を求めるために電圧値と電流値をそれぞれ測定し、それらを乗算する必要があるため、直流電力の損失の影響が大きくなるという問題が生じる。

　本開示の目的は、電力損失の影響を低減することが可能な受電装置および受電電力推定方法を提供することである。

　本開示に係る受電装置は、
　受電電力を整流して、負荷に出力する主整流回路部と、
　前記主整流回路部の受電部と並列に接続される副整流回路部と、
　前記副整流回路部の出力部の電力を測定する測定部と、
　を備える。

　本開示に係る受電電力推定方法は、
　受電電力を整流して、負荷に出力する主整流回路部と、前記主整流回路部の受電部と並列に接続される副整流回路部と、を備える受電装置の受電電力推定方法であって、
　前記副整流回路部の出力部の電力を測定し、
　前記電力の測定結果に基づいて、前記主整流回路部の出力電力を推定する。

　本開示によれば、電力損失の影響を低減することができる。

本開示の実施の形態に係る受電装置が適用された無線電力伝送システムの構成例を示す図である。 受電装置の構成例を示す図である。 主整流回路部および副整流回路部の構成例を示す図である。 実験にて測定された受電電力と出力電圧との関係を示す図である。 制御部における推定制御の動作例を示すフローチャートである。 比較例と、本実施の形態に係る構成との整流効率の測定結果を示す図である。

　（実施の形態）
　以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る受電装置１０が適用された無線電力伝送システム１の構成例を示す図である。

　図１に示すように、無線電力伝送システム１は、無線で電力を伝送可能なシステムであり、例えばマイクロ波無線給電技術に関するシステムに適用可能であっても良い。無線電力伝送システム１は、単一または複数の送電装置２と、単一または複数の受電装置１０とを備える。

　送電装置２は、電力を受電装置１０に送電する装置である。送電装置２のそれぞれは、送電アンテナ２Ａおよび送電機２Ｂを有しており、複数の受電装置１０のそれぞれに同時に電力を送電可能であっても良い。

　また、送電装置２は、例えば、送電を行う空間の天井等に配置されていても良いし、壁、床、空間内の設置物（例えば、机等）の上に配置されていても良い。また、送電装置２は、均等な間隔で配置されていても良いし、ランダムな間隔で配置されていても良い。また、送電装置２は、固定型の構成であっても良いし、移動機構を有する構成であっても良い。

　受電装置１０は、送電装置２から送電された電力を受電する装置である。受電装置１０のそれぞれは、送電装置２から同時に電力を受電可能であっても良い。

　受電装置１０は、受電アンテナ１１０と、受電端末１２０とを備える。受電装置１０では、送電装置２から送電された電力が受電アンテナ１１０で受電され、受電端末１２０に入力される。

　図２に示すように、受電端末１２０は、所定の機能を発揮する負荷１２０Ａを備える。負荷１２０Ａは、電力が供給されることで駆動する。所定の機能は、電力が供給されて発揮される機能であり、例えば、温湿度、加速度、心電等のセンサー機能、ＬＥＤや液晶等の表示機能、ＢＬＥ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）　Ｌｏｗ　Ｅｎｅｒｇｙ）通信等の通信機能等であっても良い。

　受電端末１２０は、例えば、受電した電力（例えば、交流電圧）を負荷１２０Ａに供給可能な電力（例えば、直流電圧）に変換して、負荷１２０Ａに供給可能に構成されている。受電端末１２０は、主整流回路部１２１と、整合部１２２と、蓄電部１２３と、電源部１２４と、副整流回路部１２５と、制御部１２６とを備える。

　図３に示すように、主整流回路部１２１は、受電した交流電圧を整流して直流電圧に変換する回路部であり、第１コンデンサＣ１と、インダクタＬ１と、第２コンデンサＣ２と、整流回路１２１Ａとを有する。

　第１コンデンサＣ１およびインダクタＬ１は、直列接続されている。第１コンデンサＣ１は、インダクタＬ１に接続されていない側で、受電アンテナ１１０に接続される受電部１０Ａに接続され、インダクタＬ１は、第１コンデンサＣ１に接続されていない側で整流回路１２１Ａに接続されている。インダクタＬ１は、設けられなくてもよく、その場合回路は短絡される。

　第２コンデンサＣ２は、第１コンデンサＣ１とインダクタＬ１との間の配線とグランドとの間に設けられている。第２コンデンサＣ２は、設けられなくてもよく、その場合回路は開放される。

　整流回路１２１Ａは、例えば倍電圧整流回路であっても良く、直列接続された２つのダイオードＤ１，Ｄ２と、第３コンデンサＣ３と、を有する。

　ダイオードＤ１は、アノードがダイオードＤ２のカソードに接続され、カソードが第１配線１２１Ｂに接続されている。ダイオードＤ２のアノードはグランドに接続されている。第３コンデンサＣ３は、第１配線１２１Ｂとグランドとの間に設けられている。第１配線１２１Ｂは、主整流回路部１２１の出力配線である。

　図２に戻り、整合部１２２は、反射等の受電ロスを削減するため、昇圧または降圧により、主整流回路部１２１側と、負荷１２０Ａ側とのインピーダンス整合を行う。整合部１２２は、主整流回路部１２１の第１配線１２１Ｂと、第２配線１２４Ａとの間に設けられている。第２配線１２４Ａは、電源部１２４への入力配線である。整合部１２２は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータまたはチャージポンプであっても良い。

　蓄電部１２３は、整合部１２２の出力部側である第２配線１２４Ａとグランドとの間に設けられ、第２配線１２４Ａの電力（直流電圧）を蓄電する。蓄電部１２３は、受電電力に基づいて充放電する。

　例えば、蓄電部１２３は、受電電力が負荷１２０Ａの駆動に対して不足する場合、放電して電力を補い、受電電力が負荷１２０Ａの駆動に対して充足する場合、充電を行う。

　電源部１２４は、第２配線１２４Ａに接続され、主整流回路部１２１からの直流電圧に基づいて、負荷１２０Ａへの入力電力（電圧）を生成する。具体的には、電源部１２４は、主整流回路部１２１からの直流電圧を昇圧または降圧して、負荷１２０Ａに供給可能な電圧を生成する。

　図３に示すように、副整流回路部１２５は、受電した交流電圧を整流して直流電圧に変換する回路部であり、受電部１０Ａに、主整流回路部１２１と並列に接続されている。副整流回路部１２５は、第４コンデンサＣ４と、インダクタＬ２と、整流回路１２５Ａと、抵抗Ｒとを有する。抵抗Ｒは設けられなくてもよく、その場合回路は開放される。

　第４コンデンサＣ４は、受電部１０Ａに接続される第３配線１２５Ｂと整流回路１２５Ａとの間に設けられる。インダクタＬ２は、第３配線１２５Ｂとグランドとの間に設けられる。インダクタＬ２は設けられなくてもよく、その場合回路は開放される。

　整流回路１２５Ａは、主整流回路部１２１の整流回路１２１Ａと同一の構成であり、例えば倍電圧整流回路であっても良い。整流回路１２５Ａは、直列接続されたダイオードＤ３，Ｄ４と、第５コンデンサＣ５と、を有する。

　ダイオードＤ３は、アノードがダイオードＤ４のカソードに接続され、カソードが第４配線１２５Ｃに接続されている。ダイオードＤ４のアノードはグランドに接続されている。第５コンデンサＣ５は、第４配線１２５Ｃとグランドとの間に設けられている。抵抗Ｒは、第４配線１２５Ｃにおける整流回路１２５Ａの後段において、第４配線１２５Ｃとグランドとの間に設けられている。第４配線１２５Ｃは、副整流回路部１２５の出力配線である。

　副整流回路部１２５の入力インピーダンスは、主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも大きい。副整流回路部１２５の入力インピーダンスは、整流回路１２５Ａが、主整流回路部１２１の整流回路１２１Ａと同一の構成であるので、第４コンデンサＣ４、インダクタＬ２、および抵抗Ｒの各パラメータに基づいて決定される。

　本実施の形態では、副整流回路部１２５の入力インピーダンスが、主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも大きいことにより、主整流回路部と副整流回路部とが同等の入力インピーダンスである構成と比較して、主整流回路部１２１の電力損失を低減することができる。

　副整流回路部１２５の入力インピーダンスは、主整流回路部１２１の電力損失低減の観点から、可能な限り、主整流回路部１２１の入力インピーダンスより大きいことが良く、例えば、主整流回路部１２１の入力インピーダンスの１００倍以上であることが好ましく、１０００倍以上であることがさらに好ましい。特に、副整流回路部１２５の入力インピーダンスが、主整流回路部１２１の入力インピーダンスの１０００倍以上であると、主整流回路部１２１における、副整流回路部１２５に起因する電力損失を無視できるレベルにすることができる。

　副整流回路部１２５は、ダイオードの接合容量により、基本波においてＣＲ並列回路とみなすことができる。そのため、ダイオードＤ３，Ｄ４によるキャパシタンス成分を相殺するように、インダクタＬ２のパラメータを決定することにより、副整流回路部１２５の入力インピーダンスを、主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも高く設定することが可能である。

　インダクタＬ２のパラメータは、副整流回路部１２５の入力インピーダンスを、どの程度のレベルに設定するか否かに応じて、適宜設定しても良い。

　制御部１２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２６Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２６Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２６Ｃおよび入出力回路を備えている（図２も参照）。

　制御部１２６は、副整流回路部１２５の出力配線である、第４配線１２５Ｃの出力電圧をモニターすることで、副整流回路部１２５の出力部の電圧（電力）を測定する。制御部１２６は、本開示の「測定部」に対応する。

　制御部１２６は、副整流回路部１２５の出力部の電圧（出力電圧）を、例えばＡ／Ｄコンバータまたはコンパレータ等で測定しても良い。制御部１２６は、測定した電圧の測定結果に基づいて、受電電力量を推定しても良い。制御部１２６は、本開示の「推定部」に対応する。

　制御部１２６は、例えば、副整流回路部１２５の出力電圧と、受電電力との関係性を示すテーブルを参照して、副整流回路部１２５の測定電圧に基づいて受電電力量を推定する。出力電圧と受電電力との関係性を示すテーブルは、例えば、図４のように、実験やシミュレーション等により予め算出したものであっても良い。

　図４は、実験にて測定された受電電力と出力電圧との関係を示す図である。図４における縦軸は、副整流回路部１２５の出力電圧の対数スケール値（Ｖ）であり、横軸は受電電力（ｄＢｍ）である。

　図４は、信号発生器を用いて所定の周波数（例えば、９２０ＭＨｚ）を受電点１０Ａに印加し、測定器（例えば、電圧計）を用いて副整流回路部１２５の出力電圧をモニターすることで行われた実験結果である。図４における白丸は、受電電力値に対応する出力電圧の測定値を示している。なお、本実験では、副整流回路部１２５の入力インピーダンスが十分高くなることを意図して抵抗Ｒの値は、１００ｋΩとしている。

　例えば、図４における受電電力Ｐ１～Ｐ２の範囲内において、出力電圧は、両対数グラフ上で線型性を有することが確認できる。例えば、以下の式（１）を用いることで、Ｐ１～Ｐ２の範囲における出力電圧Ｖ（Ｖ）と入力電力Ｐ（ｍＷ）の回帰直線（図４の実線参照）を算出することができ、この回帰直線を例えば、出力電圧と受電電力との関係性を示すテーブルとすることで、受電電力量を推定することが可能となる。

　Ｖ＝０．２９５４×Ｐ^{０．８２７３}・・・（１）
　制御部１２６は、受電電力の推定結果に基づいて、例えばＢＬＥ通信等で送電装置２に受電電力の推定値を送信しても良いし、整合部１２２の整合比の制御を行っても良いし、蓄電部１２３の充放電制御を行っても良いし、負荷１２０Ａの制御やデータの受信等を行っても良い。

　次に、制御部１２６の受電電力の推定制御の動作例について説明する。図５は、制御部１２６における推定制御の動作例を示すフローチャートである。図５における処理は、例えば、受電装置１０が送電装置２から送電された電力を受電した際に適宜開始される。

　図５に示すように、制御部１２６は、副整流回路部１２５の出力電圧を測定する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１の後、制御部１２６は、出力電圧の測定結果に基づいて、受電電力を推定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２の後、本制御は終了する。

　以上のように構成された本実施の形態によれば、主整流回路部１２１の受電部と並列に接続される副整流回路部１２５の出力部の電力を測定する。

　例えば、従来においては、特許文献１に記載の構成のように、受電した入力電力を測定点で、整流部側と電力測定部側とに分岐して、入力電力量を測定する構成が知られている。しかし、この構成では、入力電力のような高周波信号を直接的に分岐するため、ディバイダー等の素子を用いて分岐する。その結果、ディバイダーにより電力が分配され、整流部に流入する電力が減少するため、受電システムとして電力損失の影響が大きくなるという問題が生じる。また、この構成では、電力測定素子を動かすために電力を消費するため、消費電力量も増大するおそれがある。

　具体的には、上記のような素子を用いた場合、素子を駆動させるために数ｍＷの電力が必要となる。受電装置１０で受電できる電力は、受電距離にもよるが、数１００μＷ程度であることを考慮すると、電力損失および消費電力量に大きな影響を及ぼす。

　それに対し、本実施の形態では、主整流回路部１２１の受電部と並列に接続される副整流回路部１２５の出力部の電力を測定するので、特許文献１に記載の構成のように、専用の電力測定素子を用いる必要がない。その結果、素子を駆動させるための電力を消費しないので、電力損失の影響を大幅に低減することができる。さらに、副整流回路部１２５を構成する部品はその一部または全部を主整流回路部１２１と共通のものとできるため、設計、調達、評価等のプロセスがより簡略化される。

　また、素子を動かすための電力を消費しないので、上記の素子を有する構成と比較して、消費電力量を大幅に低減することができる。

　また、従来においては、整流部の出力電力を直接測定する方法も考えられるが、この方法であると、整流部の出力部に測定用の回路等を設ける必要があるので、整流部の出力電力に影響を与え、ひいては直流電力の損失の影響が大きくなるという問題が生じる。また、測定用の回路では、電流と電圧とを独立に測定して電力を算出する必要が生じるので、回路が複雑化するおそれがある。

　それに対し、本実施の形態では、副整流回路部１２５の出力部の電力を測定するので、主整流回路部１２１の出力電力に影響を与えない。その結果、主整流回路部１２１の出力電力の損失の影響を低減することができる。

　また、副整流回路部１２５の出力部の電圧を測定して、その電圧に基づいて、受電電力を推定するので、複雑な回路を搭載する必要がない。その結果、構成を簡素化することができるので、受電装置１０の小型化および低コスト化に寄与することができる。

　副整流回路部１２５の入力インピーダンスは、主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも大きいので、副整流回路部の入力インピーダンスが主整流回路部の入力インピーダンスと同等以下である構成と比較して、電力損失の影響を低減することができる。

　例えば、副整流回路部１２５の入力インピーダンスを、主整流回路部１２１の入力インピーダンスの１０００倍程度とすると、受電アンテナ１１０側から見て、副整流回路部１２５の存在を無視できる程度に、電力損失の影響を低減することができる。

　例えば、図６には、副整流回路部を有さない構成（比較例）と、本実施の形態に係る構成との整流効率の測定結果が示されている。図６に示す測定結果は、入力電力を変動させた際の整流効率を、比較例と本実施の形態とのそれぞれを実験にて測定した結果である。

　図６によれば、比較例（破線）と、本実施の形態（実線）とで、入力電力の全範囲にわたって略同等の整流効率が得られていることが確認できる。

　また、副整流回路部１２５を主整流回路部１２１と並列に接続した構成であるので、受電装置１０の構成を簡易な構成とすることができる。

　また、受電電力を分岐するための素子を用いる必要がないので。主整流回路部１２１および副整流回路部１２５を１つのＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）に収めることができる。その結果、受電装置１０を全体として小型化することができる。

　なお、上記実施の形態では、副整流回路部１２５の出力電圧を測定していたが、本開示はこれに限定されず、副整流回路部１２５の出力電流を測定しても良い。また、副整流回路部１２５の出力電流を測定する場合、出力電圧および出力電流に基づいて、受電電力を推定しても良い。

　また、上記実施の形態では、倍電圧整流回路を整流回路としていたが、本開示はこれに限定されず、ブリッジ型の整流回路、４倍電圧整流回路等、他の整流回路であっても良い。

　また、上記実施の形態では、副整流回路部１２５の入力インピーダンスが主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも大きかったが、本開示はこれに限定されず、例えば、主整流回路部１２１の入力インピーダンス以下であっても良い。ただし、電力損失低減の観点から、副整流回路部１２５の入力インピーダンスが主整流回路部１２１の入力インピーダンスよりも大きい方が好ましい。

　また、上記実施の形態におけるコンデンサ、インダクタ、抵抗およびダイオードのパラメータは、受電装置１０の仕様等に応じて適宜設定しても良い。

　その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

　本開示の受電装置は、電力損失の影響を低減することが可能な受電装置および受電電力推定方法として有用である。

　１　無線電力伝送システム
　２　送電装置
　２Ａ　送電アンテナ
　２Ｂ　送電機
　１０　受電装置
　１１０　受電アンテナ
　１２０　受電端末
　１２１　主整流回路部
　１２２　整合部
　１２３　蓄電部
　１２４　電源部
　１２５　副整流回路部
　１２６　制御部

Claims (8)

1. 　受電電力を整流して、負荷に出力する主整流回路部と、
   　前記主整流回路部の受電部と並列に接続される副整流回路部と、
   　前記副整流回路部の出力部の電力を測定する測定部と、
   　を備える受電装置。
2. 　前記副整流回路部の入力インピーダンスは、前記主整流回路部の入力インピーダンスよりも大きい、
   　請求項１に記載の受電装置。
3. 　前記副整流回路部は、
   　前記出力部を有する整流回路と、
   　前記受電部とグランドとの間に設けられるインダクタと、
   　一端が前記受電部に接続され、他端が前記整流回路に接続されるコンデンサと、
   　を有する、
   　請求項１または請求項２に記載の受電装置。
4. 　前記測定部は、前記副整流回路部の出力電圧を測定する、
   　請求項１～３の何れか１項に記載の受電装置。
5. 　前記測定部の測定結果に基づいて、前記主整流回路部の出力電力を推定する推定部をさらに備える、
   　請求項１～４の何れか１項に記載の受電装置。
6. 　前記負荷と、
   　前記主整流回路部と、前記負荷との間に設けられ、前記主整流回路部側と前記負荷側とのインピーダンス整合を行う整合部と、
   　前記整合部の出力部に設けられ、前記受電電力に応じて充放電する蓄電部と、
   　前記主整流回路部の出力電力に基づいて前記負荷への入力電力を生成する電源部と、をさらに備える、
   　請求項５に記載の受電装置。
7. 　受電電力を整流して、負荷に出力する主整流回路部と、前記主整流回路部の受電部と並列に接続される副整流回路部と、を備える受電装置の受電電力推定方法であって、
   　前記副整流回路部の出力部の電力を測定し、
   　前記電力の測定結果に基づいて、前記主整流回路部の出力電力を推定する、
   　受電電力推定方法。
8. 　前記副整流回路部の入力インピーダンスは、前記主整流回路部の入力インピーダンスよりも大きい、請求項７に記載の受電電力推定方法。

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