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JP5665710B2 - 無線電力伝送システム、送電装置及び受電装置 - Google Patents

無線電力伝送システム、送電装置及び受電装置 Download PDF

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Description

実施形態は、無線電力伝送に関する。
従来、共通の共振周波数を持つ送電側共振器及び受電側共振器を磁界結合し、ワイヤレスに電力を伝送するシステムが提案されている。しかしながら、係る無線電力伝送システムによる電力の伝送効率は、送電側共振器と受電側共振器との間の相互インダクタンスに影響を受ける。例えば、伝送条件の変動により電力の伝送効率が劣化するおそれがある。
特表2009−501510号公報
"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science 6 July 2007: Vol. 37 no. 5834 pp. 83−86 Hermann A. Haus and Weiping Huang, "Coupled−Mode Theory", Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 10, Oct. 1991
実施形態は、伝送条件の変動による電力の伝送効率の劣化を抑制することを目的とする。
実施形態によれば、無線電力伝送システムは、第1の共振器と、第2の共振器と、調整用回路と、調整部とを含む。第1の共振器は、第1のインダクタを含み、第1の共振周波数を持つ。第2の共振器は、第2のインダクタを含み、第1の共振周波数を持つ。調整用回路は、第1の相互インダクタンスを伴う結合を通じて第1のインダクタから交流電力を受ける第3のインダクタと、第2の相互インダクタンスを伴う結合を通じて第2のインダクタへと交流電力を送る第4のインダクタと、第3のインダクタ及び第4のインダクタに直列接続されるキャパシタとを含む。調整部は、第1の相互インダクタンス及び第2の相互インダクタンスの少なくとも一方を調整可能である。
第1の実施形態に係る無線電力伝送システムを例示する図。 調整用回路及び相互インダクタンス調整部を伴わない無線電力伝送システムを例示する図。 図2の無線電力伝送システムの等価回路を例示する図 図3に示される等価回路の伝送効率の周波数特性を例示するグラフ。 図1の無線電力伝送システムの等価回路を例示する図。 図5に示される等価回路の伝送効率の周波数特性を例示するグラフ。 第2の実施形態に係る無線電力伝送システムを例示する図。 第3の実施形態に係る無線電力伝送システムを例示する図。
以下、図面を参照しながら実施形態の説明が述べられる。尚、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、重複する説明は基本的に省略される。
(第1の実施形態)
図1に示されるように、第1の実施形態に係る無線電力伝送システムは、(送電側)共振器100と、調整用回路300と、(受電側)共振器200と、相互インダクタンス調整部400を含む。共振器100は送電装置に内蔵される。共振器200は、受電装置に内蔵される。調整用回路300は送電装置及び受電装置のいずれかに内蔵される。
共振器100は、インダクタ101及びキャパシタ102を含み、所定の共振周波数(=ω)を持つ。インダクタ101のインダクタンスはLに等しく、キャパシタ102のキャパシタンスはCに等しい。共振周波数(=ω)は、共振器100のインダクタンス(=L)及びキャパシタンス(=C)によって決まる。
尚、一般に、共振器のキャパシタンスは、共振器の寄生キャパシタンスによって補うことができる。係る場合には、共振器の構成要素から回路部品のキャパシタを省略することができる。例えば、共振器が自己共振コイルに相当するインダクタを含むならば、回路部品のキャパシタは不要となる場合がある。
共振器200は、インダクタ201及びキャパシタ202を含み、上記所定の共振周波数(=ω)を持つ。インダクタ201のインダクタンスはLに等しく、キャパシタ202のキャパシタンスはCに等しい。共振周波数(=ω)は、共振器200のインダクタンス(=L)及びキャパシタンス(=C)によって決まる。即ち、C=Cである。
調整用回路300は、インダクタ301,302及びキャパシタ303を含む。インダクタ301のインダクタンスはLに等しく、インダクタ302のインダクタンスはLに等しく、キャパシタ303のキャパシタンスはCに等しい。キャパシタ303は、図1に示される通り、インダクタ301と直列接続されると共にインダクタ302とも直列接続される。より詳細には、調整用回路300において、キャパシタ303の一端はインダクタ301の一端と接続され、キャパシタ303の他端はインダクタ302の一端と接続され、キャパシタ301,302の他端同士が接続される。
インダクタ301は、第1の相互インダクタンス(=M)を伴う結合を通じてインダクタ101から交流電力を受ける。一方、インダクタ302は、第2の相互インダクタンス(=M)を伴う結合を通じて上記交流電力をインダクタ201に送る。
尚、共振器100は、電源から配線を経由して交流電力を受け取ってもよいし、電源に直接的または間接的に接続されたループ素子からワイヤレスに交流電力を受け取ってもよい。同様に、共振器200は、整流器及び負荷(回路、バッテリなど)へと配線を経由して交流電力を供給してもよいし、整流器及び負荷に直接的または間接的に接続されたループ素子へとワイヤレスに交流電力を供給してもよい。
相互インダクタンス調整部400は、第1の相互インダクタンス(=M)及び第2の相互インダクタンス(=M)の少なくとも一方を調整可能である。例えば、相互インダクタンス調整部400は、一方の相互インダクタンスを他方の相互インダクタンスに近付ける。相互インダクタンス調整部400の詳細は後述される。
以降、調整用回路300及び相互インダクタンス調整部400の技術的意義が説明される。
まず、図1の無線電力伝送システムから調整用回路300及び相互インダクタンス調整部400を除去した場合の電力の伝送効率が考察される。例えば、図2に示されるように、共振器100及び共振器200を含む無線電力伝送システムが想定可能である。具体的には、この無線電力伝送システムにおいて、インダクタ101及びインダクタ201の磁界結合により交流電力が伝送される。ここでは、簡単化のために、インダクタ101及びインダクタ201のインダクタンスはLに等しく、キャパシタ102及びキャパシタ202のキャパシタンスはCに等しいと仮定される。即ち、共振器100及び共振器200の共振周波数ωは、下記の数式(1)によって与えられる。
Figure 0005665710
更に、インダクタ101及びインダクタ201の磁界結合に関する相互インダクタンスは、Mに等しいと仮定される。
以上の仮定によれば、図2の無線電力伝送システムから図3の等価回路が導出できる。この等価回路の共振周波数は2つ存在し、これらは下記の数式(2)及び数式(3)に示される。
Figure 0005665710
Figure 0005665710
即ち、図3に示される等価回路の共振周波数(=ω,ω)は、いずれも所定の共振周波数(=ω)と一致しない。故に、図4に示されるように、図3に示される等価回路の伝送効率は、所定の共振周波数(=ω)においてピークを示さない。更に、伝送条件の変化によって相互インダクタンス(=M)が大きくなれば、所定の共振周波数(=ω)における伝送効率は一層劣化する。
次に、図1の無線電力伝送システムによる電力の伝送効率が考察される。ここでは、相互インダクタンス調整部400の作用により、第1の相互インダクタンス(=M)及び第2の相互インダクタンス(=M)の両方が調整済みであると仮定される。従って、図1の無線電力伝送システム(即ち、共振器100,200及び調整用回路300)の等価回路は、図5のように導出できる。
簡単化のために、L=L=L=L=Lと仮定され、C=C=2C=Cと仮定され、M=M=Mと仮定される。尚、第1の相互インダクタンス(=M)及び第2の相互インダクタンス(=M)はいずれも伝送条件に応じて変動するおそれがあるが、相互インダクタンス調整部400の作用により両者を一致させることができる。
以上の仮定によれば、図5に示される等価回路の共振条件は、下記の数式(4)で表される。
Figure 0005665710
数式(4)を解くと、3つの共振周波数が得られる。具体的には、上記数式(2)及び数式(3)に示されるω及びωと、下記数式(5)に示されるωが得られる。
Figure 0005665710
数式(5)から明らかなように、ωは、所定の共振周波数(=ω)に等しい。即ち、図5に示される等価回路の共振周波数のうち1つ(=ω)は、所定の共振周波数(=ω)に等しい。故に、図6に示されるように、図5に示される等価回路の伝送効率は、所定の共振周波数(=ω)においてピークを示す。更に、伝送条件の変化によって相互インダクタンス(=M)が変動したとしても、相互インダクタンス調整部400の作用により第1の相互インダクタンス(=M)及び第2の相互インダクタンス(=M)を一致させることができる。即ち、図5に示される等価回路の共振周波数のうち1つ(=ω)は、安定的に所定の共振周波数(=ω)に一致するので、高い伝送効率が維持される。
尚、上記説明では、計算を簡単化するために、L,L,L及びLが一致すると仮定され、C,C及び2Cが一致すると仮定された。しかしながら、これらは下記の数式(6)及び数式(7)の条件が満たされる限り自由に決定されてよい。例えば、インダクタ101,201,301,302は、いずれも異なる形状であってもよい。
Figure 0005665710
Figure 0005665710
以下、相互インダクタンス調整部400の詳細が説明される。
相互インダクタンス調整部400は、例えば、インダクタ101,301間の位置関係の調整を通じて第1の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってもよいし、インダクタ201,302間の位置関係の調整を通じて第2の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってもよい。より具体的には、相互インダクタンス調整部400は、インダクタ101,301の一方または両方の位置、傾きなどの調整を通じて第1の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってよい。同様に、相互インダクタンス調整部400は、インダクタ201,302の一方または両方の位置、傾きなどの調整を通じて第2の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってよい。
また、相互インダクタンス調整部400は、インダクタ101,301との間隙に設けられる挿入部材(図示されない)の位置、傾きなどの調整を通じて第1の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってもよい。同様に、相互インダクタンス調整部400は、インダクタンス201,302との間隙に設けられる挿入部材(図示されない)の位置、傾きなどの調整を通じて第2の相互インダクタンス(=M)を調整可能であってもよい。更に、複数種類の挿入部材が選択可能に用意され、これらの選択を通じて相互インダクタンスが調整可能であってもよい。ここで、挿入部材とは、インダクタ間の磁束を変化させるためのものである。挿入部材は、例えば、金属、誘電体、磁性体或いはこれらの組み合わせによって形成されてよい。
尚、相互インダクタンス調整部400の作用による相互インダクタンスの調整は、必ずしも自動的かつ動的である必要はない。例えば、図1の無線電力伝送システムが、クレードルを用いた充電システムとして適用される場合には、充電対象機器(例えば、携帯電話機、デジタルカメラ、ポータブルメディアプレーヤなど)はクレードルに固定されるので、両者の間の伝送条件は比較的安定しているとみなすことができる。このような場合には、第1または第2の相互インダクタンスを事前に所望の固定値に調整することが可能である。従って、例えば、クレードル(即ち、送電装置)または充電対象機器(即ち、受電装置)の設計時、製造時、初期設定時、設定変更時などに相互インダクタンス調整部400が自動的に作動して第1または第2の相互インダクタンスを所望の固定値に調整してもよい。或いは、送電装置または受電装置の設計時、製造時、初期設定時、設定変更時などに設計者、製造者、ユーザなどが相互インダクタンス調整部400を手動で操作して、第1または第2の相互インダクタンスを所望の値に調整してもよい。
以上説明したように、第1の実施形態に係る無線電力伝送システムは、送電用共振器と受電用共振器との間に調整用回路を備えている。更に、送電用共振器と調整用回路との間の結合に関する第1の相互インダクタンスと調整用回路と受電用共振器との間の結合に関する第2の相互インダクタンスとが近づくように調整される。従って、この無線電力伝送システムによれば、第1及び第2の相互インダクタンスの大きさに関係なく、送電用共振器及び受電用共振器の持つ所定の共振周波数において電力の伝送効率がピークを示す。即ち、この無線電力伝送システムによれば、伝送条件の変動による電力の伝送効率の劣化を抑制できる。
(第2の実施形態)
図7に示されるように、第2の実施形態に係る無線電力伝送システムは、送電装置500と、受電装置600とを含む。送電装置500は、共振器100と、電源510とを含む。受電装置600は、共振器200と、調整用回路300と、相互インダクタンス調整部410と、整流器610と、負荷620と、電力監視部630と、制御部640とを含む。即ち、本実施形態において、調整用回路300は、受電装置600に内蔵される。
電源510は、共振器100に交流電力を供給する。尚、電源510は、共振器100へとワイヤレスに交流電力を供給してもよい。その他、交流電力を中継する図示されない要素が電源510と共振器100との間に設けられてもよい。
整流器610は、共振器200から交流電力を受け、これを整流することによって直流電力を得る。尚、共振器200は、整流器610へとワイヤレスに交流電力を供給してもよい。その他、交流電力を中継する図示されない要素が共振器200と整流器610との間に設けられてもよい。
負荷620は、整流器610の出力端子に接続され、直流電力を受ける。負荷620は、負荷回路、バッテリなどであり、供給された直流電力を直ちに消費したり、一時的に蓄えたりする(充電)。
電力監視部630は、負荷620に供給された直流電力の量を監視する。例えば、電力監視部630は、電力計を含む。電力監視部630は、負荷620に供給された直流電力の量を示す情報を制御部640へと出力する。
制御部640は、負荷620に供給された直流電力の量に応じて相互インダクタンス調整部410を制御することによって第2の相互インダクタンス(=M)を調整する。例えば、制御部640は、負荷620に供給される直流電力の量が大きくなるように(例えば、最大化するように)第2の相互インダクタンスを調整する。
以上説明したように、第2の実施形態に係る無線電力伝送システムは、受電装置に含まれる負荷に供給された直流電力の量に応じて、調整用回路と受信側共振器との間の結合に関する第2の相互インダクタンスを最適化する。従って、この無線電力伝送システムによれば、送信側共振器と調整用回路と間の結合に関する第1の相互インダクタンスが変動したとしても、電力の伝送効率の劣化を抑制できる。
尚、送電装置500及び受電装置600に夫々通信部(図示されない)が設けられてもよい。送電装置500の通信部は、電源510から供給された交流電力の量を示す情報を例えば無線で送信する。受電装置600の通信部は、この情報を例えば無線で受信し、これを制御部640へと出力する。そして、制御部640は、電源510から供給された交流電力の量と負荷620に供給された直流電力の量とに基づいて伝送効率を計算してもよい。更に、制御部640は、この伝送効率が大きくなるように(例えば、最大化するように)第2の相互インダクタンスを調整してもよい。
また、受電装置600の通信部は、希望電力量を示す情報を例えば無線で送信してもよい。そして、送電装置500の通信部は、この情報を例えば無線で受信し、これを図示しない電源制御部に与えてもよい。電源制御部が希望電力量に応じて電源510からの供給電力量を制御すれば、受電装置600において必要とされる電力を確保しつつ、送電装置500による無駄な電力伝送を抑制できる。
更に、受電装置600は、典型的には、移動可能な電子機器であるので、小型化によって多大な恩恵を得られる。故に、例えば、前述の数式(6)及び数式(7)を考慮しながら、インダクタ201,301,302のサイズを小さく設計することが効果的である。
(第3の実施形態)
図8に示されるように、第3の実施形態に係る無線電力伝送システムは、受電装置700及び送電装置800を含む。受電装置700は、共振器200と、整流器610と、負荷620と、電力監視部630と、通信部710とを含む。送電装置800は、共振器100と、調整用回路300と、相互インダクタンス調整部420と、電源510と、通信部810と、制御部820とを含む。
通信部710は、負荷620に供給された直流電力の量を示す情報を電力監視部630から入力し、この情報を例えば無線で送信する。通信部810は、負荷620に供給された直流電力の量を示す情報を例えば無線で受信し、この情報を制御部820へと出力する。
制御部820は、負荷620に供給された直流電力の量に応じて相互インダクタンス調整部420を制御することによって、第1の相互インダクタンス(=M)を調整する。例えば、制御部820は、負荷620に供給される直流電力の量が大きくなるように(例えば、最大化するように)第1の相互インダクタンスを調整する。或いは、制御部820は、電源510から供給された交流電力の量と負荷620に供給された直流電力の量とに基づいて伝送効率を計算し、この伝送効率が大きくなるように(例えば、最大化するように)第1の相互インダクタンスを調整する。
相互インダクタンス調整部420は、制御部820からの制御に従って、第1の相互インダクタンス(=M)を調整する。相互インダクタンス調整部420は、前述の種々の技法を用いて第1の相互インダクタンス(=M)を調整可能である。
以上説明したように、第3の実施形態に係る無線電力伝送システムは、受電装置に含まれる負荷に供給された直流電力の量に応じて、送信側共振器と調整用回路との間の結合に関する第1の相互インダクタンスを最適化する。従って、この無線電力伝送システムによれば、調整用回路と受電側共振器との間の結合に関する第2の相互インダクタンスが変動したとしても、電力の伝送効率の劣化を抑制できる。更に、相互インダクタンス調整部、制御部などを受電装置に組み込む必要がないので、受電装置を小型化することが容易である。受電装置は、典型的には、移動可能な電子機器であるので、小型化によって多大な恩恵を得られる。
尚、通信部710は、希望電力量を示す情報を例えば無線で送信してもよい。そして、通信部810は、希望電力量を示す情報を例えば無線で受信し、これを図示しない電源制御部に与えてもよい。電源制御部が希望電力量に応じて電源510からの供給電力を制御すれば、受電装置700において必要とされる電力を確保しつつ、送電装置800による無駄な電力伝送を抑制できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100,200・・・共振器
101,201,301,302・・・インダクタ
102,202,303・・・キャパシタ
300・・・調整用回路
400,410,420・・・相互インダクタンス調整部
500,800・・・送電装置
510・・・電源
600,700・・・受電装置
610・・・整流器
620・・・負荷
630・・・電力監視部
640・・・制御部
710,810・・・通信部
820・・・制御部

Claims (9)

  1. 第1のインダクタを含み、第1の共振周波数を持つ第1の共振器と、
    第2のインダクタを含み、前記第1の共振周波数を持つ第2の共振器と、
    第1の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第1のインダクタから交流電力を受ける第3のインダクタと、第2の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第2のインダクタへと前記交流電力を送る第4のインダクタと、前記第3のインダクタ及び前記第4のインダクタに直列接続されるキャパシタとを含む調整用回路と、
    前記第1の相互インダクタンス及び前記第2の相互インダクタンスの少なくとも一方を調整可能な調整部と
    を具備
    前記調整部は、前記第1の相互インダクタンスおよび前記第2の相互インダクタンスが近づくように当該第1の相互インダクタンス及び当該第2の相互インダクタンスの少なくとも一方を調整する、
    無線電力伝送システム。
  2. 前記調整部は、前記第1のインダクタと前記第3のインダクタとの間の第1の位置関係及び前記第2のインダクタと前記第4のインダクタとの間の第2の位置関係の少なくとも一方を調整可能である、請求項1の無線電力伝送システム。
  3. 前記第1のインダクタと前記第3のインダクタとの間隙及び前記第2のインダクタと前記第4のインダクタとの間隙の少なくとも一方に設けられる挿入部材を更に具備し、
    前記調整部は、前記挿入部材の位置及び傾きの少なくとも一方を調整可能である、
    請求項1の無線電力伝送システム。
  4. 前記第1の共振器に前記交流電力を供給する電源と、
    前記第2の共振器から前記交流電力を受けて整流し、直流電力を得る整流器と、
    前記直流電力を受ける負荷と
    を更に具備し、
    前記第1の共振器が送電装置に内蔵され、
    前記調整用回路及び前記第2の共振器が受電装置に内蔵され、
    前記調整部は、前記第2の相互インダクタンスを調整可能である、
    請求項1の無線電力伝送システム。
  5. 前記直流電力の量を監視する監視部と、
    前記直流電力の量に応じて前記調整部を制御することによって前記第2の相互インダクタンスを調整する制御部と
    を更に具備する、請求項4の無線電力伝送システム。
  6. 前記第1の共振器に前記交流電力を供給する電源と、
    前記第2の共振器から前記交流電力を受けて整流し、直流電力を得る整流器と、
    前記直流電力を受ける負荷と
    を更に具備し、
    前記第1の共振器及び前記調整用回路が送電装置に内蔵され、
    前記第2の共振器が受電装置に内蔵され、
    前記調整部は、前記第1の相互インダクタンスを調整可能である、
    請求項1の無線電力伝送システム。
  7. 前記直流電力の量を監視する監視部と、
    前記直流電力の量を示す情報を送信する第1の通信部と、
    前記直流電力の量を示す情報を受信する第2の通信部と、
    前記直流電力の量に応じて前記調整部を制御することによって前記第1の相互インダクタンスを調整する制御部と
    を更に具備する、請求項6の無線電力伝送システム。
  8. 第1のインダクタを含み、第1の共振周波数を持つ第1の共振器と、
    第1の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第1の共振周波数を持つ第2の共振器に含まれる第2のインダクタから交流電力を受ける第3のインダクタと、第2の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第1のインダクタへと前記交流電力を送る第4のインダクタと、前記第3のインダクタ及び前記第4のインダクタに直列接続されるキャパシタとを含む調整用回路と、
    前記第2の相互インダクタンスを調整可能な調整部と
    を具備
    前記調整部は、前記第1の相互インダクタンスおよび前記第2の相互インダクタンスが近づくように当該第2の相互インダクタンスを調整する、
    受電装置。
  9. 第1のインダクタを含み、第1の共振周波数を持つ第1の共振器と、
    第1の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第1のインダクタから交流電力を受ける第3のインダクタと、第2の相互インダクタンスを伴う結合を通じて前記第1の共振周波数を持つ第2の共振器に含まれる第2のインダクタへと前記交流電力を送る第4のインダクタと、前記第3のインダクタ及び前記第4のインダクタに直列接続されるキャパシタとを含む調整用回路と、
    前記第1の相互インダクタンスを調整可能な調整部と
    を具備
    前記調整部は、前記第1の相互インダクタンスおよび前記第2の相互インダクタンスが近づくように当該第1の相互インダクタンスを調整する、
    送電装置。
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