JP2010239816A - 無線電力供給方法及び無線電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置における障害の発生を防止する無線電力供給方法を提供する。
【解決手段】電源部１１が送電共振コイル１２に電力を供給し、送電共振コイル１２が電力を受電共振コイル２２に磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する。比較部１４が監視部１３による電力の供給の監視の結果と、電力の供給の特性を示す特性データとを比較する。制御部１６が、比較部１４における比較の結果に基づいて、電源部１１における電力の供給を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる磁場共鳴モードにより無線で電力を供給する無線電力供給方法及び無線電力供給システムに関する。

無線による電力供給技術としては、一般的に、電磁誘導を利用した技術、電波を利用した技術が知られている。これに対して、近年、磁場共鳴モードを利用した技術が提案されている。

磁場共鳴モードによる無線電力供給技術では、例えば、送電装置に共振周波数ｆｒ１を持つ共振器が設けられると共に、受電装置に共振周波数ｆｒ２を持つ共振器が設けられる。これらの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２を同調させ、共振器のサイズや配置を適切に調整することにより、送電装置と受電装置との間に磁場共鳴モードによるエネルギー転送可能な磁場の結合状態が生じ、送電装置の共振器から受電装置の共振器へ無線により電力が伝送される。このような無線電力供給技術によれば、電力の伝送効率（エネルギー転送効率）を数十％程度とすることができ、送電装置と受電装置との間の距離を比較的大きく、例えば数１０ｃｍ程度の共振器に対して数１０ｃｍ以上とすることができる。

特表２００９−５０１５１０号公報

磁場共鳴モードによる無線電力供給においては、送電共振コイルの共鳴周波数と受電共振コイルの共鳴周波数とを同一の値に設定して、送電共振コイルと受電共振コイルとの間で電力を伝送する。これにより、磁場の共鳴現象を利用して、数１０ｃｍ程度の共振器に対して数１０ｃｍ〜数ｍという中程度の距離において、高い効率で、電力を伝送することができる。逆に、送電共振コイルと受電共振コイルとの間における磁場の共鳴現象が利用できなくなると、何らかの障害が発生する可能性がある。

本発明は、送電装置における障害の発生を防止する無線電力供給方法を提供することを目的とする。

開示される無線電力供給方法においては、電源部が磁場共鳴を生じさせる共振周波数で送電共振コイルに電力を供給し、共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能である送電共振コイルが、電源部から供給された電力を、受電共振コイルに、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する。監視部が電力の供給を監視し、比較部が、監視部による監視の結果と、電源部における電力の供給の特性を示す特性データとを比較する。監視する電力供給は、電流、あるいは電圧であっても良い。制御部が、比較部における比較の結果に基づいて、電源部における電力の供給を制御する。

開示される無線電力供給方法によれば、電源部における電力の供給を制御することができ、例えば、送電共振コイルと受電共振コイルとの間における磁場の共鳴現象が利用できない場合であっても、送電装置における障害の発生を防止することができる。

無線電力供給システムの構成の一例を示す図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 無線電力供給システムの監視処理フローである。 無線電力供給システムの構成の他の一例を説明する図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。 磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。

本発明者は、磁場共鳴モードによる無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間における磁場共鳴の不具合に起因してこれらの間における電力伝送が維持できなくなる場合に生じる、種々の障害について検討した。

図９は、磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図である。

図９（Ａ）に示すように、磁場共鳴モードによる無線電力供給においては、送電共振コイル５１２の共振周波数と、受電共振コイル５２２の共振周波数とを、同一の値ｆに設定する。これにより、送電共振コイル５１２から、受電共振コイル５２２へ、磁場共鳴を用いて電力が磁界エネルギーとして送電される。なお、電源部５１１は、送電共振コイル５１２に対して、電磁誘導により電力を供給する。受電共振コイル５２２は、電力受給部５２１に対して、電磁誘導により電力を供給する。

ここで、送電共振コイル５１２は、両端が開放されインダクタンスＬを有するコイルであり、浮遊容量による容量Ｃを有する。これにより、送電共振コイル５１２は、図９（Ｂ）に示すように、ＬＣ共振回路となる。送電共振コイル５１２の共振周波数ｆは、そのインダクタンスＬと容量Ｃとに基づいて、
ｆ＝１／２π（ＬＣ）^１／２・・・（式１）
により求まる。受電共振コイル５２２も同様である。

図１０及び図１１は、磁場共鳴モードによる無線電力供給において、送電共振コイルと受電共振コイルとの間における磁場共鳴の不具合に起因して、これらの間における電力伝送が維持できなくなる場合について、本発明者が検討した結果を示す。

なお、図１０及び図１１において、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間の距離は、最適であるものとする。後述するように、伝送効率が最大となる時のコイル距離が、その送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２における、換言すれば、その共振周波数ｆにおける最適距離ｄである。

図１０（Ａ）は、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間に、これらの間を妨げるものが何も存在しない場合を示す。この場合、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間における磁場共鳴は正常であり、従って、これらの間での電力の伝送は正常に行われる。

図１０（Ｂ）は、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間に、磁場の作用を受けない（磁気的に透明な）物体５０４が存在する場合を示す。物体５０４は、例えばプラスチック、木材等である。この場合、物体５０４は、磁場の作用を受けず、磁場に影響を与えない。このため、物体５０４は、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間における磁場共鳴に影響を与えない。従って、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間における磁場共鳴は正常であり、従って、これらの間での電力の伝送は正常に行われる。

これに対して、図１１（Ａ）は、送電共振コイル５１２と磁場共鳴すべき受電共振コイル５２２が正常に動作していない場合を示す。例えば、受電共振コイル５２２が故障して
正常に受電できない場合や、受電共振コイル５２２自体が何らかの理由で存在しない場合である。この場合、送電共振コイル５１２は受電共振コイル５２２に対して電力を伝送できない。このため、伝送されない電力が熱エネルギーとして送電共振コイル５１２に蓄積される。この結果、送電共振コイル５１２が異常に発熱する。最終的には、送電共振コイル５１２の温度が極めて高温になり、送電共振コイル５１２自体が破損したり、周囲の物が発火したりする。

図１１（Ｂ）は、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間に、電力を吸収する物体５０５が存在する場合を示す。物体５０５は、例えば、銅のような導体である。この場合、送電共振コイル５１２が送電する電力は、受電共振コイル５２２より近い距離にある物体５０５に吸収されてしまう。この結果、電力は、受電共振コイル５２２には殆ど伝送されない。この場合、物体５０５による電力の吸収は、不十分であることが多い。このため、伝送されない電力により、送電共振コイル５１２自体が異常に発熱したり破損したり、周囲の物が発火したりする。

なお、物体５０５が、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２と結ぶ直線上に存在していない場合でも、同様である。換言すれば、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間で磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する場合において、磁場共鳴に寄与する磁場の内部に存在する物体５０５は、磁場共鳴を用いた送電の障害となる。以下の物体５０６も同様である。

図１１（Ｃ）は、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間に、電力は吸収しないが磁場に影響を与える物体５０６が存在する場合を示す。物体５０６は、例えば磁性体である。この場合、物体５０６の存在により、送電共振コイル５１２と受電共振コイル５２２との間の磁場が乱されてしまう。この結果、電力は、受電共振コイル５２２には殆ど伝送されない。従って、前述したように、送電共振コイル５１２自体が異常に発熱したり破損したり、周囲の物が発火したりする。

以下に開示する無線電力供給システムは、送電共振コイルと受電共振コイルとの間において正常に電力が伝送できない場合であっても、送電装置における障害の発生を防止することができる。

図１は、無線電力供給システムの構成の一例を示す図である。

無線電力供給システムは、送電装置１と受電装置２とを備える。送電装置１と受電装置２は、磁気的結合３により結合される。送電装置１は、電源部１１と、送電共振コイル１２と、監視部１３と、比較部１４と、参照プロファイルテーブル１５と、制御部１６とを備える。電源部１１は、発振回路１１１と、電力供給コイル１１２とを備える。受電装置２は、電力受給部２１と、受電共振コイル２２とを備える。電力受給部２１は、電力取出コイル２１１と、負荷２１２とを備える。

監視部１３、比較部１４及び制御部１６は、ＣＰＵと主メモリ上に存在するこれらの処理を実行するプログラムとにより実現される。監視部１３は、更に、例えば電流形のような計測手段を備える。参照プロファイルテーブル１５はメモリ上に設けられる。

磁気的結合３は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間における、磁場共鳴により実現される。磁場共鳴を用いることにより、送電装置１は、受電装置２に対して、電気エネルギーを磁気的に伝送する。

磁場共鳴は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離が、電磁誘導を生じる距離よりも長い距離において成立する。磁場共鳴においては、送電共振コイル１２の共振周波数と受電共振コイル２２の共振周波数とは同一でなければならない。そこで、図１の無線電力供給システムでは、比較的長い距離においても磁気的結合３を実現するために、送電共振コイル１２の共振周波数と受電共振コイル２２の共振周波数とは同一の値ｆとされる。

ここで、共振周波数が同一とは、完全な同一である必要はなく、実質的に同一であれば良い。実質的に同一であるか否かは、Ｑ値に依存して決定される。実質的に同一である範囲は、Ｑ値が高ければ高い程狭くなり、Ｑ値が低ければ低いほど広くなる。実質的に同一の範囲は、例えば、共振点の値が半値となる周波数の範囲である。又は、実質的に同一の範囲は、目標とする効率を達成する周波数範囲である。又は、実質的に同一の範囲は、電磁誘導よりも高い効率で電力が伝送できる周波数範囲である。

また、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離は、共振周波数ｆについての最適な距離とされる。従って、コイル距離は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２を設計した時点で、共振周波数ｆについての最適距離ｄとして、予め知ることができる。

送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２は、共振周波数ｆを同一とする必要がある。このために、この例では、送電共振コイル１２及び受電共振コイル２２は、同一の形状とされる。従って、以下においては、送電共振コイル１２のみについて説明し、受電共振コイル２２についての説明は省略する。なお、共振周波数を同一とするためには、必ずしも同一の形状である必要はない。

送電共振コイル１２は、例えば、銅で形成された直径３０ｃｍのヘリカル型コイルとされる。コイル距離は、例えば２００ｃｍとされる。共振周波数は、例えば１０ＭＨｚとされる。

送電共振コイル１２は、１個のコイル部を備える。コイル部は、インダクタンスＬと、浮遊容量としての容量Ｃとを持つ。なお、容量Ｃは浮遊容量に限らず、物理的なコンデンサを接続しても良い。従って、送電共振コイル１２は、前述したように、インダクタンスＬと容量Ｃとにより定まる共振周波数ｆを持つ。共振周波数ｆは、前述の式１により求まり、送電共振コイル１２に固有の値である。

送電共振コイル１２は、両端が開放されたコイルである。送電共振コイル１２には、Ｑ値を高めるために、電気回路が接続されない。送電共振コイル１２は、以下に述べるように、ＬＣ共振回路となる。共振の鋭さを表すＱ値は、コイルの純抵抗と放射抵抗により決まり、これらの値が小さい程大きな値を得ることができる。

送電共振コイル１２は、コイル部のインダクタンスをＬ、コンデンサの容量をＣとし、発振回路１１１から供給される交流電力の周波数をｆとした場合、式１で表される周波数で共振状態となる。この周波数ｆが共振周波数ｆとなる。共振状態においては、コンデンサ内部の電圧による電場から、コイル部を流れる電流による自由空間の磁場へ、エネルギーが周期的に交換される。

共振状態の送電共振コイル１２に対して、同一の共振周波数ｆを持つ受電共振コイル２２を近接させると、送電共振コイル１２からの磁場によって受電共振コイル２２が共鳴する。このような磁場による共鳴現象を磁場共鳴モードと称する。磁場共鳴モードにおいては、送電共振コイル１２の電力が、近接した受電共振コイル２２へ無線で伝送される。即ち、磁場共鳴モードは磁場を介しての共振回路の共鳴現象である。磁場共鳴モードを用いた送電においては、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離が、これらの半径を越える値であっても、高い効率で電力を伝送することができる。

送電装置１において、電源部１１は、送電共振コイル１２に対して電力を供給する。電源部１１の発振回路１１１は、電力供給コイル１１２に電力を供給する電源を備える。発振回路１１１は、例えばコルピッツ発振回路である。発振回路１１１は、これに限られず、種々の発振回路を用いることができる。電力供給コイル１１２は、発振回路１１１から、例えば、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間に磁場共鳴を生じさせる共振周波数ｆで、電力を供給される。発振回路１１１の発振周波数は、送電共振コイル１２の共振周波数ｆ以外の周波数であっても良い。

電力供給コイル１１２は、発振回路１１１から供給された電力を、電磁誘導により、送電共振コイル１２に供給する。従って、送電共振コイル１２と電力供給コイル１１２とは、電磁誘導により電力が供給できる程度の近距離に配置される。これにより、電源部１１と送電共振コイル１２との間において、電力は、電磁誘導を用いて伝送される。

送電共振コイル１２と電力供給コイル１１２との間において、磁界共鳴を用いず、電磁誘導を用いることにより、送電共振コイル１２から見て、電力供給コイル１１２の共振周波数を考慮しなくても良い。従って、電力供給コイル１１２は、電力供給コイル１１２に接続する発振回路１１１によって、送電共振コイル１２の共振周波数が変化する事を考慮しなくても良い。このため、電力供給コイル１１２を用いることにより、発振回路１１１の設計の自由度を向上することができる。一方、発振回路１１１の発振周波数は、送電共振コイル１２との整合性から、送電共振コイル１２の共振周波数ｆで発振するようにされる。

送電共振コイル１２は、磁場共鳴を生じさせる共振周波数ｆにおいて受電共振コイル２２との磁場共鳴が可能とされる。送電共振コイル１２は、受電共振コイル２２に対して、電源部１１から供給された電力を、磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電し、又は、電磁誘導を用いて送電する。

受電装置２において、受電共振コイル２２は、共振周波数ｆにおいて送電共振コイル１２との磁場共鳴が可能とされる。受電共振コイル２２は、送電共振コイル１２から送電された磁界エネルギーを磁場共鳴を用いて受電する。受電共振コイル２２の共振周波数は、前述したように、送電共振コイル１２の共振周波数ｆに一致する。

電力受給部２１は、受電共振コイル２２が受電したエネルギーを、電力として出力する。電力受給部２１の電力取出コイル２１１は、受電共振コイル２２から電磁誘導により電力を取り出す。従って、受電共振コイル２２と電力取出コイル２１１とは、電磁誘導により電力が取り出せる程度の近距離に配置される。これにより、受電共振コイル２２と電力受給部２１との間において、電力は、電磁誘導を用いて伝送される。

受電共振コイル２２と電力受給部２１との間において、磁界共鳴を用いず、電磁誘導を用いることにより、受電共振コイル２２から見て、電力取出コイル２１１の共振周波数を考慮しなくても良い。このため、電力取出コイル２１１を用いることにより、電力受給部２１の設計の自由度を向上することができる。

電力取出コイル２１１は、負荷２１２に接続される。負荷２１２は、電力取出コイル２１１から取り出された電力を消費する。負荷２１２は、例えば、電子機器、バッテリー、白熱灯等である。なお、電力供給コイル１１２と負荷２１２との間には、実際には、取り出した電力を負荷２１２で消費する電力に変換する出力回路が接続される。出力回路は、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ、電圧変換回路、トランス、整流回路、充電量を監視する充電回路等である。

ここで、無線電力供給システムは、例えば、自動車や工場内や家庭内のロボット等に適用される。自動車やロボット等の移動体は、これらを駆動するために、負荷２１２としてのバッテリーを備える。自動車やロボット等の移動体には受電装置２が設けられ、例えば駐車場や給電ステーションには送電装置１が設けられる。

受電装置２は、搭載された移動体の移動により移動する。これにより、図１に示すように、ある受電装置２Ａが方向Ｄ１に移動して送電装置１から遠ざかると、代わって、他の受電装置２Ｂが方向Ｄ２に移動して送電装置１に近づく。

このように、受電装置２が搭載された移動体は、移動する。また、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離であるコイル距離は、前述したように、比較的長い。これらの理由から、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間に、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）に示すように、他の物体５０５、５０６が介在してしまうことがある。又は、図１１（Ａ）に示すように、受電共振コイル２２が移動途中の衝突等により破損してしまうことがある。

そこで、監視部１３は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間における電力の供給を監視する。このために、監視部１３は、例えば、図１に示すように、発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間に接続された電流計及び電圧計を備える。これにより、監視部１３は、電力供給の監視の結果として、発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間における電流及び電圧を測定した２個の測定結果を得る。この発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間についての測定結果は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間についての電力伝送の状態を表す。この測定結果は、周波数に依存するので、「周波数プロファイル」と言うこととする。

伝送される電力の監視は、種々の手段により行うことができる。例えば、発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間における電力を、電力計により測定するようにしても良い。これ以外の手段であっても、当該測定によって発振回路１１１及び電力供給コイル１１２に影響を与えない測定手段であれば良い。例えば、電力供給コイル１１２の近くにホール素子を配置し、電力供給コイル１１２に流れる電流に比例して生じる磁界の強さをホール素子で検出し、その検出出力を電流値として用いても良い。また、電力供給コイル１１２の電流ではなく、送電共振コイル１２の電流を計測しても良い。送電共振コイル１２の電流を検出するには、送電共振コイル１２の近くにホール素子を配置し、ホール素子の検出出力から電流値を検出する。

監視部１３は、例えば送電開始スイッチのオンに応じて、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の送電が開始されると、これらの間で伝送される電力の監視を開始する。監視部１３は、監視結果を比較部１４に例えば有線により送信する。

ここで、送電共振コイル１２の異常な発熱や破損は、確実に防止しなければならない。このために、実際には、最初は比較的小さい第１の出力値（低出力）で電力を伝送して、正常に電力が伝送されることを確認した上で、第１の出力値よりも大きい第２の出力値（通常出力）で電力が伝送される。第１の出力値（低出力）での伝送は、第１伝送モード又はスイープモードである。第２の出力値（通常出力）での伝送は、第２伝送モード又は通常モードである。第２の出力値は、実際に、発振回路１１１、電力供給コイル１１２及び送電共振コイル１２からの電力の伝送に用いられる出力値である。第１の出力値は、例えば、第２の出力値の１／１０〜１／１００である。第１の出力値による電力伝送及びその結果の監視は、後述するように、周期的に繰り返される。

最初に、制御部１６は、電源部１１に第１の出力値（低出力）で送電共振コイル１２に電力を供給させる。この時、更に、制御部１６が、電源部１１に、電源部１１が供給する電力の周波数を共振周波数を含む予め設定された範囲で変化させる。即ち、制御部１６は、電源部１１に、周波数を範囲において連続的に掃引させる。換言すれば、周波数スイープが実行される。これにより、電源部１１が、供給する電力の周波数を前記範囲内をスイープするように変化させつつ、第１の出力値（低出力）で、送電共振コイル１２に電力を供給する。この結果、前記範囲内において、周波数に依存して、電力の伝送がどのように変化しているかを示す、前述の「周波数プロファイル」が得られる。

この状態で、前述したように、監視部１３は、第１の出力値の電力の供給を監視する。
比較部１４は、監視部１３から送信された監視の結果を受信し、監視部１３による第１の出力値での電力伝送の監視の結果と、電源部１１における電力の供給の特性を示す特性データである「周波数プロファイル」とを比較する。監視部１３による監視の結果としては、発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間における電流及び電圧を測定した２個の測定結果が用いられる。特性データとしては、メモリの参照プロファイルテーブル１５に格納されたデータである「参照プロファイル」が用いられる。「参照プロファイル」は、比較部１４により、当該比較に先立って、参照プロファイルテーブル１５から読み出される。２個の測定結果及び特性データについては後述する。

以上のようなスイープのために、制御部１６の制御に応じて、電源部１１の発振回路１１１が、その発振周波数を、前記範囲内において連続的に変化させる。例えば、制御部１６は、コルピッツ発振回路のような発振回路１１１において、そのインダクタンスＬ（実際には、インダクタンスＬを等価的なセラミック発振子又は水晶発振子で置換したもの）を連続的に変化させる。このために、当該インダクタンスＬは可変とされ、制御部１６は当該インダクタンスＬの値を連続的に変化させる制御信号を形成して、逐次これをインダクタンスＬに供給する。なお、コルピッツ発振回路のような発振回路１１１において、その容量Ｃ１又はＣ２を連続的に変化させるようにしても良い。後述するように、発振周波数の初期値はｆｓとされ、終了値はｆｅとされる。発振回路１１１の出力する電力の出力値は、第１の出力値（低出力）で一定とされる。

制御部１６は、比較部１４における比較の結果に基づいて、電源部１１における電力の供給を制御する。具体的には、比較部１４における比較の結果、監視部１３による監視の結果が正常である場合、制御部１６が、電源部１１に第１の出力値よりも大きい第２の出力値（通常出力）で電力を供給させる。また、比較部１４における比較の結果、監視部１３による監視の結果が正常でない場合、制御部１６が、電源部１１に電力の供給を停止させる。従って、監視結果が正常でないことが検出された後は、第２の出力値（通常出力）で電力が伝送されることは無い。この場合、更に、制御部１６が、監視の結果が正常でないことを示すエラー信号を出力する。これにより、オペレータは、電力伝送に異常があることを知ることができる。

制御部１６の制御に応じて、電源部１１は、送電共振コイル１２に電力を供給する。この時、電源部１１は、送電共振コイル１２に供給する電力の周波数及び出力値も、制御部１６の制御に応じて設定する。また、制御部１６の制御に応じて、電源部１１は、送電共振コイル１２への電力の供給を停止する。

次に、比較部１４における比較処理について、図２〜図６を参照して説明する。図２〜図６は、磁場共鳴モードによる無線電力供給の説明図であり、伝送周波数と伝送電力との関係を示す。なお、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間の距離は最適であるものとする。

図２〜図６において、横軸は周波数を示し、縦軸は伝送電力（ｄＢ）を示す。周波数は、電力の伝送時における、送電共振コイル１２の周波数及び受電共振コイル２２の周波数である。また、ｆは、送電共振コイル１２の共振周波数及び受電共振コイル２２の共振周波数である。

図２は、電源部１１における電力の供給の特性を示す特性データであり、メモリの参照プロファイルテーブル１５から読み出されたデータである。この特性データは、送電共振コイル１２を設計した時点でシミュレーションにより得ることができる。又は、この特性データは、運用開始前に、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で、実際に理想的な状態で送電することにより得ることができる。換言すれば、図２は、送電共振コイル１２のあるべき状態、即ち、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で正常に電力が伝送されていることを示す。

図２において、伝送電力は、図２の曲線ａに示すようになる。即ち、伝送電力は、共振周波数ｆの近傍において、最大となり、最も高い効率で伝送される。なお、図２においては、曲線ａの頂点の近傍の形状がやや歪んでいる。これは、送電共振コイル及び受電共振コイルにおける共振周波数以外の種々の条件に依存するものである。このため、図２においては、伝送周波数が共振周波数ｆである場合に伝送電力が最大とはなっていない。しかし、理想的には、伝送電力は、点線で示すように、伝送周波数が共振周波数ｆである場合に最大となると考えて良い。

なお、図２において、周波数ｆｓ〜ｆｅが、スイープの範囲である。この範囲は、前述したように、共振周波数を含む。スイープの範囲は、予め定めることができる。電源部１１は、供給する電力の周波数を、このスイープ範囲で変化させる。換言すれば、電源部１１により供給される電力の周波数は、値ｆｓから順に値ｆｅまで変化させられる。

図２のプロファイルは、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で正常に電力が伝送されていることを示す。図２のプロファイルは、図３〜図６のプロファイルと対比されるべきものである。

また、図２のプロファイルは、送電共振コイル１２が図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示す状態である場合における、監視部１３による電力供給の監視の結果を示す。この場合、電力供給の監視の結果は、図２のプロファイルと一致するか、又は、相似形となる。従って、送電共振コイル１２が図１１に示す状態である場合、電力供給の監視の結果が図３となり、電力供給が異常な状態にあることが検出される。

ここで、電力供給の監視の結果である「周波数プロファイル」は、電力が第１の出力値（低出力）で伝送される状態（スイープモード）で得られる。そこで、図２のプロファイルである「参照プロファイル」も、電力が第１の出力値（低出力）で伝送される状態について用意される。この場合、両者は一致する。一方、図２のプロファイルである「参照プロファイル」を電力が第２の出力値（通常出力）で伝送される状態について用意した場合、両者は相似形となる。これは以下についても同様である。

図３〜図６は、監視部１３から送信された監視の結果であり、発振回路１１１と電力供給コイル１１２との間における電流及び電圧の測定結果である。換言すれば、図３〜図６は、送電共振コイル１２のその時点での実際の状態、即ち、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間で正常に電力が伝送されていないことを示す。なお、図３〜図６において、図２の曲線ａを参考のために示す。

図３のプロファイルは、送電共振コイル１２が図１１に示す状態（故障である状態）である場合における、監視部１３による電力供給の監視の結果を示す。送電共振コイル１２が図１１に示す状態である場合、伝送電力は、図３の曲線ｂに示すようになる。即ち、図３の曲線ｂにおける伝送電力の大きさは、特にそのピークにおいて、曲線ａよりも大きい状態となる。このように、図３の電力供給の監視の結果は、図２のプロファイルと一致せず、又は、相似形とならない。従って、送電共振コイル１２が図１１に示す状態である場合、電力供給の監視の結果が図３となり、電力供給が異常な状態にあることが検出される。

図４は、送電共振コイル１２が図４に示す状態である場合における、監視部１３による電力供給の監視の結果を示す。送電共振コイル１２が図４に示す状態である場合、伝送電力は、図４の曲線ｃに示すようになる。即ち、図４の曲線ｃにおける伝送電力の大きさは、２つのピークを持つように、即ち、いわゆるスプリットの状態となる。このように、図４の電力供給の監視の結果は、図２のプロファイルと一致せず、又は、相似形とならない。従って、送電共振コイル１２が図４に示す状態である場合、電力供給の監視の結果が図４となり、電力供給が異常な状態にあることが検出される。

図５及び図６は、送電共振コイル１２が図５に示す状態である場合における、監視部１３による電力供給の監視の結果を示す。送電共振コイル１２が図５に示す状態である場合、伝送電力は、図５の曲線ｄ又は図６の曲線ｅに示すようになる。即ち、図５の曲線ｄ又は図６の曲線ｅにおける伝送電力の大きさは、特にそのピークにおいて、曲線ａよりも大きい状態となる。このように、図５又は図６の電力供給の監視の結果は、図２のプロファイルと一致せず、又は、相似形とならない。従って、送電共振コイル１２が図５に示す状態である場合、電力供給の監視の結果が図５又は図６となり、電力供給が異常な状態にあることが検出される。なお、電力供給の監視の結果が図５又は図６のいずれとなるかは、当該監視時の送電共振コイル１２や物体５０６の状態に依存する。

図７は、無線電力供給システムの監視処理フローである。

制御部１６が、電源部１１に第１の出力値（低出力）で、送電共振コイル１２に電力を供給させる。これに応じて、電源部１１が、第１の出力値で、送電共振コイル１２に電力を供給する（ステップＳ１）。この時、送電共振コイル１２に供給される電力の周波数は、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間に磁場共鳴を生じさせる共振周波数とされ、送電共振コイル１２と受電共振コイル２２との間であるコイル距離は最適距離ｄとされる。

制御部１６が、電源部１１に、周波数を予め設定された範囲において連続的に掃引させる。これに応じて、電源部１１が、出力する電力の周波数を、共振周波数を含む予め設定された範囲で変化させる（ステップＳ２）。即ち、電源部１１が出力する電力の周波数は、例えば、周波数ｆｓから周波数ｆｅまで、連続的に変化させられる（スイープされる）。この時、コイル距離及び共振周波数は変化させられない。

この状態で、監視部１３が、第１の出力値の電力の供給を監視する。具体的には、監視部１３が、送電共振コイル１２に供給される電力ついての電流（又は電圧）の周波数プロファイルを測定する（ステップＳ３）。

比較部１４が、監視部１３による監視の結果である周波数プロファイルと、電源部１１における電力の供給の特性を示す特性データである参照プロファイルテーブル１５とを比較する。具体的には、比較部１４が、周波数プロファイルが、参照プロファイルと一致するか否かを調べる（ステップＳ４）。

例えば、送電共振コイル１２が電力を受電共振コイル２２に送電し、受電共振コイル２２が送電された磁界エネルギーを正常に受電していれば、周波数プロファイルが、参照プロファイルと一致する。

比較部１４における比較の結果、監視部１３による監視の結果が正常である場合、即ち、周波数プロファイルが参照プロファイルと一致する場合（ステップＳ４ ＹＥＳ）、制御部１６が、電源部１１に第１の出力値よりも大きい第２の出力値（通常出力）で電力を供給させる。これに応じて、電源部１１が、第２の出力値で送電共振コイル１２に電力を供給する（ステップＳ５）。

この後、制御部１６は、予め設定された時間が経過するのを待って、ステップＳ１を繰り返す。これにより、送電共振コイル１２の以上を定期的に監視することができる。前記時間は、経験的に定めることができ、例えば、数十秒〜数分とされる。この程度の時間であれば、送電共振コイル１２は、やや発熱することはあっても、異常な発熱や破損に至ることはない。

比較部１４における比較の結果、監視部１３による監視の結果が正常でない場合、即ち、周波数プロファイルが参照プロファイルと一致しない場合（ステップＳ４ ＮＯ）、制御部１６が、電源部１１に電力の供給を停止させ、監視の結果が正常でないことを示すエラー信号を出力する。これに応じて、電源部１１が、送電共振コイル１２への電力の供給を停止する（ステップＳ６）。これにより、送電共振コイル１２の異常な発熱や破損を防止することができる。

図８は、無線電力供給システムの構成の他の一例を説明する図であり、電源部１１が供給する電力の周波数を離散的に変化させる例である。

制御部１６が、電源部１１に、電源部１１が供給する電力の周波数を、予め設定された範囲ｆｓ〜ｆｅ内において、連続的に周波数を掃引するのではなく、予め設定された複数の値に離散的に変化させる。範囲ｆｓ〜ｆｅは、共振周波数ｆを含む、予め設定された範囲である。

例えば、電源部が供給する電力の周波数を、図８に示すように、ｆ１、ｆ２、ｆ３の順に変化させる。選択する周波数の数は、３個に限られず、種々の数を選択することができる。例えば、電源部が供給する電力の周波数を、ｆ１〜ｆ３の３点に、ｆｓ及びｆｅを加えるようにしても良い。これにより、周波数を連続的に掃引する場合よりも、プロファイルの測定処理に要する時間及びプロファイルの比較処理に要する時間を、短縮することができる。

１ 送電装置
２ 受電装置
３ 磁気的結合
１１ 電源部
１２ 送電共振コイル
１３ 監視部
１４ 比較部
１５ 参照プロファイルテーブル
１６ 制御部
２１ 電力受給部
２２ 受電共振コイル
１１１ 発振回路
１１２ 電力供給コイル
２１１ 電力取出コイル
２１２ 負荷

Claims (11)

1. 電源部が磁場共鳴を生じさせる共振周波数で送電共振コイルに電力を供給し、
   前記共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能である送電共振コイルが、前記電源部から供給された前記電力を、受電共振コイルに、前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電し、
   監視部が、前記電力の供給を監視し、
   比較部が、前記監視部による前記監視の結果と、前記電源部における前記電力の供給の特性を示す特性データとを比較し、
   制御部が、前記比較部における前記比較の結果に基づいて、前記電源部における前記電力の供給を制御する
   ことを特徴とする無線電力供給方法。
2. 前記比較部における前記比較の結果、前記監視部による前記監視の結果が正常である場合、前記制御部が、前記電源部に前記電力を供給させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給方法。
3. 前記比較部における前記比較の結果、前記監視部による前記監視の結果が正常でない場合、前記制御部が、前記電源部に前記電力の供給を停止させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給方法。
4. 前記比較部における前記比較の結果、前記監視部による前記監視の結果が正常でない場合、前記制御部が、前記監視の結果が正常でないことを示すエラー信号を出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線電力供給方法。
5. 前記制御部が、前記電源部に第１の出力値で送電共振コイルに電力を供給させ、
   前記監視部が、前記第１の出力値の電力の供給を監視し、
   前記比較部が、前記監視部による前記第１の出力値の電力の結果と、前記電源部における前記電力の供給の特性を示す特性データとを比較し、
   前記比較部における前記比較の結果、前記監視部による前記監視の結果が正常である場合、前記制御部が、前記電源部に前記第１の出力値よりも大きい第２の出力値で電力を供給させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給方法。
6. 前記制御部が前記電源部に前記第１の出力値で送電共振コイルに電力を供給させる場合において、電源部が供給する電力の周波数を前記共振周波数を含む予め設定された範囲で変化させた状態で、前記監視部が、前記第１の出力値の電力の供給を監視する
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線電力供給方法。
7. 前記制御部が、前記電源部に、前記周波数を前記範囲において連続的に掃引させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線電力供給方法。
8. 前記制御部が、前記電源部に、前記周波数を前記範囲において予め接待された複数の値に離散的に変化させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線電力供給方法。
9. 前記共振周波数において前記送電共振コイルとの磁場共鳴が可能である受電共振コイルが、前記送電共振コイルから送電された前記磁界エネルギーを、前記磁場共鳴を用いて受電し、
   電力受給部が、前記受電共振コイルが受電した前記磁界エネルギーを電力として出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力供給方法。
10. 磁場共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する電源部と、
    前記共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、前記電源部から供給された前記電力を、前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する送電共振コイルと、
    前記共振周波数において前記送電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、前記送電共振コイルから送電された前記磁界エネルギーを、前記磁場共鳴を用いて受電する受電共振コイルと、
    前記受電共振コイルが受電した前記磁界エネルギーを電力として出力する電力受給部と、
    前記電力の供給の特性を示す特性データを格納する格納部と、
    前記電力の供給を監視する監視部と、
    前記監視部による前記電力の結果と、前記電源部における前記電力の供給の特性を示す特性データとを比較する比較部と、
    前記比較部における前記比較の結果に基づいて、前記電源部における前記電力の供給を制御する制御部とを備える
    ことを特徴とする無線電力供給システム。
11. 磁場共鳴を生じさせる共振周波数で電力を供給する電源部と、
    前記共振周波数において受電共振コイルとの磁場共鳴が可能であり、前記電源部から供給された前記電力を、前記磁場共鳴を用いて磁界エネルギーとして送電する送電共振コイルと、
    複数の周波数で前記送電共振コイルに電力を供給させる制御部と、
    前記複数の周波数で供給した際に生じる前記送電共振コイルの特性を監視する監視部と、
    前記複数の周波数に対応し、前記送電共振コイルの特性を示す特性データを格納する格納部と、
    前記監視部により得る特性結果と、前記格納部による特性データとを比較する比較部と、
    前記比較部における前記比較の結果に基づいて、前記電源部における前記電力の供給を制御する制御部とを備える
    ことを特徴とする無線電力供給システム。

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