JP2018170892A - 送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受電電圧を低減すると共に、効率を向上することができる送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法の提供を図る。【解決手段】受電器２に対して無線により電力を伝送する送電コイル１１と、前記送電コイルに電力を与える電源部１０と、前記電源部と前記送電コイルの間に設けられた送電側可変回路素子部１２と、を有し、前記受電器から無線通信を経由して伝えられる受電情報、および、送電電力情報に基づいて、前記送電側可変回路素子部を制御する。【選択図】図５

Description

この出願で言及する実施例は、送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法に関する。

近年、電源供給や充電を行うために、無線で電力を給電するワイヤレス給電(無線電力伝送：Wireless Power Transfer)技術が注目されている。例えば、携帯端末やノートパソコンを始めとした様々な電子機器や家電機器、或いは、自動車等の電力インフラ機器に対して、ワイヤレス給電を行うワイヤレス給電システムが研究・開発されている。

従来、ワイヤレス給電システムとしては、電磁誘導を利用した技術や電波を利用した技術が適用されているが、近年、送電器と受電器の距離をある程度離しつつワイヤレス給電が可能なものとして、強結合系の共振を用いたものが注目されている。この強結合系の共振を用いたワイヤレス給電としては、例えば、磁界共鳴(磁界共振)や電界共鳴(電界共振)を利用したものが知られている。

例えば、磁界共鳴を用いたワイヤレス給電装置は、例えば、数Ｗ以上の電力を数ｃｍ〜数十ｃｍ離れた場所に伝送することができるため、電子機器や家電機器、或いは、電力インフラ機器等に対して適用することが可能である。

ところで、従来、磁界共鳴を用いてワイヤレス給電を行うものとしては、様々な提案がなされている。

特開２０１５−０４３６９２号公報 国際公開第２０１４／００２１９０号

庄木 裕樹他(SHOKI Hiroki, et al.), 「ワイヤレス電力伝送技術に関する最新の標準化動向」, 電子情報通信学会技術研究報告(信学技報), WPT2011-19, December 2011.

ところで、多くの電子機器では、内部に搭載された充電制御ＩＣにより一定電圧による電力供給が行われており、ワイヤレス給電を行う場合でも、例えば、整流平滑部により直流電圧(ＤＣ電圧)に変換した後、ＤＣ／ＤＣ変換器で所定の電圧に変換している。ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器としては、通常、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器が使用されるが、その降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器の入力電圧は、負荷に対して直接印加する電圧よりも高くなる。

また、効率を向上させるには、例えば、入力電圧が高くても動作する耐電圧仕様の高いＤＣ／ＤＣ変換器の適用が求められるが、価格やサイズ等によりＤＣ／ＤＣ変換器の耐電圧仕様としては低い電圧(例えば、充電電圧に対して＋１０Ｖ程度)に抑えることが望まれている。

一実施形態によれば、受電器に対して無線により電力を伝送する送電コイルと、前記送電コイルに電力を与える電源部と、前記電源部と前記送電コイルの間に設けられた送電側可変回路素子部と、を有する送電器が提供される。

前記送電器は、前記受電器から無線通信を経由して伝えられる受電情報、および、送電電力情報に基づいて、前記送電側可変回路素子部を制御する。

開示の送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法は、受電電圧を低減すると共に、効率を向上することができるという効果を奏する。

図１は、ワイヤレス給電システムの一例を模式的に示すブロック図である。 図２は、負荷の値に対する効率特性と一定電源電圧供給時の受電電力特性の関係を説明するための図である。 図３は、送電コイルと受電コイルの位置関係を説明するための図である。 図４は、ワイヤレス給電コイルを最適設計した場合における、負荷の値に対する効率特性と一定電源電圧供給時の受電電力特性の関係を説明するための図である。 図５は、ワイヤレス給電システムの第１実施例を模式的に示すブロック図である。 図６は、図５に示すワイヤレス給電システムにおける送電側可変回路素子部による効果を説明するための図である(その１)。 図７は、図５に示すワイヤレス給電システムにおける送電側可変回路素子部による効果を説明するための図である(その２)。 図８は、ワイヤレス給電システムの第２実施例を模式的に示すブロック図である。 図９は、図８に示すワイヤレス給電システムにおける送電側可変回路素子部の構成例を示すブロック図である。 図１０は、ワイヤレス給電システムの第３実施例を模式的に示すブロック図である。 図１１は、ワイヤレス給電システムの第４実施例を模式的に示すブロック図である。 図１２は、本実施形態のワイヤレス給電システムにおける処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図１３は、本実施形態のワイヤレス給電システムにおける処理の他の例を説明するためのフローチャートである。

まず、送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法の実施例を詳述する前に、ワイヤレス給電システムの一例およびその課題を、図１〜図４を参照して説明する。図１は、ワイヤレス給電システムの一例を模式的に示すブロック図である。図１に示されるように、ワイヤレス給電システムは、送電系(送電器１０１，送電側)および受電系(受電器１０２，受電側)を含む。

送電器１０１は、例えば、電源部１１０および送電コイル１１１を含み、受電器１０２は、例えば、受電コイル１２１、整流平滑部(整流平滑化回路)１２２，ＤＣ／ＤＣ変換器(ＤＣ／ＤＣコンバータ：ＤＤコン)１２３および負荷(例えば、バッテリ)１２４を含む。ここで、参照符号１２０は、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３および負荷１２４を含む見かけ上の負荷を示す。また、送電器１０１(送電コイル１１１)は、受電器１０２(受電コイル１２１)に対して、電磁誘導、或いは、磁界共鳴や電界共鳴といった強結合系の共振を用いて無線により電力を伝送する。

送電器１０１において、電源部１１０は、送電コイル１１１に電力を与える。また、受電器１０２において、受電コイル１２１は、送電コイル１１１からの電力を受け取り、整流平滑部１２２は、受電コイル１２１からの交流電圧(電力)を、整流および平滑する。ＤＣ／ＤＣ変換器１２３は、整流平滑部１２２の出力電圧を所定電圧に変換して負荷１２４に印加する。

図１に示されるように、例えば、電源部１１０から、送電コイル１１１，受電コイル１２１および整流平滑部１２２までは、交流電圧として処理され、整流平滑部１２２から、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３および負荷１２４までは、直流電圧として処理される。なお、図１において、参照符号Ｐinは送電コイル１１１の入力電力(電源部１１０の出力電力)、Ｖampは電源部１１０の出力電圧(電圧レベル)、そして、Ｖ'outは整流平滑部１２２の出力電圧(ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の入力電圧)を示す。

また、参照符号ＶoutはＤＣ／ＤＣ変換器１２３の出力電圧(負荷１２４の印加電圧)、Ｐ'outは整流平滑部１２２の出力電力(ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の入力電力)、そして、ＰoutはＤＣ／ＤＣ変換器１２３の出力電力を示す。さらに、参照符号Ｒ_Lは、例えば、充電対象となる負荷(バッテリ)１２４の負荷値(インピーダンス)を示し、また、Ｒ'_Lは、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の入力インピーダンス、すなわち、見かけ上の負荷１２０の負荷値を示す。

ところで、多くの電子機器では、内部に搭載された充電制御ＩＣにより一定電圧(例えば、スマートフォンでは５Ｖ、また、ノートパソコンでは１２Ｖや１９Ｖ)で電力供給が行われている。そのため、ワイヤレス給電を行う場合でも、受電コイル１２１が交流で電力を受け取った後、整流平滑部１２２により直流電圧(ＤＣ電圧)に変換し、さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３を経由することで所定の電圧を出力する。

ＤＣ／ＤＣ変換器１２３としては、例えば、コストや入手の容易性の観点から降圧型のものが使用されることが多く、この場合、例えば、充電対象の負荷１２４の値(インピーダンス)Ｒ_Lよりも、常に見かけ上、高めの値(Ｒ'_L)として作用する。ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の損失が無視できるものとすると、Ｐout≒Ｐ'outであるから、Ｒ_L＝Ｖout²／Ｐout、Ｒ'_L＝Ｖ'out²／Ｐ'outとなり、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器１２３を適用する場合、Ｒ'_L＞Ｒ_L、Ｖ'out＞Ｖoutとなる。すなわち、見かけ上の負荷１２０の負荷値(Ｒ'_L)が高くなると、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の入力電圧Ｖ'outが高くなる。

図２は、負荷の値に対する効率特性と一定電源電圧供給時の受電電力特性の関係を説明するための図である。一般的に、ワイヤレス給電の給電性能(送電効率)は、受電系における負荷値の影響を受けることになる。すなわち、図２に示されるように、効率は、ある負荷値に対して最適点を持ち、通常は充電の対象となる電子機器の代表負荷値(例えば、２５Ω)付近で最大(例えば、８６％)となるように設計される。

また、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３として降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器を用いる場合、上述した受電電力特性の最大値を与える負荷値(例えば、Ｒpmax＝２１９Ω)よりも高負荷側の領域(図２におけるハッチング領域)でしか動作しない。そこで、効率特性の確保や過電圧の回避のため、例えば、充電対象となる電子機器の負荷値近傍、または、それ以下にＲpmaxを設定するのが好ましい。具体的に、例えば、１９Ｖの動作電圧で１４Ｗの電力が求められるタブレット端末を考えた場合、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の入力電圧Ｖ'outは、Ｖ'out＞(１４×Ｒpmax)^1/2＝(１４×２１９)^1/2≒５６[Ｖ]となる。すなわち、代表負荷値(２５Ω)付近の動作点に比べて、受電電力特性の最大値を与える負荷値(２１９Ω)では、効率(送電効率)が８６％から６８％に低下し、さらに、５６Ｖでも動作可能な耐電圧仕様が高いＤＣ／ＤＣ変換器の適用が求められることになる。なお、ＤＣ／ＤＣ変換器１２３の出力電圧が１９Ｖの場合、耐電圧仕様としては、例えば、＋１０Ｖ(２９Ｖ程度)に抑えることが望まれている。

さらに、受電器１０２の置き方が変化、すなわち、送電コイル１１１に対する受電コイル１２１の位置関係が変化するような場合、例えば、ワイヤレス給電の特性変化に応じて動的に切り換え制御を行い、所望の性能を確保するのが好ましい。図３は、送電コイルと受電コイルの位置関係を説明するための図であり、図４は、ワイヤレス給電コイルを最適設計した場合における、負荷の値に対する効率特性と一定電源電圧供給時の受電電力特性の関係を説明するための図である。ここで、図３(a)は、送電コイル１１１と受電コイル１２１の位置関係が正対状態(結合強度が１(１００％)の場合)を示し、図３(b)は、送電コイル１１１と受電コイル１２１の位置関係が位置ずれ有(結合強度が２／３)の場合を示す。また、図４において、特性曲線Ｌ11およびＬ12は、図３(a)の正対状態の場合であり、特性曲線Ｌ21およびＬ22は、図３(b)の位置ずれ有の場合である。また、特性曲線Ｌ11およびＬ21は、負荷と効率の関係を示し、特性曲線Ｌ12およびＬ22は、負荷と受電電力(一定電源電圧供給時の受電電力)の関係を示す。

図４の特性曲線Ｌ11およびＬ12に示されるように、送電コイル１１１と受電コイル１２１が正対状態(図３(a))のとき、ワイヤレス給電コイルを最適設計したタブレット端末では、Ｒpmax0が約２８Ωとなり、Ｖ'out0＞２０Ｖで効率を８１％とすることができる。すなわち、ワイヤレス給電コイル(送電コイル１１１および受電コイル１２１)を最適設計することにより、図２におけるＲpmaxを、２１９Ωから２８Ωまで低減し、効率の向上およびＤＣ／ＤＣ変換器の耐電圧仕様の低下が可能なのが分かる。しかしながら、効率特性とのバランスを考慮しつつＲpmaxの低減を図るには限界があり、このコイル設計のみに頼った特性の改善は難しいものと考えられる。

図４の特性曲線Ｌ21およびＬ22に示されるように、送電コイル１１１と受電コイル１２１が位置ずれ有(図３(b))のとき、ワイヤレス給電コイルを最適設計したタブレット端末では、Ｒpmax1が約６３Ωとなり、Ｖ'out1＞３０Ｖで効率を８２％とすることができる。すなわち、送電コイル１１１および受電コイル１２１を最適設計することにより、位置ずれ有の場合(結合係数が２／３)でも、それなりに対応可能なのが分かる。ここで、送電および受電コイルの位置関係が正対状態では、例えば、Ｖ'out0に余裕があるため、動作点を高負荷側(図４における右側)へシフトすることにより、効率改善が見込める。一方、位置ずれ有は、例えば、突発的に過剰電力が供給された場合等に対するマージンを考えると、未だ十分にＶ'out1が低減されているとはいえない。そのため、送電および受電コイル間の結合強度が変化する場合(例えば、操作者がテブレット端末を移動させた場合等)でも、そのような変化に応じて適応的に特性を切り換えられることが望まれている。

以下、送電器、受電器、ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図５は、ワイヤレス給電システムの第１実施例を模式的に示すブロック図である。図５に示されるように、ワイヤレス給電システムは、送電系(送電器１，送電側)および受電系(受電器２，受電側)を含む。

送電器１は、例えば、電源部１０、送電コイル１１および送電側可変回路素子部１２を含む。受電器２は、例えば、受電コイル２１、整流平滑部(整流平滑化回路)２２，ＤＣ／ＤＣ変換器(ＤＣ／ＤＣコンバータ：ＤＤコン)２３および負荷(例えば、バッテリ)２４を含む。ここで、参照符号２０は、ＤＣ／ＤＣ変換器２３および負荷２４を含む見かけ上の負荷(整流平滑部２２から見た負荷)を示す。送電コイル１１は、共振コイル(送電共振コイル)１１ａおよび駆動コイル(電力供給コイル)１１ｂを含み、受電コイル２１は、共振コイル(受電共振コイル)２１ａおよび負荷コイル(電力取り出しコイル)２１ｂを含む。

整流平滑部２２は、受電コイル２１(負荷コイル２１ｂ)からの交流電圧を、整流および平滑してＤＣ／ＤＣ変換器２３に出力する。ＤＣ／ＤＣ変換器２３は、整流平滑部２２の出力電圧を所定電圧に変換して、負荷２４に印加する。なお、図５において、参照符号Ｐinは電源部１０の出力電力、Ｖampは電源部１０の出力電圧、Ｖ'outは整流平滑部２２の出力電圧(ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧)、そして、ＶoutはＤＣ／ＤＣ変換器１２３の出力電圧(負荷２４の印加電圧)を示す。また、参照符号Ｐ'outは整流平滑部２２の出力電力、ＰoutはＤＣ／ＤＣ変換器２３の出力電力、Ｒ_Lは負荷(バッテリ)２４の負荷値(インピーダンス)、そして、Ｒ'_LはＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力インピーダンス(見かけ上の負荷２０の負荷値)を示す。

ここで、送電器１と受電器２は、例えば、共振コイル１１ａと共振コイル２１ａの間の磁界共鳴により、送電器１から受電器２へエネルギー(電力)の伝送を行う。なお、共振コイル１１ａから共振コイル２１ａへの電力伝送は、磁界共鳴だけでなく電界共鳴等の強結合系の共振を用いたものであってもよい。さらに、図１０を参照して、後に詳述するように、送電器１から受電器２へ電力伝送は、例えば、電磁誘導等を用いたものであってもよい。

電源部１０は、送電側可変回路素子部１２を介して駆動コイル１１ｂに電力(Ｐin)を与え、駆動コイル１１ｂは、共振コイル１１ａを駆動する。送電側可変回路素子部１２は、インダクタ素子Ｌmおよびキャパシタ素子(コンデンサ)Ｃmの少なくとも一方を含む。そして、送電側可変回路素子部１２は、例えば、受電器２から無線通信を経由して伝えられる受電情報に基づいて、インダクタ素子の値(インダクタンス)およびキャパシタ素子の値(キャパシタンス)等を制御する。

すなわち、第１実施例において、送電系の送電側可変回路素子部１２は、電源部１０と送電コイル１１(駆動コイル１１ｂ)の間にインダクタ素子Ｌmまたはキャパシタ素子Ｃmを挿入するか、或いは、電源部１０と駆動コイル１１ｂを短絡する。これにより、効率特性を維持しつつ、一定電源電圧供給時の受電電力特性を変化させて、Ｒpmaxを低減(可変)することができる。

図６および図７は、図５に示すワイヤレス給電システムにおける送電側可変回路素子部による効果を説明するための図であり、１９Ｖの動作電圧で１４Ｗの電力が求められるタブレット端末の例におけるものである。ここで、図６(a)は、正対状態の場合であり、特性曲線Ｌ11は、正対状態における負荷と効率の関係を示し、特性曲線Ｌ121〜Ｌ125は、正対状態における負荷と受電電力(一定電源電圧供給時の受電電力)の関係を示す。また、図６(b)は、位置ずれ有(結合係数：２／３)の場合であり、特性曲線Ｌ21は、位置ずれ有における負荷と効率の関係を示し、特性曲線Ｌ221〜Ｌ225は、位置ずれ有における負荷と受電電力の関係を示す。なお、特性曲線Ｌ121〜Ｌ125およびＬ221〜Ｌ225は、送電側可変回路素子部１２により挿入されるインダクタ素子Ｌmまたはキャパシタ素子Ｃmの値が異なっている。すなわち、Ｌ121およびＬ221はＣm＝0.3μＦ、Ｌ122およびＬ222はＣm＝0.5μＦ、Ｌ123およびＬ223は直結(THRU：ＣmおよびＬmｗを挿入せずに短絡)、Ｌ124およびＬ224はＬm＝7.5μＨ、そして、Ｌ125およびＬ225はＬm＝20μＨとした場合のものである。

また、図７(a)は、正対状態の場合で、挿入する回路素子(Ｌm＝20μＨ、Ｌm＝7.5μＨ、THRU、Ｃm＝0.5μＦ、Ｃm＝0.3μＦ)に対するＲpmax(受電電力特性の最大値を与える負荷値)，Ｖ'out(ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧)および効率を示す。さらに、図７(b)は、位置ずれ有の場合で、挿入する回路素子(Ｌm＝20μＨ、Ｌm＝7.5μＨ、THRU、Ｃm＝0.5μＦ、Ｃm＝0.3μＦ)に対するＲpmax，Ｖ'outおよび効率を示す。なお、図７(a)および図７(b)では、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器２３の適用を考慮して、Ｒpmax＜Ｒ_L(例えば、Ｒ_L＝２５Ω)のとき、Ｖ'out＞Ｖout(例えば、Ｖout＝１９Ｖ)となるので、Ｒpmax＝２５Ωとして見積もりを行っている。

図６(a)および図６(b)に示されるように、例えば、送電側可変回路素子部１２により電源部１０と駆動コイル１１ｂの間に挿入するインダクタ素子Ｌmの値を大きくすることによって、Ｒpmaxを低減することが可能なのが分かる。ただし、Ｌmの値を大きくすると、受電電力の最大値も徐々に低下する。また、挿入するキャパシタ素子Ｃmに関しては、インダクタ素子Ｌmと逆の振る舞いを示し、Ｃmの値を小さくすることによって、Ｒpmaxが低下する。

また、図６(a)と図６(b)の比較から明らかなように、送電器１と受電器２(共振コイル１１ａと２１ａ)の位置ずれが生じた場合でも、ＬmまたはＣmの値を調整することにより、受電電圧の低減および効率の向上を図ることができる。すなわち、送電器１と受電器２の位置ずれ等の状態に基づいて、Ｒpmaxを制御しながらＶ'outや効率を適切な範囲に調整することが可能となる。

さらに、図７(a)に示されるように、送電器１と受電器２が正対状態の場合、例えば、Ｖ'outの上限値に余裕があるときには、送電側可変回路素子部１２によりキャパシタ素子Ｃmの値を大きくすることにより、効率を向上させることができる。また、図７(b)に示されるように、送電器１と受電器２が位置ずれ有の場合、例えば、送電側可変回路素子部１２によりインダクタ素子Ｌmの値を大きくすることにより、Ｒpmaxを低減し、Ｖ'outを２０Ｖ台に(１９Ｖ＋１０Ｖよりも低く)抑えることができる。なお、上述した処理を、ワイヤレス給電を行っている間中、継続的に実行することで、例えば、受電器２の置き方(配置)により特性が変わっても、適切なＶ'outのレベルと高い効率を同時に実現することが可能となる。

図８は、ワイヤレス給電システムの第２実施例を模式的に示すブロック図である。図８と、前述した図５の比較から明らかなように、第２実施例のワイヤレス給電システムにおいて、送電器１は、さらに、送電側検出部１３、送電側制御部１４および送電側通信部１５を含む。送電側検出部１３は、送電電力情報を検出し、送電側制御部１４は、送電電力情報および受電情報に基づいて送電側可変回路素子部１２を制御する。なお、受電情報は、例えば、受電器２(送電系)と無線通信を行う送電側通信部１５から送電側制御部１４に入力される。

受電器２は、前述した受電コイル２１、整流平滑部２２、ＤＣ／ＤＣ変換器２３および負荷２４に加え、受電側検出部２５、受電側制御部２６および受電側通信部２７を含む。受電側検出部２５は、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧Ｖ'outおよび出力電圧Ｖoutを含むＤＣ／ＤＣ変換情報(受電情報)を検出し、受電側制御部２６および受電側通信部２７を介して送電器１(送電側通信部１５)に伝える。ここで、送電側通信部１５と受電側通信部２７の間の通信は、例えば、IEEE 802.11bに準拠するＤＳＳＳ方式の無線ＬＡＮやブルートゥース(Bluetooth（登録商標）)を利用することができるが、これらに限定されるものではない。

送電側制御部１４は、例えば、受電系の受電側通信部２７から送電側通信部１５を介して送られてきたＶ'outおよびＶoutを含むＤＣ／ＤＣ変換情報(受電情報)、および、送電側検出部１３からの送電電力情報に基づいて送電側可変回路素子部１２を制御する。すなわち、送電側制御部１４は、例えば、送電側可変回路素子部１２において、インダクタ素子Ｌmまたはキャパシタ素子Ｃmの値の調整(切り換え)、或いは、ＣmおよびＬmｗを挿入せずに短絡等を行う。これにより、効率特性を維持しつつ、一定電源電圧供給時の受電電力特性を変化させて、Ｒpmaxを低減することができる。さらに、送電側制御部１４は、上述した受電情報および送電電力情報に基づいて、ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧Ｖ'outが所定値以下となる条件下で、例えば、電源部１０の出力電圧Ｖampを高くして、効率の向上を図ることも可能である。

図９は、図８に示すワイヤレス給電システムにおける送電側可変回路素子部の構成例を示すブロック図であり、送電側可変回路素子部１２の第１および第２構成例を図９(a)および図９(b)として示す。

図９(a)に示されるように、第１構成例の送電側可変回路素子部１２は、複数のインダクタ素子Ｌm1〜Ｌmnおよび複数のキャパシタ素子Ｃm1〜Ｃmn、並びに、それぞれに対応する複数の素子選択用スイッチ素子と、入出力間を短絡する短絡用スイッチ素子を含む。ここで、インダクタ素子Ｌm1〜Ｌmnおよびキャパシタ素子Ｃm1〜Ｃmnは、例えば、それぞれ異なるインダクタンスおよびキャパシタンスを有している。すなわち、第１構成例の送電側可変回路素子部１２は、異なる回路定数が選択的に切り換えられるように、複数のラインで構成されている。

送電側制御部１４は、いずれか１つの素子選択用スイッチ素子、或いは、短絡用スイッチ素子をオンする。これにより、オンされた素子選択用スイッチ素子に対応するインダクタ素子またはキャパシタ素子が、電源部１０と駆動コイル１１ｂの間に挿入されるか、或いは、電源部１０と駆動コイル１１ｂの間が短絡(直結)される。

図９(b)に示されるように、第２構成例の送電側可変回路素子部１２は、可変インダクタ素子Ｌmを含み、送電側制御部１４により、可変インダクタ素子Ｌmの値を制御するようになっている。ここで、可変インダクタ素子Ｌmの代わりに、可変キャパシタ素子Ｃmを適用することもできるのはいうまでもない。すなわち、第２構成例の送電側可変回路素子部１２は、可変インダクタ素子Ｌmまたは可変キャパシタ素子Ｃmにより、異なる回路定数が調整できるようになっている。なお、送電側可変回路素子部１２の構成は、上述した図９(a)および図９(b)のものに限定されず、知られている様々な構成を適用することができるのはいうまでもない。

上述したように、第２実施例の送電器１(送電系)における送電側制御部１４は、例えば、検出された情報(受電情報，送電電力情報)に基づいて、送電側可変回路素子部１２の可変回路素子(Ｌm1〜Ｌmn，Ｃm1〜Ｃmn；Ｌm，Ｃm)を切り換えまたは調整(制御)する。さらに、送電側制御部１４は、電源部１０の出力電圧Ｖampを調整することで、適切なワイヤレス給電状態を実現することができる。ここで、送電側制御部１４は、例えば、上述した図６(a)および図６(b)のような効率および受電電力特性の負荷依存性テーブルを内部のメモリ１４０に保持しておき、送電側可変回路素子部１２を制御する際に併用(参照)することもできる。なお、この一連の制御を、ワイヤレス給電を行っている間中、継続的に実行することで、例えば、送電器１と受電器２の位置ずれや置き方の変化に対して、適切なＶ'outのレベルと高効率を同時に実現することが可能なのは前述した通りである。

図１０は、ワイヤレス給電システムの第３実施例を模式的に示すブロック図であり、電磁誘導方式を適用したワイヤレス給電システムの例を示すものである。図１０と、前述した図８の比較から明らかなように、第３実施例のワイヤレス給電システムにおいて、受電器２の受電コイル２１は、電磁誘導方式により送電器１の送電コイル１１からの電力を受け取るようになっている。すなわち、本実施形態は、磁界共鳴や電界共鳴といった強結合系の共振を適用したものに限定されず、電磁誘導を適用したものであってもよく、様々なワイヤレス給電システムに対して幅広く適用することができる。

なお、図１０に示す第３実施例おいて、受電器２の受電コイル２１が電磁誘導方式により送電器１の送電コイル１１からの電力を受け取る以外の構成は、前述した図８の第２実施例と同様であり、その説明は省略する。

図１１は、ワイヤレス給電システムの第４実施例を模式的に示すブロック図であり、送電器１における送電側可変回路素子部１２を削除し、その代わりに、受電器２に対して受電側可変回路素子部２８を設けたものである。すなわち、第４実施例では、例えば、図５〜図９を参照して説明した送電側可変回路素子部１２に相当する受電側可変回路素子部２８を、受電器２における負荷コイル(電力取り出しコイル)２１ｂと整流平滑部２２の間に設けるようになっている。

受電側制御部２６は、例えば、受電情報(Ｖ'outおよびＶoutを含む情報)を受電側検出部２５から受け取って受電側可変回路素子部２８を制御(切り換えまたは調整)する。ここで、受電側制御部２６は、例えば、送電器１(送電側通信部１５)からの送電電力情報を、受電側通信部２７を介して受け取り、受電情報および送電電力情報に基づいて、受電側可変回路素子部２８を制御することもできる。このとき、送電側制御部１４は、例えば、受電器２(受電側通信部２７)からの受電情報を、送電側通信部１５を介して受け取り、電源部１０の出力電圧Ｖamp等を制御する。

ここで、例えば、前述した第２実施例における送電器１を、第４実施例のワイヤレス給電システムにおける送電器１として適用することもできる。この場合、送電系では、送電側制御部１４が送電側可変回路素子部１２および電源部１０を制御し、受電系では、受電側制御部２６が受電側可変回路素子部２８を制御することになる。なお、上述した第１〜第４実施例は、様々な組み合わせ、並びに、変更および変形が可能なのはいうまでもない。

図１２は、本実施形態のワイヤレス給電システムにおける処理の一例を説明するためのフローチャートであり、整流平滑部２２の出力電圧(ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧)Ｖ'outを制御する場合の処理の一例を説明するためのものである。図１２に示されるように、処理が開始すると、送電系(送電器１，送電側)では、ステップＳＴ１において、受電系(受電器２，受電側)との通信を確立し、さらに、ステップＳＴ２に進んで、初期設定(例えば、ＴＨＲＵ，Ｖampレベル等)を行って出力(送電)開始する。

一方、受電系では、ステップＳＴ２１において、送電系との通信を確立し、さらに、ステップＳＴ２２に進んで、負荷２４で電力を受電したかどうかを判定する。ここで、送電系のステップＳＴ１の処理、および、受電系のステップＳＴ２１の処理は、送電器１および受電器２の認証とそれぞれの仕様確認に対応する。ステップＳＴ２２において、負荷２４で電力を受電したと判定すると、ステップＳＴ２３に進んで、送電系へ受電情報を送信する。

送電系では、ステップＳＴ３において、受電系からの情報を受け取ったかどうかを判定し、受電系のステップＳＴ２３で送電系へ受電情報を送信すると、ステップＳＴ３で受電系からの情報を受け取ったと判定し、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、送電電力の測定(検出)および効率の算出を行って、ステップＳＴ７に進む。また、ステップＳＴ３において、受電系からの情報を受け取っていないと判定すると、ステップＳＴ５に進み、規定回数を超えたかどうかを判定する。ステップＳＴ５において、規定回数を超えていないと判定すると、ステップＳＴ６に進んで、電源の出力レベル(電源部１０の出力電圧Ｖamp)を更新してステップＳＴ３に戻る。なお、ステップＳＴ５において、規定回数を超えていると判定すると、ステップＳＴ１６に進んで、終了を表示すると共に、受電系に対して送電(出力)終了通知を伝えて、処理を終了する。ここで、送電系から受電系に対する送電の終了通知は、受電系のステップＳＴ２７における終了通知が有ったかどうかの判定により、終了通知が有ったと判定すると、受電系も処理を終了する。なお、受電系のステップＳＴ２７において、終了通知が無いと判定すると、後述するステップＳＴ２５に戻り、処理を継続する。

送電系におけるステップＳＴ７では、受電系の整流平滑部２２の出力電圧(ＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧)Ｖ'outが規定値以上かどうかを判定し、Ｖ'outが規定値以上であると判定すると、ステップＳＴ８に進む。ステップＳＴ８では、電源の出力レベル(Ｖamp)の低減が可能かどうかを判定し、Ｖampの低減が可能であると判定すると、ステップＳＴ９に進んで、Ｖampを低減してステップＳＴ１２に進む。また、ステップＳＴ７において、Ｖ'outが規定値以上ではないと判定すると、そのままステップＳＴ１２に進む。

また、ステップＳＴ８において、Ｖampの低減が可能ではないと判定すると、ステップＳＴ１０に進んで、回路素子の切り換えが可能かどうか、すなわち、送電側可変回路素子部１２による回路素子の切り換えが可能かどうかを判定する。ステップＳＴ１０において、回路素子の切り換え(例えば、インダクタ素子Ｌmの値を小さく、または、キャパシタ素子Ｃmの値を小さくすること)が可能であると判定すると、ステップＳＴ１１に進む。

ステップＳＴ１１では、可変回路素子の切り換え、すなわち、送電側可変回路素子部１２による回路素子の制御(切り換えまたは調整：Ｌm 小またはＣm 小)を行う。また、ステップＳＴ１０において、回路素子の切り換えが可能ではないと判定すると、ステップＳＴ１６に進んで、終了を表示すると共に、受電系に対して送電終了通知を伝えて、処理を終了する。ここで、送電側可変回路素子部１２による回路素子の切り換えは、例えば、図５〜図９を参照して前述したように、インダクタ素子またはキャパシタ素子の値を制御する。また、例えば、図１１に示す第４実施例では、受電系において、受電側可変回路素子部２８による回路素子の切り換えが行われることになる。

さらに、ステップＳＴ１２に進んで、受電系と通信を行い、ステップＳＴ１３に進んで、受電系から情報を受信したかどうかを判定する。このとき、受電系では、ステップＳＴ２５において、送電系からの情報要求の有無を判定し、送電系からの情報要求の有ったと判定すると、ステップＳＴ２６に進んで、送電系へ受電情報を送信してステップＳＴ２７に進む。なお、受電系のステップＳＴ２５において、送電系からの情報要求が無いと判定すると、情報要求が有るまでステップＳＴ２５の処理を継続する。

送電系のステップＳＴ１３において、受電系から情報を受信したと判定すると、ステップＳＴ４に戻って、上述した処理を繰り返し、受電系から情報を受信していないと判定すると、ステップＳＴ１４に進む。ステップＳＴ１４では、規定回数を超えたかどうかを判定し、規定回数を超えていないと判定すると、ステップＳＴ１５に進んで、Ｖamp(電源部１０の出力電圧)を更新してステップＳＴ１３に戻る。また、ステップＳＴ１４において、規定回数を超えていると判定すると、ステップＳＴ１６に進んで、終了を表示すると共に、受電系に対して送電終了通知を伝えて、処理を終了する。なお、受電系のステップＳＴ２７では、送電系から送電の終了通知が有ったかどうかを判定し、終了通知が有ったと判定すると、受電系も処理を終了し、終了通知が無いと判定すると、ステップＳＴ２５に戻って処理を継続する。このように、図１２に示す処理によれば、送電側可変回路素子部１２によりインダクタ素子またはキャパシタ素子の値を制御することにより、受電系におけるＤＣ／ＤＣ変換器２３の入力電圧Ｖ'outが規定値以上にならないようにすることが可能になる。

図１３は、本実施形態のワイヤレス給電システムにおける処理の他の例を説明するためのフローチャートであり、図１２に示すフローチャートに対して、送電系のステップＳＴ１７およびＳＴ１８が追加されている。すなわち、図１３に示すフローチャートでは、図１２のステップＳＴ７において、Ｖ'outが規定値以上ではないと判定したとき、そのままステップＳＴ１２に進むのではなく、ステップＳＴ１７およびＳＴ１８の処理を行った後、ステップＳＴ１２に進む。

ステップＳＴ１７では、送電側可変回路素子部１２による回路素子の切り換え(Ｌm 大またはＣm 大)が可能であると判定すると、ステップＳＴ１８に進み、送電側可変回路素子部１２による回路素子の制御(切り換えまたは調整：Ｌm 大またはＣm 大)を行う。これにより、Ｖ'outの低減を行うだけでなく、効率(送電効率)を向上させることができる。そして、ステップＳＴ１２に進んで、図１２を参照して説明したのと同様の処理を行う。すなわち、図１３に示す処理によれば、図１２の処理によるＶ'outが規定値以上にならないようにするだけでなく、Ｖ'outが規定値以上でなければ(余裕が有れば)、効率の改善を図ることも可能になる。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１，１０１ 送電器
２，１０２ 受電器
１０，１１０ 電源部
１１，１１１ 送電コイル
１１，１１１ 送電コイル
１１ａ 共振コイル(送電共振コイル)
１１ｂ 駆動コイル(電力供給コイル)
１２ 送電側可変回路素子部
１３ 送電側検出部
１４ 送電側制御部
１５ 送電側通信部
２１，１２１ 受電コイル
２１ａ 共振コイル(受電共振コイル)
２１ｂ 負荷コイル(電力取り出しコイル)
２２，１２２ 整流平滑部
２３，１２３ ＤＣ／ＤＣ変換器
２４，１２４ 負荷
２５ 受電側検出部
２６ 受電側制御部
２７ 受電側通信部
２８ 受電側可変回路素子部
１４０ メモリ

Claims (15)

1. 受電器に対して無線により電力を伝送する送電コイルと、
   前記送電コイルに電力を与える電源部と、
   前記電源部と前記送電コイルの間に設けられた送電側可変回路素子部と、を有し、
   前記受電器から無線通信を経由して伝えられる受電情報、および、送電電力情報に基づいて、前記送電側可変回路素子部を制御する、
   ことを特徴とする送電器。
2. さらに、
   前記送電電力情報を検出する送電側検出部と、
   前記送電電力情報および前記受電情報に基づいて、前記送電側可変回路素子部を制御する送電側制御部と、
   前記受電器と無線通信を行う送電側通信部と、を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送電器。
3. 前記受電器は、
   前記送電コイルからの電力を受け取る受電コイルと、
   前記受電コイルからの交流電圧を、整流および平滑する整流平滑部と、
   前記整流平滑部の出力電圧を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、を有し、
   前記送電側可変回路素子部は、少なくともインダクタ素子またはキャパシタ素子を含み、
   前記送電側制御部は、前記受電情報および前記送電電力情報に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の入力電圧が規定値以下となるように、前記送電側可変回路素子部における前記インダクタ素子の値またはキャパシタ素子の値を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の送電器。
4. 前記送電側制御部は、前記受電情報および前記送電電力情報に基づいて、前記送電器から前記受電器への送電効率が向上するように、前記送電側可変回路素子部における前記インダクタ素子の値またはキャパシタ素子の値を制御する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の送電器。
5. 前記送電側可変回路素子部の前記インダクタ素子または前記キャパシタ素子は、値の異なる複数のインダクタ素子または値の異なる複数のキャパシタ素子を含み、
   前記電源部と前記送電コイルの間には、前記送電側制御部による制御に基づいて選択された前記インダクタ素子または選択された前記キャパシタ素子が挿入される、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の送電器。
6. 前記送電側可変回路素子部の前記インダクタ素子または前記キャパシタ素子は、値を可変可能なインダクタ素子または値を可変可能なキャパシタ素子を含み、
   前記電源部と前記送電コイルの間には、前記送電側制御部による制御に基づいて調整された値の前記インダクタ素子または調整された値の前記キャパシタ素子が挿入される、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の送電器。
7. 前記送電側制御部は、前記受電情報および前記送電電力情報に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣ変換器の入力電圧が規定値以下となるように、前記電源部の出力電圧を制御する、
   ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の送電器。
8. 前記送電側制御部は、前記受電情報および前記送電電力情報に基づいて、前記送電器から前記受電器への送電効率が向上するように、前記電源部の出力電圧を制御する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の送電器。
9. 前記送電側制御部は、効率および受電電力特性の負荷依存性テーブルを保持するメモリを含み、前記送電側可変回路素子部を制御する際に、前記送電電力情報および前記受電情報と共に、前記メモリに保持した前記効率および受電電力特性の負荷依存性テーブルを参照する、
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の送電器。
10. 前記受電器に対する電力の伝送は、電磁誘導または強結合系の共振を用いて行う、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の送電器。
11. 送電器から伝送される電力を無線により受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルからの交流電圧を、整流および平滑する整流平滑部と、
    前記整流平滑部の出力電圧を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記受電コイルと前記整流平滑部の間に設けられた受電側可変回路素子部と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換器の入力電圧および出力電圧を含む受電情報を検出する受電側検出部と、
    前記受電情報に基づいて、前記受電側可変回路素子部を制御する受電側制御部と、
    前記送電器と無線通信を行う受電側通信部と、を有する、
    ことを特徴とする受電器。
12. 前記受電側制御部は、前記受電情報、および、前記送電器から前記受電側通信部を経由して伝えられる送電電力情報に基づいて、前記受電側可変回路素子部を制御する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の受電器。
13. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の送電器と、
    前記送電器から伝送される電力を無線により受け取る前記受電器と、を有する、
    ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
14. 前記受電器は、請求項１１または請求項１２に記載の受電器である、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のワイヤレス給電システム。
15. 送電器から受電器に対して電力を無線により給電するワイヤレス給電方法であって、
    前記受電器は、
    前記送電器から伝送される電力を無線により受け取る受電コイルと、
    前記受電コイルからの交流電圧を、整流および平滑する整流平滑部と、
    前記整流平滑部の出力電圧を所定電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、を有し、
    前記送電器は、
    前記受電器に対して無線により電力を伝送する送電コイルと、
    前記送電コイルに電力を与える電源部と、を有し、
    前記受電器から無線通信を経由して伝えられる受電情報、および、送電電力情報に基づいて、前記送電器における前記電源部と前記送電コイルの間のインダクタンスまたはキャパシタンスを制御する、
    ことを特徴とするワイヤレス給電方法。

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