JP2018186702A - 無線電力伝送システムおよび送電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1スイッチング素子と接続された第1出力端と第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、直流電源から供給される直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更し、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定し、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力する制御回路と、を具備するものである。
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムに関し、以下に述べる検討を行った。
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子とを有し、前記第1スイッチング素子と接続された第1出力端と前記第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、前記直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更し、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定し、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力する制御回路と、を備える。
図2Aは、本開示の実施の形態1による無線電力伝送システムのハードウェア構成を示すブロック図である。本実施形態の無線電力伝送システムは、直流(DC)電源1030から入力される直流(DC)エネルギを交流エネルギに変換して出力する送電装置1000と、送電装置1000から出力された交流エネルギを無線で伝送する送受電アンテナ1010と、送受電アンテナ1010によって伝送された交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷1040に供給する受電装置1020とを備えている。送受電アンテナ1010は、送電アンテナ1010aと受電アンテナ1010bとの対からなり、各アンテナは、コイルおよびコンデンサを含む共振回路によって構成される。送受電アンテナ1010は、共振磁界結合によって送電装置1000から出力された交流エネルギを無線で受電装置1020に伝送する。伝送された交流エネルギは、受電装置1020内の整流回路1021によって直流(DC)エネルギに変換され、負荷1040に供給される。
結合が強いほど、kは大きい値となり、2つの共振周波数の分離量が増大する。本実施形態では、kの値は比較的低い値、例えば、0.1<k<0.5、ある例では0.2<k<0.4の範囲内に設定され得る。kの値は0.5を超えてもよいが、kの値を0.5よりも小さい値に設定することにより、送受アンテナ間の距離の増大や、送受アンテナ間のサイズの非対称性などの影響を受けにくいという、共振磁界結合方式ならではの効果を得ることができる。
まず、本実施形態における制御方式の第1の例を説明する。
次に、本実施形態の制御方式の第2の例を説明する。図10は、本制御方式の処理を示すフローチャートである。本制御方式では、上記第1の例におけるステップS306〜S309の代わりに、ステップS406〜S410が行われる点を除いて、上記第1の例と共通である。このため、第1の例と異なる点を中心に説明する。本制御方式では、周波数制御を行った後、位相制御が行われる点が第1の例と異なっている。
<制御方式3>
次に、実施の形態2について説明する。本開示の実施形態の制御方式は第3の例となる。実施の形態1では、受電装置1020からフィードバックされる情報は、負荷1040に対する出力電圧及び電流の値としていた。しかし、予め設定された出力電圧及び電流値と出力検出回路が検出した値の差(誤差の値)をフィードバックされる情報としてもよい。実施の形態2では、誤差の値をフィードバックする場合の例で説明する。
ここで、検出値は、受電装置1020が受け取った交流エネルギを直流エネルギに変換した後、負荷1040に入力される電圧、電流、または電力の値である。要求値は、受電装置1020が要求する電圧、電流、または電力の値である。制御誤差情報が正の値ならば、受電装置1020の要求に対して供給が不足していることを示し、負の値ならば過剰供給を示し、制御誤差が0ならば、適切な供給量であることを示す。制御誤差情報の値の決め方は上記の例に限定されず、検出値と要求値との差分を示す情報であればよい。これは、差分そのものを示す数値に限らず、差分から換算される数値であってもよい。
このため、図19Cに示す例では、周波数f3における出力調整は位相ずれ量φ20の状態から開始するように制御される。時刻t3において、周波数をf4に変更する際にも、同様の式に基づいて位相ずれ量φ30を予測することができる。このような制御によれば、図17、18に示す制御に比べて、出力電圧の調整に要する時間を短縮でき、より高速な制御が可能である。
次に、本開示の実施形態の制御方式の第4の例を説明する。図21は制御方式4における送電装置1000の機能的な構成を示すブロック図である。図2B,13と共通する構成要素には同じ参照符号を付している。制御方式4では、位相制御部1003の代わりにパルスのデューティ比を制御するデューティ制御部1203を備える。この点を除けば、上述の制御方式3と共通である。このため、上述の制御方式3と異なる点を中心に説明する。
次に、本開示の実施形態の制御方式の第5の例を説明する。図23は本実施例における送電装置1000の機能的な構成を示すブロック図である。図2B及び図13と共通する構成要素には同じ参照符号を付している。本実施例では、DC電源1030と発振回路1001との間にDC/DCコンバータ1011が接続されている。そして、制御回路1009が位相制御部1003やデューティ制御部1103の変わりに電圧制御部1203を備える点で、実施の形態1及び実施の形態2とは異なる。電圧制御部1303は、DC/DCコンバータ1011の出力電圧を制御するように構成されている。それ以外は実施の形態1及び実施の形態2と共通である。制御方式5では、パルス出力回路1004およびDC/DCコンバータ1011が、発振回路1001から出力される電圧の周波数および振幅を調整する調整回路を構成している。
本開示の第1側面にかかる送電装置は、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子とを有し、前記第1スイッチング素子と接続された第1出力端と前記第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、前記直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更し、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定し、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力する。
本開示の第2側面にかかる送電装置は、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子とを有し、前記第1スイッチング素子と接続された第1出力端と前記第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、前記直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、
前記直流電源から前記発振回路に供給される直流電力の電流値を検出する入力検出回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、または要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧または電流のいずれか一つを継続して受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更し、前記継続して受信した電圧または電流のいずれか一つを前記規定値の範囲に収束させ、前記直流電源から前記発振回路に供給される直流電力の電流値が最小となる交流電力の周波数を決定し、
前記要求電力を前記直流電力の電流値が最小となる交流電力で除算した値に対応する効率を有する交流電力を、前記効率が最大の交流電力として前記負荷に出力する制御回路と、
を具備する。
本開示の第3側面にかかる送電装置は、
第1スイッチング素子と接続された第1出力端と第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、直流電源から供給される直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更し、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定し、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力する制御回路と、
を具備している。
本開示の第4側面にかかる送電装置のプログラムは、
第1スイッチング素子と接続された第1出力端と第2スイッチング素子と接続された第2出力端を介して、直流電源から供給される直流電力から変換された交流電力を出力する発振回路と、前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、を備えた送電装置において実行されるプログラムであって、
前記送電装置のコンピュータに対して、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを用いて、前記発振回路の前記第1出力端の電圧と前記第2出力端の電圧とを同電位にする時間を変えて前記発振回路から出力される交流電力の電圧の出力時間比を変更させる処理と、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定させる処理と、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力させる処理と、を実行させるプログラム。
本開示の第5側面にかかる無線電力伝送システムは、
入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
前記受電アンテナが受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給する受電回路と、
を備え、
前記受電回路は、
前記負荷に出力する電圧および電流を検出する出力検出回路と、
前記出力検出回路による検出結果を前記送電回路に伝達する通信回路と、
を有し、
前記送電回路は、
入力された直流電圧および直流電流を検出する入力検出回路と、
入力されたパルスに応じて導通状態を変化させる複数のスイッチング素子を有し、各スイッチング素子の導通状態を変化させることによって前記直流エネルギを前記交流エネルギに変換する発振回路と、
前記パルスを生成して各スイッチング素子に出力するパルス出力回路と、
前記発振回路から出力される電圧の周波数および出力時間比が、前記通信回路から伝達された前記出力検出回路の検出結果、および前記入力検出回路の検出結果に基づいて決定される周波数および出力時間比にそれぞれなるように前記パルス出力回路を制御する制御回路と、を有する。
本開示の第6側面にかかる無線電力伝送システムは、
入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力する送電回路と、前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
前記受電アンテナが受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給する受電回路と、
を備え、
前記受電回路は、
前記負荷に出力する電圧および電流を検出する出力検出回路と、
前記出力検出回路による検出結果を前記送電回路に伝達する通信回路と、
を有し、
前記送電回路は、
入力された直流電圧および直流電流を検出する入力検出回路と、
入力されたパルスに応じて導通状態を変化させる4つのスイッチング素子を有し、各スイッチング素子の導通状態を変化させることによって前記直流エネルギを前記交流エネルギに変換する発振回路であって、前記4つのスイッチング素子は、入力電圧と同じ極性の電圧を導通時に出力するスイッチング素子対、および入力電圧と逆の極性の電圧を導通時に出力するスイッチング素子対によって構成される発振回路と、
前記パルスを生成して各スイッチング素子に出力するパルス出力回路と、
前記通信回路から伝達された前記出力検出回路の検出結果、および前記入力検出回路の検出結果に基づいて、前記複数のスイッチング素子の各々に入力する前記パルスの周波数、および各スイッチング素子対を構成する2つのスイッチング素子に入力する2つのパルスの間の位相差を決定し、決定した前記周波数および前記位相差に応じたパルスを各スイッチング素子に出力するように前記パルス出力回路を制御する制御回路と、
を有する。
本開示の第7側面にかかる無線電力伝送システムは、
入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力する送電回路と、
前記送電回路から出力された前記交流エネルギを送出する送電アンテナと、
前記送電アンテナによって送出された前記交流エネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナと、
前記受電アンテナが受け取った前記交流エネルギを直流エネルギに変換して負荷に供給する受電回路と、を備え、
前記受電回路は、
前記負荷に与えられる電圧および前記負荷を流れる電流の少なくとも一方を検出する出力検出回路と、
前記出力検出回路による検出結果が示す値と、予め設定された目標値との誤差を示す制御誤差情報を算出する誤差算出回路と、前記制御誤差情報を前記送電回路に伝達する送信回路と、を有し、
前記送電回路は、前記送電回路に入力される電圧および電流の少なくとも一方を検出する入力検出回路と、
入力された直流エネルギを交流エネルギに変換して出力する発振回路と、
前記発振回路から出力される電圧の周波数、および前記電圧の出力時間比または振幅を調整する調整回路と、
前記送信回路から伝達された前記制御誤差情報を受信する受信回路と、
前記発振回路から出力される電圧の周波数、および前記電圧の出力時間比または振幅が、前記制御誤差情報、および前記入力検出回路の検出結果に基づいて決定される周波数、および出力時間比または振幅にそれぞれなるように前記調整回路を制御する制御回路と、
を有する。
1001 発振回路
1002 入力検出回路
1003 位相制御部
1004 最適位相検出部
1005 周波数制御部
1006 最適周波数検出部
1007 パルス出力回路
1010 送受電アンテナ
1020 受電装置
1021 整流回路
1022 出力検出回路
1022a 出力電圧検出回路
1022b 出力電流検出回路
1023 通信回路
1024 誤差算出回路
1030 DC電源
1040 負荷
1103 受信回路
1105 制御誤差判定部
1106 最適制御判定部
1203 デューティ制御部
1204 最適デューティ検出部
1303 電圧制御部
Claims (11)
- 直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と第3スイッチング素子及び前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子と第4スイッチング素子の4つスイッチング素子によって構成され、
前記高電位側と反対側の第1スイッチング素子と接続する第1出力端は、前記低電位側と反対側の第2スイッチング素子と接続し、前記高電位側と反対側の第3スイッチング素子と接続する第2出力端は、前記低電位側と反対側の第4スイッチング素子と接続し、
前記第1出力端及び前記第2出力端介して、前記第1スイッチング素子から前記第4スイッチング素子までの各々に供給されるパルスにより、前記直流電力を変換して交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子に供給されるパルスと前記第4スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθ及び前記第2スイッチング素子に供給されるパルスと前記第3スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθを変更し、前記発振回路を用いて前記発振回路から出力する前記交流電力の電圧を変更させ、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定し、
前記受信した電圧、電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力する制御回路と、を具備した、
送電装置。 - 前記制御回路は、前記第2スイッチング素子に供給されるパルスの先頭に、前記第1スイッチング素子に供給されるパルスの反転パルスを供給し、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが、一定時間、オフとなるデッドタイムを設け、
そして、前記第3スイッチング素子に供給されるパルスの先頭に、前記第4スイッチング素子に供給されるパルスの反転パルスを供給し、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子とが、一定時間、オフとなるデッドタイムを設ける、
請求項1に記載の送電装置。 - 前記制御回路は、前記位相差Δθが発生している期間では、前記発振回路を用いて、前記第1スイッチング素子と前記第3スイッチング素子とを同時にオンさせるか、または、前記第2スイッチング素子と前記第4スイッチング素子を同時にオンさせるかのいずれか一方の指示をする、
請求項1または請求項2のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記制御回路は、
前記発振回路から出力される交流電力の周波数を高周波から低周波に変化させて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記効率が最大となる交流電力が決定された際の前記交流電力の周波数において
前記発振回路から出力される交流電力の電圧を変更する前記位相差Δθを変更する、
請求項4記載の送電装置。 - 前記制御回路は、前記交流電力の電圧を変更する前記位相差Δθを変更して、前記負荷に供給される電圧を前記規定値に収束させた後、前記交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定する、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の送電装置。 - 前記受信回路は、前記負荷に出力された交流電力、前記負荷に出力された交流電力の電圧、電流又は電力の少なくとも一つと、前記規定値との誤差を示す誤差情報を、前記受電装置から受信し、
前記制御回路は、前記誤差情報が示す前記誤差を用いて、前記受信した電圧、電流又は電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させる、
請求項1〜6のいずれかに1項に記載の送電装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の送電装置と、前記受電装置とを有する、
無線電力伝送システム。 - 直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と第3スイッチング素子及び前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子と第4スイッチング素子の4つスイッチング素子によって構成され、
前記高電位側と反対側の第1スイッチング素子と接続する第1出力端は、前記低電位側と反対側の第2スイッチング素子と接続し、前記高電位側と反対側の第3スイッチング素子と接続する第2出力端は、前記低電位側と反対側の第4スイッチング素子と接続し、
前記第1出力端及び前記第2出力端介して、前記第1スイッチング素子から前記第4スイッチング素子までの各々に供給されるパルスにより、前記直流電力を変換して交流電力を出力する発振回路と、
前記直流電源から前記発振回路に供給される直流電力の電流値を検出する入力検出回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、
前記受電装置の要求電圧、または要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧または電流のいずれか一つを継続して受信する受信回路と、
前記第1スイッチング素子に供給されるパルスと前記第4スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθ及び前記第2スイッチング素子に供給されるパルスと前記第3スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθを変更し、前記発振回路を用いて前記発振回路から出力する前記交流電力の電圧を変更させ、
前記継続して受信した電圧または電流のいずれか一つを前記規定値の範囲に収束させ、前記直流電源から前記発振回路に供給される直流電力の電流値が最小となる交流電力の周波数を決定し、
前記要求電力を前記直流電力の電流値が最小となる交流電力で除算した値に対応する効率を有する交流電力を、前記効率が最大の交流電力として前記負荷に出力する制御回路と、を具備した送電装置。 - 請求項9に記載の送電装置と、前記受電装置とを有する、
無線電力伝送システム。 - 直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第1スイッチング素子と第3スイッチング素子及び前記直流電力の低電位側に接続された第2スイッチング素子と第4スイッチング素子の4つスイッチング素子によって構成され、
前記高電位側と反対側の第1スイッチング素子と接続する第1出力端は、前記低電位側と反対側の第2スイッチング素子と接続し、前記高電位側と反対側の第3スイッチング素子と接続する第2出力端は、前記低電位側と反対側の第 4スイッチング素子と接続し、
前記第1出力端及び前記第2出力端介して、前記第1スイッチング素子から前記第4スイッチング素子までの各々に供給されるパルスにより、前記直流電力を変換して交流電力を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力された前記交流電力を、受電装置の負荷に出力するために送出する送電アンテナと、前記受電装置の要求電圧、要求電流または要求電力の少なくとも1つを示す規定値を保持するメモリと、
前記受電装置の負荷に供給されている電圧、電流または電力の少なくとも1つを受信する受信回路と、を備えた送電装置において実行されるプログラムであって、
前記送電装置のコンピュータに対して、
前記第1スイッチング素子に供給されるパルスと前記第4スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθ及び前記第2スイッチング素子に供給されるパルスと前記第3スイッチング素子に供給されるパルスとの間の位相差Δθを変更し、前記発振回路を用いて前記発振回路から出力する前記交流電力の電圧を変更させる処理と、
前記発振回路から出力される交流電力の電圧の周波数を変えて前記交流電力の効率が最大となる交流電力の周波数を決定させる処理と、前記受信した電圧、 電流または電力の少なくとも1つを前記規定値の範囲に収束させ、前記効率が最大の交流電力を前記負荷に出力させる処理と、を実行させるプログラム。
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