JP5461340B2

JP5461340B2 - 共鳴型無線電力伝送装置

Info

Publication number: JP5461340B2
Application number: JP2010182362A
Authority: JP
Inventors: 貴史丸山; 達也清水; 征士中津川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: JP2012044752A

Description

本発明は、送電側装置から受電側装置へ給電するとともに受電側から送電側に情報を伝送する共鳴型無線電力伝送装置に関する。

携帯電話等の２次電池の充電や、非接触ＩＣカード、ＲＦＩＤタグ等への電力供給には、有線接続を要しない給電方法が採用されている。これを実現する手段の代表例は電磁誘導方式である。電磁誘導方式の無線電力伝送装置では、送電側と受電側とにコイルを配置し、両者が近接して送電側コイルの磁束が受電側コイルを通過することで、受電側に電力が得られる。この詳細な原理は非特許文献１に記載されている。電磁誘導方式は一般に、十分な伝送効率を得るために、送受信コイルは近接して漏れ磁束を少なくする方法がとられる。

このような無線電力伝送装置では、装置の認証等のため、送電側と受電側とが通信を行う場合がある。ここで、送電側から受電側への通信回線を下りリンク、受電側から送電側への通信回線を上りリンクと呼ぶ。電磁誘導を用いて下りリンクを構成するには、送信する電力に変調を加える方法が用いられる。電磁誘導を用いて上りリンクを構成するには、受電側で負荷の接続／非接続により消費電力を変化させ、その変化を送電側で検出する負荷変調が用いられる。

図８は、無線電力伝送装置の構成例を示す。
図８において、送電側装置１０の電源１１に接続される送電側コイル１３と、受電側装置２０の負荷２３に接続される受電側コイル２２が電磁誘導で電気的に結合し、電源１１から負荷２３に電力が供給される。さらに、受電側コイル２２と負荷２３との間に制御部２６により開閉するスイッチ２５を挿入し、送電側コイル１３に復調部１２を接続する。制御部２６は、上りリンクで伝送する情報ビットに対応してスイッチ２２を開閉することにより、受電側装置２０で消費される電力が変化する。これを送電側装置１０の復調部１２で検出し、受電側装置２０から送出された情報ビットを復元する。

また、近年では、ある程度（例えば１ｍ）の伝送距離を有する場合でも高い給電効率が得られる共鳴型無線電力伝送装置が提案されている（非特許文献２）。

図９は、共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図９において、送電側装置１０の送電側コイル１３と電磁誘導で電気的に結合する送電側共鳴コイル１４と、受電側装置２０の受電側コイル２２と電磁誘導で電気的に結合する受電側共鳴コイル２５との共鳴現象によって電力が伝達される。共鳴は特定の周波数でのみ発生する。図１０はＳパラメータ(S21) の例を示す。図よりピークが得られる周波数は限定的であること、負荷に依存してピークの周波数が変動することがわかる。

苅部浩、「非接触ICカード設計入門」、日刊工業新聞社． Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos and Marin Soljacic, 'Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,' Annals of Physics, Vol.323 Issue 1, pp.34-48, Apr 2007.

図９の共鳴型無線電力伝送装置では、受電側から送電側に情報を伝送する構成の場合、通信中も受電側装置が電力供給を受け続けるために受電側装置で負荷インピーダンスを変化させ、その変化を送電側装置で検出する負荷変調方式が考えられている。ここで、負荷インピーダンスが複数の状態をとった場合に、負荷インピーダンスの変化が少ない場合には送電側装置で受電側装置から伝送された情報を検出できない。また、負荷インピーダンスの変化が大きい場合には共鳴が生じる周波数が変化するため、負荷変調を行った場合の負荷への供給電力は低下する。

本発明は、負荷インピーダンスの変化量を適宜設定し、情報の伝送品質を高め、さらに負荷への給電効率を高めることができる共鳴型無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明は、送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源の電力を受電側装置の負荷へ伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、スイッチの開閉により負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる負荷インピーダンス変化手段と、受電側装置から送電側装置へ送信する情報ビットとスイッチの開閉に伴う負荷インピーダンスの変化を対応付けてスイッチの開閉を制御する制御部とを備え、送電側装置は、受電側装置から送信する情報ビットに対応する負荷インピーダンスの変化を検出し、情報ビットを復元する復調部を備え、負荷インピーダンス変化手段は、送電側コイルから受電側装置を見たインピーダンスの変化に基づく反射電力または力率の変化量が規定値以内となるように、負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる構成である。

復調部は、電源に並列接続され、複素電圧と複素電流を測定して受電側装置から送信された情報ビットを復元する構成である。
復調部は、電源に直列接続され、電流を測定して受電側装置から送信された情報ビットを復元する構成である。
復調部は、電源に方向性結合器またはサーキュレータを介して接続され、各コイルからの反射電力を測定して受電側装置から送信された情報ビットを復元する構成である。

負荷インピーダンス変化手段は、スイッチの開閉により負荷に接続される抵抗の増減により負荷インピーダンスが設定される構成である。

負荷インピーダンス変化手段は、スイッチの開閉により負荷に接続されるリアクタンスの増減により負荷インピーダンスが設定される構成である。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置は、受電側装置から送信する情報ビットに応じて負荷インピーダンスを変化させ、送電側装置でそれを電流の変化として検出することにより、情報ビットの伝送が可能である。また、送電側装置から見た電流の変化量やインピーダンスから負荷インピーダンスの変化量を決定することで情報ビットの伝送品質と電力の到達性とを両立することができる。また、負荷インピーダンスごとの送電側装置から見たインピーダンスを参照し、周波数や電源の特性インピーダンスを決定することにより、上り情報伝送時の電力の到達性を向上することができる。

本発明の実施例１の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。送電側装置１０の点Ａにおける電流の例を示す図である。送電側装置１０のＡ−Ａ’におけるインピーダンスの虚部を示す図である。送電側装置１０のＡ−Ａ’におけるインピーダンスの実部を示す図である。本発明の実施例２の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。本発明の実施例３の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。本発明の実施例４の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。無線電力伝送装置の構成例を示す図である。共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。Ｓパラメータ(S21) の例を示す図である。

図１は、本発明の実施例１の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１において、共鳴型無線電力伝送装置は、電力の送電を担う送電側装置１０と、送電された電力を受け取る受電側装置２０とからなり、受電側装置２０から送電側装置１０に情報ビットを伝送するための構成である。送電側装置１０から受電側装置２０への電力、情報ビットの流れを下り、受電側装置２０から送電側装置１０への情報ビットの流れを上りと呼ぶ。

送電側装置１０は、電源１１、受電側装置２０から送られた上り情報ビットを復元する復調部１２、送電側コイル１３、送電側共鳴コイル１４を有する。受電側装置２０は、受電側共鳴コイル２１、受電側コイル２２、負荷２３、抵抗２４、スイッチ２５、制御部２６を有する。送電側コイル１３と送電側共鳴コイル１４とは電磁誘導で電気的に結合している。送電側共鳴コイル１４と受電側共鳴コイル２１とは共鳴により電気的に結合している。受電側共鳴コイル２１と受電側コイル２２とは電磁誘導で電気的に結合している。これにより電源１１からの電力を負荷２３に伝送することができる。

上りリンクで伝送される情報ビットは、送電側装置１０および受電側装置２０を認証するためのものでもよいし、受電側装置２０が通信端末である場合の上りデータであってもよい。ここで、簡単のため負荷２３単体のインピーダンスは不変とし、図中のＢ−Ｂ’から右側をみたインピーダンスを負荷インピーダンスと呼ぶ。負荷インピーダンスは、スイッチ２５の開閉で抵抗２４の通過の有無を選択することにより、２つの状態を取り得る。制御部２６は、送信する情報ビットに応じてスイッチ２５を開閉し、負荷インピーダンスを変化させる構成である。ただし、本実施例の構成では、スイッチ２５が開の場合も閉の場合も負荷２３への接続は開放されないため、負荷２３への電力供給は継続される。

なお、図１の構成では、抵抗２４とスイッチ２５が並列に接続され、抵抗２４と負荷２３とが直列に接続されているが、抵抗２４とスイッチ２５を直列に接続し、抵抗２４と負荷２３とを並列に接続してもよい。ただし、上りリンクで伝送される情報ビットとスイッチ２５の開閉の関係は逆になる。

受電側装置２０と送電側装置１０とは電気的に結合しているため、負荷インピーダンスの変化は送電側装置１０のＡ−Ａ’から受電側装置２０をみたインピーダンスの変化、または電流の変化として現れる。復調部１２はこの変化を検出し、受電側装置２０から送信された情報ビットを復元することができる。

受電側装置２０において、スイッチ２５が閉で電流が抵抗２４を通過しない場合（負荷インピーダンスが高い状態）に送信する情報ビットを０、スイッチ２５が開で電流が抵抗２４を通過する場合（負荷インピーダンスが低い状態）に送信する情報ビットを１とする。図２は、送電側装置１０の点Ａにおける電流の時間波形を表しており、情報ビットの変化に連動して電流が変化する。復調部１２はこの変化を検出して受電側装置２０から送信された情報ビットを復元する。

ここで、情報ビットの変化に対する負荷インピーダンスの変化が微小な場合には、点Ａの電流の変化も微小となり、外部ノイズや電源の安定度に起因して復号に誤りが生じる恐れがある。このため、点Ａの電流の変化が復調に十分なレベルとなるように負荷インピーダンスの変化量を決定する。

一方、情報ビット０の場合に問題無く電力を伝送できる条件において、情報ビット１の場合に負荷インピーダンスが大きく変化する場合には、Ａ−Ａ’から受電側装置２０を見たインピーダンスが大きく変化する。これは電力の反射につながり、負荷２３まで電力が到達しなくなる。この場合には、反射電力または力率が規定値以下となるように負荷インピーダンスの変化量を決定する。なお、反射電力は方向性結合器等を用いて直接測定できるし、Ａ−Ａ’から受電側装置２０を見た力率はＡ−Ａ’間の複素電圧と点Ａの複素電流から求められる。

Ａ−Ａ’から受電側装置２０を見たインピーダンスの虚部が０であることは共鳴を意味している。したがって、負荷インピーダンスを変化させる場合においてもインピーダンスの虚部は０に近いことが望ましい。情報ビット０の場合と情報ビット１の場合でインピーダンスの虚部の符号が変化し、この間で虚部が０を通過するように周波数を設定することが望ましい。図３は、Ａ−Ａ’における情報ビットごとのインピーダンスの虚部の例を示す。図中の矢印の位置に対応する周波数は、情報ビットの変化で虚部が０を通過する例である。これにより、情報ビットの伝送品質と電力の到達性とを両立させることができる。

また、Ａ−Ａ’におけるインピーダンスの実部と電源１１および電源線路の特性インピーダンスについて、等しいか近くすることでインピーダンス整合を図ることが望ましい。図４は、Ａ−Ａ’における情報ビットごとのインピーダンスの実部の例を示す。図中の矢印の位置に対応する周波数を用いる場合、情報ビットごとのインピーダンスの実部をその中間の50オーム付近に設定すればよい。これにより、情報ビットの伝送品質と電力の到達性とを両立させることができる。

以上により、負荷２３への電力供給を維持しつつ、上りリンクの情報ビット伝送が可能となる。

図５は、本発明の実施例２の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１の実施例１と比較し、抵抗２４がリアクタンス２７に置き換わっている。その他の構成は図１の実施例１と同様である。リアクタンス２７とは、リアクタンス成分を持つ素子であるコイルやキャパシタを指す。

なお、図５ではリアクタンス２７とスイッチ２５が並列、リアクタンス２７と負荷２３とが直列に接続されているが、リアクタンス２７とスイッチ２５を直列にし、これらを負荷２３と並列に接続しても同様である。

動作は実施例１と同じであるため省略する。なお、負荷インピーダンスの変化として、抵抗成分とリアクタンス成分を同時に変化させてもよい。

本実施例の構成においても、負荷２３への電力供給を維持しつつ、上りリンクの情報ビット伝送が可能となる。

図６は、本発明の実施例３の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１の実施例１と比較し、復調部１２が電源１１と直列に接続されている。その他の構成は図１の実施例１と同様である。なお、実施例２のように、抵抗２４をリアクタンス２７に置き換えてもよい。

動作は実施例１と同じであるため省略する。ただし、本構成では、インピーダンスの測定手段を持たないため、電流の変化を検出した復調を行う。

図７は、本発明の実施例４の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１の実施例１と比較し、復調部１２が方向性結合器１５またはサーキュレータを介して反射電力を測定するように接続されている。その他の構成は図１の実施例１と同様である。なお、実施例２のように、抵抗２４をリアクタンス２７に置き換えてもよい。

動作は実施例１と同じであるため省略する。ただし、本構成では、反射方向のみの電力が取り出されるため、より精度の高い復調が可能となる。

１０送電側装置
１１電源
１２復調部
１３送電側コイル
１４送電側共鳴コイル
１５方向性結合器
２０受電側装置
２１受電側共鳴コイル
２２受電側コイル
２３負荷
２４抵抗
２５スイッチ
２６制御部

Claims

送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源の電力を受電側装置の負荷へ伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、スイッチの開閉により負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる負荷インピーダンス変化手段と、前記受電側装置から前記送電側装置へ送信する情報ビットと前記スイッチの開閉に伴う前記負荷インピーダンスの変化を対応付けて前記スイッチの開閉を制御する制御部とを備え、
前記送電側装置は、前記受電側装置から送信する前記情報ビットに対応する前記負荷インピーダンスの変化を検出し、前記情報ビットを復元する復調部を備え、
前記負荷インピーダンス変化手段は、前記送電側コイルから前記受電側装置を見たインピーダンスの変化に基づく反射電力または力率の変化量が規定値以内となるように、前記負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記復調部は、前記電源に並列接続され、複素電圧と複素電流を測定して前記受電側装置から送信された前記情報ビットを復元する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記復調部は、前記電源に直列接続され、電流を測定して前記受電側装置から送信された前記情報ビットを復元する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記復調部は、前記電源に方向性結合器またはサーキュレータを介して接続され、前記各コイルからの反射電力を測定して前記受電側装置から送信された前記情報ビットを復元する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記負荷インピーダンス変化手段は、前記スイッチの開閉により前記負荷に接続される抵抗の増減により前記負荷インピーダンスが設定される構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記負荷インピーダンス変化手段は、前記スイッチの開閉により前記負荷に接続されるリアクタンスの増減により前記負荷インピーダンスが設定される構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。