JP5939637B2

JP5939637B2 - 電力伝送システムの電力効率制御方法及び電力効率制御プログラム

Info

Publication number: JP5939637B2
Application number: JP2012253638A
Authority: JP
Inventors: 昭吾桐生; 篤志堂前; 美郷秋山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014103754A

Description

本発明は電力伝送システムの電力効率制御方法及び電力効率制御プログラムに係り、特に磁場共鳴方式により送電装置から受電装置へ電力を伝送する無線電力伝送システムの電力効率制御方法及び電力効率制御プログラムに関する。

電子部品の小型化により、ペースメーカ、人工内耳などの体内埋め込み型の医用機器やホルター心電計などの携帯医用機器の小型化、高性能化が進んでいる。これらの機器への外部からの非接触電力伝送はさらなる小型化や長期使用に有効である(例えば、非特許文献１参照)。上記の非接触電力伝送を実現する無線電力伝送システムには、その伝送方式として、現在、電磁誘導方式、磁場共鳴方式、電波放射方式の３つが代表的な方式として知られている(例えば、非特許文献２参照)。

電磁誘導方式は、送電装置のコイルと受電装置のコイルとの間に生じる磁束の変化によって生じる起電力を利用する方式である。磁場共鳴方式は、送電装置と受電装置にそれぞれＬＣ共振回路を設け、それらのＬＣ共振回路の非接触で結合された各コイル間に生じる磁場の共鳴現象を利用する方式である。また、電波放射方式は、送電装置から送信された高周波信号を、受電装置において共振回路で共振させて受信し、その受信信号を整流して直流電力を得る方式である。このうち、家電製品等への応用が期待されているのは電磁誘導方式および磁場共鳴方式である。

電磁誘導方式は、比較的古くから用いられている技術であるが、電力を伝送できる距離が数ミリ程度と短く、また送電側と受電側の正確な位置合わせが必要となる。一方、磁場共鳴方式は、近年実証された新しい方式で、電磁誘導方式と比較して一般的に効率が落ちるが、電力を伝送できる距離を数十ｃｍまで伸ばせ、正確な位置合わせが必要でないなどの特長がある。これらの特長から、磁場共鳴方式は家庭電器製品や電気自動車など多くの応用が期待されており(例えば、非特許文献３参照)、また、伝送距離や効率の点で、上記のような小型医用機器への電力伝送の一方式として期待できる。

ここで、磁場共鳴方式の電力伝送による非接触給電を小型医用機器に適用した場合、体の動きに応じて送電距離が変化し、その結果として伝送効率が大きく変化してしまうという問題がある。このため、体の動きに応じて、受電側電力ができるだけ大きくなるような制御が必要になる。無線電力伝送において受電側電力をできるだけ大きくする方法として、受電装置側に受信電力の監視機構を設け、その監視情報を送電装置側に伝えて受電側電力が大きくなるようにする回路構成及び制御方法が提案されている(例えば、特許文献１、特許文献２参照)。また、無線電力伝送システムの電磁界解析と等価回路とから電力伝送の効率を考察した研究もみられる(例えば、非特許文献４参照)。

柴,"バイオエンジニアリング(電気と人工臓器)",人工臓器,Vol.40,No.3,pp.207-210(2011) 庄木裕樹,"ワイヤレス電力伝送技術の実用化に向けた課題と取り組み、標準化動向",信学技報,IEICE Technical Report,IT2011-82,ISEC2011-109,WBS2011-83(2012-3),pp.223-229 庄木裕樹,"ワイヤレス電力伝送の技術動向・課題と実用化に向けた取り組み",信学技報,WPT2010-07,pp.19-24,(2010) 居村岳広,堀洋一,"等価回路から見た磁界共振結合におけるワイヤレス電力伝送距離と効率の限界値に関する研究",電気学会Ｄ部門誌,Vol.130,No.10,pp.1169-1174(2010)

特開２０１０−２５２４９７号公報特開２０１２−１９１７２１号公報

しかしながら、特許文献１及び２各記載の制御方法では、電力監視及び情報送信のために特別な回路を受電装置側に追加しなければならず、受電装置の小型化を阻害し、この特別な回路による電力消費も無視できない。また、非特許文献４記載の研究では、伝送距離と電力効率の関係を導出するにとどまっている。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、磁場共鳴方式の無線電力伝送システムにおいて、送電装置だけで受電装置の電力の推定を可能にし、受電装置へ送信する電力の効率を最大にし得る電力伝送システムの電力効率制御方法及び電力効率制御プログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電力伝送システムの電力効率制御方法は、伝送すべき電力を送信する送電装置と、前記送電装置から送信された前記電力を受信する受電装置のそれぞれを、同じ共振周波数をもつ同じ共振回路を備える対称型の回路構成とし、かつ、前記送電装置及び前記受電装置を、それぞれの前記共振回路を構成するコイルで誘導結合した磁場共鳴方式の電力伝送システムの電力効率制御方法であって、前記送電装置の前記受電装置との無結合時における第１の送電電流の最大値と前記共振回路の共振周波数を取得する取得ステップと、前記送電装置と前記受電装置とを誘導結合した状態で、前記取得ステップで取得した前記共振周波数における前記送電装置の第２の送電電流を測定する電流測定ステップと、前記第１の送電電流の最大値で前記第２の送電電流を除算して規格化送電電流を算出する規格化送電電流算出ステップと、前記規格化送電電流が所定値以上であるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップによる判定結果に応じて、前記送電装置の電源周波数を可変制御する周波数制御ステップとを含むことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の電力伝送システムの電力効率制御プログラムは、伝送すべき電力を送信する送電装置と、前記送電装置から送信された前記電力を受信する受電装置のそれぞれを、同じ共振周波数をもつ同じ共振回路を備える対称型の回路構成とし、かつ、前記送電装置及び前記受電装置を、それぞれの前記共振回路を構成するコイルで誘導結合した磁場共鳴方式の電力伝送システムの電力効率制御プログラムであって、コンピュータに、前記送電装置の前記受電装置との無結合時における第１の送電電流の最大値と前記共振回路の共振周波数を取得する取得機能と、前記送電装置と前記受電装置とを誘導結合した状態で、前記取得機能で取得した前記共振周波数における前記送電装置の第２の送電電流を測定する電流測定機能と、前記第１の送電電流の最大値で前記第２の送電電流を除算して規格化送電電流を算出する規格化送電電流算出機能と、前記規格化送電電流が所定値以上であるか否かを判定する判定機能と、前記判定機能による判定結果に応じて、前記送電装置の電源周波数を可変制御する周波数制御機能とを実現させることを特徴とする。

本発明によれば、送電装置の電源周波数の制御のみで受電電力を大きくでき、電力効率を最大化することができる。また、受信装置の構成の簡略化、小型化及び低コスト化を実現できる。

本発明に係る電力伝送システムの電力効率制御方法が適用される電力伝送システムの一実施の形態のブロック図である。図１の一実施の形態の等価回路図である。図２の等価回路において、ｋＱを変化させたときの|ｉ₂|の計算結果を示す図である。図２の等価回路において、ｋＱ＞１としたときの規格化電流|ｉ₁|及び|ｉ₂|の計算結果を示す図である。本発明に係る電力伝送システムの電力効率制御方法の一実施の形態を説明するフローチャートである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電力伝送システムの電力効率制御方法が適用される電力伝送システムの一実施の形態のブロック図を示す。同図において、本実施の形態の電力伝送システム１は、送電装置１０及び受電装置２０からなる。送電装置１０及び受電装置２０は、送電装置１０のＬＣ共振回路のコイルＬ₁と受電装置２０のＬＣ共振回路のコイルＬ₂とを誘導結合し、その各コイル間に生じる磁場の共鳴現象を利用する磁場共鳴方式の電力伝送システムを構成している。

送電装置１０は、コイルＬ₁を含む送電側回路１１、送電側回路１１に電流を供給するとともにその電流値を測定する電流測定回路１２、電流測定回路１２に任意の周波数の電源電力を供給する周波数可変電源１３、及び電流測定回路１２の測定電流値を基に受電装置２０の受信電力が最大となる条件を判別し、その条件を満たすように周波数可変電源１３の電源周波数を可変制御する制御装置１４からなり、周波数可変電源１３からの電力を無線で受電装置２０へ伝送する。一方、受電装置２０は、コイルＬ₂を含む受電側回路２１からなり、送電装置１０から無線送信された電力を受信する。コイルＬ₁とコイルＬ₂とは結合係数ｋで誘導結合されている。

図２は、図１の一実施の形態の等価回路図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図２において、送電装置１０内の送電側回路１１は、入出力インピーダンスＺ₀₁、コイルのインダクタンスＬ₁、コイルのキャパシタンスＣ_１、コイルの損失Ｒ_c1が直列に接続された第１のＬＣ共振回路を構成している。一方、受電装置２０内の受電側回路２１は、負荷インピーダンスＺ₀₂、コイルのインダクタンスＬ₂、コイルのキャパシタンスＣ₂、コイルの損失Ｒ_c2が直列に接続された第２のＬＣ共振回路を構成している。また、第１のＬＣ共振回路のコイルと第２のＬＣ共振回路のコイルとは結合係数ｋで誘導結合されている。ここで、Ｚ₀₁＝Ｚ₀₂＝Ｚ₀、Ｌ₁＝Ｌ₂＝Ｌ、Ｃ₁＝Ｃ₂＝Ｃ、Ｒ_c1＝Ｒ_c2＝Ｒ_cであり、これらは各々一定である。一方、結合係数ｋは送電装置１０と受電装置２０との間の距離に応じて変化する。このように、伝送すべき電力を送信する送電装置１０と、送電装置１０から送信された電力を受信する受電装置２０のそれぞれは、同じ共振周波数をもつ同じ共振回路を備える対称型の回路構成とされている。

図２の等価回路において、送電装置１０と受電装置２０との結合がないとき(無負荷時)の送電側回路１１を構成する第１のＬＣ共振回路の共振のピークの鋭さを表す値をＱとする。また、無負荷時の送電側回路１１を構成する第１のＬＣ共振回路の共振角周波数をω_cとする。また、送電装置１０の電源電圧はＶとし、回路を流れる複素電流は送電装置１０ではＩ₁、受電装置２０ではＩ₂とする。
図１及び図２で構成される回路は以下の３つの特徴を有する。

（１）第１の特徴
図２の等価回路から得られる回路方程式を解くことで、複素電流Ｉ₁は式(１)のように求められる。なお、Ｚ＝Ｒ_c＋Ｚ₀とおいた。

結合係数ｋ、無負荷時の共振角周波数ω_c、共振回路のＱ値を用いて式(１)を変形し、規格化電流ｉ₁を下記の式(２)のように定義する。また、ｉ₁と同様の手順で規格化電流ｉ₂を下記の式(３)のように定義する。

ただし、式(２)、式(３)中のω_c及びＱはｋ＝０、つまり無結合時における共振角周波数及び共振回路のＱ値であり、それぞれ次のように与えられる。

式(２)から規格化電流ｉ₁の大きさ|ｉ₁|、式(３)から規格化電流ｉ₂の大きさ|ｉ₂|を決めることができる。
また、式(２)から共振角周波数ω_cにおける規格化電流ｉ₁の大きさ|ｉ₁|_ωcは次式で表される。

式(６)から、共振角周波数ω_cにおける規格化電流ｉ₁の大きさ|ｉ₁|が分かれば、結合係数ｋと共振回路のＱ値との積ｋＱの大きさが１以下か、１より大きいかを判別することが可能となる。すなわち、共振角周波数ω_cにおいて|ｉ₁|≧１／２であれば、ｋＱ≦１、共振角周波数ω_cにおいて|ｉ₁|＜１／２であれば、ｋＱ＞１と判別できる。

（２）第２の特徴
図２の等価回路において、ｋＱを変化させたときの|ｉ₂|の計算結果を図３に示す。図３の縦軸は受電装置２０の規格化電流|ｉ₂|、横軸は角周波数を共振角周波数ω_cで規格化した値Ｆ(＝ω/ω_c)である。図３によれば、ｋＱ≦１では、|ｉ₂|のピークは一つであり、そのピークはほぼ共振角周波数において現れる特徴を持つ。また、|ｉ₂|が最大であるとき、受電能力が最大となる。そのため、図３の結果から、ｋＱ≦１の条件で受電能力を大きくするには、送電装置１０の電源周波数を共振角周波数ω_c(共振周波数ｆ(＝ω_c/２π)でもよい)に近付けるように制御すればよいことが分かる。

（３）第３の特徴
図２の等価回路において、ｋＱ＞１としたときの規格化電流|ｉ₁|及び|ｉ₁|の計算結果を図４に示す。図４はｋＱ＝２の場合である。図４によれば、図２の等価回路は、ｋＱ＞１の条件の下では結合係数ｋ及び共振回路のＱ値の各値にかかわらず、|ｉ₁|は|ｉ₂|の最大値で交わり、その値は「０.５」である特徴を持つ。|ｉ₂|が最大であるとき、受電能力が最大となる。そのため、図４の結果から、ｋＱ＞１の条件で受電能力を大きくするには、|ｉ₁|＝１／２となるように、送電装置１０の電源周波数を制御すればよいことが分かる。

次に、以上説明した３つの特徴を持つ図１及び図２の本実施の形態の電力伝送システム１において、上記３つの特徴に基づき、送電側電流の大きさから受電側電力を大きくする条件を判別し、受電側電力を大きくするための本発明の電力効率制御方法の動作について図５のフローチャートと図１及び図２を併せ参照して説明する。

まず、周波数可変電源１３及び電流測定回路１２を使用して、無負荷時(つまり、無結合時)における送電側電流の最大値ｉ_1-max及び共振角周波数ω_cの値を取得する(ステップＳ１)。次に、電流測定回路１２を使用して、受電装置２０が送電装置１０と誘導結合した状態で、共振角周波数ω_cにおける送電電流ｉ₁を測定する(ステップＳ２)。

次に、制御回路１４において、ステップＳ１で取得した無負荷時における送電側電流の最大値ｉ_1-maxで、ステップＳ２で取得した送電電流ｉ₁を除算して、送電装置１０の共振角周波数ω_cにおける規格化電流|ｉ₁|(＝ｉ₁/ｉ_1-max)を求め、更にその値が１／２以上であるか否かを判定する(ステップＳ３)。

そして、制御回路１４は、|ｉ₁|≧１／２と判定したときは(ステップＳ３のYes)、前述の第１の特徴からｋＱ≦１であると判別し、前述の第２の特徴から周波数可変電源１３を制御して電源周波数を共振角周波数ω_cに設定する(ステップＳ４)。これにより、受電装置２０の受電電力を大きくできる。一方、制御回路１４は、|ｉ₁|＜１／２と判定したときは(ステップＳ３のNo)、前述の第１の特徴からｋＱ＞１と判別し、前述の第３の特徴から周波数可変電源１３を制御して|ｉ₁|＝１／２となるように電源周波数を調整する(ステップＳ５)。これにより、受電装置２０の受電電力を大きくできる。

続いて、制御回路１４は、ステップＳ４又はＳ５により周波数可変電源１３の電源周波数の制御をすると、続いて、無線電力伝送を終了するかどうかを判断する(ステップＳ６)。終了しないと判断したときは(ステップＳ６のNo)、ステップＳ２の処理に戻る。一方、終了すると判断したときは(ステップＳ６のyes)、処理を終了する。

なお、本実施の形態によれば、送電装置１０と受電装置２０との間の距離が変化することにより、結合係数ｋの値が変化した場合でも、ステップＳ２からＳ６の繰り返し処理により、受電電力が常に最大になるように制御することができる。

このように、本実施の形態によれば、送電装置１０及び受電装置２０をそれぞれ同じ共振周波数をもつ共振回路を備える対称型の回路で構成し、かつ、送電装置１０及び受電装置２０をそれぞれの共振回路を構成するコイルで誘導結合した磁場共鳴方式の電力伝送システムであって、送電装置１０の送電電流の大きさから受電装置２０の受電側電力を大きくする条件を判別し、その条件を満たすように送電装置１０の電源周波数を制御するようにしたため、送電装置１０の電源周波数の制御のみで受電電力を大きくでき、電力効率を最大化することができる。また、本実施の形態によれば、受電装置２０に電力監視機構を設ける必要がないため、受信装置２０の構成の簡略化、小型化及び低コスト化を実現できる。

なお、本発明は図５のフローチャートに示した本発明の電力伝送システムの電力効率制御方法の一実施の形態の動作を、コンピュータにより実行させる電力効率制御プログラムも包含するものである。この場合の電力効率制御プログラムは、コンピュータにダウンロード可能な形態で記憶素子に記憶されて読み出されたり、ネットワークを通して配信される。

本発明は体内埋め込み型の医用機器やホルスター心電計などの携帯医用機器に用いることができるが、この用途に限定されず、非接触ＩＣカードへの電力伝送、携帯電話等の可搬型携帯無線通信端末の２次電池への非接触充電、電気自動車への非接触充電、自律分散型無線ネットークを構築する無線通信装置への無線電力伝送、その他情報機器や玩具など、無線により電力を伝送する無線電力伝送システム全般に適用することができる。

１電力伝送システム
１０送電装置
１１送電側回路
１２電流測定回路
１３周波数可変電源
１４制御装置
２０受電装置
２１受電側回路
Ｌ₁ 送電側回路のコイルのインダクタンス
Ｌ₂ 受電側回路のコイルのインダクタンス
ｋ結合係数

Claims

伝送すべき電力を送信する送電装置と、前記送電装置から送信された前記電力を受信する受電装置のそれぞれを、同じ共振周波数をもつ同じ共振回路を備える対称型の回路構成とし、かつ、前記送電装置及び前記受電装置を、それぞれの前記共振回路を構成するコイルで誘導結合した磁場共鳴方式の電力伝送システムの電力効率制御方法であって、
前記送電装置の前記受電装置との無結合時における第１の送電電流の最大値と前記共振回路の共振周波数を取得する取得ステップと、
前記送電装置と前記受電装置とを誘導結合した状態で、前記取得ステップで取得した前記共振周波数における前記送電装置の第２の送電電流を測定する電流測定ステップと、
前記第１の送電電流の最大値で前記第２の送電電流を除算して規格化送電電流を算出する規格化送電電流算出ステップと、
前記規格化送電電流が所定値以上であるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップによる判定結果に応じて、前記送電装置の電源周波数を可変制御する周波数制御ステップと
を含むことを特徴とする電力伝送システムの電力効率制御方法。
前記判定ステップは、前記規格化送電電流が１／２以上であるか否かを判定するステップであり、
前記周波数制御ステップは、
前記判定ステップにより前記規格化送電電流が１／２以上である第１の判定結果が得られたときは前記電源周波数を前記共振周波数に設定し、前記規格化送電電流が１／２未満である第２の判定結果が得られたときは前記電源周波数を前記規格化送電電流が１／２になるように可変制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送システムの電力効率制御方法。
伝送すべき電力を送信する送電装置と、前記送電装置から送信された前記電力を受信する受電装置のそれぞれを、同じ共振周波数をもつ同じ共振回路を備える対称型の回路構成とし、かつ、前記送電装置及び前記受電装置を、それぞれの前記共振回路を構成するコイルで誘導結合した磁場共鳴方式の電力伝送システムの電力効率制御プログラムであって、
コンピュータに、
前記送電装置の前記受電装置との無結合時における第１の送電電流の最大値と前記共振回路の共振周波数を取得する取得機能と、
前記送電装置と前記受電装置とを誘導結合した状態で、前記取得機能で取得した前記共振周波数における前記送電装置の第２の送電電流を測定する電流測定機能と、
前記第１の送電電流の最大値で前記第２の送電電流を除算して規格化送電電流を算出する規格化送電電流算出機能と、
前記規格化送電電流が所定値以上であるか否かを判定する判定機能と、
前記判定機能による判定結果に応じて、前記送電装置の電源周波数を可変制御する周波数制御機能と
を実現させることを特徴とする電力伝送システムの電力効率制御プログラム。
前記判定機能は、前記規格化送電電流が１／２以上であるか否かを判定する機能であり、
前記周波数制御機能は、
前記判定機能により前記規格化送電電流が１／２以上である第１の判定結果が得られたときは前記電源周波数を前記共振周波数に設定し、前記規格化送電電流が１／２未満である第２の判定結果が得られたときは前記電源周波数を前記規格化送電電流が１／２になるように可変制御する
ことを特徴とする請求項３記載の電力伝送システムの電力効率制御プログラム。