JP6675109B2 - 無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、電源回路から電力を空間を越えて負荷に給電する無線電力伝送システムに関する。

従来、電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置として、例えば特許文献１のように、送電回路側の送電コイルの交流磁場と受電回路側の受電側共振回路の受電コイルの交流磁場を共鳴させて、送電回路の送電コイルから受電回路の受電コイルに無線で電力を伝送する無線電力伝送システムが提案されている。特許文献１では、受電回路を、受電コイルを含む受電側共振回路と整流回路と蓄電装置とで構成し、受電側共振回路の受電コイルが受電した交流電力を整流回路で直流電力に整流して蓄電装置に充電している。

また、特許文献２では、受電回路の負荷のインピーダンスの変動による送電側と受電側のインピーダンスの不整合を改善するために、整流回路と蓄電装置の間に直流電圧変換回路を設置して回路のインピーダンスを整合する技術が提案されている。特許文献２では、その直流電圧変換回路として、チョッパ回路を用い、チョッパ回路のスイッチング素子のスイッチを開閉するスイッチングパルスの幅を変えることでインピーダンス変換比を調整している。

特開２００９−１０６１３６号公報 国際公開第２０１０／０３５３２１号公報

しかし、特許文献１の無線電力伝送システムでは、送電コイルと受電コイルが離れ両コイルの磁界結合の結合係数が小さくなると、受電側共振回路に流れる共振電流が小さくなり受電コイルが送電コイルから受け取る受電電力が少なくなり、受電回路が十分な大きさの無線電力を受電できなくなる問題があった。

特許文献２の無線電力伝送システムでは、整流回路と負荷の蓄電装置の間に直流電圧変換回路を挿入するので、その直流電圧変換回路のインピーダンス変換比を調整して、受電コイルから負荷側を見た負荷のインピーダンスを小さくすることができる。それにより、受電側共振回路の共振のＱ値を高くして受電側共振回路の共振電流を大きくすることができ、それにより受電回路が受電する無線電力を大きくできると考える。

しかし、特許文献２のチョッパ回路を用いた直流電圧変換回路では、その出力端子に接続する負荷抵抗が大きい場合にチョッパ回路の出力電圧が異常になる等の問題がある。チョッパ回路では、負荷の状況によってそのような問題が生じた場合には受電側共振回路に流れる共振電流が安定しないという問題があった。

そのため、本発明の課題は、受電側共振回路の共振電流を安定して大きくして受電コイルが受け取る受電電力を大きくした無線電力伝送システムを提供することにある。

この課題を解決するために、本発明は、交流電流で磁界を発生させる送電コイルと、劾送電コイルの電磁誘導により誘導電圧を発生する受電コイルを有し、劾受電コイルに共振用容量を接続して構成した共振回路を有し、前記共振回路に流れる共振電流を目標値に合わせる制御を行う制御演算手段を有し、前記制御演算手段に制御されて前記共振回路に電力を加えて前記共振電流を増す受電コイル電流制御回路を有し、前記共振回路から電力を受電する負荷回路を有し、前記受電コイル電流制御回路が、前記共振回路に加える電力を前記負荷回路から供給されて動作することを特徴とする無線電力伝送システムである。

本発明は、この構成により、受電コイルに流れる共振電流を安定して大きくして受電コイルが受け取る受電電力を大きくできる効果がある。

本発明の第１の実施形態の無線電力伝送システムの送電回路と受電回路の全体回路を表す回路図である。 （ａ）本発明の第１の実施形態の送電回路の送電コイルに重なった受電回路の受電コイルの平面図（ＸＹ図）である。（ｂ）本発明の第１の実施形態の送電コイルと受電コイルの配置を表す側面図（ＸＺ図）である。 （ａ）本発明の第１の実施形態の受電回路の受電コイル電流制御回路の回路構成を表す回路図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態の、受電コイル電流制御回路のパルス電圧Ｖｐで制御された受電回路の共振電流Ｉ２の時間変化のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態の無線電力伝送システムの送電回路と受電回路の全体回路を表す回路図である。 本発明の第３の実施形態の無線電力伝送システムの送電回路と受電回路の全体回路を表す回路図である。 本発明の第４の実施形態の受電回路の受電コイル電流制御回路の回路構成を表す回路図である。

＜第１の実施形態＞
図１から図３を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図１の様に、第１の実施形態の無線電力伝送システムは、送電回路１０と受電回路２０から成る。送電回路１０は、電源回路３０の電力を送電コイル１に導く回路である。受電回路２０は、送電回路１０の送電コイル１から空間を隔てて配置した受電コイル２で無線電力を受電し、受電コイル２が受電した受電電力を負荷回路４０に導く回路から成る。

（送電回路）
送電回路１０は、自己インダクタンスＬ１の送電コイル１の配線の両端を共振用容量Ｃ１でつないだ共振回路を作り、その送電コイル１の配線の中間のポート１（Ｐ１）に電源回路３０を接続し、電源回路３０から共振電流Ｉ１を送電コイル１に流入させる。電源回路３０は、出力インピーダンスが十分に小さい定電圧回路や定電流回路等を使用することができる。なお、電源回路３０を共振用容量Ｃ１に並列に接続した送電回路１０を用いることもできる。

（変形例１）
送電回路１０の変形例１として、送電回路１０用の顕わな共振回路は設けずに、交流電流を流す電源回路３０に直接に送電コイル１を接続した送電回路１０を用いることもできる。

（受電回路）
受電回路２０は、図１のように、自己インダクタンスＬ２の受電コイル２の両端に共振用容量Ｃ２をつないで構成した受電側共振回路を有する。その受電側共振回路に直列に受電コイル電流制御回路５０を挿入し、更に、受電側共振回路に直列に負荷回路４０を接続する。つまり、受電側共振回路の受電コイル２の配線の中間にポート２（Ｐ２）を設け、そのポート２に負荷回路４０と受電コイル電流制御回路５０を直列に接続する。また、受電回路２０には、受電コイル電流制御回路５０の動作を制御する制御演算手段６０を加える。

（送電コイルから受電コイルへ無線電力を伝送）
図２（ｂ）の側面図のように、送電回路１０の送電コイル１と受電回路２０の受電コイル２を空間を隔てて対向させて、図１の様に両コイルを相互インダクタンスＭで誘導結合させる。それにより、送電コイル１が発生した磁界の電磁誘導により受電コイル２に誘導電圧を発生させる。その誘導電圧が受電回路２０の受電側共振回路を共振させて共振電流Ｉ２を流すことで、受電コイル２が送電コイル１から無線電力を受電する。

（負荷回路）
負荷回路４０は、整流回路４１と直流電圧変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８０と蓄電装置７０を持つ。直流電圧変換回路８０の出力電力を蓄電装置７０と負荷４２で消費させ、また、蓄電装置７０は、受電コイル電流制御回路５０に電力を供給する。

負荷回路４０は、受電コイル２が送電コイル１から受電した電力を受け取る。負荷回路４０は、受電側共振回路の共振電流Ｉ２を整流回路４１で直流に整流する。整流回路４１の出力電圧を直流電圧変換回路８０で電圧変換して蓄電装置７０用の電圧を形成する。そして、蓄電装置７０に充電した電力を負荷４２及び受電コイル電流制御回路５０に供給する。

（制御演算手段）
制御演算手段６０は半導体集積回路で構成した中央処理装置を備えるコンピュータ（情報処理装置）等で構成する。制御演算手段６０は、共振電流センサ６１や交流電圧センサ６２や充電電流センサ６３や充電電圧センサ６４から測定値を受信する。そして、制御演算手段６０は、それらの測定値に応じて受電側共振回路の共振電流Ｉ２を増減させるために、受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２を制御する。また、制御演算手段６０は直流電圧変換回路８０の制御を行うこともできる。

制御演算手段６０は、図３の様に、受電コイル電流制御回路５０にパルス状のスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１を送信して受電コイル電流制御回路５０の半導体スイッチング素子５２のスイッチを開閉することで受電側共振回路に直列にパルス電圧Ｖｐを加える。

パルス電圧Ｖｐは、送電コイル１が受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧の周期に同期させて発生させることが望ましい。制御演算手段６０は、交流電圧センサ６２が検出する交流電圧を受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧と等しいとみなして、交流電圧センサ６２が検出した交流電圧に、受電コイル電流制御回路５０に送信するパルス状のスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１を同期させて発生させる。

（受電コイル電流制御回路５０）
受電コイル電流制御回路５０は、図１の様に、負荷回路４０から電力を供給されて動作し、制御演算手段６０に制御されて共振電流Ｉ２と同じ周期で繰り返すパルス電圧Ｖｐを受電側共振回路に直列に加える。それにより受電コイル電流制御回路５０は、受電側共振回路（受電コイル２）に流れる共振電流Ｉ２を増加あるいは減少させて増減させる制御を行なう。

受電コイル電流制御回路５０は、図３（ａ）の様に、直流駆動電圧電源５１と半導体スイッチング素子５２で構成する。受電コイル電流制御回路５０は、半導体スイッチング素子５２を制御演算手段６０からのスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１によって切り替えられることで、受電側共振回路に直列にパルス電圧Ｖｐを加えて受電側共振回路の共振電流Ｉ２を増減させる制御を行う。

受電コイル電流制御回路５０に電力を供給する電源回路は負荷回路４０の蓄電装置７０を電源にすることが望ましい。その理由は、蓄電装置７０の出力電圧が安定しているためである。また、蓄電装置７０以外の負荷回路４０の部分から電力を引き出して受電コイル電流制御回路５０の電源にすることも可能である。

送電コイル１が発生した磁界が電磁誘導で受電コイル２に発生する誘導電圧が受電側共振回路の共振電流Ｉ２の増加速度を加速している。受電コイル電流制御回路５０は、その誘導電圧に直列にパルス電圧Ｖｐを加えることで、その誘導電圧と、それに直列に加えたパルス電圧Ｖｐとにより、受電側共振回路に流れる共振電流Ｉ２を時間の経過とともに増す。

受電コイル電流制御回路５０が受電側共振回路に直列に加えるパルス電圧Ｖｐが共振電流Ｉ２を変化させる速度は、パルス電圧Ｖｐの電圧値とパルス幅の時間の積に比例する。

（電力の流れ）
送電コイル１が電磁誘導により受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧と共振電流Ｉ２の積の受電電力が送電コイル１から受電コイル２に送電される。受電コイル電流制御回路５０が共振電流Ｉ２を増加させることで、受電コイル２が送電コイル１から受電する受電電力を共振電流Ｉ２に比例させて増すことができる。

一方、受電コイル電流制御回路５０が受電側共振回路に直列に加えるパルス電圧Ｖｐと共振電流Ｉ２の積の電力が受電コイル電流制御回路５０から受電側共振回路に送電される。受電コイル電流制御回路５０が共振電流Ｉ２を増加させることで、受電側共振回路が受電コイル電流制御回路５０から受け取る電力も共振電流Ｉ２に比例して増す。

受電コイル電流制御回路５０が、送電コイル１が受電コイル２に発生する誘導電圧に直列にパルス電圧Ｖｐを加える意味は、送電コイル１が受電側共振回路に電力を供給するのと同時に、受電コイル電流制御回路５０も受電側共振回路に電力を加えることを意味する。すなわち、受電側共振回路に電力を加える源が２つある。１つの源は、受電コイル２に誘導電圧を発生する送電コイル１であり、もう１つの源は、受電側共振回路に直列にパルス電圧Ｖｐを加える受電コイル電流制御回路５０であり、詳しくは直流駆動電圧電源５１である。

（電力の循環）
負荷回路４０の蓄電装置７０から電力を供給された受電コイル電流制御回路５０が、受電側共振回路にパルス電圧Ｖｐを加えている間は、受電コイル電流制御回路５０が受電側共振回路に電力を加えていて、その間、受電コイル２に流れる共振電流Ｉ２も増す。受電コイル電流制御回路５０が受電側共振回路に加えた電力は結局、負荷回路４０の蓄電装置７０に充電され、その蓄電装置７０の電力が再び受電コイル電流制御回路５０に供給されるという電力の循環がある。

ここで、送電コイル１が受電コイル２に発生させる誘導電圧が大きすぎる場合は、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を制御して、共振電流Ｉ２を減少させる向きにパルス電圧Ｖｐを加えることで、共振電流Ｉ２を減らす制御を行なうことができる。

そうして、受電コイル電流制御回路５０が共振電流Ｉ２を減らすことで、送電コイル１が電磁誘導により受電コイル２に発生させる誘導電圧が受電コイル２に単位時間当たりに加えるエネルギーの量を共振電流Ｉ２に比例して小さく制御できる。

共振電流Ｉ２を、送電コイル１から受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧に同期させるべく、受電コイル電流制御回路５０が受電側共振回路に直列に加えるパルス電圧Ｖｐを、受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧に同期させる。すなわち、送電コイル１が受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧の波形のピークのタイミングにパルス電圧Ｖｐのタイミングを合わせる。

そうすることで、共振電流Ｉ２の交流電流波形がピークになるタイミングが、送電コイル１が受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧の波形がピークになるタイミングに合う。それにより、受電コイル２が送電コイル１から受電する受電電力の無効電力を０にし、送電コイル１が受電コイル２に発生させる誘導電圧と、共振電流Ｉ２との積が全て有効電力になるように制御する。

図３を参照して受電コイル電流制御回路５０が共振電流Ｉ２を制御する回路構成を詳しく説明する。図３（ａ）は、無線電力伝送システムの受電回路２０の中の、受電側共振回路と制御演算手段６０と、受電コイル電流制御回路５０の回路構成をあらわす。図３（ｂ）は、受電回路２０の動作のシミュレーション結果の共振電流Ｉ２の時間変化のグラフを表す。

受電コイル電流制御回路５０は、半導体スイッチング素子５２が直流駆動電圧電源５１の受電側共振回路への接続を切り替えるスイッチングをすることで、パルス電圧Ｖｐを、受電コイル２と共振用容量Ｃ２が構成する受電側共振回路に直列に加える。

制御演算手段６０がパルス状のスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１を送信して半導体スイッチング素子５２のスイッチを開閉して発生させるパルス電圧Ｖｐを、交流電圧センサ６２が検出した交流電圧に同期させる。その結果として、共振電流Ｉ２の交流電流波形がピークになるタイミングがパルス電圧Ｖｐのタイミングに合う。

（共振電流の制御）
送電コイル１が発生した磁界が電磁誘導で受電コイル２に発生する誘導電圧が小さい場合は、共振電流Ｉ２の増え方が緩やかである。その場合に制御演算手段６０は、受電コイル電流制御回路５０を用いて送電コイル１の誘導電圧に直列に、より高い電圧のパルス電圧Ｖｐを加えることで共振電流Ｉ２の増加速度を加速させる制御を行う。それにより、図３（ｂ）の様に、共振電流Ｉ２を速やかに所定の定常電流の値まで増加させる制御を行う。

（センサの利用）
制御演算手段６０は、共振電流Ｉ２の電流波形を共振電流センサ６１で測定し、測定した共振電流Ｉ２の振幅の値が目標値に達した場合に受電コイル電流制御回路５０からの受電側共振回路へのパルス電圧Ｖｐの印加を停止して共振電流Ｉ２を目標値に維持する。

共振電流Ｉ２が目標値を超えた場合は、制御演算手段６０は、受電コイル電流制御回路５０が共振電流Ｉ２を減らす方向に受電側共振回路に直列にパルス電圧Ｖｐを加えて共振電流Ｉ２を減らし、共振電流Ｉ２を目標値に維持する。

こうして、制御演算手段６０は、受電コイル電流制御回路５０が受電回路２０の共振回路にパルス電圧Ｖｐを継続して加える時間の長さを調整することで、受電回路２０の共振電流Ｉ２の増減量を調整する。これにより、受電回路２０の受電コイル２に流れる共振電流Ｉ２を安定化できる効果がある。

特に、制御演算手段６０が共振電流Ｉ２の目標値を大きくして、受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２を大きくする制御を行うと、その共振電流Ｉ２の値と送電コイル１が受電コイル２に発生する誘導電圧の値との積の大きな受電電力を受電コイル２に受電させることができ、受電コイル２が受け取る受電電力を大きくすることができる効果がある。

（直流電圧変換回路）
本実施形態では直流電圧変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８０を用いる。直流電圧変換回路８０は、整流回路４１が共振電流Ｉ２を整流して出力する直流の電圧を、異なる値の電圧に変換する回路である。直流電圧変換回路８０の回路構成は、制御演算手段６０が直流電圧変換回路８０の制御用パルス信号のパルス幅を変えることで電圧の昇圧比を変えることができる昇圧形チョッパ回路を用いる。

本実施形態では、受電側共振回路に直列に整流回路４１を接続することにより、整流回路４１の出力電圧が、受電コイル２に発生する誘導電圧程度の低めの電圧になる。そのため、その電圧を昇圧する直流電圧変換回路８０を用い、整流回路４１の低い電圧を高い出力電圧に変換して蓄電装置７０と負荷４２に加えて電力を蓄電又は消費させる。

昇圧形チョッパ回路で構成した直流電圧変換回路８０は、制御演算手段６０が昇圧形チョッパ回路の電流スイッチを開閉させるために送信する制御用パルス信号のパルス幅を変えることで電圧の昇圧比を制御する。

昇圧形チョッパ回路で構成した直流電圧変換回路８０の出力電圧は、蓄電装置７０及び負荷４２に殆ど電流が流れず電力が消費されない場合は、出力電圧が異常になる。本実施形態は、昇圧形チョッパ回路の出力端子を蓄電装置７０に接続するのと並列に、蓄電装置７０の端子に受電コイル電流制御回路５０の入力端子を接続し受電コイル電流制御回路５０に電力を消費させる。それにより、受電コイル電流制御回路５０で適度な電力を消費させることで直流電圧変換回路８０の出力電圧を正常な状態に維持できる効果がある。

（共振電流の制御例１）
制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて受電コイル２の受電電力を制御する例として、例えば、送電コイル１に対向させる受電コイル２の位置がずれることで送電コイル１が受電コイル２に電磁誘導で発生する誘導電圧が変化する場合に、以下の様にして、受電コイル２の受電電力を一定に制御することができる。

先ず、制御演算手段６０は、受電コイル２が送電コイル１から受電する受電電力の目標値を設定する。すなわち、目標値として、受電コイル２に誘導する誘導電圧と共振電流Ｉ２の積の値を目標値に設定する。

次に、共振電流Ｉ２を共振電流センサ６１で測定し、受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧を交流電圧センサ６２で測定する。次に、制御演算手段６０が、受電電力の目標値を誘導電圧の測定値で割り算した値を共振電流Ｉ２の目標値に設定する。

そして、制御演算手段６０は受電コイル電流制御回路５０を用いて、共振電流Ｉ２を目標値に維持する制御を行う。すなわち、送電コイル１が受電コイル２に誘導した誘導電圧が小さいときは共振電流Ｉ２を大きくし、誘導電圧が大きいときは共振電流Ｉ２を小さくする。それにより、受電コイル２に誘導する誘導電圧が変化する場合に、誘導電圧と共振電流Ｉ２の積の受電電力を一定に制御する。

一方、誘導電圧程度の値の整流回路４１の出力電圧を、昇圧形チョッパ回路で構成した直流電圧変換回路８０が、蓄電装置７０及び負荷４２に加えるべき電圧に変換する。制御演算手段６０が昇圧形チョッパ回路に送信する制御用パルス信号のパルス幅を変えることで、その出力電圧の昇圧比を適正な昇圧比に調整する。

（共振電流の制御例２）
また、送電コイル１が受電コイル２に誘導する誘導電圧が一定の場合において、より多くの電力を受電コイル２に受電させる必要がある場合に、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２をより大きな値に制御することで、誘導電圧と共振電流Ｉ２の積の受電電力をより大きな値に制御することができる。

（共振電流の制御例３）
また、受電コイル２に流れる共振電流Ｉ２は、負荷回路４０の影響で、電流の値が定常値になる以前の一時期に、電流が定常値以上に大きくなることがある。その場合に、制御演算手段６０は受電コイル電流制御回路５０を用いて、共振電流Ｉ２を減少させる方向にパルス電圧Ｖｐを加えることで、共振電流Ｉ２の増加を抑え、共振電流Ｉ２を目標値に安定化させる制御を行うことができる。

（共振電流の制御例４）
また、蓄電装置７０に電力が充電されるにつれて、蓄電装置７０へ単位時間当たりに流入する電力の必要量が時間経過とともに変化する場合がある。その場合は、蓄電装置７０の充電電圧を充電電圧センサ６４で検出し、制御演算手段６０が時間の経過とともに、蓄電装置７０の充電電圧に応じて、受電コイル２が送電コイル１から受電する受電電力の目標値を変えて、受電コイル電流制御回路５０を用いて蓄電装置７０への電力の充電量を各時刻での適正な値に制御する。

こうして、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２を増加あるいは減少させて共振電流Ｉ２を自由自在に制御することで、負荷回路４０が受電する受電電力を、その共振電流Ｉ２と誘導電圧の積の値に自由自在に制御することができる効果がある。

＜第２の実施形態＞
図４を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、図４の様に、受電回路２０を、共振用容量Ｃ２に並列に負荷回路４０を接続した点が第１の実施形態と相違する。送電回路１０には、第１の実施形態と同様な回路を用いる。

（受電回路）
第２の実施形態の受電回路２０は、図４のように、自己インダクタンスＬ２の受電コイル２の両端に共振用容量Ｃ２をつないで構成した受電側共振回路を有する。その受電側共振回路に直列に受電コイル電流制御回路５０を挿入する。第２の実施形態では、受電コイル２の両端をポート２（Ｐ２）にし、そのポート２に、共振用容量Ｃ２と受電コイル電流制御回路５０を直列に接続し、その共振用容量Ｃ２に並列に負荷回路４０を接続する。

図２（ｂ）の側面図と同様に、送電回路１０の送電コイル１と受電回路２０の受電コイル２を対向させて、両コイルを相互インダクタンスＭで誘導結合させる。それにより、送電コイル１が発生した磁界の電磁誘導により受電コイル２に誘導電圧を発生させる。その誘導電圧が受電回路２０の受電側共振回路に共振電流Ｉ２を発生させる。

（負荷回路）
負荷回路４０を共振用容量Ｃ２に並列に接続する。その共振用容量Ｃ２に充電された電力の一部を負荷回路４０が消費する。共振用容量Ｃ２から負荷回路４０に流れ出した電流を整流回路４１で直流に整流して直流電圧変換回路８０で電圧変換して蓄電装置７０に充電する。

共振用容量Ｃ２の両端間に発生する電圧は高くなる。そのため、共振用容量Ｃ２に並列に接続した負荷回路４０に入力する電圧は高くなり、負荷回路４０の整流回路４１の出力電圧は共振用容量Ｃ２の電圧と同様に高くなる。

そのため、本実施形態では、整流回路４１の出力電圧を直流電圧変換回路８０を用いて低い電圧に変換して蓄電装置７０及び負荷４２に加える。

（制御演算手段）
本実施形態の制御演算手段６０は、共振電流センサ６１と充電電流センサ６３と充電電圧センサ６４から測定値を受信する。

制御演算手段６０は、第１の実施形態と同様に、受電コイル電流制御回路５０にパルス状のスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１を送信して受電コイル電流制御回路５０の半導体スイッチング素子５２のスイッチを開閉することで受電側共振回路に直列にパルス電圧Ｖｐを加える。

そのパルス電圧Ｖｐは、送電コイル１が受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧の周期に同期させて発生させることが望ましい。制御演算手段６０は、受電側共振回路の交流の共振電流Ｉ２をその交流の誘導電圧に位相が合って同期しているとみなす。そして、共振電流Ｉ２の共振電流センサ６１による測定結果の電流波形に、受電コイル電流制御回路５０に送信するパルス状のスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１を同期させる。

（直流電圧変換回路）
受電コイル電流制御回路５０が受電電力を制御するために共振電流Ｉ２を変化させると、共振用容量Ｃ２の電圧が共振電流Ｉ２に比例して変化する。その結果、負荷回路４０の整流回路４１の出力電圧は、共振用容量Ｃ２の電圧の絶対値と同程度の値に変化する。そのように変化する整流回路４１の出力電圧を、直流電圧変換回路８０が変換して蓄電装置７０又は負荷４２に一定の電圧を加える様に制御する。

直流電圧変換回路８０には、制御演算手段６０が送信する制御用パルス信号のパルス幅を変えることで電圧の降圧比を変えられる降圧形チョッパ回路を用いる。

降圧形チョッパ回路で構成した直流電圧変換回路８０の出力電圧は、蓄電装置７０及び負荷４２に殆ど電流が流れず電力が消費されない場合は、出力電圧が異常になる。本実施形態は、降圧形チョッパ回路の出力端子を接続した蓄電装置７０の電力を電源にして受電コイル電流制御回路５０を動作させて電力を消費させる。それにより適度な電力を消費させることで、直流電圧変換回路８０の出力電圧を正常な状態に維持できる効果がある。

本実施形態も第１の実施形態と同様に、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いてパルス電圧Ｖｐを受電側共振回路に直列に継続して加える時間を調整することで、受電側共振回路の共振電流Ｉ２を目標値まで増減させる。

（変形例２）
本実施形態の変形例２として、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２を常に一定値に制御する場合は、共振用容量Ｃ２の交流電圧及び整流回路４１の出力電圧が一定値になる。その場合は、直流電圧変換回路８０には、電圧の降圧比が常に一定値に固定された簡易な回路を用いる事ができる効果がある。

（共振電流の制御例５）
本実施形態において送電コイル１が受電コイル２に電磁誘導で発生する誘導電圧が変化する場合に、以下の様にして、受電コイル２の受電電力を一定に制御することができる。

先ず、制御演算手段６０は、蓄電装置７０の充電電力の目標値を設定する。充電電力の目標値は、受電コイル２に誘導する誘導電圧と共振電流Ｉ２の積で与えられる受電電力の目標値よりも、負荷回路４０の電力が受電コイル電流制御回路５０から受電側共振回路に供給され再び負荷回路４０に戻る電力が循環する量だけ多めに設定する。

次に、共振電流Ｉ２を共振電流センサ６１で測定し、蓄電装置７０に充電する充電電流を充電電流センサ６３で測定し、蓄電装置７０の充電電圧を充電電圧センサ６４で測定する。

制御演算手段６０が、充電電圧センサ６４が測定した充電電圧と充電電流センサ６３が測定した充電電流の積の値を計算し、その値を充電電力の測定値とみなす。そして、制御演算手段６０が、充電電力の目標値を充電電力の測定値で割り算して得た値を、共振電流センサ６１が測定した共振電流Ｉ２の値に掛け算した値を共振電流Ｉ２の目標値に設定する。

そして、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて、共振電流Ｉ２を目標値に制御する。その結果、誘導電圧が小さいときは共振電流Ｉ２を大きくし、誘導電圧が大きいときは共振電流Ｉ２を小さくする制御が行われ、受電回路２０の受電電力を一定に制御することができる。

一方、共振電流Ｉ２の大きさに応じて変化する整流回路４１の出力電圧を、降圧形チョッパ回路で構成した直流電圧変換回路８０が蓄電装置７０及び負荷４２に加えるべき所定の電圧に変換する。その電圧の降圧比は、降圧形チョッパ回路の制御用パルス信号のパルス幅を変えることで適正な降圧比に調整する。

（共振電流の制御例６）
負荷回路４０の蓄電装置７０に電力が充電されるにつれて、負荷回路４０が必要とする電力が時間経過とともに変わる場合は、制御演算手段６０が、充電電圧センサ６４が検出した蓄電装置７０の電圧により蓄電装置７０の充電量を把握する。そして、その充電量に応じて蓄電装置７０の充電電力の目標値を変えて、蓄電装置７０への電力の充電量を適正な値に制御する。

＜第３の実施形態＞
図５を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、負荷回路４０の前段に変圧回路を設置することで、直流電圧変換回路８０の替わりにした点が先に記載した実施形態と相違する。その変圧回路の出力端子側には２次側共振用容量Ｃ４を接続して２次側共振回路を構成し、その２次側共振回路に直列に整流回路４１の入力端子を接続する。

本実施形態の送電回路１０には第１の実施形態と同様な回路を用い、また、受電回路２０では、第１の実施形態と同様に、受電側共振回路に負荷回路４０と受電コイル電流制御回路５０を直列に接続する。

（受電回路）
受電回路２０は、図５のように、自己インダクタンスＬ２の受電コイル２の両端に共振用容量Ｃ２をつないで構成した受電側共振回路を有し、その受電側共振回路の受電コイル２の配線の中間のポート２（Ｐ２）に負荷回路４０と受電コイル電流制御回路５０を直列に接続する。

（負荷回路４０の変圧回路）
本実施形態の負荷回路４０の前段の変圧回路は、入力端子側に自己インダクタンスＬ３の１次コイルＬ３を設置し、その１次コイルＬ３に自己インダクタンスＬ４の２次コイルＬ４を相互インダクタンスＭｔで誘導結合させる。この変圧回路の２次コイルＬ４の出力端子側に２次側共振用容量Ｃ４を接続して２次側共振回路を構成する。その２次側共振回路の共振周波数を、受電側共振回路の共振周波数と同じ周波数にする。

（共振トランス型変圧回路）
変圧回路は、１次コイルＬ３の漏れインダクタンス及び２次コイルＬ４の漏れインダクタンスと２次側共振用容量Ｃ４が受電側共振回路の共振周波数と同じ周波数で共振する共振トランス型変圧回路を構成することができる。

（変形例３）イミタンス変換回路で構成した変圧回路
また、変形例３として、変圧回路を、以下の構成のイミタンス変換回路で構成することができる。すなわち、受電コイル２の自己インダクタンスＬ２と変圧回路の１次コイルＬ３の自己インダクタンスとを合わせた総インダクタンスと受電側共振回路の共振用容量Ｃ２（あるいは、Ｃ２に直列にイミタンス変換回路の１次側用の容量を接続した総体の容量）を、受電側共振回路の共振周波数で共振させる。

この変圧回路の２次コイルＬ４の自己インダクタンスと２次側共振用容量Ｃ４を、受電側共振回路の共振周波数で共振させ、２次コイルＬ４は受電側共振回路の１次コイルＬ３と誘導結合させる。この回路構成の変圧回路は、１次側から見た回路のインピーダンスが２次側に接続された回路のアドミタンスに比例するイミタンス変換回路を含んでいる。変圧回路は、他の回路構成のイミタンス変換回路で構成することもできる。例えば、２つのコイル（インダクタ）の中間に１つの容量をＴ形に接続して構成したイミタンス変換回路を変圧回路に用いることもできる。

変圧回路の２次側共振回路に直列に整流回路４１の入力端子を接続し、整流回路４１の出力端子を蓄電装置７０に接続する。整流回路４１が出力する電力を蓄電装置７０に充電し、負荷４２で消費させる。更に、蓄電装置７０の電力を受電コイル電流制御回路５０に供給する。なお、第２の実施形態と同様に、２次側共振回路の２次側共振用容量Ｃ４に並列に整流回路４１の入力端子を接続した回路構成にすることもできる。

（受電コイル電流制御回路５０）
本実施形態の受電コイル電流制御回路５０は、第１の実施形態と同様に、制御演算手段６０に制御されて、共振電流Ｉ２と同じ周期で繰り返すパルス電圧Ｖｐを受電側共振回路に直列に加えることで、受電側共振回路に流れる共振電流Ｉ２を増加あるいは減少させる制御を行なう。

（共振電流の制御）
制御演算手段６０が、共振電流Ｉ２の目標値を設定し、受電コイル電流制御回路５０を用いて共振電流Ｉ２を目標値に合わせる制御を行う。それにより共振電流Ｉ２を一定値に制御し、一定値の共振電流Ｉ２が流れる変圧回路の１次コイルＬ３が発生する磁界が２次コイルＬ４に誘導する誘導電圧を一定値に制御する。その誘導電圧が２次側共振回路に直列に接続した整流回路４１に加わり、整流回路４１の出力端子に発生する直流電圧が一定値になり、その一定値の直流電圧が蓄電装置７０に加わる。

すなわち、送電コイル１に対向させる受電コイル２の位置がずれて送電コイル１が受電コイル２に電磁誘導で発生する誘導電圧が変動しても、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０を用いて受電側共振回路に流れる共振電流Ｉ２を一定値に制御することにより、変圧回路の２次コイルＬ４に誘導する誘導電圧が一定値になり、その結果、一定値の直流電圧が蓄電装置７０に加わる。結局、蓄電装置７０に加わる電圧は変わらず電圧が安定する効果がある。

そのため、本実施形態は、送電コイル１に対向させる受電コイル２の位置がずれて送電コイル１が受電コイル２に電磁誘導で発生する誘導電圧が変動しても、整流回路４１から蓄電装置７０に加えられる電圧を同じ電圧のままで安定させることができる。それにより、整流回路４１から蓄電装置７０への充電が安定して継続される効果がある。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態が先に記載した実施形態と相違する点は、受電コイル電流制御回路５０が、受電側共振回路に直列に補助交流駆動電圧Ｖａを加えて受電側共振回路の共振電流Ｉ２を増加あるいは減少させる制御を行う点である。

図６に、第４の実施形態の受電回路２０の中の受電コイル電流制御回路５０の回路構成を示す。それ以外の回路全体の構成は、上記の実施形態の回路構成を用いる。すなわち、送電回路１０と、受電回路２０の受電側共振回路と、受電回路２０の受電コイル電流制御回路５０を制御する制御演算手段６０と、負荷回路４０は、図１又は図４又は図５の回路を用いることができる。

（受電コイル電流制御回路５０）
第４の実施形態の受電コイル電流制御回路５０は、交流駆動電圧電源５３と半導体スイッチング素子５２で構成する。制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０の半導体スイッチング素子５２をスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１で切り替えて受電側共振回路に直列に補助交流駆動電圧Ｖａを加えて受電側共振回路の共振電流Ｉ２を増加あるいは減少させる制御を行う。また、交流駆動電圧電源５３の交流の電圧波形を計測する駆動電圧センサ６５を設置することもできる。

（制御演算手段）
制御演算手段６０は、受電コイル電流制御回路５０の交流駆動電圧電源５３の交流の周波数を交流周波数制御信号ｓｉｇ２で制御する。また、制御演算手段６０は、制御演算手段６０は、交流電圧センサ６２が検出する交流電圧を受電コイル２に誘導する交流の誘導電圧と等しいとみなして、交流電圧センサ６２が検出した交流電圧の値が最大になるタイミングに、補助交流駆動電圧Ｖａの電圧値を最大にするようにタイミングを合わせるように補助交流駆動電圧Ｖａの位相を制御して同期させる。

交流電圧センサ６２が検出した交流電圧に補助交流駆動電圧Ｖａを同期させる方法は、以下の様に行うことができる。制御演算手段６０は駆動電圧センサ６５で交流駆動電圧電源５３の交流の電圧波形を測定し、交流電圧センサ６２で測定した交流電圧波形と比較する。

制御演算手段６０は、補助交流駆動電圧Ｖａの位相が交流電圧センサ６２で測定した交流電圧の位相からずれて位相差がある場合は、交流周波数制御信号ｓｉｇ２で指令することで、交流駆動電圧電源５３の補助交流駆動電圧Ｖａの周波数を交流電圧センサ６２で測定した交流電圧の周波数からずらす。そうして、時間の経過とともにその交流電圧との間の位相差を減少させる。

そして、補助交流駆動電圧Ｖａの位相が交流電圧センサ６２で測定した交流電圧の位相に合った時点で、補助交流駆動電圧Ｖａの周波数を交流電圧センサ６２で測定した交流電圧の周波数に合わせることで、位相の一致状態を維持する。

送電コイル１が発生した磁界が電磁誘導で受電コイル２に発生する誘導電圧が小さい場合は、共振電流Ｉ２の増え方が緩やかである。その場合に、制御演算手段６０が受電コイル電流制御回路５０の半導体スイッチング素子５２をスイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１で切り替えて、送電コイル１の誘導電圧に直列に、より高い交流電圧の補助交流駆動電圧Ｖａの印加を開始する。それにより、共振電流Ｉ２の増加速度を加速させ、共振電流Ｉ２を速やかに所定の定常電流の値まで増加させる制御を行う。

（共振電流の制御）
制御演算手段６０は、共振電流Ｉ２の電流波形を共振電流センサ６１で測定し、測定した共振電流Ｉ２の振幅の値が目標値に達した場合は、スイッチ開閉制御信号ｓｉｇ１で半導体スイッチング素子５２を切ることで受電側共振回路への補助交流駆動電圧Ｖａの印加を停止して共振電流Ｉ２を目標値に維持する。

なお、本発明は、以上の実施形態の構成に限定されず、交流電流で磁界を発生させる送電コイル１と、その送電コイル１の電磁誘導により誘導電圧を発生する受電コイル２を有する無線電力伝送システムであって、その受電コイル２に共振用容量Ｃ２を接続して構成した共振回路（受電側共振回路）を有し、受電側共振回路に流れる共振電流Ｉ２を目標値に合わせる制御を行う制御演算手段６０を有し、制御演算手段６０に制御されて受電側共振回路に電力を加えて共振電流Ｉ２を増す受電コイル電流制御回路５０を有する無線電力伝送システムである。そして、受電側共振回路から電力を受電する負荷回路４０を有し、受電コイル電流制御回路５０が負荷回路４０から電力を供給されて、受電側共振回路に電力を加えて共振電流Ｉ２を増す無線電力伝送システムである。

１ 送電コイル、
２ 受電コイル、
１０ 送電回路、
２０ 受電回路、
３０ 電源回路、
４０ 負荷回路、
４１ 整流回路、
４２ 負荷、
５０ 受電コイル電流制御回路、
５１ 直流駆動電圧電源、
５２ 半導体スイッチング素子、
５３ 交流駆動電圧電源、
６０ 制御演算手段、
６１ 共振電流センサ、
６２ 交流電圧センサ、
６３ 充電電流センサ、
６４ 充電電圧センサ、
６５ 駆動電圧センサ、
７０ 蓄電装置、
８０ 直流電圧変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、
Ｃ１ 送電回路の共振回路の共振用容量、
Ｃ２ 受電回路の共振回路の共振用容量、
Ｃ４ 変圧回路の２次側共振用容量、
ｈ コイル間隔、
Ｉ１ 送電コイルに流れる共振電流、
Ｉ２ 受電コイルに流れる共振電流、
Ｌ１ 送電コイルの自己インダクタンス、
Ｌ２ 受電コイルの自己インダクタンス、
Ｌ３ 変圧回路の１次コイル、
Ｌ４ 変圧回路の２次コイル、
Ｍ、Ｍｔ 相互インダクタンス、
Ｐ１ 送電回路の共振回路のポート１、
Ｐ２ 受電回路の共振回路のポート２、
ｓｉｇ１ スイッチ開閉制御信号、
ｓｉｇ２ 交流周波数制御信号、
Ｖａ 補助交流駆動電圧、
Ｖｐ パルス電圧

Claims (1)

1. 交流電流で磁界を発生させる送電コイルと、劾送電コイルの電磁誘導により誘導電圧を発生する受電コイルを有し、劾受電コイルに共振用容量を接続して構成した共振回路を有し、前記共振回路に流れる共振電流を目標値に合わせる制御を行う制御演算手段を有し、前記制御演算手段に制御されて前記共振回路に電力を加えて前記共振電流を増す受電コイル電流制御回路を有し、前記共振回路から電力を受電する負荷回路を有し、前記受電コイル電流制御回路が、前記共振回路に加える電力を前記負荷回路から供給されて動作することを特徴とする無線電力伝送システム。

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