KR101891426B1 - 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

적어도 1개의 송전기 및 적어도 2개의 수전기를 포함하고, 상기 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하고, 복수의 상기 수전기에 대해, 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드와, 상기 수전기에 대해, 시분할적으로 절환하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드를 갖는 무선 전력 전송 제어 방법이며, 각각의 상기 수전기에 평가 지표를 설정하고, 상기 평가 지표에 기초하여, 상기 동시 전력 전송 모드 및 상기 시분할 전력 전송 모드를 절환하여 무선 전력 전송을 행한다.

Description

무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템 {WIRELESS POWER TRANSMISSION CONTROL METHOD AND WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 출원에서 언급하는 실시예는 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근, 전원 공급이나 충전을 행하기 위해, 무선으로 전력을 전송하는 기술이 주목받고 있다. 예를 들어, 휴대 단말기나 노트북 컴퓨터를 비롯한 다양한 전자 기기나 가전 기기, 혹은 전력 인프라 기기에 대해, 무선으로 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 시스템이 연구ㆍ개발되고 있다.
그런데, 무선 전력 전송(와이어리스 전력 전송: Wireless Power Transfer)을 이용하는 경우, 전력을 보내는 측의 송전기와, 송전기로부터 보내진 전력을 수취하는 측의 수전기가 각각 다른 메이커의 제품이라도 지장없이 사용하기 위해 표준화를 행하는 것이 바람직하다.
종래, 무선에 의한 전력 전송 기술로서는, 일반적으로, 전자 유도를 이용한 기술이나 전파를 이용한 기술이 알려져 있다.
그리고, 최근, 송전기와 수전기의 거리를 어느 정도 이격하면서, 복수의 수전기에 대한 전력 전송 및 수전기의 삼차원적인 다양한 자세에 대한 전력 전송이 가능한 것으로서, 강결합계의 공진을 사용한 와이어리스 송전 기술이 주목받고 있다.
이 강결합계의 공진을 사용한 와이어리스 송전으로서는, 예를 들어 자계 공명(자계 공진)이나 전계 공명(전계 공진)을 이용한 무선 전력 전송 기술이 알려져 있다.
종래, 무선 전력 전송 기술로서는, 다양한 제안이 이루어져 있다.
일본 특허 공개 제2012-044735호 공보 국제 공개 제2013/035873호 팸플릿
우치다 아키요시 외(UCHIDA Akiyoshi, et al.), "Phase and Intensity Control of Multiple Coil Currents in Resonant Magnetic Coupling," IMWS-IWPT2012, THU-C-1, pp.53-56, May 10-11, 2012 이시자키 도시오 외(ISHIZAKI Toshio, et al.), "3-D Free-Access WPT System for Charging Movable Terminals," IMWS-IWPT2012, FRI-H-1, pp.219-222, May 10-11, 2012
전술한 바와 같이, 종래, 전원 공급이나 충전을 행하기 위해 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 기술이 주목받고 있다. 이 무선 전력 전송 기술을 적용한 무선 전력 전송 시스템은, 통상, 복수의 수전기에 대해 전력을 전송하지만, 각 수전기가 요망하는 전력, 혹은 송전기에 대한 각 수전기의 위치 관계 등에 기초한 전력 전송 제어가 요구되고 있다.
이 송전기로부터 복수의 수전기에의 전력 전송으로서는, 수전기마다 전력 전송을 행하는 시분할 전력 전송, 및 복수의 수전기에 대해 동시에 전력 전송을 행하는 동시 전력 전송이 있다. 그러나, 복수의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각각의 수전기에 대해 평가 지표를 설정하고, 그 평가 지표에 기초하여 무선 전력 전송을 행하는 것은 행해지고 있지 않아, 각 수전기에 대해 적절한 무선 전력 전송을 행하는 것이 곤란했다.
일 실시 형태에 의하면, 적어도 1개의 송전기 및 적어도 2개의 수전기를 포함하고, 상기 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하는 무선 전력 전송 제어 방법이 제공된다.
상기 무선 전력 전송 제어 방법은 복수의 상기 수전기에 대해, 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드와, 상기 수전기에 대해, 시분할적으로 절환하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드를 갖는다.
상기 무선 전력 전송 제어 방법은 각각의 상기 수전기에 평가 지표를 설정하고, 상기 평가 지표에 기초하여, 상기 동시 전력 전송 모드 및 상기 시분할 전력 전송 모드를 절환하여 무선 전력 전송을 행한다.
개시의 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템은 복수의 수전기에 대해 시분할 전력 전송 및 동시 전력 전송을 절환하여 적절한 무선 전력 전송을 행할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1a는 유선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 1b는 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 이차원 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2b는 삼차원 무선 전력 전송 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4a는 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 4b는 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 4c는 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 5a는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제1)이다.
도 5b는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제2)이다.
도 5c는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제3)이다.
도 5d는 독립 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제4)이다.
도 6a는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제1)이다.
도 6b는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제2)이다.
도 6c는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제3)이다.
도 6d는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일의 예를 나타내는 회로도(제4)이다.
도 7a는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 7b는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 7c는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 8a는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 8b는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 8c는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 9a는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 9b는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 10a는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 10b는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 10c는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 11a는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제4)이다.
도 11b는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제5)이다.
도 11c는 복수의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면(제6)이다.
도 12는 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 평가 지표를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a는 무선 전력 전송 제어 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 13b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 14a는 무선 전력 전송 제어 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 14b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면(제4)이다.
도 15a는 무선 전력 전송 제어 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 15b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 16a는 무선 전력 전송 제어 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 16b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면(제4)이다.
도 17은 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 18은 무선 전력 전송 제어 방법의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 제3 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 의한 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 20은 도 19에 나타내는 흐름도에 있어서의 처리에 대응한 복수의 수전기를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 21은 도 19에 나타내는 흐름도에 있어서의 처리에 대응한 복수의 수전기를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 22는 도 19에 나타내는 흐름도에 있어서의 처리에 대응한 복수의 수전기를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
도 23은 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 사전 연산 데이터의 일례를 설명하기 위한 도면(제1)이다.
도 24는 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 사전 연산 데이터의 일례를 설명하기 위한 도면(제2)이다.
도 25는 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 사전 연산 데이터의 일례를 설명하기 위한 도면(제3)이다.
먼저, 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 전력 전송 시스템의 예, 및 복수의 송전기 및 수전기를 포함하는 관련 기술의 무선 전력 전송 시스템을, 도 1 내지 도 11c를 참조하여 설명한다.
도 1a는 유선 전력 전송(와이어 접속 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 무선 전력 전송(와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 참조 부호 2A1 내지 2C1은 각각 수전기를 나타낸다.
여기서, 수전기(2A1)는, 예를 들어 요망 전력이 10W인 태블릿 컴퓨터(태블릿)를 나타내고, 수전기(2B1)는, 예를 들어 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터를 나타내고, 수전기(2C1)는, 예를 들어 요망 전력이 2.5W인 스마트폰을 나타낸다. 또한, 요망 전력은, 예를 들어 각각의 수전기(2A1 내지 2C1)에 있어서의 충전지(이차 전지)를 충전하기 위한 전력에 상당한다.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 통상, 태블릿(2A1)이나 스마트폰(2C1)의 이차 전지를 충전하는 경우, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer)의 USB(Universal Serial Bus) 단자(또는, 전용 전원 등)(3A)에 대해 전원 케이블(4A, 4C)을 통해 접속한다. 또한, 노트북 컴퓨터(2B1)의 이차 전지를 충전하는 경우, 예를 들어 전용의 전원 장치(AC-DC Converter)(3B)에 대해 전원 케이블(4B)을 통해 접속한다.
즉, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 휴대 가능한 수전기(2A1 내지 2C1)라도, 일반적으로, 전원 케이블(4A 내지 4C)을 사용하여 USB 단자(3A)나 전원 장치(3B)로부터 와이어 접속 급전(유선 전력 전송)을 행하고 있다.
그런데, 최근, 전자 유도로 대표되는 비접촉 급전 기술의 진보에 의해, 예를 들어 전기 면도기나 전동 칫솔 등에서 와이어리스 급전(무선 전력 전송)이 실용화되고 있다. 따라서, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 송전기(1A1)로부터, 태블릿(2A1), 노트북 컴퓨터(2B1) 및 스마트폰(2C1)에 대해 무선 전력 전송하는 것이 생각되고 있다.
도 2a는 이차원 무선 전력 전송(이차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이고, 예를 들어 상술한 전기 면도기나 전동 칫솔 등과 마찬가지로, 전자 유도에 의해 무선 전력 전송을 행하는 상태를 나타내고 있다.
도 2a에 나타낸 바와 같이, 전자 유도를 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 경우에는, 비접촉 급전이라도 송전 거리가 짧기 때문에, 송전기(1A2)에 거의 접촉되어 있는 수전기만이 급전 가능하다.
즉, 송전기(수전대)(1A2) 위에 놓인 수전기(노트북 컴퓨터)(2B2)에 대해서는 급전할 수 있어도, 수전대(1A2)로부터 이격된 노트북 컴퓨터(2B3)에 대해서는 급전하는 것은 곤란하다. 이와 같이, 도 2a에 나타내는 무선 전력 전송 시스템은 수전대(1A2) 위의 자유로운 배치를 가능하게 하는 이차원적인 와이어리스 급전 시스템이다.
도 2b는 삼차원 무선 전력 전송(삼차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이고, 예를 들어 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 상태를 나타내고 있다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하는 경우에는, 송전기(1A2)로부터 소정 범위 내(도 2b에 있어서의 파선의 내측)에 존재하는 복수의 수전기에 대해 급전하는 것이 가능하다.
즉, 송전기(1A3)로부터 소정 범위 내의 태블릿(2A2, 2A3), 노트북 컴퓨터(2B2, 2B3) 및 스마트폰(2C2)에 대해 무선 전력 전송하는 것이 가능하다. 또한, 도 2b에서는 1개의 송전기(1A3)만 도시되어 있지만, 복수의 송전기에 의해, 다양한 각도 및 위치의 복수의 수전기에 대해, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선 전력 전송을 행하도록 되어 있다.
이와 같이, 도 2b에 나타내는 무선 전력 전송 시스템은, 예를 들어 자계 공명을 이용함으로써, 전자 유도를 이용한 것에 비해 먼 쪽의 공간에 있어서도 높은 송전 효율을 얻을 수 있는 삼차원적인 와이어리스 급전 시스템이다.
도 3은 무선 전력 전송(삼차원 와이어리스 급전) 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 3에 있어서, 참조 부호 1은 1차측(송전측: 송전기)을 나타내고, 2는 2차측(수전측: 수전기)을 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 송전기(1)는 와이어리스 송전부(11), 고주파 전원부(12), 송전 제어부(13) 및 통신 회로부(제1 통신 회로부)(14)를 포함한다. 또한, 수전기(2)는 와이어리스 수전부(21), 수전 회로부(정류부)(22), 수전 제어부(23) 및 통신 회로부(제2 통신 회로부)(24)를 포함한다.
와이어리스 송전부(11)는 제1 코일(전력 공급 코일)(11b) 및 제2 코일(송전 공진 코일)(11a)을 포함하고, 또한 와이어리스 수전부(21)는 제3 코일(수전 공진 코일)(21a) 및 제4 코일(전력 취출 코일)(21b)을 포함한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 송전기(1)와 수전기(2)는 송전 공진 코일(11a)과 수전 공진 코일(21a) 사이의 자계 공명(전계 공명)에 의해, 송전기(1)로부터 수전기(2)에 에너지(전력)의 전송을 행한다. 또한, 송전 공진 코일(11a)로부터 수전 공진 코일(21a)에의 전력 전송은 자계 공명뿐만 아니라 전계 공명 등도 가능하지만, 이하의 설명에서는 주로 자계 공명을 예로 들어 설명한다.
송전기(1)와 수전기(2)는 통신 회로부(14)와 통신 회로부(24)에 의해, 통신(근거리 통신)을 행한다. 여기서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)과 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)에 의한 전력의 전송 거리(전력 전송 범위)는 송전기(1)의 통신 회로부(14)와 수전기(2)의 통신 회로부(24)에 의한 통신 거리(통신 범위)보다도 짧게 설정된다.
또한, 송전 공진 코일(11a 및 21a)에 의한 전력 전송은 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신과는 독립된 방식(Out-band 통신)이 되어 있다. 구체적으로, 송전 공진 코일(11a 및 21a)에 의한 전력 전송은, 예를 들어 6.78㎒의 주파수 대역을 사용하고, 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신은, 예를 들어 2.4㎓의 주파수 대역을 사용한다.
이 통신 회로부(14 및 24)에 의한 통신으로서는, 예를 들어 IEEE 802.11b에 준거하는 DSSS 방식의 무선 LAN이나 블루투스[Bluetooth(등록 상표)]를 이용할 수 있다.
또한, 상술한 무선 전력 전송 시스템은, 예를 들어 사용하는 주파수의 파장 정도의 거리의 근방계(near field)에 있어서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)과, 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)에 의한 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 전력의 전송을 행한다. 따라서, 전력 전송 범위(송전권)는 전력 전송에 사용하는 주파수에 따라 변화된다.
고주파 전원부(12)는 전력 공급 코일(제1 코일)(11b)에 대해 전력을 공급하고, 전력 공급 코일(11b)은 그 전력 공급 코일(11b)의 지근에 배치된 송전 공진 코일(11a)에 대해 전자 유도를 이용하여 전력을 공급한다. 송전 공진 코일(11a)은 수전 공진 코일(21a)과의 사이에 자장 공명을 발생시키는 공진 주파수에 의해, 수전 공진 코일(21a)[수전기(2)]에 전력을 전송한다.
수전 공진 코일(21a)은 그 수전 공진 코일(21a)의 지근에 배치된 전력 취출 코일(제4 코일)(21b)에 대해 전자 유도를 이용하여 전력을 공급한다. 전력 취출 코일(21b)에는 수전 회로부(22)가 접속되어, 소정의 전력이 취출된다. 또한, 수전 회로부(22)로부터의 전력은, 예를 들어 배터리부(부하)(25)에 있어서의 배터리의 충전, 혹은 수전기(2)의 회로에 대한 전원 출력 등으로서 이용된다.
여기서, 송전기(1)의 고주파 전원부(12)는 송전 제어부(13)에 의해 제어되고, 또한 수전기(2)의 수전 회로부(22)는 수전 제어부(23)에 의해 제어된다. 그리고, 송전 제어부(13) 및 수전 제어부(23)는 통신 회로부(14 및 24)를 통해 접속되고, 송전기(1)로부터 수전기(2)에의 전력 전송을 바람직한 상태에서 행할 수 있도록, 다양한 제어를 행하도록 되어 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전송 코일의 변형예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 4a 및 도 4b는 3코일 구성의 예를 나타내고, 도 4c는 2코일 구성의 예를 나타낸다.
즉, 도 3에 나타내는 무선 전력 전송 시스템에서는 와이어리스 송전부(11)가 제1 코일(11b) 및 제2 코일(11a)을 포함하고, 와이어리스 수전부(21)가 제3 코일(21a) 및 제4 코일을 포함하고 있다.
이에 대해, 도 4a의 예에서는 와이어리스 수전부(21)를 1개의 코일(수전 공진 코일: LC 공진기)(21a)로 하고, 도 4b의 예에서는 와이어리스 송전부(11)를 1개의 코일(송전 공진 코일: LC 공진기)(11a)로 하고 있다.
또한, 도 4c의 예에서는 와이어리스 수전부(21)를 1개의 수전 공진 코일(21a)로 설정함과 함께, 와이어리스 송전부(11)를 1개의 송전 공진 코일(11a)로 하고 있다. 또한, 도 4a 내지 도 4c는 단순한 예이고, 다양하게 변형할 수 있는 것은 물론이다.
도 5a 내지 도 5d는 독립 공진 코일[수전 공진 코일(21a)]의 예를 나타내는 회로도이고, 도 6a 내지 도 6d는 부하 또는 전원에 접속된 공진 코일[수전 공진 코일(21a)]의 예를 나타내는 회로도이다.
여기서, 도 5a 내지 도 5d는 도 3 및 도 4b에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응하고, 도 6a 내지 도 6d는 도 4a 및 도 4c에 있어서의 수전 공진 코일(21a)에 대응한다.
도 5a 및 도 6a에 나타내는 예는 수전 공진 코일(21a)을, 직렬 접속된 코일(L)(211), 용량(C)(212) 및 스위치(213)로 한 것이고, 통상 시에는 스위치(213)를 오프로 해 둔다. 도 5b 및 도 6b에 나타내는 예는 수전 공진 코일(21a)을, 직렬 접속된 코일(L)(211) 및 용량(C)(212)과, 용량(212)에 병렬로 접속된 스위치(213)로 한 것이고, 통상 시에는 스위치(213)를 온으로 해 둔다.
도 5c 및 도 6c에 나타내는 예는 도 5b 및 도 6b의 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 용량(212)과 병렬로, 직렬 접속된 스위치(213) 및 저항(R)(214)을 설치한 것이고, 통상 시에는 스위치(213)를 온으로 해 둔다.
도 5d 및 도 6d에 나타내는 예는 도 5b 및 도 6b의 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 용량(212)과 병렬로, 직렬 접속된 스위치(213) 및 다른 용량(C')(215)을 설치한 것이고, 통상 시에는 스위치(213)를 온으로 해 둔다.
상술한 각 수전 공진 코일(21a)에 있어서, 통상 시에 수전 공진 코일(21a)이 동작하지 않도록, 스위치(213)를 오프 또는 온으로 설정하도록 되어 있다. 이것은, 예를 들어 불사용의 수전기(2)나 고장난 수전기(2)에 대해 전력이 전송되어 발열 등이 발생하는 것을 피하기 위해서이다.
이상에 있어서, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)도 도 5a 내지 도 5d 및 도 6a 내지 도 6d와 마찬가지로 할 수도 있지만, 송전기(1)의 송전 공진 코일(11a)로서는, 통상 시에 동작하도록 하여, 고주파 전원부(12)의 출력으로 온/오프 제어할 수 있다. 이 경우, 송전 공진 코일(11a)은, 도 5a 및 도 6a에 있어서, 스위치(213)를 단락한 것이 된다.
이상에 의해, 복수의 수전기(2)가 존재하는 경우, 송전기(1)로부터 송전을 행하는 소정의 수전기(2)의 수전 공진 코일(21a)만을 선택하여 동작 가능한 상태로 함으로써, 그 선택된 수전기(2)에 대한 전력의 전송(시분할 전력 전송)을 행하는 것이 가능해진다.
도 7a 내지 도 7c는 복수의 송전기에 의한 자계의 제어예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7a 내지 도 7c에 있어서, 참조 부호 1A 및 1B는 송전기를 나타내고, 2는 수전기를 나타낸다.
도 7a에 나타낸 바와 같이, 송전기(1A)의 자계 공명에 사용하는 송전용의 송전 공진 코일(11aA)과 송전기(1B)의 자계 공명에 사용하는 송전용의 송전 공진 코일(11aB)은, 예를 들어 직교하도록 배치되어 있다.
또한, 수전기(2)의 자계 공명에 사용하는 수전용의 수전 공진 코일(21a)은 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)에 의해 둘러싸인 개소에서 다른 각도(평행이 되지 않는 각도)로 배치되어 있다.
여기서, 송전 공진 코일(LC 공진기)(11aA 및 11aB)은 1개의 송전기에 설치하는 것도 가능하다. 즉, 1개의 송전기(1)가 복수의 와이어리스 송전부(11)를 포함하고 있을 수 있다.
도 7b는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동일한 위상의 자계를 출력하고 있는 상태를 나타내고, 도 7c는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 역의 위상의 자계를 출력하고 있는 상태를 나타낸다.
예를 들어, 2개의 직교하는 송전 공진 코일(11aA 및 11aB)이 동상 출력인 경우와 역상 출력인 경우를 비교하면, 합성 자계는 90° 회전한 관계가 되고, 각각의 수전기(2)[수전 공진 코일(21a)]의 방향에 맞춘 송전을 행한다.
이와 같이, 복수의 송전기(1A, 1B)에 의해, 임의의 위치 및 자세(각도)의 수전기(2)에 대해 전력을 전송하는 경우, 송전기(1A, 1B)의 송전 공진 코일(11aA, 11aB)에 발생시키는 자계는 다양하게 변화되는 것을 알 수 있다.
상술한 무선 전력 전송 시스템은 복수의 송전기와, 적어도 1개의 수전기를 포함하고, 수전기의 위치(X, Y, Z) 및 자세(θX, θY, θZ)에 따라, 그 복수의 송전 기간의 출력(강도 및 위상)을 조정한다.
또한, 삼차원 공간에 관해서도, 예를 들어 실제의 삼차원 공간에 있어서의 3개 이상의 송전기를 사용하여, 각각의 출력 위상차 및 출력 강도비를 조정함으로써, 삼차원 공간 위의 임의의 방향으로 자계(전계)의 방향을 조정하는 것이 가능해지는 것이 이해될 것이다.
도 8a 내지 도 8c는 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 8a 내지 도 8c에서는 설명을 간략화하기 위해, 1개의 송전기(1A) 및 2개의 수전기(휴대 전화)(2A, 2A')만 나타내고 있지만, 송전기의 수 및 수전기의 수나 종류 등은 다양하게 변화될 수 있는 것은 물론이다. 즉, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 1개의 송전기(1A)에 의해, 2개의 수전기(2A, 2A')에 대한 와이어리스 급전을 행하는 경우를 상정한다.
먼저, 시분할 전력 전송에 의해 와이어리스 급전을 행할 때는, 도 8b의 좌측도에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 수전기(2A)에만 급전한 후, 도 8b의 우측도에 나타낸 바와 같이, 다른 쪽의 수전기(2A)에만 급전한다. 또한, 수전기의 수가 더 많은 경우도 마찬가지이고, 시분할적으로 급전하는 수전기를 차례로 절환하여 와이어리스 급전을 행한다.
즉, 시분할 전력 전송은 복수의 수전기가 있는 경우, 급전하는 대상이 되는 수전기를 순차 선택함으로써, 어떤 순간에는 항상 송전기에 대해 1개의 수전기가 대응하게 된다. 이때의 제어는, 예를 들어 송전기와 수전기가 일대 일인 경우와 마찬가지로 할 수 있다. 단, 시분할한 결과, 급전(만충전)에 필요로 하는 시간은 수전기의 수만큼의 시간이 되므로, 수전기가 2대이면 1대일 때의 2배의 시간을 필요로 하게 된다.
이어서, 동시 전력 전송에 의해 와이어리스 급전을 행할 때는, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 1개의 송전기(1A)에 의해, 2개의 수전기(2A, 2A')의 양쪽에 급전한다. 또한, 수전기의 수가 더 많은 경우도 마찬가지이고, 그들 복수의 수전기에 대해 동시에 와이어리스 급전을 행한다.
이 동시 전력 전송은, 예를 들어 2대의 수전기가 있는 경우에는 그 2대의 수전기를 동시에 급전하기 위해, 급전에 필요로 하는 시간은 동시 급전되는 수전기의 수에 관계없이, 1대분이면 되므로, 유저 장점을 생각하면 바람직한 급전 방법(무선 전력 전송 제어 방법)이라고 할 수 있다.
단, 복수의 수전기를 동시 급전(동시 전력 전송)하기 위해서는, 수전기가 1대일 때와는 다른 제어를 행하게 된다. 또한, 복수의 수전기에 대해 동시 전력 전송을 행하는 경우, 송전 상한이나 효율 등의 문제가 있으므로, 항상 선택 가능한 것은 아니다. 또한, 수전기의 수가 다수인 경우, 일부의 복수의 수전기에 대해 동시 전력 전송을 행하고, 다른 수전기에 대해 시분할 전력 전송을 행하는 것도 생각된다.
도 9a 및 도 9b는 복수의 수전기에 대한 이차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 9a는, 예를 들어 자계 공명을 이용하여, 1개의 송전기(1A)에 의해, 요망 전력이 다른 2개의 수전기(2A, 2B)에 와이어리스 급전하는 상태를 나타낸다. 또한, 도 9b에 있어서, 참조 부호 LL0은 전체 송전 효율을 나타내고, LLA는 휴대 전화(2A)의 수전 전력을 나타내고, LLB는 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력을 나타낸다.
또한, 수전기(2A)는, 예를 들어 요망 전력이 5W인 휴대 전화를 나타내고, 수전기(2B)는, 예를 들어 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터를 나타낸다. 또한, 설명을 간략화하기 위해, 휴대 전화(2A)의 LC 공진기(와이어리스 수전부) 및 노트북 컴퓨터(2B)의 LC 공진기는 동일한 사양의 것으로 한다.
그런데, 이차원 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 복수의 수전기에의 동시 와이어리스 급전을 행하는 경우의 각각의 수전기에 있어서의 수전 전력량이 다른 케이스가 다발한다고 생각된다. 예를 들어, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 요망 전력이 5W인 휴대 전화와 요망 전력이 50W인 노트북 컴퓨터, 혹은 동일한 종류의 수전기라도, 배터리 잔량에 따라서는, 요망 전력이 다른 케이스도 생각된다.
이들의 상황에 있어서, 예를 들어 이차원 무선 전력 전송 시스템에서는, 송전기(1A) 위에 놓이는 수전기(2A, 2B)의 거리나 자세의 조건에는 큰 차가 없다고 생각되므로, 동일한 사양의 수전 코일이 탑재되어 있는 경우에는, 전력은 동등하게 분배되게 된다.
그로 인해, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 요망 전력이 10배 다른 수전기(2A와 2B)라도, 예를 들어 55W의 요망 전력에 상당하는 출력을 송전기(1A)로부터 출력한 경우, 수전기(2A, 2B)측에서는, 각각 27.5W씩의 전력을 수전하는 결과가 된다.
즉, 휴대 전화(2A) 및 노트북 컴퓨터(2B)는, 예를 들어 도 5a에 나타내는 수전 공진 코일(21a)을 갖고, 그 코일(211)의 인덕턴스 및 용량(212)의 캐패시턴스는 동일한 값이다.
구체적으로, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LA, 캐패시턴스를 CA로 하고, 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 공진 코일에 있어서의 인덕턴스를 LB, 캐패시턴스를 CB로 한다. 이때, 참조 부호 PP0으로 나타낸 바와 같이, 그대로의 상태(공진점이 어긋나지 않은 상태)에서는, L0C0＝LACA＝LBCB가 성립된다.
그로 인해, 예를 들어 송전기(1A)로부터의 송전 전력이 68.75W이고 송전 효율이 80％라고 가정하면, 휴대 전화(2A) 및 노트북 컴퓨터(2B)는 양쪽 모두 27.5W의 전력을 수취하게 된다.
그러나, 휴대 전화(2A)의 요망 전력은 5W이고, 노트북 컴퓨터(2B)의 요망 전력은 50W이므로, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 하여 수전 효율을 저하시키도록 제어한다.
예를 들어, 도 9b의 화살표 MA에 나타낸 바와 같이, 휴대 전화(2A)의 수전 공진 코일에 있어서의 용량의 캐패시턴스 CA를, 수전 효율이 최대가 되는 수전 공진 코일의 공진점으로부터 어긋나게 하기 위해, 작아지도록(또는, 커지도록) 제어한다.
즉, 도 9b의 화살표 MA와 같이, 공진 조건을 의도적으로 어긋나게 함(캐패시턴스 CA를 어긋나게 함)으로써 Q값을 저하시키고, 휴대 전화(2A)의 수전 전력 LLA는 공진점(P0)의 27.5W로부터 점차 감소하고, 예를 들어 요망 전력은 5W로 설정할 수 있다.
이때, 휴대 전화(2A)가 수전하지 않았던 전력은 그 대부분이 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력이 된다. 즉, 노트북 컴퓨터(2B)의 수전 전력 LLB는 휴대 전화(2A)의 수전 전력 LLA의 저하에 따라 상승하고, 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 전체 송전 효율 LL0은 거의 저하되지 않는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 공진 조건을 바꿈으로써, 구체적으로는, 수전기(2A)의 공진용 콘덴서(용량)(212)의 용량값(캐패시턴스 CA)을 변화시킴으로써, 결합이 조정되어, 결과적으로, 수전 전력을 원하는 배분비로 제어하는 것이 가능해진다.
여기서, 중요한 것으로서, 공진 조건을 가변한 수전기(2A)의 효율은 저하되어 있어도, 시스템 전체의 송수전 효율은 거의 일정하게 유지하고 있고, 수전기(2A)에 도달하고 있던 전력을 줄인 만큼, 수전기(2B)에의 전력이 증가한다. 그 결과, 수전기(2A, 2B)의 한쪽만의 단체 급전 시에 비해서도, 거의 동일한 효율로 전체[양쪽의 수전기(2A, 2B)]에 송전하면서 수전 전력을 원하는 비로 분배(배분)할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 각 송전기에는 각각 송전 능력의 상한이 개별로 있는 것이 상정되므로, 이차원 무선 전력 전송 시스템에서는, 동시 급전이 가능한 경우와 불가능한 경우의 판단은, 예를 들어 이하와 같이 용이하게 행할 수 있다.
즉, 시스템 전체의 송수전 효율은 거의 일정하므로, 단순하게 총수전 전력/효율≤최대 송전이라면 동시 급전을 행하고, 총수전 전력/효율>최대 송전이라면 시분할 급전을 행한다는 판단이 된다.
이어서, 삼차원 무선 전력 전송 시스템에 대해 설명한다. 도 10a 내지 도 11c는 복수(2개)의 수전기에 대한 삼차원의 무선 전력 전송 제어 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 10a 내지 도 11c에서는 설명을 간략화하기 위해, 1개의 송전기(1A) 및 2개의 수전기(2A, 2B)를 나타내고 있지만, 복수의 송전기 및 3개 이상의 수전기여도 마찬가지이다.
여기서, 도 10a 내지 도 10c는 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우를 나타내고, 도 11a 내지 도 11c는 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우를 나타낸다.
도 10b 및 도 11b에 있어서, 참조 부호 LA는 수전기(2A)의 수전 효율, LB는 수전기(2B)의 수전 효율, PM은 송전기(1A)의 출력 가능한 송전 전력(최대 송전 출력)을 나타내고, RP는 필요 송전 전력, 그리고, TP는 전체의 수전 효율(전체 효율)을 나타낸다.
또한, 참조 부호 P0은 수전기(2A, 2B)의 요망 전력의 비가 1:1인 송전(9W:9W)의 경우를 나타내고, P1은 수전기(2A, 2B)의 요망 전력의 비가 2:1인 송전(12W:6W)의 경우를 나타낸다. 또한, 도 10b 및 도 11b는 전력비 1:1을 『1.00』으로 규격화하여 나타내는 도면이다.
즉, 2개의 수전기(2A, 2B)에 전송하는 전력을 18W로 하고, 수전기(2A 및 2B)의 요망 전력이 양쪽 모두 9W인 경우, 및 수전기(2A)의 요망 전력이 12W이고 수전기(2B)의 요망 전력이 6W인 경우를 생각한다. 또한, 송전기(1A)의 최대 송전 출력은, 예를 들어 송전기의 사양이나 전파법의 규정 등에 의해 50W로 제한되어 있는 것으로 한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하여, 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우(비교적 가까운 경우)를 고찰한다. 먼저, 동시 급전을 행하는 수전기(2A 및 2B)의 요망 전력이 양쪽 모두 9W인 경우, 즉, 전력비 1:1의 송전(9W:9W)인 경우, 수전기(2A, 2B)의 수전 효율은, 예를 들어 양쪽 모두 30.1％[전체 효율(TP)이 60.2％]인 것으로 한다.
이때, 도 10b의 P0 및 도 10c에 나타낸 바와 같이, 송전기(1A)의 송전 출력을 29.9W로 함으로써, 수전기(2A 및 2B)는 각각 29.9×0.301≒9W의 전력을 수전할 수 있다.
이어서, 수전기(2A)의 요망 전력이 12W이고 수전기(2B)의 요망 전력이 6W인 경우, 즉, 전력비 2:1의 송전(12W:6W)인 경우, 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로, 수전기(2B)의 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 한다.
즉, 수전기(2B)의 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 하고, 수전기(2B)의 수전 효율을 저하[수전기(2A)의 수전 효율을 상승]시키도록 하여 전력 배분비를 제어하고, 수전기(2A 및 2B)에 대해 동시 급전을 행한다.
구체적으로, 도 10b의 P1 및 도 10c에 나타낸 바와 같이, 수전기(2B)의 수전 공진 코일의 공진점을 어긋나게 함으로써, 수전기(2A)의 수전 효율을 39.5％로 하고, 수전기(2B)의 수전 효율을 19.7％로 한다. 이때, 전체 효율(TP)은 59.2％가 된다.
그리고, 도 10c에 나타낸 바와 같이, 송전기(1A)의 송전 출력을 30.4W로 함으로써, 수전기(2A)는 30.4×0.395≒12W의 전력을 수전할 수 있고, 수전기(2B)는 30.4×0.197≒6W의 전력을 수전할 수 있다.
여기서, 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우, 송전기(1A)의 필요 송전 전력 RP는 전력비 1:1의 송전(29.9W) 및 전력비 2:1의 송전(30.4W)의 양쪽 모두, 최대 송전 출력의 50W보다도 작다.
또한, 전체 효율 TP는 전력비 1:1의 송전(60.2％) 및 전력비 2:1의 송전(59.2％)에서 거의 일정하다. 따라서, 전기 기기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우(비교적 가까운 경우)에는, 전력비 1:1의 송전 및 전력비 2:1의 송전의 양쪽 모두, 동시 급전에 의해 실현할 수 있다.
이어서, 도 11a 내지 도 11c를 참조하여, 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우(비교적 먼 경우)를 고찰한다. 먼저, 동시 급전을 행하는 수전기(2A 및 2B)의 요망 전력이 양쪽 모두 9W인 경우, 즉, 전력비 1:1의 송전(9W:9W)인 경우, 수전기(2A, 2B)의 수전 효율은, 예를 들어 양쪽 모두 18.2％[전체 효율(TP)이 36.4％]인 것으로 한다.
이때, 도 11b의 P0 및 도 11c에 나타낸 바와 같이, 송전기(1A)의 송전 출력을 49.5W로 함으로써, 수전기(2A 및 2B)는 각각 49.5×0.182≒9W의 전력을 수전할 수 있다. 이 경우, 송전기(1A)의 필요 송전 전력 RP(49.5W)는 최대 송전 출력의 50W보다도 작기 때문에, 수전기(2A 및 2B)에 대한 동시 급전을 행할 수 있다.
이어서, 수전기(2A)의 요망 전력이 12W이고 수전기(2B)의 요망 전력이 6W(전력비 2:1)인 경우, 상술한 바와 같이, 수전기(2B)의 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 하고, 수전기(2B)의 수전 효율을 저하[수전기(2A)의 수전 효율을 상승]시키도록, 전력 배분비를 제어한다.
구체적으로, 도 11b의 P1 및 도 11c에 나타낸 바와 같이, 수전기(2B)의 수전 공진 코일의 공진점을 어긋나게 함으로써, 수전기(2A)의 수전 효율을 21.2％로 하고, 수전기(2B)의 수전 효율을 10.6％로 한다. 이때, 전체 효율(TP)은 31.8％가 된다.
그러나, 수전기(2A)의 수전 전력을 12W(≒56.6×0.212)로 하기 위해서는, 송전기(1A)의 필요 송전 전력 RP는 56.6W가 되고, 최대 송전 출력의 50W보다도 커져 버린다. 따라서, 2개의 수전기(2A 및 2B)에 대해 동시 급전하는 것은 곤란해진다.
또한, 송전기(1A)의 송전 출력이, 예를 들어 송전기의 사양이나 전파법의 규정 등에 의해 50W로 제한되어 있지 않은 경우, 송전기(1A)는 56.6W의 필요 송전 전력 RP를 허용할 수 있는 크기까지 증대시키는 것이 요구된다.
또한, 동시 급전을 행하면, 필요 송전 전력 RP가 56.6W가 되어 최대 송전 출력(50W)을 초과하는 경우에는, 수전기(2A, 2B)에 대해, 시분할적으로 절환하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송(시분할 급전)을 행하게 된다.
여기서, 시분할 급전에 있어서, 송전기(1A)에 의해 수전기(2A 또는 2B)의 한쪽에만 전력 전송(급전)할 때의 수전 효율을 25％로 한다. 이때, 송전기(1A)의 송전 출력을 48W로 하여 수전기(2A)에만 급전함으로써, 수전기(2A)의 수전 전력을 12W(＝48×0.25)로 할 수 있다. 또한, 송전기(1A)의 송전 출력을 24W로 하여 수전기(2B)에만 급전함으로써, 수전기(2B)의 수전 전력을 6W(＝24×0.25)로 할 수 있다.
따라서, 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우(비교적 가까운 경우), 전력비 1:1의 송전은 동시 급전이 바람직하고, 전력비 2:1의 송전은 시분할 급전이 바람직한 것(동시 급전은 불가)이라고 생각된다.
상술한 바와 같이, 예를 들어 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우, 전력 분배의 조정을 행해도 전체 효율은 거의 일정하고, 또한 전력비 1:1의 송전이 가능한 수전 전력이라면, 전력비 2:1(N:1)의 동시 급전도 가능하다.
이에 대해, 예를 들어 송전기(1A)와 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우, 전력 분배의 조정을 행하면 전체 효율이 저하되고, 또한 전력비 N:1의 송전을 행하는 것이 곤란해지거나, 혹은 송전기의 최대 송전 출력의 증가가 요구되게 된다. 이와 같은 동시 급전이 곤란한 경우에는, 시분할 급전을 행하게 된다.
즉, 복수의 수전기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각각의 수전기에 대해서는, 동시 급전을 행할지, 혹은 시분할 급전을 행할지를 판단하는 평가 지표의 설정은 이루어져 있지 않고, 각 수전기에 대해 적절한 급전(무선 전력 전송)을 행하는 것은 곤란하다.
또한, 복수의 수전기에 대해 동시 급전이 가능한 케이스와 불가능한 케이스의 판단 기준이 불명확하다. 또한, 예를 들어 시뮬레이션이나 테스트 송전을 행하는 것도 생각되지만, 예를 들어 수전기의 개수에 따라 증가하는 조합은 방대하여, 실제로 적용하는 것은 어렵다.
이하, 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템의 실시예를, 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 실시예는 적어도 1개의 송전기에 의해 복수의 수전기에 대한 무선 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 시스템에 적용할 수 있다.
또한, 이하의 설명은 주로, 자계 공명(자계 공진)을 이용하여 1개의 송전기로 복수(2 내지 5개)의 수전기에 무선 전력 전송을 행하는 예를 설명하지만, 본 실시예는 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한 바와 같이, 2개 이상의 송전기에 의해 전력 전송을 행할 수 있다. 또한, 본 실시예는 자계 공명이 아니라, 전계 공명(전계 공진)을 이용한 무선 전력 전송 시스템에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.
본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 무선 전력 전송(와이어리스 급전)의 평가 지표로서 kQ(kQ값)를 적용한다. 여기서, k(k값)는 전자계의 결합의 정도를 나타내고, 그 값이 클수록, 결합의 정도가 큰 것을 나타낸다. 또한, Q(Q값)는 전자계의 손실의 정도를 나타내고, 그 값이 클수록, 손실의 정도가 작은 것을 나타낸다.
즉, kQ는 다음의 식 1에 의해 표현된다. 여기서, Qt는 송전기의 Q값을 나타내고, Qr은 수전기의 Q값을 나타낸다.
<식 1>
Figure 112016111351261-pct00001
또한, k는 다음의 식 2에 의해 표현된다. 여기서, Mtr은 송전기와 수전기 사이의 상호 인덕턴스를 나타내고, Lt는 송전기의 자기 인덕턴스, 그리고, Lr은 수전기의 자기 인덕턴스를 나타낸다.
<식 2>
Figure 112016111351261-pct00002
또한, Q는 다음의 식 3에 의해 표현된다. 여기서, ω는 각 진동수를 나타내고, Rt는 송전기의 공진 코일의 손실, 그리고, Rr은 수전기의 공진 코일의 손실을 나타낸다.
<식 3>
Figure 112016111351261-pct00003
도 12는 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 평가 지표를 설명하기 위한 도면이고, 1개의 송전기와 1개의 수전기에 있어서의 kQ값(k와 Q의 곱)과 이상 효율의 관계를 나타내는 것이다.
도 12에 있어서, 횡축은 kQ값을 나타내고, 종축은 효율을 나타낸다. 즉, 본 실시예에서는, 예를 들어 도 12와 같은 특성의 1개의 송전기와 1개의 수전기에 있어서의 kQ값을, 적어도 1개의 송전기와 적어도 2개(복수)의 수전기의 전력 전송에 적용한다.
본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법 및 무선 전력 전송(와이어리스 급전)시스템에서는 kQ값을 평가 지표로서 사용하고, 적어도 1개의 송전기로부터 복수의 수전기에의 전력 전송을, 동시 급전으로 행할지, 혹은 시분할 급전으로 행할지를 판단한다.
그런데, 예를 들어 와이어리스 급전 시스템의 설계에 있어서, 전송 효율을 판단하는 지표로서, kQ값이 생각된다. 여기서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 송전:수전＝1:1의 와이어리스 급전에서는, 효율과 kQ값에는 이론적인 관계가 확립되어 있고, kQ값을 평가함으로써, 이론적 최대 효율이 추정 가능해진다.
본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에서는, kQ값을 평가 지표로서 사용함으로써, 시분할 송전과 동시 송전의 어느 것을 채용하는 것이 바람직할지를 판단한다.
도 13a 내지 도 14b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 제1 실시예의 삼차원 무선 전력 전송 시스템에 있어서의 무선 전력 전송 제어 방법을 설명하기 위한 것이다.
또한, 도 13a 내지 도 14b에서는 설명을 간략화하기 위해, 1개의 송전기(1A) 및 2개의 수전기(2A, 2B)를 나타내고 있지만, 복수의 송전기 및 3개 이상의 수전기여도 마찬가지이다.
여기서, 도 13a 및 도 13b는 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우를 나타내고, 전술한 도 10a 및 도 10b에 대응한다. 또한, 도 14a 및 도 14b는 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우를 나타내고, 전술한 도 11a 및 도 11b에 대응한다.
도 13b 및 도 14b에 있어서, 참조 부호 LA는 수전기(2A)의 수전 효율, LB는 수전기(2B)의 수전 효율, PM은 송전기(1A)의 최대 송전 출력을 나타내고, RP는 필요 송전 전력, 그리고, TP는 전체 효율을 나타낸다.
또한, 참조 부호 P0은 수전기(2A, 2B)의 요망 전력의 비가 1:1인 송전(9W:9W)의 경우를 나타내고, P1은 수전기(2A, 2B)의 요망 전력의 비가 2:1인 송전(12W:6W)의 경우를 나타낸다. 또한, 도 13b 및 도 14b는 전력비 1:1을 『1.00』으로 규격화하여 나타내는 도면이다.
여기서, 도 13a 및 도 13b는 전술한 도 10a 및 도 10b에 대응하고, 도 14a 및 도 14b는 전술한 도 11a 및 도 11b에 대응하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
먼저, 도 13a 및 도 13b와 같이, 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우, k값 및 Q값은 k＝0.0065 및 Q＝510이 된다. 이때, kQ값은 kQ＝0.0065×510＝3.4로서 구해진다.
이어서, 도 14a 및 도 14b와 같이, 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우, k값 및 Q값은 k＝0.0029 및 Q＝510이 된다.
즉, k값은 송전기(1A)로부터 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜로부터 500㎜로 길어지므로, 자계(전자계)의 결합의 정도는 작고, 0.0065로부터 0.0029로 작아진다. 또한, Q값은 자계(전자계)의 손실의 정도는 변화되지 않으므로, 510 그대로이다.
따라서, 도 14a 및 도 14b와 같이, 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 500㎜인 경우, kQ값은 kQ＝0.0029×510＝1.5로서 구해진다.
여기서, 예를 들어 kQ값의 역치를 『2.0』으로 하고, kQ값이 역치 이상이면(kQ≥2.0), 동시 급전(동시 전력 전송 모드)을 선택하고, kQ값이 역치보다도 작으면(kQ<2.0), 시분할 급전(시분할 전력 전송 모드)을 선택하는 것으로 한다. 이와 같이, 본 제1 실시예에 의하면, 복수의 수전기(2A, 2B)에 대해 시분할 전력 전송 및 동시 전력 전송을 절환하여 적절한 무선 전력 전송을 행하는 것이 가능해진다.
여기서, kQ값의 역치는, 예를 들어 『2.0』의 부근을 경계로 하여, 공진 조건을 가변하여 전력의 배분비를 조정할 때에 전체 효율이 저하되는 케이스와 저하되지 않는 케이스로 나뉜다. 따라서, 상술한 설명에서는 kQ값의 역치를 『2.0』으로 설정하였지만, 이 역치는 각각의 제품(수전기)에 있어서의 요망 전력이나 효율 및 편리성 등을 고려하여 설정하게 된다. 단, 전력 분배에 있어서도 효율을 유지할 수 있는 것을 고려하면, kQ값의 역치는 0.1 내지 10의 범위, 보다 바람직하게는 0.5 내지 5의 범위로 설정할 수 있다.
이 결과를 이용하여, kQ값이 역치 이상인 경우, 전력 분배 조정을 행하면서의 동시 급전은 가능하고, 한편, kQ값이 역치 이하인 경우는, 전력 배분비 조정을 행함으로써, 전체 효율이 저하되어 버리므로, 동시 급전이 아니라, 시분할 급전을 행하게 된다.
도 15a 내지 도 16b는 무선 전력 전송 제어 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 15a 및 도 15b 및 도 16a 및 도 16b는 양쪽 모두 송전기(1A)로부터 2개의 수전기(2A, 2B)까지의 거리가 300㎜인 경우를 나타내고 있지만, Q값이 다른 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 15b 및 도 16b는 전력비 1:1을 『1.00』으로 규격화하여 나타내는 도면이다.
먼저, 도 15a 및 도 15b에서는 수전기(2A, 2B)에 있어서의 수전 공진 코일의 자기 인덕턴스(Lr)가 크고, k값 및 Q값은 k＝0.026 및 Q＝600이 된다. 이때, kQ값은 kQ＝0.026×600＝15.3으로서 구해진다. 따라서, kQ＝15.3≥2.0이므로, 동시 급전(동시 전력 전송 모드)이 선택된다.
또한, 도 16a 및 도 16b에서는 수전기(2A, 2B)에 있어서의 수전 공진 코일의 자기 인덕턴스(Lr)가 작고, k값 및 Q값은 k＝0.0065 및 Q＝160이 된다. 이때, kQ값은 kQ＝0.0065×160＝1.1로서 구해진다. 따라서, kQ＝1.1<2.0이므로, 시분할 급전(시분할 전력 전송 모드)이 선택된다.
이와 같이, 본 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법(무선 전력 전송 시스템)에 의하면, 예를 들어 kQ값을 평가 지표로 함으로써, 동시 급전과 시분할 급전의 어느 쪽이 적절할지를 판단하여 와이어리스 급전을 행하는 것이 가능해진다.
또한, k값은, 예를 들어 송전기(1A)와 수전기[2A(2B)] 사이에 있어서의 사양 정보 및 송전기(1A)와 수전기[2A(2B)] 사이에 있어서의 상대 위치 관계에 기초하여 산출할 수 있고, 또한 Q값은 각각의 수전기에 의해 미리 규정되어 있다.
도 17은 본 실시예의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 나타내는 블록도이고, 2개의 송전기(1A, 1B) 및 2개의 수전기(2A, 2B)를 포함하는 예를 나타내는 것이다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 송전기(1A, 1B)는 동일한 구성을 갖고, 각각 와이어리스 송전부(11A, 11B), 고주파 전원부(12A, 12B), 송전 제어부(13A, 13B) 및 통신 회로부(14A, 14B)를 포함한다.
고주파 전원부(12A, 12B)는 고주파의 전력을 발생하는 것으로, 예를 들어 전술한 도 3에 있어서의 고주파 전원부(12)에 상당하고, 고유의 전원 임피던스를 갖는다. 예를 들어, 출력 임피던스가 50Ω으로 정합된 정전압 전원이나, 높은 출력 임피던스의 Hi-ZΩ 전원(정전류 전원) 등이다.
송전 제어부(13A, 13B)는 송전부(11A, 11B)를 제어하고, 통신 회로부(14A, 14B)는 각 송전기 및 수전기 사이의 통신을 가능하게 하는 것이고, 예를 들어 IEEE 802.11b에 준거하는 DSSS 방식의 무선 LAN이나 블루투스[Bluetooth(등록 상표)]를 이용할 수 있다.
또한, 고주파 전원부(12A, 12B)는 각각 외부 전원(10A, 10B)으로부터 전력의 공급을 수취하고, 송전 제어부(13A, 13B)에는 검출부 SA, SB로부터의 신호가 입력되어 있다. 또한, 송전기(1A) 및 송전기(1B)는, 예를 들어 1개의 송전기(1)에 설치한 2개의 송전부(11)로 해도 되는 것은 물론이다.
와이어리스 송전부(11A, 11B)는 자계 공명이라면 코일에 상당하고, 고주파 전원부(12A, 12B)로부터 공급되는 고주파 전력을 자계로 변환한다. 검출부 SA, SB는 송전기(1A, 1B)의 상대 위치 관계나 수전기(2A, 2B)의 상대 위치 관계를 검출한다.
또한, 예를 들어 송전기(1A, 1B)의 위치 관계가 고정되어[송전 공진 코일(11a1, 11a2)이 특정한 L자 블록 형상으로 고정되어], 그 정보를 송전 제어부(13A, 13B)가 파악하고, 수전기(2A, 2B)가 검출 기능을 갖는 경우, 검출부 SA, SB는 생략 가능하다.
수전기(2A, 2B)도 동일한 구성을 갖고, 각각 와이어리스 수전부(21A, 21B), 정류부(수전 회로부)(22A, 22B), 수전 제어부(23A, 23B), 통신 회로부(24A, 24B) 및 기기 본체(배터리부)(25A, 25B)를 포함한다.
수전 제어부(23A, 23B)는 수전기(2A, 2B)를 제어하는 것이고, 통신 회로부(24A, 24B)는 각 송전기 및 수전기 사이의 통신을 가능하게 하는 것이고, 전술한 바와 같이, 예를 들어 무선 LAN이나 블루투스[Bluetooth(등록 상표)]를 이용한다.
와이어리스 수전부(21A, 21B)는 자계 공명이라면 코일에 상당하고, 무선으로 전달된 전력을 전류로 변환한다. 정류부(22A, 22B)는 와이어리스 수전부(21A, 21B)로부터 얻어진 교류 전류를 배터리 충전이나 기기 본체에서 사용 가능하도록 직류 전류로 변환한다.
상술한 바와 같이, 송전기(1A, 1B) 및 수전기(2A, 2B)는 각각의 통신 회로부(14A, 14B, 24A, 24B)를 통해 통신을 행한다. 이때, 예를 들어 송전기(1A)를 마스터(전체 제어기)로 하고, 이 마스터(송전기)(1A)가, 다른 송전기(1B) 및 수전기(2A, 2B)를 슬레이브로서 제어할 수도 있다.
여기서, 송전기(1A, 1B)의 통신 회로부(14A, 14B), 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통한 통신에 의해, 동시 송전과 시분할 송전의 절환, 및 동시 송전에 있어서의 전력 배분비 조정 등의 제어를 행한다.
구체적으로, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통해, 각각의 수전기(2A, 2B)에 있어서의 Q값을, 무선 전력 전송의 제어를 행하는 마스터[예를 들어, 송전기(1A)]에 통신으로 전한다.
또한, 동시 급전을 행하는 경우, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2B)의 통신 회로부(24B)를 통해, 수전기(2B)의 수전 공진 코일에 있어서의 용량의 캐패시턴스(CA)를 공진점으로부터 어긋나게 하여, 전력 배분비의 조정을 행한다. 구체적으로, 전술한 도 5a에 나타내는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 용량(212)의 캐패시턴스의 값을 제어하여, 수전기(2A, 2B)의 전력 배분비를 조정한다.
또한, 시분할 급전을 행하는 경우, 예를 들어 송전기(1A)의 통신 회로부(14A) 및 수전기(2A, 2B)의 통신 회로부(24A, 24B)를 통해, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 절환을 행한다.
구체적으로, 예를 들어 전술한 도 5a에 나타내는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 제어하고, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 스위치(213)만을 순서대로 온으로 하도록 제어한다. 혹은, 예를 들어 전술한 도 5b에 나타내는 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 제어하고, 와이어리스 급전을 행하는 수전기의 스위치(213)만을 순서대로 오프로 하도록 제어한다.
또한, 와이어리스 송전부(11A 및 11B)와, 와이어리스 수전부(21A 또는 21B) 사이는 자계 공명을 이용한 전력 전송으로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 전계 공명, 혹은 전자 유도나 전계 유도를 이용한 전력 전송 방식을 적용할 수도 있다.
이어서, 수전기가 3개 이상 있는 경우에 있어서, kQ값을 그룹 분류하는 경우를 설명한다. 도 18은 무선 전력 전송 제어 방법의 제3 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 평가 지표의 그룹 분류를 설명하기 위한 것이다. 또한, 도 18에서는 1개의 송전기(1A) 및 6개의 수전기(2A 내지 2F)를 예로서 나타내고 있지만, 이것은 단순한 예이고, 다양한 경우가 있을 수 있는 것은 물론이다.
도 18에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법은 복수(6개)의 수전기(2A 내지 2F)의 kQ값(평가 지표)을 평가하고, kQ값에 의해 그룹 분류를 행한다. 먼저, 전체의 수전기(2A 내지 2F)를 각각 단체 평가한다.
예를 들어, 수전기(2A)를 평가할 때, 수전기(2A)만 온으로 하고, 다른 수전기(2B 내지 2F)를 오프[예를 들어, 도 5a의 수전 공진 코일(21a)에 있어서의 스위치(213)를 오프]로 한다. 그리고, 예를 들어 kQ값이 최대(kQmax1)가 되는 수전기(2B)를 기준으로 하고, 다른 수전기의 kQ값(kQother)에 관하여, kQother/kQmax1이 일정값 이상이라면, 동일 그룹으로 한다. 구체적으로, 도 18에서는 kQ값이 kQ1 -1인 수전기(2F) 및 kQ값이 kQ1-2인 수전기(2C)가 제1 그룹(GP1)이 되어 있다.
이어서, kQ값이 최대(kQmax1)가 되는 수전기(2B)를 포함하는 제1 그룹(GP1) 이외의 수전기(2A, 2D, 2E)에 있어서, kQ값이 최대(kQmax2)가 되는 수전기(2A)를 기준으로 하여, 마찬가지로 그룹 분류를 행한다. 구체적으로, 도 18에서는 수전기(2A, 2D, 2E)가 제2 그룹(GP2)이 되어 있다. 그리고, 분할된 그룹(GP1, GP2)을 단위로 하여, 동일 그룹 내에서는 동시 급전을 행하고, 다른 그룹 사이에서는 나중에 상세하게 설명하는 바와 같이, 개별로 검토한다.
그런데, 일반적으로, 와이어리스 송전 가능한 시스템의 요건으로서, 전력과 효율은 비례하는 관계가 바람직하다. 즉, 대전력을 송전하는 시스템에서는, 고효율이 요망되고, 또한 소전력을 송전하는 시스템에서는 저효율이라도 허용할 수 있다. 이것은, 특히 손실이 결과적으로 발열이 되기 때문에, 방열의 문제를 생각하면 용이하게 이해할 수 있다.
즉, 대전력계에 있어서 효율이 낮은 경우에는, 방열해야 할 전력이 커지므로, 시스템을 구축하는 것이 어려워지기 때문이다. 바꿔 말하면, 송전 전력에 따라, 허용 효율이 규정되어 있다고 생각할 수도 있다.
그와 같은 상황에서, kQ값이 다른 복수의 수전기에 대해, 동시 급전할 것인지, 혹은 시분할 급전할 것인지를 검토하면, 송전 완료 시간을 우선하면, 동시 급전이 항상 바람직하다고 생각할 수 있지만, 상술한 바와 같이, 허용할 수 있는 효율은 각 시스템에 따라 다르다.
따라서, 허용 효율을 확보하면서, 동시 급전을 행할 수 있는 방법을 생각하는 것이 현실적이고, 본 실시예에서는 kQ값이 가까운 것을 그룹화하고, 그 그룹 내에서는 동시 급전을 우선하고, 그룹 외에서는 시분할 급전을 우선하도록 되어 있다.
이것은 kQ값이 동일한(가까운) 것의 동시 급전이라면, Q값을 조금 가변함으로써 전력의 밸런스를 조정하는 것이 용이한 한편, kQ값이 크게 다른 것의 동시 급전에서는, 밸런스 조정을 위해, Q값을 크게 저하시키게 된다. 이것은, 결과적으로 전체의 효율 저하를 초래하게 된다.
일례로서, 노트북 컴퓨터군과 스마트폰군에의 급전을 생각한다. 여기서, 노트북 컴퓨터군(노트북 컴퓨터)은, 예를 들어 30W의 급전을 요구하고(요망 전력이 30W이고), 그 전력의 크기 때문에 허용 최저 효율은 80％로 한다. 또한, 노트북 컴퓨터는 사이즈가 크기 때문에 수전 코일을 크게 할 수 있고, kQ값을 크게 하는 것이 가능하다.
한편, 스마트폰군(스마트폰)은, 예를 들어 5W의 급전을 요구하고(요망 전력이 5W이고), 허용 효율은 40％로 한다. 또한, 스마트폰은 사이즈가 작고, 위치가 보다 자유롭기 때문에, kQ값은 작게 억제되어 버린다.
이와 같은 2개의 군에의 동시 급전을 행하면, kQ값이 다른 그룹에의 동시 급전이 되지만, 노트북 컴퓨터군에의 급전만이 실행되어, 스마트폰군에 전력이 도달하지 않게 된다.
이때, 예를 들어 Q값을 저하시켜 전력의 균형을 잡을 수도 있지만, 그 경우에는 전체의 효율이 저하되어 버려, 노트북 컴퓨터를 포함하는 급전의 효율이 낮아져, 예를 들어 허용 효율이 80％ 이하로 되어 버릴 수도 있다.
그로 인해, kQ값이 다른 그룹에의 동시 급전은 바람직하지 않은 것을 알 수 있다. 즉, kQ값(평가 지표)이 설정값 이상이 되는 수전기가 3개 이상 존재할 때, 그 kQ값의 크기에 기초하여 그룹 분류를 행하지만, 가까운 kQ값을 갖는 수전기가 동일한 그룹이 되도록 그룹 분류를 행하는 것이 바람직하다.
여기서, kQ값에 의해 그룹 분류된 수전기에 관하여, 예를 들어 역치 이하가 되는 그룹의 수전기에 대해서는 시분할 급전을 행하게 된다. 또한, 역치 이상이 되는 그룹의 수전기에 대해, 동일 그룹 내의 급전에서는, 전력 분배를 조정하여 동시 급전을 행할 수 있고, 다른 그룹에 걸치는 수전기에 대해서는, 시분할 급전을 행하는 것이 바람직하다.
또한, 복수의 수전기를 kQ값에 의해 복수의 그룹으로 나누기 위한 역치로서는, 상정되는 무선 전력 전송 시스템의 규모나 사양에 따라 다양하게 변화시킬 수 있고, 그것에 따라, 그룹의 수나 각 그룹에 포함되는 수전기의 수도 변화되게 된다.
도 19는 제3 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 의한 처리의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예의 무선 전력 전송 제어 방법에 의한 처리가 개시되면, 스텝 ST1에 있어서, 각 수전기의 kQ값을 평가하고, kQ<[기준 1(제1 설정값)]이 된 수전기(스텝 ST2)에 대해서는, 스텝 ST3으로 진행하여, 시분할 급전을 행한다.
한편, kQ≥[기준 1]이 된 수전기(스텝 ST4)에 대해서는, 스텝 ST5로 진행하고, 수전기를 kQ값에 의해 그룹 분류를 행한다. 그리고, 동일 그룹 내만의 수전기(스텝 ST6)에 대해서는, 스텝 ST7로 진행하여, 동시 급전을 행한다.
또한, 그룹 사이의 급전이 있는 수전기(스텝 ST8)에 대해서는, 스텝 ST9로 진행하여, 전력 분배에 의한 효율 저하를 평가한다.
그리고, 효율(예상 효율)<[기준 2(제2 설정값)]가 된 수전기(스텝 ST10)에 대해서는, 스텝 ST11로 진행하여, 시분할 급전을 행한다. 한편, 효율≥[기준 2]가 된 수전기(스텝 ST12)에 대해서는, 스텝 ST13으로 진행하여, 동시 급전을 행한다.
도 20 내지 도 22는 도 19에 나타내는 흐름도에 있어서의 처리에 대응한 복수의 수전기를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 상술한 흐름도의 스텝 ST2 및 ST4에 있어서, kQ값을 판정하는 [기준 1(kQ 기준 1: 제1 설정값)]＝1.5로 하고, 스텝 ST10 및 ST12에 있어서, 효율을 판정하는 [기준 2(판정 기준 2: 제2 설정값)]＝0.2로 한다.
먼저, 도 20에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 수전기가 3개인 경우(2A 내지 2C)를 설명한다. 여기서, 수전기(2A)의 kQ값은 1.2, 수전기(2B)의 kQ값은 8.5, 그리고, 수전기(2C)의 kQ값은 8.2로 한다.
이때, 수전기(2A)는 kQ값(1.2)<kQ 기준 1(1.5)이 되므로, 스텝 ST3으로 진행하여, 복수 동시 급전의 대상 외가 되고, 시분할 급전이 선택된다. 한편, 수전기(2B, 2C)는 각각의 kQ값(8.5, 8.2)≥kQ 기준 1(1.5)이 되므로, 스텝 ST5로 진행한다. 즉, 수전기(2B, 2C)는 동시 급전의 대상 후보가 된다.
여기서, 수전기(2B, 2C)는 스텝 ST6에 있어서, kQ값의 그룹 분류에 의해 동일 그룹이라고 판단할 수 있다. 즉, 동시 급전의 대상 후보의 수전기(2B, 2C)는 동일 그룹뿐인 것으로 하고, 스텝 ST7로 진행하여 동시 급전이 행해진다. 이때, 수전기(2B 및 2C)는, 예를 들어 요망 전력에 기초하여 수전 공진 코일에 의한 공진점을 어긋나게 하여, 전력 분배를 행할 수 있다.
이와 같이, 도 20의 경우에는, 예를 들어 수전기(2A)를 단독으로 급전하는 제1 급전 세트, 수전기(2B, 2C)를 동시 급전하는 제2 급전 세트를, 시분할적으로 절환하여 시분할 급전을 행하게 된다.
또한, 시분할적으로 절환하여 행하는 급전은, 예를 들어 제1 급전 세트 완료 후에, 제2 급전 세트를 행할 수도 있지만, 일정 시간만큼 제1 급전 세트를 행한 후, 일정 시간만큼 제2 급전 세트를 행하고, 이 처리를 교대로 반복하도록 할 수 있다.
이어서, 도 21에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 수전기가 5개인 경우(2A 내지 2E)를 설명한다. 여기서, 수전기(2A)의 kQ값은 1.2, 수전기(2B)의 kQ값은 8.5, 수전기(2C)의 kQ값은 8.2, 수전기(2D)의 kQ값은 3.1, 그리고, 수전기(2E)의 kQ값은 3.4로 한다.
이때, 수전기(2A)는 kQ값(1.2)<kQ 기준 1(1.5)이 되므로, 스텝 ST3으로 진행하여, 복수 동시 급전의 대상 외가 되고, 시분할 급전이 선택된다. 한편, 수전기(2B 내지 2E)는 각각의 kQ값(8.5, 8.2, 3.1, 3.4)≥kQ 기준 1(1.5)이 되므로, 스텝 ST5로 진행하여, kQ값에 의한 그룹 분류를 행한다.
이 kQ값에 의한 그룹 분류에 의해, 예를 들어 수전기(2B, 2C)는 kQ값이 8.5, 8.2로 되어 있으므로, 동일 그룹이 되고, 또한 수전기(2D, 2E)는 kQ값이 3.1, 3.4로 되어 있으므로, 동일 그룹이 된다.
즉, 스텝 ST8로 진행하여, 동시 급전의 대상 후보가 복수 그룹[수전기(2B, 2C)와, 수전기(2D, 2E)의 2개의 그룹] 존재한다고 판정하고, 스텝 ST9로 진행하여, 전력 분배에 의한 효율 저하를 평가한다.
구체적으로, 수전기(2B, 2C)의 그룹과, 수전기(2D, 2E)의 그룹을 동시 급전한 경우의 최저 효율을 평가한다. 예를 들어, 최저 효율(효율)이 0.15인 경우에는 스텝 ST10에서, 효율(0.15)<효율 기준 2(제2 설정값: 0.2)이므로 송전 효율의 저하는 허용값을 초과한다고 판정하고 스텝 ST11로 진행하여, 시분할 급전을 행한다.
이와 같이, 도 21의 경우에는, 예를 들어 다음의 3개의 급전 세트를 시분할 급전한다. 즉, 수전기(2A)를 단독으로 급전하는 제1 급전 세트, 수전기(2B, 2C)를 동시 급전하는 제2 급전 세트, 및 수전기(2D, 2E)를 동시 급전하는 제3 급전 세트를 시분할적으로 절환하여 급전을 행한다.
도 22는 상술한 도 21과 마찬가지로, 수전기가 5개인 경우(2A 내지 2E)이고, 각 수전기(2A 내지 2E)의 kQ값도 도 21과 공통이다. 단, 도 22에서는 최저 효율이, 도 21의 0.15보다도 큰 0.25로 되어 있다. 따라서, 도 22의 경우, 도 19의 흐름도에 있어서의 스텝 ST1 내지 ST9의 처리는 도 21의 경우와 마찬가지이다.
즉, 스텝 ST9에 있어서, 전력 분배에 의한 효율 저하를 평가하지만, 수전기(2B, 2C)의 그룹과, 수전기(2D, 2E)의 그룹을 동시 급전한 경우의 최저 효율은 0.25로 되어 있다.
이 최저 효율(효율)이 0.25인 경우에는, 스텝 ST12에서 효율(0.25)≥효율 기준 2(제2 설정값: 0.2)이므로, 송전 효율의 저하는 허용값 내라고 판정하여 스텝 ST13으로 진행하여, 동시 급전을 행하게 된다. 또한, 동시 급전에 있어서, 각 수전기의 요망 전력에 기초한 전력 분배를 행할 수 있는 것은 물론이다.
이와 같이, 도 22의 경우에는, 예를 들어 다음의 2개의 급전 세트를 시분할 급전한다. 즉, 수전기(2A)를 단독으로 급전하는 제1 급전 세트 및 수전기(2B 내지 2E)를 동시 급전하는 제2 급전 세트를 시분할적으로 절환하여 급전을 행한다.
이상의 설명에서는, 1개의 송전기(1A) 및 3 내지 6개의 수전기(2A 내지 2F)를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 예로서 설명하였지만, 송전기는, 예를 들어 다른 각도에서 복수 설치할 수 있고, 또한 수전기도 다양한 수, 거리 및 자세(각도)여도 된다.
도 23 내지 도 25는 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서의 사전 연산 데이터의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 23은 제1 그룹의 kQ값과, 제2 그룹의 kQ값을 플롯한 테이블이고, 도 24는, 예를 들어 도 23의 테이블에 있어서의 D0710의 개소를 나타내는 테이블이다. 그리고, 도 25는, 예를 들어 도 24의 테이블에 있어서의 E0611의 개소에 설정된 값을 나타낸다.
도 23에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 무선 전력 전송 제어 방법에 있어서, 예를 들어 제1 그룹의 kQ값이 『10』이고 제2 그룹의 kQ값이 『7』인 경우를 위해, 이와 같은 kQ값을 갖는 2개의 그룹에 대해, 미리 [D0710]을 준비해 둔다.
또한, [D0710]은 단순한 예이고, 제1 및 제2 그룹의 각각의 kQ값에 대해 동일한 것을 준비해 둔다. 또한, 도 23에 있어서의 참조 부호 WW로 나타낸 개소는 kQ값이 소정값 이하에서 전력 분배가 불가인 영역을 나타낸다.
이어서, 도 24에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 제1 그룹의 kQ값이 『10』이고 제2 그룹의 kQ값이 『7』일 때의 [D0710]에 있어서, 예를 들어 2개의 수전기에 대한 전력의 배분비를 3:2로 제어하는 경우를 위해, 미리 [E0611]을 준비해 둔다. 또한, [E0611]도 단순한 예이고, 다양한 배분비에 대해 동일한 것을 준비해 둔다.
또한, 도 25에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 [D0710]에 있어서 전력의 배분비를 3:2로 하는 [E0611]로서, 수전기(2A, 2B)의 공진 주파수 및 예상 전체 효율 등을 미리 준비해 둔다.
통상, 수전기(2A, 2B)는 고정의 공진 주파수(6.78㎒)에서 수전하고 있지만, 예를 들어 수전기(2A, 2B)의 요망 전력에 따라, 수전기(2A:2B)의 전력비를 3:2로 설정하고 싶은 경우, 수전기(2B)의 공진 주파수를 6.75㎒로 어긋나게 하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 이때의 예상 전체 효율이 67％ 정도인 것도 확인할 수 있다.
또한, 도 23 내지 도 25에 나타내는 사전 연산 데이터는, 예를 들어 미리, 시뮬레이션이나 연산 등을 행하고 다양한 조건에 대응하는 데이터를 사전에 연산하여, 예를 들어 송전기의 테이블(룩업 테이블)로서 메모리에 저장해 둘 수 있다.
이상의 설명에 있어서, 송전기 및 수전기는 주로 1개 또는 2개로서 설명하였지만, 각각 더욱 다수여도 된다. 또한, 각 실시예의 설명은 주로 자계 공명을 이용한 전력 전송을 예로 하였지만, 본 실시 형태는 전계 공명을 이용한 전력 전송에 대해서도 적용할 수 있다.
여기에 기재되어 있는 모든 예 및 조건적인 용어는 독자가, 본 발명과 기술의 진전을 위해 발명자에 의해 부여되는 개념을 이해할 때에 도움이 되도록, 교육적인 목적을 의도한 것이다.
또한, 구체적으로 기재되어 있는 상기의 예 및 조건, 및 본 발명의 우위성 및 열등성을 나타내는 것에 관한 본 명세서에 있어서의 예의 구성으로 한정되지 않고, 해석되어야 하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예는 상세하게 설명되어 있지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 변경, 치환 및 수정을 이것에 가하는 것이 가능하다고 이해되어야 한다.
1 : 송전기(1차측: 송전측)
1A 내지 1D, 1A1 내지 1A3 : 송전기
2 : 수전기(2차측: 수전측)
2A 내지 2F, 2A1 내지 2A3, 2B1 내지 2B3, 2C1, 2C2 : 수전기
10A, 10B : 외부 전원
11, 11A, 11B : 와이어리스 송전부
11a, 11aA, 11aB, 11a1, 11a2 : 송전 공진 코일(제2 코일: LC 공진기)
11b : 전력 공급 코일(제1 코일)
12, 12A, 12B : 고주파 전원부
13, 13A, 13B : 송전 제어부
14, 14A, 14B : 통신 회로부(제1 통신 회로부)
21, 21A, 21B : 와이어리스 수전부
21a : 수전 공진 코일(제3 코일: LC 공진기)
21b : 전력 취출 코일(제4 코일)
22, 22A, 22B : 수전 회로부(정류부)
23, 23A, 23B : 수전 제어부
24 : 통신 회로부(제2 통신 회로부)
25, 25A, 25B : 배터리부(기기 본체, 부하)
GP1 : 제1 그룹
GP2 : 제2 그룹

Claims (18)

  1. 적어도 1개의 송전기 및 적어도 2개의 수전기를 포함하고,
    상기 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하고,
    복수의 상기 수전기에 대해, 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드와,
    상기 수전기에 대해, 시분할적으로 절환하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드를 갖는 무선 전력 전송 제어 방법으로서,
    각각의 상기 수전기에 평가 지표를 설정하고,
    상기 평가 지표에 기초하여, 상기 동시 전력 전송 모드 및 상기 시분할 전력 전송 모드를 절환하여 무선 전력 전송을 행하고,
    상기 평가 지표는,
    상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 전자계의 결합 정도를 나타내는 제1 지표, 및
    상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 전자계의 손실의 정도를 나타내는 제2 지표에 의해 산출하고,
    상기 평가 지표가 미리 정해진 제1 설정값보다 작은 수전기에 대해서는, 상기 시분할 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하고,
    상기 평가 지표가 미리 정해진 제1 설정값 이상의 복수의 수전기에 대해서는, 상기 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 지표는 k값이고,
    상기 제2 지표는 Q값이고,
    상기 평가 지표를, 상기 k값 및 상기 Q값의 곱으로서 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 k값을, 상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 사양 정보 및 상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 상대 위치 관계에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평가 지표가 상기 제1 설정값 이상이 되는 수전기가 3개 이상 존재할 때, 상기 평가 지표의 크기에 기초하여 그룹 분류를 행하고,
    상기 그룹 내의 복수의 수전기에 대해서는, 상기 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하도록 판정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 평가 지표의 크기에 기초하여 그룹 분류를 행하는 것은,
    가까운 평가 지표를 갖는 수전기가 동일한 그룹이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 그룹 내의 복수의 수전기에 대해 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하면, 송전 효율의 저하가 허용값을 초과하는 경우에는, 상기 동시 전력 전송 모드가 아니라, 상기 시분할 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 상기 수전기에 대한, 상기 동시 전력 전송 모드에 의한 전력 전송은 각각의 수전기의 요망 전력에 기초하여, 전력 배분비를 설정하여 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전력 배분비의 설정은, 요망 전력이 수전 전력보다도 작은 수전기에 있어서의 수전 공진 코일의 공진점을 어긋나게 함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 방법.
  10. 적어도 1개의 송전기 및 적어도 2개의 수전기를 포함하고, 상기 송전기로부터의 전력을, 자계 공명 또는 전계 공명을 이용하여 무선에 의해, 각각의 상기 수전기에 전송하는 무선 전력 전송 제어 시스템으로서,
    복수의 상기 수전기에 대해, 동시에 전력을 전송하는 동시 전력 전송 모드와,
    각각의 상기 수전기에 대해, 시분할적으로 절환하여 차례로 전력을 전송하는 시분할 전력 전송 모드를 갖고,
    각각의 상기 수전기에 설정된 평가 지표에 기초하여, 상기 동시 전력 전송 모드 및 상기 시분할 전력 전송 모드를 절환하여 무선 전력 전송을 행하고,
    상기 평가 지표는,
    상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 전자계의 결합 정도를 나타내는 제1 지표, 및
    상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 전자계의 손실의 정도를 나타내는 제2 지표에 의해 산출하고,
    상기 평가 지표가 미리 정해진 제1 설정값보다 작은 수전기에 대해서는, 상기 시분할 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하고,
    상기 평가 지표가 미리 정해진 제1 설정값 이상의 복수의 수전기에 대해서는, 상기 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 지표는 k값이고,
    상기 제2 지표는 Q값이고,
    상기 평가 지표를, 상기 k값 및 상기 Q값의 곱으로서 산출하고,
    상기 k값을, 상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 사양 정보 및 상기 송전기와 상기 수전기 사이에 있어서의 상대 위치 관계에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 시스템.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서, 상기 평가 지표가 상기 제1 설정값 이상이 되는 수전기가 3개 이상 존재할 때, 상기 평가 지표의 크기에 기초하여 그룹 분류를 행하고,
    상기 그룹 내의 복수의 수전기에 대해서는, 상기 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하도록 판정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 그룹 내의 복수의 수전기에 대해 동시 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하면, 송전 효율의 저하가 허용값을 초과하는 경우에는, 상기 동시 전력 전송 모드가 아니라, 상기 시분할 전력 전송 모드에 의해 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 시스템.
  15. 제10항, 제11항, 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 제어 시스템은,
    적어도 2개의 송전기를 갖고, 각각의 상기 수전기에 대해 삼차원 무선 전력 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 제어 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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