KR101929139B1 - 수전기 및 전력 전송 시스템 - Google Patents

수전기 및 전력 전송 시스템 Download PDF

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Abstract

전력 공급 밸런스를 개선할 수 있는 수전기와 전력 전송 시스템을 제공한다. 수전기는, 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 제1의 2차측 공진 코일과, 제1의 2차측 공진 코일의 공진 코일부에 직렬로 삽입되는 커패시터와, 정류 회로와, 평활 회로와, 한 쌍의 출력 단자와, 커패시터에 병렬로 접속되거나, 또는 제1의 2차측 공진 코일의 제1 단자 및 제2 단자 중 어느 한쪽과 정류 회로의 사이에 직렬로 접속되는 스위치와, 제1의 2차측 공진 코일의 제1 수전 효율, 한 쌍의 출력 단자에 접속되는 제1 부하의 제1 정격 출력, 다른 수전기의 제2의 2차측 공진 코일의 제2 수전 효율, 및 다른 수전기로부터 전력이 공급되는 제2 부하의 제2 정격 출력에 기초하여 설정되는 제1 듀티비와, 자계 공명의 주파수 이하인 제1 주파수에 의해 결정되는 제1 PWM 구동 패턴으로 스위치를 구동하는 구동 제어부를 포함한다.

Description

수전기 및 전력 전송 시스템 {POWER RECEIVER AND POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 수전기 및 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
종래부터 급전원의 공명 소자로부터 공명에 의해 비접촉으로 교류 전력의 공급을 받는 공명 소자와, 상기 공명 소자로부터 전자기 유도에 의해 교류 전력의 공급을 받는 여진 소자와, 상기 여진 소자로부터의 교류 전력으로부터 직류 전력을 생성하여 출력하는 정류 회로와, 상기 정류 회로에 대한 교류 전력의 공급/비공급을 전환하는 전환 회로를 구비하는 비접촉 수전 장치가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2011-019291호 공보
그런데, 종래의 비접촉 수전 장치(수전기)는, 수전기에 송전되는 전력을 공명 소자가 수전할 때의 수전 효율을 고려하지 않았다. 수전 효율은, 송전기에 대한 수전기의 위치 또는 자세 등에 의해 변화하기 때문에, 특히 수전기가 복수인 경우에, 수전 효율을 고려하지 않고 전력을 전송하면, 복수의 수전기에 밸런스 좋게 전력을 공급하지 못하게 될 우려가 있다.
따라서, 전력의 공급 밸런스를 개선할 수 있는 수전기 및 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 형태의 수전기는, 공진 코일부와, 상기 공진 코일부의 양단에 각각 설치되는 제1 단자 및 제2 단자를 갖고, 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 제1의 2차측 공진 코일과, 상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 공진 코일부에 직렬로 삽입되는 커패시터와, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 접속되고, 상기 제1의 2차측 공진 코일로부터 입력되는 교류 전력을 정류하는 정류 회로와, 상기 정류 회로의 출력측에 접속되는 평활 회로와, 상기 평활 회로의 출력측에 접속되는 한 쌍의 출력 단자와, 상기 커패시터에 병렬로 접속되거나, 또는 상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 중 어느 한쪽과 상기 정류 회로의 사이에 직렬로 접속되는 스위치와, 상기 제1의 2차측 공진 코일의 제1 수전 효율, 상기 한 쌍의 출력 단자에 접속되는 제1 부하의 제1 정격 출력, 상기 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 다른 수전기의 제2의 2차측 공진 코일의 제2 수전 효율, 및 상기 다른 수전기로부터 전력이 공급되는 제2 부하의 제2 정격 출력에 기초하여 설정되는 제1 듀티비와, 상기 자계 공명의 주파수 이하인 제1 주파수에 의해 결정되는 제1 PWM 구동 패턴으로 상기 스위치를 구동하는 구동 제어부를 포함한다.
전력의 공급 밸런스를 개선할 수 있는 수전기 및 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 전력 전송 시스템(50)을 도시하는 도면이다.
도 2는 송전기(10)로부터 전자 기기(40A, 40B)로 자계 공명에 의해 전력을 전송하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 송전기(10)로부터 전자 기기(40B1, 40B2)로 자계 공명에 의해 전력을 전송하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 실시 형태 1의 수전기(100)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다.
도 5는 듀티비에 대한 수전 효율의 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다.
도 6은 실시 형태 1의 전력 전송 시스템(500)을 사용한 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)를 도시하는 도면이다.
도 7은 PWM 구동 패턴의 듀티비와 수전기(100A 및 100B)의 수전 전력량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 수전기(100)에 있어서의 PWM 구동 패턴의 듀티비와 수전 전력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 송전기(10)와 수전기(100A 및 100B)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다.
도 10은 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 11은 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB의 관계에 대하여, 듀티비를 관련지은 테이블 데이터를 도시하는 도면이다.
도 12는 상호 인덕턴스 MTA, MTB와 수전 효율을 관련지은 테이블 데이터이다.
도 13은 실시 형태 1의 송전기(10)가 수전기(100A 또는 100B)의 듀티비를 설정하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 14는 실시 형태 2의 수전기(101)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다.
도 15는 실시 형태 2의 수전기(101A, 101B)와 송전기(10)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다.
도 16은 실시 형태 2의 수전기(101A, 101B)와 송전기(10)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다.
도 17은 실시 형태 2의 수전기(101A, 101B)와 송전기(10)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다.
도 18은 실시 형태 3에 있어서의 송전기(10)와 N개의 수전기(101-1, 101-2, …, 101-N)를 도시하는 도면이다.
도 19는 실시 형태 3에 따른 듀티비와 송전 출력 P의 결정 처리를 도시하는 흐름도이다.
도 20은 실시 형태 3에서 사용하는 테이블 형식의 데이터를 도시하는 도면이다.
도 21은 실시 형태 4의 수전기(102)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 수전기 및 전력 전송 시스템을 적용한 실시 형태에 대하여 설명한다.
<실시 형태 1>
본 발명의 수전기 및 전력 전송 시스템을 적용한 실시 형태 1에 대하여 설명하기 전에, 도 1 내지 도 3을 사용하여, 실시 형태 1의 수전기 및 전력 전송 시스템의 전제 기술에 대하여 설명한다.
도 1은, 전력 전송 시스템(50)을 도시하는 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 전력 전송 시스템(50)은, 교류 전원(1), 1차측(송전측)의 송전기(10) 및 2차측(수전측)의 수전기(20)를 포함한다. 전력 전송 시스템(50)은, 송전기(10) 및 수전기(20)를 복수 포함해도 된다.
송전기(10)는, 1차측 코일(11)과 1차측 공진 코일(12)을 갖는다. 수전기(20)는, 2차측 공진 코일(21)과 2차측 코일(22)을 갖는다. 2차측 코일(22)에는 부하 장치(30)가 접속된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 송전기(10) 및 수전기(20)는, 1차측 공진 코일(LC 공진기)(12)과 수전 공진 코일(LC 공진기)(21)의 사이의 자계 공명(자계 공진)에 의해, 송전기(10)로부터 수전기(20)로 에너지(전력)의 전송을 행한다. 여기서, 1차측 공진 코일(12)로부터 2차측 공진 코일(21)로의 전력 전송은, 자계 공명뿐만 아니라 전계 공명(전계 공진) 등도 가능하지만, 이하의 설명에서는, 주로 자계 공명을 예로서 설명한다.
또한, 실시 형태 1에서는, 일례로서, 교류 전원(1)이 출력하는 교류 전압의 주파수가 6.78MHz이고, 1차측 공진 코일(12)과 2차측 공진 코일(21)의 공진 주파수가 6.78MHz인 경우에 대하여 설명한다.
또한, 1차측 코일(11)로부터 1차측 공진 코일(12)로의 전력 전송은 전자기 유도를 이용하여 행해지고, 또한 2차측 공진 코일(21)로부터 2차측 코일(22)로의 전력 전송도 전자기 유도를 이용하여 행해진다.
또한, 도 1에는, 전력 전송 시스템(50)이 2차측 코일(22)을 포함하는 형태를 도시하지만, 전력 전송 시스템(50)은 2차측 코일(22)을 포함하지 않아도 되며, 이 경우에는 2차측 공진 코일(21)에 부하 장치(30)를 직접적으로 접속하면 된다.
도 2는, 송전기(10)로부터 전자 기기(40A, 40B)로 자계 공명에 의해 전력을 전송하는 상태를 도시하는 도면이다.
전자 기기(40A 및 40B)는, 각각 태블릿 컴퓨터 및 스마트폰이며, 각각 수전기(20A, 20B)를 내장하고 있다. 수전기(20A 및 20B)는, 도 1에 도시하는 수전기(20)(도 1 참조)로부터 2차측 코일(22)을 제거한 구성을 갖는다. 즉, 수전기(20A 및 20B)는 2차측 공진 코일(21)을 갖는다. 또한, 도 2에서는 송전기(10)를 간략화하여 도시하지만, 송전기(10)는 교류 전원(1)(도 1 참조)에 접속되어 있다.
도 2에서는, 전자 기기(40A, 40B)는, 송전기(10)로부터 서로 동등한 거리의 위치에 배치되어 있고, 각각이 내장하는 수전기(20A 및 20B)가 자계 공명에 의해 송전기(10)로부터 비접촉의 상태로 동시에 전력을 수전하고 있다.
여기서 일례로서, 도 2에 도시하는 상태에 있어서, 전자 기기(40A)에 내장되는 수전기(20A)의 수전 효율이 40％, 전자 기기(40B)에 내장되는 수전기(20B)의 수전 효율이 40％인 것으로 한다.
수전기(20A 및 20B)의 수전 효율은, 교류 전원(1)에 접속되는 1차측 코일(11)로부터 전송되는 전력에 대한, 수전기(20A 및 20B)의 2차측 코일(22)이 수전하는 전력의 비율로 표시된다. 또한, 송전기(10)가 1차측 코일(11)을 포함하지 않고 교류 전원(1)에 1차측 공진 코일(12)이 직접적으로 접속되어 있는 경우에는, 1차측 코일(11)로부터 전송되는 전력 대신에 1차측 공진 코일(12)로부터 전송되는 전력을 사용하여 수전 전력을 구하면 된다. 또한, 수전기(20A 및 20B)가 2차측 코일(22)을 포함하지 않는 경우에는, 2차측 코일(22)이 수전하는 전력 대신에 2차측 공진 코일(21)이 수전하는 전력을 사용하여 수전 전력을 구하면 된다.
수전기(20A 및 20B)의 수전 효율은, 송전기(10)와 수전기(20A 및 20B)의 코일 사양이나 각각과의 사이의 거리ㆍ자세에 의해 결정된다. 도 2에서는, 수전기(20A 및 20B)의 구성은 동일하고, 송전기(10)로부터 서로 동등한 거리ㆍ자세의 위치에 배치되어 있기 때문에, 수전기(20A 및 20B)의 수전 효율은 서로 동등하며, 일례로서 40％이다.
또한, 전자 기기(40A)의 정격 출력은 10W, 전자 기기(40B)의 정격 출력은 5W인 것으로 한다.
이러한 경우에는, 송전기(10)의 1차측 공진 코일(12)(도 1 참조)로부터 전송되는 전력은, 18.75W로 된다. 18.75W는, (10W+5W)/(40％+40％)에 의해 구해진다.
그런데, 송전기(10)로부터 18.75W의 전력을 전자 기기(40A 및 40B)를 향하여 전송하면, 수전기(20A 및 20B)는, 합계 15W의 전력을 수신하게 되고, 수전기(20A 및 20B)는, 균등하게 전력을 수전하기 위해, 각각이 7.5W의 전력을 수전하게 된다.
이 결과, 전자 기기(40A)는 전력이 2.5W 부족하고, 전자 기기(40B)는 전력이 2.5W 남게 된다.
즉, 송전기(10)로부터 18.75W의 전력을 전자 기기(40A 및 40B)에 전송해도, 전자 기기(40A 및 40B)가 밸런스 좋게 수전하는 것은 불가능하다. 바꾸어 말하면, 전자 기기(40A 및 40B)가 동시에 수전할 때의 전력의 공급 밸런스가 좋지 않다.
도 3은, 송전기(10)로부터 전자 기기(40B1, 40B2)로 자계 공명에 의해 전력을 전송하는 상태를 도시하는 도면이다.
전자 기기(40B1, 40B2)는 동일한 타입의 스마트폰이며, 각각 수전기(20B1, 20B2)를 내장하고 있다. 수전기(20B1 및 20B2)는, 도 2에 도시하는 수전기(20B)와 동등하다. 즉, 수전기(20B1 및 20B2)는, 2차측 공진 코일(21)을 갖는다. 또한, 도 3에서는 송전기(10)를 간략화하여 도시하지만, 송전기(10)는 교류 전원(1)(도 1 참조)에 접속되어 있다.
도 3에서는, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)에 대한 각도(자세)는 동등하지만, 전자 기기(40B1)는, 전자 기기(40B2)보다 송전기(10)로부터 먼 위치에 배치되어 있다. 전자 기기(40B1, 40B2)가 각각 내장하는 수전기(20B1 및 20B2)는, 자계 공명에 의해 송전기(10)로부터 비접촉의 상태로 전력을 동시에 수전하고 있다.
여기서 일례로서, 도 3에 도시하는 상태에 있어서, 전자 기기(40B1)에 내장되는 수전기(20B1)의 수전 효율이 35％, 전자 기기(40B2)에 내장되는 수전기(20B2)의 수전 효율이 45％인 것으로 한다.
여기서는, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)에 대한 각도(자세)는 동등하기 때문에, 수전기(20B1 및 20B2)의 수전 효율은, 수전기(20B1 및 20B2)의 각각과 송전기(10)의 사이의 거리에 의해 결정된다. 이 때문에, 도 3에서는, 수전기(20B1)의 수전 효율은, 수전기(20B2)의 수전 효율보다 낮다. 또한, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 정격 출력은 모두 5W이다.
이러한 경우에는, 송전기(10)의 1차측 공진 코일(12)(도 1 참조)로부터 전송되는 전력은, 12.5W로 된다. 12.5W는, (5W+5W)/(35％+45％)에 의해 구해진다.
그런데, 송전기(10)로부터 12.5W의 전력을 전자 기기(40B1 및 40B2)를 향하여 전송하면, 수전기(20B1 및 20B2)는, 합계 10W의 전력을 수신하게 된다. 또한, 도 3에서는, 수전기(20B1)의 수전 효율이 35％이고, 수전기(20B2)의 수전 효율이 45％이기 때문에, 수전기(20B1)는 약 4.4W의 전력을 수전하고, 수전기(20B2)는 약 5.6W의 전력을 수전하게 된다.
이 결과, 전자 기기(40B1)는 전력이 약 0.6W 부족하고, 전자 기기(40B2)는 전력이 0.6W 남게 된다.
즉, 송전기(10)로부터 12.5W의 전력을 전자 기기(40B1 및 40B2)에 전송해도, 전자 기기(40B1 및 40B2)가 밸런스 좋게 수전하는 것은 불가능하다. 바꾸어 말하면, 전자 기기(40B1 및 40B2)가 동시에 수전할 때의 전력의 공급 밸런스가 좋지 않다(개선의 여지가 있음).
또한, 여기서는, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)에 대한 각도(자세)가 동등하고, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)로부터의 거리가 상이한 경우의 전력의 공급 밸런스에 대하여 설명하였다.
그러나, 수전 효율은, 송전기(10)와 수전기(20B1 및 20B2)의 사이의 거리와 각도(자세)에 의해 정해지기 때문에, 도 3에 도시하는 위치 관계에 있어서 전자 기기(40B1 및 40B2)의 각도(자세)가 상이하면, 수전기(20B1 및 20B2)의 수전 효율은, 상술한 35％ 및 45％와는 상이한 값이 된다.
또한, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)로부터의 거리가 동등하더라도, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)에 대한 각도(자세)가 상이하면, 수전기(20B1 및 20B2)의 수전 효율은 서로 다른 값이 된다.
이상, 도 2에 도시하는 바와 같이, 정격 출력이 서로 다른 전자 기기(40A, 40B)에, 송전기(10)로부터 자계 공명에 의해 전력을 동시에 전송할 때에는, 전자 기기(40A 및 40B)가 밸런스 좋게 수전하는 것은 곤란하다.
또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 정격 출력이 서로 동등해도, 전자 기기(40B1 및 40B2)의 송전기(10)에 대한 각도(자세)가 상이하면, 수전기(20B1 및 20B2)의 수전 효율은 서로 상이하기 때문에, 전자 기기(40B1 및 40B2)가 밸런스 좋게 수전하는 것은 곤란하다.
또한, 도 2 및 도 3에서는, 전자 기기(40A 및 40B)와 전자 기기(40B1 및 40B2)가 각각 동시에 수전하는 경우에 대하여 설명하였지만, 전자 기기(40A와 40B) 또는 전자 기기(40B1과 40B2)와 같은 복수의 전자 기기가 시분할적으로 별개로 수전하는 것도 고려된다.
그러나, 복수의 전자 기기가 시분할적으로 별개로 수전하는 경우에는, 각각의 전자 기기가 수전하고 있는 동안에는, 다른 전자 기기는 수전할 수 없기 때문에, 모든 전자 기기의 수전이 완료되는 데 시간이 걸린다고 하는 문제가 발생한다.
이어서, 도 4 내지 도 6을 사용하여, 실시 형태 1의 수전기 및 전력 전송 시스템에 대하여 설명한다.
도 4는, 실시 형태 1의 수전기(100)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다. 송전 장치(80)는 교류 전원(1)과 송전기(10)를 포함한다. 교류 전원(1)과 송전기(10)는, 도 1에 도시하는 것과 마찬가지이지만, 도 4에서는 보다 구체적인 구성을 도시한다.
송전 장치(80)는 교류 전원(1)과 송전기(10)를 포함한다.
송전기(10)는, 1차측 코일(11), 1차측 공진 코일(12), 정합 회로(13), 커패시터(14), 제어부(15)를 갖는다.
수전기(100)는, 2차측 공진 코일(110), 커패시터(115), 정류 회로(120), 스위치(130), 평활 커패시터(140), 제어부(150), 전압계(155), 출력 단자(160A, 160B) 및 안테나(170)를 포함한다. 출력 단자(160A, 160B)에는 DC-DC 컨버터(210)가 접속되어 있고, DC-DC 컨버터(210)의 출력측에는 배터리(220)가 접속되어 있다.
우선, 송전기(10)에 대하여 설명한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 1차측 코일(11)은 루프상의 코일이며, 양단 사이에 정합 회로(13)를 통하여 교류 전원(1)에 접속되어 있다. 1차측 코일(11)은, 1차측 공진 코일(12)과 비접촉으로 근접하여 배치되어 있고, 1차측 공진 코일(12)과 전자계 결합된다. 1차측 코일(11)은, 자기의 중심축이 1차측 공진 코일(12)의 중심축과 일치하도록 배치된다. 중심축을 일치시키는 것은, 1차측 코일(11)과 1차측 공진 코일(12)의 결합 강도를 향상시킴과 함께, 자속의 누설을 억제하여, 불필요한 전자계가 1차측 코일(11) 및 1차측 공진 코일(12)의 주위에 발생하는 것을 억제하기 위함이다.
1차측 코일(11)은, 교류 전원(1)으로부터 정합 회로(13)를 거쳐 공급되는 교류 전력에 의해 자계를 발생시키고, 전자기 유도(상호 유도)에 의해 전력을 1차측 공진 코일(12)에 송전한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 1차측 공진 코일(12)은, 1차측 코일(11)과 비접촉으로 근접하여 배치되어 1차측 코일(11)과 전자계 결합되어 있다. 또한, 1차측 공진 코일(12)은, 소정의 공진 주파수를 갖고, 높은 Q값을 갖도록 설계되어 있다. 1차측 공진 코일(12)의 공진 주파수는, 2차측 공진 코일(110)의 공진 주파수와 동등해지도록 설정되어 있다. 1차측 공진 코일(12)의 양단의 사이에, 공진 주파수를 조정하기 위한 커패시터(14)가 직렬로 접속된다.
1차측 공진 코일(12)의 공진 주파수는, 교류 전원(1)이 출력하는 교류 전력의 주파수와 동일한 주파수가 되도록 설정되어 있다. 1차측 공진 코일(12)의 공진 주파수는, 1차측 공진 코일(12)의 인덕턴스와, 커패시터(14)의 정전 용량에 의해 결정된다. 이 때문에, 1차측 공진 코일(12)의 인덕턴스와, 커패시터(14)의 정전 용량은, 1차측 공진 코일(12)의 공진 주파수가, 교류 전원(1)으로부터 출력되는 교류 전력의 주파수와 동일한 주파수가 되도록 설정되어 있다.
정합 회로(13)는, 1차측 코일(11)과 교류 전원(1)의 임피던스 정합을 취하기 위해 삽입되어 있고, 인덕터 L과 커패시터 C를 포함한다.
교류 전원(1)은, 자계 공명에 필요한 주파수의 교류 전력을 출력하는 전원이며, 출력 전력을 증폭하는 증폭기를 내장하다. 교류 전원(1)은, 예를 들어 수백 kHz에서 수십 MHz 정도의 고주파의 교류 전력을 출력한다.
커패시터(14)는, 1차측 공진 코일(12)의 양단의 사이에, 직렬로 삽입되는 가변 용량형 커패시터이다. 커패시터(14)는, 1차측 공진 코일(12)의 공진 주파수를 조정하기 위해 설치되어 있고, 정전 용량은 제어부(15)에 의해 설정된다.
제어부(15)는, 교류 전원(1)의 출력 전압 및 출력 주파수의 제어, 커패시터(14)의 정전 용량의 제어 등을 행한다.
이상과 같은 송전 장치(80)는, 교류 전원(1)으로부터 1차측 코일(11)로 공급되는 교류 전력을 자기 유도에 의해 1차측 공진 코일(12)에 송전하고, 1차측 공진 코일(12)로부터 자계 공명에 의해 전력을 수전기(100)의 2차측 공진 코일(110)로 송전한다.
이어서, 수전기(100)에 포함되는 2차측 공진 코일(110)에 대하여 설명한다. 여기서는, 일례로서, 공진 주파수가 6.78MHz인 형태에 대하여 설명한다.
2차측 공진 코일(110)은, 1차측 공진 코일(12)과 동일한 공진 주파수를 가지며, 높은 Q값을 갖도록 설계되어 있다. 2차측 공진 코일(110)은, 공진 코일부(111)와 단자(112A, 112B)를 갖는다. 여기서, 공진 코일부(111)는, 실체적으로는 2차측 공진 코일(110) 자체이지만, 여기서는 공진 코일부(111)의 양단에 단자(112A, 112B)를 설치한 것을 2차측 공진 코일(110)로서 다룬다.
공진 코일부(111)에는, 공진 주파수를 조정하기 위한 커패시터(115)가 직렬로 삽입되어 있다. 또한, 커패시터(115)에는, 스위치(130)가 병렬로 접속되어 있다. 또한, 공진 코일부(111)의 양단에는, 단자(112A, 112B)가 설치되어 있다. 단자(112A, 112B)는, 정류 회로(120)에 접속되어 있다. 단자(112A, 112B)는, 각각 제1 단자 및 제2 단자의 일례이다.
2차측 공진 코일(110)은, 2차측 코일을 통하지 않고 정류 회로(120)에 접속되어 있다. 2차측 공진 코일(110)은, 스위치(130)가 오프(오픈)되어 있는 상태에서는, 송전기(10)의 1차측 공진 코일(12)로부터 자계 공명에 의해 송전되는 교류 전력을 정류 회로(120)에 출력한다.
커패시터(115)는, 2차측 공진 코일(110)의 공진 주파수를 조정하기 위해, 공진 코일부(111)에 직렬로 삽입되어 있다. 커패시터(115)에는, 스위치(130)가 병렬로 접속되어 있다.
정류 회로(120)는, 4개의 다이오드(121A 내지 121D)를 갖는다. 다이오드(121A 내지 121D)는, 브리지상으로 접속되어 있고, 2차측 공진 코일(110)로부터 입력되는 전력을 전파 정류하여 출력한다.
스위치(130)는, 2차측 공진 코일(110)의 공진 코일부(111)에 있어서, 커패시터(115)에 병렬로 접속되어 있다. 스위치(130)가 오프(오픈)되어 있는 경우에는, 2차측 공진 코일(110)은, 자계 공명에 의한 공진 전류(교류 전류)가 흐를 수 있는 상태로 된다. 또한, 스위치(130)가 온(도통)되어 있는 경우에는, 커패시터(115)가 바이패스되기 때문에, 2차측 공진 코일(110)은, 자계 공명에 의한 공진이 성립하지 않는 상태로 된다.
스위치(130)로서는, 교류 전류의 차단을 고속으로 행할 수 있는 스위치이면 되며, 예를 들어 복수의 FET(Field Effect Transistor)를 조합한 스위치 또는 트라이액 등을 사용할 수 있다. 스위치(130)는, PWM(Pulse Width Modulation) 구동된다. PWM 구동에 사용하는 PWM 구동 패턴의 주파수는, 예를 들어 자계 공명에 의한 공진 주파수(6.78MHz)의 수 십분의 1 내지 수 백분의 1 정도의 주파수로 설정되기 위해, 스위치(130)로서 트라이액을 사용해도 문제는 없다.
또한, 스위치(130)는, 제어부(150)에 의해 PWM 구동된다. 스위치(130)의 PWM 구동 패턴의 듀티비는, 수전기(100)의 2차측 공진 코일(110)의 수전 효율과, 수전기(100)로부터 전력 공급을 받는 부하 회로의 정격 출력에 기초하여 결정된다. 도 4에서는 부하 회로는 배터리(220)이다.
또한, PWM 구동 패턴의 주파수는, 2차측 공진 코일(110)이 수전하는 교류 주파수의 주파수 이하로 설정된다.
평활 커패시터(140)는, 정류 회로(120)의 출력측에 접속되어 있고, 정류 회로(120)에서 전파 정류된 전력을 평활화하여 직류 전력으로서 출력한다. 평활 커패시터(140)의 출력측에는, 출력 단자(160A, 160B)가 접속된다. 정류 회로(120)에서 전파 정류된 전력은, 교류 전력의 음 성분을 양 성분으로 반전시켰기 때문에, 대략 교류 전력으로서 취급할 수 있지만, 평활 커패시터(140)를 사용함으로써, 전파 정류된 전력에 리플이 포함되는 경우라도, 안정된 직류 전력을 얻을 수 있다.
또한, 평활 커패시터(140)의 상측의 단자와 출력 단자(160A)를 연결하는 선로는, 고전압측 선로이며, 평활 커패시터(140)의 하측의 단자와 출력 단자(160B)를 연결하는 선로는, 저전압측 선로이다.
제어부(150)는, 내부 메모리에 배터리(220)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 유지한다. 또한, 송전기(10)의 제어부(15)로부터의 리퀘스트에 따라, 송전기(10)로부터 수전기(100)가 수전하는 전력(수전 전력)을 측정하고, 수전 전력을 나타내는 데이터를 안테나(170)를 통하여 송전기(10)에 송신한다. 또한, 제어부(150)는, 송전기(10)로부터 듀티비를 나타내는 데이터를 수신하면, 수신한 듀티비를 사용하여, 스위치(130)를 구동한다. 또한, 수전 전력은, 제어부(150)가, 전압계(155)로 측정되는 전압 V와, 배터리(220)의 내부 저항값 R에 기초하여 구하면 된다. 수전 전력 P는 P=V2/R에 의해 구해진다.
전압계(155)는, 출력 단자(160A와 160B)의 사이에 접속된다. 전압계(155)는, 수전기(100)의 수전 전력을 계산하기 위해 사용된다. 전압계(155)로 측정되는 전압 V와, 배터리(220)의 내부 저항값 R에 기초하여 상술한 바와 같이 수전 전력을 구하면, 전류를 측정하여 수전 전력을 측정하는 경우에 비하여 손실이 적기 때문에, 바람직한 측정 방법이다. 그러나, 수전기(100)의 수전 전력은, 전류와 전압을 측정하여 구해도 된다. 전류를 측정하는 경우에는, 홀 소자, 자기 저항 소자, 검출 코일, 또는 저항기 등을 사용하여 측정하면 된다.
DC-DC 컨버터(210)는, 출력 단자(160A, 160B)에 접속되어 있고, 수전기(100)로부터 출력되는 직류 전력의 전압을 배터리(220)의 정격 전압으로 변환하여 출력한다. DC-DC 컨버터(210)는, 정류 회로(120)의 출력 전압 쪽이 배터리(220)의 정격 전압보다 높은 경우에는, 정류 회로(120)의 출력 전압을 배터리(220)의 정격 전압까지 강압하다. 또한, DC-DC 컨버터(210)는, 정류 회로(120)의 출력 전압 쪽이 배터리(220)의 정격 전압보다 낮은 경우에는, 정류 회로(120)의 출력 전압을 배터리(220)의 정격 전압까지 승압한다.
배터리(220)는, 반복 충전이 가능한 이차 전지이면 되며, 예를 들어 리튬 이온 전지를 사용할 수 있다. 예를 들어, 수전기(100)가 태블릿 컴퓨터 또는 스마트폰 등의 전자 기기에 내장되는 경우에는, 배터리(220)는, 이러한 전자 기기의 메인 배터리이다.
또한, 1차측 코일(11), 1차측 공진 코일(12), 2차측 공진 코일(110)은, 예를 들어 동선을 권회함으로써 제작된다. 그러나, 1차측 코일(11), 1차측 공진 코일(12), 2차측 공진 코일(110)의 재질은, 구리 이외의 금속(예를 들어, 금, 알루미늄 등)이어도 된다. 또한, 1차측 코일(11), 1차측 공진 코일(12), 2차측 공진 코일(110)의 재질은 상이해도 된다.
이러한 구성에 있어서, 1차측 코일(11) 및 1차측 공진 코일(12)이 전력의 송전측이고, 2차측 공진 코일(110)이 전력의 수전측이다.
자계 공명 방식에 의해, 1차측 공진 코일(12)과 2차측 공진 코일(110)의 사이에서 발생하는 자계 공명을 이용하여 송전측으로부터 수전측으로 전력을 전송하기 때문에, 송전측으로부터 수전측으로 전자기 유도로 전력을 전송하는 전자기 유도 방식보다 장거리에서의 전력의 전송이 가능하다.
자계 공명 방식은, 공진 코일끼리의 사이의 거리 또는 위치 어긋남에 대하여, 전자기 유도 방식보다 자유도가 높아, 포지션 프리라고 하는 장점이 있다.
이어서, 도 5를 사용하여, 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 조정한 경우에, 수전기(100)가 송전기(10)로부터 수전하는 전력의 수전 효율에 대하여 설명한다.
도 5는, 듀티비에 대한 수전 효율의 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 횡축의 듀티비는, 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비이고, 종축의 수전 효율은, 교류 전원(1)(도 1 참조)이 송전기(10)에 입력하는 전력(Pin)에 대한, 수전기(100)가 출력하는 전력(Pout)의 비이다. 수전 효율은, 송전기(10)와 수전기(100)의 사이에 있어서의 전력의 전송 효율과 동등하다.
또한, 송전기(10)가 송전하는 전력의 주파수는 6.78MHz, PWM 구동 패턴의 주파수는 300KHz로 설정하였다. 또한, 듀티비가 100％인 상태는, 스위치(130)가 PWM 구동 패턴의 1주기의 전체 기간에 있어서 오프(오픈)되어 있어, 전체 기간에 걸쳐 공진 전류가 2차측 공진 코일(110)에 흐르고 있는 상태이다. 한편, 듀티비가 0％인 상태는, PWM 구동 패턴의 1주기에 있어서 스위치(130)가 오프(오픈)되는 기간이 없고, 전체 기간에 있어서 온(도통)되어 있는 상태이다. 즉, 듀티비가 0％인 상태는, PWM 구동 패턴의 1주기의 전체 기간에 걸쳐, 2차측 공진 코일(110)에 공진 전류가 흐르지 않는 상태이다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 듀티비를 100％로부터 저하시켜 가면, 수전 효율이 저하된다. 듀티비가 100％일 때의 수전 효율은 약 0.8이고, 듀티비가 10％일 때의 수전 효율은 약 0.17이다. 이와 같이, 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 변화시키면, 2차측 공진 코일(110)에 흐르는 공진 전류의 전력량이 변화함으로써, 수전 효율이 변화한다.
도 6은, 실시 형태 1의 전력 전송 시스템(500)을 사용한 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)를 도시하는 도면이다.
송전 장치(80)는, 도 4에 도시하는 송전 장치(80)와 동일한 것이지만, 도 6에서는, 도 4에 있어서의 1차측 코일(11) 및 제어부(15) 이외의 구성 요소를 전원부(10A)로서 도시하였다. 전원부(10A)는, 1차측 공진 코일(12), 정합 회로(13), 커패시터(14)를 통합하여 나타낸 것이다. 또한, 교류 전원(1), 1차측 공진 코일(12), 정합 회로(13), 커패시터(14)를 통합하여 전원부로서 파악해도 된다.
송전 장치(80)는 안테나(16)를 더 포함한다. 안테나(16)는, 예를 들어 Bluetooth(등록 상표)와 같은 근거리에서의 무선 통신을 행할 수 있는 안테나이면 된다. 안테나(16)는, 전자 기기(200A 및 200B)에 포함되는 수전기(100A 및 100B)로부터, 수전 전력 및 정격 출력을 나타내는 데이터를 수신하기 위해 설치되어 있고, 수신한 데이터는 제어부(15)에 입력된다. 제어부(15)는, 제어부의 일례임과 함께 제3 통신부의 일례이다.
전자 기기(200A 및 200B)는, 예를 들어 각각 태블릿 컴퓨터 또는 스마트폰 등의 단말기이다. 전자 기기(200A 및 200B)는, 각각 수전기(100A 및 100B), DC-DC 컨버터(210A 및 210B) 및 배터리(220A 및 220B)를 내장하다.
수전기(100A 및 100B)는, 도 4에 도시하는 수전기(100)와 마찬가지의 구성을 갖는다. DC-DC 컨버터(210A 및 210B)는, 각각 도 4에 도시하는 DC-DC 컨버터(210)와 마찬가지이다. 또한, 배터리(220A 및 220B)는, 각각 도 4에 도시하는 배터리(220)와 마찬가지이다.
수전기(100A)는, 2차측 공진 코일(110A), 커패시터(115A), 정류 회로(120A), 스위치(130A), 평활 커패시터(140A), 제어부(150A) 및 안테나(170A)를 갖는다. 2차측 공진 코일(110A)은, 제1의 2차측 공진 코일의 일례이다.
2차측 공진 코일(110A), 커패시터(115A), 정류 회로(120A), 스위치(130A), 평활 커패시터(140A), 제어부(150A)는, 각각 도 4에 도시하는 2차측 공진 코일(110), 커패시터(115), 정류 회로(120), 스위치(130), 평활 커패시터(140), 제어부(150)에 대응한다. 또한, 도 6에서는 2차측 공진 코일(110A), 정류 회로(120A), 평활 커패시터(140A)를 간략화하여 도시하고, 전압계(155) 및 출력 단자(160A, 160B)는 생략한다.
수전기(100B)는, 2차측 공진 코일(110B), 커패시터(115B), 정류 회로(120B), 스위치(130B), 평활 커패시터(140B), 제어부(150B) 및 안테나(170B)를 갖는다. 수전기(100B)는, 수전기(100A)로부터 보아, 다른 수전기의 일례이다. 또한, 2차측 공진 코일(110B)은, 제2의 2차측 공진 코일의 일례이다.
2차측 공진 코일(110B), 커패시터(115B), 정류 회로(120B), 스위치(130B), 평활 커패시터(140B), 제어부(150B)는, 각각 도 4에 도시하는 2차측 공진 코일(110), 커패시터(115), 정류 회로(120), 스위치(130), 평활 커패시터(140), 제어부(150)에 대응한다. 또한, 도 6에서는 2차측 공진 코일(110B), 정류 회로(120B), 평활 커패시터(140B)를 간략화하여 도시하고, 전압계(155) 및 출력 단자(160A, 160B)는 생략한다.
안테나(170A 및 170B)는, 예를 들어 Bluetooth(등록 상표)와 같은 근거리에서의 무선 통신을 행할 수 있는 안테나이면 된다. 안테나(170A 및 170B)는, 송전기(10)의 안테나(16)와 데이터 통신을 행하기 위해 설치되어 있고, 각각 수전기(100A 및 100B)의 제어부(150A 및 150B)에 접속되어 있다. 제어부(150A 및 150B)는, 구동 제어부의 일례임과 함께, 각각 제1 통신부 및 제2 통신부의 일례이다.
수전기(100A)의 제어부(150A)는, 2차측 공진 코일(110A)의 수전 전력과, 배터리(220A)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 안테나(170A)를 통하여 송전기(10)에 송신한다. 마찬가지로, 수전기(100B)의 제어부(150B)는, 2차측 공진 코일(110B)의 수전 전력과, 배터리(220B)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 안테나(170B)를 통하여 송전기(10)에 송신한다.
전자 기기(200A 및 200B)는, 각각 송전 장치(80)의 근처에 배치한 상태에서, 송전 장치(80)에 접촉하지 않고 배터리(220A 및 220B)를 충전할 수 있다. 배터리(220A 및 220B)의 충전은, 동시에 행하는 것이 가능하다.
전력 전송 시스템(500)은, 도 6에 도시하는 구성 요소 중, 송전기(10)와 수전기(100A 및 100B)에 의해 구축된다. 즉, 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)는, 자계 공명에 의한 비접촉 상태에서의 전력 전송을 가능하게 하는 전력 전송 시스템(500)을 채용하고 있다.
여기서, 배터리(220A 및 220B)의 충전을 동시에 행하면, 도 2 및 도 3을 사용하여 설명한 바와 같이, 전자 기기(200A 및 200B)에 대한 전력의 공급 밸런스가 좋지 않은 상태가 발생할 수 있다.
따라서, 송전기(10)는, 전력 공급의 밸런스를 개선하기 위해, 2차측 공진 코일(110A)의 수전 효율, 배터리(220A)의 정격 출력, 2차측 공진 코일(110B)의 수전 효율 및 배터리(220B)의 정격 출력에 기초하여, 스위치(130A 및 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 설정한다.
도 7은, PWM 구동 패턴의 듀티비와 수전기(100A 및 100B)의 수전 전력량의 관계를 나타내는 도면이다.
여기서는, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에 있어서, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로부터 저하시키는 경우에 대하여 설명한다.
도 7에 있어서, 횡축은, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 나타낸다. 또한, 좌측의 종축은, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 비율을 나타낸다. 또한, 우측의 종축은, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합을 백분율로 나타낸다.
여기서, 수전 효율의 비율이란, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합을 100％라고 하였을 때, 수전기(100A 및 100B)의 각각의 수전 효율이 수전 효율의 합에 대하여 차지하는 비율이다. 예를 들어, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율이 모두 40％로 동등한(수전 효율의 합은 80％) 경우에는, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 비율은 모두 50％이다.
수전기(100A 및 100B)의 수전 효율이 모두 40％로 동등한 경우란, 송전기(10)로부터 2개의 수전기(100A 및 100B)가 동시에 수전하는 경우에, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율이 모두 40％로 동등한 상태를 말한다. 또한, 수전기(100A 및 100B)는, 단독으로는 85％ 정도의 수전 효율을 갖는 것으로 한다.
여기서는, 일례로서, 수전기(100A 및 100B)의 스위치(130A 및 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비가 모두 100％인 상태에 있어서, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 비율이 모두 50％인 것으로 한다.
수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에서, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로부터 저하시켜 가면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 수전기(100B)의 수전 효율의 비율은 저하된다. 또한, 이에 수반하여 수전기(100A)의 수전 효율의 비율은 증대된다.
이와 같이 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 저하시키면, 수전기(100B)의 수전량이 감소하기 때문에, 수전기(100B)에 흐르는 전류도 감소한다. 즉, 듀티비의 변화에 따라, 수전기(100B)의 임피던스가 변화하게 된다.
자계 공명을 사용한 전력 전송에서는, 자계 공명에 의해 송전기(10)로부터 수전기(100A 및 100B)로 송전되는 전력을 수전기(100A와 100B)에서 분배하고 있다. 이 때문에, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로부터 저하시켜 가면, 수전기(100B)의 수전량이 줄어드는 분만큼, 수전기(100A)의 수전량이 증가하게 된다.
이 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 수전기(100B)의 수전 효율의 비율은 저하된다. 또한, 이에 수반하여 수전기(100A)의 수전 효율의 비율은 증대된다.
수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비가 약 10％까지 저하되면, 수전기(100B)의 수전 효율의 비율은 약 13％까지 저하되고, 수전기(100A)의 수전 효율의 비율은 약 87％까지 증대된다.
그리고, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합은, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비가 100％일 때 약 85％이며, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비가 약 10％까지 저하되면, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합은 약 70％로 된다.
이와 같이, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에서, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로부터 저하시켜 가면, 수전기(100B)의 수전 효율의 비율이 저하되고, 수전기(100A)의 수전 효율의 비율이 증대된다. 그리고, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합은, 80％ 전후의 값에서 크게 변동되지 않는다.
자계 공명을 사용한 전력 전송에서는, 자계 공명에 의해 송전기(10)로부터 수전기(100A 및 100B)로 송전되는 전력을 수전기(100A와 100B)에서 분배하고 있기 때문에, 듀티비가 변화해도, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합이 크게 변동되지 않는다.
마찬가지로, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에서, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로부터 저하시키면, 수전기(100A)의 수전 효율의 비율이 저하되고, 수전기(100B)의 수전 효율의 비율이 증대되게 된다. 그리고, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 합은, 80％ 전후의 값에서 크게 변동되지 않는다.
따라서, 수전기(100A 또는 100B)의 스위치(130A 또는 130B) 중 어느 한쪽을 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 조정하면, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율의 비율을 조정할 수 있다.
이상과 같이, 스위치(130A 또는 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 변화시키면, 수전기(100A 및 100B)의 2차측 공진 코일(110A 및 110B)의 수전 효율의 비율이 바뀐다.
이 때문에, 실시 형태 1에서는, 수전기(100A 및 100B)의 스위치(130A 및 130B)의 PWM 구동 패턴 중 어느 한쪽의 PWM 구동 패턴의 듀티비를 기준의 듀티비로부터 변경한다. 기준의 듀티비는, 예를 들어 100％이며, 이 경우에는 어느 듀티비를 100％ 미만의 적절한 값으로 설정한다.
이때, 스위치(130A 및 130B)의 어느 쪽의 PWM 구동 패턴의 듀티비를 기준의 듀티비로부터 변경할지는, 다음과 같이 판정한다.
우선, 배터리(220A)의 정격 출력을 2차측 공진 코일(110A)의 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값과, 배터리(220B)의 정격 출력을 2차측 공진 코일(110B)의 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값을 구한다.
그리고, 제1 값과 제2 값 중, 어느 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％ 미만의 적절한 값으로 설정한다.
정격 출력을 수전 효율로 제산하여 얻는 값은, 송전기(10)가 수전기(100A 또는 100B)에 송전하는 전력량(필요 송전량)을 나타낸다. 필요 송전량이란, 수전기(100A 또는 100B)가 잉여 전력도 부족 전력도 발생하지 않고 수전할 수 있도록, 송전기(10)로부터 송전하는 전력량이다.
따라서, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량을 감소시키면, 필요 송전량이 큰 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량을 늘릴 수 있다. 이 결과, 수전기(100A 및 100B)에 대한 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 어느 한쪽 수전기(100A 또는 100B)의 듀티비를 저감하면, 그 수전기(100A 또는 100B)의 수전 전력량이 저하된다. 또한, 어느 다른 쪽 수전기(100A 또는 100B)는, 듀티비가 고정된 상태에서, 수전 전력량이 증대된다.
이 때문에, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 저감하면, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량이 감소되고, 필요 송전량이 큰 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량을 늘릴 수 있다.
이와 같이 하여, 수전기(100A 및 100B)에 대한 전력 공급량의 밸런스를 개선하면 된다. 또한, 구체적인 듀티비의 설정 방법에 대해서는 후술한다.
또한, 이때, PWM 구동 패턴의 주파수는, 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수 이하의 주파수로 설정한다. 보다 바람직하게는, PWM 구동 패턴의 주파수는, 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수 미만의 주파수로 설정한다. 예를 들어, 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수보다 1자릿수 또는 2자릿수 정도 낮은 주파수로 PWM 구동 패턴의 주파수를 설정하면 된다.
이것은, PWM 구동 패턴의 주파수가 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수보다 높으면, 전파 정류된 전력의 1주기의 도중에서 스위치(130A 또는 130B)의 온/오프가 전환되게 되어, 전력량의 조정을 적절하게 행하지 못하게 될 우려가 있기 때문이다.
따라서, PWM 구동 패턴의 주파수는, 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수 이하의 주파수로 설정하는 것이 필요하다. 또한, 그 때, PWM 구동 패턴의 주파수를 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수보다 1자릿수 또는 2자릿수 정도 낮은 주파수로 설정하면, 전력량의 조정을 보다 적절하게 행할 수 있다.
예를 들어, 자계 공명으로 전송되는 교류 전력의 주파수가 6.78MHz인 경우에, PWM 구동 패턴의 주파수를 수백 kHz 정도로 설정하면 된다.
여기서, 도 8을 사용하여, PWM 구동 패턴의 듀티비와 수전 전력의 관계에 대하여 설명한다.
도 8은, 수전기(100)에 있어서의 PWM 구동 패턴의 듀티비와 수전 전력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8에는, 수전기(100)의 2차측 공진 코일(110), 커패시터(115), 정류 회로(120), 스위치(130), 평활 커패시터(140)를 간략화하여 도시함과 함께, 전력 파형 (1), (2), (3)을 나타낸다.
전력 파형 (1)은, 2차측 공진 코일(110)과 정류 회로(120)의 사이에서 얻어지는 전력의 파형을 나타낸다. 전력 파형 (2)는, 정류 회로(120)와 평활 커패시터(140)의 사이에서 얻어지는 전력의 파형을 나타낸다. 전력 파형 (3)은, 평활 커패시터(140)의 출력측에서 얻어지는 전력의 파형을 나타낸다.
또한, 여기서는, 교류 전원(1)이 출력하는 교류 전압의 주파수가 6.78MHz이고, 1차측 공진 코일(12)과 2차측 공진 코일(21)의 공진 주파수가 6.78MHz인 것으로 한다. 또한, PWM 구동 패턴의 PWM 펄스의 주파수가 300kHz이고, 듀티비가 50％인 것으로 한다.
수전기(100)는, 실제로는 도 4에 도시하는 바와 같이, 스위치(130)가 오프(오픈)된 상태에서는, 2차측 공진 코일(110)과 배터리(220)의 사이에서 루프를 형성하는 회로 구성을 갖는다.
이 때문에, 스위치(130)가 오프(오픈)인 동안은 루프 회로에 공진 전류가 흐르지만, 스위치(130)가 온(도통)인 동안은 루프 회로에 거의 전류는 흐르지 않는다.
전력 파형 (1)은, 2차측 공진 코일(110)로부터 정류 회로(120)로 공급되는 교류 전력이, 스위치(130)의 온/오프에 맞추어 단속적으로 흐르는 파형으로 된다.
전력 파형 (2)은, 정류 회로(120)에서 전파 정류된 전력이, 스위치(130)의 온/오프에 맞추어 단속적으로 흐르는 파형으로 된다.
전력 파형 (3)은, 정류 회로(120)에서 전파 정류되어, 평활 커패시터(140)에 공급되는 전력이 평활화된 직류 전력으로 된다. 전력 파형 (3)의 전압값은, 듀티비가 증대되면 높아지고, 듀티비가 감소되면 낮아진다.
이상과 같이, 구동 패턴의 듀티비를 조정함으로써, 평활 커패시터(140)로부터 출력되는 직류 전력의 전압값을 조정할 수 있다.
이어서, 듀티의 설정 방법에 대하여 설명한다.
자계 공명형 전력 전송을 행하는 경우에, PWM 구동 패턴의 듀티비를 변경하면, 듀티비의 변경 정도에 대하여 수전 효율의 변경 정도는 선형적으로는 변화하지 않는다.
예를 들어, 수전기(100A 및 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비가 100％인 경우에, 2차측 공진 코일(110A 및 110B)의 수전 효율이 각각 40％인 것으로 한다.
이 경우에, 수전기(100A)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 유지한 상태에서, 수전기(100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 71％로 저감하면, 2차측 공진 코일(110A 및 110B)의 수전 효율은 각각 50％ 및 25％로 된다.
이와 같이, PWM 구동 패턴의 듀티비의 변화 정도와, 수전 효율의 변경 정도는 비선형적인 관계에 있으므로, 듀티비와 수전 효율을 대응시킨 테이블 데이터를 작성해 두고, 원하는 수전 효율을 얻기 위한 듀티비를 선택하도록 하면 된다.
이어서, 도 9를 사용하여, 송전기(10)가 수전기(100A 및 100B)로부터 수전 효율과 정격 출력을 나타내는 데이터를 입수하는 방법에 대하여 설명한다.
도 9는, 송전기(10)와 수전기(100A 및 100B)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다. 이 태스크는 제어부(15, 150A 및 150B)(도 6 참조)에 의해 실행된다.
우선, 수전기(100A)는, 수전 전력을 나타내는 데이터를 송전기(10)에 송신한다(스텝 S1A). 마찬가지로, 수전기(100B)는, 수전 전력을 나타내는 데이터를 송전기(10)에 송신한다(스텝 S1B). 이에 의해, 송전기(10)는, 수전기(100A 및 100B)로부터 수전 전력을 나타내는 데이터를 수신한다(스텝 S1).
수전 전력을 나타내는 데이터의 송신은, 예를 들어 송전기(10)로부터의 리퀘스트에 따라, 제어부(150A 및 150B)가 안테나(170A 및 170B)를 통하여 행하도록 하면 된다. 또한, 수전 전력을 나타내는 데이터에는, 수전기(100A 및 100B)를 식별하는 식별자를 포함시키면 된다.
수전 전력을 나타내는 데이터는, 다음과 같이 하여 취득하면 된다. 우선, 송전기(10)로부터 수전기(100B)로 듀티비를 0％로 설정하는 신호를 무선 통신으로 송신함과 함께, 송전기(10)로부터 수전기(100A)로 듀티비를 100％로 설정하는 신호를 무선 통신으로 송신한다.
그리고, 송전기(10)로부터 자계 공명으로 소정의 전력을 수전기(100A)로 송전하고, 수전기(100A)에서 전력을 수전한다. 이때, 수전기(100A)에서 수신한 전력량을 나타내는 신호를 송전기(10)에 송신하면, 송전기(10)에서 수전기(100A)의 수전 효율을 측정할 수 있다. 또한, 이때, 수전기(100B)는, 듀티비가 0％임에 따라 오프의 상태(비동작 상태)로 된다.
또한, 수전기(100B)의 수전 효율을 측정하기 위해서는, 송전기(10)로부터 수전기(100A)로 듀티비를 0％로 설정하는 신호를 무선 통신으로 송신함과 함께, 송전기(10)로부터 수전기(100B)로 듀티비를 100％로 설정하는 신호를 무선 통신으로 송신한다. 송전기(10)로부터 자계 공명으로 소정의 전력을 수전기(100B)로 송전하고, 수전기(100B)에서 수신한 전력량을 나타내는 신호를 송전기(10)에 송신하면, 송전기(10)에서 수전기(100B)의 수전 효율을 측정할 수 있다.
이어서, 수전기(100A)는, 정격 출력을 나타내는 데이터를 송전기(10)에 송신한다(스텝 S2A). 마찬가지로, 수전기(100B)는, 정격 출력을 나타내는 데이터를 송전기(10)에 송신한다(스텝 S2B). 이에 의해, 송전기(10)는, 수전기(100A 및 100B)로부터 정격 출력을 나타내는 데이터를 수신한다(스텝 S2).
전자 기기(200A 및 200B)의 정격 출력을 나타내는 데이터는, 예를 들어 제어부(150A 및 150B)의 내부 메모리에 미리 저장해 두고, 수전 전력을 나타내는 데이터를 보낸 후에, 제어부(150A 및 150B)가 안테나(170A 및 170B)를 통하여 송전기(10)에 송신하도록 해 두면 된다.
이어서, 송전기(10)는, 수전기(100A)의 수전 효율을 나타내는 데이터 및 정격 출력을 나타내는 데이터와, 수전기(100B)의 수전 효율을 나타내는 데이터 및 정격 출력을 나타내는 데이터에 기초하여, 수전기(100A 및 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 연산한다(스텝 S3). 어느 한쪽의 듀티비는 기준의 듀티비(100％)이고, 다른 쪽의 듀티비는 100％ 미만의 최적화된 듀티비이다. 스텝 S3의 상세는, 도 13을 사용하여 후술한다.
이어서, 송전기(10)는, 듀티비를 나타내는 데이터를 수전기(100A 및 100B)에 송신한다(스텝 S4). 그리고, 수전기(100A 및 100B)는 듀티비를 수신한다(스텝 S4A 및 S4B).
여기서, 송전기(10)의 제어부(15)는, 듀티비를 연산한 후에, 안테나(16)를 통하여 듀티비를 나타내는 데이터를 수전기(100A 및 100B)에 송신하도록 설정되어 있다.
수전기(100A 및 100B)의 제어부(150A 및 150B)는, 듀티비를 PWM 구동 패턴에 설정한다(스텝 S5A 및 S5B).
송전기(10)는, 송전을 개시한다(스텝 S6). 스텝 S6의 처리는, 예를 들어 PWM 구동 패턴에 대한 듀티비의 설정을 제어부(150A 및 150B)가 완료하였음을 나타내는 통지가 송전기(10)에 대하여 이루어졌을 때 실행하면 된다.
여기서, 도 10 및 도 11을 사용하여, 수전기(100A 및 100B)의 수전 효율을 나타내는 데이터의 취득 방법에 대하여 설명한다.
도 10은, 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)의 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 10에 도시하는 등가 회로는, 도 6에 도시하는 송전 장치(80)와 전자 기기(200A 및 200B)에 대응하고 있다. 단, 여기서는, 송전 장치(80)는, 1차측 코일(11)을 포함하지 않고, 교류 전원(1)에 1차측 공진 코일(12)이 직접 접속되어 있는 것으로서 설명한다. 또한, 수전기(100A 및 100B)는, 각각 전압계(155A 및 155B)를 포함한다.
도 10에서는, 2차측 공진 코일(110A)은 코일 LRA와 저항기 RRA이고, 커패시터(115A)는 커패시터 CRA이다. 또한, 평활 커패시터(140A)는 커패시터 CSA이고, DC-DC 컨버터(210A)와 배터리(220A)는 저항기 RLA이다.
마찬가지로, 2차측 공진 코일(110B)은 코일 LRB와 저항기 RRB이고, 커패시터(115B)는 커패시터 CRB이다. 또한, 평활 커패시터(140B)는 커패시터 CSB이고, DC-DC 컨버터(210B)와 배터리(220B)는 저항기 RLB이다.
또한, 송전 장치(80)의 공진 코일(12)은 저항기 RT와 코일 LT이고, 교류 전원(1)은 전원 VS와 저항기 RS이다. 또한, 커패시터(14)는 커패시터 CT이다.
송전 장치(80)와 전자 기기(200A)의 상호 인덕턴스를 MTA, 송전 장치(80)와 전자 기기(200B)의 상호 인덕턴스를 MTB, 전자 기기(200A와 200B)와의 상호 인덕턴스를 MAB라고 한다.
여기서, 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB에 비하면, 상호 인덕턴스 MAB는 무시할 수 있을 만큼 작으므로, 여기서는 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB에 대하여 검토한다.
상호 인덕턴스 MTA는, 송전 장치(80)와, 전자 기기(200A)의 수전기(100A)와의 수전 효율에 의해 결정된다. 수전 효율은, 송전 장치(80)에 대한 수전기(100A)의 위치(거리)와 자세(각도)에 의해 결정되기 때문이다. 마찬가지로, 상호 인덕턴스 MTB는, 송전 장치(80)와, 전자 기기(200B)의 수전기(100B)와의 수전 효율에 의해 결정된다.
수전기(100A)의 수전 효율은, 수전기(100B)를 오프로 한 상태에서, 송전기(10)로부터 수전기(100A)로 전력을 송전하고, 수전기(100A)가 수전한 전력량을 계측함으로써 구할 수 있다. 마찬가지로, 수전기(100B)의 수전 효율은, 수전기(100A)를 오프로 한 상태에서, 송전기(10)로부터 수전기(100B)로 전력을 송전하고, 수전기(100B)가 수전한 전력량을 계측함으로써 구할 수 있다.
따라서, 수전기(100A와 100B)의 단독에서의 수전 효율을 구하면, 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB를 구할 수 있다.
실시 형태 1에서는, 수전기(100A 및 100B)의 2차측 공진 코일(110A 및 110B)의 수전 효율의 비율을 바꾸기 위해, 스위치(130A 또는 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 변화시킨다.
이 때문에, 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB의 관계에 대하여, 듀티비를 관련지은 테이블 데이터를 미리 준비해 두고, 이러한 테이블 데이터를 사용하여, PWM 구동 패턴의 듀티비를 조정한다.
도 11은, 상호 인덕턴스 MTA와 상호 인덕턴스 MTB의 관계에 대하여, 듀티비를 관련지은 테이블 데이터를 도시하는 도면이다.
도 11의 (A)는, 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에서, 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 조정하기 위한 테이블 데이터이다.
상호 인덕턴스 MTA1, MTA2, MTA3…은, 실제로는 구체적인 상호 인덕턴스 MTA의 값을 취한다. 마찬가지로, 상호 인덕턴스 MTB1, MTB2, MTB3…은, 실제로는 구체적인 상호 인덕턴스 MTB의 값을 취한다. 듀티비 duty1A, duty2A, duty3A, …, duty11A, duty12A, duty13A, …은, 구체적으로는 실험적으로 구해진 구체적인 듀티비의 값을 취한다.
도 11의 (B)는, 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 고정한 상태에서, 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 조정하기 위한 테이블 데이터이다.
상호 인덕턴스 MTA1, MTA2, MTA3…과, 상호 인덕턴스 MTB1, MTB2, MTB3…은, 도 11의 (A)와 마찬가지이다. 듀티비 duty1B, duty2B, duty3B, …, duty11B, duty12B, duty13B, …은, 구체적으로는 실험적으로 구해진 구체적인 듀티비의 값을 취한다.
도 11의 (A) 및 (B)에 도시하는 테이블 데이터는, 수전기(100A와 100B)의 송전기(10)에 대한 위치 및 자세를 다양하게 바꾼 상태에서, 상호 인덕턴스 MTA와 MTB를 계측하면서, 듀티비의 최적화를 도모함으로써 작성할 수 있다.
도 12는, 상호 인덕턴스 MTA, MTB와 수전 효율을 관련지은 테이블 데이터이다. 도 12의 (A)는, 상호 인덕턴스 MTA와 수전기(100A)의 수전 효율을 관련지은 테이블 데이터이고, 도 12의 (B)는, 상호 인덕턴스 MTB와 수전기(100B)의 수전 효율을 관련지은 테이블 데이터이다.
상호 인덕턴스 MTA, MTB는, 각각 송전 장치(80)와 수전기(100A, 100B)의 수전 효율 EA, EB에 의해 결정된다.
도 12의 (A)에서는, 상호 인덕턴스 MTA1, MTA2, …과, 수전기(100A)의 수전 효율 EA1, EA2, …이 관련지어져 있다. 또한, 도 12의 (B)에서는, 상호 인덕턴스 MTB1, MTB2, …과, 수전기(100B)의 수전 효율 EB1, EB2, …이 관련지어져 있다.
미리 실험 등으로 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB와 수전 효율을 측정해 두고, 도 12의 (A), (B)에 도시하는 바와 같은 테이블 데이터를 작성해 두면, 수전기(100A, 100B)의 수전 효율로부터, 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB를 구할 수 있다. 혹은 시뮬레이션에 의해, 수전기(100A, 100B)의 수전 효율로부터, 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB를 구해도 된다.
이어서, 도 13을 사용하여, 듀티비의 설정 방법에 대하여 설명한다.
도 13은, 실시 형태 1의 송전기(10)가 수전기(100A 또는 100B)의 듀티비를 설정하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 이 플로우는, 송전기(10)의 제어부(15)에 의해 실행되는 처리를 나타내고, 도 9의 스텝 S3의 처리 내용의 상세를 나타내는 것이다.
제어부(15)는, 수전기(100A 및 100B)로부터 수전 전력을 나타내는 신호를 수신하여 수전 효율을 구하고, 수전기(100A 및 100B)로부터 정격 출력을 나타내는 신호를 수신하여 스텝 S3으로 진행하면, 도 13에 도시하는 처리를 개시한다.
제어부(15)는, 배터리(220A)의 정격 출력을 2차측 공진 코일(110A)의 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값과, 배터리(220B)의 정격 출력을 2차측 공진 코일(110B)의 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값을 구하여, 제1 값이 제2 값보다 큰지 여부를 판정한다(스텝 S31).
제어부(15)는, 제1 값이 제2 값보다 크다고(S31: "예") 판정하면, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 설정한다(스텝 S31A).
이어서, 제어부(15)는, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 설정한다(스텝 S32A). 구체적으로는, 제어부(15)는, 도 12의 (A) 및 (B)에 도시하는 테이블 데이터에 기초하여, 각각 수전기(100A, 100B)의 수전 효율 EA, EB로부터 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB를 구한다. 그리고, 제어부(15)는, 도 11의 (B)에 도시하는 테이블 데이터로부터, 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB에 기초하여, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 구한다.
스텝 S32A의 처리가 종료되면, 제어부(15)는 플로우를 스텝 S4(도 9 참조)로 진행한다.
또한, 제어부(15)는, 제1 값이 제2 값보다 작다고(S31: "아니오") 판정하면, 수전기(100B)의 스위치(130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 100％로 설정한다(스텝 S31B).
이어서, 제어부(15)는, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 설정한다(스텝 S32B). 구체적으로는, 제어부(15)는, 도 12의 (A) 및 (B)에 도시하는 테이블 데이터에 기초하여, 각각 수전기(100A, 100B)의 수전 효율 EA, EB로부터 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB를 구한다. 그리고, 제어부(15)는, 도 11의 (A)에 도시하는 테이블 데이터로부터, 수전기(100A, 100B)의 상호 인덕턴스 MTA, MTB에 기초하여, 수전기(100A)의 스위치(130A)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 구한다.
스텝 S32B의 처리가 종료되면, 제어부(15)는 플로우를 스텝 S4(도 9 참조)로 진행한다.
이상과 같이 하여, 제어부(15)는, 수전기(100A, 100B)의 스위치(130A, 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 설정한다.
이상, 실시 형태 1에 따르면, 수전기(100A 및 100B)의 2차측 공진 코일(110A 및 110B)의 수전 효율과, 전자 기기(200A 및 200B)의 정격 출력에 의해, 수전기(100A 및 100B)에 대한 필요 송전량을 구한다.
그리고, 수전기(100A 및 100B) 중, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 감소시킨다.
이 결과, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 저감하면, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량이 감소되고, 필요 송전량이 큰 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대한 전력 공급량을 늘릴 수 있다.
이와 같이 하여, 수전기(100A 및 100B)에 대한 전력 공급량의 밸런스를 개선한다.
따라서, 실시 형태 1에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 수전기(100A 또는 100B)를 제공할 수 있다. 또한, 실시 형태 1에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 전력 전송 시스템(500)을 제공할 수 있다.
또한, 이상에서는, 2개의 수전기(100A 및 100B) 중, 필요 송전량이 작은 쪽의 수전기(100A 또는 100B)에 대응하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 저감함으로써 수전기(100A 및 100B)에 대한 전력 공급량의 밸런스를 개선하는 형태에 대하여 설명하였다.
그러나, 3개 이상의 수전기가 동시에 충전되는 경우도 있다. 이러한 경우에는, 필요 전력량, 즉 각 정격 전력을 각 수전 효율로 제산하여 얻는 전력량이 최대인 수전기 이외의 수전기의 PWM 구동 패턴의 듀티비를 저감하도록 하면 된다.
또한, 이상에서는, 전자 기기(200A 및 200B)가, 일례로서, 태블릿 컴퓨터 또는 스마트폰 등의 단말기인 형태에 대하여 설명하였지만, 전자 기기(200A 및 200B)는, 예를 들어 노트북형 PC(Personal Computer), 휴대 전화 단말기, 휴대형 게임기, 디지털 카메라, 비디오 카메라 등의 충전식 배터리를 내장하는 전자 기기여도 된다.
또한, 이상에서는, 수전기(100A 및 100B)가 배터리(220A 및 220B)를 동시에 충전하는 형태에 대하여 설명하였다. 그러나, 전자 기기(200A 및 200B)는, 배터리(220A 및 220B)를 포함하지 않고, 수전기(100A 및 100B)가 수전한 전력을 직접적으로 소비하여 동작해도 된다. 수전기(100A 및 100B)는, 동시에 효율적으로 수전할 수 있으므로, 전자 기기(200A 및 200B)가 배터리(220A 및 220B)를 포함하지 않는 경우라도, 전자 기기(200A 및 200B)가 동시에 구동하는 것이 가능하게 된다. 이것은 시분할적으로 수전하는 경우에는 불가능하기 때문에, 동시에 수전하는 경우의 장점 중 하나이다. 또한, 이러한 경우에는, 전자 기기(200A 및 200B)의 구동에 필요한 정격 출력을 사용하여, 듀티비를 설정하면 된다.
<실시 형태 2>
도 14는, 실시 형태 2의 수전기(101)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다. 송전 장치(80)는, 도 4에 도시하는 것과 마찬가지이다.
수전기(101)는, 실시 형태 1의 수전기(100)(도 4 참조)에, 스위치(180)와 더미 저항기(190)와 전압계(190V)를 추가한 구성을 갖는다. 그 밖의 구성은, 수전기(100)와 마찬가지이기 때문에, 마찬가지의 구성 요소에는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
스위치(180)는, 3개의 단자(181, 182, 183)를 갖는 스위치이다. 단자(181, 182, 183)는, 각각 정류 회로(120)의 고전압측(도면 중 상측) 출력 단자, 더미 저항기(190)의 상측 단자 및 평활 커패시터(140)의 상측 단자에 접속되어 있다.
스위치(180)는, 제어부(150)에 의해 구동되고, 단자(181)의 접속처를 단자(182 및 183) 중 어느 한쪽으로 전환한다. 즉, 스위치(180)는, 정류 회로(120)의 고전압측(도면 중 상측) 출력 단자의 접속처를, 더미 저항기(190)의 상측 단자 및 평활 커패시터(140)의 상측 단자 중 어느 한쪽으로 전환한다.
더미 저항기(190)는, 평활 커패시터(140)의 하측 단자와 출력 단자(160B)를 연결하는 저전압측 선로와, 스위치(180)의 단자(182)의 사이에 접속되어 있다. 더미 저항기(190)는, 배터리(220)의 임피던스와 동등한 임피던스를 갖는 저항기이다. 더미 저항기(190)에는, 전압계(190V)가 병렬로 접속되어 있다.
더미 저항기(190)는, 수전기(101)의 수전 효율을 측정할 때, 배터리(220) 대신 사용하기 위해 설치되어 있다. 배터리(220)를 충전하여 수전 효율을 측정하기보다, 배터리(220)와 동일한 임피던스(저항값)를 갖는 더미 저항기(190)에 전류를 흘려 수전 효율을 측정하는 편이, 적은 전력 소비로 실현 가능하기 때문이다.
또한, 수전 전력은, 제어부(150)가, 전압계(190V)로 측정되는 전압 V와, 더미 저항기(190)의 저항값 R에 기초하여 구하면 된다. 수전 전력 P는 P=V2/R에 의해 구해진다.
실시 형태 2의 수전기(101)는, 더미 저항기(190)를 사용하여 측정한 수전 효율을 사용하여, 수전기(101)의 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 결정한다.
또한, 스위치(180)는, 정류 회로(120)와 평활 커패시터(140)의 사이에 있어서, 평활 커패시터(140)의 하측 단자와 출력 단자(160B)를 연결하는 저전압측 선로에 삽입되어 있어도 된다. 이 경우에는, 더미 저항기(190)가, 평활 커패시터(140)의 상측 단자와 출력 단자(160A)를 연결하는 고전압측 선로와, 스위치(180)의 사이에 접속되어 있으면 된다.
이하에서는, 수전 전력, 정격 출력, 듀티비 등을 나타내는 데이터는, 수전기(101A 및 101B)의 제어부(150A 및 150B)와, 수신기(10)의 제어부(15)의 사이에서 통신된다. 제어부(150A 및 150B)와 제어부(15)의 사이의 통신은, 안테나(170A 및 170B)와 안테나(16)의 사이에서 행해진다(도 6 참조).
도 15 내지 도 17은, 실시 형태 2의 수전기(101A, 101B)와 송전기(10)가 듀티비를 설정하기 위해 실행하는 처리를 도시하는 태스크도이다.
수전기(101A, 101B)는, 도 14에 도시하는 수전기(101)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 또한, 수전기(101A, 101B)는, 각각 도 6에 도시하는 실시 형태 1의 수전기(100A, 100B)와 마찬가지로, 하나의 송전기(10)로부터 송전되는 전력을 수전한다. 여기서는, 2개의 수전기(101)를 구별하기 위해, 수전기(101A, 101B)라고 칭한다.
또한, 수전기(101A)는, 2차측 공진 코일(110A), 커패시터(115A), 정류 회로(120A), 스위치(130A), 평활 커패시터(140A), 제어부(150A), 스위치(180A), 더미 저항기(190A)를 포함하고, DC-DC 컨버터(210A) 및 배터리(220A)(도 6 참조)가 접속되는 것으로서 설명한다.
마찬가지로, 수전기(101B)는, 2차측 공진 코일(110B), 커패시터(115B), 정류 회로(120B), 스위치(130B), 평활 커패시터(140B), 제어부(150B), 스위치(180B), 더미 저항기(190B)를 포함하고, DC-DC 컨버터(210B) 및 배터리(220B)(도 6 참조)가 접속되는 것으로서 설명한다.
또한, 도 15 내지 도 17에 도시하는 처리는, 송전기(10)의 제어부(15)(도 14 참조)와, 수전기(101A, 101B)의 제어부(150)(도 14 참조)가 실행하지만, 이하에서는 송전기(10), 수전기(101A, 101B)가 처리를 행하는 것으로서 설명한다.
송전기(10)와 수전기(101A, 101B)는, 전력 전송의 준비를 개시한다(스타트). 전력 전송의 준비는, 예를 들어 송전기(10)와 수전기(101A, 101B)를 소정의 준비 모드로 설정하고, 수전기(101A, 101B)로부터 송전기(10)에 대하여, 송전을 요구하는 통지를 행함으로써 개시된다.
여기서, 수전기(101A)의 스위치(130A)와 수전기(101B)의 스위치(130B)는, 특별히 제어되지 않는 한, 온(도통)으로 된다. 스위치(130A 및 130B)가 온인 상태에서는, 수전기(101A 및 101B)에는 자계 공명에 의한 공진은 발생하지 않는(공진이 오프인) 상태로 된다.
우선, 송전기(10)는, 수전기(101A)에 테스트 송전 통지를 송신한다(스텝 S111). 여기서, 수전기(101B)보다 수전기(101A) 쪽이 빠르게 송전기(10)에 대하여 송전 요구의 통지를 행한 것으로 한다. 송전기(10)는, 스텝 S111에 있어서, 가장 빨리 송전 요구의 통지를 행한 수전기(101A)에 대하여, 테스트 송전 통지를 송신한다. 또한, 송전기(10)는, 수전기(101A, 101B)를 식별하는 식별자 등을 사용하여, 수전기(101A, 101B)를 식별한다.
수전기(101A)는, 테스트 송전 통지를 송전기(10)로부터 수신하였는지 여부를 판정한다(스텝 S112A). 또한, 수전기(101A)는, 테스트 송전 통지를 송전기(10)로부터 수신할 때까지 스텝 S112A의 처리를 반복하여 실행한다.
수전기(101A)는, 스위치(130A)를 듀티비 100％로 오프로 하고, 스위치(180A)의 접속처를 더미 저항기(190A)로 전환한다(스텝 S113A). 듀티비 100％로 오프란, 스위치(130A)가 PWM 구동 패턴의 1주기 동안에 있어서 연속적으로 완전히 오프인 상태로 되는 것을 말한다. 또한, 스위치(130A)가 오프인 상태는, 수전기(101A)가 수전하면, 자계 공명에 의한 공진이 발생할 수 있는 상태이다. 수전기(101A)는, 스텝 S113A의 처리가 종료되면, 종료되었다는 취지를 송전기(10)에 통지한다.
송전기(10)는, 테스트 송전을 개시한다(스텝 S114). 이에 의해, 수전기(101A)의 수전이 개시된다.
수전기(101A)는, 송전기(10)로부터 수전한 전력을 나타내는 수전 전력과 배터리(220A)의 정격 출력을 송전기(10)에 통지하고, 스위치(130A)를 온으로 한다(스텝 S115A). 스위치(130A)가 온으로 되면, 수전기(101A)는, 수전해도 자계 공명에 의한 공진이 발생하지 않는 상태로 된다. 즉, 공진이 오프인 상태로 된다. 스위치(130A)를 온으로 하여 공진을 오프로 한 상태는, 수전기(101B)가 송전기(10)로부터 수전하여 수전 효율을 측정할 때, 영향을 주지 않는 상태이다.
송전기(10)는, 수전기(101A)로부터 송신되는 수전 전력과 배터리(220A)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 수신하고, 수전기(101A)의 수전 전력과 정격 출력을 검지한다(스텝 S116).
이어서, 송전기(10)는, 수전기(101B)에 테스트 송전 통지를 송신한다(스텝 S117).
수전기(101B)는, 테스트 송전 통지를 송전기(10)로부터 수신하였는지 여부를 판정한다(스텝 S112B). 또한, 수전기(101B)는, 테스트 송전 통지를 송전기(10)로부터 수신할 때까지 스텝 S112B의 처리를 반복하여 실행한다.
수전기(101B)는, 스위치(130B)를 듀티비 100％로 오프로 하고, 스위치(180B)의 접속처를 더미 저항기(190B)로 전환한다(스텝 S113B). 듀티비 100％로 오프란, 스위치(130B)가 PWM 구동 패턴의 1주기 동안에 있어서 연속적으로 완전히 오프인 상태로 되는 것을 말한다. 또한, 스위치(130B)가 오프인 상태는, 수전기(101B)가 수전하면, 자계 공명에 의한 공진이 발생할 수 있는 상태이다. 수전기(101B)는, 스텝 S113B의 처리가 종료되면, 종료되었다는 취지를 송전기(10)에 통지한다.
송전기(10)는, 테스트 송전을 개시한다(스텝 S118). 이에 의해, 수전기(101B)의 수전이 개시된다.
수전기(101B)는, 송전기(10)로부터 수전한 전력을 나타내는 수전 전력과 배터리(220B)의 정격 출력을 송전기(10)에 통지하고, 스위치(130B)를 온으로 한다(스텝 S115B). 스위치(130B)가 온으로 되면, 수전기(101B)는, 수전해도 자계 공명에 의한 공진이 발생하지 않는 상태로 된다. 즉, 공진이 오프인 상태로 된다.
송전기(10)는, 수전기(101B)로부터 송신되는 수전 전력과 배터리(220B)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 수신하고, 수전기(101B)의 수전 전력과 정격 출력을 검지한다(스텝 S119).
이상으로 도 15에 도시하는 처리가 종료된다. 또한, 도 15에 도시하는 처리의 (1), (1A), (1B)는, 각각 도 16에 도시하는 (1), (1A), (1B)에 계속된다.
송전기(10)는, 수전기(101A 및 101B)로부터 수신한 수전 전력과 배터리(220A 및 220B)의 정격 출력을 나타내는 데이터를 사용하여, 수전기(101A, 101B)의 스위치(130A, 130B)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 결정하고, 듀티비를 수전기(101A 및 101B)에 통지한다(스텝 S121). 듀티비는, 실시 형태 1과 마찬가지의 방법으로 결정하면 된다.
수전기(101A)는, 송전기(10)로부터 수신한 듀티비를 사용하여 스위치(130A)를 구동한다(스텝 S122A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 송전기(10)로부터 수신한 듀티비를 사용하여 스위치(130B)를 구동한다(스텝 S122B).
송전기(10)는, 테스트 송전을 개시한다(스텝 S123). 이 테스트 송전은, 스텝 S114 및 S118의 테스트 송전과는 달리, 수전기(101A 및 101B)의 양쪽에 대하여 동시에 송전을 행하는 테스트이다. 수전기(101A 및 101B)는, 동시에 수전하는 상태에서, 각각 수전 전력을 계측한다.
수전기(101A)는, 송전기(10)로부터 수전한 전력을 나타내는 수전 전력을 송전기(10)에 통지하고, 스위치(130A)를 온으로 한다(스텝 S124A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 송전기(10)로부터 수전한 전력을 나타내는 수전 전력을 송전기(10)에 통지하고, 스위치(130B)를 온으로 한다(스텝 S124B).
송전기(10)는, 수전기(101A 및 101B)로부터 송신되는 수전 전력을 나타내는 데이터를 수신하고, 수전기(101A 및 101B)의 수전 전력을 검지한다(스텝 S125).
송전기(10)는, 스텝 S125에서 수신한 수전기(101A 및 101B)의 수전 전력이 목표 범위 내인지 여부를 판정한다(스텝 S126).
여기서, 수전 전력의 목표 범위란, 예를 들어 수전기(101A 및 101B)의 정격 출력의 50％의 전력을 하한값으로 하고, 수전기(101A 및 101B)의 정격 출력의 130％를 상한으로 하는 범위로서 설정한다.
이러한 수전 전력의 목표 범위는, 송전기(10)의 제어부(15)가 스텝 S116 및 S119에서 수전기(101A 및 101B)로부터 수신하는 배터리(220A 및 220B)의 정격 출력에 기초하여 설정하면 된다. 이러한 수전 전력의 목표 범위는, 수전기(101A 및 101B)의 수전 밸런스를 좋게 하기 위해 사용하는 것이다.
송전기(10)는, 스텝 S126에 있어서, 수전 전력의 비율이 목표 범위 내가 아니라고 판정하면(S126: "아니오"), 플로우를 스텝 S121로 리턴한다. 듀티비를 다시 조정하여, 수전 효율이 목표 범위 내에 수렴되는지 여부를 확인하기 위함이다. 또한, 스텝 S121로 리턴하여 듀티비를 재설정할 때에는, 송전기(10)는, 수전기(101A 및 101B) 중, 수전 전력이 목표 범위의 하한 이하였던 수전기의 듀티비를 올리도록 하면 되고, 수전 전력이 목표 범위의 상한 이상이었던 수전기의 듀티비를 낮추도록 하면 된다.
이상으로 도 16에 도시하는 처리가 종료된다. 또한, 도 16에 도시하는 처리의 (2), (2A), (2B)는, 각각 도 17에 도시하는 (2), (2A), (2B)에 계속된다.
송전기(10)는, 수전 전력이 목표 범위 내에 있다고 판정하면(S126: "예"), 본 송전을 행함을 나타내는 본 송전 통지를 수전기(101A 및 101B)에 송신한다(스텝 S131). 본 송전이란, 테스트 송전과는 달리, 실제로 수전기(101A 및 101B)를 충전하기 위해 송전을 행하는 것을 말한다. 본 송전 통지란, 본 송전을 행함을 송전기(10)가 수전기(101A 및 101B)에 알리기 위한 통지를 말한다.
수전기(101A)는, 송전기(10)로부터 본 송전 통지를 수신하였는지 여부를 판정한다(스텝 S132A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 송전기(10)로부터 본 송전 통지를 수신하였는지 여부를 판정한다(스텝 S132B).
또한, 수전기(101A 및 101B)는, 본 송전 통지를 수신하지 않은 경우에는, 각각 플로우를 스텝 S122A 및 S122B로 리턴한다. 스텝 S126에 있어서, 수전 전력이 목표 범위 내에 없다고 송전기(10)에 의해 판정된 경우에 상당하기 때문에, 송전기(10)가 스텝 S121로 리턴하여 수전기(101A 및 101B)에 송신하는 듀티비를 사용하여 스위치(130A 및 130B)를 구동하기 위함이다.
수전기(101A)는, 송전기(10)로부터 본 송전 통지를 수신하였다고 판정하면(S132A: "예"), 스위치(180A)의 접속처를 배터리(220A)로 전환하고, 전환하였음을 송전기(10)에 통지한다(스텝 S133A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 송전기(10)로부터 본 송전 통지를 수신하였다고 판정하면(S132B: "예"), 스위치(180B)의 접속처를 배터리(220B)로 전환하고, 전환하였음을 송전기(10)에 통지한다(스텝 S133B).
송전기(10)는, 본 송전을 개시한다(스텝 S134).
수전기(101A)는, 배터리(220A)가 만충전으로 되었는지, 또는 이용자에 의한 충전의 정지 조작이 있는지 여부를 판정한다(스텝 S135A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 배터리(220B)가 만충전으로 되었는지, 또는 이용자에 의한 충전의 정지 조작이 있는지 여부를 판정한다(스텝 S135B).
수전기(101A)는, 만충전, 또는 충전의 정지 조작 중 어느 것도 아니라고 판정하면(S135A: "아니오"), 듀티비의 재조정이 필요한지 여부를 판정한다(스텝 S136A).
예를 들어, 수전기(101B)가 만충전, 또는 충전의 정지 조작에 의해 충전되지 않은 상태로 된 경우에는, 수전기(101A)의 듀티비를 재조정할 필요가 생긴다. 따라서, 송전기(10)가 후술하는 스텝 S139에 있어서, 수전기(101B)의 충전이 완료되었거나, 또는 충전이 정지되었다고 판정하여, 수전기(101A)가 송전기(10)로부터 수전기(101B)의 충전이 완료, 또는 충전 정지에 대한 통지를 수신한 경우에, 수전기(101A)는, 듀티비의 재조정이 필요하다고 판정한다.
수전기(101B)는, 만충전, 또는 충전의 정지 조작 중 어느 것도 아니라고 판정하면(S135B: "아니오"), 듀티비의 재조정이 필요한지 여부를 판정한다(스텝 S136B).
예를 들어, 수전기(101A)가 만충전, 또는 충전의 정지 조작에 의해 충전되지 않은 상태로 된 경우에는, 수전기(101B)의 듀티비를 재조정할 필요가 생긴다. 따라서, 송전기(10)가 후술하는 스텝 S139에 있어서, 수전기(101A)의 충전이 완료되었거나, 또는 충전이 정지되었다고 판정하여, 수전기(101B)가 송전기(10)로부터 수전기(101A)의 충전이 완료, 또는 충전 정지에 대한 통지를 수신한 경우에, 수전기(101B)는, 듀티비의 재조정이 필요하다고 판정한다.
수전기(101A)는, 배터리(220A)의 만충전, 또는 충전의 정지 조작이 있었다고 판정하면(S135A: "예"), 충전 완료 또는 정지 조작이 있었음을 송전기(10)에 통지한다. 이에 의해, 수전기(101A)는 처리를 종료한다.
마찬가지로, 수전기(101B)는, 배터리(220B)의 만충전, 또는 충전의 정지 조작이 있었다고 판정하면(S135B: "예"), 충전 완료 또는 정지 조작이 있었음을 송전기(10)에 통지한다. 이에 의해, 수전기(101A)는 처리를 종료한다.
송전기(10)는, 수전기(101A 또는 101B)에 있어서, 충전 완료, 또는 정지 조작이 있었는지 여부를 판정한다(스텝 S137). 송전기(10)는, 수전기(101A 또는 101B)로부터의 충전 완료, 또는 정지 조작을 나타내는 통지의 유무에 기초하여, 스텝 S137의 판정을 행한다. 또한, 스텝 S137의 판정은, 수전기(101A 또는 101B)로부터의 충전 완료, 또는 정지 조작을 나타내는 통지가 있을 때까지 반복 실행된다.
수전기(101A)는, 배터리(220A)의 만충전, 또는 충전의 정지 조작을 행하였음을 송전기(10)에 통지하면, 스위치(130A)의 구동을 정지한다(스텝 S138A). 마찬가지로, 수전기(101B)는, 배터리(220B)의 만충전, 또는 충전의 정지 조작을 행하였음을 송전기(10)에 통지하면, 스위치(130B)의 구동을 정지한다(스텝 S138B).
송전기(10)는, 수전기(101A 또는 101B)로부터의 충전 완료(만충전), 또는 정지 조작을 나타내는 통지가 있었다고(S137: "예") 판정하면, 수전기(101A 및 101B) 양쪽의 충전이 완료되었는지, 또는 충전이 정지되었는지 여부를 판정한다(스텝 S139). 수전기(101A 및 101B) 중 한쪽의 충전이 완료 또는 정지되지 않았으면, 계속해서 송전할 필요가 있기 때문이다.
송전기(10)는, 수전기(101A 및 101B) 중 한쪽의 충전이 완료 또는 정지되지 않았다고 판정하면(S139: "아니오"), 플로우를 스텝 S121로 리턴한다. 다시 듀티비를 설정하여 송전을 행하기 위함이다.
또한, 송전기(10)는, 수전기(101A)의 충전이 완료되었거나, 또는 충전이 정지되었다고 판정한 경우에는, 수전기(101A)의 충전이 완료, 또는 충전이 정지되었음을 수전기(101B)에 통지한다. 마찬가지로, 송전기(10)는, 수전기(101B)의 충전이 완료되었거나, 또는 충전이 정지되었다고 판정한 경우에는, 수전기(101B)의 충전이 완료, 또는 충전이 정지되었음을 수전기(101A)에 통지한다.
송전기(10)는, 수전기(101A 및 101B) 양쪽의 충전이 완료되었거나, 또는 충전이 정지되었다고 판정하면(S139: "예"), 처리를 종료한다.
이상에 의해, 송전기(10)에 의한 수전기(101A 및 101B)에 대한 송전 처리가 종료된다.
또한, 이상에서는, 2개의 수전기(101A 및 101B)가 송전기(10)로부터 수전하는 경우에 듀티비를 결정하는 형태에 대하여 설명하였지만, 3개 이상의 수전기가 송전기(10)로부터 수전하는 경우도 마찬가지로 듀티비를 결정할 수 있다. 예를 들어, 수전기가 3개 있는 경우에는, 스텝 S115B가 종료된 후에, 스텝 S111, S112A, S113A, S114, S115A 및 S116과 동일한 스텝을 3개째의 수전기에 대하여 행함으로써, 송전기(10)가 3개째 수전기의 수전 전력과 정격 출력을 입수하면 된다.
그리고, 3개의 수전기의 듀티비를 결정하고, 수전 전력이 목표 범위 내인지 여부를 판정한 후에, 본 송전을 행하도록 하면 된다. 이것은, 수전기가 4개 이상 있는 경우에도 마찬가지이다.
이상, 실시 형태 2에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 수전기(101A 또는 101B)를 제공할 수 있다. 또한, 실시 형태 2에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시 형태 2에서는, 수전기(101A 및 101B)의 듀티비를 결정할 때, 스텝 S121 내지 S126에 의한 테스트 송전의 처리를 행한다. 그리고, 테스트 송전 결과, 수전기(101A 및 101B)의 수전 전력이 목표 범위 내에 없는 경우에는, 듀티비를 재조정하여, 보다 수전 밸런스를 개선할 수 있는 듀티비를 구한다.
따라서, 실시 형태 2에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 보다 개선한 수전기(101A 또는 101B)를 제공할 수 있다.
<실시 형태 3>
도 18은, 실시 형태 3에 있어서의 송전기(10)와 N개의 수전기(101-1, 101-2, …, 101-N)를 도시하는 도면이다. 도 19는, 실시 형태 3에 따른 듀티비와 송전 출력 P의 결정 처리를 도시하는 흐름도이다. 도 20은, 실시 형태 3에서 사용하는 테이블 형식의 데이터를 도시하는 도면이다.
실시 형태 3에서는, 하나의 송전기(10)로부터 N개의 수전기(101-1, 101-2, …, 101-N)로 전력을 전송하는 경우에, 수전기(101-1 내지 101-N)의 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 결정하는 방법에 대하여 설명한다.
여기서, N은 임의의 정수이며, 2 이상의 정수이면 된다.
수전기(101-1 내지 101-N)의 각각은, 실시 형태 2의 수전기(101A 및 101B)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 또한, 수전기(101-1 내지 101-N)에는, 각각 DC-DC 컨버터(210)와 배터리(220)가 접속되는 것으로서 설명한다.
이하에서는, 수전 전력, 듀티비 등을 나타내는 데이터는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 제어부(150)와, 수신기(10)의 제어부(15)의 사이에서 통신된다. 제어부(150)와 제어부(15)의 사이의 통신은, 안테나(170)와 안테나(16)의 사이에서 행해진다(도 6 참조).
실시 형태 3에서는, 구체적으로는, 이하와 같은 수순으로 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 포함되는 스위치(130)를 구동하는 PWM 구동 패턴의 듀티비를 결정한다.
우선, 송전기(10)는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에, 개별적으로 전력 P0을 송전한다(스텝 S201). 또한, 수전기(101-1 내지 101-N)는, 각각 전력 P0을 수전하면, 수전 전력 PK(K=1 내지 N)와, 배터리(220)의 정격 출력 PBK(K=1 내지 N)를 나타내는 데이터를 송전기(10)에 송신한다.
이어서, 송전기(10)는, 수전 전력 PK(K=1 내지 N)와, 배터리(220)의 정격 출력 PBK(K=1 내지 N)를 나타내는 데이터를 수신한다(스텝 S202).
수전 전력 PK는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 내부에서, 스위치(180)를 더미 저항기(190)에 접속시켜 측정된다. 정격 출력 PBK는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 접속되는 배터리(220)의 정격 출력이다. 배터리(220)의 정격 출력을 나타내는 데이터는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각의 제어부(150)가 내부 메모리에 유지하고 있다.
전력의 송전은, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 대하여, 1:1로 행하기 위해, 송전기(10)는 송전을 N회 행하게 된다. 또한, 송전기(10)가 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 송전하는 전력 P0은, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 대하여 동등하다.
이어서, 송전기(10)는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 대하여, 수전 전력 PK(K=1 내지 N)에 대한, 정격 출력 PBK(K=1 내지 N)의 비 XK(K=1 내지 N)를 구한다(스텝 S203). XK=PBK/PK에 의해 구해진다.
이어서, 송전기(10)는, 비 XK 중 최댓값 XS를 구하고, 수전기(101-1 내지 101-N)의 각각에 대하여, 최댓값 XS에 대한 비 XK의 비 YK(K=1 내지 N)를 구한다(스텝 S204). YK=XK/XS에 의해 구해진다.
이어서, 송전기(10)는, 수전기(101-1 내지 101-N)의 수전 전력이, Y1 내지 YN배로 되는 듀티비 D1 내지 DN을 구한다(스텝 S205). Y1 내지 YN배로 되는 듀티비 D1 내지 DN을 구하기 위해서는, 예를 들어 도 20에 도시하는 바와 같은 테이블 형식의 데이터를 사용하면 된다.
도 20에 도시하는 테이블 형식의 데이터는, 비 Y1 내지 YN의 조합과, 듀티비 D1 내지 DN의 조합을 관련지은 데이터이다. 비 Y1 내지 YN의 조합에는, Ya1, Ya2, …, YaN, Yb1, Yb2, …, YbN 등이 있다. 듀티비 D1 내지 DN의 값의 조합에는, Da1, Da2, …, DaN, Db1, Db2, …, DbN 등이 있다.
비 Y1 내지 YN의 조합 Ya1, Ya2, …은, 각각 듀티비 D1 내지 DN의 조합 Da1, Da2, …, DaN과 관련지어져 있다. 비 Y1 내지 YN의 조합 Yb1, Yb2, …은, 각각 듀티비 D1 내지 DN의 조합 Db1, Db2, …, DbN과 관련지어져 있다.
이러한 비 Y1 내지 YN의 조합과, 듀티비 D1 내지 DN의 조합을 관련지은 데이터를 다수 준비해 두고, 스텝 S204에서 수전기(101-1 내지 101-N)에 대하여 구한 비 Y1 내지 YN에 대응하는 듀티비 D1 내지 DN을 도 20에 도시하는 테이블 형식의 데이터로부터 구하면 된다.
또한, 도 20에 도시하는 테이블 형식의 데이터 중에, 스텝 S204에서 수전기(101-1 내지 101-N)에 대하여 구한 비 Y1 내지 YN의 조합이 존재하지 않는 경우에는, 스텝 S204에서 구한 비 Y1 내지 YN에 가까운 비 Y1 내지 YN에 관련지어진 듀티비 D1 내지 DN을 사용하면 된다. 또한, 이와 같이 스텝 S204에서 구한 비 Y1 내지 YN의 조합이 도 20에 도시하는 데이터에 존재하지 않는 경우에는, 스텝 S204에서 구한 비 Y1 내지 YN의 조합에 가까운 비 Y1 내지 YN을 보간 처리 등으로 구함으로써, 듀티비 D1 내지 DN을 사용하면 된다.
또한, 여기서는, 도 20에 도시하는 테이블 형식의 데이터를 사용하여 듀티비 D1 내지 DN을 구하는 형태에 대하여 설명하였지만, 예를 들어 비 Y1 내지 YN의 값에 따라, 듀티비 D1 내지 DN을 연산해도 된다. 비 Y1 내지 YN의 값은, 비 XK가 최댓값 XS로 되는 경우에 1로 되고, 그 밖의 경우에는 1 미만의 값으로 된다. 이 때문에, 비 Y1 내지 YN의 값이 클수록, 필요한 수전 전력량이 많아지게 된다. 따라서, 비 Y1 내지 YN의 값이 클수록 듀티비 D1 내지 DN을 크게 설정하고, 비 Y1 내지 YN의 값이 작을수록 듀티비 D1 내지 DN을 작게 설정하면 된다.
이어서, 송전기(10)는, 수전기(101-1 내지 101-N)에, 듀티비 D1 내지 DN을 나타내는 데이터를 송신한다(스텝 S206).
마지막으로, 송전기(10)는, 송전 출력 P를 다음 식에 의해 설정한다(스텝 S207).
Figure 112017039948937-pct00001
이상으로 듀티비 D1 내지 DN과 송전 출력 P의 설정이 종료된다.
이상, 실시 형태 3에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 수전기(101-1 내지 101-N)를 제공할 수 있다. 또한, 실시 형태 3에 따르면, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 전력 전송 시스템(수전기(101-1 내지 101-N) 및 송전기(10))을 제공할 수 있다.
<실시 형태 4>
도 21은, 실시 형태 4의 수전기(102)와 송전 장치(80)를 도시하는 도면이다.
수전기(102)는, 실시 형태 1의 수전기(100)(도 4 참조)의 스위치(130)의 위치를 변경한 것이다. 수전기(102)는, 스위치(130) 대신에 스위치(131)를 포함한다. 스위치(131)는, 2차측 공진 코일(110)의 단자(112A)와 정류 회로(120)의 사이에 삽입되어 있고, 실시 형태 1의 스위치(130)와 마찬가지로 제어부(150)에 의해 PWM 구동된다.
스위치(131)로서는, 교류 전류의 차단을 고속으로 행할 수 있는 스위치이면 되며, 예를 들어 복수의 FET를 조합한 스위치 또는 트라이액 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 2차측 공진 코일(110)의 단자(112A)와 정류 회로(120)의 사이에 삽입된 스위치(131)의 온/오프를 PWM 구동 패턴으로 구동 제어해도, 실시 형태 1의 수전기(100)(도 4 참조)의 스위치(130)를 PWM 구동 패턴으로 구동 제어하는 경우와 마찬가지로, 2차측 공진 코일(110)에서의 수전 전력량을 조절할 수 있다.
따라서, 실시 형태 4에 따르면, 실시 형태 1과 마찬가지로, 전력 공급량의 밸런스를 개선할 수 있는 수전기(102)를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 예시적인 실시 형태의 수전기 및 전력 전송 시스템에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위로부터 일탈하지 않고, 다양한 변형이나 변경이 가능하다.
10: 송전기
11: 1차측 코일
12: 1차측 공진 코일
13: 정합 회로
14: 커패시터
15: 제어부
100, 100A, 100B, 101, 101-1 내지 101-N, 103: 수전기
110, 110A, 110B: 2차측 공진 코일
120, 120A, 120B: 정류 회로
130, 130A, 130B: 스위치
140, 140A, 140B: 평활 커패시터
150, 150A, 150B: 제어부
155: 전압계
160A, 160B: 출력 단자
170A, 170B: 안테나
180: 스위치
190: 더미 저항기
200A, 200B: 전자 기기
210, 210A, 210B: DC-DC 컨버터
220, 220A, 220B: 배터리
500: 전력 전송 시스템

Claims (12)

  1. 공진 코일부와, 상기 공진 코일부의 양단에 각각 설치되는 제1 단자 및 제2 단자를 갖고, 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 제1의 2차측 공진 코일과,
    상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 공진 코일부에 직렬로 삽입되는 커패시터와,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 접속되고, 상기 제1의 2차측 공진 코일로부터 입력되는 교류 전력을 정류하는 정류 회로와,
    상기 정류 회로의 출력측에 접속되는 평활 회로와,
    상기 평활 회로의 출력측에 접속되는 한 쌍의 출력 단자와,
    상기 커패시터에 병렬로 접속되거나, 또는 상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 중 어느 한쪽과 상기 정류 회로의 사이에 직렬로 접속되는 스위치와,
    상기 제1의 2차측 공진 코일의 제1 수전 효율, 상기 한 쌍의 출력 단자에 접속되는 제1 부하의 제1 정격 출력, 상기 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 다른 수전기의 제2의 2차측 공진 코일의 제2 수전 효율, 및 상기 다른 수전기로부터 전력이 공급되는 제2 부하의 제2 정격 출력에 기초하여 설정되는 제1 듀티비와, 상기 자계 공명의 주파수 이하인 제1 주파수에 의해 결정되는 제1 PWM 구동 패턴으로 상기 스위치를 구동하는 구동 제어부를 포함하고,
    상기 제1 듀티비는, 상기 제1 정격 출력을 상기 제1 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값이, 상기 제2 정격 출력을 상기 제2 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값보다 작은 경우에, 상기 제1 듀티비의 제1 초기값보다 작은 소정의 듀티비로 설정되고,
    상기 소정의 듀티비는, 상기 제1 듀티비가 상기 제1 초기값인 경우보다, 상기 제1 부하 및 상기 제2 부하가 수전하는 전력의 밸런스가 개선되는 듀티비인, 수전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 듀티비는, 상기 제1 정격 출력을 상기 제1 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값이, 상기 제2 정격 출력을 상기 제2 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값보다 큰 경우에는, 상기 제1 초기값으로 설정되는, 수전기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 초기값은 100％인, 수전기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 수전 효율은, 상기 다른 수전기의 비동작 상태에 있어서, 상기 1차측 공진 코일이 송전하는 전력과, 상기 제1의 2차측 공진 코일이 상기 1차측 공진 코일로부터 수전하는 전력에 기초하여 구해지고,
    상기 제2 수전 효율은, 상기 수전기의 비동작 상태에 있어서, 상기 1차측 공진 코일이 송전하는 전력과, 상기 제2의 2차측 공진 코일이 상기 1차측 공진 코일로부터 수전하는 전력에 기초하여 구해지는, 수전기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 한 쌍의 출력 단자에 상기 제1 부하와 병렬로 접속되는 더미 부하로서, 상기 제1 부하의 임피던스 특성과 동등한 임피던스 특성을 갖는 더미 부하와,
    상기 한 쌍의 출력 단자의 접속처를 상기 제1 부하와 상기 더미 부하에 의해 선택적으로 전환하는 선택 스위치를 더 포함하고,
    상기 제1 수전 효율은, 상기 다른 수전기의 비동작 상태에 있어서, 상기 선택 스위치에 상기 한 쌍의 출력 단자와 상기 더미 부하를 접속시킨 상태에서, 상기 1차측 공진 코일이 송전하는 전력과, 상기 제1의 2차측 공진 코일이 상기 1차측 공진 코일로부터 수전하는 전력에 기초하여 구해지는, 수전기.
  7. 제1 수전기와,
    제2 수전기와,
    1차측 공진 코일을 갖는 송전기를 포함하는, 전력 전송 시스템으로서,
    상기 제1 수전기는,
    공진 코일부와, 상기 공진 코일부의 양단에 각각 설치되는 제1 단자 및 제2 단자를 갖고, 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 제1의 2차측 공진 코일과,
    상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 공진 코일부에 직렬로 삽입되는 커패시터와,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 접속되고, 상기 제1의 2차측 공진 코일로부터 입력되는 교류 전력을 정류하는 정류 회로와,
    상기 정류 회로의 출력측에 접속되는 평활 회로와,
    상기 평활 회로의 출력측에 접속되는 한 쌍의 출력 단자와,
    상기 커패시터에 병렬로 접속되거나, 또는 상기 제1의 2차측 공진 코일의 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자 중 어느 한쪽과 상기 정류 회로의 사이에 직렬로 접속되는 스위치와,
    상기 제1의 2차측 공진 코일의 제1 수전 효율, 상기 한 쌍의 출력 단자에 접속되는 제1 부하의 제1 정격 출력, 상기 1차측 공진 코일과의 사이에서 발생하는 자계 공명에 의해 상기 1차측 공진 코일로부터 전력을 수전하는 상기 제2 수전기의 제2의 2차측 공진 코일의 제2 수전 효율, 및 상기 제2 수전기로부터 전력이 공급되는 제2 부하의 제2 정격 출력에 기초하여 설정되는 제1 듀티비와, 상기 자계 공명의 주파수 이하인 제1 주파수에 의해 결정되는 제1 PWM 구동 패턴으로 상기 스위치를 구동하는 구동 제어부를 갖고,
    상기 제2 수전기에서는, 상기 제2 수전 효율, 상기 제2 정격 출력, 상기 제1 수전 효율 및 상기 제1 정격 출력에 기초하여 설정되는 제2 듀티비와, 상기 자계 공명의 주파수 이하인 제2 주파수에 의해 결정되는 제2 PWM 구동 패턴으로 스위치가 구동되고,
    상기 제2 듀티비는, 상기 제2 정격 출력을 상기 제2 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값이, 상기 제1 정격 출력을 상기 제1 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값보다 작은 경우에, 상기 제2 듀티비의 제2 초기값보다 작은 소정의 듀티비로 설정되고,
    상기 소정의 듀티비는, 상기 제2 듀티비가 상기 제2 초기값인 경우보다, 상기 제1 부하 및 상기 제2 부하가 수전하는 전력의 밸런스가 개선되는 듀티비인, 전력 전송 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 수전기는, 상기 제1 수전기와 동일한 회로 구성을 갖는, 전력 전송 시스템.
  9. 삭제
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제2 듀티비는, 상기 제2 정격 출력을 상기 제2 수전 효율로 제산하여 얻는 제2 값이, 상기 제1 정격 출력을 상기 제1 수전 효율로 제산하여 얻는 제1 값보다 큰 경우에는, 상기 제2 초기값으로 설정되는, 전력 전송 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 초기값은 100％인, 전력 전송 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 제1 수전기, 상기 제2 수전기 및 상기 송전기는, 각각 제1 통신부, 제2 통신부 및 제3 통신부를 갖고,
    상기 송전기의 상기 제3 통신부는, 상기 제1 수전기의 상기 제1 통신부로부터 상기 제1 수전 효율 및 상기 제1 정격 출력을 나타내는 제1 데이터를 수신함과 함께, 상기 제2 수전기의 상기 제2 통신부로부터 상기 제2 수전 효율 및 상기 제2 정격 출력을 나타내는 제2 데이터를 수신하고,
    상기 송전기는, 상기 제3 통신부가 수신하는 제1 데이터가 나타내는 제1 수전 효율 및 상기 제1 정격 출력에 기초하여 상기 제1 값을 연산함과 함께, 상기 제3 통신부가 수신하는 제2 데이터가 나타내는 제2 수전 효율 및 상기 제2 정격 출력에 기초하여 상기 제2 값을 연산하고,
    상기 송전기의 상기 제3 통신부는, 상기 제1 수전기의 상기 제1 통신부에 상기 제1 값을 나타내는 데이터를 송신함과 함께, 상기 제2 수전기의 상기 제2 통신부에 상기 제2 값을 나타내는 데이터를 송신하는, 전력 전송 시스템.
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