JP5399340B2

JP5399340B2 - ワイヤレス給電方法およびワイヤレス給電システム

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Publication number: JP5399340B2
Application number: JP2010179459A
Authority: JP
Inventors: 達也清水; 貴史丸山; 征士中津川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: JP2012039815A

Description

本発明は、共鳴型のワイヤレス給電方法およびワイヤレス給電システムに関する。

従来のワイヤレス給電方法としては電磁誘導を利用した方法が知られており、家電用途として電動シェーバーや電動歯ブラシなどで実用化が行われている（非特許文献１）。しかし、電磁誘導による結合は電磁界強度と磁束鎖交数に強く依存するため、送電部と受電部を近接させるとともに、軸ずれが無いようにそれらの位置を固定する必要がある。このため、送電部と受電部の距離は制限され、複数の受電部への同時給電は困難と考えられる。

また、Andre Kursらは、送電部と受電部に共鳴素子を配置し、共鳴素子間を磁界共鳴により結合させるワイヤレス給電方法を提案している（非特許文献２）。この方法によると、ある程度離れた距離においても高い送電効率が得られ、軸連れなどによる影響が少ないなどの特徴がある。

図６は、従来の磁界共鳴によるワイヤレス給電システムの構成例を示す。
図６において、送電部１００では、交流電源１０１から出力される交流電流は、所定の共鳴周波数で励起コイル１０２に印加される。励起コイル１０２は、共鳴コイル１０３と近接しており、電磁誘導により共鳴コイル１０３を励振する。送電部１００の共鳴コイル１０３は受電部２００の共鳴コイル２０１と磁界共鳴により結合しており、共鳴コイル１０３を励振させた電力は共鳴コイル２０１も励振する。このような磁界共鳴による結合は、共鳴コイルのＱ値により高い結合効率が得られるため、電磁誘導と比較して送電部と受電部の間隔が離れていても高い送電効率が得られる特徴がある。

共鳴コイル２０１は、励起コイル２０２と電磁誘導により結合しており、共鳴コイル２０１で励振された電力は、励起コイル２０２に印加される。励起コイル２０２で誘起された電力は、整流回路２０３で直流電力に変換され、充電器や回路の電源に供給される。

H. Abe, et al."A noncontact charger using resonant converter with parallel capacitor of the secondary coil," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.36, No.2, pp.444-451, March 2000. Andre Kurs, et al."Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science, Vol.317, pp.83-85, 2007.

ところで、従来のワイヤレス給電方法では、送電部と受電部が単一の共鳴周波数により一対一で送電する構成である。このため、複数の受電部がある場合には、各々の受電部で異なる共鳴周波数を設定し、時分割で送電部の送電周波数を各受電部の共鳴周波数に一致させることで、受電部を切り替えながら送電するのが一般的であった。したがって、同時に複数の受電部を選択して給電することは困難であった。

本発明は、複数の受電部を任意に選択して同時に給電することができるワイヤレス電力伝送方法およびワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

第１の発明のワイヤレス給電方法は、送電部に、互いに異なる周波数の交流電流を出力する複数の交流電源と、複数の交流電源から出力される交流電流を周波数多重する手段と、周波数多重した交流電流を印加する第１の励起素子と、第１の励起素子と電磁誘導により結合する第１の共鳴素子とを備え、複数の受電部のそれぞれに、第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合する第２の共鳴素子と、第２の共鳴素子と電磁誘導により結合する第２の励起素子と、第２の励起素子に誘起される交流電流を整流して出力する手段とを備え、交流電源の周波数および第２の共鳴素子の共鳴周波数が、送電部の第１の共鳴素子の周波数特性に対して伝送効率が高くなる周波数と同等の周波数に設定され、複数の受電部の第２の共鳴素子が送電部の第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合し、送電部で周波数多重された交流電流をそれぞれ対応する共鳴周波数の第２の共鳴素子を介して受電部に給電することを特徴とする。

また、送電部の第１の共鳴素子に対して、複数の受電部の第２の共鳴素子が直列状に配置され、互いに前後に接続された共鳴素子が磁界共鳴により結合して給電するようにしてもよい。

また、受電部は、第２の共鳴素子のインピーダンスを調整する手段を備え、周波数多重された交流電流の任意の周波数と磁界共鳴周波数が同じになるように、受電部の第２の共鳴素子のインピーダンスを調整して周波数選択受電するようにしてもよい。

また、送電部の第１の共鳴素子と複数の受電部の第２の共鳴素子が電界共鳴により結合するようにしてもよい。

第２の発明ワイヤレス給電システムは、送電部に、互いに異なる周波数の交流電流を出力する複数の交流電源と、複数の交流電源から出力される交流電流を周波数多重する手段と、周波数多重した交流電流を印加する第１の励起素子と、第１の励起素子と電磁誘導により結合する第１の共鳴素子とを備え、複数の受電部のそれぞれに、第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合する第２の共鳴素子と、第２の共鳴素子と電磁誘導により結合する第２の励起素子と、第２の励起素子に誘起される交流電流を整流して出力する手段とを備え、交流電源の周波数および第２の共鳴素子の共鳴周波数が、送電部の第１の共鳴素子の周波数特性に対して伝送効率が高くなる周波数と同等の周波数に設定され、複数の受電部の第２の共鳴素子が送電部の第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合し、送電部で周波数多重された交流電流をそれぞれ対応する共鳴周波数の第２の共鳴素子を介して受電部に給電する構成である。

また、送電部の第１の共鳴素子に対して、複数の受電部の第２の共鳴素子が直列状に配置され、互いに前後に接続された共鳴素子が磁界共鳴により結合して給電する構成としてもよい。

また、受電部は、第２の共鳴素子のインピーダンスを調整する手段を備え、周波数多重された交流電流の任意の周波数と磁界共鳴周波数が同じになるように、受電部の第２の共鳴素子のインピーダンスを調整して周波数選択受電する構成としてもよい。

また、送電部の第１の共鳴素子と複数の受電部の第２の共鳴素子が電界共鳴により結合する構成としてもよい。

本発明は、送電部において、複数の交流電源のそれぞれの周波数を互いに異なる共鳴周波数に設定し、複数の受電部の各共鳴周波数が送電部に設定したいずれかの共鳴周波数となるように共鳴素子のリアクタンス値を調整することで、複数の受電部に対して同時にかつ周波数選択的に給電することが可能となる。

本発明の実施例１のシステム構成例を示す図である。実施例１の構成で受信部が３の場合の送電効率特性を示す図である。本発明の実施例２のシステム構成例を示す図である。実施例２の構成で受信部が４の場合の送電効率特性を示す図である。電界共鳴による結合を用いる共鳴素子の構成例を示す図である。従来の磁界共鳴によるワイヤレス給電システムの構成例を示す図である。

図１は、本発明の実施例１のシステム構成例を示す。ここでは、送電部から複数ｎの受電部に１対ｎで送電する例を示す。

図１において、送電部１０は複数の交流電源１１(1) 〜１１(n) を備える。各交流電源の周波数ｆ１〜ｆｎは互いに異なっており、各出力が多重装置１２に入力して周波数多重される。なお、周波数ｆ１〜ｆｎは、後述する各受電部ごとの共鳴周波数と同じ値となるように設定する。多重装置１２では、周波数多重した交流電流を励起コイル１３に出力する。励起コイル１３と共鳴コイル１４は電磁誘導により結合しており、励起コイル１３に誘起される電力は共鳴コイル１４を励振する。共鳴コイル１４は、受電部２０(1) 〜２０(n) の共鳴コイル２１(1) 〜２１(n) と磁界共鳴により結合し、その高い結合効率により送電部１０と受電部２０(1) 〜２０(n) がある程度距離が離れていても、低損失で送電される。

送電部１０の共鳴コイル１４には可変容量１５が装荷される。受電部２０(1) 〜２０(n) の共鳴コイル２１(1) 〜２１(n) には可変容量２２(1) 〜２２(n) がそれぞれ装荷される。送電部１０と各受電部２０(1) 〜２０(n) との間には、各々の可変容量１５、２２(1) 〜２２(n) を調整することによりそれぞれ任意の共鳴周波数が設定される。

共鳴コイル２１(1) 〜２１(n) では、共鳴コイル１４を介して磁界共鳴により各受電部２０(1) 〜２０(n) に対して設定した共鳴周波数の電力が励振される。共鳴コイル２１(1) 〜２１(n) は、励起コイル２３(1) 〜２３(n) と電磁誘導により結合しているため、各共鳴コイル２１(1) 〜２１(n) で励振された電力は励起コイル２３(1) 〜２３(n) を励振し、整流回路２４(1) 〜２４(n) に入力する。整流回路２４(1) 〜２４(n) は、交流成分を直流成分に変換して充電器や回路の電源に電力を供給する。

ここで、実施例１の構成で受信部が３つの場合の送電効率特性を図２に示す。送電部１０の容量、インダクタンスとインピーダンスは一定のまま、各受電部２０(1) 〜２０(n) の容量とインダクタンスを互いに異なるように設定するとともにインピーダンスを調整することで、各受電部２０(1) 〜２０(n) に対する共鳴周波数は異なる値となる。

本実施例の構成では、複数存在する共鳴周波数と対応する周波数を交流電源１１(1) 〜１１(n) のそれぞれに設定することによって、周波数多重的に電力送電する点を特徴とする。すなわち、多重化数の最大は、送電部１０に備える共鳴コイル１４（および励起コイル１３）の周波数特性により定められ、伝送効率が高い周波数帯の数と等しい。なお、周波数特性は、共鳴コイルの組合せにより柔軟に設計できる。

各受電部２０(1) 〜２０(n) において、異なる共鳴周波数を設定しておくことによる効果は、一部の受電部にのみ送電したい場合に、その受電部に対応する交流電源１１(1) 〜１１(n) の出力を制御することによって、所望の受電部にのみ送電できるといった柔軟性を実現できることである。また、交流電源１１(1) 〜１１(n) の出力を制御することによって、各受電部２０(1) 〜２０(n) に送電する電力を個別に制御することも可能となる。

このように、送電部１０において、各交流電源１１(1) 〜１１(n) の周波数を互いに異なる共鳴周波数に設定し、各受電部２０(1) 〜２０(n) の共鳴周波数が送電部１０の交流電源１１(1) 〜１１(n) に設定されたいずれかの共鳴周波数となるように共鳴コイル１４，２１(1) 〜２１(n) のリアクタンス値を調整することで、複数の受電部２０(1) 〜２０(n) に対して同時にかつ周波数選択的に給電することが可能となる。

なお、実施例１では共鳴周波数を制御する方法として、共鳴コイルに対して並列に可変容量を接続する場合を示しているが、直列に可変容量を接続する場合や、アクチュエータなどにより共鳴コイルのインダクタンスを変化させるなど、共鳴周波数を変化させる方法であれば特に限定しない。

図３は、本発明の実施例２のシステム構成例を示す。
図３において、送電部１０および複数の受電部２０(1) 〜２０(n) の構成および動作は実施例１とほとんど同じなので、異なる点に限定して説明する。

受電部２０(1) 〜２０(n) は、送電部１０に対して直列状に配置されており、前後に接続された受電部の共鳴コイル（一番最初は送電部の共鳴コイル）と磁界共鳴により結合する。実施例１の場合と同様に、受電部２０(1) 〜２０(n) を調整することで、全ての受電部について図４に示すような複数の共鳴周波数が得られる。その結果、送電部１０で励起した電力が同様の周波数特性を保ちながら、受電部２０(1) 、２０(2) 、…、２０(n) と順に伝わることとなる。実際には、同様の周波数特性を有する共鳴コイルを介して、電力が伝わることとなる。

送電部１０において、交流電源１１(1) 〜１１(n) の周波数を共鳴周波数（図４に示す伝送効率の高い周波数）に設定し、各受電部２０(1) 〜２０(n) の共鳴周波数が同様となるように共鳴コイルのリアクタンス値を調整して送電する。一方、各受電部２０(1) 〜２０(n) の励起コイルは、各受電部で電力を取り出す共振周波数となるように調整する。送電部１０により送電された電力は、各受電部２０(1) 〜２０(n) の共鳴コイルにより電力を中継されながら、各受電部２０(1) 〜２０(n) は自己に設定された共鳴周波数に対応する電力を取り出すことが可能となる。

実施例１および実施例２では、共鳴コイル間の結合が磁界共鳴する場合を示したが、電界共鳴による結合を用いる構成にも本発明を適用することができる。

例えば、図５に示すように、送電ポートおよび受電ポートに接続されたメアンダライン３０，３１と、各々に装荷される可変容量３２，３３および可変インダクタンス３４，３５で送電部と受電部をそれぞれ構成し、メアンダライン間の結合を電界共鳴させて送電効率を改善する。この電界結合型給電構成においても、可変容量３２，３３と可変インダクタンス３４，３５により共鳴周波数を調整することができる。

１０送電部
１１交流電源
１２多重装置
１３励起コイル
１４共鳴コイル
１５可変容量
２０受電部
２１共鳴コイル
２２可変容量
２３励起コイル
２４整流回路
３０，３１メアンダライン
３２，３３可変容量
３４，３５可変インダクタンス

Claims

送電部に、互いに異なる周波数の交流電流を出力する複数の交流電源と、前記複数の交流電源から出力される交流電流を周波数多重する手段と、前記周波数多重した交流電流を印加する第１の励起素子と、前記第１の励起素子と電磁誘導により結合する第１の共鳴素子とを備え、
複数の受電部のそれぞれに、前記第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合する第２の共鳴素子と、前記第２の共鳴素子と電磁誘導により結合する第２の励起素子と、前記第２の励起素子に誘起される交流電流を整流して出力する手段とを備え、
前記交流電源の周波数および前記第２の共鳴素子の共鳴周波数が、前記送電部の前記第１の共鳴素子の周波数特性に対して伝送効率が高くなる周波数と同等の周波数に設定され、前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が前記送電部の前記第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合し、前記送電部で周波数多重された交流電流をそれぞれ対応する共鳴周波数の第２の共鳴素子を介して前記受電部に給電する
ことを特徴とするワイヤレス給電方法。
請求項１に記載のワイヤレス給電方法において、
前記送電部の前記第１の共鳴素子に対して、前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が直列状に配置され、互いに前後に接続された共鳴素子が磁界共鳴により結合して給電することを特徴とするワイヤレス給電方法。
請求項１または請求項２に記載のワイヤレス給電方法において、
前記受電部は、前記第２の共鳴素子のインピーダンスを調整する手段を備え、
前記周波数多重された交流電流の任意の周波数と磁界共鳴周波数が同じになるように、前記受電部の前記第２の共鳴素子のインピーダンスを調整して周波数選択受電する
ことを特徴とするワイヤレス給電方法。
請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤレス給電方法において、
前記送電部の前記第１の共鳴素子と前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が電界共鳴により結合する
ことを特徴とするワイヤレス給電方法。
送電部に、互いに異なる周波数の交流電流を出力する複数の交流電源と、前記複数の交流電源から出力される交流電流を周波数多重する手段と、前記周波数多重した交流電流を印加する第１の励起素子と、前記第１の励起素子と電磁誘導により結合する第１の共鳴素子とを備え、
複数の受電部のそれぞれに、前記第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合する第２の共鳴素子と、前記第２の共鳴素子と電磁誘導により結合する第２の励起素子と、前記第２の励起素子に誘起される交流電流を整流して出力する手段とを備え、
前記交流電源の周波数および前記第２の共鳴素子の共鳴周波数が、前記送電部の前記第１の共鳴素子の周波数特性に対して伝送効率が高くなる周波数と同等の周波数に設定され、前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が前記送電部の前記第１の共鳴素子と磁界共鳴により結合し、前記送電部で周波数多重された交流電流をそれぞれ対応する共鳴周波数の第２の共鳴素子を介して前記受電部に給電する構成である
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
請求項５に記載のワイヤレス給電システムにおいて、
前記送電部の前記第１の共鳴素子に対して、前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が直列状に配置され、互いに前後に接続された共鳴素子が磁界共鳴により結合して給電する構成である
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
請求項５または請求項６に記載のワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電部は、前記第２の共鳴素子のインピーダンスを調整する手段を備え、
前記周波数多重された交流電流の任意の周波数と磁界共鳴周波数が同じになるように、前記受電部の前記第２の共鳴素子のインピーダンスを調整して周波数選択受電する構成である
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。
請求項５〜７のいずれかに記載のワイヤレス給電システムにおいて、
前記送電部の前記第１の共鳴素子と前記複数の受電部の前記第２の共鳴素子が電界共鳴により結合する構成である
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。