JP5456625B2

JP5456625B2 - 共鳴型無線電力伝送装置

Info

Publication number: JP5456625B2
Application number: JP2010199727A
Authority: JP
Inventors: 貴史丸山; 達也清水; 征士中津川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012060731A

Description

本発明は、送電側装置から受電側装置へ給電するとともに受電側から送電側に情報を伝送する共鳴型無線電力伝送装置に関する。

携帯電話等の２次電池の充電や、非接触ＩＣカード、ＲＦＩＤタグ等への電力供給には、有線接続を要しない給電方法が採用されている。これを実現する手段の代表例は電磁誘導方式である。電磁誘導方式の無線電力伝送装置では、送電側と受電側とにコイルを配置し、両者が近接して送電側コイルの磁束が受電側コイルを通過することで、受電側に電力が得られる。この詳細な原理は非特許文献１に記載されている。電磁誘導方式は一般に、十分な伝送効率を得るために、送受信コイルは近接して漏れ磁束を少なくする方法がとられる。

このような無線電力伝送装置では、装置の認証等のため、送電側と受電側とが通信を行う場合がある。ここで、送電側から受電側への通信回線を下りリンク、受電側から送電側への通信回線を上りリンクと呼ぶ。電磁誘導を用いて下りリンクを構成するには、送信する電力に変調を加える方法が用いられる。電磁誘導を用いて上りリンクを構成するには、受電側で負荷インピーダンスを変化させ、その変化を送電側で検出する負荷変調が用いられる。

図７は、無線電力伝送装置の構成例を示す。
図７において、送電側装置１０の電源１１に接続される送電側コイル１３と、受電側装置２０の負荷２３に接続される受電側コイル２２が電磁誘導で電気的に結合し、電源１１から負荷２３に電力が供給される。さらに、受電側コイル２２と負荷２３との間に制御部２６により開閉するスイッチ２５を挿入し、送電側コイル１３に復調部１２を接続する。制御部２６は、上りリンクで送信する送信データに対応してスイッチ２５をオンオフすることにより、受電側装置２０の負荷インピーダンスが変化する。送電側装置１０の復調部１２は、これを電流または電圧の変化として検出し、受電側装置２０から送信された送信データを復元する。

また、近年では、ある程度（例えば１ｍ）の伝送距離を有する場合でも高い給電効率が得られる共鳴型無線電力伝送装置が提案されている（非特許文献２）。

図８は、共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図８において、送電側装置１０の送電側コイル１３と電磁誘導で電気的に結合する送電側共鳴コイル１４と、受電側装置２０の受電側コイル２２と電磁誘導で電気的に結合する受電側共鳴コイル２１との共鳴現象によって電力が伝達される。共鳴は特定の周波数でのみ発生する。図９は共鳴コイルのＳパラメータ(S21) の例を示す。図よりピークが得られる周波数は限定的であること、負荷に依存してピークの周波数が変動することがわかる。また、ピークの周波数は、送電側装置１０と受電側装置２０との間隔によっても変動する。

苅部浩、「非接触ICカード設計入門」、日刊工業新聞社． Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos and Marin Soljacic, 'Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,' Annals of Physics, Vol.323 Issue 1, pp.34-48, Apr 2007.

図８に示す共鳴型無線電力伝送装置において、送電側の電源周波数が共鳴周波数と異なる周波数に設定されていた場合、受電側に十分な電力が到達しない。また、送電側の電源周波数が共鳴周波数と大きく異なっているときに、受電側で負荷インピーダンスを変化させる負荷変調により受電側から送信データを送信しようとした場合、送電側で受電側の負荷インピーダンスの変化による電流または電圧の変化を検出できず、上りリンクの情報伝送が失敗する。例えば、受電側に対する給電電力が十分でないために送電側に電源周波数の変更を要求する情報を送信しようとしても、それが送電側に到達せず、結果的に送電側から受電側に給電を行うことができなくなる。

本発明は、送電側の電源周波数が共鳴周波数と異なるときでも受電側から送電側への送信データの伝送を可能とし、さらに受電側からの通知により送電側の電源周波数を共鳴周波数に対応する周波数に調整することができる共鳴型無線電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明は、送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、受電側装置から送電側装置へ伝送する送信データと負荷インピーダンスの変化を対応付けてスイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、送電側装置は、送信データに対応する負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の過渡応答を検出し、当該過渡応答により送信データを復元する復調部を備え、受電側装置の制御部は、送信データが０であればスイッチを前の状態に維持し、送信データが１であればスイッチを前の状態から反転させる構成であり、送電側装置の復調部は、復元する送信データとして、正または負の過渡応答に対して１、過渡応答なしに対して０を出力する構成である。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置の制御部は、電力の受電状態を送信データとして送電側装置に送信する構成であり、送電側装置は、復調部で復元された送信データから受電状態を検出し、電源の電源周波数を送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルの共鳴周波数に近づくように調整する周波数調整部を備える。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置において、受電側装置は、電力の受電状態に応じて、電源の電源周波数を送電側共鳴コイルと受電側共鳴コイルの共鳴周波数に近づくように調整する制御信号を生成する周波数調整部を備え、受電側装置の制御部は、制御信号を送信データとして送電側装置に送信する構成であり、送電側装置は、復調部で復元された送信データから制御信号を検出し、電源の電源周波数を制御信号に従って調整する構成である。

本発明の共鳴型無線電力伝送装置は、受電側装置から送信する送信データに応じて負荷インピーダンスを変化させ、送電側装置でそれを電流または電圧の過渡応答から検出することにより、送電側の電源周波数が共鳴周波数と異なるときでも、受電側から送電側への送信データの伝送が可能である。

また、送電側の電源周波数が共鳴周波数と異なるときでも、受電側から送電側への送信データの伝送が可能であるので、送信データとして受電状態を送電側に通知することにより、送電側の電源周波数を共鳴周波数に近づくように調整することができる。これにより、さらに電力の伝送効率を高めることができる。

本発明の実施例１の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。送信データと受信波形の例１を示す図である。送信データと受信波形の例２を示す図である。送信データと受信波形の例３を示す図である。復調部１２の構成例を示す図である。本発明の実施例２の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。無線電力伝送装置の構成例を示す図である。共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す図である。共鳴コイルのＳパラメータ（Ｓ21）の例を示す図である。

図１は、本発明の実施例１の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
図１において、共鳴型無線電力伝送装置は、電力の送電を担う送電側装置１０と、送電された電力を受け取る受電側装置２０とからなり、受電側装置２０から送電側装置１０に送信データを伝送するための構成を含む。送電側装置１０から受電側装置２０への電力、送信データの流れが下り、受電側装置２０から送電側装置１０への送信データの流れが上りである。

送電側装置１０は、電源１１、受電側装置２０から送られた上り送信データを復元する復調部１２、送電側コイル１３、送電側共鳴コイル１４、電源１１の電源周波数を調整する周波数調整部１５を備える。受電側装置２０は、受電側共鳴コイル２１、受電側コイル２２、負荷２３、抵抗２４、スイッチ２５、制御部２６を備える。送電側コイル１３と送電側共鳴コイル１４とは電磁誘導で電気的に結合している。送電側共鳴コイル１４と受電側共鳴コイル２１とは共鳴により電気的に結合している。受電側共鳴コイル２１と受電側コイル２２とは電磁誘導で電気的に結合している。これにより電源１１から負荷２３および制御部２６に給電することができる。

上りリンクで伝送される送信データは、送電側装置１０および受電側装置２０を認証するためのものでもよいし、受電側装置２０が通信端末である場合の上りデータであってもよい。ここで、簡単のため負荷２３単体のインピーダンスは不変とし、図中のＢ−Ｂ’から右側をみたインピーダンスを負荷インピーダンスと呼ぶ。負荷インピーダンスは、スイッチ２５のオンオフで抵抗２４の通過の有無を選択することにより、２つの状態を取り得る。制御部２６は、送信データに応じてスイッチ２５をオンオフし、負荷インピーダンスを変化させる構成である。ただし、本実施例の構成では、スイッチ２５がオンの場合もオフの場合も負荷２３への接続は開放されないため、負荷２３への電力供給は継続される。

なお、図１の構成では、抵抗２４とスイッチ２５が並列に接続され、抵抗２４と負荷２３とが直列に接続されているが、抵抗２４とスイッチ２５を直列に接続し、抵抗２４と負荷２３とを並列に接続してもよい。

受電側装置２０と送電側装置１０とは電気的に結合しているため、負荷インピーダンスの変化は送電側装置１０のＡ−Ａ’から受電側装置２０をみたインピーダンスの変化となり、電流または電圧の変化として現れる。復調部１２はこの変化を検出し、受電側装置２０から送信された送信データを復元する。

図２は、送電側装置１０の復調部１２における電流または電圧を包絡線検波した波形を表しており、送信データの変化に連動して電流または電圧が変化するのがわかる。復調部１２はこの変化を適当なタイミングでサンプリングすることにより、受電側装置２０から送信された送信データを復元することができる。

ところで、送電側装置１０の電源周波数が共鳴周波数と異なる場合には、図３に示すような受信波形になる。平均受信レベル（受信電力）は、図２の場合と比較して低下するだけでなく、信号波形の振幅の変化も小さくなる。さらに、送電側装置１０の電源周波数が共鳴周波数と大きく異なる場合には、信号波形の振幅の変化が非常に小さくなり、送信データの復元が困難になる。

一方、送電側装置１０の復調部１２では、図４に示すように送信データの変化に応じた電流または電圧の過渡応答を観測することができる。ここで、送電側装置１０で観測される電流または電圧の過渡応答とは、送信データに応じてスイッチ２５がオンオフし、それに伴う負荷インピーダンスの変化に応じて電流または電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの部分で波形が大きく変化する現象である。受電側装置２０の制御部２６は、送信データと過渡応答の発生の有無が対応するようにスイッチ２５を操作し、送電側装置１０の復調部１２は過渡応答の発生の有無から送信データを復元する。

図５は、復調部１２の構成例を示す。
図５において、復調部１２は、検波部１２１、Ａ／Ｄ変換部１２２、符号判定部１２３により構成される。検波部１２１は、受信波形、すなわち送電側装置１０における電流または電圧を検波する。この検波出力をＡ／Ｄ変換部１２２でデジタル化し、符号判定部１２３でビット判定して出力する。
符号判定部１２３は２つの符号判定論理をもつ。符号判定論理１では、受信波形から正の過渡応答を判定した場合に「１」を出力し、負の過渡応答を判定した場合に「０」を出力し、定常状態（過渡応答なし）を判定した場合に直前の判定結果を出力する。なお、定常状態に対する符号判定は、符号判定部１２３に接続される記憶部に直前の判定結果を記憶しておき、定常状態を判定したときに記憶部から読み出す構成でもよいし、符号判定部１２３で正または負の過渡応答を判定するまで直前の判定結果を出力する構成でもよい。

この符号判定部１２３に対応する受電側装置２０の制御部２６は、送信データにそのまま対応するようにスイッチ２５を操作する。すなわち、送信データが１であればスイッチ２５をオンとし、送信データが０であればスイッチ２５をオフとする。符号判定部１２３は、送信データが反転して過渡応答が生じるタイミングでビットを判定し、過渡応答が生じなかったタイミングでは過渡応答が生じた直前のビットと同じビットを出力し、送信データを復元する。

ここで、送信データに対するスイッチ２５の状態（０：オフ、１：オン）、受信波形（１：正の過渡応答、０：定常状態、-1：負の過渡応答）、符号判定部１２３の判定データの関係を表１に示す。ただし、最初の時刻の受信波形はその前の状態に依存するので記載していない。

なお、本例では、過渡応答が生じるタイミングでビット判定を誤った場合、次に過渡応答が生じなかったタイミングのビットは直前のビットに従属して誤りとなる。したがって、受電側装置２０から制御信号を送信する場合には、ビットの反転の多いビット列を用いることにより、過渡応答によるビット判定の機会が多くなり、制御信号の誤り率を低減することができる。すなわち、制御信号として、既知のプリアンブルを含めてビットの反転の多いビット列を用いることにより、送電側装置１０への伝送を確実に行うことができる。

また、符号判定部１２３の符号判定論理２では、受信波形から正または負の過渡応答を判定した場合に「１」を出力し、定常状態（過渡応答なし）を判定した場合に「０」を出力するようにしてもよい。この符号判定部１２３に対応する受電側装置２０の制御部２６は、送信データが０であればスイッチ２５を前の状態に維持し、送信データが１であればスイッチ２５を前の状態から反転させる操作を行う。このとき、送信データが０１で、スイッチ２５がオフ（０）からオン（１）に変化すれば受信波形が正の過渡応答を示し、送信データが１１で、スイッチ２５がオン（１）からオフ（０）に変化すれば受信波形が負の過渡応答を示すので、符号判定部１２３は受信波形から正または負の過渡応答を判定した場合にスイッチ２５の状態が反転したものとして判定データを「１」とし、受信波形が定常状態であれば判定データを「０」とし、送信データを復元する。

ここで、送信データに対するスイッチ２５の状態（０：オフ、１：オン）、受信波形（１：正の過渡応答、０：定常状態、-1：負の過渡応答）、符号判定部１２３のビット出力の関係を表２に示す。ただし、最初の時刻の受信波形はその前の状態に依存するので記載していない。

以上、送信データに対するスイッチ２５の操作、符号判定部１２３の判定方法について２例を示したが、過渡応答の有無を検出することにより、送電側装置１０の電源周波数が共鳴周波数から多少ずれていても、送電側装置１０で受電側装置２０から送信された送信データを復元できることがわかる。

したがって、受電側装置２０において、受電電力の低下から共鳴周波数に対する送電側装置１０の電源周波数のずれを検知した場合には、制御部２６で対応する制御信号を生成してスイッチ２５を上記のパターンで操作することにより、送電側装置１０の復調部１２でその制御信号を復元し、共鳴周波数に対する送電側装置１０の電源周波数のずれを通知することができる。ただし、受電側装置２０では、共鳴周波数に対する送電側装置１０の電源周波数のずれの方向や量までわからないので、制御信号として例えば受電電力値を送信する。送電側装置１０の復調部１２は制御信号から受電電力値を読み取り、それが規定の受電電力値に満たない場合に、周波数調整部１５を介して電源１１の電源周波数を調整する。このとき、電源周波数のシフトに対する受電電力値の変化から、電源周波数のシフト方向およびシフト量をフィードバック制御することにより、電源周波数が共鳴周波数に近づくように調整することができる。

図６は、本発明の実施例２の共鳴型無線電力伝送装置の構成例を示す。
本実施例の特徴は、図１に示す実施例１において、送電側装置１０の周波数調整部１５を受電側装置２０の制御部２６の前段に周波数調整部２７として備え、受電電力値に対応する電源周波数の制御信号を送信するところにある。これにより、送電側装置１０の復調部１２では、復元した制御信号を用いて電源１１の電源周波数を調整することができる。ただし、実施例１で説明したように、制御信号として電源周波数のシフト方向およびシフト量を直接設定できないので、フィードバック制御により電源１１の電源周波数が共鳴周波数に近づくように調整する。

１０送電側装置
１１電源
１２復調部
１２１検波部
１２２Ａ／Ｄ変換部
１２３符号判定部
１３送電側コイル
１４送電側共鳴コイル
１５周波数調整部
２０受電側装置
２１受電側共鳴コイル
２２受電側コイル
２３負荷
２４抵抗
２５スイッチ
２６制御部
２７周波数調整部

Claims

送電側装置の送電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される送電側共鳴コイルと、受電側装置の受電側コイルと電磁誘導で電気的に結合される受電側共鳴コイルとの間の共鳴現象を利用し、送電側装置の電源から受電側装置の負荷へ電力を伝送する共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、スイッチのオンオフにより負荷インピーダンスを所定の範囲で変化させる手段と、前記受電側装置から前記送電側装置へ伝送する送信データと前記負荷インピーダンスの変化を対応付けて前記スイッチのオンオフを制御する制御部とを備え、
前記送電側装置は、前記送信データに対応する前記負荷インピーダンスの変化に応じて発生する電流または電圧の過渡応答を検出し、当該過渡応答により前記送信データを復元する復調部を備え、
前記受電側装置の制御部は、前記送信データが０であれば前記スイッチを前の状態に維持し、前記送信データが１であれば前記スイッチを前の状態から反転させる構成であり、前記送電側装置の復調部は、復元する前記送信データとして、正または負の過渡応答に対して１、過渡応答なしに対して０を出力する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置の制御部は、前記電力の受電状態を前記送信データとして前記送電側装置に送信する構成であり、
前記送電側装置は、前記復調部で復元された前記送信データから前記受電状態を検出し、前記電源の電源周波数を前記送電側共鳴コイルと前記受電側共鳴コイルの共鳴周波数に近づくように調整する周波数調整部を備えた
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。
請求項１に記載の共鳴型無線電力伝送装置において、
前記受電側装置は、前記電力の受電状態に応じて、前記電源の電源周波数を前記送電側共鳴コイルと前記受電側共鳴コイルの共鳴周波数に近づくように調整する制御信号を生成する周波数調整部を備え、
前記受電側装置の制御部は、前記制御信号を前記送信データとして前記送電側装置に送信する構成であり、
前記送電側装置は、前記復調部で復元された前記送信データから前記制御信号を検出し、前記電源の電源周波数を前記制御信号に従って調整する構成である
ことを特徴とする共鳴型無線電力伝送装置。