JP6770497B2 - 無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線電力伝送システムに関する。

無線電力伝送システムでは、送電装置から受電装置に無線で電力を伝送する。送電装置は、商用の交流電源、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、任意の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力から高周波電力を生成するインバータ、高周波電力に応じた磁界を生成する共振器（送電共振器）を備える。送電共振器は、コイルとコンデンサとを含む。高周波電力は、送電共振器の共振周波数を含む。これにより効率的な伝送を実現する。受電装置は、送電共振器から送電される磁界により電力を受電する共振器（受電共振器）、受電共振器で得られた交流電力を直流電力に変換する整流器、整流器の出力電圧をバッテリに合わせた電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを備える。送電共振器と受電共振器の対を、共振器対と呼ぶ。受電装置はバッテリに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧がバッテリに供給される。無線電力伝送システムでは、送電共振器から受電共振器に向かって空間に放射される磁界によって電力が伝播される。この放射磁界（漏洩磁界）の強度は、電波法に代表される法令に準拠される値以下にすることが必要である。

この要求を満たすための技術として、複数の送電系統と、複数の受電系統とを用い、複数の送電系統から放射される磁界が遠方の任意の地点で打ち消し合うように、各送電系統の電流の位相関係を調整するものが知られている。しかし、各共振器対間の結合係数に差があった場合、各送電共振器の電流の振幅が異なってしまい、放射磁界を打ち消すことができない。これを改善するためには、各送信系統のＤＣ／ＤＣコンバータにおける出力電圧、および各受電系統における整流器の出力電圧を、各結合係数に応じて変更する必要がある。しかし、このことは、処理が複雑化するとともに、制御の収束性が低下する問題がある。

国際公開第2015/097806号

本発明の実施形態は、この複数の共振器対間の結合係数に差があっても、遠方の任意の地点における放射磁界の強度を低減可能な無線電力伝送システムを簡素な構成として提供する。

本発明の実施形態としての無線電力伝送システムは、交流電力を生成する交流電力生成回路と、前記交流電力生成回路に接続された複数の第１回路と、それぞれ前記複数の第１回路のうちの異なる１つに接続され、前記複数の第１回路を介して受ける前記交流電力に応じて磁界を発生させる複数の送電共振器と、を含む送電装置と、前記複数の送電共振器との磁界結合を介して前記交流電力を受ける複数の受電共振器と、それぞれ前記複数の受電共振器のうちの異なる１つに接続された複数の第２回路と、前記複数の第２回路に接続され、前記複数の第２回路を介して受ける前記交流電力の電圧を、直流電圧に変換する整流回路と、を含む受電装置とを備える。前記複数の第１回路のそれぞれのＦ行列における出力開放逆電圧利得の絶対値は１未満であり、前記複数の第２回路のぞれぞれのＦ行列における出力短絡逆電流利得の絶対値は１未満である。

第１の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す図。 Ｆ行列のパラメータＡ〜Ｄを説明する図。 第１回路および第２回路の構成例を示す図。 送電共振器および受電共振器の構成例を示す図。 基本的な無線電力伝送システムにおける送電共振器と受電装置のブロック図。 図５のシステムに第１回路および第２回路を挿入した無線電力伝送システムの概略図。 第１の実施形態の効果を説明するシミュレーション結果を示す図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す図。 第２の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す図。 第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す図。 第３の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す図。 第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す図。 第４の実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す。本システムは、無線で高周波電力を送電する送電装置と、送電装置から高周波電力を受電する受電装置と、バッテリとを備え、送電装置から受電装置に送電した電力を、バッテリに充電する。

送電装置は、交流電源１０１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ（交流／直流電圧変換器）１０２と、複数の送電系統（図の例では２系統）とを備える。一方の送電系統（送電系統Ａとする）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流／直流電圧変換器）１０３Ａと、インバータ１０４Ａと、第１回路１０５Ａと、送電共振器１０６Ａとを備える。他方の送電系統（送電系統Ｂとする）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流／直流電圧変換器）１０３Ｂと、インバータ１０４Ｂと、第１回路１０５Ｂと、送電共振器１０６Ｂとを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂと、インバータ１０４Ａ、１０４Ｂとの組は、交流電力生成回路１０７に対応する。交流電力生成回路１０７の入力側は交流電源１０１に接続され、出力側は、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂに接続されている。

交流電源１０１は、一定周波数の交流電力（交流電圧および交流電流）を供給する。交流電源１０１の例として、商用電源がある。商用電源は、例えば、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであって、単相１００Ｖや３相２００Ｖの交流電圧を出力する装置である。交流電源１０１は、任意の電源で構わない。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２は、交流電源１０１に配線（ケーブル等）を介して接続されており、交流電源１０１から供給される交流電力の電圧を、直流電圧に変換する回路である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２に配線を介して接続されており、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２から供給される直流電圧を、異なる直流電圧に変換（昇圧または降圧）する回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂは、半導体スイッチ等のスイッチング素子を含み、スイッチング素子を一定の動作周波数で動作させることで、ＤＣ／ＤＣ変換を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂの昇圧比または降圧比（以下、昇降圧比と記載）は個別に制御可能でもよい。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂの昇降圧比は同じであるとする。昇降圧比が同じとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂから同一またはほぼ同一の振幅の電圧を出力することを意味する。

インバータ１０４Ａ、１０４Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂに配線を介して接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂから供給される直流電圧に基づき、交流電力（交流電流および交流電圧）を生成する回路である。ここでは交流電力として高周波電力を生成する。インバータ１０４Ａ、１０４Ｂは、互いに１８０度の位相差（逆相）をもつ電流を生成するように構成されている。すなわち、インバータ１０４Ａ、１０４Ｂは逆相駆動される。このように逆相にするのは、送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂから放射する磁界を遠方で互いに打ち消し合わせることで、漏洩磁界を無くす、もしくは低減するためである。なお、磁界の打ち消し効果を得るために、必ずしも１８０度の位相差である必要はなく、例えば１８０度に対しプラスマイナスαの範囲の位相差を持たせることで、所望の程度の低減効果を得るようにしてもよい。

第１回路１０５Ａ、１０５Ｂは、交流電力生成回路１０７に接続されている。より詳細には、第１回路１０５Ａは、インバータ１０４Ａに配線を介して接続され、第１回路１０５Ｂは、インバータ１０４Ｂに配線を介して接続されている。つまり、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂはそれぞれ、インバータ１０４Ａ、１０４Ｂのうち異なる１つに配線を介して接続されている。第１回路１０５Ａ、１０５Ｂのそれぞれは、Ｆ行列における出力開放逆電圧利得Ａの絶対値が１未満の回路である。第１回路１０５Ａ、１０５Ｂは、複数の素子（コイル、コンデンサ等）により構成され、これらの素子の定数（インダクタンス、キャパシタンス等）は、出力開放逆電圧利得Ａが１未満との条件を満たすように設定されている。本例では、Ａを０に設定する場合を想定する。Ａの値をこのように設定する理由は、後述する。第１回路１０５Ａ、１０５Ｂの構成は特定の構成に限定されず、任意でよい。

ここで、Ｆ行列は、以下のように、４つのパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄをそれぞれ該当する要素に格納した行列である。
Ａは、出力開放逆電圧利得である。
Ｂは、出力短絡伝達インピーダンスである。
Ｃは、出力開放伝達アドミッタンスである。
Ｄは、出力短絡逆電流利得である。

図２は、パラメータＡ〜Ｄを説明する図である。回路への入力電流および入力電圧をＩ_１、Ｖ_１とし、出力電流および出力電圧をＩ_２、Ｖ_２とする。このとき、パラメータＡ〜Ｄは、以下のように表される。
また、以下の式が成立する。

第１回路１０５Ａ、１０５Ｂの両方とも、Ｆ行列におけるＢ、Ｃ、Ｄは、特定の値または特定の範囲に限定されない。Ａの絶対値は、好ましくは０．５以下であり、さらに好ましくは０．１以下であり、０が最も好ましい。Ａの値は、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂ間で同じであるとする。ただし、必ずしもこれに限定されず、第１回路１０５Ａと第１回路１０５Ｂとで、Ａの値が異なってもよい。

図３（Ａ）に、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂの構成例を示す。図３（Ｂ）に、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂの他の構成例を示す。ここでは、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂのいずれも同じ構成を有するとするが、前述したパラメータＡの値に関する条件が満たされる限り、同じである必要はない。

図３（Ａ）の構成では、正側端子に、誘導性素子である複数のコイル１１、１２、・・・が直列に接続されている。隣接するコイル間に、容量性素子であるコンデンサ２１、２２、・・・の一端がそれぞれ接続されている。コンデンサ２１、２２、・・・の他端は、負側端子に接続されている。すなわち、図３（Ａ）の構成は、梯子回路であり、低域通過フィルタの構成に相当する。

図３（Ｂ）の構成では、正側端子に、容量性素子である複数のコンデンサ３１、３２、・・・が直列に接続されている。隣接するコンデンサ間に、誘導性素子であるコイル４１、４２、・・・の一端がそれぞれ接続されている。コイル４１、４２、・・・の他端は、負側端子に接続されている。すなわち、図３（Ｂ）の構成は、梯子回路であり、高域通過フィルタの構成に相当する。

送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂはそれぞれ、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂのうちの異なる１つに、配線を介して接続されている。具体的に、送電共振器１０６Ａは第１回路１０５Ａに接続され、送電共振器１０６Ｂは第１回路１０５Ｂに接続されている。送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂのそれぞれは、コイルとコンデンサとを含む。送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂは、第１回路１０５Ａ、１０５Ｂを介して、インバータ１０４Ａ、１０５Ｂから高周波電力（高周波電流）を受け、高周波電力に応じた磁界を発生させる。当該磁界が、受電装置の受電共振器１０６Ａ、１０６Ｂに結合されることで、無線電力伝送が行われる。一例として、無線伝送する電力の周波数は、送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂの共振周波数に一致もしくは近似する。これにより、送電効率を高めることができる。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に、送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂの構成例を示す。ここでは送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂの構成は同じであるとするが、それぞれが別の構成を有していてもかまわない。図４（Ａ）の構成では、コイル（インダクタ）２９２の一端側にコンデンサ（容量）２８２が直列に接続されている。容量２８２を、図４（Ａ）とは反対側、すなわち、コイル２９２の他端側に直列接続してもよい。図４（Ｂ）に示すように、コイル２９２の両側に容量２８２ａ、２８２ｂを接続しもよいし、図４（Ｃ）に示すように、複数のコイル２９２ａ、２９２ｂと、容量２８２ａとを直列に接続してもよい。また、コイル２９２、２９２ａ、２９２ｂは、磁性体コアに巻き付けてもよい。コイル形状としては、スパイラル巻、ソレノイド巻など、任意の巻き方のコイルを用いてよい。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）で示した以外の構成も可能である。

受電装置は、複数の受信系統（図の例では２系統）を備える。２つの受信系統の出力は、バッテリ２０５に接続されている。一方の受信系統（受電系統Ａとする）は、受電共振器２０１Ａと、第２回路２０２Ａと、整流器２０３Ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａとを備える。他方の受信系統（受電系統Ｂとする）は、受電共振器２０１Ｂと、第２回路２０２Ｂと、整流器２０３Ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ｂとを備える。整流器２０３Ａ、２０３ＢとＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａとの組は、整流回路２０６を構成する。
整流回路２０６の入力側は、第２回路２０２Ａ、２０２Ｂに接続され、出力側はバッテリ２０５に接続されている。

受電共振器２０１Ａは、送電共振器１０６Ａと磁界を介して結合して、交流電力（交流電圧および交流電流）を受電する。ここでは交流電力として高周波電力を受電する。受電共振器２０１Ａと送電共振器１０６Ａ間の結合係数をｋ１とする。また、受電共振器２０１Ｂは、送電共振器１０６Ｂと磁界を介して結合して、交流電力（交流電圧および交流電流）を受ける。受電共振器２０１Ｂと送電共振器１０６Ｂ間の結合係数をｋ２とする。

受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂは、コイルとコンデンサとを含む。受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂの共振周波数は、一例として、受電する交流電力の周波数と一致または近似している。受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂの構成例としては、送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂと同様、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の構成を用いることができる。

送電共振器１０６Ａおよび受電共振器２０１Ａの配置関係、および送電共振器１０６Ｂおよび受電共振器２０１Ｂの配置関係、空間を介して磁気結合可能であれば任意でよい。

第２回路２０２Ａ、２０２Ｂはそれぞれ、受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂのうちの異なる１つに配線を介して接続されている。具体的に、第２回路２０２Ａは受電共振器２０１Ａに接続され、第２回路２０２Ｂは受電共振器２０１Ｂに接続されている。第２回路２０２Ａ、２０２Ｂは、上述した式（Ａ）に示したＦ行列における出力短絡逆電流利得Ｄの絶対値が１未満の回路である。第２回路２０２Ａ、２０２Ｂは複数の素子（コイル、コンデンサ等）により構成され、素子の定数（インダクタンス、キャパシタンス等）は、出力開放逆電圧利得Ｄが１未満との条件を満たすように設定されている。本例では、Ｄの値は０とする。Ｄの値をこのように設定する理由は、後述する。第２回路２０２Ａ、２０２Ｂの構成は任意でよい。第２回路２０２Ａ、２０２Ｂの構成例として、送電側の第１回路１０５Ａ、１０５Ｂと同様、図３（Ａ）および図３（Ｂ）の構成を用いることができる。

第２回路２０２Ａ、２０２Ｂとも、Ｆ行列におけるＡ、Ｂ、Ｃは、特定の値または特定の範囲に限定されない。Ｄの絶対値は、好ましくは０．５以下であり、さらに好ましくは０．１以下であり、０が最も好ましい。第２回路２０２ＡのＤの値と、第２回路２０２ＢのＤの値とが異なってもよい。ここでは、Ｄの値は、第２回路２０２Ａ、２０２Ｂの両方とも０であるとする。

整流器２０３Ａ、２０３Ｂは、第２回路２０２Ａ、２０２Ｂに、配線を介して接続されている。整流器２０３Ａ、２０３Ｂは、第２回路２０２Ａ、２０２Ｂを介して、受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂから交流電力を受け、交流電力の電圧を、直流電圧に変換する回路である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂは、整流器２０３Ａ、２０３Ｂに配線を介して接続されており、整流器２０３から出力される一定の直流電圧を、バッテリ２０５で利用可能な電圧（当該一定の直流電圧よりも高い、あるいは、同一、あるいは、低い電圧）に変換して、出力する回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４の後段には、配線を介して、バッテリ２０５が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂの昇降圧比は、個別に制御可能でもよい。

バッテリ２０５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂから入力される電力を蓄積する装置である。バッテリ２０５の代わりに、電力を消費する抵抗体（モータ等）を用いてもよい。抵抗体およびバッテリを総称して、負荷装置と呼んでもよい。

上述したように、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のＡの値の絶対値は１未満であり、本例では０である。また、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のＤの絶対値は１未満であり、本例では０である。これらＡおよびＤが０との条件が満たされるとき、送電共振器１０６Ａおよび受電共振器２０１Ａの電流の絶対値は、送電共振器１０６Ａおよび受電共振器２０１Ａ間の結合係数ｋ１に依存せず、送電共振器１０６Ｂおよび受電共振器２０１Ｂの電流の絶対値は、送電共振器１０６Ａおよび受電共振器２０１Ａ間の結合係数ｋ１に依存しない（詳細は後述する）。よって、２つの送電系統のインバータ１０４Ａ、１０４Ｂの昇降圧比を同じ値とし（インバータ１０４Ａ、１０４Ｂの出力電圧を同じ値とし）、２つの受電系統の整流器２０３Ａ、２０３Ｂの昇降圧比同じ値とすれば、系統Ａ（送電系統Ａおよび受電系統Ａ）における送電共振器および受電共振器に流れる電流を、系統Ｂ（送電系統Ｂおよび受電系統Ｂ）における送電共振器および受電共振器に流れる電流と等しくできる。これにより充電の制御が非常に簡素化される。

また、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のＡの値が１未満であり、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のＤの値が１未満であれば、送電共振器１０６Ａおよび受電共振器２０１Ａの電流の絶対値の結合係数ｋ１への依存性を低下させ、送電共振器１０６Ｂおよび受電共振器２０１Ｂの電流の絶対値の結合係数ｋ２への依存性を低下させることができる。ＡおよびＤの値が０に近いほど、この効果は大きい。よって、結合係数ｋ１、ｋ２の違いに拘わらず、簡素な構成で、系統Ａ（送電系統Ａおよび受電系統Ａ）における送電共振器および受電共振器に流れる電流を、系統Ｂ（送電系統Ｂおよび受電系統Ｂ）における送電共振器および受電共振器に流れる電流を、同じまたは近くにすることができる。結合係数ｋ１、ｋ２への依存を低くできるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３ＢおよびＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂの昇降圧比を個別に制御する場合の制御も簡単になる。

以下、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のＡの値の絶対値を１未満または０とし、また、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のＤの絶対値を１未満または０とすることで、上述した効果が得られる理由について説明する。

上述したように、本実施形態に係る無線電力伝送システムでは、２つの送電系統のインバータを逆相で駆動することで、遠方の任意の地点における磁界をキャンセルする。ここで、遠方の磁界キャンセルするためには、一方の送電系統の送電共振器電流i_tx1と、当該一方の送電系統に対応する一方の受電系統の受電共振器電流i_rx1との和であるi_trx1が、他方の送電系統の送電共振器電流i_tx2と、他方の送電系統に対応する他方の受電系統の受電共振器電流i_rx2との和であるi_trx2と等しいことが求められる。この関係を式に表すと、以下のようになる。

図５（Ａ）に、基本的な無線電力伝送システムにおける送電共振器と受電装置のブロック図を示す。このシステムは、１系統（１つの送電系統および１つの受電系統）のシステムである。
ここで、送電側（一次側）の
とは、送電共振器を形成している。この共振器の共振周波数f₀は、入力交流電圧の周波数に等しいとする。また、受電側（二次側）の
も、共振周波数f₀で共振する受電共振器である。V_B は、本システムにより充電されるバッテリ（蓄電池）を示している。Z_recは、整流器３０１の入力インピーダンスであり、v_recは、整流器３０１への入力交流電圧を示している。さらに、
は、結合係数kにより磁気結合している。ここで、相互インダクタンスMは下記の式で示される。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の回路を、相互インダクタンスを用いたＴ型回路に置き換えたものである。また、送電共振器の入力端子から受電共振器の出力端子のＦ行列F_resoは下記のように表される。
ここで、ω₀は共振角周波数であり、ω₀=2πf₀として示される。図５（Ｂ）および式 (5)より、i_txおよびi_rxは、下記のように示される。
さらに、逆伝達関数
は下記のように示される。
よって、式(8)より、Z_recは下記のように示される。

ここで、整流器３０１の電圧変換比が１の場合、v_recの絶対値は下記のとおり示される。
よって、式(7)、(9)および(10)より、|i_tx|および|i_rx|は下記のとおり導かれる。

式(11) および (12)より、送電共振器の入力電流の絶対値|i_tx|、および受電共振器の出力電流|i_rx|は、結合係数kに依存することが確認できる。ここで、車両等の移動体への充電を行うシステムについては、大きな位置ずれ許容量が要求される。しかし、送電共振器および受電共振器の取り付け誤差が生じた場合、図１に示した一方の系統の送受電共振器間結合係数k₁と他方の系統の送受電共振器間結合係数k₂の差が、位置ずれが大きくなるに従い大きくなる。このため、Δi_trxが大きくなり、磁界のキャンセリング効果が減少してしまう。

ここで、取り付け誤差により位置ずれが発生した場合においても、Δi_trxを減少させるために、インバータと送電共振器の間に、梯子型回路（第１の回路に対応）を挿入し、および、受電共振器と整流器との間に、梯子型回路（第２の回路に対応）を挿入することを検討する。

図５（Ｂ）のシステムにおいて、インバータと送電共振器の間に第１の回路、受電共振器と整流器との間に第２の回路を挿入した無線電力伝送システムの概略図を図６に示す。

F_TLCは第１回路３１１のF行列を表し、F_RLCは第２回路３１２のF行列を表し、F_allは、インバータ出力端子から整流器３０１の入力端子までのF行列を表すとする。F_TLC、F_RLCおよびF_allを下記のように置く。

図６、式(5)、(14)より、i_txおよびi_rxは下記のとおり示される。
さらに、整流器３０１の入力電流i_recは、下記のように示され、
式(14) および (18)より、v_rxは下記のとおり示される。
加えて逆電圧利得
下記のように示され、
式(20)より、Z_recは、
と示される。
また、式(10)、(13)および(14)よりF_allは、
と示される。
よって、 式(16)、(17)、(18)、(19)、(21) および(22)より、i_txおよびi_rxは下記のとおり示される。
ここで、βは整流器入力電圧とインバータ出力電圧比であり、
で与えられる。

ここで、第１回路３１１および第２回路３１２が、受動素子で構成される場合
である。
よって、式(23)、(24)および(25)より、i_txおよびi_rxは、
と導き出される。ここで、A_TLCとD_RLCが０の場合、Mの係数が０になるため、式(10)、(26)および(27)より、
が導かれる。

式(28)および(29)より、送電共振器および受電共振器電流の絶対値|i_tx|および|i_rx|が、結合係数kに依存しないことが理解される。

よって、図１の構成において、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のＡが０（図６の例でA_TLCが０の場合に対応）、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のＤが０（図６の例でA_RLCが０の場合に対応）の条件が満たされれば、２つの送電系統のインバータ１０４Ａ、１０４Ｂの昇降圧比を同じ値とし、２つの受電系統の整流器２０３Ａ、２０３Ｂの昇降圧比を同じ値とするだけで、送電共振器および受電共振器に流れる電流を、２つの系統間で等しくすることができる。これにより充電の制御が非常に簡素化される。

上述した例では、式(26)および(27)において、A_TLCとD_RLCが０の場合を述べたが、A_TLCとD_RLCが１未満であれば、送電共振器電流および受電共振器電流の絶対値|i_tx|および|i_rx|の結合係数kへの依存性を低下させることができる。０に近ければ近いほど、結合係数kへの依存性を低下させることができる。

すなわち、図６の例において、第１回路３１１と第２回路３１２を省いて、送電共振器を入力端子に直接配線で接続し、受電共振器を整流器３０１に直接配線で接続した状態を考える。すなわち、第１回路および第２回路が存在しないシステムを考える。このとき、以下が成立する。

よって、送電側にA_TLCが１より小さい第１回路、受電側にD_RLCが１より小さい第２回路を設けることで、第１回路および第２回路が存在しない無線電力伝送システムと比較して、本実施形態の効果（結合係数kへの依存性を低くできる）を得ることができる。

本実施形態の効果について、関連技術と比較して説明する。図７は、本実施形態の効果を説明するシミュレーション結果を示す。関連技術としては、図１の構成から第１回路１０５Ａ、１０５Ｂ、２０２Ａ、２０２Ｂを省いた構成を用いる。送電側のＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂの昇降圧比を同一（出力電圧を同一またはほぼ同一）とし、受電側ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂの昇降圧比を同一としている。また、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのＦ行列におけるパラメータＡの値はいずれも０、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのＦ行列におけるパラメータＤの値はいずれも０としている。

共振器対Ａ（送電共振器１０６Ａと受電共振器２０１Ａの対）の結合係数ｋ１と、共振器対Ｂ（送電共振器１０６Ｂと受電共振器２０１Ｂの対）の結合係数ｋ２との間に、−０．２〜０．２の差があった場合の両送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂ間の電流差と、受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂ間の電流差とを計算した結果が図７に示されている。計算には、シミュレーションソフトであるSPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）を用いている。

図７より、本実施形態に係る第１回路１０５Ａ、１０５Ｂ、２０２Ａ、２０２Ｂを挿入した無線電力伝送システムでは、共振器対Ａおよび共振器対Ｂ間で結合係数の差が生じたとしても、送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂの電流がほぼ一定となり、受電共振器２０１Ａ、２０１Ｂの電流もほぼ一定となる。このため、送電側のＤＣ／ＤＣコンバータ１０３Ａ、１０３Ｂの昇降圧比を共通化でき、受電側のＤＣ／ＤＣコンバータ２０４Ａ、２０４Ｂの昇降圧比も共通化できる。よって、制御変数を少なくでき、簡素な構成で、漏洩磁界を低減できる。

（第２の実施形態）
図８は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す。図１と同一または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第１の実施形態では、２つの送電系統のそれぞれに、ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータと設けられていたが、本実施形態では、２つの送電系統に共通に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３とインバータ１０４が設けられている。なお、２つの送電系統の一方は、第１回路１０５Ａと送電共振器１０６Ａの組に対応し、他方の送電系統は、第１回路１０５Ｂと送電共振器１０６Ｂの組に対応する。

送電共振器１０６Ａ、１０６Ｂの電流を逆相にするため、第１回路１０５Ｂに対する送電共振器１０６Ｂの２つの入力端子（プラス端子、マイナス端子）の接続が、図１と逆になっている。

また、第１の実施形態では、２つの受電系統のそれぞれに、整流器とＤＣ／ＤＣコンバータが設けられていたが、本実施形態では、２つの受電系統に共通に、整流器２０３とＤＣ／ＤＣコンバータ２０４が設けられている。２つの受電系統のうちの一方は、受電共振器２０１Ａと第２回路２０２Ａの組に対応し、他方の受電系統は、受電共振器２０１Ｂと第２回路２０２Ｂの組に対応する。２つの受電系統から整流器２０３へ入力される電流の位相を同相にするため、第２回路２０２Ｂに対する受電共振器２０１Ｂの２つの出力端子（プラス端子、マイナス端子）の接続が、図１と逆になっている。

第１回路１０５Ａ、１０５Ｂは、第１の実施形態と同様、第１回路１０５Ａ、１０５ＢのＦ行列における出力開放逆電圧利得Ａの絶対値が１未満になるように、複数の素子の定数が設定されている。一例として、両回路とも、Ａの値が０である。第２回路２０２Ａ、２０２Ｂも、第１の実施形態と同様、第２回路２０２Ａ、２０２ＢのＦ行列における出力短絡逆電流利得Ｄの絶対値が１未満になるように、複数の素子の定数が設定されている。
一例として、両回路とも、Ｄの値が０である。

以上の構成により、各共振器対間の結合係数に差に拘わらず、簡素な構成で、２つの送電系統の送電電流の振幅を同じまたは近くし、２つの受電系統の受電電流の振幅を同じまたは近くにできる。これにより、漏洩磁界の強度を低減できる。

図９は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す。図８との差分を説明する。送電側の第１回路１０５Ｂの入力側のプラス端子が、インバータ１０４の出力側のマイナス端子に電気的に接続され、送電側の第１回路１０５Ｂの入力側のマイナス端子が、インバータ１０４の出力側のプラス端子に電気的に接続される。これにより、第１回路１０５Ｂに入力される電流を、第１回路１０５Ａに入力される電流に対して逆相にする。

また、受電側の第２回路２０２Ｂの出力側のプラス端子が、整流器２０３の入力側のマイナス端子に電気的に接続され、第２回路２０２Ｂの出力側のマイナス端子が、整流器２０３の入力側のプラス端子に電気的に接続される。これにより、第２回路２０２Ｂから出力される電流を、第２回路２０２Ａから出力される電流に対して同相にする。本構成の効果は、図８と同様であるため、説明を省略する。

（第３の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す。送電装置の構成は、第１の実施形態の図１と同じである。受電装置の構成は、第２の実施形態の図８と同じである。送電側の第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のパラメータＡに関する条件、受電側の第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のパラメータＤに関する条件も同様である。

以上の構成によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、各共振器対間の結合係数に差に拘わらず、簡素な構成で、２つの送電系統の送電電流の振幅を同じまたは近くにできる。よって、各共振器対間の結合係数に差に拘わらず、漏洩磁界の強度を簡単な制御で低減できる。

図１１は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す。送電装置の構成は、第１の実施形態と同じである。受電装置の構成は、第２の実施形態の図９と同じである。本構成の効果は、図１０と同様であるため、説明を省略する。

（第４の実施形態）
図１２は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す。送電装置の構成は、第２の実施形態の図８と同じである。受電装置の構成は、第１の実施形態の図１と同じである。送電側の第１回路１０５Ａ、１０５ＢのそれぞれのＦ行列のパラメータＡに関する条件、受電側の第２回路２０２Ａ、２０２ＢのそれぞれのＦ行列のパラメータＤに関する条件も同様である。

以上の構成により、各共振器対間の結合係数に差に拘わらず、簡素な構成で、２つの受電系統の受電電流の振幅を同じまたは近くにできる。これにより漏洩磁界の強度を低減できる。

図１３は、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の他の例を示す。送電装置の構成は、第２の実施形態の図９と同じである。受電装置の構成は、第１の実施形態の図１と同じである。本構成の効果は、図１２と同様であるため、説明を省略する。

（その他の実施形態）
前述した各実施形態では、送電系統数は２であった。また、受電系統数も２であった。
しかしながら、各実施形態において、送電系統数は３以上でもよい。また、受電系統数も３以上でもよい。この場合も、各送電系統に第１回路を配置し、各受電系統に第２回路を配置する。これらの送電系統の送電電流の位相関係は、送電系統数に応じて、調整すればよい。例えば送電系統数が３のときは、３つの送電系統間で位相が１２０度ずつ異なるように、各送電系統のインバータで、交流電流を生成すればよい。送電系統数がＮであれば、第１回路の個数もＮ個であり、交流電力生成回路１０７（図１）から複数の第１回路に供給される交流電力の電流は、それぞれ３６０度／Ｎずつ位相がずれた交流電流である。
このように３系統以上の場合も、前述した第１〜第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。よって、各送電系統から放射される磁界を遠方の地点で打ち消す無線電力伝送システムを、簡素な構成で実現できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１、１２、３１、３２、２９２、２９２ａ、２９２ｂ：インダクタ（コイル）
２１、２２、４１、４２、２８２、２８２ａ、２８２ｂ：コンデンサ（容量）
１０１：交流電源
１０２：ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ、２０４、２０４Ａ、２０４Ｂ：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ：インバータ
１０５Ａ、１０５Ｂ、３１１：第１回路（送電側梯子型回路）
２０２Ａ、２０２Ｂ、３１２：第２回路（受電側梯子型回路）
１０６Ａ、１０６Ｂ：送電共振器
１０７：交流電力生成回路
２０１Ａ、２０１Ｂ：受電共振器
２０３、２０３Ａ、２０３Ｂ、３０１：整流器
２０５：バッテリ（負荷装置）
２０６：整流回路

Claims (9)

1. 交流電力を生成する交流電力生成回路と、前記交流電力生成回路に接続された複数の第１回路と、それぞれ前記複数の第１回路のうちの異なる１つに接続され、前記複数の第１回路を介して受ける前記交流電力に応じて磁界を発生させる複数の送電共振器と、を含む送電装置と、
   前記複数の送電共振器のうちの異なる１つに対応し、対応する前記送電共振器との磁界結合を介して前記交流電力を受ける複数の受電共振器と、それぞれ前記複数の受電共振器のうちの異なる１つに接続された複数の第２回路と、前記複数の第２回路に接続され、前記複数の第２回路を介して受ける前記交流電力の電圧を、直流電圧に変換する整流回路と、を含む受電装置とを備え、
   前記複数の送電共振器と、前記複数の送電共振器に対応する前記複数の受電共振器との結合係数は互いに異なり、
   前記複数の第１回路のそれぞれのＦ行列における出力開放逆電圧利得の絶対値は１未満であり、かつ、前記複数の第２回路のぞれぞれのＦ行列における出力短絡逆電流利得の絶対値は１未満であり、
   前記複数の第１回路の個数はＮ個であり、前記交流電力生成回路から前記複数の第１回路に供給される交流電力の電流は、それぞれ略３６０度／Ｎずつ位相がずれている
   無線電力伝送システム。
2. 前記交流電力生成回路は、交流電源により供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記直流電圧を異なる直流電圧に変換する複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータにより変換された直流電圧に基づき交流電力を生成する複数のインバータとを備え、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧比または降圧比は同じである
   請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 前記整流回路は、前記交流電力の電圧を前記直流電圧に変換する複数の整流器と、前記複数の整流器により変換された電圧を異なる直流電圧に変換する複数のＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧比または降圧比は、同じである
   請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。
4. 前記複数の第１回路のそれぞれは、直列に接続された複数の誘導性素子と、隣接する誘導性素子間に一端が接続された容量性素子とを含む
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
5. 前記複数の第２回路のそれぞれは、直列に接続された複数の誘導性素子と、隣接する誘導性素子間に一端が接続された容量性素子とを含む
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
6. 前記複数の第１回路のそれぞれは、直列に接続された複数の容量性素子と、隣接する容量性素子間に一端が接続された誘導性素子とを含む
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
7. 前記複数の第２回路のそれぞれは、直列に接続された複数の容量性素子と、隣接する容量性素子間に一端が接続された誘導性素子とを含む
   請求項１ないし３、６のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
8. 前記複数の第１回路のそれぞれの前記出力開放逆電圧利得の絶対値は０であり、前記複数の第２回路のぞれぞれの前記出力短絡逆電流利得の絶対値は０である
   請求項１ないし７のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。
9. 前記Ｆ行列は、パラメータＡ、パラメータＢ、パラメータＣ、パラメータＤを有し、
   前記パラメータＡは、出力開放逆電圧利得であり、
   前記パラメータＢは、出力短絡伝達インピーダンスであり、
   前記パラメータＣは、出力開放伝達アドミッタンスであり、
   前記パラメータＤは、出力短絡逆電流利得である
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の無線電力伝送システム。