JP6803886B2

JP6803886B2 - 無線給電装置

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Publication number: JP6803886B2
Application number: JP2018189117A
Authority: JP
Inventors: 杉野　正芳; 正芳杉野; 近藤　弘; 弘近藤; 達也正村; 滋竹田
Original assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Corp; Denso Wave Inc
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: JP2018207783A

Description

本発明は、無線で電力を供給する無線給電装置に関する。

近年、電力を伝達する手段として、送電側から受電側へ無線で電力を供給する無線給電装置の利用が進みつつある。この無線給電装置としては、例えば１００ｋＨｚ以下の帯域で用いられる電磁誘導による電力の供給が普及している。しかし、１００ｋＨｚ以下の帯域を利用する場合、十分な電力を供給するには、送電用および受電用のコイルの大型化を招くという問題がある。そこで、比較的小型のコイルを用いて大きな電力を供給する手段として、磁界共鳴を利用した無線給電が提案されている。

この磁界共鳴を利用した無線給電では、送電用および受電用のコイルを小型化でき、伝達効率も電磁誘導に比較して高めることができるという利点を有している。また、受電用のコイルが小型化されることにより、例えばロボットなどの移動体への電力の供給に適しているという利点を有している（特許文献１）。

ところで、このような磁界共鳴に限らず無線給電では、１つの送電設備から２つ以上の機器に電力を供給したいという要求がある。すなわち、１つの送電用コイルから、２つ以上の機器に電力を供給することが望まれている。しかし、１つの送電用コイルから２つ以上の機器に同時に電力を供給する場合、図９に示すように送電用コイルから供給される電力が対象となる機器の増減によって変化する。磁界共鳴を利用する場合、送電コイルから供給される電力が変化すると、送電用コイルと各受電コイルとの間のインピーダンスが変化する。すなわち、１つの送電コイルに対し特定の数の受電コイルとの間の磁界共鳴にインピーダンスの最適化を図ると、受電コイルの数が変化したとき、各受電コイルの入力インピーダンスが変化する。特に、数ＭＨｚ帯域の高周波を利用する磁界共鳴の場合、インピーダンスのわずかな変化が伝達効率の大きな低下を招くという問題がある。

特開２０１４−６８４７８号公報

そこで、本発明の目的は、１つの送電ユニットに対して複数の受電ユニットがあるときでも、電力の供給時における伝達効率の低下を招かない無線給電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、受電ユニットは、信号生成手段を備えている。信号生成手段は、受電ユニットの受電側共振型アンプ回路に、送電側の高周波生成手段で生成した駆動信号に対して位相を合わせた受電側駆動信号を供給する。共鳴を利用する場合、共鳴によって電力が供給されるため、送電コイルから発振される高周波の位相と受電コイルで共鳴する高周波の位相とのずれ、つまり位相差によって電力の伝達効率が変化する。そこで、この位相差を意図的に変化させることにより、送電ユニットと受電ユニットとの間の共鳴は任意に断続することができる。そのため、他受電ユニットと送電ユニットとの間で電力の供給が行なわれているとき、自身は送電ユニットとの間で電力の供給を停止する。一方、他受電ユニットと送電ユニットの間で電力の供給が行なわれていないとき、自身は送電ユニットとの間で電力の供給を行なう。このように、位相制御手段は、受電側駆動信号の位相を制御することにより、他受電ユニットと送電ユニットとの電力の供給の有無に応じて、自身と送電ユニットとの間の電力の供給を断続する。その結果、送電ユニットは、常に１つの受電ユニットとの間で磁界共鳴による電力の供給が成立する。したがって、１つの送電ユニットに対して複数の受電ユニットがあるときでも、インピーダンスの低下を招くことがなく、電力の供給時における伝達効率の低下を回避することができる。

請求項２記載の発明では、位相制御手段は、信号生成手段のサーチコイルで検知した高周波に基づいて遅延回路部で受電側駆動信号の位相をずらしている。すなわち、位相制御手段は、送電側の送電コイルから発振される高周波をサーチコイルで検知する。そして、位相制御手段は、サーチコイルで検知した高周波の位相に基づいて、信号生成手段の遅延回路部において受電側駆動信号の位相をずらしている。例えば、１つの送電ユニットに対して２つ以上の受電ユニットがある場合でも、各受電ユニットの間で相互に通信可能な環境を整えることができれば、１つの送電ユニットから２つ以上の受電ユニットが同時に電力の供給を受けることは回避できる。しかし、このように受電ユニットの相互間で通信可能な環境は、高周波によるノイズ対策など機器全体の複雑化や高度なシステムの構築を招く。一方、請求項２記載の発明のように、位相制御手段として受電ユニットにサーチコイルを搭載する場合、受電ユニットは自身で他受電ユニットと送電ユニットの間の磁界共鳴による電力の供給の有無を検知可能である。すなわち、磁界共鳴による電力の供給が行なわれているとき、送電ユニットは送電コイルから高周波を発振している。そのため、位相制御手段は、サーチコイルで高周波の発振を検知可能である。そこで、位相制御手段は、サーチコイルで高周波の発振を検知したとき、他受電ユニットと送電ユニットとの間で電力の供給が行なわれていると判断する。

ところで、上述のようにＭＨｚ帯域の高周波を用いる磁界共鳴の場合、送電側の駆動信号と受電側の受電側駆動信号とのわずかな位相のずれが伝達効率の大きな低下を招く。そこで、請求項２記載の発明では、位相制御手段は、サーチコイルで高周波を検知することにより、他受電ユニットにおける電力の供給の有無を検知するだけでなく、検知した高周波の位相に応じて信号生成手段から受電側共振型アンプ回路に供給する受電側駆動信号の位相を調整する。このサーチコイルは、送電コイルから発振される高周波と共鳴せず、無線による電力の伝達に寄与しない。そのため、サーチコイルは、無線給電が成立する送電コイルと受電コイルとの間のインピーダンスおよび共振周波数に影響を与えることなく送電コイルから発振される高周波の位相を検知する。そして、信号生成手段は、サーチコイルで検知した高周波の位相に対して遅延を付加する。このように遅延回路部で高周波の位相に遅延を付加した受電側駆動信号を生成することにより、信号生成手段は送信コイルから発振される高周波と受電側駆動信号との間に確実かつ精密な位相のずれを生成する。これにより、送電ユニットとの間で磁界共鳴による電力の供給を行なうとき、位相制御手段は、受電側駆動信号の位相を最適化する。したがって、他受電ユニットと送電ユニットとの間の電力の供給の有無を検知できるだけでなく、自身と送電ユニットとの間で電力の供給を行なうとき、その伝達効率の最適化を図ることができる。

請求項３記載の発明では、位相制御手段は、信号生成手段の抵抗素子で分圧した電圧に基づいて遅延回路部で受電側駆動信号の位相をずらしている。すなわち、位相制御手段は、受電コイルの両端に加わる電圧を抵抗素子で分圧する。そして、位相制御手段は、抵抗素子で分圧した受電コイルの電圧の変化に基づいて、信号生成手段の遅延回路部において受電側駆動信号の位相をずらしている。上述のように、１つの送電ユニットに対して２つ以上の受電ユニットがある場合でも、通信可能な環境を整えることができれば好ましいものの、機器全体の複雑化や高度なシステムの構築を招く。一方、請求項３記載の発明のように、位相制御手段として受電ユニットに抵抗素子を搭載する場合、受電ユニットは自身で他受電ユニットと送電ユニットの間の磁界共鳴による電力の供給の有無を検知可能である。すなわち、磁界共鳴による電力の供給が行なわれているとき、送電ユニットは送電コイルから高周波を発振している。そのため、位相制御手段は、抵抗素子で分圧した受電コイルの電圧から高周波の発振を検知可能である。そこで、位相制御手段は、抵抗素子で分圧した受電コイルの電圧から高周波の発振を検知したとき、他受電ユニットと送電ユニットとの間で電力の供給が行なわれていると判断する。

ところで、上述のようにＭＨｚ帯域の高周波を用いる磁界共鳴の場合、送電側の駆動信号と受電側の受電側駆動信号とのわずかな位相のずれが伝達効率の大きな低下を招く。そこで、請求項３記載の発明では、位相制御手段は、抵抗素子で分圧した受電コイルの電圧から高周波の発振を検知することにより、他受電ユニットにおける電力の供給の有無を検知するだけでなく、検知した高周波の位相に応じて信号生成手段から受電側共振型アンプ回路に供給する受電側駆動信号の位相を調整する。この抵抗素子は、無線給電が成立する送電コイルと受電コイルとの間のインピーダンスおよび共振周波数に影響を与えることなく送電コイルから発振される高周波の位相を電圧に基づいて検知する。そして、信号生成手段は、検知した高周波の位相に対して遅延を付加する。このように遅延回路部で高周波の位相に遅延を付加した受電側駆動信号を生成することにより、信号生成手段は送信コイルから発振される高周波と受電側駆動信号との間に確実かつ精密な位相のずれを生成する。これにより、送電ユニットとの間で磁界共鳴による電力の供給を行なうとき、位相制御手段は、受電側駆動信号の位相を最適化する。したがって、他受電ユニットと送電ユニットとの間の電力の供給の有無を検知できるだけでなく、自身と送電ユニットとの間で電力の供給を行なうとき、その伝達効率の最適化を図ることができる。

第１実施形態による無線給電装置の構成を示す概略図第１実施形態による無線給電装置を適用したＡＧＶシステムを示す模式図第１実施形態による無線給電装置を適用したＡＧＶシステムを示す模式図駆動信号と受電側駆動信号との位相差Δφと伝達される電流との関係を示す概略図第１実施形態による無線給電装置による電力の供給の流れを示す概略図第１実施形態による無線給電装置における電力の供給を示す模式図第１実施形態による無線給電装置による電力の供給のタイミングチャートを示す模式図第２実施形態による無線給電装置の構成を示す概略図従来の無線給電装置による電力の供給のタイミングチャートを示す模式図

以下、無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態による無線給電装置１０は、送電ユニット１１および受電ユニット１２を備えている。送電ユニット１１は、外部の電源１３に接続している。受電ユニット１２は、この送電ユニット１１と対向して設けられ、電力を消費する負荷１４に接続している。送電ユニット１１と受電ユニット１２との間は、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの高周波による磁界共鳴によって無線すなわち非接触で電力が供給される。本実施形態の場合、無線給電装置１０は、図２に示すように固定側の設備から移動体へ電力を供給するために用いられる。図２および図３は、工場などにおいて用いられるＡＧＶ（Auto Guided Viecle）システム２０に無線給電装置１０を適用した例を示している。図２および図３に示す場合、送電ユニット１１は、固定側の充電エリア２１に設けられている。一方、受電ユニット１２は、充電エリア２１に対して相対的に移動する運搬車両２２に設けられている。ＡＧＶシステム２０の場合、工場の各部署で必要となる部品や組み付けられた製品は、運搬車両２２によって予め設定された搬送経路に沿って運搬される。搬送経路は、マーカ用のテープ２３で形成され、工場などの設備の床面に設けられている。ＡＧＶシステム２０は、この搬送経路であるテープ２３に沿って移動する運搬車両２２を複数備えている。複数の運搬車両２２は、テープ２３に沿って移動する際に、搬送経路の途中に設けられている充電エリア２１を通過する。これにより、運搬車両２２は、充電エリア２１を通過する際に、充電エリア２１から無線給電装置１０によって磁界共鳴を利用した非接触で電力の供給を受ける。なお、無線給電装置１０を適用する機器は、ＡＧＶシステム２０に限らない。無線給電装置１０は、自動車や電気車を備える車両システムのように、例えば複数の自動車や電気車の移動体に対して、特定の位置に設けられた充電エリアから充電を行なう構成に適用することができる。複数の運搬車両２２は、それぞれ受電ユニット１２を搭載している。

図１に示すように送電ユニット１１は、送電側共振型アンプ回路３１および高周波生成部３２を備えている。送電側共振型アンプ回路３１は、送電コイル３３、スイッチング素子３４、コンデンサ３５、コンデンサ３６およびコイル３７を有している。送電ユニット１１は、電源１３に接続している。高周波生成部３２は、図示しない発振器を有しており、送電ユニット１１のキャリアクロックとなる駆動信号を生成する。スイッチング素子３４は、高周波生成部３２で生成された駆動信号に基づいて駆動される。これにより、送電側共振型アンプ回路３１は、高周波を生成する。スイッチング素子３４のスイッチングによって生成された高周波は、送電コイル３３へ供給される。送電コイル３３は、図示しない基板に平面状に形成された平面コイルで構成されている。送電コイル３３は、コンデンサ３５、コンデンサ３６およびコイル３７とともに共振回路を形成する。送電コイル３３は、送電ユニット１１から受電ユニット１２へ電力を供給、すなわち送電するとき、送電側共振型アンプ回路３１で生成された高周波を発振する。

受電ユニット１２は、受電側共振型アンプ回路４１および信号生成部４２を備えている。受電側共振型アンプ回路４１は、送電ユニット１１の送電側共振型アンプ回路３１と実質的に同一の構成であり、受電コイル４３、スイッチング素子４４、コンデンサ４５、コンデンサ４６およびコイル４７を有している。受電ユニット１２は、コンバータ４８、蓄電池４９および負荷１４に接続している。受電コイル４３は、図示しない基板に平面状に形成された平面コイルで構成されている。受電コイル４３は、コンデンサ４５、コンデンサ４６およびコイル４７とともに共振回路を形成する。

送電ユニット１１と受電ユニット１２との間で磁界共鳴が生じると、受電側共振型アンプ回路４１には高周波が生じる。受電側共振型アンプ回路４１では、スイッチング素子４４のスイッチングによってこの高周波を整流する。コンバータ４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどで構成されており、整流された電力の電圧を調整する。蓄電池４９は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池であり、受電側共振型アンプ回路４１で整流され、コンバータ４８で電圧が調整された電力を蓄える。負荷１４は、例えばＡＧＶシステム２０の運搬車両２２を駆動するモータなどを有しており、送電ユニット１１から受電ユニット１２に供給され、蓄電池４９に蓄えられている電力によって駆動される。

信号生成部４２は、受電ユニット１２のキャリアクロックとなる受電側駆動信号を生成する。信号生成部４２は、送電側の駆動信号に対して位相をずらした受電側駆動信号を生成する。受電側共振型アンプ回路４１を構成するスイッチング素子４４は、信号生成部４２で生成された受電側駆動信号に基づいて駆動される。

信号生成部４２は、生成した受電側駆動信号をスイッチング素子４４のゲートへ入力する。これにより、受電側共振型アンプ回路４１は、受電側駆動信号に基づいたスイッチング素子４４のスイッチングによって、受電コイル４３で受けた高周波を整流する。すなわち、送電コイル３３と受電コイル４３との間で磁界共鳴が生じると、送電コイル３３で発振された高周波に共鳴する高周波が受電コイル４３に生じる。つまり、送電コイル３３から受電コイル４３へ高周波の電力が供給される。受電側共振型アンプ回路４１は、この受電コイル４３で受けた高周波をスイッチング素子４４のスイッチングによって整流する。

信号生成部４２は、サーチコイル５１および遅延回路部５２を有している。サーチコイル５１は、受電コイル４３と同様に、送電コイル３３と非接触で対向している。このサーチコイル５１は、遅延回路部５２を含めた全体的なインピーダンスが送電ユニット１１と大きく異なっている。そのため、サーチコイル５１を含めた信号生成部４２は、送電コイル３３から発振された高周波と共鳴しない。その結果、送電コイル３３とサーチコイル５１との間では、電力の供給が生じない。一方、サーチコイル５１は、送電コイル３３から発振された高周波と共鳴することがないものの、送電コイル３３による高周波の発振を検知する。

信号生成部４２を構成する遅延回路部５２は、周知の構成である。すなわち、遅延回路部５２は、図１に示すバラン方式や図示しないオールパス方式のように周知の回路を用いることができる。信号生成部４２は、この遅延回路部５２によって、サーチコイル５１で検知した送電コイル３３から発振される高周波に対して位相をずらした移相高周波を生成する。信号生成部４２で生成した移相高周波は、スイッチング素子４４に入力される受電側駆動信号となる。

受電ユニット１２は、上記に加え位相制御部６０を備えている。位相制御部６０は、信号生成部４２で生成する受電側駆動信号の位相を制御する。位相制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータを有している。位相制御部６０は、ＣＰＵでＲＯＭに記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、受電側駆動信号の位相を制御する位相制御部６０をソフトウェア的に実現している。なお、位相制御部６０は、ソフトウェア的に実現するだけでなく、ハードウェア的な制御回路として実現してもよい。

位相制御部６０は、信号生成部４２から波形整形回路６１を経由してサーチコイル５１で検知した高周波の位相を取得する。すなわち、送電ユニット１１の送電コイル３３から発振された高周波は、サーチコイル５１によってその波形が検知される。サーチコイル５１で検知された波形は、波形整形回路６１を経由して位相制御部６０へ入力される。位相制御部６０は、入力された高周波の波形から、送電ユニット１１から発振されている高周波の位相を取得する。位相制御部６０は、信号生成部４２を構成する遅延回路部５２に含まれるデジタルポテンショメータ６２を調整することにより、遅延回路部５２で生成される受電側駆動信号の位相を制御する。

信号生成部４２は、遅延回路部５２によって駆動信号ｓｉｎ（２πｆ）に対して位相が位相差Δφだけずれた受電側駆動信号ｓｉｎ（２πｆ＋Δφ）を生成する。すなわち、信号生成部４２は、サーチコイル５１で検知した送電コイル３３から発信される駆動信号ｓｉｎ（２πｆ）の高周波に対して、遅延回路部５２を通すことにより、位相差Δφだけ位相がずれた受電側駆動信号ｓｉｎ（２πｆ＋Δφ）を生成する。このとき、受電側駆動信号ｓｉｎ（２πｆ＋Δφ）の位相差Δφは、位相制御部６０によるデジタルポテンショメータ６２の調整によってΔφ＝０°〜３６０°で制御される。このように、送電ユニット１１側の駆動信号と受電ユニット１２側の受電側駆動信号との間に位相差Δφを形成することにより、送電ユニット１１から受電ユニット１２へ供給される電流は、図４に示すように位相差Δφに応じて変化する。位相制御部６０は、この位相差Δφを調整することにより、信号生成部４２で生成する受電側駆動信号の位相を制御し、送電ユニット１１から受電ユニット１２へ供給される電力の伝達効率を制御する。このように、位相制御部６０は、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間の伝達効率を制御することにより、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間の電力の供給を断続する。

以下、複数の運搬車両に充電を行なう具体的な作動の流れについて図５に基づいて説明する。図５の例は、時分割を利用してＡＧＶシステム２０の複数の運搬車両２２に充電を行なう一例である。したがって、複数のＡＧＶシステム２０において複数の運搬車両２２に充電を行なう手順は、図５に限らず任意に設定することができる。

図２および図３に示す運搬車両２２は、搬送経路のテープ２３に沿って移動する途中において、充電エリア２１に到達する。運搬車両２２は、それぞれ受電ユニット１２を搭載している。本実施形態の場合、運搬車両２２の受電ユニット１２は、他の運搬車両２２の受電ユニット１２と通信するための通信機器を搭載してしない。図２および図３の場合、充電エリア２１には３台の運搬車両２２が位置する例を示している。

運搬車両２２の位相制御部６０は、充電エリア２１に到達すると待機時間Ｔｄをリセットし、Ｔｄ＝０とする（Ｓ１０１）。すなわち、位相制御部６０は、自身の運搬車両２２が充電エリア２１に到着すると、充電エリア２１において充電のために待機している時間である待機時間Ｔｄをリセットする。これにより、待機時間Ｔｄは、位相制御部６０は、待機時間Ｔｄをリセットした後、待機時間のカウントを開始する（Ｓ１０２）。すなわち、位相制御部６０は、待機時間Ｔｄのカウンタを、Ｔｄ＝Ｔｄ＋１とインクリメントする。

そして、位相制御部６０は、送電ユニット１１の送電コイル３３からの高周波の発振を検知する（Ｓ１０３）。すなわち、位相制御部６０は、送電コイル３３から高周波が発振されているか否かを検知する。このとき、位相制御部６０は、信号生成部４２のサーチコイル５１を利用して、送電コイル３３から高周波が発振されているか否かを判断する。位相制御部６０は、送電コイル３３から高周波が発振されているとき、充電エリア２１の送電ユニット１１と自身以外の運搬車両２２の受電ユニット１２である他受電ユニットとの間で磁界共鳴による電力の供給が行なわれていると判断する。このように充電エリア２１の送電ユニット１１と他の運搬車両２２に設けられている受電ユニット１２である他受電ユニットとの間で電力の供給が行なわれているとき、自身の運搬車両２２に搭載されている受電ユニット１２と送電ユニット１１との間で電力の供給を行なうと、送電ユニット１１と自身の受電ユニット１２および他受電ユニットの間のインピーダンスが大きく変化する。その結果、送電ユニット１１と自身の受電ユニット１２および他受電ユニットとの間の磁界共鳴による電力の伝達効率は、低下する。そこで、位相制御部６０は、Ｓ１０３において送電コイル３３から高周波が発振されていると判断したとき（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、磁界共鳴による電力の供給を生じさせることなくＳ１０２にリターンする。そして、位相制御部６０は、充電エリア２１における待機を継続し、カウンタのカウントを継続する。

一方、位相制御部６０は、Ｓ１０３において送電コイル３３から高周波が発振されていないと判断したとき（Ｓ１０３：Ｎｏ）、優先順位を決定するためのマスキング時間Ｔｍを算出する（Ｓ１０４）。このマスキング時間Ｔｍは、図６に示すように待機する複数の運搬車両２２のうち充電を行なう運搬車両２２の優先順位を決定するために設定される。すなわち、複数の運搬車両２２が充電エリア２１にあるとき、マスキング時間Ｔｍが短い運搬車両２２は他の運搬車両に優先して送電ユニット１１から電力を受け取ることができる。例えば、待機時間Ｔｄが長い、つまり待機時間Ｔｄのカウンタのカウントが大きいとき、優先順位は上昇する。また、時分割によって充電を受けた回数である充電回数Ｃが大きいとき、優先順位は低下する。位相制御部６０は、この条件にしたがってマスキング時間Ｔｍを算出する。具体的な例として、位相制御部６０は、待機時間Ｔｄを予め設定された整数Ｎで除し、これに充電回数Ｃを加えてマスキング時間Ｔｍを算出する。すなわち、マスキング時間Ｔｍは、Ｔｍ＝Ｔｄ／Ｎ＋Ｃとして算出される。ここで、整数Ｎは、例えば１６など、テープ２３に沿って設定されている運搬経路を移動する運搬車両２２の数などに応じて任意の自然数として設定される。

位相制御部６０は、Ｓ１０４においてマスキング時間Ｔｍを算出すると、マスキング時間Ｔｍを計測し（Ｓ１０５）、マスキング時間Ｔｍが経過したか否かを判断する（Ｓ１０６）。すなわち、位相制御部６０は、マスキング時間Ｔｍが経過していないとき（Ｓ１０６：Ｎｏ）、Ｓ１０５におけるマスキング時間Ｔｍの計測を繰り返す。位相制御部６０は、マスキング時間Ｔｍが経過すると（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、再び送電コイル３３から高周波の発振を検知する（Ｓ１０７）。

位相制御部６０は、送電コイル３３から高周波の発振を検知すると（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、Ｓ１０２へリターンし、待機時間Ｔｄの計測を継続する。すなわち、送電コイル３３から高周波が発振されているとき、自身以外の他の運搬車両２２の他受電ユニットにおいて送電ユニット１１から電力の供給が行なわれている。そのため、位相制御部６０は、送電ユニット１１からの電力の供給を受けることなく待機する。

図６に示す例において、前方の運搬車両２２が充電エリア２１から電力の受け取っているとき、後方の運搬車両２２が充電エリア２１に進入したとする。このとき、後方の運搬車両２２のサーチコイル５１は、前方の運搬車両２２と送電ユニット１１との電力の供給にともなう高周波の波形を検出する。そのため、位相制御部６０は、他の送電ユニット１１において電力の供給が行なわれていると判断する。そこで、位相制御部６０は、高周波の波形を検出しているとき、カウンタによる待機時間Ｔｄを計測する。

位相制御部６０は、マスキング時間Ｔｍが経過しても送電コイル３３から高周波の発振を検知しないと（Ｓ１０７：Ｎｏ）、送電ユニット１１から電力の受け取りを開始する（Ｓ１０８）。すなわち、位相制御部６０は、サーチコイル５１で送電コイル３３による高周波の発振を検知しないとき、送電ユニット１１と他の運搬車両２２の他受電ユニットとの間で電力の供給が行なわれていないと判断する。そして、位相制御部６０は、自身の受電ユニット１２に対して送電ユニット１１からの電力の供給を開始させる。このとき、位相制御部６０は、信号生成部４２の遅延回路部５２において位相をずらした受電側駆動信号を生成する。これにより、位相制御部６０は、生成する受電側駆動信号を、送電ユニット１１から受電ユニット１２への電力の伝達効率が最適となる位相に設定する。位相制御部６０は、サーチコイル５１で検知した送電ユニット１１から発振される高周波の位相を遅延回路部５２でずらすことにより、受電側駆動信号の位相を最適化する。位相制御部６０は、図４に示すように受電側駆動信号の位相差Δφを調整することにより、送電ユニット１１から自身の受電ユニット１２へ電力の供給を開始する。受電ユニット１２では、送電ユニット１１から磁界共鳴を利用して受け取った電力が、受電側共振型アンプ回路４１で整流された後、コンバータ４８で変圧され、蓄電池４９に充電される。位相制御部６０は、受電側共振型アンプ回路４１のスイッチング素子４４を駆動する受電側駆動信号の位相を調整することにより、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間の磁界共鳴を最適化する。これにより、送電ユニット１１から受電ユニット１２への電力の伝達効率も最適化される。

充電エリア２１に複数の運搬車両２２があるとき、マスキング時間Ｔｍは運搬車両２２ごとに異なっている。マスキング時間Ｔｍが最短の運搬車両２２は、他の運搬車両２２に先駆けて送電ユニット１１から電力を受け取ることができる。すなわち、位相制御部６０は、マスキング時間Ｔｍが経過しても、送電ユニット１１と他の運搬車両２２との間で電力の供給が行なわれていない、つまりサーチコイルで高周波を検知しないとき、自身が電力を受け取る順番であると判断する。そこで、位相制御部６０は、受電側駆動信号の位相を最適化し、図６に示すように送電ユニット１１から電力の供給を受ける。

位相制御部６０は、電力の供給によって蓄電池４９への充電を開始すると、充電時間が経過したか否かを判断する（Ｓ１０９）。すなわち、位相制御部６０は、予め設定された充電時間が経過するまで、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間の電力の供給を継続する。充電時間は、例えば５００ｍｓに設定されている。位相制御部６０は、充電時間が経過していないと判断すると（Ｓ１０９：Ｎｏ）、充電時間が経過するまで待機する。

位相制御部６０は、充電時間が経過したと判断すると（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）、充電回数Ｃをインクリメントし（Ｓ１１０）、送電ユニット１１から電力の受け取りを終了する（Ｓ１１１）。すなわち、位相制御部６０は、充電時間が経過すると、これまで記憶している充電回数Ｃをインクリメントする。この充電回数Ｃは、Ｓ１０４におけるマスキング時間Ｔｍの次回の算出に用いられる。位相制御部６０は、充電回数Ｃをインクリメントするとともに、送電ユニット１１から電力の受け取りを終了する。位相制御部６０は、信号生成部４２の遅延回路部５２において生成する受電側駆動信号の位相をずらす。これにより、位相制御部６０は、生成する受電側駆動信号を、図４に示すように送電ユニット１１から受電ユニット１２への電流が「０」、つまり電力の伝達効率が「０」となる位相に設定する。このように、位相制御部６０が受電側駆動信号の位相を調整することにより、送電ユニット１１から自身の受電ユニット１２への電力の供給が終了する。

位相制御部６０は、予め設定された終了待機時間Ｔｗが経過した後（Ｓ１１２）、処理を終了し、Ｓ１０１へリターンする。終了待機時間Ｔｗは、複数の運搬車両２２における干渉を低減するために設定されている。本実施形態の場合、終了待機時間Ｔｗは、１０ｍｓに設定している。

以上の手順により、複数の運搬車両２２が充電エリア２１に進入したとき、待機時間Ｔｍが長く、充電回数Ｃが少ない運搬車両２２が優先して充電される。そして、図７に示すように、複数の運搬車両２２は、時分割によって送電する時期が重複することなく、送電ユニット１１から電力を受け取る。そのため、送電する時期の重複にともなう送電ユニット１１と受電ユニット１２との間のインピーダンスの変化が抑えられる。したがって、複数の運搬車両２２が充電エリア２１にあるときでも、送電ユニット１１から受電ユニット１２への電力の伝達効率の低下を招かない。

以上説明した第１実施形態では、受電ユニット１２は、信号生成部４２を備えている。信号生成部４２は、受電ユニット１２の受電側共振型アンプ回路４１に、送電側の高周波生成部３２で生成した駆動信号に対して位相をずらした受電側駆動信号を供給する。すなわち、受電側共振型アンプ回路４１を駆動する受電側駆動信号は、送電側の高周波生成部３２で生成した駆動信号に対して位相が変化する。磁界共鳴を利用する場合、共鳴によって電力が供給されるため、送電コイル３３から発振される高周波の位相と受電コイル４３で共鳴する高周波の位相とのずれ、つまり位相差Δφによって電力の伝達効率が変化する。そこで、位相制御部６０は、この位相差Δφを意図的に変化させることにより、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間の磁界共鳴を任意に断続している。すなわち、位相制御部６０は、２つ以上の受電ユニット１２があるとき、他受電ユニットと送電ユニット１１との間で磁界共鳴による電力の供給が行なわれていれば、自身の信号生成部４２から受電側共振型アンプ回路４１に供給する受電側駆動信号の位相を共鳴が生じない位相差Δφとする。そのため、他受電ユニットと送電ユニット１１との間で電力の供給が行なわれているとき、自身の受電ユニット１２は送電ユニット１１から電力が供給されない。一方、位相制御部６０は、他受電ユニットと送電ユニット１１との間で磁界共鳴による電力の供給が行なわれていないとき、受電側駆動信号を共鳴が生じる位相差Δφとなるように制御する。そのため、他受電ユニットと送電ユニット１１の間で電力の供給が行なわれていないとき、自身の受電ユニット１２は送電ユニット１１から電力が供給される。このように、位相制御部６０は、受電側駆動信号の位相を制御することにより、他受電ユニットと送電ユニット１１との電力の供給の有無に応じて、自身の受電ユニット１２と送電ユニット１１との間の電力の供給を断続する。その結果、送電ユニット１１は、常に１つの受電ユニット１２との間で磁界共鳴による電力の供給が成立する。したがって、１つの送電ユニット１１に対して複数の受電ユニット１２があるときでも、インピーダンスの低下を招くことがなく、電力の供給時における伝達効率の低下を回避することができる。

また、送電ユニット１１と受電ユニット１２との間のインピーダンスは、運搬車両２２に搭載されている蓄電池４９の充電状態によって変化する。そこで、位相制御部６０は、受電側駆動信号の位相を制御することにより、駆動信号と受電側駆動信号との位相差Δφを蓄電池４９の充電状態に応じて最適化する。したがって、各運搬車両２２に搭載されている蓄電池４９の状態に応じて、最適な電力の供給を図ることができる。

また、第１実施形態では、位相制御部６０は、サーチコイル５１で検知した高周波に基づいて遅延回路部５２で受電側駆動信号の位相をずらしている。すなわち、位相制御部６０は、送電側の送電コイル３３から発振される高周波をサーチコイル５１で検知する。そして、位相制御部６０は、サーチコイル５１で検知した高周波の位相に基づいて、遅延回路部５２において受電側駆動信号の位相をずらしている。したがって、位相制御部６０は、他の運搬車両２２と通信を行なうことなく、サーチコイル５１で検知した高周波の位相から他受電ユニットにおける充電の有無を検知することができる。

さらに、第１実施形態では、位相制御部６０は、サーチコイル５１で高周波を検知することにより、他受電ユニットにおける電力の供給の有無を検知するだけでなく、検知した高周波の位相に応じて信号生成部４２から受電側共振型アンプ回路４１に供給する受電側駆動信号の位相を調整する。サーチコイル５１は、送電コイル３３から発振される高周波と共鳴せず、無線による電力の伝達に寄与しない。そのため、サーチコイル５１は、磁界共鳴による無線の給電が成立する送電コイル３３と受電コイル４３との間のインピーダンスおよび共振周波数に影響を与えることなく送電コイル３３から発振される高周波の位相を検知する。そして、信号生成部４２の遅延回路部５２は、サーチコイル５１で検知した高周波の位相に対して遅延を付加する。このような遅延を付加することによって、信号生成部４２は、送信コイル３３から発振される高周波と受電側駆動信号との間に、位相差Δφを確実に生成するとともに、この位相差Δφを最適化する。これにより、送電ユニット１１との間で磁界共鳴による電力の供給を行なうとき、位相制御部６０は、受電側駆動信号の位相を最適化する。したがって、他受電ユニットと送電ユニット１１との間の電力の供給の有無を検知できるだけでなく、自身と送電ユニット１１との間で電力の供給を行なうとき、その伝達効率の最適化を図ることができる。

さらに、第１実施形態では、受電ユニット１２側において受電側駆動信号の位相を調整している。すなわち、一対の送電ユニット１１と受電ユニット１２から無線給電装置１０が構成される場合でも、受電ユニット１２側において位相の調整を行なっている。これにより、運搬車両２２ごとの個体差や経年的な変化が生じる場合でも、無線給電装置１０の伝達効率は受電側駆動信号の調整を行なうだけで最適化される。したがって、調整をより容易にすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による無線給電装置を図８に示す。
第２実施形態では、図８に示すように信号生成部７０の構成が第１実施形態と異なっている。具体的には、第２実施形態の場合、信号生成部７０は、分圧抵抗７１および分圧抵抗７２を有している。分圧抵抗７１および分圧抵抗７２は、特許請求の範囲の抵抗素子に相当する。受電コイル４３と並列に分圧抵抗７１および分圧抵抗７２を挿入することにより、遅延回路部７３には受電コイル４３の両端に加わる電圧が入力される。これにより、信号生成部７０は、分圧抵抗７１および分圧抵抗７２で取得された受電コイル４３に加わる電圧の変化に基づいて、遅延回路部７３において駆動信号に対して位相をずらした受電側駆動信号を生成する。すなわち、受電コイル４３に加わる電圧の変化は、送電コイル３３から発振された高周波の位相に関係する。そのため、遅延回路部７３は、この高周波の位相に関係する電圧の変化、つまり電圧の位相から、その位相をずらすことにより受電側駆動信号を生成する。信号生成部７０で生成した受電側駆動信号は、第１実施形態と同様に受電側共振型アンプ回路４１のスイッチング素子４４のゲートに入力される。

このように第２実施形態では、第１実施形態のサーチコイル５１に代えて、分圧抵抗７１および分圧抵抗７２で受電コイル４３で受信する高周波の電圧を検知している。そして、信号生成部７０は、検知した電圧の変化に基づいて、駆動信号から位相がずれた受電側駆動信号を生成している。分圧抵抗７１および分圧抵抗７２は、送電コイル３３と受電コイル４３との間のインピーダンスおよび共振周波数に影響を与えることなく送電コイル３３から発振される高周波の位相を電圧として検知する。そして、信号生成部７０の遅延回路部７３は、検知した高周波の位相に対して１／２周期以上の遅延を付加した受電側駆動信号を生成する。このような遅延を付加することによって、信号生成部７０は、送信コイル３３から発振される高周波と受電側駆動信号との間に、確実な位相差Δφを生成するとともに、位相差Δφを最適化する。これにより、信号生成部７０で生成する受電側駆動信号を簡単な構成かつ高い精度で受電側共振型アンプ回路４１へ供給することができる。また、第２実施形態でも、受電ユニット１２側において位相の調整を行なうので、個体差や経年的な変化への調整を容易にすることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は無線給電装置、１１は送電ユニット、１２は受電ユニット、１３は電源、１４は負荷、３１は送電側共振型アンプ回路、３２は高周波生成部（高周波生成手段）、３３は送電コイル、４１は受電側共振型アンプ回路、４２、７０は信号生成部（信号生成手段）、４３は受電コイル、５１はサーチコイル、５２、７３は遅延回路部、６０は位相制御部（位相制御手段）、７１、７２は分圧抵抗を示す。

Claims

電源に接続し設備に固定されている送電ユニットと、
負荷に接続し前記送電ユニットに対して相対的に移動可能な２つ以上の受電ユニットと、を備え、前記送電ユニットから発振される高周波の位相と前記受電ユニットで共鳴する高周波の位相のずれによって、供給される電力の伝達効率が変動する共鳴によって非接触で電力を供給する無線給電装置であって、
前記送電ユニットに設けられ、高周波を発信するための駆動信号を生成する高周波生成手段と、
前記送電ユニットに設けられ、送電コイルを有し、前記高周波生成手段で生成した高周波を前記送電コイルから発振する送電側共振型アンプ回路と、
前記受電ユニットにそれぞれ設けられ、前記送電コイルに対向する受電コイルを有し、前記送電コイルから発振された高周波を前記受電コイルで受け取って共振する受電側共振型アンプ回路と、
前記受電ユニットにそれぞれ設けられ、前記送電コイルから発振される高周波の位相を検出するとともに、前記受電側共振型アンプ回路において整流を行なうスイッチング素子に、前記高周波生成手段で生成した前記駆動信号に対して位相を合わせた受電側駆動信号を供給する信号生成手段と、
前記受電ユニットにそれぞれ設けられている制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記信号生成手段で検出した高周波の位相を用いて、前記信号生成手段で生成する前記受電側駆動信号の位相を制御することにより前記伝達効率を変更して、前記送電ユニットと自身との間における電力の供給を断続し、
２つ以上の前記受電ユニットのうち自身以外の他受電ユニットと前記送電ユニットとの間において非接触の電力の供給が行なわれていないとき、前記送電コイルから発振される高周波と、前記信号生成手段で生成した前記受電側駆動信号との位相差を予め設定した設定範囲に合わせることにより自身の前記伝達効率を最適化して前記送電ユニットから電力の供給を受けるとともに、
前記他受電ユニットと前記送電ユニットとの間において非接触の電力の供給が行なわれているとき、前記送電コイルから発振される高周波と、前記信号生成手段で生成した前記受電側駆動信号との位相差を前記設定範囲からずらすことにより自身の前記伝達効率の最適化せずに前記送電ユニットからの電力の供給を受けることなく待機し、
前記制御手段は、前記送電ユニットから非接触で電力を受け取る２つ以上の前記受電ユニットについて予め設定した条件に基づいて電力を供給する順に優先順位を設定する無線給電装置。
前記信号生成手段は、
前記受電ユニットのそれぞれにおいて前記送電コイルに対向して設けられ、前記送電ユニットから発振される高周波を検知するサーチコイルと、
前記サーチコイルで検知した前記送電コイルから発振される高周波の位相に基づいて、前記伝達効率を変更するために前記信号生成手段で生成する前記受電側駆動信号の位相を調整する遅延回路部と、
を有する請求項１記載の無線給電装置。
前記信号生成手段は、
前記受電コイルの両端に加わる電圧を分圧する抵抗素子と、
前記抵抗素子で分圧した前記受電コイルの両端に加わる電圧の位相に基づいて、前記伝達効率を変更するために前記信号生成手段で生成する前記受電側駆動信号の位相を調整する遅延回路部と、
を有する請求項１記載の無線給電装置。