JP7521938B2 - 無線電力伝送システム及び電力波反射方法 - Google Patents

Description

本開示は、無線電力伝送システム及び電力波反射方法に関する。

近年、ＩｏＴ化が進む中で、センサをはじめとする多数の情報端末を用いて、様々な情報を収集することが求められている。ただしこのような情報端末が増えると、端末への電力供給が困難になる場合がある。特許文献１には、無線電力伝送技術を活用した電源供給システムが開示される。特許文献１の無線電力伝送システムは、無線電力を送電する送電機と、無線電力による給電対象である複数の受電機とを備える。送電機は、無線通信により複数の受電機の充電状態を確認し、充電電力が不足している受電機に対して無線電力の送電方向を変更することによって、給電を優先的に行うことができる。

特表２０１６－５１２６７７号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術では、送電機が各受電機に対する送電方向を変更する必要があるため、送電機の構成が複雑になる。従って、従来技術では、送電機の構成を簡素化しながら複数の受電機への給電を実現する上での改善の余地がある。

本開示の非限定的な実施例は、送電機の構成を簡素化しながら複数の受電機へ給電ができる無線電力伝送システム、及び電力波反射方法の提供に資する。

本開示の一実施例に係る無線電力伝送システムは、電力波を放射する送電機と、前記電力波を受信するアンテナを備える複数の受電機と、を備え、前記受電機は、受信した前記電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態とを切り替え、前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替える。

本開示の一実施例に係る電力波経路変化方法は、送電機から放射された電力波を受電機に送信するステップと、前記受電機のアンテナで受信された電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態と切り替えるステップと、前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替えるステップと、前記受電機によって反射された前記電力波を、前記受電機以外の受電機が受信するステップと、を含む。

本開示の一実施例によれば、送電機の構成を簡素化しながら複数の受電機へ給電ができる無線電力伝送システム、及び電力波反射方法を構築できる。

本開示の一実施例における更なる利点及び効果は、明細書及び図面から明らかにされる。かかる利点及び／又は効果は、いくつかの実施の形態並びに明細書及び図面に記載された特徴によってそれぞれ提供される。

本開示の実施の形態に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図 送電機２０１の構成例を示す図 本開示の実施の形態に係る受電機２０２の構成例を示す図 本開示の実施の形態に係る受電機２０２の動作を説明するためのフローチャート 本開示の実施の形態に係る受電機２０２の変形例を示す 受電電力量の変化を評価するための準閉空間１０２を示す図 受電電力量の評価結果を説明するための図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。なお本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［実施の形態］
＜無線電力伝送システム１００の構成例＞
図１は本開示の実施の形態に係る無線電力伝送システム１００の構成例を示す図である。無線電力伝送システム１００は、準閉空間に電波（高周波電力）を送電する送電機２０１と、送電機２０１から準閉空間に向けて放射された電波２０４を受信する複数の受電機２０２とを備える。受電機２０２は、受信した電波２０４に基づき電力を生成して負荷に供給する機能と、受信した電波２０４を反射波２０５として準閉空間へ放射する機能とを備える。準閉空間と受電機２０２の詳細については後述する。

＜送電機２０１＞
次に図２を参照して送電機２０１の構成例について説明する。図２は送電機２０１の構成例を示す図である。送電機２０１は、発振部３０２、制御部３０３、アンテナ３０１及び電源部３０４を備える。

発振部３０２は、例えば、水晶振動子、位相同期回路、増幅回路などで構成される電気回路を備え、当該電気回路により高周波電力（電力波）を生成する。高周波電力の周波数帯は、例えば９００ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯、５．８ＧＨｚ帯などのマイクロ波帯である。これらの周波数帯は、送電機２０１から受電機２０２までの距離、送電機２０１のサイズなどに応じて選択される。

制御部３０３は、例えば、メモリ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、通信デバイスなどの電気回路を備え、当該電気回路により、発振部３０２で生成した高周波電力の送電量の制御や、発信される高周波電力の周波数帯の切り替えなどを行う。

アンテナ３０１は、発振部３０２で生成された高周波電力を電波２０４として準閉空間へ放射する。アンテナ３０１の種類は、例えば、指向性アンテナ、無指向性アンテナなどである。特定の方向へ長距離送電したい場合には指向性アンテナが使用され、近距離で広い範囲に送電したい場合には無指向性アンテナが使用される。指向性アンテナには、例えば、誘電体基板をＧＮＤ板とアンテナで挟んだ平面形状のパッチアンテナが使用される。無指向性アンテナには、電気を流す導線などを直線状に伸ばした線形状のダイポールアンテナ、モノポールアンテナが使用される。

電源部３０４は、送電機２０１を動作させるための電源を供給する機能を有し、商用交流電源から直流電力を生成する電力変換回路などで構成される。

次に図３を参照して受電機２０２の構成例について説明する。図３は本開示の実施の形態に係る受電機２０２の構成例を示す図である。図３に示す受電機２０２は、アンテナ４０１、整流部４０２、制御部４０３、蓄電部４０５及びスイッチ部４０６を備える。

アンテナ４０１は、送電機２０１から放射された電波２０４を受信し、受信した電波２０４を高周波電力として整流部４０２に入力する機能と、電波２０４を反射波２０５として準閉空間へ放射する機能とを有する。アンテナ４０１の種類は、前述したアンテナ３０１と同様に、例えば、指向性アンテナ、無指向性アンテナなどである。

整流部４０２は、アンテナ４０１が受信した電波２０４を直流電力へ変換する。整流部４０２は、例えば、整流ダイオード、インピーダンス整合回路、フィルタ回路などによって構成される。

制御部４０３は、アンテナ４０１で受信された電波２０４の負荷４０４への供給制御と、当該電波２０４による蓄電部４０５への充電制御と、蓄電部４０５の放電制御と、スイッチ部４０６の切り替え制御とを行う。

負荷４０４は、例えばIoT(Internet of Things)で活用されるセンサなどである。なお、負荷４０４はこれに限定されるものではない。

蓄電部４０５は、制御部４０３を駆動させるのに必要な電力を蓄える蓄電手段である。蓄電部４０５は、例えば二次電池である。蓄電部４０５は、制御部４０３による充電制御により、整流部４０２から出力される直流電力を蓄える。また蓄電部４０５は、負荷４０４の消費電力が整流部４０２から出力される直流電力を超過する場合、制御部４０３による放電制御により、蓄電電力を負荷４０４へ供給する。

スイッチ部４０６は、反射モードのとき、アンテナ４０１を開放又は接地の状態に切り替え、給電モードのとき、アンテナ４０１を負荷４０４に接続するための切り替え手段である。

反射モードは、アンテナ４０１から見た回路側のインピーダンスを切替えることによって、アンテナ４０１が受信した電波２０４を同位相で全反射し、又は、受信した電波２０４を逆位相で全反射するモードである。

給電モードは、スイッチ部４０６を介して整流部４０２が負荷４０４に接続された状態で、整流部４０２の直流電力を負荷４０４に供給するモードである。

開放とは、アンテナ４０１がＧＮＤ４０７と負荷４０４の何れにも接続しないことで、アンテナ４０１に接続される回路のインピーダンスが無限大となる状態である。

接地とは、アンテナ４０１をＧＮＤ４０７に接続することで、アンテナ４０１に接続される回路のインピーダンスがゼロとなる状態である。

整流部４０２、制御部４０３、蓄電部４０５及びスイッチ部４０６は、位相変化部６１０を構成する。位相変化部６１０は、アンテナ４０１に受信された電力波の位相を変化させ、位相変化後の電力波を反射波２０５としてアンテナ４０１から放射する。

なお、受電機２０２では、整流部４０２の出力側にスイッチ部４０６が設けられているため、アンテナ４０１と整流部４０２との間にスイッチ部４０６が設けられる場合に比べて電力損失を低減できる。

次に図４を参照して受電機２０２の動作について説明する。図４は本開示の実施の形態に係る受電機２０２の動作を説明するためのフローチャートである。

まず制御部４０３は、蓄電部４０５に蓄えられた電力により、スイッチ部４０６の接続先を負荷４０４側へ切り替えることで、給電モードの状態にする（ステップＳ１）。これにより、アンテナ６０１で受信された電波２０４は、整流部４０２で直流電力へ変換され、負荷４０４へ供給される。なお、制御部４０３は、給電モードにおいて、負荷４０４への電力の供給と同時に蓄電部４０５への充電も実施する。

制御部４０３は、給電モードにより、負荷４０４に十分な電力供給が行われているか否かを判定する（ステップＳ２）。

例えば、負荷４０４の消費電力が整流部４０２で変換される電力を超える場合、制御部４０３は、負荷４０４に十分な電力供給が行われていないと判定し（ステップＳ２、ＮＯ）、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。

例えば、負荷４０４の消費電力が整流部４０２で変換される電力未満の場合、制御部４０３は、負荷４０４に十分な電力供給が行われていると判定し（ステップＳ２、ＹＥＳ）、ステップＳ３の処理を実行する。

次に、制御部４０３は、蓄電部４０５に蓄えられた電力により、スイッチ部４０６を反射モードの状態にする（ステップＳ３）。

制御部４０３は、スイッチ部４０６を制御することによって、アンテナ４０１を開放又は接地の状態に交互に切り替える（ステップＳ４）。この切り替え動作によって、開放時に受信された電波２０４が同位相で全反射され、接地時に受信された電波２０４が逆位相で全反射される。全反射された電波２０４は反射波２０５として、準閉空間に向けて放射される。準閉空間に放射された反射波２０５は、受電機２０２の周囲に存在する１又は複数の受電機２０２で受信される。１又は複数の受電機２０２は、反射波２０５と送電機２０１から放射された電波２０４とを受信して、これらを整流部４０２で整流することで、負荷４０４への電力供給と蓄電部４０５への給電を行う。

なお、制御部４０３は、開放と接地を一定周期又はランダムな周期で交互に切り替えるように、スイッチ部４０６を制御してもよい。これにより、経時的に位相が変化（位相変調）する反射波２０５を送信することができ、１又は複数の受電機２０２で受信される反射波２０５の位相が経時的に変化する。例えば受電機２０２の位置が変化した場合でも、反射波２０５を放射する受電機２０２と、反射波２０５を受信する受電機２０２との間のインピーダンスを調整することなく、効率よく電力供給が可能になる。

スイッチ部４０６の切り替え動作によって、蓄電部４０５の蓄電電力が低下するため、制御部４０３は、蓄電部４０５が充電を要する状態であるか否かをモニタする（ステップＳ５）。

例えば、蓄電部４０５の充電率が所定値（例えば３０％）以上のとき、又は、蓄電部４０５の放電開始時点から一定時間経過していないとき、制御部４０３は、蓄電部４０５が充電を要する状態ではないと判定し（ステップＳ５、ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。

例えば、蓄電部４０５の充電率が所定値（例えば３０％）未満になるまで低下し、又は、蓄電部４０５の放電開始時点から一定時間経過したとき、制御部４０３は、蓄電部４０５が充電を要する状態であると判定する（ステップＳ５、ＹＥＳ）。この場合、制御部４０３は、給電モードの状態にするため、ステップＳ１の処理を実行する。

なお、これらの処理は、複数の受電機２０２の全てにおいて実行されてもよいし、複数の受電機２０２の一部（１又は複数）において実行されてもよい。

複数の受電機２０２の全てにおいてこれらの処理が実行されることで、準閉空間内の何れの箇所においても安定した強度の電波２０４を受信し得る。

複数の受電機２０２の一部においてこれらの処理が実行されることで、スイッチ部４０６の切り替え動作などにより消費される電力が抑制されるため、無線電力伝送システム１００全体での電力消費量を抑えながら、これらの処理が実行されない場合に比べて安定した強度の電波２０４を受信し得る。

なお、これらの処理は、複数の受電機２０２の全部又は一部が、互いに同期しながら実行してもよいし、非同期で実行しても良い。

複数の受電機２０２の全部又は一部が、互いに同期しながらこれらの処理を実行することで、これらの処理が実行されない場合に比べて安定した強度の電波２０４を受信し得る。

複数の受電機２０２の全部又は一部が、非同期でこれらの処理を実行することで、同期を行うための回路及び制御が不要になるため、受電機２０２の構成が簡素化され、信頼性を向上させつつ、準閉空間内の何れの箇所においても安定した強度の電波２０４を受信し得る。

複数の受電機２０２の全部又は一部が、例えば、スイッチ部４０６の切り替えクロックをランダムに発生する乱数発生器を備えることで、スイッチ部４０６の切り替えタイミングを非同期にさせることができる。これにより、複数の受電機２０２を統括して制御する必要がなく、簡易な構成で、安定した強度の電波環境を構築できる。

図５は本開示の実施の形態に係る受電機２０２の変形例を示す図である。図５に示される受電機２０２では、スイッチ部４０６と整流部４０２が逆に配置されている。整流部４０２の入力側にスイッチ部４０６を配置することにより、アンテナ４０１に接続されるスイッチ部４０６により切り替え動作が行われるため、反射波２０５の伝達効率が向上する。

なお、本実施の形態に係る位相変化部６１０は、スイッチ部４０６の代わりに、インピーダンス変化部を備えるように構成してもよい。インピーダンス変化部は、例えば、可変コンデンサ、可変コイル、可変抵抗、移相器などにより構成されており、アンテナ４０１が接続される回路の複素インピーダンスを経時的に変化させる。アンテナ４０１とＧＮＤ４０７との間のインピーダンスを変化させることにより、アンテナ４０１をＧＮＤ４０７に接続する第１状態とアンテナ４０１をＧＮＤ４０７から開放する第２状態とを交互に切り替えることができる。

次に図６及び図７を参照して、受電電力のシミュレーション結果について説明する。

図６は受電電力量の変化を評価するための準閉空間１０２を示す図である。図６において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、それぞれ、Ｘ軸に平行な方向、Ｙ軸に平行な方向、Ｚ軸に平行な方向を表す。Ｘ軸方向とＹ軸方向は、互いに直交する。Ｘ軸方向とＺ軸方向は、互いに直交する。Ｙ軸方向とＺ軸方向は、互いに直交する。ＸＹ平面は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な仮想平面を表す。ＸＺ平面は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に平行な仮想平面を表す。ＹＺ平面は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行な仮想平面を表す。

準閉空間１０２は、例えば、２つのＸＹ平面と２つのＸＺ平面とを電波反射面（電波２０４が反射する面）として、かつ、２つのＹＺ面を電波無反射面（電波２０４が反射しない面）とする空間である。準閉空間１０２には、本実施の形態に係る送電機２０１及び２つの受電機２０２（第１受電機２０２－１及び第２受電機２０２－２）が配置される。

準閉空間１０２のＸ軸方向の幅Ａは３[ｍ]、準閉空間１０２のＺ軸方向の高さＢは１[ｍ]、準閉空間１０２のＹ軸方向の奥行きＣは１[ｍ]である。送電機２０１から２つの受電機２０２（第１受電機２０２－１及び第２受電機２０２－２）までのＸ軸方向の距離Ｘは２[ｍ]である。第１受電機２０２－１から第２受電機２０２－２までのＹ軸方向の距離Ｙは０．３２５[ｍ]である。第１受電機２０２－１及び第２受電機２０２－２のそれぞれのアンテナ４０１には、９２０ＭＨｚを中心周波数として動作するダイポールアンテナが利用される。

受電電力のシミュレーションでは、接地(ＧＮＤ接続)と短絡(負荷接続)を切り替えるスイッチ部４０６を備えた回路を試作し、第２受電機２０２－２のスイッチ部４０６を切り替えたときの、第１受電機２０２－１のＳパラメータをシミュレーションにより求め、受電電力量の変化を評価した。

図７は受電電力量の評価結果を説明するための図である。図７には、図６の準閉空間１０２において第２受電機２０２－２が電力反射動作を実行した場合における、第１受電機２０２－１における受電電力量の評価結果が示される。図７の縦軸はＳパラメータを表し、図７の横軸は周波数を表す。

点線は、第１受電機２０２－１及び第２受電機２０２－２のそれぞれのスイッチ部４０６が短絡状態（負荷接続）となっている場合における第１受電機２０２－１のＳパラメータ１２０２を表す。

実線は、第１受電機２０２－１のスイッチ部４０６が短絡状態（負荷接続）であり、かつ、第２受電機２０２－２のスイッチ部４０６が接地状態（ＧＮＤ接続）となっている場合における第１受電機２０２－１のＳパラメータ１２０３を示す。

第２受電機２０２－２が電力反射動作を実行した場合における、第１受電機２０２－１の受電電力量は、Ｓパラメータ１２０２とＳパラメータ１２０３との差分によって計算できる。

例えば、Ｓパラメータ１２０３が最大となる周波数における、Ｓパラメータ１２０３とＳパラメータ１２０２との差分は、２．１［ｄＢ］である。これは、第１受電機２０２－１の受電電力が、第２受電機２０２－２が電力反射動作を開始する前の受電電力の約１．９倍になることを示す。図７によれば、準閉空間１０２において電力反射機能を有する受電機２０２を用いることによって、受電電力が向上することが分かる。

以上に説明したように本実施の形態に係る受電機２０２は、負荷に対して電力を供給する給電状態から電力波を反射する反射状態へ切り替えることにより、周囲の受電機２０２に対して反射波２０５を放射できるため、周囲の受電機２０２への電力供給量を高めることができる。

また、本実施の形態に係る無線電力伝送システム１００によれば、送電機２０１が複数の受電機２０２のそれぞれに対して電波２０４の放射方向を絞り込む制御が不要になる。このため、電波２０４の指向性が高くなることによって、周辺機器との電波干渉が生じたり、人体への影響が生じたりすることを抑制しながら、周囲の受電機２０２への電力供給量を高めることができる。

また、電波２０４の放射方向を絞り込む制御が不要になることによって、周辺機器と電波干渉を回避するための機能が不要になるため、送電機２０１の構成が簡素化されて、送電機２０１の製造コストの上昇を抑制できると共に、信頼性を向上させることができる。

また、電波２０４の放射方向を絞り込む制御が不要になることによって、電波２０４の放射方向における電力密度の上昇を抑制できるため、電波法などの規制に制限されることなく、無線電力伝送システム１００を構築できる。

また、特定の受電機２０２が周囲の受電機２０２に対して、反射波２０５を放射することにより、壁などで電波２０４が反射してしまい特定の受電機２０２に電波２０４が到達しないということを防止できる。また、建物の窓ガラスを電波２０４が透過してしまい、特定の受電機２０２に電波２０４が到達しないということも防止できる。

なお、例えば、以下のような態様も本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

（１）無線電力伝送システムは、電力波を放射する送電機と、前記電力波を受信する複数の受電機と、を備え、前記受電機は、受信した前記電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態とを切り替える。

（２）前記受電機は、前記電力波を受信するアンテナと、前記反射状態において前記電力波を受信するアンテナから見た回路のインピーダンスを切り替えることによって、前記電力波を同位相で反射し、又は、前記電力波を逆位相で反射する位相変化部と、を備える。

（３）当該位相変化部は、前記アンテナで受信された電力波を整流する整流部と、当該整流部の出力側に接続され前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替えるスイッチ部と、を備える。

（４）当該位相変化部は、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替えるスイッチ部と、前記アンテナで受信された電力波を当該スイッチ部経由で入力して整流する整流部と、を備える。

（５）複数の前記受電機の全てのスイッチ部は、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替える。

（６）複数の前記受電機の一部のスイッチ部は、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替える。

（７）電力波反射方法は、送電機から放射された電力波を受電機に送信するステップと、前記受電機で受信された電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態と切り替えるステップと、前記受電機によって反射された前記電力波を、前記受電機以外の受電機が受信するステップと、を含む。

本開示の一実施例は、無線電力伝送システムに好適である。

１００ ：無線電力伝送システム
１０２ ：準閉空間
２０１ ：送電機
２０２ ：受電機
２０２－１ ：第１受電機
２０２－２ ：第２受電機
２０４ ：電波
２０５ ：反射波
３０１ ：アンテナ
３０２ ：発振部
３０３ ：制御部
３０４ ：電源部
４０１ ：アンテナ
４０２ ：整流部
４０３ ：制御部
４０４ ：負荷
４０５ ：蓄電部
４０６ ：スイッチ部
４０７ ：ＧＮＤ
６０１ ：アンテナ
６１０ ：位相変化部

Claims (9)

1. 電力波を放射する送電機と、
   前記電力波を受信するアンテナを備える複数の受電機と、
   を備え、
   前記受電機は、受信した前記電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態とを切り替え、
   前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替える無線電力伝送システム。
2. 前記受電機は、前記反射状態において前記電力波を受信するアンテナから見た回路のインピーダンスを切り替えることによって、前記第２状態において前記電力波を同位相で反射し、又は、前記第１状態において前記電力波を逆位相で反射する位相変化部と、を備える請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 当該位相変化部は、前記アンテナで受信された電力波を整流する整流部と、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替えるスイッチ部と、を備える請求項２に記載の無線電力伝送システム。
4. 当該位相変化部は、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替えるスイッチ部と、前記電力波を前記スイッチ部経由で入力して整流する整流部と、を備える請求項２に記載の無線電力伝送システム。
5. 複数の前記受電機の全てのスイッチ部は、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替える請求項３又は４に記載の無線電力伝送システム。
6. 複数の前記受電機の一部のスイッチ部は、前記第１状態と前記第２状態とを交互に切り替える請求項３又は４に記載の無線電力伝送システム。
7. 送電機から放射された電力波を受電機に送信するステップと、
   前記受電機のアンテナで受信された電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態と切り替えるステップと、
   前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替えるステップと、
   前記受電機によって反射された前記電力波を、前記受電機以外の受電機が受信するステップと、
   を含む電力波反射方法。
8. 送電機から放射される電力波を受信するアンテナを備え、
   前記電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態とを切り替え、
   前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替える受電機。
9. 送電機から放射された電力波をアンテナで受信するステップと、
   前記電力波に基づき負荷に対して電力を供給する給電状態と受信した前記電力波を反射する反射状態と切り替えるステップと、
   前記反射状態において、前記アンテナをグランドに接続する第１状態と前記アンテナを当該グランドから開放する第２状態とを交互に切り替えるステップと、
   を含む受電機の電力波反射方法。

Images