特開 2025-2114 無線電力受電装置、無線給電システムおよび無線電力受電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025002114

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】無線電力受電装置、無線給電システムおよび無線電力受電方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/20 20160101AFI20241226BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20241226BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20241226BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

H02J50/20

H02J50/40

H02J50/80

H02J7/00 301D

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023102050

(22)【出願日】2023-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118876

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 順生

(72)【発明者】

【氏名】荒井 和輝

(72)【発明者】

【氏名】三友 敏也

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503GB09

5G503GD03

5G503GD04

(57)【要約】

【課題】ＲＦ電力を受電する際の偏波損失の影響を抑制することができる、無線電力受電装置、無線給電システムおよび無線電力受電方法を提供する。
【解決手段】実施の形態の無線電力受電装置は、ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電する受電部と、第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換する第１の変換部と、第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換する第２の変換部と、第１のＤＣ電力および第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する合成部と、合成部の出力電圧を所定値に固定する電圧固定部とを備える。第１の変換部および第２の変換部は、自身の電力変換効率を最大化するように動作する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電する受電部と、
前記第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換する第１の変換部と、
前記第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換する第２の変換部と、
前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する合成部と、
前記合成部の出力電圧を所定値に固定する電圧固定部と
を備え、
前記第１の変換部および前記第２の変換部は、自身の電力変換効率を最大化するように動作する、無線電力受電装置。

【請求項2】

前記第１の変換部および前記第２の変換部のそれぞれは、
ＲＦ電力をＤＣ電力に変換するＲＦ－ＤＣ変換部と、
前記ＲＦ－ＤＣ変換部の負荷インピーダンスが最適負荷インピーダンスの付近に保たれるように制御するインピーダンス制御部と
を含む、請求項１に記載の無線電力受電装置。

【請求項3】

前記電圧固定部は、前記第３のＤＣ電力を蓄電可能である、請求項１に記載の無線電力受電装置。

【請求項4】

前記電圧固定部は、蓄電池を含む、請求項３に記載の無線電力受電装置。

【請求項5】

前記無線電力受電装置の受電電力に関する情報を取得する情報取得部と、
前記受電電力に関する情報を無線通信によって送信する無線通信部と
をさらに備える、請求項１に記載の無線電力受電装置。

【請求項6】

受電電力に関する情報は、前記第３のＤＣ電力の電圧および電流の情報、前記第１のＲＦ電力および前記第２のＲＦ電力の電圧および電流の情報、前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力の電圧および電流の情報のうちの少なく１つを含む、請求項５に記載の無線電力受電装置。

【請求項7】

前記受電部と前記第１の変換部との間に設けられ、前記受電部と前記第１の変換部とを電気的に接続する第１の接続状態と、前記受電部と前記第１の変換部とを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える、第１の切り替え部と、
前記受電部と前記第２の変換部との間に設けられ、前記受電部と前記第２の変換部とを電気的に接続する第１の接続状態と、前記受電部と前記第２の変換部とを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える、第２の切り替え部と
をさらに備える、請求項１に記載の無線電力受電装置。

【請求項8】

信号発信部をさらに備え、
前記第１の切り替え部および前記第２の切り替え部は、前記第２の接続状態において、前記受電部と前記信号発信部とを電気的に接続する、請求項７に記載の無線電力受電装置。

【請求項9】

前記信号発信部は、任意の電力分配が可能な電力分配器を含む、請求項８に記載の無線電力受電装置。

【請求項10】

前記信号発信部は、任意の位相差を生成可能な第１の位相器および第２の位相器のいずれかまたは両方を含む、請求項９に記載の無線電力受電装置。

【請求項11】

前記第２の直線偏波成分は、前記第１の直線偏波成分に対して直交する
請求項１に記載の無線電力受電装置。

【請求項12】

ＲＦ電力を送電する無線電力送電装置と、
請求項１～１１のいずれか一項に記載の無線電力受電装置と
を備える、無線給電システム。

【請求項13】

ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電し、
前記第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換し、
前記第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換し、
前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力し、
前記合成部の出力電圧を所定値に固定し、
前記第１のＲＦ電力から前記第１のＤＣ電力への変換、および、前記第２のＲＦ電力から前記第２のＤＣ電力への変換は、それぞれ電力変換効率を最大化するように動作する、無線電力受電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施の形態は、無線電力受電装置、無線給電システムおよび無線電力受電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電磁波を電力伝搬経路として利用する無線給電技術では、直線偏波や円偏波等が用いられる。この際に送電側から受電側に送電される電力は、ＲＦ電力（Radio Frequency Electric Power）と呼ばれる。ＲＦ電力を受電する際には、偏波角に依存して偏波損失が発生し、受電電力の大きさが変化する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－３３２４４号公報

【特許文献2】特許第７２７４５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本実施の形態は、ＲＦ電力を受電する際の偏波損失の影響を抑制することができる、無線電力受電装置、無線給電システムおよび無線電力受電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記の課題を解決するために、本実施の形態に係る無線電力受電装置は、受電するＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電する受電部と、第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換する第１の変換部と、第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換する第２の変換部と、第１のＤＣ電力および第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する合成部と、合成部の出力電圧を所定値に固定する電圧固定部とを備え、第１の変換部および第２の変換部は、自身の電力変換効率を最大化するように動作する。

【0006】

また、本実施の形態に係る無線給電システムは、ＲＦ電力を送電する無線電力送電装置と、上記の無線電力受電装置とを備える。

【0007】

また、本実施の形態に係る無線電力受電相方法は、ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電し、前記第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換し、前記第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換し、前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力し、前記合成部の出力電圧を所定値に固定し、前記第１のＲＦ電力から前記第１のＤＣ電力への変換、および、前記第２のＲＦ電力から前記第２のＤＣ電力への変換は、それぞれ電力変換効率を最大化するように動作する、ＲＦ電力を送電する無線電力送電装置と、上記の無線電力受電装置とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１に係る無線給電システムの構成を示す図。

【図2】無線電力受電装置の変換部の詳細な構成を示す図。

【図3】ＲＦ電力の理想的な受電電力特性を示す図。

【図4】入力電力と最適負荷時の電力変換効率との関係を示す図。

【図5】入力電力と出力電圧との関係を示す図。

【図6】無線電力受電装置の受電電力のシミュレーション結果の一例を示す図。

【図7】実施形態２に係る無線給電システムの構成を示す図。

【図8】実施形態３に係る無線給電システムの構成を示す図。

【発明の実施の形態】

【0009】

以下では、図面を参照しながら、本実施の形態について説明する。図面において同一または対応する要素には同じ参照符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。

【0010】

（実施の形態１）
図1は、実施形態１に係る無線給電システム1の構成を示す図である。無線給電システム１は、直線偏波または円偏波等の任意の偏波方式を用いてＲＦ電力を送電する無線電力送電装置２と、無線電力送電装置２から送電されたＲＦ電力を受電する無線電力受電装置３とを備えている。無線電力受電装置３によって受電されたＲＦ電力は、ＤＣ電力に変換されて負荷４に供給される。無線電力受電装置３は、受電装置３と称されてもよい。

【0011】

ＲＦ電力の送電に用いられる電磁波には、マイクロ波、ミリ波、およびサブミリ波等だけでなく、赤外線、可視光、およびＸ線等の光波も含まれる。電磁波の周波数がＲＦ電力の周波数となる。

【0012】

本実施の形態１では、無線電力送電装置２は、ＲＦ電力の送電に用いる電磁波として、主にマイクロ波を用いる。通常、マイクロ波の周波数は３～３０ＧＨｚと定義され、より周波数の高いミリ波およびサブミリ波や、より周波数の低い光波よりも遮断されにくいという利点がある。なお、無線電力送電装置２は、ＲＦ電力の送電量を制御する機能を備えていてもよい。

【0013】

無線電力受電装置３は、受電部１０と、第１の変換部２０Ａと、第２の変換部２０Ｂと、合成部３０と、電圧固定部４０とを備えている。

【0014】

受電部１０は、直交する２つの直線偏波成分を受電可能な
偏波共用の構成を有しており、無線電力送電装置２から送電されるＲＦ電力を２つの直交偏波成分に分離して受電し、第１のＲＦ電力および第２のＲＦ電力として出力する。受電部１０は直交する２つの直線偏波成分を同時受電可能であってもよい。受電部１０は、単体のアンテナを用いて受電してもよいし、単一偏波のアンテナを複数直交させたアンテナを用いて受電してもよい。

【0015】

第１の変換部２０Ａは、受電部１０から出力される第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換して出力する。第２の変換部２０Ｂは、受電部１０から出力される第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換して出力する。後述するように、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂは、自身の電力変換効率を最大化するように動作する。

【0016】

合成部３０は、第１の変換部２０Ａから出力される第１のＤＣ電力および第２の変換部２０Ｂから出力される第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する。電圧固定部４０は、合成部３０の出力電圧を所定値に固定する。

【0017】

図２は、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの詳細な構成を示す図である。なお、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの構成は同一であるので、図２では、これらをまとめて変換部２０と表記している。

【0018】

変換部２０は、受電部１０から出力されるＲＦ電力をＤＣ電力に変換するＲＦ－ＤＣ変換部２１と、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の後段に接続されるインピーダンス制御部２２とを備えている。

【0019】

ＲＦ－ＤＣ変換部２１は、整合回路２１ａと、整流回路２１ｂと、フィルタ回路２１ｃとを含んでいる。整合回路２１ａは、受電部１０のインピーダンスと整流回路２１ｂのインピーダンスとのマッチングを行う。これにより、受電部１０から入力されるＲＦ電力の反射が抑えられ、整流回路２１ｂの受電電力が大きくなる。また、整合回路２１ａは、整流回路２１ｂによって反射される微弱なＲＦ電力や整流回路２１ｂの整流動作によって発生する高調波が受電部１０から空間中へ再放射されるのを抑制することができる。

【0020】

整流回路２１ｂは、整合回路２１ａを経由して入力されるＲＦ電力をＤＣ電力に変換して出力する。フィルタ回路２１ｃは、整流回路２１ｂから出力されるＤＣ電力に含まれる微弱なＲＦ電力や高調波成分を遮断し、ＤＣ成分のみを通過させる。なお、フィルタ回路２１ｃによって遮断された微弱なＲＦ電力や高調波は整流回路２１ｂへ反射される。

【0021】

インピーダンス制御部２２は、ＲＦ－ＤＣ変換部２１から見た出力側のインピーダンス、すなわち負荷インピーダンスを制御する。負荷インピーダンスが一定の場合、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の電力変換効率は、ある一定の電圧までは入力電圧の増加と共に単調増加する。すなわち、入力電圧が小さいと電力変換効率は低くなる。インピーダンス制御部２２は、所与の入力電圧におけるＲＦ－ＤＣ変換部２１の電力変換効率が最大化されるように、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスを制御する。

【0022】

ここで、所与の入力電圧における電力変換効率が最大となるようなＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスを「最適負荷インピーダンス」と定義する。インピーダンス制御部２２は、電力変換を行うことにより、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスが最適負荷インピーダンスの付近に保たれるように制御する。ここで、負荷インピーダンスが最適化インピーダンスの「付近に保たれる」とは、最適負荷インピーダンスと実際の負荷インピーダンスとの誤差が±２０％以内に保たれることを意味する。

【0023】

インピーダンス制御部２２は、第１の検出回路２２ａと、第２の検出回路２２ｂと、電力変換回路２２ｃと、制御回路２２ｄとを含んでいる。

【0024】

第１の検出回路２２ａは、インピーダンス制御部２２の入力電圧および入力電流を検出する。第２の検出回路２２ｂは、インピーダンス制御部２２の出力電圧および出力電流を検出する。

【0025】

電力変換回路２２ｃは、制御回路２２ｄからの指令信号に基づいて、自身の入力電圧、並びに、入力電流または出力電流を制御する。この際の制御方式としては、例えば、ＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）制御あるいはＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御等を用いることができる。ただし、これ以外の制御方式を用いてもよい。

【0026】

制御回路２２ｄは、第１の検出回路２２ａおよび第２の検出回路２２ｂの検出値に基づいて、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の電力変換効率が最大化されるように、換言すればＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力が最大値に保たれるように、電力変換回路２２ｃの動作を制御する。この際の制御方法としては、例えば、最大電力追従制御（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）で用いられる山登り法を用いることができる。具体的には、制御回路２２ｄは、電力変換回路２２ｃに対して入力電圧の昇圧指示を送信し、電力変換回路２２ｃの入力電圧が上昇した時に、改めて第１の検出回路２２ａおよび第２の検出回路２２ｂの検出値を確認する。

【0027】

新しい検出値に基づいて算出されるＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力の方が、直前の検出値に基づいて算出されたＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力よりも大きい場合には、制御回路２２ｄは、電力変換回路２２ｃに対して更なる昇圧指示を送信する。一方、新しい検出値に基づいて算出されるＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力の方が、直前の検出値に基づいて算出されたＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力よりも小さい場合には、制御回路２２ｄは、電力変換回路２２ｃに対して降圧指示を送信する。新しい検出値に基づいて算出されるＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力と、直前の検出値に基づいて算出されたＲＦ－ＤＣ変換部２１の出力電力とが同じ場合には、制御回路２２ｄは、電力変換回路２２ｃに対して昇圧または降圧指示を送信しない。

【0028】

次に、本実施の形態１に係る無線電力受電装置３の第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの効果について説明する。

【0029】

はじめに、図１の無線電力受電装置３において、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂを取り除いた場合を考える。この場合、合成部３０では、受電部１０から出力される２つのＲＦ電力が、そのままＲＦ電力として並列合成される。

【0030】

図３は、受電部１０におけるＲＦ電力の理想的な受電電力特性を示す図である。この図において、第１のＲＦ電力は、第１の偏波成分に由来する受電電力であり、第２のＲＦ電力は、第２の偏波成分に由来する受電電力である。また、横軸の偏波角は、第１の偏波成分を基準としたときの、第１の偏波成分および第２の偏波成分の偏波角である。縦軸の規格化受電電力は、最大受電電力で規格化された受電電力である。

【0031】

図３に示されるように、第１のＲＦ電力および第２のＲＦ電力はともに偏波角の変化に対して正弦波状に変化するが、それらの合計電力は偏波角に依存せずに常に一定値となる。ただし、このような受電電力特性は、アンテナの交差偏波特性や材料等の非線形要素による影響を無視した理想的なものである。この図からは、受電部１０を直交２偏波共用の構成とすることにより、理想的な条件の下では、偏波角に依存することなく、常に最大受電電力が得られることが分かる。

【0032】

しかしながら、図３の最大受電電力は、第１のＲＦ電力と第２のＲＦ電力の絶対値を単純に足し合わせて計算したものであり、実際に両者をＲＦ電力のまま並列合成する際には問題がある。例えば、第１のＲＦ電力と第２のＲＦ電力とは位相差が９０度あるため、両者をＲＦ電力のまま並列合成する際には、位相量の調整が必要となる。

【0033】

次に、図２の変換部２０において、ＲＦ－ＤＣ変換部２１を残し、インピーダンス制御部２２を取り除いた場合を考える。この場合、合成部３０では、ＲＦ－ＤＣ変換部２１から出力される２つのＤＣ電力が並列合成される。

【0034】

図４は、一般的な整流回路における入力電力と最適負荷時の電力変換効率との関係を示す図である。この図に示されるように、整流回路の電力変換効率は、入力電力の大きさに依存して変化する。そのため、図３のように偏波角に依存して２つのＲＦ電力の大きさが不均一になる場合には、所与の偏波角における２つの整流回路の電力変換効率は異なるものとなる。

【0035】

図５は、図４と同一条件の整流回路における入力電力と出力電圧との関係を示す図である。この図に示されるように、整流回路の出力電圧は、入力電力の大きさに依存して変化する。そのため、図３のように偏波角に依存して２つのＲＦ電力の大きさが不均一になる場合には、所与の偏波角における２つの整流回路の出力電圧は異なるものとなる。

【0036】

これら２つの異なる出力電圧がそのまま合成部３０に入力されると、合成部３０ではこれら２つの出力電圧が１つの共通値に固定されてしまう。２つの整流回路の出力電圧が１つの共通値に固定されてしまうと、入力電力に応じた最大効率が得られる出力電圧とは異なる出力電圧で固定されてしまう。つまり２つの整流器それぞれは最適負荷インピーダンスとは異なる条件で動作することとなる。結果として、２つの整流回路の電力変換効率を同時に最大化することが困難になる。

【0037】

上記の問題点に対処するために、本実施の形態１に係る第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂでは、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の後段にインピーダンス制御部２２が設けられている。インピーダンス制御部２２は、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の入力電力に応じて、その電力変換効率が最大化されるように、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスを制御する。具体的には、インピーダンス制御部２２は、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスが最適インピーダンスの付近に保たれるように制御する。

【0038】

次に、本実施の形態１に係る無線電力受電装置３の電圧固定部４０の効果について説明する。

【0039】

はじめに、図１の無線電力受電装置３において、電圧固定部４０を取り除いた場合を考える。この場合、合成部３０の出力電圧は、例えば、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電流が変動すると、これに連動して変動する。合成部３０の出力電圧が変動すると、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電圧もそれに連動して変動する。第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電圧が変動すると、それに応じて両者の変換部２０Ａおよび２０Ｂに含まれるインピーダンス制御部２２Ａおよび２２Ｂも動作する。このように、出力電圧が常に変動するため本来の制御対象である入力側と合わせてインピーダンス制御部２２Ａおよび２２Ｂの入出力電圧が常に変動してしまい、結果として両者の電力変換効率を最大化する制御が困難になる。

【0040】

上記のような問題を解決するために、電圧固定部４０は、合成部３０の出力電圧を所定値に固定する。合成部３０の出力電圧が所定値に固定されることにより、それに連動して第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電圧も所定値に固定される。第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電圧が所定値に固定されると、両者のインピーダンス制御部２２Ａおよび２２Ｂは固定された出力電圧を基準としてそれぞれの入力側、つまりＲＦ－ＤＣ変換部２１Ａおよび２１Ｂの負荷インピーダンスについて、各自でＲＦ－ＤＣ変換部２１Ａおよび２１Ｂに入力された電力に応じて制御できる。結果として両者の電力変換効率を最大化する制御が容易になる。

【0041】

ここで、本実施の形態１における「固定」という用語の定義について説明する。無線電力受電装置３の動作中、合成部３０の出力電圧は、電圧固定部４０によって定められる所定値を目標として僅かに変動するが、その過程で目標とする所定値と実際の出力電圧との間で誤差が生じる。この誤差の範囲を電圧変動割合（＝（実際の出力電圧－所定値）／所定値）として定義すると、本実施の形態１では、出力電圧が所定値に固定されるとは、出力電圧の電圧変動割合が所定値を中心として±２０％以内に収まることを意味する。

【0042】

電圧固定部４０は、自身の出力電圧を定電圧制御する機能を有しており、内部抵抗の小さな電源回路を含んでいる。電圧固定部４０は、自身に印加される電圧、すなわち合成部３０の出力電圧が上記の所定値に固定されるように、自身の出力電圧を定電圧制御する。電圧固定部４０の内部抵抗は小さいため、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂの出力電流が変動しても、電圧固定部４０に印加される電圧、すなわち合成部３０の出力電圧はほとんど変動しない。

【0043】

第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂに含まれる各インピーダンス制御部２２は、互いに相手方の動作状況に影響を受けることなく、ＲＦ－ＤＣ変換部２１の負荷インピーダンスの制御、具体的には負荷インピーダンスを最適負荷インピーダンスの付近に保つ制御を独立して行うことができる。

【0044】

以上説明したように、本実施の形態１に係る無線電力受電装置３は、ＲＦ電力を第１の偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電する受電部１０と、第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換する第１の変換部２０Ａと、第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換する第２の変換部２０Ｂと、第１のＤＣ電力および第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する合成部３０と、合成部３０の出力電圧を所定値に固定する電圧固定部４０とを備えている。第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂは、自身の電力変換効率を最大化するように動作する。

【0045】

上記のような特徴により、本実施の形態１に係る無線電力受電装置３は、ＲＦ電力を受電する際の偏波損失の影響を抑制することができる。図６は、無線電力受電装置３の受電電力の実測結果の一例である。所与の偏波角において２つのＲＦ電力の大きさは異なるもののそれぞれのＲＦ電力に対してＲＦ－ＤＣ変換が行われており、各偏波成分由来の電力を合成することで偏波角に対する合計受電電力の変動を緩和している。

【0046】

なお、電圧固定部４０は、合成部３０から出力されるＤＣ電力を蓄電可能であってもよい。この場合、電圧固定部４０として、例えば蓄電池を用いることができる。蓄電池の内部抵抗は小さいため、蓄電池に流れ込む電流が変動しても、蓄電池の起電力は電池の蓄電残量に応じて一定の電圧に保たれる。蓄電池に蓄電された電力は、負荷４や後述する実施の形態３の切り替え部等に供給することができる。また、電圧固定部４０は、出力電圧を負荷４や実施の形態３の切り替え部等にとって適切な電圧へと調整する機能を有していてもよい。

【0047】

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る無線給電システム２０１の構成を示す図である。無線電力受電装置２０３は、実施の形態１の無線電力受電装置３の各構成要素に加えて、情報取得部２５１と、無線通信部２５２と、無線通信制御部２５３とを備えている。

【0048】

情報取得部２５１は、無線電力受電装置２０３の受電電力に関する情報を取得する。受電電力に関する情報には、例えば、合成部３０から出力される第３のＤＣ電力の電圧および電流の情報、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂに入力される第１のＲＦ電力および第２のＲＦ電力の電圧および電流の情報、第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂから出力される第１のＤＣ電力および第２のＤＣ電力の電圧および電流の情報等が含まれる。また、電圧固定部４０が蓄電可能である場合には、受電電力に関する情報として、電圧固定部４０に蓄電されている電力量の情報が含まれてもよい。

【0049】

無線通信部２５２は、無線電力送電装置２０２と無線電力受電装置２０３との間で、上記の受電電力に関する情報を含む各種情報を無線通信によって送受信する。例えば、無線電力送電装置２０２は、無線電力受電装置２０３から送信される受電電力に関する情報に基づいて、給電のタイミングや給電量等の給電スケジュールを決定することができる。無線通信制御部２５３は、情報取得部２５１および無線通信部２５２の動作を制御する。

【0050】

無線電力送電装置２０２と無線電力受電装置２０３との間の無線通信の方式としては、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、特定小電力無線通信、または無線ＬＡＮ（Wireless Local Area Network）等を用いることができる。

【0051】

以上説明したように、本実施の形態２に係る無線電力受電装置２０３は、無線電力受電装置２０３の受電電力に関する情報を取得する情報取得部２５１と、受電電力に関する情報を無線通信によって送信する無線通信部２５２とを備えている。このような特徴により、無線電力送電装置２０２は、無線電力受電装置２０３から送信される受電電力に関する情報に基づいて、給電のタイミングや給電量等の給電スケジュールを決定することができる。

【0052】

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る無線給電システム３０１の構成を示す図である。無線電力受電装置３０３は、実施の形態１の無線電力受電装置３の各構成要素に加えて、第１の切り替え部３６１と、第２の切り替え部３６２と、信号発信部３７０とを備えている。

【0053】

第１の切り替え部３６１は、受電部１０と第１の変換部２０Ａとの間に設けられている。第１の切り替え部３６１は、受電部１０と第１の変換部２０Ａとを電気的に接続する第１の接続状態と、受電部１０と第１の変換部２０Ａとを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える。第２の接続状態では、受電部１０と信号発信部３７０の第１の位相器３７３とが電気的に接続される。

【0054】

第２の切り替え部３６２は、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとの間に設けられている。第２の切り替え部３６２は、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとを電気的に接続する第１の接続状態と、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える。第２の接続状態では、受電部１０と信号発信部３７０の第２の位相器３７４とが電気的に接続される。

【0055】

電圧固定部４０が蓄電可能である場合には、第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２は、電圧固定部４０に蓄電されている電力によって動作することができる。

【0056】

電圧固定部４０の蓄電量が所定の閾値未満の場合には、第１の切り替え部３６１は、受電部１０と第１の変換部２０Ａとを接続する第１の接続状態となってもよい。一方、電圧固定部４０の蓄電量が所定の閾値以上の場合には、第１の切り替え部３６１は、受電部１０と第１の変換部２０Ａとを切り離す第２の接続状態となってもよい。所定の閾値は、電圧固定部４０の性能に基づいて予め設定されてもよいし、ユーザが設定してもよい。

【0057】

電圧固定部４０の蓄電量が所定の閾値未満の場合には、第２の切り替え部３６２は、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとを接続する第１の接続状態となってもよい。一方、電圧固定部４０の蓄電量が所定の閾値以上の場合には、第２の切り替え部３６２は、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとを切り離す第２の接続状態となってもよい。所定の閾値は、電圧固定部４０の性能に基づいて予め設定されてもよいし、ユーザが設定してもよい。

【0058】

信号発信部３７０は、第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２が第２の接続状態であるとき、無線電力送電装置３０２に向けて、受電部１０を介して無変調波または任意の変調方式を用いたビーコン信号等の任意の発信することができる。

【0059】

信号発信部３７０は、信号源３７１と、任意の電力分配が可能な電力分配器３７２と、任意の位相差を生成可能な第１の位相器３７３および第２の位相器３７４とを含んでいる。なお、第１の位相器３７３および第２の位相器３７４を必ず含む必要はなく、電力分配器３７２を含むだけでもよい。

【0060】

無線電力送電装置３０２は、上記のビーコン信号が受信される方向および受信信号強度等に基づいて、無線電力受電装置３０３の位置、および無線電力送電装置３０２と無線電力受電装置３０３との間の伝搬路情報等を推定することができる。

【0061】

電圧固定部４０が蓄電可能である場合には、信号発信部３７０は、電圧固定部４０に蓄電されている電力によって動作することができる。信号発信部３７０が発信するビーコン信号の周波数は、無線電力送電装置３０２が送電するＲＦ電力の周波数と同一であることが好ましいが、異なる周波数であってもよい。

【0062】

本実施の形態３では、ＲＦ電力の送電とビーコン信号の送信とで同一の周波数を用いる場合について説明する。この場合、第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２の接続状態を切り替えることにより、時分割的にＲＦ信号の送電とビーコン信号の送信とを切り替えることができる。これにより、ＲＦ電力とビーコン信号との干渉が防止される。

【0063】

信号発信部３７０は、直交２偏波共用の受電部１０から送信されるビーコン信号を任意の偏波とすることができる。例えば、電力分配器３７２を等分配に設定するとともに、第１の位相器３７３と第２の位相器３７４との位相差を９０度に設定することにより、直交２偏波共用の受電部１０から円偏波のビーコン信号を送信することができる。無線電力受電装置３０３から任意の偏波のビーコン信号を送信できることにより、いわゆる偏波ダイバーシチを実現することができる。

【0064】

以上説明したように、本実施の形態３に係る無線電力受電装置３０３は、受電部１０と第１の変換部２０Ａとの間に設けられる第１の切り替え部３６１と、受電部１０と第２の変換部２０Ｂとの間に設けられる第２の切り替え部３６２と、信号発信部３７０とを備えている。第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２は、受電部１０と第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂとを電気的に接続する第１の接続状態と、受電部１０と信号発信部３７０とを電気的に接続する第２の接続状態とを切り替える。このとき、信号発生部３７０には第２の接続状態中に受電部１０から受電電力を受け破損しないように、過入力保護等を備えてもよい。

【0065】

上記のような特徴により、本実施の形態３に係る無線電力受電装置３０３は、受電部１０からビーコン信号等の任意の信号を送信することができる。無線電力送電装置３０２は、ビーコン信号が受信される方向および受信信号強度等に基づいて、無線電力受電装置３０３の位置、および無線電力送電装置３０２と無線電力受電装置３０３との間の伝搬路情報等を推定することができる。

【0066】

なお、電圧固定部４０は、自身に流れ込む充電電流の上限値を設定してもよい。例えば、所定の上限値を超える充電電流が検出された場合には、電圧固定部４０は、第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２を制御することにより、受電部１０と第１の変換部２０Ａおよび第２の変換部２０Ｂのうちの少なくとも一方とを電気的に切り離してもよい。これにより、過剰な充電電流から電圧固定部４０を保護することができる。このとき、一方の変換部のみを切り離す場合には、残りの変換部から供給される充電電流によって充電を継続することができる。

【0067】

電圧固定部４０は、自身に印加される充電電圧の下限値を設定してもよい。例えば、所定の下限値を下回る充電電圧が検出された場合には、電圧固定部４０は、第１の切り替え部３６１および第２の切り替え部３６２を制御することにより、合成部３０の出力から自身を電気的に切り離してもよい。これにより、充電電圧が過小な時に、過剰な充電電流から電圧固定部４０を保護することができる。

【0068】

幾つかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は例として提示したものであり、実施の形態の範囲を限定することは意図していない、これらの実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせ等を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、実施の形態の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲とその均等の範囲に含まれるものである。

【0069】

なお、本実施の形態は、以下のような構成を取ることもできる。
［項目１］（実１、実２、実３）
ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電する受電部と、
前記第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換する第１の変換部と、
前記第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換する第２の変換部と、
前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力する合成部と、
前記合成部の出力電圧を所定値に固定する電圧固定部と
を備え、
前記第１の変換部および前記第２の変換部は、自身の電力変換効率を最大化するように動作する、無線電力受電装置。
［項目２］（実１、実２、実３）
前記第１の変換部および前記第２の変換部のそれぞれは、
ＲＦ電力をＤＣ電力に変換するＲＦ－ＤＣ変換部と、
前記ＲＦ－ＤＣ変換部の負荷インピーダンスが最適負荷インピーダンスの付近に保たれるように制御するインピーダンス制御部と
を含む、項目１に記載の無線電力受電装置。
［項目３］（実１、実２、実３）
前記電圧固定部は、前記第３のＤＣ電力を蓄電可能である、項目１または２に記載の無線電力受電装置。
［項目４］（実１、実２、実３）
前記電圧固定部は、蓄電池を含む、項目３に記載の無線電力受電装置。
［項目５］（実２）
前記無線電力受電装置の受電電力に関する情報を取得する情報取得部と、
前記受電電力に関する情報を無線通信によって送信する無線通信部と
をさらに備える、項目１～４のいずれか一項に記載の無線電力受電装置。
［項目６］（実２）
受電電力に関する情報は、前記第３のＤＣ電力の電圧および電流の情報、前記第１のＲＦ電力および前記第２のＲＦ電力の電圧および電流の情報、前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力の電圧および電流の情報のうちの少なく１つを含む、項目５に記載の無線電力受電装置。
［項目７］（実３）
前記受電部と前記第１の変換部との間に設けられ、前記受電部と前記第１の変換部とを電気的に接続する第１の接続状態と、前記受電部と前記第１の変換部とを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える、第１の切り替え部と、
前記受電部と前記第２の変換部との間に設けられ、前記受電部と前記第２の変換部とを電気的に接続する第１の接続状態と、前記受電部と前記第２の変換部とを電気的に切り離す第２の接続状態とを切り替える、第２の切り替え部と
をさらに備える、項目１～６のいずれか一項に記載の無線電力受電装置。
［項目８］（実３）
信号発信部をさらに備え、
前記第１の切り替え部および前記第２の切り替え部は、前記第２の接続状態において、前記受電部と前記信号発信部とを電気的に接続する、項目７に記載の無線電力受電装置。
［項目９］（実３）
前記信号発信部は、任意の電力分配が可能な電力分配器を含む、項目８に記載の無線電力受電装置。
［項目１０］（実３）
前記信号発信部は、任意の位相差を生成可能な第１の位相器および第２の位相器のいずれかまたは両方を含む、請求項９に記載の無線電力受電装置。
［項目１１］
前記第２の直線偏波成分は、前記第１の直線偏波成分に対して直交する
項目１～１０のいずれか一項に記載の無線電力受電装置。
［項目１２］
ＲＦ電力を送電する無線電力送電装置と、
項目１～１１のいずれか一項に記載の無線電力受電装置と
を備える、無線給電システム。
［項目１３］
ＲＦ電力を第１の直線偏波成分に由来する第１のＲＦ電力と第２の直線偏波成分に由来する第２のＲＦ電力とに分離して受電し、
前記第１のＲＦ電力を第１のＤＣ電力に変換し、
前記第２のＲＦ電力を第２のＤＣ電力に変換し、
前記第１のＤＣ電力および前記第２のＤＣ電力を並列合成し、第３のＤＣ電力として出力し、
前記合成部の出力電圧を所定値に固定し、
前記第１のＲＦ電力から前記第１のＤＣ電力への変換、および、前記第２のＲＦ電力から前記第２のＤＣ電力への変換は、それぞれ電力変換効率を最大化するように動作する、無線電力受電方法。

【符号の説明】

【0070】

１ 無線給電システム
２ 無線電力送電装置
３ 無線電力受電装置
４ 負荷
１０ 受電部
２０Ａ 第１の変換部
２０Ｂ 第２の変換部
３０ 合成部
４０ 電圧固定部
２１ ＲＦ－ＤＣ変換部
２１ａ 整合回路
２１ｂ 整流回路
２１ｃ フィルタ回路
２２ インピーダンス制御部
２２ａ 第１の検出回路
２２ｂ 第２の検出回路
２２ｃ 電力変換回路
２２ｄ 制御回路
２０１ 無線給電システム
２０２ 無線電力送電装置
２０３ 無線電力受電装置
２５１ 情報取得部
２５２ 無線通信部
２５３ 無線通信制御部
３０１ 無線給電システム
３０２ 無線電力送電装置
３０３ 無線電力受電装置
３６１ 第１の切り替え部
３６２ 第２の切り替え部
３７０ 信号発信部
３７１ 信号源
３７２ 電力分配器
３７３ 第１の位相器
３７４ 第２の位相器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2024-03-15

【手続補正1】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】

【手続補正2】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図7】