特許 7496525 無線電力伝送システム、送電装置、および移動体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-30

(45)【発行日】2024-06-07

(54)【発明の名称】無線電力伝送システム、送電装置、および移動体

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/05 20160101AFI20240531BHJP

   H02J 50/70 20160101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

H02J50/05

H02J50/70

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2022555367

(86)(22)【出願日】2021-09-24

(86)【国際出願番号】 JP2021035077

(87)【国際公開番号】W WO2022075092

(87)【国際公開日】2022-04-14

【審査請求日】2023-04-05

(31)【優先権主張番号】P 2020171205

(32)【優先日】2020-10-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100188813

【弁理士】

【氏名又は名称】川喜田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100202197

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 成康

(74)【代理人】

【識別番号】100202142

【弁理士】

【氏名又は名称】北 倫子

(74)【代理人】

【識別番号】100218981

【弁理士】

【氏名又は名称】武田 寛之

(72)【発明者】

【氏名】榎本 真悟

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 啓伸

(72)【発明者】

【氏名】菊池 悟

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩司

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１４８３６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２０４９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２８７４１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／００ －５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｂ６０Ｌ １／００ － ３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００ －１３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００ －５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つ以上の送電電極を含み、交流電力を送出する送電電極群と、
インバータ回路と前記送電電極群との間に接続され、前記インバータ回路と前記送電電極群との間のインピーダンスを整合させる第１整合回路と、
２つ以上の受電電極を含み、前記送電電極群から送出された前記交流電力を受け取る受電電極群と、
前記受電電極群と整流回路との間に接続され、前記受電電極群と整流回路との間のインピーダンスを整合させる第２整合回路と、
を備え、
前記送電電極群と前記受電電極群との間の結合容量によるリアクタンスをＸ、
前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ１、
前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ２とするとき、
｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および
｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ
を満足する、無線電力伝送システム。

【請求項2】

｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および
｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ
を満足する、請求項１に記載の無線電力伝送システム。

【請求項3】

｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および
｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ
を満足する、請求項１または２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項4】

前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ１、
前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ２とするとき、
｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および
｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ
を満足する、請求項１から３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項5】

｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および
｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ
を満足する、請求項４に記載の無線電力伝送システム。

【請求項6】

｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および
｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ
を満足する、請求項４または５に記載の無線電力伝送システム。

【請求項7】

前記送電電極群から前記受電電極群に伝送される電力Ｐと前記リアクタンスＸとの積が３．６×１０^５［Ｗ・Ω］以上である、請求項１から４のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項8】

前記電力Ｐと前記リアクタンスＸとの積が４．９×１０^７［Ｗ・Ω］以下である、請求項７に記載の無線電力伝送システム。

【請求項9】

前記送電電極群と前記受電電極群との間の前記結合容量は、上限値、中央値、および下限値を有し、
前記結合容量が前記中央値よりも小さい場合に、
｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、
｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、
｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および
｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ
を満足する、請求項４から６のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項10】

前記第１整合回路および前記第２整合回路の少なくとも一方は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能であり、
前記第１整合回路および前記第２整合回路の前記少なくとも一方を制御して前記インピーダンスを変化させる少なくとも１つの制御回路をさらに備え、
前記少なくとも１つの制御回路は、前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘの少なくとも一方を満足させる、
請求項１から９のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項11】

前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ１、
前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ２とするとき、
前記少なくとも１つの制御回路は、前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘの少なくとも一方を満足させる、
請求項１０に記載の無線電力伝送システム。

【請求項12】

前記第１整合回路および前記第２整合回路の各々は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能であり、
前記少なくとも１つの制御回路は、第１制御回路と第２制御回路とを含み、
前記第１制御回路は、前記第１整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させ、
前記第２制御回路は、前記第２整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させる、
請求項１０に記載の無線電力伝送システム。

【請求項13】

前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ１、
前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ２とするとき、
前記第１制御回路は、前記第１整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させ、
前記第２制御回路は、前記第２整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させる、請求項１２に記載の無線電力伝送システム。

【請求項14】

前記インバータ回路および前記整流回路をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項15】

前記受電電極群および前記第２整合回路は、移動体に設けられる、請求項１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送システム。

【請求項16】

請求項１から１４のいずれかに記載の無線電力伝送システムにおける前記受電電極群と、前記第２整合回路とを備えた移動体。

【請求項17】

請求項１から１５のいずれかに記載の無線電力伝送システムにおける前記送電電極群と、前記第１整合回路とを備えた送電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、無線電力伝送システム、送電装置、および移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、携帯電話機および電気自動車などの移動性を伴う機器に、無線すなわち非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術の開発が進められている。無線電力伝送技術には、磁界結合方式および電界結合方式などの種々の方式がある。

【0003】

磁界結合方式による無線電力伝送システムでは、送電コイルと受電コイルとが対向した状態で、送電コイルから受電コイルに無線で電力が伝送される。これに対し、電界結合方式による無線電力伝送システムでは、２つ以上の送電電極と２つ以上の受電電極とが対向した状態で、送電電極から受電電極に無線で電力が伝送される。電界結合方式による無線電力伝送システムは、例えば床面に設けられた複数の送電電極から、バッテリなどの負荷を備えた移動体に電力を供給する用途で用いられ得る。特許文献１から３は、電界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－７９７８６号公報

【文献】国際公開第２０１１／０４３０７４号

【文献】国際公開第２０１３／１４５４０３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電電極側に発生する電圧と受電電極側に発生する電圧とのバランスを向上させるための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様による無線電力伝送システムは、２つ以上の送電電極を含み、交流電力を送出する送電電極群と、インバータ回路と前記送電電極群との間に接続され、前記インバータ回路と前記送電電極群との間のインピーダンスを整合させる第１整合回路と、２つ以上の受電電極を含み、前記送電電極群から送出された前記交流電力を受け取る受電電極群と、前記受電電極群と整流回路との間に接続され、前記受電電極群と整流回路との間のインピーダンスを整合させる第２整合回路と、を備える。前記送電電極群と前記受電電極群との間の結合容量によるリアクタンスをＸ、前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ１、前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ２とするとき、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足する。

【0007】

本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

【発明の効果】

【0008】

本開示の技術によれば、電界結合方式の無線電力伝送システムにおける送電電極側に発生する電圧と受電電極側に発生する電圧とのバランスを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。

【図2】図１に示す無線電力伝送システムの構成を示す図である。

【図3】電界結合方式による無線電力伝送システムの他の例を模式的に示す図である。

【図4】図３に示す無線電力伝送システムの構成を示す図である。

【図5】例示的な実施形態による無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。

【図6】インバータ回路の構成例を模式的に示す図である。

【図7】整流回路の構成例を模式的に示す図である。

【図8】無線電力伝送システムの回路構成の一例を示す図である。

【図9】インバータ回路および整流回路のインピーダンスと、電極部のインピーダンスとを、スミスチャート上に示す図である。

【図10】整合回路を追加することによるリアクタンス追加の効果を示す図である。

【図11】シミュレーションの構成を説明するための図である。

【図12A】差動構成における電極部の等価回路を示す図である。

【図12B】シングルエンド構成における電極部の等価回路を示している。

【図13A】実施形態の効果を示すシミュレーション結果を示すグラフである。

【図13B】実施形態の効果を示すシミュレーション結果を示すグラフである。

【図13C】実施形態の効果を示すシミュレーション結果を示すグラフである。

【図14A】送電側および受電側の整合回路と、電極部とを含む伝送回路の構成例を示す図である。

【図14B】シミュレーションの構成を説明するための図である。

【図15A】シミュレーション結果を示す図である。

【図15B】シミュレーション結果を示す図である。

【図16A】部品ばらつきが５％の場合における終端インピーダンスのばらつきを示す図である。

【図16B】部品ばらつきが１０％の場合における終端インピーダンスのばらつきを示す図である。

【図17】整合回路の変形例を示す図である。

【図18A】結合容量が変動した場合の影響を確認するシミュレーションの結果を示す第１の図である。

【図18B】結合容量が変動した場合の影響を確認するシミュレーションの結果を示す第２の図である。

【図18C】結合容量が変動した場合の影響を確認するシミュレーションの結果を示す第３の図である。

【図19】外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能な整合回路の一例を示す図である。

【図20A】送電電極が壁などの側面に敷設された例を示す図である。

【図20B】送電電極が天井に敷設された例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

【0011】

図１は、電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。「電界結合方式」とは、複数の送電電極を含む送電電極群と複数の受電電極を含む受電電極群との間の電界結合（「容量結合」とも称する。）により、送電電極群から受電電極群に、無線すなわち非接触で電力が伝送される伝送方式をいう。簡単のため、送電電極群および受電電極群の各々が、２つの電極の対によって構成される例をまず説明する。

【0012】

図１に示す無線電力伝送システムは、受電装置を備えた移動体１０に無線で電力を伝送するシステムである。この例における移動体１０は、無人搬送車（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＡＧＶ）である。移動体１０は、例えば工場または倉庫において物品の搬送に用いられる。このシステムでは、床面３０に平板状の一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂが配置されている。一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂは、第１の方向（図１におけるＹ方向）に延びた形状を有する。一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂには、不図示の送電回路から交流電力が供給される。

【0013】

移動体１０は、一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂに対向する不図示の一対の受電電極を備えている。移動体１０は、送電電極１２０ａ、１２０ｂから伝送された交流電力を、一対の受電電極によって受け取る。受け取った電力は、移動体１０が有するモータ、二次電池、または蓄電用のキャパシタなどの負荷に供給される。これにより、移動体１０の充電または駆動が行われる。

【0014】

図１には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。以下の説明では、図示されているＸＹＺ座標を用いる。送電電極１２０ａ、１２０ｂが延びる方向をＹ方向、送電電極１２０ａ、１２０ｂの表面に垂直な方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。Ｘ方向は、送電電極１２０ａ、１２０ｂが並ぶ方向である。なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

【0015】

図２は、図１に示す無線電力伝送システムの概略的な構成を示す図である。この無線電力伝送システムは、送電装置１００と、移動体１０とを備える。移動体１０は、受電装置２００と、負荷３００とを備える。

【0016】

送電装置１００は、一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂと、送電電極１２０ａ、１２０ｂに交流電力を供給する送電回路１１０とを備える。送電回路１１０は、例えば、インバータ回路を含む交流出力回路である。送電回路１１０は、不図示の電源から供給された直流電力を、電力伝送用の交流電力に変換して一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂに出力する。送電回路１１０は、送電電極１２０ａ、１２０ｂとインバータ回路との間に、インピーダンス整合のための整合回路を備えていてもよい。電源は、直流電源に限らず交流電源であってもよい。電源が交流電源である場合、インバータ回路に代えて、入力された交流電力を、例えば異なる周波数または電圧を有する他の交流電力に変換して出力する電力変換回路が用いられ得る。

【0017】

受電装置２００は、一対の受電電極２２０ａ、２２０ｂと、受電回路２１０と、負荷３００とを備える。受電回路２１０は、受電電極２２０ａ、２２０ｂが受け取った交流電力を負荷３００が要求する他の形態の電力に変換して負荷３００に供給する。受電回路２１０は、負荷３００が要求する所定の電圧の直流電力または所定の周波数および電圧の交流電力を出力する。受電回路２１０は、例えば整流回路およびインピーダンス整合回路などの、各種の回路を含み得る。負荷３００は、例えばモータ、蓄電用のキャパシタ、または二次電池などの、電力を消費または蓄える機器、およびそれらの機器を制御する回路を含み得る。一対の送電電極１２０ａ、１２０ｂと、一対の受電電極２２０ａ、２２０ｂとの間の電界結合により、両者が対向した状態で電力が無線で伝送される。

【0018】

送電電極１２０ａ、１２０ｂおよび受電電極２２０ａ、２２０ｂの各々は、２つ以上の部分に分割されていてもよい。例えば、図３および図４に示すような構成を採用してもよい。

【0019】

図３および図４は、送電電極群および受電電極群の各々が４つの電極を含む無線電力伝送システムの例を示す図である。この例では、送電装置１００は、２つの第１送電電極１２０ａと、２つの第２送電電極１２０ｂとを備える。２つの第１送電電極１２０ａおよび２つの第２送電電極１２０ｂは、交互に並んでいる。受電装置２００も同様に、２つの第１受電電極２２０ａと、２つの第２受電電極２２０ｂとを備える。２つの第１受電電極２２０ａおよび２つの第２受電電極２２０ｂも、交互に並んでいる。電力伝送時には、２つの第１受電電極２２０ａは、２つの第１送電電極１２０ａにそれぞれ対向し、２つの第２受電電極２２０ｂは、２つの第２送電電極１２０ｂにそれぞれ対向する。

【0020】

送電回路１１０は、交流電力を出力する２つの端子を備えている。一方の端子は、２つの第１送電電極１２０ａに接続され、他方の端子は、２つの第２送電電極１２０ｂに接続される。電力伝送の際、送電回路１１０は、２つの第１送電電極１２０ａに第１の電圧を印加し、２つの第２送電電極１２０ｂに、第１の電圧とは逆の位相の第２の電圧を印加する。これにより、４つの送電電極を含む送電電極群と４つの受電電極を含む受電電極群との間の電界結合によって電力が無線で伝送される。このような構成によれば、隣り合う任意の２つの送電電極の境界上の漏洩電界を抑制する効果を得ることができる。このように、送電装置１００および受電装置２００の各々において、送電または受電を行う電極の数は２個に限定されない。

【0021】

以下の実施形態では、図１および図２に示すように、送電装置１００が２つの送電電極を備え、受電装置２００が２つの受電電極を備えた構成を主に説明する。以下の各実施形態において、送電電極群および受電電極群の各々は、図３および図４に例示されるように、２つよりも多くの電極を含んでいてもよい。いずれの場合も、ある瞬間に第１の電圧が印加される電極と、第１の電圧とは逆の位相の第２の電圧が印加される電極とが交互に並ぶように配置される。ここで「逆の位相」とは、位相差が１８０度である場合に限らず、位相差が９０度から２７０度の範囲内である場合を含むものと定義する。以下の説明において、送電装置１００が備える複数の送電電極を区別せずに「送電電極１２０」と称し、受電装置２００が備える複数の受電電極を区別せずに「受電電極２２０」と称することがある。

【0022】

上記のような無線電力伝送システムによれば、移動体１０は、送電電極１２０に沿って移動しながら、無線で電力を受け取ることができる。移動体１０は、送電電極１２０と受電電極２２０とが近接して対向した状態を保ちながら、送電電極１２０に沿って移動することができる。これにより、移動体１０は、例えばバッテリまたはキャパシタ等の蓄電デバイスを充電しながら移動することができる。

【0023】

このような電界結合型の無線電力伝送システムにおいては、送電電極１２０と受電電極２２０との間の距離が極端に短い場合、またはそれらの電極の間に高い誘電率の誘電体が存在するような場合を除き、電極間のキャパシタンスは一般に小さい。そのようなキャパシタンスの小さい送電電極１２０と受電電極２２０との間で大きい電力を伝送する場合、送電電極１２０間および受電電極２２０間に高い電圧が発生する。その結果、それらの電極または他の回路素子の損傷または破壊などの好ましくない問題が生じ得る。

【0024】

従来の電界結合型の無線電力伝送システムには、送電電極と受電電極とによって構成される電極対のリアクタンスによる影響を緩和する構成を備えたものがある。例えば、特許文献１に開示されたシステムでは、送電電極または受電電極に直列にインダクタを接続することにより、電極対のリアクタンスによる電圧降下を減少させることができる。すなわち、電極対の入力側または出力側においてＬＣ共振を利用して補償を行うことにより、電極対のリアクタンスによる電圧降下の影響が緩和される。

【0025】

しかし、上記のような構成では、電極対の入力側と出力側に発生する電圧の大きさが不均一になり、特に高電圧側の電圧値の増大が問題になり得る。また、従来の技術では、電極間に発生する電圧を最小にする電極終端条件が考慮されておらず、前述の問題を解決することができない。

【0026】

以上の考察に基づき、本発明者らは、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

【0027】

本開示の例示的な実施形態による無線電力伝送システムは、２つ以上の送電電極を含み、交流電力を送出する送電電極群と、インバータ回路と前記送電電極群との間に接続され、前記インバータ回路と前記送電電極群との間のインピーダンスを整合させる第１整合回路と、２つ以上の受電電極を含み、前記送電電極群から送出された前記交流電力を受け取る受電電極群と、前記受電電極群と整流回路との間に接続され、前記受電電極群と整流回路との間のインピーダンスを整合させる第２整合回路と、を備える。前記送電電極群と前記受電電極群との間の結合容量によるリアクタンスをＸ、前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ１、前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ２とするとき、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足する。

【0028】

ここで、送電電極群から見た第１整合回路側のインピーダンスを「第１終端インピーダンス」と称し、受電電極群から見た第２整合回路側のインピーダンスを「第２終端インピーダンス」と称することにする。上記構成によれば、第１終端インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ１および第２終端インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ２のそれぞれが、送電電極群と受電電極群との間の結合容量によるリアクタンスＸの半分に近くなるように、第１整合回路および第２整合回路のそれぞれが構成されている。このような構成により、送電電極群の側に発生する電圧と、受電電極群の側に発生する電圧とのバランスを向上させることができる。

【0029】

第１整合回路および第２整合回路のそれぞれは、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘを満足するように構成されていてもよい。さらに、第１整合回路および第２整合回路のそれぞれは、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘを満足するように構成されていてもよい。そのような構成によれば、Ｘ１およびＸ２のそれぞれがＸ／２にさらに近くなるため、送電電極群に発生する電圧と、受電電極群に発生する電圧とのバランスをさらに向上させることができる。

【0030】

ここで、前記送電電極群から見た前記第１整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ１、前記受電電極群から見た前記第２整合回路側のインピーダンスの抵抗成分をＲ２とする。このとき、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足するように第１整合回路および第２整合回路が構成されていてもよい。そのような構成によれば、後に詳しく説明するように、送電電極群に発生する電圧と、受電電極群に発生する電圧とを低く抑えることができる。

【0031】

第１整合回路および第２整合回路のそれぞれは、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘを満足するように構成されていてもよい。さらに、第１整合回路および第２整合回路のそれぞれは、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘを満足するように構成されていてもよい。そのような構成によれば、送電電極群に発生する電圧と、受電電極群に発生する電圧とをさらに低く抑えることができる。

【0032】

上記の条件は、第１整合回路および第２整合回路のそれぞれに含まれる回路素子の回路定数が適切な値に設定することにより、満足される。各整合回路は、抵抗素子、キャパシタ、およびインダクタから選択される１種以上の回路素子を含み得る。抵抗素子の抵抗値、キャパシタのキャパシタンス値、およびインダクタのインダクタンス値を適切な値に設定することにより、上記の各条件を満足させることができる。

【0033】

前記送電電極群から前記受電電極群に伝送される電力Ｐと前記リアクタンスＸとの積は、例えば３．６×１０^５［Ｗ・Ω］以上であり得る。前記電力Ｐと前記リアクタンスＸとの積は、例えば４．９×１０^７［Ｗ・Ω］以下であり得る。このような条件が満たされていれば、電極間の交流電圧を、例えば６００Ｖから７０００Ｖ程度の範囲内にすることができる。

【0034】

無線電力伝送システムの使用環境において、前記送電電極群と前記受電電極群との間の前記結合容量が、上限値、中央値、および下限値を有する場合がある。例えば、図１に示すような移動体が移動しながら受電可能なシステムにおいては、移動体の位置の変化に応じて、結合容量が変動する。送電電極群と受電電極群とが完全に対向する状態において、結合容量は上限値をとる。逆に、送電電極群と受電電極群とが殆ど重ならない状態において、結合容量は下限値をとる。このようなシステムにおいては、結合容量が中央値よりも小さい場合に、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘが満たされるように、各整合回路が構成され得る。そのような構成によれば、高電圧が生じやすい低結合状態において電極間電圧が過度に大きくなる状況を避けることができる。

【0035】

前記第１整合回路および前記第２整合回路の少なくとも一方は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能であってもよい。無線電力伝送システムは、前記第１整合回路および前記第２整合回路の前記少なくとも一方を制御して前記インピーダンスを変化させる少なくとも１つの制御回路をさらに備えていてもよい。前記少なくとも１つの制御回路は、前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘの少なくとも一方を満足させるように構成されていてもよい。そのような構成によれば、結合容量によるリアクタンスＸに変動が生じる場合であっても、第１整合回路または第２整合回路のインピーダンスを適切な値に設定し、送電側と受電側の電圧のアンバランスを抑制することができる。上記構成において、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの少なくとも一方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。さらに、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの少なくとも一方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。

【0036】

前記少なくとも１つの制御回路は、前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘの少なくとも一方を満足させるように構成されていてもよい。そのような構成によれば、結合容量によるリアクタンスＸに変動が生じる場合であっても、第１整合回路または第２整合回路のインピーダンスを適切な値に設定し、送電電極群に生じる電圧および受電電極群に生じる電圧を低く抑えることができる。上記構成において、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの少なくとも一方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。さらに、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの少なくとも一方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。

【0037】

前記第１整合回路および前記第２整合回路の各々は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能であってもよい。前記少なくとも１つの制御回路は、前記第１整合回路のインピーダンスを制御する第１制御回路と、前記第２整合回路のインピーダンスを制御する第２制御回路とを含んでいてもよい。前記第１制御回路は、前記第１整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させてもよい。前記第２制御回路は、前記第２整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させてもよい。上記構成において、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの両方を満たすように各整合回路のインピーダンスを調整してもよい。さらに、条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘの両方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。

【0038】

前記第１制御回路は、前記第１整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させてもよい。前記第２制御回路は、前記第２整合回路の前記インピーダンスを変化させることにより、条件｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満足させてもよい。上記構成において、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘの両方を満たすように各整合回路のインピーダンスを調整してもよい。さらに、条件｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘの両方を満たすように整合回路のインピーダンスを調整してもよい。

【0039】

無線電力伝送システムは、前記インバータ回路および前記整流回路をさらに備えていてもよい。無線電力伝送システムは、インバータ回路および整流回路を備えない部品の状態で製造および販売される場合もある。

【0040】

前記受電電極群および前記第２整合回路は、例えば移動体に設けられる受電装置の構成要素であり得る。

【0041】

本開示における「移動体」は、前述の無人搬送車（ＡＧＶ）のような車両に限定されず、電力によって駆動される任意の可動物体を意味する。移動体には、例えば、電気モータおよび１以上の車輪を備える電動車両が含まれる。そのような車両は、例えば、前述のＡＧＶ、搬送ロボット、電気自動車（ＥＶ）、電動カート、電動車椅子であり得る。本開示における「移動体」には、車輪を有しない可動物体も含まれる。例えば、二足歩行ロボット、マルチコプターなどの無人航空機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ、所謂ドローン）、および有人の電動航空機、およびエレベータも、「移動体」に含まれる。受電装置は、このような移動体に限らず、例えば携帯電話機のような電子機器に搭載されてもよい。

【0042】

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する機能を有する構成要素については、同じ参照符号を付している。

【0043】

（実施形態）
図５は、本開示の例示的な実施形態による無線電力伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の無線電力伝送システムは、例えば図１および図２に示すように、１台以上の移動体１０に無線で電力を供給するシステムである。以下の説明では、図１および図２に示す例と同様、送電電極群が２つの送電電極１２０を含み、受電電極群が２つの受電電極２２０を含む例を説明する。送電電極群および受電電極群の各々は、例えば図３および図４に示す例のように、２つよりも多くの電極を含んでいてもよい。以下の説明において、２つの送電電極１２０を「送電電極対」と称し、２つの受電電極２２０を「受電電極対」と称することがある。

【0044】

図５に示す無線電力伝送システムは、送電装置１００と、移動体１０とを備える。図５には、無線電力伝送システムの外部の要素である交流電源５０も示されている。送電装置１００は、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１３０と、送電回路１１０と、２つの送電電極１２０と、送電制御回路１５０とを備える。送電回路１１０は、インバータ回路１６０と、整合回路１８０とを備える。移動体１０は、受電装置２００と、負荷３００とを備える。受電装置２００は、２つの受電電極２２０と、受電回路２１０と、受電制御回路２５０とを備える。受電回路２１０は、整合回路２８０と、整流回路２６０とを含む。負荷３００は、充放電制御回路３１０と、電池３２０と、電気モータ３３０とを備える。

【0045】

以下、各構成要素をより具体的に説明する。

【0046】

ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１３０は、交流電源５０とインバータ回路１６０との間に接続されている。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１３０は、交流電源５０から出力された例えば１００Ｖの交流電力を直流電力に変換して出力する。

【0047】

インバータ回路１６０は、送電制御回路１５０からの指令に応答してＡＣ－ＤＣコンバータ回路１３０から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。図６は、インバータ回路１６０の構成例を模式的に示す図である。この例では、インバータ回路１６０は、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型のインバータ回路である。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＧａＮ等のトランジスタによって実現され得る。各スイッチング素子は、送電制御回路１５０によって制御される。図示されるフルブリッジ型のインバータ回路の代わりに、ハーフブリッジ型のインバータ回路、または、Ｅ級などの他の種類の発振回路を用いてもよい。

【0048】

電力伝送の周波数は、例えば５０Ｈｚ～３００ＧＨｚ、ある例では２０ｋＨｚ～１０ＧＨｚ、他の例では２０ｋＨｚ～２０ＭＨｚ、さらに他の例では８０ｋＨｚ～１４ＭＨｚに設定され得る。ただしこれらの周波数範囲に限定されない。

【0049】

整合回路１８０は、インバータ回路１６０と２つの送電電極１２０との間に接続されている。整合回路１８０は、インバータ回路１６０と２つの送電電極１２０との間のインピーダンスを整合させる。整合回路１８０は、インダクタまたはキャパシタなどの１つ以上のリアクタンス素子を含む。整合回路１８０は、送電制御回路１５０からの制御に応じてインピーダンスを変化できるように構成されていてもよい。例えば、伝送路に接続される複数のリアクタンス素子の組み合わせを切り替える１つ以上のスイッチが整合回路１８０に含まれていてもよい。整合回路１８０は、リアクタンスを変化させる少なくとも１つの可変リアクタンス素子を含んでいてもよい。

【0050】

送電制御回路１５０は、インバータ回路１６０における各スイッチング素子のオン（導通）およびオフ（非導通）の状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバと、ゲートドライバに制御信号を出力させるマイクロコントローラ（ＭＣＵ）等のプロセッサおよびメモリを含む回路とを備え得る。送電制御回路１５０は、各スイッチング素子のオンおよびオフの状態を制御することにより、インバータ回路１６０から所望の周波数および所望の電圧を有する交流電力を出力させる。整合回路１８０がインピーダンスを変化させることが可能である場合、送電制御回路１５０は、整合回路１８０のインピーダンスを変化させる制御信号を整合回路１８０に出力する。送電制御回路１５０は、例えば、送電電極１２０に入力される電圧、電流、電力、またはインピーダンス等を計測し、その計測結果に応じて整合回路１８０のインピーダンスの抵抗成分またはリアクタンス成分を調整してもよい。

【0051】

受電装置２００における整合回路２８０は、２つの受電電極２２０と整流回路２６０との間に接続される。整合回路２８０は、２つの受電電極２２０と整流回路２６０との間のインピーダンスを整合させる。整合回路２８０は、インダクタまたはキャパシタなどの１つ以上のリアクタンス素子を含む。整合回路２８０は、受電制御回路２５０からの制御に応じてインピーダンスを変化できるように構成されていてもよい。例えば、伝送路に接続される複数のリアクタンス素子の組み合わせを切り替える１つ以上のスイッチが整合回路２８０に含まれていてもよい。整合回路２８０は、リアクタンスを変化させる少なくとも１つの可変リアクタンス素子を含んでいてもよい。

【0052】

整流回路２６０は、整合回路２８０から出力された交流電力を直流電力に変換する。図７は、整流回路２６０の構成例を模式的に示す図である。この例における整流回路２６０は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを含む全波整流回路である。整流回路２６０は、例えば半波整流回路などの、他の構成を有していてもよい。整流回路２６０は、受け取った交流エネルギーを、負荷３００が利用可能な直流エネルギーに変換する。

【0053】

受電制御回路２５０は、例えばＭＣＵなどの、プロセッサとメモリなどの記憶媒体とを備えた回路によって実現され得る。受電制御回路２５０は、受電装置２００内の電流、電圧、電力、またはインピーダンスを計測し、その計測値を示す信号を送電制御回路１５０に送信してもよい。送電制御回路１５０は、当該信号に応じてインバータ回路１６０から出力される交流電圧を調整してもよい。整合回路２８０がインピーダンスを変化させることが可能である場合、受電制御回路２５０は、整合回路２８０のインピーダンスを変化させる制御信号を整合回路２８０に出力する。受電制御回路２５０は、例えば、受電電極２２０から出力される電圧、電流、電力、またはインピーダンス等を計測し、その計測結果に応じて整合回路２８０のインピーダンスの抵抗成分またはリアクタンス成分を調整してもよい。

【0054】

充放電制御回路３１０は、整流回路２６０と電池３２０およびモータ３３０との間に接続される。充放電制御回路３１０は、電池３２０の充電および放電を制御する。

【0055】

電池３２０は、例えばリチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの二次電池である。移動体１０は、電池３２０に蓄えられた電力によってモータ３３０を駆動して移動する。なお、電池３２０に代えて、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの、他の種類の蓄電デバイスを用いてもよい。

【0056】

電気モータ３３０は、充放電制御回路３１０および電池３２０に接続される。電気モータ３３０は、電池３２０に蓄積されたエネルギーによって駆動される。モータ３３０は、例えば直流モータ、永久磁石同期モータ、誘導モータ、ステッピングモータ、またはリラクタンスモータなどの、任意のモータであり得る。モータ３３０は、シャフトおよびギア等を介して移動体の車輪を回転させ、移動体１０を移動させる。モータの種類に応じて、整流回路、インバータ回路、インバータ制御回路などの、各種の回路がモータ３３０の前段に設けられ得る。

【0057】

本実施形態における移動体１０の筐体、各送電電極１２０、および各受電電極２２０のそれぞれのサイズは、特に限定されないが、例えば以下のサイズに設定され得る。各送電電極１２０の長さ（すなわちＹ方向のサイズ）は、例えば５０ｃｍ～２０ｍの範囲内に設定され得る。各送電電極１２０のそれぞれの幅（すなわちＸ方向のサイズ）は、例えば５ｃｍ～２ｍの範囲内に設定され得る。移動体１０の筐体の移動方向および横方向におけるそれぞれのサイズは、例えば２０ｃｍ～５ｍの範囲内に設定され得る。送電電極１２０から同時に２台以上の移動体１０に給電できるように、移動体１０の筐体の移動方向におけるサイズは、各送電電極１２０の長さの半分未満に設定されてもよい。受電電極２２０の長さ（すなわち移動方向におけるサイズ）は、例えば５ｃｍ～２ｍの範囲内に設定され得る。受電電極２２０ａの幅（すなわち横方向におけるサイズ）は、例えば２ｃｍ～２ｍの範囲内に設定され得る。送電電極１２０間のギャップ、および受電電極２２０間のギャップは、例えば１ｍｍ～４０ｃｍの範囲内に設定され得る。但し、これらの数値範囲に限定されない。

【0058】

移動体１０が移動すると、電池３２０の蓄電量が低下する。このため、移動を継続するためには、再充電が必要になる。そこで、移動体１０は、例えば移動中に充電量が所定の閾値を下回ると、送電装置１００が敷設されたエリアに進入し、充電を行う。

【0059】

本実施形態のように、移動体１０が移動しながら送電電極１２０から電力を受電するシステムにおいては、各送電電極１２０は、移動体１０が移動する方向に関して、移動体１０の筐体よりも長い寸法を有する。当該方向における各送電電極１２０のサイズ（すなわち長さ）は、同方向における移動体１０の筐体の寸法の例えば２倍以上、場合によっては５倍または１０倍以上に達することもある。充電時間を長く確保するために、各送電電極１２０の長さは、例えば数メートルから数十メートルに達することもある。

【0060】

このような長い送電電極対を備えるシステムにおいては、電力伝送時に使用される周波数（以下、「伝送周波数」と称することがある）は、一般的な電子デバイスに適用される無線電力伝送システムにおいて使用される周波数よりも遥かに低く設定される。一般的な電界結合型の無線電力伝送システムにおいて使用される周波数は、例えば数ＭＨｚから数十ＭＨｚの範囲に含まれる。これに対し、本実施形態においては、例えば数百ｋＨｚ程度の低い周波数が用いられ得る。

【0061】

一方、送電電極１２０と受電電極２２０との間の結合によって生じるキャパシタンス（以下、「結合容量」とも称する）は、一般に小さい。結合容量は、例えば数十ピコファラッド（ｐＦ）から数百ｐＦ程度の小さい値であり得る。送電電極１２０と受電電極２２０との間隔を極端に短い間隔（例えば５ｍｍ未満）に維持したり、それらの電極の間に高い誘電率の誘電体を設けたりすることによって結合容量を高くすることは可能である。しかし、そのような構成では、送電電極１２０および受電電極２２０の配置に制約が生じる。幅広い用途に応用できるようにするためには、電極間に誘電体を設けずに空隙にした場合、および電極間の距離が比較的長い場合（例えば５ｍｍ以上）であっても高い伝送効率を維持できることが望まれる。

【0062】

表１は、送電電極１２０と受電電極２２０との結合容量が１００ｐＦの場合における伝送周波数と結合容量によるリアクタンスとの関係の例を示している。送電電極１２０と受電電極２２０とによって形成されるキャパシタのリアクタンスは、結合容量をＣｍ、伝送周波数をｆ０とすると、１／（２π×ｆ０×Ｃｍ）で表される。表１からわかるように、伝送周波数が０．５ＭＨｚの場合、結合容量によるリアクタンスは、約３１８３オーム（Ω）と大きい値になる。

【0063】

【表1】

【0064】

送電電極対と受電電極対とがこのような高いリアクタンスを有する場合、大きい電力を伝送するときには、送電電極間および受電電極間に高電圧が発生し、それらの電極または他の回路素子が損傷したり破壊したりする可能性がある。

【0065】

このような問題を回避するために、本実施形態では、整合回路１８０、２８０により、送電電極１２０の入力側の終端条件と、受電電極２２０の出力側の終端条件とが最適化されている。本実施形態では、送電電極１２０と受電電極２２０との間の結合容量によるリアクタンス（Ｘ）の約半分の大きさの虚部成分をもつインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ／２）で送電電極１２０の入力側および受電電極２２０の出力側が終端されている（Ｒは任意）。これにより、送電電極１２０の入力側の電圧と受電電極２２０の出力側の電圧とをほぼ等しくすることができる。さらに、送電電極１２０と受電電極２２０との間の結合容量によるリアクタンス（Ｘ）の約半分の大きさの実部成分および虚部成分をもつインピーダンス（Ｘ／２＋ｊＸ／２）で送電電極１２０の入力側および受電電極２２０の出力側が終端され得る。そのような条件を満足することにより、送電電極１２０の入力側の電圧と、受電電極２２０の出力側の電圧とを均一かつ最小に近付けることができる。

【0066】

図８は、本実施形態の無線電力伝送システムの回路構成の一例を示す図である。図８には、送電電極１２０間に生じる浮遊容量Ｃ１および受電電極２２０間に生じる浮遊容量Ｃ２も示されている。この例では、整合回路１８０および２８０は、ともに、複数のキャパシタおよび複数のインダクタを含んでいる。各キャパシタのキャパシタンス値および各インダクタのインダクタンス値は、整合回路１８０および２８０により決定される各々の電極終端におけるインピーダンスが、電力伝送時の周波数ｆ０において、上記の値（Ｘ／２＋ｊＸ／２）をもつように設定され得る。

【0067】

本実施形態においては、インバータ回路１６０および整流回路２６０は、比較的低いインピーダンス（例えば数十Ω程度）を有する。これに対し、送電電極１２０と受電電極２２０との間の結合容量Ｃｍによるインピーダンスのリアクタンス成分Ｘは、相対的に大きい値をもつ。例えば、Ｃｍ＝１００ｐＦ、ｆ＝０．５ＭＨｚの場合、Ｘ≒３１８３Ωである。

【0068】

図９は、インバータ回路１６０および整流回路２６０のインピーダンスと、送電電極１２０および受電電極２２０からなる電極部のインピーダンスとを、スミスチャート上に示した図である。この例では、インバータ回路１６０および整流回路２６０のインピーダンス（抵抗値）は、ともに１５Ωであり、電極部のインピーダンスのリアクタンス成分は３０００Ωであるものとしている。図９に示すスミスチャートは、インピーダンスＺ０＝５０Ωで正規化されている。このように大きく隔たりのあるインピーダンス同士を整合させるために、整合回路１８０および２８０の各リアクタンス素子のリアクタンス値（すなわちキャパシタンス値またはインダクタンス値）が、適切に設計されている。

【0069】

図１０は、整合回路１８０および２８０を追加することによるリアクタンス追加の効果をスミスチャート上に示した図である。図１０には、抵抗成分の異なる３種類の例における、受電電極対から見た整合回路２８０側の第１終端インピーダンスのリアクタンスＸ／２、電極部のリアクタンスＸ、および送電電極対から見た整合回路１８０側の第２終端インピーダンスのリアクタンスＸ／２による変換が実線矢印で示されている。図１０には、比較のため、第１終端インピーダンスのリアクタンスと、第２終端インピーダンスのリアクタンスとが一致していない場合の変換の例が破線矢印で示されている。これらの矢印の起点は、受電側の整合回路２８０の入力端から見た負荷側のインピーダンスを表しており、矢印の終点は、送電側の整合回路１８０の出力端から見た負荷側のインピーダンスを表している。図１０からわかるように、破線矢印で示す比較例においては、電極部の入力側の終端インピーダンスと出力側の終端インピーダンスとでリアクタンス成分が異なっていることから、電極部の入力側と出力側とで電圧にアンバランスが発生する。その結果、高インピーダンス側の電極電圧が相対的に高くなる。これに対し、本実施形態では、整合回路１８０側の第１終端インピーダンスのリアクタンス成分、および整合回路２８０側の第２終端インピーダンスのリアクタンス成分が、ともにＸ／２という対称的な値をもつため、スミスチャート上で抵抗軸に対称にインピーダンスが変換される。その結果、電極部の入力側の電圧（実効値を表す。以下同じ。）と出力側の電圧とを実質的に等しくすることができる。

【0070】

さらに、電極部から見た整合回路１８０側および整合回路２８０側のそれぞれのインピーダンスの実部成分（すなわち抵抗成分）を、Ｘ／２に等しくすることにより、送電電極１２０間および受電電極２２０間の電圧を最小にすることができる。この効果について、以下に説明する。

【0071】

ここで、簡単のため、図１１に示すようなシングルエンド構成を考える。電極部の結合容量をＣｍ、伝送周波数をｆ０とし、入力ポートｐ１から出力ポートｐ２に向けて電力が投入されるものとする。電極部のリアクタンス成分はＸ＝１／（２π×ｆ０×Ｃｍ）で表される。電極部の両端で反射が生じない条件を満たす終端インピーダンスＺ１は、以下の数１で表される。

【数1】

【0072】

ここで、θ_Ｚ１はＺ１の位相を表す。

【0073】

ポートｐ１に投入される電力をＰ、電圧をＶ、電流をＩ、電圧と電流との位相差をθｐとすると、電力Ｐは、以下の数２で表される。

【数2】

【0074】

一方、電極間の結合容量を介して伝送される有効電力をＰｒ、無効電力をＰｘとすると、電力Ｐは、以下の数３で表される。

【数3】

【0075】

数３において、θｐ＝－θ_Ｚ１の関係を用いている。数１～３を用い、｜Ｖ｜について解くと、以下の数４が得られる。

【数4】

【0076】

この｜Ｖ｜をＲで微分すると、以下の数５が得られる。

【数5】

【0077】

数５より、Ｒ＝Ｘ／２のときに数４の｜Ｖ｜は最小値をとる。最小値は、以下の数６で表される。

【数6】

【0078】

以上の議論はシングルエンド構成を前提にしているが、差動構成においても同様の議論が成立する。差動構成においては、シングルエンド構成における設計を、正負両側の経路にそのまま適用すればよい。差動構成においては、終端インピーダンスＺ１を、シングルエンド構成における終端インピーダンスの２倍に設定することになる。

【0079】

図１２Ａおよび図１２Ｂは、電極部の等価回路を示す図である。図１２Ａは、差動構成における電極部の等価回路を示している。図１２Ｂは、シングルエンド構成における電極部の等価回路を示している。実際の電極構成では、電力伝送に必要なポート１－３間およびポート２－４間の結合容量以外に、浮遊容量成分Ｃｐ１およびＣｐ２が含まれる。本開示において、送電電極１２０と受電電極１４０との間の「結合容量」は、電極部を図１２Ｂに示すようなπ型等価回路で表した場合の容量Ｃｍを表すものと定義する。この場合、結合容量Ｃｍは、図１２Ａに示す容量Ｃｓの１／２倍に相当する。電界結合方式における電極構造に関しては、単純な平行平板以外にも、面積または距離（送電－送電間、受電－受電間、送電－受電間）が異なる複数の平行平板によって構成される複雑な構造も可能である。そのような複雑な電極構造が採用される場合においても、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すような等価回路に変換することは常に可能である。

【0080】

図１３Ａから図１３Ｃは、本実施形態の効果を示すシミュレーション結果を示すグラフである。本シミュレーションでは、図１１に示すシングルエンド構成において、電極部の両端の終端インピーダンスの虚部成分をＸ／２に固定し、実部成分Ｒをスイープした場合における送電電極間および受電電極間の電圧Ｖｅｌｅを計算した。シミュレーションの条件として、表２に示すａからｉまでの９パターンの条件で計算を行った。

【0081】

【表2】

【0082】

表２に示すように、伝送周波数ｆ０、および送電電極１２０と受電電極２２０との間の結合容量Ｃｍを変化させ、送電電極１２０と受電電極２２０との間の電圧は一定に維持した。いずれの条件においても、電極部の入力部および出力部の終端インピーダンスの虚部を、ともに結合容量Ｃｍと伝送周波数ｆとから決まるリアクタンスＸの１／２倍に設定し、実部Ｒをともに同じ値に設定した。この条件により、電極部の入出力部のインピーダンス整合を図った。

【0083】

その条件で、入力端から正弦波電力を入力した。終端インピーダンスの実部の値をパラメータとして変化させながら、送電電極１２０の入力部および受電電極２２０の出力部に発生する電圧Ｖｅｌｅを計算した。

【0084】

図１３Ａは、ｆ０＝０．０１ＭＨｚの条件ａ、ｂ、ｃにおけるシミュレーション結果を示している。図１３Ｂは、ｆ０＝０．５ＭＨｚの条件ｄ、ｅ、ｆにおけるシミュレーション結果を示している。図１３Ｃは、ｆ０＝１３．５６ＭＨｚの条件ｇ、ｈ、ｉにおけるシミュレーション結果を示している。いずれの例においても、Ｒ＝Ｘ／２を満たす場合に電圧Ｖｅｌｅが最小値をとることが確認できた。また、これらの最小値は、数６を用いて計算された値を√２倍し、実効値から波高値に換算した結果とよく一致している。これらの結果から、本実施形態の構成により、送電電極１２０間および受電電極２２０間の電圧を低減できることが確認できた。

【0085】

なお、本実施例では、シングルエンド構成での解析を行ったが、前述したように、差動構成についても同様の結果が得られる。

【0086】

次に、整合回路１８０および２８０の他の構成例を説明する。

【0087】

図１４Ａは、整合回路１８０および２８０と、電極部４００とを含む伝送回路の構成例を示す図である。図１４Ａには、一例として、各パラメータの値も示されている。図１４Ａの構成では、整合回路１８０および２８０は、同一の回路トポロジーを有し、互いに対称的な構成を有する。整合回路１８０および２８０の各々は、ハイパスフィルタとして機能する回路部分と、ローパスフィルタとして機能する回路部分とを含む。ハイパスフィルタとして機能する回路部分は、２つの並列インダクタと、２つの直列キャパシタとを含む。ローパスフィルタとして機能する回路部分は、２つの並列キャパシタと、２つの直列インダクタとを含む。なお、並列キャパシタおよび並列インダクタは、それぞれ１つの素子で構成してもよい。また、電極部４００の結合容量の前後の並列容量の値として、電極部４００による並列容量と整合回路１８０または２８０における並列キャパシタの容量との合成値を用いてもよい。図１４Ａの例では、各回路素子のインダクタンス値または容量値は、送電側の整合回路１８０と受電側の整合回路２８０とで同一であるが、異なっていてもよい。例えばインバータ回路１６０の位相調整のため、送電側の整合回路１８０における２つの直列キャパシタの容量値Ｃｔ１を、受電側の整合回路２８０における対応するキャパシタの容量値とは異なる値に設定してもよい。

【0088】

図１４Ａに示す構成において、電極部４００を終端する整合回路１８０側および整合回路２８０側のインピーダンスの実部および虚部のそれぞれは、伝送周波数ｆ０＝０．５ＭＨｚ、結合容量Ｃｍ＝５０ｐＦの場合におけるリアクタンス値Ｘ（≒６３６６Ω）の１／２倍になるように設計されている。

【0089】

本発明者らは、図１４Ａに示す伝送回路の特性を確認するため、Ｓパラメータの伝送周波数に対する依存性を確認するシミュレーションを行った。本シミュレーションにおいては、図１４Ａに示す伝送回路の差動入出力部を、変換比１：１の理想バランでシングルエンドに変換した図１４Ｂの構成に基づいてＳパラメータを計算した。図１４Ｂにおいて、中央の長方形は、図１４Ａに示す電極部４００および整合回路１８０、２８０を含む伝送回路に相当する。図１４Ｂの例において、両端のポートのインピーダンスは、インバータ回路１６０の負荷インピーダンスおよび整流回路２６０の入力インピーダンスにそれぞれ対応する。本シミュレーションでは、それらのインピーダンスをともに２０Ωとした。

【0090】

Ｓパラメータは、以下の数７の右辺における行列を表す。

【数7】

【0091】

ここで、ａ１は、図１４Ｂに示す左側のポートから入力される電力の平方根を表し、ａ２は、右側のポートから入力される電力の平方根を表す。ｂ１は、左側のポートから出力される電力の平方根を表し、ｂ２は、右側のポートから出力される電力の平方根を表す。

【0092】

図１５Ａは、反射特性を示すＳ１１およびＳ２２の絶対値の周波数依存性を示している。図１５Ｂは、通過特性を示すＳ２１の絶対値の周波数依存性を示している。図１５Ａに示すように、Ｓ１１、Ｓ２２がともに、０．５ＭＨｚ付近で－２０ｄＢ以下と、良好な特性が得られることが確認できた。また、図１５Ｂに示すように、Ｓ２１については、０．５ＭＨｚ付近で約０．０２ｄＢと、良好な特性が得られることが確認できた。

【0093】

本発明者らは、さらに、図１４Ａに示す回路において、整合回路１８０および２８０を構成する各インダクタのインダクタンス値と各キャパシタのキャパシタンス値の、それぞれの設計値からのばらつき（以下、「部品ばらつき」と称する）に起因する影響を解析した。部品ばらつきに起因する電極部４００の終端インピーダンスのばらつきをシミュレーションによって評価した。

【0094】

図１６Ａおよび図１６Ｂは、シミュレーション結果をスミスチャート上に示した図である。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すスミスチャートは、伝送周波数０．５ＭＨｚ、結合容量５０ｐＦの場合のリアクタンスの１／２倍である３１８３Ωで正規化されている。濃いマーカー位置は、電極部４００の終端インピーダンスの設計値を示している。この位置は、インピーダンス座標系（Ｒ，Ｘ）において（１，１）にある。部品ばらつきが、５％の均一分布である場合と、１０％の均一分布である場合のそれぞれについて、２００回のモンテカルロ（乱数）シミュレーションを行った。

【0095】

図１６Ａは、部品ばらつきが５％の場合における終端インピーダンスのばらつきを示している。図１６Ｂは、部品ばらつきが１０％の場合における終端インピーダンスのばらつきを示している。図１６Ａの例においては、Ｘの値がおよそ０．８から１．２の範囲で分布し、Ｒの値がおよそ０．６から１．８の範囲で分布する結果が得られた。図１６Ｂの例においては、Ｘの値がおよそ０．４から１．８の範囲で分布し、Ｒの値がおよそ０．４から３．０の範囲で分布する結果が得られた。

【0096】

なお、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す各点は、図１４Ａにおける電極部４００から見た整合回路２８０側の負荷インピーダンスの計算結果を示している。電極部４００から見た整合回路１８０側の負荷インピーダンスを計算した場合も同様の結果が得られる。

【0097】

以上のように、電極部４００の入力側および出力側のそれぞれの終端インピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を、送電電極群と受電電極群との間の結合容量によるリアクタンスＸの半分（Ｘ／２）に設定した場合でも、部品の特性のばらつき起因して実際のインピーダンスにばらつきが生じる。このばらつきを考慮して、電極部４００の入力側および出力側のそれぞれの終端インピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分は、Ｘ／２に完全に一致させるのではなく、Ｘ／２から幅をもたせて設定されていてもよい。例えば、送電電極群から見た整合回路１８０側のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ１、受電電極群から見た整合回路２８０のインピーダンスのリアクタンス成分をＸ２として、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘを満たすように整合回路１８０および２８０は設計され得る。ある例においては、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘが満たされ得る。他の例においては、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．２Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．２Ｘが満たされ得る。さらに他の例においては、｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘが満たされ得る。また、送電電極群から見た整合回路１８０側のインピーダンスの抵抗成分をＲ１、受電電極群から見た整合回路２８０側のインピーダンスの抵抗成分をＲ２とするとき、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘが満たされていてもよい。ある例においては、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．３Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．３Ｘが満たされ得る。他の例においては、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．２Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．２Ｘが満たされ得る。さらに他の例においては、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．１Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．１Ｘが満たされ得る。

【0098】

図１４Ａに示す構成では、整合回路１８０および２８０は、ともにハイパスフィルタ（ＨＰＦ）とローパスフィルタ（ＬＰＦ）とを組み合わせた回路構成を有する。そのような例に限定されず、整合回路１８０および２８０の各々は、多様な構成を取り得る。例えば、図１７に示す整合回路の構成を採用してもよい。図１７に示す整合回路は、２つのローパスフィルタが接続された構成を備える。整合回路１８０および２８０の両方が同様の構成を有している必要はない。図８に示すように、整合回路１８０がＨＰＦとＬＰＦとを組み合わせた構成を有し、整合回路２８０が２つのＬＰＦを組み合わせた構成を有していてもよい。さらに、図８、図１４Ａ、および図１７に示すような２段のフィルタ構成に限らず、１段のフィルタ構成、または３段以上の多段のフィルタ構成を採用してもよい。あるいは、変圧器（トランス）を用いて整合回路１８０および２８０のそれぞれを構成してもよい。

【0099】

次に、送電電極１２０と受電電極２２０との結合容量が変動する場合における影響について説明する。本実施形態のように、移動体に適用される電界結合方式の無線電力伝送システムにおいては、移動体の移動または積載重量の変動などに起因して、送電電極と受電電極との距離または相対位置が電力伝送中に変化する場合がある。その場合、送電電極１２０と受電電極２２０との結合容量が変動する。結合容量がある範囲をもって変動する場合においては、結合容量が下限値に近い場合に前述の終端条件が満たされるように設計することにより、送電電極１２０間および受電電極２２０間の電圧の最大値を低減することができる。以下、図１８Ａから図１８Ｃを参照して、この効果を説明する。

【0100】

図１８Ａから図１８Ｃは、結合容量を変化させた場合の電極間電圧の変化を確認するシミュレーションの結果を示す図である。図１８Ａから図１８Ｃにおいて、上の図および左下の図は、図１４Ａに示す回路において、伝送周波数０．５ＭＨｚ、正弦波出力電力１．５ｋＷの条件における、電極部４００の出力側の終端インピーダンス（△）と、入力側の終端インピーダンス（□）とを示している。右下の図は、電極部４００の入力側（□）および出力側（△）の電圧値とを示している。図１８Ａは、結合容量Ｃｍが５０ｐＦの場合の結果を示している。図１８Ｂは、結合容量Ｃｍが７５ｐＦ（＋５０％）に変動した場合の結果を示している。図１８Ｃは、結合容量Ｃｍが２５ｐＦ（－５０％）に変動した場合の結果を示している。これらの各例において、入力側および出力側のそれぞれの終端インピーダンスの実部および虚部のいずれも、Ｃｍ＝５０ｐＦの条件に対応するリアクタンスＸの１／２倍に設定されている。なお、図１８Ａから図１８Ｃに示すスミスチャート表示は、いずれも伝送周波数０．５ＭＨｚおよび結合容量５０ｐＦの場合のリアクタンスの１／２倍である３１８３Ωで正規化されている。

【0101】

図１８Ａの例では、入力側の電圧と出力側の電圧とが一致し、リアクタンスＸと入力電力から計算される最小電圧値４．３７ｋＶとほぼ同等の計算結果が得られた。これに対し、図１８Ｂおよび図１８Ｃに示す例では、結合容量が変動したことに伴い、出力側の終端インピーダンスは一定であるが、入力側のインピーダンスは変動する。図１８Ｂに示すように結合容量がプラス方向に変動する場合、リアクタンス値が小さくなるため、電極部４００の入力端でのインピーダンスがスミスチャート上で低インピーダンス側に移動し、入力端に発生する電圧が小さくなる。一方、図１８Ｃに示すように結合容量がプラス方向に変動する場合、リアクタンス値が大きくなるため、電極部４００の入力端でのインピーダンスがスミスチャート上で高インピーダンス側に移動し、入力端に発生する電圧が大きくなる。図１８Ｃの例では、結合容量が２５ｐＦの場合のリアクタンス値から計算された最小電圧値６．１８ｋＶと比較して大きい約１０ｋＶの高電圧が発生することが確認された。なお、図１８Ｂの例において、電極部４００の入力端における電圧の最小値は３．５７ｋＶであり、図１８Ａの例における電圧の最小値４．３７ｋＶよりも小さい。しかし、その低下の影響は、図１８Ｃの例における電圧の増加の影響よりも小さい。

【0102】

以上の結果より、電極間の相対位置の変動などに起因して結合容量がある範囲で変動するシステムにおいては、結合容量の下限値付近で前述の終端条件が満足されることが望ましい。実際の設計においては、結合容量の変動の全ての範囲における電力伝送特性のバランスを考慮し、結合容量の下限値ではなく、中央値と下限値との間の値に対して前述の条件が満たされるように設計される場合もある。以上のことから、結合容量が、上限値、中央値、および下限値を有するシステムにおいて、結合容量が中央値よりも小さい場合に、前述の条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘが満足されるように整合回路１８０および２８０が設計されてもよい。そのような設計により、結合容量の変動に起因する電極電圧の最大値を低減することが可能となる。

【0103】

以上の実施形態において、送電電極１２０から受電電極２２０に伝送される電力Ｐと、送電電極１２０と受電電極２２０との結合容量によるリアクタンスＸとの積が、例えば３．６×１０^５［Ｗ・Ω］以上４．９×１０^７［Ｗ・Ω］以下になるように各装置は設計され得る。このような条件を満たすことにより、電極間の電圧が特別高圧（７０００Ｖ超）に該当しない範囲で６００Ｖ以上の比較的大きい電力を伝送することができる。

【0104】

以上の各実施形態において、整合回路１８０および２８０の一方または両方は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能な構成を備えていてもよい。その場合、送電制御回路１５０および受電制御回路２５０の一方または両方は、対応する整合回路を制御することにより、当該整合回路のインピーダンスを変化させる。そのような制御により、前述の条件｜Ｘ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｘ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、｜Ｒ１－Ｘ／２｜＜０．５Ｘ、および｜Ｒ２－Ｘ／２｜＜０．５Ｘの少なくとも１つが満たされるようにしてもよい。

【0105】

図１９は、外部からの制御によってインピーダンスを変化させることが可能な整合回路１８０および２８０の一例を示す図である。この例における整合回路１８０および２８０の各々は、複数のキャパシタ、インダクタ、および抵抗素子と、それらに接続された複数のスイッチとを備える。送電制御回路１５０は、整合回路１８０における各スイッチの開閉を制御する。受電制御回路２５０は、整合回路２８０における各スイッチの開閉を制御する。これにより、整合回路１８０および２８０の各々のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を調整することができる。整合回路１８０および２８０は、少なくとも１つの可変抵抗素子、可変キャパシタンス素子、または可変インダクタンス素子を含んでいてもよい。そのような、抵抗値またはリアクタンス値を変化させることが可能な素子も、送電制御回路１５０または受電制御回路２５０によって制御され得る。そのような可変抵抗素子および／または可変リアクタンス素子を用いることにより、スイッチを省略してもよい。送電側の整合回路１８０と受電側の整合回路２８０の一方のみがスイッチ、可変抵抗素子、および／または可変リアクタンス素子によるインピーダンスの調整が可能であってもよい。また、図１９に示す構成は一例にすぎず、各整合回路の構成は任意に設計され得る。

【0106】

以上の実施形態では、送電電極１２０は、地面または床面に敷設されているが、送電電極１２０は、壁などの側面、または天井などの上面に敷設されていてもよい。送電電極１２０が敷設される場所および向きに応じて、移動体１０の受電電極２２０の配置および向きが決定される。

【0107】

図２０Ａは、送電電極１２０が壁などの側面に敷設された例を示している。この例では、受電電極２２０は、移動体１０の側方に配置される。図２０Ｂは、送電電極１２０が天井に敷設された例を示している。この例では、受電電極２２０は、移動体１０の天板に配置される。これらの例のように、送電電極１２０および受電電極２２０の配置には様々なバリエーションがある。

【0108】

本開示の実施形態における無線電力伝送システムは、前述のように、例えば倉庫または工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体１０は、物品を積載する荷台を有し、工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する台車として機能する。しかし、本開示における無線電力伝送システムおよび移動体は、このような用途に限らず、他の様々な用途に利用され得る。例えば、移動体は、ＡＧＶに限らず、他の産業機械、サービスロボット、電気自動車、マルチコプター（ドローン）等であってもよい。無線電力伝送システムは、工場または倉庫に限らず、例えば、店舗、病院、家庭、道路、滑走路その他のあらゆる場所で利用され得る。

【産業上の利用可能性】

【0109】

本開示の技術は、電力によって駆動される任意の機器に利用できる。例えば、無人搬送車（ＡＧＶ）などの電動の移動体に好適に利用できる。

【符号の説明】

【0110】

１０ 移動体
３０ 床面
５０ 電源
１００ 送電装置
１１０ 送電回路
１２０ 送電電極
１３０ ＡＣ－ＤＣコンバータ回路
１６０ インバータ回路
１８０ 整合回路
２００ 受電装置
２１０ 受電回路
２２０ 受電電極
２６０ 整流回路
２８０ 整合回路
３００ 負荷
３１０ 充放電制御回路
３２０ 電池
３３０ モータ
４００ 電極部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図16A】

【図16B】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19】

【図20A】

【図20B】