知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-26
(45)【発行日】2025-01-10
(54)【発明の名称】ワイヤレス給電装置
(51)【国際特許分類】
H02J 50/50 20160101AFI20241227BHJP
H02J 50/12 20160101ALI20241227BHJP
【ＦＩ】
H02J50/50
H02J50/12
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2024521795
(86)(22)【出願日】2023-05-26
(86)【国際出願番号】 JP2023019647
【審査請求日】2024-04-10
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中西 卓哉
【審査官】鈴木 大輔
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２２－１２７０２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１９５２２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０３７８１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０７０１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０３１９８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０７９１４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ５０／５０
Ｈ０２Ｊ ５０／１０
Ｈ０２Ｊ ５０／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力を受電し、受電した電力を接続された負荷装置に供給するとともに次の送受電装置に電力を送電する中間送受電装置を複数備えたワイヤレス給電装置において、前記負荷装置は、整流器と負荷を有し、
複数の前記中間送受電装置のそれぞれは、
受電コイルを有し電力を受電する受電装置と、
互いに直列接続された送電コイルと共振キャパシタを有し電力を送電可能な送電装置と、
前記受電装置と並列に接続されるキャパシタと、
一方の端子は前記キャパシタと接続され、他方の端子は、前記送電装置および前記負荷装置に接続され、前記キャパシタと前記受電コイルの並列接続に対し直列接続されているとともに、前記共振キャパシタと直列接続されたインダクタと、
を備え、
第１の中間送受電装置の出力電圧は、前記第１の中間送受電装置の前記送電コイルと、前記第１の中間送受電装置の後段の第２の中間送受電装置の前記受電コイル間の結合係数の逆数と、前記受電コイルのインダクタンスを前記送電コイルのインダクタンスで除した値の平方根とを乗じた値に、さらに前記第２の中間送受電装置の入力電圧を乗じた値であり、前記インダクタのインダクタンス値と前記受電コイルのインダクタンス値を同じ値とすることで前記各中間送受電装置での電圧を一定の範囲に収めることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項2】
前記第１の中間送受電装置の出力電圧は、前記第２の中間送受電装置の入力電圧の値と等しいことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項3】
前記送電コイルと前記共振キャパシタとの間の第一共振周波数と、前記受電コイルと前記キャパシタとの間の第二共振周波数と、前記インダクタと前記キャパシタとの間の第三共振周波数とが互いに一致するように、前記送電コイル、前記共振キャパシタ、前記受電コイル、前記キャパシタ、前記インダクタの各々を構成することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項4】
電源に接続され、複数の中間送受電装置の１つに電力の送電を行う送電装置を備え、前記電源に接続された送電装置には、出力電圧と出力電流の位相差を検出する検出手段を有し、検出される位相差があらかじめ定められた範囲内にない場合に、前記電源からの送電を停止することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項5】
電源に接続され、複数の中間送受電装置の１つに電力の送電を行う送電装置、前記中間送受電装置または前記負荷の電圧を検出する検出手段、を備え、検出された電圧があらかじめ定められた範囲内にない場合に、前記電源からの送電を停止することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項6】
前記電源からの送電を停止する制御はコントローラで行うことを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項7】
複数の中間送受電装置の最終段の中間送受電装置には、後段に電力を送電しないための構成を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレス給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、ワイヤレス給電装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
磁界を介してワイヤレスで電力伝送を行う磁界結合型ワイヤレス給電技術がある。この磁界結合型ワイヤレス給電技術において、中継装置を用いて、複数のワイヤレス給電装置を多段接続し、順々に電力伝送を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第６６８１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
中継装置を複数用いて順次ワイヤレス給電を行うシステムでは各中継装置で所望の電圧および電力供給が行える制御が必要になる。しかし、制御のために交流（ＡＣ）で受電し、直流（ＤＣ）に変換し、再度送電のためにＡＣ変換すると、装置構成が複雑化し、部品数の増加、および損失が増加するという問題があった。
【0005】
本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、各中間送受電装置で直流から再度交流変換することなく各負荷電圧をあらかじめ定められた範囲内に制御することができるため、効率が向上するワイヤレス給電装置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】
【0006】
本願に開示されるワイヤレス給電装置は、
電力を受電し、受電した電力を接続された負荷装置に供給するとともに次の送受電装置に電力を送電する中間送受電装置を複数備えており、負荷装置は、整流器と負荷を有し、複数の中間送受電装置のそれぞれは、受電コイルを有し電力を受電する受電装置と、互いに直列接続された送電コイルと共振キャパシタを有し電力を送電可能な送電装置と、受電装置と並列に接続されるキャパシタと、一方の端子はキャパシタと接続され、他方の端子は、送電装置および負荷装置に接続され、キャパシタと受電コイルの並列接続に対し直列接続されているとともに、共振キャパシタと直列接続されたインダクタと、を備え、
第１の中間送受電装置の出力電圧は、第１の中間送受電装置の送電コイルと、第１の中間送受電装置の後段の第２の中間送受電装置の受電コイル間の結合係数の逆数と、受電コイルのインダクタンスを送電コイルのインダクタンスで除した値の平方根とを乗じた値に、さらに第２の中間送受電装置の入力電圧を乗じた値であり、インダクタのインダクタンス値と受電コイルのインダクタンス値を同じ値とすることで各中間送受電装置での電圧を一定の範囲に収めることを特徴とする。
電力を受電し、受電した電力を接続された負荷装置に供給するとともに次の送受電装置に電力を送電する中間送受電装置を複数備えており、負荷装置は、整流器と負荷を有し、複数の中間送受電装置のそれぞれは、受電コイルを有し電力を受電する受電装置と、互いに直列接続された送電コイルと共振キャパシタを有し電力を送電可能な送電装置と、受電装置と並列に接続されるキャパシタと、一方の端子はキャパシタと接続され、他方の端子は、送電装置および負荷装置に接続され、キャパシタと受電コイルの並列接続に対し直列接続されているとともに、共振キャパシタと直列接続されたインダクタと、を備え、
第１の中間送受電装置の出力電圧は、第１の中間送受電装置の送電コイルと、第１の中間送受電装置の後段の第２の中間送受電装置の受電コイル間の結合係数の逆数と、受電コイルのインダクタンスを送電コイルのインダクタンスで除した値の平方根とを乗じた値に、さらに第２の中間送受電装置の入力電圧を乗じた値であり、インダクタのインダクタンス値と受電コイルのインダクタンス値を同じ値とすることで各中間送受電装置での電圧を一定の範囲に収めることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本願に開示されるワイヤレス給電装置によれば、各中間送受電装置で直流から再度交流変換することなく各負荷電圧をあらかじめ定められた範囲内に制御することができるため、効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係るワイヤレス給電装置の全体図である。
【図2】実施の形態１に係る中間送受電装置の構成を説明する図である。
【図3】実施の形態１に係る中間送受電装置の複数配置を説明する図である。
【図4】実施の形態１に係る中間送受電装置の最終段の構成を説明する図である。
【図5】実施の形態１に係る中間送受電装置の各コイルのインダクタンスと結合係数を説明する図である。
【図6】実施の形態１に係るワイヤレス給電装置の動作を説明する図である。
【図7】実施の形態１に係る交流出力電源の半導体スイッチのオン、オフを説明する図である。
【図9】実施の形態１に係る交流出力電源の電流検出部の配置を説明する図である。
【図10】実施の形態１に係るワイヤレス給電装置の全無負荷時の動作を説明するフローチャートである。
【図12】比較例１の構成を示す図である。
【図13】比較例２の構成を示す図である。
【図14】比較例３の構成を示す図である。
【図15】実施の形態１に係る中間送受電装置の効果を説明する等価回路に変換する範囲を示す図である。
【図17】実施の形態１に係る中間送受電装置の多段接続の構成を説明する図である。
【図18】実施の形態２に係る交流出力電源と複数の中間送受電装置の概略構成図である。
【図19】実施の形態２に係るワイヤレス給電装置の全無負荷時の動作を説明するフローチャートである。
【図20】実施の形態１、２のコントローラのハードウェアの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本願に係るワイヤレス給電装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
【0010】
実施の形態１．
本実施の形態における基本的な構成を説明する。図１は実施の形態１の基本的な構成を説明するワイヤレス給電装置の全体図である。
〈交流出力電源と送電コイル〉
直流電力を交流電力に変換して出力する交流出力電源０１と、交流出力電源０１に直接接続された共振モジュール０２と、第１送電コイル０３と、複数の中間送受電装置１１、１２、・・・１ｘと複数の負荷装置２１、２２、・・・２ｘで構成される。交流出力電源０１は、図１においてフルブリッジインバータで構成される。半導体スイッチの種類は問わない。また、直流から交流に変換できるスイッチ構成であればフルブリッジ構成でなくてもよい。
本実施の形態における基本的な構成を説明する。図１は実施の形態１の基本的な構成を説明するワイヤレス給電装置の全体図である。
〈交流出力電源と送電コイル〉
直流電力を交流電力に変換して出力する交流出力電源０１と、交流出力電源０１に直接接続された共振モジュール０２と、第１送電コイル０３と、複数の中間送受電装置１１、１２、・・・１ｘと複数の負荷装置２１、２２、・・・２ｘで構成される。交流出力電源０１は、図１においてフルブリッジインバータで構成される。半導体スイッチの種類は問わない。また、直流から交流に変換できるスイッチ構成であればフルブリッジ構成でなくてもよい。
【0011】
共振モジュール０２はキャパシタで構成される。最もシンプルな構成として、図１に第１送電コイル０３に対して直列にキャパシタが接続される構成を示したがその他の構成でもよい。
【0012】
〈中間送受電装置〉
複数の中間送受電装置１１～１ｘのうち、中間送受電装置１１～１ｘ－１は同じ構成である。中間送受電装置１１の構成例を図２に示す。中間送受電装置１１は、受電コイル１０１、電圧制御モジュール１０２、共振キャパシタ１０３、送電コイル１０４、負荷装置２１で構成される。受電コイル１０１の後段に電圧制御モジュール１０２が接続される。電圧制御モジュール１０２の後段に、負荷装置２１、および送電コイル１０４と共振キャパシタ１０３からなる回路が並列に接続される。共振キャパシタ１０３および送電コイル１０４は直列接続されている。
複数の中間送受電装置１１～１ｘのうち、中間送受電装置１１～１ｘ－１は同じ構成である。中間送受電装置１１の構成例を図２に示す。中間送受電装置１１は、受電コイル１０１、電圧制御モジュール１０２、共振キャパシタ１０３、送電コイル１０４、負荷装置２１で構成される。受電コイル１０１の後段に電圧制御モジュール１０２が接続される。電圧制御モジュール１０２の後段に、負荷装置２１、および送電コイル１０４と共振キャパシタ１０３からなる回路が並列に接続される。共振キャパシタ１０３および送電コイル１０４は直列接続されている。
【0013】
中間送受電装置１１内の電圧制御モジュール１０２は、キャパシタとインダクタの組で構成される。キャパシタは、受電コイル１０１に対して並列に接続され、インダクタはキャパシタと受電コイル１０１の並列接続構成に対して直列接続される。なお、後述する〈中間送受電装置の設定〉に記載の関係が成り立つのであれば、上記構成例に限る必要はない。
【0014】
負荷装置２１は整流用のダイオードブリッジ２０１の後段に平滑用のキャパシタ２０２が接続され、その後段に負荷２０３が接続される。負荷２０３は、インバータ、モータ、あるいはその他照明等の種々の負荷機器でもよい。なお、図１では省略するが、後述する図９に示すように交流出力電源０１には電流が検出できるように電流検出部７１が接続されている。
【0015】
〈中間送受電装置の複数配置〉
中間送受電装置１１～１ｘは次のように配置構成される。中間送受電装置１１の受電コイル１０１は、第1送電コイル０３と近接配置され、磁気結合する。中間送受電装置１２の受電コイル１０１は、中間送受電装置１１の送電コイル１０４と近接配置され、磁気結合する。中間送受電装置１３～１ｘについても同様の配置で構成される。
中間送受電装置１１～１ｘは次のように配置構成される。中間送受電装置１１の受電コイル１０１は、第1送電コイル０３と近接配置され、磁気結合する。中間送受電装置１２の受電コイル１０１は、中間送受電装置１１の送電コイル１０４と近接配置され、磁気結合する。中間送受電装置１３～１ｘについても同様の配置で構成される。
【0016】
中間送受電装置１３以降の中間送受電装置１ｉ－１～１ｉ＋１を配置を図３に示す。中間送受電装置１ｉの受電コイル１０１ｉは、ｉ－１番目の中間送受電装置１ｉ－１の送電コイル１０４ｉ―１と近接配置され、第ｉ番目の中間送受電装置１ｉの送電コイル１０４ｉは、第ｉ＋１番目の中間送受電装置１ｉ＋１の受電コイル１０１ｉ＋１と近接配置される。
【0017】
最終段に配置される中間送受電装置１ｘを図４に示す。中間送受電装置１ｘは送電コイル１０４ｘ部分を電圧制御装置後段の送電装置を接続しない、あるいは開放する回路６０を持ち、開放状態とする。
【0018】
〈中間送受電装置の設定〉
図５に中間送受電装置１ｉ、１ｉ＋１の各コイルのインダクタンスと結合係数を示す。
「送電コイル１０４ｉと受電コイル１０１ ｉ＋１間の結合係数ｋの逆数」と、「受電コイル１０１ ｉ＋１のインダクタンス値ＬＲを送電コイル１０４ｉのインダクタンス値ＬＴで除した値の平方根」を乗じた値が１に近い値となり、電圧制御装置１ｉ＋１のインダクタのインダクタンス値ＬＣと受電コイル１０１ ｉ＋１のインダクタンス値ＬＲが同程度とする。この構成の理由については後述する〈電圧制御モジュールの効果を発揮する理由の説明〉にて詳細に説明する。
図５に中間送受電装置１ｉ、１ｉ＋１の各コイルのインダクタンスと結合係数を示す。
「送電コイル１０４ｉと受電コイル１０１ ｉ＋１間の結合係数ｋの逆数」と、「受電コイル１０１ ｉ＋１のインダクタンス値ＬＲを送電コイル１０４ｉのインダクタンス値ＬＴで除した値の平方根」を乗じた値が１に近い値となり、電圧制御装置１ｉ＋１のインダクタのインダクタンス値ＬＣと受電コイル１０１ ｉ＋１のインダクタンス値ＬＲが同程度とする。この構成の理由については後述する〈電圧制御モジュールの効果を発揮する理由の説明〉にて詳細に説明する。
【0019】
〈ワイヤレス給電装置の動作〉
次に本装置の動作について説明する。動作例説明時に中間送受電装置の数が定まっていないと説明が煩雑になるので、図６のように、中間送受電装置１ｉ－１、１ｉ、１ｉ＋１の３つの場合について説明を行う。中間送受電装置１ｉ－１～１ｉ＋１に負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１が接続される。なお、中間送受電装置の数が増減しても、基本的な動作は同じである。
次に本装置の動作について説明する。動作例説明時に中間送受電装置の数が定まっていないと説明が煩雑になるので、図６のように、中間送受電装置１ｉ－１、１ｉ、１ｉ＋１の３つの場合について説明を行う。中間送受電装置１ｉ－１～１ｉ＋１に負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１が接続される。なお、中間送受電装置の数が増減しても、基本的な動作は同じである。
【0020】
まず電力投入開始シーケンスを始める。起動時においては３つの負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１が全て無負荷状態である。一方で負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１のキャパシタ２０２ｉ－１～２０２ｉ＋１に電荷が蓄積されていないため、このキャパシタ２０２ｉ－１～２０２ｉ＋１の充電のために動作時に有効電力が供給される。
（１）あらかじめ定められた周波数で、交流出力電源０１の半導体スイッチＱ１～Ｑ４をオンオフする。すなわち、図７に示すように対角方向のスイッチの組をオンまたはオフする。このような動作により、例えば出力電圧は図８のようになる。これはフルブリッジインバータの標準的なスイッチング動作である。位相シフトで実現してもよいし、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で実現してもよい。
（２）直流電圧Ｖが入力され、半導体スイッチＱ１とＱ４をオフ、Ｑ２とＱ３をオンにした状態と、半導体スイッチＱ１とＱ４をオン、Ｑ２とＱ３をオフにした状態をあらかじめ定められた周波数で繰り返す。これにより交流出力電源０１よりから交流電圧Ｖoutを出力する。
（３）この動作により、共振モジュール０２および第１送電コイル０３に交流電力を供給する。第１送電コイル０３に交流電流が通流することにより、第１送電コイル０３の周囲に磁界が発生する。
（４）この磁界が中間送受電装置１ｉ―１の受電コイル１０１ｉ－１に鎖交し、受電コイル１０１ｉ－１に誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉ－１を介して、負荷装置２ｉ－１のキャパシタ２０２ｉ－１を充電する。
（５）同時に中間送受電装置１ｉ－１の送電コイル１０４ｉ－１に電流を供給する。これにより、送電コイル１０４ｉ－１の周囲に磁界が発生する。
（６）この磁界が中間送受電装置１ｉの受電コイル１０１ｉに鎖交し、受電コイル１０１ｉに誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉを介して、中間送受電装置１ｉに接続された、負荷装置２ｉのキャパシタ２０２ｉを充電する。
（７）同時に中間送受電装置１ｉの送電コイル１０４ｉに電流を供給する。これにより、送電コイル１０４ｉに交流電流が通流することにより、送電コイル１０４ｉの周囲に磁界が発生する。
（８）この磁界が中間送受電装置１ｉ＋１の受電コイル１０１ｉ＋１に鎖交し、受電コイル１０１ｉ＋１に誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉ＋１を介して、中間送受電装置１ｉ＋１に接続された負荷装置２ｉ＋１のキャパシタ２０２ｉ＋１を充電する。
（９）ここで各負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１が、あらかじめ定めた電圧を超え次第起動し、電力が供給される。なお、本実施の形態の負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１の入力電圧は、ほぼ同じになる動作となる。
（１０）中間送受電装置２ｉ＋１が最終段１ｘの場合、送電コイル１０４ｘへの経路は、図４に示す回路６０により開放されている状態となる。
（１）あらかじめ定められた周波数で、交流出力電源０１の半導体スイッチＱ１～Ｑ４をオンオフする。すなわち、図７に示すように対角方向のスイッチの組をオンまたはオフする。このような動作により、例えば出力電圧は図８のようになる。これはフルブリッジインバータの標準的なスイッチング動作である。位相シフトで実現してもよいし、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で実現してもよい。
（２）直流電圧Ｖが入力され、半導体スイッチＱ１とＱ４をオフ、Ｑ２とＱ３をオンにした状態と、半導体スイッチＱ１とＱ４をオン、Ｑ２とＱ３をオフにした状態をあらかじめ定められた周波数で繰り返す。これにより交流出力電源０１よりから交流電圧Ｖoutを出力する。
（３）この動作により、共振モジュール０２および第１送電コイル０３に交流電力を供給する。第１送電コイル０３に交流電流が通流することにより、第１送電コイル０３の周囲に磁界が発生する。
（４）この磁界が中間送受電装置１ｉ―１の受電コイル１０１ｉ－１に鎖交し、受電コイル１０１ｉ－１に誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉ－１を介して、負荷装置２ｉ－１のキャパシタ２０２ｉ－１を充電する。
（５）同時に中間送受電装置１ｉ－１の送電コイル１０４ｉ－１に電流を供給する。これにより、送電コイル１０４ｉ－１の周囲に磁界が発生する。
（６）この磁界が中間送受電装置１ｉの受電コイル１０１ｉに鎖交し、受電コイル１０１ｉに誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉを介して、中間送受電装置１ｉに接続された、負荷装置２ｉのキャパシタ２０２ｉを充電する。
（７）同時に中間送受電装置１ｉの送電コイル１０４ｉに電流を供給する。これにより、送電コイル１０４ｉに交流電流が通流することにより、送電コイル１０４ｉの周囲に磁界が発生する。
（８）この磁界が中間送受電装置１ｉ＋１の受電コイル１０１ｉ＋１に鎖交し、受電コイル１０１ｉ＋１に誘導起電力が生じ、電流が流れる。ここで発生した電流は電圧制御モジュール１０２ｉ＋１を介して、中間送受電装置１ｉ＋１に接続された負荷装置２ｉ＋１のキャパシタ２０２ｉ＋１を充電する。
（９）ここで各負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１が、あらかじめ定めた電圧を超え次第起動し、電力が供給される。なお、本実施の形態の負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１の入力電圧は、ほぼ同じになる動作となる。
（１０）中間送受電装置２ｉ＋１が最終段１ｘの場合、送電コイル１０４ｘへの経路は、図４に示す回路６０により開放されている状態となる。
【0021】
〈全無負荷条件〉
また動作中に、各負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１の全てがほぼ無負荷、あるいは著しく軽負荷になることがありうる。このような場合、各中間送受電装置１ｉ－１～１ｉ＋１の電圧が過剰に上昇するのを防ぐために、次の動作を行う。図９に電流検出部７１を含むフルブリッジインバータの交流出力電源０１および中間送受電装置１ｉ－１を示す。電流検出部７１で検出された電流は、コントローラ７２に入力され、コントローラ７２は交流出力電源０１を制御する。図 １０にフローチャートを示す。
（１）電流検出部７１の電流を検出し（図１０中、ステップＳ１）送電コイル１０４ｉ－１～１０４ｉ＋１の電圧と電流の位相差（図１１中、Ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を常時監視しておき（ステップＳ２）、あらかじめ定めた位相差よりも大きくなり、あらかじめ定めた範囲外になったときに（ステップＳ３、Ｎｏ）、無負荷あるいは著しい軽負荷と判定し（ステップＳ４）、電力供給をやめる（ステップＳ５）。あるいは位相シフト制御において、出力電圧を下げるといった動作を行う。
（２）また、あらかじめ定めた範囲外になった後も、あらかじめ定めたタイミングで電力供給を行い、位相差があらかじめ定めた範囲内にあれば（ステップＳ３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給を行わない（ステップＳ５）。
また動作中に、各負荷装置２ｉ－１～２ｉ＋１の全てがほぼ無負荷、あるいは著しく軽負荷になることがありうる。このような場合、各中間送受電装置１ｉ－１～１ｉ＋１の電圧が過剰に上昇するのを防ぐために、次の動作を行う。図９に電流検出部７１を含むフルブリッジインバータの交流出力電源０１および中間送受電装置１ｉ－１を示す。電流検出部７１で検出された電流は、コントローラ７２に入力され、コントローラ７２は交流出力電源０１を制御する。図 １０にフローチャートを示す。
（１）電流検出部７１の電流を検出し（図１０中、ステップＳ１）送電コイル１０４ｉ－１～１０４ｉ＋１の電圧と電流の位相差（図１１中、Ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を常時監視しておき（ステップＳ２）、あらかじめ定めた位相差よりも大きくなり、あらかじめ定めた範囲外になったときに（ステップＳ３、Ｎｏ）、無負荷あるいは著しい軽負荷と判定し（ステップＳ４）、電力供給をやめる（ステップＳ５）。あるいは位相シフト制御において、出力電圧を下げるといった動作を行う。
（２）また、あらかじめ定めた範囲外になった後も、あらかじめ定めたタイミングで電力供給を行い、位相差があらかじめ定めた範囲内にあれば（ステップＳ３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給を行わない（ステップＳ５）。
【0022】
〈比較例の構成と比較しての優位性と効果の説明〉
ここでは本実施の形態の構成が比較例１～３に対して有効である理由を示す。
比較例１．
比較例１としては図１２のように、中間送受電装置において受電した電力を一度直流に変換し、再度交流に変換する構成が考えられる。図１２では簡略化のために中間送受電装置６１～６３の３つを示している。中間送受電装置６１～６３の内部に交流から直流、直流から交流への変換手段（交流－直流－交流変換手段）が配置されている。中間送受電装置６１～６３のそれぞれに、負荷装置２１～２３が接続されている。
ここでは本実施の形態の構成が比較例１～３に対して有効である理由を示す。
比較例１．
比較例１としては図１２のように、中間送受電装置において受電した電力を一度直流に変換し、再度交流に変換する構成が考えられる。図１２では簡略化のために中間送受電装置６１～６３の３つを示している。中間送受電装置６１～６３の内部に交流から直流、直流から交流への変換手段（交流－直流－交流変換手段）が配置されている。中間送受電装置６１～６３のそれぞれに、負荷装置２１～２３が接続されている。
【0023】
この比較例１の構成は、中間送受電装置６１～６３の各段の供給電圧が装置構成によらず常時制御可能なことがメリットである。一方で交流から直流、直流から交流変換を行うので、損失が生じ、接続数が増えるほど、その損失は大きくなっていく。また、交流－直流－交流変換を行うため、インバータおよびそれを構成する半導体スイッチ、半導体スイッチを駆動するための制御回路などがそれぞれの中間送受電装置６１～６３に必要となり、コスト高および装置サイズの増大を招く。
【0024】
比較例２．
一方で、交流－直流－交流変換を行わず、交流のまま、受電コイルから次の送電コイルに電力供給する構成を図１３に示す。図では簡略化のために中間送受電装置８１～８３の３つを示している。中間送受電装置８１～８３には、交流－直流－交流変換手段を有さない。中間送受電装置８１～８３のそれぞれに、負荷装置２１～２３が接続されている。
一方で、交流－直流－交流変換を行わず、交流のまま、受電コイルから次の送電コイルに電力供給する構成を図１３に示す。図では簡略化のために中間送受電装置８１～８３の３つを示している。中間送受電装置８１～８３には、交流－直流－交流変換手段を有さない。中間送受電装置８１～８３のそれぞれに、負荷装置２１～２３が接続されている。
【0025】
これは直列共振型のワイヤレス給電構成に、負荷装置２１～２３を並列に接続した構成である。この構成において、ワイヤレス給電を複数段接続し、電力供給することは可能である。しかし、中間送受電装置８１～８３に接続された負荷装置２１～２３の消費電力に応じて、中間送受電装置８１～８３の各送電コイル１０４－１～１０４－３に印加される電圧が大幅に変わってしまう。３つ以上の接続となる次段、次々段などはさらに電圧が変動する恐れがあり、適切な電圧で各負荷にワイヤレス給電が実現できないという課題がある。
【0026】
すなわち、ある条件で適切に電力供給できていたとしても、負荷装置２１～２３のどれか一つでも電力消費が変動すれば接続段全体の電圧に影響してしまう。この問題は直列共振型ワイヤレス給電システムにおける疑似的な電流源特性による。ある範囲までは電流一定を負荷側に流すので、負荷装置２１～２３内の負荷のインピーダンスが変動すると電圧が変動する。この電圧変動が次の段の出力電圧を変化させる。つまり中間送受電装置全段で電圧一定（または電圧を一定範囲内に収めること）を実現することが原理的にできない。
【0027】
比較例３．
また、直列共振型のワイヤレス給電に、負荷装置２１～２３を直列に接続した構成について図１４に構成例を示す。図では簡略化のために中間送受電装置９１～９３の３つを示している。比較例２と同様、中間送受電装置９１～９３には、交流－直流－交流変換を有さない。負荷装置２１～２３を、中間送受電装置９１～９３の各送電コイルおよび受電コイルに直列接続した場合、その直列接続のワイヤレス給電システムにおける疑似的な電流源特性から、負荷消費電力変動に伴う、送電コイルの印加電圧(電流)変動影響が少なくなる。しかしこの構成では各負荷装置２１～２３のどれか一つでも無負荷およびそれに近い軽負荷状態になってしまうと、電力供給が実行できなくなる。無負荷に近い状態、つまり負荷装置２１～２３の実効的な抵抗値が大きい状態になると、共振特性から外れ、電流源特性が維持されなくなる。また、たとえ電流源特性を維持していたとしても、負荷装置両端の印加電圧が過大になるため現実的ではない。電流が一定のまま、負荷抵抗値が増加すればすなわち電圧が増加する。
また、直列共振型のワイヤレス給電に、負荷装置２１～２３を直列に接続した構成について図１４に構成例を示す。図では簡略化のために中間送受電装置９１～９３の３つを示している。比較例２と同様、中間送受電装置９１～９３には、交流－直流－交流変換を有さない。負荷装置２１～２３を、中間送受電装置９１～９３の各送電コイルおよび受電コイルに直列接続した場合、その直列接続のワイヤレス給電システムにおける疑似的な電流源特性から、負荷消費電力変動に伴う、送電コイルの印加電圧(電流)変動影響が少なくなる。しかしこの構成では各負荷装置２１～２３のどれか一つでも無負荷およびそれに近い軽負荷状態になってしまうと、電力供給が実行できなくなる。無負荷に近い状態、つまり負荷装置２１～２３の実効的な抵抗値が大きい状態になると、共振特性から外れ、電流源特性が維持されなくなる。また、たとえ電流源特性を維持していたとしても、負荷装置両端の印加電圧が過大になるため現実的ではない。電流が一定のまま、負荷抵抗値が増加すればすなわち電圧が増加する。
【0028】
これら比較例１～３に対し、図１に示した実施の形態１の構成では、中間送受電装置１１～１ｘの受電コイル１０１～１０１ｘの後段に電圧制御モジュール１０２～１０２ｘを接続し、負荷装置２１～２ｘと送電コイル１０４～１０４ｘを並列に接続することで上述した比較例１～３の課題を全て解決している。このような構成にすることで、中間送受電装置１１～１ｘごとの交流－直流－交流変換がなくなるため、損失を低減可能であるとともに装置サイズおよび構成部品の低減も可能である。
【0029】
また負荷装置２１～２ｘの電力消費によらず、送電コイル１０４～１０４ｘに印加する電圧を一定にすることができる。本来、この構成においては電力消費が少ない場合に電圧が増大することが課題となるが、このような継続接続型の構成を採用することにより、ある中間送受電装置において電力消費が無くとも、いずれかの中間送受電装置および負荷装置において電力消費があれば、各中間送受電装置における電圧をほぼ一定にすることが可能である。つまり、負荷装置の無負荷状態にも対応している。
【0030】
例外として、全ての負荷装置が無負荷になった場合は、電圧が上昇してしまうが、これについても前述した方法で交流出力電源０１側の電圧と電流の位相差の検出により制御が可能である。
【0031】
〈電圧制御モジュールの効果を発揮する理由の説明〉
ここで実施の形態１の電圧制御モジュール１０２の構成が効果を発揮できる理由について等価回路と数式を用いて説明する。まず1対の中間送受電装置１ｉ、１ｉ＋１の等価回路を考える。これは、図１の第１送電コイル０３および共振モジュール０２と中間送受電装置１１間と考えてもよい。図１５に等価回路に変換する該当箇所を示す。電圧制御モジュール以降をＺｏｕｔ＿ｉ＋１とまとめる。図１６に図１５の該当箇所の等価回路を示す。ここで、各インピーダンスをＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚとする。それぞれのインピーダンスを次のように求める。
ここで実施の形態１の電圧制御モジュール１０２の構成が効果を発揮できる理由について等価回路と数式を用いて説明する。まず1対の中間送受電装置１ｉ、１ｉ＋１の等価回路を考える。これは、図１の第１送電コイル０３および共振モジュール０２と中間送受電装置１１間と考えてもよい。図１５に等価回路に変換する該当箇所を示す。電圧制御モジュール以降をＺｏｕｔ＿ｉ＋１とまとめる。図１６に図１５の該当箇所の等価回路を示す。ここで、各インピーダンスをＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚとする。それぞれのインピーダンスを次のように求める。
【0032】
【数1】
【0033】
【数2】
【0034】
【数3】
【0035】
【数4】
【0036】
【数5】
【0037】
【数6】
【0038】
【数7】
【0039】
【数8】
【0040】
仮に伝送効率を、ηを１とすると、
【数9】
【0041】
このとき出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｉ＋１は次のようになる。
【数10】
【0042】
ここで式（１２）、（１３）を式（１１）に代入する。
【数11】
【0043】
【数12】
【0044】
式（１４）より、出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｉ＋１の負荷抵抗依存がないことがわかる。すなわち、入力電圧Ｖｉｎ＿ｊに対して出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｉ＋１が、結合係数とコイルインダクタンスＬ１、Ｌ２で定まる。
【0045】
つまり、中間送受電装置を複数段接続しても、各中間送受電装置での電圧を負荷によらず、一定の範囲内に収めることが理論上可能であることが示されている。例えば、以下の式（１５）に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎを等しくすることができる。これは、「送電コイルと受電コイル間の結合係数ｋの逆数」と、「受電コイルのインダクタンス値ＬＲ（Ｌ２）を送電コイルのインダクタンス値ＬＴ（Ｌ１）で除した値の平方根」とを１にした状態である。
【0046】
【数13】
【0047】
実用上は、伝送効率ηの要素を考慮して出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎとが等しくなるように補正する。例えば伝送効率が０．９程度であれば、「送電コイル（インダクタンス値ＬＴ）と受電コイル（インダクタンス値ＬＲ）間の結合係数ｋの逆数」と、「受電コイルのインダクタンス値ＬＲを送電コイルのインダクタンス値ＬＴで除した値の平方根」とを１．１程度にする。図１７に多段接続時の等価回路図と電圧を示す。これは、図１５の回路の等価回路である図１６を多段に接続したものと等価である。ある中間送受電装置の入力電圧と出力電圧が等しいということは、その後段に接続される中間送受電装置間の入力電圧と出力電圧も等しくなることを示している。
【0048】
実施の形態２．
実施の形態２は、図１８に示すように、実施の形態１に加えて、中間送受電装置１１と交流出力電源０１との間に無線通信機構０８を備える。なお、図示していないが中間送受電装置間にも無線通信機構０８を備える。中間送受電装置１１には、電圧検出部７３を配置する。なお、無線通信機構０８に電圧検出部７３で検出した電圧を送信する。送信された電圧情報はコントローラ７２で受信する。
実施の形態２は、図１８に示すように、実施の形態１に加えて、中間送受電装置１１と交流出力電源０１との間に無線通信機構０８を備える。なお、図示していないが中間送受電装置間にも無線通信機構０８を備える。中間送受電装置１１には、電圧検出部７３を配置する。なお、無線通信機構０８に電圧検出部７３で検出した電圧を送信する。送信された電圧情報はコントローラ７２で受信する。
【0049】
次に動作について図１９のフローチャートにて説明する。
（１）電圧検出部７３の電圧を検出し（図１９中、ステップＳ１１）、コントローラ７２で判定を行う（ステップＳ１２）。検出電圧があらかじめ定めた範囲を超える場合には、（ステップＳ１３、Ｎｏ）、無負荷あるいは著しい軽負荷と判定し（ステップＳ１４）、電力供給を停止する（ステップＳ１５）。あるいは、出力電圧を下げるといった動作を行う。
（２）また、電圧があらかじめ定めた範囲内にあれば（ステップＳ１３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ１６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給をやめる（ステップＳ１５）。
（３）また、あらかじめ定めた範囲外になった後も、あらかじめ定めたタイミングで電力供給を行い、電圧があらかじめ定めた範囲内になれば（ステップＳ１３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ１６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給を行わない（ステップＳ１５）。
（１）電圧検出部７３の電圧を検出し（図１９中、ステップＳ１１）、コントローラ７２で判定を行う（ステップＳ１２）。検出電圧があらかじめ定めた範囲を超える場合には、（ステップＳ１３、Ｎｏ）、無負荷あるいは著しい軽負荷と判定し（ステップＳ１４）、電力供給を停止する（ステップＳ１５）。あるいは、出力電圧を下げるといった動作を行う。
（２）また、電圧があらかじめ定めた範囲内にあれば（ステップＳ１３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ１６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給をやめる（ステップＳ１５）。
（３）また、あらかじめ定めた範囲外になった後も、あらかじめ定めたタイミングで電力供給を行い、電圧があらかじめ定めた範囲内になれば（ステップＳ１３、Ｙｅｓ）再度電力供給を継続し（ステップＳ１６）、あらかじめ定めた範囲の外にあれば無負荷状態が継続していると判定し、電力供給を行わない（ステップＳ１５）。
【0050】
このような実施の形態２の構成により、電流と電圧の位相差検出が不要となる。また本構成においても、全ての中間送受電装置の電圧を厳密に管理する必要がなく、どこか１つの中間送受電装置の出力電圧の検出で足りる。ワイヤレス給電装置を多段接続した構成においては応用上、各装置間で何らかの通信モジュールが搭載されることがありうる。そういった場合に追加の構成なく、電圧値を直接検出および制御できるところに本実施の形態構成の優位点がある。
【0051】
コントローラ７２内のマイコンのハードウェアの一例を図２０に示す。プロセッサ１００と記憶装置２００から構成され、図示していないが、記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置２００から入力されたプログラムを実行することにより、図１１、図１９で上述した無負荷状態の制御を行う。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置２００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
【0052】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【0053】
０１：交流出力電源、０２：共振モジュール、０３：第１送電コイル、０８：無線通信機構、１１、１２：中間送受電装置、２１、２２：負荷装置、７１：電流検出部、７２：コントローラ、７３：電圧検出部、１００：プロセッサ、１０１：受電コイル、１０２：電圧制御モジュール、１０３：共振キャパシタ、１０４：送電コイル、２００：記憶装置、２０１：ダイオードブリッジ、２０２：キャパシタ、２０３：負荷。
【要約】
電力を受電し、受電した電力を接続された負荷に供給するとともに次の送受電装置に電力を送電する中間送受電装置（１１）を複数備えたワイヤレス給電装置において、複数の中間送受電装置（１１）のそれぞれは電力を受電する受電装置（１０１）と電力を送電可能な送電装置（１０４）を有し、受電装置（１０１）の後段に、各中間送受電装置での電圧を前記負荷によらず一定の範囲に収めるための電圧制御装置（１０２）を接続している。これにより、各負荷電圧を定められた範囲内に制御することができるため、効率が向上する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】