JP6300465B2 - 受電装置、受電装置の制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送技術に関する。

近年、コネクタで接続することなく無線（非接触）で電力を送信する送電装置と、送電装置から供給された電力を受電する受電装置とを含む無線電力伝送システムが知られている。特許文献１の送電装置は、突発的に過剰な電力を消費する場合や、受電装置側において過大な電力を要する場合等に、過電流状態となった場合、送電部への電流を制限することにより無線電力伝送の安全性を向上する技術を記載している。

特開２０１３−１０２６６６

送電装置が第１受電装置に送電中に、ユーザが第２受電装置を送電装置の送電範囲に置き、送電装置が送電出力を変更する前に第２受電装置が受電を開始すると、少なくとも一時的に送電装置が過電流状態となる場合がある。この場合、特許文献１のように送電装置が送電部への入力電流を制限すると、第１受電装置は所望の電力において受電できなくなり、システム全体として送電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされた発明であって、無線電力伝送において送電効率と安全性を両立することを目的とする。

本発明に係る受電装置は、送電装置に対して無線による電力の伝送を要求する要求手段と、前記送電装置から無線で伝送される電力を受信するためのアンテナと、前記アンテナにおいて受信される電力により動作する負荷手段と、前記要求手段による無線による電力の伝送の要求を行ってから、前記送電装置と予め共有されている所定時間であって、前記要求手段による無線による電力の伝送の要求に基づく無線による電力の伝送を前記送電装置が開始するまでの所定時間の経過後に、前記アンテナを用いて受信された電力を前記負荷手段に供給しない第１状態から前記アンテナを用いて受信された電力を前記負荷手段に供給する第２状態に切り替えるための制御を実行する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、無線電力伝送において送電効率と安全性を両立することができる。

無線電力伝送システムの構成を示す図である。 送電装置の構成を示す図である。 受電装置の構成を示す図である。 無線電力伝送システムのシーケンスを示す図である。 受電装置のフローチャートである。 受電装置の検出部により検出した電圧波形を示す図である。

（実施例１）
図１は、本実施形態における無線電力伝送システムの構成を示す図である。なお、本実施例に係る無線電力伝送システムは、磁界共鳴方式を用いて無線電力伝送を行うとする。磁界共鳴方式は送電装置の共振器（共鳴素子）と、受電装置の共振器（共鳴素子）との間の磁場の共鳴（共振）による結合によって電力を伝送する方式である。なお、本実施例において、磁界共鳴方式を用いた無線電力伝送システムを例にして説明するが、無線電力伝送方式（非接触電力伝送方法）はこれに限られたものではなく、電磁誘導、電界共鳴、マイクロ波、レーザ（光）等を利用した電力伝送方式を用いてもよい。

図１において、１０１は送電装置、１０２は第一の受電装置、１０３は第二の受電装置を示す。送電装置１０１の構成を図２に示す。図２において、２０１は送電装置１０１のバッテリまたは外部電源と接続し装置全体に電力を供給する電源部である。２０２は送電装置１０１の送信電力の上限を設定する設定部である。設定部２０２は、送電部２０３への入力電圧を設定した送信電力の上限を超えないように制限する。２０３は設定部２０２から入力される直流又は交流電力を伝送帯の交流周波数電力に変換し、送電アンテナ２０４を介して受電装置に対して送電を行う送電部である。

２０５は送電装置１０１の各部を制御する制御部である。制御部２０５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）により構成され、記憶している制御プログラムを実行することで各ハードウェアを制御して送電処理を実行する。２０６は無線通信するための通信部である。通信部２０６は、受電装置と無線電力伝送の制御信号をやり取りする。通信部２０６は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）４．０規格に準拠する通信機能を有する。なお、通信部２０６は、他の通信規格を用いてもよい。例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１シリーズ）、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）などであってもよい。２０７は制御部２０５と設定部２０２との制御信号をやり取りするための制御線である。２０８は制御部２０５と送電部２０３との制御信号をやり取りするための制御線である。２０９は制御部２０５と通信部２０６との制御信号をやり取りするための制御線である。

続いて、第一の受電装置１０２及び第二の受電装置１０３の構成を図３に示す。同図において、３０１は送電装置１０１から無線で電力を受け取るための受電アンテナである。３０２は受電アンテナ３０１で受けた交流電力を直流に整流するための整流回路である。３０３は、受電した電力で動作する負荷部である。負荷部３０３は、例えばバッテリであってよい。３０４は整流回路３０２と負荷部３０３の間の接続のオン、オフを切り替えるスイッチ部である。スイッチ部３０４は受電アンテナと負荷部３０３とを切断状態から接続状態に切替える。スイッチ部３０４により接続行う整流回路３０２と負荷部３０３が接続されている場合、負荷部３０３に対して電力供給が行われる。切断状態において、負荷部３０３は電力供給が断たれるため動作を行えない。接続状態において、負荷部３０３はアンテナを介して受電した電力を用いて動作することができる。３０５は整流回路３０２とスイッチ部３０４の間の電圧を検出する検出部である。

３０６は受電装置の各部を制御する制御部である。制御部３０６は受電アンテナ３０１を介して受電した電力を用いて動作する。制御部３０６は、ＣＰＵにより構成され、記憶している制御プログラムを実行することで各ハードウェアを制御して受電処理を実行する。３０７は無線通信するための通信部である。通信部３０７は、送電装置と無線電力伝送の制御信号をやり取りする。通信部３０７は、要求する電力値を含めて送電を要求するメッセージを送電装置に送信する。通信部３０７は、受電アンテナ３０１を介して受電した電力を用いて動作する。通信部３０７は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）４．０規格に準拠する通信機能を有する。なお、通信部３０７は、他の通信規格を用いてもよい。例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１シリーズ）、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）などであってもよい。整流回路３０２の出力を３０８は制御部３０６と通信部３０７を動作させるための電圧に変換する直流―直流電圧変換部である。３０９は制御部３０６とスイッチ部３０４との制御信号、３１０は制御部３０６と検出部３０５との制御信号をやり取りするための制御線である。３１１は制御部３０６と通信部３０７との制御信号をやり取りするための制御線である。

３０６は受電装置の各部を制御する制御部である。制御部３０６は受電アンテナ３０１を介して受電した電力を用いて動作する。制御部３０６は、ＣＰＵにより構成され、記憶している制御プログラムを実行することで各ハードウェアを制御して受電処理を実行する。３０７は無線通信するための通信部である。通信部３０７は、送電装置と無線電力伝送の制御信号をやり取りする。通信部３０７は、要求する電力値を含めて送電を要求するメッセージを送電装置に送信する。通信部３０７は、受電アンテナ３０１を介して受電した電力を用いて動作する。通信部３０７は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）４．０規格に準拠する通信機能を有する。なお、通信部３０７は、他の通信規格を用いてもよい。例えば、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１シリーズ）、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）などであってもよい。整流回路３０２の出力を３０８は制御部３０６と通信部３０７を動作させるための電圧に変換する直流―直流電圧変換部である。３０９は制御部３０６とスイッチ部３０４との制御信号、３１０は制御部３０６と検出部３０５との制御信号をやり取りするための制御線である。３１１は制御部３０６と通信部３０７との制御信号をやり取りするための制御線である。

まず、送電装置１０１は、動作開始後、初期設定の送信電力にセットする（Ｓ４０１）。説明のため、初期設定の送信電力を６Ｗとする。送電装置１０１の制御部２０５は、設定部２０２に対し、６Ｗをセットする。そして、送電部２０３は、受電装置の制御部３０６および通信部３１１が動作するための認証用電力の送電を開始する（Ｓ４０３）。第一の受電装置１０２は、動作開始後、スイッチ部３０４を切断し、整流回路３０２と負荷部３０３との接続を切り離す（Ｓ４０２）。第一の受電装置１０２は、送電装置１０１上に置かれると、認証用電力を受電し、制御部３０６および通信部３１１に受電した電力を供給する。

第一の受電装置１０２は送電装置１０１に通信部３０７を用いて認証要求を通知する（Ｓ４０４）。認証要求は送電装置に対して送電を要求するメッセージということができる。また。認証要求には送電を要求する電力値が含まれている。なお、認証要求と同時に必要な電力を通知してもよいし、認証終了後に通知してもよい。説明のため、第一の受電装置１０２の要求電力を５Ｗとし、認証要求と同時に要求電力を通知するものとする。

送電装置１０１の制御部２０５は、通信部２０６を介して受電装置から認証要求を受信すると、認証を行う。この認証は、例えば送受電装置間で対応する無線電力伝送の規格があるか否かを判定するために互いに対応する無線電力伝送の規格に関する情報を通信し、該通信した情報に基づいて認証を行う。また、例えば、送受電装置間で送受可能な電力が互いに対応するか否かを判定するために互いに送受可能な電力に関する情報を通信し、該通信した情報に基づいて認証を行う。また、例えば、送受電装置間で送受する電力のネゴシエーションのための情報を通信し、該通信した情報に基づいて認証を行う。

また、送電装置１０１は、現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えるかの判断を行う。この例では、出力上限６Ｗに対し、第一の受電装置１０２から５Ｗ要求された場合、現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えると判断する。現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えないと判定した場合は、出力上限を再設定する。なお、受信した受電装置の要求電力が送電装置の能力を超える場合は、認証拒否を受電装置に送信する。

送電装置１０１の制御部２０５は認証の可否を判断し、認証が成功されると認証要求に対する応答として受電許可通知を通信部２０６を介して第１の受電装置１０２に送信する（Ｓ４０５）。なお、送電装置１０１は認証が失敗した場合は、認証要求に対する応答として認証拒否通知を送信する。

第一の受電装置１０２は認証要求に対する応答として受電許可通知を受信すると、要求した電力に応じた送電装置の送電出力の変更を検出したとして、スイッチ部３０４を接続状態にする（Ｓ４０５）。受電許可通知は、スイッチ部３０４を接続状態に切替える指示するための情報ということができる。そして、送電装置１０１から送電された電力を第１の受電装置１０２は受電し、受電した電力を負荷部３０３に供給する（Ｓ４０６）。

送電装置１０１が第１の受電装置１０２に送電中に、第二の受電装置１０３が受電動作を開始したとする。第２の受電装置１０２は、動作開始後、スイッチ部３０４を切断し、整流回路３０２と負荷部３０３を切り離す（Ｓ４０７）。第二の受電装置１０３は、送電装置１０１上に置かれると、送電装置１０１が送電中の電力の一部を受電し、制御部３０６および通信部３１１に受電した電力を供給する。第二の受電装置１０２は送電装置１０１に通信部３０７を用いて認証要求を通知する（Ｓ４０８）。説明のため、第二の受電装置１０３の要求電力を５Ｗとし、該要求電力を通知するものとする。認証要求を受信した送電装置１０１は、第二の受電装置１０３の認証の可否を判断する。また、送電装置１０１は、現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えるかの判断を行う。この例では、出力上限６Ｗに対し、第一の受電装置１０２へ５Ｗ送電しているので、第二の受電装置１０３の要求電力５Ｗを加えると、出力上限を超える。送電装置１０１は、現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えないと判断した場合、出力上限の再設定を行う（Ｓ４１０）。この場合、送電装置１０１の制御部３０６は、設定部２０２を合計１０Ｗが送電出来る値（例えば１２Ｗ）に変更する。なお、第二の受電装置１０３に受電停止を通知する（Ｓ４１０）。なお、現在の出力上限の設定で受信した要求電力に応じた送電を行えないと判断した場合、送電装置１０１は受電を要求した受電装置にスイッチ部３０４を接続状態に切替える制御を待機することを通知するメッセージを送信するようにしてよい。

送電装置１０１の制御部２０５は、設定部２０２を再設定して要求された電力を送電可能になった場合、通信部３０７を介して第二の受電装置１０３に受電許可通知を通信部２０６を介して送信する。（Ｓ４１１）。第二の受電装置１０２は受電許可通知を受信すると、スイッチ部３０４を接続状態にする（Ｓ４１２）。そして、送電装置１０１は、第二の受電装置１０２に対しても送電を開始し、第二の受電装置１０２は送電装置１０１から５Ｗの受電を開始する（Ｓ４１３）。なお、送電装置１０１は、定期的に送電出力をモニタし、設定した出力上限が適切かを判定する。出力上限に応じた閾値以下に送電出力となった場合通信部２０６を用いて受電装置の存在を確認する。そして、確認できた受電装置に合わせて出力上限を下げるように再設定を行う。この処理はユーザによって受電装置を不意に持ち去られるようなケースに対応するためのものである 。なお、送電装置は受電装置から受電を終了するメッセージを受信した場合に出力上限を下げるように再設定を行うようにしてよい。

このように本実施例における受電装置は、送電装置から受電許可通知を受信したタイミング受電アンテナと負荷部とを接続する。即ち、送電装置が新たな受電装置に対する送電を考慮した出力の開始と同期して新たな受電装置が消費電力を増加させるので、送電装置において過電流状態となることが低減される。したがって、送電装置において過電流状態となることがないので、送電を停止したり、出力電力を制限したりすることが低減され、既に受電中の受電装置に対する送電効率が低下することが低減される。このように、本実施形態の無線電力伝送システムによれば、送電装置が過電流状態となることが低減されることにより安全性を向上することができると共に送電を停止したり、出力電力を制限したりすることが低減されるので送電効率を損なうことも低減される。

続いて第一の受電装置１０２及び第二の受電装置１０３の動作を図５に示すフローチャートを用いて説明する。受電装置は、動作開始後（Ｓ６０１）、スイッチ部３０４を切断し、整流回路３０２と負荷部３０３を切り離す（Ｓ６０２）。そして、受電アンテナ３０１を介して電力を受電すると、受電した電力を制御部３０６および通信部３０７に供給する。そして、制御部３０６は、通信部３０７を介して送電装置に要求する電力を含む認証要求を送信する（Ｓ６０３）。制御部３０６は、通信部３０７を介して許可通知または認証不可通知の受信に基づいて、送電装置による認証の可否を判断する（Ｓ６０４）。認証が失敗した場合は、処理を終了する。認証が成功した場合は、制御部３０６は、スイッチ部３０７を制御し、整流回路３０２と負荷部３０３とを接続し、負荷部３０３へ受電した電力の供給を開始する（Ｓ６０５、Ｓ６０６）。制御部３０６は、受電を終了するかを判定する（Ｓ６０７）受電を終了すると判定した場合は、終了通知を送電装置に送信し、処理を終了する（Ｓ６０８、Ｓ６０９）。また、処理を終了する前に、スイッチ部３０４を切断状態にするようにしてよい。このようにすると、次回の受電処理においてＳ６０２の処理を省略することができる。

なお、上述の説明では、送電装置からのメッセージの受信に応じて受電装置がスイッチを切替えたが、受電装置が、送電装置の送電出力の変更を検知して受電を開始するようにしてよい。例えば、第二の受電装置１０３の検出部３０５による検出結果に基づいてスイッチ部３０４を接続するようにしてよい。図６において７０１は、時間と検出部３０５の検出結果を示している。図６において７０２は受電装置からの要求に応じて送電装置１０１が送電出力を上げ始めるタイミングである。検出部３０５は電圧が上がり始めたことを検知する。そして７０３点に示すように、検出部３０５は電圧が上昇し、安定する。検出部３０５で電圧の上昇と、安定を確認することで、送電装置１０１が出力上限を変更したことが検知できる。第二の受電装置１０３の制御部３０６と通信部３０７が５Ｖ、２０ｍＡで動作するケースを一例として説明する。第二の受電装置１０３の制御部３０６と通信部３０７は２０ｍＡ消費するため、送電装置１０１が出力を５Ｗ増やすと、検出部３０５の電圧は２５０Ｖまで上昇する。検出部３０５の電圧が２５０Ｖとなると、送電装置１０１で出力上限の変更が終了したものと判断し、スイッチ部３０４を制御し、接続状態にし、送電装置１０１から５Ｗの受電を開始するようにしてよい。

また、送電装置１０１が出力上限を変更するまでの時間を決めておき、所定時間経過後、第二の受電装置１０３が受電を開始するようにしてよい。

（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (13)

1. 受電装置であって、
   送電装置に対して無線による電力の伝送を要求する要求手段と、
   前記送電装置から無線で伝送される電力を受信するためのアンテナと、
   前記アンテナにおいて受信される電力により動作する負荷手段と、
   前記要求手段による無線による電力の伝送の要求を行ってから、前記送電装置と予め共有されている所定時間であって、前記要求手段による無線による電力の伝送の要求に基づく無線による電力の伝送を前記送電装置が開始するまでの所定時間の経過後に、前記アンテナを用いて受信された電力を前記負荷手段に供給しない第１状態から前記アンテナを用いて受信された電力を前記負荷手段に供給する第２状態に切り替えるための制御を実行する制御手段と、
   を有することを特徴とする受電装置。
2. 前記送電装置の送電電力の変化を検出する検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記検出手段による送電電力の変化の検出に応じたタイミングで、前記第１状態から前記第２状態に切り替えることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
3. 前記受電装置の受電電力の変化を検出する検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記検出手段による受電電力の変化の検出に応じたタイミングで、前記第１状態から前記第２状態に切り替えることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
4. 前記制御手段は、前記要求手段による無線による電力の伝送の要求に対する前記送電装置からの応答の受信に応じたタイミングで、前記第１状態から前記第２状態に切り替えることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
5. 前記検出手段による検出は、前記アンテナと接続される整流回路の出力電圧に基づいて行われることを特徴とする請求項３に記載の受電装置。
6. 前記要求手段は、要求する電力値を含めて送電を要求するメッセージを前記送電装置に送信することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の受電装置。
7. 前記要求手段による無線による電力の伝送の要求は、無線通信により行われることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の受電装置。
8. 前記要求手段による無線による電力の伝送の要求は、前記アンテナを介して受電した電力を用いて行われることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の受電装置。
9. 前記制御手段は、前記送電装置からの電力の受信を終了する場合、前記第２状態から前記第１状態に切り替えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の受電装置。
10. 前記負荷手段は、前記第２状態において、前記アンテナを用いて受信された電力により動作するユニットであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の受電装置。
11. 前記負荷手段は、前記第２状態において、前記アンテナを用いて受信された電力により蓄電されるバッテリであることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の受電装置。
12. 送電装置から無線で伝送された電力を受信するためのアンテナを有する受電装置の制御方法であって、
    送電装置に対して無線による電力の伝送を要求する要求工程と、
    前記要求工程における無線による電力の伝送の要求を行ってから、前記送電装置と予め共有されている所定時間であって、前記要求工程における無線による電力の伝送の要求に基づく無線による電力の伝送を前記送電装置が開始するまでの所定時間の経過後に、前記アンテナを用いて受信された電力を負荷手段に供給しない第１状態から前記アンテナを用いて受信された電力を前記負荷手段に供給する第２状態に切り替えるための制御を実行する制御工程と、
    を有することを特徴とする受電装置の制御方法。
13. 請求項１２に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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