JP7382441B2 - スイッチング回路、直流電力出力装置、無線電力伝送システム、太陽光発電システム、出力制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、直流電力出力装置（例えば、無線電力伝送の受電装置、太陽光発電装置など）における複数の直流電源回路（例えば、整流回路、太陽電池など）と共通出力部との間を接続する回路並びにその回路を備える装置及びシステムに関する。

従来、マイクロ波等の電波を介して電力を伝送する無線電力伝送の直流電力出力装置として、複数のアンテナで受信した受信信号を整流する複数の整流回路（直流電源回路）を備える受電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－２１３３１３号公報

従来の無線電力伝送システムの受電装置（直流電力出力装置）では、複数の整流回路（直流電源回路）の接続が固定化されているため、アンテナから整流回路への入力電力が変化したときに、その変化に対応できず受電装置からの出力電力が低下するおそれがある、という課題がある。なお、同様な課題は、複数の整流回路を備える受電装置だけでなく、複数の太陽電池（直流電源回路）を備える太陽光発電装置（直流電力出力装置）においても発生し得る。

本発明の一態様に係るスイッチング回路は、複数の直流電源回路に接続されるスイッチング回路である。このスイッチング回路は、前記複数の直流電源回路のプラス出力端子が接続される複数のプラス入力部と、前記複数の直流電源回路のマイナス出力端子が接続される複数のマイナス入力部と、プラス出力部と、マイナス出力部と、前記複数のプラス入力部及び前記複数のマイナス入力部と前記プラス出力部及び前記マイナス出力部との間に設けられ、前記複数の直流電源回路と前記プラス出力部及び前記マイナス出力部との間の接続状態を切り替えるようにオン・オフ制御可能な複数のスイッチを有する接続回路部と、を備える。

前記スイッチング回路において、前記接続回路部は、前記複数の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続される複数の第１接続線と、前記複数の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続される複数の第２接続線と、前記複数の第１接続線と前記プラス出力部との間に個別配置されたオン・オフ制御可能な複数の第１スイッチと、前記複数の第２接続線と前記マイナス出力部との間に個別配置されたオン・オフ制御可能な複数の第２スイッチと、前記複数の第１接続線及び前記複数の第２接続線の複数の組み合わせのうち前記直流電源回路が互いに異なる組み合わせの前記第１接続線と前記第２接続線との間に配置されたオン・オフ制御可能な複数の第３スイッチと、を有してもよい。

本発明の他の態様に係る直流電力出力装置は、前記いずれかのスイッチング回路と、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチをそれぞれオン・オフ制御する制御部とを備える。

前記直流電力出力装置において、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチはオン制御され、前記第３スイッチはオフ制御されてもよい。

前記直流電力出力装置において、前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、１番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチはオン制御され、Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチはオン制御され、ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチはオン制御され、他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチはオフ制御されてもよい。

前記直流電力出力装置において、前記制御部は、前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御してもよい。

前記直流電力出力装置において、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定し、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定する判定部を備えてもよい。

前記直流電力出力装置において、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定し、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定する判定部を備えてもよい。

前記直流電力出力装置において、前記複数の直流電源回路を備え、前記スイッチング回路の前記複数のスイッチのすべてをスイッチング制御してもよい。

前記直流電力出力装置において、当該直流電力出力装置は、無線電力伝送システムの受電装置であり、前記複数の直流電源回路は、無線電力伝送システムの受信アンテナ装置を構成する複数のアンテナに接続された複数の整流回路であってもよい。

前記直流電力出力装置において、前記受信アンテナ装置は、前記複数のアンテナが１次元的、２次元的又は３次元的に配列されたアレーアンテナであってもよい。

本発明の更に他の態様に係る無線電力伝送システムは、前記いずれかの直流電力出力装置と、前記直流電力出力装置に向けて送電信号を送信する送電装置と、を備える。

前記直流電力出力装置において、当該直流電力出力装置は、太陽光発電システムの発電装置であり、前記複数の直流電源回路は、太陽電池がそれぞれ接続された複数の電源回路であってもよい。

本発明の更に他の態様に係る太陽光発電システムは、前記直流電力出力装置を備える。

本発明の更に他の態様に係る方法は、前記いずれかの直流電力出力装置を制御する方法である。この方法は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオン制御することと、前記第３スイッチをオフ制御することと、を含む。

本発明の更に他の態様に係る方法は、前記いずれかの直流電力出力装置を制御する方法である。この方法は、前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、１番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチをオン制御することと、Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチをオン制御することと、ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチをオン制御することと、他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチをオフ制御することと、
を含む。

本発明の更に他の態様に係る方法は、前記いずれかの直流電力出力装置を制御する方法である。この方法は、前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を表記０としたとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御すること、を含む。

本発明の更に他の態様に係る方法は、前記いずれかの直流電力出力装置を制御する方法である。この方法は、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定することと、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定することと、を含む。

本発明の更に他の態様に係る方法は、前記いずれかの直流電力出力装置を制御する方法である。この方法は、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定することと、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定することと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、前記いずれかの直流電力出力装置若しくは前記いずれかの直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムである。このプログラムは、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、前記第３スイッチをオフ制御するためのプログラムコードと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、前記いずれかの直流電力出力装置若しくは前記いずれかの直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムである。このプログラムは、前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、１番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチをオフ制御するためのプログラムコードと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、前記いずれかの直流電力出力装置若しくは前記いずれかの直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムである。このプログラムは、前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御するためのプログラムコードを含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、前記いずれかの直流電力出力装置若しくは前記いずれかの直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムである。このプログラムは、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定するためのプログラムコードと、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定するためのプログラムコードと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、前記いずれかの直流電力出力装置若しくは前記いずれかの直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムである。このプログラムは、前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定するためのプログラムコードと、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定するためのプログラムコードと、を含む。

また、前記判定を行うプログラムは、機械学習によって作成された学習済モデルであってもよい。

本発明によれば、複数の直流電源回路が発生する電力が変化しても出力電力の低下を抑制することができる。

実施形態に係る無線電力伝送システムの概略構成の一例を示す説明図。 比較参考例に係る整流回路群の接続の一例を示すブロック図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、比較参考例に係る整流回路群の平常時における入力電力分布及び出力電力の電流電圧特性を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、比較参考例に係る整流回路群の入力変化時における入力電力分布及び出力電力の電流電圧特性を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較参考例に係る整流回路群における単体の故障発生の影響を示す説明図である。 実施形態に係る受電装置の構成の一例を示すブロック図。 実施形態に係るスイッチング回路の構成の一例を示す回路図。 実施形態に係るスイッチング回路を含む受電装置回路の一例を示す回路図。 複数の整流回路をすべて直列接続する場合のスイッチ制御の一例を示す回路図。 複数の整流回路をすべて並列接続する場合のスイッチ制御の一例を示す回路図。 実施形態に係るスイッチング回路を有する受電装置における出力電力特性の劣化抑制に関する効果の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係るスイッチング回路を有する受電装置における整流回路の故障への対応に関する効果の一例を示す説明図である。 実施形態に係る受電装置の構成の他の例を示すブロック図。 実施形態に係るスイッチング回路を有する受電装置における負荷（インピーダンス）の変化に応じた整流回路の接続制御に関する効果の一例を示す説明図である。 実施形態に係るスイッチング回路を含む太陽光発電システムの発電装置回路の一例を示す回路図。 実施形態に係るスイッチング回路を有する発電装置における出力電力特性の劣化抑制に関する効果の一例を示す説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本書に記載された実施形態に係るシステムは、無線電力伝送（ＷＰＴ）の受電装置に、オン・オフ制御可能な複数のスイッチを有する整流回路多元接続用スイッチング回路を導入することにより、受電装置の出力電力の高効率化を図るように整流回路の柔軟な接続構成が可能なシステムである。特に、無線電力伝送（ＷＰＴ）の受電装置におけるアレーアンテナ装置の複数のアンテナから整流回路群へ入力される入力変化に対応可能であり、ダイオードの故障などによって破損した整流回路を整流回路群から切り離すことができる。また、スイッチング回路における複数のスイッチのすべてを含めてスイッチング制御することにより、複数の整流回路のあらゆる接続を再現することができる。

図１は、本実施形態に係る無線電力伝送システム１０の概略構成の一例を示す説明図である。本実施形態の無線電力伝送システム１０は、送電信号の電波を送信する送電装置２０と、送電装置２０から送信された電波を受信して直流の電力を出力する受電装置（直流電力）３０とを備える。無線電力伝送の電波は例えばマイクロ波又はミリ波である。

送電装置２０は、複数のアンテナ素子（以下「アンテナ」ともいう。）が２次元的に配列したアレーアンテナからなるアンテナ装置２１を有する。送電装置２０のアレーアンテナは複数のアンテナが１次元的に又は３次元的に配置されたものであってもよい。

受電装置３０は、複数のアンテナ３１ａが２次元的に配列したアレーアンテナからなるアンテナ装置３１を有する。受電装置３０のアレーアンテナは複数のアンテナ３１ａが１次元的に又は３次元的に配置されたものであってもよい。また、受電装置３０は、アンテナ装置３１の複数のアンテナ３１ａに対応するように設けられた複数の整流回路（直流電源回路）からなる整流回路群３００を有する。

図２は比較参考例に係る整流回路群３００'の接続を示すブロック図である。図２の整流回路群３００'は、横方向及び縦方向のそれぞれに４個ずつ配列した合計１６個の整流回路３０１（１，１）～３０１（４，４）を有する。整流回路群３００'は、４組の直列接続の整流回路ユニット３０１（１，１）～３０１（４，１），３０１（１，２）～３０１（４，２）、３０１（１，３）～３０１（４，３）及び３０１（１，４）～３０１（４，４）が並列された接続に固定化された構成を有し、全体として単一の直流電力を出力する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれ、比較参考例に係る整流回路群３００'の平常時における入力電力分布及び出力電力の電流電圧特性を示す説明図である。図３（ａ）における整流回路３０１（１，１）～３０１（４，４）の図示部分の濃度は、対応するアンテナからの入力電力の大きさを表している（後述の図４（ａ）も同様）。図示の例では、中央部分の整流回路ほど入力電力が大きくなっているが、４組の直列接続の整流回路ユニットの間の入力電力の差は比較的小さいため、図３（ｂ）に示すように良好な電流電圧特性９００の電力を出力することができる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ、比較参考例に係る整流回路群３００'の入力変化時における入力電力分布及び出力電力の電流電圧特性を示す説明図である。図４（ａ）の例では、右上側の整流回路ほど入力電力が大きく、左下側の整流回路ほど入力電力が小さくなっている。そのため、４組の直列接続の整流回路ユニットの間の入力電力の差は比較的大きく、図４（ｂ）の電流電圧特性９０１に示すように出力電力著しく低下する。

図５（ａ）及び（ｂ）は、比較参考例に係る整流回路群３００'における単体の故障発生の影響を示す説明図である。比較参考例に係る整流回路群３００'では、例えば、図５（ａ）に示すように整流回路群３００'中の単体の整流回路３０１（２，４）が故障すると、図５（ｂ）に示すように、その整流回路３０１（２，４）を含む４列目の直列接続の整流回路ユニット３０１（１，４）～３０１（４，４）全体からの電力の出力が停止してしまう。

図３～図５に示すように整流回路の接続を固定化した比較参考例の整流回路群３００'では、アンテナ装置からの入力電力の変化や単体の整流回路の故障の影響を受けて出力電力が著しく低下してしまう。

そこで、本実施形態の受電装置３０では、整流回路群３００の複数の整流回路３０１に接続されるスイッチング回路を備え、複数の整流回路３０１の直列接続と並列接続を切り替え制御できるように構成している。なお、以下の実施形態の説明では、アンテナ装置のアンテナの数及び整流回路の数がそれぞれ４個（＝２×２）の場合について説明するが、この数に限定されない。本発明は、２以上の任意の数のアンテナについて対応可能であり、２以上の任意の数の整流回路について対応可能である。例えば、アンテナの数及び整流回路の数はそれぞれ、９個（＝３×３）、１６個（＝４×４）、又は、２５個（＝５×５）などであってもよい。

図６は、本実施形態に係る受電装置３０の構成の一例を示すブロック図である。図６において、アンテナ装置３１からの入力電力を受ける整流回路群３００の後段にスイッチング回路３１０を設けている。スイッチング回路３１０は、複数の直流整流回路としての整流回路のプラス出力端子が接続される複数のプラス入力部３１１（１）～３１１（４）と、複数の整流回路のマイナス出力端子が接続される複数のマイナス入力部３１２（１）～３１２（４）と、プラス出力部３１３と、マイナス出力部３１４とを有する。更に、スイッチング回路３１０は、複数のプラス入力部３１１（１）～３１１（４）及び複数のマイナス入力部３１２（１）～３１２（４）と、プラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４との間に設けられた接続回路部３１０Ｃを有する。接続回路部３１０Ｃは、複数の整流回路とプラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４との間の接続状態を切り替えるようにオン・オフ制御可能な複数のスイッチを有する。スイッチング回路３１０の接続回路部３１０Ｃに設けられた複数のスイッチは、制御部３３０によってオン・オフ制御される。

図７は、本実施形態に係るスイッチング回路３１０の構成の一例を示す回路図である。図８は、本実施形態に係るスイッチング回路３１０を含む受電装置回路３２の一例を示す回路図である。図７において、スイッチング回路３１０の接続回路部は、複数の整流回路３０１（１）～３０１（４）のプラス出力端子に個別接続される複数の第１接続線３１５（１）～３１５（４）と、複数の整流回路３０１（１）～３０１（４）のマイナス出力端子に個別接続される複数の第２接続線３１６（１）～３１６（４）とを有する。また、前記接続回路部は、複数の第１スイッチ３１７（１）～３１７（４）と、複数の第２スイッチ３１８（１）～３１８（４）と、複数の第３スイッチ３１９（１，２）、３１９（１，３）、３１９（１，４）、３１９（２，１）、３１９（２，３）、３１９（２，４）、３１９（３，１）、３１９（３，２）、３１９（３，４）、３１９（４，１）、３１９（４，２）、３１９（４，２）とを有する。

第１スイッチ３１７（１）～３１７（４）はそれぞれ、第１接続線３１５（１）～３１５（４）とプラス出力部３１３との間に個別配置されたオン・オフ制御可能なスイッチである。第２スイッチ３１８（１）～３１８（４）はそれぞれ、第２接続線３１６（１）～３１６（４）とマイナス出力部３１４との間に個別配置されたオン・オフ制御可能なスイッチである。

複数の第３スイッチはそれぞれ、第１接続線３１５（１）～３１５（４）及び第２接続線３１６（１）～３１６（４）の複数の組み合わせのうち整流回路が互いに異なる組み合わせの第１接続線と第２接続線との間に配置されたオン・オフ制御可能なスイッチである。例えば、第３スイッチ３１９（１，２）、３１９（１，３）、３１９（１，４）はそれぞれ、第１接続線３１５（１）と第２接続線３１６（２）、３１６（３）、３１６（４）との間に配置されている。第３スイッチ３１９（２，１）、３１９（２，３）、３１９（２，４）はそれぞれ、第１接続線３１５（２）と第２接続線３１６（１）、３１６（３）、３１６（４）との間に配置されている。第３スイッチ３１９（３，１）、３１９（３，２）、３１９（３，４）はそれぞれ、第１接続線３１５（３）と第２接続線３１６（１）、３１６（２）、３１６（４）との間に配置されている。第３スイッチ３１９（４，１）、３１９（４，２）、３１９（４，２）はそれぞれ、第１接続線３１５（４）と第２接続線３１６（１）、３１６（２）、３１６（３）との間に配置されている。

上記構成のスイッチング回路３１０の各スイッチを制御部３３０でオン・オフ制御することにより、複数の整流回路の一部又は全部について直列接続と並列接続とを適宜切り替えることができる。特に、上記構成のスイッチング回路３１０の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチのすべてを含めてスイッチング制御することにより、複数の整流回路のあらゆる接続を再現することができる。

ここで、制御部３３０は、前述の複数の整流回路、複数の第１接続線、複数の第２接続線、複数の第１スイッチ及び複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、スイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前述の複数の第１スイッチ、複数の第２スイッチ及び複数の第３スイッチをオン・オフ制御してもよい。

図９は、複数の整流回路をすべて直列接続する場合のスイッチ制御の一例を示す回路図である。図９において、第１接続線３１５（１）に配置された第１スイッチ３１７（１）はオン状態になるように制御（以下「オン制御」ともいう。）され、第２接続線３１６（４）に配置された第２スイッチ３１８（４）はオン制御される。また、第１接続線３１５（２）と第２接続線３１６（１）との間に配置された第３スイッチ３１９（２，１）はオン制御される。第１接続線３１５（３）と第２接続線３１６（２）との間に配置された第３スイッチ３１９（３，２）はオン制御され、第１接続線３１５（４）と第２接続線３１６（３）との間に配置された第３スイッチ３１９（４，３）はオン制御される。そして、他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチはすべてオフ状態になるように制御（以下「オフ制御」ともいう。）される。

整流回路３０１、第１接続線３１５、第２接続線３１６、第１スイッチ３１７及び第２スイッチ３１８それぞれの数がＮ個の場合は、例えば、次のように制御する。１番目の整流回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線３１５（１）に配置された１番目の第１スイッチ３１７（１）はオン制御され、Ｎ番目の整流回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線３１６（Ｎ）に配置されたＮ番目の第２スイッチ３１８（Ｎ）はオン制御される。また、ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の整流回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線３１５（ｎ）とｎ－１番目の整流回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線３１６（ｎ－１）との間に配置された第３スイッチ（ｎ，ｎ－１）はオン制御される。他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチはすべてオフ制御される。

図１０は、複数の整流回路をすべて並列接続する場合のスイッチ制御の一例を示す回路図である。図１０において、第１スイッチ３１７（１）～３１７（４）及び第２スイッチ３１８（１）～３１８（４）はすべてオン制御される。また、第３スイッチ３１９（１，２）、３１９（１，３）、３１９（１，４）、３１９（２，１）、３１９（２，３）、３１９（２，４）、３１９（３，１）、３１９（３，２）、３１９（３，４）、３１９（４，１）、３１９（４，２）、３１９（４，２）はすべてオフ制御される。

図１１は、本実施形態に係るスイッチング回路３１０を有する受電装置３０における出力電力特性の劣化抑制に関する効果の一例を示す説明図である。図１１において、受電装置３０の整流回路群３００への入力電力の分布の変化によって出力電力特性（電流電圧特性）が図中の制御前の特性曲線４００から特性曲線４０１に劣化しようとする場合に、スイッチング回路３１０のスイッチのオン・オフ制御を行うことにより、図中の特性曲線４０２に示すように最大電力点４０２ａにおける出力電力を向上させることができる。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本実施形態に係るスイッチング回路３１０を有する受電装置３０における整流回路３０１の故障への対応に関する効果の一例を示す説明図である。図１２（ａ）に示すように整流回路群３００の最右列の直列接続の整流回路ユニットにおける整流回路３０１（２，４）がダイオード（整流素子）の故障などによって破損した場合に、スイッチング回路３１０のスイッチのオン・オフ制御を行うことにより、図１２（ｂ）に示すように故障した整流回路３０１（２，４）を最右列の直列接続の整流回路ユニットから切り離すことができる。この整流回路の切り離しにより、整流回路群３００における整流回路３０１（２，４）のダイオード（整流素子）が故障した際の出力電力の大幅な効率低下を防止することができる。

図１３は、本実施形態に係る受電装置３０の構成の他の例を示すブロック図である。なお、図１３において、前述の図６の受電装置３０と同様な部分については同じ符号を付し、説明を省略する。図１３の受電装置３０は、スイッチング回路３１０のプラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４から出力される電圧及び電流を測定した測定結果に基づいて判定する判定部３４０を備える。制御部３３０は、判定部３４０の判定結果に基づいて、スイッチング回路３１０の複数のスイッチのオン・オフ制御を実行することができる。なお、判定部３４０は制御部３３０内に組み込んでもよい。

例えば、判定部３４０は、スイッチング回路３１０の複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、プラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４から出力される電圧及び電流を測定し、その複数の組み合わせについて測定した電圧及び電流の測定結果に基づいて、プラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４から出力される電力が最大になる複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定する。これにより、例えば図１４に示すように受電装置３０に接続される負荷（インピーダンス）の変化（Ｚ_０／２，Ｚ_０、２Ｚ_０）に応じた出力電力の高効率化を動的に制御するリアルタイム制御が可能になる。

図１４において、例えば、負荷インピーダンスＺ_０を検知した判定結果の場合には、整流回路３０１の直列接続と並列接続とをバランスよく組み合わせられた図中の特性曲線４１０になるようにスイッチング回路３１０を制御し、その最大電力点で電力が効率よく出力されるようにする。また、高めの負荷インピーダンス２Ｚ_０を検知した判定結果の場合には、整流回路を主に直列接続した図中の特性曲線４１１になるようにスイッチング回路３１０を制御し、その最大電力点で電力が効率よく出力されるようにする。また、低めの負荷インピーダンスＺ_０／２を検知した判定結果の場合には、整流回路を主に並列接続した図中の特性曲線４１２になるようにスイッチング回路３１０を制御し、その最大電力点で電力が効率よく出力されるようにする。

また例えば、判定部３４０は、スイッチング回路３１０の複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、プラス出力部３１３及びマイナス出力部３１４から出力される電圧及び電流を測定し、その複数の組み合わせについて測定した電圧及び電流の測定結果に基づいて、整流回路３０１の故障発生を判定する。これにより、受電装置３０における整流回路群３００における整流回路の動的な故障検査及びその故障検査の結果に基づいてスイッチング回路３１０を動的に制御するリアルタイム制御が可能になる。

以上、直流電力出力装置が無線電力伝送システムの受電装置３０であり、スイッチング回路が接続される複数の直流電源回路がそれぞれ整流回路３０１である場合について説明したが、直流電力出力装置及び複数の直流電源回路は前述の例示した構成に限定されない。例えば、直流電力出力装置は太陽光発電システムの発電装置であってもよく、複数の直流電源回路は太陽電池がそれぞれ接続された複数の電源回路であってもよい。

図１５は、実施形態に係るスイッチング回路５１０を含む太陽光発電システムの発電装置回路５２の一例を示す回路図である。スイッチング回路５１０は、前述のスイッチング回路３１０と同様な構成であり、制御部でオン・オフ制御することができる。図１５において、スイッチング回路５１０のプラス入力の複数の第１接続線には、太陽電池がそれぞれ接続された複数の電源回路５０１（１）～５０１（４）のプラス出力端子に個別接続される。また、スイッチング回路５１０のマイナス入力の複数の第２接続線には、複数の電源回路５０１（１）～５０１（４）のマイナス出力端子に個別接続される。

発電装置の電源回路群５００への入力電力の分布が変化する場合に、スイッチング回路５１０のスイッチのオン・オフ制御を行うことにより、図１６の特性曲線６００に示すように最大電力点６００ａで電力を出力できる。

図１５及び図１６に示すように、太陽光発電システムの発電装置の発電装置回路５２にオン・オフ制御可能な複数のスイッチを有するスイッチング回路５１０を導入することにより、発電装置の出力電力の高効率化を図るように電源回路５０１（１）～５０１（４）の柔軟な接続構成ができる。特に、太陽光発電システムの発電装置における太陽電池から電源回路群へ入力される入力変化に対応可能であり、破損した電源回路を電源回路群から切り離すことができる。
また、図１５及び図１６の太陽光発電システムにおいても、上記構成のスイッチング回路５１０の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチのすべてを含めてスイッチング制御することにより、複数の電源回路のあらゆる接続を再現することができる。

以上、本実施形態によれば、複数の直流電源回路（整流回路、電源回路）が発生する電力が変化しても出力電力の低下を抑制することができる。
特に、本実施形態によれば、前述のスイッチング回路における複数の第１スイッチ、複数の第２スイッチ及び複数の第３スイッチのすべてを含めてスイッチング制御することにより、複数の直流電源回路（整流回路、電源回路）のあらゆる接続を再現することができる。

また、本発明は、出力電力の低下を抑制することができる無線電力伝送システム及び太陽光発電システムを提供できるため、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「産業と技術革新の基盤をつくろう」の達成に貢献できる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びにシステムの構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。

ハードウェア実装については、実体（例えば、スイッチング回路、直流電力出力装置、受電装置、送電装置、発電装置、整流回路、電源回路、各種無線通信装置、基地局装置（Ｎｏｄｅ Ｂ、Ｎｏｄｅ Ｇ）、端末装置、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であればよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

１０ ：無線電力伝送システム
２０ ：送電装置
２１ ：アンテナ装置
３０ ：受電装置
３１ ：アンテナ装置
３１ａ ：アンテナ
３２ ：受電装置回路
５２ ：発電装置回路
５２ ：発電装置
３００ ：整流回路群
３０１ ：整流回路
３１０ ：スイッチング回路
３１０Ｃ ：接続回路部
３１１ ：プラス入力部
３１２ ：マイナス入力部
３１３ ：プラス出力部
３１４ ：マイナス出力部
３１５ ：第１接続線
３１６ ：第２接続線
３１７ ：第１スイッチ
３１８ ：第２スイッチ
３１９ ：第３スイッチ
３３０ ：制御部
３４０ ：判定部
５００ ：電源回路群
５０１ ：電源回路
５１０ ：スイッチング回路
５１０Ｃ ：接続回路部

Claims (23)

1. 複数の直流電源回路に接続されるスイッチング回路であって、
   前記複数の直流電源回路のプラス出力端子が接続される複数のプラス入力部と、
   前記複数の直流電源回路のマイナス出力端子が接続される複数のマイナス入力部と、
   プラス出力部と、
   マイナス出力部と、
   前記複数のプラス入力部及び前記複数のマイナス入力部と前記プラス出力部及び前記マイナス出力部との間に設けられ、前記複数の直流電源回路と前記プラス出力部及び前記マイナス出力部との間の接続状態を切り替えるようにオン・オフ制御可能な複数のスイッチを有する接続回路部と、
   を備え、
   前記接続回路部は、
   前記複数の直流電源回路のプラス出力端子に一方の端部が個別接続される複数の第１接続線と、前記複数の直流電源回路のマイナス出力端子に一方の端部が個別接続される複数の第２接続線とが、互いに非接触で交差した格子状の回路と、
   前記格子状の回路における前記複数の第１接続線それぞれの他方の端部と前記プラス出力部との間に個別配置されたオン・オフ制御可能な複数の第１スイッチと、
   前記格子状の回路における前記複数の第２接続線それぞれの他方の端部と前記マイナス出力部との間に個別配置されたオン・オフ制御可能な複数の第２スイッチと、
   前記格子状の回路における前記複数の第１接続線及び前記複数の第２接続線の複数の組み合わせのうち前記直流電源回路が互いに異なる組み合わせの前記第１接続線と前記第２接続線との間に配置されたオン・オフ制御可能な複数の第３スイッチと、
   を有する、ことを特徴とするスイッチング回路。
2. 請求項１のスイッチング回路と、
   前記第１スイッチ、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチをそれぞれオン・オフ制御する制御部と、
   を備える、ことを特徴とする直流電力出力装置。
3. 請求項２の直流電力出力装置において、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチはオン制御され、
   前記第３スイッチはオフ制御される、
   ことを特徴とする直流電力出力装置。
4. 請求項２の直流電力出力装置において、
   前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、
   １番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチはオン制御され、
   Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチはオン制御され、
   ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチはオン制御され、
   他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチはオフ制御される、
   ことを特徴とする直流電力出力装置。
5. 請求項２乃至４のいずれかの直流電力出力装置において、
   前記制御部は、前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御する、ことを特徴とする直流電力出力装置。
   

   
6. 請求項２乃至５のいずれかの直流電力出力装置において、
   前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定し、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定する判定部を備える、ことを特徴とする直流電力出力装置。
7. 請求項２乃至６のいずれかの直流電力出力装置において、
   前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定し、前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定する判定部を備える、ことを特徴とする直流電力出力装置。
8. 請求項２乃至７のいずれかの直流電力出力装置において、
   前記複数の直流電源回路を備え、
   前記スイッチング回路の前記複数のスイッチのすべてをスイッチング制御する、ことを特徴とする直流電力出力装置。
9. 請求項２乃至７のいずれかの直流電力出力装置において、
   当該直流電力出力装置は、無線電力伝送システムの受電装置であり、
   前記複数の直流電源回路は、無線電力伝送システムの受信アンテナ装置を構成する複数のアンテナに接続された複数の整流回路である、ことを特徴とする直流電力出力装置。
10. 請求項９の直流電力出力装置において、
    前記受信アンテナ装置は、前記複数のアンテナが１次元的、２次元的又は３次元的に配列されたアレーアンテナである、ことを特徴とする直流電力出力装置。
11. 請求項９又は１０の直流電力出力装置と、
    前記直流電力出力装置に向けて送電信号を送信する送電装置と、
    を備える、ことを特徴とする無線電力伝送システム。
12. 請求項２乃至７のいずれかの直流電力出力装置において、
    当該直流電力出力装置は、太陽光発電システムの発電装置であり、
    前記複数の直流電源回路は、太陽電池がそれぞれ接続された複数の電源回路である、ことを特徴とする直流電力出力装置。
13. 請求項１２の直流電力出力装置を備える太陽光発電システム。
14. 請求項２の直流電力出力装置を制御する方法であって、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオン制御することと、
    前記第３スイッチをオフ制御することと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
15. 請求項２の直流電力出力装置を制御する方法であって、
    前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、
    １番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチをオン制御することと、
    Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチをオン制御することと、
    ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチをオン制御することと、
    他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチをオフ制御することと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
16. 請求項２の直流電力出力装置を制御する方法であって、
    前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御すること、を含む、ことを特徴とする方法。
    

    
17. 請求項２の直流電力出力装置を制御する方法であって、
    前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定することと、
    前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定することと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
18. 請求項２の直流電力出力装置を制御する方法であって、
    前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定することと、
    前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定することと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
19. 請求項２の直流電力出力装置若しくは前記直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムであって、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、
    前記第３スイッチをオフ制御するためのプログラムコードと、
    を含む、ことを特徴とするプログラム。
20. 請求項２の直流電力出力装置若しくは前記直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムであって
    前記複数の直流電源回路、前記複数の第１接続線、前記複数の第２接続線、前記複数の第１スイッチ及び前記複数の第２スイッチそれぞれの数がＮ個であり、前記複数の第３スイッチの数がＮ^２－Ｎ個であり、
    １番目の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続された１番目の第１接続線に配置された１番目の第１スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、
    Ｎ番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたＮ番目の第２接続線に配置されたＮ番目の第２スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、
    ｎ番目（ｎ＝２～Ｎ）の直流電源回路のプラス出力端子に個別接続されたｎ番目の第１接続線とｎ－１番目の直流電源回路のマイナス出力端子に個別接続されたｎ－１番目の第２接続線との間に配置された第３スイッチをオン制御するためのプログラムコードと、
    その他の第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチをオフ制御するためのプログラムコードと、
    を含む、ことを特徴とするプログラム。
21. 請求項２の直流電力出力装置若しくは前記直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムであって、
    前記複数の直流電源回路の数がＮ個のとき、前記複数のスイッチの総数がＮ^２＋Ｎ個であり、オン状態を１と表記しオフ状態を０と表記したとき、次の（Ｎ＋１）行×（Ｎ＋１）列の行列に基づいて、前記複数のスイッチをオン・オフ制御するためのプログラムコードを含む、ことを特徴とするプログラム。
    

    
22. 請求項２の直流電力出力装置若しくは前記直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムであって
    前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定するためのプログラムコードと、
    前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電力が最大になる前記複数のスイッチのオン状態及びオフ状態の組み合わせを判定するためのプログラムコードと、
    を含む、ことを特徴とするプログラム。
23. 請求項２の直流電力出力装置若しくは前記直流電力出力装置を有するシステムに備えるコンピュータ又はプロセッサにおいて実行されるプログラムであって
    前記複数のスイッチについてオン状態及びオフ状態が異なる複数の組み合わせについて、前記プラス出力部及び前記マイナス出力部から出力される電圧及び電流を測定するためのプログラムコードと、
    前記複数の組み合わせについて測定した前記電圧及び電流の測定結果に基づいて、前記直流電源回路の故障発生を判定するためのプログラムコードと、
    を含む、ことを特徴とするプログラム。

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