無線送電裝置的製作方法

2023-09-23 02:18:35

技術領域

本公開涉及通過送電線圈及受電線圈之間的電磁感應以非接觸方式發送電力的無線送電裝置及無線電力傳輸系統。

背景技術：

近年來，以便攜電話機為代表的各種行動裝置日益普及。行動裝置的消耗電量由於功能及性能的提高以及內容的多樣化而持續增大。在利用預定容量的電池而工作的行動裝置中，其消耗電量增大時，該行動裝置的工作時間變短。作為用於補償電池的容量有限的技術，無線電力傳輸系統受到關注。無線電力傳輸系統通過在無線送電裝置的送電線圈和無線受電裝置的受電線圈之間的電磁感應，從無線送電裝置向無線受電裝置以非接觸方式發送電力。特別地，採用了諧振型的送電線圈及受電線圈(諧振磁場耦合)的無線電力傳輸系統即使在送電線圈及受電線圈的位置相互錯開時也可以維持高傳輸效率，因此可以期待在各種領域中的應用。

例如，已知專利文獻1～4的無線電力傳輸系統。根據專利文獻1～4的無線電力傳輸系統，經由在線圈的周邊的空間產生的高頻磁場使2個線圈耦合，由此經由線圈間的空間以非接觸(無線)方式傳輸電力。

現有技術文獻

專利文獻1：日本特開2010-016985號公報

專利文獻2：國際公開第2012/081519號手冊

專利文獻3：國際公開第2012/164744號手冊

專利文獻4：日本特開2013-034367號公報

技術實現要素：

然而，在現有技術中，無法以非接觸方式從一個無線送電裝置對多個無線受電裝置同時進行適當的供電。

本公開的目的在於，提供一種無線送電裝置和無線電力傳輸系統，能夠以非接觸方式從1個無線送電裝置向多個無線受電裝置同時進行適當的供電。

本公開的方式的無線送電裝置具備：送電天線，向多個無線受電裝置發送與多個頻率對應的各高頻電力；和控制電路，控制接收電路，上述接收電路從多個無線受電裝置的各個無線受電裝置取得各無線受電裝置的要求電壓的值和由各無線受電裝置從無線送電裝置接受的受電電壓的值。上述控制電路使從上述送電天線向各無線受電裝置送電的高頻電力的頻率變化，以使得各無線受電裝置中的要求電壓及受電電壓的誤差的總和最小化。

根據本公開的無線送電裝置，能夠以非接觸方式從一個無線送電裝置對多個無線受電裝置同時進行適當的供電。

附圖說明

圖1是表示第1實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。

圖2是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的安裝例的等價電路圖。

圖3是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第1變形例的送電天線22a-1及受電天線31a-1的等價電路圖。

圖4是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第2變形例的送電天線22b-1及受電天線31b-1的等價電路圖。

圖5是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第3變形例的送電天線22c-1及受電天線31c-1的等價電路圖。

圖6是表示由圖1的無線送電裝置2的控制電路24執行的送電控制處理的流程圖。

圖7是表示第1實施方式的變形例的無線電力傳輸系統的構成的框圖。

圖8是表示第2實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。

圖9是表示第2實施方式的變形例的無線電力傳輸系統的構成的框圖。

圖10是表示圖9的振蕩電路21C的詳細構成的電路圖。

圖11是表示由圖8的無線送電裝置2B的控制電路24B執行的送電控制處理的流程圖。

圖12是表示第3實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。

圖13是表示圖12的送電天線22D-1及受電天線31D-1的安裝例的等價電路圖。

圖14是表示圖13的電容器C1的安裝例的電路圖。

圖15是表示實施例1的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖。

圖16是表示實施例2的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖(振蕩電路21的輸入電壓為10V時)。

圖17是表示實施例2的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖(振蕩電路21的輸入電壓為6.94V時)。

圖18是表示實施例3的整體誤差指數Es的頻率特性的圖。

具體實施方式

本發明人對「背景技術」一欄中所記載的無線電力傳輸系統，發現了以下的問題。

專利文獻1到3僅僅公開了具有送電線圈的1個無線送電裝置向具有受電線圈的一個無線受電裝置傳輸電力的通常的無線電力傳輸系統。

與此相對，在專利文獻4中，公開了1個無線送電裝置具有送電線圈，而從該送電線圈對多個無線受電裝置，以非接觸方式同時進行供電的非接觸供電裝置。上述專利文獻4的方法是基於從上述送電線圈向多個無線受電裝置供給的電力的和來決定上述送電線圈的頻率的方法。在此，以後也可以將上述送電線圈的頻率改稱為送電側電路的驅動頻率。

一般地說，假定不同的無線受電裝置具有不同的負載特性，要求不同的電力。進而，假定與不同的無線受電裝置連接的不同的負載分別在不同的輸入電壓範圍內進行動作。例如，無線受電裝置是具備充電電池(二次電池)的行動裝置，在將無線送電裝置以對該充電電池充電的目的使用時，需要根據不同的負載進行精細的充電電壓的控制。然而，在基於從上述送電線圈向多個無線受電裝置供給的電力的和來決定送電側電路的驅動頻率時，無法分別單獨控制向多個無線受電裝置發送的電力。

因此，從上述送電線圈向多個無線受電裝置同時供給電力時，例如，也考慮以使多個無線受電裝置接受的電力的總和最大化的方式決定無線送電裝置的送電側電路的驅動頻率。但是，在某一個無線受電裝置中，會在上述一個無線受電裝置要求的要求電壓和上述一個無線受電裝置接受電力並向負載輸出的電壓之間產生差(誤差)，特別是會發生向上述負載輸出的電壓顯著超過上述要求電壓的情況。在上述一個無線受電裝置中，向上述負載輸出的電壓的超過會妨礙安全的充電動作，也會導致構成上述一個無線受電裝置的電路元件的破壞。另外，作為其他狀態，會發生向上述負載輸出的電壓達不到上述要求電壓的情況。其結果，存在難以實現穩定的充電動作、供電動作的問題。以後也可以將向上述負載輸出的電壓改稱為輸出電壓。

上述問題的原因考慮為如下。

例如，在以使多個無線受電裝置接受的電力的總和最大化的方式決定送電側電路的驅動頻率時，向各個無線受電裝置供給的電力滿足各個無線受電裝置的要求電力。然而，即使在該情況下，因上述多個各個無線受電裝置的諧振頻率、要求的電力、要求的電壓、連接受電線圈的負載或者送電線圈和受電線圈間的耦合係數未必一致，所以在某一個無線送電裝置中，有可能產生要求電壓和輸出電壓的誤差。

這樣，在上述例中，決定使多個無線受電裝置接受的電力的總和最大化這樣的送電側電路的驅動頻率尚未實現對多個無線受電裝置進行適當的充電及供電動作。

即，尚未考慮減少上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置中要求電壓和受電電壓的誤差。

即，上述專利文獻1到上述專利文獻4中，都未考慮儘可能減小多個無線受電裝置中要求電壓和受電電壓的誤差。因此，即使以使多個無線受電裝置接受的電力的總和最大化的方式決定送電側電路的驅動頻率，有時各無線受電裝置的受電電壓也無法滿足目標電壓範圍。在此，目標電壓範圍是指以無線受電裝置的要求電壓為中心，由無線受電裝置容許的電壓的範圍。

因而，在無線送電裝置中，在從一個無線送電裝置向多個無線受電裝置同時供給電力時，期望進行控制以使得各無線受電裝置的受電電壓滿足目標電壓範圍。而且，在無線送電裝置中，期望從一個無線送電裝置對多個無線受電裝置，以非接觸方式同時進行適當的供電。

通過以上的考察，本發明者們想到了以下的發明的各方式。

本公開的一個方式的無線送電裝置，

是向多個無線受電裝置發送高頻電力的無線電力傳輸系統的無線送電裝置，具備：

送電天線，對上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置，發送與多個頻率對應的各高頻電力；

多個接收電路，從上述多個各無線受電裝置的各個無線受電裝置，取得上述各個無線受電裝置的要求電壓的值及與上述多個頻率的各個頻率對應的上述各個無線受電裝置的受電電壓的值；以及

控制電路，從上述多個接收電路取得上述要求電壓的值及上述受電電壓的值，控制向上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置發送的高頻電力的頻率，

上述控制電路，

以上述多個頻率中的各頻率依次向上述多個無線受電裝置發送與上述各頻率對應的高頻電力，

比較第1總和與第2總和，上述第1總和是對在發送與上述多個頻率中的第1頻率對應的高頻電力時的上述各個無線受電裝置的上述要求電壓與上述受電電壓的誤差進行合計而得到的總和，上述第2總和是對在發送與上述多個頻率中的第2頻率對應的高頻電力時的上述各個無線受電裝置的上述要求電壓與上述受電電壓的誤差進行合計而得到的總和，

設定接近與上述第1總和及上述第2總和中某一較小的一方的總和對應的頻率的第3頻率，向上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置發送與上述第3頻率對應的高頻電力，

對於上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置，使上述誤差控制在預定的基準內。

根據上述方式，在從一個無線送電裝置向多個無線受電裝置同時供給電力時，減少各無線受電裝置的要求電壓和上述各無線受電裝置中從無線送電裝置接受到的受電電壓的誤差的總和。採用減小上述誤差的頻率向上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置發送高頻電力，由此能夠控制受電電壓以使得多個無線受電裝置的各個無線受電裝置中受電電壓滿足目標電壓範圍。其結果，能夠以非接觸方式從一個無線送電裝置向多個無線受電裝置同時進行適當的供電。在此，1個無線送電裝置針對上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置，僅具備向送電天線發送與多個頻率對應的各高頻電力的1個振蕩電路。

在上述方式中，例如，上述控制電路比較上述第1總和及上述第2總和中較小一方的總和與發送與第3總和，上述第3總和是對發送與上述第3頻率對應的高頻電力時的上述各個無線受電裝置的上述要求電壓與上述受電電壓的誤差進行合計而得到的總和，設定接近與上述較小的一方的總和及上述第3總和中更小一方的總和對應的頻率的第4頻率，向上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置發送與上述第4頻率對應的高頻電力，

重複上述處理來決定上述誤差的總和成為最小的頻率，向上述多個無線受電裝置的各個無線受電裝置發送與上述誤差的總和成為最小的頻率對應的高頻電力。

根據上述方式，反覆進行決定使上述誤差的總和變得更小的頻率的處理，由此，決定使上述誤差的總和變為最小的頻率，因此，能夠控制受電電壓，以使得各個無線受電裝置的受電電壓滿足目標電壓範圍。

在上述方式中，例如，上述無線送電裝置還可以具備：電壓調節電路，使從電源裝置輸入的電壓的電壓值變化並向上述送電天線輸出，

上述控制電路在使上述誤差的總和最小化後，在上述多個無線受電裝置中的至少一個無線受電裝置中，上述要求電壓和上述受電電壓的誤差超過預定的閾值時，使從上述電壓調節電路向上述送電天線輸出的電壓值降低，使上述至少一個無線受電裝置中的上述要求電壓和上述受電電壓的誤差在上述閾值以下。

根據上述方式，在使上述誤差的總和最小化後，有時在上述多個無線受電裝置中的至少一個中上述無線受電裝置的誤差會超過預定的閾值。在該情況下，通過降低上述電壓調節電路的輸出電壓，使上述誤差在上述閾值以下，能夠控制受電電壓以使得各無線受電裝置的受電電壓滿足目標電壓範圍。

在上述方式中，例如，上述送電天線及上述無線受電裝置的受電天線的至少一方包括具有可變的電路常數的電路元件，

上述控制電路也可以使上述送電天線及上述受電天線的至少一方的電路常數變化。

即使進行上述的任一方式的送電控制，有時全部無線受電裝置的受電電壓也依然無法滿足目標電壓範圍。因而，根據上述方式，使上述送電天線及上述受電天線的至少一方的電路常數變化，使上述誤差的總和的頻率特性變化。即，上述誤差的總和的最小值變化。其結果，能夠控制受電電壓以使得各個無線受電裝置的受電電壓滿足目標電壓範圍。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置的誤差也可以基於該無線受電裝置的要求電壓、該無線受電裝置的受電電壓、上述多個無線受電裝置的要求電壓的平均值及上述多個無線受電裝置的受電電壓的平均值而計算。

在上述方式中，例如，上述無線送電裝置也可以具備產生具有可變的頻率的高頻電力並向上述送電天線供給的送電電路，上述送電電路也可以包含從輸入電壓產生可變的輸出電壓的電力變換電路和從上述電力變換電路的輸出電壓產生可變的頻率的高頻電力的變換電路。

在上述方式中，例如，上述送電電路也可以包含通過使對多個開關進行開關的開關信號的相位變化而產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

在上述方式中，例如，上述送電電路也可以包含通過以可變的佔空比進行開關動作而產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

此外，上述的方式也可以作為具有上述無線送電裝置和上述多個無線受電裝置的無線電力傳輸系統而實現。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置具備：受電天線，其包含包括受電線圈的諧振電路；和發送電路，向上述無線送電裝置發送上述無線受電裝置的要求電壓的值和由上述無線受電裝置從上述無線送電裝置接受到的受電電壓的值。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置還可以具備充電電池，從上述無線送電裝置接受高頻電力的供給，對上述充電電池充電。

本公開的其他方式的無線送電裝置，

是包含一個無線送電裝置及多個無線受電裝置的無線電力傳輸系統的無線送電裝置，

上述各無線受電裝置具備受電天線，其具備包含受電線圈的諧振電路，

上述無線送電裝置具備：

至少一個送電天線，具備包含送電線圈的諧振電路，與上述各無線受電裝置的受電天線電磁耦合；

送電電路，產生具有可變頻率的高頻電力並向上述送電天線供給；

接收電路，從上述各無線受電裝置取得該無線受電裝置的要求電壓的值和由該無線受電裝置從上述無線送電裝置接受到的受電電壓的值；以及

控制上述送電電路的控制電路，

上述控制電路，

對上述各無線受電裝置，計算表示該無線受電裝置的要求電壓與受電電壓的誤差的相對誤差指數，

根據上述各無線受電裝置的相對誤差指數來計算上述多個無線受電裝置的整體誤差指數，

使由上述送電電路產生的高頻電力的頻率變化，以使得上述整體誤差指數最小化。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置的相對誤差指數也可以基於該無線受電裝置的要求電壓、該無線受電裝置的受電電壓、上述多個無線受電裝置的要求電壓的平均值及上述多個無線受電裝置的受電電壓的平均值計算。

在上述方式中，例如，上述送電電路具有可變的輸出電壓，上述控制電路在使上述整體誤差指數最小化後，上述多個無線受電裝置中的至少一個中該無線受電裝置的要求電壓與受電電壓的誤差超過預定的閾值時，降低上述送電電路的輸出電壓，直到上述誤差成為上述閾值以下為止。

在上述方式中，上述送電電路也可以具備：從輸入電壓產生可變的輸出電壓的電力變換電路；從上述電力變換電路的輸出電壓產生可變頻率的高頻電力的變換電路。

在上述方式中，例如，上述送電電路也可以包含通過使對多個開關進行開關動作的信號的相位變化而產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

在上述方式中，例如，上述送電電路也可以包含通過以可變的佔空比進行開關動作而產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

在上述方式中，例如，上述送電天線及上述受電天線的至少一方具有可變的電路常數，上述控制電路也可以使上述送電天線及上述受電天線的至少一方的電路常數變化。

此外，上述的方式可以作為具備上述無線送電裝置和上述多個無線受電裝置的無線電力傳輸系統而實現。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置也可以具備：受電天線，具備包含受電線圈的諧振電路；發送電路，向上述無線送電裝置發送上述無線受電裝置的要求電壓的值和由上述無線受電裝置從上述無線送電裝置接受到的受電電壓的值。

在上述方式中，例如，上述各無線受電裝置還可以具備充電電池，從上述無線送電裝置接受高頻電力的供給並對上述充電電池充電。

以下，參照附圖並說明實施方式的無線電力傳輸系統。

圖1是表示第1實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。圖1的無線電力傳輸系統具備：與直流的電源裝置1連接的一個無線送電裝置2；和從無線送電裝置2接受電力供給的多個無線受電裝置3-1～3-N。

圖1的無線送電裝置2具備振蕩電路21、多個送電天線22-1～22-N、多個接收電路23-1～23-N及控制電路24。振蕩電路21是產生具有可變頻率f0的高頻電力並向送電天線22-1～22-N供給的變換電路。送電天線22-1～24-N分別具備包含送電線圈的諧振電路，與各無線受電裝置3-1～3-N的受電天線31-1～31-N(後面敘述)電磁耦合。接收電路23-1～23-N分別與送電天線22-1～24-N連接，通過使各無線受電裝置3-1～3-N的消耗電力變化，接收並解調從各無線受電裝置3-1～3-N發送到無線送電裝置2的負載調製信號。從而，接收電路23-1～23-N從各無線受電裝置3-1～3-N取得該無線受電裝置的要求電壓的值和由該無線受電裝置從無線送電裝置2接受到的受電電壓的值，並發送到控制電路24。控制電路24控制振蕩電路21，使由振蕩電路21產生的高頻電力的頻率f0變化。

由振蕩電路21產生的高頻電力的頻率f0設定成例如50Hz～300GHz，在某例中為100kHz～10GHz，典型為500kHz～20MHz。此外，根據用途而設定成10kHz～1GHz、20kHz～20MHz、100kHz～205kHz或者20kHz～100kHz的範圍。在本說明書中，將通過這樣的頻率f0的振動磁場傳輸的電力稱為「高頻電力(RF電力)」。

圖1的無線受電裝置3-1具備受電天線31-1、整流電路32-1、控制電路33-1、發送電路34-1及負載裝置35-1。受電天線31-1具備包含受電線圈的諧振電路，與送電天線22-1～24-N中的至少一個送電天線22-1電磁耦合。在存在多個無線受電裝置時，送電天線22-1～24-N與各無線受電裝置3-1～3-N的受電天線31-1～31-N例如一一對應。整流電路32-1對經由受電天線31-1從無線送電裝置2接受到的電力進行整流及平滑化並向負載裝置35-1供給。控制電路33-1取得整流電路32-1的輸出電壓V1的值(即，由無線受電裝置3-1從無線送電裝置2接受到的受電電壓的值)，而且，取得由負載裝置35-1要求的要求電壓的值。進而，發送電路34-1例如包含通過使無線受電裝置3-1的消耗電力變化而產生負載調製信號的負載調製電路。從而，發送電路34-1在控制電路33-1的控制下向無線送電裝置2發送無線受電裝置3-1的要求電壓的值和無線受電裝置3-1的受電電壓V1的值。負載裝置35-1是例如充電電池。在負載裝置35-1為充電電池時，無線受電裝置3-1從無線送電裝置2接受高頻電力的供給對充電電池進行充電。

圖1的無線受電裝置3-2～3-N也與無線受電裝置3-1同樣構成。

圖1的無線電力傳輸系統包含由第1送電天線22-1及第1受電天線31-1組成的第1送受天線對4-1、由第2送電天線22-2及第2受電天線31-2組成的第2送受天線對4-2、…、由第N送電天線22-N及第N受電天線31-N組成的第N送受天線對4-N，在送受天線對之間通過磁場耦合以非接觸方式傳輸電力。在第n(1≤n≤N)送受天線對中，送電天線22-n和受電天線31-n以適當的耦合係數kn磁場耦合。將適當的耦合係數kn設定成0.01以上不足1，優選0.1以上0.75以下的值。為了獲得適當的耦合係數kn，送電天線及受電天線相互鄰近配置。

圖2是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的安裝例的等價電路圖。送電天線22-1及受電天線31-1至少包含線圈形狀的電感器L1、L2，通過磁場耦合而耦合。對送電天線及受電天線的至少一方提供電容器，以使得在頻率f0附近進行諧振。例如，如圖2所示，送電天線22-1是電感器L1與電容器C1串聯連接的串聯諧振電路，受電天線31-1是電感器L2與電容器C2並聯連接的並聯諧振電路。此外，送電天線22-1的串聯諧振電路具有寄生電阻分量R1，受電天線31-1的並聯諧振電路具有寄生電阻分量R2。圖3是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第1變形例的送電天線22a-1及受電天線31a-1的等價電路圖。圖4是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第2變形例的送電天線22b-1及受電天線31b-1的等價電路圖。圖5是表示圖1的送電天線22-1及受電天線31-1的第3變形例的送電天線22c-1及受電天線31c-1的等價電路圖。電感器及電容器的連接可以是串聯諧振、並聯諧振、兩者的組合的任一個。與圖2的例子不同，送電天線可以構成並聯諧振電路，受電天線也可以構成串聯諧振電路。另外，一方的天線也可以是非諧振電路。

圖1的其他送電天線22-2～22-N及其他受電天線31-2～31-N也與圖2～圖5的送電天線及受電天線同樣構成。

另外，如由第3實施方式說明的那樣，送電天線22-1～22-N的諧振頻率及受電天線31-1～31-N的諧振頻率也可以為可變。

從振蕩電路21輸出的高頻電力被輸入與振蕩電路21連接的送電天線22-1～22-N。送電天線22-1～22-N及受電天線31-1～31-N通過相互的諧振電路形成的諧振磁場耦合，受電天線31-1～31-N能夠接受由送電天線22-1～22-N送出的高頻電力。受電天線31-1～31-N與送電天線22-1～22-N不接觸而從送電天線22-1～22-N離開例如1mm～數m左右。

在圖1的無線電力傳輸系統中，當向多個無線受電裝置3-1～3-N同時供給電力時，各無線受電裝置的要求電壓(目標電壓)Vc1，Vc2，…，VcN和由該無線受電裝置從無線送電裝置2接受到的受電電壓V1，V2，…，VN之間可能產生誤差。以下，說明用於減少該誤差的方法。

控制電路24對無線受電裝置3-1～3-N的各個無線受電裝置，計算表示該無線受電裝置的要求電壓Vcn與受電電壓Vn(1≤n≤N)的誤差(＝|Vn-Vcn|)的相對誤差指數En，根據各無線受電裝置的相對誤差指數E1～EN計算無線受電裝置3-1～3-N的整體誤差指數Es。此外，相對誤差指數En也簡稱為誤差。

各無線受電裝置的相對誤差指數E1～EN和整體誤差指數Es如下定義。將要求電壓Vc1，Vc2，…，VcN的平均值設為Vcav，受電電壓V1，V2，…，VN的平均值設為Vav時，無線受電裝置3-1的相對誤差指數E1例如用下面的式子賦予。

[式1]

E1＝|(V1×Vcav÷Vav)-Vc1|

要求電壓的平均值Vcav由下面的式子定義。

[式2]

Vcav＝(Vc1+Vc2+…+VcN)÷N

受電電壓的平均值Vav可以是受電電壓V1～VN的單純平均，也可以是加權後的平均。在為前者的情況下，受電電壓的平均值Vav由下面的式子定義。

[式3]

Vav＝(V1+V2+…+VN)÷N

加權後的受電電壓的平均值Vav由下面的式子定義。

[式4]

Vav＝(a1·V1+a2·V2+…+aN·VN)/(a1+a2+…+aN)

加權後的受電電壓的平均值Vav例如能夠用於對具有大的要求電力的無線受電裝置3-n(1≤n≤N)設定大的係數an。

無論如何，無線受電裝置3-1～3-N的整體誤差指數Es根據相對誤差指數E1～EN，例如由下面的式子定義。

[式5]

Es＝E1+E2+…+EN

或

[式6]

Es＝E12+E22+…+EN2

另外，對於整體誤差指數Es，也可以考慮加權，如下面的式子定義。

[式7]

Es＝b1×E1+b2×E2+…+bN×EN

或

[式8]

Es＝c1×E1m+c2×E2m+…+cN×ENm(m：實數)

控制電路24使由振蕩電路21產生的高頻電力的頻率f0變化，以使得整體誤差指數Es最小化。

圖6是由圖1的無線送電裝置2的控制電路24執行的送電控制處理的流程圖。

在步驟S1中，控制電路24將迭代的參數n初始化為0。在步驟S2中，控制電路24通過振蕩電路21以頻率f(n)產生高頻電力，並開始輸送電力。頻率f(n)具有預定的初始值f(0)及增幅Δf。頻率f(n)從初始值f(0)到最終值f(L)，以增幅Δf增加。振蕩電路21被設定為：能夠輸出從初始值f(0)到最終值f(L)以增幅Δf增加的全部頻率的高頻電力。在此，增幅Δf也可以不是一定的。

控制電路24在從無線送電裝置2向無線受電裝置3-1～3-N發送高頻電力後，從各無線受電裝置3-1～3-N取得該無線受電裝置的要求電壓Vc1～VcN的值和該無線受電裝置的受電電壓V1～VN的值。控制電路24根據要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN，用式1～式8計算整體誤差電壓Es(n)並存儲在內部。在步驟S3中，控制電路24判斷全部的無線受電裝置3-1～3-N中誤差電壓是否滿足預定的基準，「是」時進入步驟S9，「否」時進入步驟S4。在此，誤差電壓可以是要求電壓Vc1～VcN與受電電壓V1～VN的差，也可以是相對誤差指數E1～EN。

在步驟S4中，控制電路24使參數n以1遞增。在步驟S5中，控制電路24通過振蕩電路21以新的頻率f(n)產生高頻電力並輸送電力。控制電路24在從無線送電裝置2向無線受電裝置3-1～3-N發送高頻電力後，從各無線受電裝置3-1～3-N取得該無線受電裝置的要求電壓Vc1～VcN的值和該無線受電裝置的受電電壓V1～VN的值。控制電路24根據要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN，用式1～式8計算整體誤差電壓Es(n)，並存儲在內部。在步驟S6中，控制電路24再次判斷全部的無線受電裝置3-1～3-N中誤差電壓是否滿足預定的基準，「是」時進入步驟S9，「否」時進入步驟S7。在步驟S7中，控制電路24判斷當前的整體誤差指數Es(n)是否比以前的整體誤差指數Es(n-1)低，「是」時返回步驟S4，「否」時進入步驟S8。在步驟S8中，控制電路24使頻率的搜索方向反轉(即，對增幅Δf乘以-1)，返回步驟S4。

在步驟S4～S8中，通過振蕩電路21，將頻率從f(n)變更為f(n+1)，並搜索帶來最小的整體誤差指數Es(n)的頻率f(n)。通過將頻率從f(n-1)變更為f(n)而使整體誤差指數Es增加時，頻率f(n+1)能夠設定成使(f(n+1)-f(n))和(f(n)-f(n-1))的符號相反這樣的值。另外，在通過將頻率從f(n-1)變更為f(n)而使整體誤差指數Es降低時，能夠設定成使(f(n+1)-f(n))和(f(n)-f(n-1))的符號相同這樣的值。與頻率的增幅(頻率調節的解析度)相當的|f(n+1)-f(n)|及|f(n)-f(n-1)|也可以不是同一值。

詳細說明上述的步驟S4～步驟S8。在步驟S7中，控制電路24比較對發送與上述多個頻率即初始值f(0)～最終值f(L)中的第1頻率f(n-1)對應的高頻電力時的上述各個無線受電裝置的上述要求電壓與上述受電電壓的誤差進行合計而得到的第1總和Es(n-1)和對發送與上述多個頻率中的第2頻率f(n)對應的高頻電力時的上述各個無線受電裝置的上述要求電壓與上述受電電壓的誤差進行合計而得到的第2總和Es(n)

首先，說明步驟S7的「是」時的動作。該情況下，上述第2總和Es(n)比上述第1總和Es(n-1)小，因此，上述第2頻率f(n)成為上述誤差的總和小的頻率。此時，上述各個誤差也變小。然後，控制電路24使上述第2頻率f(n)增加增幅Δf(步驟S4)，設定接近上述第2頻率f(n)的第3頻率。

接著，說明步驟S7的「否」時的動作(步驟S8的動作)。該情況下，上述第2總和Es(n)比上述第1總和Es(n-1)大，因此，上述第1頻率f(n-1)成為上述誤差的總和小的頻率。此時，上述各個誤差也變小。然後，控制電路24設定接近上述第1頻率f(n-1)的第3頻率。

在此，說明接近上述第1頻率f(n-1)的第3頻率的含義。上述第3頻率是指比頻率f(n)-|f(n)-f(n-1)|/2低的頻率。即，第3頻率設定成比上述第2頻率f(n)低的頻率，因此，從上述第2頻率f(n)反轉為低的頻率(步驟S8)。

以上，從上述多個各頻率f(0)～f(L)中，通過反覆設定降低上述誤差的總和並減小上述誤差的上述第3頻率，能夠針對上述多個無線受電裝置的全部，將上述誤差控制在預定的基準內。

在步驟S9中，受電電壓V1～VN分別處於與要求電壓Vc1～VcN充分一致的狀態，控制電路24繼續傳輸具有頻率f(n)的高頻電力。在步驟S10中，控制電路24例如在存在來自無線受電裝置3-1～3-N的停止送電的要求時，結束高頻電力的傳輸。根據圖1的無線電力傳輸系統，能夠控制無線送電裝置2的輸出電壓以使得各無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓滿足目標電壓範圍，從而實現電力傳輸。

圖1的無線電力傳輸系統的目的是保持相對誤差指數E1～EN的平衡，並降低向多個無線受電裝置同時供給電力時的整體誤差指數Es。在導出各無線受電裝置3-n的相對誤差指數En(1≤n≤N)的式子中，不僅考慮該無線受電裝置3-n的要求電壓Vcn及受電電壓Vn，還考慮多個無線受電裝置3-1～3-N的要求電壓的平均值Vcav及多個無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓的平均值Vav，由此能夠適當維持多個無線受電裝置3-1～3-N的動作的平衡。

圖7是表示第1實施方式的變形例的無線電力傳輸系統的構成的框圖。送電天線22-1～22-N和受電天線31-1～31-N不限於一一對應，也可以從一個送電天線向多個受電天線供給電力。圖7的無線送電裝置2A取代圖1的無線送電裝置2的送電天線22-1、22-2及接收電路23-1、23-2，具備送電天線22A-1及接收電路23A-1。送電天線22A-1與無線受電裝置3-1、3-2的受電天線31-1、31-2電磁耦合。接收電路23A-1與送電天線22A-1連接，接收並解調從無線受電裝置3-1、3-2發送到無線送電裝置2的負載調製信號。通過圖7的無線電力傳輸系統，與圖1的無線電力傳輸系統同樣，也能夠控制無線送電裝置2A的輸出電壓以使得各無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓滿足目標電壓範圍，從而實現電力傳輸。

振蕩電路21典型地將所輸入的直流電力變換為頻率f0的高頻電力(DC-RF變換)。振蕩電路21可以採用D級、E級、F級等實現高效率且低失真特性的放大器，也可以採用多爾蒂(Doherty)放大器。在振蕩電路21中，通過在產生包含失真成分的輸出信號的開關元件的後級配置低通濾波器、帶通濾波器或帶阻濾波器，也可以生成高效率正弦波。振蕩電路21也可以將所輸入的交流電力變換為高頻電力。

無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓V1～VN不限於圖1及圖7所示整流的直流電壓。在無線受電裝置不具有整流電路時，該受電電壓也可以是受電天線的輸出電壓。在無線受電裝置取代整流電路而具備變頻電路時，該受電電壓也可以是從變頻電路輸出的交流電壓。在該情況下，無線送電裝置2的控制電路24也根據要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN，計算各無線受電裝置的相對誤差指數E1～EN及整體誤差指數Es。

各無線受電裝置3-1～3-N為了向無線送電裝置2發送要求電壓Vc1～VcN的值及受電電壓V1～VN的值，可以採用受電天線31-1～31-N及送電天線22-1～22-N以外的路徑，也可以採用負載調製信號以外的通信方法。

在第2實施方式的無線電力傳輸系統中，第1實施方式的無線電力傳輸系統的振蕩電路21構成為具有可變的輸出電壓。當增減振蕩電路21的輸出電壓時，能夠在大致保持多個無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓V1～VN之間的比的同時增減受電電壓V1～VN。

圖8是表示第2實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。圖8的無線送電裝置2B除了圖1的無線送電裝置2的構成以外，還具備電壓調節電路25，另外，取代圖1的控制電路24而具備控制電路24B。電壓調節電路25由從直流的電源裝置1獲得的輸入電壓，產生可變的輸出電壓。電壓調節電路25是例如DC/DC變換器、AC/DC變換器等。振蕩電路21從電壓調節電路25的輸出電壓，產生可變頻率的高頻電力。另外，振蕩電路21具有可變的輸入電壓(電壓調節電路25的輸出電壓)，結果，具有可變的輸出電壓。控制電路24B控制電壓調節電路25，使電壓調節電路25的輸出電壓變化，並控制振蕩電路21，使由振蕩電路21產生的高頻電力的頻率f0變化。

圖9是表示第2實施方式的變形例的無線電力傳輸系統的構成的框圖。圖9的無線送電裝置2C取代圖1的無線送電裝置2的振蕩電路21及控制電路24而具備振蕩電路21C及控制電路24C。振蕩電路21C是通過使使多個開關進行開關動作的信號的相位變化而產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

圖10是表示圖9的振蕩電路21C的詳細構成的電路圖。振蕩電路21C是具備多個開關S1～S4及脈衝產生電路21Ca的全橋變換電路。脈衝產生電路21Ca在控制電路24C的控制下，產生使開關S1～S4進行開關動作的信號。開關S1在開關S2斷開時閉合，開關S2在開關S1斷開時閉合。同樣，開關S3在開關S4斷開時閉合，開關S4在開關S3斷開時閉合。使開關S3、S4進行開關動作的信號相對於使開關S1、S2進行開關動作的信號而具有預定的相位差θt。當該相位差θt變化時，振蕩電路21C的輸出電壓變化。

控制電路24C控制振蕩電路21C，使由振蕩電路21C產生的高頻電力的頻率f0及輸出電壓變化。

在圖9中，振蕩電路21C也可以是取代使多個開關進行開關動作的信號的相位變化，而通過以可變的佔空比進行開關動作來產生具有可變的輸出電壓的高頻電力的變換電路。

第2實施方式的無線電力傳輸系統，通過以上的3個單元之一或者其組合來增減振蕩電路21的輸出電壓，大致保持多個無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓V1～VN之間的比，並使受電電壓V1～VN接近要求電壓Vc1～VcN。

圖11是表示由圖8的無線送電裝置2B的控制電路24B執行的送電控制處理的流程圖。控制電路24B在使整體誤差指數Es最小化後，當在多個無線受電裝置3-1～3-N中的至少一個中該無線受電裝置的要求電壓及受電電壓的誤差超過預定的閾值時，使振蕩電路21的輸出電壓降低，直到誤差成為閾值以下。圖11的步驟S11～S16、S21～S22與圖6的步驟S1～S6、S9～S10同樣。在步驟S17中，控制電路24B判斷當前的整體誤差指數Es(n)是否比以前的整體誤差指數Es(n-1)低，「是」時返回步驟S14，「否」時進入步驟S18。在步驟S18中，控制電路24B判斷前一個的迭代n-1中的整體誤差指數Es(n-1)是否比前2個的迭代n-2中的整體誤差指數Es(n-2)低，「是」時進入步驟S19，「否」時進入步驟S22。在步驟S18為「是」時，前一個的迭代n-1中的整體誤差指數Es(n-1)為極小值。從而，在以頻率f(n-1)傳輸高頻電力時，要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN間的誤差彼此大致相等。在步驟S19中，控制電路24B使參數n以1遞增。在步驟S20中，控制電路24B使振蕩電路21的輸出電壓降低。通過降低振蕩電路21的輸出電壓，能夠大致保持多個無線受電裝置3-1～3-N的受電電壓V1～VN之間的比，並進一步降低要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN之間的誤差。降低的電壓比為Vc1/V1。在步驟S21中，受電電壓V1～VN分別處於與要求電壓Vc1～VcN充分一致的狀態，控制電路24B繼續傳輸具有頻率f(n)的高頻電力。在步驟S22中，控制電路24B在存在來自例如無線受電裝置3-1～3-N的停止送電的要求時，結束高頻電力的傳輸。

在圖11的步驟S20中，當全部的無線受電裝置3-1～3-N中誤差電壓滿足預定的基準且具有餘裕時，也可以增大振蕩電路21的輸出電壓。

如參照圖11所說明的那樣，在發現使整體誤差指數Es最小化的頻率後，通過增減振蕩電路21的輸出電壓，能夠進一步降低要求電壓Vc1～VcN及受電電壓V1～VN間的誤差。發明者發現用式1～式8定義各無線受電裝置3-1～3-N的相對誤差指數E1～EN的情況下，在使振蕩電路21的輸出電壓增減的前後，整體誤差指數Es的頻率特性幾乎不變化。因而，即使在因頻率控制而降低的整體誤差指數Es未收斂的階段進行電壓控制，整體誤差指數Es的值也幾乎不變化。因此，能夠同時進行頻率控制和電壓控制，並將同時進行動作的多臺的無線受電裝置的受電電壓控制在目標範圍內。

圖11的送電控制處理也可以由圖9的控制電路24C同樣執行。

圖12是表示第3實施方式的無線電力傳輸系統的構成的框圖。圖12的無線電力傳輸系統中，送電天線及受電天線的至少一方具有可變的電路常數，無線送電裝置的控制電路使送電天線及受電天線的至少一方的電路常數變化。

圖12的無線送電裝置2D取代圖1的無線送電裝置2的送電天線22-1～22-N及控制電路24而具備送電天線22D-1～22D-N及控制電路24D。送電天線22D-1～22D-N具有可變的電路常數。控制電路24D使送電天線22D-1～22D-N的電路常數變化。

圖12的無線受電裝置3D-1取代圖1的無線受電裝置3-1的受電天線31-1及控制電路33-1而具備受電天線31D-1及控制電路33D-1。受電天線31D-1具有可變的電路常數。控制電路33D-1在無線送電裝置2D的控制電路24D的控制下，使受電天線31D-1的電路常數變化。其他無線受電裝置3D-2～3D-N也與無線受電裝置3D-1同樣構成。

圖13是表示圖12的送電天線22D-1及受電天線31D-1的安裝例的等價電路圖。送電天線22D-1及受電天線31D-1所包含的電感器及電容器的至少一方的電路常數(電感或電容)是可變的。圖14是表示圖13的電容器C1的安裝例的電路圖。圖14作為一例，表示送電天線22D-1包含具有可變電容的諧振電容器時的構成。若形成圖14的電路構成，則通過開關SW的開閉，能夠選擇電容C0和C0及Cad的合成電容的任一個。追加的電容Cad的值例如處於相對於C0的0.5倍到10倍左右的範圍。控制電路24D送出用於變更電路常數所需的控制信號，通過控制電感或電容等的電路特性，結果使天線特性可變。

在第3實施方式中，通過變更送電天線的電路常數及受電天線的至少一方的電路常數，整體誤差指數Es的頻率特性變化。由於送電天線及受電天線的至少任一個的等價阻抗變化，所以按與變更前相比整體誤差指數Es的頻率特性不同的傾向進行調節。即使執行第1及第2實施方式的送電控制處理，依然存在難以將受電電壓V1～VN的全部控制在要求電壓Vc1～VcN的情況。通過導入第3實施方式的構成，控制整體誤差指數Es的頻率特性，能夠增大解決該問題的可能性。

送電天線的電路常數及受電天線的至少一方的電路常數也可以由無線受電裝置3D-1～3D-N的控制電路33D-1～33D-N控制。

由變更電路常數產生的效果獨立於由第1實施方式導入的頻率控制帶來的效果和由第2實施方式導入的電壓控制帶來的效果。因而，也可以與進行頻率及電壓的控制的定時獨立來控制電路常數。

此外，在無線受電裝置的受電電壓容許預定的誤差範圍時，也可以在考慮上述誤差範圍之後修正受電電壓的平均值Vav的定義。例如，在容許受電電壓被定義為相對於要求電壓Vc1在(Vc10±Vc1e)這一範圍內時，能夠從(Vc10-Vc1e)以上(Vc10+Vc1e)以下的範圍選擇反映受電電壓的平均值Vav的要求電壓Vc1的值。

另外，在對要求送電的無線受電裝置的全部無法供給滿足要求的電力時，也可以將電力供給的對象的無線受電裝置的一部分除外，僅僅對剩餘的無線受電裝置搜索降低整體誤差指數Es的條件，基於該結果進行電力供給。該情況下，將通過無線送電裝置2的控制電路24能夠進行通斷的開關元件設置在振蕩電路21和送電天線22-1～22-N之間，在從進行電力供給的對象除外的與無線受電裝置的受電天線相對向的送電天線所連接的路徑上，將上述開關設定成非導通狀態。

以下，參照圖15～圖18，說明本公開的實施方式的模擬結果。

圖15是表示實施方式1的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖。作為實施方式1，在頻率100kHz～140kHz的動作頻率範圍，針對耦合係數為0.25的對稱的送受天線對，製作成用一個振蕩電路(全橋變換電路)同時進行充電的無線電力傳輸系統。存在2個無線受電裝置3-1、3-2，作為充電電壓分別要求5V，容許的充電電壓誤差為200mV。另外，無線受電裝置3-1、3-2的充電電池分別處於要求1.16A及0.93A的非對稱負載狀態。在此，相對於要求電壓Vc1＝Vc2＝5V，以8V的直流驅動振蕩電路，使動作頻率f0變化，並測定受電電壓V1、V2。此外，無線受電裝置3-1、3-2在受電天線31-1、31-2的後級具備包括二極體橋的整流電路32-1、32-2，對直流的受電電壓V1、V2進行了測定。另外，設為Vcav＝5V，用式1計算相對誤差指數E1、E2，用式5計算整體誤差指數Es。

根據圖15，從整體誤差指數Es的頻率特性可知在126.5kHz時，整體誤差指數Es最小。另外，126.5kHz的受電電壓V1、V2分別為4.842V和5.16V，能夠進行5V±0.16V的充電控制。

圖16是表示實施例2的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖(振蕩電路21的輸入電壓為10V時)。作為實施例2，在實施例1的無線電力傳輸系統中，在振蕩電路的前級，連接有將12V的輸入電壓降壓到預定電壓的DC/DC變換器。實施例2中的無線受電裝置3-1、3-2的要求電壓Vc1、Vc2為4.3V，所容許的充電電壓誤差為150mV。另外，無線受電裝置3-1、3-2的充電電池分別處於要求1A及0.8A的非對稱的負載狀態。根據圖16，由於整體誤差指數Es在127kHz成為極小值，因此可知向多個無線受電裝置3-1、3-2同時充電時最佳頻率為127kHz。圖17是表示實施例2的受電電壓V1、V2、整體誤差指數Es的頻率特性的圖(振蕩電路21的輸入電壓為6.94V時)。接著，調整DC/DC變換器的動作條件，控制向振蕩電路21輸入的直流電壓。將輸入電壓設定成10V而進行動作時的受電電壓V1、V2的平均值為6.2V，因此，作為輸入電壓，選擇了10(V)×4.3(V)÷6.2(V)＝6.94(V)。從圖16及圖17的比較結果可知，整體誤差指數Es的頻率特性不依賴于振蕩電路的輸入電壓，與輸入電壓為10V時同樣，在向多個無線受電裝置3-1、3-2同時充電時指示127kHz為最佳頻率。另外，通過頻率控制和電壓控制功能的並用，獲得V1＝4.173V，V2＝4.440V，兩方的受電電壓都滿足要求電壓即4.3V(±140mV)。

圖18是表示實施方式3的整體誤差指數Es的頻率特性的圖。在實施方式1、2中，在送電天線電路，對電感器連接180nF的串聯電容器，形成諧振電路。在實施例3中，將實施例1、2的送電天線的電容器設為圖14所示的可變電容電路。設為C0＝180nF，Cad＝360nF。在與無線受電裝置3-1、3-2中負載高的一側即無線受電裝置3-1相對向的送電天線22D-1中，構成為可使電容在180nF、和180nF及360nF的合成電容即120nF之間切換。

實施例3中的無線受電裝置3-1、3-2的要求電壓為4.3V(Vcav＝4.3V)，所容許的充電電壓誤差為50mV。另外，無線受電裝置3-1、3-2的充電電池分別處於要求1A和0.5A的非對稱的負載狀態。在圖18中，虛線表示2個送電天線22D-1、22D-2的電容器的電容都設為固定值即180nF，對向振蕩電路21的輸入電壓設為8V的情況(比較例)。在圖18中，實線表示僅僅在與無線受電裝置3-1相對向一側的送電天線22D-1中調節電路常數，將電容器的電容變更為120nF的情況(實施例3)。根據圖18可知，與比較例相比，實施例3能夠降低整體誤差指數Es的極小值。這表示能夠通過控制可變電容電路以降低向負載高一側的無線受電裝置供電的送電天線的諧振電容，能夠將多個無線受電裝置的受電電壓平衡良好地控制在要求電壓。

為了更具體地驗證，在比較例中，將振蕩電路21的輸入電壓(DC/DC變換器的輸出電壓)設定成最佳值即6.6V，在設定127kHz使振蕩電路21進行動作時，無法使從要求電壓Vc1、Vc2到受電電壓V1、V2為止的誤差分別降低到低於-359mV～366mV。另一方面，在實施方式3中，將振蕩電路21的輸入電壓設定成最佳值即5.3V，在設定121kHz使振蕩電路21進行動作時，能夠將從要求電壓Vc1、Vc2到受電電壓V1、V2為止的誤差分別降低到+22mV～-21mV的範圍內。

這裡公開的實施方式在所有方面都是例示，而不意在限定。本公開的範圍不是由以上的說明決定，而是由權利要求的範圍決定，意在包括包含與權利要求的範圍等同的含義及權利要求範圍內的變形的全部方式。

【產業上的利用可能性】

本公開的無線送電裝置及無線電力傳輸系統在從一個無線送電裝置向多個無線受電裝置同時供給電力時，無需按對應的無線受電裝置設置振蕩電路，能夠高精度地控制無線送電裝置的輸出電壓。從而，能夠提供一種低成本且通用性高的無線送電裝置(例如無接點充電器)。

本公開的無線送電裝置及無線電力傳輸系統能夠適用於採用充電電池的電子設備、電動摩託車，電動輔助自行車或電動車的充電系統。另外，本公開的無線送電裝置及無線電力傳輸系統能夠適用於對AV設備及白色家電等各種設備供電的供電系統。在此，AV設備例如包含智慧型手機、平板電腦終端裝置、電視及膝上型的個人電腦，白色家電例如包含洗衣機、冰箱及空調機。

標號說明

1…電源裝置，

2、2A～2D…無線送電裝置，

3-1～3-N、3D-1～3D-N…無線受電裝置，

4-14～4-N…送受天線對，

21、21C…變換電路，

21Ca…脈衝產生電路，

22-1～22-N、22A、22D-1～22D-N…送電天線，

23-1～23-N、23A…接收電路，

24、24B～24D…控制電路，

25…電壓調節電路，

31-1～31-N、31D-1～31D-N…受電天線，

32-1～32-N…整流電路，

33-1～33-N、33D-1～33D-N…控制電路，

34-1～34-N…發送電路，

35-1～35-N…負載裝置，

C1～C3、C0、Cad…電容器，

L1…送電線圈，

L2…受電線圈，

R1、R2…寄生電阻分量，

S1～S4、SW…開關。