(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源供給装置から電力を受信する電力充電部と、
ソース共振器を含む送信部と、
前記ソース共振器に電力を充電し、該充電された電力を相互共振によって無線電力受信装置のターゲット共振器に送信するように前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を制御する制御部と、を備え、
前記ターゲット共振器は、追加的なキャパシタと接続されると、共振周波数が変更されることによって前記相互共振が中断されることを特徴とする無線電力送信装置。
【請求項２】
前記ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項３】
前記電力充電部は、前記送信部に供給される電流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項４】
前記電力充電部は、前記電源供給装置に直列に接続された可変抵抗を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記ソース共振器に充電された電力量に基づいて前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を制御することを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記ソース共振器に電力を充電するために前記電力充電部と前記送信部とを電気的に接続するスイッチをオンし、
前記ソース共振器に充電された電力を送信するために前記電力充電部と前記送信部とを電気的に接続するスイッチをオフすることを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記ソース共振器が相互共振によって前記ターゲット共振器に電力を送信する間に、前記電源供給装置から前記ソース共振器に電流が供給されないように、前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御することを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項８】
前記電力充電部は、前記電源供給装置に直列に接続され、それぞれが並列に接続された複数の抵抗を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記電源供給装置から前記ソース共振器が予め設定された電力量を受信した場合に、前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を開放することを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項１０】
前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧及び前記ソース共振器のインダクターに印加される電流を測定する測定部と、
前記測定された電圧及び前記測定された電流に基づいて、前記ソース共振器に格納されたエネルギーを算出する算出部と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項１１】
前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧を測定する測定部と、
前記測定された電圧に基づいて、前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出する検出部と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無線電力送信装置。
【請求項１２】
ターゲット共振器を含む充電部と、
負荷に電力を伝達する電力出力部と、
前記ターゲット共振器にソース共振器との相互共振によって電力を充電して該充電された電力を前記負荷に伝達するように前記充電部と前記電力出力部との電気的な接続を制御する制御部と、を備え、
前記電力出力部は、前記ターゲット共振器に電気的に接続されると、前記ターゲット共振器の共振周波数を変更するキャパシタを含むことを特徴とする無線電力受信装置。
【請求項１３】
前記ターゲット共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含むことを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項１４】
前記電力出力部は、前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターに充電された電力を前記負荷に伝達することを特徴とする請求項１３に記載の無線電力受信装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいて前記充電部と前記電力出力部との電気的な接続を制御することを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項１６】
前記制御部は、
前記ターゲット共振器に電力を充電する間に前記充電部と前記電力出力部とを電気的に接続するスイッチをオフし、
前記ターゲット共振器に充電された電力を前記負荷に伝達するために前記充電部と前記電力出力部とを電気的に接続するスイッチをオンすることを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記ソース共振器との相互共振によって前記ターゲット共振器を充電する間に、前記ターゲット共振器から前記負荷に電力が伝達されないように、前記ターゲット共振器と前記負荷との電気的な接続を制御することを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項１８】
前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧及び前記ターゲット共振器のインダクターに印加される電流を測定する測定部と、
前記測定された電圧及び前記測定された電流に基づいて、前記ターゲット共振器に格納されたエネルギーを算出する算出部と、を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項１９】
前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧を測定する測定部と、
前記測定された電圧に基づいて、前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出する検出部と、を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項２０】
前記負荷はバッテリであることを特徴とする請求項１２に記載の無線電力受信装置。
【請求項２１】
電源供給装置、ソース共振器、及び該ソース共振器に電力を充電して該充電された電力を送信するように前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御する第１制御部を有する無線電力送信装置と、
負荷、前記ソース共振器から送信された電力を相互共振によって受信するターゲット共振器、及び該受信した電力を前記負荷に伝達するように前記ターゲット共振器と前記負荷、及び追加的に接続されてターゲット共振器の共振周波数を変更するキャパシタとの電気的な接続を制御する第２制御部を有する無線電力受信装置と、を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項２２】
前記ソース共振器及び前記ターゲット共振器のそれぞれは、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含むことを特徴とする請求項２１に記載の無線電力伝送システム。
【請求項２３】
電源供給装置から供給される電流を通じてソース共振器に電力を充電するステップと、
前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御するステップと、
前記充電された電力を相互共振によって無線電力受信装置のターゲット共振器に送信するステップと、
前記ターゲット共振器は、追加的なキャパシタと接続されると、共振周波数が変更されることによって前記相互共振が中断されることを有することを特徴とする無線電力送信方法。
【請求項２４】
前記ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含むことを特徴とする請求項２３に記載の無線電力送信方法。
【請求項２５】
前記充電するステップは、前記ソース共振器に供給される電流量を調整することを特徴とする請求項２３に記載の無線電力送信方法。
【請求項２６】
前記制御するステップは、前記ソース共振器に充電された電力量に基づいて前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御することを特徴とする請求項２３に記載の無線電力送信方法。
【請求項２７】
前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出するステップを更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の無線電力送信方法。
【請求項２８】
ソース共振器とターゲット共振器との相互共振によって前記ソース共振器から電力を受信して前記ターゲット共振器を充電するステップと、
前記ターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達するステップと、
前記ターゲット共振器に追加的に接続されるキャパシタを用いて前記ターゲット共振器の共振周波数を変更するステップと、を含むことを特徴とする無線電力受信方法。
【請求項２９】
前記ターゲット共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含むことを特徴とする請求項２８に記載の無線電力受信方法。
【請求項３０】
前記伝達するステップは、前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターに充電された電力を前記負荷に伝達することを特徴とする請求項２９に記載の無線電力受信方法。
【請求項３１】
前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいて前記ターゲット共振器と前記負荷との電気的な接続を制御するステップを更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の無線電力受信方法。
【請求項３２】
前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出するステップを更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の無線電力受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を無線で送受信する装置及び方法並びに無線電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
有線電力供給の不便さ及びバッテリ容量の限界などを克服するために無線電力伝送に対する研究が行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、無線電力伝送システムにおいて、送信端と受信端の相互共振を通じて電力を無線で伝送する際に、アナログスイッチを接続しないことで、伝送効率を高めることのできる無線電力送受信装置及び方法並びに無線電力伝送システムを提供することにある。
また、無線電力送信装置において、ソース共振器のインダクターに電流を印加して電力を充電する方式を使用することで、インダクターのインダクタンスを大きくして充電容量を増加させ、ソース共振器のＱ値を高めることのできる無線電力送受信装置及び方法並びに無線電力伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による無線電力送信装置は、電源供給装置から電力を受信する電力充電部と、ソース共振器を含む送信部と、前記ソース共振器に電力を充電し、該充電された電力を相互共振によってターゲット共振器に送信するように前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【０００５】
前記ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、前記電力充電部は、前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターに電力を充電し得る。
前記電力充電部は、前記送信部に供給される電流量を調整し得る。
前記電力充電部は、前記電源供給装置に直列に接続された可変抵抗を含み得る。
前記電力充電部は、前記電源供給装置に直列に接続され、それぞれが並列に接続された複数の抵抗を含んでもよい。
前記制御部は、前記電源供給装置から電力が十分に供給されて前記ソース共振器が定常状態に達した場合に、前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を開放し得る。
【０００６】
無線電力送信装置は、電源供給装置から供給される電流によってソース共振器に電力を充電する電力充電部と、前記ソース共振器に充電された電力を前記ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって前記ターゲット共振器に送信する送信部と、前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を制御する制御部と、を備える。
【０００７】
前記ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、前記電力充電部は、前記電源供給装置から供給される電流を通じて前記インダクターに電力を充電し得る。
前記電力充電部は、前記電源供給装置から供給される電流量を調整して前記インダクターに充電される電力のレベルを量子化してもよい。
前記電力充電部は、前記電源供給装置に直列に接続された可変抵抗を用いて前記電源供給装置から供給される電流量を調整し得る。
前記送信部は、前記インダクターに充電された電力を相互共振する前記ターゲット共振器に送信し得る。
前記制御部は、前記ソース共振器に充電された電力量に基づいて前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を制御し得る。
前記制御部は、前記ソース共振器に電力を充電するために前記電力充電部と前記送信部とを電気的に接続するスイッチをオンし、前記ソース共振器に充電された電力を送信するために前記電力充電部と前記送信部とを電気的に接続するスイッチをオフし得る。
前記制御部は、前記ソース共振器に充電された電力を相互共振によって前記ターゲット共振器に送信する間に、前記電源供給装置から前記ソース共振器に電流が供給されないように、前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御し得る。
前記制御部は、前記電源供給装置に直列に接続され、それぞれが並列に接続された複数のインピーダンス及び該複数のインピーダンスのそれぞれに直列に接続されたスイッチを用いて、前記電源供給装置から供給される電流量を制御してもよい。
前記制御部は、前記電源供給装置から電流が十分に供給されて前記ソース共振器が定常状態に達した場合に、前記電力充電部と前記送信部との電気的な接続を開放し得る。
前記無線電力送信装置は、前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧及び前記ソース共振器のインダクターに印加される電流を測定する測定部と、前記測定された電圧及び前記測定された電流に基づいて、前記ソース共振器に格納されたエネルギーを算出する算出部と、を更に備えることができる。
或いは、前記無線電力送信装置は、前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧を測定する測定部と、前記測定された電圧に基づいて、前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出する検出部と、を更に備えてもよい。
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による無線電力受信装置は、ターゲット共振器を含む充電部と、負荷に電力を伝達する電力出力部と、前記ターゲット共振器にソース共振器との相互共振によって電力を充電して該充電された電力を前記負荷に伝達するように前記充電部と前記電力出力部との電気的な接続を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記電力出力部は、前記ターゲット共振器に電気的に接続されると、前記ターゲット共振器の共振周波数を変更するキャパシタを含み得る。
前記負荷はバッテリであり得る。
【００１０】
無線電力受信装置は、ソース共振器とターゲット共振器との相互共振によって前記ソース共振器から電力を受信して前記ターゲット共振器を充電する充電部と、前記ターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達する電力出力部と、前記充電部と前記電力出力部との電気的な接続を制御して前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の共振周波数を制御する制御部と、を備える。
【００１１】
前記ターゲット共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、前記充電部は、前記相互共振によって前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを充電し得る。
前記電力出力部は、前記少なくとも１つのキャパシタ及び前記インダクターに充電された電力を前記負荷に伝達し得る。
前記制御部は、前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいて前記充電部と前記電力出力部との電気的な接続を制御し得る。
前記制御部は、前記ターゲット共振器に電力を充電する間に前記充電部と前記電力出力部とを電気的に接続するスイッチをオフし、前記ターゲット共振器に充電された電力を前記負荷に伝達するために前記充電部と前記電力出力部とを電気的に接続するスイッチをオンし得る。
前記制御部は、前記ソース共振器との相互共振によって前記ターゲット共振器を充電する間に、前記ターゲット共振器から前記負荷に電力が伝達されないように、前記ターゲット共振器と前記負荷との電気的な接続を制御し得る。
前記制御部は、前記ターゲット共振器に追加的に接続されたキャパシタを用いて前記ターゲット共振器の共振周波数を変更してもよい。
前記無線電力受信装置は、前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧及び前記ターゲット共振器のインダクターに印加される電流を測定する測定部と、前記測定された電圧及び前記測定された電流に基づいて、前記ターゲット共振器に格納されたエネルギーを算出する算出部と、を更に備えることができる。
或いは、前記無線電力受信装置は、前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧を測定する測定部と、前記測定された電圧に基づいて、前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出する検出部と、を更に備えてもよい。
【００１２】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による無線電力伝送システムは、電源供給装置、ソース共振器、及び該ソース共振器に電力を充電して該充電された電力を送信するように前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御する第１制御部を有する無線電力送信装置と、負荷、前記ソース共振器から送信された電力を相互共振によって受信するターゲット共振器、及び該受信した電力を前記負荷に伝達するように前記ターゲット共振器と前記負荷との電気的な接続を制御する第２制御部を有する無線電力受信装置と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
前記ソース共振器及び前記ターゲット共振器のそれぞれは、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み得る。
【００１４】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による無線電力送信方法は、電源供給装置から供給される電流を通じてソース共振器に電力を充電するステップと、前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御するステップと、前記充電された電力を相互共振によってターゲット共振器に送信するステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
前記ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、前記充電するステップは、前記電源供給装置から供給される電流を通じて前記インダクターに電力を充電し得る。
前記充電するステップは、前記電源供給装置から供給される電流量を調整して前記インダクターに充電される電力のレベルを量子化してもよい。
前記制御するステップは、前記ソース共振器に充電された電力量に基づいて前記電源供給装置と前記ソース共振器との電気的な接続を制御し得る。
前記無線電力送信方法は、前記ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出するステップを更に含むことができる。
【００１６】
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による無線電力受信方法は、ソース共振器とターゲット共振器との相互共振によって前記ソース共振器から電力を受信して前記ターゲット共振器を充電するステップと、前記ターゲット共振器と負荷との電気的な接続を制御して前記ソース共振器と前記ターゲット共振器との間の共振周波数を制御するステップと、前記ターゲット共振器に充電された電力を前記負荷に伝達するステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
前記ターゲット共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、前記充電するステップは、前記相互共振によって前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを充電し得る。
前記伝達するステップは、前記少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターに充電された電力を前記負荷に伝達し得る。
前記電気的な接続を制御するステップは、前記ターゲット共振器に充電された電力量に基づいて前記ターゲット共振器と前記負荷との電気的な接続を制御し得る。
前記共振周波数を制御するステップは、前記ターゲット共振器に追加的に接続されるキャパシタを用いて前記ターゲット共振器の共振周波数を変更し得る。
前記無線電力受信方法は、前記ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出するステップを更に含むことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、無線電力伝送システムにおいて、送信端と受信端の相互共振を通じて電力を無線で伝送する際に、アナログスイッチを接続しないことで、伝送効率を高めることができる。
また、無線電力送信装置において、ソース共振器のインダクターに電流を印加して電力を充電する方式を使用することで、インダクターのインダクタンスを大きくして充電容量を増加させることができ、ソース共振器のＱ値を高めることができる。
また、低い入力電圧でも、入力電流量を増加させることによって十分な入力電力量を確保することができる。
また、無線電力送信装置は、ソース共振器と直列に接続され、それぞれが電気的に並列に接続される並列ペアを用いることによって、ソース共振器に入力される入力電力量を容易に調整することができる。また、入力電力量を調整し、そのレベル値の変化によってデータの送信もできる。
また、無線電力受信装置は、受信端の共振周波数を変更して送信端と受信端の相互共振を終了させることによって、ターゲット共振器の全体に格納されたエネルギーを負荷に伝達することができる。また、受信端の共振周波数を変更する受信キャプチャーポイントの制御に大きい自由度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による近距離無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施形態による無線電力送信装置のブロック図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施形態による無線電力受信装置のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による無線電力送信装置において並列ペアを用いる場合の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による無線電力送信装置におけるソース共振器のインダクターに印加される電流及び電圧を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおけるソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によるエネルギー伝達を示すグラフである。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおける電圧、電流、及び包絡線検出の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による無線電力送信方法のフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態による無線電力受信方法のフローチャートである。
【図１１】本発明の他の実施形態による無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態による無線電力伝送システムにおける無線電力の伝送効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
本発明による無線電力伝送システムは、無線電力伝送を必要とする様々なシステムに応用される。携帯電話の無線充電又は無線テレビ、タブレット、センサ及び家庭用機器などが代表的な例として挙げられる。また、バイオヘルスケア分野に応用可能であり、人体に挿入されたデバイスに遠隔で電力を送信したり、心拍数を測定するための包帯タイプのデバイスに無線で電力を送信したりするために応用され得る。
【００２２】
また、本発明による無線電力を用いる通信システムは、電源ソースのない情報格納装置の遠隔制御にも応用され得る。また、本発明による無線電力を用いる通信システムは、情報格納装置に遠隔で装置を駆動する電力を供給すると同時に、無線で格納装置に格納された情報を呼び出すシステムに応用され得る。
【００２３】
以下で説明するターゲットデバイスは、無線で電力を受信する装置を意味する。例えば、端末、スマートフォン、テレビ、家庭用電気機器、タブレット、コンピュータ、センサなどがターゲットデバイスであり得る。以下で説明するソースデバイスは、１つ以上のターゲットデバイスに無線で電力を供給する装置を意味する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による近距離無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。
【００２５】
図１を参照すると、無線電力を用いる通信システムは、ソースとターゲットから構成されるソース−ターゲット構造である。即ち、無線電力伝送システムは、ソースに該当する無線電力送信装置とターゲットに該当する無線電力受信装置を備える。
【００２６】
無線電力送信装置は、電力入力部１１０、電力送信部１２０、及びスイッチ部１３０を備えている。電力入力部１１０は、電源供給装置を用いてキャパシタにエネルギーを格納する。スイッチ部１３０は、キャパシタにエネルギーが格納される間に電力入力部１１０にキャパシタを接続し、キャパシタに格納されたエネルギーを放電する間に、電力入力部１１０に接続されたキャパシタを電力送信部１２０に接続する。スイッチ部１３０は、キャパシタが同時に電力入力部１１０及び電力送信部１２０に接続されないようにする。
【００２７】
電力送信部１２０は、電磁気エネルギーを受信部１４０に伝達する。より具体的に、電力送信部１２０の送信コイルＬ１は、受信部１４０の受信コイルＬ２との相互共振によって電力を伝達する。送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間に発生する相互共振の程度は相互インダクタンスＭによって決定される。
【００２８】
電力入力部１１０は入力電圧ＶＤＣ、内部抵抗Ｒｉｎ、及びキャパシタＣ１に、電力送信部１２０は電力送信部１２０に対応する物理的な性質を反映して基礎回路素子Ｒ１、Ｌ１、Ｃ１に、スイッチ部１３０は複数のスイッチに、それぞれモデリングされる。スイッチとして、オン及びオフ機能を行うことのできる能動素子が用いられてもよい。Ｒは抵抗成分、Ｌはインダクター成分、Ｃはキャパシタ成分を意味する。入力電圧ＶＤＣのうち、キャパシタＣ１に負荷される電圧はＶｉｎで表示する。
【００２９】
無線電力受信装置は、受信部１４０、電力出力部１５０、及びスイッチ部１６０を備える。受信部１４０は、電力送信部１２０から電磁気エネルギーを受信する。受信部１４０は、受信した電磁気エネルギーを接続されたキャパシタに格納する。スイッチ部１６０は、キャパシタにエネルギーが格納される間に受信部１４０にキャパシタを接続し、キャパシタに格納されたエネルギーを負荷に伝達する間に、受信部１４０に接続されたキャパシタを電力出力部１５０に接続する。スイッチ部１６０は、キャパシタが同時に受信部１４０及び電力出力部１５０に接続されないようにする。
【００３０】
具体的に、受信部１４０の受信コイルＬ２は、電力送信部１２０の送信コイルＬ１との相互共振によって電力を受信する。受信した電力によって受信コイルＬ２に接続されたキャパシタが充電される。電力出力部１５０は、キャパシタに充電された電力をバッテリに伝達する。電力出力部１５０は、負荷に電力を伝達してもよい。負荷は、電力を用いる装置に電力を消耗するターゲットデバイスであり得、電力を格納する装置、例えばバッテリである。
【００３１】
受信部１４０は受信部１４０に対応する物理的な性質を基礎回路素子Ｒ２、Ｌ２、Ｃ２に、電力出力部１５０は接続されるキャパシタＣ２及びバッテリに、スイッチ部１６０は複数のスイッチに、それぞれモデリングされる。受信コイルＬ２で受信するエネルギーのうち、キャパシタＣ２に負荷される電圧はＶｏｕｔで表示する。
【００３２】
上述のように、電力入力部１１０と電力送信部１２０、受信部１４０と電力出力部１５０を物理的に分離して電力を送信するいわゆるＲＩ（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）システムは、インピーダンスマッチングを用いた従来の方式に比べて様々な長所を有する。第１に、ＤＣ電源からソース共振器に直接電力を供給することが可能であるために電力増幅器を使用しなくてもよい。第２に、受信端のキャパシタに充電された電力でエネルギーをキャプチャーするため、整流器を通した整流作業を必要としない。第３に、インピーダンスマッチングを行う必要がないことから、伝送効率が送信端と受信端との間の距離変化に敏感ではない。また、複数の送信端及び複数の受信端を備える無線電力伝送システムにおける拡張が容易である。
【００３３】
図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態による無線電力送信装置のブロック図である。
【００３４】
図２（ａ）を参照すると、無線電力送信装置は、電力充電部２１０、制御部２２０、送信部２３０、測定部２４０、及び算出部２５０を備える。
【００３５】
電力充電部２１０は、電源供給装置から供給される電流を通じてソース共振器に電力を充電する。電源供給装置は、電力充電部２１０に含まれてもよく、電力充電部２１０の外部に位置してもよい。電力充電部２１０は、ＤＣ電源供給装置又はＡＣ電源供給装置から供給される電力によってソース共振器に電力を充電する。電力充電部２１０は、ＤＣ電源供給装置を用いてソース共振器に電力を充電することが容易である。しかし、電力充電部２１０は、ＡＣ電源供給装置を用いる場合にも、ＡＣ−ＤＣコンバータを用いてＤＣに電源を置き換えたり、スイッチを追加してスイッチを適切にタイミング調整したりすることによってソース共振器への電力を充電することができる。
【００３６】
ソース共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含む。ここで、電力充電部２１０は、電源供給装置から供給される電流を通じてインダクターに電力を充電する。インダクターに格納されるエネルギーの量はインダクタンスによって決定される。また、共振器のＱ値はインダクタンスの大きさに比例する。従って、インダクタンスが大きいほど、ソース共振器に格納されるエネルギーの量も大きくなり、ソース共振器のＱ値も大きくなる。無線電力送信装置は、インダクターのインダクタンスを調整することで、送信しようとする電力量を調整することができ、Ｑ値も調整可能である。
【００３７】
電力充電部２１０は、電源供給装置から供給される電流量を調整してインダクターに充電される電力のレベルを量子化することができる。インダクターに充電される電力の量は、インダクターに供給される電流量に応じて決定される。電力充電部２１０は、一定の時間に供給される電流量を調整することによってインダクターに充電される電力のレベルを多様にすることができ、量子化された電力量はデータを送信するために用いられる。
【００３８】
電力充電部２１０は、電源供給装置に直列に接続された可変抵抗を用いて電源供給装置から供給される電流量を調整する。可変抵抗の大きさに応じてインダクターに供給される電流の大きさが変化する。従って、電力充電部２１０は、可変抵抗を用いてインダクターに充電される電力のレベルを多様にすることができる。
【００３９】
直列に接続された可変抵抗の代わりに、電力充電部２１０は、電源供給装置と直列に接続され、それぞれが並列に接続された複数のインピーダンス及び複数のインピーダンスのそれぞれに直列に接続されたスイッチを用いて電源供給装置から供給される電流量を調整してもよい。スイッチの接続により電源供給装置とソース共振器との間に接続されるインピーダンスが決定される。インピーダンスに応じて電源供給装置からソース共振器に供給される電流量が決定される。
【００４０】
制御部２２０は、電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続を制御する。制御部２２０は、スイッチによって電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続をオン又はオフする。ここで、スイッチには、様々な種類の電子式、機械式のスイッチが使用され得る。
【００４１】
制御部２２０は、ソース共振器に充電された電力量に基づいて電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続を制御する。制御部２２０は、ソース共振器に充電された電力量がピーク値を有する場合に、電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続をオフする。例えば、電源供給装置からソース共振器のインダクターに電流が印加されて十分な時間が経過すると、インダクターは定常状態に達する。ここで、制御部２２０は、電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続をオフする。制御部２２０は、インダクターに流れる電流の値が時間経過によって一定の値を有する場合にインダクターが定常状態に達したと判断する。
【００４２】
測定部２４０は、ソース共振器のキャパシタに印加される電圧と、ソース共振器のインダクターに印加される電流を測定する。算出部２５０は、測定された電圧及び測定された電流に基づいてソース共振器に格納されたエネルギーを算出する。制御部２２０は、算出されたエネルギーに基づいて電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続を制御する。
【００４３】
制御部２２０は、ソース共振器に電力を充電するために電力充電部２１０と送信部２３０を電気的に接続するスイッチをオンし、ソース共振器に充電された電力を送信するために電力充電部２１０と送信部２３０を電気的に接続するスイッチをオフする。制御部２２０は、ソース共振器に充電された電力を相互共振によってターゲット共振器に送信する間に、電源供給装置からソース共振器に電流が供給されないように電源供給装置とソース共振器の電気的な接続を開放する。制御部２２０は、ソース共振器に電力を充電する場合にのみ、電源供給装置とソース共振器との間に接続されたスイッチをオンし、ソース共振器に所定の値の電力が充電されると、電源供給装置とソース共振器との間に接続されたスイッチをオフする。
【００４４】
制御部２２０は、電源供給装置から電流が十分に供給されてソース共振器が定常状態に達した場合に、電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続を開放する。ここで、電気的な接続の開放はスイッチがオフされることを意味する。
【００４５】
送信部２３０は、ソース共振器に充電された電力をソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってターゲット共振器に送信する。ソース共振器に電力が充電された後、電力充電部２１０と送信部２３０の電気的な接続が開放されると、ソース共振器は自体の特性によって共振を開始する。ソース共振器に格納されたエネルギーは、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってターゲット共振器に伝達される。相互共振の程度は相互インダクタンスＭによって決定される。
【００４６】
インダクターに格納され得るエネルギーの量は、インダクターの容量、即ちインダクタンスに比例し、ソース共振器のＱ値もインダクタンスに比例する。従って、無線電力送信装置は、インダクターに電流を印加して電力を充電する方式を用いることによってソース共振器で送信できる電力量を増加させると同時に、ソース共振器のＱ値を大きく保持することができる。また、ソース共振器に充電された電力をターゲット共振器に伝達する間には電力充電部２１０と送信部２３０との間のスイッチが接続されないため、スイッチによる伝送効率の減少を防止することができる。
【００４７】
図２（ｂ）を参照すると、無線電力送信装置は、図２（ａ）の算出部２５０の代わりに検出部２６０を備える。
【００４８】
検出部２６０は、測定部２４０から測定された電圧に基づいてソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を検出する。検出部２６０は、ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の波形から共振周波数成分を除去することによって包絡線を検出する。検出部２６０は、検出された包絡線を用いてソース共振器に充電されたエネルギーレベルを推定する。
【００４９】
制御部２２０は、包絡線の大きさが所定の値以下である場合に電力充電部２１０と送信部２３０が電気的に接続されるか又は接続されないようにスイッチをオン又はオフする。
【００５０】
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態による無線電力受信装置のブロック図である。
【００５１】
図３（ａ）を参照すると、無線電力受信装置は、充電部３１０、制御部３２０、電力出力部３３０、測定部３４０、及び算出部３５０を備える。
【００５２】
充電部３１０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってソース共振器に格納されたエネルギーをターゲット共振器に充電する。ターゲット共振器に充電される電力は、ソース共振器に充電された電力から相互共振によって伝えられる。ターゲット共振器は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含む。充電部３１０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを充電する。相互共振は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互インダクタンスの影響を受ける。相互インダクタンスの値が大きいほど相互共振が円滑に行なわれる。
【００５３】
制御部３２０は、充電部３１０と電力出力部３３０の電気的な接続を制御する。即ち、制御部３２０は、充電部３１０と電力出力部３３０の電気的な接続をオン又はオフする。制御部３２０は、ターゲット共振器に充電された電力量に基づいて充電部３１０と電力出力部３３０の電気的な接続を制御する。
【００５４】
制御部３２０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってターゲット共振器が充電される間にターゲット共振器から負荷に電力が伝えられないようにターゲット共振器と負荷の電気的な接続を開放する。例えば、制御部３２０は、ターゲット共振器に電力を充電する間に充電部３１０と電力出力部３３０を電気的に接続するスイッチをオフし、ターゲット共振器が充電される間にターゲット共振器と負荷を物理的に分離する。その後、ターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達するため、充電部３１０と電力出力部３３０を電気的に接続するスイッチをオンする。
【００５５】
また、制御部３２０は、ターゲット共振器の充電を制御する。ターゲット共振器の共振周波数は、ターゲット共振器のキャパシタ及びインダクターによって決定される。制御部３２０は、ターゲット共振器にキャパシタを追加的に接続してターゲット共振器の共振周波数を変更してもよい。ターゲット共振器の共振周波数が変更されると、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振は中断される。相互共振が中断されることによって、充電部３１０はターゲット共振器の充電を中断する。
【００５６】
制御部３２０は、ターゲット共振器に充電された電力量が所定値以上になった場合に、ターゲット共振器に追加キャパシタを接続し、共振周波数を変更することによってターゲット共振器の充電を終了させる。例えば、所定値は、ターゲット共振器に格納され得るエネルギーのピーク値である。また、所定値は負荷の充電容量を考慮して決定される。
【００５７】
電力出力部３３０は、ターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達する。負荷は、電力を用いる装置として電力を消耗するターゲットデバイスであり得、電力を格納する装置、例えばバッテリである。ターゲット共振器に充電された電力が所定の値以上になり、ターゲット共振器と負荷が電気的に接続されると、ターゲット共振器に充電された電力は負荷に伝えられる。ここで、ターゲット共振器は、負荷と共に上述したように追加的にキャパシタに接続されてもよい。従って、負荷に電力伝達を開始すると同時にターゲット共振器の共振周波数が変更されてターゲット共振器の充電が中断されるため、充電された電力はソース共振器に相互共振によって再び送信されることはない。電力出力部３３０は、負荷の充電要件に応じてターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達してもよい。例えば、負荷の充電要件は定格電圧や定格電流である。
【００５８】
測定部３４０は、ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧と、ターゲット共振器のインダクターに印加される電流を測定する。算出部３５０は、測定された電圧及び測定された電流に基づいてターゲット共振器に格納されたエネルギーを算出する。制御部３２０は、ターゲット共振器に格納されたエネルギーに基づいて充電部３１０と電力出力部３３０の電気的な接続を制御する。例えば、ターゲット共振器に格納されたエネルギーがピーク値になった場合に、制御部３２０は、充電部３１０と電力出力部３３０が電気的に接続されるようにスイッチをオンする。また、ターゲット共振器に格納されたエネルギーが所定の値以下である場合、制御部３２０は、充電部３１０と電力出力部３３０が電気的に接続されないようにスイッチをオフする。
【００５９】
図３（ｂ）を参照すると、無線電力受信装置は、図３（ａ）に示す算出部３５０の代わりに検出部３６０を備える。
【００６０】
検出部３６０は、測定部３４０から測定された電圧に基づいてターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出する。検出部３６０は、ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の波形から共振周波数成分を除去することによって包絡線を検出する。検出部３６０は、検出された包絡線を用いてターゲット共振器に充電されたエネルギーレベルを推定する。
【００６１】
制御部３２０は、包絡線がピーク値になった場合に充電部３１０と電力出力部３３０が電気的に接続されるようにスイッチをオンする。また、包絡線の大きさが所定の値以下である場合、制御部３２０は、充電部３１０と電力出力部３３０が電気的に接続されないようにスイッチをオフする。
【００６２】
図４は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。図４を参照すると、無線電力送信装置は、電力充電部４１０、制御部４２０、及び送信部４３０を備える。電力充電部４１０は、電源供給装置Ｖｉｎと抵抗Ｒｉｎから構成される。ソース共振器はキャパシタＣ１とインダクターＬ１から構成される。送信部４３０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってソース共振器に格納されたエネルギーを送信する。制御部４２０は、電力充電部４１０からソース共振器に電力を供給するためにスイッチをオンする。これにより電源供給装置ＶｉｎからキャパシタＣ１に電圧が印加され、インダクターＬ１に電流が印加される。定常状態に達すると、キャパシタＣ１に印加される電圧は０になり、インダクターＬ１に流れる電流はＶｉｎ／Ｒｉｎの値を有する。定常状態になるまでインダクターＬ１には印加される電流によって電力が充電される。
【００６３】
制御部４２０は、定常状態でソース共振器に充電された電力が所定値に達すると、スイッチをオフして電力充電部４１０と送信部４３０を分離する。ソース共振器は、キャパシタＣ１とインダクターＬ１との間で共振を開始し、相互インダクタンスＭ４７０を通じてソース共振器に格納されたエネルギーはターゲット共振器に伝えられる。ここで、ソース共振器の共振周波数ｆ１とターゲット共振器の共振周波数ｆ２は数式（１）に表現するように互いに同一である。
【００６４】
【数１】
0006022278.tif 000002
【００６５】
無線電力受信装置は、充電部４４０、制御部４５０、及び電力出力部４６０を備える。ターゲット共振器はキャパシタＣ２とインダクターＬ２から構成される。ソース共振器とターゲット共振器との間で相互共振するときに、ソース共振器は電源供給装置Ｖｉｎと分離され、ターゲット共振器は負荷ＬＯＡＤ及びキャパシタＣＬと分離される。ターゲット共振器のキャパシタＣ２とインダクターＬ２には相互共振によって電力が充電される。
【００６６】
制御部４５０は、ターゲット共振器に電力を充電するためにスイッチをオフする。スイッチがオフする間に、ターゲット共振器の共振周波数とソース共振器の共振周波数は一致して相互共振が発生する。制御部４５０は、ターゲット共振器に充電された電力が所定の値に達した場合に、スイッチをオンする。スイッチがオンされると、キャパシタＣＬが接続されてターゲット共振器の共振周波数が数式（２）のように変更される。
【００６７】
【数２】
0006022278.tif 000003
【００６８】
従って、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振が終了する。より詳しくは、ターゲット共振器のＱを考慮して、ｆ２’がｆ２よりも十分に低い場合に、相互共振チャネルが消滅する。同時に、電力出力部４６０は、キャパシタＣ２とインダクターＬ２に充電された電力を負荷ＬＯＡＤに伝達する。電力出力部４６０は、負荷ＬＯＡＤの必要に適する方式によって電力を伝達する。
【００６９】
制御部４５０は、ターゲット共振器に充電された電力が所定の値未満の場合に、スイッチをオフする。充電部４４０は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によって再びターゲット共振器に電力を充電する。
【００７０】
図５は、本発明の一実施形態による無線電力送信装置において並列ペアを用いる場合の一例を示す図である。図５を参照すると、電源供給装置ＶｉｎとキャパシタＣ１及びインダクターＬ１との間に直列に接続され、抵抗及びスイッチで構成された並列の複数のペアが位置する。このようなペアが並列に接続される構成を並列ペアと呼ぶ。
【００７１】
ペア１は抵抗Ｒｉｎ、１５１１及びスイッチＳＷ１５１３を含む。ペア２は抵抗Ｒｉｎ、２５２１及びスイッチＳＷ２５２３を含む。ペアｎは抵抗Ｒｉｎ、ｎ５３１及びスイッチＳＷｎ５３３を含む。スイッチ５１３、５２３、５３３のうち、オンされるスイッチによって電源供給装置ＶｉｎとキャパシタＣ１及びインダクターＬ１との間の抵抗値が決定される。決定された抵抗値に応じてインダクターＬ１に印加される電流量も決定される。従って、スイッチ５１３、５２３、５３３のオン及びオフを調整することでインダクターＬ１に印加される電流量が調整される。
【００７２】
それぞれのスイッチの独立的な動作に応じてソース共振器に入力される入力電流量が調整される。一般的にＳ⊆｛１、…、ｎ｝にあるスイッチがオンされるとき、ソース共振器に入力される電流量ｉｓは次のように算出される。
【００７３】
【数３】
0006022278.tif 000004
【００７４】
上述のように、並列ペアを用いることによって、無線電力送信装置は、最大２ｎの場合として電流量を調整することができる。様々なレベルの電流量は、エネルギー送信だけではなく、そのレベル値の変化によってデータ送信にも用いられる。また、各ペアのスイッチの最大許容電流量が充分ではない場合、無線電力送信装置は、並列ペアを用いて入力電流量を増加させることができる。例えば、スイッチの最大許容電流が３００ｍＡであり、ソース共振器で要求される最大充電電流量が１．２Ａである場合に、無線電力送信装置は、同一の種類のスイッチ４個を並列接続して最大充電電流量まで入力電流量を増加させることができる。
【００７５】
図６は、本発明の一実施形態による無線電力送信装置におけるソース共振器のインダクターに印加される電流及び電圧を示すグラフである。図６に示すグラフは、ソース共振器に電源供給装置が接続された場合にインダクターに印加される電流及び電圧を示す。ソース共振器と電源供給装置を接続するスイッチがオンされる時点が時間軸において０である。スイッチがオンされた瞬間、インダクターに電源供給装置から供給される電圧Ｖｉｎの全体がかけられる。時間が経過することによってインダクターに印加される電圧は小さくなり、インダクターに印加される電流は大きくなる。インダクターが定常状態に達した場合、インダクターに流れる電流はＶｉｎ／Ｒｉｎで一定の値を有する。インダクターに格納されたエネルギーが所定値に達した場合に、無線電力送信装置は、スイッチをオフし、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振を誘導する。
【００７６】
図７は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおけるソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によるエネルギー伝達を示すグラフである。より具体的に、図７は、無線電力受信装置がスイッチ動作によってターゲット共振器に格納されたエネルギーをキャプチャーするグラフである。「Ｉｎｐｕｔ」はソース共振器で送信されたエネルギーを示し、「Ｏｕｔｐｕｔ」はターゲット共振器で受信したエネルギーを示す。
【００７７】
無線電力送信装置で電源供給装置とソース共振器を接続するＴＸスイッチがオンされる間７１０、ソース共振器に電力が充電される。ソース共振器のインダクターに電流が印加されて充電される。ＴＸスイッチがオフされる時点７４０でソース共振器とターゲット共振器との間に相互共振が発生する。また、相互共振を発生するためにＴＸスイッチがオフされる間７２０、無線電力受信装置でターゲット共振器と負荷を接続するＲＸスイッチもオフを保持しなければならない。
【００７８】
ＲＸスイッチがオンされる時点７５０でターゲット共振器に追加的にキャパシタが接続されることで共振周波数が変更される。従って、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振が終了する。ＲＸスイッチがオンされる間７３０、ターゲット共振器に格納されたエネルギーはソース共振器に再び送信されることはなく負荷に伝達される。無線電力受信装置は、ターゲット共振器にエネルギーが最大に格納された瞬間にＲＸスイッチをオンし、ターゲット共振器に格納されたエネルギーをキャプチャーする。無線電力受信装置は、インダクターに印加される電圧の包絡線を検出して包絡線が最も大きい時点でＲＸスイッチをオンする。
【００７９】
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおける電圧、電流、及び包絡線検出の一例を示す図である。
【００８０】
図８Ａ（ａ）を参照すると、無線電力送信装置は、キャパシタＣ１に印加された電圧を検出８１０し、インダクターＬ１に印加された電流を検出８２０して、ソース共振器に格納されたエネルギーを算出する。ソース共振器に格納されたエネルギーは、数式（４）のように表現することができる。
【００８１】
【数４】
0006022278.tif 000005
【００８２】
無線電力送信装置は、検知された電圧及び検知された電流からソース共振器に実際に格納されたエネルギーを算出する。
【００８３】
図８（ｂ）を参照すると、無線電力送信装置は、キャパシタＣ１に印加される電圧の包絡線を検出８３０して、ソース共振器に格納されたエネルギーのレベルを推定する。無線電力送信装置は、キャパシタＣ１に印加された電圧から共振周波数成分を除去して包絡線を検出することによって、ソース共振器に格納されたエネルギーのレベルを容易に推定することができる。無線電力送信装置は、包絡線がピーク値になった場合に電源供給装置とソース共振器を接続するスイッチをオフする。
【００８４】
図示していないが、無線電力受信装置でもターゲット共振器に格納されたエネルギーを図８（ａ）又は（ｂ）に示す方法によって把握することができる。無線電力受信装置は、ターゲット共振器のキャパシタに充電された電圧とインダクターに充電された電流を検出し、検出された電圧及び検出された電流に基づいてターゲット共振器に格納されたエネルギーを算出することができる。また、無線電力受信装置は、ターゲット共振器のキャパシタに充電される電圧の包絡線を検出し、ターゲット共振器に格納されたエネルギーのレベルを推定することができる。無線電力受信装置は、包絡線がピーク値になった場合にターゲット共振器と負荷を接続するスイッチをオンする。
【００８５】
図９は、本発明の一実施形態による無線電力送信方法のフローチャートである。
【００８６】
ステップＳ９１０において、無線電力送信装置は、電源供給装置から供給される電流によってソース共振器に電力を充電する。ソース共振器は少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、無線電力送信装置は、電源供給装置から供給される電流によってインダクターに電力を充電する。無線電力送信装置は、電源供給装置から供給される電流量を調整してインダクターに充電される電力のレベルを量子化することができる。
【００８７】
ステップＳ９２０において、無線電力送信装置は、ソース共振器に所定値以上の電力量が充電されたか否かを判断する。所定値は、ソース共振器に充電され得る電力量のピーク値を意味する。或いは、無線電力受信装置で要求される所定の値であってもよい。無線電力送信装置は、ソース共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出し、ソース共振器に充電された電力量を推定する。無線電力送信装置は、ソース共振器のインダクターに充電された電力量が所定の値以上であるか否かを判断する。
【００８８】
ステップＳ９３０において、無線電力送信装置は、ソース共振器に充電された電力量が所定の値以上になった場合に、電源供給装置とソース共振器を接続するスイッチをオフして電気的な接続を開放する。ソース共振器に充電された電力量が所定の値未満の場合、ソース共振器が更に充電されるようにスイッチのオン状態を保持する。
【００８９】
ステップＳ９４０において、無線電力送信装置は、ソース共振器に充電された電力をソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってターゲット共振器に送信する。ソース共振器と電源供給装置が分離されると、ソース共振器のインダクターとキャパシタは共振する。ソース共振器とターゲット共振器は相互インダクタンスにより相互共振する。ここで、ソース共振器の共振周波数とターゲット共振器の共振周波数は一致する。
【００９０】
図１０は、本発明の一実施形態による無線電力受信方法のフローチャートである。
【００９１】
ステップ１０１０において、無線電力受信装置は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互共振によってソース共振器に充電された電力をターゲット共振器に充電する。ターゲット共振器は少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを含み、無線電力受信装置は、相互共振によって少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターを充電する。相互共振によって伝達されるエネルギーはキャパシタ及びインダクターを充電する。
【００９２】
ステップＳ１０２０において、無線電力受信装置は、ターゲット共振器に所定の値以上の電力量が充電されたか否かを判断する。ターゲット共振器に所定値未満の電力量が充電されている場合、無線電力受信装置は、継続してターゲット共振器を充電する。所定値は、ターゲット共振器に充電され得る電力量のピーク値を意味する。無線電力受信装置は、ターゲット共振器のキャパシタに印加される電圧の包絡線を検出し、ターゲット共振器に充電された電力量を推定する。
【００９３】
ステップＳ１０３０において、無線電力受信装置は、ターゲット共振器に充電された電力量が所定の値以上になった場合に、ターゲット共振器と負荷を接続するスイッチをオンして電気的な接続を短絡（ｃｌｏｓｅ）する。ターゲット共振器に充電された電力が所定の値未満の場合、スイッチをオフ状態に保持する。
【００９４】
ステップＳ１０４０において、無線電力受信装置は、ソース共振器とターゲット共振器との間の共振周波数を制御する。無線電力受信装置は、ターゲット共振器に追加的に接続されたキャパシタを用いてターゲット共振器の共振周波数を変更する。
【００９５】
ステップＳ１０５０において、無線電力受信装置は、ターゲット共振器に充電された電力を負荷に伝達する。無線電力受信装置は、負荷の充電要件に合わせて電力を伝達する。例えば、充電要件は、負荷の定格電圧、定格電流、又は必要電力を意味する。無線電力受信装置は、少なくとも１つのキャパシタ及びインダクターに充電された電力を負荷に伝達する。無線電力受信装置は、キャパシタだけでなく、インダクターに充電された電力を負荷に伝達することによって、ターゲット共振器に格納されたエネルギーを取得するポイントの制御を容易に行うことができる。
【００９６】
図１１は、本発明の他の実施形態による無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。より具体的には、図４と比較すると、図１１に示す無線電力伝送システムは、リレイ共振器１１３０がソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０との間に追加される構造である。
【００９７】
図１１を参照すると、リレイ共振器１１３０は、ソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０との間に位置し、ソース共振器１１１０からターゲット共振器１１２０に送信される無線電力の伝送効率を増加させる。
【００９８】
リレイ共振器１１３０は受動共振器で構成される。受動とは無線電力の伝送効率を高めるためにリレイ共振器１１３０が自主的に別途の動作を行わないことを意味する。即ち、別途の動作電源なしにソース共振器１１１０からエネルギーが伝達され、伝達されたエネルギーをターゲット共振器１１２０に伝達する役割を行う。リレイ共振器１１３０は、ソース共振器１１１０及びターゲット共振器１１２０と同一の共振周波数で作動する。例えば、リレイ共振器１１３０はキャパシタＣ３及びインダクターＬ３で構成される。
【００９９】
ソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０との間の距離はｄ、ソース共振器１１１０とリレイ共振器１１３０との間の距離はｄ１、リレイ共振器１１３０とターゲット共振器１１２０との間の距離はｄ２である。
【０１００】
リレイ共振器１１３０は、ソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０との間のいずれの位置でもリレイの役割を行うことができるが、ソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０から同一の距離に位置する場合に、最も効率的なリレイの役割を行うことができる。即ち、ｄ１＝ｄ２＝ｄ／２である場合に、リレイ共振器１１３０は、ソース共振器１１１０から伝達された電力を効率よくターゲット共振器１１２０に伝達することができる。
【０１０１】
無線電力の伝送効率は２つの共振器との間の結合係数に比例する。ところが、一般的に２つの共振器間の結合係数（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ｋ）は２つの共振器間の距離の３乗に反比例する。即ち、ｋ＝α／ｄ＾３（αは任意の定数）である。
【０１０２】
従って、図１１に示すソース共振器１１１０、ターゲット共振器１１２０、及びリレイ共振器１１３０の距離関係ｄ１＝ｄ２＝ｄ／２である場合を結合係数の関係に置換すると、ｋ１３＝ｋ２３＝８×ｋ１２であることが分かる。ここで、ｋ１３＝ｋ２３の１、２、３はそれぞれソース共振器１１１０、ターゲット共振器１１２０、及びリレイ共振器１１３０を示す。例えば、ｋ１２はソース共振器１１１０とターゲット共振器１１２０との間の結合係数を示す。
【０１０３】
Ｃｏｕｐｌｅｄ  ｍｏｄｅ  ｔｈｅｏｒｙ（ＣＭＴ）を用いて、近接場での３つの共振器モデリングを、上述した結合係数関係ｋ１３＝ｋ２３＝８×ｋ１２を代入して算出すると、数式（５）のようなリレイゲインに関する式が誘導される。ＣＭＴは、光学物理分野で用いられるモデルとして、弱い相互結合（ｋ  ｉｓ  ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ  ｓｍａｌｌ）状態における複数共振期間のエネルギー送信を解釈するための近似的なモデルである。
【０１０４】
【数５】
0006022278.tif 000006
【０１０５】
ここで、Ｇｒはリレイゲイン、Ｑは共振器のクォリティーファクターであり、３つの共振器は同一のＱを有するものと仮定する。
【０１０６】
図１２は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システムにおける無線電力の伝送効率を示すグラフである。
【０１０７】
より具体的に、図１２は、図１１の構造においてｋ１２を変化させた場合に、リレイ共振器によってソース共振器からターゲット共振器に送信される無線電力の伝送効率を示すグラフである。例えば、ｋ１２を変化させることはソース共振器とターゲット共振器との間の距離を増加させることを意味する。
【０１０８】
図１２を参照すると、凡例（ｌｅｇｅｎｄ）の「Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ」と「Ａｎａｌｙｓｉｓ」は、リレイ共振器が存在する場合にＣＭＴモデルを用いて無線電力の伝送効率を解釈する方式を示す。それぞれの数値解釈的な方法又は理論によって誘導された閉形式の解（ｃｌｏｓｅｄ  ｆｏｒｍ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）が示される。ここで、閉形式の解のそれぞれは結合係数が変化した場合に対応する伝送効率を示す。「ｗ／ｏ  ｒｅｌａｙ」は、リレイ共振器がない場合のソース共振器とターゲット共振器との間の伝送効率を示す。
【０１０９】
図１２を参照すると、ソース共振器とターゲット共振器との間の結合係数ｋ１２が小さいほどリレイ共振器による効果が著しいことが分かる。言い換えると、ソース共振器とターゲット共振器との間の物理的な距離が遠いほど、リレイ共振器が追加されることにより伝送効率が大きく向上する可能性があることを意味する。リレイ共振器は、ソース共振器及びターゲット共振器と同一の共振周波数を有し、ソース共振器及びターゲット共振器から同一の距離に位置する。
【０１１０】
上述した方法は、多様なコンピュータ手段を介して様々な処理を実行することができるプログラム命令の形態で具現され、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などの単独又は組み合わせたものを含んでもよい。記録媒体に記録されるプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり使用可能なものであってもよい。
【０１１１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１１０    電力入力部
１２０    電力送信部
１３０、１６０    スイッチ部
１４０    受信部
１５０、３３０、４６０    電力出力部
２１０、４１０    電力充電部
２２０、３２０、４２０、４５０    制御部
２３０、４３０    送信部
２４０、３４０    測定部
２５０、３５０    算出部
３１０、４４０    充電部
４７０    相互インダクタンスＭ
７１０    ＴＸスイッチがオンされる間
７２０    ＴＸスイッチがオフされる間
７３０    ＲＸスイッチがオンされる間
７４０    ＴＸスイッチがオフされる時点
７５０    ＲＸスイッチがオンされる時点
８１０    キャパシタＣ１に印加された電圧を検出
８２０    インダクターＬ１に印加された電流を検出
８３０    キャパシタＣ１に印加された電圧の包絡線を検出
１１１０    ソース共振器
１１２０    ターゲット共振器
１１３０    リレイ共振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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