Development of load-independent single-input multiple-output wireless power transfer system with high frequency

ワイヤレス給電システムには解決すべき課題が山積している。特に負荷変動による電力伝送特性の低下への対応は最重要な課題となる。この対策として、負荷変動の情報を検知し、送電側にその情報をフィードバックすることで出力を調整する制御システムを構築するアプローチが常識的かつ一般的である。しかし、情報のフィードバックには無線通信を用いなければならず、その送電遅延を補償した制御システムの構築は容易ではない。また、複数の受電デバイスからのフィードバック情報を送電側で処理するためには、計算処理の困難度や計算負荷の増加に対する問題にも対応しなければならない。これらの流れはMHz帯のワイヤレス給電システムの特徴である小型化の利点を帳消しにしかねない。本研究では、負荷変動にロバストな一送電多受電ワイヤレス給電システムを開発することを目的とする。本研究のアイディアは30年前に提案され、これまで陽の目をみなかった、負荷変動に依存せず、安定した出力とソフトスイッチングを常に達成できる「負荷非依存モード」に光を当て、これをワイヤレス給電システム設計に応用することにある。本年度は送電部にE級インバータ、受電部にD級整流器を適用した1入力1出力のワイヤレス給電システムに負荷非依存モードを搭載するための設計理論を確立した。解析の中、入力電流の交流成分を考慮しなければならないことを明らかにし、フーリエ解析とフィルタ理論を駆使することで、上記の回路構成を備えるワイヤレス給電システムにおいて、ソフトスイッチングと定出力を常に達成する負荷非依存モードの解析表現法を新たに確立することができた。さらに、具体的なシステムを設計し、実験による動作確認を行った。その結果、高周波でソフトスイッチングと定出力動作を達成することを確認し、高効率動作と高性能化の両立が図れることを示すことができた。

ワイヤレス給電システムには解決すべき課題が山積している。特に負荷変動による電力伝送特性の低下への対応は最重要な課題となる。この対策として、負荷変動の情報を検知し、送電側にその情報をフィードバックすることで出力を調整する制御システムを構築するアプローチが常識的かつ一般的である。しかし、情報のフィードバックには無線通信を用いなければならず、その送電遅延を補償した制御システムの構築は容易ではない。また、複数の受電デバイスからのフィードバック情報を送電側で処理するためには、計算処理の困難度や計算負荷の増加に対する問題にも対応しなければならない。これらの流れはMHz帯のワイヤレス給電システムの特徴である小型化の利点を帳消しにしかねない。本研究では、負荷変動にロバストな一送電多受電ワイヤレス給電システムを開発することを目的とする。本研究のアイディアは30年前に提案され、これまで陽の目をみなかった、負荷変動に依存せず、安定した出力とソフトスイッチングを常に達成できる「負荷非依存モード」に光を当て、これをワイヤレス給電システム設計に応用することにある。本年度は送電部にE級インバータ、受電部にD級整流器を適用した1入力1出力のワイヤレス給電システムに負荷非依存モードを搭載するための設計理論を確立した。解析の中、入力電流の交流成分を考慮しなければならないことを明らかにし、フーリエ解析とフィルタ理論を駆使することで、上記の回路構成を備えるワイヤレス給電システムにおいて、ソフトスイッチングと定出力を常に達成する負荷非依存モードの解析表現法を新たに確立することができた。さらに、具体的なシステムを設計し、実験による動作確認を行った。その結果、高周波でソフトスイッチングと定出力動作を達成することを確認し、高効率動作と高性能化の両立が図れることを示すことができた。