JP2014209813A - 無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の発熱制御方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値を調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整することを特徴としている。
これにより、負荷変動特性を大きくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量が大きくなるため、前記所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力電流値の変化量が大きくなる。そして、無線電力伝送装置の入力電流値の変化量を大きくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における過剰な入力電力を抑制でき、無線電力伝送装置(給電モジュール及び受電モジュール)の過剰な発熱を抑制することができる。
逆に、負荷変動特性を小さくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量が小さくなるため、前記所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力電流値の変化量が小さくなる。そして、無線電力伝送装置の入力電流値の変化量を小さくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における短時間での急な無線電力伝送装置(給電モジュール及び受電モジュール)の温度変化を抑制することができる。
前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数の少なくとも一つを調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整することを特徴としている。
これにより、負荷変動特性を大きくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量が大きくなるため、前記所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力電流値の変化量が大きくなる。そして、無線電力伝送装置の入力電流値の変化量を大きくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における過剰な入力電力を抑制でき、無線電力伝送装置(給電コイル、給電共振器、受電共振器、受電コイル)の過剰な発熱を抑制することができる。
逆に、負荷変動特性を小さくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量が小さくなるため、前記所定の充電時間に対する無線電力伝送装置の入力電流値の変化量が小さくなる。そして、無線電力伝送装置の入力電流値の変化量を小さくすれば、定電流充電から定電圧充電に移行した際における短時間での急な無線電力伝送装置(給電コイル、給電共振器、受電共振器、受電コイル)の温度変化を抑制することができる。
前記駆動周波数を調整することによって、前記定電圧充電時における当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の増減傾向を調整できるようにしたことを特徴としている。
前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値を調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整する工程を含むことを特徴としている。
以下に本発明に係る無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の発熱制御方法、及び、無線電力伝送装置の製造方法の実施形態について説明する。まず、本実施形態で使用する無線電力伝送装置1について説明する。
無線電力伝送装置1は、図1に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備える給電モジュール2と、受電コイル31及び受電共振器32を備える受電モジュール3とを備えている。そして、給電モジュール2の給電コイル21に、給電モジュール2に供給する電力の駆動周波数を所定の値に設定した発振回路を備えた交流電源6を接続し、受電モジュール3の受電コイル31に、受電された交流電力を整流化する安定回路7及び過充電を防止する充電回路8を介してリチウムイオン二次電池9を接続している。なお、本実施形態では、安定回路7、充電回路8、及び、リチウムイオン二次電池9は、被給電機器10に相当する。
・・・(式1)
・・・(式2)
・・・(式3)
・・・(式4)
上記無線電力伝送装置1の構成を踏まえて、無線電力伝送装置1の発熱制御方法について説明する。
・・・(式5)
・・・(式6)
・・・(式7)
逆に、定電圧充電時(CV)における充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動特性を小さくすることができれば、所定の充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力電流Iinの変化量を小さくして、短時間での急な無線電力伝送装置1の温度変化を抑制することができることが分かる。
本実施形態では、無線電力伝送装置1を使用して、リチウムイオン二次電池9に定電流定電圧充電を行う場合、定電圧充電時(CV)の入力インピーダンスZinの値を大きくするために、後述する無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』が双峰性の性質を有するように、給電コイル21のRLC回路のR1、L1、C1、給電共振器22のRLC回路のR2、L2、C2、受電共振器32のRLC回路のR3、L3、C3、受電コイル31のRLC回路のR4、L4、C4における抵抗値、インダクタンス、コンデンサ容量、及び、結合係数k12、k23、k34などの給電モジュール2及び受電モジュール3を構成する変更可能なパラメータを設定する。そして、無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』を双峰性の性質を有するようにしたうえで、無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数を調整することによって、定電圧充電時における無線電力伝送装置1の入力インピーダンス値の増減傾向を設定し、無線電力伝送装置1の発熱量を抑制する。
上記無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』を双峰性の性質を有するように設定した場合に、無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数を調整することによって、定電圧充電時における無線電力伝送装置1の入力インピーダンス値がどのような増減傾向を示すのかを、測定実験1−1〜1−3により説明する。
ここで、本測定実験においては、無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』が、双峰性の性質を有するもので測定している。そして、伝送特性『S21』とは、ネットワークアナライザ(アジレント・テクノロジー株式会社製のE5061Bなど)を無線電力伝送装置1に接続して計測される信号を表しており、デシベル表示され、数値が大きいほど電力伝送効率が高いことを意味する。そして、無線電力伝送装置1に供給する電力の駆動周波数に対する無線電力伝送装置1の伝送特性『S21』は、給電モジュール2及び受電モジュール3の間の磁界による結びつき度合い(磁界結合)の強度により、単峰性の性質を有するものと双峰性の性質を有するものに分かれる。そして、単峰性とは、駆動周波数に対する伝送特性『S21』のピークが一つで、そのピークが共振周波数帯域(f0)において現れるものをいう(図4の破線51参照)。一方、双峰性とは、駆動周波数に対する伝送特性『S21』のピークが二つあり、その二つのピークが共振周波数よりも低い駆動周波数帯域(fL)と共振周波数よりも高い駆動周波数帯域(fH)において現れるものをいう(図4の実線52参照)。更に詳細に双峰性を定義すると、上記ネットワークアナライザに無線電力伝送装置1を接続して計測される反射特性『S11』が二つのピークを有する状態をいう。従って、駆動周波数に対する伝送特性『S21』のピークが一見して一つに見えたとしても、計測されている反射特性『S11』が二つのピークを有する場合には、双峰性の性質を有するものとする。なお、電力伝送効率とは、給電モジュール2に供給される電力に対する、受電モジュール3が受電する電力の比率のことをいう。
測定実験1−1では、双峰性における低周波側のピーク付近の周波数fLに、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を設定した場合(同相共振モード:fL=870kHz)の充電時間(Charging Time(min))に対する入力電流Iin、及び、入力インピーダンスZinを測定し、その測定結果を図6に示す。なお、入力電圧Vinは5V(一定)である。
測定実験1−2では、双峰性における高周波側のピーク付近の周波数fHに、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を設定した場合(逆相共振モード:fH=1070kHz)の充電時間(Charging Time(min))に対する入力電流Iin、及び、入力インピーダンスZinを測定し、その測定結果を図7に示す。なお、入力電圧Vinは5V(一定)である。
測定実験1−3では、双峰性における共振周波数f0に、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を設定した場合(共振周波数:f0=970kHz)の充電時間(Charging Time(min))に対する入力電流Iin、及び、入力インピーダンスZinを測定し、その測定結果を図8に示す。なお、入力電圧Vinは5V(一定)である。
次に、例えば、上記測定実験1−1のように定電圧充電時(CV)における無線電力伝送装置1の入力インピーダンス値の増減傾向を増加傾向に設定した場合、定電圧充電時(CV)における充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量である負荷変動特性を大きくすることができれば、所定の充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力電流Iinの変化量を大きくして、定電流充電から定電圧充電に移行した際における過剰な入力電力を抑制でき、無線電力伝送装置1の過剰な発熱を、即応性を持って抑制することができる。
本実施形態では、結合係数k12、k23、k34、を変えることにより、上記負荷変動特性を調整する。そして、結合係数k12、k23、k34、をどのように変えることにより、負荷変動特性がどのように変わるのかを、測定実験2−1〜2−5により説明する。
測定実験2−1で使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.65Ω、0.65Ω、2.47Ω、2.0Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、3.1μH、3.1μH、18.4μH、12.5μHに設定した。また、給電共振器22及び受電共振器32における共振周波数は970kHzである。
測定実験2−2で使用する無線電力伝送装置1は、測定実験2−1と同じものである。そして、測定実験2−2では、無線電力伝送装置1を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数(f0)に設定している。そして、結合係数k23、k34をそれぞれ、0.20、0.52に固定したうえで、結合係数k12を0.3にした場合と、結合係数k12を0.46にした場合における、リチウムイオン二次電池9に充電(給電)を行った際の入力インピーダンスZinを測定する。なお、測定実験2−2では、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数(f0)に設定することにより、定電流による充電(CC)から定電圧による充電(CV)に移行してからの入力インピーダンスZinの値が減少傾向になるようにしている。
測定実験2−3で使用する無線電力伝送装置1は、測定実験2−1と同じものである。そして、測定実験2−2では、無線電力伝送装置1を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を、逆相共振モード(fH)に設定している。そして、結合係数k12、k23をそれぞれ、0.46、0.20に固定したうえで、結合係数k34を0.25にした場合と、結合係数k34を0.52にした場合における、リチウムイオン二次電池9に充電(給電)を行った際の入力インピーダンスZinを測定する。
測定実験2−4で使用する無線電力伝送装置1は、測定実験2−1と同じものである。そして、測定実験2−4では、無線電力伝送装置1を双峰性の性質に設定したうえで、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数(f0)に設定している。そして、結合係数k12、k23をそれぞれ、0.46、0.20に固定したうえで、結合係数k34を0.25にした場合と、結合係数k34を0.52にした場合における、リチウムイオン二次電池9に充電(給電)を行った際の入力インピーダンスZinを測定する。なお、測定実験2−4では、測定実験2−2同様に、給電モジュール2に供給する交流電力の駆動周波数を、給電共振器22及び受電共振器32が有する共振周波数(f0)に設定することにより、定電流による充電(CC)から定電圧による充電(CV)に移行してからの入力インピーダンスZinの値が減少傾向になるようにしている。
測定実験2−5で使用する無線電力伝送装置1におけるR1、R2、R3、R4の値をそれぞれ、0.7Ω、0.7Ω、2.5Ω、2.0Ωに設定した。また、L1、L2、L3、L4の値をそれぞれ、3.1μH、3.1μH、18.4μH、12.5μHに設定した。また、C1、C2、C3、C4の値をそれぞれ、8.7nF、8.7nF、1.5nF、2.3nFに設定した。また、給電共振器22及び受電共振器32における共振周波数は970kHzである。
一方、結合係数k12を0.46、結合係数k34を0.52にした場合、定電流充電(CC)から定電圧充電(CV)に移行したあたり(充電時間30分と40分の間)における給電コイル21の表面温度は約39.1℃であり、定電圧充電(CV)に移行してから約40分経過したとき(充電時間80分)の給電コイル21の表面温度は約37.6℃であった。即ち、給電コイル21の表面温度は、1.5℃(39.1−37.6℃)も下がっていた。
次に、上記負荷変動特性を調整するためのパラメータである結合係数の調整方法について説明する。
逆に、負荷変動特性を小さくすれば、定電流充電(CC)から定電圧充電(CV)に移行した際における所定の充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力インピーダンスZinの値の変化量が小さくなるため、所定の充電時間に対する無線電力伝送装置1の入力電流Iinの値の変化量が小さくなる。そして、無線電力伝送装置1の入力電流Iinの値の変化量を小さくすれば、定電流充電(CC)から定電圧充電(CV)に移行した際における短時間での急な無線電力伝送装置1(給電コイル21、給電共振器22、受電共振器32、受電コイル31)の温度変化を抑制することができる。
次に、無線電力伝送装置1を製造する一工程である、設計方法(設計工程)について、図14及び図15を参照して説明する。本説明では、無線電力伝送装置1を搭載する携帯機器としてイヤホンスピーカ部200aを備えた無線式ヘッドセット200、及び、充電器201を例にして説明する(図14参照)。
まず、図15に示すように、リチウムイオン二次電池9の容量、及び、リチウムイオン二次電池9の充電に必要とされる充電電流から、受電モジュール3が受電する受電電力量が決まる(S1)。
上記製造方法の説明では、無線式ヘッドセット200を例示して説明したが、二次電池を備えた機器であれば、タブレット型PC、デジタルカメラ、携帯電話、イヤホン型音楽プレイヤー、補聴器、集音器などにも使用することができる。
2 給電モジュール
3 受電モジュール
6 交流電源
7 安定回路
8 充電回路
9 リチウムイオン二次電池
10 被給電機器
21 給電コイル
22 給電共振器
31 受電コイル
32 受電共振器
200 無線式ヘッドセット
201 充電器
Claims (11)
- 給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の発熱制御方法であって、
前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値を調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整することを特徴とする無線電力伝送装置の発熱制御方法。 - 少なくとも給電コイル及び給電共振器を備えた給電モジュールから、少なくとも受電共振器及び受電コイルを備え、且つ、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して共振現象によって電力を供給する無線電力伝送装置の発熱制御方法であって、
前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数の少なくとも一つを調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整することを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。 - 前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、及び、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数を大きくすることにより、前記負荷変動特性を大きくすることを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 前記給電コイルと前記給電共振器との間の結合係数、前記給電共振器と前記受電共振器との間の結合係数、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の結合係数の値は、それぞれ前記給電コイルと前記給電共振器との間の距離、前記給電共振器と前記受電共振器との間の距離、前記受電共振器と前記受電コイルとの間の距離を変化させることにより調整されることを特徴とする請求項2〜5の何れかに記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 前記給電モジュールに供給する電力の駆動周波数に対する伝送特性の値が、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける共振周波数よりも低い駆動周波数帯域及び前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域にそれぞれピークを有する双峰性の特性を有するように、前記給電モジュール及び前記受電モジュールを構成する可変可能なパラメータを設定することにより、
前記駆動周波数を調整することによって、前記定電圧充電時における当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の増減傾向を調整できるようにしたことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。 - 前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも低い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域、又は、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値に対応する帯域に設定し、前記定電圧充電時における当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値が増加傾向になるように調整することを特徴とする請求項7に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 前記給電モジュールに供給する電力の前記駆動周波数を、前記給電モジュール及び受電モジュールにおける前記共振周波数よりも低い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値と前記共振周波数よりも高い駆動周波数帯域に現れる伝送特性のピーク値との間の谷間に対応する帯域に設定し、前記定電圧充電時における当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値が維持又は低下傾向になるように調整することを特徴とする請求項7に記載の無線電力伝送装置の発熱制御方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の発熱制御方法により調整されたことを特徴とする無線電力伝送装置。
- 給電モジュールから、定電流・定電圧充電方式により充電可能な二次電池を含む被給電機器が接続された受電モジュールに対して磁界を変化させて電力を供給する無線電力伝送装置の製造方法であって、
前記給電モジュール、及び、前記受電モジュールが有するコイル間における結合係数の値を調整することにより、前記定電圧充電時における充電時間に対する当該無線電力伝送装置の入力インピーダンス値の変化量である負荷変動特性を調整する工程を含むことを特徴とする無線電力伝送装置の製造方法。
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