JP2018501761A - 誘導電力送信機及び電力フロー制御方法 - Google Patents

Abstract

誘導電力送信機（２）は、制御可能なＤＣ電圧源（５）と、制御可能なＤＣ電圧源（５）からＤＣ電力供給を受信し、誘導電力伝達システム（１）の送信機コイル（７）を駆動するＡＣ出力波形を生成するＤＣ−ＡＣコンバータ（６）と、制御可能なＤＣ電圧源（５）によりＤＣ−ＡＣコンバータ（６）に供給される電流を測定する電流センサ（９）と、電流センサ（９）により測定された電流に基づきＤＣ電圧源（５）の出力電圧を調整するコントローラ（８）と、を含む。

Description

本発明は、概して、誘導電力送信機に関し、限定することなく詳しく述べると、誘導電力伝達システム及び電力フロー制御方法に関する。

ＩＰＴ（誘導電力伝達）システムは、確立された技術（例えば、電動歯ブラシの無線充電）及び開発中の技術（例えば、"充電マット"上のハンドヘルドデバイスの無線充電）のよく知られた分野である。ＩＰＴシステムにおいては、効率的な動作のためにある形式の電力フロー制御が必要とされ、システムの複雑さと能力とのトレードオフになる。

伝統的に、ＩＰＴ送信機の無効電力供給は、２次回路での固定負荷を持つ回路デザインにより予め決められている。

ＩＰＴ送信機側での電力フロー制御を行わず、ＩＰＴ受信機側で電力フロー制御を行うシステムでは、ＩＰＴ送信機が、常に、ＩＰＴ受信機での最大電力要求に適合する様に動作するため、低いシステム効率となる。

ＩＰＴ送信機側で電力フロー制御を行い、ＩＰＴ受信機側で電力フロー制御を行わないシステムは、送信機側で測定された電気的パラメータに基づき、インバータの動作周波数、インバータへの電力供給、或いは、スイッチドインバータ出力波形のデューティサイクルを変更することを含む、種々のアプローチを使用することで達成され得る。しかしながら、ＩＰＴ送信機側のみでの電力フロー制御は、ＩＰＴ受信機側による電力需要のＩＰＴ送信機側での予測と、ＩＰＴ送信機側での電力フロー制御との間に遅延があるので、電力供給の不連続性につながる。

良好な電力フロー制御は、送信機と受信機で通信する場合に達成され得るが、これは、コストと、システムの複雑性とを増加させる。

本発明は、比較的に簡易な構成を使用して良好な電力フロー制御を達成する誘導電力伝達システムと、電力フロー制御方法とを提供、或いは、少なくとも役に立つ選択を公共に提供するものである。

例示的な一実施形態によると、
ａ．制御可能なＤＣ電圧源と、
ｂ．制御可能なＤＣ電圧源からＤＣ電力供給を受信し、誘導電力伝達システムの送信機コイルを駆動するＡＣ出力波形を生成するＤＣ−ＡＣコンバータと、
ｃ．制御可能なＤＣ電圧源によりＤＣ−ＡＣコンバータに供給される電流を測定する電流センサと、
ｄ．電流センサにより測定された電流に基づきＤＣ電圧源の出力電圧を調整するコントローラと、
を含む誘導電力送信機が提供される。

さらに、電力フロー制御を有する誘導電力受信機に電力を供給し、制御可能なＤＣ電圧源から送信機コイルを駆動するＤＣ−ＡＣコンバータを含む誘導電力送信機を制御する方法であって、
ａ．制御可能なＤＣ電圧源により出力される電流を監視することと、
ｂ．監視された電流に基づき、送信される電力が誘導電力受信機により要求される電力よりマージンだけ高く計算される様に、制御可能なＤＣ電圧源により出力される電圧を制御することと、
を含む方法が提供される。

用語"含む"は、様々な司法権のもと、排他的又は包括的な意味とされることが確認される。この明細書の目的において、特に述べない限り、この用語は、包括的な意味を有することが意図される。つまり、直接参照している列挙された部品は含まれるが、特定されない他の部品又は要素も存在し得ることを意味する。

この明細書の総ての文献への参照は、それが従来技術であることや、その様な従来技術が周知技術の部分を形成していると自認したものではない。

本出願書類に組み込まれ、本出願書類の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、上記本発明の一般的な記述及び以下の実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理の説明を提供する。

誘導電力伝達システムの構成図。 一実施形態によるＤＣ−ＡＣコンバータのデザインを含む回路構成図。

図１は、ＩＰＴ送信機２及びＩＰＴ受信機３を含む誘導電力伝達システム１の構成図である。送信機２は、本例においては、ＤＣ入力供給４を受信するＤＣ−ＤＣコンバータである制御可能なＤＣ電圧源５を含む。ＤＣ電圧源５は、バック・コンバータ、或いは、バック・ブースト・コンバータであり得るが、広い入力電圧範囲で動作できるバック・ブースト・コンバータが好ましい。制御可能なＤＣ電圧源５は、送信機コイル７を駆動するＤＣ−ＡＣコンバータ６（ブースト・モードで適切に動作する）に調整されたＤＣ出力電圧を提供する。物理的な実現として、ＤＣ−ＡＣコンバータは、制御可能なＤＣ電圧源を含み得る。電流センサ９は、制御可能なＤＣ電圧源５によりＤＣ−ＡＣコンバータ６に供給される電流を測定し、電圧センサ１０は、制御可能なＤＣ電圧源５の出力電圧を測定する。コントローラ８（適切なマイクロ・コントローラ）は、センサ９及び１０からこれらの情報を受信し、それに応じて制御可能なＤＣ電圧源５の出力電圧を制御する。コントローラ８は、ＤＣ−ＡＣコンバータ６のスイッチングも制御する。

ＩＰＴ受信機３は、整流器１２に電力を供給する受信機コイル１１を含み、整流器１２は、本例ではＤＣ−ＤＣコンバータの形式である電力フロー・コントローラ１３に電力を供給する。

図２は、ＤＣ−ＡＣコンバータ６のプッシュ・プル実装の例示的な回路構成を示している。このデザインにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５からの電流は、各ブランチのインダクタ１４及び１５に分岐され、各ブランチは、送信機コイル７と共振キャパシタ１６を含む並列共振構成の一端に接続される。スイッチ１７及び１８は、並列共振回路の１つのブランチを交互にグラウンドに接続するように、コントローラ８により制御される。この実施形態において、スイッチ１７及び１８は、コンバータの共振周波数の固定周波数、或いは、共振周波数の近傍の固定周波数でスイッチされ得る。

図２は、プッシュ・プル・コンバータ・トポロジを示しているが、制御可能なＤＣ−ＡＣ変換にバック、ブースト、或いは、バック・ブーストで動作する他のコンバータ・タイプを適用することもできる。その様なコンバータは、例えば、フライバック、フルブリッジ、ハーフブリッジ等、当業者に理解される方法のトポロジで実現できる。

送信機側の電力フロー制御は、多くの方法で実行され得る。一実施形態によると、送信機側電力フロー制御は、電流センサ９により測定された電流に基づき、制御可能なＤＣ電圧源５により出力される電圧を制御することにより達成される。プッシュ・プル回路により引かれる電流の大きさは、受信機側の見かけ上の負荷（実負荷と結合係数）を示している。プッシュ・プル回路に供給されるＤＣ電圧は、（ＤＣ−ＤＣ電力コンバータ５を制御することで）調整され、その結果、送信機コイル７の無効電力は、ＩＰＴ受信機３の負荷により引かれる電力に凡そで対応する（つまり、高すぎたり、低すぎたりしない）。無効電力を動的に制御することでより効果的な電力伝達を達成する。制御可能なＤＣ電圧源５の出力電圧は、制御可能なＤＣ電圧源の出力電流を、出力電流のヒステリシスに従い、所定範囲内に、好ましくは範囲の中間内に維持する様に調整される。ＩＰＴ送信機により供給される出力電力は、送信機側制御の任意の遅延を補償するため、好ましくは、ＩＰＴ受信機により要求される電力より、約５％と約２０％との間である所定マージンだけ高く設定される。ＩＰＴ受信機も電力フロー制御を有するため、これは可能である。この方法は、電流センサのみが必要になるという利点を有する。

送信機側電力フロー制御を実行する他の方法は、電圧センサ１０及び電流センサ９の測定に基づき、コントローラ８が、供給される電力の変化に応じて制御可能なＤＣ電圧源の出力電圧を調整することである。

センサ９と１０から情報を受信する間には小さな固有の遅延があり、コントローラ８により制御可能なＤＣ電圧源５の出力電圧を調整する。電圧調整は、瞬間的ではないので、負荷が突然に変化した場合にＩＰＴ受信機側で生じ得る総ての電力不足を補償するため、プッシュ・プル・コンバータは、望ましくは、ブースト・モードで動作する。小さな、或いは、瞬間的な負荷の変化の補償を助けるため、コントローラ８は、無効電力の追加量（好ましくは、約５％と約２０％との間）を供給する様に予めプログラムされ得る。

このＩＰＴシステム・デザイン及び制御方法は、負荷に拘らず、ＩＰＴ受信機に十分な電力を配信するためにＩＰＴ送信機コイルで必要とされる無効電力量の制御を可能にする。これは、任意負荷で高効率を確実にし、相対的なコイルの移動による送信機コイル及び受信機コイルのカップリングの変化に対処するためのピーク負荷需要を満たす能力を確実にする。本デザインは、比較的に簡易かつ丈夫であり、ＩＰＴ送信機とＩＰＴ受信機との間の通信の必要性を避ける。

本発明の実施形態を図示し、詳細に説明したが、出願人は、その様な詳細に添付の請求項の範囲を制限する意図はない。追加の利点及び修正が当業者には容易に可能である。よって、広範囲な態様の発明は、特定の詳細、提示した装置及び方法、図示した例に限定されない。よって、出願人の一般的に発明概念の精神又は範囲から逸脱すること無しに、その様な詳細からの変更が可能である。

Claims (21)

1. ａ．制御可能なＤＣ電圧源と、
   ｂ．前記制御可能なＤＣ電圧源からＤＣ電力供給を受信し、誘導電力伝達システムの送信機コイルを駆動するＡＣ出力波形を生成するＤＣ−ＡＣコンバータと、
   ｃ．前記制御可能なＤＣ電圧源により前記ＤＣ−ＡＣコンバータに供給される電流を測定する電流センサと、
   ｄ．前記電流センサにより測定された前記電流に基づき前記ＤＣ電圧源の出力電圧を調整するコントローラと、
   を含む、誘導電力送信機。
2. 請求項１に記載の誘導電力送信機であって、
   前記コントローラは、誘導電力受信機により要求される電力より所定マージンだけ大きい電力を供給する様に、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧を設定する、誘導電力送信機。
3. 請求項２に記載の誘導電力送信機であって、
   前記所定マージンは、５％と２０％との間である、誘導電力送信機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
   前記コントローラは、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電流を所定範囲内に維持する様に、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧を調整する、誘導電力送信機。
5. 請求項４に記載の誘導電力送信機であって、
   前記コントローラは、前記範囲の中間に前記電流を維持することを目的とする、誘導電力送信機。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
   前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧を検知する電圧センサを含む、誘導電力送信機。
7. 請求項６に記載の誘導電力送信機であって、
   前記コントローラは、前記電圧センサ及び前記電流センサの測定に基づき、電力の変化に応じて前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧を調整する、誘導電力送信機。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
   前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、ブースト・モードで動作する、誘導電力送信機。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
   前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、プッシュ・プル・コンバータである、誘導電力送信機。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
    前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、実質的に固定周波数で動作する、誘導電力送信機。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
    前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、前記制御可能なＤＣ電圧源を含む、誘導電力送信機。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の誘導電力送信機であって、
    前記ＤＣ−ＡＣコンバータの出力に接続される送信機コイルを含む、誘導電力送信機。
13. 請求項１２に記載の誘導電力送信機であって、
    前記送信機コイルと並列なキャパシタを含む、誘導電力送信機。
14. 請求項１２又は１３に記載の誘導電力送信機と、
    電力フロー制御を有する誘導電力受信機と、
    を含む誘導電力伝達システム。
15. 請求項１４に記載の誘導電力伝達システムであって、
    前記誘導電力受信機は、電力フロー制御を実行するＤＣ−ＤＣコンバータを含む、誘導電力伝達システム。
16. 電力フロー制御を有する誘導電力受信機に電力を供給し、制御可能なＤＣ電圧源から送信機コイルを駆動するＤＣ−ＡＣコンバータを含む誘導電力送信機を制御する方法であって、
    ａ．前記制御可能なＤＣ電圧源により出力される電流を監視することと、
    ｂ．前記監視された電流に基づき、前記送信される電力が前記誘導電力受信機により要求される前記電力よりマージンだけ高く計算される様に、前記制御可能なＤＣ電圧源により出力される電圧を制御することと、
    を含む方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記マージンは、５％と20％との間である、方法。
18. 請求項１６又は１７に記載の方法であって、
    前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電流を所定範囲内に維持する様に、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧が調整される、方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電流を前記所定範囲の中間に維持する様に、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧が調整される、方法。
20. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記制御可能なＤＣ電圧源の前記出力電圧は、前記制御可能なＤＣ電圧源の前記電力出力の変化に従い調整される、方法。
21. 請求項１６から２０のいずれか１項に記載の方法であって、
    前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、実質的に固定周波数で動作する、方法。

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