JP2020092385A

JP2020092385A - フレーム制御装置、充電装置、受電器および給電システム

Info

Publication number: JP2020092385A
Application number: JP2018230198A
Authority: JP
Inventors: 紘明榎本; Hiroaki Enomoto; 史朗多賀; Shiro Taga
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-11
Also published as: US11322992B2; US20200185977A1

Abstract

【課題】無線給電システムの通信フレームを制御するためのフレーム制御装置を提供する。【解決手段】無線給電システムの通信フレームを制御するフレーム制御装置であって、予め定められた基準クロック信号を生成する基準クロック生成部と、基準クロック信号で動作し、通信フレームを同期化するための同期化コマンドを復調する復調部と、同期化コマンドに含まれる予め定められた長さのレート参照用データを、基準クロック信号に基づいてカウントして、参照用のレート参照値を演算するレート演算部と、レート参照値に基づいて、通信フレームを制御するフレーム制御部とを備えるフレーム制御装置を提供する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、フレーム制御装置、充電装置、受電器および給電システムに関する。

従来、無線給電システムにおいて、送電器と受電器との間で無線信号を送受信する充電装置が知られていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１米国特許第８３３８９９１号明細書

しかしながら、送電器がフレームをカウントするための基準クロックと、受電器がフレームをカウントするための基準クロックが異なる誤差量を有する場合がある。この場合、異なるタイムスロットのタイミングが重なり、負荷変調の干渉が生じる恐れがある。

本発明の第１の態様においては、無線給電システムの通信フレームを制御するフレーム制御装置であって、予め定められた基準クロック信号を生成する基準クロック生成部と、基準クロック信号で動作し、通信フレームを同期化するための同期化コマンドを復調する復調部と、同期化コマンドに含まれる予め定められた長さのレート参照用データを、基準クロック信号に基づいてカウントして、参照用のレート参照値を演算するレート演算部と、レート参照値に基づいて、通信フレームを制御するフレーム制御部とを備えるフレーム制御装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、蓄電部を充電する充電部と、本発明の第１の態様に係るフレーム制御装置とを備える充電装置を提供する。

本発明の第３の態様においては、送信器からの無線信号を受信するアンテナと、本発明の第２の態様に係る充電装置と、充電装置により充電される蓄電部とを備える受電器を提供する。

本発明の第４の態様においては、本発明の第３の態様に係る１または複数の受電器と、蓄電部を充電するための無線信号を受電器に送信する送電器とを備える給電システムを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

給電システム２００の構成の一例を示す。充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。給電システム２００による負荷変調の通信フレームの一例を示す。送電器２１０が負荷変調で送信する同期化コマンドの一例を示す。レート参照値Ｒｒを用いたタイムスロットのカウント方法の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１Ａは、給電システム２００の構成の一例を示す。給電システム２００は、送電器２１０および受電器２２０を備える。

給電システム２００は、送電器２１０と受電器２２０との間で無線信号を送受信することにより、蓄電部２２５を充電する無線給電デバイスである。また、給電システム２００は、負荷変調通信により、送電器２１０と受電器２２０との間で情報の送受信を実現する。

送電器２１０は、無線給電するための無線信号を受電器２２０に送信する。送電器２１０は、電源２１１と、インピーダンス設定部２１２と、復調器２１３と、マッチングネットワーク２１４と、アンテナ２１５とを備える。送電器２１０は、電源２１１から供給される電流をマッチングネットワーク２１４に入力し、アンテナ２１５から無線信号として送信する。インピーダンス設定部２１２は、送電器２１０のインピーダンスを設定する。復調器２１３は、受電器２２０で変調された信号を復調する。

受電器２２０は、送電器２１０からの無線信号を受信して、蓄電部２２５を充電する。受電器２２０は、充電装置１００と、アンテナ２２１と、マッチングネットワーク２２２と、整流器２２３と、蓄電部２２５とを備える。アンテナ２２１で受信された無線信号は、マッチングネットワーク２２２および整流器２２３を介して充電装置１００に入力される。整流器２２３は、アンテナ２２１で受信した無線信号を入力ＤＣ電圧の電流に変換する。

充電装置１００は、インピーダンス（即ち、負荷）を変調させることにより受電器２２０から送電器２１０への負荷変調通信を実現する。また、充電装置１００は、ＤＣＤＣ変換回路等のスイッチングチャージャーとして機能して、蓄電部２２５を充電する。充電装置１００には、無線信号に応じた入力信号Ｓｉｎが入力される。

送電器２１０および受電器２２０は、それぞれが有するアンテナおよびマッチングネットワークにより電磁波で結合する。例えば、送電器２１０および受電器２２０は、マイクロ波により信号を送受信する。送電器２１０は、その信号源として、有限のインピーダンスをもって、有限の電力を受電器２２０に供給する。受電器２２０で受け取る電力は、受電器２２０のインピーダンスに依存して変化し、送電器２１０と受電器２２０のインピーダンスが等しい場合に、受電器２２０の電力が最大（即ち、最大伝送効率）となる。

負荷変調通信では、充電状況や受電器２２０への送電不足や送電過多の情報、受電器２２０からのアラームなど様々な充電情報を送受信することができる。なお、送電器２１０は、負荷変調部を有することにより、受電器２２０に様々なコマンドを送信してもよい。送電器２１０の負荷変調部は、出力のインピーダンスの切換えや、送電回路のゲインの切替えにより、負荷変調通信を実現することができる。

蓄電部２２５は、給電システム２００により無線給電される。蓄電部２２５は、受電器２２０に設けられているが、受電器２２０の外部に設けられてもよい。例えば、蓄電部２２５は、Ｌｉ−ｉｏｎ電池等の蓄電池である。一例において、蓄電部２２５への充電は、寿命を維持するため、定電流充電で８０％を充電して、定電圧充電で残りの２０％を充電する。充電に必要な単位時間当たりの電力は、バッテリ電圧と充電電流の積である。そして、定電流充電が進むことによって蓄電部２２５の充電電圧が上昇すると、必要な単位時間当たりの電力が上昇する。

ここで、充電装置１００は、伝送効率が最適となるように充電条件を設定する。例えば、受電器２２０が受け取れる最適条件を超える電力を充電装置１００が引き込もうとすると、充電装置１００の入力電圧が減少し、受け取る電力も大幅に減少する場合がある。この場合、給電システムの伝送効率が減少する。本例の充電装置１００は、受電器２２０が受け取る電力を最適に制御することにより、給電システム２００の伝送効率を向上することができる。

充電条件には、充電電流の大きさ、充電電圧の大きさ等が含まれてよい。一例において、充電装置１００は、蓄電部２２５の電圧に応じて、低電流による予備充電モードや、高電流による急速充電モードなど様々な動作モードを切り替える。例えば、充電装置１００は、急速充電に移行する場合などの必要性に応じて、段階的に充電電流の大きさを切替える。

なお、本例では、送電器２１０が単一の受電器２２０に給電する場合について示しているが、送電器２１０は、複数の受電器２２０のそれぞれに無線信号を送信してもよい。送電器２１０は、無線信号で複数の受電器２２０に電力供給しながら、負荷変調通信により複数の受電器２２０と通信してもよい。また、送電器２１０と複数の受電器２２０のいずれかが負荷変調をかけると、送電器２１０と全ての受電器２２０に負荷変調信号が伝搬し得る。

図１Ｂは、充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。充電装置１００は、充電部１０およびフレーム制御装置２０を備える。

充電部１０は、蓄電部２２５を充電するチャージャーである。充電部１０には、送電器２１０から送信された無線信号に対応する入力信号Ｓｉｎが入力される。充電部１０は、整流器２２３と蓄電部２２５との間に設けられる。例えば、充電部１０は、ＭＯＳスイッチとコイルを有するＤＣＤＣコンバータを含む。

フレーム制御装置２０は、給電システム２００の通信フレームを制御する。フレーム制御装置２０は、負荷変調部２１と、基準クロック生成部２２と、復調部２３と、レート演算部２４と、フレーム制御部２５とを備える。

負荷変調部２１は、充電装置１００の入力の負荷変調により、入力電圧Ｖｍｏｄを変調させる。本例の負荷変調部２１は、直列に接続されたスイッチＳＷと抵抗Ｒを有する。負荷変調部２１は、充電情報を送電器２１０に送信するために、受電器２２０のインピーダンスを変化させる。例えば、充電情報には、蓄電部２２５のバッテリ電圧、蓄電部２２５への充電電流、充電部１０への入力電圧および蓄電部２２５の温度の異常等が含まれる。負荷変調部２１は、スイッチＳＷの切換えにより入力電圧Ｖｍｏｄからグランドに接続される抵抗値を変化させる。スイッチＳＷがオンのときにデータ１となり、スイッチＳＷがオフのときにデータ０となる。

基準クロック生成部２２は、予め定められた基準クロック信号Ｓｃを生成する。基準クロック生成部２２は、生成した基準クロック信号Ｓｃを負荷変調部２１、復調部２３およびレート演算部２４に入力する。

復調部２３は、同期化コマンドを含む入力信号Ｓｉｎを復調する。入力信号Ｓｉｎは、送電器２１０から送信された変調信号を含む。復調部２３は、基準クロック信号Ｓｃにより動作する。復調部２３は、同期化コマンドからレート参照用データＤｒを復調して、レート演算部２４に入力する。レート参照用データＤｒについては後述する。

同期化コマンドは、送電器２１０と受電器２２０との間で、通信フレームを同期化するためのコマンドである。同期化コマンドは、送電器２１０から複数の受電器２２０に送信されてもよい。複数の受電器２２０が設けられる場合であっても、送電器２１０を基準として通信フレームを同期化することにより、受電器２２０同士の間でも同期化することができる。

レート演算部２４は、同期化コマンドを基準クロック信号Ｓｃに基づいてカウントして、参照用のレート参照値Ｒｒを演算する。レート演算部２４は、演算したレート参照値Ｒｒを負荷変調部２１に入力する。レート参照値Ｒｒについては後述する。

フレーム制御部２５は、レート参照値Ｒｒによってカウントされた通信フレームにおいて、割り当てられたタイムスロットで負荷変調部２１に負荷変調動作させる。負荷変調部２１は、レート参照値Ｒｒに基づいたデータレートで負荷変調信号を生成する。即ち、フレーム制御部２５は、負荷変調部２１を同期化された通信フレームで動作させる。

本例のフレーム制御装置２０は、送電器２１０と受電器２２０との間で通信フレームを同期化する。また、フレーム制御装置２０は、送電器２１０のクロック信号に応じたレート参照値Ｒｒで動作する。これにより、フレーム制御装置２０は、送電器２１０のクロックと、受電器２２０のクロックが異なる誤差量を有する場合であっても、クロックの誤差量を解消して、負荷変調信号の干渉を回避することができる。

図２Ａは、給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。本例の給電システム２００は、負荷変調により、送電器２１０と受電器２２０との間の通信を実現する。

信号データは、負荷変調部２１に入力されて、負荷変調部２１のスイッチＳＷをオンオフする。例えば、信号データが"０"の場合にスイッチＳＷがオフして、信号データが"１"の場合にスイッチＳＷがオンする。スイッチＳＷのオンオフにより、受電器２２０の入力のインピーダンスが変化する。

入力電圧Ｖｍｏｄは、受電器２２０の入力のインピーダンスの変化に応じて、ＡＭ変調される。例えば、入力電圧Ｖｍｏｄは、スイッチＳＷのオンによって電源電圧Ｖｄｄから低下して、スイッチＳＷのオフによって電源電圧Ｖｄｄに戻る。

無線信号は、ＡＭ変調された入力電圧Ｖｍｏｄの情報を含む。このように、送電器２１０および受電器２２０は、ＡＭ変調された情報が無線信号に伝わることにより充電情報を送受信することができる。送電器２１０は、受電器２２０との間で充電情報を送受信することにより、蓄電部２２５の充電進捗状況に応じて、送電器２１０の動作を制御することができる。

図２Ｂは、給電システム２００による負荷変調の通信フレームの一例を示す。通信フレームは、１フレーム当たり、Ｓｌｏｔ（０）〜Ｓｌｏｔ（ｎ）のＮ個のタイムスロットを含む。ここで、Ｎは、２以上の整数である。

Ｎ個のタイムスロットは、送電器２１０および受電器２２０のいずれかに割り当てられる。本例では、送電器２１０の割当てタイムスロットをＳｌｏｔ（０）とする。送電器２１０の割当て以外のタイムスロットを、一つの受電器２２０に割当てる。タイムスロットを適切に割当てることにより、送電器２１０と受電器２２０とで負荷変調をかけるタイミングが重ならないようにする。また、給電システム２００が複数の受電器２２０と通信する場合、複数の受電器２２０のタイムスロットを互いに異なるタイムスロットに設定することにより、受電器２２０同士の干渉を避けることができる。

図３は、送電器２１０が負荷変調で送信する同期化コマンドの一例を示す。同図は、同期化コマンドと、受電器２２０の基準クロック信号Ｓｃとの関係を示す。本例の同期化コマンドは、レート参照用データＤｒおよび同期化ＩＤを含む。

レート参照用データＤｒは、コマンドを実行させるために、受電器２２０にデータの参照を開始させる信号である。一例において、レート参照用データＤｒは、一定の周期（即ち、データレート）のＬｏｗとＨｉｇｈの組合せを繰り返す信号である。レート参照用データＤｒは、予め定められた回数だけＬｏｗとＨｉｇｈを繰り返す。受電器２２０は、予め定められたデータレートが任意の回数だけカウントされた場合に、復調された信号をレート参照用データＤｒとして認識する。レート参照用データＤｒは、データレートよりも速い基準クロック信号Ｓｃによりカウントされる。なお、レート参照用データＤｒは、信号の始点を示すプリアンブルデータで兼用してもよい。

同期化ＩＤは、コマンドが同期化を実行するものであることを示すヘッダである。同期化ＩＤは、予め定められたデータ配列を含む。同期化ＩＤは、レート参照用データＤｒの後に送信される。負荷変調部２１は、同期化ＩＤの復調に応じて、レート参照値Ｒｒによるタイムスロットのカウントを開始する。レート参照値Ｒｒは、レート参照用データＤｒのカウント数およびビット数から算出される。

なお、本例の同期化コマンドの内容は、レート参照用データＤｒと同期化ＩＤを用いた場合の一例であるが、これに限定されない。例えば、送電器２１０と受電器２２０で共通のプリアンブルデータを用いる場合、共通のプリアンブルデータの直後は、決まったビット数のＩＤデータに設定する。この場合、予め定められたＩＤデータによって、送電器２１０からのコマンドや、受電器２２０からの応答の種類を識別することができる。

また、送電器２１０からのデータと受電器２２０からのデータでプリアンブルデータを相違させ、送電器２１０からは同期化コマンドのみを受信する設定にしてもよい。この場合、同期化ＩＤとレート参照用データＤｒとを兼用することができる。

図４は、レート参照値Ｒｒを用いたタイムスロットのカウント方法の一例を示す。ここでは、送電器２１０から同期化コマンドが送信され、受電器２２０の通信フレームを送電器２１０の通信フレームに同期化する場合について考える。同期化コマンドは、複数の受電器２２０に対して同時に送信されてよい。

Ｔ_ｓｙｎｃは、同期化コマンドの長さを示す。同期化コマンドは、予め定められた長さのデータ配列である。そのため、Ｔ_ｓｙｎｃは、基準クロック信号Ｓｃによりカウントすることができる。

Ｔ_ｓｌｏｔは、１スロット当たりのタイムスロットの長さを示す。本例では、各スロットのスロット長がＴ_ｓｌｏｔで同一の場合について考える。即ち、送電器２１０を基準とした通信フレームでは、Ｓｌｏｔ（０）のスロット長およびＳｌｏｔ（１）のスロット長がいずれもＴ_ｓｌｏｔである。但し、各スロットのスロット長は、異なっていてもよい。

ここで、送電器２１０のクロックと受電器２２０のクロックが異なる誤差量を有する場合、送電器２１０と受電器２２０とでタイムスロットがずれる場合がある。フレーム制御部２５は、同期化コマンドを用いて、先頭のタイムスロットを同期化する。

例えば、フレーム制御部２５は、同期化コマンドの受信を開始したタイムスロットのスロット長から、同期化コマンドのコマンド長を差し引くことにより、先頭のタイムスロットを決定する。本例において、フレーム制御部２５は、Ｓｌｏｔ（０）の本来のスロット長Ｔ_ｓｌｏｔから、同期化コマンドのコマンド長Ｔ_ｓｙｎｃを差し引くことにより、Ｓｌｏｔ（０）のタイムスロットを補正する。このように、フレーム制御装置２０は、送電器２１０の通信フレームに合わせて、受電器２２０の通信フレームの先頭を設定する。これにより、フレーム制御装置２０は、送電器２１０および受電器２２０の通信フレームを同期化することができる。

また、フレーム制御装置２０は、送電器２１０の基準クロック信号に合わせデータレートでタイムスロットを補正する。例えば、フレーム制御装置２０は、レート参照値Ｒｒの定数倍をスロット長としながら通信フレームをカウントする。フレーム制御装置２０は、復調部２３が同期化コマンドを復調すると、時刻Ｔ０から、レート参照値Ｒｒを用いてＳｌｏｔ（０）のカウントを再開する。これにより、フレーム制御装置２０は、レート参照値Ｒｒを用いて、送電器２１０と同じデータレートで負荷変調することができる。

なお、複数の受電器２２０が設けられる場合、同期化コマンドは、送電器２１０から複数の受電器２２０に同時に送信される。複数の受電器２２０は、同一のデータレート長となるように、各々のレート参照値Ｒｒを取得する。これにより、充電装置１００は、送電器２１０と複数の受電器２２０との割り当てスロットのタイミングが重なることを回避することができる。よって、給電システム２００のように無線信号が大きく、信号同士の干渉が問題となるような状況であっても、タイミングをずらして信号同士の干渉を回避することができる。

また、無線給電システムにおいては、受電器自体の消費電力を抑えて小型化することにより、基準クロック生成部２２が発生するクロックは、製造バラつきや温度、電圧変動に起因して誤差が大きくなる場合が多い。このため、複数の受電器２２０では、それぞれのクロックがずれて、それぞれの割り当てスロットのタイミングが重なる問題が想定される。本例の給電システム２００では、受電器２２０間でクロックがずれた場合であっても、通信フレームの同期化によって、実質的にクロックのずれを解消することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・充電部、２０・・・フレーム制御装置、２１・・・負荷変調部、２２・・・基準クロック生成部、２３・・・復調部、２４・・・レート演算部、２５・・・フレーム制御部、１００・・・充電装置、２００・・・給電システム、２１０・・・送電器、２１１・・・電源、２１２・・・インピーダンス設定部、２１３・・・復調器、２１４・・・マッチングネットワーク、２１５・・・アンテナ、２２０・・・受電器、２２１・・・アンテナ、２２２・・・マッチングネットワーク、２２３・・・整流器、２２５・・・蓄電部

Claims

無｝線給電システムの通信フレームを制御するフレーム制御装置であって、
予め定められた基準クロック信号を生成する基準クロック生成部と、
前記基準クロック信号で動作し、前記通信フレームを同期化するための同期化コマンドを復調する復調部と、
前記同期化コマンドに含まれる予め定められた長さのレート参照用データを、前記基準クロック信号に基づいてカウントして、参照用のレート参照値を演算するレート演算部と、
前記レート参照値に基づいて、前記通信フレームを制御するフレーム制御部と
を備えるフレーム制御装置。
前期フレーム制御部は、前記同期化コマンドの受信を開始したタイムスロットのスロット長から、前記同期化コマンドのコマンド長を差し引いて、先頭のタイムスロットを決定する
請求項１に記載のフレーム制御装置。
前記同期化コマンドは、前記レート参照用データの後に、同期化を示す同期化ＩＤを含み、
前記フレーム制御部は、前記同期化ＩＤの復調に応じて、前記レート参照値によるタイムスロットのカウントを開始する
請求項１または２に記載のフレーム制御装置。
前記フレーム制御部に入力される入力信号の入力電圧に負荷変調をかける負荷変調部を更に備え、
前記負荷変調部は、前記レート参照値に基づいたデータレートで負荷変調信号を生成する
請求項３に記載のフレーム制御装置。
前記フレーム制御部は、前記レート参照値によってカウントされた前記通信フレームにおいて、割り当てられたタイムスロットで前記負荷変調部に負荷変調動作させる
請求項４に記載のフレーム制御装置。
蓄電部を充電する充電部と、
請求項１から５のいずれか一項に記載のフレーム制御装置と
を備える充電装置。
送信器からの無線信号を受信するアンテナと、
請求項６に記載の充電装置と、
前記充電装置により充電される蓄電部と
を備える受電器。
請求項７に記載の１または複数の受電器と、
前記蓄電部を充電するための無線信号を前記受電器に送信する送電器と
を備える給電システム。