JP2020092568A - 充電装置、受電器および給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変調通信を阻害せず無線給電を行うことができる充電装置を提供する。【解決手段】無線給電システムの送電器から送信された無線信号により、蓄電部を充電する充電装置であって、無線信号に応じて、予め定められた入力電圧の入力信号が入力され、蓄電部を充電する充電部と、充電装置の入力の負荷変調により、前期入力電圧を変調させる負荷変調部と、充電部の充電条件の切替タイミングと、負荷変調部における負荷変調の開始タイミングとを制御するタイミング制御部とを備え、タイミング制御部は、切替タイミングと開始タイミングとの間に予め定められた干渉防止間隔を設定する充電装置を提供する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、充電装置、受電器および給電システムに関する。

従来、送電器から無線信号を受信することによりバッテリを充電する充電装置において、充電状態に応じて充電電流の大きさを切り替えることが知られている（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、充電電流の大きさを切替えると、入力電圧が変化して無線信号にも伝搬するので、負荷変調とタイミングが重なると、負荷変調通信を妨害する場合がある。

本発明の第１の態様においては、無線給電システムの送電器から送信された無線信号により、蓄電部を充電する充電装置であって、無線信号に応じて、予め定められた入力電圧の入力信号が入力され、蓄電部を充電する充電部と、充電装置の入力の負荷変調により、前期入力電圧を変調させる負荷変調部と、充電部の充電条件の切替タイミングと、負荷変調部における負荷変調の開始タイミングとを制御するタイミング制御部とを備え、タイミング制御部は、切替タイミングと開始タイミングとの間に予め定められた干渉防止間隔を設定する充電装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、送信側からの無線信号を受信するアンテナと、本発明の第１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３の態様においては、本発明の第２の態様に係る受電器と、受電器に無線信号を送信することにより、蓄電部を充電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。 切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓの設定方法の一例を示す。 切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓの設定方法の他の例を示す。

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。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、給電システム２００における充電情報を送受信することができる。充電情報には、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情報が含まれる。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と、負荷変調部２０と、タイミング制御部３０とを備える。

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、入力電圧Ｖｍｏｄの入力信号Ｓｉｎが入力され、蓄電部２２５を充電する。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コンバータを有する。

負荷変調部２０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２０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２０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の温度等が含まれる。負荷変調部２０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。

タイミング制御部３０は、切替タイミングＴｃと開始タイミングＴｓとを制御する。切替タイミングＴｃは、充電部１０の充電条件を切替えるタイミングである。開始タイミングＴｓは、負荷変調部２０における負荷変調を開始するタイミングである。タイミング制御部３０は、切替タイミングＴｃと開始タイミングＴｓとの間に予め定められた干渉防止間隔Ｄｉを設定する。これにより、充電装置１００は、充電条件の切り替えによる影響を受けることなく、受電器２２０から送電器２１０に安定的に負荷変調信号を送信することができる。

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２０に入力されて、負荷変調部２０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３Ａは、切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓの設定方法の一例を示す。図３Ａは、通信フレームのタイムスロットと入力電圧Ｖｍｏｄの時間変化を示している。

タイミング制御部３０は、開始タイミングＴｓおよび切替タイミングＴｃを任意のタイムスロットに割り当てる。本例のタイミング制御部３０は、予め定められた干渉防止間隔Ｄｉを設けて開始タイミングＴｓおよび切替タイミングＴｃを設定している。

タイミング制御部３０は、充電装置１００が設けられた受電器２２０に割り当てられた同一のタイムスロットにおいて、切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓを設定する。即ち、タイミング制御部３０は、対象の受電機器２２０がＳｌｏｔ（ｍ）に割り当てられている場合、切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓをＳｌｏｔ（ｍ）に設定する。タイミング制御部３０は、自フレームにおいて、開始タイミングＴｓおよび切替タイミングＴｃを設定しているので、タイミングの調整を容易にすることができる。本明細書において、対象の受電器２２０に割り当てられた通信フレームを自フレームと称し、送電器２１０や他の受電器２２０に割り当てられた通信フレームを他フレームと称する。

タイミング制御部３０は、切替タイミングＴｃよりも先に開始タイミングＴｓを設定する。また、タイミング制御部３０は、開始タイミングＴｓよりも先に切替タイミングＴｃを設定してもよい。即ち、開始タイミングＴｓと切替タイミングＴｃとの間に干渉防止間隔Ｄｉが設けられていれば、開始タイミングＴｓと切替タイミングＴｃとの順序は限定されない。

開始タイミングＴｓにおいて、タイミング制御部３０は、負荷変調部２０に負荷変調通信を開始させる。充電装置１００は、負荷変調によって、送電器２１０に充電情報を送信する。充電情報の送信にかかる時間は、受電器２２０から送電器２１０に送信する充電情報の量によって変化する。

切替タイミングＴｃにおいて、タイミング制御部３０は、充電部１０における充電条件を変化させる。本例のタイミング制御部３０は、充電部１０の充電電流を低電流から高電流に変化させている。充電部１０が充電電流を切替えると、入力インピーダンスに応じて入力電圧Ｖｍｏｄが変化する。なお、充電条件の変更方法は本例に限られない。

干渉防止間隔Ｄｉは、切替タイミングＴｃと開始タイミングＴｓとの間に設けられる。干渉防止間隔Ｄｉは、負荷変調通信と切替タイミングＴｃとが重ならないように設定される。これにより、充電装置１００は、少なくとも自身の受電器２２０に関して、充電条件が変更されたことにより生じる負荷変調信号への干渉を回避することができる。

ここで、充電情報の送信にかかる時間が既知の場合、干渉防止間隔Ｄｉは、充電情報の送信にかかる時間に基づいて決定される。一方、充電情報の送信にかかる時間が既知でない場合、干渉防止間隔Ｄｉは、充電情報の送信にかかる最大時間に基づいて決定されてよい。これにより、充電情報が大きくなった場合であっても、充電条件の切り替えによる負荷変調信号への影響を回避することができる。

また、タイミング制御部３０は、自フレーム内で開始タイミングＴｓと切替タイミングＴｃとを設定している。即ち、タイミング制御部３０は、送電器２１０からの負荷変調や、他の受電器２２０が送電器２１０に向けて送信する負荷変調のタイミングと、切替タイミングＴｃとをずらしている。これにより、充電装置１００は、他フレームに対して、充電条件が変更されたことにより生じる負荷変調信号への干渉を回避することができる。したがって、送電器２１０と複数の受電器２２０との間で送受信される場合であっても、他の受電器２２０との干渉を回避することができる。よって、充電装置１００は、さらに安定した充電制御を実現することができる。

なお、タイミング制御部３０による充電条件の切替えは、割り当てられたＳｌｏｔ（ｍ）を待って実行される。そのため、バッテリ電圧が充電電流を切替えるべき閾値を超えたことを検知してから充電条件を切替えると、最大で送信フレームの１周期分遅れて実行される場合がある。但し、送信フレーム周期は充電に要する時間に比べると非常に短いので、充電時間に対する影響も小さい。

図３Ｂは、切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓの設定方法の他の例を示す。本例のタイミング制御部３０は、切替タイミングＴｃを開始タイミングＴｓよりも先に設定する点で図３Ａの場合と相違する。

タイミング制御部３０は、切替タイミングＴｃを開始タイミングＴｓよりも先に設定する。そして、タイミング制御部３０は、開始タイミングＴｓと切替タイミングＴｃとの間の干渉防止間隔Ｄｉを、充電条件の変化に応じた入力電圧Ｖｍｏｄの遷移時間Ｄｔに基づいて決定する。これにより、充電装置１００は、充電条件が変更されたことにより生じる負荷変調信号への干渉を回避することができる。また、本例の充電装置１００は、負荷変調通信の長さによらず、干渉防止間隔Ｄｉを設定することができる。

例えば、本例の入力電圧Ｖｍｏｄは、高電流から低電流に変更されている。タイミング制御部３０は、高電流から低電流に変更する場合の遷移時間Ｄｔに基づいて、干渉防止間隔Ｄｉを決定すればよい。

なお、タイミング制御部３０は、緊急度に応じて、切替タイミングＴｃおよび開始タイミングＴｓのタイミング制御を停止する。緊急時であると判断した場合、充電部１０は、即座に蓄電部２２５への充電を遮断してよい。これにより、充電装置１００は、無線信号と負荷変調信号との干渉の回避よりも優先して、回路を保護することができる。

例えば、緊急時とは、バッテリの発火防止などの目的で、異常温度など検知して充電を遮断するなどの場合である。このような場合、送信フレーム周期の待ち時間が問題になるので、即座に蓄電部２２５への充電を遮断することが好ましい。タイミング制御部３０は、充電電流の切換えの発生因の頻度や、対応の緊急度に応じて、タイミング制御の対象か否かを決定してよい。

以上の通り、充電装置１００は、負荷変調を阻害せず無線給電を行うことができる。これにより、充電装置１００は、送電器２１０と受電器２２０との間の通信を安定させて、最適な電力伝送を実現することができる。

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・・・負荷変調部、３０・・・タイミング制御部、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 (7)

1. 無線給電システムの送電器から送信された無線信号により、蓄電部を充電する充電装置であって、
   前記無線信号に応じて、予め定められた入力電圧の入力信号が入力され、前記蓄電部を充電する充電部と、
   前記充電装置の入力の負荷変調により、前期入力電圧を変調させる負荷変調部と、
   前記充電部の充電条件の切替タイミングと、前記負荷変調部における負荷変調の開始タイミングとを制御するタイミング制御部と
   を備え、
   前記タイミング制御部は、前記切替タイミングと前記開始タイミングとの間に予め定められた干渉防止間隔を設定する
   充電装置。
2. 前記タイミング制御部は、前記充電装置が設けられた受電器に割り当てられた同一のタイムスロットにおいて、前記切替タイミングおよび前記開始タイミングを設定する
   請求項１に記載の充電装置。
3. 前記タイミング制御部は、前記開始タイミングよりも先に前記切替タイミングを設定する
   請求項１または２に記載の充電装置。
4. 前記タイミング制御部は、前記充電条件の変化に応じた前記入力電圧の遷移時間に基づいて、前記干渉防止間隔を決定する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の充電装置。
5. 前記タイミング制御部は、緊急度に応じて、前記切替タイミングおよび前記開始タイミングのタイミング制御を停止し、
   前記充電部は、前記蓄電部への充電を遮断する
   請求項１から４のいずれか一項に記載の充電装置。
6. 送信器からの無線信号を受信するアンテナと、
   請求項１から５のいずれか一項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。
7. 請求項６に記載の１または複数の受電器と、
   前記受電器に無線信号を送信することにより、前記蓄電部を充電する送電器と
   を備える給電システム。

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