JP2020092570A - インピーダンス制御装置、充電装置、受電器および給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷変調通信を阻害せず給電を行うことができる、無線給電システムのインピーダンス制御装置を提供する。【解決手段】給電システムにおいてインピーダンスを調整するインピーダンス制御装置を提供する。インピーダンス制御装置は、給電システムの無線信号から変換された入力電圧をモニタする電圧モニタ部と、前記入力電圧に対するインピーダンスを調整する調整部と、前記入力電圧に負荷変調をかける負荷変調部と、前記調整部が前記インピーダンスを調整する調整タイミング、および前記負荷変調部が前記負荷変調を開始する開始タイミングを制御するタイミング制御部とを有し、前記タイミング制御部は、前記調整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。【選択図】図3A
Description
本発明は、インピーダンス制御装置、充電装置、受電器および給電システムに関する。
従来、バッテリを充電する充電装置について、スイッチングチャージャーの入力電圧を測定し、予め定められた基準電圧を下回るときには、充電電流を減少させて基準電圧を維持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
[特許文献1]米国特許第8338991号明細書
しかしながら、無線給電システムにおいて、互いへの干渉をできるだけ抑制した態様で負荷変調および充電電圧の調整を行う充電装置は知られていなかった。
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、給電システムにおいてインピーダンスを調整するインピーダンス制御装置を提供する。インピーダンス制御装置は、給電システムの無線信号から変換された入力電圧をモニタする電圧モニタ部と、入力電圧に対するインピーダンスを調整する調整部と、入力電圧に負荷変調をかける負荷変調部と、調整部がインピーダンスを調整する調整タイミング、および負荷変調部が負荷変調を開始する開始タイミングを制御するタイミング制御部とを有し、タイミング制御部は、調整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。
本発明の第2の態様においては、本発明の第1の態様に係るインピーダンス制御装置と、充電部とを備える、充電装置を提供する。
本発明の第3の態様においては、送電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、1または複数の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、本発明の必要な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。
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、充電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。
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、インピーダンス制御装置20とを備える。
インピーダンス制御装置20は、電圧モニタ部22、調整部24、負荷変調部26、およびタイミング制御部28を有する。インピーダンス制御装置20は、充電部10に直列に接続される。インピーダンス制御装置20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、インピーダンス制御装置20を通じて調整された電圧が充電部10に入力される。
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は、入力電圧Vmodの入力信号が入力され、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。
電圧モニタ部22は、無線信号から変換された入力電圧Vmodをモニタする。電圧モニタ部22は、モニタした入力電圧Vmodの値に応じて変化する情報を含むモニタ電圧値信号Smを生成し、モニタ電圧値信号Smをタイミング制御部28に送信する。
調整部24は、直列に接続された抵抗RvおよびスイッチSWv1を有する。調整部24には、入力信号Sinが入力される。スイッチSWv1は電圧調整信号Svにより制御され、スイッチSWv1がオンのときに入力電圧Vmodを下げ、オフのときにオンのときに比べ入力電圧Vmodを上げるよう、入力信号Sinに対するインピーダンスを調整する。
負荷変調部26は、インピーダンス制御装置20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26は、直列に接続されたスイッチSWと抵抗Rを有し、調整部24と同様の構成を有する。抵抗Rの抵抗値は、抵抗Rvと等しい値であってもよく、異なる値であってもよい。
一例において、負荷変調部26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の充電電圧、蓄電部225への充電電流、充電部10への入力電圧Vmod、蓄電部225の温度および充電部10のフィードバックループの異常等が含まれる。負荷変調部26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が変化させる。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28は、調整タイミングTaと開始タイミングTsとを制御する。調整タイミングTaは、充電部10の調整部24によるインピーダンスの調整を行うタイミングである。開始タイミングTsは、負荷変調部26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28は、モニタ電圧値信号Smから読み取られる入力電圧Vmodの値が予め定められた過電圧閾値V1以上になった場合に、調整部24に調整電圧信号Svを送信する。この場合の調整電圧信号Svは、調整部24が入力信号Sinに対するインピーダンスを高くして入力電圧Vmodを下げる調整を行う指示を含む。V1は第1の過電圧閾値の例である。
送電器210は、負荷変調通信によって各受電器220の充電状態や入力電圧の情報を得ることで、過不足なく効率よく送電電力を送ることができる。調整部24がインピーダンスを調整することにより、送電器210が負荷変調信号を復調して送電電力を制御するための時間を待つことなく、より適切なタイミングに入力電圧Vmodの調整を提供できる。これにより、入力電圧Vmodの上昇に対するより適切なデバイス保護ができる。
タイミング制御部28は、モニタ電圧値信号Smから読み取られる入力電圧Vmodの値が予め定められた低電圧閾値V3以下になった場合に、調整部24に調整電圧信号Svを送信する。この場合の調整電圧信号Svは、調整部24が入力信号Sinに対するインピーダンスを低くして入力電圧Vmodを上げる調整を行う指示を含む。
低電圧閾値V3は過電圧閾値V1より低い値を有する。さらに、低電圧閾値V3は、過電圧閾値V1から負荷変調によって入力電圧Vmodが変動する変動幅だけ低い値に対して、より低い値に設定することができる。このように、低電圧閾値V3は、負荷変調通信による入力電圧Vmodの変動ではインピーダンスを低下させる調整を起動しないように設定されてよい。
調整部24がインピーダンスを高くしている場合、調整部24では電圧降下が生じており、充電に無関係な電力が消費される。調整部24のインピーダンスを低くして入力電圧Vmodを上げる調整は、不要な電力が消費されることを防ぎ、無駄のない電力供給を実現する。また、このような調整は、入力電圧Vmodが充電部10への充電電圧として適切な値の範囲から外れる程の低電圧となり、充電部10への充電効率が低下することを防いでいる。
タイミング制御部28は、調整タイミングTa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。これは、タイミング制御部28が調整電圧信号Svを送信するタイミングに対し、負荷変調部26に負荷変調を開始させるための信号Ssを送信させるタイミングに干渉防止間隔Diを設けることに対応する。これにより、インピーダンス制御装置20は、調整部24によるインピーダンスの調整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26に入力されて、負荷変調部26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をオフにして、信号データが"1"の場合にスイッチSWをオンにする。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の入力部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、1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、調整タイミングTa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28は、調整タイミングTaおよび開始タイミングTs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28は、予め定められた干渉防止間隔Diを設けて調整タイミングTaおよび開始タイミングTsを設定している。
タイミング制御部28は、インピーダンス制御装置20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、調整タイミングTa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28は、対象の受電器220がSlot(m)に割り当てられている場合、調整タイミングTa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28は、自フレームにおいて、開始タイミングTsおよび調整タイミングTa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に割り当てられたタイムスロットに対応する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に割り当てられたタイムスロットに対応する通信フレームを他フレームと称する。
タイミング制御部28は、開始タイミングTsよりも先に調整タイミングTaを設定する。また、タイミング制御部28は、調整タイミングTaよりも先に開始タイミングTsを設定してもよい。即ち、開始タイミングTsと調整タイミングTa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と調整タイミングTa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28は、負荷変調部26に負荷変調通信を開始させる。インピーダンス制御装置20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。
調整タイミングTaにおいて、タイミング制御部28は、調整部24における入力信号Sinに対するインピーダンスを変化させる。本例のタイミング制御部28は、調整部24にインピーダンスの調整を実行させることにより、入力電圧Vmodの変動を生じさせる。
干渉防止間隔Diは、調整タイミングTaと開始タイミングTsとの間に設けられる。タイミング制御部28は、干渉防止間隔Diは、負荷変調通信と調整タイミングTaとが重ならないように設定する。これにより、インピーダンス制御装置20は、少なくとも自身の設けられた受電器220に関しての入力電圧Vmodの変動による負荷変調信号への干渉を回避することができる。
タイミング制御部28は、開始タイミングTsと調整タイミングTaとの間の干渉防止間隔Diを、調整部24のインピーダンス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、インピーダンス制御装置20は、調整部24のインピーダンス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。本例のインピーダンス制御装置20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。
本例の入力電圧Vmodは、高電圧から低電圧に変更されている。タイミング制御部28は、高電圧から低電圧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。
また、タイミング制御部28は、自フレーム内で開始タイミングTsと調整タイミングTaとを設定している。即ち、タイミング制御部28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、調整タイミングTaとをずらしている。これにより、インピーダンス制御装置20は、他フレームに対して、調整部24のインピーダンスの変化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、インピーダンス制御装置20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28による調整部24のインピーダンスの調整は、割り当てられたSlot(m)を待って実行される。そのため、入力電圧Vmodがインピーダンスを調整すべき閾値を超えたことを検知してから調整部24のインピーダンスの調整を行うと、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、調整タイミングTa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28は、開始タイミングTsを調整タイミングTa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28は、開始タイミングTsを調整タイミングTaよりも先に設定する。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、調整部24のインピーダンスの変化による負荷変調信号への影響を回避することができる。
なお、調整部24のインピーダンスの変更方法は本例に限られない。本例においては、調整部24がインピーダンスを高くして、入力電圧Vmodを低くする例が記載されているが、上述のようなタイミング制御が行われる限り、インピーダンスを低くして、電圧を高くする調整に対しても同様の説明が適用できる。
さらに、タイミング制御部28は、モニタ電圧値信号Smから読み取られる入力電圧Vmodの値が、過電圧閾値V1より高い過電圧閾値V2以上になった場合に、調整タイミングTaおよび開始タイミングTsのタイミング制御を停止する。過電圧閾値V2は、第2の過電圧閾値の例であり、過電圧閾値V1より高い値に予め定められる閾値である。
入力電圧の値が過電圧閾値V2を超えた場合、自フレームである割り当てられたSlot(m)を待つことなく、調整部24は、インピーダンスを高くする。これにより調整部24は、通信フレームとは無関係に入力電圧Vmodとして過電圧が印加されることを速やかに防止できる。
本例のインピーダンス制御装置20は、他のデバイスおよびインピーダンス制御装置20が含まれる回路自身の負荷変調に干渉することなく過電圧防止やその解除の制御を行うことができる。以上の通り、インピーダンス制御装置20は、入力電圧Vmodの瞬間的な上昇に対しても適切に対応し、受電器220に流れ込む入力信号Sinが過電圧を有する場合にも十分なデバイス保護を提供できる。
図4は、図1Bの調整部24の代替例を示す。本例のように、調整部24は、抵抗と、一端を当該抵抗に接続され、他端を接地に接続されたスイッチと、を有する複数個の回路を並列に接続した回路であってもよい。
一例として、調整部24が抵抗およびスイッチを3個ずつ有する場合には、抵抗Rv1、Rv2、およびRv3それぞれのオンオフは、抵抗Rv1、Rv2、およびRv3のそれぞれに直列に接続されたスイッチSWv1、SWv2、およびSWv3のそれぞれのオンオフにより切り替えられる。タイミング制御部28は、スイッチSWv1、SWv2、およびSWv3のそれぞれに対して過電圧防止信号Sv1、Sv2、およびSv3のそれぞれを分けて送信する。
このように、本例の調整部24においては、タイミング制御部28は、スイッチSWv1、SWv2、およびSWv3を段階的にオンオフすることにより、入力DC電圧信号の昇降を段階的に調整することができる。また、調整部24が有する複数の抵抗およびスイッチの個数は3個に限定されず、2個であってよく、4個以上であってもよい。
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・・・インピーダンス制御装置、22・・・電圧モニタ部、24・・・調整部、26・・・負荷変調部、28・・・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 (8)
- 給電システムにおいてインピーダンスを調整するインピーダンス制御装置であって、
前記給電システムの無線信号から変換された入力電圧をモニタする電圧モニタ部と、
前記入力電圧に対する前記インピーダンスを調整する調整部と、
前記入力電圧に負荷変調をかける負荷変調部と、
前記調整部が前記インピーダンスを調整する調整タイミング、および前記負荷変調部が前記負荷変調を開始する開始タイミングを制御するタイミング制御部と
を有し、
前記タイミング制御部は、前記調整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
インピーダンス制御装置。 - 前記タイミング制御部は、前記インピーダンス制御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、前記調整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に記載のインピーダンス制御装置。 - 前記調整部は、前記入力電圧の値が予め定められた第1の過電圧閾値以上になった場合に、前記タイムスロットにおいて前記インピーダンスを高くする、
請求項2に記載のインピーダンス制御装置。 - 前記調整部は、前記入力電圧の値が、前記第1の過電圧閾値より低い低電圧閾値以下になった場合に、前記タイムスロットにおいて前記インピーダンスを低くし、
請求項3に記載のインピーダンス制御装置。 - 前記タイミング制御部は、前記入力電圧の値が、前記第1の過電圧閾値より高い第2の過電圧閾値以上になった場合に、前記調整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、
前記調整部は、前記インピーダンスを高くすることにより、過電圧の印加を防止する、
請求項3または4に記載のインピーダンス制御装置。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載のインピーダンス制御装置と、
充電部とを備える、充電装置。 - 送電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1または複数の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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CN114362509B (zh) * | 2022-01-21 | 2024-05-14 | 珠海慧联科技有限公司 | 动态电压切换装置、tws芯片及tws设备 |
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