JP2022537892A - 動的に調整されたバッテリー電圧しきい値を用いて充電モードを切り換えるバッテリー充電システム及び方法 - Google Patents

Abstract

バッテリー充電システムは、バッテリーの現在の状態をリアルタイムで決定し、現在のバッテリー状態に基づいて、バッテリーの充電モードを制御するしきい値電圧を動的に決定する。バッテリー充電システムは、バッテリー電圧及び動的に決定されたしきい値電圧に基づいて、定電流（ＣＣ）モード又は定電圧（ＣＶ）モードを用いてバッテリーを充電する。バッテリー充電システムは、バッテリー充電システムの受電側からバッテリーについての情報を受信することなく、バッテリーの電圧及び電流をリアルタイムで決定することができる。

Description

優先権主張．
本願は、２０１９年５月２３日に米国特許商標庁に出願された米国仮特許出願第６２／８５２１４３号の優先権及び利益を主張し、その内容の全体は、あたかもすべての適用可能な目的のために完全に以下に示しているかのように、参照によって本願に援用される。

技術分野．
下記に説明される技術は、概して、再充電可能なバッテリーに関し、具体的には、充電モードを制御するために動的に調整されたバッテリーしきい値電圧に基づいてバッテリーを充電する充電システム及び方法に関する。

図１は、例示的な２段階のバッテリー充電処理を示す図である。２つの段階は、定電流（constant-current：ＣＣ）モード及び定電圧（constant-voltage：ＣＶ）モードである。ＣＣモードにおいて、システムは、定電流でバッテリーを充電する。ＣＶモードにおいて、システムは、定電圧でバッテリーを充電する。充電率（state-of-charge：ＳｏＣ）は、バッテリーの全容量の割合として定義されてもよく、これは、充電処理を制御するために使用されてもよい。健全度（state-of-health：ＳｏＨ）は、新品の状態と比較したバッテリーの状態を示す。典型的には、バッテリーのＳｏＨは、製造時に１００％であり、時間及び使用に応じて次第に低下する。充電システムは、充電中にバッテリー状態（例えば、電圧及び電流）をモニタリングするバッテリー管理回路を有してもよい。充電モードの選択は、所定のＳｏＣに対応するバッテリー電圧に依存しうる。一例では、バッテリー電圧が、所定の予め設定された値又はバッテリー基準値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）より低い場合、充電システムはＣＣモードで動作し、一定の充電電流１０２をバッテリーに提供する。バッテリーがＣＣモードの定電流で充電される場合、バッテリー電圧は上昇する。バッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）が、予め設定された値又は基準値に到達又は超過したとき（例えば、Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）、充電システムはＣＶモードに切り換わり、一定の充電電圧１０４をバッテリーに提供する。

しかしながら、充電モード（ＣＣモード又はＣＶモード）を選択するために一定又は固定値の予め設定された電圧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}を用いることは、電池寿命の延長及び／又は充電効率の目的に関して、バッテリーの最適な充電をもたらさない可能性がある。

概して、本開示は、バッテリーの変化する最大の充電率（ＳｏＣ）及び／又は健全度（ＳｏＨ）に基づいて動的に決定又は更新されるバッテリー電圧しきい値を用いてバッテリーを充電する方法及びシステムを提供する。

本開示の１つの態様は、バッテリーを充電するバッテリー充電システムを提供する。バッテリー充電システムは、バッテリーを充電するように構成された充電回路と、充電回路に通信可能に接続されたコントローラとを含む。コントローラは、バッテリーの現在の状態を決定し、現在の状態に基づいて、充電回路の充電モードを制御するしきい値電圧を動的に決定するように構成される。コントローラは、充電中にバッテリーのバッテリー電圧を決定し、バッテリー電圧がしきい値電圧未満である場合に定電流（ＣＣ）モードを用いてバッテリーを充電するように充電回路を構成し、バッテリー電圧がしきい値電圧以上である場合に定電圧（ＣＶ）モードを用いてバッテリーを充電するように充電回路を構成するようにさらに構成される。

本開示のもう１つの態様は、バッテリーの充電方法を提供する。本方法は、バッテリーの現在の状態を決定し、現在の状態に基づいて、バッテリーの充電モードを制御するしきい値電圧を動的に決定する。本方法はさらに、充電中にバッテリーのバッテリー電圧を決定し、バッテリー電圧がしきい値電圧未満である場合に定電流（ＣＣ）モードを用いてバッテリーを充電し、バッテリー電圧がしきい値電圧以上である場合に定電圧（ＣＶ）モードを用いてバッテリーを充電する。

例示的な２段階のバッテリー充電処理を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る例示的なバッテリー充電システムを示す図である。 、例示的なバッテリーの充電率（ＳｏＣ）特性の変動を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る例示的な充電プロファイルを示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る、例示的なバッテリーの健全度（ＳｏＨ）の変化に関するしきい値電圧の変動を示す図である。 合計電荷を強調した例示的な充電プロファイルを示す図面である。 本開示のいくつかの態様に係る、例示的なバッテリーのしきい値電圧（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）及び最大ＳｏＣ（ＳｏＣ_ｍａｘ）の間のマッピングを示す図である。 ＳｏＣを決定するために本開示において使用されうる２つの例示的なバッテリー回路モデルを示す。 ＳｏＣを決定するために本開示において使用されうる２つの例示的なバッテリー回路モデルを示す。 本開示のいくつかの態様に係る、充電モードを選択するために動的に更新されるしきい値電圧を用いる例示的な充電手順を示すフローチャートである。 本開示のいくつかの態様に係る例示的な無線充電システムを示すブロック図である。 例示的な電力インバータ回路を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る電力インバータ回路の例示的な制御信号を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る電力インバータ回路の例示的な制御信号を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る例示的な電圧センサを示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る例示的な電流センサを示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る、図１１の無線充電システムの一部の簡単化された等価回路である。 本開示のいくつかの態様に係る、充電モードを選択するための例示的な制御ブロックを示すブロック図である。 本開示のいくつかの態様に係る、充電モードを選択するためのもう１つの例示的な制御ブロックを示すブロック図である。 本開示のいくつかの態様に係る、補償された無線電力伝送（ＷＰＴ）システムを示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る、図２０のＷＰＴシステムの簡単化された等価回路を示す図である。 本開示のいくつかの態様に係る、図２０のＷＰＴシステムの一般化された制御方式を示すブロック図である。

添付の図面に関して下記に示す詳細な説明は、さまざまな構成の説明として意図されたものであり、本願で説明される概念が実施されうる唯一の構成を表すことを意図していない。詳細な説明は、様々な概念についての詳細な理解を提供する目的で、特定の詳細事項を含む。しかしながら、当業者には、これらの概念がこれらの特定の詳細事項なしで実施されてもよいことが理解されるであろう。いくつかの例では、そのような概念を不明瞭にすることを避けるために、公知の構造及び構成要素がブロック図の形式で示される。本願ではいくつかの例を示すことで複数の態様及び実施形態について説明しているが、当業者は、追加の実装及びユースケースが、多数の異なる配置及びシナリオで実現されてもよいことを理解するであろう。

本開示の態様は、バッテリーの変化する最大の充電率（ＳｏＣ）及び／又は健全度（ＳｏＨ）に基づいて動的に決定又は更新されるバッテリー電圧しきい値を用いてバッテリーを充電する方法及びシステムを提供する。本開示のいくつかの態様では、ＳｏＣ及びＳｏＨは、下記の式（１）及び式（２）によって定義されてもよい。

Ｑ_{ｒｅｌｅａｓａｂｌｅ}：バッテリー負荷の放電可能な電荷容量
Ｑ_{ｒａｔｅｄ}：バッテリー負荷の定格電荷容量
Ｑ_ｍａｘ：時間に応じて劣化するバッテリーの最大電荷容量

例示的なバッテリー充電処理は、バッテリーの変化する最大のＳｏＣ又はＳｏＨに関連して動的に決定されるバッテリー電圧しきい値に基づいて、バッテリー充電処理の異なる段階中に、定電流（ＣＣ）モード又は定電圧（ＣＶ）モードを選択する。本開示のいくつかの態様では、充電処理は、有線充電システム及び無線充電システムにおいて使用されてもよい。本開示のいくつかの態様は、充電システムの送電回路の１次電圧及び電流のみに基づいて充電処理を制御するように構成される無線充電システムを提供する。本開示のいくつかの態様では、無線バッテリー充電システムは、フィードバック制御目的の無線通信システムなしで、かつ、バッテリー負荷及び整流器出力の間における受電側の余分なバッテリー管理回路なしで実装されうる。

図２は、バッテリー負荷２０４を充電するように構成された、例示的なバッテリー充電システム２０２を示す図である。バッテリー充電システム２０２は、コントローラ２０６と、２つ以上の充電モード、例えば定電流（ＣＣ）モード及び定電圧（ＣＶ）モードを用いてバッテリー２０４を充電するように構成された充電回路２０８とを含んでもよい。コントローラ２０６は、充電処理を制御及びモニタリングするための様々な機能を実行する。コントローラ２０６及び充電回路２０８は、ハードウェア及びソフトウェア構成の様々な組み合わせで実装されてもよい。コントローラ２０６は、バッテリー電圧に依存して充電モード（ＣＣ又はＣＶモード）を選択する。例えば、充電回路２０８及び／又はコントローラ２０６は、充電中に、バッテリー電圧をリアルタイムでモニタリングするか、又は、バッテリー電圧を頻繁かつ厳密にモニタリングするように構成されてもよい。バッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）が予め設定された基準値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）又は電圧しきい値未満である場合、充電回路は、定電流（ＣＣモード）を提供してバッテリーを充電する。バッテリー電圧が電圧しきい値に到達又は超過した場合（Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）、充電回路は、定電圧（ＣＶモード）を提供してバッテリーを充電する。

いくつかの実施例において、しきい値電圧（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）は定数値に固定されてもよい。しかしながら、充電モード（ＣＣモード又はＣＶモード）を制御するために一定又は固定のしきい値電圧を用いることは、概して、電池寿命の延長の目的に関して、バッテリーの最適な充電をもたらさない。それは、バッテリー電圧と、バッテリーのＳｏＣ及びＳｏＨとの関係が、時間とともに変化するからである。実際に、バッテリーのＶ_{ｂａｔｒｅｆ}及びＳｏＣの間の実際の関係は、時間、使用、及びバッテリーの経年劣化とともに変化する。図３は、新品の状態及び経年劣化した状態において、例示的なバッテリーの時間に対する最大ＳｏＣの変化を示す。概して、最大ＳｏＣ（ＳｏＣ_ｍａｘ）は、バッテリーの経年劣化とともに低下する。充電モードをＣＣモードからＣＶモードに切り換えることに適した（例えば最適な）電圧しきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）もまた、時間とともに変化する。従って、本開示のいくつかの態様では、充電処理は、充電中にＣＣモード及びＣＶモードの間で切り換えるために、正しい、最適な、又は適切なＶ_{ｂａｔｒｅｆ}を決定するために、ＳｏＣに対するＶ_{ｂａｔｒｅｆ}の関係を頻繁に（例えばリアルタイムで）更新する。

本開示の態様は、充電の異なる段階中にＣＣモード及びＣＶモードを選択するために、バッテリーの最新の最大のＳｏＣ容量（ＳｏＣ_ｍａｘ）及びＳｏＨに関連して動的に更新されるバッテリー電圧しきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）を利用する、改善された充電方法及びシステムに関する。ＳｏＣ_ｍａｘ及びＳｏＨの両方は、バッテリーの動作寿命及び使用中に変化する可能性がある。電圧しきい値を一定値又は固定値として扱う既知の実施とは異なり、そのようなＶ_{ｂａｔｒｅｆ}値は、バッテリーの動作時間にわたって、充電中に、ＳｏＣ_ｍａｘ及びＳｏＨの変化に応じて変化してもよい。本開示のいくつかの態様では、変化するＳｏＣ_ｍａｘ及びＳｏＨに基づいてＶ_{ｂａｔｒｅｆ}値を動的に設定するための手順を開示する。Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}を更新するためのこの手順は、有線（例えばプラグイン）充電器及び無線充電器の両方に適用可能である。

図３に示すように、新品の状態及び経年劣化した状態におけるバッテリーは、充電中にＣＣモード及びＣＶモードの間で切り換えるために、異なる最適なバッテリーしきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）を有してもよい。本開示の態様は、バッテリーの変化するＳｏＣ_ｍａｘ及びＳｏＨを考慮してＣＣモードからＣＶモードに充電モードを変更できるように、バッテリー充電中にＶ_{ｂａｔｒｅｆ}値を決定するための手順を提供する。

図４は、例示的な充電プロファイルを示す図である。図５は、バッテリーの使用時間が経過するにつれて、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}がＳｏＣ／ＳｏＨに応じて次第に変化することを示す図である。図４を参照すると、初期充電段階（図４ではプリチャージフェーズとして示す）において、バッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）は、バッテリーのほとんど「短絡」した状況を示す予め決められたローレベル値（Ｖ_{ｂａｔ（ｓｃ）}）と比較される。Ｖ_ｂａｔがＶ_{ｂａｔ（ｓｃ）}未満である場合（Ｖ_ｂａｔ＜Ｖ_{ｂａｔ（ｓｃ）}）、バッテリー充電器は、小さな一定の電流Ｉ_{ｂａｔ（ｓｃ）}を用いて、ＣＣモードの下でバッテリーを充電する。Ｖ_ｂａｔがＶ_{ｂａｔ（ｓｃ）}以上である場合（Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔ（ｓｃ）}）、充電器は、定電流の大きさをＩ_{ｐｒｅｃｈｇ}のプリチャージレベルまで増大させる。Ｖ_ｂａｔがＶ_ｌｏｗｖのレベルを超過する場合、充電器は、定電流の大きさをＩ_{ｂａｔｒｅｆ}のレベルまでさらに増大させ、それは、定電流フェーズにおけるバルク電流とも呼ばれる。Ｖ_ｂａｔがＶ_{ｂａｔｒｅｆ}以上である場合（Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）、充電器は、充電サイクルをＣＶモード又は定電圧フェーズに変更する。充電器は、バッテリー充電電流（Ｉ_ｂａｔ）が図４に示すような予め設定されたレベルＩ_{ｔｅｒｍ－ｔｈ}未満に低下するまで、定電圧を用いてＣＶモードでバッテリーを充電し続ける。本開示のいくつかの態様では、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}は、バッテリーのＳｏＣ_ｍａｘ及びＳｏＨが図５に示すように経年劣化することに起因して変化した場合にさえ、充電器が適切なＣＣモード及びＣＶモードを適用できるように、変化するＳｏＨ又はＳｏＣ_ｍａｘに関連して自動的又は動的に調整される。

初期充電段階（例えばプリチャージフェーズ）の間に、バッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）が電圧しきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）より低い場合、充電電流を安全なレベル（例えばＩ_{ｐｒｅｃｈｇ}）に制限するためにＣＣモードが使用される。ＣＣモード中にバッテリーに送られる電荷の総量は、ＣＣ電流の下の電流－時間の面積に等しく、図６ではＱｃｃとして示す。Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}が真である場合、ＣＶモードが使用され、充電電流はゼロ又は非常に低い値まで次第に減少する。ＣＶモード下でバッテリーによって吸収された電荷の量は、図６ではＱｃｖとして示す。

一例では、時間ｔ_１における現在のＳｏＣは、式（３）により表すことができる。

式（３）において、ＳｏＣ（ｔ_０）は、時間ｔ_０における初期ＳｏＣであり、ηは充電効率であり、Ｉ_ｂａｔ（ｔ）は充電電流である。

ｋファクターは、ＳｏＣ_ｒｅｆ（ｔ）をＳｏＣ_ｍａｘに基づく式（４）に関連づけるために使用されうる。

式（４）において、ＳｏＣ_ｒｅｆ（ｔ）は、ＣＶモード及びＣＣモード変更が行われるべきバッテリー電圧しきい値に対応するＳｏＣであり、ＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ）は、バッテリーの動作寿命及び使用に応じて減少する可能性があるバッテリーの最大ＳｏＣ容量に対応する。

図６に示す電荷Ｑｃｃ及びＱｃｖに基づいて、かつ、式（３）の一般形式を用いて、式（４）は式（５）として表すことができる。

式（５）は、ｋ及び電荷変数に関して式（６）として表すことができる。

式（４）及び式（６）から、０＜ｋ＜１について（例えば、バッテリーの性質又はタイプに依存して０．８～０．９５の範囲で）、ｋファクターは、式（７ａ）又は式（７ｂ）として表されてもよい。

本開示のいくつかの態様では、充電器は、バッテリーの寿命中に定期的又は頻繁にＳｏＣ_ｍａｘを決定又は更新してもよい。電荷変数Ｑ（ｔ_０）、Ｑｃｃ、及びＱｃｖは、当該技術において既知の様々な方法によって計算されてもよい。バッテリーの使用時間が経過するにつれて、ＳｏＣ_ｍａｘは、例えば図３に示すように減少する。図７は、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}及びＳｏＣ_ｍａｘの間の関係又はマッピングを示す図である。この例では、ＳｏＣ_ｍａｘがバッテリーの寿命にわたって減少する場合、対応するＶ_{ｂａｔｒｅｆ}も減少する。本開示のいくつかの態様では、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}は固定値でも定数でもなく、バッテリーの寿命中にＳｏＣ_ｍａｘの減少に関連して変化する可能性がある変数である。本開示のいくつかの態様では、所定のバッテリーモデルを用いてＳｏＣ及びＳｏＣ_ｍａｘを推定することによって、また、バッテリータイプに従って式（７ａ）のｋファクターを設定することによって、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}は、バッテリーの寿命全体にわたって動的に決定可能である。

本開示のいくつかの態様では、ｋファクターは、再充電可能なバッテリーのタイプに依存する範囲（例えば、リチウムイオン電池などの場合には０．８～０．９５）において選択可能である。ＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ）が特定のバッテリーの動作寿命に応じて減少する場合、当該バッテリーに対して選択された所与のｋファクターについて、式（７ａ）に係るＳｏＣ＝ｋ ＳｏＣ_ｍａｘに対応するバッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）は、充電サイクル中にＣＣモード及びＣＶモードの変更が行われるべきバッテリーしきい値電圧（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）として選択されてもよい。Ｖ_ｂａｔは、充電中にバッテリーの正及び負の端子にかかる電圧であってもよい。

頻繁に更新されるＶ_{ｂａｔｒｅｆ}を用いてＣＣモード及びＣＶモードの変更の制御する方法を実現するために、充電コントローラ（例えば、図２のコントローラ２０６）は、適切なバッテリーモデルを用いて、ＳｏＣ、ＳｏＣ_ｍａｘ、及びバッテリー電圧Ｖ_ｂａｔに対するそれらの対応するマッピングを推定してもよい。図８及び図９は、ＳｏＣ及びＳｏＣ_ｍａｘを決定するために本開示において使用されうる２つの例示的なバッテリー回路モデルを示す。しかしながら、本開示は、何らかの特定のバッテリーモデルに限定されることはない。ＳｏＣ、ＳｏＣ_ｍａｘ、及びバッテリー電圧に対するそれらのマッピングの推定において許容可能な精度を提供することができる任意の適切なバッテリーモデルを使用可能である。

また、ＳｏＣ_ｍａｘはバッテリーのＳｏＨに関連する。前述したように、所定の時間におけるバッテリーの最大ＳｏＣ能力ＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ）と、ＣＣモード及びＣＶのモードの変更が行われる対応するバッテリー電圧しきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ））とは、バッテリーの使用時間が経過するにつれて変化する。現在のＳｏＨ（ＳｏＨ（ｔ））を定義する１つの例示的な方法は、式（８）として表される。

本開示の１つの態様では、充電手順は、現在の最大ＳｏＣ（ＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ））に関連又はマッピングされる変数として、バッテリーしきい値電圧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ）を扱う。式（９ａ）及び式（９ｂ）は、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ）及びＳｏＣ（ｔ）／ＳｏＨ（ｔ）の関係を示す例である。

本開示のいくつかの態様では、上述の充電手順は、ＣＣモードからＣＶモードに、又はその逆に切り換えるために、より正確かつ最適なバッテリー電圧しきい値を使用可能であるように、有線又は無線充電システムに適用可能である。

図１０は、充電モードを選択するために動的に更新されるしきい値電圧（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）を用いる例示的な充電手順３００を示すフローチャートである。手順３００は、有線又は無線充電システム（例えば、バッテリー充電システム２０２又は無線充電システム４００）を用いて実施されてもよい。ブロック３０２において、充電システム（例えばコントローラ２０６）は、バッテリーの現在の状態を決定する。例えば、現在の状態は、時間期間又は使用期間にわたってバッテリー（例えばバッテリー２０４）の現在の状態（例えば、ＳｏＨの劣化）を示すバッテリーの現在のＳｏＨ（例えばＳｏＨ（ｔ））又は最大ＳｏＣであってもよい。いくつかの実施例において、現在のＳｏＨは、現在のＳｏＣ_ｍａｘ（例えばＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ））に等しくてもよい。現在のＳｏＨは、前述したように、式（８）を用いて決定されてもよい。

ブロック３０４において、充電システムは、バッテリーの現在の状態（例えばＳｏＨ（ｔ））に基づいて充電モード（例えば、ＣＣモード及びＣＶモード）を選択するためのしきい値電圧（例えばＶ_{ｂａｔｒｅｆ}）を動的に決定する。動的にしきい値電圧を決定することは、しきい値電圧が固定されず、現在のＳｏＨ又はＳｏＣ_ｍａｘのような他のファクターに基づいて変更可能であることを意味する。例えば、しきい値電圧は、上述した式９（ａ）又は式９（ｂ）を用いて、リアルタイム又は頻繁に決定されてもよい。ブロック３０６において、充電システムは、充電中にバッテリーのバッテリー電圧を決定する。バッテリー電圧は、バッテリー端子にわたって測定された電圧であってもよく、又は、所定のフロントエンド充電器パラメータ（例えば、１次充電電流及び電圧、又は無線充電器）に基づいて推定された電圧であってもよい。ブロック３０８において、充電システムは、バッテリー電圧及びしきい値電圧の間の比較に基づいて選択されたＣＣモード又はＣＶモードを用いて、バッテリーを充電する。例えば、バッテリー電圧がしきい値電圧未満である場合、ＣＣモードが選択され、一方、バッテリー電圧がしきい値電圧以上である場合、ＣＶモードが選択される。バッテリー使用及び経年劣化に起因する変化するＳｏＨ／ＳｏＣ_ｍａｘを考慮してしきい値電圧が動的に更新されるので、充電システムは、電池寿命を延長するために最適なバッテリー電圧で、ＣＣモード及びＣＶモードの間で切り換えることができる。

図１１は、本開示のいくつかの態様に係る例示的な無線充電システム４００を示すブロック図である。無線充電システムは、無線電力転送（wireless power transfer：ＷＰＴ）システムと呼ばれてもよい。無線充電システム４００は、ＬＣＣ又はＬＬＣ共振タンクのような、より高次の共振回路をともなうことなく、簡単な直列－直列ＬＣ共振回路を用いて実装されてもよい。しかしながら、受電装置において使用される直列ＬＣ共振回路については、並列（Ｐ）、直列（Ｓ）、ＬＣＣ、又はＬＬＣ共振タンクを採用可能である送電回路をカバーするように本発明を一般化可能であることを、本明細書において後に説明する。

無線充電システム４００は、固定されたインバータスイッチング周波数を用いてバッテリー負荷を充電するために、定電流（ＣＣ）モード及び定電圧（ＣＶ）モードを自動的に選択する。無線充電システム４００は、フロントエンド（送電側）のモニタリング及び制御方法を用いてシステムパラメータ及び／又はバッテリー負荷状態を推定し、それにより、フィードバック制御目的の無線通信システムの必要性を除くように構成される。無線充電システム４００は、送電側のモニタリングに基づいて（すなわち、送電側において利用可能な情報をのみ用いて）、バッテリーのＳｏＣ及び／又はＳｏＨの変化をリアルタイム又は頻繁にモニタリングするように構成される。無線充電システム４００は、送電側制御において頻繁に（例えば周期的に）更新されたＳｏＣ／ＳｏＨ情報及びその対応するバッテリー電圧（経年劣化の影響を含む）を用いて、充電中にＣＣモード及びＣＶモードを選択するために、また、バッテリー寿命を延長するように最大ＳｏＣを制限するために、しきい値電圧（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}）を決定する。他の充電方法と異なり、無線充電システム４００は、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}及びＳｏＣ／ＳｏＨの間の関係をリアルタイム又は頻繁に更新する。その目的で、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}は、一定値でも、固定値でも、予め決められた値でもなく、バッテリーの経年劣化の影響及び使用に応じて変化する。

図１１を参照すると、無線充電システム４００は、図４に示す充電プロファイルを用いてＣＣモード又はＣＶモードでバッテリー（バッテリー負荷）を充電するように構成されてもよい。無線充電システム４００は、送電側部分及び受電側部分を有する。送電側部分は、コイル共振器４０２を介して、受電側部分における対応するコイル共振器４０４に無線送電するように構成される。受電側部分は、整流器４０６及びバッテリー負荷４０８を含む。整流器４０６は、余分な充電コントローラ及び／又は電圧コンバータを用いることなく、バッテリー負荷４０８を直接的に充電する。すなわち、無線充電システム４００は、整流器出力及びバッテリー負荷４０８の間における余分なバッテリー管理システム又は電圧コントローラを必要としない。送電側部分は、ＤＣ電力（Ｖ_ｄｃ）をＡＣ電力に変換してコイル共振器４０２を駆動する電力インバータ４１０をさらに含む。センサブロック４１２は、コイル共振器４０２を駆動する１次電圧（ｖ_ｐ）及び１次電流（ｉ_ｐ）を測定するように構成される。送電側部分はさらに、バッテリー電圧及び電流推定器４１４、バッテリー状態推定器４１６、しきい値電圧生成器４１８、及び充電コントローラ４２０を含む。

一例では、電力インバータ４１０は、４つの電力スイッチ（例えば、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４）を有するフルインバータブリッジ（図１２を参照）を備える。４個のスイッチのゲート信号は、ゼロの移相角（すなわち、α＝０；例えば図１３）又は正の移相角（すなわち、α＞０；例えば図１４）を有してもよい。概して、対角ペアのスイッチ（例えば、Ｓ１及びＳ３、Ｓ２及びＳ４）は、ともにスイッチングされる。Ｓ１及びＳ３がオンされるとき、Ｓ２及びＳ４はオフされ、また、その逆にスイッチングされる。いくつかの実施例では、スイッチング電力損失を低減するためにソフトスイッチング状態を提供するために、スイッチング状態の変化の間に小さな不感時間が含まれてもよい。この不感時間は、典型的には、インバータのスイッチング周期よりもずっと短く、従って、図１３及び図１４には示していない。

この例では、インバータのＤＣ電圧入力（Ｖ_ｄｃ）は一定であると仮定される。移相角αがゼロである場合（α＝０）、インバータの出力電圧は、最大の大きさを有する矩形波である（図１３を参照）。移相角αが増大されると、図１４に示すように、インバータの出力電圧の大きさは低減される。従って、インバータの出力電圧は、移相角αを変更することで制御可能である。例えば、インバータ出力電圧の大きさは、αを増大させることで低減され、また、その逆に制御することができる。αがより大きくなると、インバータの出力電圧における矩形電圧波形からより派生がより大きくなり、出力電圧に存在する高調波成分がより大きくなることに注意するべきである。従って、電圧高調波成分は、増大するαに応じて増大する。このインバータ出力電圧は、送電回路における１次コイル共振器に印加される。

バッテリー電圧及び電流推定器４１４（Ｃ－Ｖ推定器）は、受電側からの何らかのフィードバックに依存することなく、センサ（例えば、センサブロック４１２）によって測定された１次電圧（ｖ_ｐ）及び１次電流（ｉ_ｐ）の情報のみに基づいて、フロントエンドモニタリング方法を用いて、バッテリーの電圧（Ｖ_ｂａｔ）及び電流（Ｉ_ｂａｔ）を決定又は推定する。図１５は、Ｖ_ｂａｔを決定するために使用可能である例示的な電圧センサ回路５００を示す図である。図１６は、Ｉ_ｂａｔを決定するために使用可能である例示的な電流センサ回路６００及び６０２を示す図である。例えば、Ｖ_ｂａｔは、演算増幅器５０２の出力電圧Ｖ_{ｐ＿ＡＤＣ}及び演算増幅器６０２の出力電流Ｉ_{ｐ＿ＡＤＣ}から導出可能である。

図１７は、直列－直列のＬＣの補償された無線電力伝送回路として示した、無線充電システム４００の一部の簡単化された等価回路７００の例である。図１７を参照すると、電流ｉ_ｐｎ及びｉ_ｓｎは、１次電流及び２次電流のｎ番目の高調波をそれぞれ示す。電圧ｖ_ｐｎは、１次コイル共振器（例えば、コイル共振器４０２）に印加される１次電圧のｎ番目の高調波を示す。電圧ｖ_ｓｎは、整流器及びバッテリー負荷に印加される２次出力電圧のｎ番目の高調波である。電圧ｖ_ｐｎ及びｖ_ｓｎは、式（１５）で表すことができる。

式（１５）において、次式を用いる。

次いで、ｎ次高調波成分ｉ_ｓｎ及びｖ_ｓｎは、式（１６．１）及び式（１６．２）におけるｉ_ｐｎ及びｖ_ｐｎに基づいて推定することができる。

ｉ_ｓｎ及びｖ_ｓｎの振幅はさらに、式（１７．１）及び式（１７．２）として導出することができる。

式（１７．１）及び式（１７．２）において、演算子｜・｜は信号の振幅を示す。それに加えて、バッテリー負荷の電流及び電圧Ｉ_ｂａｔ及びＶ_ｂａｔは、式（１８．１）及び式（１８．２）に示すようなフーリエ級数展開を用いて、ｉ_ｓｎ及びｖ_ｓｎに基づいて推定することができる。

本開示の１つの態様では、バッテリー負荷の電流Ｉ_ｂａｔ及び電圧Ｖ_ｂａｔは、下記の式（１９．１）及び式（１９．２）で表すように、フロントエンド測定値ｉ_ｐｎ及びｖ_ｐｎに基づいて推定することができる。

共振器の基本高調波成分が支配的である場合（ｎ＝１）、１次近似式は式（２０．１）及び式（２０．２）として表すことができる。

さらに、共振する周波数（ω＝ω_ｏ）において、等価入力インピーダンスＺ_ｉｎは、ｖ_ｐ１及びｉ_ｐ１が同相であるように、純抵抗性である。従って、Ｉ_ｂａｔ及びＶ_ｂａｔは、共振周波数（ω＝ωｏ）において、簡単化された式（２１．１）及び式（２１．２）によって推定することができる。

ほとんどの場合、バッテリー電圧Ｖ_ｂａｔは、Ｖ_Ｄよりずっと大きく（Ｖ_ｏ≫２Ｖ_Ｄ）、また、共振器の等価直列抵抗（ＥＳＲ）は小さい（ω_ｏ ^２Ｍ^２≫Ｒ_ｐ１Ｒ_ｓ１）。Ｖ_Ｄは、ダイオードブリッジ整流器（例えば整流器４０６）のダイオード電圧降下である。共振周波数（ω＝ω_ｏ）における出力電圧の推定式は、数式（２２）としてさらに簡単化することができる。

それに加えて、インバータについて、フーリエ級数展開に基づいて次式が得られる。

式（２３）において、αは移相角である。等価入力インピーダンスＺ_ｉｎは式（２４）で表される。

式（２４）において、Ｒ_ｅｑは、バッテリー負荷及びダイオードブリッジ整流器の等価抵抗である。

式（２０）へ式（１８）及び式（１９）を代入すると、‥‥バッテリー電流及び電圧の全次数推定モデルは、式（２５．１）及び式（２５．２）によって表すことができる。

式（２５．１）及び式（２５．２）を用いて、Ｉ_ｂａｔ及びＶ_ｂａｔは、移相角αを制御することで調整することができる。本開示のいくつかの態様では、ＣＣモード制御は式（２５．１）を用いて実施することができ、ＣＶモード制御は式（２５．２）を用いて実施することができる。

Ｉ_ｂａｔ及びＶ_ｄｃの比は、トランスコンダクタンスＧ_Ｉとして定義される。

Ｖ_ｏ＋２Ｖ_Ｄ及びＶ_ｄｃの比は、電圧伝達比Ｇ_Ｖとして定義される。

共振器の基本高調波成分が支配的である場合（ｎ＝１）、Ｇ_Ｖ及びＧ_Ｉは式（２７．１）及び式（２７．２）として表すことができる。

さらに、共振周波数（ω＝ω_ｏ）において、Ｇ_Ｉ及びＧ_Ｖは、式（２８．１）及び式（２８．２）として表すことができる。

ほとんどの場合、高次高調波が存在しても、１次推定式（２０．１）は正確にＩ_ｂａｔを推定することができる。従って、ＣＣモード制御は１次推定式を使用することができる。

しかしながら、本開示のいくつかの態様では、ＣＣモード制御のためのＩ_ｂａｔを決定するために、上述した全次数の推定式（１９．１）が使用されてもよい。

しかしながら、大部分の場合では、高調波成分が増大する場合、電圧伝達比は増大する。従って、ＣＶモード制御は、全次数の推定式（１９．２）を使用する。

本開示のいくつかの態様では、許容できる精度のために、Ｎは３以上（例えばＮ≧５）であってもよい。

上述の導出された式を用いると、充電システム４００は、１次側又は送電側回路において測定可能な電気的変数（ｖ_ｐ及びｉ_ｐ）のみに基づいて、ＣＣモードにおけるバッテリー電流（Ｉ_ｂａｔ）及びＣＶモードにおけるバッテリー電圧（Ｖ_ｂａｔ）を制御するために、送電側制御を使用することができる。

送電側のバッテリー状態推定．
バッテリー状態推定器４１６（図１１）は、適切な方法及びバッテリーモデルを用いて、現在のＳｏＣ及びＳｏＨをリアルタイム又は頻繁に決定するように構成される。いくつかの非限定的かつ例示的な方法は、クーロンカウンティング法（又は拡張クーロンカウンティング法）、電圧法（開路電圧法を含む）、カルマンフィルタ（又は拡張カルマンフィルタ）、インピーダンス分光法、及びバッテリーモデルに基づくヒューリスティックなアルゴリズムを含む。バッテリーモデルの選択は、モデルの複雑性及び／又は精度に依存し、また、コントローラ（例えば、バッテリー状態推定器４１６）において使用されるプロセッサの計算能力にも依存する。

クーロンカウンティング法を用いたＳｏＣの推定．
本開示の１つの態様では、充電システム４００は、送電側モニタリング方法を使用することで、クーロンカウンティング法及びハイブリッド電池モデルを用いて現在のＳｏＣ及びＳｏＨをリアルタイム又は頻繁に決定するように構成されてもよい。ＳｏＣは、次式の式（３）に従って、クーロンカウンティング法を用いて決定されてもよい。

ＳｏＣ（ｔ_０）：初期ＳｏＣ
η：充電効率

本方法のステップ１において、バッテリー負荷の出力電圧及び電流、すなわちＶ_ｂａｔ及びＩ_ｂａｔは、予め決められた時間間隔ごとに周期的に、式（１９．２）及び式（１９．１）に基づいて推定することができる。例示的な５分の期間を用いると、２０分間で５つのＶ_ｂａｔ値（Ｖ_ｂａｔ（ｔ_０），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_１），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_２），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_３），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_４））を取得することができる。バッテリー負荷の対応するＳｏＣ（ＳｏＣ（ｔ_０），ＳｏＣ（ｔ_１），ＳｏＣ（ｔ_２），ＳｏＣ（ｔ_３），ＳｏＣ（ｔ_４））は、フロントエンドにおいて、フロントエンドの推定されたＶ_ｂａｔ及びＩ_ｂａｔに基づいて推定することができる。本開示のいくつかの態様では、Ｖ_ｂａｔ及びＳｏＣの対応又はマッピングは、オフラインテストにより決定されてもよく、又は、予め決定されていてもよい。いくつかの実施例では、ＳｏＣの正確な推定は、長い静止期間時間の後に測定された開回路のバッテリー電圧Ｖ_ｂａｔに基づく、オフラインでテストされたルックアップテーブルを使用してもよい。したがって、いくつかの実施例では、Ｖ_ｂａｔ及びＩ_ｂａｔをそれらの対応するＳｏＣにマッピングして推定誤差を低減するために、線形のあてはめ技術が使用されてもよい。

本方法のステップ２において、推定されたＳｏＣ（例えば、ＳｏＣ（ｔ_０），ＳｏＣ（ｔ_１），ＳｏＣ（ｔ_２），ＳｏＣ（ｔ_３），ＳｏＣ（ｔ_４））と、バッテリー負荷の一定の出力電流Ｉ_ｂａｔとに基づいて、ＳｏＣｓは線形あてはめを用いて調整される。調整されたＳｏＣｓ及びＩ_ｂａｔによれば、充電効率η及び定格電気量Ｑ_{ｒａｔｅｄ}は、式（１）及び式（３）に基づいて決定することができる。

本方法のステップ３において、既知のＳｏＣ（ｔ_０）、η、及びＱ_{ｒａｔｅｄ}に基づいて、フロントエンドにおけるバッテリー負荷のＳｏＣのリアルタイムモニタリングを達成することができる。

本方法のステップ４において、バッテリーのＳｏＨは、充電サイクルの終了時に、ＳｏＨ＝ＳｏＣとして決定することができる。

ヒューリスティックなアルゴリズムを用いたＳｏＣ及びＳｏＨの推定．
本開示のもう１つの態様では、充電システム４００は、送電側のモニタリング方法を使用することで、ハイブリッド電池モデルに基づいて、ヒューリスティックなアルゴリズムを用いて、ＳｏＣ及びＳｏＨをリアルタイムで決定するように構成されてもよい。図９に、ハイブリッドモデルの等価回路の一例を示す。ハイブリッド電池モデルのパラメータは、下記の式（３０－１，３０－２，３０－３，３０－４，３０－５，３０－６）によって表すことができる。

ハイブリッドバッテリーモデルのパラメータ、すなわち、ａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４、ａ_５、ｂ_０、ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４、ｂ_５、ｃ_０、ｃ_１、ｃ_２、ｄ_０、ｄ_１、ｄ_２、ｅ_０、ｅ_１、ｅ_２、ｆ_０、ｆ_１、及びｆ_２を含むパラメータは、ＳｏＣが高い場合（例えば、２０％及び１００％の間）には近似的に一定であり、また、バッテリー負荷の電気化学的反応に起因してＳｏＣが所定値（例えば、０％及び２０％の間）よりも低下する場合には指数関数的に変化する。何らかのオフライン測定及びルックアップテーブルを用いることなく、バッテリー負荷のパラメータは、周期的又は頻繁に更新することができ、バッテリー負荷のＳｏＣは、既知のヒューリスティックなアルゴリズム、例えば、遺伝的アルゴリズム、粒子群最適化、人工ニューラルネットワーク、群知能、タブーサーチ、シミュレーテッドアニーリング、サポートベクトルマシン、及び差分進化を用いるハイブリッドモデルの式（１）、（３）、（３０）に基づいて推定することができる。次いで、バッテリー負荷のＳｏＨは、充電の終了時に、ＳｏＨ＝ＳｏＣによって決定することができる。

本方法のステップ１において、バッテリー負荷のいくつかの出力電圧及び電流、例えば、Ｖ_ｂａｔ＝［Ｖ_ｂａｔ（ｔ_０），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_１），Ｖ_ｂａｔ（ｔ_２），…，Ｖ_ｂａｔ（ｔ_ｎ）］、Ｉ_ｂａｔ＝［Ｉ_ｂａｔ（ｔ_０），Ｉ_ｂａｔ（ｔ_１），Ｉ_ｂａｔ（ｔ_２），…，Ｉ_ｂａｔ（ｔ_ｎ）］は、所定の時間期間にわたって測定される。本方法のステップ２において、ハイブリッドバッテリーモデルに基づいて式又は方程式を導出することで、測定されたＩ_ｂａｔを用いて、バッテリー負荷の理想的な出力電圧Ｖ_{ｂａｔｅｓｔ}を計算することができる。本方法のステップ３において、バッテリー負荷のＳｏＣは、Ｖ_ｂａｔ及びＶ_{ｂａｔｅｓｔ}の間の差のノルムを最小化するように、ヒューリスティックなアルゴリズムを用いて推定することができる。本方法のステップ４において、バッテリーのＳｏＨは、充電の終了時に、ＳｏＨ＝ＳｏＣとして決定することができる。

電圧しきい値を更新するための送電側のモニタリング及び制御方式．
しきい値電圧生成器４１８は、充電サイクル中にＣＣモード及びＣＶモードを選択するためのしきい値電圧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}を更新するように構成される。しきい値電圧生成器４１８は、バッテリーの使用時間が経過するにつれて全ＳｏＣ能力（すなわちＳｏＣ_ｍａｘ）が減少することに起因するバッテリーの経年劣化の影響を考慮してＣＣモード及びＣＶモードを適切に選択することができるように、変化するＳｏＨ／ＳｏＣに応答してＶ_{ｂａｔｒｅｆ}を調整又は更新することができる。

図３に関連して前述したように、最大ＳｏＣ能力ＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ）と、ＣＣモード及びＣＶモードの変更が行われるその対応する電圧しきい値（Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ））とは、時間とともに、また、バッテリーの経年劣化に応じて変化する。本開示の１つの態様では、現在のＳｏＨ（ＳｏＨ（ｔ））は、式（８）として表すことができる。

充電システム４００（例えば、しきい値電圧生成器４１８）は、ＳｏＣ及びバッテリー電圧Ｖ_ｂａｔの関係を連続的又は頻繁に更新し、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ）を式（９ａ）におけるＳｏＣ_ｍａｘ（ｔ）にマッピングされる変数とみなす。

式９（ａ）において、ｋは、バッテリータイプに依存する値（０＜ｋ＜１．０）を有するファクターである。一例では、リチウムイオン電池の場合、ｋは０．８～０．９の範囲内に設定されてもよい。式（８）に基づいて、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ）はＳｏＨ（ｔ）にマッピングされてもよく、式（９ａ）は式（９ｂ）として表すこともできる。

Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}がＳｏＣに対応するので、式（９ａ）及び式（９ｂ）から、電圧しきい値Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}（ｔ）は、式（４）で表されるようなＳｏＣ_ｒｅｆのＳｏＣしきい値に対応する。

自動的なＣＣ及びＣＶモードの変更．
充電コントローラ（例えば、制御ストラテジブロック４２０）は、現在のＳｏＨ／ＳｏＣ及びＶ_{ｂａｔｒｅｆ}に基づいて、電力インバータを制御するように、例えば、インバータスを制御するイッチング信号の移相角を制御するように構成されてもよい。無線充電システム４００は、ＣＣモード及びＣＶモードの間で変更するための手段として、インバータの動作周波数を変化させることを必要としない。図１８は、充電中に充電モードを選択するための例示的な制御ブロック８００を示すブロック図である。制御ブロック８００は、ハードウェア及び／又はソフトウェアを含む、アナログ形式、ディジタル形式、又はこれら両方の組み合わせで実装することができる。本開示の１つの態様では、制御ブロックは、充電コントローラ４２０によって実装されてもよい。

図１８を参照すると、ＣＶモードは、ＣＶモードのための移相角α_ｖを生成するコントローラ１によって制御される。これに対して、ＣＣモードは、ＣＣモードのための移相角α_Ｉを提供するコントローラ２によって制御される。ＣＣモード又はＣＶモードの選択は、式（９ｂ）で示すようなＶ_ｂａｔとＶ_{ｂａｔｒｅｆ}（ファクターｋ及びＳｏＨの関数）との比較によって決定される。移相角αは式（３１）によって表すことができる。

図１８の比較器の論理出力は、ＣＣ及びＣＶモードのいずれかをイネーブルにする。Ｖ_ｂａｔ＜Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}である場合、図１８の比較器の出力はローレベルであり（すなわち０）、α_ｖのための乗算器を介して、０を乗算した任意のα_ｖもゼロであり、したがってＣＶモードをディセーブルにする。この場合、移相角はα＝α_Ｉである、すなわちＣＣモード下にある。コントローラ２は、瞬間又は現在のＶ_ｂａｔであって、例えばバッテリー電圧及び電流推定器４１４によって決定されるＶ_ｂａｔに依存する、予め設定された電流レベルＩ_{ｂａｔｒｅｆ}（例えば、図６に示すＩ_{ｂａｔ（ｓｃ）}、Ｉ_{ｐｒｅｃｈｇ}、Ｉ_{ｂａｔｒｅｆ}、Ｉ_{ｔｅｒｍ－ｔｈ}）に従うように充電電流を制御する。

なお図１８を参照すると、Ｖ_ｂａｔ≧Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}が生じる場合、比較器の出力はハイレベル（すなわち１）になる。その場合、コントローラ－２の出力のための減算器の出力は０になり、したがって、α_Ｉのための第２の乗算器の出力もまたゼロになり、ＣＣモードをディセーブルにする。移相角はα＝α_ｖになる、すなわちＣＶモードの下にある。ＣＶモードにおいて、コントローラ１は、充電電圧をＶ_{ｂａｔｒｅｆ}の予め設定された値の近くに制御してバッテリーを充電する。

図１９は、充電中に充電モード（例えば、ＣＣモード又はＣＶモード）を選択するためのもう１つの例示的な制御ブロック９００を示すブロック図である。前述したように、Ｖ_{ｂａｔｒｅｆ}はｋ及びＳｏＨの関数であり、ＳｏＨはＳｏＣ_ｍａｘとして定義することができる。この実施例は、図１８に関連して説明した制御ブロックに実質的に類似しているので、簡潔さのために、それらの間の差分のみを説明する。図１９の制御ブロックは、ＳｏＣ（Ｖ_ｂａｔに対応する）とＳｏＣ_ｒｅｆ（式（４）を参照）とを比較することで、充電モードの変更を制御するための代替アプローチを使用する。

図１７は、送電回路及び受電回路の両方が直列で補償される例示的な直列－直列（ＳＳ）の補償された無線電力転送（ＷＰＴ）システムを示しているが、本発明の態様は、ＸＳの補償されたＷＰＴシステムにも適用可能である。ここで、Ｘは、Ｐ（並列）、Ｓ（直列）、ＬＣＬ（誘導性－容量性－誘導性）、又はＬＣＣ（誘導性－容量性－容量性）タイプの補償された送電回路を示す。すなわち、本発明の態様は、受電回路が直列で補償される限りは、広範囲の補償された送電回路に適用可能である。

図２０は、本開示のいくつかの態様に係る、ＸＳの補償されたＷＰＴシステム１０００を示す図である。ＷＰＴシステム１０００において、送電回路は、Ｐ、Ｓ、ＬＣＬ、又はＬＣＣタイプで補償されてもよい。図２１は、ＷＰＴシステム１０００の簡単化された等価回路１１００の図である。図２１に、共振器の等価回路を示す。ここで、ωはスイッチング角周波数である。ｖ_ｐ１、ｉ_ｐ１、ｖ_ｐＬ１、ｉ_ｐＬ１、ｉ_ｓ１、及びｖ_ｓ１は、ｖ_ｐ、ｉ_ｐ、ｖ_ｐＬ、ｉ_ｐＬ、ｉ_ｓ、及びｖ_ｓの基本成分である。既知の回路理論に基づいて、これらの変数は次式で表すことができる。

ここで、次式を用いる。

異なるタイプの補償のための特定の送電パラメータ（すなわち、Ａ_ｐｃ、Ｂ_ｐｃ、Ｃ_ｐｃ、及びＤ_ｐｃ）を、下記の表１に提示する。

表１：１次回路の異なる補償の伝送パラメータ

式（３１．２）及び式（３１．３）に基づいて、受電回路の出力電圧及び電流の基本成分を、ｖ_ｐＬ１及びｉ_ｐＬ１を用いて推定することができる。

（３１．１）を（３２．１）に代入することによって、受電側の出力電圧及び電流の基本成分を、式（３２．２）におけるｖ_ｐ１及びｉ_ｐ１に基づいて推定することができる、

式（３２．２）に基づいて、

及び

の振幅を次式により推定することができる。

ここで、演算子｜・｜は、ＡＣ信号の振幅を示す。

それに加えて、ダイオードブリッジ整流器及びフィルタキャパシタの入力及び出力は、式（４０．１）及び式（４０．２）を満たす。

ここでＶ_Ｄは、ダイオード（すなわち、図２０におけるダイオードＤ５～Ｄ８）の順方向電圧である。

式（３３．１）及び式（３３．２）を式（４０．１）及び式（４０．２）にそれぞれ代入することにより、出力電圧及び電流は、１次側において、式（５０．１）及び式（５０．２）を用いて推定することができる。

本開示のいくつかの態様では、補償されたキャパシタＣ_ｓは、式（６０）で表すように、受電コイルの自己インダクタンスをゼロにして、回路の電力伝送能力を増大（例えば最大化）させることができる。

ここで、ω_ｏは、動作角周波数である。

さらに、高いＱファクターを有するコイルの場合、次式の項はゼロに近似することができる。

式（６０）及び式（７０）を式（５０．１）及び式（５０．２）にそれぞれ代入することにより、１次側の出力電圧及び電流は、下記の式（８０．１）及び式（８０．２）を用いて推定することができる。

式（８０．１）及び式（８０．２）と、表１における送電パラメータとに基づいて、充電電圧及び電流のための特定の推定式を、下記の表２を用いて決定することができる。

表２：異なる補償の推定式

表２におけるＥ及びＨの値を、下記のように決定することができる。

図２２は、本開示のいくつかの態様に係る、ＷＰＴシステム１０００の一般化された制御方式を示すブロック図１２００である。この一般化された制御方式において、推定式１２０２は、表２に示したように、送電回路で使用される補償のタイプ（例えば、図２０～図２１に関連して前述したようなＸＳの補償された回路）に依存しうる。

バッテリーを充電するためのバッテリー充電システムの第１の実施形態は、バッテリーを充電するように構成された充電回路と、充電回路に通信可能に接続されたコントローラとを含む。コントローラは、バッテリーの現在の状態を決定する。コントローラは、現在の状態に基づいて、充電回路の充電モードを制御するためのしきい値電圧を動的に決定する。コントローラは、充電中にバッテリーのバッテリー電圧を決定する。コントローラは、バッテリー電圧がしきい値電圧未満である場合に定電流（ＣＣ）モードを用いてバッテリーを充電するように充電回路を構成し、バッテリー電圧がしきい値電圧以上である場合に定電圧（ＣＶ）モードを用いてバッテリーを充電するように充電回路を構成する

第１の実施形態と組み合わされる第２の実施形態によれば、現在の状態は、バッテリーの現在の健全度（ＳｏＨ）又は最大の充電率（ＳｏＣ）を含む。第２の実施形態と組み合わされる第３の実施形態によれば、コントローラは、ＳｏＨ又はＳｏＣ_ｍａｘに基づいてしきい値電圧を決定するようにさらに構成される。

第１の実施形態と組み合わされる第４の実施形態によれば、充電回路は、無線送電するように構成された送電側部分と、送電側部分から無線受電し、送電側部分への制御フィードバックを提供することなくバッテリーを充電するように構成された受電側部分とを備える。

第１～第４の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第５の実施形態によれば、受電側部分は、直列の補償された回路を備え、送電側部分は、直列の補償された回路、並列の補償された回路、誘導性－容量性－容量性（ＬＣＣ）の補償された回路、又は誘導性－容量性－誘導性の（ＬＣＬ）補償された回路を備える。

第１～第５の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第６の実施形態によれば、受電側部分は整流器を備え、整流器は、整流器及びバッテリーの間の充電管理回路を用いることなく、バッテリーを充電するように構成される。

第１～第６の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第７の実施形態によれば、送電側部分は、コイル共振器と、コイル共振器の１次電圧及び１次電流をモニタリングするように構成された少なくとも１つのセンサとを備える。コントローラは、１次電圧及び１次電流に基づいてバッテリーの電圧及び電流を推定し、バッテリーの推定された電圧及び推定された電流に基づいてバッテリーの状態を決定するようにさらに構成される。

第１～第７の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第８の実施形態によれば、コントローラは、受電側部分からバッテリーについての情報を受信することなく、バッテリーの電圧及び電流を決定するようにさらに構成される。

第１～第８の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第９の実施形態によれば、送電側部分は、複数のスイッチング信号によって制御される電力インバータを備え、コントローラは、複数のスイッチング信号の移相角を制御して１次電流及び１次電圧を制御するようにさらに構成される。

第１～第９の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第１０の実施形態によれば、電力インバータは、複数のスイッチング信号の移相角に従って、バッテリーをＣＣモード及びＣＶモードで充電する場合、同じスイッチング周波数で動作するように構成される。

第１～第１０の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第１１の実施形態によれば、スイッチング周波数は、コイル共振器の共振周波数に実質的に等しい。

第１～第１１の実施形態のうちのいずれかと組み合わされる第１２の実施形態によれば、送電側部分のコイル共振器の共振周波数は、受電側部分のコイル共振器の共振する周波数に実質的に等しい。

本開示内では、語句「例示的な」は、「例示、実例、又は例証として提供する」ことを意味するために使用される。本願において「例示的な」ものとして説明した任意の実施例又は態様は、必ずしも、本開示の他の態様よりも好ましい又は有利なものとして解釈されるべきではない。同様に、用語「態様」は、本開示のすべての態様が、説明した特徴、優位点、又は動作モードを含むことを必要としない。用語「接続された」は、本願では、２つのオブジェクト間の直接又は間接の接続を示すために使用される。例えば、オブジェクトＡがオブジェクトＢに物理的に接触し、オブジェクトＢがオブジェクトＣに接触する場合、オブジェクトＡ及びＣは、それらが互いに直接的には物理的に接触していなくてもなお、互いに接続されていると考えられてもよい。例えば、第１のオブジェクトが第２のオブジェクトに直接的には決して物理的に接触していない場合であっても、第１のオブジェクトは第２のオブジェクトに接続されることがある。用語「回路（"circuit" and "circuitry"）」は広義で使用され、接続及び構成されたとき、電子回路のタイプに関する制限なしに、本開示で説明した機能の実行を可能にする電気的デバイス及び導体のハードウェア実装と、プロセッサによって実行されたとき、本開示で説明した機能の実行を可能にする情報及び命令のソフトウェア実装との両方を含むことを意図している。

図１～図２２に示した構成要素、ステップ、特徴、及び／又は機能のうちの１つ又は複数は、単一の構成要素、ステップ、特徴、又は機能に整理及び／又は組み合わされてもよく、又は、いくつかの構成要素、ステップ、又は機能として具体化されてもよい。本願で開示した新規な特徴から外れることなく、追加の構成要素、部品、ステップ、及び／又は機能が追加されてもよい。図１～図２２に示した装置、デバイス、及び／又は構成要素は、本願で説明した方法、特徴、又はステップのうちの１つ又は複数を実行するように構成されてもよい。本願で説明した新規なアルゴリズムは、効率的にソフトウェアで実装されてもよく、及び／又はハードウェアに埋め込まれてもよい。

開示した方法における特定の順序又は階層のステップは例示的な処理の例証であることが理解されるべきである。設計上の選好に基づいて、本方法における特定の順序又は階層のステップが整理されてもよいことが理解される。添付する方法の請求項は、様々なステップの要素をサンプルの順序で提示し、そこで具体的に述べていない限り、提示した特定の順序又は階層に制限されることを意味していない。

上述の説明は、任意の当業者が本願で説明したさまざまな態様を実施することを可能にするように提供される。これらの態様に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかになり、本願で定義した一般的な原理が他の態様にも適用されうる。したがって、請求項は、本願で示した態様に限定することを意図していないが、請求項の言語に沿った範囲全体に一致するものとする。ここで、ある構成要素について単数形で言及していることは、具体的にそのように述べていない限りは、「１つかつ唯一」を意味することを意図せず、「１つ以上」を意味することを意図している。特に別記しない限り、用語「いくらかの」は、１つ又は複数を参照する。「少なくとも１つの」物品のリストに言及するフレーズは、単一のメンバーを含む、これらの物品の任意の組み合わせを示す。一例として、「ａ、ｂ、及びｃのうちの少なくとも１つ」は、ａ；ｂ；ｃ；ａ及びｂ；ａ及びｃ；ｂ及びｃ；及びａ、ｂ、及びｃをカバーすることを意図している。当業者に既知であるか又は後に既知になる、本開示の全体にわたって説明した様々な態様の構成要素に対するすべての構造的及び機能的等価物は、参照によって明示的に本願に援用され、請求項によって包含されることを意図している。また、本願で開示したものは、そのような開示が請求項に明示的に記載されているか否かにかかわらず、公に委ねることを意図していない。

Claims (29)

1. バッテリーを充電するためのバッテリー充電システムであって、
   上記バッテリーを充電するように構成された充電回路と、
   上記充電回路に通信可能に接続されたコントローラとを備え、
   上記コントローラは、
   上記バッテリーの現在の状態を決定し、
   上記現在の状態に基づいて、上記充電回路の充電モードを制御するためのしきい値電圧を動的に決定し、
   充電中に上記バッテリーのバッテリー電圧を決定し、
   上記バッテリー電圧が上記しきい値電圧未満である場合に、定電流（ＣＣ）モードを用いて上記バッテリーを充電するように上記充電回路を構成し、
   上記バッテリー電圧が上記しきい値電圧以上である場合に、定電圧（ＣＶ）モードを用いて上記バッテリーを充電するように上記充電回路を構成する、
   バッテリー充電システム。
2. 上記現在の状態は、上記バッテリーの現在の健全度（ＳｏＨ）又は最大の充電率（ＳｏＣ）を含む、
   請求項１記載のバッテリー充電システム。
3. 上記コントローラは、ＳｏＨ又はＳｏＣ_ｍａｘに基づいて上記しきい値電圧を決定するようにさらに構成される、
   請求項２記載のバッテリー充電システム。
4. 上記充電回路は、
   無線送電するように構成された送電側部分と、
   上記送電側部分から無線受電し、上記送電側部分への制御フィードバックを提供することなく上記バッテリーを充電するように構成された受電側部分とを備える、
   請求項１記載のバッテリー充電システム。
5. 上記送電側部分は、直列の補償された回路を備え、
   上記受電側部分は、直列の補償された回路を備える、
   請求項４記載のバッテリー充電システム。
6. 上記受電側部分は、直列の補償された回路を備え、
   上記送電側部分は、並列の補償された回路を備える、
   請求項４記載のバッテリー充電システム。
7. 上記受電側部分は、直列の補償された回路を備え、
   上記送電側部分は、誘導性－容量性－容量性（ＬＣＣ）の補償された回路を備える、
   請求項４記載のバッテリー充電システム。
8. 上記受電側部分は、直列の補償された回路を備え、
   上記送電側部分は、誘導性－容量性－誘導性（ＬＣＬ）の補償された回路を備える、
   請求項４記載のバッテリー充電システム。
9. 上記受電側部分は整流器を備え、上記整流器は、上記整流器及び上記バッテリーの間の充電管理回路を用いることなく、上記バッテリーを充電するように構成される、
   請求項４記載のバッテリー充電システム。
10. 上記送電側部分は、コイル共振器と、上記コイル共振器の１次電圧及び１次電流をモニタリングするように構成された少なくとも１つのセンサとを備え、
    上記コントローラは、
    上記１次電圧及び上記１次電流に基づいて上記バッテリーの電圧及び電流を推定し、
    上記バッテリーの推定された電圧及び推定された電流に基づいて上記バッテリーの状態を決定する。ようにさらに構成される、
    請求項４記載のバッテリー充電システム。
11. 上記コントローラは、上記受電側部分から上記バッテリーについての情報を受信することなく、上記バッテリーの電圧及び電流を決定するようにさらに構成される、
    請求項１０記載のバッテリー充電システム。
12. 上記送電側部分は、複数のスイッチング信号によって制御される電力インバータを備え、
    上記コントローラは、上記複数のスイッチング信号の移相角を制御して上記１次電流及び上記１次電圧を制御するようにさらに構成される、
    請求項１０記載のバッテリー充電システム。
13. 上記電力インバータは、上記複数のスイッチング信号の移相角に従って、上記バッテリーをＣＣモード及びＣＶモードで充電する場合、同じスイッチング周波数で動作するように構成される、
    請求項１２記載のバッテリー充電システム。
14. 上記スイッチング周波数は、上記コイル共振器の共振周波数に実質的に等しい、
    請求項１３記載のバッテリー充電システム。
15. 上記送電側部分のコイル共振器の共振周波数は、上記受電側部分のコイル共振器の共振する周波数に実質的に等しい、
    請求項１２記載のバッテリー充電システム。
16. バッテリーの現在の状況を決定することと、
    上記現在の状態に基づいて、上記バッテリーの充電モードを制御するためのしきい値電圧を動的に決定することと、
    充電中に上記バッテリーのバッテリー電圧を決定することと、
    上記バッテリー電圧が上記しきい値電圧未満である場合に、定電流（ＣＣ）モードを用いて上記バッテリーを充電することと、
    上記バッテリー電圧が上記しきい値電圧以上である場合に、定電圧（ＣＶ）モードを用いて上記バッテリーを充電することとを含む、
    バッテリー充電方法。
17. 上記現在の状態は、上記バッテリーの現在の健全度（ＳｏＨ）又は最大の充電率（ＳｏＣ）を含む、
    請求項１６記載の方法。
18. 上記のしきい値電圧を動的に決定することは、ＳｏＨ又はＳｏＣ_ｍａｘに基づいて上記しきい値電圧を決定することを含む、
    請求項１７記載の方法。
19. 充電器の送電側部分において無線送電することと、
    上記送電側部分への制御フィードバックを提供することなく上記バッテリーを充電するように構成された上記充電器の受電側部分において無線受電することとをさらに含む、
    請求項１６記載の方法。
20. 上記送電側部分に含まれた直列の補償された回路を用いて送電することと、
    上記受電側部分に含まれた直列の補償された回路を用いて受電することとを含む、
    請求項１９記載の方法。
21. 上記送電側部分に含まれた並列の補償された回路を用いて送電することと、
    上記受電側部分に含まれた直列の補償された回路を用いて受電することとを含む、
    請求項１９記載の方法。
22. 上記送電側部分に含まれた誘導性－容量性－容量性（ＬＣＣ）の補償された回路を用いて送電することと、
    上記受電側部分に含まれた直列回路を用いて受電することとを含む、
    請求項１９記載の方法。
23. 上記送電側部分に含まれた誘導性－容量性－誘導性（ＬＣＬ）の補償された回路を用いて送電することと、
    上記受電側部分に含まれた直列の補償された回路を用いて受電することとを含む、
    請求項１９記載の方法。
24. 上記受電側部分の整流器及び上記バッテリーの間の充電管理回路を用いることなく、上記バッテリーを充電することをさらに含む、
    請求項１９記載の方法。
25. 上記送電側部分のコイル共振器の１次電圧及び１次電流をモニタリングすることと、
    上記１次電圧及び上記１次電流に基づいて上記バッテリーの電圧及び電流を推定することと、
    上記バッテリーの推定された電圧及び推定された電流に基づいて上記バッテリーの状態を決定することとをさらに含む、
    請求項１９記載の方法。
26. 上記受電側部分から上記バッテリーについての情報を受信することなく、上記バッテリーの電圧及び電流を決定することをさらに含む、
    請求項２５記載の方法。
27. 複数のスイッチング信号を用いて上記送電側部分の電力インバータを制御することと、
    上記複数のスイッチング信号の移相角を制御して上記１次電流及び上記１次電圧を制御することと、をさらに含む、
    請求項２５記載の方法。
28. 上記複数のスイッチング信号の移相角に従って、上記バッテリーをＣＣモード及びＣＶモードで充電する場合、上記電力インバータを同じスイッチング周波数で動作させることをさらに含む、
    請求項２７記載の方法。
29. 上記スイッチング周波数は、上記コイル共振器の共振周波数に実質的に等しい、
    請求項２８記載の方法。

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