JP2024019149A - ユーエスビー・ピーディー機能付き無線充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＳＢ‐ＰＤ機能を有する無線充電装置の提供。【解決手段】一実施例に係る無線充電装置は、遮蔽部と磁気誘導結合によって二次コイルを含む端末に電力を伝送するための一次コイルが形成された長方形の遮蔽アセンブリと、直流電源を交流に変換して一次コイルに供給するインバータを含むメインＰＣＢ、及び、遮蔽アセンブリの片側端に取り付けられ、ＣタイプのＵＳＢポートを含むサブＰＣＢと、を含む。サブＰＣＢは一次コイルの外郭に配置される。ＣタイプのＵＳＢポートは、端末が置かれる平面に垂直な方向に露出される。【選択図】図２

Description

本明細書は、ＵＳＢ‐ＰＤ機能を有する無線充電装置に関し、より詳しくは、無線充電機能にＵＳＢ‐ＰＤを用いた充電が可能な車両用無線充電装置に関する。

無線充電とは、電力送信装置と電力受信装置が互いに有線でつながる必要がなく、無線で電力送信装置から電力受信装置に電力が供給される技術をいう。例えば、電力受信装置は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、タブレットなどの端末機であり、無線充電を介して端末機の内部に設けられたバッテリーに電力が充電される。

一般に無線充電技術には主に磁気誘導方式と磁気共鳴方式などがある。磁気誘導方式は、電力送信装置内部の電気の流れによって発生する電磁気誘導現象を利用するものである。磁気共鳴方式は、電力送信装置内部の電気の流れによって一定の共鳴周波数が発生すると、それに対応される共振周波数を有する電力受信装置内部のコイルに磁界を誘導して電力を伝達するものである。

近年、多くの自動車にはスマートフォンを充電するための無線充電装置が備えられている。しかし、年式が経過して高速無線充電装置のない車両の運転者は、別途の車両用無線充電装置を購入するか、又は図１ａのように、スマートフォンやスマートパッド、ノートパソコンのようなスマート機器を高速充電するためにＵＳＢ‐ＰＤ（Power Delivery）ポートを含むシガーソケット（Cigar Jack）を購入して使用している。

一方、最新機種の自動車には、図１ｂに示すように、無線充電装置と一般的なＵＳＢポート（Ａタイプポート）だけでなく、スマート端末を高速充電するためのＵＳＢ‐ＰＤポートが備えられたりもする。

しかし、無線充電装置が配置される領域とＵＳＢ‐ＰＤのためのボードが配置される領域が互いに分離されており、別個の部品で生産された後に車両に組み込まれるのが現状であるから、コストや空間使用面で効率的でない。

本明細書はこの状況に鑑み、本明細書の目的は、ＵＳＢ‐ＰＤ機能が統合された車両用無線充電装置を提供することにある。

本明細書の他の目的は、無線充電とＵＳＢ‐ＰＤを介した充電の際の発熱量と最大出力を効果的に制御する装置及び方法を提供することにある。

上記の課題を実現するための本明細書の一実施例に係る無線充電装置は、遮蔽部と磁気誘導結合により二次コイルを含む端末に電力を伝送するための一次コイルが形成される長方形の遮蔽アセンブリと、直流電源を交流に変換して一次コイルに供給するインバータを含むメインＰＣＢ、及び、遮蔽アセンブリの片側端に取り付けられ、ＣタイプのＵＳＢポートを含むサブＰＣＢと、を含むことを特徴とする。

他の実施例に係る無線充電装置におけるパワー制御方法は、第１の端末を無線充電中であるか否かを確認するステップと、ＵＳＢ‐ＰＤポートに第２の端末がつながっているか否かを確認するステップ、及び、ＵＳＢ‐ＰＤのプロファイルを設定するステップと、を含み、第１の端末を無線充電中であり、第２の端末がＵＳＢ－ＰＤポートにつながった状態であるとき、プロファイルをロー（low）に設定し、無線充電中でなく第２の端末がＵＳＢ－ＰＤポートにつながった状態であるとき、プロファイルをハイ（high）に設定することを特徴とする。

無線充電装置とＵＳＢ‐ＰＤ機能を統合することで、コストを削減し、空間を効率的に使用できるようになる。

また、無線充電機能とＵＳＢ‐ＰＤ機能を同時に使用するとき、製品の最大出力をリアルタイムでモニタリングし、パワーを１つのコントローラを介して制御することで、安定的かつ効率的に出力を制御できるようになる。

図１ａは、ＣタイプのＵＳＢ‐ＰＤポートを含むシガーソケットを用いて車両でスマートフォンを充電する例を示すものである。 図１ｂは、無線充電装置とＣタイプのＵＳＢポートの両方を含む車両の内部を示すものである。 図２は、本明細書の実施例に係るＵＳＢ‐ＰＤ機能を含む無線充電装置の分解斜視図を示すものである。 図３は、無線充電のためのインターフェース表面とＣタイプのＵＳＢポートが上部に露出される無線充電装置の外観を示すものである。 図４は、伝送コイルとＵＳＢ‐ＰＤ用サブＰＣＢが隅に装着された無線充電装置のメインＰＣＢを示したものである。 図５は、ＣタイプのＵＳＢポートとＦＦＣコネクタを含むサブＰＣＢを示すものである。 図６は、本明細書の一実施例に係るＵＳＢ‐ＰＤ機能が内蔵された無線充電装置のパワー制御方法に関する動作フローチャートを示すものである。

以下、ＵＳＢ‐ＰＤ機能を有する無線充電装置の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説明する。

図面符号にかかわらず、同一又は類似の構成要素には同じ参照番号を付し、それについての繰り返しの説明は省くことにする。

本明細書に開示された実施例を説明するにあたり、ある構成要素が他の構成要素に「つながって」いる、もしくは「接続されて」いると言及されたときには、その他の構成要素に直接つながっている、又は接続されている場合もあるが、途中で他の構成要素が存在し得ると理解されるべきである。

なお、本明細書に開示された実施例を説明するにあたり、関連された公知技術についての具体的な説明が、本明細書に開示された実施例の要旨を曖昧にすると判断される場合、その詳しい説明は省く。また、添付された図面は、本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものであり、添付された図面によって本明細書に開示された技術的思想は限定されず、本明細書の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。さらに、本明細書の説明の過程で用いられる数字（例えば、第１、第２など）は、１つの構成要素を他の構成要素と区別するための識別記号にすぎない。

以下の説明で使用される構成要素についての接尾辞である「モジュール」及び「部」は、明細書の作成の容易さのみが考慮されて付与、もしくは混用されるものであり、それ自体が互いに区別される意味又は役割を有するものではない。

さらに、明細書（disclosure）の用語は、文書（document）、仕様（specification）、説明（description）などの用語に置き換えることができる。

接触式電力伝送又は無線充電は、受信（Rx）コイル（又は二次コイル）とキャパシタで構成されるマッチング回路と整流回路を含む受信モジュールを伝送（Tx）コイル（又は一次コイル）とキャパシタで構成される共振回路とインバータなどで構成される伝送モジュールに近接した状態で、一次コイルに高周波の交流電流を流して一次コイルと二次コイルとの間に磁気結合を発生させて受信モジュールに電力を伝達する。

直流電源を交流電流に変換して一次コイルに高周波の交流電流を供給するインバータのスイッチング素子が高周波で動作しながら、インバータと伝送コイルで熱が多く発生するようになる。

車両でドライバーがスマートフォンのようなスマート端末を簡単に充電できるように、最近の車両には、車両内部に無線充電装置が内蔵された無線充電領域が割り当てられる傾向がある。

また、スマートフォン、スマートパッド、ノートパソコンのようなスマート端末を高速で充電するためのＵＳＢ‐ＰＤ機能が可能なＣタイプのＵＳＢポートも、車両のダッシュボードやセンターペシアにさらされる傾向である。

参考にＵＳＢ‐ＰＤは、ＵＳＢパワーデリバリー（Power Delivery）の略でＵＳＢケーブルを介してＵＳＢ端子を有する機器に電力を供給するプロトコルであり、端末と通信するための通信ピン（CC pin）を必要とするため、Ｃタイプのポート（又は端子）とケーブルが必須である。

しかし、図１ｂに示すように、無線充電領域とＵＳＢ‐ＰＤ機能のＵＳＢポートが車両内の互いに異なる領域に配置されているが、これは無線充電装置とＵＳＢ‐ＰＤモジュールが統合されず、別個のボードで製造され、車両内部で組み込まれるからである。

本明細書の実施例は、ＵＳＢ‐ＰＤ機能を無線充電装置の内部に一体型で設計し、無線充電機能とＵＳＢ‐ＰＤ機能を同時に具現することで、車両空間を効率的に活用し、コストも削減することができる。

また、無線充電とＵＳＢ‐ＰＤを同時に使用しながらも出力を安定して調節できるように、装置のパワー制御方法を提供する。

図２は、本明細書の実施例に係るＵＳＢ‐ＰＤ機能を含む無線充電装置の分解斜視図を示し、図３は無線充電のためのインターフェース表面とＣタイプのＵＳＢポートが上部に露出される無線充電装置の外観を示し、図４は、伝送コイルとＵＳＢ‐ＰＤ用のサブＰＣＢが隅に装着された無線充電装置のメインＰＣＢを示し、図５はＣタイプのＵＳＢポートとＦＦＣコネクタを含むサブＰＣＢを示すものである。

本明細書の実施例に係るＵＳＢ‐ＰＤ機能が内蔵された無線充電装置１は、上面を形成して受信モジュールを含むスマート端末が置かれる上部ケース１０、ＵＳＢ‐ＰＤ機能を提供するためのサブＰＣＢ２０、伝送コイルの電磁波を遮断するための遮蔽部（例えば、フェライトシート）（図示せず）上に伝送コイルが着座された遮蔽アセンブリ３０、インバータを含むパワー伝送モジュール、プロセッサ等が内蔵されたメインＰＣＢ４０、ファンホルダー５０、冷却のための空気流を発生させるためのファンモータ６０、及び上部ケース１０と共に内部構成要素を保護し、装置の外観を形成する下部ケース７０を含むように構成される。

高周波の交流電流が流れる伝送コイル３１で発生する磁界の変化は、伝送モジュールを構成するインバータ、電源装置、プロセッサ、メモリ等の素子に影響を及ぼすため、無線充電装置１から伝送コイル３１は、他の電子素子と遮蔽シートを介して分離される。

組み立ての便宜のために、伝送コイルと遮蔽シートが形成される遮蔽アセンブリ３０と、インバータ、電源装置、プロセッサ、メモリなどが取り付けられるメインＰＣＢ４０がモジュール形態で組み立てられ、受信モジュールを含むスマート端末が置かれる上部ケース１０のインターフェースカバーの下に伝送コイル３１が上を向くようにして遮蔽アセンブリ３０が配置され、その下にメインＰＣＢ４０が配置される。

上部ケース１０の上面には、充電するスマート端末が置かれる位置を指すマークが表示されてもよい。また、図３に示すように、長方形の平面形態の上部ケース１０にて端にＣタイプのＵＳＢポート（又は端子）が上向きに露出される。

遮蔽アセンブリ３０は、図４に示すように、無線充電のための伝送コイル（Ｔｘコイル）３１を含み、伝送コイル３１をメインＰＣＢ４０につなぐためのコイルコネクタをさらに含むように構成される。

伝送コイル３１は、受信モジュールが電力の伝送を受け取る位置に該当する活動領域を広げるための２つ以上のコイルのマルチコイルで構成してもよく、ＰＣＢ製造方式で多層のらせん状経路でコイルパターンを形成してもよい。図２及び図４では、伝送コイル３１が３つのマルチコイルで構成される。

サブＰＣＢ２０は、長方形の遮蔽アセンブリ３０の端、すなわち伝送コイル３１の外郭に配置され、伝送コイル３１が置かれる活動領域、すなわちスマートフォンが置かれる位置から離れた位置に配置され、無線充電をするスマートフォンと干渉しないようにする。

サブＰＣＢ２０には、図５に示すように、ＣタイプのＵＳＢポートが上向き方向に配置され、メインＰＣＢ４０とつながるためのＦＦＣコネクタ２２が配置され、ＵＳＢの接続状態を表示するＬＥＤが配置される。サブＰＣＢ２０は、伝送コイル３１と干渉しないように、三角形又は菱形の形で遮蔽アセンブリ３０の端に配置される。

さらに、サブＰＣＢ２０は、ＵＳＢ‐ＰＤ機能を果たすためのＵＳＢ‐ＰＤモジュールを、必要に応じて含んでもよく、含まなくてもよい。ＵＳＢ‐ＰＤモジュールをメインＰＣＢ４０に搭載することもできるが、無線充電装置１にＵＳＢ‐ＰＤ機能を入れないときにメインＰＣＢ４０が不要な部品をさらに含んで無駄になる。また、サブＰＣＢ２０からＵＳＢ‐ＰＤモジュールを除くと、サブＰＣＢ２０は無線充電装置１に単にＣタイプのＵＳＢポートを提供する機能のみを果たすようになる。

サブＰＣＢ２０は、ネジと遮蔽アセンブリ３０に設けられたガイドフックを用いて遮蔽アセンブリ３０に固定する。

ファンモータ６０が生成する圧力によって空気が流れる経路を形成するために、遮蔽アセンブリ３０には穴又は溝が形成され、空気通過経路が伝送コイル３１を横切るように穴又は溝が互いに反対方向に形成される。

このように、無線充電装置１を構成する構成要素をモジュール化し、ＵＳＢ‐ＰＤ機能の有無に応じた対応が容易になり、製造経費を削減できるようになり、顧客の要請に対応しやすくなるため開発期間も短縮できる。

また、ＵＳＢ‐ＰＤを介した高速充電を可能にするために、ＣタイプのＵＳＢポートが無線充電装置の上面に配置され、端末を無線充電しながらもユーザが簡単に第２の端末をＵＳＢ接続することができる。

一方、最大６０Ｗを出力するＵＳＢ‐ＰＤと最大１５Ｗを使用する無線充電が同時に動作する場合、最大７５Ｗの入力パワーが装置に伝達されなければならず、効率を考慮しては約１００Ｗの高いパワーが入力されなければならない。このような場合、パワーの過度な入出力によって発熱が発生し、車両のバッテリーに負担がかかるため、装置の出力パワーを制御する必要がある。

図６は、本明細書の一実施例に係るＵＳＢ‐ＰＤ機能が内蔵された無線充電装置のパワー制御方法に関する動作フローチャートを示すものである。

メインＰＣＢ４０に装着されたプロセッサは、伝送モジュールを介して上部ケース１０上に置かれた第１の端末に電力を無線で供給しているか否か、すなわち無線充電を進めているか否かを確認する（Ｓ６０５）。

プロセッサは、無線充電中のとき（Ｓ６０５「はい」）、無線充電中の端末とは別個として、ＵＳＢ‐ＰＤ機能の第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤ機能を提供するＣタイプＵＳＢポートにつながっているか否かを確認する（Ｓ６１０）。

プロセッサは、第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤにつながっているとき（Ｓ６１０で「はい」）、ＵＳＢ‐ＰＤ機能の第２の端末に電力を供給する際に使用できるＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをロー（low）に設定でき（Ｓ６１５）、これは、無線充電に電力が多く消耗されるため、ＵＳＢ‐ＰＤを介しては少ない電力を消耗するためである。

プロセッサは、第１の端末に無線で供給する電力を調節しながら、無線充電及びＵＳＢ‐ＰＤを介して伝送されるパワーをモニタリングする（Ｓ６２０）。

プロセッサは、モニタリングした出力パワーを所定値と比較して（Ｓ６２５）、出力パワーが所定値より低いと（Ｓ６２５で「はい」）、ＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをハイ（high）に上げて設定でき（Ｓ６３０）、無線充電に電力が多く消耗されないと判断してＵＳＢ‐ＰＤを介して電力供給量を増やすことができる。出力パワーが所定値より高いと（Ｓ６２５で「いいえ」）、ＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをそのまま維持する。

一方、プロセッサは、無線充電が使用されないとき（Ｓ６０５で「いいえ」）、ＵＳＢ‐ＰＤ機能の第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤ機能を提供するＣタイプＵＳＢポートにつながっているか否かを確認する（Ｓ６４０）。

プロセッサは、第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤにつながっているとき（Ｓ６４０で「はい」）、ＵＳＢ‐ＰＤ機能の第２の端末に電力を供給する際に使用できるＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをハイ（high）に設定でき（Ｓ６４５）、これは、無線充電機能が使用されていないため、ＵＳＢ‐ＰＤを通じては多くの電力を供給できるようにするためである。

プロセッサは、ＵＳＢ‐ＰＤを介して伝送されるパワーをモニタリングする（Ｓ６５０）。

プロセッサは、モニタリングした出力パワーを所定値と比較し（Ｓ６５５）、出力パワーが所定値より高いと（Ｓ６５５で「はい」）、ＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをロー（low）に下げて設定でき（Ｓ６６０）、ＵＳＢ‐ＰＤを介して電力が多く消耗されていると判断してＵＳＢ‐ＰＤを介した電力供給量を減らすためである。出力パワーが所定値より低いと（Ｓ６５５で「いいえ」）、ＵＳＢ‐ＰＤプロファイルをそのまま維持する。

このように、無線充電とＵＳＢ‐ＰＤを介した電力伝達を同時に行う際に発生する電力問題を解決し、効率的かつ安定した動作を可能にする。

本明細書に記載の無線充電装置は、以下のように説明することができる。

一実施例に係る無線充電装置は、遮蔽部と磁気誘導結合によって二次コイルを含む端末に電力を伝送するための一次コイルが形成された長方形の遮蔽アセンブリと、直流電源を交流に変換して一次コイルに供給するインバータを含むメインＰＣＢ、及び、遮蔽アセンブリの片側端に取り付けられ、ＣタイプのＵＳＢポートを含むサブＰＣＢと、を含む。

一実施例で、サブＰＣＢは一次コイルの外郭に配置される。

一実施例で、ＣタイプのＵＳＢポートは、端末が置かれる平面に垂直な方向に露出される。

一実施例で、サブＰＣＢはＵＳＢ‐ＰＤモジュールを含む。

一実施例で、無線充電装置は、空気流を発生させるためのファンモータをさらに含む。遮蔽アセンブリは、ファンモータが生成する圧力によって空気通過経路が一次コイルを横切るように、穴又は溝が互いに反対方向に形成される。

他の実施例に係る無線充電装置における電力制御方法は、第１の端末を無線充電中であるか否かを確認するステップと、ＵＳＢ‐ＰＤポートに第２の端末がつながっているか否かを確認するステップ、及び、ＵＳＢ‐ＰＤのプロファイルを設定するステップと、を含み、第１の端末を無線充電中であり、第２の端末がＵＳＢ－ＰＤポートにつながった状態であるとき、プロファイルをロー（low）に設定し、無線充電中でなく第２の端末がＵＳＢ－ＰＤポートにつながった状態であるとき、プロファイルをハイ（high）に設定することを特徴とする。

一実施例で、無線充電装置における電力制御方法は、出力パワーをモニタリングするステップをさらに含む。第１の端末が無線充電中であり、第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態で出力パワーがロー（low）であるとモニタリングされた場合、プロファイルをハイ（high）に設定し、無線充電中でなく第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態で出力パワーがハイ（high）であるとモニタリングされた場合、プロファイルをロー（low）に設定する。

本発明は記載された実施例に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更ができることは、この技術の分野で通常の知識を有する者にとっては明らかである。したがって、そのような修正例又は変更例は本発明の特許請求の範囲に属すべきである。

１ 無線充電装置 １０ 上部ケース
２０ サブＰＣＢ ２１ ＣタイプＵＳＢポート
２２ ＦＦＣコネクタ ３０ 遮蔽アセンブリ
３１ 伝送コイル ４０ メインＰＣＢ
５０ ファンホルダー ６０ ファンモータ
７０ 下部ケース

Claims (7)

1. 遮蔽部と磁気誘導結合によって二次コイルを含む端末に電力を伝送するための一次コイルが形成される長方形の遮蔽アセンブリと、
   直流電源を交流に変換して前記一次コイルに供給するインバータを含むメインＰＣＢと、
   前記遮蔽アセンブリの片側端に取り付けられ、ＣタイプのＵＳＢポートを含むサブＰＣＢと、を含む、無線充電装置。
2. 前記サブＰＣＢは、前記一次コイルの外郭に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の無線充電装置。
3. 前記ＣタイプのＵＳＢポートは、前記端末が置かれる平面に垂直な方向に露出されることを特徴とする、請求項１に記載の無線充電装置。
4. 前記サブＰＣＢは、ＵＳＢ‐ＰＤモジュールを含むことを特徴とする、請求項１に記載の無線充電装置。
5. さらに、空気流を発生させるためのファンモータを含み、
   前記遮蔽アセンブリは、前記ファンモータが生成する圧力によって空気通過経路が前記一次コイルを横切るように、穴又は溝が互いに反対方向に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の無線充電装置。
6. 第１の端末を無線充電中であるか否かを確認するステップと、
   ＵＳＢ‐ＰＤポートに第２の端末がつながっているか否かを確認するステップと、
   ＵＳＢ‐ＰＤのプロファイルを設定するステップと、を含み、
   前記第１の端末が無線充電中であり、第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態であるときに前記プロファイルをローに設定し、
   無線充電中でなく、前記第２の端末が前記ＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態であるときに前記プロファイルをハイに設定することを特徴とする、無線充電装置におけるパワー制御方法。
7. さらに、出力パワーをモニタリングするステップを含み、
   前記第１の端末を無線充電中であり、前記第２の端末が前記ＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態で前記出力パワーがローであるとモニタリングされたとき、前記プロファイルをハイに設定し、
   無線充電中でなく、前記第２の端末がＵＳＢ‐ＰＤポートにつながった状態で前記出力パワーがハイであるとモニタリングされたときに前記プロファイルをローに設定することを特徴とする、請求項６に記載の無線充電装置におけるパワー制御方法。