JP5650336B2 - ワイヤレス電力伝送システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱安定性が優れているワイヤレス電力伝送システム及びその制御方法に関する。

科学技術の進歩、ワイヤレス電力伝送技術の応用の普及に従って、人々の生活はよりシンプルでリラックスでき、さまざまな電源線に拘束されることがなくなる。現在、ワイヤレス給電の方式で充電する小型電子機器が出ている。例えば、ワイヤレス充電器、ワイヤレス充電式マウス、携帯電話などの電子機器はワイヤレス給電装置により自動的に充電することができる。

ミドルパワー（数百ワット）のワイヤレス給電システムに対して、パワーが大きいため、一次側（送信端）と二次側（受信端）は深結合同期動作状態にあり、多くは共振回路を出力段とする。部品パラメータ及び環境等の要素の影響で、コイル共振周波数のドリフトをもたらし、システムが周波数点でエネルギー伝送を行わず、エネルギー伝送効率を低減させ、エネルギー損耗はコイルと部品を発熱させ、機能部品のパラメータは環境変化に従って変化し、この変化の絶えない累積も周波数のドリフトをもたらし、従って、悪循環を形成する。最後にシステム故障を起こし、深刻な場合に、設備を熱焼損させる可能性がある。

現在、上記のような問題を解決する案は周波数の安定上に集中し、部品自体の物理性能に固有な性質があるため、根本的に問題を解決することは困難である。

本発明の目的は、熱安定性が優れているワイヤレス電力伝送システム及びその制御方法を提供することにある。温度上昇を安定させ、システム伝送効率をアップさせ、システム熱負荷問題を減少させることを実現する。

本発明の技術案は、ソフトウェアのシステムに対する制御により、部品自体のパラメータ、環境温度パラメータによる周波数点のドリフトの問題を減少させ、ワイヤレス電力伝送回路の周波数点及び交流周波数特性を精確に制御し、重要な部品の発熱問題を減少させ、ワイヤレス電力伝送回路の送電効率を向上させる。

該方法は、ソフトウェアを使用して一次コイルの動作周波数をリアルタイムに制御して調整することで、システムを周波数点で安定して動作させ、有効電力の伝送を向上させ、無効電力の発生を低減させることにより、ワイヤレス給電システムの伝送効率を向上させるとともに、コイル及び部品の熱産生問題を減少させる。該方法は集積回路により実現され、回路設計を簡素化し、システムの安全性と安定性を向上させる。

本発明の目的の具体的な実現ルートは、ソフトウェアで送信コイルの周波数を制御し、ハードウェア回路による実現と比較し、部品自体のパラメータの相違による周波数のドリフトを低減させ、ソフトウェアでリアルタイム位相に従ってコイルの周波数を追跡調整し、絶えずに周波数点に近づき、システムを周波数点で安定して動作させることができ、システム伝送効率を向上させ、熱産生問題を減少させ、ソフトウェアでインバータ回路におけるスイッチのオン・オフを制御し、同時にオンすることによるシステム回路での大きな
電流の発生、コイル及び部品の発熱を避け、同時にオン・オフすることによるエネルギー伝送の不連続を避ける。

本発明のワイヤレス電力伝送システムの制御方法は、
制御回路が周波数点に従って制御信号Ｐ１とＰ２（ｆｐ＝ｆｋ）を出すステップと、
駆動回路がＰ１とＰ２に従ってスイッチをオン・オフし、コイル両端に交番電圧を形成させ、送信コイルが高周波振動を始めるステップと、
電圧比較回路の電圧サンプリングを経て、コイルの周波数ｆを得るステップと、
コイルの周波数ｆ信号を位相ロックループ回路により処理し、位相差信号を制御回路にフィードバックするステップと、
制御回路がフィードバック信号に従って制御信号Ｐ１とＰ２の出力を調整するステップと、
システムを周波数点で安定して動作させるように前記の各ステップを繰り返すステップと、を含む。

本発明のワイヤレス電力伝送システムは、送信コイル周波数発生部とコイル周波数位相追跡フィードバック部とを備える。送信コイル周波数発生部は制御回路、駆動回路及びインバータ回路からなり、コイル周波数位相追跡フィードバック部は周波数検出回路と位相ロックループ回路からなる。

送信コイル周波数発生部では、制御回路が、ソフトウェアに制御されて２チャンネルの全く反対の制御信号を出力し、駆動回路介して１チャンネルのスイッチのオン・オフをそれぞれ制御し、送信コイルに電圧Ｖ１とＶ２を交替して生じ、コイル内には高周波振動を発生させ、エネルギーの伝送を行う。制御回路は共振周波数に従ってＰ１とＰ２の２チャンネルの信号を提供する。ソフトウェア制御によって、Ｐ１、Ｐ２が全く反対となるようにさせることができ、純粋なハードウェアＬ、Ｃ回路による実現と比べてより精確である。そのように、送信コイルの両端には標準の交番電圧が形成される。

コイル周波数位相追跡フィードバック部では、送信コイルの両端の電圧Ｖ１、Ｖ２に対してサンプリングし、電圧比較回路を介してコイルにおける振動周波数ｆを得る。具体的な実現方法は、Ｖ１＞Ｖ２である場合、電圧比較器が高レベルを出力し、Ｖ１＜Ｖ２である場合、電圧比較器が低レベルを出力し、これにより、送信コイルの振動周波数ｆを得る。送信コイル振動周波数ｆは位相比較器とＶＣＯ（電圧制御振動器）回路を経てｆ０を得て、位相ロックループの作用によって、最終的にｆ０＝ｆになる。ｆとｆ０の比較過程中において位相差信号Δφも生成される。送信コイルの振動周波数ｆと位相差信号Δφを制御回路にフィードバックし、制御回路はｆ０と固定の周波数点ｆｋとを比較し、周波数ドリフトの値を得て、さらに最小２乗法又は中央値方法に従ってＰ１とＰ２信号の周波数ｆｐを調整し、システムは絶えずに比較して調整し、最終的にｆ＝ｆｋにし、システムは周波数点で安定してエネルギーの伝送を行う。制御回路はΔφに従って、Ｐ１、Ｐ２信号を出力する遅延時間を微調整する。

位相ロックループの作用はチップにおけるクロック遅延によるドリフト現象を解決することである。周波数信号を位相ロックループに導入し、信号の位相周波数と参考信号との一致を保たせ、これによりデータドリフトの現象がなくなる。

上記したことにより、熱安定性が優れているワイヤレス電力伝送システムは、送信コイル周波数発生回路とコイル周波数位相追跡フィードバック回路とを備え、送信コイル周波数発生回路は制御回路、駆動回路及びインバータ回路からなり、コイル周波数位相追跡フィードバック回路は周波数検出と位相ロックループ回路からなる。

その特徴は、前記制御回路はソフトウェアに制御されて２チャンネルの全く反対の制御信号を出力し、駆動回路介して１チャンネルのスイッチのオン・オフをそれぞれ制御し、送信コイルに電圧Ｖ１とＶ２を交替して生じ、コイル内には高周波振動を発生させることにある。

制御回路は共振周波数に従ってＰ１とＰ２の２チャンネルの信号を提供する。ソフトウェア制御によって、Ｐ１、Ｐ２が全く反対となるようにさせることができ、純粋なハードウェアＬ、Ｃ回路による実現と比べてより精確である。このように、送信コイルの両端には標準の交番電圧が形成される。

システム部品のパラメータの不一致、又はシステムの発熱は部品パラメータの変化をもたらし、周波数のドリフトをももたらし、位相追跡回路は周波数ドリフトの問題の解決に用いられる。

ハードウェアスイッチが非同期のため、スイッチの同時オン・オフをもたらす。インバータ回路におけるスイッチを同時にオンすると、回路に大きな電流が発生し、部品及びコイルの温度が高くなり、システムが発熱する。スイッチが同時にオン・オフすると、いずれの場合でも送信コイルの振動不能をもたらし、従ってエネルギーの伝送を行うことができない。

部品パラメータの相違、又は環境要素の部品のパラメータへの影響のため、制御信号の遅延トレーリングをもたらし、そのように周波数点のドリフトをもたらし、且つエネルギー伝送中断の現象がある。

ソフトウェアは精確にインバータ回路を制御し、システムの有効電力を最大にさせ、無効電力の損耗を最小限に抑え、システムのエネルギー伝送の効率を向上させるとともに、無効電力によるシステム発熱を低減させる。

本発明のメリットは、ソフトウェアで送信コイルの周波数を制御し、ハードウェア回路による実現と比べて、部品自体パラメータの相違による周波数のドリフトを低減させる。
ソフトウェアでコイルの周波数をリアルタイムに追跡・調整することで、絶えずに周波数点に近づき、システムを周波数点で安定して動作させることができ、システム伝送効率を向上させ、熱産生問題を減少させる。
ＣＰＬＤでワイヤレス電力伝送回路周波数点への正確な制御（周波数とタイミングを含む）を実現する。
ソフトウェアでインバータ回路におけるスイッチのオン・オフを制御し、同時にオンすることによるシステム回路での大きな電流の発生、コイル及び部品の発熱を避け、同時にオン・オフすることによるエネルギー伝送の不連続を避ける。

１、ソフトウェアにより、部品自体のパラメータ、環境温度パラメータによる周波数点のドリフトの問題を減少させ、ワイヤレス電力伝送回路の周波数点及び交流周波数特性への精確な制御を実現する。
２、ソフトウェア制御方法により、コイルの周波数を迅速に周波数点に接近させ、且つ安定的に動作する。
３、重要な部品の発熱の問題を減少させ、システム全体の無効電力を低減させ、回路の寿命を延長させ、ワイヤレス電力伝送回路の送電効率を向上させる。

図１は本発明の一次側の全体構造のブロック図である。 図２は本発明の制御部、駆動部及びインバータ部の構造ブロック図である。 図３は一次側インバータ出力両端に形成された標準の交番電圧の波形図である。 図４はハードウェアスイッチの非同期による交番電圧の波形図である。 図５は部品による制御信号の遅延トレーリングの波形図である。 図６は本発明のコイル周波数位相追跡フィードバック部のブロック図である。 図７は本発明の制御のメインフローチャートである。

本発明のワイヤレス電力伝送システムは、送信コイル周波数発生部とコイル周波数位相追跡フィードバック部とを備える。送信コイル周波数発生部は制御回路、駆動回路及びインバータ回路からなり、コイル周波数位相追跡フィードバック部は周波数検出回路と位相ロックループ回路からなる。

具体的な接続構造は、以下の通りである。

図１を参照し、送信コイル周波数発生部では、制御回路がマイクロプログラム制御装置（ＭＣＵ）及びその関連回路を指し、出力ポートが駆動器回路に接続され、駆動器回路の出力端がそれぞれインバータ回路のスイッチの制御電極に接続され、ソフトウェアに制御される周波数発生と制御可能なインバータ回路が構成される。制御回路は、ソフトウェアに制御されて２チャンネルの全く反対の制御信号を出力し、駆動回路を経た後、１チャンネルのスイッチのオン・オフをそれぞれ制御し、送信コイルに電圧Ｖ１とＶ２を交替して生じ、コイル内には高周波振動を発生させ、エネルギーの伝送を行う。制御回路は共振周波数に従ってＰ１とＰ２の２チャンネルの信号を提供する。ソフトウェア制御によって、Ｐ１、Ｐ２が全く反対となるようにさせることができ、純粋なハードウェアＬ、Ｃ回路による実現と比べてより精確である。このように、送信コイルの両端には標準の交番電圧が形成される。

図２と図６を参照し、コイル周波数位相追跡フィードバック部は、周波数電圧サンプリング、位相ロックループ回路を備え、位相ロックループ回路の信号出力端は制御回路の制御ポートに接続される。

コイル周波数位相追跡フィードバック部は、送信コイルの両端の電圧Ｖ１、Ｖ２に対してサンプリングし、電圧比較回路を介してコイルにおける振動周波数ｆを得る。具体的な実現方法は、Ｖ１＞Ｖ２である場合、電圧比較器が高レベルを出力し、Ｖ１＜Ｖ２である場合、電圧比較器が低レベルを出力し、これにより送信コイルの振動周波数ｆを得る。送信コイル振動周波数ｆは位相比較器と電圧制御振動器 （ＶＣＯ）回路を経てｆ０を得て、位相ロックループの作用によって、最終的にｆ０＝ｆである。ｆとｆ０は比較過程中にも位相差信号Δφが生じる。送信コイルの振動周波数ｆと位相差信号Δφを制御回路にフィードバックし、制御回路はｆ０と固定の周波数点ｆｋを比較し、周波数ドリフトの値を得て、さらに最小２乗法又は中央値方法に従ってＰ１とＰ２信号の周波数ｆｐを調整し、システムは絶えずに比較して調整し、最終的にｆ＝ｆｋにし、システムは周波数点で安定してエネルギーの伝送を行う。制御回路はΔφに従って、Ｐ１、Ｐ２信号を出力する遅延時間を微調整する。

位相ロックループの作用はチップにおけるクロック遅延によるドリフト現象を解決することである。周波数信号を位相ロックループに導入し、信号の位相周波数と参考信号の一致を保たせ、これによりデータドリフトの現象がなくなる。

上記したことにより、熱安定性が優れているワイヤレス電力伝送システムは、送信コイル周波数発生回路とコイル周波数位相追跡フィードバック回路とを備え、送信コイル周波数発生回路は制御回路、駆動回路及びインバータ回路からなり、コイル周波数位相追跡フィードバック回路は周波数検出と位相ロックループ回路からなる。前記制御回路は、ソフトウェアに制御されて２チャンネルの全く反対の制御信号を出力し、駆動回路を介して１チャンネルのスイッチのオン・オフをそれぞれ制御し、コイル内には高周波振動を発生させる。

制御回路は共振周波数に従ってＰ１とＰ２の２チャンネルの信号を提供する。ソフトウェア制御によって、Ｐ１、Ｐ２が全く反対となるようにさせることができ、純粋なハードウェアＬ、Ｃ回路にによる実現と比べてより精確である。このように、図３を参考し、送信コイルの両端には標準の交番電圧が形成される。

システム部品のパラメータの不一致、又はシステムの発熱は部品パラメータの変化をもたらし、周波数のドリフトをもたらし、図５を参照する。位相追跡回路は周波数ドリフトの問題の解決に用いられる。

ハードウェアスイッチの非同期のため、スイッチの同時オン・オフをもたらし、図４を参照する。インバータ回路におけるスイッチを同時にオンすると、回路に大きな電流が発生し、部品及びコイルの温度が高くなり、システムが発熱する。スイッチが同時にオン・オフすると、ともに送信コイルの振動不能をもたらし、従ってエネルギーの伝送を行うことができない。

部品パラメータの相違、又は環境要素の部品のパラメータへの影響のため、制御信号の遅延トレーリングをもたらし、このように周波数点のドリフトをもたらし、且つエネルギー伝送中断の現象がある。

図７を参照し、本発明のワイヤレス電力伝送システムの制御方法は、
制御回路が周波数点に従って制御信号Ｐ１とＰ２（ｆｐ＝ｆｋ）を出すステップと、
駆動回路がＰ１とＰ２に従ってスイッチをオン・オフし、コイル両端に交番電圧を形成させ、送信コイルが高周波振動し始めるステップと、
電圧比較回路の電圧サンプリングにより、コイルの周波数ｆを得るステップと、
コイルの周波数ｆ信号を位相ロックループ回路により処理し、位相差信号とともに制御回路にフィードバックするステップと、
制御回路がフィードバック信号に従って制御信号Ｐ１とＰ２の出力を調整するステップと、
システムが周波数点で安定して動作するように前記の各ステップを繰り返すステップと、を含む。

ソフトウェアは精確にインバータ回路を制御し、システムの有効電力を最大にさせ、無効電力の損耗を最小限に抑え、システムのエネルギー伝送の効率を向上させるとともに、無効電力によるシステム発熱を低減させる。

前記の説明は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明をいかなる形式上に制限するものではなく、本発明は、好ましい実施例により以上のように説明されたが、本発明を限定するものではなく、いかなる当業者は、本発明の技術案から脱逸しない範囲内で、前記開示された技術内容を利用して修正又は修飾を加えて同等変更の同等実施例にすることができる。本発明の技術案の内容から離脱しない限り、本発明の技術実質に従って前記実施例に対して行ういかなる単なる修正、同等変更及び修飾はいずれも本発明の技術案の範囲内に属する。

Claims (2)

1. 制御回路、駆動回路及びインバータ回路からなる送信コイル周波数発生回路と、コイル周波数位相追跡フィードバック回路と、を備えるワイヤレス電力伝送システムであって、
   前記コイル周波数位相追跡フィードバック回路は、送信コイルの両端の電圧に対してサンプリングする周波数電圧サンプリングと位相ロックループ回路とを備え、位相ロックループ回路の信号出力端は制御回路の制御ポートに接続され、
   前記制御回路は、ソフトウェアに制御されて２チャンネルの全く反対の制御信号を出力し、駆動回路を介して１チャンネルのスイッチのオン・オフをそれぞれ制御し、コイル内には高周波振動を発生させ、
   前記コイル周波数位相追跡フィードバック回路は、前記サンプリングに基づいて得た位相差信号を前記制御回路にフィードバックし、前記制御回路は、フィードバックされた前記位相差信号にしたがって、前記２チャンネルの制御信号を出力する遅延時間を微調整することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
2. 前記送信コイル周波数発生回路の制御回路は、マイクロプログラム制御装置（ＭＣＵ）を備え、出力ポートは駆動回路に接続され、駆動回路の出力端はそれぞれインバータ回路のスイッチの制御電極に接続され、ソフトウェアに制御される周波数発生と制御可能なインバータ回路が構成されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス電力伝送システム。