JP7364069B2

JP7364069B2 - ワイヤレス受電装置

Info

Publication number: JP7364069B2
Application number: JP2022527486A
Authority: JP
Inventors: 航陽貝和; 達也細谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: WO2021240850A1; JPWO2021240850A1; US20230086709A1

Description

本発明は、ワイヤレスで電力を受電し、蓄電デバイスへの充電及び電子機能回路への電力供給を行うワイヤレス受電装置に関する。

一般に、ワイヤレス給電システムにおいて、充電デバイスに対して高い充電効率で充電を行うためには、ワイヤレス給電システムを構成する各装置での充電特性を把握することが重要である。充電デバイスに対する充電特性を観測することのできるワイヤレス給電システムは例えば特許文献１に示されている。この特許文献１には、受電電力を用いて一定の充電電流を供給する構成が示されている。また、電源電力、送電電力、受電電力、充電電流の少なくともいずれかの検出値を出力する出力部を設けることが示されている。

実用新案登録第３２０８７２６号公報

一般に、ワイヤレス給電システムでは、受電電力は消費電力により変化する。受電電流が少ない場合には受電電圧は高くなり、受電電流が多い場合には受電電圧は低くなるので、受電電力には極値が存在する。また、蓄電デバイスは、大きな充電電流で充電すると、充電時間が短縮され、利便性が高まる。

しかし、ワイヤレス受電装置において送電装置と受電装置の配置関係が変化すると、受電電力は変化してしまう。また、送電装置の電力変換動作の変化によっても受電電力は変化する。例えば、二次電池の充電時間を短縮するために、大きな充電電流を設定した場合、十分な受電電圧が得られない状況においては、受電電圧が低下し、二次電池を充電できなくなるという問題が発生する。また、必ず二次電池を充電できる様にと、小さな充電電流を設定した場合、二次電池の充電時間が長くなるという問題が発生する。この場合、受電電圧が高くなり、整流回路や受電回路に大きな電圧ストレスが加わる、という問題も発生する。

そこで、本発明の目的は、受電電力に応じた充電電流が自動的に設定されて、より大きな受電電力を利用できるワイヤレス受電装置を提供すること、また、蓄電デバイスが過充電状態となったり、受電回路に過電圧が印加されたり、することのない、信頼性の高いワイヤレス受電装置を提供することにある。

本開示の一例としてのワイヤレス受電装置は、
受電コイルと、当該受電コイルに接続された共振キャパシタとからなる受電共振回路と、当該受電共振回路の電圧を整流する整流回路と、当該整流回路の出力電圧を変換する電圧変換回路と、当該電圧変換回路の出力により蓄電デバイスを充電する充電制御回路と、を備え、
前記充電制御回路は、前記整流回路の出力電圧から受電電圧を検出する受電電圧検出回路と、前記電圧変換回路の出力電圧から充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、を備え、
前記充電制御回路は、
前記受電電圧が第１の受電電圧値以上の場合、前記蓄電デバイスへの充電を開始し、
前記充電電圧が、規定の充電電圧値未満の場合、前記蓄電デバイスに対する充電電流の設定値を小さくし、
前記受電電圧が前記充電電圧値より高い第２の受電電圧値以上の場合、前記蓄電デバイスに対する充電電流の設定値を大きくし、
前記充電電圧が前記充電電圧値以上、かつ前記受電電圧が第２の受電電圧値未満の場合、充電電流の設定値を維持する。

本発明によれば、受電電力に応じて自動的により大きな充電電流が設定されて、より大きな受電電力を利用でき、充電効率が高まり、利便性が向上する。また、蓄電デバイスが過充電状態となったり、受電回路に過電圧が印加されたり、することのない、信頼性の高いワイヤレス受電装置が得られる。

図１は本実施形態に係るワイヤレス受電装置１０１及び電子機能回路６の構成を示すブロック図である。図２は、ワイヤレス受電装置１０１のＭＣＵ４２の処理内容を示す図である。図３は充電回路４１に対する制御信号ISET1、ISET2と４つの条件及び設定充電電流ICHGの関係を示す図である。図４は、充電電流IBAT、受電電圧VREC、充電電圧VLDO及び受電電力の関係を示す図である。

図１は本実施形態に係るワイヤレス受電装置１０１及び電子機能回路６の構成を示すブロック図である。このワイヤレス受電装置１０１及び電子機能回路６は電子カードに備えられている。ワイヤレス受電装置１０１は、受電共振回路１、整流回路２、電圧変換回路３、充電回路４１、ＭＣＵ４２、過電圧検出回路４３、定電圧化回路４４及び蓄電デバイス５を備える。

受電共振回路１は、受電コイル１１と、この受電コイル１１に接続されたキャパシタＣ１とからなる。整流回路２は受電共振回路１の電圧を整流する。電圧変換回路３は、整流回路２の出力電圧を変換する。充電回路４１は、電圧変換回路３の出力により蓄電デバイス５を充電する。ＭＣＵ４２は、各種電圧信号を入力し、電圧変換回路３及び充電回路４１等に対し制御信号を出力する。

以降の説明では、端子名とそれに関連する信号名とを共通の符号で表す。

ＭＣＵ４２は、整流回路２の出力から受電電圧VRECを検出する。つまり、ＭＣＵ４２は受電電圧検出回路４２Ａとしての機能を有する。充電回路４１は電圧変換回路３の出力電圧から充電電圧VLDOを検出する。つまり、充電回路４１は充電電圧検出回路４１Ａを有する。過電圧検出回路４３は受電電圧VRECが規定の電圧を超える過電圧状態であるか否かを検出し、過電圧状態で整流回路２に対する制御信号VGを出力する。定電圧化回路４４は受電電圧VRECを入力し、規定の定電圧をＭＣＵ４２及び過電圧検出回路４３に対して電源電圧として供給する。

上記充電電圧検出回路４１Ａ、受電電圧検出回路４２Ａ、過電圧検出回路４３及び定電圧化回路４４で「充電制御回路」が構成されている。

電子機能回路６は、過放電保護回路６１、定電圧化回路６２、指紋読み取りセンサー６３、ＭＣＵ６４、ＮＦＣ通信回路６５、通信コイル６６及びキャパシタＣ２を備える。この例では、電子機能回路６は蓄電デバイス５の電力で動作する。

ワイヤレス受電装置１０１の各部の動作は次のとおりである。

受電コイル１１は図外の給電コイルと電磁誘導結合し、受電共振回路１は受電コイル１１とキャパシタＣ１とで共振動作する。整流回路２はダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２によるダイオードブリッジ及びキャパシタＣ３で構成されていて、ダイオードブリッジで全波整流され、キャパシタＣ３で平滑される。この整流回路２はスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を備えるが、後に示す、過電圧状態でない通常状態ではスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はオフ状態である。電圧変換回路３は整流回路２の出力電圧である受電電圧VRECを規定の充電電圧VLDOに変換する。充電回路４１は充電電圧を入力し、蓄電デバイス５を充電する。受電電圧VRECは例えば１７Ｖ未満、充電電圧VLDOは５Ｖ、蓄電デバイス５の電圧VBATは例えば３．０Ｖである。

ＭＣＵ４２は定電圧化回路４４の出力電圧を電源として動作し、受電電圧VREC、充電電圧VLDO、蓄電デバイス電圧VBATを入力し、電圧変換回路３に対する制御信号ENCHG、充電回路４１に対する制御信号ISET1，ISET2を出力する。具体的には、ＭＣＵ４２は、電圧変換回路３を有効化するために制御信号ENCHGの論理レベルを規定値にし、制御信号ISET1，ISET2によって、充電回路４１の状態を、後に示す状態とする。

過電圧検出回路４３は、受電電圧VRECが、後に示す第２の受電電圧値（６．００Ｖ）より高い第３の受電電圧値１７．０Ｖを超える、過電圧状態となったことを検出すれば、制御信号VGをハイレベルにする。これにより、整流回路２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２がオン状態となって、受電共振回路１の出力はスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２でショートされ、整流回路２の出力電圧は低下する。

上記充電電圧検出回路４１Ａ、受電電圧検出回路４２Ａ、過電圧検出回路４３及び定電圧化回路４４で構成される充電制御回路の動作は次のとおりである。

（１）受電電圧VRECが第１の受電電圧値以上の場合、蓄電デバイス５への充電を開始する。

（２）充電電圧VLDOが規定の充電電圧値未満の場合、蓄電デバイス５に対する充電電流の設定値を小さくする。

（３）受電電圧VRECが、規定の充電電圧値より高い第２の受電電圧値以上の場合、蓄電デバイス５に対する充電電流の設定値を大きくする。

（４）充電電圧VLDOが規定の充電電圧値以上、かつ受電電圧VRECが第２の受電電圧値未満の場合、充電電流の設定値を維持する。

（５）蓄電デバイス５の電圧が蓄電デバイス５の満充電状態に相当する電圧値以上となった場合、充電を停止する。

（６）蓄電デバイス５の電圧が所定値以下となった場合、充電を開始する。

（７）蓄電デバイス５への充電電流値が蓄電デバイス５の満充電状態に相当する電流以下となった場合、充電を停止する。

（８）受電電圧VRECが、第２の受電電圧値より高い第３の受電電圧値以上の場合、整流回路２を制御して整流動作を停止して受電を遮断する。

電子機能回路６の動作は次のとおりである。
通信コイル６６は通信相手のコイルと電磁誘導結合し、通信コイル６６とキャパシタＣ２とで共振動作する。ＮＦＣ通信回路６５は通信相手装置とＮＦＣ通信を行う。ＭＣＵ６４はＮＦＣ通信回路６５の受信データを入力し、指紋読み取りセンサー６３の読み取りデータ又はその処理データをＮＦＣ通信回路６５へ出力する。指紋読み取りセンサー６３は、ワイヤレス受電装置１０１及び電子機能回路６を備える電子カードを操作する操作者の指紋を読み取る。定電圧化回路６２は蓄電デバイス５の電圧を規定の定電圧に変換してＭＣＵ６４及び指紋読み取りセンサー６３へ電源電圧として出力する。過放電保護回路６１は蓄電デバイス５の電圧を検出し、過放電状態であれば、それを表す電圧信号を定電圧化回路６２へ基準電圧として与える。過放電状態であれば、定電圧化回路６２は出力を停止する。図１では図示を省略しているが、ＭＣＵ４２は電子機能回路６の動作状態を検知できる。電子機能回路6の動作中は、電圧変換回路3の制御信号ENCHGを停止し、蓄電デバイス5の充電を停止する。また、蓄電デバイス５の充電中は、それを示すＭＣＵ４２からの出力信号DIS_OUTを定電圧化回路６２へ与え、定電圧化回路６２は出力を停止する。

図２は、ワイヤレス受電装置１０１のＭＣＵ４２の処理内容を示す図である。図３は充電回路４１に対する制御信号ISET1、ISET2と４つの条件及び設定充電電流の関係を示す図である。ワイヤレス受電装置１０１のＭＣＵ４２の処理による充電制御回路の動作は次のとおりである。

図２の上部に示すように、まず、受電電圧VRECを検知し、受電電圧VRECが第１の受電電圧値６．００Ｖ以上であれば、電圧変換回路３に対する信号ENCHGを有効にする。そして、受電電圧VRECが第２の受電電圧値６．００Ｖ以上の場合（本実施形態では、第１の受電電圧値＝第２の受電電圧値である。）、充電回路４１に対する制御値としてISET1＝０、ISET2＝０を出力する。これは条件Ａであり、充電回路４１は蓄電デバイス５に対する充電電流を１．８５ｍＡに定める。この状態でも、受電電圧VRECが６．００Ｖ以上であれば、制御値としてISET1＝０、ISET2＝１を出力する。これは条件Ｂであり、充電回路４１は蓄電デバイス５に対する充電電流を４．６０ｍＡに定める。この状態でも、受電電圧VRECが６．００Ｖ以上であれば、制御値としてISET1＝１、ISET2＝０を出力する。これは条件Ｃであり、充電回路４１は蓄電デバイス５に対する充電電流を７．５１ｍＡに定める。このように、受電電圧VRECが、第２の受電電圧値６．００Ｖ以上の場合、蓄電デバイス５に対する充電電流の設定値を大きくしていく。

充電電圧VLDOが、第２の受電電圧値６．００Ｖより低い、規定の充電電圧値４．７５Ｖ未満の場合、蓄電デバイス５に対する充電電流の設定値を小さくする。例えば、条件Ｃであるとき、制御値としてISET1＝０、ISET2＝１を出力する。これは条件Ｂであり、充電回路４１は蓄電デバイス５に対する充電電流を４．６０ｍＡに定める。この状態でも、充電電圧VLDOが、規定の充電電圧値４．７５Ｖ未満の場合、制御値としてISET1＝０、ISET2＝０を出力する。これは条件Ａであり、充電回路４１は蓄電デバイス５に対する充電電流を１．８５ｍＡに定める。このように、充電電圧VLDOが、規定の充電電圧値４．７５Ｖ未満の場合、蓄電デバイス５に対する充電電流の設定値を小さくしていく。

そして、充電電圧VLDOが規定の充電電圧値４．７５Ｖ以上、かつ受電電圧VRECが第２の受電電圧値６．００Ｖ未満の場合、充電電流の設定値を維持する。

このように、充電電流の設定値を離散的な複数の値とすることで、設定制御が簡素化されつつ、連続量としての充電電流の制御が可能となる。

また、図２の下部に示すように、蓄電デバイス５の電圧VBATが最低電圧値３．９Ｖ以下であれば、電圧変換回路３に対する信号ENCHGを有効にすることによって、充電を開始する。また、蓄電デバイス５の充電電流IBATが設定電流値C×０．１以下であれば、電圧変換回路３に対する信号ENCHGを無効にすることによって、充電を停止する。または、蓄電デバイス５の電圧VBATが満充電に相当する電圧Vm以上であれば、電圧変換回路３に対する信号ENCHGを無効にすることによって、充電を停止する。充電の停止・再開の制御と充電電流値の制御は、それぞれが独立した制御として、並行して行う。

図４は、充電電流、受電電圧VREC、充電電圧VLDO及び受電電力の関係を示す図である。受電電圧VRECが６．００Ｖ以上、かつ充電電圧VLDOが４．７５Ｖ以上の範囲で、１．８５ｍＡ以上９．９７ｍＡ以下の充電電流で充電が行われる。充電電流が大きくなるほど、受電電圧VRECは低下する。図４においてPRECは受電電力であり、この例では、充電電流IBATが７ｍＡのとき受電電力は最大となる。

以上に示した充電制御回路の動作により、受電電力に応じてより大きな充電電流が設定されて、より大きな受電電力を利用できる。また、蓄電デバイス５が過充電状態となったり、電圧変換回路３や充電回路４１等の受電回路に過電圧が印加されたり、することのない、信頼性の高いワイヤレス受電装置１０１が得られる。

なお、以上に示した例では、充電を第１の受電電圧値と第２の受電電圧値がいずれも６．００Ｖであったが、充電電流制御を開始する第１の受電電圧値が第２の受電電圧値より低くてもよい。

最後に、本発明は上述した実施形態に限られるものではない。当業者によって適宜変形及び変更が可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変形及び変更が含まれる。

Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…キャパシタ
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２…ダイオード
ISET1，ISET2…制御信号
Ｑ１，Ｑ２…スイッチ素子
VBAT…蓄電デバイス電圧
VG…制御信号
VLDO…充電電圧
VREC…受電電圧
１…受電共振回路
２…整流回路
３…電圧変換回路
５…蓄電デバイス
６…電子機能回路
１１…受電コイル
４１…充電回路
４１Ａ…充電電圧検出回路
４２…ＭＣＵ
４２Ａ…受電電圧検出回路
４３…過電圧検出回路
４４…定電圧化回路
６１…過放電保護回路
６２…定電圧化回路
６３…指紋読み取りセンサー
６４…ＭＣＵ
６５…ＮＦＣ通信回路
６６…通信コイル
１０１…ワイヤレス受電装置

Claims

受電コイルと、当該受電コイルに接続された共振キャパシタとからなる受電共振回路と、当該受電共振回路の電圧を整流する整流回路と、当該整流回路の出力電圧を変換する電圧変換回路と、当該電圧変換回路の出力により蓄電デバイスを充電する充電制御回路と、を備え、
前記充電制御回路は、前記整流回路の出力電圧から受電電圧を検出する受電電圧検出回路と、前記電圧変換回路の出力電圧から充電電圧を検出する充電電圧検出回路と、を備え、
前記充電制御回路は、
前記受電電圧が第１の受電電圧値以上の場合、前記蓄電デバイスへの充電を開始し、
前記充電電圧が、規定の充電電圧値未満の場合、前記蓄電デバイスに対する充電電流の設定値を小さくし、
前記受電電圧が前記充電電圧値より高い第２の受電電圧値以上の場合、前記蓄電デバイスに対する充電電流の設定値を大きくし、
前記充電電圧が前記充電電圧値以上、かつ前記受電電圧が第２の受電電圧値未満の場合、充電電流の設定値を維持する、
ワイヤレス受電装置。
前記充電電流の設定値は離散的な複数の値である、
請求項１に記載のワイヤレス受電装置。
前記充電制御回路は、前記蓄電デバイスの電圧が前記蓄電デバイスの満充電状態に相当する電圧値以上となった場合、充電を停止する、
請求項１又は２に記載のワイヤレス受電装置。
前記充電制御回路は、前記蓄電デバイスの電圧が所定値以下となった場合、充電を開始する、
請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
前記充電制御回路は、前記蓄電デバイスへの充電電流値が前記蓄電デバイスの満充電状態に相当する電流以下となった場合、充電を停止する、
請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
前記充電制御回路は、前記受電電圧が、前記第２の受電電圧値より高い第３の受電電圧値以上の場合、前記整流回路を制御して整流動作を停止して受電を遮断する、
請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。