TWI542110B - Radio power transmission device, heating control method of wireless power transmission device, and method for manufacturing wireless power transmission device - Google Patents

Radio power transmission device, heating control method of wireless power transmission device, and method for manufacturing wireless power transmission device Download PDF

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Takezo Hatanaka
Hisashi Tsuda
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Description

無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之發熱控制方法及無線電力傳送裝置之製造方法
本發明係關於一種可控制無線電力傳送裝置之發熱之無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之發熱控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法。
近年來，筆記型PC(Personal Computer，個人電腦)、平板型PC、數位相機、行動電話、行動式遊戲機、耳機型音樂播放器、無線式頭戴型耳機、助聽器、記錄器等人可行動使用之行動式之電子機器正快速普及。而且，該等行動式之電子機器之大部分中搭載有充電電池，需要定期充電。為了簡化對該電子機器之充電電池之充電作業，藉由於供電裝置與搭載於電子機器之受電裝置之間利用無線傳送電力之供電技術(改變磁場而進行電力傳送之無線電力傳送技術)來對充電電池進行充電的機器正不斷增加。
例如，作為無線電力傳送技術，可列舉利用線圈間之電磁感應而進行電力傳送之技術(例如參照專利文獻1)、或藉由利用供電裝置及受電裝置具備之共振器(線圈)間之共振現象(磁場共振態)使磁場耦合而進行電力傳送的技術(例如參照專利文獻2)。
又，關於對充電電池(例如鋰離子二次電池等)進行充電之方式，已知有定電流定電壓充電方式。而且，於藉由利用上述無線進行電力傳送之無線電力傳送裝置，以定電流定電壓充電方式對鋰離子二次電 池進行充電之情形時，當自定電流充電轉為定電壓充電時，供給至充電電池之電流值衰減，包括充電電池在內之被供電機器(充電電池、穩定電路、充電電路等)之負荷阻抗值上升，隨之，輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流之值變動。
於是，因輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流之值變動而無線電力傳送裝置所消耗之電力改變，從而無線電力傳送裝置全體之發熱量亦改變。而且，若無線電力傳送裝置中產生之發熱量變大，則構成無線電力傳送裝置之電子零件之壽命縮短。
為了解決上述問題，考慮個別地設置調整器等，使得當自定電流充電轉為定電壓充電時能夠調整輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流、或無線電力傳送裝置之輸入阻抗Zin。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第4624768號公報
[專利文獻2]日本專利特開2010-239769號公報
然而，個別地設置調整器者，對於要求行動性、精簡化、低成本化之行動電子機器而言，有零件件數變多之不佳狀況。
換言之，較理想為於行動電子機器所使用之無線電力傳送裝置(供電裝置及受電裝置)中，不追加新的機器而是調整自定電流充電轉為定電壓充電時之輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流之值。
因此，本發明之目的在於提供一種不追加新的機器而是調整自定電流充電轉為定電壓充電時之輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流，由此可控制無線電力傳送裝置之發熱的發熱控制方法等。
用於解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置利用共振現象，自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對受電模組供給電力，該受電模組至少具備受電共振器及受電線圈，且連接有包含能夠以定電流/定電壓充電方式充電之二次電池之被供電機器，且該發熱控制方法以相對於供給至上述供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於上述供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰之雙峰性之特性的方式，設定構成上述供電模組及上述受電模組之可變之參數，藉此，調整上述驅動頻率，從而設定上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值之增減傾向，並調整該無線電力傳送裝置之輸入電流之增減傾向，由此可控制無線電力傳送裝置之發熱。
根據上述方法，於使用利用共振現象供給電力之無線電力傳送裝置，對能夠以定電流/定電壓充電方式充電之二次電池進行充電的情形時，以相對於供給至供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶及高於共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰之雙峰性之特性的方式，設定構成無線電力傳送裝置中之供電模組及受電模組之可變之參數，藉此，調整供給至設定為具有雙峰性之特性之無線電力傳送裝置之電力之驅動頻率，從而設定定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值之增減傾向，並調整該無線電力傳送裝置之輸入電流之增減傾向，由此可控制無線電力傳送裝置之發熱。
用於解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其特徵在於，將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於低於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動 頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。
根據上述方法，藉由將供給至供電模組之電力之驅動頻率設定為與於低於供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。藉此，使定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入電流減少，由此可使無線電力傳送裝置之發熱減少。
用於解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其特徵在於，將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於高於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。
根據上述方法，藉由將供給至供電模組之電力之驅動頻率設定為與於高於供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。藉此，使定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入電流減少，由此可使無線電力傳送裝置之發熱減少。
用於解決上述問題之本發明係如上述無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其特徵在於，將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於低於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值和於高於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值之間之谷間相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值為維持或存在降低傾向之方式進行調整。
根據上述方法，藉由將供給至供電模組之電力之驅動頻率設定為與於低於供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值和於高於共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值之間之谷間相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在維持或降低傾向之方式進行調整。藉此，可使定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入電流維持或增加。
用於解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其係藉由上述無線電力傳送裝置之發熱控制方法而經調整。
根據上述構成，可藉由調整供給至供電模組之電力之驅動頻率而實現無線電力傳送裝置之發熱之控制。即，不增加無線電力傳送裝置之零件件數便可控制無線電力傳送裝置之發熱。
用於解決上述問題之本發明係一種無線電力傳送裝置之製造方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置利用共振現象，自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對受電模組供給電力，該受電模組至少具備受電共振器及受電線圈，且連接有包含能夠以定電流/定電壓充電方式充電之二次電池之被供電機器，該製造方法包含如下步驟，即，以相對於供給至上述供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於上述供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰之雙峰性之特性的方式，設定構成上述供電模組及上述受電模組之可變之參數，藉此，調整上述驅動頻率，從而設定上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值之增減傾向，並調整該無線電力傳送裝置之輸入電流之增減傾向，由此可控制無線電力傳送裝置之發熱。
根據上述方法，可製造藉由調整供給至供電模組之電力之驅動頻率而可實現無線電力傳送裝置之發熱之控制的無線電力傳送裝置。 即，可製造不增加無線電力傳送裝置之零件件數便可控制無線電力傳送裝置之發熱的無線電力傳送裝置。
可提供一種不追加新的機器，而是調整自定電流充電轉為定電壓充電時之輸入至無線電力傳送裝置之輸入電流，由此可控制無線電力傳送裝置之發熱的發熱控制方法等。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
2‧‧‧供電模組
3‧‧‧受電模組
6‧‧‧交流電源
7‧‧‧穩定電路
8‧‧‧充電電路
9‧‧‧鋰離子二次電池
10‧‧‧被供電機器
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
51‧‧‧虛線
52‧‧‧實線
55‧‧‧實線
200‧‧‧無線式頭戴型耳機
200a‧‧‧耳機揚聲器部
201‧‧‧充電器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
D1‧‧‧電流Iin與電流Ich之差
D2‧‧‧電流Iin與電流Ich之差
d12‧‧‧距離
d23‧‧‧距離
d34‧‧‧距離
f‧‧‧共振頻率
I1‧‧‧電流
I2‧‧‧電流
I3‧‧‧電流
I4‧‧‧電流
Ich‧‧‧電流
Iin‧‧‧電流
L1‧‧‧線圈
L2‧‧‧線圈
L3‧‧‧線圈
L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧互感
M23‧‧‧互感
M34‧‧‧互感
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
RL‧‧‧阻抗
S21‧‧‧傳送特性
Vch‧‧‧電壓
Vin‧‧‧電壓
Zin‧‧‧輸入阻抗
ZL‧‧‧阻抗
圖1係無線電力傳送裝置之概略說明圖。
圖2係無線電力傳送裝置之等效電路之說明圖。
圖3係表示鋰離子二次電池之充電特性之圖表。
圖4(A)係表示定電流定電壓充電時之輸入至鋰離子二次電池之電流值與輸入至無線電力傳送裝置之電流值的圖表。(B)係表示定電流定電壓充電時之無線電力傳送裝置之溫度變化的圖表。
圖5係表示相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之關係之說明圖。
圖6係表示相對於驅動頻率之輸入阻抗Zin之關係之曲線圖。
圖7係表示測定實驗1之測定結果之圖表。
圖8係表示測定實驗2之測定結果之圖表。
圖9係表示測定實驗3之測定結果之圖表。
圖10係說明無線電力傳送裝置之製造方法之說明圖。
圖11係說明包含無線電力傳送裝置之無線式頭戴型耳機及充電器之設計方法的流程圖。
(實施形態)
以下，對本發明之無線電力傳送裝置、無線電力傳送裝置之發熱控制方法、及無線電力傳送裝置之製造方法之實施形態進行說明。 首先，對本實施形態中使用之無線電力傳送裝置1進行說明。
(無線電力傳送裝置1之構成)
如圖1所示，無線電力傳送裝置1包括具備供電線圈21及供電共振器22之供電模組2、以及具備受電線圈31及受電共振器32之受電模組3。而且，於供電模組2之供電線圈21連接有具備將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定為特定值之振盪電路的交流電源6，且於受電模組3之受電線圈31經由使受電之交流電力整流化之穩定電路7及防止過充電之充電電路8而連接有鋰離子二次電池9。再者，於本實施形態中，穩定電路7、充電電路8、及鋰離子二次電池9係相當於被供電機器10。
供電線圈21發揮將自交流電源6獲得之電力藉由電磁感應而供給至供電共振器22之作用。如圖2所示，該供電線圈21構成為以電阻器R1、線圈L1、及電容器C1為要素之RLC電路。再者，線圈L1部分係使用銅線材(具絕緣被膜)，並將線圈徑設定為15mm又，將構成供電線圈21之電路元件所具有之合計阻抗設為Z1，於本實施形態中，係將構成供電線圈21之以電阻器R1、線圈L1、及電容器C1為要素之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z1。又，將流至供電線圈21之電流設為I1。再者，電流I1係與輸入至無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin同義。
受電線圈31發揮如下作用：藉由電磁感應而接收作為磁場能量而自供電共振器22傳送至受電共振器32之電力，並經由穩定電路7及充電電路8而供給至鋰離子二次電池9。該受電線圈31係與供電線圈21同樣地，如圖2所示，構成為以電阻器R4、線圈L4、及電容器C4為要素之RLC電路。再者，線圈L4部分係使用銅線材(具絕緣被膜)，並設定為線圈徑11mm。又，將構成受電線圈31之電路元件所具有之合計阻抗設為Z4，於本實施形態中，係將構成受電線圈31之以電阻器 R4、線圈L4、及電容器C4為要素之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z4。又，將連接於受電線圈31之被供電機器10之合計阻抗設為ZL。又，將流至受電線圈31之電流設為I4。再者，將被供電機器10之合計阻抗設為ZL，但為方便起見，亦可置換為RL。
如圖2所示，供電共振器22構成為以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC電路。又，如圖2所示，受電共振器32構成為以電阻器R3、線圈L3、及電容器C3為要素之RLC電路。而且，供電共振器22及受電共振器32分別成為共振電路，發揮產生磁場共振態之作用。此處，所謂磁場共振態(共振現象)，係指2個以上之線圈於共振頻率下共振(調諧)。又，將構成供電共振器22之電路元件所具有之合計阻抗設為Z2，於本實施形態中，係將構成供電共振器22之以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z2。又，將構成受電共振器32之電路元件所具有之合計阻抗設為Z3，於本實施形態中，係將構成受電共振器32之以電阻器R3、線圈L3、及電容器C3為要素之RLC電路(電路元件)所具有之合計阻抗設為Z3。又，將流至供電共振器22之電流設為I2，將流至受電共振器32之電流設為I3。
又，於供電共振器22及受電共振器32中之作為共振電路之RLC電路中，若將電感設為L，並將電容器電容設為C，則由(式1)規定之f成為共振頻率。而且，本實施形態中之供電線圈21、供電共振器22、受電線圈31、及受電共振器32之共振頻率係設為970kHz。
又，供電共振器22係使用由銅線材(具絕緣被膜)構成之線圈徑15 mm之螺線管型之線圈。又，受電共振器32係使用由銅線材(具絕緣被膜)構成之線圈徑11mm之螺線管型之線圈。又，使供電共振器22及受電共振器32之共振頻率一致。再者，供電共振器22及受電共振器32只要為使用線圈之共振器，則可為螺旋型或螺線管型等之線圈。
又，將供電線圈21與供電共振器22之間之距離設為d12，將供電共振器22與受電共振器32之間之距離設為d23，將受電共振器32與受電線圈31之間之距離設為d34(參照圖1)。
又，如圖2所示，將供電線圈21之線圈L1與供電共振器22之線圈L2之間之互感設為M12，將供電共振器22之線圈L2與受電共振器32之線圈L3之間之互感設為M23，將受電共振器32之線圈L3與受電線圈31之線圈L4之間之互感設為M34。又，於無線電力傳送裝置1中，將線圈L1與線圈L2之間之耦合係數表述為k12，將線圈L2與線圈L3之間之耦合係數表述為k23，將線圈L3與線圈L4之間之耦合係數表述為k34。
再者，供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34較理想為於設計、製造階段等作為可變更之參數，以滿足後述之(式4)之關係式的方式設定。
又，若表示根據上述構成之無線電力傳送裝置1(包含穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9)之電路圖則如圖1之下圖所示。其係將無線電力傳送裝置1全體置換為一個輸入阻抗Zin而表示者，將施加至無線電力傳送裝置1之電壓設為電壓Vin，將輸入至無線電力傳送裝置1之電流設為Iin。
進而，若為更詳細地表示無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin，而利用等效電路表示無線電力傳送裝置1之構成，則如圖2所示。而且，根據圖2之等效電路，無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin可如(式2)般 表述。
而且，本實施形態中之無線電力傳送裝置1之供電線圈21、供電共振器22、受電共振器32、及受電線圈31之阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、ZL分別可如(式3)般表述。
其次，若將(式3)導入(式2)，則成為(式4)。
根據上述無線電力傳送裝置1，於使供電共振器22之共振頻率與受電共振器32之共振頻率一致之情形時，可於供電共振器22與受電共振器32之間產生磁場共振態。若於供電共振器22及受電共振器32共振之狀態下產生磁場共振態，則可將電力作為磁場能量自供電共振器22傳送至受電共振器32。而且，藉由受電共振器32受電之電力經由受電線圈31、穩定電路7及充電電路8向鋰離子二次電池9供電而進行充電。
(無線電力傳送裝置之發熱控制方法)
基於上述無線電力傳送裝置1之構成，對無線電力傳送裝置1之發熱控制方法進行說明。
首先，對基於使用本實施形態之無線電力傳送裝置1之作為電力之供電目標之鋰離子二次電池9之充電時之充電特性的無線電力傳送裝置1之溫度上升之機制及其應對方法進行說明。
於本實施形態中，作為被供給電力之被供電機器10之一係使用鋰離子二次電池9。而且，一般而言，對鋰離子二次電池9進行充電時係使用定電流定電壓充電方式。利用該定電流定電壓充電方式進行之鋰離子二次電池9之充電中，如圖3之鋰離子二次電池9之充電特性所示，剛開始充電不久後係對鋰離子二次電池9以定電流(Ich)進行充電(CC：定電流)。而且，以定電流進行充電之期間施加至鋰離子二次電池9之電壓(Vch)上升至特定之上限電壓(於本實施形態中為4.2V)。若電壓(Vch)上升至上限電壓，則保持為此上限電壓而以定電壓進行充電(CV：定電壓)。若以定電壓(CV)進行充電，則輸入至鋰離子二次電池9之電流值(Ich)不斷衰減，經過特定之電流值或特定時間後完成充電。
而且，於藉由無線電力傳送裝置1以上述定電流定電壓充電方式 對鋰離子二次電池9進行充電之情形時，當自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)時，如圖4(A)表示定電流定電壓充電時之輸入至鋰離子二次電池9之電流值(Ich)與輸入至無線電力傳送裝置1之電流Iin之值的圖表所示，輸入至鋰離子二次電池9之電流值(Ich)不斷衰減，但輸入至無線電力傳送裝置1之電流Iin之值未改變。
另一方面，如圖4(B)定電流定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之溫度變化之圖表所示，無線電力傳送裝置1之溫度係當自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)時上升。
認為其係因定電壓充電(CV)時之電流Iin與電流Ich之差(參照圖4(A)之D2)大於定電流充電(CC)時之電流Iin與電流Ich之差(參照圖4(A)之D1)，而差擴大之部分(D2-D1)以無線電力傳送裝置1中之發熱之形式被消耗，導致無線電力傳送裝置1之溫度上升。
若如此般無線電力傳送裝置1中產生之發熱量變大，則構成無線電力傳送裝置1之電子零件之壽命縮短。
因此，使用無線電力傳送裝置1對鋰離子二次電池9進行定電流定電壓充電之情形時，要求抑制自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)時之無線電力傳送裝置1之發熱量，而抑制無線電力傳送裝置1之溫度上升。
而且，若對無線電力傳送裝置1施加電壓Vin，並於t秒鐘(sec)內流通電流Iin，則無線電力傳送裝置1中產生之熱能J(發熱量)可根據(式5)求出(焦耳定律)。
J=I in ×V in ×t(sec)‧‧‧(式5)
而且，若將電流Iin以基於電壓Vin及輸入阻抗Zin之關係式表示則 如(式6)所示(參照圖1)。
此處，如本實施形態般，藉由交流電源6施加至無線電力傳送裝置1之電壓Vin保持為固定(於本實施形態中為有效值5V)，因此，若將(式6)代入(式5)，則由(式7)之關係式表示。
根據上述(式7)，可知若能增大定電壓充電時之輸入阻抗Zin之值，則可抑制自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)時之無線電力傳送裝置1之發熱量(無線電力傳送裝置1中產生之熱能J)，而能夠抑制無線電力傳送裝置1之溫度上升。
(定電壓充電時之輸入阻抗Zin之增減傾向之設定)
於本實施形態中，於使用無線電力傳送裝置1對鋰離子二次電池9進行定電流定電壓充電之情形時，為增大定電壓充電時(CV)之輸入阻抗Zin之值，以後述之相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質的方式，設定供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34等構成供電模組2及受電模組3之可變更之參 數。而且，使相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質之後，藉由調整供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率，設定定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗值之增減傾向，而抑制無線電力傳送裝置1之發熱量。
(測定實驗)
根據測定實驗1~3對如下情況進行說明：於將相對於供給至上述無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質之情形時，藉由調整供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率，而定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗值表現出何種增減傾向。
於測定實驗1~3所使用之無線電力傳送裝置1中，供電線圈21構成為以電阻器R1、線圈L1、電容器C1為要素之RLC電路，線圈L1部分係將線圈徑設定為15mm。同樣地，受電線圈31構成為以電阻器R4、線圈L4、電容器C4為要素之RLC電路，線圈L4部分係將線圈徑設定為11mm。又，供電共振器22構成為以電阻器R2、線圈L2、及電容器C2為要素之RLC電路，線圈L2部分係使用線圈徑15mm之螺線管型之線圈。又，受電共振器32構成為以電阻器R3、線圈L3、及電容器C3為要素之RLC電路，線圈L3部分係使用線圈徑11mm之螺線管型之線圈。而且，將測定實驗1~3所使用之無線電力傳送裝置1中之R1、R2、R3、R4之值分別設定為0.65Ω、0.65Ω、2.47Ω、2.3Ω。又，將L1、L2、L3、L4之值分別設定為3.1μH、3.1μH、18.4μH、12.5μH。又，將耦合係數k12、k23、k34分別設定為0.46、0.20、0.52。又，供電共振器22及受電共振器32之共振頻率係970kHz。
而且，於測定實驗1~3中，藉由上述構成，將無線電力傳送裝置1設定為具有雙峰性之性質，然後將供給至供電模組2之交流電力之 驅動頻率改變為後述之同相共振模式(fL)、逆相共振模式(fH)、及共振頻率(f0)之3個狀態(參照圖5、圖6)，測定對鋰離子二次電池9進行充電(供電)時之電流Iin、及輸入阻抗Zin。再者，於測定實驗1~3中，測定自交流電源6對無線電力傳送裝置1施加之輸入電壓Vin=5V時的相對於充電時間(Charging Time(min))之電流Iin、及輸入阻抗Zin。
(雙峰性之性質)
此處，於本測定實驗中，係以相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』為具有雙峰性之性質者而進行測定。而且，所謂傳送特性『S21』，係表示於無線電力傳送裝置1連接網路分析儀(安捷倫科技股份有限公司製造之E5061B等)而測量之信號，以分貝表示，數值越大則表示電力傳送效率越高。而且，相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』，根據供電模組2及受電模組3之間之磁場所致之連接程度(磁場耦合)之強度，而分為具有單峰性之性質者與具有雙峰性之性質者。而且，所謂單峰性，係指相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰為一個且此波峰於共振頻帶(f0)出現(參照圖5之虛線51)。另一方面，所謂雙峰性，係指相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰有兩個且此兩個波峰於低於共振頻率之驅動頻帶(fL)與高於共振頻率之驅動頻帶(fH)出現(參照圖5之實線52)。若更詳細地定義雙峰性，則係指於上述網路分析儀連接無線電力傳送裝置1而測量之反射特性『S11』具有兩個波峰的狀態。因此，即便相對於驅動頻率之傳送特性『S21』之波峰看似為一個，但測量之反射特性『S11』具有兩個波峰之情形時，亦為具有雙峰性之性質者。再者，所謂電力傳送效率，係指受電模組3接收之電力相對於供給至供電模組2之電力之比率。
於具有上述單峰性之性質之無線電力傳送裝置1中，如圖5之虛 線51所示，驅動頻率在共振頻率f0時其傳送特性『S21』最大化(電力傳送效率最大化)。
另一方面，於具有雙峰性之性質之無線電力傳送裝置1中，如圖5之實線52所示，傳送特性『S21』係於低於共振頻率f0之驅動頻帶(fL)與高於共振頻率f0之驅動頻帶(fH)最大化。
再者，一般而言，若供電共振器與受電共振器之間之距離相同，則雙峰性之傳送特性『S21』之最大值(在fL或fH之傳送特性『S21』之值)成為比單峰性之傳送特性『S21』之最大值(在f0之傳送特性『S21』之值)更低的值(參照圖5之曲線圖)。
具體而言，於將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之低頻側之波峰附近之頻率fL的情形時(同相共振模式)，供電共振器22及受電共振器32為同相位且成為共振狀態，流向供電共振器22之電流之朝向與流向受電共振器32之電流之朝向成為相同朝向。其結果為，如圖5之曲線圖所示，雖然未達到以電力傳送效率之最大化為目的之一般的無線電力傳送裝置之傳送特性『S21』(虛線51)，但即便於使驅動頻率與供電模組2具備之供電共振器22及受電模組3具備之受電共振器32所具有之共振頻率不一致的情形時，亦可將傳送特性『S21』之值設為相對較高之值。此處，將流向供電模組2之線圈(供電共振器22)之電流之朝向與流向受電模組3之線圈(受電共振器32)之電流之朝向成為相同朝向的共振狀態稱為同相共振模式。
又，於上述同相共振模式中，產生於供電共振器22之外周側之磁場與產生於受電共振器32之外周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之外周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器22及受電共振器32之外周側以外之磁場強度(例如，供電共振器22及受電共振器32之內周側之磁場強度)更小之磁場強度的磁場空間。而且，於該磁場空間收納有期望減少磁場影響之穩 定電路7、充電電路8或充電電池9等之情形時，可減少或防止對於穩定電路7、充電電路8或充電電池9等發生由磁場引起之渦電流，從而能夠抑制發熱所致之負面影響。
另一方面，於將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之高頻側之波峰附近之頻率fH之情形時(逆相共振模式)，供電共振器22及受電共振器32為逆相位且成為共振狀態，流向供電共振器22之電流之朝向與流向受電共振器32之電流之朝向成為相反朝向。其結果為，如圖5之曲線圖所示，雖然未達到以電力傳送效率之最大化為目的之一般的無線電力傳送裝置之傳送特性『S21』(虛線51)，但即便於使驅動頻率與供電模組2具備之供電共振器22及受電模組3具備之受電共振器32所具有之共振頻率不一致的情形時，亦可將傳送特性『S21』之值設為相對較高之值。此處，將流向供電模組2之線圈(供電共振器22)之電流之朝向與流向受電模組3之線圈(受電共振器32)之電流之朝向成為相反朝向的共振狀態稱為逆相共振模式。
又，於上述逆相共振模式中，產生於供電共振器22之內周側之磁場與產生於受電共振器32之內周側之磁場相互抵消，藉此，於供電共振器22及受電共振器32之內周側，磁場所致之影響減少，從而可形成具有較供電共振器22及受電共振器32之內周側以外之磁場強度(例如，供電共振器22及受電共振器32之外周側之磁場強度)更小之磁場強度的磁場空間。而且，於該磁場空間收納有期望減少磁場影響之穩定電路7、充電電路8或充電電池9等之情形時，可減少或防止對於穩定電路7、充電電路8或充電電池9等發生由磁場引起之渦電流，從而能夠抑制發熱所致之負面影響。又，藉由該逆相共振模式而形成之磁場空間係形成於供電共振器22及受電共振器32之內周側，故而藉由於該空間中組入穩定電路7、充電電路8或充電電池9等電子零件，而可提高無線電力傳送裝置1自身之精簡化、設計自由度。
又，於如上述般相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』具有雙峰性之性質的情形時，當將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為同相共振模式(fL)或逆相共振模式(fH)時，如圖6所示，可在將電力傳送效率維持為較高之值之狀態下，謀求無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值之最大化(參照實線55)。又，當將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為共振頻率(f0)時，如圖6所示，可謀求無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值之最小化(參照實線55)。而且，於本測定實驗1~3中，使供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率為同相共振模式(fL)、逆相共振模式(fH)、及共振頻率(f0)之3個狀態而測定對鋰離子二次電池9進行充電(供電)時之電流Iin、及輸入阻抗Zin。
再者，於本實施形態中，若相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』為具有雙峰性之性質者，則供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容、及耦合係數k12、k23、k34等構成供電模組2及受電模組3之可變更之參數之設定、組合係設計事項且可自由設定。
(測定實驗1：將驅動頻率設定為同相共振模式之情形)
於測定實驗1中，測定將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之低頻側之波峰附近之頻率fL之情形時(同相共振模式：fL=870kHz)的相對於充電時間(Charging Time(min))之輸入電流Iin、及輸入阻抗Zin，並將其測定結果示於圖7。再者，輸入電壓Vin為5V(固定)。
根據圖7之測定結果，可知自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向。而且，可知隨著輸入阻抗 Zin之值存在增加傾向，輸入電流Iin之值存在減少傾向(參照式6)。
根據上述測定實驗1，將相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質，然後將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之低頻側之波峰附近之頻率fL的情形時，可使自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向。藉此，可知使定電壓充電時(CV)之無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin減少，便可使無線電力傳送裝置1之發熱減少。
(測定實驗2：將驅動頻率設定為逆相共振模式之情形)
於測定實驗2中，測定將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之高頻側之波峰附近之頻率fH之情形時(逆相共振模式：fH=1070kHz)的相對於充電時間(Charging Time(min))之輸入電流Iin、及輸入阻抗Zin，並將其測定結果示於圖8。再者，輸入電壓Vin為5V(固定)。
根據圖8之測定結果，可知自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向。而且，可知隨著輸入阻抗Zin之值存在增加傾向，輸入電流Iin之值存在減少傾向(參照式6)。
根據上述測定實驗2，將相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質，然後將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之高頻側之波峰附近之頻率fH的情形時，可使自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向。藉此，可知使定電壓充電時(CV)之無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin減少，便可使無線電力傳送裝置1之發熱減少。
(測定實驗3：將驅動頻率設定為共振頻率之情形)
於測定實驗3中，測定將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻 率設定為雙峰性之共振頻率f0之情形時(共振頻率：f0=970kHz)的相對於充電時間(Charging Time(min))之輸入電流Iin、及輸入阻抗Zin，並將其測定結果示於圖9。再者，輸入電壓Vin為5V(固定)。
根據圖9之測定結果，可知自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在減少傾向。而且，可知隨著輸入阻抗Zin之值存在減少傾向，輸入電流Iin之值存在增加傾向(參照式6)。
根據上述測定實驗3，將相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質，然後將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為雙峰性之共振頻率f0的情形時，可使自定電流充電(CC)轉為定電壓充電(CV)後之輸入阻抗Zin之值存在減少傾向。
根據上述測定實驗1~3，可知將相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』設定為具有雙峰性之性質之後，藉由調整供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率，而設定定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值之增減傾向，並且調整無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin之增減傾向，由此可控制無線電力傳送裝置1之發熱。再者，根據上述測定實驗1~3，若將供給至供電模組2之交流電力之驅動頻率設定為同相共振模式fL與共振頻率f0之間或共振頻率f0與逆相共振模式fH之間之特定值，則亦可將定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值維持為固定值。
如以上說明所述，根據上述方法，於使用利用共振現象供給電力之無線電力傳送裝置1，對能夠以定電流/定電壓充電方式充電之鋰離子二次電池9進行充電的情形時，以相對於供給至供電模組2之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於供電模組2及受電模組3之共振頻率(f0)之驅動頻帶(fL)及高於共振頻率(f0)之驅動頻帶(fH)分別具有 波峰之雙峰性之特性的方式設定構成無線電力傳送裝置1中之供電模組2及受電模組3之可變之參數，藉此，調整供給至設定為具有雙峰性之特性之無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率，從而設定定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值之增減傾向，並且調整無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin之增減傾向，由此可控制無線電力傳送裝置1之發熱。
進而，藉由將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定為與於低於供電模組2及受電模組3之共振頻率(f0)之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值(fL)相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向之方式進行調整。藉此，使定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin減少，由此可使無線電力傳送裝置1之發熱減少。
又，藉由將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定為與於高於供電模組2及受電模組3之共振頻率(f0)之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值(fH)相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值存在增加傾向之方式進行調整。藉此，使定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin減少，由此可使無線電力傳送裝置1之發熱減少。
又，藉由將供給至供電模組2之電力之驅動頻率設定為與於低於供電模組2及受電模組3之共振頻率(f0)之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值(fL)和於高於共振頻率(f0)之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值(fH)之間之谷間相對應的帶域，而能夠以定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之值存在維持或降低傾向之方式進行調整。藉此，可使定電壓充電時之無線電力傳送裝置1之輸入電流Iin維持或增加。
(製造方法)
其次，參照圖10及圖11，對作為製造無線電力傳送裝置1之一步 驟之設計方法(設計步驟)進行說明。於本說明中，作為搭載無線電力傳送裝置1之行動機器係以具備耳機揚聲器部200a之無線式頭戴型耳機200、及充電器201為例而進行說明(參照圖10)。
藉由本設計方法而設計之無線電力傳送裝置1於圖10所示之無線式頭戴型耳機200及充電器201中分別係作為受電模組3(受電線圈31、受電共振器32)及供電模組2(供電線圈21、供電共振器22)而搭載。又，於圖10中，為便於說明，而將穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9記載於受電模組3之外，但實際上係配置於受電線圈31及螺線管狀之受電共振器32之線圈內周側。即，以於無線式頭戴型耳機200搭載受電模組3、穩定電路7、充電電路8及鋰離子二次電池9、於充電器201搭載供電模組2、且於供電模組2之供電線圈21連接有交流電源6的狀態進行使用。
(設計方法)
首先，如圖11所示，根據鋰離子二次電池9之電容及鋰離子二次電池9之充電所需之充電電流，來決定受電模組3接收之受電電量(S1)。
其次，決定供電模組2與受電模組3之間之距離(S2)。該距離係將內建有受電模組3之無線式頭戴型耳機200載置於內建有供電模組2之充電器201時之供電共振器22與受電共振器32之間的距離d23，使用形態為充電中之狀態。更詳細而言，供電共振器22與受電共振器32之間之距離d23係考慮無線式頭戴型耳機200與充電器201之形狀、構造而決定。
又，基於無線式頭戴型耳機200之大小、形狀、構造，而決定受電模組3之受電線圈31及受電共振器32之線圈徑(S3)。
又，基於充電器201之大小、形狀、構造，而決定供電模組2之供電線圈21及供電共振器22之線圈徑(S4)。
藉由經過上述S2~S4之順序，而決定無線電力傳送裝置1之供電共振器22(線圈L2)與受電共振器32(線圈L3)之間之耦合係數k23、及電力傳送效率。
根據藉由上述S1決定之受電模組3接收之受電電量、及經過S2~S4之順序而決定之電力傳送效率，來決定向供電模組2供電所需之最低限度之供電電量(S5)。
而且，基於上述受電模組3接收之受電電量、電力傳送效率、及向供電模組2供電所需之最低限度之供電電量，而決定無線電力傳送裝置1之輸入阻抗Zin之設計值之範圍(S6)。
又，決定相對於供給至無線電力傳送裝置1之電力之驅動頻率之無線電力傳送裝置1之傳送特性『S21』具有上述雙峰性之性質之設計值之範圍(S7)。
而且，以滿足具有藉由S6及S7決定之輸入阻抗Zin及雙峰性之性質之設計值的方式，決定和供電線圈21與供電共振器22及受電共振器32與受電線圈31相關之最終之參數(S8)。此處，作為和供電線圈21與供電共振器22及受電共振器32與受電線圈31相關之參數，可列舉供電線圈21之RLC電路之R1、L1、C1、供電共振器22之RLC電路之R2、L2、C2、受電共振器32之RLC電路之R3、L3、C3、受電線圈31之RLC電路之R4、L4、C4之電阻值、電感、電容器電容或耦合係數k12、k23、k34或者進而供電線圈21與供電共振器22之間之距離d12、受電共振器32與受電線圈31之間之距離d34等。
根據包含上述設計方法之無線電力傳送裝置1之製造方法，可製造藉由調整供給至供電模組2之電力之驅動頻率而可實現無線電力傳送裝置1之發熱之控制的無線電力傳送裝置1。即，可製造不增加無線電力傳送裝置1之零件件數便可控制無線電力傳送裝置1之發熱的無線電力傳送裝置1。
(其他實施形態)
於上述製造方法之說明中，係例示無線式頭戴型耳機200而進行說明，但只要為具備二次電池之機器，則亦可使用於平板型PC、數位相機、行動電話、耳機型音樂播放器、助聽器、集音器等。
又，於上述說明中，係假定將無線電力傳送裝置1搭載於行動式之電子機器之情形而進行說明，但用途並不限於該等小型者，藉由對照必要電量而變更規格，例如，亦可搭載於相對大型之電動汽車(EV)之無線充電系統或更小型之醫療用之無線式胃內相機等。
以上之詳細說明中，為了能夠更容易理解本發明，而以特徵部分為中心進行說明，但本發明並不限定於以上之詳細說明所記載之實施形態、實施例，亦可應用於其他實施形態、實施例，應儘可能廣地解釋其應用範圍。又，本說明書中使用之用語及語法係用於準確地對本發明進行說明者，而非用於限制本發明之解釋者。又，本領域技術人員可根據本說明書所記載之發明之概念而容易地推想出包含於本發明之概念之其他構成、系統、方法等。因此，申請專利範圍之記載應理解為於不脫離本發明之技術思想之範圍內包含均等構成者。又，為充分理解本發明之目的及本發明之效果，較理想為充分參考業已公開之文獻等。
1‧‧‧無線電力傳送裝置
2‧‧‧供電模組
3‧‧‧受電模組
6‧‧‧交流電源
7‧‧‧穩定電路
8‧‧‧充電電路
9‧‧‧鋰離子二次電池
10‧‧‧被供電機器
21‧‧‧供電線圈
22‧‧‧供電共振器
31‧‧‧受電線圈
32‧‧‧受電共振器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
d12‧‧‧距離
d23‧‧‧距離
d34‧‧‧距離
I1‧‧‧電流
I2‧‧‧電流
I3‧‧‧電流
I4‧‧‧電流
L1‧‧‧線圈
L2‧‧‧線圈
L3‧‧‧線圈
L4‧‧‧線圈
M12‧‧‧互感
M23‧‧‧互感
M34‧‧‧互感
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R4‧‧‧電阻器
RL‧‧‧阻抗
Zin‧‧‧輸入阻抗
ZL‧‧‧阻抗

Claims (6)

  1. 一種無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置利用共振現象，自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對受電模組供給電力，該受電模組至少具備受電共振器及受電線圈，且連接有包含能夠以定電流/定電壓充電方式充電之二次電池之被供電機器，且該發熱控制方法以相對於供給至上述供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於上述供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰之雙峰性之特性的方式，設定構成上述供電模組及上述受電模組之可變之參數，藉此，調整上述驅動頻率，從而設定上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值之增減傾向，而調整該無線電力傳送裝置之輸入電流之增減傾向，藉此控制無線電力傳送裝置之發熱。
  2. 如請求項1之無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於低於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。
  3. 如請求項1之無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於高於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值存在增加傾向之方式進行調整。
  4. 如請求項1之無線電力傳送裝置之發熱控制方法，其將供給至上述供電模組之電力之上述驅動頻率，設定為與於低於上述供電模組及受電模組之上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值、和於高於上述共振頻率之驅動頻帶出現之傳送特性之峰值之間之谷間相對應的帶域，以上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值為維持或存在降低傾向之方式進行調整。
  5. 一種無線電力傳送裝置，其特徵在於，其係藉由如請求項1至4中任一項之發熱控制方法而經調整。
  6. 一種無線電力傳送裝置之製造方法，其特徵在於，該無線電力傳送裝置利用共振現象，自至少具備供電線圈及供電共振器之供電模組對受電模組供給電力，該受電模組至少具備受電共振器及受電線圈，且連接有包含能夠以定電流/定電壓充電方式充電之二次電池之被供電機器，且該製造方法包含如下步驟，即，以相對於供給至上述供電模組之電力之驅動頻率之傳送特性之值具有於低於上述供電模組及受電模組之共振頻率之驅動頻帶及高於上述共振頻率之驅動頻帶分別具有波峰之雙峰性之特性的方式，設定構成上述供電模組及上述受電模組之可變之參數，藉此，調整上述驅動頻率，從而設定上述定電壓充電時之該無線電力傳送裝置之輸入阻抗值之增減傾向，而調整該無線電力傳送裝置之輸入電流之增減傾向，藉此控制無線電力傳送裝置之發熱。
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