(57)【要約】【課題】最大伝送効率を維持し、かつ負荷変調を阻害せず無線給電を行うことができる充電装置を提供する。【解決手段】入力信号が入力され、入力信号に基づいてバッテリを充電する充電部であって、予め定められたターゲット値でバッテリを充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する充電部と、フィードバックループの飽和を検出する飽和検出部と、飽和検出部の検出結果に基づいて、ターゲット値を調整するターゲット調整部とを備える充電装置を提供する。【選択図】図２
2020036522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号が入力され、前記入力信号に基づいてバッテリを充電する充電部であって、予め定められたターゲット値で前記バッテリを充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する充電部と、
前記フィードバックループの異常を検出する異常検出部と、
前記異常検出部の検出結果に基づいて、前記ターゲット値を調整するターゲット調整部と
を備える充電装置。
【請求項２】
前記ターゲット調整部は、前記ターゲット値として、前記バッテリの充電電流ターゲットまたは充電電圧ターゲットを調整する
請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
インターバル信号を前記ターゲット調整部に入力することにより、前記ターゲット調整部が前記ターゲット値を調整する間隔を制御するインターバル制御部を更に備える
請求項１または２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記インターバル制御部は、前記異常検出部が前記フィードバックループの異常を検出した場合に、前記フィードバックループが正常な場合の時間インターバルよりも短くする
請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記充電部は、
前記入力信号に基づいて前記バッテリを充電するか否かを切り替える切替部と、
前記切替部から前記バッテリに流れる電流または電圧を検出する出力検出部と、
前記ターゲット値と前記出力検出部からの信号との差分である差分信号を検出する差分検出部と、
前記差分信号を積分した積分信号を生成する積分部と、
前記積分信号に応じたパルス制御信号を前記切替部に入力するパルス発生部と
を備える
請求項１から４のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項６】
前記切替部のオンオフを制御するパルスのデューティの最大長を制限する最大デューティ設定値を前記パルス発生部に入力して、前記パルスのデューティを制御するデューティ制御部を更に備える
請求項５に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バッテリを充電する充電装置について、スイッチングチャージャーの入力電圧を測定し、予め定められた基準電圧を下回るときには、充電電流を減少させて基準電圧を維持する充電装置が知られていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  米国特許第８３３８９９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、伝送効率が最大となる基準電圧は、送電電力、インピーダンスマッチング、送受の結合具合、その他の要因により異なるので、最適な電力伝送を維持することは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、入力信号が入力され、入力信号に基づいてバッテリを充電する充電部であって、予め定められたターゲット値でバッテリを充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する充電部と、フィードバックループの異常を検出する異常検出部と、異常検出部の検出結果に基づいて、ターゲット値を調整するターゲット調整部とを備える充電装置を提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】給電システム２００の構成の一例を示す。
【図１Ｂ】給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。
【図２】実施例に係る充電装置１００の構成の概要を示す。
【図３Ａ】実施例１に係る充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。
【図３Ｂ】実施例１に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図４Ａ】実施例２に係る充電装置１００の構成の一例を示す。
【図４Ｂ】実施例２に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図４Ｃ】実施例２に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。
【図５Ａ】実施例３に係る充電装置１００の構成の一例を示す。
【図５Ｂ】実施例３に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図５Ｃ】実施例３に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１Ａは、給電システム２００の構成の一例を示す。給電システム２００は、送電機器２１０および受電機器２２０を備える。給電システム２００は、送電機器２１０と受電機器２２０との間で無線信号を送受信することにより、バッテリ２２５を充電する無線給電デバイスである。
【０００９】
送電機器２１０は、無線給電するための無線信号を受電機器２２０に送信する。送電機器２１０は、電源２１１と、インピーダンス設定部２１２と、復調器２１３と、マッチングネットワーク２１４と、アンテナ２１５とを備える。送電機器２１０は、電源２１１から供給される電流をマッチングネットワーク２１４に入力し、アンテナ２１５から無線信号として出力する。インピーダンス設定部２１２は、送電側のインピーダンスを設定する。復調器２１３は、受電側で変調された信号を復調する。なお、本明細書において、送電側とは送電機器２１０を指し、受電側とは受電機器２２０を指す。
【００１０】
受電機器２２０は、送電機器２１０からの無線信号を受信して、バッテリ２２５を充電する。受電機器２２０は、充電装置１００と、アンテナ２２１と、マッチングネットワーク２２２と、整流器２２３と、負荷変調部２２４と、バッテリ２２５とを備える。アンテナ２２１から入力された無線信号は、マッチングネットワーク２２２および整流器２２３を介して充電装置１００に入力される。負荷変調部２２４は、抵抗ＲおよびスイッチＳＷを有し、負荷変調により受電機器２２０から送電機器２１０への通信を実現する。充電装置１００は、スイッチングチャージャーとして機能して、バッテリ２２５を充電する。
【００１１】
送電機器２１０および受電機器２２０は、それぞれが有するアンテナおよびマッチングネットワークにより電磁波で結合する。送電機器２１０は、その信号源として、有限のインピーダンスをもって、有限の電力を受電機器２２０に供給する。受電機器２２０で受け取る電力は、受電側のインピーダンスに依存して変化し、送電側、受電側のインピーダンスが等しい場合に、受電側の電力が最大（即ち、最大伝送効率）となる。
【００１２】
バッテリ２２５は、給電システム２００により無線給電される。バッテリ２２５は、受電機器２２０に設けられているが、受電機器２２０の外部に設けられてもよい。例えば、バッテリ２２５は、Ｌｉ−ｉｏｎ電池等の蓄電池である。一例において、バッテリ２２５への充電は、寿命を維持するため、定電流充電で８０％を充電して、定電圧充電で残りの２０％を充電する。充電に必要な単位時間当たりの電力は、バッテリ電圧ＶＢＡＴと充電電流の積である。そして、定電流充電が進むことによってバッテリ２２５の充電電圧が上昇すると、必要な単位時間当たりの電力が上昇する。
【００１３】
ここで、受電機器２２０が受け取れる最適条件を超える電力を充電装置１００が引き込もうとすると、充電装置１００の入力電圧が減少し、受け取る電力も大幅に減少する場合がある。この場合、給電システムの伝送効率が減少する。本例の充電装置１００は、受電機器２２０が受け取る電力を最適に制御することにより、給電システム２００の伝送効率を向上することができる。
【００１４】
図１Ｂは、給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。本例の給電システム２００は、負荷変調により、送電機器２１０と受電機器２２０との間の通信を実現する。負荷変調部２２４は、入力された信号データに基づいて、スイッチＳＷをオンオフする。これにより、負荷変調部２２４は、受電機器２２０に入力される電圧を変調して変調電圧Ｖｍｏｄを生成する。送電機器２１０および受電機器２２０は、負荷変調による通信で充電情報を送受信する。このように、送電機器２１０は、受電機器２２０との間で充電情報を送受信することにより、バッテリ２２５の充電進捗状況に応じて、送電側の電力の調整およびオンオフを制御することができる。
【００１５】
図２は、実施例に係る充電装置１００の構成の概要を示す。充電装置１００は、充電部１０と、異常検出部２０と、ターゲット調整部３０とを備える。
【００１６】
充電部１０は、送電機器２１０から送信された無線信号に対応する入力信号Ｓｉｎが入力される。充電部１０は、入力信号Ｓｉｎに基づいてバッテリ２２５を充電する。充電部１０は、後述するターゲット値Ｖｔでバッテリ２２５を充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する。例えば、充電部１０は、ＭＯＳスイッチとコイルを有するＤＣＤＣコンバータである。
【００１７】
異常検出部２０は、充電部１０のフィードバックループの状態を検出する。異常検出部２０は、フィードバックループが正常であるか異常であるかを示す検出信号を生成する。異常検出部２０は、生成した検出信号をターゲット調整部３０に入力する。
【００１８】
ターゲット調整部３０は、異常検出部２０の検出結果に基づいて、ターゲット値Ｖｔを調整する。例えば、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタを有する。ターゲット調整部３０は、異常検出部２０の検出信号に応じて、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加または減少させる。
【００１９】
ターゲット値Ｖｔは、充電部１０が出力のターゲットとする目標値である。充電部１０は、ターゲット値Ｖｔと後述する出力検出部１４の出力値との差分が０となるようにフィードバック制御する。即ち、充電部１０は、出力検出部１４がターゲット値Ｖｔを出力するようにフィードバック制御する。例えば、ターゲット値Ｖｔは、充電電流のターゲット値または充電電圧のターゲット値を含む。
【００２０】
ここで、負荷変調により受電機器２２０から送電機器２１０への通信を実現する方式では、充電装置１００の入力電力を基準電圧に合わせるように充電電流を制御すると、負荷変調が妨げられる場合があり、送電機器２１０と受電機器２２０との間の通信品質を大きく阻害する場合がある。これに対して、本例の充電装置１００は、負荷変調による通信を阻害することなく、伝送効率を向上することができる。
【００２１】
図３Ａは、実施例１に係る充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。充電部１０は、切替部１１と、ダイオード部１２と、コイル部１３と、出力検出部１４と、差分検出部１５と、積分部１６と、パルス発生部１７とを備える。充電部１０のフィードバックループは、切替部１１と、コイル部１３と、出力検出部１４と、差分検出部１５と、積分部１６と、パルス発生部１７とで構成される。
【００２２】
切替部１１は、入力端子と出力検出部１４とを接続するか否かを切り替える。これにより、切替部１１は、入力信号Ｓｉｎに応じた電力で、バッテリ２２５を充電するか否かを切り替える。切替部１１は、ＭＯＳスイッチ等で構成されるスイッチＳＷ１を有する。スイッチＳＷ１の一端は、入力端子に接続され、他端は、ダイオード部１２およびコイル部１３に接続されている。入力端子には、入力信号Ｓｉｎが入力される。
【００２３】
ダイオード部１２は、カソードがスイッチＳＷ１の他端に接続され、アノードがＧＮＤに接続されている。充電装置１００は、ダイオード部１２を有することにより入力された電力によってバッテリ２２５を効率的に充電することができる。なお、充電装置１００は、ダイオード部１２の代わりにスイッチを用いてもよい。
【００２４】
コイル部１３は、一端がスイッチＳＷ１に接続されている。コイル部１３は、他端が出力検出部１４を介してバッテリ２２５に接続される。
【００２５】
出力検出部１４は、コイル部１３とバッテリ２２５との間に設けられる。出力検出部１４は、コイル部１３からバッテリ２２５に流れる電流または電圧を検出する。
【００２６】
差分検出部１５は、ターゲット値Ｖｔと出力検出部１４からの信号との差分を示す差分信号を検出する。一例において、差分検出部１５は、出力検出部１４が検出した電流値と、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力である充電電流ターゲットとの差分信号を検出する。また、差分検出部１５は、出力検出部１４が検出した電圧値と、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力である充電電圧ターゲットとの差分信号を検出してもよい。
【００２７】
積分部１６は、差分検出部１５からの差分信号を積分する。積分部１６は、差分検出部１５からの差分信号を積分した積分信号を生成する。
【００２８】
パルス発生部１７は、積分部１６からの積分信号に応じたパルス制御信号を生成する。パルス発生部１７は、切替部１１に接続され、生成したパルス制御信号を切替部１１に入力する。一例において、パルス発生部１７は、生成したパルス制御信号を切替部１１のゲート端子に入力する。
【００２９】
異常検出部２０は、フィードバックループの異常を検出する。例えば、異常検出部２０は、積分部１６またはパルス発生部１７の異常を検出する。異常検出部２０は、フィードバックループの異常として積分部１６の飽和を検出する。
【００３０】
ターゲット調整部３０には、最大ターゲットとして上限値ＵＬが入力される。上限値ＵＬは、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの上限値である。一例において、上限値ＵＬは、最大充電電流の設定値または最大充電電圧の設定値である。例えば、ターゲット調整部３０は、異常検出部２０が異常を検出するとターゲット値Ｖｔを減少させる。ターゲット調整部３０は、異常検出部２０が異常を検出しない場合、上限値ＵＬを上限としてターゲット値Ｖｔを増加させるように動作する。
【００３１】
入力電力が充電電力以上の場合、ターゲット値Ｖｔが上限値Ｌｔに等しくなるように制御される。パルス発生部１７は、積分信号に基づくパルス制御信号を生成することにより、切替部１１のオン時間を決定する。コイル部１３を流れる電流は、切替部１１がオンの間、入力電圧とバッテリ電圧ＶＢＡＴとの差に基づいてランプアップし、バッテリ２２５に充電電流を流すとともに、電力を蓄積する。一方、切替部１１がオフすると、コイル部１３に蓄えられた電力により、ダイオード部１２を介して、ＧＮＤからバッテリ２２５に電流が流れる。これにより、充電装置１００は、入力された電力を効率よく充電電流として、バッテリ２２５に供給することができる。
【００３２】
ここで、切替部１１のオン時間が長くなるとコイル部１３に流れる電流が増加し、充電電流が増加する。充電電流が増加すると、積分部１６の出力が低下し、切替部１１のオン時間が短くなるように制御される。例えば、充電部１０のフィードバックループは、積分部１６に入力される差分信号がゼロになるように制御され、出力検出部１４の出力とターゲット値Ｖｔが等しくなるように制御される。このように、充電装置１００は、定電流充電動作を実行する。
【００３３】
一方、入力電力が充電電力を下回ると、コイル部１３に流れる電流は低下し、充電電流が低下する。すると、出力検出部１４を通して、差分信号が増大し、積分部１６の出力が増大し、切替部１１のオン時間が長くなり、入力信号Ｓｉｎからの平均の流入電流が増大する。しかし、流入電流の増加により入力電圧が低下するので、コイル部１３が蓄える電力は減少し、充電電流がさらに低下する。この結果フィードバックループは破綻し、積分部１６の出力は飽和状態となり、切替部１１のオン時間が最長となる。
【００３４】
フィードバックループが飽和すると、異常検出部２０が異常を検出し、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を減少させ、フィードバックループが正常に戻るまで、充電電流を低下させる。フィードバックループが正常に戻ると、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加させる。
【００３５】
これにより、充電装置１００は、充電電力が入力電力と等しくなる充電電流に制御して、最大効率でバッテリ２２５を充電することができる。よって、充電装置１００は、伝送効率の低下を防ぎ、最適な電力伝送を実現することができる。
【００３６】
図３Ｂは、実施例１に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。同図は、入力電力と、入力電圧と、充電電流と、積分信号と、検出信号と、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値とを時系列で示している。各動作点ａ〜ｃについては後述する。
【００３７】
動作点ａでは、充電部１０のフィードバックループが正常動作している。そして、入力電力が低下し、入力電圧および充電電流が低下している。動作点ｂでは、異常検出部２０が飽和を検出し、異常を示す検出信号を出力する。本例のターゲット調整部３０は、予め定められた間隔でカウンタ出力値を出力する。異常検出部２０が異常を検出している間、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を減少させる。動作点ｃにおいて、入力電圧が上昇し、異常検出部２０が飽和を検出しなくなり正常であると判断する。異常検出部２０が異常を検出していない場合、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加させる。これにより、充電装置１００は、充電電流が上昇するように制御する。
【００３８】
なお、本例では、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力の時間インターバルが一定に制御されている。即ち、充電装置１００は、一定の間隔でＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力を変化させている。時間インターバルとは、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力を変化させるタイミングの周期である。
【００３９】
図４Ａは、実施例２に係る充電装置１００の構成の一例を示す。本例の充電装置１００は、インターバル制御部３１を備える点で実施例１に係る充電装置１００と相違する。
【００４０】
インターバル制御部３１は、ターゲット調整部３０がターゲット値Ｖｔを調整する間隔を制御するためのインターバル信号を生成する。インターバル制御部３１は、生成したインターバル信号をターゲット調整部３０に入力する。ターゲット調整部３０は、インターバル信号に応じたタイミングで、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加または減少させる。
【００４１】
インターバル信号は、固定値であっても可変であってもよい。例えば、インターバル制御部３１は、異常検出部２０がフィードバックループの異常を検出した場合に、フィードバックループが正常な場合の時間インターバルよりも短くする。
【００４２】
また、インターバル制御部３１は、異常検出部２０の検出タイミングを、インターバル信号を用いて制御してもよい。この場合、異常検出部２０は、インターバル信号に応じたタイミングで、充電部１０のフィードバックループの異常を検出する。ターゲット調整部３０は、異常検出部２０がフィードバックループの異常または正常を検出すると、検出タイミングに従って、ターゲット値Ｖｔを変化させる。
【００４３】
負荷変調部２２４は、負荷変調を行う抵抗ＲおよびスイッチＳＷを有する。負荷変調部２２４は、充電のステータスを送電側に送信するため、受電側のインピーダンスを変化させる。例えば、充電のステータスとは、バッテリ２２５のバッテリ電圧ＶＢＡＴ、バッテリ２２５への充電電流、充電部１０への入力電圧、バッテリ２２５の温度および充電部１０のフィードバックループの異常等を含む。なお、負荷変調部２２４は、充電装置１００に設けられてもよい。
【００４４】
図４Ｂは、実施例２に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。本例のタイミングチャートは、給電システム２００の負荷変調が可能か否かを示している。フィードバックループが正常な場合、負荷変調が可能である。一方、フィードバックループが飽和しインピーダンスが低下すると負荷変調が効きにくくなる。また、本例のインターバル制御部３１は、インターバル信号を予め定められた値に変化させている。Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力のタイミングは、インターバル信号に応じて変化している。
【００４５】
例えば、充電装置１００は、時間インターバルを可変にすることにより、フィードバックループが異常となる時間割合を減少させることができる。具体的には、充電装置１００は、異常検出部２０が異常を検出した後の時間インターバルを短くすることにより、フィードバックループが飽和する時間割合を減少させることができる。これにより、充電装置１００は、負荷変調ができない時間割合を減らすとともに、充電電流の平均値を増加させることができる。
【００４６】
図４Ｃは、実施例２に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。縦軸は入力電圧［Ｖ］を示し、横軸は伝送電力［Ｗ］を示す。入力電圧は、充電部１０に入力される電圧である。伝送電力は、充電部１０が伝送する電力を示す。
【００４７】
負荷線Ｌは、フィードバックループが正常な状態と異常な状態で異なる挙動を示す。フィードバックループが正常な状態では、伝送電力が入力電圧にほぼ無関係に定まる。そのため、正常状態の負荷線Ｌは、横軸に対して垂直に近い直線となる。一方、フィードバックループが異常な状態では、負荷線Ｌの入力電圧は伝送電力に関係なく、バッテリ電圧ＶＢＡＴとパルス制御信号の最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓに基づいて定まる。例えば、異常状態の負荷線Ｌは、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘにほぼ定まる。負荷線Ｌは、それぞれ異なる状況における負荷線Ｌ１〜負荷線Ｌ３を含む。
【００４８】
動作点は、負荷線と放物線Ｐとの交点で決定される。放物線Ｐは、送電器側から送られる伝送電力を示す。送電器側から送られる伝送電力は、送電器側の出力インピーダンスと、アンテナ、整流器等のロス成分により放物線を描いている。
【００４９】
負荷線Ｌ１は、送電器側から十分な電力が送られる場合の負荷線である。動作点ａは、負荷線Ｌ１と放物線Ｐとの交点であり、フィードバックループが正常な状態を示している。この場合、充電装置１００は、最大充電電流の設定値でバッテリ２２５を定電流充電することができる。動作点ａでは、充電装置１００の入力インピーダンスが高く、負荷変調による充電情報の通信が正常に行われる。
【００５０】
負荷線Ｌ２は、負荷線Ｌ１から充電が進みバッテリ電圧ＶＢＡＴが上昇し、必要な電力が増え、負荷線が伝送電力の高い側に移動していった場合の負荷線である。負荷線Ｌ２では、フィードバックループが正常な状態にある領域と放物線Ｐとの交点はなくなり、動作点は動作点ｂに移動する。動作点ｂでは、入力電圧および伝送電力が動作点ａの場合よりも大幅に減少する。そして、充電装置１００の入力インピーダンスが動作点ａの場合よりも低くなっており、負荷変調が効きにくい状態となる。動作点ｂではフィードバックループが飽和しており、インターバル信号のタイミングで異常検出部２０が動作し、充電電流ターゲットを減少して、負荷線Ｌ３の位置に移動する。
【００５１】
負荷線Ｌ３は、負荷線Ｌ１およびＬ２よりも伝送電力の低い側に設定されている。負荷線Ｌ３では、動作点ｃに動作点が移動する。動作点ｃでは、フィードバックループが正常な状態となっている。動作点ｃは、入力電力が回復することにより、充電装置１００の入力インピーダンスを高くし、負荷変調による充電情報の通信を正常に行うことができる。
【００５２】
充電装置１００は、時間インターバルのタイミングで、フィードバックループが再び飽和するまで、順次充電電流を増加させる。充電装置１００は、フィードバックループが飽和した以降は、動作点を調整する本動作を繰り返す。このように、充電装置１００は、充電中に入力電力が不足し、フィードバックループが飽和状態となっても、自動的に正常なループになるようにターゲット値Ｖｔを変更する。これにより、充電装置１００は、充電効率を改善するとともに、負荷変調による通信も実現することができる。
【００５３】
図５Ａは、実施例３に係る充電装置１００の構成の一例を示す。本例の充電装置１００は、デューティ設定部４０を備える点で実施例２に係る充電装置１００と相違する。
【００５４】
デューティ設定部４０は、最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓを予め定められた値に設定する。デューティ設定部４０は、最大デューティ設定値をパルス発生部１７に入力して、パルスのデューティを制御する。最大デューティ設定値は、切替部１１のオンオフを制御するパルスのデューティの最大長を制限するための設定値である。本例のデューティ設定部４０は、最大デューティ設定値としてＤｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定する。充電装置１００は、デューティ設定部４０により最大デューティ設定値を設定することにより、フィードバックループが異常となった場合に、正常に戻るまでの時間を短くすることができる。
【００５５】
ここで、受電側のインピーダンスの変化は送電側のアンテナにおける電圧振幅を変調し、送電側の復調器により復調される。しかし、フィードバックループが飽和状態でパルス制御信号が最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓとなった場合には、充電装置１００の入力電圧はバッテリ電圧ＶＢＡＴに依存し、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘに固定された状態となる。そして、充電装置１００の入力インピーダンスが低下する。充電装置１００の入力インピーダンスが低下すると、負荷変調が効きにくくなる。したがって、フィードバックループが異常の状態では、負荷変調による通信が困難となる。
【００５６】
本例の充電装置１００は、最大デューティ設定値を設定することにより、フィードバックループが正常に動作する時間を延ばすことができる。そして、充電装置１００は、正常なフィードバックループの期間で、負荷変調による充電情報の通信を実現することができる。
【００５７】
図５Ｂは、実施例３に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。本例では、最大デューティ設定値としてＤｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定することにより、フィードバックループが正常となる期間が長くなることを示している。
【００５８】
Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔ有りの場合、Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔ無しの場合よりも入力電圧および充電電流の低下が抑制される。即ち、充電装置１００は、Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定することにより、入力電圧および充電電流の振幅を抑制して、平均充電電流を増加させることができる。
【００５９】
なお、本例の充電装置１００は、実施例２に係る充電装置１００と同様に、異常検出部２０が異常を検出した後の時間インターバルを短くすることにより、フィードバックループが飽和する時間割合を減少させている。これにより、充電装置１００は、負荷変調ができない時間割合を減らすとともに、充電電流の平均値をさらに増加させることができる。
【００６０】
図５Ｃは、実施例３に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。縦軸は入力電圧［Ｖ］を示し、横軸は伝送電力［Ｗ］を示す。基本的な動作は、実施例２に係る充電装置１００の動作と同一である。
【００６１】
充電装置１００は、最大デューティ設定値を適切に設定することにより、入力電圧および充電電流の低下を抑制し、フィードバックの飽和期間を短くすることができる。また、充電装置１００は、入力電圧および充電電流の振幅を抑制し、充電電流の平均値を増加させ、より効率的な充電を実現している。
【００６２】
ここで、フィードバックループが飽和状態にあるときの入力電圧は、およそＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘとなる。デューティ設定部４０は、切替部１１の最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓを適切に設定することにより、実施例２の場合よりも、動作点ｂでの入力電圧の低下を抑制することができる。
【００６３】
また、デューティ設定部４０は、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘが最適電力伝送条件に相当する入力電圧近くになるように最大デューティ設定値を設定する。これにより、本例の充電装置１００は、実施例２よりも、入力電圧と伝送電力の変化を小さくして、より伝送効率最大点近くでの充電動作を実現することができる。
【００６４】
以上の通り、充電装置１００は、最大伝送効率を維持し、かつ負荷変調を阻害せず無線給電を行うことができる。したがって、充電装置１００は、伝送効率の低下を抑制し、最適な電力伝送を行うことができる。
【００６５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６７】
１０・・・充電部、１１・・・切替部、１２・・・ダイオード部、１３・・・コイル部、１４・・・出力検出部、１５・・・差分検出部、１６・・・積分部、１７・・・パルス発生部、２０・・・異常検出部、３０・・・ターゲット調整部、３１・・・インターバル制御部、４０・・・デューティ設定部、１００・・・充電装置、２００・・・給電システム、２１０・・・送電機器、２１１・・・電源、２１２・・・インピーダンス設定部、２１３・・・復調器、２１４・・・マッチングネットワーク、２１５・・・アンテナ、２２０・・・受電機器、２２１・・・アンテナ、２２２・・・マッチングネットワーク、２２３・・・整流器、２２４・・・負荷変調部、２２５・・・バッテリ
【図１Ａ】
2020036522.tif 000003
【図１Ｂ】
2020036522.tif 000004
【図２】
2020036522.tif 000005
【図３Ａ】
2020036522.tif 000006
【図３Ｂ】
2020036522.tif 000007
【図４Ａ】
2020036522.tif 000008
【図４Ｂ】
2020036522.tif 000009
【図４Ｃ】
2020036522.tif 000010
【図５Ａ】
2020036522.tif 000011
【図５Ｂ】
2020036522.tif 000012
【図５Ｃ】
2020036522.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月5日(2019.9.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バッテリを充電する充電装置について、スイッチングチャージャーの入力電圧を測定し、予め定められた基準電圧を下回るときには、充電電流を減少させて基準電圧を維持する充電装置が知られていた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  米国特許第８３３８９９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、伝送効率が最大となる基準電圧は、送電電力、インピーダンスマッチング、送受の結合具合、その他の要因により異なるので、最適な電力伝送を維持することは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、入力信号が入力され、入力信号に基づいてバッテリを充電する充電部であって、予め定められたターゲット値でバッテリを充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する充電部と、フィードバックループの飽和を検出する飽和検出部と、飽和検出部の検出結果に基づいて、ターゲット値を調整するターゲット調整部とを備える充電装置を提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】給電システム２００の構成の一例を示す。
【図１Ｂ】給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。
【図２】実施例に係る充電装置１００の構成の概要を示す。
【図３Ａ】実施例１に係る充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。
【図３Ｂ】実施例１に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図４Ａ】実施例２に係る充電装置１００の構成の一例を示す。
【図４Ｂ】実施例２に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図４Ｃ】実施例２に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。
【図５Ａ】実施例３に係る充電装置１００の構成の一例を示す。
【図５Ｂ】実施例３に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。
【図５Ｃ】実施例３に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１Ａは、給電システム２００の構成の一例を示す。給電システム２００は、送電機器２１０および受電機器２２０を備える。給電システム２００は、送電機器２１０と受電機器２２０との間で無線信号を送受信することにより、バッテリ２２５を充電する無線給電デバイスである。
【０００９】
送電機器２１０は、無線給電するための無線信号を受電機器２２０に送信する。送電機器２１０は、電源２１１と、インピーダンス設定部２１２と、復調器２１３と、マッチングネットワーク２１４と、アンテナ２１５とを備える。送電機器２１０は、電源２１１から供給される電流をマッチングネットワーク２１４に入力し、アンテナ２１５から無線信号として出力する。インピーダンス設定部２１２は、送電側のインピーダンスを設定する。復調器２１３は、受電側で変調された信号を復調する。なお、本明細書において、送電側とは送電機器２１０を指し、受電側とは受電機器２２０を指す。
【００１０】
受電機器２２０は、送電機器２１０からの無線信号を受信して、バッテリ２２５を充電する。受電機器２２０は、充電装置１００と、アンテナ２２１と、マッチングネットワーク２２２と、整流器２２３と、負荷変調部２２４と、バッテリ２２５とを備える。アンテナ２２１から入力された無線信号は、マッチングネットワーク２２２および整流器２２３を介して充電装置１００に入力される。負荷変調部２２４は、抵抗ＲおよびスイッチＳＷを有し、負荷変調により受電機器２２０から送電機器２１０への通信を実現する。充電装置１００は、スイッチングチャージャーとして機能して、バッテリ２２５を充電する。
【００１１】
送電機器２１０および受電機器２２０は、それぞれが有するアンテナおよびマッチングネットワークにより電磁波で結合する。送電機器２１０は、その信号源として、有限のインピーダンスをもって、有限の電力を受電機器２２０に供給する。受電機器２２０で受け取る電力は、受電側のインピーダンスに依存して変化し、送電側、受電側のインピーダンスが等しい場合に、受電側の電力が最大（即ち、最大伝送効率）となる。
【００１２】
バッテリ２２５は、給電システム２００により無線給電される。バッテリ２２５は、受電機器２２０に設けられているが、受電機器２２０の外部に設けられてもよい。例えば、バッテリ２２５は、Ｌｉ−ｉｏｎ電池等の蓄電池である。一例において、バッテリ２２５への充電は、寿命を維持するため、定電流充電で８０％を充電して、定電圧充電で残りの２０％を充電する。充電に必要な単位時間当たりの電力は、バッテリ電圧ＶＢＡＴと充電電流の積である。そして、定電流充電が進むことによってバッテリ２２５の充電電圧が上昇すると、必要な単位時間当たりの電力が上昇する。
【００１３】
ここで、受電機器２２０が受け取れる最適条件を超える電力を充電装置１００が引き込もうとすると、充電装置１００の入力電圧が減少し、受け取る電力も大幅に減少する場合がある。この場合、給電システムの伝送効率が減少する。本例の充電装置１００は、受電機器２２０が受け取る電力を最適に制御することにより、給電システム２００の伝送効率を向上することができる。
【００１４】
図１Ｂは、給電システム２００で伝送される無線信号を説明するための図である。本例の給電システム２００は、負荷変調により、送電機器２１０と受電機器２２０との間の通信を実現する。負荷変調部２２４は、入力された信号データに基づいて、スイッチＳＷをオンオフする。これにより、負荷変調部２２４は、受電機器２２０に入力される電圧を変調して変調電圧Ｖｍｏｄを生成する。送電機器２１０および受電機器２２０は、負荷変調による通信で充電情報を送受信する。このように、送電機器２１０は、受電機器２２０との間で充電情報を送受信することにより、バッテリ２２５の充電進捗状況に応じて、送電側の電力の調整およびオンオフを制御することができる。
【００１５】
図２は、実施例に係る充電装置１００の構成の概要を示す。充電装置１００は、充電部１０と、飽和検出部２０と、ターゲット調整部３０とを備える。
【００１６】
充電部１０は、送電機器２１０から送信された無線信号に対応する入力信号Ｓｉｎが入力される。充電部１０は、入力信号Ｓｉｎに基づいてバッテリ２２５を充電する。充電部１０は、後述するターゲット値Ｖｔでバッテリ２２５を充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する。例えば、充電部１０は、ＭＯＳスイッチとコイルを有するＤＣＤＣコンバータである。
【００１７】
飽和検出部２０は、充電部１０のフィードバックループの状態を検出する。飽和検出部２０は、フィードバックループが正常であるか異常であるかを示す検出信号を生成する。飽和検出部２０は、生成した検出信号をターゲット調整部３０に入力する。
【００１８】
ターゲット調整部３０は、飽和検出部２０の検出結果に基づいて、ターゲット値Ｖｔを調整する。例えば、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタを有する。ターゲット調整部３０は、飽和検出部２０の検出信号に応じて、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加または減少させる。
【００１９】
ターゲット値Ｖｔは、充電部１０が出力のターゲットとする目標値である。充電部１０は、ターゲット値Ｖｔと後述する出力検出部１４の出力値との差分が０となるようにフィードバック制御する。即ち、充電部１０は、出力検出部１４がターゲット値Ｖｔを出力するようにフィードバック制御する。例えば、ターゲット値Ｖｔは、充電電流のターゲット値または充電電圧のターゲット値を含む。
【００２０】
ここで、負荷変調により受電機器２２０から送電機器２１０への通信を実現する方式では、充電装置１００の入力電力を基準電圧に合わせるように充電電流を制御すると、負荷変調が妨げられる場合があり、送電機器２１０と受電機器２２０との間の通信品質を大きく阻害する場合がある。これに対して、本例の充電装置１００は、負荷変調による通信を阻害することなく、伝送効率を向上することができる。
【００２１】
図３Ａは、実施例１に係る充電装置１００の具体的な構成の一例を示す。充電部１０は、切替部１１と、ダイオード部１２と、コイル部１３と、出力検出部１４と、差分検出部１５と、積分部１６と、パルス発生部１７とを備える。充電部１０のフィードバックループは、切替部１１と、コイル部１３と、出力検出部１４と、差分検出部１５と、積分部１６と、パルス発生部１７とで構成される。
【００２２】
切替部１１は、入力端子と出力検出部１４とを接続するか否かを切り替える。これにより、切替部１１は、入力信号Ｓｉｎに応じた電力で、バッテリ２２５を充電するか否かを切り替える。切替部１１は、ＭＯＳスイッチ等で構成されるスイッチＳＷ１を有する。スイッチＳＷ１の一端は、入力端子に接続され、他端は、ダイオード部１２およびコイル部１３に接続されている。入力端子には、入力信号Ｓｉｎが入力される。
【００２３】
ダイオード部１２は、カソードがスイッチＳＷ１の他端に接続され、アノードがＧＮＤに接続されている。充電装置１００は、ダイオード部１２を有することにより入力された電力によってバッテリ２２５を効率的に充電することができる。なお、充電装置１００は、ダイオード部１２の代わりにスイッチを用いてもよい。
【００２４】
コイル部１３は、一端がスイッチＳＷ１に接続されている。コイル部１３は、他端が出力検出部１４を介してバッテリ２２５に接続される。
【００２５】
出力検出部１４は、コイル部１３とバッテリ２２５との間に設けられる。出力検出部１４は、コイル部１３からバッテリ２２５に流れる電流または電圧を検出する。
【００２６】
差分検出部１５は、ターゲット値Ｖｔと出力検出部１４からの信号との差分を示す差分信号を検出する。一例において、差分検出部１５は、出力検出部１４が検出した電流値と、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力である充電電流ターゲットとの差分信号を検出する。また、差分検出部１５は、出力検出部１４が検出した電圧値と、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力である充電電圧ターゲットとの差分信号を検出してもよい。
【００２７】
積分部１６は、差分検出部１５からの差分信号を積分する。積分部１６は、差分検出部１５からの差分信号を積分した積分信号を生成する。
【００２８】
パルス発生部１７は、積分部１６からの積分信号に応じたパルス制御信号を生成する。パルス発生部１７は、切替部１１に接続され、生成したパルス制御信号を切替部１１に入力する。一例において、パルス発生部１７は、生成したパルス制御信号を切替部１１のゲート端子に入力する。
【００２９】
飽和検出部２０は、フィードバックループの異常を検出する。例えば、飽和検出部２０は、積分部１６またはパルス発生部１７の飽和を検出する。飽和検出部２０は、フィードバックループの飽和として積分部１６の飽和を検出する。
【００３０】
ターゲット調整部３０には、最大ターゲットとして上限値ＵＬが入力される。上限値ＵＬは、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの上限値である。一例において、上限値ＵＬは、最大充電電流の設定値または最大充電電圧の設定値である。例えば、ターゲット調整部３０は、飽和検出部２０が飽和を検出するとターゲット値Ｖｔを減少させる。ターゲット調整部３０は、飽和検出部２０が飽和を検出しない場合、上限値ＵＬを上限としてターゲット値Ｖｔを増加させるように動作する。
【００３１】
入力電力が充電電力以上の場合、ターゲット値Ｖｔが上限値ＵＬに等しくなるように制御される。パルス発生部１７は、積分信号に基づくパルス制御信号を生成することにより、切替部１１のオン時間を決定する。コイル部１３を流れる電流は、切替部１１がオンの間、入力電圧とバッテリ電圧ＶＢＡＴとの差に基づいてランプアップし、バッテリ２２５に充電電流を流すとともに、電力を蓄積する。一方、切替部１１がオフすると、コイル部１３に蓄えられた電力により、ダイオード部１２を介して、ＧＮＤからバッテリ２２５に電流が流れる。これにより、充電装置１００は、入力された電力を効率よく充電電流として、バッテリ２２５に供給することができる。
【００３２】
ここで、切替部１１のオン時間が長くなるとコイル部１３に流れる電流が増加し、充電電流が増加する。充電電流が増加すると、積分部１６の出力が低下し、切替部１１のオン時間が短くなるように制御される。例えば、充電部１０のフィードバックループは、積分部１６に入力される差分信号がゼロになるように制御され、出力検出部１４の出力とターゲット値Ｖｔが等しくなるように制御される。このように、充電装置１００は、定電流充電動作を実行する。
【００３３】
一方、入力電力が充電電力を下回ると、コイル部１３に流れる電流は低下し、充電電流が低下する。すると、出力検出部１４を通して、差分信号が増大し、積分部１６の出力が増大し、切替部１１のオン時間が長くなり、入力信号Ｓｉｎからの平均の流入電流が増大する。しかし、流入電流の増加により入力電圧が低下するので、コイル部１３が蓄える電力は減少し、充電電流がさらに低下する。この結果フィードバックループは破綻し、積分部１６の出力は飽和状態となり、切替部１１のオン時間が最長となる。
【００３４】
フィードバックループが飽和すると、異常検出部２０が異常を検出し、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を減少させ、フィードバックループが正常に戻るまで、充電電流を低下させる。フィードバックループが正常に戻ると、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加させる。
【００３５】
これにより、充電装置１００は、充電電力が入力電力と等しくなる充電電流に制御して、最大効率でバッテリ２２５を充電することができる。よって、充電装置１００は、伝送効率の低下を防ぎ、最適な電力伝送を実現することができる。
【００３６】
図３Ｂは、実施例１に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。同図は、入力電力と、入力電圧と、充電電流と、積分信号と、検出信号と、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値とを時系列で示している。各動作点ａ〜ｃについては後述する。
【００３７】
動作点ａでは、充電部１０のフィードバックループが正常動作している。そして、入力電力が低下し、入力電圧および充電電流が低下している。動作点ｂでは、飽和検出部２０が飽和を検出し、飽和を示す検出信号を出力する。本例のターゲット調整部３０は、予め定められた間隔でカウンタ出力値を出力する。飽和検出部２０が飽和を検出している間、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を減少させる。動作点ｃにおいて、入力電圧が上昇し、飽和検出部２０が飽和を検出しなくなり正常であると判断する。飽和検出部２０が飽和を検出していない場合、ターゲット調整部３０は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加させる。これにより、充電装置１００は、充電電流が上昇するように制御する。
【００３８】
なお、本例では、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力の時間インターバルが一定に制御されている。即ち、充電装置１００は、一定の間隔でＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力を変化させている。時間インターバルとは、ターゲット調整部３０のＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力を変化させるタイミングの周期である。
【００３９】
図４Ａは、実施例２に係る充電装置１００の構成の一例を示す。本例の充電装置１００は、インターバル制御部３１を備える点で実施例１に係る充電装置１００と相違する。
【００４０】
インターバル制御部３１は、ターゲット調整部３０がターゲット値Ｖｔを調整する間隔を制御するためのインターバル信号を生成する。インターバル制御部３１は、生成したインターバル信号をターゲット調整部３０に入力する。ターゲット調整部３０は、インターバル信号に応じたタイミングで、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタのカウンタ出力値を増加または減少させる。
【００４１】
インターバル信号は、固定値であっても可変であってもよい。例えば、インターバル制御部３１は、異常検出部２０がフィードバックループの異常を検出した場合に、フィードバックループが正常な場合の時間インターバルよりも短くする。
【００４２】
また、インターバル制御部３１は、飽和検出部２０の検出タイミングを、インターバル信号を用いて制御してもよい。この場合、飽和検出部２０は、インターバル信号に応じたタイミングで、充電部１０のフィードバックループの飽和を検出する。ターゲット調整部３０は、異常検出部２０がフィードバックループの異常または正常を検出すると、検出タイミングに従って、ターゲット値Ｖｔを変化させる。
【００４３】
負荷変調部２２４は、負荷変調を行う抵抗ＲおよびスイッチＳＷを有する。負荷変調部２２４は、充電のステータスを送電側に送信するため、受電側のインピーダンスを変化させる。例えば、充電のステータスとは、バッテリ２２５のバッテリ電圧ＶＢＡＴ、バッテリ２２５への充電電流、充電部１０への入力電圧、バッテリ２２５の温度および充電部１０のフィードバックループの飽和等を含む。なお、負荷変調部２２４は、充電装置１００に設けられてもよい。
【００４４】
図４Ｂは、実施例２に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。本例のタイミングチャートは、給電システム２００の負荷変調が可能か否かを示している。フィードバックループが正常な場合、負荷変調が可能である。一方、フィードバックループが飽和しインピーダンスが低下すると負荷変調が効きにくくなる。また、本例のインターバル制御部３１は、インターバル信号を予め定められた値に変化させている。Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタの出力のタイミングは、インターバル信号に応じて変化している。
【００４５】
例えば、充電装置１００は、時間インターバルを可変にすることにより、フィードバックループが飽和となる時間割合を減少させることができる。具体的には、充電装置１００は、飽和検出部２０が飽和を検出した後の時間インターバルを短くすることにより、フィードバックループが飽和する時間割合を減少させることができる。これにより、充電装置１００は、負荷変調ができない時間割合を減らすとともに、充電電流の平均値を増加させることができる。
【００４６】
図４Ｃは、実施例２に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。縦軸は入力電圧［Ｖ］を示し、横軸は伝送電力［Ｗ］を示す。入力電圧は、充電部１０に入力される電圧である。伝送電力は、充電部１０が伝送する電力を示す。
【００４７】
負荷線Ｌは、フィードバックループが正常な状態と飽和な状態で異なる挙動を示す。フィードバックループが正常な状態では、伝送電力が入力電圧にほぼ無関係に定まる。そのため、正常状態の負荷線Ｌは、横軸に対して垂直に近い直線となる。一方、フィードバックループが飽和な状態では、負荷線Ｌの入力電圧は伝送電力に関係なく、バッテリ電圧ＶＢＡＴとパルス制御信号の最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓに基づいて定まる。例えば、飽和状態の負荷線Ｌは、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘにほぼ定まる。負荷線Ｌは、それぞれ異なる状況における負荷線Ｌ１〜負荷線Ｌ３を含む。
【００４８】
動作点は、負荷線と放物線Ｐとの交点で決定される。放物線Ｐは、送電側から送られる伝送電力を示す。送電側から送られる伝送電力は、送電側の出力インピーダンスと、アンテナ、整流器等のロス成分により放物線を描いている。
【００４９】
負荷線Ｌ１は、送電側から十分な電力が送られる場合の負荷線である。動作点ａは、負荷線Ｌ１と放物線Ｐとの交点であり、フィードバックループが正常な状態を示している。この場合、充電装置１００は、最大充電電流の設定値でバッテリ２２５を定電流充電することができる。動作点ａでは、充電装置１００の入力インピーダンスが高く、負荷変調による充電情報の通信が正常に行われる。
【００５０】
負荷線Ｌ２は、負荷線Ｌ１から充電が進みバッテリ電圧ＶＢＡＴが上昇し、必要な電力が増え、負荷線が伝送電力の高い側に移動していった場合の負荷線である。負荷線Ｌ２では、フィードバックループが正常な状態にある領域と放物線Ｐとの交点はなくなり、動作点は動作点ｂに移動する。動作点ｂでは、入力電圧および伝送電力が動作点ａの場合よりも大幅に減少する。そして、充電装置１００の入力インピーダンスが動作点ａの場合よりも低くなっており、負荷変調が効きにくい状態となる。動作点ｂではフィードバックループが飽和しており、インターバル信号のタイミングで飽和検出部２０が動作し、充電電流ターゲットを減少して、負荷線Ｌ３の位置に移動する。
【００５１】
負荷線Ｌ３は、負荷線Ｌ１およびＬ２よりも伝送電力の低い側に設定されている。負荷線Ｌ３では、動作点ｃに動作点が移動する。動作点ｃでは、フィードバックループが正常な状態となっている。動作点ｃは、入力電力が回復することにより、充電装置１００の入力インピーダンスを高くし、負荷変調による充電情報の通信を正常に行うことができる。
【００５２】
充電装置１００は、時間インターバルのタイミングで、フィードバックループが再び飽和するまで、順次充電電流を増加させる。充電装置１００は、フィードバックループが飽和した以降は、動作点を調整する本動作を繰り返す。このように、充電装置１００は、充電中に入力電力が不足し、フィードバックループが飽和状態となっても、自動的に正常なループになるようにターゲット値Ｖｔを変更する。これにより、充電装置１００は、充電効率を改善するとともに、負荷変調による通信も実現することができる。
【００５３】
図５Ａは、実施例３に係る充電装置１００の構成の一例を示す。本例の充電装置１００は、デューティ設定部４０を備える点で実施例２に係る充電装置１００と相違する。
【００５４】
デューティ設定部４０は、最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓを予め定められた値に設定する。デューティ設定部４０は、最大デューティ設定値をパルス発生部１７に入力して、パルスのデューティを制御する。最大デューティ設定値は、切替部１１のオンオフを制御するパルスのデューティの最大長を制限するための設定値である。本例のデューティ設定部４０は、最大デューティ設定値としてＤｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定する。充電装置１００は、デューティ設定部４０により最大デューティ設定値を設定することにより、フィードバックループが飽和となった場合に、正常に戻るまでの時間を短くすることができる。
【００５５】
ここで、受電側のインピーダンスの変化は送電側のアンテナにおける電圧振幅を変調し、送電側の復調器により復調される。しかし、パルス制御信号が最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓとなった場合には、充電装置１００の入力電圧はバッテリ電圧ＶＢＡＴに依存し、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘに固定された状態となる。そして、充電装置１００の入力インピーダンスが低下する。充電装置１００の入力インピーダンスが低下すると、負荷変調が効きにくくなる。したがって、フィードバックループが飽和の状態では、負荷変調による通信が困難となる。
【００５６】
本例の充電装置１００は、最大デューティ設定値を設定することにより、フィードバックループが正常に動作する時間を延ばすことができる。そして、充電装置１００は、正常なフィードバックループの期間で、負荷変調による充電情報の通信を実現することができる。
【００５７】
図５Ｂは、実施例３に係る充電装置１００のタイミングチャートの一例を示す。本例では、最大デューティ設定値としてＤｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定することにより、フィードバックループが正常となる期間が長くなることを示している。
【００５８】
Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔ有りの場合、Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔ無しの場合よりも入力電圧および充電電流の低下が抑制される。即ち、充電装置１００は、Ｄｕｔｙ  Ｌｉｍｉｔを設定することにより、入力電圧および充電電流の振幅を抑制して、平均充電電流を増加させることができる。
【００５９】
なお、本例の充電装置１００は、実施例２に係る充電装置１００と同様に、飽和検出部２０が飽和を検出した後の時間インターバルを短くすることにより、フィードバックループが飽和する時間割合を減少させている。これにより、充電装置１００は、負荷変調ができない時間割合を減らすとともに、充電電流の平均値をさらに増加させることができる。
【００６０】
図５Ｃは、実施例３に係る充電装置１００の入力ノードの動作点を示す。縦軸は入力電圧［Ｖ］を示し、横軸は伝送電力［Ｗ］を示す。基本的な動作は、実施例２に係る充電装置１００の動作と同一である。
【００６１】
充電装置１００は、最大デューティ設定値を適切に設定することにより、入力電圧および充電電流の低下を抑制し、フィードバックの飽和期間を短くすることができる。また、充電装置１００は、入力電圧および充電電流の振幅を抑制し、充電電流の平均値を増加させ、より効率的な充電を実現している。
【００６２】
ここで、フィードバックループが飽和状態にあるときの入力電圧は、およそＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘとなる。デューティ設定部４０は、切替部１１の最大デューティＴｍａｘ／Ｔｓを適切に設定することにより、実施例２の場合よりも、動作点ｂでの入力電圧の低下を抑制することができる。
【００６３】
また、デューティ設定部４０は、ＶＢＡＴ×Ｔｓ／Ｔｍａｘが最適電力伝送条件に相当する入力電圧近くになるように最大デューティ設定値を設定する。これにより、本例の充電装置１００は、実施例２よりも、入力電圧と伝送電力の変化を小さくして、より伝送効率最大点近くでの充電動作を実現することができる。
【００６４】
以上の通り、充電装置１００は、最大伝送効率を維持し、かつ負荷変調を阻害せず無線給電を行うことができる。したがって、充電装置１００は、伝送効率の低下を抑制し、最適な電力伝送を行うことができる。
【００６５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６７】
１０・・・充電部、１１・・・切替部、１２・・・ダイオード部、１３・・・コイル部、１４・・・出力検出部、１５・・・差分検出部、１６・・・積分部、１７・・・パルス発生部、２０・・・飽和検出部、３０・・・ターゲット調整部、３１・・・インターバル制御部、４０・・・デューティ設定部、１００・・・充電装置、２００・・・給電システム、２１０・・・送電機器、２１１・・・電源、２１２・・・インピーダンス設定部、２１３・・・復調器、２１４・・・マッチングネットワーク、２１５・・・アンテナ、２２０・・・受電機器、２２１・・・アンテナ、２２２・・・マッチングネットワーク、２２３・・・整流器、２２４・・・負荷変調部、２２５・・・バッテリ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号が入力され、前記入力信号に基づいてバッテリを充電する充電部であって、予め定められたターゲット値で前記バッテリを充電するようにフィードバック制御するフィードバックループを有する充電部と、
前記フィードバックループの飽和を検出する飽和検出部と、
前記飽和検出部の検出結果に基づいて、前記ターゲット値を調整するターゲット調整部と
を備える充電装置。
【請求項２】
前記ターゲット調整部は、前記ターゲット値として、前記バッテリの充電電流ターゲットまたは充電電圧ターゲットを調整する
請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
インターバル信号を前記ターゲット調整部に入力することにより、前記ターゲット調整部が前記ターゲット値を調整する間隔を制御するインターバル制御部を更に備える
請求項１または２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記インターバル制御部は、前記飽和検出部が前記フィードバックループの異常を検出した場合に、前記フィードバックループが正常な場合の時間インターバルよりも短くする
請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記充電部は、
前記バッテリに流れる電流または電圧を検出する出力検出部と、
前記ターゲット値と前記出力検出部からの信号との差分である差分信号を検出する差分検出部と、
前記差分信号を積分した積分信号を生成する積分部と、
を更に備え、
前記飽和検出部は、
前記積分信号が飽和した場合に前記飽和したことを示す検出信号を出力する
請求項１に記載の充電装置。
【請求項６】
前記ターゲット調整部は、
前記検出信号に基づいて、前記ターゲット値を減少させる
請求項５に記載の充電装置。
【請求項７】
インターバル信号を前記ターゲット調整部に入力することにより、前記ターゲット調整部が前記ターゲット値を調整する間隔を制御するインターバル制御部を更に備える
請求項５に記載の充電装置。
【請求項８】
前記インターバル制御部は、前記飽和検出部が前記フィードバックループの飽和を検出した場合に、前記フィードバックループが正常な場合の時間インターバルよりも短くする
請求項７に記載の充電装置。
【請求項９】
前記入力信号に基づいて前記バッテリを充電するか否かを切り替える切替部と、
前記積分信号に応じたパルス制御信号を前記切替部に入力するパルス発生部と、
を更に備え、
前記飽和検出部は、
前記パルス発生部の出力信号が最大デューティとなる場合に前記飽和したことを示す検出信号を出力する
請求項６から８のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項１０】
前記切替部のオンオフを制御するパルスのデューティの最大長を制限する最大デューティ設定値を前記パルス発生部に入力して、前記パルスのデューティを制御するデューティ制御部を更に備える
請求項９に記載の充電装置。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2020036522.tif 000014
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ａ】
2020036522.tif 000015
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ａ】
2020036522.tif 000016
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ａ】
2020036522.tif 000017