(57)【要約】      （修正有）【課題】無線で受電した電力で電池を充電可能で、回路の簡略化、コストダウン、省実装面積などを実現する受電装置を提供する。【解決手段】受電装置２０２は、受電アンテナを用いて非接触で給電装置２０１から電力を受電する受電手段と、給電装置と通信を行う通信手段と、給電装置からの送電電力を制御することにより、電池の充電を制御する充電制御手段とを有する。【選択図】図２
2018078731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電アンテナを用いて非接触で給電装置から電力を受電する受電手段と、
前記給電装置と通信を行う通信手段と、
前記給電装置からの送電電力を制御することにより、電池の充電を制御する充電制御手段と
を有することを特徴とする受電装置。
【請求項２】
電池の充電の制御に関する情報は、電池の充電電流、電池の温度、電池の種類または電池の充放電履歴に関する情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
【請求項３】
無線による受電において、その電池充電のための給電開始時に、無線給電システムのインピーダンスマッチングを行ったのちに充電の制御を行う請求項１に記載の受電装置。
【請求項４】
無線による受電において、電池の充電状態が変化したとき、無線給電システムのインピーダンスマッチングを行ってから充電の制御を再開する請求項１に記載の受電装置。
【請求項５】
ＮＦＣ（近接無線通信規格）にて送電受電間の充電制御通信を行い、そのデータ交換規格であるＮＤＥＦに準拠して情報を取得する請求項１に記載の受電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線で受電した電力で電池を充電可能な受電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コネクタで接続することなく非接触により電力を出力する給電装置と、その供給される電力を受電し、動作する電子機器（以下、受電装置）により構成される無線給電システムが知られている。ここで、受電装置は携帯機器であって、繰り返し充放電可能な、電池を電源として搭載することが一般的であり、無線給電により電力を受電して、その充電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５１７４４号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１５９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１においては、電気自動車への路面からの無線給電を想定しており、電池の充電のための制御情報を、車両側より、路面給電側へ送信し、路面側充電制御部を設けて、その情報を基に、給電を制御しているが、車両側においては、更に、その受電した電力を基に電池の充電を制御する、車両側充電制御部を設けている。
【０００５】
特許文献２においては、電力を給電する送電部と、電力を受電する受電部各々が専用アンテナを持ち、一方で相互間の制御通信を行うための別の専用回路と専用アンテナを送信側、受信側共に持つが、電力の授受とその制御に関しては、受電側において、受電した電力は一旦ＤＣＤＣコンバータに入力して電圧安定化を行い、それを電池の充電に用いている。
【０００６】
以上のように、一般的な無線給電システムでは、無線による電力の伝送と、その受電電力を用いた受電側に搭載される電池の充電に関しては、ＤＣＤＣコンバータなどのいわゆる電源レギュレーターを使用して一度電源を安定化し、それを充電制御回路を介して電池を充電する構成になっている。
【０００７】
そのため、受電側においては、充電制御回路を独立して持たなければならず、またそれに供給する電源としてＤＣＤＣコンバータなどの定電圧回路を必要とし、更に、フィードバックループが無線給電と、充電制御の２つになるため、システムが複雑で不安定になり、制御ソフトウェアも複雑化してしまい、また定電圧回路と充電制御回路による電力ロスと実装面積増大、コストアップという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る受電装置は、受電アンテナを用いて非接触で給電装置から電力を受電する受電手段と、前記給電装置と通信を行う通信手段と、前記給電装置からの送電電力を制御することにより、電池の充電を制御する充電制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、受電側において、定電圧電源（ＤＣＤＣコンバータまたはＬＤＯ）と、定電流あるいは定電圧を切り換える充電制御回路が不要になり、回路の簡略化、コストダウン、省実装面積が実現される。また、本発明によれば、送電側において、給電制御マイコンが不要になることからコストダウン、省実装面積が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】無線給電システムの概要図
【図２】実施形態１の構成ブロック図
【図３】充電状態検出回路の構成ブロック図
【図４】リチウムイオン電池の充電特性図の一例
【図５】実施形態１のマイコン動作フローの説明図
【図６】ニッケル水素電池の充電特性図の一例
【図７】実施形態２のマイコン動作フローの説明図
【図８】ＮＤＥＦフォーマットの概要の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
［実施形態１］
図１は、実施形態１における無線給電システムの概要図であって、給電装置２０１は電源プラグ１０１により商用電源（電灯線）に接続し、送電アンテナ２０５から、給電用と通信用の電磁波２０６を放出する。一方、受電装置２０２は、可搬可能な電子装置であって、この例では、撮像装置（カメラ）を想定していて、その下面には、通信と電力の受電を行うための受電アンテナ２１０が配置されている。
【００１３】
この受電装置は、使用者の手などにより、給電装置２０１の上に破線のように、置かれると、上述の電磁波２０６を媒体として、この給電装置２０１と受電装置２０２間でデータ交換（通信）が行われ、この受電装置２０２が給電装置２０１により送電の相手として適当であると認証が行われる。その後に給電用電磁波が送出され、それを受電アンテナ２１０で受電し、受電装置２０２の内部において、それによって生成された電力により、内蔵電池の充電が行われる。
【００１４】
図２は、実施形態の一例の構成ブロック図であって左側は前述の給電装置２０１、右側は受電装置２０２であって、その間は非接触で、電磁波２０５（電力波）および２０９（通信波）の空間伝送路となっている。給電装置２０１の内部では、高周波発生回路２１０より、給電用の高周波キャリアが生成される。この電力レベルは、電力レベル制御信号２０７により、受電制御マイコン２１４により、受電側通信手段２１３および給電側通信手段２０８を通し、制御される。
【００１５】
この受電側通信手段２１３および給電側通信手段２０８の間は、非接触でデータのやりとりを行うが、この手段としては、無線ＬＡＮ（ＷｉＦｉ）あるいはＢｌｕｅＴｏｏｔｈといった、近年の電子機器に一般的に備わる通信手段を利用しても良いし、この目的のために別途特別に設定した通信手段を用いてもいい。近年普及しつつある、ＮＦＣ（近接無線通信）も使用可能であり、これについては後で再述する。高周波発生回路２０３の出力はマッチング調整回路２０４に入り、そこから接続された給電アンテナ２０５により電磁波２０５となって空中に放射される。
【００１６】
ここで、マッチング調整回路２０４は、高周波発生回路２０３の出力インピーダンスと、給電アンテナ２０５の放射インピーダンスを整合し、効率良く放射を行うためのもので、放射インピーダンスは、給電アンテナを取り巻く状況、即ち、周辺の金属物の有無、遠近、受電装置２０２の有無、遠近、又はその負荷、充電の有無などにより変動するのでそれを吸収、最適化する。
【００１７】
マッチング制御信号２２１は、受電装置２０２にある充電制御マイコン２１４からの制御指示を、受電側通信手段２１３および送電側通信手段２０８を介してマッチング調整回路２０４に伝え、インピーダンスマッチング調整を行う。以上が送電装置の構成であるが、この中にはマイクロコントローラ（マイコン）は存在しないが、マッチング調整回路２０４には、適宜マイコンを内蔵し、充電制御マイコン２１４よりの指示により、マッチングの自動調整を行っても良い。
【００１８】
受電装置２０２においては給電電磁波２０５を受電アンテナ２１０で受電し、その高周波信号は整流平滑回路に入力されて、直流電力２１６に変換される。その直流電力２１６は、充電状態検出回路２１５を通って電池２２０に入り、この電池を充電する。
【００１９】
図２は、この充電状態検出回路２１５の構成を詳述したもので、入力された直流電力２１６は電流センサー３０１を通って電池２１２に、充電電力２１８として、入力され、その電流値情報３０２は、通信インターフェース３０７を通して受電状態情報信号２１７となり図２における受電制御マイコン２１４に送られる。
【００２０】
同様に、その電圧値すなわち電池２１２の端子電圧は、電池端子電圧センサー３０３により、検出されて電圧値情報３０４として、同様に通信インターフェース３０７に入力され、受電制御マイコン２１４に送られる。一方、電池温度に関する情報も、電池に内蔵された、温度センサーからの電気信号２１９を、電池温度情報３０６として、通信インターフェース３０７に入力する。
【００２１】
図２に戻ると、この図３の構成の充電状態検出回路により、電池２２０の端子電圧情報３０４、充電電流情報３０２、電池温度情報３０５が通信インターフェース３０７を介して受電制御マイコン２１４に入力され、このマイコンにより、電池２２０の、無線給電された電力による充電の制御が行われる。受電制御マイコン２１４の出力信号は、前述のとおり、受電側通信手段２１３から、無線通信信号２０９を介して給電側通信手段２０９に伝送され、電力レベル制御信号２０７として給電電力レベルを制御する。
【００２２】
以上の構成において、実施形態１の特徴として着目すべきは、各ブロック内での動作の補助的なマイコンは適宜、配置可能であるが、この充電制御システムは、非接触による送電受電回路を含んでいて、その充電制御のループは一つであり充電制御マイコン２１４がこのフィードバックループを制御しているので、構成と動作が単純且つシンプルである。
【００２３】
実施形態１としてはリチウムイオン電池の充電を行う場合である。図４は、リチウムイオン電池の充電に必要な、充電特性図の一例であって、横軸左から右へ時間経過４０２、縦軸下から上へ充電電圧、電流４０１を示しており、充電電流３０２（または電池電流）は破線、充電電圧３０４（または電池端子電圧）は実線でその変移を表している。
【００２４】
リチウムイオン電池の充電には、いくつかの方法が存在するが、ここでは、最も一般的である、定電流による充電と、ある一定の電圧になったら定電圧に切換えて、電流が減少してある一定値になったら充電を終了するアルゴリズムを採用している。縦軸において、既定電流値Ａ（４０８）は、定電流での充電電流であり、既定電流値Ｂ（４０９）は無線給電のマッチング調整を再度行う電流値、既定電流値Ｃ（４１０）は充電終了時の電流値である。
【００２５】
横軸にそって、時間経過と共にその動作を説明すると、充電開始４０３において、給電と充電を開始するが、このときに無線給電のマッチング調整が、既定電流値Ａでの負荷に対して行われ、最適となっている状態が前提であり、これが行われていない場合は、実施する。時間経過により、定電流により、充電が進むが、この間は、充電電流３０２は定電流に制御される一方、充電電圧３０４の変化の度合いは小さく、この間の負荷はほぼ一定値と見なすことが可能である。
【００２６】
ところで、無線給電におけるインピーダンスマッチングに関しては、前述の、周辺の金属物の配置、有無、および受電装置の距離、配置状態により最適なマッチング条件は変化するが、それに加えて、受電装置側の受電電力消費（負荷）の大小すなわち負荷の重軽によっても大きく変化してしまう。
【００２７】
しかしながら、この定電流による充電においては、殆ど一定負荷とみなすことができ、従って再度マッチング調整を行う必要はない。時間経過に従い、電池の蓄積エネルギーは増大し、充電電圧は上昇し、既定電圧値１に達する。ここが時間軸上のポイント１にあたり、概略満充電まで８０％程度の状態に設定する。この時点において、充電モードを、定電圧充電方式に切り換える。これは充電電圧が一定になるように充電電力を制御するもので、この状態では更なる充電の進行により、今度は充電電流３０２が減少してくる。
【００２８】
この様な状態では上述のインピーダンスマッチングが崩れてくるので、その最適化調整が必要であるが、一方で充電電力は減少してくるので、それほど、厳密、且つ頻繁に行う必要はなく、この実施形態に置いては、充電電流３０２が定電流充電を行ったときの約２／３になる既定電流値Ｂ（４０９）になった時点、すなわちポイント２（４０５）の時点で再度実施するようになっている。
【００２９】
更に、充電電流３０２が減少し、既定電流値Ｃになったときに充電終了４０６とする。なお、電池は化学反応を利用した装置であるので、上記、どこの時点で充電終了とするかは、それを搭載した製品の電池寿命に対する考え方に依存する。すなわち、電池の動作持続時間を優先するのであれば、この充電終了ポイント（４０６）をできるだけ時間経過した後に持ってくるが、その場合、充電容量は増えるが、電池の繰り返し充放電寿命は劣化する傾向になる。
【００３０】
また、逆に、このポイントまでの充電時間を短くする、あるいは、既定電流値Ａを少なく抑えれば該繰り返し充放電寿命を延ばすことができる。また、必須機能として、図３の電池温度センサー３０５による電池の温度検知と、電池温度が所定温度を越えた場合の対応としてのシャットダウン機能も必要である。
【００３１】
図５は、実施形態１のマイコン動作フローの説明図であって、図２における充電制御マイコン２１４の動作を示している。
【００３２】
電源ＯＮ（Ｓ５００１）で立ち上がり、受電装置が通信および受電状態にあると、受電装置の検知と認証を完了（Ｓ５００２）し、給電を開始（Ｓ５００３）するが、このとき、マッチング調整回路２０４によってＳＷＲ値（給電電力の進行波と反射波の比率）のチェック（Ｓ５００４）を行い、それが規定値以下、すなわち、マッチングが取れていれば定電流充電（Ｓ５００６）に進む。既定値以上であれば、マッチング調整１（Ｓ５００６）を行うが、このときの負荷は定電流充電（Ｓ５００６）の電流値で実施する。
【００３３】
もし、どうしてもＳＷＲが既定値まで下がらない場合は、エラーとして充電終了（Ｓ５０１１）とする。定電流充電を継続し、電池電圧が既定電圧値１に到達（Ｓ５００７）すると、定電圧充電（Ｓ５００８）に切換えて充電を継続する。そして電池電流が減少してくるが、既定電流値Ｂに達したときは再度マッチング調整２（Ｓ５５１０）を行い、定電圧充電を継続し、既定電流値Ａになったとき充電を終了（Ｓ５０１１）する。
【００３４】
［実施形態２］
次に、実施形態２を説明する。図６はニッケル水素電池を充電するために必要な充電特性図であって、前述のリチウムイオン電池と異なった充電制御が要求される。この例は、−ΔＶ方式と呼称される一般的なもので、既定電流値Ｄにより、定電流による充電を行っていくと、時間経過４０２により次第に充電電圧３０１が上昇していき、ポイント３（６０４）においてピーク電圧値（６０１）に達した後、今度は下落に転ずる。
【００３５】
ここで、このピーク電圧からの下落がある既定値、既定電圧値２（６０２）に達したとき、充電終了４０６となる。なお、充電終了４０６の状態から、何らかの例外的な理由により、更に充電を継続すると、端子電圧は低下するので、この場合にも、図３の電池温度センサー３０５による、保護機能の動作が必要である。
【００３６】
図７は、実施形態２におけるマイコン動作フローの説明図であって、実施形態１と同様に、図２における充電制御マイコン２１４の動作を示している。電源ＯＮ（Ｓ５００１）で立ち上がり、受電装置が通信および受電状態にあると、受電装置の検知と認証を完了（Ｓ５００２）し、給電を開始（Ｓ５００３）するが、このとき、マッチング調整回路２０４によってＳＷＲ値（給電電力の進行波と反射波の比率）のチェック（Ｓ５００４）を行い、それが規定値以下、すなわち、マッチングが取れていれば定電流充電（Ｓ５００６）に進む。
【００３７】
既定値以上であれば、マッチング調整１（Ｓ５００６）を行うが、このときの負荷は定電流充電（Ｓ５００６）の電流値で実施する。もし、どうしてもＳＷＲが既定値まで下がらない場合は、エラーとして充電終了（Ｓ５０１１）とする。定電流充電を既定期間継続（Ｓ７００１）し、電池電圧を前充電期間のそれと比較（Ｓ７００２）し、それが増加していれば、再度既定期間定電流充電（Ｓ７００１）を行う。これは、電池電圧変化の微分値がマイナスになる現象の発見のための繰り返し動作であって、あるいは、それが既定電圧値２（６０２）まで低下していれば、充電終了（Ｓ５０１１）とする。
【００３８】
［実施形態３］
実施形態３は、図示していないが、実施形態１と実施形態２は、各リチウムイオン電池とニッケル水素電池の充電を行う場合の実施形態を示しているが、使用するハードウェアは同一で異なるのはその制御ソフトウェアのみである。
【００３９】
従って、充電対象の電池に、更に識別のための端子、あるいはマイコンを内蔵し通信機能があれば、識別のフラグの有無を設けるなど、簡単な方法で電池の構造、種類が判別可能になれば、これらの切換は簡単、且つ自動切換も容易であるので、コスト、回路規模も増大させず、複数種類の電池充電への対応が可能となる。
【００４０】
更に、同一種類の電池においては、無線給電の送電可能電力による上限はあるが、複数台数の、同時充電も、やはりコスト、回路規模も増大させず、可能であることが、実施形態３のメリットの一つとしてあげられる。また、上述の説明は、受電装置側に充電制御マイコンを搭載する前提で行ったが、本システムの構成では、充電制御マイコンは送電装置側に配置しても良く、この場合は、受電装置側は更にローコスト、省実装面積の実現が可能であり、特にワイヤレスヘッドホン、歩数計、スマホ機能内蔵腕時計、カメラ内蔵メガネなど、近い将来に普及するであろう超小型の携帯機器への搭載に好適である。
【００４１】
一方、近年はＮＦＣ（近接無線通信）とよばれる近距離の通信機能が普及してきており、例えば送電装置と受電装置を近づけることにより、ＮＦＣによる通信が可能であるので、上述の実施形態の通信機能としても使用することが可能である。
【００４２】
ＮＦＣはＮＦＣフォーラムという民間の規格標準化団体により、ＮＤＥＦ（ＮＦＣデータ交換フォーマット）と呼ばれるデータフォーマットが、公開されており、図８にこのデータ構造定義の概要を示すが、このＮＤＥＦメッセージ（９０１）の中に、上述の給電装置と受電装置との間の通信データを定義して入れることにより、ＮＦＣを充電制御通信機能として使用することが可能になる。
【符号の説明】
【００４３】
２０１  給電装置
２０２  受電装置
【図１】
2018078731.tif 000003
【図２】
2018078731.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018078731.tif 000006
【図５】
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【図６】
2018078731.tif 000008
【図７】
2018078731.tif 000009
【図８】
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