(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの誘導無線電力受信機に少なくとも２ワットの電力を有する誘導無線電力信号を送信するための誘導無線電力送信機であって、
前記誘導無線電力信号を送信するための一次コイル、
前記一次コイルに電力を供給するための電力変換器、
前記電力送信機によって送信された誘導無線電力の量を決定するための電力測定ユニット、
前記誘導無線電力信号を変調および復調するための電力変復調ユニット、
通信調整制御ユニット、
を有し、
前記通信調整制御ユニットは、反復する通信フレーム中に存在するタイムスロットでの前記少なくとも２つの誘導無線電力受信機との通信を調整するように前記電力変復調ユニットを制御するように構成され、
前記通信調整制御ユニットはさらに、
同期された電力測定のための電力測定タイムスロットを割り当てて、当該電力測定タイムスロットを前記無線電力受信機に通知し、
前記電力測定タイムスロットの間に前記電力送信機によって送信された誘導電力の量を決定するように前記電力測定ユニットを作動させ、
前記電力測定タイムスロットの後に、前記無線電力受信機の各々から、前記電力測定タイムスロットの間にその電力受信機によって受信された誘導電力の量を示すメッセージを受信し
送信された電力の決定された量および各々の前記電力受信機により受信された電力の量の合計から、電力損失の量を計算する、
ように構成され、
前記誘導無線電力送信機はさらに、電力損失の計算された量が閾値を超える場合に、前記誘導無線電力信号の電力を低減するように構成される、誘導無線電力送信機。
【請求項２】
前記電力測定タイムスロットの期間が30〜60ミリ秒の範囲である、請求項１に記載の誘導無線電力送信機。
【請求項３】
少なくとも１つの更なる誘導無線電力受信機を有する無線電力伝送システムにおいて誘導無線電力送信機から少なくとも２ワットの電力を有する誘導無線電力信号を受信するための誘導無線電力受信機であって、
前記誘導無線電力信号を受信するための二次コイル、
前記誘導無線電力信号を変調および復調するための電力変復調ユニット、
当該電力受信機によって受信された誘導無線電力の量を決定するための電力測定ユニット、
通信および制御ユニット、
を有し、
前記通信および制御ユニットは、
反復する通信フレーム中に存在して前記誘導無線電力送信機により調整された通信タイムスロットにおいて、前記誘導無線電力送信機と通信するために前記電力変復調ユニットを制御するように構成され、前記通信および制御ユニットはさらに、
同期された電力測定のための割り当てられた電力測定タイムスロットの通知を、前記誘導無線電力送信機から受信し、
前記電力測定タイムスロットの間に当該電力受信機によって受信された誘導電力の量を決定するように前記電力測定ユニットを作動させ、
前記電力測定タイムスロットの後に、前記電力測定タイムスロットの間に前記電力送信機により送信された測定された誘導無線電力の量と前記電力測定タイムスロットの間に前記電力受信機の各々により受信された測定された誘導無線電力の量の合計に基づいた、無線電力伝送システムにおける電力損失の計算された量に基づく異物の検出における前記無線電力送信機による使用のための受信された誘導電力の量を示すメッセージを前記無線電力送信機に送信する、
ように構成される、誘導無線電力受信機。
【請求項４】
前記電力測定タイムスロットの期間が30〜60ミリ秒の範囲である、請求項３に記載の誘導無線電力受信機。
【請求項５】
少なくとも2ワットの電力を有する誘導無線電力信号を送信する誘導無線電力送信機と、前記誘導無線電力信号を受信するための少なくとも２つの誘導無線電力受信機とを有する誘導無線電力伝送システムにおいて電力損失を決定することにより異物を検出する方法であって、前記電力送信機と前記電力受信機は、前記誘導無線電力信号の変調および復調により通信するように構成され、前記通信は、タイムスロットに割り当てられ、前記電力送信機により調整され、当該方法は、
前記電力送信機が、同期された電力測定タイムスロットを割り当てて、前記同期された電力測定タイムスロットを通知するメッセージを前記電力受信機に送信し、
前記電力送信機が、前記電力測定タイムスロットの間に、前記電力送信機により送信された誘導無線電力を測定し、
前記電力受信機の各々が、前記電力測定タイムスロットの間に、その電力受信機により受信された誘導無線電力を測定し、
前記電力受信機の各々が、前記電力測定タイムスロットの後に、その電力受信機により受信された測定された電力を示すメッセージを前記電力送信機に送信し、
前記電力送信機が、前記電力送信機により送信された測定された誘導無線電力の量と前記電力受信機の各々により受信された測定された誘導無線電力の量の合計とから前記電力損失を計算し、
前記電力送信機が、計算された電力損失が閾値を超えた場合に、前記誘導無線電力信号の電力を低減する、方法。
【請求項６】
前記電力測定タイムスロットの期間が30〜60ミリ秒の範囲である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
誘導無線電力信号を受信するための少なくとも２つの誘導無線電力受信機に少なくとも２ワットの電力を有する誘導無線電力信号を送信するための誘導無線電力送信機において電力損失を決定することにより異物を検出する方法であって、前記電力送信機は、前記誘導無線電力信号の変調および復調により前記電力受信機と通信するように構成され、前記通信は、タイムスロットに割り当てられ、前記電力送信機により調整され、当該方法は、
前記電力送信機が、同期された電力測定タイムスロットを割り当てて、前記同期された電力測定タイムスロットを通知するメッセージを前記電力受信機に送信し、
前記電力送信機が、前記電力測定タイムスロットの間に、前記電力送信機により送信された誘導無線電力を測定し、
前記電力送信機が、前記電力測定タイムスロットの後に、前記電力受信機の各々から、その電力受信機により前記電力測定タイムスロットの間に受信された測定された電力を示すメッセージを受信し、
前記電力送信機が、前記電力送信機により送信された測定された誘導無線電力の量と前記電力受信機の各々により受信された測定された誘導無線電力の量の合計とから前記電力損失を計算し、
前記電力送信機が、計算された電力損失が閾値を超えた場合に、前記誘導無線電力信号の電力を低減する、方法。
【請求項８】
前記電力測定タイムスロットの期間が30〜60ミリ秒の範囲である、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導無線電力送信機、誘導無線電力受信機及び誘導無線電力伝送システムにおける電力損失の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導無線電力伝送はますます普及しつつある。この技術では、電力送信機は一次コイルを用いて磁場を発生させる。電力受信機は、近接して一次コイルに誘導結合された二次コイルを使用して、この磁場からエネルギーを取り出す。したがって、電気的接触を生じることなく電力が伝達される。そのような技術の1つはWireless Power Consortiumで標準化されており、Qiという名前で知られている。
【０００３】
この技術の応用例では、携帯電話が電力受信機として機能し、内蔵された二次コイルを備える。携帯電話のバッテリの充電のために、それは一次コイルが内蔵されている無線充電パッドの表面に置かれる。2つのコイルは、充電パッド上に電話機を適切に配置することによって結合され、電力は誘導によって無線で充電器から電話機に伝送される。したがって、電話機は、電話機にコネクタおよびワイヤを取り付ける必要なく、専用充電器の表面に単に置くだけで充電されることができる。携帯電話または他の携帯機器の充電は、低電力アプリケーションであり、典型的には約1〜5ワットの電力が送信機から受信機に伝送される。誘導無線電力伝送の高電力アプリケーションは、食品を調理するために、または電気自動車を無線で充電するために使用されるだろう。
【０００４】
誘導無線電力伝送のQi規格は、無線電力送信機と無線電力受信機との間の通信のための通信インタフェースを規定している。このような通信は、電力伝送を電力受信機の特性に適切に適合させるために必要とされる。この通信は、単一の電力受信機と共に動作する単一の電力送信機に対してのみ規定されている。電力受信機側の負荷変調によって達成される電力受信機-電力送信機間通信のみがサポートされる。負荷変調は伝送される電力の変調につながり、これは電力送信機側で一次コイルの電圧または電流の変調として検出されることができる。単一の電力送信機がその電力需要を伝えて、電力送信機は要求を受け入れる。これは、例えばWO2014020464に記載されている。
【０００５】
金属物体が電力送信機の近傍に存在するとき、一次コイルの磁場は、物体の加熱を引き起こす渦電流を物体に誘導する場合がある。物体の温度が高すぎると、接触の際に皮膚に火傷を引き起こす可能性がある。これを回避する1つの方法は、WO2012127335およびUS2013/0307348A1に記載されているように、電力損失を決定することによってそのような異物を検出することである。電力受信機と電力送信機の両方がその電力を測定し、電力受信機はその測定された受電電力を電力送信機に伝達する。電力送信機が、電力送信機によって送られた電力と電力受信機によって受け取られた電力との間の有意差を検出すると、望ましくない異物が存在する可能性があり、安全上の理由により電力伝送を低減または中止すべきである。
【０００６】
上記の解決策は、送電器と一つの受電器のみで動作する。電力送信機内の単一の一次コイル（あるいは直列または並列で動作する複数の一次コイル）が複数の電力受信機内の複数の二次コイルに結合されている状況で異物を検出する解決策が必要である。これは、例えば、US2010/0181961A1に記載されているように、いくつかの携帯装置を同時に収容することができ、並行して複数の装置に電力を転送する、より大きな充電パッドの場合に生じる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、複数の誘導無線電力受信機に電力を伝送する単一の誘導無線電力送信機による異物の検出を可能にする誘導無線電力供給技術を提供することである。本発明者らは、複数の電力受信機が負荷変調を用いて単一の電力送信機とそれぞれ通信することはできるが、2つの電力受信機の二次コイル間の誘導結合があまりにも弱いので電力受信機は別の電力受信機からの通信を検出することができないことを認識した。さらに、本発明者らは、誘導無線電力送信機と複数の誘導無線電力受信機との間の通信が電力信号の変調によって行われるため、そのような通信が異物検出プロセスで実行される電力測定を妨げる可能性があることを認識した。したがって、単一の電力送信機と複数の電力受信機との間の通信ならびに電力測定が、電力送信機によって調整され、信頼できる電力測定が電力送信機および電力受信機によって実行されるように構成された新しいアプローチが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これは、本発明の第1の態様によれば、少なくとも2ワットの電力を有する誘導無線電力信号を少なくとも2つの誘導無線電力受信機に送信するための誘導無線電力送信機により達成され、当該誘導無線電力送信機は、
誘導無線電力信号を送信するための一次コイルと、
一次コイルに電力を供給する電力変換器と、
前記電力送信機によって送信される誘導無線電力の量を決定する電力測定ユニットと、
誘導無線電力信号を変調及び復調するための電力変復調ユニットと、
通信調整制御ユニットと、
を有し、
前記通信調整制御ユニットは、前記電力変復調ユニットを制御して、反復する通信フレーム内に存在するタイムスロットにおける前記少なくとも2つの誘導無線電力受信機との通信を調整するように構成され、前記通信調整制御ユニットは、
- 同期電力測定のための電力測定タイムスロットを割り当てて、前記電力測定タイムスロットを無線電力受信機にアナウンスし、
- 電力測定ユニットを作動させて、電力測定タイムスロットの間に電力送信機によって送信される誘導電力の量を決定し、
- 電力測定タイムスロットの後に、無線電力受信機の各々から電力測定タイムスロット中にその電力受信機によって受信された誘導電力の量を示すメッセージを受信し、
- 決定された送電量と受電量から、損失電力量を計算する、ように構成され、
誘導無線電力送信機は、算出された損失電力量が閾値を超える場合に、誘導無線電力信号の電力を低減するようにさらに構成される。
【０００９】
この電力送信機は、単一の無線電力送信機に結合された複数の電力受信機を有するシステムにおいて異物の存在を確立するための電力損失方法を使用することができるという利点を有する。通信と電力測定は完全に調整され同期されているため、電力送信器と受電器の両方で正確に電力測定を行うことができる。電力損失閾値を超えた場合の電力低減は、異物の存在が検出されたときに異物の過度の加熱が防止されるという利点を有する。
【００１０】
さらなる実施形態では、電力測定タイムスロットの持続時間は、30ミリ秒から60ミリ秒の範囲内である。これは、旧型の無線電力送信機との互換性の利点を提供する。
【００１１】
本発明の第2の態様によれば、前記目的は、少なくとも1つのさらなる誘導無線電力受信機を含む無線電力伝送システムにおいて誘導無線電力送信機から少なくとも2ワットの電力を有する誘導無線電力信号を受信するための誘導無線電力受信機によって達成され、当該誘導無線電力受信機は、
誘導無線電力信号を受信するための二次コイルと、
誘導無線電力信号を変調及び復調するための電力変復調ユニットと、
前記電力受信機により受信された誘導無線電力の量を決定する電力測定ユニットと、
通信および制御ユニットと、
を有し、
通信および制御ユニットは、誘導無線電力送信機によって調整され、反復する通信フレーム中に存在する通信タイムスロットにおいて、誘導無線電力送信機と通信するために電力変復調ユニットを制御するように構成され、通信および制御ユニットは、さらに、
- 誘導無線電力送信機から、同期電力測定のために割り当てられた電力測定タイムスロットのアナウンスを受信し、
- 電力測定ユニットを作動させて、電力測定タイムスロットの間に電力送信機によって受信された誘導電力の量を決定し、
- 電力測定タイムスロットの後に、無線電力伝送システムにおける電力損失の計算された量に基づく異物の検出において無線電力送信機によって使用される受信された誘導電力の量を示すメッセージを無線電力送信機に送信するように構成される。
【００１２】
これは、単一の無線電力送信機に結合された複数の電力受信機を有するシステムにおいて異物の存在を確立するための電力損失方法を使用するために、電力受信機が無線電力送信機と協働するという利点を有する。通信と電力測定は完全に調整され同期されているため、電力送信機と電力受信機の両方で正確に電力測定を行うことができる。
【００１３】
本発明の第3の態様によれば、この目的は、少なくとも2ワットの電力で誘導無線電力信号を送信するための誘導無線電力送信機と誘導無線電力信号を受信するための少なくとも2つの誘導無線電力受信機とを有する誘導無線電力伝送システムにおいて電力損失を決定することによって異物を検出する方法によって達成され、前記電力送信機および前記電力受信機は、前記誘導無線電力信号の変調および復調によって通信するように構成され、前記通信は、タイムスロットに割り当てられ、前記電力送信機によって調整され、前記方法は、
- 前記電力送信機が、同期電力測定タイムスロットを割り当て、前記同期電力測定タイムスロットをアナウンスするメッセージを前記電力受信機に送信し、
- 電力送信機が、電力測定タイムスロットの間に、電力送信機によって送信された誘導無線電力を測定し、
- 電力受信機の各々が、電力測定タイムスロット中にその電力受信機によって受信された誘導無線電力を測定し、
- 電力受信機の各々が、電力測定タイムスロットの後に、その電力受信機によって受信された測定された電力を示すメッセージを電力送信機に送信し、
- 電力送信機が、電力送信機によって送信された測定された誘導無線電力と、電力受信機の各々によって受信された測定された誘導無線電力とから電力損失を計算し、
- 電力送信機が、計算された電力損失が閾値を超える場合、誘導無線電力信号の電力を低減する。
【００１４】
これは、電力送信機と電力受信機が電力送信機の制御下で協働して電力損失方法を使用し、異物の検出を可能にするという利点を有する。通信と電力測定は完全に調整され、同期されているため、電力送信機と電力受信機の両方で正確に電力測定を行うことができる。電力損失閾値を超えた場合の電力低減は、異物の存在が検出されたときに異物の過度の加熱が防止されるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明による方法および装置のこれらのおよび他の態様は、以下に説明される実装態様および実施形態を参照して、そしてより一般的な概念を例示する非限定的な単なる具体例として役立つ添付の図面を参照して明らかになり説明される。
【図１】2つの充電可能なモバイル機器を伴う充電パッドを示す図。
【図２】無線電力送信機と2つの受信機を示す図。
【図３】無線電力送信機を示す図。
【図４】無線電力受信機を示す図。
【図５】タイムスロットを含む通信フレームを示す図。
【図６】測定スロットを含む通信フレームを示す図。
【図７】測定スロットおよび同期タイムスロットを含む通信フレームを示す図。
【図８】電力損失を決定する方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明は、例えば、一例として、携帯電話のバッテリを無線で充電するのに適用される本発明の実施形態に主に焦点を当てている。しかしながら、本発明はそのアプリケーションにのみ限定されるものではなく、小電力機器のための1〜5ワットから調理機器やキッチン機器のための1000ワットまでの電力伝送要求における範囲の、スマートウォッチ、タブレット、ラップトップ、シェーバ、電動歯ブラシ、調理器具または台所用品などの多くの他の装置に適用することができることが理解される必要がある。
【００１７】
この文書全体を通して、誘導無線電力送信機および誘導無線電力受信機は、（無線）電力送信機および（無線）電力受信機、または単に送信機および受信機とも呼ばれる。
【００１８】
図1は、無線電力アプリケーションの一例を示す。無線充電パッド10の表面に2つのモバイル機器12,12aが配置されている。この充電パッドは一例に過ぎず、多くの形態があり、別個の装置であってもよいし、例えば車のダッシュボードの一部であってもよいし、作業台上面に組み込まれていてもよいし、家具に一体化されていてもよい。この例の充電パッドは、単一の一次コイル11を備えており、誘導無線電力送信機として機能する。モバイル機器は、それぞれ、二次コイル13および13aをそれぞれ備え、誘導無線電力受信機として機能する。充電パッドは、一次コイルに交流電流を送り、一次コイルは交番磁界を発生させる。この磁界は、次に、2つの二次コイルに交流電圧と電流を誘起し、それらは整流されて、モバイル機器のバッテリを充電するために使用される。このように、電力は誘導無線電力信号として充電器からモバイル機器に無線で伝送される。この原理は従来の変圧器に似ているが、結合がはるかに弱く、2つのコイルは別々の装置に存在する。
【００１９】
典型的には、伝送される電力量は、アプリケーションおよび受信機の要求に応じて、小型のモバイル機器の場合、約1〜5ワットである。例えば、1000ワット以上を必要とする場合があるキッチン用途では、電力がはるかに高くなる可能性がある。これらの用途における無線電力受信機の二次コイルは、典型的には、スマートウォッチからキッチン器具にわたる機器のために、ポータブル機器に適合するサイズ範囲、例えば直径1〜15cmである。一次コイルは、ほぼ同じサイズであってもよいし、図1に示すように複数の受信機に対応するために大きくてもよい。単一の大きな一次コイルの代わりに、直列または並列の複数のより小さい一次コイルが使用されることもでき、これらは、単一のコイルとほぼ同じように動作させることができる。
【００２０】
図1の例では、2つのモバイル機器が同時に充電されている。例えば、一方の機器がすでに完全に充電されていて、もう一方の機器が充電されていないために、または、機器の一方が他の機器ほど高い電力レベルを扱うことができないために、一方の機器が他方の機器と異なる電力要件を有することがありうる。両方の機器は、充電パッドにそれらの電力需要を伝えることができる必要がある。これは、受信機側での負荷変調を介した伝達される電力の変調によって達成されることができる。受信機が例えば直列または並列の抵抗のような付加的な負荷を切り替えることによって二次コイルを流れる電流を変化させる場合、一次コイルと二次コイルとの間の相互誘導に起因して、一次コイルを流れる電流も同様に変調される。このようにして、受信機は、誘導無線電力信号を変調することができる。これらの変調は、電力送信機で容易に検出することができ、このようにしてビットまたはバイトコード化メッセージを電力受信機から電力送信機に伝達することができる。しかしながら、2つのモバイル機器の2つの二次コイル13,13aの相互誘導は、位置合わせが悪いために非常に低く、したがって、2つのモバイル機器は同じ方法で互いに通信することができず、実際には、別の受信機が通信していることを検出することさえできない。したがって、2つの機器が充電パッドと同時に通信しようとすると、通信の受信にエラーが生じ、両方のメッセージが失われることがある。データの一部がタイムクリティカルである可能性があるため、単に後でやり直すだけでは解決できない。例えば、すぐに電力を切らなければならないというメッセージは、潜在的に損害をもたらす可能性があるので、過度に遅延されるべきではない。
【００２１】
図1には、充電パッドの表面に置かれた異物15が示されている。これは、コインや鍵などの金属性の物体である可能性がある。充電パッドによって生成された交番磁界は、異物金属体に渦電流を誘導し、それにより物体が加熱される。これは、この異物が持ち上げられたときに火傷につながる可能性があり、または、充電パッドが損傷する可能性がある。このような異物を検出する必要があり、検出の際には、損傷を防止するために磁場を低減または遮断する必要がある。これに代えて、またはそれに加えて、可聴アラームおよび/または可視アラームがユーザの注意を引き付け、物体の除去を助言することができる。
【００２２】
図2は、2つの誘導無線電力受信機23および23a（PRx）に結合された単一の誘導無線電力送信機22（PTx）を概略的に示す。電力送信機は、一次コイル25を備え、例えば幹線電源である電源21から電力を得る。2つの電力受信機はそれぞれ、二次コイル26, 26aを備え、それらが受信した電力を負荷24, 24aに送る。この負荷は、例えば、充電されるべきバッテリであってもよいが、他の多くの選択肢も可能であり、例えば、電動機に電力を供給してもよいし、加熱目的のために抵抗素子に電力を供給してもよい。
【００２３】
図３は誘導無線電力送信機の詳細を概略的に示す。送信機は、結合された誘導無線電力受信機に誘導無線電力信号を伝送するための一次コイル25と、電源21からの電力の入力とを有する。さらに、電力変換器31、電力変復調ユニット32、通信調整制御ユニット33および電力測定ユニット36を備える。
【００２４】
電力変換器31は、電源21から受け取られる入力電力を、一次コイルを駆動するのに適した電力信号に変換する。例えば、ACまたはDC入力電力を誘導無線電力伝送に適した周波数のAC電力に変換することができる。Qiアプリケーションでは、通常、約100kHzの周波数が使用される。
【００２５】
電力変復調ユニット32は、誘導無線電力信号を変調および復調することにより、結合された受信機との通信を可能にする。受信機が上記のようにその二次コイルを通る電流を変調することによって通信メッセージを送信すると、送信機の一次コイルを通る電流もコイルの誘導結合により変調される。このようにして、誘導無線電力信号は受信機によって変調される。これは、変復調ユニット32において一次コイルを通る電流または一次コイルの両端の電圧をモニタリングすることによって検出されることができる。電圧または電流の変動は復調され、ビットおよびバイトに変換され、通信調整制御ユニット33によって解釈される。
【００２６】
変復調ユニット32は、ビットまたはバイトのパターンの形態の通信メッセージを受信機に送信するために、一次コイルを通る電流を変調し、それによって、伝送される誘導無線電力信号を変調し、相互誘導に起因して二次コイルにも流れる電流における変調をもたらす。変調は振幅変調であってもよく、これは、例えば一次コイルに直列または並列の抵抗を切り替えることによって達成されることができる。あるいは、一次コイルを通るAC電流の周波数または位相が変調される周波数または位相変調が適用されてもよく、これも受信機において検出され得る。タイムスロット、バイト及びビット、ならびに、ビットを表す変調の持続時間の決定のような通信のタイミング態様のために、変復調ユニットは、例えば時間ベース発生器又は基準クロックを含むことができる。代替的に、これは、例えば、通信調整制御ユニット33に含まれてもよい。
【００２７】
電力測定ユニット36は、誘導無線電力送信機によって生成された電力を測定する。これは、一次コイル25の両端の電圧およびそれを通って流れる電流の両方を測定することによって達成されることができる。あるいは、2つのうちの一方を測定し、測定された電流または電圧と、電力送信機によって伝送される実際の電力との間の既知の関係を適用して、電力を決定することができる。この既知の関係は、例えば、製品の設計および試験段階において確立され得る。
【００２８】
電圧および/または電流測定能力は、復調目的で必要とされる場合には変復調ユニット32と共有されることができ、または、各々のユニットが電流および/または電圧測定のためのそれ自身の別個の設備を有することができる。
【００２９】
通信調整制御ユニット33は、電力変換器を制御し、変復調ユニット32と連携して通信を調整する。それは変復調ユニットを制御してメッセージの送受信を行い、電力送信機の動作を制御する。例えば、受信機が存在するかどうかをチェックするために、短い誘導電力パルス、「ping」を送ることができる。受信機が存在する場合、受信機はその電力需要を示すメッセージで応答することができる。通信および制御ユニットは、このメッセージを受信すると、電力送信を連続的にスイッチオンすることができ、必要な電力レベルを維持するように電力変換器31を制御する。例えばバッテリが完全に充電されているなどの理由で受信機がもはや電力を必要としない場合、これは、受信機から送信機へメッセージを送信することによって再び伝達され、通信調整制御ユニット33は、このメッセージを受信すると、少なくとも他の機器が電力供給を必要としない場合は、電力変換器31を制御することによって電力送信をオフにする。
【００３０】
通信調整制御ユニット33は、測定ユニット36をさらに制御し、必要に応じて電力測定を実行するために測定ユニットを起動し、測定が完了した後に電力測定の結果を測定ユニットから受信する。
【００３１】
通信調整制御ユニット33は、専用電子回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、あるいは、図3に示すように、本発明による通信および制御のために必要な方法およびプロトコルを実行するように構成またはプログラムされている汎用マイクロプロセッサ34とメモリ35を含む、多くの態様により実現されることができる。
【００３２】
図4は誘導無線電力受信機の詳細を概略的に示す。受信機は、二次コイル26と、負荷24への電力の出力とを有する。さらに、それは電力変換器41、電力変復調ユニット42、通信および制御ユニット43、電力測定ユニット46を有する。
【００３３】
電力変換器41は、二次コイルによって受信されたAC誘導電力信号を、負荷を駆動するのに適した出力電力に変換する。例えば、受信電力信号を負荷に適したACまたはDC電力に変換することができる。
【００３４】
電力変復調ユニット42は、結合された電力送信機との通信を可能にする。それは、上記のように負荷変調によって誘導無線電力信号を変調することができる。送信機が上記のように誘導無線電力信号の振幅を変調することによって通信メッセージを送信すると、受信機内の二次コイル26を流れる電流も同様に振幅変調される。これは、変復調ユニット42において二次コイルを流れる電流または二次コイルの両端の電圧をモニタリングすることによって検出されることができる。電圧または電流の変動は、ビットおよびバイトに変換され、通信および制御ユニット43によって解釈される。電力送信機が通信のために電力信号の周波数変調を使用する場合、受信機の二次コイルを通る電流も周波数変調される。これは、例えば、二次コイル内の電流のまたは二次コイルの両端の電圧のゼロ遷移の検出、および一つまたは複数のサイクルの持続時間の測定によって、周波数をモニタリングすることによって検出されることができる。変復調ユニットは、ビットのおよびビットを表す変調の持続時間の決定のような、通信におけるタイミングのために、例えば時間ベース発生器または基準クロックを有することができる。代替的に、これは、例えば、通信および制御ユニット43に含まれてもよい。
【００３５】
電力測定ユニット46は、誘導無線電力受信器によって受信された電力を測定する。これは、二次コイル26の両端の電圧およびそれを通って流れる電流の両方を測定することによって達成され得る。あるいは、2つのうちの一方を測定し、測定された電流または電圧と実際の電力との間の既知の関係を適用して電力を決定してもよい。この既知の関係は、例えば、製品の設計および試験段階において確立され得る。
【００３６】
電圧および/または電流測定能力は、復調目的で必要とされる場合には変復調ユニット42と共有されることができ、または、各々のユニットが電流および/または電圧測定のためのそれ自身の別個の設備を有することができる。
【００３７】
通信および制御ユニット43は、電力変換器を制御し、変復調ユニットと連携して通信を行う。それは、変復調ユニットを制御してメッセージの送受信を行い、電力受信機の動作を制御する。例えば、それは、受信機が存在するかどうかをチェックするために電力送信機により送られた短い誘導電力パルス「ping」を検出することができる。それは、その電力需要を示すメッセージで応答することができる。その後、電力送信機が電力送信を連続的にスイッチオンすると、通信および制御ユニット43は電力変換器41を使用し、無線で受信された電力を負荷24に適切に供給する。バッテリが完全に充電されているなど、負荷がもはや電力を必要としなくなると、電力受信機の通信および制御ユニットは送信器にメッセージを送信して電力がもはや必要ではないことを示し、電力変換器を解放することができる。
【００３８】
通信および制御ユニット43は、測定ユニット46をさらに制御し、必要に応じて電力測定を実行するために測定ユニットを起動し、測定の完了後に、電力測定の結果を測定ユニットから受信する。
【００３９】
通信調整制御ユニット43は、専用電子回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、あるいは、図4に示すように、本発明による通信および制御のために必要な方法およびプロトコルを実行するように構成またはプログラムされている汎用マイクロプロセッサ44とメモリ45を含む、多くの態様により実現されることができる。
【００４０】
充電パッドに置かれた2つの無線電力受信機の二次コイル間の非常に弱い誘導結合のため、2つの電力受信機間の直接通信は実現不可能である。1つの電力受信機において他の電力受信機が通信していることを検出することでさえ、実際には不可能である。したがって、無線電力送信機と1つまたは複数の無線電力受信機との間の通信は、電力受信機の各々と通信する電力送信機によって組織されて調整されなければならない。これは、図5に示されるような反復する通信フレームで通信することによって実行されることができる。通信フレーム51は、Hとラベル付けされたフレームヘッダ52と、S1-SNとラベル付けされた複数のタイムスロット53とを含む。フレームヘッダHの間、無線電力送信機は、ヘッダスロットに存在するいくつかのビットの形でメッセージを送信する。したがって、電力送信機はすべてのフレームを開始し、したがってフレームおよびフレーム内のスロットのタイミングを調整する。タイムスロットの数Nは、存在する無線電力受信機の数に等しいか、または例えば無線電力送信機によってサポートされ得る無線電力受信機の最大数に等しいように選択されることができる。タイムスロットの数は、固定され、事前に合意されてもよく、あるいは可変であってもよく、例えば通信を調整する電力送信機によってフレームヘッダ内で通知されてもよい。特定の受信機への特定のタイムスロットの割り当ては、通信を調整する送信機によって実行されることができる。これは、例えば、電力受信機が充電パッド上に置かれ、最初に無線電力送信装置と通信するハンドシェイク手順において行われることができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、通信フレームの構造は、異なっていてもよく、またはより複雑であってもよい。例えば、電力受信機が通信することができる各通信タイムスロットS1-SNは、電力送信機が通信することができる同期タイムスロットによって先行されてもよい。これは、例えば、電力送信機が先行するまたは後続のタイムスロットに関してより適時に通信することを可能にする。このようにして、電力送信機は、通信のタイミングをより厳密に制御し調整する。
【００４２】
本発明者は、電力損失方式による異物検出を可能とするためには、電力受信機から送信される電力と、存在する電力受信機の各々が受信する電力を確実に測定することが必要であることを見出した。電力送信機が各電力受信機に個別に送信する電力の量を決定することは不可能であり、電力損失の決定は、送信された電力の総量と、存在する電力受信機の各々によって受信された電力量の合計に基づくものでなければならない。
【００４３】
残念ながら、電力送信機と電力受信機との間の通信は、通信が受信機と送信機の両方による、伝送される電力の変調に基づくので、電力測定と干渉する。さらに、経時的な電力の変動が電力損失の誤った決定、ひいては異物の誤った検出につながることを避けるために、機器による電力測定を同期させる必要がある。例えば、バッテリが充電されるときに電力受信機の1つの負荷が変化するために、電力が時間とともに変化する可能性がある。
【００４４】
図6は、変更された通信フレームを示す。フレームヘッダHと通信タイムスロットS1〜SNに加えて、Mでラベル付けされた追加の電力測定タイムスロット54が、電力送信機の通信調整制御ユニットによって割り当てられる。この電力測定タイムスロットの間、すべてのユニットが電力測定を実行し、通信は行われない。同一フレーム中または次の幾つかのフレームのうちの１つ中の後続の通信タイムスロットの間、各電力受信機はその電力測定結果を電力送信機に伝達する。測定された値は、例えば、機器内の金属部品に起因する、または電子回路における消費に起因する、機器内の既知の損失を補正するための補正係数を含むことができる。すべての機器が電力測定タイムスロットの期間にわたって平均化または積分された電力を測定することが合意されることができる。電力測定タイムスロットのこの期間は予め決定されることができる。
【００４５】
次いで、電力送信機は、送信された電力と受信された電力の合計との間の差から電力損失を計算する。計算は非常に正確ではないかもしれないが、少なくとも十分に正確な損失電力の近似値である。電力損失が所定の閾値を超える場合、異物が明らかに存在し、エネルギーを吸収し過ぎるため、結果として電力伝送は中断または低減される必要があり、またはユーザに警告するために何らかの形の警報が起動される。閾値は、安全限界の実験による決定に基づいて選択されることができる。例えば、1mWの非常に小さな損失は危険な状況につながることはなく、実際には例えば100mW〜2Wの範囲の閾値が使用されることができる。高出力アプリケーション、例えば調理器具では、閾値は幾分高く選択されてもよい。
【００４６】
電力測定タイムスロットMは、全ての通信フレームにおいて電力送信機によって割り当てられ、その後、各フレームの開始時にヘッダ中で暗黙的にアナウンスされる。通信フレーム内のその位置および期間は固定されていてもよく、例えば、図6に示すように、常にフレームヘッダの後に続き、合意された期間を持つ。その場合、ヘッダは、電力測定タイムスロットの開始の暗黙的なアナウンスとして機能する。
【００４７】
あるいは、電力測定タイムスロットは、いくつかの通信フレームにおいてのみ割り当てられてもよく、その場合、フレーム内の電力測定タイムスロットの有無は、例えば所定のフラグまたはそれに応じたビット値を設定することによって、フレームヘッダ中で無線電力送信機によってアナウンスされることができる。実際には、異物検出のための電力測定を、例えば1〜5秒の間隔で定期的に繰り返すことで十分であり得る。フレーム内の電力測定タイムスロットの位置および長さは可変であってもよく、この場合、電力測定タイムスロットの開始および終了をアナウンスするためにフレームヘッダ中で電力送信機によって情報が通信される。
【００４８】
図7は、送信機がメッセージすなわち固定ビットパターンを送信する同期タイムスロット55によって通信タイムスロットS1-SNの各々が先行される通信フレームを示す。これは、例えば、電力送信機が先行するまたは後続のタイムスロットに関してより適時に通信することを可能にする。このようにして、電力送信機は、通信のタイミングをより厳密に制御し調整する。これにより、電力送信機と電力受信機との間の良好な同期が可能になる。
【００４９】
互換性の理由から、電力測定タイムスロットM、通信タイムスロットS1-SNおよび同期タイムスロットの期間は、30〜60ミリ秒の範囲で選択されることができる。これは、65ミリ秒の「デジタル・ピング・ウィンドウ」期間が指定されている既存のQi無線電力仕様と通信アプローチとに互換性を持たせるという利点を有する。30ミリ秒から60ミリ秒、例えば50ミリ秒の電力測定タイムスロット期間が良好に機能する。この期間は、良好な測定を行うのに十分な長さでなければならず、65ミリ秒の限界より十分に短い。65ミリ秒以内に十分に留まることにより、同期された電力測定タイムスロットを有する上記通信プロトコルを実行する電力送信機は、既存の仕様としか互換性のない電力受信機を検出し、それらとともに正しく動作することができることを保証する。また、電力受信機は、65ミリ秒のタイムアウト時間内に電力送信機の通信を常に検出し、特定の通信のどのバージョンが電力送信機によって使用されているかを確認することができる。
【００５０】
図8は、誘導無線電力送信機22および少なくとも2つの誘導無線電力受信機23を含む誘導無線電力伝送システムにおける異物の検出のための電力損失を決定する典型的な方法を示す。送信機と受信機との間の通信は、上述したように、フレームおよびタイムスロットで構成され、電力送信機によって調整される。
【００５１】
第1のステップ81において、電力送信機は電力測定タイムスロットを割り当てて、メッセージを送信することによって電力受信機にタイムスロットを通知する。
【００５２】
次のステップ82では、電力送信機と電力受信機の両方が、割り当てられた電力測定タイムスロット中に電力測定を実行する。電力送信機はそれが送信した無線誘導電力を測定し、電力受信機はそれらが受信した誘導無線電力をそれぞれ測定する。これらの測定値は、例えば、送信機および受信機自体の金属部分によって、電気回路における消費または他の不完全性によって引き起こされる、既知の逸脱に対して補正されることができる。
【００５３】
次のステップ83において、各電力受信機は、その電力測定の結果を電力送信機に送信する。これは逐次的に起こり、すなわち、各受信機は、その測定結果をそれ自体の通信タイムスロットで通信する。
【００５４】
次のステップ84において、電力送信機は、電力送信機によって送信された電力と電力受信機の各々によって受信された電力の合計との間の差に基づいて電力損失を計算する。
【００５５】
さらなるステップ85において、送信機は、計算された電力損失を閾値と比較する。閾値を超えると、電力は低減されるか、または完全に中断されてもよく、あるいは異物の存在が疑われることをユーザに知らせるために警報がトリガされることができる。
【００５６】
本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示および説明されてきたが、そのような図示および説明は、例示的または実例であって制限的ではないとみなされるべきであり、本発明は開示された実施形態に限定されない。
【００５７】
特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。事実、当業者が相互に互換性があると認識するであろう、本明細書全体を通して言及された異なるタイムスロットオプション、異なる変調方法、異なる電力レベル、またはタイミング態様のような、多くの特徴が組み合わせられることができる。
【００５８】
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。
【００５９】
特許請求の範囲において、"comprising"という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞"a"または"an"は複数を排除しない。単一のプロセッサまたは他のユニットが、請求項に列挙された幾つかの項目の機能を果たすことができる。特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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