JP2020510393A - ブーストコンバータ及び送信コイル構造を含む無線充電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、送信側にブーストコンバータ及び送信コイル構造を含む無線充電システムに関する。無線充電システムは、入力端子に入力される第１の直流電圧を第２の直流電圧にブーストするように構成されたブーストコンバータ１５０と、ブーストコンバータからブーストされた第２の直流電圧を受け取り、受け取った第２の直流電圧を交流電力に変換するように構成されたＤＣ／ＡＣインバータ１６０と、ＤＣ／ＡＣインバータに電気的に接続されて、交流電力からの無線供給のための時間的に可変な磁界を生成する送信コイル構造１７０と、を備える。ブーストコンバータ１５０の第１の直流電圧及び第２の直流電圧は、所定の固定値に維持されてもよい。送信コイル構造１７０は、磁気シート上にワイヤを複数回らせん状に巻くことによって形成され、巻きコイルは、所定の内径及び外径、ピッチ、及び巻き数を有する円形状である。更に、送信コイル構造は複数のコイル構造を含んでもよく、複数のコイル構造は、異なる断面積を有するワイヤを直列に接続することによって積層構造を有してもよい。

Description

本発明は、ブーストコンバータ及び送信コイル構造を含む無線充電システムに関し、より具体的には、無線通信装置の充電効率を改善し、送信側にブーストコンバータ及び電力送信コイル構造を使用して有効充電範囲を広げることができる無線充電システムに関する。

一般に、携帯端末は、ユーザに様々な機能を提供し、写真、動画、及び音楽ファイルなどのマルチメディアファイルを処理するための高性能処理システム及び表示装置を必要とする。処理システム及び表示装置は、機能を迅速に実行するために多くの電力を消費する。しかしながら、ポータブルバッテリの容量は制限されるため、携帯端末を頻繁に充電するのが不便である。

携帯端末用充電器は、充電ケーブルを接続する有線充電方法と電磁誘導などの現象を利用する無線充電方法とに分類される。有線充電方法は、携帯端末の携帯性及び自由な使用を阻むため、無線式充電器の使用が徐々に増加している。

しかしながら、市販の無線充電器の充電可能範囲は、非常に限定されている。例えば、携帯端末が無線充電器に正確に装着されておらず、充電器の中心から水平方向にずれている、又は所定距離で無線充電器から離れている場合には、充電が行われないという問題が生じる。更に、携帯端末の使用者は、典型的には、ひっかき傷や落下衝撃などから高価なスマートフォンを保護するための保護ケースを使用する。緩衝機能を適切に発揮するためには、そのような保護ケースの厚さを適切に確保する必要がある。一部の保護ケースはまた、保護ケースの厚さのため、従来の無線充電器の最大充電可能範囲から逸脱する場合がある。

その大部分の携帯端末及びその無線充電器は、装置間の互換性のために、ワイヤレス・パワー・コンソーシアム（ＷＰＣ）のＱｉ規格やパワー・マターズ・アライアンス（ＰＭＡ）規格などを採用している。これらの規格によれば、多くの標準的な送信コイルが基準コイルとして提案されており、特に、リッツ線で構成された単層円形らせんコイルが、ＷＰＣ無線充電器で広く使用されている。しかしながら、このようなコイルは、電気負荷が５Ｖ／１Ａであるとき、携帯端末から約８ｍｍの最大充電距離を有しているが、携帯端末が無線充電器の中心から約５ｍｍだけ水平方向に外れた場合でも、充電効率が急速に悪化する、又は充電機能に問題が生じる。したがって、充電器の送信コイルと、携帯端末の受信コイルとが誤って位置合わせされる、又は充電器と携帯端末との間の距離が１ｃｍを超えると、無線充電が適切に実行されない。その結果、従来の無線充電器のユーザは、携帯端末を無線充電器に装着するときにかなり注意を払う必要がある。

技術的目的
上記課題を解決するために、本発明は、スマートフォンなどの携帯端末の充電範囲及び充電効率を向上させた無線充電システムを提供することを目的とする。

技術的解決策
無線充電が実行される水平範囲と、最大に離され得る垂直距離とを増加させるために、上記目的を達成する本発明による無線充電システムは、高周波交流電力を送信コイルに供給するためにＤＣ／ＡＣインバータの前に直流電圧をブースト及び印加するブーストコンバータを採用するとともに、関連技術のものとは異なる構成及び寸法の送信コイル構成を組み合わせることを特徴とする。

本発明の例示的な実施形態によると、入力端子に入力される第１の直流電圧を第２の直流電圧にブーストするように構成されたブーストコンバータと、ブーストコンバータからブーストされた第２の直流電圧を受け取り、受け取った第２の直流電圧を交流電力に変換するように構成されたＤＣ／ＡＣインバータと、ＤＣ／ＡＣインバータに電気的に接続されて、交流電力からの無線供給のための時間的に可変な磁界を生成する送信コイル構造と、を備える。更に、ブーストコンバータの第２の直流電圧は、所定の固定値に維持され、送信コイル構造は、磁気シート上にワイヤをらせん状に複数回巻くことにより、内径ｒ_ｉｎと外径ｒ_ｏｕｔを有する円形状に形成される。

また、ブーストコンバータは、ＤＣ／ＡＣインバータにブースト電圧を供給するために、無線充電システムの外部に配設された電源装置とＤＣ／ＡＣインバータとの間に配設されてもよい。例えば、ブーストコンバータの第１の直流電圧は、３．５Ｖ〜５．１Ｖ、好ましくは４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲の値であってもよく、第２の直流電圧の所定の固定値は、６Ｖ〜７Ｖの範囲の固定値であってもよい。具体的には、無線充電システムは、非接触方式で無線通信デバイスに電力を供給してもよい。

別の例示的実施形態によると、送信コイル構造は、異なる断面積を有するワイヤを直列に接続することによって形成された複数のコイル構造を含んでもよい。更に、複数のコイル構造は、第１のコイル構造と、第１のコイル構造上に積層された第２のコイル構造とを含んでもよく、上層の第２のコイル構造のワイヤの断面半径は、下層の第１のコイル構造のワイヤの断面半径と異なってもよい。
有利な効果

本発明の無線充電システムによると、ＷＰＣ規格に準拠する従来の無線充電器と比較して、充電可能な垂直距離及び水平範囲を広げることが可能である。水平範囲の拡大により、携帯端末がユーザによって無線充電システムの中心の規定位置に正確に装着されていない場合であっても、無線充電を行うことができる。また、無線充電器と携帯端末との間の充電可能垂直距離が増加するため、スマートフォンを衝撃から保護するために厚いケースを使用する場合でも、無線充電が可能となり、ユーザに利便性をもたらす。

本発明による無線充電システム及び電源装置の概略図である。 無線充電のための従来の送信コイルの平面図である。 無線送信コイルの概略寸法を示す図である。 本発明による所定の寸法を有する送信コイルの実際の平面図である。 異なる断面積を有する２種類のワイヤで形成された複数の送信コイル構造の断面を示す図である。 図５の例示的な実施形態による積層構造を有する送信コイル構造の斜視図及び断面図である。 図５の例示的な実施形態による積層構造を有する送信コイル構造の斜視図及び断面図である。 本発明による無線充電システムの性能改善効果を示す。 本発明による無線充電システムの性能改善効果を示す。 本発明による無線充電システムの性能改善効果を示す。 関連技術の無線充電システムの性能試験結果と、本発明による無線充電システムとの比較を示す図である。 関連技術の無線充電システムの性能試験結果と、本発明による無線充電システムとの比較を示す図である。 無線充電システムの充電性能を測定するための試験環境を示す概略図である。

最良の形態

本発明について、本発明の例示的実施形態が示されている添付図面を参照して、以下により詳しく説明する。本発明の特徴及びその利点は、以下の詳細な説明においてより明らかになるであろう。しかしながら、本発明は、本明細書に記載される例示的実施形態に限定されるものではなく、多くの異なる形態で具現化されてもよい。図面に示される構成要素のサイズ及び厚さは、説明の便宜上任意に示されており、本発明は、図示された実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明による無線充電システム及び無線充電システムに電力を供給する電源装置の概略図である。まず、交流電力供給部１１０から供給される交流電力を直流電力に変換するためのＡＣ／ＤＣアダプタ１２０が、無線充電システム１４０の外部に示され、所定の直流電力が、ケーブル１３０を通じてＡＣ／ＤＣアダプタ１２０から無線充電システム１４０に供給される。ＡＣ／ＤＣアダプタ１２０は、典型的には、例えば、１１０Ｖ又は２２０Ｖの交流電力を５Ｖの直流電圧に変換するように機能し、従来の無線充電システムでは、５Ｖの直流電力は、無線充電システムのＤＣ／ＡＣインバータにそのまま供給される。

本発明者らは、無線充電システム１４０のＤＣ／ＡＣインバータ１６０の前にブーストコンバータ１５０を使用することで、直流電力が高電圧（例えば、６Ｖ〜７Ｖの範囲の固定値）に供給されるとき、無線充電可能な水平範囲及び垂直距離を著しく増加させることができることを見出した。この理由は、高い入力電圧が使用されるとき、Ｑｉ通信データが概ね良好に検出され得るからである。通信が首尾よくいくことは、有効充電範囲及び距離を決定する重要な要因となる。しかしながら、入力電圧を高くすると、充電効率が悪くなることがあり、よって入力電圧が高くなっても、充電範囲及び充電距離は必ずしも改善されない。

参考として、Ｑｉ無線充電システムにおいては、送信部と受信部との間の通信のために、負荷変調方式が使用される。このような方法は、以下のように達成され得る。
（１）受信部における負荷インピーダンスは、コンデンサ又は抵抗器をオン／オフすることによって変調される。
（２）入力電流は、負荷インピーダンスの変更によって変更される。
（３）送信部は、入力電流の振幅差を検出する。
（４）振幅差は、アナログ・デジタルコンバータによって通信データに変換される。

本態様を考慮することによって、本発明においては、ブーストコンバータ１５０が、電源装置と無線充電システムのＤＣ／ＡＣインバータ１６０との間に追加されて、３．５Ｖ〜５．１Ｖ、好ましくは４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲内の電源装置から供給される入力電圧（例えば、入力電圧は、外部バッテリを使用する場合、５Ｖ未満であってもよい）を６Ｖ〜７Ｖの範囲内、例えば６Ｖの固定値までブースト及び印加する。これと同時に、送信コイルの配置及び寸法は、以下に記載されるように従来の送信コイルのものとは異なる。すなわち、本発明の主要な技術的特徴は、充電可能範囲が、（ｉ）電源装置と無線充電システムのＤＣ／ＡＣインバータとの間に配設されて、３．５Ｖ〜５．１Ｖ、好ましくは４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲内の入力電圧を６Ｖ〜７Ｖの範囲の所定の固定値までブーストするブーストコンバータと、（ｉｉ）従来のＱｉ基準コイルとは異なるように設定された配置及び寸法を有する送信コイルと、を組み合わせることによって拡大されることである。

更に、ブーストコンバータは、接続ケーブル１３０の長さによる電圧降下にかかわらず、安定電圧を無線充電器に供給してもよい。具体的には、上記のように、６Ｖ〜７Ｖの範囲の固定値にブーストされた電圧が、ＤＣ／ＡＣインバータ１６０に供給される。ＤＣ／ＡＣインバータ１６０は、そこから高周波交流電力を生成して、生成された高周波交流電力を、ＤＣ／ＡＣインバータと電気的に接続された送信コイル構造１７０に供給し、送信コイル構造１７０は、高周波交流電力から時間的に可変な磁界を生成する。携帯端末の受信コイル構造（図示せず）が、送信コイル構造１７０に対面する適切な位置に装着されている場合、電磁誘導現象による無線充電が実行される。

図２は、関連技術における無線充電用のＱｉ Ａ１１送信コイルの平面図であり、図３は、無線送信コイルの概略寸法を示す図である。図２に示す送信コイルは、一般的に１７ＡＷＧ（直径：１．２ｍｍ）のリッツ線で形成され、外径は４５ｍｍであり、巻き数は１０回である。送信コイルは、厚さ１．２ｍｍの５０ｍｍ×５０ｍｍの磁気シート上に配置される。磁気シートは、例えば、ＭｎＺｎフェライトシートであってもよい。

１５０ｋＨｚにおいて、従来技術の送信コイル及び受信コイルの電気的パラメータの測定値は以下のとおりである。

上記の表１に示すように、従来のＴｘコイルの抵抗、自己インダクタンス、及びＱファクターはそれぞれ、５６ｍ?、６．２４μＨ、及び１０５．０２であり、Ｒｘコイルの抵抗、自己インダクタンス、及びＱファクターはそれぞれ、２４４ｍ?、８．３３μＨ、及び３２．１８である。垂直距離が８ｍｍであるとき、従来の無線充電コイルの一般的な充電範囲は水平方向に５ｍｍであり、最大許容可能垂直距離は中心からかろうじて８ｍｍでしかない。

従来のＱｉ Ａ１１ Ｔｘコイルを使用する場合、上述のとおりのブーストコンバータの存在（６Ｖまでブースト）に従って測定されたその充電範囲及び効率は以下のとおりである。

表２では、入力電圧Ｖ_ｉｎに応じて垂直方向の距離が５ｍｍ、８ｍｍであるときの水平充電範囲が測定された。したがって、Ｖ_ｉｎ＝６Ｖの場合（ブーストコンバータは、電源装置と無線充電システムのＤＣ／ＡＣインバータとの間に配設される）、水平方向の充電範囲は、Ｖ_ｉｎ＝５Ｖの場合よりも広くなり、最大充電可能垂直距離が８ｍｍから１０ｍｍに増加することが分かる。つまり、ＤＣ／ＡＣインバータの前にブーストコンバータを用いて供給電圧を６Ｖまでブーストすることにより、充電範囲を大幅に向上させることができる。

図４は、上述のブーストコンバータと組み合わせて使用することができる、本発明の例示的な実施形態により所定の寸法で配置された送信コイル構造の実際の平面図である。図示したコイルは、リッツ線（例えば、０．０８ｍｍ／１２５ストランド）で作製された単層で形成され、磁気シート上にワイヤをらせん状に複数回巻くことによって、内径ｒ_ｉｎと外径ｒ_ｏｕｔを有する円形状に形成されている。しかし、コイルの形状は円形状に限定されず、類似の寸法の楕円形状又は一辺が２ｒ_ｏｕｔの正方形状に形成されてもよく、同様の充電範囲改善効果が示される限り、様々な異なる種類のコイルが使用されてもよい。

例示的実施形態による例示的なコイルの寸法は以下のとおりである。

これらの寸法は、図２の従来のＴｘコイルの寸法とは異なり、その寸法は、無線充電システムの電源装置とＤＣ／ＡＣインバータ１６０との間に配設された、（３．５Ｖ〜５．１Ｖ、好ましくは４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲内の入力電圧を６Ｖ〜７Ｖの範囲内の固定値までブーストする）ブーストコンバータと組み合わされるように最適化されている。コイルの自己インダクタンス及び抵抗は、１５０ｋＨｚで７．２５μＨ及び２２．１?ｍと測定された。

上記寸法を有するコイルとブーストコンバータ（６Ｖまでブースト）とを組み合わせることにより得られた充電範囲及び効率は以下のとおりである。

表４及び表２の試験結果の比較では、垂直距離Ｚが８ｍｍであるとき、コイルの充電範囲は、従来コイルをＶ_ｉｎ＝５Ｖ（４．６ｍｍ→１１．７ｍｍ）の条件下で使用した場合と比較して２倍超増加し、従来コイルをＶ_ｉｎ＝６Ｖの条件下で使用した場合と比較して約５４％増加した。中心における最大許容垂直距離は、従来のコイルをＶ_ｉｎ＝５Ｖの条件下で使用した場合と比較して約６２．５％増加し、従来のコイルをＶ_ｉｎ＝６Ｖの条件下で使用した場合と比較して約３０％増加した。これらの試験結果を、図７及び８を参照して更に説明する。

一方、図５は、異なる断面積を有する２種類のワイヤから成る２つの送信コイル構造が直列に相互接続された送信コイル構造と、その断面を示す。図５の右側の断面に示すように、２つの送信コイル構造は、同じ平面上に平坦に配置されてもよく（上２つの場合）、互いに積層されてもよい（下２つの場合）。特に、積層構造を有する２つの送信コイル構造では、上層のワイヤの断面半径は、下層のワイヤの断面半径と異なっていてもよい。また、２つのコイル構造を異なるピッチｐで形成することもできる。よって、送信コイルが２種類のワイヤで形成される場合、無線供給用に生成される磁気パターンは、２つの送信コイル構造の内径及び外径、巻き数、ピッチなどを適切に制御することによって様々に調整することができるという利点がある。

図６Ａ及び図６Ｂは、図５の例示的な実施形態による積層構造を有する送信コイル構造の斜視図及び断面図である。図示された送信コイルは、リッツ線で形成され、ワイヤの下に位置する磁気シートとして、ＭｎＺｎフェライトシート（サイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．７５ｍｍ）を用いてもよい。２つの積層された送信コイル構造の寸法は以下のとおりである。

図７Ａ〜７Ｃは、関連技術及び本発明による無線充電システムの充電性能を比較することによる性能改善効果を示す。電気負荷がＶ_ｏｕｔ＝５Ｖ及びＩ_ｏｕｔ＝１Ａであるとき、無線充電が首尾よく実行される最大水平充電範囲はρで表される。図７Ａ〜図７Ｃに示されるように、図７（ｂ）に示される従来の無線充電システムでは、最大充電可能垂直距離Ｚは８ｍｍであるが、図７（ｃ）に示される本発明の無線充電システムでは（表３の寸法を有するブーストコンバータとコイル構造との組み合わせ）、最大充電可能な垂直距離Ｚは１３ｍｍである。加えて、充電可能水平範囲も２倍超増加する。

図８Ａ及び８Ｂは、詳細な試験結果の比較を示す。参考のため、これは図９の測定環境によって得られた測定結果である。図８（ａ）及び８（ｂ）のグラフはそれぞれ、従来の無線充電システム及び本発明の無線充電システムに対応する受信回路で測定された通信データを表し、通信データは、整流器を介してノードで測定される。送信コイルと受信コイルとが中心においてＺ＝２ｍｍで互いに強く結合されると、整流電圧は速やかに正常状態に入るが、送信コイルと受信コイルとの間の間隙が増加するにつれて、正常状態に到達するのに要する時間が長くなる。

図８（ａ）及び８（ｂ）中の矢印マーク部分では、従来の無線充電システムと比較して、本発明の無線充電システムの場合、通常状態に到達するのに要する時間が著しく短縮されることが分かる。更に、本発明による無線充電システムでは、最外充電可能水平範囲は、従来のシステムよりも中心からはるかに離れているが、最外充電可能範囲でも通常状態に達するまでの時間が短くなる（例えば、１．２秒から１．０秒まで低減）。

図９は、無線充電システムの充電範囲、垂直距離、充電効率などを測定するための試験環境を示す。図９に示すように、送信部は、電力供給部、インバータ、直列コンデンサ、送信コイルなどで構成され、受信部は、受信コイル、インピーダンス整合回路、整流器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、電気負荷などで構成されている。また、測定に用いられるＱｉ基準受信コイルは拡大図で示す。

以上のように、本発明に係る無線充電システムにおいて、ブーストコンバータは、無線充電システムのＤＣ電源装置とＤＣ／ＡＣインバータとの間に配設されて、３．５Ｖ〜５．１Ｖ、好ましくは、４．５Ｖ〜５．０の範囲内の入力電圧をＶ６Ｖ〜７Ｖの範囲内の特定固定値までブーストし供給する。同時に、送信コイルの配置及び寸法は、従来のＱｉ基準コイルとは異なるように設定される。試験結果によると、本発明では、上記の組み合わせによって、ＷＰＣ規格に準拠する従来の無線充電器と比較して、充電可能垂直距離及び水平範囲を大幅に拡大することができる。したがって、本発明は、携帯端末が無線充電器の中心からわずかに逸れている、又は厚い保護ケースを使用している場合でも、通常の無線充電を実行することができるという利点を提供する。

以上、本発明の各種実施形態について説明したが、これらの例示的実施形態は例示であり、本発明の範囲はこれに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の詳細な説明及び添付の図面を参照して、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正が可能であることが理解されるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲だけでなく、これらの同等物も含むものと解釈すべきである。

１１０：交流電力供給部
１２０：ＡＣ／ＤＣアダプタ
１３０：ケーブル
１４０：無線充電システム
１５０：ブーストコンバータ
１６０：ＤＣ／ＡＣインバータ
１７０：送信コイル構造
２００：従来のＴｘコイル
３００、４００：無線充電用送信コイル
９００：無線充電性能測定システム

Claims (10)

1. 無線充電システムであって、
   入力端子に入力される第１の直流電圧を第２の直流電圧にブーストするように構成されたブーストコンバータと、
   前記ブーストコンバータから前記ブーストされた第２の直流電圧を受け取り、前記受け取った第２の直流電圧を交流電力に変換するように構成されたＤＣ／ＡＣインバータと、
   前記ＤＣ／ＡＣインバータに電気的に接続されて、前記交流電力からの無線供給のための時間的に可変な磁界を生成する送信コイル構造と、
   を備え、
   前記ブーストコンバータから出力された前記第２の直流電圧が、６Ｖ〜７Ｖの範囲内の所定の固定値に維持され、
   前記送信コイル構造が、磁気シート上にワイヤを複数回巻くことによって、内径ｒ_ｉｎと外径ｒ_ｏｕｔとを有する円形状に形成される、又は一辺２ｒ_ｏｕｔの正方形状に形成される、無線充電システム。
2. 前記ブーストコンバータが、前記無線充電システムの外部に配設された電源装置と前記ＤＣ／ＡＣインバータとの間に配設されて、前記電源装置の供給電圧とは異なる所定のブースト電圧を前記ＤＣ／ＡＣインバータに印加する、請求項１に記載の無線充電システム。
3. 前記無線充電システムが、非接触方式で無線通信デバイスに電力を供給する、請求項１又は２に記載の無線充電システム。
4. 前記第１の直流電圧が、４．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲内の値である、請求項２に記載の無線充電システム。
5. 前記送信コイル構造を形成する前記ワイヤの断面半径ｒ_０が０．６４５ｍｍであり、前記巻きワイヤの内径ｒ_ｉｎが９．６５ｍｍであり、外径ｒ_ｏｕｔが２４ｍｍであり、前記巻きワイヤのピッチｐが１．３９ｍｍであり、前記コイルの巻き数Ｎが１１である、請求項４に記載の無線充電システム。
6. 前記ブーストコンバータによってブーストされた前記第２の直流電圧の前記所定の固定値が６Ｖであるとき、
   （ｉ）前記送信コイル構造の中心から受信コイル構造までの垂直距離Ｚが５ｍｍであり、前記受信コイル構造の中心と前記送信コイル構造の中心との間の水平方向の変位が１３．９ｍｍである場合、前記中心における充電効率が７５％以上であり、
   （ｉｉ）前記垂直距離Ｚが８ｍｍ、前記水平方向の変位が１１．７ｍｍである場合、前記中心における充電効率が７０％以上である、請求項５に記載の無線充電システム。
7. 前記送信コイル構造が、異なる断面積を有するワイヤを直列に接続することによって形成された複数のコイル構造を含む、請求項１に記載の無線充電システム。
8. 前記複数のコイル構造が、第１のコイル構造と、前記第１のコイル構造上に積層された第２のコイル構造とを含み、前記第２のコイル構造を形成するワイヤの断面半径が、前記第１のコイル構造を形成するワイヤの断面半径よりも小さい、請求項７に記載の無線充電システム。
9. 前記複数のコイル構造が、第１のコイル構造及び第２のコイル構造を含み、前記第１のコイル構造及び前記第２のコイル構造が、同じ平面上に配置される、請求項７に記載の無線充電システム。
10. 前記第１のコイル構造及び前記第２のコイル構造が、異なるピッチで形成される、請求項８又は９に記載の無線充電システム。

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