JP7330662B2 - 受信装置を充電するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、無線電力伝送システムに関し、より詳細には、受信装置を充電するためのシステムおよび方法に関する。

一般に、電力伝送システムは、電源から、例えば、モバイル機器、生物医学装置、およびポータブル・コンシューマ・デバイスなどの１つまたは複数の受信装置に電力を伝送するために広く使用されている。典型的には、電力伝送システムは、接触型電力伝送システムまたは無線電力伝送システムとすることができる。即刻の、または連続的な電力伝送が必要であるが相互接続ワイヤーが利用困難な特定の用途では、無線電力伝送システムが望ましい。

無線電力伝送システムでは、充電装置を使用して、入力電力を、送信可能な電力に変換し、それをさらに送信して、受信器デバイス内の１つまたは複数のバッテリを充電する。しかしながら、これらの受信装置は、無線周波数規格の１つと適合可能である。例えば、Ａｌｌｉａｎｃｅ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ（Ａ４ＷＰ）、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ（ＷＰＣ）、およびＰｏｗｅｒ Ｍａｔｔｅｒｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ（ＰＭＡ）の３つの競合する周波数規格が現在存在する。ＷＰＣ規格（Ｑｉ）は、１００ｋＨｚから２００ｋＨｚの周波数範囲で規定される。ＰＭＡ規格は、２００ｋＨｚから４００ｋＨｚの周波数範囲で規定される。さらに、Ａ４ＷＰ規格は、約７ＭＨｚの周波数で規定される。従来の充電装置は、異なる周波数規格で動作する受信装置を充電するために使用することができない。

したがって、異なる周波数規格で動作する受信装置を充電するための改良型システムおよび方法が必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、充電パッドが開示される。充電パッドは、第１の周波数帯域で動作可能な少なくとも１つの第１の共振器コイルを含む。また、充電パッドは、第２の周波数帯域で動作可能な少なくとも１つの第２の共振器コイルを含む。さらに、充電パッドは、少なくとも１つの第１の共振器コイルおよび少なくとも１つの第２の共振器コイルに磁気的に結合された少なくとも１つの励磁器コイルを含む。さらに、充電パッドは、少なくとも１つの励磁器コイルに動作可能に結合され、少なくとも１つの励磁器コイルを介して少なくとも１つの第１の共振器コイルおよび少なくとも１つの第２の共振器コイルを駆動するよう構成される励磁ユニットを含む。

本発明の別の実施形態によれば、無線充電装置が開示される。無線充電装置は、入力電力のＤＣ電圧を、第１の周波数帯域からの周波数を有する第１のＡＣ電圧と第２の周波数帯域からの周波数を有する第２のＡＣ電圧との少なくとも一方に変換するよう構成される励磁ユニットを含む充電パッドを含む。また、充電パッドは、励磁ユニットに動作可能に結合される伝送ユニットを含み、伝送ユニットは、励磁ユニットに電気的に結合される少なくとも１つの励磁器コイルと、少なくとも１つの励磁器コイルに磁気的に結合されて、第１の周波数帯域からの周波数を有する第１のＡＣ電圧を伝送するよう構成される、少なくとも１つの第１の共振器コイルと、少なくとも１つの励磁器コイルに磁気的に結合されて、第２の周波数帯域からの周波数を有する第２のＡＣ電圧を伝送するよう構成される、少なくとも１つの第２の共振器コイルと、を備える。さらに、無線充電装置は、励磁ユニットに結合され、第１の周波数制御信号および第２の周波数制御信号のうちの少なくとも一方を励磁ユニットに供給するよう構成される、制御ユニットを含む。

本発明の別の実施形態によれば、１つまたは複数の受信装置を充電する方法が開示される。本方法は、励磁ユニットによって、第１の周波数制御信号および第２の周波数制御信号のうちの少なくとも一方を受信するステップを含む。また、本方法は、第１の周波数制御信号が受信される場合、入力電力のＤＣ電圧を、第１の周波数帯域からの周波数を有する第１のＡＣ電圧に、励磁ユニットによって変換するステップを含む。さらに、本方法は、第２の周波数制御信号が受信される場合、入力電力のＤＣ電圧を、第２の周波数帯域からの周波数を有する第２のＡＣ電圧に、励磁ユニットによって変換するステップを含む。さらに、本方法は、第１の周波数帯域からの周波数を有する第１のＡＣ電圧を第１の受信装置に伝送するために、少なくとも１つの励磁器コイルを介して少なくとも１つの第１の共振器コイルを駆動するステップを含む。さらに、本方法は、第２の周波数帯域からの周波数を有する第２のＡＣ電圧を第２の受信装置に伝送するために、少なくとも１つの励磁器コイルを介して少なくとも１つの第２の共振器コイルを駆動するステップを含む。

本開示のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むと、より理解されるであろう。添付図面において、同様の参照符号は、図面を通じて、同様の項目を意味する。

本発明の一実施形態による無線電力伝送システムを表すブロック図である。 本発明の一実施形態による無線電力伝送システムを表す回路図である。 本発明の別の実施形態による無線電力伝送システムを表す回路図である。 本発明の一実施形態による、第１の共振器コイルおよび第２の共振器コイルを有する充電パッドの概略図である。 本発明の別の実施形態による、第１の共振器コイルおよび第２の共振器コイルを有する充電パッドの概略図である。 本発明の一実施形態による受信装置に磁気的に結合される第１の共振器コイルおよび第２の共振器コイルを有する充電パッドの概略図である。 本発明の一実施形態による、複数の受信装置を充電する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるさまざまな制御信号のグラフ表示である。

以下で詳細に説明するように、１つまたは複数の無線受信器を充電するためのシステムおよび方法のさまざまな実施形態を開示する。特に、本明細書に開示されるシステムおよび方法は、異なる周波数規格に基づいて設計された無線受信装置の充電を可能にする第１の共振器コイルおよび第２の共振器コイルを駆動することができる励磁ユニットを使用する。

別段の定めがない限り、本明細書で使用される技術的用語および科学的用語は、本明細書が属する当業者により一般的に理解されるのと同じ意味である。本明細書で用いられる「第１の」、「第２の」等の用語は、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、むしろ１つの要素と別の要素とを区別するために用いられる。また、「ａ」および「ａｎ」という単語は、数量を限定する意味はなく、参照項目が少なくとも１つは存在することを意味する。「または」という用語は、包括的であり、列挙された項目の１つ、一部、またはすべてを意味するものとする。本明細書での「含む」「備える」もしくは「有する」、およびそれらの変化形の使用は、その後に列挙される項目、その均等物ならびに追加項目を包含することを意味する。「接続される」および「結合される」という用語は、物理的もしくは機械的接続もしくは結合に制限されず、直接的もしくは間接的な、電気的接続もしくは電気的結合を含むことができる。さらに、「回路」および「回路要素」および「制御ユニット」という用語は、単一構成要素または複数構成要素のいずれかを含むことができ、能動的および／または受動的であり、説明する機能を提供するために互いに接続されるか、または結合される。さらに、本明細書で使用されるような動作可能に結合されるという用語は、有線結合、無線結合、電気結合、磁気結合、無線通信、ソフトウェアベース通信、またはそれらの組み合わせを含む。

図１は、本発明の一実施形態による無線電力伝送システム１００の概略図である。無線電力伝送システム１００は、電源１０２からモバイル機器、生物医学装置、ポータブル・コンシューマ・デバイスなどの１つまたは複数の受信装置に電力を伝送するために使用される。特に、自動車産業では、車両は、電源１０２から、携帯電話、ラップトップ、暖房換気および空調（ＨＶＡＣ）ユニットなどのモバイル機器に電力を供給するために使用される１つまたは複数の充電パッドを含む。一実施形態では、無線電力伝送システム１００は、非接触電力伝送システムとも呼ばれることがある。

図示した実施形態では、無線電力伝送システム１００は、第１の受信装置１０６および第２の受信装置１０８に無線で結合される無線充電装置１０４を含む。無線電力伝送システム１００は、第１の受信装置１０６および第２の受信装置１０８に限定されず、任意の数の受信装置を含むことができることに留意されたい。

第１および第２の受信装置１０６、１０８は、無線周波数規格の１つと適合可能とすることができる。例えば、受信装置のうちの１つは、約７ＭＨｚの周波数で規定されたＡｌｌｉａｎｃｅ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ（Ａ４ＷＰ）規格に適合可能とすることができる。同様に、別の受信装置は、１００ｋＨｚから２００ｋＨｚの周波数範囲で規定されたＷｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ（ＷＰＣ）規格（Ｑｉ）に適合可能とすることができる。受信装置の１つは、２００ｋＨｚから４００ｋＨｚの周波数範囲で規定されたＰｏｗｅｒ Ｍａｔｔｅｒｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ（ＰＭＡ）規格に適合可能とすることができる。他の受信装置の１つは、約６．７ＭＨｚの周波数で規定されたＡｉｒ Ｆｕｅｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ規格に適合可能とすることができる。本発明の実施形態の理解を容易にするために、第１の受信装置１０６は、約６．７ＭＨｚの周波数で規定されたＡｉｒ Ｆｕｅｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ規格のなどの第１の周波数規格に適合可能であると考えられる。第１の周波数規格は、高周波数規格と呼ばれることもある。同様に、第２の受信装置１０８は、１００ｋＨｚから２００ｋＨｚの周波数範囲で規定されるＷＰＣ規格などの第２の周波数規格に適合可能であると考えられる。第２の周波数規格は、低周波数規格と呼ばれることもある。受信装置１０６、１０８は、任意の周波数規格とすることができ、本明細書で説明する周波数規格に限定されないことに留意されたい。また、任意の数の周波数規格に適合可能である任意の数の受信装置を、充電のために考慮することができる。

受信装置／ガジェットのそれぞれに対して異なる周波数規格に適合可能な従来の電力伝送システムでは、充電装置は、受信装置のそれぞれに対して、それぞれの受信装置が対応する周波数規格で電力を供給しない場合がある。従来の電力伝送システムの１つでは、専用変換器を有する別個の充電装置と、各周波数規格用の専用周波数コイルとが、対応する受信装置に電力を供給するために使用される。しかしながら、各周波数規格に対して別個の充電装置を使用することは、従来の電力伝送システムのセットアップコストおよび維持コストを実質的に増加させる可能性がある。

従来のシステムに関連する上記の問題／欠点を克服するために、例示的な電力伝送システム１００は、任意の周波数規格の第１および第２の受信装置１０６、１０８を充電するよう構成される無線充電装置１０４を含む。無線充電装置１０４は、電源１０２から第１および第２の受信装置１０６、１０８に電力を供給するために使用される充電パッド１３０および制御ユニット１１２を含む。充電パッド１３０は、１つまたは複数の受信装置１０６、１０８が、対応する受信装置１０６、１０８内の１つまたは複数のバッテリを充電するために配置することができる電気容器と呼ぶことができる。一実施形態では、制御ユニット１１２を充電パッド１３０内に配置することができる。別の実施形態では、制御ユニット１１２を充電パッド１３０の外部に配置することができる。さらに、充電パッド１３０は、励磁ユニットおよび伝送ユニット１１４を含む。一実施形態では、励磁ユニット１１０は、第１および第２の受信装置１０６、１０８に所望の周波数で電力を供給するために使用される１つまたは複数の変換器（図示せず）を含むことができる。

励磁ユニット１１０は、電源１０２および制御ユニット１１２に電気的に結合される。電源１０２は、ＤＣ電圧を有する入力電力１２０を励磁ユニット１１０に供給するよう構成される。いくつかの実施形態では、入力電力１２０は、約１Ｗから２００Ｗの範囲内とすることができる。一実施形態では、電源１０２は無線充電装置１０４の一部とすることができる。別の実施形態では、電源１０２は、無線充電装置１０４の外部に配置することができる。

さらに、励磁ユニット１１０は、電源１０２からＤＣ電圧を有する入力電力１２０を受け取るよう構成される。さらに、励磁ユニット１１０は、入力電力１２０のＤＣ電圧を、第１の周波数帯域の周波数を有する第１のＡＣ電圧および／または第２の周波数帯域の周波数を有する第２のＡＣ電圧に変換するよう構成される。第１の周波数帯域は、約４ＭＨｚから約９ＭＨｚまでの周波数の範囲とみなすことができることに留意されたい。同様に、第２の周波数帯域は、約１００ｋＨｚから約１ＭＨｚまでの周波数の範囲とみなすことができる。また、「第１の周波数帯域の周波数」および「第１の周波数」という用語は、以下の明細書では互換的に使用することができることに留意されたい。同様に、「第２の周波数帯域の周波数」および「第２の周波数」という用語は、以下の明細書では互換的に使用することができる。

さらに、励磁ユニット１１０は、制御ユニット１１２から第１の周波数制御信号１２２および／または第２の周波数制御信号１２４を受信するよう構成される。第１の周波数制御信号１２２を制御ユニット１１２から受信した場合、励磁ユニット１１０は、入力電力１２０のＤＣ電圧を第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧に変換するよう構成される。同様に、第２の周波数制御信号１２４を制御ユニット１１２から受信した場合、励磁ユニット１１０は、入力電力１２０のＤＣ電圧を第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧に変換するよう構成される。一例では、第１および第２のＡＣ電圧は、約５ボルトから５０ボルトの範囲内とすることができる。ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧または第２のＡＣ電圧に変換することに関する詳細は、図２および図３を参照して以下でさらに詳細に説明される。

一実施形態では、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２と第２の周波数制御信号１２４とを定期的に交互に励磁ユニット１１０に送るように構成される。１つの特定の実施形態では、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２および第２の周波数制御信号１２４を含む変調信号を送信するよう構成される。別の実施形態では、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２および第２の周波数制御信号１２４を励磁ユニット１１０内のスイッチの異なるセットに同時に送信するよう構成される。

励磁ユニット１１０は、第１のＡＣ電圧または第２のＡＣ電圧を有する入力電力を伝送
ユニット１１４に伝送するようさらに構成される。伝送ユニット１１４は、励磁ユニット１１０に電気的に結合された１つまたは複数の励磁器コイル１３２、１３４を含む。励磁器コイル１３２、１３４に加えて、伝送ユニット１１４は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を含む。１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６は、励磁器コイル１３２および第１の受信装置１０６内の第１の受信器コイル１４０に磁気的に結合される。同様に、１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、励磁器コイル１３４および第２の受信装置１０８内の第２の受信器コイル１４２に磁気的に結合される。一実施形態では、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、互いに上下に積み重ねることができる。さらに、単一の励磁器コイルを使用して、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および／または１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を駆動することができる。別の実施形態では、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、同一平面上または異なる平面上に並べて配置することができる。

さらに、励磁器コイル１３２、１３４ならびに１つまたは複数の第１および第２の共振器コイル１３６、１３８は、第１のＡＣ電圧または第２のＡＣ電圧を有する入力電力を受信装置１０６、１０８に無線伝送するために使用される。特に、励磁ユニット１１０がＤＣ電圧を第１の周波数の第１のＡＣ電圧に変換した場合、励磁器コイル１３２と１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６とが同時に励磁されて、第１のＡＣ電圧を有する入力電力が第１の受信装置１０６の第１の受信器コイル１４０に伝送される。同様に、励磁ユニット１１０がＤＣ電圧を第２の周波数の第２のＡＣ電圧に変換した場合、励磁器コイル１３４と１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８とが同時に励磁されて、第２のＡＣ電圧を有する入力電力が第２の受信装置１０８の第２の受信器コイル１４２に伝送される。有利には、充電装置１０４の共振器コイル１３６、１３８は、受信装置１０６、１０８と無線充電装置１０４との間の距離がより長くなっても電力を伝送することを容易にする。一実施形態では、受信装置１０６、１０８と無線充電装置１０４との間の距離は、約１０ｍｍから約１００ｍｍの範囲とすることができる。

さらに、第１および第２の受信装置１０６、１０８は、第１および第２の受信装置１０６、１０８に含まれる１つまたは複数のバッテリ１２６、１２８を充電するために、第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧または第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧を使用するよう構成される。一実施形態では、携帯電話およびラップトップなどの第１および第２の受信装置１０６、１０８は、第１および第２の受信装置１０６、１０８が設計される周波数規格に基づいて第１の共振器コイル１３６および／または第２の共振器コイル１３８に磁気的に結合することができる。例えば、第１の受信装置１０６がＡｉｒ Ｆｕｅｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ規格などの第１の周波数規格に設計されている場合、第１の受信装置１０６は、第１の共振器コイル１３６から第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧を受け取る。同様に、第２の受信装置１０８がＷＰＣ規格などの第２の周波数規格に設計されている場合、第２の受信装置１０８は、第２の共振器コイル１３８から第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧を受け取る。一例では、第１および第２の受信装置１０６、１０８は、第１および第２の受信装置１０６、１０８のバッテリ１２６、１２８を充電するために充電パッド１３０上に配置することができる。

したがって、例示的な無線電力伝送システム１００を使用することによって、単一の充電装置１０４は、１つまたは複数の周波数規格に適合可能な第１および第２の受信装置１０６、１０８に電力を磁気的に伝送するよう構成される。

図２を参照すると、本発明の別の実施形態による無線電力伝送システム１００の概略図が示される。無線電力伝送システム１００は、入力電力１２０を電源１０２から第１および第２の受信装置１０６、１０８に伝送するために使用される。

無線電力伝送システム１００は、無線充電装置１０４と、第１の受信装置１０６と、第２の受信装置１０８とを含む。無線充電装置１０４は、第１の受信装置１０６および第２の受信装置１０８に無線で結合される。第１の受信装置１０６および第２の受信装置１０８は、無線周波数規格の１つに適合可能とすることができる。

さらに、無線充電装置１０４は、電源１０２から第１および第２の受信装置１０６、１０８に電力を供給するために使用される充電パッド１３０および制御ユニット１１２を含む。充電パッド１３０は、励磁ユニット１１０および伝送ユニット１１４を含む。無線電力伝送システム１００は、他の構成要素を含んでもよく、図２に示す構成要素に限定されないことに、留意されたい。

図示した実施形態では、励磁ユニット１１０は、電源１０２に電気的に結合され、電源１０２からＤＣ電圧を有する入力電力１２０を受け取るよう構成される単一の変換器２１６のみを含む。単一の変換器２１６は、単一のＤＣまたはライン周波数入力を有する電気的に接続された装置として定義される。励磁ユニット１１０は、任意の数の変換器を含むことができ、図２に示すような単一の変換器に限定されないことに留意されたい。さらに、単一の変換器２１６は、第１のスイッチ２０８、第２のスイッチ２１０、複数のダイオード２１２、およびハーフブリッジインバータ回路を形成するように配置された複数のコンデンサ２１４を含む。第１および第２のスイッチ２０８、２１０、ダイオード２１２、およびコンデンサ２１４は、励磁ユニット１１０の入力端２１７と出力端２１８との間に電気的に結合される。一実施形態では、スイッチ２０８、２１０は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどの電子スイッチを含むことができる。スイッチ２０８、２１０は、他の半導体スイッチを含んでもよく、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴに限定されないことに留意されたい。さらに、第１のスイッチ２０８と第２のスイッチ２１０とは互いに相補的に動作する。例えば、第１のスイッチ２０８が期間Ｔ_onの間に作動する場合、第２のスイッチ２１０は、この期間Ｔ_onの間は、停止される。同様に、第２のスイッチ２１０が期間Ｔ_offの間に作動する場合、第１のスイッチ２０８は、この期間Ｔ_offの間は、停止される。

さらに、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２と第２の周波数制御信号１２４とを第１のスイッチ２０８と第２のスイッチ２１０とに交互に繰り返し送信するよう構成される。一実施形態では、制御ユニット１１２は、励磁器コイル２０２の特性の変化に基づいて、第１および第２の周波数制御信号１２２、１２４を生成することができる。例えば、第１の受信装置１０６および／または第２の受信装置１０８が充電パッド１３０上に配置される場合、励磁器コイル２０２内の電流などの特性が変化する可能性がある。さらに、励磁器コイル２０２の特性の変化は、制御ユニット１１２によって使用され、第１および第２の周波数制御信号１２２、１２４を生成することができる。

さらに、制御ユニット１１２は、第１の期間の間、第１の周波数制御信号１２２を第１のスイッチ２０８に送信する。同時に、制御ユニット１１２は、第１の期間の間、第１の周波数制御信号１２２と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信する。一例では、第１の周波数制御信号１２２は、約７ＭＨｚの高いスイッチングパルス周波数を有することができる。第１の期間中、第１のスイッチ２０８と第２のスイッチ２１０とは相補的に動作して、入力電力１２０のＤＣ電圧を第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧に変換する。一実施形態では、第１の周波数は、約４ＭＨｚから約９ＭＨｚの範囲内とすることができる。特定の一実施形態では、第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第１の周波数制御信号１２２に基づいて入力電力１２０のＤＣ電圧を変調して、励磁ユニット１１０の出力端２１８で第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧を生成するよう構成される。

同様に、制御ユニット１１２は、第２の期間の間、第２の周波数制御信号１２４を第１のスイッチ２０８に送信する。同時に、制御ユニット１１２は、第２の期間の間、第２の周波数制御信号と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信する。一実施形態では、第２の周波数制御信号１２４は、約２００ｋＨｚの低いスイッチングパルス周波数を有することができる。第２の期間中、第１のスイッチ２０８と第２のスイッチ２１０とは相補的に動作して、入力電力１２０のＤＣ電圧を第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧に変換する。一実施形態では、第２の周波数は、約１００ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲内とすることができる。一実施形態では、第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第２の周波数制御信号１２４に基づいて入力電力１２０のＤＣ電圧を変調して、励磁ユニット１１０の出力端２１８で第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧を提供するよう構成される。

さらに、第１のＡＣ電圧または第２のＡＣ電圧を有する入力電力は、励磁ユニット１１０から伝送ユニット１１４に伝送される。伝送ユニット１１４は、励磁ユニット１１０の出力端２１８に電気的に結合される励磁器コイル２０２を含む。励磁器コイル２０２は、図１に示す励磁器コイル１３２、１３４のうちの１つと同様とすることができることに留意されたい。さらに、伝送ユニット１１４は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を含む。例示を容易にするために、１つの第１の共振器コイル１３６および１つの第２の共振器コイル１３８のみを示す。第１の共振器コイル１３６は、励磁器コイル２０２および第１の受信装置１０６内の第１の受信器コイル１４０に磁気的に結合される。第１の共振器コイル１３６および励磁器コイル２０２は、第１のＡＣ電圧を有する電力を第１の受信装置１０６の第１の受信器コイル１４０に伝送するために使用される。さらに、第１のＡＣ電圧を有する電力は、次いで、第１の受信器コイル１４０から、電力調整器２３２を介して第１の受信装置１０６内のバッテリなどの電気負荷２２８に送信される。

同様に、第２の共振器コイル１３８は、第２の受信装置１０８の励磁器コイル２０２および第２の受信器コイル１４２に磁気的に結合される。第２の共振器コイル１３８および励磁器コイル２０２は、第２のＡＣ電圧を有する電力を第２の受信装置１０８の第２の受信器コイル１４２に伝送するために使用される。さらに、第２のＡＣ電圧を有する電力は、次いで、第２の受信器コイル１４２から、電力調整器２３４を介して第２の受信装置１０８内のバッテリなどの電気負荷２３０に伝送される。別の実施形態では、伝送ユニット１１４は、２つの励磁器コイルを含むことができ、一方の励磁器コイルは、第１の共振器コイル１３６に磁気的に結合され、他方の励磁器コイルは、第２の共振器コイル１３８に磁気的に結合される。

無線電力伝送システム１００の通常の動作中、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２および第２の周波数制御信号１２４を周期的および／または交互に励磁ユニット１１０に送信するよう構成される。特に、制御ユニット１１２は、第１の期間の間に、第１の周波数制御信号１２２を第１のスイッチ２０８に送信し、第１の周波数制御信号１２２と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信する。さらに、第１の期間中、第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第１の周波数制御信号１２２のスイッチングパルスに基づいてＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替え、入力電力のＤＣ電圧を、第１の周波数を有する対応する第１のＡＣ電圧に変換する。ＯＮ状態は、スイッチ２０８、２１０が作動している状態とみなすことができることに留意されたい。ＯＦＦ状態は、スイッチ２０８、２１０が停止している状態とみなすことができる。

さらに、第１のＡＣ電圧を有する入力電力は、励磁器コイル２０２および第１の共振器コイル１３６を同時に励磁するために使用することができる。特に、励磁器コイル２０２は、第１のＡＣ電圧に対応する磁界を生成することができる。さらに、生成された磁界は、第１の共振器コイル１３６を介して第１の受信器コイル１４０に向けて集束することができる。一実施形態では、第１の共振器コイル１３６ならびに１つまたは複数のコンデンサを使用して、励磁器コイル２０２によって生成される磁界を強化することができる。続いて、第１の受信器コイル１４０は、強化された磁界を受け取り、強化された磁界を第１のＡＣ電圧を有する入力電力に変換するよう構成される。一実施形態では、第１の共振器コイル１３６は、励磁器コイル２０２と第１の受信器コイル１４０との間の磁気結合を強化するために使用される。第１の受信器コイル１４０は、電力調整器２３２を介して第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧を電気負荷２２８に伝送する。

さらに、第１の期間の終了時に、制御ユニット１１２は、第２の期間の間に、第２の周波数制御信号１２２を第１のスイッチ２０８に送信し、第１の周波数制御信号１２２と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信する。さらに、第２の期間中、第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第２の周波数制御信号１２４のスイッチングパルスに基づいてＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替え、入力電力のＤＣ電圧を、第２の周波数を有する対応する第２のＡＣ電圧に変換する。

さらに、第２のＡＣ電圧を有する入力電力は、励磁器コイル２０２および第２の共振器コイル１３８を同時に励磁するために使用することができる。特に、励磁器コイル２０２は、第２のＡＣ電圧に対応する磁界を生成することができる。さらに、生成された磁界は、第２の共振器コイル１３８を介して第２の受信器コイル１４２に向けて集束することができる。一実施形態では、第２の共振器コイル１３８ならびに１つまたは複数のコンデンサを使用して、励磁器コイル２０２によって生成される磁界を強化することができる。続いて、第２の受信器コイル１４２は、強化された磁界を受け取り、強化された磁界を第２のＡＣ電圧を有する入力電力に変換するよう構成される。一実施形態では、第２の共振器コイル１３８は、励磁器コイル２０２と第２の受信器コイル１４２との間の磁気結合を強化するために使用される。その後、第２の受信器コイル１４２は、電力調整器２３４を介して第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧を電気負荷２３０に伝送する。一実施形態では、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２と第２の周波数制御信号１２４とを励磁ユニット１１０に交互に送信し、第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧と第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧とを、対応する受信装置１０６、１０８に送信する。

例示的な電力伝送システム１００において、励磁ユニット１１０は、第１の共振器コイル１３６および第２の共振器コイル１３８の両方を駆動して、電源１０２から異なる周波数規格の受信装置１０６、１０８に電力を伝送する。

図３を参照すると、本発明の別の実施形態による無線電力伝送システム３００の概略図が示される。図３の無線電力伝送システム３００は、励磁ユニット３０２が、フルブリッジインバータ回路を有する単一変換器３０４を含み、伝送ユニット１１４が、第１の励磁器コイル３１０と第２の励磁器コイル３１２とを含む点を除いて、図２の無線電力伝送システム１００と同様である。特に、単一変換器３０４は、スイッチ３０６の第１の脚部と、スイッチ３０８の第２の脚部とを含む。スイッチ３０６の第１の脚部は、制御ユニット１１２から第１の周波数制御信号１２２を受信するよう構成され、スイッチ３０８の第２の脚部は、制御ユニット１１２から第２の周波数制御信号１２４を受信するよう構成される。この実施形態では、第１の周波数制御信号１２２は、約６．７ＭＨｚの高いスイッチングパルス周波数を有する連続信号であり、第２の周波数制御信号１２４は、約２００ｋＨｚの低いスイッチングパルス周波数を有する連続信号である。

スイッチ３０６の第１の脚部は、第１の周波数制御信号１２２が受信された場合に起動する。さらに、スイッチ３０６の第１の脚部は、入力電力１２０のＤＣ電圧を第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧に変換するよう構成される。一実施形態では、この第１の周波数は、約４ＭＨｚから約９ＭＨｚの範囲内とすることができる。第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧は、第１の励磁器コイル３１０に伝送され、第１の励磁器コイル３１０は、第１のＡＣ電圧を有する電力を第１の共振器コイル１３６を介して第１の受信装置１０６に磁気的に伝送する。一実施形態では、第１の共振器コイル１３６は、第１のＡＣ電圧を有する電力を強化し、その結果、第１の受信装置１０６が、電力損失なしで電力を受け取るか、または無視できる電力損失で電力を受け取ることができる。

同様に、スイッチ３０８の第２の脚部は、第２の周波数制御信号１２４が受信された場合に起動する。さらに、スイッチ３０８の第２の脚部は、入力電力１２０のＤＣ電圧を第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧に変換するよう構成される。一実施形態では、第２の周波数は、約１００ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲内とすることができる。第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧は、第２の励磁器コイル３１２に伝送され、第２の励磁器コイル３１２は、第２のＡＣ電圧を有する電力を第２の共振器コイル１３８を介して第２の受信装置１０８に磁気的に伝送する。一実施形態では、第２の共振器コイル１３８は、第２のＡＣ電圧を有する電力を強化し、その結果、第２の受信装置１０８が、電力損失なしで電力を受け取るか、または無視できる電力損失で電力を受け取ることができる。

図４を参照すると、例示的な実施形態による充電パッド４０２の概略図が示される。充電パッド４０２は、図１の充電パッド１３０と同様とすることができる。さらに、充電パッド４０２は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を含む。特に、充電パッド４０２は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６を有する第１の層４０４と、１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を有する第２の層４０６とを含む。第１および第２の層４０４、４０６は、１つまたは複数の周波数コイルを有する電気的キャリアとみなすことができる。第１の層４０４および第２の層４０６は、充電パッド４０２内で互いに近接して配置される。一実施形態では、第１の層４０４は、並列構成および／または直列構成に配置された複数の第１の共振器コイル１３６を含むことができる。同様に、第２の層４０６は、並列構成および／または直列構成に配置された複数の第２の共振器コイル１３８を含むことができる。別の実施形態の１つでは、充電パッド４０２はまた、対応する励磁器コイル１３２、１３４を介して、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および／または１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を独立して駆動することができる励磁ユニット１１０を含むこともできる。

１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、充電パッド４０２内で上下に積み重ねられる。受信装置は、充電パッド４０２の上面の所定の位置に、充電パッド４０２内で、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８が、所定の位置の下側に配置されるように配置される。励磁ユニット１１０は、受信装置の周波数規格に基づいて、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および／または１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を駆動する。

図５を参照すると、別の実施形態による充電パッド５０２の概略図が示される。充電パッド５０２は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８有する単一層５０４を含む。特に、第１の共振器コイル１３６と第２の共振器コイル１３８とは、充電パッド５０２の単一層５０４内に交互に配置される。一実施形態では、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、充電パッド５０２内に埋め込まれる。別の実施形態の１つでは、第１の共振器コイル１３６および／または第２の共振器コイル１３８は、１つまたは複数の所望のパターンで配置されるコイルのアレイとすることができる。単一層５０４は、異なる周波数コイルを有する電気的キャリアとみなすことができる。

図６を参照すると、例示的な実施形態による充電パッド４０２の概略図が示される。充電パッド４０２は、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６を有する第１の層４０４と、１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８を有する第２の層４０６とを含む。さらに、第１の共振器コイル１３６は、第１の受信装置１０６に磁気的に結合され、第２の共振器コイル１３８は、第２の受信装置１０８に磁気的に結合される。一実施形態では、充電パッド４０２は、第１および第２の受信装置がその上に配置される表面を含む。別の実施形態では、１つまたは複数の第１の共振器コイル１３６および１つまたは複数の第２の共振器コイル１３８は、同一平面上または異なる平面上に並べて配置することができる。

図７を参照すると、本発明の一実施形態による、複数の受信装置を充電する方法を示すフローチャートが示される。方法７００は、図１および図２を参照して説明される。ステップ７０２において、励磁ユニット１１０は、制御ユニット１１２から第１の周波数制御信号１２２および第２の周波数制御信号１２４の少なくとも一方を受信する。特に、制御ユニット１１２は、第１の周波数制御信号１２２と第２の周波数制御信号１２４とを交互に繰り返して励磁ユニット１１０に送信する。電源１０２は、ＤＣ電圧を有する入力電力１２０を励磁ユニット１１０に供給する。

続いて、ステップ７０４において、励磁ユニット１１０は、第１の周波数制御信号１２２が受信される場合、入力電力１２０のＤＣ電圧を第１の周波数を有する第１のＡＣ電圧に変換する。特に、制御ユニット１１２は、第１の期間の間に、第１の周波数制御信号１２２を第１のスイッチ２０８に送信し、第１の周波数制御信号１２２と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信する。さらに、この第１の期間中、励磁ユニット１１０内の第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第１の周波数制御信号１２２のスイッチングパルスに基づいてＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替え、入力電力のＤＣ電圧を、第１の周波数を有する対応する第１のＡＣ電圧に変換する。一実施形態では、第１の周波数は、約４ＭＨｚから約９ＭＨｚの範囲内とすることができる。

さらに、ステップ７０６において、励磁ユニット１１０は、第２の周波数制御信号１２４が受信される場合、入力電力のＤＣ電圧を第２の周波数を有する第２のＡＣ電圧に変換する。特に、制御ユニット１１２は、第２の期間の間に、第２の周波数制御信号１２２を第１のスイッチ２０８に送信し、第１の周波数制御信号１２２と相補的な信号を第２のスイッチ２１０に送信することができる。さらに、この第２の期間中、励磁ユニット１１０内の第１のスイッチ２０８および第２のスイッチ２１０は、第２の周波数制御信号１２４のスイッチングパルスに基づいてＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替え、入力電力のＤＣ電圧を、第２の周波数を有する対応する第２のＡＣ電圧に変換する。一実施形態では、第２の周波数は、約１００ｋＨｚから約１ＭＨｚの範囲内とすることができる。

ステップ７０８において、単一の変換器１１０は、少なくとも１つの励磁器コイル１３２を介して少なくとも１つの第１の共振器コイル１３６を駆動し、第１の周波数帯域からの周波数を有する第１のＡＣ電圧を第１の受信装置１０６に伝送する。特に、少なくとも１つの第１の共振器コイル１３６は、第１のＡＣ電圧を有する電力を強化し、その結果、第１の受信器コイル１４０が、何らの電力損失なく電力を受け取ることができる。さらに、第１のＡＣ電圧は、電力調整器２３２によって調整され、第１の受信装置１０６内のバッテリなどの負荷２３０に供給される。

さらに、ステップ７１０において、励磁ユニット１１０は、少なくとも１つの励磁器コイル１３４を介して少なくとも１つの第２の共振器コイル１３８を駆動し、第２の周波数帯域からの周波数を有する第２のＡＣ電圧を第２の受信装置１０８に伝送する。特に、少なくとも１つの第２の共振器コイル１３８は、第２のＡＣ電圧を有する電力を強化し、その結果、第２の受信器コイル１４２が、何らの電力損失なく電力を受け取ることができる。さらに、第２のＡＣ電圧は、電力調整器２３４によって調整され、第２の受信装置１０８内のバッテリなどの負荷２３０に供給される。

本明細書で説明する例示的な実施形態によれば、例示的なシステムおよび方法は、励磁ユニット１１０を使用して、任意の周波数規格の受信装置を充電することを容易にする。

図８を参照すると、本発明の態様によるさまざまな制御信号のグラフが示される。参照番号８０２は、入力電力のＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するために制御ユニットから励磁ユニットに送信される第１の周波数制御信号を表す。第１の周波数制御信号８０２は、８０６で表される第１の期間中に複数のスイッチングパルス８０４を含む。さらに、参照番号８０８は、入力電力のＤＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するために制御ユニットから励磁ユニットに送信される第２の周波数制御信号を表す。第２の周波数制御信号８０８は、８２０で表される第２の期間中に単一のスイッチングパルス８１０を含む。ここで、第２の周波数制御信号８０８は、第２の期間８２０内でより多くの数のスイッチングパルスを含むことに留意されたい。しかしながら、第２の期間８２０内の第２の周波数制御信号８０８のスイッチングパルスの数は、第１の期間８０６内の第１の周波数制御信号８０２に対するスイッチングパルスの数よりも少ない。参照番号８１２は、第１の周波数制御信号８１４および第２の周波数制御信号８１６を含む変調信号を表す。特に、第１の周波数制御信号８１４は、第１の期間８０６の間に生成され、第２の周波数制御信号８１６は、第２の期間８２０の間に生成される。

本開示の特定の特色だけを本明細書において例示および記載してきたが、多数の改良および変形が当業者には思いつくと思われる。したがって、添付の特許請求の範囲が、本開示の真の精神の範囲内にあるすべてのこのような改良および変形を含むことが意図されることを理解すべきである。

１００ 無線電力伝送システム
１０２ 電源
１０４ 無線充電装置
１０６ 第１の受信装置
１０８ 第２の受信装置
１１０ 励磁ユニット、変換器
１１２ 制御ユニット
１１４ 伝送ユニット
１２０ 入力電力
１２２ 第１の周波数制御信号
１２４ 第２の周波数制御信号
１２６ バッテリ
１２８ バッテリ
１３０ 充電パッド
１３２ 励磁器コイル
１３４ 励磁器コイル
１３６ 第１の共振器コイル
１３８ 第２の共振器コイル
１４０ 第１の受信器コイル
１４２ 第２の受信器コイル
２０２ 励磁器コイル
２０８ 第１のスイッチ
２１０ 第２のスイッチ
２１２ ダイオード
２１４ コンデンサ
２１６ 変換器
２１７ 入力端
２１８ 出力端
２２８ 電気負荷
２３０ 電気負荷
２３２ 電力調整器
２３４ 電力調整器
３００ 無線電力伝送システム
３０２ 励磁ユニット
３０４ 単一変換器
３０６ スイッチ
３０８ スイッチ
３１０ 第１の励磁器コイル
３１２ 第２の励磁器コイル
４０２ 充電パッド
４０４ 第１の層
４０６ 第２の層
５０２ 充電パッド
５０４ 単一層
８０２ 第１の周波数制御信号
８０４ スイッチングパルス
８０６ 第１の期間
８０８ 第２の周波数制御信号
８１０ スイッチングパルス
８１２ 変調信号
８１４ 第１の周波数制御信号
８１６ 第２の周波数制御信号
８２０ 第２の期間

Claims (6)

1. 充電パッド（１３０、４０２、５０２）であって、
   第１の周波数帯域の第１の周波数で、ＡＣ電圧を無線伝送するよう動作可能な第１の共振器コイル（１３６）と、
   第２の周波数帯域の第２の周波数で、ＡＣ電圧を無線伝送するよう動作可能な第２の共振器コイル（１３８）と、
   前記第１の共振器コイル（１３６）に磁気的に結合される第１の励磁器コイルおよび前記第２の共振器コイル（１３８）に磁気的に結合される第２の励磁器コイルであって、前記第１の励磁器コイルおよび前記第２の励磁器コイルは、前記第１の共振器コイル（１３６）に前記第１の周波数で前記ＡＣ電圧を供給することができ、また前記第２の共振器コイル（１３８）に前記第２の周波数で前記ＡＣ電圧を供給することができる、第１の励磁器コイルおよび第２の励磁器コイルと、
   前記第１の励磁器コイルおよび前記第２の励磁器コイルに電気的に結合される共通の励磁ユニットであって、前記共通の励磁ユニットは、入力電力のＤＣ電圧を、前記第１の周波数帯域の前記第１の周波数または前記第２の周波数帯域の前記第２の周波数を有する前記ＡＣ電圧に変換し、かつ励磁器コイルを駆動するよう構成される、共通の励磁ユニットと、
   前記共通の励磁ユニットに対して第１の周波数制御信号（１２２）および第２の周波数制御信号（１２４）のうちの少なくとも一方を供給して、選択的に前記第１の共振器コイル（１３６）に前記ＡＣ電圧を無線伝送させるか、または前記第２の共振器コイル（１３８）に前記ＡＣ電圧を無線伝送させるよう構成される、制御ユニット（１１２）と、
   前記第１の共振器コイル（１３６）と前記第２の共振器コイル（１３８）とを備える単一層（５０４）と、
   を備える、充電パッド（１３０、４０２、５０２）。
2. 前記共通の励磁ユニットは、
   前記第１の周波数制御信号（１２２）および前記第２の周波数制御信号（１２４）のうちの少なくとも一方を前記制御ユニット（１１２）から受信し、
   前記第１の周波数制御信号（１２２）が受信されたときに、前記ＤＣ電圧を、前記第１の周波数で前記ＡＣ電圧に変換し、
   前記第２の周波数制御信号（１２４）が受信されたときに、前記ＤＣ電圧を、前記第２の周波数で前記ＡＣ電圧に変換するようさらに構成される、
   請求項１に記載の充電パッド（１３０、４０２、５０２）。
3. 前記共通の励磁ユニットは、前記第１の励磁器コイルを介して前記第１の共振器コイル（１３６）を駆動し、前記第１の周波数帯域からの前記周波数を有する前記第１のＡＣ電圧を第１の受信装置（１０６）に伝送するよう構成される、請求項２に記載の充電パッド（１３０、４０２、５０２）。
4. 前記共通の励磁ユニットは、前記第２の励磁器コイルを介して前記第２の共振器コイル（１３８）を駆動し、前記第２の周波数帯域からの前記周波数を有する前記第２のＡＣ電圧を第２の受信装置（１０８）に伝送するよう構成される、請求項２に記載の充電パッド（１３０、４０２、５０２）。
5. 前記共通の励磁ユニットは、前記第１の共振器コイル（１３６）および前記第２の共振器コイル（１３８）を、前記第１の励磁器コイルおよび前記第２の励磁器コイルを介して駆動するよう構成される、単一変換器（２１６、３０４）のみを備える、請求項１に記載の充電パッド（１３０、４０２、５０２）。
6. 前記制御ユニット（１１２）が、前記第１の周波数制御信号（１２２、８１４）および前記第２の周波数制御信号（１２４、８１６）の少なくとも一方を備える変調信号（８１２）を供給するようさらに構成される、
   請求項１に記載の充電パッド（１３０、４０２、５０２）。