JP7679833B2 - 無線電力伝送および通信 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送における通信に関し、特に、かなりの量のデータが伝達されることを必要とする電力送信機と電力受信機との間の通信に関する（但しそれに限られない）。

現在のほとんどの電気製品は外部電源から電力を供給するために、専用の電気接点を必要とする。しかしながら、これは、非実用的である傾向があり、ユーザが物理的にコネクタを挿入するか、さもなければ物理的な電気的接触を確立することを必要とする。典型的には、電力要件も大きく異なり、現在のところ、ほとんどの装置には専用の電源が提供されており、その結果、典型的なユーザは、各電源が特定の装置専用である多数の異なる電源を有することになる。しかし、内蔵バッテリの使用は使用中に電源への有線接続の必要性を回避し得るが、これはバッテリの再充電(または交換)を必要とするため、部分的な解決策を提供するに過ぎない。また、バッテリを使用することは、装置の重量および潜在的なコストおよびサイズを実質的に増大させ得る。

大幅に改善されたユーザ体験を提供するために、電力送信機内の送信インダクタから、個々の装置内の受信機コイルに誘導伝送される無線電力供給を使用することが提案されている。

磁気誘導を介した電力伝送はよく知られた概念であり、大部分は、一次送信インダクタ/コイルと二次受信機コイルとの間の密結合を有する変圧器に適用される。一次送信機コイルと二次受信機コイルを二つの装置間で分離することにより、これらの間の無線電力伝送が、疎結合変圧器の原理に基づいて、可能になる。

このような構成は、有線または物理的な電気接続を行う必要なく、装置への無線電力伝送を可能にする。実際、外部から再充電または電力を供給するために、単に、送信機コイルに隣接してまたはその上に装置を配置すればよい。例えば、電力送信機は、電力を供給するためにその上に装置を単に配置することができる水平面を有するように構成されることができる。

さらに、そのような無線電力伝送構成は、電力送信機がある範囲の電力受信装置と共に使用され得るように有利に設計され得る。特に、Qi規格として知られる無線電力伝送アプローチが定義され、現在さらに開発されている。このアプローチは、Qi規格を満たす電力送信機装置が同じ製造業者からのものである必要も、互いに専用である必要もなく、Qi規格を満たす電力受信機装置と共に使用されることを可能にする。Qi規格は、(例えば、特定の電力ドレインに依存して)特定の電力受信装置に動作を適合させることを可能にするためのいくつかの機能をさらに含んでいる。

Qi規格は、ワイヤレスパワーコンソーシアムによって開発され、より詳細な情報は例えば、それらのウェブサイト(http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html)に見出すことができ、特に、定義された仕様書を見出すことができる。

電力伝送が開始できる前に、電力送信機および電力受信機は、電力伝送のための状態の相互識別およびネゴシエーションを実行する必要がある。これらは、電力信号の変調を使用する通信方法として、Qi規格で定義されている。電力信号搬送波の周波数は100kHz領域にあり、システムの硬直性が著しいので、可能なデータレートは比較的低い。

いくつかの状況では、特に高電力システムでは、安全性の理由からより多くのチェックが必要とされるため、交換される必要があるデータの量が重大になる。

したがって、本発明は、単独で、または任意の組合せで、上述の問題のうちの1つまたは複数を軽減、低減または排除しようとする。

したがって、誘導電力伝送信号を介して電力受信機に電力を無線で供給するための電力送信機が提供され、前記電力送信機は、第1周波数における送信共振を有する電力送信インダクタを含み電力伝送信号を生成するように構成された送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは、電力受信機内の電力受信機インダクタに磁気的に結合可能なように構成される、送信機共振回路と、前記電力送信機共振回路に動作可能に結合され、前記電力送信インダクタのための駆動信号を生成するように構成された電力送信機ドライバと、送信機通信共振回路と、通信のために第1周波数とは異なる第2周波数における送信機通信共振を確立するように構成され、前記電力送信インダクタと有意に磁気結合せず、前記電力送信インダクタに直接または容量的に結合される、前記送信機共振回路とは異なる、送信機通信共振回路と、を有し、前記電力送信インダクタは送信共振と送信通信共振の両方に参加し、前記送信共振回路および前記送信通信共振回路は、第1および第2の共振を同時に示すことができるように構成される。

この構成は、電力送信機及び受信機の相対的配置に対してはるかに感度が低く、従って、ユーザにより電力受信機が移動されても通信の中断のリスクが少ない。さらに、NFCに基づくシステムと比較して、設計制約を緩和し、電力送信機と受信機の全体的な設計をより容易にする。これは、構成要素の可能な節約と共に、システム全体のコストを低減するのに役立ち得る。

一実施形態によると、電力信号および通信信号は、電力送信インダクタを通過する。

一実施形態では、電力信号および通信信号が同時に存在することができる。

伝送共振と通信共振が同時に存在するため、電力伝送信号と通信信号を同時に存在させることが可能である。さらに、通信搬送波のMHzの周波数は、負荷変調のような電力信号の変調を使用する技術よりもはるかに高い帯域幅の可能性を提供する。

一実施形態によると、電力送信機において、送信機通信共振回路は送信機通信インダクタ（305）を含み、送信機通信インダクタ（305）は、電力受信機内に存在する受信機通信インダクタに実質的に磁気的に結合されないように配置される。

通信インダクタは、有意な程度で磁気的に結合されておらず、通信信号は電力送受信インダクタを通過するので、通信信号は電力受信機および送信機の相対的な位置決めによって摂動されにくい。実際に、電力受信機が動かされることによって通信信号が中断されるリスクがさらに低減される。

一実施形態によると、前記第2周波数は、前記第1周波数の少なくとも7倍である。搬送波周波数が高いと、負荷変調よりも高いデータレートが可能になり、これにより、より複雑なネゴシエーション/通信プロトコルおよび強化された安全機能が可能になる。

一実施形態によると、送信機通信インダクタは、電力送信インダクタとはコンポーネントである。さらなる実施形態では、送信機通信インダクタは電磁シールドを備える。

実施形態において、送信機通信インダクタは、電力送信インダクタを形成する同じインダクタの一部によって形成される。これは、余分なコンポーネントが回避されるという点で、費用効果的なソリューションを提供することができる。

一実施形態によると、送信器通信共振回路に結合され、通信駆動信号を生成するように構成された通信ドライバがある。これにより、電力送信機は、高周波システムを使用して電力受信機に応答することができる。

一実施形態によると、電力送信機はさらに、送信機通信共振回路に結合され、通信信号をデコードするように構成される通信受信機（501）を有し、高周波通信を受信することができる。

同様に、誘導電力電力信号を介して無線で電力を受信するための電力受信機が提供され、当該電力受信機は、電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタと、前記電力受信インダクタに動作可能に結合され、第1周波数における受信共振を確立するように構成された受信機共振回路と、受信機共振回路とは異なり、電力受信機インダクタに直接または容量的に結合され、電力受信機インダクタとの有意な磁気結合がなく、通信のために第1周波数とは異なる第2周波数における受信機通信共振を確立するように配置される、受信機通信共振回路と、を有し、電力受信機インダクタは、受信共振と受信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および送信機通信共振回路は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成される。

一実施形態によると、通信信号は、電力受信インダクタを介して通過する。

一実施形態によると、第2の受信機共振回路は、電力送信機内に存在する通信インダクタに実質的に磁気的に結合されないように構成された受信機通信インダクタを有する。

一実施形態によると、受信機通信インダクタは、電力送信インダクタとは別個の部品である。

一実施形態によると、受信機通信インダクタは、電磁シールドを備える。

一実施形態によると、受信機通信インダクタは、電力受信インダクタを形成する同じインダクタの一部によって形成される。

一実施形態によると、電力受信機は、受信機通信共振回路に結合され、通信駆動信号を生成するように構成された通信ドライバをさらに有する。

一実施形態において、前記電力受信機は、前記受信機通信共振回路に結合され、通信信号を復号化するように配置された通信受信機をさらに有する。 誘導電力信号を介して電力受信機に電力を供給するための電力送信機を有する無線電力伝送システムも提供され、電力送信機は、第1周波数における送信共振を有し、電力伝送信号を生成するように構成された電力送信インダクタを含む送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは前記電力受信機内の電力受信機インダクタに磁気的に結合可能に構成される、送信機共振回路と、前記電力送信機共振回路に動作可能に結合され、前記電力送信インダクタのための駆動信号を生成するように構成された電力送信機ドライバと、送信機共振回路とは異なり、電力送信インダクタに直接または容量的に結合され、通信のために、第1の周波数とは異なる第2周波数における送信機通信共振を確立するように構成される、送信機通信共振回路と、を有し、前記電力送信インダクタは、送信共振と送信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および前記送信機通信共振回路は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成され、前記電力受信機は、電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタと、前記電力受信インダクタに動作可能に結合され、第1周波数において受信共振を確立するように構成された受信機共振回路と、前記受信機共振回路とは異なり、電力受信機インダクタに直接または容量的に結合され、通信のために、第1周波数とは異なる第2周波数における第2受信機共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、を有し、前記電力受信機インダクタは受信共振と受信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および送信機通信共振回路は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成され、前記システムは、電力送信機インダクタおよび電力受信機インダクタを通過する第2周波数における搬送波を用いて、電力送信機と電力受信機との間の通信の少なくとも一部を行うように構成される。

誘導電力伝送信号を介して本明細書に示されるいずれかの電力受信機に電力を提供するために本明細書に示されるような電力送信機を用いる無線電力伝送の方法も提供され、当該方法は、電力送信機において、駆動信号を生成して、電力伝送号を生成するように前記駆動信号を電力伝送インダクタに印加するステップと、前記電力受信機および前記電力送信機のいずれか一方において第2の共振回路に通信駆動信号を印加して通信信号を生成するステップと、を有し、 電力信号と通信信号が同時に存在する。

開示された装置、システムおよび方法の上記ならびに追加の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して、装置及び方法の実施形態の以下の例示的かつ非限定的な詳細な説明を通して、より良く理解されるであろう。
無線電力伝送システムを表す図。 電力送信機のためのハーフブリッジインバータの例を示す図。 電力送信機のためのフルブリッジインバータの例を示す図。 一実施形態による無線電力送信機における回路を表す図。 一実施形態による電力送信機における電力送信回路の伝達関数曲線を示す図。 一実施形態による電力送信機における通信回路の伝達関数曲線を示す図。 一実施形態による動作のために構成される電力送信機及び電力受信機の回路を示す図。 実施形態による通信回路の変形例を示す図。 実施形態による通信回路の変形例を示す図。 一実施形態による電力送信機における信号のタイミングを示す図。 一実施形態による通信回路の受信部の一実施形態を示す図。 一実施形態による、送信機または受信機における電力信号および通信信号を含む信号を示す図。

以下の説明では、同じ参照符号は同様の要素を指す。

以下の説明は、Qi規格から知られているような電力伝送アプローチを利用する無線電力伝送システムに適用可能な本発明の実施形態に焦点を当てる。しかしながら、本発明は、この用途に限定されず、多くの他の無線電力伝送システムに適用されてもよいことが理解されるのであろう。

図1は、本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システム100の例を示す。電力伝送システムは、送信機コイル/インダクタ103を含む(またはそれに結合される)電力送信機101を有する。システムは、受信機コイル/インダクタ107を含む(またはそれに結合される)電力受信機105をさらに備える。

システム100は、電力送信機101から電力受信機105に電力を誘導的に伝送することができる電磁電力信号を提供する。具体的には、電力送信機101は、電力送信コイルまたはインダクタ103によって磁束として伝播される電磁信号を生成する。電力信号は、典型的には、約20kHz~約500kHzの間の周波数を有し、Qi互換システムに対しては、典型的には95kHz乃至205kHzの範囲内の周波数を有する（または例えば、高出力キッチンアプリケーションに対しては、周波数は典型的には20kHz乃至80kHzの範囲内であってもよい）。電力送信インダクタ103および受電インダクタ107は、緩く結合されており、したがって、電力受信コイル107は、電力送信機101からの電力信号（の少なくとも一部）をピックアップする。したがって、電力は、送信機コイル103から電力受信コイル107への無線誘導結合を介して、電力送信機101から電力受信機105に伝送される。電力信号という用語は主に、送信機コイル103と電力受信コイル107との間の誘導信号/磁界（磁束信号）を指すために使用されるが、同様に、送信機コイル103に提供されるか、または電力受信コイル107によってピックアップされる電気信号を指すものとしても考えられ、使用され得ることが理解されるであろう。

実施例では、電力受信機105は、具体的には受信機コイル107を介して電力を受信する電力受信機である。しかしながら、他の実施形態では、電力受信機105は、金属加熱素子のような金属素子を含んでもよく、この場合、電力信号は素子の直接加熱をもたらす渦電流を直接誘導する。

システム100は、かなりの電力レベルを伝送するように構成されることができ、具体的には、多くの実施形態において、電力送信機101は、500mW、1W、5W、50W、100Wまたは500Wを超える電力レベルをサポートすることができる。例えば、Qi対応アプリケーションの場合、電力伝送は、典型的には低電力アプリケーション(基本電力プロファイル)の場合は1乃至5Wの電力範囲、Qi規格バージョン1.2の場合は15Wまで、電動工具、ラップトップ、ドローン、ロボットなどの高電力アプリケーションの場合は100Wまでの範囲、例えばキッチンアプリケーションなどの非常に高電力のアプリケーションの場合は100Wを超えて1000Wを超える範囲とすることができる。

以下では、電力送信機101および電力受信機105の動作が、(本明細書で説明される(または結果として生じる)修正および拡張を除いて)一般にQi規格に従うか、または無線電力伝送コンソーシアムによって開発されている高電力キッチン仕様に適した実施形態を特に参照して説明される。特に、電力送信機101および電力受信機105は、Qi規格バージョン1.0、1.1または1.2の要素(本明細書で説明される(または結果として生じる)修正および拡張を除く)に従うか、または実質的に互換性があり得る。

図2aは、電力送信機101の実施形態で使用されるハーフブリッジスイッチブリッジ/インバータの概略図を示す。入力端子V+とV-の間に直流電圧が印加される。スイッチS1およびS2は、同時に閉じることがないように制御される。交互に、S2が開いている間にS1が閉じられ、S1が開いている間にS2が閉じられる。スイッチは、所望の周波数で開閉され、それによって、出力において交流信号を生成される。典型的には、インバータの出力が共振コンデンサCresを介して電力伝送インダクタ103に接続される。

図2bは、電力送信機101の実施形態で使用されるフルブリッジスイッチブリッジ/インバータの概略図を示す。入力端子V+とV-の間に直流電圧が印加される。いくつかの動作モードでは、スイッチS1およびS2が同時に閉じることがないように制御される。スイッチS3およびS4は、同時に閉じることがないように制御される。交互に、S2とS3が開いている間はスイッチS1とS4が閉じ、S1とS4が開いている間はスイッチS2とS3が閉じ、それによって出力に方形波信号が生成される。スイッチは、所望の周波数で開閉される。別の動作モードでは、時間の一部においてS1およびS3は開いておりS2およびS4は閉じており、その逆も同様である。これは、しばしば位相制御と呼ばれる。これらの装置は、電力信号搬送周波数となる周波数における方形波タイプの出力を生成する。電力送信機インダクタンス103のインダクタンスの効果は、これを正弦波に近いものに変換することである。しかしながら、インバータ内のスイッチは有限の開閉時間を有するので、V+からV-へ電流が直接流れる短い瞬間が存在し、電力信号正弦波のゼロ交差にスパイクを生じる。スパイクがあると、周波数領域では、これらは電力信号に対する高周波成分として現れるであろう。電力伝送のために、これらのスパイクは、受信機共振回路および任意の他の必要なフィルタリングによってフィルタ除去することができる。

（例えば、100Wを伝送する）高電力システムの場合、電力送信機および電力受信機は、典型的には、無線電力伝送の制御を実行するために、および/または、電力受信機と電力送信機との間の認証または他の補助データ伝達を実行するために、通信チャネルを確立する。

NFCのような並列通信チャネル（帯域外）を使用することが可能である。しかしながら、これには多くの問題がある。

NFCが動作するには、NFCアンテナを十分に位置合わせさせる必要がある。コードレスキッチンのような状況では、ユーザが電力受信機を動かすことが起こり得る。この再配置は、電力伝送の許容範囲内であり得るが、その時点で起こっているあらゆるNFC通信を中断する程度までNFCフィールドを混乱させる可能性がある。これは、システム制御のレベルでエラーを引き起こす結果となり、そしてこれは電力伝送のリセットにつながり得る。

NFCアンテナは、（送信または受信）電力伝送インダクタ103, 107の影響を受けないように配置される必要がある。これは、電力送信機101または電力受信機105に余分な設計上の制約を課す。

重要なことは、NFCシステムは、電力信号が比較的低いレベルを下回っている場合にのみ動作可能である。

最後に、NFCシステムは、ハードウェアおよび当業者が認識するであろう他の考慮事項にリンクされたコストの影響を伴う。

したがって、上記の問題に対処するソリューションが望ましい。

図3は、電力送信機の例示的な要素、特に電力送信インダクタ103に関連する共振回路を示す。

キャパシタ301（C_p）は、電力送信インダクタ103と電力送信機ドライバー303（PTSDRV）との間に接続されている。電力送信機ドライバ303は、図2a及び2bに関連して説明された要素のような要素を含むことができる。キャパシタ301および電力送信インダクタ103は、第1（直列）共振回路を形成する。しばしば、電力信号の搬送波は20乃至300kHzである。したがって、共振回路（送信機共振回路）は、電力搬送波の周波数のどこかで、この範囲内における、たとえば100kHzの共振周波数ω_pを有することができる。第2のインダクタ305（送信機通信インダクタ、L_c）は、電力送信インダクタ103と、より低い基準電位との間に結合される。本実施例では、送信機通信インダクタ305の電力送信インダクタ103への結合は、直接（言い換えるとDC）または容量性のいずれかであることが望ましい。

電力送信インダクタ103と送信機通信インダクタ305との結合点には、キャパシタ307（C_c）に結合されており、このキャパシタは、次に、抵抗309（R_c）に結合されている。抵抗309の他方の端子は、送信機通信ドライバ311（TCDRV）に接続される。キャパシタ307と抵抗309との間には、送信機通信受信機312が結合されており、送信機通信受信機312（TCRCV）は、通信信号を検出し、復調し、復号するように構成されている。電力送信機コントローラ313（PTCTRL）は、電力送信機ドライバ303、送信機通信ドライバ311および送信機通信受信機312に接続され、電力信号の生成および電力受信機105との通信を制御する。

第2の（直接）共振回路（送信機通信共振回路）は、送信機通信インダクタ305、キャパシタ307、抵抗309および電力送信インダクタ103によって形成される。通信信号のための搬送波周波数の都合の良い選択は、電力信号搬送波よりも10倍程度高い（またはそれ以上）ことになる。したがって、本例では、この送信機通信共振回路の共振周波数ω_cは、例えば1.1MHz前後の、MHzの範囲であってもよい。通信は、比較的「高周波」である。

電力送信機ドライバ303および送信機通信ドライバ311は、両方とも、下側基準または下側基準電位を基準とする。

図4aは、送信機共振回路の伝達曲線を示す図である。第1のトレース401は、システム応答の大きさを周波数の関数として示し、第2のトレース403は位相を示す。電力伝送におけるピーク405は、送信機共振回路の共振またはその付近である、100kHz付近に存在する。

図4bは、送信機通信共振回路の伝達曲線を示す。第1のトレース407は周波数の関数としてのシステム応答の大きさを示し、第2のトレース409は位相を示す。電力伝送におけるピーク411は、送信機通信共振回路の共振である、1.1MHz付近に存在する。

このように、誘導電力伝送信号を介して電力受信機103に電力を無線で供給するための電力送信機101は、第1周波数における送信共振を有し、電力伝送信号を生成するように構成された電力送信インダクタを有する送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは、電力受信機内の電力受信機インダクタと磁気的に結合可能に（すなわち、磁気的に結合され得るように）構成される、送信機共振回路と、電力送信機共振回路に動作可能に結合され、電力送信インダクタ103のための駆動信号を生成するように構成される電力送信機ドライバ303と、前記送信機共振回路とは異なり、電力送信機インダクタに直接または容量的に結合され、通信のために第1周波数とは異なる第2周波数で送信機通信共振を確立するように構成される送信機通信共振回路と、前記第2送信機共振回路に結合され、通信駆動信号を生成するように構成される通信回路とを有し、電力送信インダクタ103は送信共振および送信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および前記送信機通信共振回路（本実施例では、それぞれ301＋103および305＋307＋309＋103）は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成される。

図5は、一実施形態による電力伝送および通信を実行するように構成された、電力送信機101および電力受信機103、ならびにそれらの要素を表す。電力送信機101の要素は図3を参照して議論されており、説明を省略する。

電力受信機103側では、電力受信インダクタ107がキャパシタ505（C_p）を介して電力受信機コントローラ507（RCVCTRL）に接続されている。キャパシタ505はさらに、受信機コントローラ側で、キャパシタ506を介して下側基準電位に結合される。電力送信機103内のより低い基準電位は、電力受信機105内のより低い基準電位に直接接続されておらず、各々の、真の接地に対する絶対値は全く異なる可能性があることに留意されたい。受信機側における第1共振回路のための電力受信インダクタ103及びキャパシタ505を、受信機共振回路とする。受信機コントローラ507は、受信機共振回路を使用して電力受信インダクタ107によって捕捉される電力信号から電力を抽出する。電力送信機103と同様に、受信機共振回路は、20乃至200kHzの範囲、例えば100kHz付近の共振周波数を有する。送信機共振回路と受信機共振回路の共振周波数は同じであることが望ましい。受信機コントローラ507は、電力を供給する負荷509に結合される。受信機コントローラと負荷509との結合は、電力受信インダクタによって見込まれる負荷の変調を可能にするスイッチング素子および/または他の素子を含む。この結合は、ここでは説明されず、当業者により理解される範囲内である。

受信機通信インダクタ511（L_c）は、電力受信インダクタ107とより低い基準電位との間に結合される。この例では、この結合は直接（DC）または容量性のいずれかであることが望ましい。電力受信機インダクタ103と受信機通信インダクタ511の結合点には、キャパシタ513（C_c）が結合されており、このキャパシタは抵抗515に結合されている。抵抗515の他方の端は、受信機通信ドライバ517（RCDRV）に結合される。

電力送信機103の場合と同様に、第2共振回路（受信機通信共振回路）は、受信機通信インダクタ511、キャパシタ513、抵抗515および電力受信インダクタ107によって形成される。この送信機通信共振回路の共振周波数は、MHzの範囲、例えば1.1MHz付近であってもよい。

受信機通信受信機519（RCV）は、受信機通信共振回路に結合され、受信機通信共振回路を介して受信された通信信号を復調して復号するように構成される。

電力送信インダクタ103が送信機通信共振回路に参加しているため、送信機通信共振回路の共振の周囲、すなわちMHz範囲で搬送波周波数を有する通信信号を送信することが可能である。したがって、電力信号および通信信号は電力送信インダクタを通過してもよく、電力信号および通信信号は同時に存在してもよい。

したがって、誘導電力伝送信号を介して無線で電力を受信するための電力受信機（103）は、電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタ（107）と、前記電力受信インダクタに動作可能に結合され、第1周波数における受信共振を確立するように構成される受信機共振回路と、 前記電力受信インダクタ（107）に動作可能に結合され、第2周波数における第2受信機共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、受信機共振回路とは異なり、電力受信機インダクタ（107）に直接または容量的に結合され、通信のために、第1周波数とは異なる第2周波数における受信機通信共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、前記第2受信機通信共振回路に結合され、通信駆動信号を生成するように構成される受信機通信ドライバ（517）とを有し、電力受信機インダクタ（107）は受信共振と受信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および送信機通信共振回路は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成される。

図5に示すように、電力送信インダクタと電力受信インダクタ107は磁気的に結合される。多くの場合、この結合の誘導結合係数kは、0.2乃至0.8の範囲である。しかしながら、通信インダクタ305, 511については、それらはそれぞれの「電力」インダクタ103, 107に対して、または互いに対して、有意な磁気結合を有さないことが望ましい。このような状況は、通信インダクタ305又は511の一方又は両方において逆位相通信信号を発生させる危険性があり、予測不可能な影響を有し、場合によっては通信信号を劣化させる。さらに重要なことには、通信信号が送信機および受信機インダクタ103, 107およびそれらの磁気結合を通過することが意図されている。「有意な磁気結合なし」とは、1%未満の磁気結合が許容可能な性能のために十分に低く、0.1%未満が望ましいことを意味する。磁気結合のレベルは、測定可能な逆位相通信信号の存在を探すことによって確認することができる。

この構成の利点は複数ある。

通信インダクタ305, 511はいかなる有意の程度にも磁気的に結合されず、通信信号は電力送受信インダクタ103, 107を通過するので、通信信号は電力受信機103と送信機101との相対的な位置決めによって、より摂動を受けにくい。実際に、電力受信機103が動かされることによって通信信号が中断されるリスクは低減される。

送信共振と通信共振が同時に存在するため、電力伝送信号と通信信号を同時に存在させることが可能である。さらに、通信搬送波のMHz周波数は、負荷変調のような電力信号の変調を使用する技術よりもはるかに高い帯域幅の可能性を提供する。

さらに、設計制約は、NFCベースのシステムと比較して緩和され、電力送信機および受信機101, 103の全体的な設計をより容易にする。コンポーネントの節約を可能とすると共に、これは、システム全体のコストを低減するのに役立ち得る。

ここで、電力受信機103に類似の分析を適用することができるが、電力送信機103を参照して信号の流れについて議論する。電力信号搬送波は、経路C_p - L_p - L_c、すなわち301-103-305を通して流れる。電力信号の搬送波周波数（「低周波数」）では、コンデンサ307（C_c)）は高インピーダンスを有し、通信インダクタ305（L_c)）はるかに低いインピーダンスを有する。例えば、電力信号周波数と通信信号搬送波周波数との間に約10分の1の差がある場合、低周波におけるキャパシタ307 C_cと通信インダクタ305（L_c）との間のインピーダンス差は、約40dBであり得る。これは、抵抗309（R_c）-通信ドライバ/受信機回路によって見られる電力信号の振幅を制限するという望ましい影響を有する。この振幅が大きければ大きいほど、通信信号と電力信号とを区別することができるために通信受信機501が必要とするダイナミックレンジが大きくなる。通信-電力分離のこの考慮事項は、搬送波周波数に少なくとも10倍の差を有することを望ましいものとする。

通信ドライバ311から提供される電流は、経路R_c - C_cを流れ、L_cとL_pとの間で分割される。ほとんどはL_cを介して下位基準電位に流れるが、幾ばくかは経路L_p - C_p-電力伝送ドライバ303（または受信機コントローラ507）を介して流れる。この量は20%未満であってもよい。それにもかかわらず、電力送信インダクタ103を流れる通信搬送波の電流は、通信インダクタ305を流れる電流の数%に過ぎない場合がある。電力送信インダクタ103内の通信搬送波による電流は、次式によって与えられ得る:

本実施例における搬送波周波数では、キャパシタ307（C_p）およびドライバ303のインピーダンスは低く、電力送信インダクタ103（L_p）をより低い基準に効果的に短絡させる。本実施例では、通信搬送波の振幅は電力信号搬送波の5%以下であってもよい。また、電力送信インダクタ103における通信搬送波電流は、通信インダクタ305におけるものの数%に過ぎない。それにもかかわらず、これは受信側で検出することができる。したがって、電力信号搬送波と低レベルの通信搬送波とを、電力伝送インダクタ103（または電力受信機のための107）内に独立にかつ同時に有することが可能である。

前述のように、通信インダクタ305/511によって見られる任意の誘導結合は、非常に小さいかまたは無視できることが望ましい。これはまた、所望の信号フローが得られることを確実にする。

ドライバ303の性質上、図2に関連して論じられたように、電力信号のゼロ交差上には（より）高い周波数のスパイクが存在する。これらは、通信信号の目的のための帯域内に存在する可能性がある。通信共振回路のQ値が高すぎると、これらのスパイクが通信共振回路に振動をもたらす可能性がある。これは、通信信号を復号することができるように、追加の減衰を必要とする。従って、通信共振回路のQ値は低く、20未満であるのが好ましい。

一実施形態によると、送信機通信インダクタ305は、電力送信インダクタ103とは別個のコンポーネント、例えば表面実装コンポーネントであってもよい。これは、それが小さく、比較的自由に配置され得るという利点を有する。

一実施形態によると、送信機通信インダクタ305は、電磁シールドを備える。シールドは改善されたアイソレーションを提供し、1つまたは複数の他のインダクタへの望ましくない結合のリスクをより低くすることができる。

一実施形態によると、電力送信インダクタ103はコイルによって形成され、送信機通信インダクタ305は同じインダクタの一部分によって、例えば、キャパシタ307をコイルの長さに沿ったどこかの地点に結合することによって、形成される。この地点は、所望の2つのインダクタンス値を得るように選択されるべきである。この計算は、当業者の理解の範囲内である。また、通信関連部分の長さの選択および全体のレイアウトは、通信関連部分が、例えば他のインダクタに近接しほぼ平行に整列されることによって電力受信機内のインダクタに磁気的に結合する可能性があるようにそれ自体が位置決めされないように行われることが望ましい。

一実施形態によると、受信機通信インダクタ511は、電力送信インダクタ103とは別個のコンポーネント、例えば、表面実装コンポーネントであってもよい。

一実施形態によると、受信機通信インダクタ511は電磁シールドを備える。

一実施形態によると、電力受信インダクタ107は、コイルによって形成され、送信機通信インダクタ511は、同じインダクタの一部分によって、例えば、キャパシタ513をコイルの長さに沿ったどこかの地点に結合することによって形成される。この地点は、所望の2つのインダクタンス値を得るように選択されるべきである。この計算は、当業者の理解の範囲内である。また、通信関連部分の長さの選択および全体のレイアウトは、通信関連部分が、例えば他のインダクタに近接しほぼ平行に整列されることによって電力送信機内のインダクタに磁気的に結合する可能性があるようにそれ自体が位置決めされないように行われることが望ましい。

無線電力転送システムでは、両方とも実施形態に従った、誘導電力転送信号を介して電力受信機（103）に電力を供給するための電力送信機（101）を有することが可能である。一方において、電力送信機は、第1周波数における送信共振を有し電力伝送信号を生成するように構成された電力送信インダクタ（103）を有する送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは、電力受信機（103）内の電力受信機インダクタ（107）に磁気的に結合可能に構成される、 送信機共振回路と、電力送信機共振回路に動作可能に結合され、電力送信インダクタ（103）のための駆動信号を生成するように構成される電力送信機ドライバ（303）と、送信機共振回路とは異なり、電力送信機インダクタに直接または容量的に結合され、通信のために第1周波数とは異なる第2周波数における送信機通信共振を確立するように構成される送信機通信共振回路と、前記第2送信機共振回路に結合され、通信信号から情報を抽出するように配置される送信機通信受信機（501）とを有し、電力送信インダクタ（103）は送信共振および送信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および送信機通信共振回路は、同時に第1および第2共振を示すことができるように構成される。他方では、電力受信機（103）は、電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタ（107）と、電力受信インダクタ（107）に動作可能に結合され、第1周波数において電力受信共振を確立するように構成される受信機共振回路と、前記電力受信インダクタに動作可能に結合され、第2周波数において第2の受信機共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、受信機共振回路とは異なり、電力受信機インダクタ（107）に直接または容量的に結合され、通信のために第1周波数とは異なる第2周波数において第2の受信機共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と および 第2の送信機共振回路に結合され、通信信号を生成するように構成される受信機通信ドライバ（517）とを有し、 前記電力受信機インダクタ（107）が受信共振と受信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路および前記送信機通信共振回路は、第1および第2共振を同時に示すことができるように構成される。

システムは、電力送信機及び電力受信機インダクタを介して通過する第2周波数における搬送波を使用して、電力送信機と電力受信機との間の通信の少なくとも一部を行うように構成されてもよい。

送信共振および通信共振が電力送信機103および電力受信機105の両方に存在することによって、実施形態による電力送信機を使用して、誘導電力伝送信号を介して実施形態による電力受信機に電力を供給することが可能であり、当該使用は、電力送信機において、 駆動信号を生成し、電力信号を生成するように当該駆動信号を電力送信インダクタに印加し、電力送信機103または電力受信機105のいずれかにおいて、電力受信機または電力送信機のいずれかにおいて第2共振回路に通信駆動信号を印加して通信信号を生成し、電力信号と通信信号である「高周波」信号とが同時に存在する。

帯域内通信チャネルを有する無線電力システムにおいて、電力受信機105から電力送信機103への典型的な通信方法は負荷変調である。有利なソリューションは、電力受信機105側の高周波搬送波生成によって達成することができる相対負荷変調の使用である。それは、単一の高周波搬送波変調器のみを備えた電力受信機105が高周波復調器の有無にかかわらず送信機103に電力を通信することを可能にする。電力信号の変調は、「低」周波数の古い負荷変調のみを持つ電力送信機の負荷変調に似ている。したがって、高周波変調器を備えた電力受信機は、依然として「古い」電力送信機と通信することができる。

例えばネゴシエーションの開始時における初期通信は、電力信号（「低周波数」）に適用される既知の負荷変調技術を用いて実行されてもよい。これらの通信の一部を使用して、電力送信機103に対して、電力受信機105が本明細書に記載される「高周波」通信をサポートすることができるかどうか、およびこれが単方向通信であるか二重通信であるかどうかを判断することができる。できると判断される場合、電力送信機及び受信機103, 105は、次いで、「高周波」方法を使用するように移行することができる。

図6aおよび図6bは、実施形態による通信回路を表す。図6aにおいて、キャパシタ307/513と抵抗309/515との間に通信受信機501/519が結合される。抵抗309/515と通信ドライバ311/517との間には双投スイッチ601があり、これは通信回路が受信モードにあるときに、通信ドライバ311/517を切断するために使用され得る。スイッチ601の共通端子は抵抗309/515に結合され、スイッチ601の一方のスイッチ端子は通信ドライバ311/517に結合され、他方はより低い基準電位に接続される。図6bは、スイッチ601の共通端子がキャパシタ307/513に結合される別の実施形態を示す。一方のスイッチ端子は第1の抵抗309/515に結合され、他方は第2の抵抗603に結合され、そして第2抵抗はより低い基準電位に接続される。

これらの構成は両方とも半二重通信を提供する。所望の情報は、振幅シフトキーイング、位相/周波数シフトキーイング、直交変調または実際に他の技術のような種々の変調方式によって通信搬送波信号上に変調され得る。

一実施形態によると、通信は、電力受信機105から電力送信機101への単方向通信である。電力送信機103は通信受信機312のみを有し、電力受信機105は通信受信機519を有さない。この場合、通信ドライバ311に接続されるように示されるようにこれまで示されていた抵抗309の端子は、より低い基準電位に接続されるべきである。他の方向での単方向通信を有する実施形態では、電力受信機105のより低い基準電位に接続されるのは抵抗515である。

図7は、電力伝送ドライバ信号701および703の有利な相対的タイミングを表す。前述したように、電力信号のゼロ交差上には（より）高い周波数のスパイクが存在する。これらは、通信信号の目的のための帯域内になる可能性がある。従って、ゼロ交差中に通信信号を変調するのではなく、通信搬送波の変調を電力伝送駆動信号701の一方又は他方の半分に制限することが有用であり得る。

図8は、オンオフキー変調信号のための検出器回路の実施形態を表す。入力信号（VM2）は、ハイパスフィルタ801を通過し、次に増幅器（または比較器）803を通過して、4ビットカウンタ805と、カウンタ805をリセットするように構成された再トリガ可能マルチバイブレータ807とから構成される回復回路に到達する。次いで、カウンタ出力は、元の変調を回復するために、別の再トリガ可能マルチバイブレータ809に供給される。この構成の利点は、電力信号搬送波のデューティサイクルに制約を課す必要なしに、ビット当たりの搬送波サイクルの数を変更できることである。次いで、回復された変調は、情報を回復するために復号され得る。

図9は、前述の実施形態に関連して、変調および検出の例示的な波形を示す。トレース901は、システムの整流されていないAC電力出力、すなわちキャパシタ506の両端の電圧を示す。トレース903は、マルチバイブレータ809の検出器の出力を示す。トレース905は、カウンタ805の出力を示す。トレース907は、マルチバイブレータ807の出力である搬送波検出器信号を示す。トレース909は、比較器803からの回復パルスを示す。トレース911は、ハイパスフィルタへの入力を示す。最後に、トレース913は、（可視化のために）通信入力信号変調が重畳された電力信号ドライバ信号を示す。

上述の実施形態は本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くの代替の実施形態を設計することができることに留意されたい。

請求項において、括弧の間に置かれる如何なる参照記号もその請求項を限定すると解釈されるべきではない。動詞「有する（comprise）」及びその活用形の使用は、請求項に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先行する冠詞「a」または「an」は、複数のそのような要素の存在を除外しない。本発明は、いくつかの別個の要素を備えるハードウェアによって、および適切にプログラムされたコンピュータまたは処理ユニットによって実施されてもよい。いくつかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの1つの同じアイテムによって具現化されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載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されることができないことを示すものではない。

本発明の態様は、コンピュータによって実行されることができるコンピュータ可読記憶装置上に記憶されたコンピュータプログラム命令の集合でありもよく、コンピュータプログラム製品において実施されてもよい。本発明の命令は、スクリプト、解釈可能プログラム、ダイナミック・リンク・ライブラリ(DLL)又はJavaクラスを含む)、任意の解釈可能又は実行可能コードメカニズムあってもよい(但しこれらに限定されない。命令は、完全な実行可能プログラム、部分的な実行可能プログラム、既存のプログラムに対する修正(例えば、更新)または既存のプログラムに対する拡張(例えば、プラグイン)として提供されることができる。さらに、本発明の処理の一部は、複数のコンピュータまたはプロセッサに分散させることができる。

コンピュータプログラム命令を記憶するのに適した記憶媒体には、EPROM、EEPROMおよびフラッシュメモリ装置、内部および外付けハードディスクドライブなどの磁気ディスク、リムーバブルディスクおよびCD-ROMディスクを含むが、これらに限定されない、すべての形態の不揮発性メモリが含まれる。コンピュータプログラム製品はこのような記憶媒体上で配布されてもよいし、HTTP、FTP、電子メールを介して、またはインターネットのようなネットワークに接続されたサーバを介したダウンロードのために、提供されてもよい。

Claims (20)

1. 誘導的な電力伝送信号を介して電力受信機に電力を無線で供給するための電力送信機であって、
   第1周波数における送信共振を持ち前記電力伝送信号を生成するように構成される電力送信インダクタを有する送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは前記電力受信機内の電力受信機インダクタと磁気的に結合可能であるように構成される、送信機共振回路と、
   前記送信機共振回路と動作可能に接続され、前記電力送信インダクタのための駆動信号を生成するように構成される電力送信機ドライバと、
   前記送信機共振回路とは異なり、前記電力送信インダクタと直接または容量的に結合され、前記電力送信インダクタと磁気的に有意に結合せず、通信信号による通信のために前記第1周波数と異なる第2周波数における送信機通信共振を確立するように構成される送信機通信共振回路と、を有し、
   前記電力送信インダクタは送信共振及び送信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路及び前記送信機通信共振回路は、第1及び第２共振の両方を同時に示すことができるように構成される、電力送信機。
2. 前記電力伝送信号及び前記通信信号が前記電力送信インダクタを通過する、請求項１に記載の電力送信機。
3. 前記電力伝送信号及び前記通信信号が同時に存在する、請求項１または２に記載の電力送信機。
4. 前記送信機通信共振回路が送信機通信インダクタを有し、当該送信機通信インダクタは、電力受信機内に存在する受信機通信インダクタと実質的に磁気的に結合しないように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力送信機。
5. 前記第2周波数が前記第1周波数の少なくとも７倍である、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力送信機。
6. 前記送信機通信インダクタが、前記電力送信インダクタとは別個のコンポーネントである、請求項４に記載の電力送信機。
7. 前記送信機通信インダクタが電磁気シールドを有する、請求項６に記載の電力送信機。
8. 前記送信機通信インダクタが、前記電力送信インダクタを形成するインダクタと同じインダクタの一部により形成される、請求項４に記載の電力送信機。
9. 前記送信機通信インダクタに結合され、通信駆動信号を生成するように構成される通信ドライバをさらに有する、請求項４または６乃至８のいずれか一項に記載の電力送信機。
10. 前記送信機通信共振回路に結合され、通信信号を復号するように構成される通信受信機をさらに有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力送信機。
11. 誘導電力伝送信号を介して無線で電力を受信するための電力受信機であって、
    前記電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタと、
    前記電力受信インダクタと動作可能に結合され、第1周波数における受信共振を確立するように構成される受信機共振回路と、
    前記受信機共振回路とは異なり、前記電力受信インダクタと直接または容量的に結合され、前記電力受信インダクタと磁気的に有意に結合せず、通信信号による通信のために前記第1周波数と異なる第2周波数における受信機通信共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、を有し、
    前記電力受信インダクタは受信共振及び受信機通信共振の両方に参加し、前記受信機共振回路及び前記受信機通信共振回路は第1共振及び第2共振の両方を同時に示すことができるように構成される、電力受信機。
12. 前記通信信号が前記電力受信インダクタを通過する、請求項１１に記載の電力受信機。
13. 前記受信機通信共振回路が、電力送信機内の通信インダクタと実質的に磁気的に結合しないように構成される受信機通信インダクタを有する、請求項１１または１２に記載の電力受信機。
14. 前記受信機通信インダクタが、前記電力受信インダクタと別個のコンポーネントである、請求項１３に記載の電力受信機。
15. 前記受信機通信インダクタが電磁シールドを有する、請求項１４に記載の電力受信機。
16. 前記受信機通信インダクタが、前記電力受信インダクタを形成するインダクタと同じインダクタの一部により形成される、請求項１３に記載の電力受信機。
17. 前記受信機通信共振回路に結合され通信駆動信号を生成するように構成される通信ドライバをさらに有する、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の電力受信機。
18. 前記受信機通信共振回路に結合され通信信号を復号するように構成される通信受信機をさらに有する、請求項１１から１7のいずれか一項に記載の電力受信機。
19. 誘導的な電力伝送信号を介して電力受信機に電力を供給するための電力送信機を有する無線電力伝送システムであって、
    前記電力送信機は、
    第1周波数における送信共振を持ち前記電力伝送信号を生成するように構成される電力送信インダクタを有する送信機共振回路であって、前記電力送信インダクタは前記電力受信機内の電力受信機インダクタと磁気的に結合可能であるように構成される、送信機共振回路と、
    前記送信機共振回路と動作可能に接続され、前記電力送信インダクタのための駆動信号を生成するように構成される電力送信機ドライバと、
    前記送信機共振回路とは異なり、前記電力送信インダクタと直接または容量的に結合され、前記電力送信インダクタと磁気的に有意に結合せず、通信のために前記第1周波数と異なる第2周波数における送信機通信共振を確立するように構成される送信機通信共振回路と、を有し、
    前記電力送信インダクタは送信共振及び送信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路及び前記送信機通信共振回路は、第1及び第２共振の両方を同時に示すことができるように構成され、
    前記電力受信機は、
    前記電力伝送信号から電力を抽出するための電力受信インダクタと、
    前記電力受信インダクタと動作可能に結合され、第1周波数における受信共振を確立するように構成される受信機共振回路と、
    前記受信機共振回路とは異なり、前記電力受信機インダクタと直接または容量的に結合され、前記電力受信機インダクタと磁気的に有意に結合せず、通信のために前記第1周波数と異なる第2周波数における受信機通信共振を確立するように構成される受信機通信共振回路と、を有し、
    前記電力受信機インダクタは受信共振及び受信機通信共振の両方に参加し、前記送信機共振回路及び前記送信機通信共振回路は第1共振及び第2共振の両方を同時に示すことができるように構成され、
    前記システムは、電力送信インダクタ及び電力受信機インダクタを通過する前記第2周波数における搬送波を用いて前記電力送信機と前記電力受信機との間の通信の少なくとも一部を実行するように構成される、システム。
20. 誘導電力伝送信号を介して請求項１１から１８のいずれか一項に記載の電力受信機に電力を供給するために請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力送信機を用いる無線電力伝送方法であって、
    前記電力送信機において、駆動信号を生成し、当該駆動信号を前記電力送信インダクタに印加して電力伝送信号を生成し、
    前記電力受信機と前記電力送信機のいずれかにおいて、第2の共振回路に通信駆動信号を印加することにより通信信号を生成し、前記電力伝送信号および前記通信信号が同時に存在する、方法。

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