JP7626512B1 - Wireless power supply system having tuning adjustment circuit - Google Patents
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Abstract
[要約]
[課題]既存の電子機器を用いてワイヤレス充電をする。
[解決手段]給電器は、給電コイルを有する。受電器は、受電コイルと、受電回路部と、負荷とを有する。共振現象を用いた電磁誘導により、給電器から受電器へ電気的エネルギーを供給する。給電コイルに対して電源供給のオン(駆動状態)と、オフ(共振状態)とをスイッチ回路により、周期的に繰り返す。受電器の共振周波数は、およそ駆動状態の時間と共振状態の時間の合算された周期である。給電器の共振周波数は、およそ共振状態の時間の周期として、共振用コンデンサー及びコイルの調整をチューニング調整回路で行う。スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチを設ける。入力電圧を安定化する電圧安定化回路を設ける。受電側周波数調整回路を設ける。
[summary]
[Problem] Wireless charging is performed using existing electronic devices.
[Solution] The power supply unit has a power supply coil. The power receiver has a power receiving coil, a power receiving circuit section, and a load. Electrical energy is supplied from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using the resonance phenomenon. The power supply coil is periodically turned on (driving state) and off (resonating state) by a switch circuit. The resonant frequency of the power receiver is approximately the sum of the driving state time and the resonant state time. The resonant frequency of the power supply unit is approximately the resonant state time period, and the resonance capacitor and coil are adjusted by a tuning adjustment circuit. A flyback changeover switch is provided to switch between utilizing the diode in the switch circuit or taking a shortcut. A voltage stabilization circuit is provided to stabilize the input voltage. A receiving side frequency adjustment circuit is provided.
Description
本発明は、ワイヤレス給電、とりわけ共振方式の誘導結合により給電するワイヤレス給電に関する。 The present invention relates to wireless power supply, and in particular to wireless power supply that supplies power through resonant inductive coupling.
ワイヤレス給電の技術においては、種々の方法、方式に基づいた装置が、数多く提案されている。その中でも、電磁誘導を使った方法は、広く一般的に知られている。また、その中で、電磁誘導による共振の技術を用いた方法が代表的でありさまざまな名称で呼ばれている。本発明では、LC共振回路を用いた磁気結合を用いた技術を前提とする。In the field of wireless power supply technology, many devices based on various methods and systems have been proposed. Among these, the method using electromagnetic induction is widely known. Among these, the method using resonance technology due to electromagnetic induction is representative and is called by various names. This invention is based on the technology using magnetic coupling using an LC resonant circuit.
特許文献1には、電磁界共振による結合で比較的遠距離に給電できるワイヤレス給電にあって、より幅広い周波数の利用拡大を可能とするワイヤレス給電の方法及び給電システムが開示されている。電磁界共振ワイヤレス給電方法は、送電デバイスの送電回路と受電デバイスの受電回路とが電磁界共振で結合されるワイヤレス給電にあって、送電デバイスを、電源2に異なる2つの周波数成分f1及びf2を用い、送電回路の共振周波数をf1及び/又はf2とし、送電回路の条件を周期的に変化させて電流又は電圧の安定しない電気的過渡状態とし、受電デバイスを、受電回路の共振周波数をうなり現象による(f2-f1)又は(f1+f2)とし、該(f2-f1)又は(f1+f2)の周波数による電力を負荷に供給することを特徴とするものである。 Patent Document 1 discloses a wireless power supply method and power supply system that allows for the expansion of the use of a wider range of frequencies in wireless power supply that can supply power over a relatively long distance by coupling through electromagnetic resonance. The electromagnetic resonance wireless power supply method is a wireless power supply in which the power transmission circuit of a power transmission device and the power receiving circuit of a power receiving device are coupled by electromagnetic resonance, and is characterized in that the power transmission device uses two different frequency components f1 and f2 for the power source 2, sets the resonant frequency of the power transmission circuit to f1 and/or f2, periodically changes the conditions of the power transmission circuit to an unstable electrical transient state of current or voltage, and sets the resonant frequency of the power receiving device to (f2-f1) or (f1+f2) due to the beat phenomenon, and supplies power at the frequency of (f2-f1) or (f1+f2) to the load.
特許文献2には、電力伝送デバイスとしてループコイルを用い、非常にシンプルなワイヤレス給電器が開示されている。送電装置に設けられている送電ループコイルは、直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させる。受電器に設けられている受電ループコイルは、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給する。送電ループコイルと受電ループコイルとは電磁界共鳴結合し、送電装置から受電器へワイヤレスで電力が給電される。 Patent Document 2 discloses a very simple wireless power feeder that uses a loop coil as a power transmission device. The power transmission loop coil provided in the power transmission device extracts electrical energy from a DC power source and generates periodically changing electromagnetic field resonance energy in space. The power receiving loop coil provided in the power receiver extracts the periodically changing electromagnetic field resonance energy from space as electrical energy and supplies power to a load. The power transmission loop coil and the power receiving loop coil are electromagnetically resonantly coupled, and power is supplied wirelessly from the power transmission device to the power receiver.
特許文献3には、複数の中継装置を備えるワイヤレス給電システムであって、中継装置による電力の伝送効率の低下を抑制するワイヤレス給電システムが開示されている。給電される電力を送電する送電装置と、前記送電装置から送電された前記電力を中継する複数の中継装置と、前記中継装置で中継された前記電力を受電する受電器と、前記中継装置を経由して前記送電装置から前記受電器に前記電力を伝送する複数の伝送経路において前記電力の伝送効率が最も高くなる前記伝送経路で電力伝送するように前記中継装置を制御する制御装置と、を備えるものである。 Patent document 3 discloses a wireless power supply system that includes multiple relay devices and suppresses a decrease in power transmission efficiency caused by the relay devices. The system includes a power transmission device that transmits the supplied power, multiple relay devices that relay the power transmitted from the power transmission device, a power receiver that receives the power relayed by the relay devices, and a control device that controls the relay devices so that power is transmitted through the transmission path that provides the highest power transmission efficiency among multiple transmission paths that transmit the power from the power transmission device to the power receiver via the relay devices.
特許文献4には、磁気共振型ワイヤレス給電システムの電力の伝送効率を上昇させる技術が開示されている。磁気共振型ワイヤレス給電システムは、交流電源と、交流電源に接続される電圧変換用コイルと、送電側LC回路と、受電側LC回路と、インピーダンス変換用コイルと、インピーダンス変換用コイルに接続される負荷と、負荷に並列に接続される伝送効率調整用コンデンサーとを備える。送電側LC回路は、電圧変換用コイルの近傍に配置され、電圧変換用コイルとの間の電磁誘導により励起される送電側コイル及び送電側コンデンサーを有する。受電側LC回路は、送電側コイルと共振する受電側コイル及び受電側コンデンサーを有する。インピーダンス変換用コイルは、受電側LC回路の近傍に配置され、受電側コイルとの間の電磁誘導により励起される。伝送効率調整用コンデンサーは、交流電源から負荷への電力の伝送効率を上昇させるような容量を有する。 Patent document 4 discloses a technology for increasing the power transmission efficiency of a magnetic resonance type wireless power supply system. The magnetic resonance type wireless power supply system includes an AC power source, a voltage conversion coil connected to the AC power source, a power transmission side LC circuit, a power receiving side LC circuit, an impedance conversion coil, a load connected to the impedance conversion coil, and a transmission efficiency adjustment capacitor connected in parallel to the load. The power transmission side LC circuit has a power transmission side coil and a power transmission side capacitor arranged near the voltage conversion coil and excited by electromagnetic induction between the voltage conversion coil. The power receiving side LC circuit has a power receiving side coil and a power receiving side capacitor that resonate with the power transmission side coil. The impedance conversion coil is arranged near the power receiving side LC circuit and excited by electromagnetic induction between the power receiving side coil. The transmission efficiency adjustment capacitor has a capacity that increases the transmission efficiency of power from the AC power source to the load.
特許文献5には、磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器とからなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、前記受電器の受電回路部は、前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーを有し、前記給電器の前記給電回路部は、前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路とを有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システムが開示されている。Patent Document 5 describes a wireless power supply system that includes a power supply having a power supply coil that generates magnetic flux and a power supply circuit section that supplies power to the power supply coil to generate magnetic flux, and a power receiver having a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit section that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, and supplies electrical energy from the power supply to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon, in which the power receiving circuit section of the power receiver has a power receiving side resonance capacitor that forms a power receiving side resonance circuit so as to resonate with the power receiving coil in combination with the power receiving coil at a power receiving side resonance period, and the power supply circuit section of the power supply has a power supply side parallel The present invention discloses a wireless power supply system having a parallel resonant circuit, comprising: a power supply side resonant capacitor that forms a resonant circuit; a switch circuit that alternates between a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the switch circuit being set to the power receiving side resonant period; a control circuit that inputs a drive pulse signal that controls on and off of the switch circuit and adjusts the timing of inputting the drive pulse signal; and a power supply side tuning adjustment circuit that finely adjusts the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal to match the power receiving side resonant period.
電子機器には、バッテリーを内蔵して用いるものがある。そのようなバッテリーは、放電して消耗すると、充電する為に電子機器を専用充電器に取り付けて充電するのが一般的である。
また、昨今では、ワイヤレス給電を使ったバッテリーの充電方法が提唱されている。専用のコイルと電気回路を、給電側の充電装置、受電側の電子機器に備えて実現される。
Some electronic devices use built-in batteries. When such batteries are discharged and worn out, it is common to attach the electronic device to a dedicated charger in order to recharge them.
Recently, a method of charging batteries using wireless power transfer has been proposed. This is realized by providing a dedicated coil and electric circuit in the charging device on the power transfer side and the electronic device on the power receiving side.
ワイヤレス給電のために、共振回路を用いることがある。給電器の側の共振回路は、直列共振回路とするか、並列共振回路とするかの選択がなされる。直列共振回路は、大容量のエネルギーを送りやすい反面、損失が大きい。一方、並列共振回路は、その逆であって、比較的小容量のエネルギーを送るのに用いられ、安定した共振状態を作りやすいという特徴を持つ。
従来の一般的なワイヤレス給電では、給電器側に直列共振回路を採用することが一般的であった。また、共振状態を検出して、周波数を調整することを行う方法がとられている。これは、受電器側の位置や姿勢によって、共振周波数が変動するからであると共に、受電装置のフェライトコイルは、非常に材料や巻き線の具合で、電気的性能にばらつきがある為に、共振周波数がずれると給電効率が悪くなる為に、給電器側で共振周波数を合わせる処理を行う。
本発明の発明者は、給電器側に並列共振回路を採用することを前提にして、特許文献5において、給電器側にチューニング調整回路を設けることを提案した。
Resonant circuits are sometimes used for wireless power supply. The resonant circuit on the power supply side can be selected to be either a series resonant circuit or a parallel resonant circuit. A series resonant circuit is easy to send large amounts of energy, but it has a large loss. On the other hand, a parallel resonant circuit is the opposite, being used to send relatively small amounts of energy and characterized by being easy to create a stable resonant state.
In conventional wireless power supply, a series resonant circuit is generally used on the power supply side. Also, a method is adopted in which the resonant state is detected and the frequency is adjusted. This is because the resonant frequency varies depending on the position and posture of the power receiver side, and the ferrite coil of the power receiving device has a large variation in electrical performance depending on the material and winding condition, so if the resonant frequency is shifted, the power supply efficiency deteriorates, so a process is performed to adjust the resonant frequency on the power supply side.
The inventor of the present invention proposed in Patent Document 5 that a tuning adjustment circuit be provided on the power feeder side, on the premise that a parallel resonant circuit is employed on the power feeder side.
並列共振回路を用いて100ワット以上の様な高い電力のワイヤレス給電を行おうとする際に、共振状態で受電器側が無負荷又は軽負荷になると、給電コイル、受電コイル共に電圧が上昇してしまうために、受電器のDCDCコンバーターを破損させてしまうという課題がある。
本発明の課題は、受電器側の電圧(DCDCコンバーターへの入力電圧)を上昇させないワイヤレス給電システムを提供することにある。
When attempting to wirelessly supply high power, such as 100 watts or more, using a parallel resonant circuit, if the receiver side is unloaded or lightly loaded in a resonant state, the voltage of both the supply coil and the receiver coil will rise, which can damage the DC-DC converter in the receiver.
An object of the present invention is to provide a wireless power supply system that does not increase the voltage on the receiver side (input voltage to the DC-DC converter).
本発明の発明者は、給電器側に並列共振回路を採用すると共に、給電器側の駆動電流を供給するにあたって共振方式とフライバック方式とを切り替える、給電器側の入力電圧の安定化を図る、受電側の共振周波数を調整する、そのタイミングや調整方法と、共振周波数の調整方法に工夫をすることにより、課題を解決した。 The inventors of the present invention solved the problem by adopting a parallel resonant circuit on the power supply side, switching between the resonant method and the flyback method when supplying drive current to the power supply side, stabilizing the input voltage on the power supply side, adjusting the resonant frequency on the power receiving side, and devising the timing and adjustment method, as well as the method of adjusting the resonant frequency.
本発明に係る並列共振回路のワイヤレス給電システムは、磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器とからなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、前記受電器の受電回路部は、前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーを有し、前記給電器の前記給電回路部は、 前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すべくダイオードを含むスイッチ回路と、 前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、 前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路とを有することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
A wireless power supply system using a parallel resonant circuit according to the present invention includes a power supply unit having a power supply coil that generates a magnetic flux and a power supply circuit unit that supplies power to the power supply coil to generate a magnetic flux, and a power receiver having a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, and is a wireless power supply system that supplies electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon, wherein the power receiving circuit unit of the power receiver has a power receiving side resonance capacitor that forms a power receiving side resonance circuit so as to resonate with the power receiving coil at a power receiving side resonance period in combination with the power receiving coil, and the power supply circuit unit of the power supply unit includes: a power supply side resonance capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit so as to resonate with the power supply coil at a power supply side resonance period in combination with the power supply coil; The present invention is characterized in that it comprises a flyback changeover switch that switches between utilizing the diode in the switch circuit and shortcutting it; a control circuit that inputs a drive pulse signal that controls on/off to the switch circuit and adjusts the timing of inputting the drive pulse signal; and a power supply side tuning adjustment circuit that fine-tunes the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that utilizes the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal to match the power receiving side resonant period.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器とからなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、前記受電器の受電回路部は、 前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーを有し、前記給電器の前記給電回路部は、前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、前記給電器の入力電圧を安定化する電圧安定化回路と、前記給電器の電圧を検知する電圧センサーと、前記給電器の電流を検知する電流センサーと、前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整するとともに、前記電圧センサー及び前記電流センサーの検知結果に基づいて前記電圧安定化回路を作動させる制御回路と、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路とを有することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
A wireless power supply system including a power supply unit having a power supply coil that generates a magnetic flux and a power supply circuit unit that supplies power to the power supply coil to generate a magnetic flux, and a power receiver having a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplies electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon, the power receiving circuit unit of the power receiver comprising: The power supply circuit section of the power supply device includes a power supply side resonant capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant period, a switch circuit that alternates between a switch-on state in which a drive current flows through the power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the cycle being the power supply side resonant period, a flyback changeover switch that switches between utilizing a diode in the switch circuit or shortcutting it, a voltage stabilization circuit that stabilizes an input voltage of the power supply device, and a voltage detection circuit that detects a voltage of the power supply device. the power supply side tuning adjustment circuit having a voltage sensor that detects a voltage of the power supply device, a current sensor that detects a current of the power supply device, a control circuit that inputs a drive pulse signal that controls on/off to the switch circuit, adjusts the timing of inputting the drive pulse signal, and operates the voltage stabilization circuit based on the detection results of the voltage sensor and the current sensor, and a power supply side tuning adjustment circuit that fine-tunes the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal to match the power receiving side resonant period.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器とからなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、前記受電器の前記受電回路部は、前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーと、前記受電コイルに発生した電流を整流する整流回路と、周波数調整素子を有し、前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路とを有し、前記給電器の前記給電回路部は、前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路とを有することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
A wireless power supply system including a power supply unit having a power supply coil that generates a magnetic flux and a power supply circuit unit that supplies power to the power supply coil so as to generate a magnetic flux, and a power receiver having a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, and supplies electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon, wherein the power receiving circuit unit of the power receiver includes a power receiving side resonance capacitor that forms a power receiving side resonance circuit so as to resonate with the power receiving coil at a power receiving side resonance period in combination with the power receiving coil, a rectifier circuit that rectifies a current generated in the power receiving coil, and a power receiving side frequency adjustment circuit that has a frequency adjustment element and controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit becomes equal to or greater than a certain threshold value, and the power supply circuit unit of the power supply unit includes a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, and the power receiving circuit unit of the power receiver includes a power receiving side resonance capacitor that forms a power receiving side resonance circuit so as to resonate with the power receiving coil at a power receiving side resonance period in combination with the power receiving coil, a rectifier circuit that rectifies a current generated in the power receiving coil, and a a switch circuit that alternates between a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power feeder and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the cycle being the power receiving side resonance cycle; a flyback changeover switch that switches between activating or shortcutting a diode in the switch circuit; a control circuit that inputs a drive pulse signal that controls on and off to the switch circuit and adjusts the timing of inputting the drive pulse signal; and a power supply side tuning adjustment circuit that fine-tunes the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonance cycle and the pulse width of the drive pulse signal to match the power receiving side resonance cycle.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器とからなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、前記受電器の受電回路部は、 前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーを有し、前記給電器の前記給電回路部は、前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、前記受電コイルに発生した電流を整流する整流回路と、周波数調整素子を有し、前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路とを有し、前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記駆動パルス信号の周期が、前記受電側共振周期に一致するように調整した駆動パルス信号周期調整状態を維持する給電側チューニング調整回路とを有し、前記給電側チューニング調整回路が前記駆動パルス信号周期調整状態を維持している状態で前記フライバック切替スイッチをショートカット側として使用可能としたことを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
A wireless power supply system including a power supply unit having a power supply coil that generates a magnetic flux and a power supply circuit unit that supplies power to the power supply coil to generate a magnetic flux, and a power receiver having a power receiving coil that receives the magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplies electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon, the power receiving circuit unit of the power receiver comprising: the power supply circuit section of the power supply device has a power supply side resonant capacitor which forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant cycle, a rectifier circuit which rectifies a current generated in the power receiving coil, and a power receiving side frequency adjustment circuit which has a frequency adjustment element and controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit reaches or exceeds a certain threshold value, a switch circuit which alternately repeats, with the power receiving side resonant cycle as a period, a switch-on state in which a drive current flows through the power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, and a control circuit that inputs a drive pulse signal that controls on/off to the switch circuit and adjusts the timing of inputting the drive pulse signal; and a power supply side tuning adjustment circuit that fine-tunes the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and maintains a drive pulse signal period adjustment state in which the period of the drive pulse signal is adjusted to match the power receiving side resonance period, and the flyback changeover switch can be used as the shortcut side with the power supply side tuning adjustment circuit maintaining the drive pulse signal period adjustment state.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
前記並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、前記給電器の前記給電回路部は、入力電圧を上げ下げする給電器側電圧安定化回路と、前記受電器の負荷状態に応じて変化が生じる、前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値の複数の閾値によって、前記駆動パルス信号を入力するタイミングを変化させ、前記給電側共振回路の共振周波数をずらす事で、給電能力を制御する給電能力制御回路と、前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値が、所定の閾値を超えた場合には、前記給電器側電圧安定化回路を制御して、入力電圧を下げる給電器側電圧安定化回路制御回路とを有し、前記受電器の前記受電回路部は、前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路によって、受電能力を制御する受電能力制御回路を有し、前記給電能力制御回路、前記給電側電圧安定化回路制御回路及び前記受電能力制御回路の複合制御によって、前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧を一定の電圧値を超えないようにすることを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
In the wireless power supply system using the parallel resonant circuit, the power supply circuit unit of the power supply device includes a power supply device-side voltage stabilization circuit that increases and decreases an input voltage, a power supply capacity control circuit that changes the timing at which the drive pulse signal is input based on a plurality of thresholds of the voltage value of the voltage sensor of the power supply device or the current value of the current sensor of the power supply device, which change depending on a load state of the power receiver, and controls the power supply capacity by shifting a resonant frequency of the power supply device-side resonant circuit, and when the voltage value of the voltage sensor of the power supply device or the current value of the current sensor of the power supply device exceeds a predetermined threshold, controls the power supply device-side voltage stabilization circuit to increase or decrease the input voltage. and a power supply side voltage stabilization circuit control circuit that reduces the voltage output from the rectifier circuit of the power receiver, and the power receiving circuit section of the power receiver has a power receiving capacity control circuit that controls the power receiving capacity by a power receiving side frequency adjustment circuit that controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit of the power receiver, which is generated in response to the load state of the power receiver, reaches or exceeds a certain threshold value, and the voltage output from the rectifier circuit of the power receiver, which is generated in response to the load state of the power receiver, is prevented from exceeding a certain voltage value by composite control of the power supply capacity control circuit, the power supply side voltage stabilization circuit control circuit, and the power receiving capacity control circuit.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
前記ワイヤレス給電システムであって、前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態の場合、前記受電側共振周期(t3)が、前記スイッチ回路のオフの時間、すなわち前記給電器の共振状態の時間(t2)に駆動状態の時間(t1)を合計した時間(t1+t2)に対して、0.9(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2)が成立するように作用し、前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードをショートカットする側に切り替えた状態の場合、前記受電側共振周期(t3)が、前記給電器の共振状態の時間(t2)に対して、0.6(t2)=<t3=<1.1(t2)が成立するように作用することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
The wireless power supply system is characterized in that, when the flyback changeover switch is switched to a side that activates the diode, the power supply side tuning adjustment circuit acts so that the power receiving side resonance period (t3) satisfies 0.9(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2) with respect to the off time of the switch circuit, i.e., the sum of the time (t2) in the resonant state of the power supply device and the time (t1) in the driven state, and the power supply side tuning adjustment circuit acts so that, when the flyback changeover switch is switched to a side that shortcuts the diode, the power receiving side resonance period (t3) satisfies 0.6(t2)=<t3=<1.1(t2) with respect to the time (t2) in the resonant state of the power supply device.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
前記ワイヤレス給電システムであって、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態の場合、前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の40%以下とし、前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードをショートカットする側に切り替えた状態の場合、 前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の50%以下とし、当該範囲で、給電範囲、給電距離、給電コイル及び受電コイルの仕様を考慮した給電効率及び前記受電器の出力電力が高まる駆動時間になるように駆動時間を調整する駆動時間調整回路をさらに有することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
The wireless power supply system is characterized in that, when the flyback changeover switch is switched to the side that activates the diode, the drive time of the power supply device, i.e., the time that the drive pulse is on, is 40% or less of the period of the resonant frequency of the power receiver, and the power supply side tuning adjustment circuit, when the flyback changeover switch is switched to the side that shortcuts the diode, the drive time of the power supply device, i.e., the time that the drive pulse is on, is 50% or less of the period of the resonant frequency of the power receiver, and the wireless power supply system further includes a drive time adjustment circuit that adjusts the drive time within that range so that the power supply efficiency taking into account the power supply range, power supply distance, and specifications of the power supply coil and the power receiving coil and the output power of the power receiver are increased.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
前記ワイヤレス給電システムであって、前記給電器の前記給電コイルは、1巻きから12巻き以下のコイルで構成されるものであり、当該給電コイルのコイルサイズは、前記受電器の前記受電コイルのサイズより大きいことを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
The wireless power supply system is characterized in that the power supply coil of the power supply device is composed of a coil with 1 to 12 turns, and the coil size of the power supply coil is larger than the size of the power receiving coil of the power receiver.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
また、前記ワイヤレス給電システムであって、前記チューニング調整回路は、前記給電器の前記給電コイルと、前記受電器の前記受電コイルとの結合係数Kが、K=0.3(30%)以下の範囲、又はそれに近づける結合係数Kで、所望する給電効率及び受電器の出力電力が所定以上になるように、給電範囲、給電距離、前記給電コイル及び前記受電コイルの仕様を定め、かつ給電効率が高まる駆動時間になるように、前記給電コイルのインダクタンスを調整することを特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
Moreover, in the wireless power supply system, the tuning adjustment circuit determines a power supply range, a power supply distance, and specifications of the power supply coil and the power receiving coil so that a coupling coefficient K between the power supply coil of the power supply device and the power receiving coil of the power receiver is in a range of K=0.3 (30%) or less or is close to that range, and a desired power supply efficiency and output power of the power receiver are equal to or greater than a predetermined level, and adjusts the inductance of the power supply coil so as to achieve a drive time that increases the power supply efficiency.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
さらに、前記ワイヤレス給電システムであって、前記受電器の前記受電コイルは、コイルの両端の2点及び巻き数の中間から引き出した1点の合計3点を接点としたコイルであり、引き出す巻き数比によって、出力される電圧値又は電流値を調整する事を特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
Furthermore, in the wireless power supply system, the receiving coil of the receiver is a coil with three contact points in total: two points at both ends of the coil and one point drawn out from the middle of the number of turns, and the output voltage value or current value is adjusted according to the ratio of the number of turns drawn out.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
さらにまた、前記ワイヤレス給電システムであって、前記受電器の前記受電コイルは、コイルの両端の2点及び巻き数の中間から引き出した1点の合計3点を接点としたコイルであり、引き出す巻き数比に応じて形成された2つのα巻コイルを、重ね合わせ、一方の引き出し線同士を接続し、3点を接点とした受電コイルである事を特徴とする。
これにより、共振の極大における電圧の上昇を避けることが可能となる。
Furthermore, in the wireless power supply system, the receiving coil of the receiver is a coil with three contact points in total: two points at both ends of the coil and one point drawn out from the middle of the number of turns, and is a receiving coil with three contact points formed by overlapping two α-winding coils formed according to the ratio of the number of turns drawn out and connecting one of the drawn-out wires together.
This makes it possible to avoid voltage rise at the resonance maximum.
本発明のワイヤレス給電システムでは、給電器の駆動方法と、共振周波数の調整方法によって、給電器側に並列共振回路を採用したワイヤレス給電でありながら、電力が高出力のワイヤレス給電を実施する場合の受電器側の電圧の上昇を抑えることが可能となる。 In the wireless power supply system of the present invention, the method of driving the power supply device and the method of adjusting the resonant frequency make it possible to suppress the increase in voltage on the receiver side when implementing high-power wireless power supply, even though the wireless power supply uses a parallel resonant circuit on the power supply device side.
以下、添付図面を参照しながら、本発明のシステムを実現するための最良の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明にかかるワイヤレス給電システムの基本回路構成図を示した図である。
本発明にかかるワイヤレス給電システムは、給電器10と受電器2との組み合わせで構成される。給電器10から電気的エネルギーを受電器2に供給する。
図1に示すように、受電器2は、受電コイル1、受電側共振用コンデンサー3、整流回路4、バッテリー等の負荷5、受電側周波数調整回路8とから構成される。
受電側共振用コンデンサー3は並列に単数または複数のコンデンサーで構成されている。受電側周波数調整回路8は、コンデンサー若しくはインダクタ素子である周波数調整素子とFETのスイッチング素子とで構成される。
受電器2側の特徴的な点がいくつかある。
第一に、受電器2には、何等かのバッテリー等の負荷5を搭載する。
第二に、受電器2に設けられる受電コイル1と、給電器10の給電コイル11の大きさや素材、電気的仕様は、給電範囲、給電距離、給電能力に応じて設計される。
第三に、受電器2の受電コイル1と受電側共振用コンデンサー3は、いわゆる共振器(LC共振回路)の構成となり、所定の共振周波数で良い特性となる仕様の構成とする。(給電器の給電コイル11と給電側共振用コンデンサー14とについても同様である。)
第四に、受電器2が並列共振回路である場合の整流回路は、半波整流で良い。
本発明では、許容される共振周波数のずれ幅が大きい為、製造される電気的性能のばらつき、いわゆる歩留まりの課題に対しても、十分、現実的に対応可能である。よって、機種毎に、共振周波数を定めていく事も考えられる。
Hereinafter, the best mode for realizing the system of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a basic circuit configuration of a wireless power supply system according to the present invention.
The wireless power supply system according to the present invention is configured by a combination of a power supply device 10 and a power receiver 2. The power supply device 10 supplies electrical energy to the power receiver 2.
As shown in FIG. 1 , the power receiver 2 is composed of a power receiving coil 1 , a power receiving side resonance capacitor 3 , a rectifier circuit 4 , a load 5 such as a battery, and a power receiving side frequency adjustment circuit 8 .
The power receiving side resonant capacitor 3 is composed of one or more capacitors connected in parallel. The power receiving side frequency adjusting circuit 8 is composed of a frequency adjusting element, which is a capacitor or an inductor element, and a FET switching element.
There are several characteristic features on the power receiver 2 side.
First, the power receiver 2 is equipped with a load 5 such as a battery.
Secondly, the size, material and electrical specifications of the receiving coil 1 provided in the receiver 2 and the power supplying coil 11 of the power supplying device 10 are designed according to the power supply range, power supply distance and power supply capacity.
Thirdly, the power receiving coil 1 and the power receiving side resonant capacitor 3 of the power receiver 2 are configured as a so-called resonator (LC resonant circuit) and are configured to have good characteristics at a predetermined resonant frequency. (The same applies to the power feeding coil 11 and the power feeding side resonant capacitor 14 of the power feeder.)
Fourth, when the power receiver 2 is a parallel resonant circuit, the rectifier circuit may be a half-wave rectifier.
In the present invention, the allowable deviation of the resonant frequency is large, so that it is possible to deal realistically with the problem of variation in electrical performance of the manufactured products, i.e., the problem of yield. Therefore, it is also possible to determine the resonant frequency for each model.
給電器10は、給電コイル11、給電コイル11とともに共振回路を構成する共振用コンデンサー14、給電コイル11に電力をオン、オフするためのスイッチ回路12、スイッチ回路12を操作する制御回路17、電圧安定化回路19を有している。共振用コンデンサー14は並列に単数または複数のコンデンサーで構成されている。制御回路17には、スイッチのオン・オフのタイミングを作る周波数調整回路15(たとえばPLL回路を含む回路)が接続される。制御回路17に含まれる形で、共振状態を検出する共振状態センサー16がある。これは、例えば位相検波回路で構成される。共振状態センサー16には、電流センサー19と、電圧センサー20とが接続される。また、給電コイル11に電力を供給し、各回路に必要な電源を供給する電源18が給電器10には設けられる。
給電器10側の特徴を挙げる。
第一に、給電コイル11と共振用コンデンサー14とは、並列共振回路を構成する。
第二に、スイッチ回路は一つである。このスイッチをオンした時は駆動状態、オフした時は共振状態とする。
第三に、制御回路17により、周波数調整回路15のタイミングを使い、スイッチ回路14の制御を行い、駆動状態と共振状態のタイミング制御を行う。
第四に、共振状態(主に周波数のずれ)を検知する共振状態センサー16を有し、制御回路17は、共振状態センサー16の検知結果に基づいて、給電を停止する制御や共振周波数を調整する制御を行う。
The power supply device 10 includes a power supply coil 11, a resonance capacitor 14 that configures a resonance circuit together with the power supply coil 11, a switch circuit 12 for turning on and off power to the power supply coil 11, a control circuit 17 for operating the switch circuit 12, and a voltage stabilization circuit 19. The resonance capacitor 14 is configured of one or more capacitors in parallel. A frequency adjustment circuit 15 (e.g., a circuit including a PLL circuit) that creates the timing for switching on and off is connected to the control circuit 17. A resonance state sensor 16 that detects the resonance state is included in the control circuit 17. This is configured, for example, by a phase detection circuit. A current sensor 19 and a voltage sensor 20 are connected to the resonance state sensor 16. The power supply device 10 is also provided with a power supply 18 that supplies power to the power supply coil 11 and supplies power required for each circuit.
The features of the power supply device 10 are as follows.
First, the power supply coil 11 and the resonance capacitor 14 form a parallel resonance circuit.
Secondly, there is only one switch circuit. When this switch is turned on, it is in a drive state, and when it is turned off, it is in a resonant state.
Thirdly, the control circuit 17 uses the timing of the frequency adjustment circuit 15 to control the switch circuit 14, thereby controlling the timing of the drive state and the resonance state.
Fourthly, it has a resonance state sensor 16 that detects the resonance state (mainly the frequency shift), and the control circuit 17 performs control to stop power supply or adjust the resonance frequency based on the detection result of the resonance state sensor 16.
図1は、基本的な回路図(ブロック図に近い)を示している。基本的な回路では、給電コイル11が備わり、磁束を発生させ、電磁誘導を起こす。少なくとも給電器10の電気回路には、給電側共振用コンデンサー14と電源18が備わり、受電器2の受電コイル1に対し、一定の周波数による共振関係を作る。この時の周波数を共振周波数と称し、一般的には、人体に影響の少ない長波と言われる数十kHzから300kHzまでの周波数を使う。これを基準共振周波数とすれば、本発明において用いる基準共振周波数は、特に限定されるものではない。一方、後述の、給電器側の共振周波数と受電側の共振周波数は、通常ならば、同じ共振周波数に合わせるところ、所定のタイミング時間に基づいた、ずれた形での共振周波数とする点に、本発明の重要な特徴がある。
受電器2の位置関係や状態で、共振周波数に若干のずれが生じる。例えば、その受電器2の受電コイル1の位置や傾きで状況が変わってくる。そこで、給電コイル11から送出される磁束が届く範囲内に、受電コイル1が入れば、エネルギーを供給可能となる。この時、コイル巻き線同士の磁気結合状態は、その結合の度合いを示す係数を一般的に結合係数(K)という。本発明においては、給電効率を高める所定の結合係数の決め方に関しても特徴を有している。
磁束に受電コイル1が入ることは、共振周波数のずれという形で給電器10側に影響を与える。共振周波数がずれれば、エネルギー供給の効率が下がる。
そこで、ずれた周波数や位相を共振状態センサー16(たとえば、位相検波回路を含む回路)で検出し、その周波数や位相に応じて、給電コイル11の共振周波数の調整を行う。例えば、共振用コンデンサー14を変化させる事で調整ができる。
この調整とは、チューニングともいい、製造時に行うものと、動作時に調整回路によって自動で制御する方法があるが、総称として、チューニング調整回路と称する。共振用コンデンサーは単数または複数のコンデンサーで構成されているが、最も単純なチューニング方法は、予め幾種のコンデンサーを並列に接続しておいて、所定の共振周波数になる様に、製造時に不必要なコンデンサーをパターンカットして無効にし、共振周波数になる様に調整する方法がある。また、トリマーコンデンサー、バリコン等を配置して、調節つまみで、手動で調整する方法もある。
また、動作時に調整回路によって自動で制御する方法としては、予め幾種のコンデンサーとスイッチの対を並列に接続しておいて、調整回路が各コンデンサーに直列に接続されたスイッチを制御する事で、所定の共振周波数とする方法がある。また、別な方法としては、バリコンの調節つまみにサーボモーターを取り付けて、調整回路がサーボモーターを制御する事で、所定の共振周波数とする方法がある。
一方、受電側は、製造時に調節する方法を取るケースが多いが、予め、受電コイルのインダクタンスを測定しておいて、それに合わせたコンデンサーを、未実装部分に実装するという方法も、広義にチューニング調整回路と言える。
コンデンサーを並列に接続する事で、内部抵抗を軽減し、より発熱を抑える効果もある。
また、周波数調整回路15は、例えば、PLL(フェーズロックトループ)回路を内蔵した回路によって、駆動状態の時間を長くしたり、短くしたりする事で、給電能力(電力)の調整が可能である。場合によっては給電コイル11を複数持たせて切り替える事で共振周波数を変える事も考えられる。ここでも、周波数調整による最適な共振周波数の調整値は、後述の所定のタイミング時間に基づいた、ずれた形での共振周波数とするところが本発明の特徴である。
FIG. 1 shows a basic circuit diagram (similar to a block diagram). In the basic circuit, a power supply coil 11 is provided, which generates a magnetic flux and causes electromagnetic induction. At least the electric circuit of the power supply device 10 is provided with a power supply side resonance capacitor 14 and a power source 18, which creates a resonance relationship with the power receiving coil 1 of the power receiver 2 at a certain frequency. The frequency at this time is called a resonance frequency, and generally, a frequency between several tens of kHz and 300 kHz, which is said to be a long wave that has little effect on the human body, is used. If this is taken as the reference resonance frequency, the reference resonance frequency used in the present invention is not particularly limited. On the other hand, an important feature of the present invention is that the resonance frequency on the power supply side and the resonance frequency on the power receiving side, which will be described later, are usually set to the same resonance frequency, but are set to a shifted resonance frequency based on a predetermined timing time.
The resonant frequency varies slightly depending on the positional relationship and state of the power receiver 2. For example, the situation changes depending on the position and inclination of the power receiving coil 1 of the power receiver 2. Therefore, if the power receiving coil 1 is within the range of the magnetic flux sent from the power feeding coil 11, energy can be supplied. At this time, the magnetic coupling state between the coil windings is generally indicated by a coefficient indicating the degree of coupling called a coupling coefficient (K). The present invention is also characterized by the method of determining the predetermined coupling coefficient that enhances the power feeding efficiency.
The inclusion of the power receiving coil 1 in the magnetic flux affects the power feeder 10 in the form of a shift in the resonant frequency. If the resonant frequency shifts, the efficiency of energy supply decreases.
Therefore, the shifted frequency and phase are detected by a resonance state sensor 16 (for example, a circuit including a phase detection circuit), and the resonance frequency of the power supply coil 11 is adjusted according to the detected frequency and phase. For example, the adjustment can be performed by changing the resonance capacitor 14.
This adjustment, also called tuning, can be done during manufacturing or automatically controlled by an adjustment circuit during operation, but collectively it is called a tuning adjustment circuit. The resonance capacitor is composed of one or more capacitors, and the simplest tuning method is to connect several types of capacitors in parallel in advance, and adjust the frequency to the desired resonance frequency by pattern cutting unnecessary capacitors during manufacturing to make them ineffective. There is also a method of manually adjusting the frequency by placing a trimmer capacitor, variable capacitor, etc.
In addition, as a method of automatically controlling the frequency during operation using an adjustment circuit, several pairs of capacitors and switches are connected in parallel in advance, and the adjustment circuit controls the switches connected in series to each capacitor to set the desired resonance frequency. Another method is to attach a servo motor to the adjustment knob of the variable capacitor, and have the adjustment circuit control the servo motor to set the desired resonance frequency.
On the other hand, the receiving side is often adjusted during manufacturing, but a method in which the inductance of the receiving coil is measured in advance and a capacitor that matches it is installed in the unused part can also be considered a tuning adjustment circuit in a broad sense.
Connecting capacitors in parallel reduces the internal resistance and helps to reduce heat generation.
In addition, the frequency adjustment circuit 15 can adjust the power supplying capacity (power) by lengthening or shortening the time of the driving state by using a circuit with a built-in PLL (phase-locked loop) circuit, for example. In some cases, it is also possible to change the resonance frequency by providing a plurality of power supply coils 11 and switching between them. Here again, the present invention is characterized in that the adjustment value of the optimal resonance frequency by frequency adjustment is a shifted resonance frequency based on a predetermined timing time described later.
周波数(又は位相)の調整には、様々な要素を加味する必要がある。したがって、マイクロコントローラ(プロセッサ、メモリ、周辺回路を含む集積回路)又はプログラマブルロジックデバイス(内部論理回路を定義・変更できる集積回路)などを用いて、プログラムによる制御を行う制御回路17を設けることが好ましい。制御回路17は、共振状態センサー16(位相検波回路)と接続されている。共振状態センサー16が周波数のずれや位相のずれを感知して、制御回路17にその信号を伝える。それにより、所定の受電器10以外の物体が近づいたときに、異常な周波数や位相を共振状態センサー16が検知して、その信号を制御回路17に伝えて、制御回路17が電源18に作用して給電を停止することが可能となる。
本発明のワイヤレス給電システムは、図1に示す基本回路により構成される。給電器10の共振用コンデンサー14の位置が、給電コイル11と並列に接続されている事である。この共振用コンデンサー14を配置している回路は、一般的に並列共振回路と称されている。一方、良く利用されているワイヤレス給電システムでは、直列共振回路を形成していて、この共振用コンデンサーの位置が、コイルと直列に配置されている。
この並列共振回路の場合、SW1をオンして安定的な共振状態になった後に、SW1をオフした場合、受電コイル1とコンデンサー3に蓄えられたエネルギーが放出する間、受電器2との共振状態を給電器10が続ける事が特徴である。ここで、給電コイル11と並列に接続されている共振状態センサー16が検出した共振状態の遷移を元に、制御回路17は、共振用コンデンサーや、周波数調整回路(PLL回路)15による駆動状態のタイミング制御を通して、適した周波数の電源供給を実現する。この共振状態センサー16は、共振状態を検出するセンサーであり、電圧・電流の遷移の検出及び共振周波数の位相検波などを検出する。
Various factors must be taken into consideration when adjusting the frequency (or phase). Therefore, it is preferable to provide a control circuit 17 that performs program control using a microcontroller (an integrated circuit including a processor, a memory, and peripheral circuits) or a programmable logic device (an integrated circuit that can define and change an internal logic circuit). The control circuit 17 is connected to a resonance state sensor 16 (phase detection circuit). The resonance state sensor 16 detects a frequency shift or a phase shift and transmits the signal to the control circuit 17. As a result, when an object other than the specified power receiver 10 approaches, the resonance state sensor 16 detects an abnormal frequency or phase and transmits the signal to the control circuit 17, which then acts on the power source 18 to stop power supply.
The wireless power supply system of the present invention is configured with the basic circuit shown in Fig. 1. The position of the resonance capacitor 14 of the power supply device 10 is connected in parallel with the power supply coil 11. The circuit in which this resonance capacitor 14 is arranged is generally called a parallel resonance circuit. On the other hand, in a commonly used wireless power supply system, a series resonance circuit is formed, and the position of this resonance capacitor is arranged in series with the coil.
This parallel resonant circuit is characterized in that when SW1 is turned on and a stable resonant state is established, and then SW1 is turned off, the power feeder 10 continues to resonate with the power receiver 2 while the energy stored in the power receiving coil 1 and the capacitor 3 is released. Here, based on the transition of the resonant state detected by a resonance state sensor 16 connected in parallel with the power feeding coil 11, a control circuit 17 realizes power supply of an appropriate frequency through timing control of the drive state by a resonance capacitor and a frequency adjustment circuit (PLL circuit) 15. This resonance state sensor 16 is a sensor that detects the resonant state, and detects transitions in voltage and current, phase detection of the resonant frequency, etc.
図1の受電器2の共振周波数の位相のずれは、明確に知ることは難しい。しかし、共振状態センサー16から得られる、様々な状況をあらかじめシミュレートして、それに基づくプログラミングをすることにより、共振周波数を上げるか下げるかそのままにするかの単純な判断を下す処理をすることができる。そして、さらにその調整後の結果の遷移を検出することで、適合か不適合かを判断し、試行錯誤による制御をすることができる。It is difficult to know the phase shift of the resonant frequency of the receiver 2 in Figure 1 clearly. However, by simulating various situations obtained from the resonance state sensor 16 in advance and programming based on that, it is possible to process a simple decision as to whether to raise or lower the resonant frequency, or leave it as it is. Then, by detecting the transition of the results after that adjustment, it is possible to determine whether it is suitable or not, and control it by trial and error.
また、制御回路17が制御して、共振用コンデンサー調整する場合、特殊な部品である、細かく制御できるバリコン(電極の一方を動かすことによって、電気容量を変えられるコンデンサー)などが理想的であるが、現在のところ、現実的な部品は少ない為、あえて、調整せずに、固定周波数として利用するとしても、十分、ニーズに応えられる仕様値を提示できる。
また、複数のコイルを切り替えてしまう方法も考えられる。
また、駆動時間を調整する事でも共振周波数を調整する事になる。
Furthermore, when the control circuit 17 is used to adjust the resonant capacitor, a special component such as a finely controlled variable capacitor (a capacitor whose capacitance can be changed by moving one of the electrodes) would be ideal; however, there are currently few practical components available, so even if it is used as a fixed frequency without adjustment, it is possible to present specification values that are sufficient to meet the needs.
Another possible method is to switch between multiple coils.
The resonance frequency can also be adjusted by adjusting the drive time.
図1のスイッチ回路12の詳細例は、NチャンネルのMOSFETとショットキーバリアダイオードで構成される。また、受電器2の整流回路4の詳細例では、コンデンサーと電圧安定化回路6と、ショットキーバリアダイオード7とで構成される。ショットキーバリアダイオード7は整流ダイオードであっても良い。そしてこれらは、一例であって、製品仕様によって、適した構成とする。
100ワット以上の様な高い電力のワイヤレス給電を実施する場合の受電器側の電圧の上昇を抑えるという課題を実現すべく、本発明の一つの特徴として、スイッチ回路12を校正するショットキーバリアダイオードを生かすか、ショートカットするかを切替えるフライバックスイッチを設けた。ショットキーバリアダイオード素子が生かされた場合、「共振方式」と称し、ショットキーバリアダイオード素子がショートカットされた場合「フライバック方式」と称する。フライバックスイッチ13(SW2)は、電子的なスイッチとして設けて切り替えることとしても良いし、ジャンパーピンなどによる手動でのショートでも良い。場合によっては、フライバック方式のみ使う場合は、ダイオードを実装せず、ショートパターンを実装するのでも良い。
共振方式の場合の給電側の基本波形図(SW2=OFFの場合)は、後述する図2の波形図となる。フライバック方式の場合、図3「給電側の基本波形図 SW2=ONの場合」の波形図となる。図2と図3については、後に詳しく述べるが、共振方式の場合、給電範囲が、給電コイルの内径に、受電コイルの内径の一部が入っている事で給電が可能で、給電距離も大きく取れる。その一方、電圧制御が難しく、受電装置側が、無負荷や軽負荷になった時、または、給電距離が急激に変化した時に、共振の作用によって、暴走したように急激に電圧上昇がおきる事がある。
フライバック方式の場合、給電範囲が、給電コイルの内径に受電コイルが全て入る範囲で給電が可能で、給電範囲、給電距離とも、共振方式よりは小さい。その一方、電圧制御はやりやすく、受電装置側が、無負荷や軽負荷になった時に、電圧上昇は起きるものの、一定の法則性がある為、制御がやりやすい。
「共振方式」にて、給電器と受電器との最適な共振周波数のずれを、実測かシミュレーションで導き出す。その共振周波数に合わせて共振コンデンサーを実装することができる。このことは「フライバック方式」でも同様である。
また、本方式によれば、コイルにおけるインダクタンスは高くなくても良く、できれば、コイルは低抵抗であれば要件を満たすし、低損失などの効果も高い。そこで、1巻きから12巻き以下の巻き数で、低抵抗素材の線材と使ったコイルと、それに合わせた共振用コンデンサーとの組み合わせとする事で、より、効果を出す事が可能である。特に、給電器側の給電コイルにおいては、受電コイルより大きいサイズの、前記給電コイルとすれば、複数の受電器に対して、高い効率の給電が可能となる。
1 is configured with an N-channel MOSFET and a Schottky barrier diode. Also, a detailed example of the rectifier circuit 4 of the power receiver 2 is configured with a capacitor, a voltage stabilizing circuit 6, and a Schottky barrier diode 7. The Schottky barrier diode 7 may be a rectifier diode. These are just examples, and a suitable configuration may be used depending on the product specifications.
In order to achieve the objective of suppressing the rise in voltage on the power receiver side when wireless power supply of high power such as 100 watts or more is implemented, a flyback switch is provided as one feature of the present invention, which switches between using or short-circuiting the Schottky barrier diode that calibrates the switch circuit 12. When the Schottky barrier diode element is used, it is called the "resonance method", and when the Schottky barrier diode element is short-circuited, it is called the "flyback method". The flyback switch 13 (SW2) may be provided as an electronic switch and switched, or may be manually shorted using a jumper pin or the like. In some cases, when only the flyback method is used, it is also possible to implement a short pattern without implementing a diode.
The basic waveform diagram on the power supply side in the case of the resonance method (when SW2 = OFF) is shown in Figure 2, which will be described later. In the case of the flyback method, the waveform diagram is shown in Figure 3, "Basic waveform diagram on the power supply side when SW2 = ON." Figures 2 and 3 will be described in detail later, but in the case of the resonance method, the power supply range is such that part of the inner diameter of the power supply coil is included in the inner diameter of the power receiving coil, making it possible to supply power and allowing a large power supply distance. On the other hand, voltage control is difficult, and when the power receiving device is unloaded or lightly loaded, or when the power supply distance changes suddenly, the effect of resonance can cause a sudden voltage rise as if it is running out of control.
In the case of the flyback method, power can be supplied within the range where the entire receiving coil fits inside the inner diameter of the power supply coil, and both the power supply range and power supply distance are smaller than those of the resonant method. On the other hand, voltage control is easy, and although a voltage rise occurs when the receiving device is unloaded or lightly loaded, it is easy to control because there is a certain rule.
In the "resonance method," the optimum resonance frequency difference between the power source and the power receiver is derived through actual measurement or simulation. A resonance capacitor can be installed to match that resonance frequency. This is the same for the "flyback method."
In addition, according to this method, the inductance of the coil does not need to be high, and if possible, a low resistance coil will meet the requirements and have a high effect of reducing loss. Therefore, by combining a coil with 1 to 12 turns made of low resistance wire material and a matching resonance capacitor, it is possible to achieve a greater effect. In particular, if the power supply coil on the power supply side is larger than the power receiving coil, it becomes possible to supply power to multiple power receivers with high efficiency.
100ワット以上の様な高い電力のワイヤレス給電を実施する場合の受電器側の電圧の上昇を抑えるという課題を実現すべく、本発明の特徴の一つとして、給電装置回路に、電圧安定化回路19を設けた。制御回路によって、電圧安定化回路(例えばDCDCコンバーター)を作用して、入力電圧を調整する事で、ワイヤレス給電の能力を操作する事ができる。入力電圧の操作によって、受電側が無負荷になった時に、給電装置のコイル電圧や給電装置の入力電流値の上昇があった場合、入力電圧を下げる事で、受電装置の出力電圧の上昇を止める事ができる。 In order to achieve the objective of suppressing the rise in voltage on the receiver side when implementing wireless power supply of high power such as 100 watts or more, a voltage stabilization circuit 19 is provided in the power supply device circuit as one of the features of the present invention. The control circuit operates a voltage stabilization circuit (e.g., a DC-DC converter) to adjust the input voltage, thereby manipulating the capacity of wireless power supply. If there is an increase in the coil voltage of the power supply device or the input current value of the power supply device when the receiver side is unloaded by manipulating the input voltage, the increase in the output voltage of the power receiver can be stopped by lowering the input voltage.
100ワット以上の様な高い電力のワイヤレス給電を実施する場合の受電器側の電圧の上昇を抑えるという課題を実現すべく、本発明の特徴の一つとして、受電器2の側に、周波数調整回路8を設けた。整流回路4から出力される電圧値(受電器の出力電圧)を、ある閾値以上になった時に、FETをONさせて、周波数調整素子を、活かすかショートカットするかを制御する。周波数調整素子は、コンデンサーか、インダクタ素子である。いずれも、並列共振回路として、投入される共振周波数に関わる素子となる。
FETをONさせて、周波数調整素子が通電する場合と、切断する場合でも、共振周波数が、前か後ろにずらす効果がある。一定の出力電圧から、FETをスイッチする事で、共振周波数がずれる為、給電能力が下がり、一定の電圧以上に上昇できない様に制御している。
In order to achieve the objective of suppressing the rise in voltage on the receiver side when implementing wireless power supply of high power such as 100 watts or more, a frequency adjustment circuit 8 is provided on the receiver 2 side as one of the features of the present invention. When the voltage value output from the rectifier circuit 4 (output voltage of the receiver) reaches or exceeds a certain threshold value, the FET is turned on to control whether the frequency adjustment element is utilized or shortcutted. The frequency adjustment element is a capacitor or an inductor element. Either of these elements is related to the resonance frequency input as a parallel resonant circuit.
When the FET is turned on, the resonance frequency is shifted forward or backward when the frequency adjustment element is energized or cut off. By switching the FET on, the resonance frequency shifts from a constant output voltage, reducing the power supply capacity and controlling it so that it cannot rise above a certain voltage.
図2は、本発明の給電側の基本波形図(SW2=OFFの場合)を説明する図である。すなわち共振方式の波形図である。この図で、駆動電流の波形を省略した。また、共振コイル電流を省略し、受電コイル電圧を描いた。共振コイル電圧を省略し、給電コイル電圧を描くこととした。
図2において、スイッチ回路14の制御用のパルス波形が矩形の図形として描かれている駆動電圧パルス201がある。この駆動電圧パルス201は、図1の制御回路17からスイッチ回路12に与えられる信号の波形であり、まさしく、周波数調整回路15のタイミングから、制御回路17によって、スイッチ回路12を制御するために生成されるパルスである。駆動電圧パルス21がハイの時にスイッチオンとなる。つまり、スイッチオンの時、電源18の電力が、給電側共振コンデンサー14に供給されるので駆動状態となる。この駆動時間28(t1)を、駆動パルス幅25と称する。
スイッチがオフになり、駆動していない時間は、共振状態すなわち共振時間となる。共振時間29(t2)を給電側共振周期26(t2)と称する。
図1に示すように、給電コイル11と共振用コンデンサー14とが並列共振回路を構成する場合、駆動状態にあっても共振状態にあっても、給電器10が受電器2と共振状態にあれば、エネルギーを供給し続けると言って差し支えない。すなわち、受電側共振周期27(t3)は、給電器の共振状態の時間(t2)に駆動状態の時間(t1)を合計した時間が、 0.6(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2)が成立するようにチューニング調整回路を調整する。
一方、給電器側から見ると、実際には、駆動状態の時にエネルギーが瞬時に供給される。
スイッチ回路14のスイッチをオンにしている、つまり駆動電圧パルス201を供給している間、給電コイル電圧203は、ゼロ値近傍にする(ゼロ値近傍になるタイミングで駆動電圧パルス201を供給するともいえる)。また、受電コイル電圧202は、駆動時間28の間、結果的に歪んだ波形を示している。駆動時間28の間では、給電コイル電圧203がゼロの状態で、駆動電流が流れている状態である。駆動電流は、図1のスイッチ回路12から給電側共振用コンデンサー14に至る途中の点の波形である。給電側共振コンデンサー14は、丁度、共振コイル電流の90度位相がずれた形で交流波形として表れるが、駆動電流は、共振コンデンサー14に蓄えられた電力エネルギーの一部が転じたものである。
電流が流れると、給電コイル11から出力される磁束に変換された形で、受電器2の受電コイル1に作用し、電磁誘導が起こりエネルギーを回収できるので、エネルギーがあたかも移動した様にみえる。この回収されたエネルギー量の減りが、受電コイル電圧202歪みとして観測される。
FIG. 2 is a diagram for explaining the basic waveform diagram (when SW2=OFF) on the power supply side of the present invention. That is, it is a waveform diagram of the resonance method. In this diagram, the waveform of the drive current is omitted. Also, the resonance coil current is omitted, and the receiving coil voltage is drawn. The resonance coil voltage is omitted, and the power supply coil voltage is drawn.
2, there is a drive voltage pulse 201, the pulse waveform for controlling the switch circuit 14, which is depicted as a rectangular figure. This drive voltage pulse 201 is the waveform of a signal given to the switch circuit 12 from the control circuit 17 in FIG. 1, and is a pulse generated by the control circuit 17 to control the switch circuit 12 from the timing of the frequency adjustment circuit 15. When the drive voltage pulse 21 is high, the switch is turned on. In other words, when the switch is turned on, power from the power source 18 is supplied to the power supply side resonant capacitor 14, so that the switch is in a driven state. This drive time 28 (t1) is called the drive pulse width 25.
The time when the switch is turned off and not driven is a resonant state, that is, a resonant time 29 (t2) is referred to as a power supply side resonant period 26 (t2).
1, when the power supply coil 11 and the resonance capacitor 14 form a parallel resonant circuit, it is safe to say that the power supply device 10 continues to supply energy as long as it is in a resonant state with the power receiver 2, whether in a driven state or a resonant state. That is, the tuning adjustment circuit is adjusted so that the receiver-side resonance period 27 (t3), which is the sum of the time (t2) when the power supply device is in a resonant state and the time (t1) when it is in a driven state, satisfies 0.6(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2).
On the other hand, from the viewpoint of the power supply device, energy is actually supplied instantly when the device is in the driving state.
While the switch circuit 14 is switched on, that is, while the drive voltage pulse 201 is being supplied, the power supply coil voltage 203 is kept close to zero (it can also be said that the drive voltage pulse 201 is supplied at a timing close to zero). As a result, the power receiving coil voltage 202 shows a distorted waveform during the drive time 28. During the drive time 28, the power supply coil voltage 203 is in a zero state and a drive current flows. The drive current is a waveform at a point on the way from the switch circuit 12 to the power supply side resonant capacitor 14 in FIG. 1. The power supply side resonant capacitor 14 appears as an AC waveform that is shifted in phase by 90 degrees from the resonant coil current, but the drive current is a conversion of part of the power energy stored in the resonant capacitor 14.
When a current flows, it is converted into magnetic flux output from the power supply coil 11 and acts on the power receiving coil 1 of the power receiver 2, causing electromagnetic induction and allowing energy to be recovered, so it appears as if energy has been transferred. This reduction in the amount of recovered energy is observed as a distortion in the power receiving coil voltage 202.
一方、スイッチ損失の観点でも、本発明では優位性のある特徴を示している。駆動時間28の間では、給電コイル電圧203がゼロ近傍の状態であるが、この時に、スイッチ回路12のスイッチ切り替えが行われる際、電圧がかかっている場合には、いわゆるスイッチングによるスイッチング損失が発生する。電流と電圧の重なりによっておこるものなので、本発明では、給電コイル電圧203がゼロ近傍の状態でスイッチされる様にして、スイッチング損失が極小化するという効果を出している。更には、ここに流れる駆動電流は、給電コイル電流を超える事はない為、高電流のピーク波形を生じる事がない。結果的にスイッチング損失やストレスを抑えることが可能で、これらの損失は熱損失ともいえるので、熱が発生しにくい効果にもつながる。一般的な、電圧がゼロの状態で行なうスイッチング、ZVS方式に似ているが、本発明では、ワイヤレス給電の給電手段にうまく活用した新しい方式である。
尚、図2のグラフでは、給電コイル電圧203がゼロ値になる前に、駆動パルスがオンになっている。これは、スイッチングに遅延がある理由から、ゼロ値になる前、即ちゼロ値近傍で駆動パルスをオンにする。更に、若干、ゼロ値でないのは、スイッチング回路に抵抗値があり、その分、電圧として出てしまう。どちらにしても、本説明では、方式上の本質的な考え方を示した。
駆動時間28の駆動電圧パルス201の駆動パルス幅25の長さ、給電コイル電圧203の強さでもって、受電器2に供給する電力エネルギー、即ち、給電能力として現れる。つまり、受電器2に供給したい電力に応じて、大きくしたい場合は、駆動パルス幅25を長くする事と、給電コイル電圧203を大きくする事で実現する。小さくしたい場合は、その逆である。
但し、駆動パルス幅25を長くすると、受電器2の受電コイルとの結合が強まる事になり、強まりすぎると効率が悪くなる結果になる為に、ただ長くすれば良いわけではない。また、給電コイル電圧203の電圧を大きくする事は、各種電子部品の耐圧が必要になり、現実的でなくなる為、ある程度の限界がある。そこで、おのずと、受電器の欲しい電力の設計値の限界が決まってくる。駆動パルス幅25に加えて、給電コイル11と受電コイル1の仕様も、大きく関係するし、給電範囲や給電距離の仕様も関係するので、これらの総合的なパラメーターのバランスにより、給電コイル電圧203の電圧値と駆動パルス幅25の仕様を決める事になる。
On the other hand, the present invention also exhibits advantageous features in terms of switch loss. During the drive time 28, the power supply coil voltage 203 is in a state close to zero, but if a voltage is applied when the switch circuit 12 is switched at this time, so-called switching loss occurs due to switching. Since this occurs due to the overlap of current and voltage, the present invention has the effect of minimizing switching loss by switching the power supply coil voltage 203 in a state close to zero. Furthermore, since the drive current flowing here does not exceed the power supply coil current, a high current peak waveform is not generated. As a result, it is possible to suppress switching loss and stress, and since these losses can be said to be heat losses, it also leads to the effect of less heat generation. Although it is similar to the general switching performed in a state of zero voltage, the ZVS method, the present invention is a new method that is effectively utilized in the power supply means of wireless power supply.
In the graph of Fig. 2, the drive pulse is turned on before the power supply coil voltage 203 becomes zero. This is because there is a switching delay, and the drive pulse is turned on before the voltage becomes zero, i.e., near the zero value. Furthermore, the value is slightly different from zero because the switching circuit has a resistance value, and this resistance value is output as a voltage. In any case, this explanation has shown the essential idea of the method.
The length of the drive pulse width 25 of the drive voltage pulse 201 during the drive time 28 and the strength of the power feeding coil voltage 203 result in the power energy supplied to the power receiver 2, i.e., the power feeding capacity. In other words, if the power to be supplied to the power receiver 2 is to be increased, this is achieved by lengthening the drive pulse width 25 and increasing the power feeding coil voltage 203. If the power is to be decreased, the opposite is true.
However, simply lengthening the drive pulse width 25 does not suffice, because the coupling with the power receiving coil of the power receiver 2 becomes stronger, and if the coupling becomes too strong, efficiency decreases. Also, increasing the voltage of the power feeding coil voltage 203 requires the withstand voltage of various electronic components, which is not practical, and therefore there is a certain limit to it. Naturally, this determines the limit of the design value of the power desired by the power receiver. In addition to the drive pulse width 25, the specifications of the power feeding coil 11 and the power receiving coil 1 also have a large effect, and the specifications of the power feeding range and the power feeding distance also have an effect, so the voltage value of the power feeding coil voltage 203 and the specifications of the drive pulse width 25 are determined by balancing these overall parameters.
そして、駆動パルス幅の仕様が定まると、給電器10の給電コイル11と給電側共振用コンデンサー14との共振器としての設計値、即ち共振周波数を定める事ができる。給電器10の共振周波数は、給電側共振周期26の周期時間で定める。一方、受電器2においては、駆動パルス幅25と給電側共振周期26の周期時間を合算した受電側共振周期27の周期時間で定められる。この事から、本発明では、給電器10の共振周波数と、受電器2の共振周波数には、所定のずれをもって調整する事が、本発明の特徴となっている。
駆動時間28の駆動パルス幅25における、パルス幅の決め方に関して、受信器2の共振周波数、すなわち共振周期の約1/4以下のDuty比とすると、高い給電効率となる事がわかっている。給電能力(給電できる電力)は駆動パルス幅25がDuty比、約16%でほぼ最大になる。16%~25%は、電力消費は増えるが給電能力の上昇が少ない。また、低すぎても、給電能力は高まらない。結果的に、駆動パルス幅25を、約5%~16%のDuty比制御を行う事で、給電能力(給電できる電力)を低くしたり、高くしたり制御が可能となる。
例えば、受電器側の出力電力の情報、若しくは必要とする要求電力情報に応じて、Duty比を制御する事で、受電器側が必要とする電力に応じて、給電できる。
例えば、受電器がライト装置で光量の調整や、バッテリーの充電状態(満充電の時は電力は小さくなるなど)に応じて、Duty比で制御することができる。
駆動時間を延ばしすぎたり、結合係数が高い状態の場合には、共振状態の均衡が崩れる結果となり、例えば、共振コイル電圧が異常に高まったりして、電子部品を破損させる要因となる。本発明では、この結合係数を適切に定める事も重要な要素となっており、およそK=0.05~0.3(5%~30%)あたりが、効率良くエネルギーを送れる給電効率の範囲であるとしている。その中で、K=0.16(16%)あたりがピーク値を示している。逆に言えば、この結合係数になる様に、駆動パルス幅の仕様、給電コイル11と受電コイル1の仕様、給電範囲や給電距離の仕様を決めれば良いことになる。
また、結合係数は給電距離に大きく関わる。結合係数が高い程、給電効率が高くなる。給電効率が高い位置は、給電距離がゼロの時である。給電コイル11と受電コイル1の距離が近いと結合係数は高まり、遠いと小さくなる。本発明では、結合係数が割と低いK=0.05~0.3(5%~30%)あたりが、給電効率が高い為、給電コイル11と受電コイル1を一定の距離を置いたところに、高い給電効率とできる。
Once the specifications for the drive pulse width are determined, the design value of the resonator of the power feed coil 11 and power feed side resonant capacitor 14 of the power feeder 10, i.e., the resonant frequency, can be determined. The resonant frequency of the power feeder 10 is determined by the periodic time of the power feed side resonant period 26. On the other hand, in the power receiver 2, it is determined by the periodic time of the power receiving side resonant period 27, which is the sum of the drive pulse width 25 and the periodic time of the power feed side resonant period 26. For this reason, the present invention is characterized in that the resonant frequency of the power feeder 10 and the resonant frequency of the power receiver 2 are adjusted to have a predetermined deviation.
Regarding how to determine the pulse width in the drive pulse width 25 during the drive time 28, it is known that high power supply efficiency can be achieved by setting the duty ratio to approximately 1/4 or less of the resonant frequency of the receiver 2, i.e., the resonant period. The power supply capacity (power that can be supplied) is almost maximum when the drive pulse width 25 has a duty ratio of approximately 16%. At 16% to 25%, power consumption increases but the increase in power supply capacity is small. Also, if it is too low, the power supply capacity does not increase. As a result, by controlling the duty ratio of the drive pulse width 25 to approximately 5% to 16%, it is possible to control the power supply capacity (power that can be supplied) to be lowered or raised.
For example, by controlling the duty ratio according to information on the output power of the power receiver side or information on required power, it is possible to supply power according to the power required by the power receiver side.
For example, the receiver can adjust the light output of a lighting device or control the duty ratio according to the battery charge state (power is reduced when the battery is fully charged, etc.).
If the driving time is extended too long or the coupling coefficient is high, the balance of the resonance state will be lost, and for example, the resonance coil voltage will increase abnormally, which will cause damage to electronic components. In the present invention, it is also important to determine this coupling coefficient appropriately, and it is said that the range of power supply efficiency in which energy can be efficiently sent is approximately K = 0.05 to 0.3 (5% to 30%). Among these, the peak value is around K = 0.16 (16%). In other words, it is sufficient to determine the specifications of the driving pulse width, the specifications of the power supply coil 11 and the power receiving coil 1, the power supply range, and the power supply distance so as to obtain this coupling coefficient.
Furthermore, the coupling coefficient is closely related to the power supply distance. The higher the coupling coefficient, the higher the power supply efficiency. The position where power supply efficiency is high is when the power supply distance is zero. The closer the distance between the power supply coil 11 and the power receiving coil 1 is, the higher the coupling coefficient becomes, and the farther the distance is, the lower the coupling coefficient becomes. In this invention, power supply efficiency is high when the coupling coefficient is relatively low, around K = 0.05 to 0.3 (5% to 30%), so high power supply efficiency can be achieved when the power supply coil 11 and the power receiving coil 1 are placed at a certain distance.
図3は、本発明の給電側の基本波形図(SW2=ONの場合)の説明図である。すなわち、フライバック方式の波形図である。SW2=ONすると、ダイオードがショートカットされ、フライバック方式となる。SW2=OFFの共振方式の波形と比較すると、給電コイル電圧が、プラス方向しか現れない。駆動パルス幅25、駆動時間28を長くできる。基本的には、給電側共振周期26に対し最大半周期分弱、セットできる。
駆動時間(駆動パルス幅)が長い程、コイルに電流が流れる為、給電コイル11に磁束が発生し、共振状態にある受電器2の受電コイル1にも磁束が通る事で電流が流れる。但し、半周期分フルに駆動電圧パルス201をセットすれば良いかというと、そうとも言えない。一定の時間(幅)から、給電能力は頭打ちになる。よって、若干、半周期より短くする方が給電効率が良い。
フライバック方式の場合、給電側共振周期と受信側共振周期の関係は、共振時間と駆動時間との加算が受信側共振周期という関係にはならないが、共振方式で行うシミュレーションの最適値によって、共振状態の時間(t2)に駆動状態の時間(t1)を合計した時間(t1+t2)に対して、0.6(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2)が成立するようにすれば良い。若しくは、駆動電圧パルス201の間隔が、給電側共振周期26となるが、これが受電側共振周期27に一致するように調整すれば良い。
3 is an explanatory diagram of the basic waveform diagram of the power supply side of the present invention (when SW2=ON). That is, it is a waveform diagram of the flyback system. When SW2=ON, the diode is short-circuited and the flyback system is used. Compared with the waveform of the resonance system when SW2=OFF, the power supply coil voltage appears only in the positive direction. The drive pulse width 25 and drive time 28 can be lengthened. Basically, they can be set to a maximum of slightly less than half a cycle of the power supply side resonance cycle 26.
The longer the drive time (drive pulse width), the more current flows through the coil, generating magnetic flux in the power supply coil 11, and the magnetic flux also passes through the power receiving coil 1 of the power receiver 2 in a resonant state, causing current to flow. However, it cannot be said that simply setting the drive voltage pulse 201 for the full half cycle is sufficient. At a certain time (width), the power supply capacity reaches a plateau. Therefore, making it slightly shorter than the half cycle provides better power supply efficiency.
In the case of the flyback system, the relationship between the power supply side resonance period and the receiving side resonance period is not such that the sum of the resonance time and the drive time is the receiving side resonance period, but it is sufficient to make 0.6(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2) true for the time (t1+t2) obtained by adding the time (t2) in the resonant state to the time (t1) in the drive state, based on the optimum value of a simulation performed in the resonance system. Alternatively, the interval of the drive voltage pulses 201 becomes the power supply side resonance period 26, and this should be adjusted to match the power receiving side resonance period 27.
図4は、本発明の受電器の回路図Aの説明図である。受電コイル1の中点に接点、すなわち中点タップをもたせる回路であり、こうする事で、受電コイル電圧が低下し、その分、受電コイル電流が向上する。すなわち、給電能力を損なう事なく、受電装置の出力電圧を下げる事ができる。受電コイルの両端には、共振コンデンサーが並列に接続されている。コイルの両端のインダクタンスを測定し、所定の共振周波数に合わせたコンデンサー容量を選んで実装する。受電コイルの中点位置は、巻き数の中間点が好ましいが、あえてGND側に寄せると電流値が向上し、プラス側に寄せると、電圧値が向上する。どちらに寄せても、電圧×電流=電圧は、ほぼ近似値の中で、調整する事ができる。この回路図Aは、中点タップから引き出した線に、整流ダイオードをとりつけている回路となる。 Figure 4 is an explanatory diagram of circuit diagram A of the receiver of the present invention. This is a circuit that has a contact, i.e., a midpoint tap, at the midpoint of the receiving coil 1. By doing so, the receiving coil voltage drops and the receiving coil current increases accordingly. In other words, the output voltage of the receiving device can be lowered without impairing the power supply capacity. A resonant capacitor is connected in parallel to both ends of the receiving coil. The inductance at both ends of the coil is measured, and a capacitor capacity that matches the specified resonant frequency is selected and implemented. The midpoint position of the receiving coil is preferably the midpoint of the number of turns, but if it is moved closer to the GND side, the current value increases, and if it is moved closer to the positive side, the voltage value increases. Regardless of which way it is moved, the voltage x current = voltage can be adjusted to within an approximate value. This circuit diagram A is a circuit in which a rectifier diode is attached to the wire drawn from the midpoint tap.
図5は、本発明の受電装置の回路図Bの説明図である。この回路図Bは、中点タップから引き出した線がGNDに落とされている特徴のある回路である。この場合、バッファとなっているコンデンサーのGNDと、中点タップのGNDを接続する必要がある。回路図Aとほぼ同等の効果がある。 Figure 5 is an explanatory diagram of circuit diagram B of the power receiving device of the present invention. This circuit diagram B is a circuit characterized by the fact that the wire drawn from the midpoint tap is dropped to GND. In this case, it is necessary to connect the GND of the capacitor that acts as a buffer to the GND of the midpoint tap. This has almost the same effect as circuit diagram A.
図6は、本発明の受電装置の受電コイルの説明図である。この受電コイルから中点タップをする場合、コイルの巻き数が中間点の位置から、リード線を取り付ける方法や、コイルを巻いている途中から、一旦引き出して、また巻き始めるなどすることで、この中点タップが実現できるが、双方とも、コイルを乗り越えて、中間タップの線を引き出さなければならない。そうすると、巻線コイルの乗り上げ分、コイルの高さが高くなり、製品の組込みに影響がある。そこで、α巻きの2つのコイルとした場合、以下の方法が理想的なコイルの巻き方となる。第一の層をα巻にする。第二の層をα巻にする。第一と第二の層のコイルのサイズと巻き数は同じ。次に、第一の層の片方と、第二の層の片方の引き出し線を合体させる。第一の層の巻線と、第二の層の巻線を重ね合わせる。こうする事で、中点タップの引き出し線が、コイルを乗り越えることなく、きれいにコイルを形成できる。尚、第一と第二の層の巻線を別々の巻線数として、いわゆる中点タップからの巻線比を変える事で、受電コイルから出力される電圧値及び電流値を変える事ができる。 Figure 6 is an explanatory diagram of the receiving coil of the power receiving device of the present invention. When performing a midpoint tap from this receiving coil, it is possible to achieve this by attaching a lead wire from the position of the midpoint of the number of turns of the coil, or by pulling out the lead wire halfway through winding the coil and then starting to wind it again, but in both cases, the wire for the midpoint tap must go over the coil. In that case, the height of the coil increases by the amount of the winding coil that goes over the coil, which affects the assembly of the product. Therefore, in the case of two coils with α windings, the ideal coil winding method is as follows. The first layer is made into an α winding. The second layer is made into an α winding. The size and number of turns of the coils of the first and second layers are the same. Next, combine one of the wires from the first layer and one of the wires from the second layer. The winding of the first layer and the winding of the second layer are overlapped. In this way, the wire for the midpoint tap does not go over the coil, and the coil can be neatly formed. Furthermore, by making the first and second layers of windings have different numbers of turns and changing the turns ratio from the so-called midpoint tap, it is possible to change the voltage and current values output from the receiving coil.
図7は、本発明の周波数調整機能の説明図である。並列共振回路の場合は、共振状態になればなるほど、コイルにかかる電圧が最大値に向上する。電圧が一定値以上にならない様にするには、直ちに、給電装置の入力電圧を下げる方法が必要である。本発明では、給電コイルの電圧と給電コイルの電流をみながら、電圧安定化回路19、例えばDCDCコンバーターを通して、入力電圧を上げ下げする様に制御する方法を提示している。
また、フライバック切替スイッチ13(SW2)をONして、ダイオードをショートする事で、電圧制御しやすいフライバック方式に切り替える方法を提示している。
更には、受電器2に、周波数調整回路8を設け、出力電圧が一定以上になると、周波数調整素子をONかOFFさせる事で、別の共振周波数へずらす方法を提示している。共振周波数がずれると、給電能力が下がるので、コイルの電圧、すなわち受電器2の出力電圧を低下させられる。
また、駆動電圧パルス時間(幅)を短くする事でも、給電コイルに流れる電流を下げる事になり、給電能力を下げる効果がある。
また、駆動電圧パルスの間隔を調整する事で、給電側の共振周波数を少し変化させる事ができる。これにより、共振周波数をずらす事で、給電能力を下げる効果がある。図7の「給電側の周波数調整切替」は、駆動電圧パルスの時間(幅)と間隔の調整によって実現する。
この電圧の上昇は、受電側に接続されたバッテリーなどの状態、一般的には満充電になると無負荷、若しくは軽負荷状態になるが、この時が、電圧が上昇するきっかけとなる。電圧が高くなりすぎると、受電装置に取り付けているDCDCコンバーターなどの最大入力電圧を超えてしまい破損の原因となる。また、高い入力電圧を持つDCDCコンバーターは、一般的にコストが高い為、これを採用するのは好ましくない。本発明によって、この問題を解決する事ができる。
この図7は、縦軸が受電装置の出力電圧、第二の縦軸が給電装置の入力電流値で、横軸が給電コイルと受電コイルとの距離となる。これは、横軸が右に行くほど、受電コイルが給電コイルに近づいていくときの状況を示している。
給電器には、少なくとも2種類の共振周波数を持つ。この時の共振周波数は、「給電側共振周期」にあたり、駆動電圧パルスの間隔で制御する。
本発明の周波数調整機能の説明図Aの、負荷がある場合、共振状態になるならば、その分、エネルギーとして電流値が流れる事になる。特に、受電装置に負荷がある場合は、給電装置の入力電流値が大きく流れて行く。まず、最初は、給電装置の共振周波数をずらした状態で給電する。この状態では、受電装置が無負荷の場合でも、一定値以上、受電コイルの電圧が高くならない周波数とする。
給電装置の入力電流値が設定電流値以上になった時、受電装置に負荷がある事を示しているので、給電装置の共振周波数を最適な周波数に変更する。次に、受電装置の受電装置の出力電圧が、設定電圧値以上になると、周波数調整回路によって、FETがONして、周波数調整素子の働きで、受電装置の共振周波数がずれる。この時に一定のヒステリシスをもたす回路にした方が良い。そうすると、受電能力が下がる事で、受電装置の出力電圧の上昇が小さくなる。
7 is an explanatory diagram of the frequency adjustment function of the present invention. In the case of a parallel resonant circuit, the closer to the resonant state, the higher the voltage applied to the coil becomes. In order to prevent the voltage from exceeding a certain value, a method is required to immediately lower the input voltage of the power supply device. The present invention presents a method of controlling the input voltage to be increased or decreased through a voltage stabilization circuit 19, for example, a DC-DC converter, while monitoring the voltage and current of the power supply coil.
Also, a method of switching to a flyback system that is easier to control voltage by turning on the flyback changeover switch 13 (SW2) and shorting the diode is presented.
Furthermore, a method is presented in which a frequency adjustment circuit 8 is provided in the power receiver 2, and when the output voltage exceeds a certain level, the frequency adjustment element is turned on or off to shift the resonant frequency to another frequency. When the resonant frequency shifts, the power supply capacity decreases, so the coil voltage, i.e., the output voltage of the power receiver 2, can be reduced.
Also, shortening the driving voltage pulse time (width) reduces the current flowing through the power supply coil, which has the effect of reducing the power supply capacity.
In addition, by adjusting the interval of the drive voltage pulse, the resonant frequency of the power supply side can be changed slightly. This has the effect of shifting the resonant frequency and reducing the power supply capacity. The "power supply side frequency adjustment switching" in Figure 7 is realized by adjusting the time (width) and interval of the drive voltage pulse.
This voltage rise occurs when the battery connected to the power receiving side is in a no-load or light-load state, typically when it is fully charged. If the voltage becomes too high, it will exceed the maximum input voltage of the DC-DC converter attached to the power receiving device, causing damage. In addition, DC-DC converters with high input voltages are generally expensive, so it is not desirable to use them. This invention can solve this problem.
7, the vertical axis represents the output voltage of the power receiving device, the second vertical axis represents the input current value of the power feeding device, and the horizontal axis represents the distance between the power feeding coil and the power receiving coil. This shows the situation when the power receiving coil gets closer to the power feeding coil as it goes to the right on the horizontal axis.
The power supply has at least two kinds of resonance frequencies. The resonance frequency corresponds to the "power supply side resonance period" and is controlled by the interval of the drive voltage pulse.
In the explanatory diagram A of the frequency adjustment function of the present invention, if there is a load and a resonant state occurs, a current value will flow as energy. In particular, if there is a load on the power receiving device, a large input current value will flow from the power supply device. First, power is supplied with the resonant frequency of the power supply device shifted. In this state, the frequency is set so that the voltage of the power receiving coil does not increase above a certain value even when the power receiving device is unloaded.
When the input current value of the power supply device exceeds the set current value, this indicates that there is a load on the power receiving device, so the resonant frequency of the power supply device is changed to an optimal frequency. Next, when the output voltage of the power receiving device of the power receiving device exceeds the set voltage value, the frequency adjustment circuit turns on the FET, and the frequency adjustment element shifts the resonant frequency of the power receiving device. At this time, it is better to use a circuit that provides a certain amount of hysteresis. This reduces the power receiving capacity, which reduces the increase in the output voltage of the power receiving device.
図8は本発明の周波数調整機能の説明図Bの無負荷の場合についてである。
次に無負荷の時の動きだが、受電装置が無負荷の場合は、給電装置の入力電流値が小さくなる。設定電流値より越えない為、給電側の周波数調整切替は無い。給電装置の共振周波数をずらした状態のまま推移していく。受電装置が無負荷・軽負荷の場合、受電装置の出力電圧が負荷がある時より、急激に上昇する。受電装置の出力電圧が、設定電圧値以上になると、周波数調整回路によって、FETがONして、周波数調整素子の働きで、受電装置の共振周波数がずれる。これによって、受電能力が下がり、受電装置の出力電圧の上昇が小さくなる。それでも、一定の距離より近づくと、受電装置の出力電圧が急激に上昇する距離があり、ここまでを最適な距離をして定めれば良い。給電側、受電側とも、共振周波数のずれが大きくなる為、給電能力が最も下がる結果となり、電圧上昇を抑える事ができる。
本発明の構成では、共振周波数のずれによって起こる損失分は、フライバック方式においては、給電能力、若しくは受電能力下がるだけで、熱損失になっているわけではない。但し、受電装置のFETは、一定の発熱要因ではあるが、ONする場合の無負荷の時には、流れる電流が低いので、その影響は少ない。
FIG. 8 is an explanatory diagram B of the frequency adjustment function of the present invention in the case of no load.
Next, the behavior when there is no load. When the power receiving device is unloaded, the input current value of the power supply device becomes smaller. Since it does not exceed the set current value, there is no frequency adjustment switching on the power supply side. The resonant frequency of the power supply device continues to be shifted. When the power receiving device is unloaded or lightly loaded, the output voltage of the power receiving device rises more rapidly than when there is a load. When the output voltage of the power receiving device exceeds the set voltage value, the FET is turned on by the frequency adjustment circuit, and the resonant frequency of the power receiving device shifts due to the action of the frequency adjustment element. This reduces the power receiving capacity and reduces the increase in the output voltage of the power receiving device. However, if the distance approaches beyond a certain distance, there is a distance at which the output voltage of the power receiving device rises rapidly, and this distance can be set as the optimal distance. Because the difference in the resonant frequency becomes large on both the power supply side and the power receiving side, the power supply capacity drops to the lowest level, and the voltage rise can be suppressed.
In the configuration of the present invention, the loss caused by the shift in the resonant frequency in the flyback system only reduces the power supply capacity or power receiving capacity, and does not become heat loss. Although the FET of the power receiving device is a certain heat generation factor, when it is turned on and there is no load, the current flowing is low, so the impact is small.
本発明のワイヤレス給電システムは、並列共振回路ではワイヤレス給電は向かないとされていた定説に、解決の方法を提示するとともに、100ワット以上の様な高い電力の充電を実現することを可能にする画期的なものであり、電気バイク、電気自動車などの動力源として充電を必要とするあらゆる産業に用いられる。 The wireless power supply system of the present invention provides a solution to the conventional wisdom that wireless power supply is not suitable for parallel resonant circuits, and is a groundbreaking product that makes it possible to achieve high-power charging of 100 watts or more, and can be used in all industries that require charging as a power source for electric bikes, electric cars, etc.
1 受電コイル
2 受電器
3 受電側共振用コンデンサー
4 整流回路
5 負荷
6 電圧安定化回路
7 ショットキーバリアダイオード
8 受電側周波数調整回路
10 給電器
11 給電コイル
12 スイッチ回路
13 フライバック切替スイッチ
14 給電側共振用コンデンサー
15 周波数調整回路
16 共振状態センサー
17 制御回路
18 電源
19 電圧安定化回路
20 電圧センサー
21 電流センサー
25 駆動パルス幅
26 給電側共振周期
27 受電側共振周期
28 駆動時間
29 共振時間
201 駆動電圧パルス
202 受電コイル電圧
203 給電コイル電圧
REFERENCE SIGNS LIST 1 receiving coil 2 receiver 3 receiving-side resonant capacitor 4 rectifier circuit 5 load 6 voltage stabilization circuit 7 Schottky barrier diode 8 receiving-side frequency adjustment circuit 10 power supply 11 power supply coil 12 switch circuit 13 flyback changeover switch 14 power supply-side resonant capacitor 15 frequency adjustment circuit 16 resonance state sensor 17 control circuit 18 power supply 19 voltage stabilization circuit 20 voltage sensor 21 current sensor 25 drive pulse width 26 power supply-side resonant period 27 receiving-side resonant period 28 drive time 29 resonant time 201 drive voltage pulse 202 receiving coil voltage 203 power supply coil voltage
Claims (12)
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の受電回路部は、
前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサー
を有し、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、
前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すべくダイオードを含むスイッチ回路と、
前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、
前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、
前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路と
を有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 a power feeder including a power feed coil that generates a magnetic flux and a power feed circuit unit that supplies power to the power feed coil so as to generate the magnetic flux;
A wireless power supply system including a power receiver having a power receiving coil that receives a magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplying electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon,
The power receiving circuit unit of the power receiver includes:
a power receiving side resonant capacitor that forms a power receiving side resonant circuit in combination with the power receiving coil so as to resonate at a power receiving side resonant period;
The power supply circuit unit of the power supply device
a power supply side resonant capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant period;
a switch circuit including a diode for alternately repeating a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the power receiving side resonance period being a period;
a flyback changeover switch for switching between utilizing a diode in the switch circuit and shortcutting the diode;
a control circuit that inputs a drive pulse signal for controlling ON/OFF of the switch circuit and adjusts a timing for inputting the drive pulse signal;
and a power supply side tuning adjustment circuit that performs fine adjustment of the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal so that it matches the power receiving side resonant period.
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の受電回路部は、
前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサー
を有し、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、
前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、
前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、
前記給電器の入力電圧を安定化する電圧安定化回路と、
前記給電器の電圧を検知する電圧センサーと、
前記給電器の電流を検知する電流センサーと、
前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整するとともに、前記電圧センサー及び前記電流センサーの検知結果に基づいて前記電圧安定化回路を作動させる制御回路と、
前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路と
を有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 a power feeder including a power feed coil that generates a magnetic flux and a power feed circuit unit that supplies power to the power feed coil so as to generate the magnetic flux;
A wireless power supply system including a power receiver having a power receiving coil that receives a magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplying electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon,
The power receiving circuit unit of the power receiver includes:
a power receiving side resonant capacitor that forms a power receiving side resonant circuit in combination with the power receiving coil so as to resonate at a power receiving side resonant period;
The power supply circuit unit of the power supply device
a power supply side resonant capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant period;
a switch circuit that alternately repeats a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the power receiving side resonance period being a period;
a flyback changeover switch for switching between utilizing a diode in the switch circuit and shortcutting the diode;
a voltage stabilization circuit that stabilizes an input voltage of the power supply device;
A voltage sensor that detects a voltage of the power supply device;
A current sensor that detects a current of the power supply device;
a control circuit that inputs a drive pulse signal for controlling ON/OFF of the switch circuit, adjusts a timing for inputting the drive pulse signal, and operates the voltage stabilization circuit based on detection results of the voltage sensor and the current sensor;
and a power supply side tuning adjustment circuit that performs fine adjustment of the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal so that it matches the power receiving side resonant period.
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の前記受電回路部は、
前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーと、
前記受電コイルに発生した電流を整流する整流回路と、
周波数調整素子を有し、前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路と
を有し、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、
前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、
前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、
前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、
前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路と
を有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 a power feeder including a power feed coil that generates a magnetic flux and a power feed circuit unit that supplies power to the power feed coil so as to generate the magnetic flux;
A wireless power supply system including a power receiver having a power receiving coil that receives a magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplying electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon,
The power receiving circuit unit of the power receiver is
a power receiving side resonant capacitor that forms a power receiving side resonant circuit in combination with the power receiving coil so as to resonate at a power receiving side resonant period;
A rectifier circuit that rectifies a current generated in the power receiving coil;
a power receiving side frequency adjustment circuit that has a frequency adjustment element and controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit becomes equal to or greater than a certain threshold value;
The power supply circuit unit of the power supply device
a power supply side resonant capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant period;
a switch circuit that alternately repeats a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the power receiving side resonance period being a period;
a flyback changeover switch for switching between utilizing a diode in the switch circuit and shortcutting the diode;
a control circuit that inputs a drive pulse signal for controlling ON/OFF of the switch circuit and adjusts a timing for inputting the drive pulse signal;
and a power supply side tuning adjustment circuit that performs fine adjustment of the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and adjusts the sum of the power supply side resonant period and the pulse width of the drive pulse signal so that it matches the power receiving side resonant period.
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の受電回路部は、
前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサー
を有し、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、
前記受電コイルに発生した電流を整流する整流回路と、
周波数調整素子を有し、前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路と
を有し、
前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、
前記スイッチ回路内のダイオードを活かすか、ショートカットするかを切り替えるフライバック切替スイッチと、
前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングを調整する制御回路と、
前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態で前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記駆動パルス信号の周期が、前記受電側共振周期に一致するように調整した駆動パルス信号周期調整状態を維持する給電側チューニング調整回路と
を有し、
前記給電側チューニング調整回路が前記駆動パルス信号周期調整状態を維持している状態で前記フライバック切替スイッチをショートカット側として使用可能としたことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 a power feeder including a power feed coil that generates a magnetic flux and a power feed circuit unit that supplies power to the power feed coil so as to generate the magnetic flux;
A wireless power supply system including a power receiver having a power receiving coil that receives a magnetic flux emitted from the power supply coil and a power receiving circuit unit that recovers energy generated in the power receiving coil by electromagnetic induction, the wireless power supply system supplying electrical energy from the power supply unit to the power receiver by electromagnetic induction using a resonance phenomenon,
The power receiving circuit unit of the power receiver includes:
a power receiving side resonant capacitor that forms a power receiving side resonant circuit in combination with the power receiving coil so as to resonate at a power receiving side resonant period;
The power supply circuit unit of the power supply device
a power supply side resonant capacitor that forms a power supply side parallel resonant circuit in combination with the power supply coil so as to resonate at a power supply side resonant period;
A rectifier circuit that rectifies a current generated in the power receiving coil;
a power receiving side frequency adjustment circuit that has a frequency adjustment element and controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit becomes equal to or greater than a certain threshold value;
a switch circuit that alternately repeats a switch-on state in which a drive current flows through a power supply coil of the power supply device and a switch-off state in which the drive current is cut off, with the power receiving side resonance period being a period;
a flyback changeover switch for switching between utilizing a diode in the switch circuit and shortcutting the diode;
a control circuit that inputs a drive pulse signal for controlling ON/OFF of the switch circuit and adjusts a timing for inputting the drive pulse signal;
a power supply side tuning adjustment circuit that performs fine adjustment of the capacitance of the power supply side resonant capacitor or the inductance of the power supply coil with the flyback changeover switch switched to the side that activates the diode, and maintains a drive pulse signal period adjustment state in which the period of the drive pulse signal is adjusted to match the power receiving side resonant period,
13. A wireless power supply system having a parallel resonant circuit, comprising: a power supply side tuning adjustment circuit that maintains a drive pulse signal period adjustment state; and a flyback changeover switch that can be used as a shortcut side.
前記給電器の前記給電回路部は、
入力電圧を上げ下げする給電器側電圧安定化回路と、
前記受電器の負荷状態に応じて変化が生じる、前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値の複数の閾値によって、前記駆動パルス信号を入力するタイミングを変化させ、前記給電側共振回路の共振周波数をずらす事で、給電能力を制御する給電能力制御回路と、
前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値が、所定の閾値を超えた場合には、前記給電器側電圧安定化回路を制御して、入力電圧を下げる給電器側電圧安定化回路制御回路と
を有し、
前記受電器の前記受電回路部は、
前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路によって、受電能力を制御する受電能力制御回路
を有し、
前記給電能力制御回路、前記給電側電圧安定化回路制御回路及び前記受電能力制御回路の複合制御によって、前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧を一定の電圧値を超えないようにすることを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to claim 3,
The power supply circuit unit of the power supply device
A power supply side voltage stabilization circuit that raises and lowers the input voltage;
a power supply capacity control circuit that changes a timing for inputting the drive pulse signal based on a plurality of thresholds of a voltage value of the voltage sensor of the power supply device or a current value of the current sensor of the power supply device, the thresholds varying according to a load state of the power receiver, and controls the power supply capacity by shifting a resonant frequency of the power supply side resonant circuit;
a power supply side voltage stabilization circuit control circuit that controls the power supply side voltage stabilization circuit to lower an input voltage when a voltage value of the voltage sensor or a current value of the current sensor of the power supply exceeds a predetermined threshold value,
The power receiving circuit unit of the power receiver is
A power receiving capacity control circuit is provided that controls the power receiving capacity by a power receiving side frequency adjustment circuit that controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit of the power receiver, which is generated according to a load state of the power receiver, becomes equal to or exceeds a certain threshold value;
A wireless power supply system using a parallel resonant circuit, characterized in that the voltage output from the rectifier circuit of the receiver, which is generated in response to the load state of the receiver, is prevented from exceeding a certain voltage value through composite control of the power supply capacity control circuit, the power supply side voltage stabilization circuit control circuit, and the power receiving capacity control circuit.
前記給電器の前記給電回路部は、
入力電圧を上げ下げする給電器側電圧安定化回路と、
前記受電器の負荷状態に応じて変化が生じる、前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値の複数の閾値によって、前記駆動パルス信号を入力するタイミングを変化させ、前記給電側共振回路の共振周波数をずらす事で、給電能力を制御する給電能力制御回路と、
前記給電器の前記電圧センサーの電圧値、若しくは前記電流センサーの電流値が、所定の閾値を超えた場合には、前記給電器側電圧安定化回路を制御して、入力電圧を下げる給電器側電圧安定化回路制御回路と
を有し、
前記受電器の前記受電回路部は、
前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧値がある閾値以上になった時に、前記周波数調整素子を活かすかショートカットするかを制御する受電側周波数調整回路によって、受電能力を制御する受電能力制御回路
を有し、
前記給電能力制御回路、前記給電側電圧安定化回路制御回路及び前記受電能力制御回路の複合制御によって、前記受電器の負荷状態に応じて生じる、前記受電器の前記整流回路から出力される電圧を一定の電圧値を超えないようにすることを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to claim 4,
The power supply circuit unit of the power supply device
A power supply side voltage stabilization circuit that raises and lowers the input voltage;
a power supply capacity control circuit that changes a timing for inputting the drive pulse signal based on a plurality of thresholds of a voltage value of the voltage sensor of the power supply device or a current value of the current sensor of the power supply device, the thresholds varying according to a load state of the power receiver, and controls the power supply capacity by shifting a resonant frequency of the power supply side resonant circuit;
a power supply side voltage stabilization circuit control circuit that controls the power supply side voltage stabilization circuit to lower an input voltage when a voltage value of the voltage sensor or a current value of the current sensor of the power supply exceeds a predetermined threshold value,
The power receiving circuit unit of the power receiver is
A power receiving capacity control circuit is provided that controls the power receiving capacity by a power receiving side frequency adjustment circuit that controls whether to utilize or shortcut the frequency adjustment element when a voltage value output from the rectifier circuit of the power receiver, which is generated according to a load state of the power receiver, becomes equal to or exceeds a certain threshold value;
A wireless power supply system using a parallel resonant circuit, characterized in that the voltage output from the rectifier circuit of the receiver, which is generated in response to the load state of the receiver, is prevented from exceeding a certain voltage value through composite control of the power supply capacity control circuit, the power supply side voltage stabilization circuit control circuit, and the power receiving capacity control circuit.
前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態の場合、
前記受電側共振周期(t3)が、前記スイッチ回路のオフの時間、すなわち前記給電器の共振状態の時間(t2)に駆動状態の時間(t1)を合計した時間(t1+t2)に対して、0.9(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2)が成立するように作用し、
前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードをショートカットする側に切り替えた状態の場合、
前記受電側共振周期(t3)が、前記給電器の共振状態の時間(t2)に対して、0.6(t2)=<t3=<1.1(t2)が成立するように作用することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to any one of claims 1 to 6,
When the flyback changeover switch is switched to a side that activates the diode, the power supply side tuning adjustment circuit
The power receiving side resonance period (t3) acts so as to satisfy 0.9(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2) with respect to the time (t1+t2) obtained by adding the time (t2) in the resonance state of the power supply device to the time (t1) in the drive state of the power supply device while the switch circuit is off, that is, the time (t1+t2) obtained by adding the time (t2) in the resonance state of the power supply device to the time (t1) in the drive state of the power supply device;
When the flyback changeover switch is switched to a side that shortcuts the diode, the power supply side tuning adjustment circuit
A wireless power supply system having a parallel resonant circuit, characterized in that the receiver-side resonant period (t3) acts such that 0.6(t2) = < t3 = < 1.1(t2) holds true with respect to the time (t2) that the power supply device is in a resonant state.
前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードを活かす側に切り替えた状態の場合、前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の40%以下とし、
前記給電側チューニング調整回路は、前記フライバック切替スイッチを前記ダイオードをショートカットする側に切り替えた状態の場合、 前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の50%以下とし、
当該範囲で、給電範囲、給電距離、給電コイル及び受電コイルの仕様を考慮した給電効率及び前記受電器の出力電力が高まる駆動時間になるように駆動時間を調整する駆動時間調整回路をさらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to any one of claims 1 to 6,
When the flyback changeover switch is switched to the side that activates the diode, the drive time of the power feeder, i.e., the time when the drive pulse is on, is 40% or less of the period of the resonant frequency of the power receiver,
When the flyback changeover switch is switched to the side that short-cuts the diode, the power supply side tuning adjustment circuit sets the drive time of the power supply device, i.e., the time during which the drive pulse is turned on, to 50% or less of the period of the resonant frequency of the power receiver,
The wireless power supply system of the parallel resonant circuit further comprises a drive time adjustment circuit that adjusts the drive time so that the drive time becomes a drive time that increases the power supply efficiency and the output power of the power receiver, taking into account the power supply range, power supply distance, and specifications of the power supply coil and power receiving coil, within the above range.
前記給電器の前記給電コイルは、1巻きから12巻き以下のコイルで構成されるものであり、当該給電コイルのコイルサイズは、前記受電器の前記受電コイルのサイズより大きいことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to any one of claims 1 to 6,
A wireless power supply system having a parallel resonant circuit, wherein the power supply coil of the power supply device is composed of a coil having 1 to 12 turns, and the coil size of the power supply coil is larger than the size of the power receiving coil of the power receiver.
前記チューニング調整回路は、
前記給電器の前記給電コイルと、前記受電器の前記受電コイルとの結合係数Kが、K=0.3(30%)以下の範囲、又はそれに近づける結合係数Kで、所望する給電効率及び受電器の出力電力が所定以上になるように、給電範囲、給電距離、前記給電コイル及び前記受電コイルの仕様を定め、かつ給電効率が高まる駆動時間になるように、前記給電コイルのインダクタンスを調整することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to any one of claims 1 to 6,
The tuning adjustment circuit includes:
a coupling coefficient K between the power supply coil of the power supply device and the power receiving coil of the power receiver is in a range of K=0.3 (30%) or less, or is close to this range, and a power supply range, a power supply distance, and specifications of the power supply coil and the power receiving coil are determined so that a desired power supply efficiency and an output power of the power receiver are equal to or greater than a predetermined level, and an inductance of the power supply coil is adjusted so that a drive time at which power supply efficiency is increased is achieved.
前記受電器の前記受電コイルは、
コイルの両端の2点及び巻き数の中間から引き出した1点の合計3点を接点としたコイルであり、引き出す巻き数比によって、出力される電圧値又は電流値を調整する事を特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to any one of claims 1 to 6,
The receiving coil of the power receiver is
A wireless power supply system using a parallel resonant circuit, characterized in that the coil has three contact points in total: two at both ends of the coil and one point drawn out from the middle of the number of turns, and the output voltage or current value can be adjusted by changing the ratio of the number of turns drawn out.
前記受電器の前記受電コイルは、コイルの両端の2点及び巻き数の中間から引き出した1点の合計3点を接点としたコイルであり、引き出す巻き数比に応じて形成された2つのα巻コイルを、重ね合わせ、一方の引き出し線同士を接続し、3点を接点とした受電コイルである事を特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including the parallel resonant circuit according to claim 11,
The receiving coil of the receiver is a coil with three contact points in total: two points at both ends of the coil and one point drawn out from the middle of the number of turns, and two α-winding coils formed according to the ratio of the number of turns drawn out are overlapped and one of the drawn out wires is connected to each other, resulting in a receiving coil with three contact points.
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