JP2013528043A - 電気自動車での無線電力送信 - Google Patents

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Abstract

典型的な実施形態は、チャージングベース(CB)とバッテリー式電気自動車(BEV)の間の結合モード領域での磁気共鳴を使った双方向無線電力伝送に向けられている。さまざまな構成で、無線電力伝送をCBからBEVへ、および、BEVからCBへ行うことができる。

Description

本発明は、概して無線電力伝送に関し、より具体的には、バッテリーを含む車への無線電力電送に関連した装置、システムおよび方法に関する。
米国特許法第119条(e)に基づく優先権の主張
本願は、下記に対して米国特許法第119条(e)に基づく優先権の主張をする。
2010年4月8日に出願され、表題が“WIRELESS POWER TRANSMISSION IN ELECTRIC VEHICLES BACKGROUND”である米国仮特許出願第61/322,196号。米国仮特許出願第61/322,196号の内容は、参照によって本明細書中に全文が組み込まれる。
2010年4月8日に出願され、表題が“WIRELESS POWER ANTENNA ALIGNMENT ADJUSTMENT SYSTEM FOR VEHICLES”である米国仮特許出願第61/322,214号。米国仮特許出願第61/322,214号の内容は、参照によって本明細書中に全文が組み込まれる。
2010年4月8日に出願され、表題が“VEHICLE GUIDANCE SYSTEM FOR WIRELESS POWER BACKGROUND”である米国仮特許出願第61/322,221号。米国仮特許出願第61/322,221号の内容は、参照によって本明細書中に全文が組み込まれる。
同時継続特許出願の参照
本願は、下記出願にも関連があり、下記出願は、本願の出願人に特許を受ける権利が譲渡されており、本願と同じ日に出願されており、下記出願の開示内容は参照により本明細書中に全文が組み込まれる。
2011年4月8日に出願され、表題が“WIRELESS POWER ANTENNA ALIGNMENT ADJUSTMENT SYSTEM FOR VEHICLES”である米国特許出願(代理人整理番号101329)。この米国特許出願の開示内容は、参照により本明細書中に全文が組み込まれる。
充電される電子装置に接続されている送信機および受信機の間でオーバーザエアー(over-the-air)、すなわち、無線電力送信(wireless power transmission)を用いる試みが進められている。このような試みは、一般に、2つのカテゴリーに分類される。1つは、送信アンテナと、充電される装置にある受信アンテナとの間での平面波放射(遠方界放射(far-field radiation)ともいう)の結合に基づいたものである。受信アンテナは、バッテリーを充電するために、放射された電力を集め、整流する。電力の結合が、アンテナの間の距離とともに急激に低下するという事実がこの試みの欠点であり、このために、妥当な距離(例えば1〜2メートル以下)で充電することが困難となっている。その上、送信システムは平面波を放射するので、フィルターをかけて適切に管理しないと、意図しない放射が他のシステムと干渉することがある。
無線によるエネルギー送信技術に対する他の試みは、例えば「充電」マットまたは面に埋め込んだ送信アンテナと、充電しようとする電子装置に埋め込んだ受信アンテナ(と整流回路)との間の誘導結合に基づくものである。この試みには、送信アンテナと受信アンテナとの間隔が非常に狭くなければならない(例えば、数mm以内)という欠点がある。この試みには、同じエリアにある複数の装置を同時に充電する性能があるが、このエリアは一般に非常に狭く、ユーザーは、装置を特定の領域に正確に置く必要がある。
最近、電気による移動力(locomotion power)と、その電気を与えるバッテリーとがある車が発表されている。ハイブリッド型電気自動車には、車載充電器があり、この車載充電器は、車にブレーキをかけて得られるエネルギーと従来のモーターを利用して車を充電する。専ら電気式である車は、バッテリーを充電するための電気を他の供給源から受けなければならない。これらの電気自動車については、従来、一種の有線交流電流(AC)によって、例えば家庭用または商業用AC供給電源によって、充電するように提案されている。
無線電力伝送システムでは、電力を無線で送信している間に損失が生じるため、効率は重要である。無線電力送信は、多くの場合に有線による伝送よりも効率が悪いために、効率は、無線電力伝送環境では、よりいっそう大きな関心事となる。結果として、無線で電力を電気自動車に与える方法および機器が必要とされている。
電気自動車のための無線充電システムでは、送信アンテナと受信アンテナをある程度の範囲内で並べることが必要となりうる。電気自動車無線充電システムの中にある送信アンテナと受信アンテナを適切に整列させるには、電気自動車を駐車スペース内で適正に位置決めするとともに、電気自動車を駐車スペース内に位置決めした後に、アンテナ位置を微調節することが必要となりうる。
結果として、無線で電力を電気自動車に与える方法および機器が必要である。
本発明に係る双方向無線電力トランシーバーは、送信モードに構成されているときに、電力入力信号を、無線電力動作周波数で交流(AC)電力出力信号に変換し、受信モードに構成されているときに、前記無線電力動作周波数で受信電力AC信号を直流(DC)電力出力信号に変換するように構成された双方向電力コンバーターと、送信モードに構成されたときに、前記AC電力出力信号から、前記無線電力動作周波数で結合モード領域内に電磁近接場を発生させ、受信モードに構成されたときに、前記動作周波数で前記結合モード領域内の前記電磁近接場から前記受信電力AC信号を発生させるように動作可能に構成されたアンテナとを備える。
さまざまなバッテリー式電気自動車(BEV)で使用できる、さまざまな交換可能バッテリーを用いて、各々が、如何にして無線充電システムを使用できるかを示す階層図である。 BEVが無線送信機近くに駐車しているときの、無線受信機を装備したBEVのための無線充電システムを示す図である。 BEVのための無線電力充電システムの簡略化したブロック図である。 BEVのための無線電力充電システムのより詳細なブロック図であり、通信リンクと、誘導リンクと、送信アンテナおよび受信アンテナのための位置合わせシステムとを示す図である。 本発明の一部の実施形態で使用できる低電圧電力線通信のための配電システムの複数部分を示す図である。 BEVで使用してもよいバッテリーの充電を表しうるリチウムイオンバッテリーの典型的な充電過程を示す図である。 BEVで使ってもよいバッテリーの充電時間の例を示す図である。 BEVの無線充電に利用してもよいさまざまな周波数を示す周波数スペクトルを示す図である。 BEVの無線充電に役立ちうるいくつかの可能性のある周波数と送信距離を示す図である。 アンテナの半径に対する磁場強度を示す送信ループアンテナおよび受信ループアンテナの図である。 ループアンテナおよび付随するフェライトバッキングの周りの磁場を示す図である。 ループアンテナおよび付随するフェライトバッキングの周りの磁場を示す図である。 無線電力アンテナの一部としてのフェライトバッキングのさまざまな厚みに対する可能性のあるインダクタンス値を例示するグラフである。 無線電力アンテナの一部としてのフェライトバッキングのさまざまな厚さに対する可能性のあるフェライト損失値を例示するグラフである。 バッテリー式電気自動車(BEV)内に配置された交換可能な非接触式バッテリーの簡易図である。 バッテリーに対する無線電力アンテナとフェライト材料の配置に関するより詳細な図である。 バッテリーに対する無線電力アンテナとフェライト材料の配置に関するより詳細な図である。 無線で電力を送受信するように装備されたBEVでのバッテリーシステムの複数部分の簡略化したブロック図である。 ハーフブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムについての簡略化した回路図である。 ハーフブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムについての波形を示す図である。 フルHブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムの簡略化した回路図である。 フルHブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムの波形を示す図である。 無線電力システムでの送信機および受信機双方への適用を示すための電力変換システムの簡略化した回路図である。 無線電力システムの等価回路図であり、効率的な無線電力システムの開発で変更し得るいくつかのパラメーターを示す図である。 無線電力システムのさまざまなパラメーターをモデル化するのに有用でありうる等価回路を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、システムのいくつかの基本要素を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、無線電力信号を発生させるためのいくつかの可能性のある回路と波形を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、直流電流DCを適当な無線電力周波数に変換するための可変電力制御ブロックを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24〜25Gに示した可変電力制御をBEVでの負荷調節に利用してもよいことを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、本発明の一部の実施形態にあってもよい、BEVと送信機の間の通信チャネルを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、可変電力制御ブロックと、DC信号を適当な無線電力周波数に変換するための力率補正ブロックとを示す図である。 力率補正を含める前の整流回路である。 力率補正を含める前の波形を示す図である。 力率補正を含める前の高調波を示す図である。 受動力率制御ブロックがある整流器の簡略化したブロック図である。 能動力率制御をしている簡略化した回路図である。 能動力率制御をしている波形を示す図である。 能動力率制御をしている補正関数を示す図である。 能動力率制御をしている高調波を示す図である。 力率制御をしていない整流器、受動力率制御をしている整流器、および、能動力率制御をしている整流器の高調波を例示するグラフである。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、BEVでの電源切り替えを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、力率制御のためのいくつかの可能性のある回路および波形を示す図である。 フィルターをかけていないDCを低周波数(LF)段階に供給した状態での送信波形を時間ドメインで示すグラフである。 フィルターをかけていないDCを低周波数(LF)段階に供給した状態での送信波形を周波数ドメインで示すグラフである。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、無線電力送信が双方向のことがあることを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、フィルターをかけていない中間DC信号がある双方向無線電力伝送のための対称的なトポロジーを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、フィルターをかけていない中間DC信号がなく、周波数混合方式を用いた、無線電力伝送のための対称的なトポロジーを示す図である。 両サイドバンド(DSB)変調された電力変換での送信波形を時間ドメインで示すグラフである。 両サイドバンド(DSB)変調された電力変換での送信波形を周波数ドメインで示すグラフである。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、追加のAC-DCコンバーターに対する必要性を軽減させうる伝導性充電インターフェイスへの結合を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、一部の典型的な実施形態では、BEV充電システムとBEV無線電力システムの間で通信の必要がないことを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、負荷の粗調節を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、負荷の微調節を示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、逆方向のリンクの負荷調節を示す図である。 負荷の粗調節を示すフローチャートである。 電圧−電流のグラフであり、負荷の粗調節のステップを示す図である。 電圧−電流のグラフであり、負荷の微調節のステップを示す図である。 典型的な実施形態で使用できるさまざまな固体スイッチの周波数−電流特性を示すグラフである。 デューティサイクルの重要な範囲を示すために、正規化した電力を送信機デューティサイクルの関数として示す図である。 高周波数での無線電力システムの典型的な実施形態を示す簡略化したブロック図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、無線電力伝送のための非対称なクラスEトポロジーを示す図である。 BEVのための無線電力システムの簡略化した回路図であり、無線電力伝送のための対称なクラスEトポロジーを示す図である。 BEVのための無線電力システムでの高調波フィルタリングを示す簡略化した回路図である。 BEVのための無線電力システムでの共振の調整を示す簡略化した回路図である。
添付図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明の典型的な実施形態を説明するためのものであり、本発明を実行できる唯一の実施形態を表すためのものではない。この説明を通じて使用する用語「典型的な」は、「一例、事例、または、例示としての役割を果たす」という意味であり、他の典型的な実施形態よりも好ましいまたは有利であると必ずしも解釈すべきではない。詳細な説明には、本発明の典型的な実施形態を完璧に理解するために、具体的な詳細が含まれている。本発明の典型的な実施形態は、このような具体的な詳細がなくても実施できることは、当業者には明らかであろう。場合によっては、本明細書に提示する典型的な実施形態の新規性が分かりにくくなることを回避するために、周知の構造や装置をブロック図形式で示す。
用語「無線電力」は、本明細書では、電場、磁場、電磁場に関連する、あるいは、そうでなければ、物理的な電磁的伝導体を使うことなく送信機から受信機へ送信される、あらゆる形態のエネルギーという意味で使われる。
さらに、用語「無線充電」は、本明細書では、無線電力を1つまたは複数の電気化学電池、または、電気化学電池を含むシステムに、その電気化学電池を再充電する目的で供給するという意味で使われる。
用語「バッテリー式電気自動車」(BEV)は、本明細書では、移動能力(locomotion ability)の一部として、1つまたは複数の再充電可能な電気化学電池から得られた電力を含む車という意味で使われる。限定はしないが、例として、一部のBEVは、車の減速から得られたエネルギーと、従来のモーターとを使って車を充電する車載充電器を含むハイブリッド型電気自動車であってもよいし、他のBEVは、全ての移動能力を電力から取り出してもよい。
本発明の典型的な実施形態は、無線電力を電気自動車に供給する方法および機器を含む。
図1は、さまざまなバッテリー式電気自動車で使用できる、さまざまな交換可能バッテリーとともに、各々が、如何にして無線充電システムを使用できるかを示す階層図である。1番上から始めると、数多くの異なるモデルのBEVがありうる。しかし、車のモデルのグループは、電気自動車(EV)バッテリータイプA、EVバッテリータイプB、および、EVバッテリータイプCのように、限られた数の交換可能なバッテリーユニットのみを使用するように適応させられるであろう。限定はしないが、例として、これらさまざまなバッテリータイプは、バッテリーが必要とする容量、バッテリーに必要なスペース、バッテリーのフォームファクタ、無線電力アンテナの大きさおよび無線電力アンテナのフォームファクタに基づいて構成されてもよい。バッテリータイプが限定されていると、特に大きさ、配置、無線アンテナのフォームファクタが限定されていると、さまざまなバッテリータイプと近接場無線結合をする1つの無線電力供給対応策を用意することができる。
バッテリーを組み込む対応策は、EVの電気的および機械的デザインにわずかな影響しか及ぼさないので、EV製造業者には無線充電を採用しやすくなりうる。いったん幅広く受け入れられ、標準化されれば、比較的少数のEVバッテリータイプのみが、流通において必要とされるだろう。バッテリータイプを限定すれば、将来、市場に導入されるEVモデルの数よりも、バッテリータイプの数がずっと少なくなるであろうから、無線BEV充電対応策をカスタマイズするのが簡単になることが考えられる。
さらに、バッテリータイプが限られると、既存のEVモデルを無線充電ができるように改造することが可能となりうる。この改造は、無線充電を統合し、かつ他の全てのインターフェイスで元のバッテリーと同じように振る舞う新しいバッテリーと、EVにある従来のバッテリーを交換することで簡単に行うことができる。さらに、無線電力タイプのバッテリーは、車の他の部分に対して、無線式、非接触の充電インターフェイスで構成できるので、バッテリーの取り替えが簡単にでき、また、バッテリーを非接触で充電でき、信頼性、機械的摩耗、および、安全性に関していくつかの利点がありうる。
図2は、無線充電が可能なBEV102のための無線充電システムを示しており、BEVが無線チャージングベース(CB)104の近くに駐車している。2台の車102が駐車スペース106に示されており、対応するCB104の上に駐車してある。地域配電センター(local distribution center)108は、電力バックボーンに接続されており交流(AC)または直流(DC)電源を、CB104の一部としての電力変換システム112に供給するように構成されている。CB104はまた、近接場放射を発生させる、または、拾うための無線電力アンテナ114も含んでいる。各々の車は、バッテリーと、BEV電力変換充電システム116と、近接場を介してCBアンテナ114と相互作用する無線電力アンテナ118とを含んでいる。一部の典型的な実施形態では、単純にドライバーがCBアンテナ114に対して車を正確に位置決めすることで、BEVアンテナ118の位置がCBアンテナ114と揃い、その結果、近接場領域内に配置されてもよい。他の典型的な実施形態では、車が無線電力伝送に対して適切に置かれた瞬間を特定するために、ドライバーが、視覚的なフィードバック、音声的なフィードバック、または、これらの組み合わせを受けてもよい。さらに別の典型的な実施形態では、車がオートパイロットシステムによって位置決めされてもよく、このオートパイロットシステムは、位置合わせ誤差が許容値に達するまで、車を(例えば、ジグザグ運動で)前後に動かしてもよい。これは、車がサーボ式ハンドルと、周辺全体に超音波センサーと、人工知能とを装備していることを前提として、ドライバーが介入することなく、または、ドライバーが最小限しか介入することなく、車が自動的かつ自立的に行ってもよい。さらに別の典型的な実施形態では、BEVアンテナ118、CBアンテナ114、または、それらの組み合わせが、アンテナの位置を互いにずらし動かして、より正確な位置に配置し、BEVアンテナ118とCB114の間により適した近接場結合を生じさせる手段を含んでいてもよい。
CB104は、さまざまな場所に設置してもよい。限定はしないが、例として、いくつかの適する場所は、車の所有者の家の駐車スペース、従来の石油を取り扱う給油所を手本としたEV無線充電のために確保された駐車スペース、および、ショッピングセンターや勤め先のような他の場所の駐車スペースである。
これらのBEV充電ステーションは、例えば以下のような数多くの利点を提供しうる。
・利便性：充電は、事実上ドライバーが介入したり操作したりすることなく、自動的に行うことができる
・信頼性：電気的な接触面が露出したり、機械的な摩耗が生じたりすることがない。
・安全性：ケーブルやコネクタを取り扱う必要がなく、戸外の環境で湿気や水に晒されうるケーブル、プラグまたはソケットもない。
・破壊行為防止：目に見える、または、アクセスすることができるソケット、ケーブル、プラグがない。
・有用性：BEVを、送電網を安定させるための分散型蓄電装置として使用する場合。有用性は、ビーグルツーグリッド(V2G)性能を可能にする便利なドッキングツーグリッド・対応策(docking-to-grid solution)で向上できる。
・美観、及び邪魔にならない点：車および/または歩行者にとって邪魔になるカラムロード(column load)およびケーブルがない。
V2G性能をさらに説明すると、CB104が電力をBEV102に伝送し、かつ、BEVが電力をCB104に伝送するように、無線電力送信および受信性能を双方向に構成できる。この性能は、太陽電池電力システムを電力網に接続し、余った電力を電力網に供給しうるのと同じ方法で、BEVが電力を配電システム全体に提供できるようにすることにより、配電安定性に有用となりうる。
図3は、BEVのための無線電力充電システム130の簡略化したブロック図である。ここに説明する典型的な実施形態は、共振構造を形成する容量負荷を加えたワイヤループ(つまり、複数回巻きのコイル)を使っており、この共振構造は、1次構造(送信機)と2次構造(受信機)がともに共振周波数に調整されていれば、磁性近接場を介して、1次から2次へ効率的にエネルギーを結合させることができる。この方法は、「磁気結合共鳴(magnetic coupled resonace)」および「共鳴誘導(resonant induction)」としても知られている。
無線高電力伝送を可能にするために、一部の典型的な実施形態は、20〜60kHzの範囲の周波数を使うことがある。この低い周波数の結合は、最新の固体素子を使って達成できる高効率電力変換を可能にしうる。さらに、無線システムとの共存問題は、他の帯域に比べると少ないであろう。
図3において、ACまたはDCでありうる従来のパワーサプライ132は、エネルギーが車へ伝送されるとすると、CB電力変換モジュール134に電力を供給する。CB電力変換モジュール134は、CBアンテナ136を駆動して、所望の周波数信号を出す。CBアンテナ136とBEVアンテナ138が実質的に同じ周波数に調整されており、かつ、送信アンテナからの近接場放射の範囲内となるように十分近ければ、CBアンテナ136とBEVアンテナ138は、電力がBEVアンテナ138に伝送され、BEV電力変換モジュール140で取り出すことができるように結合する。BEV電力変換モジュール140は、次に、BEVバッテリー142を充電してもよい。パワーサプライ132と、CB電力変換モジュール134と、CBアンテナ136とは、無線電力システム130全体のインフラストラクチャー部分144を構成し、このインフラストラクチャー部分144は、不動で、前述したように、さまざまな場所に設置されてもよい。BEVバッテリー142と、BEV電力変換モジュール140と、BEVアンテナ138とは、車の一部であるか、バッテリーパックの一部である、無線電力サブシステム146を構成する。
動作時には、エネルギーが車またはバッテリーへ伝送されるとすると、CBアンテナ136がエネルギーを伝達するための放射場を発生させるように、入力電力が、パワーサプライ132から与えられる。BEVアンテナ138は、放射場と結合し、車が蓄電する、または、消費するための出力電力を発生させる。典型的な実施形態では、CBアンテナ136とBEVアンテナ138が相互共振関係に従って構成され、BEVアンテナ138の共振周波数と、CBアンテナ136の共振周波数とが非常に近ければ、CB無線電力サブシステムとBEV無線電力サブシステムの間の伝送損失は、BEVアンテナ138がCBアンテナ136の「近接場」に設置されているときに、最小となる。
前述のように、電磁波のエネルギーの大部分を遠方場へ伝搬させるのではなく、送信アンテナの近接場でエネルギーの大部分を受信アンテナに結合させることで、効率的なエネルギー伝送が生じる。この近接場内であれば、送信アンテナと受信アンテナとの間で結合モードが起こりうる。この近接場結合が生じうるアンテナ周囲の領域は、本明細書では、近接場結合モード領域という。
CBとBEVの電力変換モジュールは、いずれも、発振器と、電力増幅器と、フィルターと、無線電力アンテナと効率的に結合するためのマッチング回路とを含んでいてもよい。発振器は、所望の周波数を発生させるように構成されており、この周波数は、調整信号に応じて調整されてもよい。発振器の信号は、電力増幅器が、制御信号に応じた増幅量で増幅してもよい。フィルターおよびマッチング回路は、高調波や他の不要な周波数をフィルターをかけて除去するために、また、電力変換モジュールのインピーダンスを無線電力アンテナに整合させるために含まれていてもよい。
CBとBEVの電力変換モジュールはまた、バッテリーを充電するのに適した電力出力を発生させるために、整流器と、スイッチング回路とを含んでいてもよい。
典型的な実施形態で使用されるBEVとCBのアンテナは、「ループ」アンテナとして構成してもよく、より具体的には、複数回巻きのループアンテナとして構成してもよい。このループアンテナは、本明細書では、「磁気」アンテナと呼ぶこともある。ループアンテナ(例えば、複数回巻きのループアンテナ)は、空芯、または、フェライト芯のような物理的な芯を含むように構成してもよい。空芯ループアンテナは、他の要素をコア領域内に置けるようにしてもよい。物理的な芯のアンテナでは、より強力な電磁場が起こりうる。
前述したように、送信機と受信機の間での効率的なエネルギーの伝達は、送信機と受信機の間の共振が整合している、または、ほぼ整合しているときに生じる。しかし、送信機と受信機の間で共振が整合していないときでさえ、エネルギーは、低い効率で伝送しうる。エネルギーの伝送は、エネルギーを送信アンテナから自由空間へ伝搬させることによってではなく、送信アンテナの近接場から、この近接場が確立された場所の近傍にある受信アンテナへと、エネルギーを結合させることによって生じる。
ループアンテナの共振周波数は、インダクタンスとキャパシタンスに基づいている。ループアンテナのインダクタンスは、一般に、単にループが作り出すインダクタンスであり、これに対して、キャパシタンスは、一般に、所望の共振周波数で共振構造を作るために、ループアンテナのインダクタンスに加えられる。限定はしないが、例としては、キャパシタは、磁場を発生させる共振回路を作るために、アンテナに直列に加えてもよい。したがって、直径が大きいループアンテナの場合、共振を誘導するのに必要なキャパシタンスの大きさは、ループの直径またはインダクタンスが大きくなると小さくなる。インダクタンスがループアンテナの巻きの回数にも依存しうることも述べておく。さらに、ループアンテナの直径が大きくなると、近接場がエネルギーを効率よく伝達する領域も大きくなる。もちろん、他の共振回路も可能である。限定はしないが、別の例としては、キャパシタをループアンテナの2つの端子の間に平行に置くことであってもよい(つまり、平行共振回路)。
本発明の典型的な実施形態には、互いの近接場にある2つのアンテナの間で電力を結合することが含まれる。前述したように、近接場とは、電磁場(本明細書では近接場放射(near field raditaion)ともいう)が存在しているが、伝搬または放射してアンテナから離れることができないアンテナの周囲領域である。近接場結合モード領域は、一般的には、アンテナの物理的な体積に近い体積、例えば、波長の6分の1の半径以内に限られている。本発明の典型的な実施形態では、1回巻きまたは複数回巻きのループアンテナのような磁気タイプアンテナを送信と受信の両方に使うが、これは、実用的な実施形態での磁気近接場振幅が、電気タイプアンテナ(例えば小型のダイポール)の電気近接場に比べて、磁気タイプアンテナの方が高い傾向があるからである。これにより、ペアの間で潜在的に高い結合が可能である。実質的な磁場に頼る別の理由は、磁場が環境にある非伝導性の誘電材料とあまり相互作用をしないことと、安全上の問題である。無線高電力送信のための電気アンテナは、非常に高い電圧を伴うことがある。さらに、「電気」アンテナ(例えば、ダイポールとモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組み合わせもまた考えられる。
図4は、BEVのための一般的な無線電力充電システム150のより詳細なブロック図であり、CBアンテナ158およびBEVアンテナ160のための通信リンク152と、誘導リンク154と、位置合わせシステム156とを示している。図3の典型的な実施形態と同様に、エネルギーがBEVへ向かって流れるとすると、図4では、CB電力変換ユニット162がACまたはDC電力をCB電力インターフェイス164から受信し、CBアンテナ158をCBアンテナ158の共振周波数または共振周波数近くで励起する。BEVアンテナ160は、近接場結合モード領域にあると、エネルギーを近接場結合モード領域から受信し、共振周波数または共振周波数近くで振動する。BEV電力変換ユニット166は、受信アンテナ160からの振動信号を変換して、バッテリーを充電するのに適した電力信号にする。
一般的なシステムはまた、CB通信ユニット168と、BEV通信ユニット170とをそれぞれ含んでいてもよい。CB通信ユニット168は、例えば、コンピュータや配電センターのような他のシステム(不図示)に対する通信インターフェイスを含んでいてもよい。BEV通信ユニット170は、例えば、車の車載コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車内の他の電子システム、および、リモート電子システムのような他のシステム(不図示)に対する通信インターフェイスを含んでいてもよい。
CB通信ユニットとBEV通信ユニットは、特定のアプリケーションのためのサブシステムまたは機能をそのための独立した通信チャネルとともに含んでいてもよい。これらの通信チャネルは、独立した物理チャネルであってもよいし、単なる独立した論理チャネルであってもよい。限定はしないが、例として、CB位置合わせユニット172は、BEV位置合わせユニット174と通信を行って、自立して、または、オペレーターの支援を受けて、CBアンテナ158とBEVアンテナ160をもっと近づけて位置を合わせるためのフィードバック機構を提供してもよい。同様に、CB誘導ユニット176は、BEV誘導ユニット178と通信を行って、CBアンテナ158とBEVアンテナ160の位置合わせをするときに、オペレーターを誘導するためのフィードバック機構を提供してもよい。さらに、CBとBEV間で他の情報の通信を行うために、CB通信ユニット180とBEV通信ユニット182とを含む、独立した、汎用通信チャネル152があってもよい。この情報には、EVの特性、バッテリーの特性、充電状態、CBとBEVの両方の電力性能に関する情報、さらには、メンテナンスや診断のデータが含まれていてもよい。これらの通信チャネルは、例えば、ブルートゥース(登録商標)、ジグビー(zigbee(登録商標))、携帯電話等のような独立した、物理的な通信チャネルであってもよい。
さらに、一部の通信は、特定の通信アンテナを使わずに、無線電力リンクを介して行ってもよい。言い換えれば、通信アンテナと無線電力アンテナが同一である。したがって、CBの一部の典型的な実施形態は、無線電力の経路で変調型プロトコルを使えるようにするコントローラ(不図示)を含んでいてもよい。送信電力レベルを予め決められた間隔で、予め決められたプロトコルを用いて変調することにより(振幅偏移変調)、受信者は、送信機からのシリアル通信を検出できる。CB電力変換モジュール162は、CBアンテナ158が発生させた近接場の近傍に有効なBEV受信機があるかないかを検出するための負荷探知回路(不図示)を含んでいてもよい。例えば、負荷探知回路は、電力増幅器へ流れる電流を監視する。この電流は、CBアンテナ158が発生させた近接場近傍に有効な受信機があるかないかによって影響を受ける。発振器にエネルギーを送信させるか、有効な受信機と通信するか、または、それらの組み合わせの決定に使用するために、電力増幅器にかかっている負荷の変化の検出結果をコントローラが監視してもよい。
BEV回路は、BEVアンテナ160をBEV電力変換ユニット166に接続および切断するためのスイッチング回路(不図示)を含んでいてもよい。BEVアンテナを切断すると、充電が一時停止するだけではなく、CB送信機から「見た」ときの「負荷」も変化し、このことは、BEV受信機を送信機から「隠す」ことに使うことができる。CB送信機が負荷探知回路を含んでいれば、これらの負荷の変化を検出することができる。したがって、CBは、いつBEV受信機がCBアンテナの近接場にいるかを特定するための仕組みを有する。
図5は、本発明の一部の実施形態で使うことができる低電圧電力線通信を行えるようにした配電システム(distribution system)200の複数の部分を示している。CBは、電力線通信システムに、配電盤182によって接続されて、電力線通信(PLC)を、関連するPLC標準をサポートする外部CB-COMインターフェイスを介して提供してもよい。外部CB-COMインターフェイスと通信するPCLノードは、電気(エネルギー)メーター184に組み込まれていてもよい。多くの国々、特にヨーロッパでは、PLCが、自動検針インフラストラクチャー(AMI)の一部として、また、スマートグリッドの利用に対して、重要な役割を果たしうる。AMIは、電気、ガス、水道、熱の自動検針(AMR)、エネルギーと水の使用のプロファイリング(profiling)、需要予測、および、需要側管理のような要素を含んでいてもよい。さらに、本発明の典型的な実施形態では、AMIは、BEVのためのV2Gの管理を含んでいてもよい。限定はしないが、例として、宅内PLCシステムは、ホームオートメーションを利用するためのHAN(home area network)の一部として構成してもよい。PLCノードのための一部の周波数は、限定はしないが、Bバンド(95〜125kHz)またはCバンド(125〜140kHz)のものであってもよい。
BEVにおける無線電力充電は、多くの異なるバッテリー性能および技術に適応させることができる。一部の典型的な実施形態の場合、バッテリー性能および技術についての情報は、充電特性および充電プロファイル(charging profiles)を特定するのに有用である。限定はしないが、バッテリー性能の一部の例は、バッテリー残量、バッテリーエネルギー、バッテリー電圧、バッテリー容量、バッテリー充電電流、バッテリー充電電力、および、充電性能である。
多くの異なるバッテリーおよび電気化学電池技術をBEVで使用できる。限定はしないが、適する電気化学電池のいくつかの例は、リチウムイオン、リチウムポリマー、および、酸化鉛型のバッテリーである。リチウムイオン電池は、バッテリーパック電圧が高いので(例えば、400V)、高いエネルギー密度を提供しうる。鉛蓄電池は、バッテリー容量が大きいので(例えば、180Ah)、高いエネルギー密度を提供しうる。現在、リチウムイオン電池が流行っているが、これは、リチウムイオン電池ではエネルギー密度が高く、かつ、電力密度が高いからである。しかしながら、本発明の典型的な実施形態は、他の再充電可能な電気化学式または電気機械式(例えば、フライホイール)電池や、将来の再充電可能な電気化学式または電気機械式の電池にさえ使用しうる。
図6は、BEVで使用してもよいバッテリーを代表しうるリチウムイオンバッテリーの一般的な充電過程を示している。グラフは、充電時間に対する充電電流、電池電圧、および充電容量を示している。第1段階では、充電容量が比較的速い速度で増加するので、実質的に一定の電流がバッテリーに加えられてもよい。第2段階では、充電容量がフル充電に近づくので、実質的に一定の電圧が加えられてもよい。図6は、バッテリーをその定格容量(多くの場合に1Cと呼ばれる)で充電する場合の充電シナリオ例を示している。(例えば、2C、3C等)1Cよりも速い速度など、他の高速充電シナリオを使ってもよい。
図7は、BEVで使用可能なバッテリーの充電時間の例を示している。25kWhの蓄電エネルギーが、BEVにおける典型的なバッテリーの充電容量の一例として示されている。利用できる電力によるが、容量をいっぱいにするまでの充電時間は、約21kWhという高速供給性能(high delivery capability)で約1.25時間、約7kWの急速供給性能(accelerated delivery capability)では約3.5時間、約3kWの通常供給性能(normal delivery capability)では約8.5時間、そして、約2kWの家庭供給性能(domestic delivery capability)では約12.5時間程度であろう。図7は、充電時間の範囲、および、如何にして無線電力供給性能に適応させるかを示すためだけのものである。
図8は、BEVの無線充電に利用でき、かつ、適するであろうさまざまな周波数を示す周波数スペクトルを例示している。BEVへの無線高電力伝送に使えるいくつかの周波数範囲には、3kHzから30kHzの帯域のVLF、一部は除外されるが(ISMのような用途のための)30kHzから150kHzの帯域の低LF、HF 6.78MHz(ITU-R ISM帯6.765-6.795MHz)、HF 13.56MHz(ITU-R ISM帯13.553-13.567)、および、HF 27.12MHz(ITU-R ISM帯26.957-27.283)がある。
図9は、BEVの無線充電に有用でありうるいくつかの可能性のある周波数と送信距離を示している。BEV無線充電に有用でありうる伝達距離のいくつかの例は、約30mm、約75mm、および、約150mmである。いくつかの典型的な周波数は、VLF帯での約27kHzと、LF帯での約135kHzであろう。
適当な周波数を決めるには、共振特性や送信アンテナおよび受信アンテナの結合モード領域以外に多くのことを考慮しなければならない。無線電力周波数は、他の用途に使われている周波数と干渉することもある。限定はしないが、例としては、VLF/LFの電力線の周波数、可聴周波数、および、通信周波数との共存問題がある。VLFおよびLFにとって共存が問題となりうる例としては、限定はしないが、電波時計の周波数、LW AM放送や他のラジオサービスの周波数、ISDN/ADSLおよびISDN/xDSL通信チャネルとのクロスカップリング、電子式自動車イモビライザーシステム、RFID(無線周波数識別)システム、EAS(電子商品監視)システム、オンサイトページング、低電圧PLCシステム、医療移植片(心臓ペースメーカー等)、オーディオシステムおよび人や動物に分かる音響放出がある。
HF周波数にとって共存が問題となりうるいくつかの例は、限定はしないが、産業、科学および医療(ISM)無線帯域であり、例えば、リモートコントロール用途や連続したエネルギー伝送でのFDXまたはHDXモードのRFIDのための6.78MHz、連続したエネルギー伝送でのFDXまたはHDXモードのRFIDおよび携帯機器用無線電力のための13.56MHz、ならびに、鉄道用途(ユーロバリーズ27.095MHz)、市民バンドラジオ、および、リモートコントロール(例えば、模型、遊具、ガレージドア、コンピュータのマウスその他)のための27.12MHzがある。
図10は、送信用および受信用のループアンテナを図示しており、アンテナの半径に対する場の強度を示している。最適半径よりも大きいまたは小さい半径のアンテナ構造は、一定の伝送電力に対して、アンテナの近傍でより大きな場の強さを発生させる。磁場強度は、アンテナ半径が比例して大きくなり、したがって常に最適であると仮定すると、一定の伝送電力について、電力伝送距離の増加とともに直線的に増加する。
図11Aおよび11Bは、ループアンテナおよび付随するフェライトバッキングの周りの電磁場を示している。送信アンテナは、複数巻きのワイヤループから構成してもよいワイヤループ1130と、フェライトバッキング1120を含み、受信アンテナは、ワイヤループ1180と、フェライトバッキング1170とを含む。VLFおよびLF周波数では、フェライトバッキングは、アンテナの間の空間での磁場1140を増強すること、つまり結合を向上させるのに、有用でありうる。図11Aに示すように、アンテナコイル1130および1180と、フェライトバッキング1120および1170との間の間隔を0cmに縮めると、送信アンテナと受信アンテナの間の結合係数が軽く減少する。したがって、アンテナコイル1130および1180と、フェライトバッキング1120および1170の間には、理想的な間隔がありうる。図11Bは、アンテナコイル1130および1180と、フェライトバッキング1120および1170との間の小さな間隔を示している。さらに、図11Bは、アンテナコイル1130および1180と、それぞれのフェライトバッキング1120および1170との間の縮めた空間を示している。送信距離が小さい場合(例えば、3cm)、結合係数が既に非常に大きいため、フェライトバッキングによる性能の利得は小くなり得る。
図12は、無線電力アンテナの一部としてのフェライトバッキングのさまざまな厚さに対する、可能性のあるインダクタンスの値を示すグラフである。図12の典型的な実施形態では、フェライトバッキングは、コイルから約0.5cmのところにある。フェライトバッキングの厚さの変化が約5mmと10mmの間であると、インダクタンスが大きくは変わらないことが分かる(つまり、約5%)。
図13は、無線電力アンテナの一部としてのフェライトバッキングのさまざまな厚さについての、可能性のあるフェライト損失の値を示すグラフである。図12の典型的な実施形態では、フェライトバッキングは、コイルから約0.5cmのところにある。フェライトバッキングの厚さの変化が約5mmと10mmの間であると、損失が急に増えることが分かる(つまり、約185%)。結果として生じた損失は、Q値を下げることがある。結果として、性能と、体積、重量、コストのような事項との間でトレードオフをする必要もありうる。
図14は、バッテリー式電気自動車(BEV)220に配置された交換可能なバッテリーの簡易図を示している。この典型的な実施形態では、無線エネルギー伝送システムのBEV側は、車のバッテリーユニット222と一体の部分である。現在、標準EVバッテリーへ向かう傾向があるので、いわゆるバッテリースワッピング(またはスイッチング)ステーションで交換を簡単かつ素早くできるようになるであろう。図14に示すように、バッテリーユニット222の形状および配置は、1つの典型的な実施形態の例である。他の多くの構成が可能である。限定はしないが、一例として、バッテリーの大部分がリアシートの下にあってもよい。
しかし、低いバッテリー位置は、無線電力インターフェイスが組み込まれていて、地面に埋め込まれた充電器から電力を受信できるバッテリーユニットにとっては有用でありうる。素早いバッテリー交換は、コード式および無線のBEV充電と共存し続けそうであるし、いずれの代替充電対応策(例えば、無線充電)に完全に取って代わることもないであろう。バッテリースワッピングステーションでは、運転手がフルに再充電されたバッテリーをおそらく1分かからずに得ることができ(従来のガソリンステーションで燃料補給をするよりも速い)、一方で、コード式および無線の充電は、家庭での対応策であろうし、また、公共駐車スペースまたは個人の駐車スペースで機会あるごとに充電して車の自走時間を増やすための対応策になるであろう。
設備投資が高いという問題から、バッテリースワッピングステーションの配備は、主に主要な輸送路(major transport axis)に沿ってと、大都市で行われるであろう。分散していて、特に便利な充電と、ドッキングツーグリット対応策とを強く支持する別の議論は、先に説明したように、BEVをビーグルツーグリット用途に利用できるというものである。
図14では、EV交換可能バッテリーユニット222が特別に設計されたバッテリー区画224に収められている。バッテリーユニット222はまた、無線電力インターフェイス226も提供する。この無線電力インターフェイス226は、共振磁気アンテナ、電力変換および他の制御部、ならびに、地面に埋め込まれたチャージングベース(CB)と電気自動車(EV)バッテリーの間での効率的で安全な無線エネルギー伝送に必要な通信機能を備える、BEV側の無線電力サブシステム全体を統合してもよい。
BEVアンテナをバッテリーユニット222(車体)の底面と同一平面をなすように組み込み、突出した部分がないようにし、かつ、地面に対する車体の指定された隙間を維持できるようにすることは、有益なことでありうる。このような構成は、無線電力サブシステム専用のある程度の空きをバッテリーユニットに求めることがある。
一部の典型的な実施形態では、CBアンテナとBEVアンテナを所定位置に固定され、CBに対してBEV全体を配置することにより、近接場結合領域内にアンテナが入れられる。しかしながら、エネルギー伝達を迅速、効率的、かつ、安全に行うためには、チャージングベースアンテナとBEVアンテナの間の距離を、短くして、磁気結合を良くする必要があるであろう。よって、一部の典型的な実施形態では、CBアンテナとBEVアンテナは、よりよい位置合わせのために、移動可能に展開することができてもよい。
図14にさらに示されているのは、完全に密閉されていて、非接触の電力および通信のインターフェイス226、228を提供するバッテリーユニット222である。この典型的な実施形態の概念的なブロック図が図16に示されている。
図15Aおよび15Bは、ループアンテナと、バッテリーに対するフェライト材料の配置に関するより詳細な図である。これらの典型的な実施形態では、バッテリーユニットが、無線電力インターフェイスの一部として、展開不能なBEVアンテナモジュールを含んでいる。磁場がバッテリーユニット230および車内へと貫通することを防止するために、バッテリーユニットと車の間に伝導性シールド232(例えば、銅薄板)があってもよい。さらに、伝導性シールド232、コイル236、および、フェライト材料238を環境からのあらゆる種類の影響(例えば、機械的損傷、酸化等)から保護するために、非伝導性(例えばプラスチック)層234が使用されていてもよい。
図15Aは、フェライトに完全に埋め込まれたアンテナコイル236を示す。コイル236自体は、例えば、撚り合わせたリッツ線のみから作られていてもよい。図15Bは、結合を向上させ、かつ、伝導性シールド232での渦電流(熱散逸)を減らすために寸法を最適化したフェライト板(つまり、フェライトバッキング)を示す。コイルは、非伝導性、非磁性(例えばプラスチック)材料234に完全に埋め込まれていてもよい。一般に、コイルとフェライト板の間に、磁気結合とフェライトのヒステリシス損失との間の最適なトレードオフの結果として、間隔があってもよい。
図16は、無線電力を受信するように装備されたBEVにおけるバッテリーシステム250の複数部分の簡略化したブロック図である。この典型的な実施形態は、EVシステム252と、バッテリーサブシステム254と、CB(不図示)への無線充電インターフェイスとの間で使用してもよい無線電力インターフェイスを示している。バッテリーサブシステム254は、EVとバッテリーサブシステム254の間の無線インターフェイスとのエネルギー伝送および通信の両方を可能にするものであり、これにより、完全に非接触で、閉じていて、密閉されたバッテリーサブシステム254ができる。インターフェイスは、双方向(2方向)無線エネルギー伝送、電力変換、制御、バッテリー管理、および通信に必要な全ての機能を含んでいてもよい。
充電器からバッテリーへの通信インターフェイス256および無線電力インターフェイス258は、前述しているが、図16は一般的な概念を示していることを再度述べておく。特定の実施形態では、無線電力アンテナ260と通信アンテナを組み合わせて1つのアンテナにしてもよい。このことはまた、バッテリーからEVへの無線インターフェイス262に適用してもよい。電力変換(LF/DC)ユニット264は、CBから受信した無線電力をDC信号に変換して、EVバッテリー266を充電する。電力変換(DC/LF)268は、EVバッテリー266からの電力を、バッテリーサブシステム254とEVシステム252の間にある無線電力インターフェイス270に供給する。EVバッテリーの充電、電力変換ユニット(LF/DCおよびDC/LF)の制御、さらには無線通信インターフェイスを管理するために、バッテリー管理ユニット272が含まれていてもよい。
EVシステム252では、無線アンテナ274がアンテナ276から電力を受信し、LF/DC電力変換ユニット278がDC信号をスーパーキャパシタバッファー280に供給してもよい。一部の典型的な実施形態では、LF/DC電力変換ユニット278がDC信号をEV電源インターフェイス282に直接供給してもよい。他の典型的な実施形態では、非接触インターフェイスが、車のドライブトレインが、例えば加速中に必要とする高いバッテリーピーク電流を提供できないことであってもよい。供給源抵抗を下げ、これにより、EVパワーサプライ端子から「見た」EVエネルギー蓄電システムのピーク電力性能を下げるために、追加のスーパーキャパシタバッファーを採用してもよい。電力変換ユニット(LF/DC)278の制御、スーパーキャパシタバッファー280の充電、さらにはEVとバッテリーサブシステム254に対する無線通信インターフェイス262を管理するために、EV電気システム制御ユニット284を含んでいてもよい。さらに、前述したようなV2G性能はまた、図16に関連して説明し、図16に示した概念に適用してもよいことも述べておく。
BEVへの無線電力供給は、かなりの量の電力を必要としてもよい。結果として、低い周波数の方が高電力の送信に適することがある。電力変換用の電子機器は、VLFおよびLFの低い周波数の方が入手しやすいであろう。以下の議論は、明確かつ簡潔にするために、LF周波数についてする。しかしながら、他に言及しない限りは、以下の議論は、VLFまたはLFより高い周波数にも適用してもよい。DCをLFに変換するとき、送信機(電力変換器)からは反射インピーダンスが見られ、DCパワーサプライ端子ではDC抵抗が見られる。
図17Aおよび17Bは、ハーフブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムの簡略化した回路図と波形をそれぞれ示している。図17Aのハーフブリッジ回路300は、送信電力変換回路を示しており、この送信電力変換回路は、電圧VDC、電流IDCのDC電力を、直列共振アンテナ回路(L1、C1)に電圧V1、電流I1を供給するのに適した動作周波数のLF電力に変換するものであり、また、基本周波数で、負荷抵抗R1Lを示すものである。この負荷抵抗は、電力受信機(図17Aでは不図示)によって「反射された」インピーダンスの実部を表している。DC入力端子では、ハーフブリッジ電力変換回路300が入力抵抗RDCを示す。電力変換は、2つの能動制御固体スイッチS1およびS1'を使用して行われ、固体スイッチS1およびS1'は、動作周波数で切り替わり、ハーフブリッジとして構成されている。キャパシタCDCは、DC入力電力をバッファーに入れること、入力電圧を安定させること、および、スイッチング周波数信号がDC電源に伝搬していくのを阻むことに役立つ。図17Bの波形は、実質的に方形波であるスイッチング電圧V1(t)、さらには、スイッチング電圧V1(t)のDC成分および基本周波数成分V1,0(t)+VDC/2を示している。ハーフブリッジ電力変換のDC入力での見掛けの抵抗RDCが抵抗R1Lの約4倍であることを示すことができる。
図18Aおよび18Bは、フルHブリッジ直列共振回路を使った電力変換システムの簡略化した回路図および波形をそれぞれ示している。図18Aのフルブリッジ回路310は、送信電力変換回路を示しており、この送信電力変換回路は、電圧VDC、電流IDCのDC電力を、直列共振アンテナ回路(L1、C1)に電圧V1、電流I1を供給するのに適した動作周波数のLF電力に変換するものであり、また、基本周波数で負荷抵抗R1Lを示すものである。この負荷抵抗は、電力受信機(図17Aでは不図示)で「反射された」インピーダンスの実部を表している。DC入力端子では、フルブリッジ電力変換回路は、入力抵抗RDCを示す。電力変換は、フルブリッジに構成された4つの能動制御された固体スイッチS11、S11'、S12およびS12'を使って行われ、全てのスイッチングは作動周波数で、かつ、適当な位相で使われる。キャパシタCDCは、DC入力電力をバッファーに入れること、入力電圧を安定化させること、および、スイッチング周波数信号がDC電源に伝搬するのを阻むことに役立つ。図18Bの波形は、実質的に方形波であるスイッチング電圧V1(t)、さらには、スイッチング電圧V1(t)の基本周波数成分V1,0(t)を示している。(理想的には、DC成分はない。)フルブリッジ電力変換のDC入力での見掛けの抵抗RDCが抵抗R1Lとほぼ等しいことを示すことができる。
図19は、送信電力変換の双方向動作をハーフブリッジ整流器として作用する受信電力変換として説明するための電力変換システムの簡略化した回路図である。図19のハーフブリッジ整流回路320は、負荷抵抗RDC,Lに接続したときに、電圧VDC,L、DC電流IDC、LのDC電力を発生させるための受信電力変換回路を示している。2つの固体スイッチS2およびS2'は、直列共振アンテナ回路(L2、C2)が電圧V2、電流I2で受信した電力の周波数と同期して、かつ、同位相で切り替わる。電圧Vind,2の電圧源は、送信機が誘導する電圧を表している。一部の典型的な実施形態では、固体スイッチを能動的に制御してもよく、一方、他の典型的な実施形態では、固体スイッチが単なるダイオードであってもよい。キャパシタCDCは、整流したLF電力のフィルタリングとバッファリングに役立つ。ハーフブリッジトポロジーの場合、受信共振アンテナから見た基本周波数での見掛けの負荷抵抗R2Lが受信電力変換のDC出力に接続されたDC負荷抵抗RDC、Lの約4分の1であることを示すことができる。図19で触れたように、典型的な実施形態は、フルHブリッジトポロジー(不図示)をさらに含んでいてもよく、また、インピーダンス変換比R2L対RDC、Lが約1対1である。
図20は、無線電力システムの簡略化した等価回路であり、効率的な無線電力システムの開発中に変えてもよいいくつかのパラメーターを示している。一般に、送信側では、電圧VSでLF信号を与えるLF電源、および、LF電源の等価供給源インピーダンスRSは、実質的に一定である(定まっている)。これらの供給源インピーダンスは、送信電力変換回路素子、および、共振送信アンテナより前にあるあらゆる整合またはフィルタリング回路で生じるあらゆる損失を表すことであってもよい。一般に、受信側では、直列抵抗Rrのみならず、負荷抵抗RLおよび電圧VLが実質的に一定である(定まっている)。直列抵抗Rrは、受信電力変換回路素子、および、共振受信アンテナの後のあらゆる整合またはフィルタリング回路で生じるあらゆる損失を表すことであってもよい。同様に、送信アンテナと受信アンテナの間の空間的な関係が定まっている場合、送信アンテナコイルQ1の無負荷Q値および受信アンテナコイルQ2の無負荷Q値、さらには、送信アンテナコイルQ1と受信アンテナコイルQ2の間の結合係数(k)も一定(定まっている)とみなすことができ、他の回路素子は、与えられたQ1、Q2および結合係数(k)に基づいて電力伝送を最適化するように適応させる。
この設計問題に対する気の利いた試みでは、最初に、必要な供給源電圧および負荷電圧(特に、必要な電圧伝送比ΓV,β)と、目標とするアンテナ/コイルのQ値Q1およびQ2を指定する。次に、指定されたアンテナ無負荷Q値Q1およびQ2を維持しながら、アンテナのインダクタンスL1およびL2、直列共振損失抵抗R1およびR2、直列共振キャパシタC1およびC2、および、これらの組み合わせを伝送効率が最大になるように変えることで、最適化する。
この試みは、指定されたQ値という制約の下で、アンテナコイルを求められた任意のインダクタンスに設計できることを前提としている。コイル設計の実際は、Q値がインダクタンスよりも、指定された体積/形状係数(volume/form factor)の制約によって主に決まることを示している。したがって、Q値の制約は、結局は体積/形状係数の制約である。
最適なインダクタンスが、指定された体積/形状係数の制約で決まる利用可能な範囲以外にあることが分かった場合には、特定のアンテナ整合回路が必要となるであろう。強結合の状況では、現実的なインダクタンスが結果として得られるので、このような特定の整合は通常必要とされない。しかし、中程度、または、弱く結合した状況では、一般に、アンテナ整合のための特別な準備が必要である。
変数L1およびL2の最適値を見つけるために、2つの独立した式である連立方程式を利用してもよい。一方の方程式は、指定した電圧伝送比から得られ、他方の方程式は最適負荷抵抗から得られる。
全Q値の定義を用いると、
比ΓV,eの式は、以下のように表してもよい。
そして、最適負荷抵抗RL,optは、以下のように表してもよい。
強結合した対称な磁気共鳴リンク(L1=L2)を除き、L1,optおよびL2,optについての簡単な解析解は、一般的な場合でも、強結合の状況でも、存在しないことがある。結果として、最適化をサポートする数値的なアプローチやネットワークシミュレーションが解を得るためのよりよい方法であろう。
強結合対称リンクの場合、以下が簡単に得られる。
Q1=Q2=Q、RS=Rr=R'に対して
しかしながら、対称の場合、電圧伝送比はネットワークの対称性で決まり、以下のようになる。
ここで、
であり、ηM,e,maxは、達成しうる最大の両端間の効率である。
図21は、無線電力システムのさまざまなパラメーターをモデル化するのに有用でありうる等価回路を示している。最適なインダクタンスを(例えば、電圧または電流の制約のために)指定したQで実現できない場合、特定の整合回路が必要なことがある。これは、通常、中程度にまたは弱く結合した状況、または、RLの特定の値の場合である。図21に示すように、整合回路は、理想的なトランス(送信側では2110、受信側では2120)で表すことができる。このような変圧は、例えば、供給源および/または負荷への分路キャパシタ、並列共振、誘導結合ループ等のような、多くの異なる方法で行うことができる。
磁気共鳴リンクの全体的な伝送効率を最大にするには、多くの素子を検討しなければならない。最適なマッチングは、求められている全体的な電圧伝送比と、磁気リンク内外の損失(例えば電力変換によるもの)で一般的には決まりうる。強結合の状況では、通常、指定されたQ値での一組の最適なアンテナインダクタンス(またはL-C比)を選ぶことで、整合させることができる。L-C比によるマッチングは、可能なのであれば、この方法が最も簡単で、追加の(無駄な)、高価な素子を導入しないことから、好ましいであろう。さらに、送信および受信電力変換のための回路は、インピーダンス変換を行って、見掛けの供給源抵抗および/または負荷抵抗を最適値に適応させるために用いてもよい。しかしながら、このことは、さらに損失を加えることもあるし、このために、RrのRLに対する比を不都合にも変えてしまうこともある。結果として、このような方法は、結合が可変であるか、負荷抵抗が動的に、かつ、大きく変化する場合に用いることが一番であろう。
図22は、BEVのための無線電力システム400の簡略化したブロック図であり、システムのいくつかの基本的な要素を示している。なお、この説明を通して、AC供給電圧は、約50Hz、約230ボルトのヨーロッパ標準をいう。もっとも、供給電圧は、DCであってもよいし、60Hz、110ボルトACや60Hz、220ボルトACの米国標準のような他のAC形式であってもよい。以下の説明は、明確かつ簡潔にするために、LF周波数について行う。しかしながら、他のことに言及しない限りは、以下の議論は、VLFまたはLFより高い周波数に適用してもよい。
電力入力信号がDCであれば、DC/LFコンバーター402は、無線電力リンクの送信アンテナを駆動するために、中間DC電圧をLF範囲の周波数に変える。
電力入力信号がACであれば、AC/DCコンバーター404がAC供給電圧を中間DC電圧に変え、DC/LFコンバーター406が、無線電力リンクの送信アンテナを駆動するために、中間DC電圧をLF範囲の周波数に変える。受信アンテナ410は、送信アンテナ408の結合モード領域にあると、送信アンテナと結合し、送信アンテナと実質的に同じ周波数で共振する。LF/DCコンバーター412は、受信アンテナ410からのLF信号をBEVバッテリー414を充電するためのDC信号に変える。一部の典型的な実施形態でのLF/DCコンバーター412のパラメーターは、利用可能な電力(PL,nom)が約2kWであってもよく、利用可能な電圧(VL,nom)が約400VDCであってもよく、また、利用可能な電流(IL,nom)が約5アンペアであってもよい。LF/DCコンバーター412から見たインピーダンスは、このケースでは、約80Ωであってもよい。
図23は、BEVのための無線電力システム420の簡略化した回路図であり、無線電力信号を発生させるための、いくつかの可能性のある回路と波形を示している。図23の典型的な実施形態では、ダイオードD11、D11'、D12およびD12'が、キャパシタCDC,1とともに、送信側での、中間DC電圧へのAC/DC変換を形成している。トランジスタQ14、Q14'、Q24およびQ24'は、DC/LF変換部を作っており、トランジスタのスイッチングを制御するのにパルス幅変調(PWM)方式を用いている。キャパシタC1およびインダクタンスL1は、直列共振送信アンテナを表している。図23の典型的な実施形態では、PWM制御は、デューティサイクルを約50%に設定して、共振アンテナ電流I1(t)がゼロを通るときだけスイッチングが行われることを保証してもよい。受信アンテナL2は、送信アンテナL1と、送信アンテナの結合モード領域にあるときに結合して相互インダクタンスMを与え、また、送信アンテナと実質的に同じ周波数で共振する。受信側では、ダイオードD21、D21'、D22およびD22'がキャパシタCDC,2とともにLF/DCコンバーターを形成し、受信アンテナからのLF信号を整流して、DC電圧を作り出し、図22に示すように対応するDC抵抗による負荷があれば、電流、電力を作り出す。
もちろん、同じチャージングベースで、異なる充電電力条件の異なるクラスのBEVをサポートしなければならない場合には、電力制御もまた必要となることもある。さらに、例えば、充電電流を調節する、電力を滑らかに一定比率で増減させる、また、アンテナの位置合わせのための低電力モードでシステムを動作させて、BEVを充電位置へ誘導する(誘導システム)、および/または、チャージングベースおよび/またはBEVの無線電力アンテナの位置を合わせる、ならびに、他の調整および検査目的に使用することができる低電力(ビーコン)信号を出す、というような理由に、電力制御は有用なこともある。
図24は、BEVのための無線電力システム430の簡略化したブロック図であり、DC電力を無線電力に適当な周波数で変換するための可変電力制御ブロックを示している。図24の素子は、送信側のDC/LFコンバーター432が、ここでは、電力制御を行うために可変であることを除き、図22の素子と同様である。
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図25A〜25Gは、BEVのための無線電力システムの簡略化したブロック図であり、図24の可変電力制御ブロックのさまざまな典型的な実施形態を示している。図25Aでは、追加のDC/DCコンバーター442(本明細書では、DC-DCコンバーターともいう)が、AC/DCコンバーター444(本明細書ではAC-DCコンバーターともいう)と、DC/LFコンバーター446(本明細書ではDC-LFコンバーターともいう)の間に置かれている。限定はしないが、例として、このDC/DCコンバーター442は、DC/LFコンバーター446の中間DC電源の電圧レベルを修正する降圧形コンバーターまたは昇圧形コンバーターであってもよい。さらに示されているのは、DC/LFコンバーター446がデューティサイクル50%で駆動されていて、図23に関連して先に説明したように、ゼロ電流スイッチングを保証していることである。
図25Bでは、DC/LFコンバーター456が、送信アンテナへ伝える電力の量を調整するために、50%のデューティサイクルから、より低い、または、より高いデューティサイクルに修正されている。50%以外のデューティサイクルは、ゼロ電流スイッチングを維持しないので、全体の効率をいくらか悪くしうるが、これは、追加の回路を使わずに電力レベルを調整する簡単な手段である。
図25Cでは、DC/LFコンバーター466でのPWM制御信号の周波数を送信および受信アンテナの共振周波数に対して変えることにより、動作周波数を共振からずらしている。このようにPWM周波数を共振周波数に対してずらすと、送信電力の量が減るが、非共振モードではゼロ電流スイッチングを維持できないので、リンク効率も低下する。
図25Dでは、可変キャパシタンスを共振送信アンテナ回路に加えることによって、アンテナの共振周波数を離調させているが、これは、送信アンテナと受信アンテナの間で伝送される電力の量を減らす。限定をしない例であるが、調整は、(図53に関連して以下に示すような)能動スイッチング要素とともに、キャパシタバンク470を使って行ってもよいし、あるいは、スイッチで制御するキャパシタンス/インダクタンスの技術によって行ってもよい。
図25Eでは、電力を減らさなければならないときには、DC/LFコンバーター476トポロジーをフルブリッジ整流器からハーフブリッジ整流器に再構成し、最大電力を復活させる必要があるときには、その逆を行う。この方法は、追加の回路を必要とせず、専らPWMの駆動波形を変えることによって行うことができるので、ほとんど費用がかからない。しかし、この方法では、2段階の(粗い)電力制御しかできない。
図25Fでは、DC/LFコンバーター486が、共振送信アンテナをその駆動波形の高調波成分の1つで励起する。言い換えれば、DC/LFコンバーター486は、実際の送信周波数のサブハーモニック周波数で動作する。この方法では、調和級数に含まれるレベルにより、多数のレベルで電力を変えることができる。
図25Gでは、DC供給電力をDC/LFコンバーター496に与えているAC/DCコンバーター490が、平均電力(バッテリー充電電流)需要に調整したデューティサイクルで断続的に動作されてもよい。バッテリー充電と関連したこの平均電力制御法は、パルス充電としても知られている。
もちろん、図25A〜25Gに記載したいずれの実施形態も、組み合わせて使用して、電力制御のための追加の手段を形成し、また、粗調節および微調節の両方のための手段を作り出すことも可能である。
図26は、BEVのための無線電力システム500の簡略化したブロック図であり、図24〜25Gに示した可変電力制御のための手段および方法をBEVでの負荷調節にも利用可能でありうることを示している。負荷調節は、無線電力リンクから見た、特に、共振受信アンテナから見た負荷抵抗を最適な値に維持し、リンクを効率的に動作させるのに必要である。この負荷抵抗は、例えば、バッテリー充電電流が低下した場合に変わってもよいし、送信側の電力制御の直接的な結果であってもよい。受信側の可変LF/DCコンバーター502は、電力を制御するためではなく、受信アンテナから見た負荷インピーダンスを調節する(変換する)のに用いられることを除き、図25A〜25Gで前述したものと同様の方法で構成してもよい。送信側電力制御および受信側負荷調節は、変換比(nTX:1)および(1:nRX)がそれぞれ調整可能であるトランスとみなすことができる。この熟考(contemplation)がそれらの関係を示している。例えば、電力を下げるためにnTXを上げた場合、負荷に再適応させるために、nRXを同じ量だけ上げなければならない。(負荷が実質的に電圧源であるバッテリーなので、nRXに関係なく、負荷電圧VLが実質的に一定でありうることに留意しなければならない。したがって、電力制御および対応する負荷調節は、一定の出力電圧を維持する手段として簡単に説明することはできず、したがって、自明なことではない。)
図27は、BEVのための無線電力システム520の簡略化したブロック図であり、本発明の一部の実施形態であってもよい、BEVとチャージングベース(CB)の間の通信チャネルを示している。通信チャネルは、先に説明した。電力制御との関連で、BEV通信ユニット、または、BEV側の他のユニットが、BEVバッテリーへの電圧および電流の値を検出し、BEV通信ユニットを介して、CB通信ユニットへフィードバックを与えてもよい。検出した値に基づいて、送信(CB)側の可変DC/LFコンバーターと受信(BEV)側の可変LF/DCコンバーターの両方が、前述した手段のいずれかで変換比を調整して、電力伝送を最適化する、または他の点で電力伝送を調整してもよい。
図28は、BEVのための無線電力システム540の簡略化したブロック図であり、DC信号を無線電力に適した周波数のLF信号に変換するための可変電力制御ブロック542と力率補正ブロック544を示している。力率補正は、AC電源システムの電流の高調波成分を減らすものと定義してもよい。電流高調波成分を減らすことは、国際および国内規格(例えば、IEC 61000-3-2)によって指定された制限を超える電力を消費する電子機器の法令遵守の必要条件であってもよい。AC電流高調波を減らすことは、エネルギー供給者が電力網での過剰な電力損失を減らし、主電圧を実質的に正弦波に維持する助けとなる。
図29A〜29Cは、従来の整流回路560、典型的な電圧および電流波形、および、力率補正を含める前の電流の高調波スペクトルをそれぞれ示している。図29Aでは、従来のフルブリッジ整流器560が、4つのダイオードと、出力VDCに加えた負荷キャパシタで示されている。入力電圧および電流は、VAC(t)およびIAC(t)とそれぞれ名付けられている。
地域によっては、これらの高調波の一部を制限する規制があるかもしれないが、これは、これらの高調波が、エネルギー供給者の金銭的な損失を引き起こすことがあるからである。図29Bは、従来のフルブリッジ整流器の電圧および電流波形を示している。電圧曲線はサイン波である。しかしながら、電流曲線にはスパイクがあり、ここは、ダイオードが、各ACサイクルでDC平滑化キャパシタを再充電するときに、伝導モードに切り替わるところである。フーリエ解析では、これら電流スパイクは、基本周波数で最大となるが、多くの高調波信号も生成し、これらの高調波信号は、図29Cに示すように、極めて高い振幅を有することがある。別の熟考では、ACパワーサプライシステムから見た入力抵抗は、時間変数(RAC(t))であり、AC周波数とともに大きく、かつ、周期的に変化するとしてもよい。
図30は、受動力率制御ブロック572付きの整流器570の簡略化したブロック図である。図30では、従来の整流器570の後に受動装置572があり、この受動装置は、整流器と平滑キャパシタとの間に直列に挿入された大きなインダクタである。このインダクタは、AC入力電流の高調波成分をいくらか減らすチョークとして作用する。しかし、受動チョークは非常にかさばることがあり、DC出力に電圧降下、つまり損失を持ち込む。
図31A〜31Dは、それぞれ、簡略化した回路図、電圧および電流波形、補正関数、および、高調波スペクトルを能動力率補正をした状態で示している。図31Aは、従来の整流器582の後に挿入された能動力率補正モジュール(PFC)580を示している。限定はしないが、一例として、能動PFC580は、図31Dに示すような時間で変わるAC周期変換比M(t)で動作する昇圧形コンバーターとして構成され、可変インピーダンスを作り出し、整流器に与えてもよい。この可変インピーダンス関数は、整流器入力から見た抵抗(RAC(t))が、通常は時間で変わるものであるが、実質的に一定となるように構成してもよい。結果として、AC入力端子から見た瞬時抵抗は、実質的に一定であり、電圧波形と電流波形は、ともに図31Bに示すように実質的に正弦波の形状を維持し、したがって、図31Cに示すように、AC入力電流で低い高調波成分を維持する。
図32は、力率補正をしていない整流器、受動力率補正をしている整流器、および、能動力率補正をしている整流器に存在する高調波を示すグラフである。曲線3210は、一部の規格によれば高調波成分に対して許容できる最大限度を示している。曲線3220は、PFCを行っていないフルブリッジ整流器の高調波を示している。曲線3230は、図30で示したような簡単なチョークが後に続いているフルブリッジ整流器で生成できる低い高調波値である。曲線3240は、図31Aで示したような能動PFCモジュールが後に続くフルブリッジ整流器で達成できる高調波のさらに小さいレベルを示している。
図33は、BEVのための無線電力システム800の簡略化したブロック図であり、力率補正を行わないが、BEVの伝導性充電システムの一部として存在しうるPFCにむしろ頼る変形例を示している。この変形例は、無線電力システムがBEVの伝導性充電インターフェイス802に別の方法で接続することを前提とする。無線(コードレス)充電は、規格化された充電プラグによるコード式充電に取って代わることはないことも前提とすることができるので、常に伝導性充電インターフェイス(CCI)がある。コードレス充電とコード式充電の間で切り替えるために、固体スイッチまたはリレイ804が含まれていてもよい。コード式充電は、AC電源システムに直接差し込んでもよいし、BEVを有線接続で充電する他の手段を使ってもよい。この構成では、受信側のPFCモジュール806を、同じ規格に従わなくてもよい伝導式充電インターフェイスでの高調波を減らすのに既に利用可能である。結果として、図33の典型的な実施形態では、BEV充電システムのPFCモジュール806は、無線電力リンクを介してチャージングベースまで戻って高調波を制御することに使うことができ、送信側PFCの必要がなくなる。しかしながら、このケースでは、以下で示し、説明するように、無線電力送信波形は、もはや一定の包絡線ではなくなる。なお、BEV充電システムのAC/DCコンバーター808は、CCIからのAC信号をサポートするために、適当な場所にあるであろう。LF/DCコンバーター810からのDC信号は、DC信号として、AC/DCコンバーター808を直接通過できる。したがって、無線電力リンクからのLFをCCIと互換性のあるACに変換する必要はなく、既存の、簡単なLF/DCコンバーター810を使うことができる。
図34は、BEVのための無線電力システム820の簡略化した回路図であり、AC電源入力での固有の力率補正を行う、いくつかの可能性のある回路および波形を示している。ダイオードD11、D11'、D12およびD12'は、AC入力電力を整流して、実質的にフィルターがかけられていないDC電力を発生させ、DC/LFコンバーターに供給する。DC波形は、整流された半波またはAC半波で変調したDCとみなしてもよい。結果として、DC/LFコンバーターの出力、および、送信アンテナ(L1)電流も、図34に示すように、AC半波で変調される。インダクタLDCをキャパシタCDC,1と組み合わせて使って、中間DC供給電圧を軽度に平滑化してもよく、かつ、PWM回路が発生しうるLFが伝搬してAC電源システムへ戻ることをEMIフィルタリングの意味で阻んでもよい。低周波PWM駆動信号は、方形波として示されており、この方形波は、フルブリッジとして構成されたスイッチングトランジスタQ14、Q14'、Q24およびQ24'を制御して、フィルターをかけていないDC電源でLFを変調して、変調AC信号を送信アンテナで生成するようにしている。BEV側では、ダイオードD21、D21'、D22およびD22'が受信した、変調されたAC信号を整流して、これもAC変調されているDC出力を生成する。キャパシタCDC,2は、DC出力を軽度に平滑化する役割と、EMIフィルタリングという意味でBEV充電インターフェイスでLF成分を除去する役割とを果たす。この無線電力システムはトランスパーレントであり、CCIから見た負荷抵抗がAC電源入力に反映されることを意味するので、無線電力システムのAC入力から見た瞬時抵抗もまた実質的に一定となり、したがって、高調波のレベルも低くなる。
図35Aおよび35Bは、図34の典型的な実施形態が、フィルターをかけていないDCを低周波数(LF)段階に供給した場合に発生するであろう送信波形を時間ドメインおよび周波数ドメインでそれぞれ示すグラフである。図35Aは、時間ドメインでの送信アンテナ電流を100Hzのパルス状のAM信号として示している。図35Bは、周波数ドメインでの送信信号を示しており、約100Hzの基本周波数と、基本周波数の両側の高調波サイドバンドを示している。
図36は、BEVのための双方向無線電力トランシーバーを含む双方向無線電力システム840を示す簡略化したブロック図である。双方向または2方向エネルギー伝送は、エネルギーをチャージングベースからBEVへ、または、BEVからチャージングベースへ、つまり電力網へ伝送できることを意味する。前述したように、双方向無線電力伝送は、将来のスマートグリッドで重要な特徴となりうるV2G(ビークルツーグリッド)機能を実現するのに必要である。将来のスマートグリッドでは、送電網に一時的に接続したBEVが、例えば、分散型再生エネルギー生産での変動を補うために、また、電力網を地域で安定化させるために、分散型エネルギー蓄電装置854として使われる。よって、典型的な実施形態では、CB側AC/DCコンバーター842とDC/LFコンバーター846を双方向電力コンバーターとして構成してもよい。同様に、BEV側のLF/DCコンバーター、AC/DCコンバーター、および、PFC850も双方向電力コンバーターとして構成してもよい。結果として、図36の典型的な実施形態は、対称的であり、無線電力リンクを通って、電力をいずれの方向にも伝送したり、制御したりできる。なお、BEV充電システムのAC/DCコンバーター848は、CCI852からのAC信号をサポートするのに適した場所に置かれるであろう。LF/DCコンバーター846からのDC信号は、図33に関連して前述したように、DC信号としてAC/DCコンバーター848を直接通過できる。したがって、双方向システムでは、一部の典型的な実施形態がBEV側にAC/DC変換部を含んでいてもよい。他の典型的な実施形態では、BEV側のAC/DCコンバーター848が、逆方向に動作しているときには、どのインターフェイスを選択したかにより、CCI周波数またはLFに変換する。
図37は、BEVのための無線電力システム860の簡略化した回路図であり、フィルターをかけてない中間DC電源がある双方向無線電力伝送のための対称的なトポロジーを示している。以下では、無線電力システムが、両方のインターフェイス(CB側およびBEV側)においてACでつながっていることを前提とする。CB側とBEVの両方に、フルブリッジPWMモジュールが縦続しており、これらのフルブリッジPWMモジュールは、図34に関連して説明したように、軽度の平滑化を前提とする実質的にフィルターがかけられていない中間DCで、AC/DCコンバーター(整流器)もしくはDC/ACコンバーター(インバーター、本明細書ではDC-ACコンバーターともいう)として、または、LF/DC(整流器)もしくはDC/LFコンバーター(インバーター)としてそれぞれ作用してもよい。本明細書で言及したように、デジタルからアナログへまたはアナログからデジタルへとして動作するコンバーターは、本明細書では、DC/ACコンバーターと呼ぶこともある。なお、双方向電力伝送の場合、CB側のDC/AC(DC/LF)コンバーターを受信モードで動作させると、DC/AC(DC/LF)コンバーターは、実際には、インバーターではなく、整流器として動作している。同様に、BEV側のAC/DCコンバーターが送信モードで動作していると、AC/DCコンバーターは、実際には、整流器としてではなく、インバーターとして動作している。したがって、ブリッジ回路、すなわち、双方向電力伝送用に構成した場合には、フルブリッジ回路およびハーフブリッジ回路は、電力送信の方向しだいで、整流器としても、インバーターとしても動作する。したがって、双方向フルブリッジ回路およびハーフブリッジ回路は、本明細書では、フルブリッジインバーター/整流器回路およびハーフブリッジインバーター/整流器回路と同義である。
CBからBEVへエネルギーを送信している場合、左端のAC入力が、同期整流器として動作して、フィルターがかけられていないDC電源を生成するAC/DCコンバーター(第1フルブリッジQ11、Q11'、Q12、Q12')で整流される。同期整流とは、いったん同期モードになったら、整流が、能動スイッチ(トランジスタ)で行われ、能動スイッチを逆分極から守るためにも常に並列に接続されている受動ダイオードでは行われないことを意味する。能動スイッチングを使用することは、ここでは、コンバーターを両方向に動作させるのに必要であるが(つまり、双方向電力コンバーター)、スイッチング損失が少なく、したがって効率が高いというさらなる利点をもたらしうる。フィルターがかけられていないDCは、後に続くフルブリッジ(Q13、Q13'、Q14、Q14')に供給されるが、このフルブリッジは、DC/LFコンバーターであり、ACで変調したLF電流をCBの共振アンテナに入力する。よって、BEV側では、第3のフルブリッジ(Q21、Q21'、Q22、Q22')が受信したLF電力をAC変調DC電力に同期整流し、第4のフルブリッジ(Q23、Q23'、Q24、Q24')がこれをAC電力に再変換する。特定の用途では、CB側入力部にDC電源があってもよく、この場合には、第1のフルブリッジがスイッチングを行わずに静的モードで動作するであろう。同様のことは、もしBEV側がDC電力を受け取れば、第4のブリッジにも当てはまる。
BEVからCBへ送信している場合は、上述したような、双方向電力コンバーターを用いた同じ電力変換プロセスが適用されるが、逆方向であり、したがって、BEV側もしくはCB側のいずれか一方または両側の、可能性のあるDCインターフェイスに関して適用される。
図38は、BEVのための無線電力システム870の簡略化した回路図であり、フィルターをかけていない中間DC電源がなく、周波数混合方式に基づいた、無線電力伝送のための、別の対称的なトポロジーを示している。図38の典型的な実施形態は、4つの双方向スイッチセルからなる、完全に対称なフルブリッジトポロジーを使用している。送信モードでは、このトポロジーは、実際には両サイドバンド(DSB)変調器であるAC/LFアップコンバーターとして動作し、受信モードでは、同期したDSB復調器であるLF/ACダウンコンバーターとして動作して、受信したLF入力電力を求められているAC電力(例えば50Hz)に変換することが可能である。これらの回路はまた、無線電力システムの一方または両方のインターフェイスがDCインターフェイスであったとしても、適用できる。
図37の実施形態と同様に、CBからBEVへの送信は、左側のAC入力から、DSB変調器として作動するCB側の回路を通って、CBアンテナ、BEVアンテナと進み、そして、復調器として作用するBEV側の回路を通り、右側でACまたはDC出力電力を作り出す。同様に、BEVからCBへの送信は、右側のACまたはDC入力から、DSB変調器として作用するBEV側の回路を通って、BEVアンテナ、CBアンテナへと進み、復調器として作用するCB側の回路を通って、左側でACまたはDC出力電力を作り出す。
変調器機能から復調器機能への変換は、2つのトランジスタを逆並列に含む双方向スイッチセルで実現してもよい。BEV側では、双方向スイッチセルが、ダイオードが直列に接続されたトランジスタQ21と、ダイオードが直列に接続された、クロスカップル接続のトランジスタQ22とを含む。同様に、CB側では、双方向スイッチセルが、ダイオードが直列に接続されたトランジスタQ13と、ダイオードが直列に接続された、クロスカップル接続のトランジスタQ14とを含む。
図39Aおよび39Bは、両サイドバンド(DSB)変調された電力変換による送信波形を時間ドメインおよび周波数ドメインでそれぞれ示したグラフである。図39Aに示したように、時間ドメインでは、一方のAC半波長パルスから次のAC半波長パルスまで、信号に180°の位相のずれがあることが示されている。これは、ダブルトーン信号の波形としてよく知られている。図39Bに示すように、周波数ドメインでは、きれいに2つの部分からなる周波数スペクトルが発生し、図37に示した方式の場合のように、理想的にはスペクトルにスカート状に広がった部分(100Hzの高調波のサイドバンド)がない。図37の方式のように、DSB変調方式は、負荷抵抗に関してはトランスパーレントであり、したがって、CCI尊守という理由からBEV充電システムに既に存在しうるPFCを使用することに潜在的に適しているであろう。
図40は、BEVのための無線電力システム880の簡略化したブロック図であり、BEV充電システムにつなげるための別の方式で、BEVのAC-DCコンバーターを迂回して一連の電力変換の長さを短くし、したがって、両端間の効率を高めることが見込める別の方式を示している。この典型的な実施形態は、充電モードスイッチ882をAC/DCの入力からPFC884の入力へ移すことを示している。図40では、AC/DCコンバーター886がCCI888とスイッチ882の間にあり、AC/DCコンバーターがスイッチの後にある図36の実施形態とは対照的である。この対応策は、スイッチの無線電力側でのACへの変換/ACからの再変換を回避する。図36の実施形態はレトロフィットシステム(retrofit system)にとって1番よいものでありうるが、これは、無線電力インターフェイスを既存の標準的なCCIに平行に加えることが簡単にできるからである。図40の実施形態は、無線充電を最初から組み込んでいるシステムでより有用なことがある。この場合には、無線電力充電をCCIでより適切に設計し、組み込むことができる。
図41は、BEVのための無線電力システム900の簡略化したブロック図であり、一部の典型的な実施形態で、BEV充電システム902とBEV無線電力システム904の間で通信の必要がないことを示している。この典型的な実施形態では、無線電力システム904がBEV充電システム902のスレーブとして動作してもよい。スレーブとしては、無線電力システム904は広い範囲で自立的に機能でき、BEV充電システム902とBEV通信ユニット906の間の通信インターフェイスのバツ印で示すように、システム間の通信は必ずしも必要ない。このスレーブモードを達成しうるのは、前述したように、無線電力伝送は、電圧および電流を受信側、送信側、またはこれの組み合わせで監視することにより、また、おそらくは、測定された情報を受信側および送信側で通信することにより最適化できるからである。
図42Aは、BEVのための無線電力システム920の簡略化したブロック図であり、負荷の粗調節を示している。負荷の粗調節では、LF/ACコンバーター922をフルブリッジ整流とハーフブリッジ整流の間で修正することができる。さらに、DC-DCコンバーター924は、その負荷抵抗を変えることで、修正することができる。
図42Bは、BEVのための無線電力システム940の簡略化したブロック図であり、負荷の微調節を示している。負荷の微調節では、例えば離調やPWMデューティサイクル調整のような、上記に既に説明した適当な手段を用いて、LF/ACコンバーター942を修正して、LF/ACコンバーターの変換比を細かいステップで調整することができる。
図43は、BEVのための無線電力システム960の簡略化したブロック図であり、逆方向リンクでの負荷調節を示している。先に述べたように、無線電力システムは、逆方向のリンクで動作して、電力をBEVからCBへ移すことができる。この場合、負荷の調節と制御の戦略が、逆方向電力の流れの管理について図43に定義されている。順方向と同様に、粗調節は、整流の切り替えをCB側でAC/LFコンバーター962で行ってもよい(LF/ACコンバーターとして逆方向に動作する)ことを除き、フルブリッジ整流とハーフブリッジ整流の間の切り替えで行うことができる。
逆方向電力モードは、BEV充電インターフェイスでの抵抗VS/ISが負になるときに探知してもよい。逆方向モード時に無線電力システム966が示す負荷が下がった場合にVSが(理論的に)無限に大きくならないように、BEV充電システム964が出力電圧VSを制限することを前提としている。
電圧VSが決められている閾電圧Vmin以上のままである限り、AC電源への逆方向電力送信(つまりVL、IL、RL)は、最大値(または公称定格)に維持されてもよい。VSがVminより下がった場合、逆方向電力制御は、VSが再び閾値より上がるまで、電力送信を減らしてもよい。
逆方向リンクの最大効率を維持するために、AC電源側の負荷の調節をチャージングベースサブシステムで行ってもよい。AC電源は、準一定電圧を示すであろうから(電圧源のように挙動する)、AC電源を見たときの負荷抵抗は、電力が低下したときに、最適値から離れ、このため、CBサブシステムで絶えず負荷を調節することが求められる。
この挙動は、順方向モードでBEV充電インターフェイスに給電するのとは対照的である。BEVシステムは、異なる振る舞いを示しうるし、入力抵抗は、提供される電圧によって影響を受けうる。
図44は、負荷の粗調節を示すフローチャート1000である。
図45は、電圧対電流のグラフであり、負荷の粗調節のステップを示している。
図46は、電圧対電流のグラフであり、負荷の微調節のステップを示している。
図42〜46を参照しながら、負荷の粗調節および負荷の微調節を説明する。無線電力リンクの伝送効率を最大にする最適な受信機負荷抵抗が存在することがある。この最適負荷抵抗を維持する、または、エネルギーシンク(例えばバッテリー)で示されるような実際の負荷抵抗を最適負荷抵抗に変換する機能を「負荷調節」ということができる。既に述べたが、負荷調節は、電力制御の逆の機能とみなしてもよい。無線高電力では、負荷調節が特に重要であるが、これは、磁気リンクが100%に近い効率で動作する必要があるからである。
図45および46の例では、無線電力システムは、フルブリッジ構成で動作しているのであれば、RL=23オームのときに最適な負荷がかかっているとすることができる。公称充電条件では、受信機が約230Vの公称電圧と、約10Aの公称電流とを出力し、約2.3kWの公称電力を約23オームの最適負荷に与える。ここで、BEV充電プロセスが、電流がゆっくりと減衰する段階に入ったとする。この段階は、BEV充電システムのDC/DCコンバーターを使って制御できる。電流/充電電力のいかなる減少も、無線電力システムの出力に直ちに影響する。無線電力システムは、優先的にVLを維持しようとし、このため、ILは減少しやすくなるが、これは、BEVによる電力要求が後退するからである。結果として、RL=VL/ILはますますRL_optから外れる。
ここで、負荷の粗調節を検討する。この誤った傾向を打ち消すために、無線電力システムは、VLが落ちるように送信電圧を軽く絞り、この結果、BEV DC/DCコンバーターの入力抵抗を下げ(ILを増加させ)、BEV DC/DCコンバーターが示す負荷抵抗が再び23オームになるようにする。このことは、図45の線4510によって示されており、各線が、ILが下がり続けるときの負荷の粗調整を示している。VL/IL平面では、この制御戦略は、下限の電圧に達するまでRL、opt=23オームの線を常にたどる動作点として視覚化することができる。
負荷抵抗の他のあらゆる増加をBEV DC/DCコンバーターで打ち消すために、無線電力システムは、ここで、受信トポロジーをフルブリッジ(つまり、変換比約1:1)からハーフブリッジ(変換比約1:4)へ再構成することによって、負荷の粗調節を利用することにする。ハーフブリッジでは、目標とすべき最適な負荷抵抗が、23オームではなく、例えば92オームである。VLもまた、BEV DC/DCコンバーター入力範囲の上限近くまで再び増加し、需要のさらなる減少に対する余裕を設ける。電力を絞るプロセスは、今度は同じ方法で続けられる。ただし、92オームの負荷線に沿って、最終的に下限VLに達するまでである。
ここで、図46に示したような荷重の微調節を検討する。荷重の微調節は、BEV DC/DCコンバーターの入力電圧許容範囲が公称VLの前後でほとんど余裕がない場合に有用なことがある。この場合、受信機の変換比(1:n)は、例えば、離調、PWMデューティサイクル等のような、前述した方法の1つを利用して、常に適応させる必要があるであろう。電力要求が後退しつつあり、ILが減少する傾向にあると、無線電力システムが変換比nを絶えず増加させて、VLを狭い制御帯域に維持できるようにする一方で、負荷抵抗を最適に維持される。図46のVL/ILチャートでは、動作点がやはり最適負荷線をたどるが、負荷線は、VLが指定された狭い許容帯域にとどまるように絶えず傾きを変える。
もちろん、負荷の粗/微調節のこのプロセスは、BEV電力要求が増加すれば、同じ方法で逆にすることができる。このことも、図45および46に線4520および4620でそれぞれ示してある。
負荷の粗調節方式では、無線電力システムがBEV DC/DCコンバーターに負荷の微調節を行うことを強制する/促すが、一方で、無線電力システム自体は、BEV DC/DCコンバーターがその限界に達したときには、負荷の粗調節しか行わない。
負荷の微調節方式では、無線電力システムは、BEV DC/DCコンバーターには頼らず(あるいは、ほんの少ししか頼らず)、負荷調節のみを行う。
逆電力モード(ビーグルツーグリッド)をサポートしなければならないシステムでは、負荷の微調節のみが無線電力システムで利用されそうであるが、これは、送電網側には、負荷の微調節を行うように促すことができる外部コンバーターが普通はないからである。
図47は、典型的な実施形態で使用することが可能なさまざまな固体スイッチについての周波数対電流特性を示したグラフである。無線BEV充電器のパワーエレクトロニクス段階に使用する半導体スイッチは、例えば、高い動作電圧(例えば、>500V)、中程度の動作電流(例えば、10A)、VLFまたはLF周波数に対する十分なスイッチング速度、低いオン状態損失、および、低いスイッチング損失のような所定の一般的な条件を満たす必要がありうる。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)とパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)は、どちらも600V以上の電圧と80Aまでの電流で利用可能である。重要となりうる他のパラメーターは、スイッチング速度と、関連するスイッチング損失およびオン状態損失である。IGBTは、電圧>1000Vで、また、低電圧用途での低スイッチング速度で好まれる装置でありうる。MOSFETは、スイッチング速度>200kHzおよび非常に低い電圧用途で好まれる装置でありうる。
図48は、デューティサイクルの重要な範囲を示すために、正規化した、送信機デューティサイクルの関数としての電力を示している。パルス幅変調を用いた電力制御の場合、円滑な電力制御は、パルス幅に利用できる分解能に依存するであろう。PWMは、図50に示した、デューティサイクルが約0.25と0.5の間の「興味がある範囲（interesting range）」内での電力制御に最も効果がありそうである。この範囲外でPWMを使用すると、追加の高調波や非効率がシステムに導入されることある。結果として、「興味がある範囲」外では、他の電力制御方法(例えば、ハーフブリッジおよびサブハーモニックドライブ)がより効率的なことがある。
図49は、高周波数での、無線電力システム1050の典型的な実施形態を示す簡略化したブロック図である。このような高周波数(HF)は、前述したように、3MHzから30MHzの範囲であってもよく、特に、RFIDおよび近距離通信(NFC)に使われる周波数13.56MHz、前述した周波数6.78MHzおよび周波数27.12MHzであってもよい。先に議論したLFおよびVLFの実施形態のように、AC/DCコンバーターおよび(DC/LFよりはむしろ)DC/HFコンバーターは、電力を無線電力リンクを介してCBからBVEへ、または、BVEからCBへ伝送できるように、双方向に構成することができる。
図50は、BEVのための無線電力システム1060の簡略化した回路図であり、無線電力伝送のための非対称クラスEトポロジーを示している。CB側およびBEV側のいずれの共振アンテナも、インピーダンスマッチングのためのインダクタ(それぞれLM1およびLM2')とキャパシタ(それぞれ、CS1およびCS2)を含んでいてもよい。CB側では、トランジスタQ1をHF電力を発生させるのに使用してもよい。DC電源は、キャパシタCP1によりHF信号について遮断されてもよいし、インダクタLCH1は、よく知られているクラスE回路の一部である。受信機能を実行しているとき、トランジスタQ1、キャパシタCP1およびインダクタLCH1は、HF電力をDC電力に再変換するための同期整流器として作用できる。BEV側では、Q21、キャパシタCP2およびインダクタLCH2が同じHF電力生成またはHF整流をBEVが送信をしているか、受信をしているかにより、それぞれ行うことができる。
図51は、BEVのための無線電力システム1070の簡略化した回路図であり、HFでの、無線電力伝送のための対称クラスEトポロジーを示している。図53の実施形態は、送信アンテナの両側で二重の回路と、受信アンテナの両側で二重の回路でもって完全に対称となっている点を除き、図52の実施形態と同様である。より多くの能動アンテナを伴うので、このトポロジーは、より高い電力性能を有することができ、さらには、アンテナ電流の高調波でさえ理想的に相殺されるので、追加の高調波フィルタリングが簡単になる(図51では不図示)。
図52は、VLF、LF、または、さらに高い周波数で動作するBEVのための無線電力システム1080での高調波フィルタリングを示す簡略化した回路図である。一部の周波数については、一部の標準を遵守するのに、高調波のフィルタリングを軽く行うだけで十分なことがある。さらに他の典型的な実施形態では、高調波フィルタリングを前述した典型的な実施形態で行ってもよいし、図52に示すように、追加の高調波フィルタリングが含まれていてもよい。図52では、フルブリッジトポロジーの場合の高調波フィルタリングがCB側のボックス5210と、BEV側のボックス5220に示されている。例えば、CB側では、高調波フィルター5210に対称的なローパス構造があり、インダクタLHF1およびLHF1'と、インダクタLHF1およびLHF1'の間のキャパシタCHF1を含んでいてもよい。同様に、BEV側では、高調波フィルター5220に対称的なローパス構造があり、インダクタLHF2およびLHF2'と、インダクタLHF2およびLHF2'の間のキャパシタCHF2を含んでいてもよい。
図53は、フルブリッジトポロジーに基づいたBEVのための無線電力システム1090での共振調整を示した簡略化した回路図である。図53の典型的な実施形態は、共振周波数に小さな変更を加えられるように構成できる。このような小さな変更は、例えば、他の回路からの何らかの好ましくない離調を補償するのに有用なこともあるし、電力制御のために共振周波数を目的をもって移すのに有用なこともある。主フルブリッジトポロジーは、固体スイッチS11、S11'、S12およびS12'と主キャパシタC11で構成されている。キャパシタの増分を加えることによりフルブリッジの特性を修正するために、多数の「小型」ハーフブリッジを対応するキャパシタとともに加えることができる。「n」個のハーフブリッジが図53に示されている。第1のハーフブリッジは、固体スイッチS13、S13'とキャパシタC12を含んでいる。最後のハーフブリッジは、固体スイッチS1n、S1n'とキャパシタC1nを含んでいる。所望の数のハーフブリッジをフルブリッジと同期させて切り替えて、増分キャパシタンスを加え、そして、追加したキャパシタにより共振周波数を修正することができる。この調整ネットワークは、フルブリッジを送信モードと受信(同期整流)モードの両方で動作させるのに用いられる。
当業者には、情報および信号をさまざまな異なる技術および手法のいずれを用いて表してもよいことが分かるであろう。例えば、上記の説明を通じて参照しうるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、および、チップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光学場もしくは光学粒子、または、これらの組み合わせで表すことができる。
当業者は、本明細書で開示した典型的な実施形態との関連で記載した、さまざまな実例となる論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップが、電子的なハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組み合わせとして実施してもよいことも理解するであろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、さまざまな例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、および、ステップを概してこれらの機能に関して上記に記載した。このような機能がハードウェアまたはソフトウェアとして実現されるか否かは、具体的な用途およびシステム全体に課せられる設計制約による。当業者は、記載した機能を各々の具体的な用途に関してさまざまな方法で実施してもよいが、このような実施での決定は、本発明の典型的な実施形態の範囲を逸脱するものと解釈すべきではない。
本明細書に開示した典型的な実施形態に関連して記載したさまざまな実例となる論理ブロック、モジュール、および、回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または他のプログラム可能論理デバイス、離散ゲートまたはトランジスタロジック、離散的なハードウェアコンポーネント、または、本明細書に記載の機能を実行するためのそれらの任意の組み合わせで実施または実行されてもよい。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代替例では、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または、状態遷移マシン(state machine)であってもよい。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、DSPとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つまたは複数のマイクロプロセッサ、または、他の任意のこのような構成で実施してもよい。
ここで開示した典型的な実施形態に関連して記載した方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで、プロセッサにより実行されるソフトウェアモジュールで、あるいは、この2つを組み合わせたもので、直接的に具現化してもよい。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ(ROM)、電気的プログラム可能ROM(EPROM)、電気的消去可能プログラム可能ROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーブバルディスク、CD-ROM、または、技術的に知られている他の何らかの形態の記憶媒体中に存在していてもよい。例示的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに接続されている。代替実施形態では、記憶媒体はプロセッサに組み込まれていてもよい。プロセッサおよび記憶媒体は、ASICに存在していてもよい。ASICは、ユーザー端末に存在していてもよい。代替実施形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザー端末での個別部品として存在していてもよい。
1つまたは複数の典型的な実施形態では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または、これらの任意の組み合わせで実現してもよい。ソフトウェアで実現した場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして、コンピュータ読取可能媒体上に記憶してもよいし、コンピュータ読取可能媒体に送信してもよい。コンピュータ読取可能媒体は、1つの場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を促進する何らかの媒体を含むコンピュータ記憶媒体および通信媒体の双方を含む。記憶媒体は、コンピュータによりアクセスできる何らかの利用可能な媒体であってもよい。例として、限定はしないが、このようなコンピュータ読取可能媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶装置、または、コンピュータによりアクセスでき、命令またはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを運ぶまたは記憶するために使用できる他の何らかの媒体を含むことができる。また、あらゆる接続は、コンピュータ読取可能媒体と適切に呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブルや、光ファイバケーブルや、撚り対や、デジタル加入者回線(DSL)や、あるいは、赤外線、無線、および、マイクロ波のような、無線技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または、他の遠隔ソースから送信される場合には、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り対、DSL、あるいは、赤外線、無線、および、マイクロ波のような無線技術は、媒体の定義に含まれる。ここで使用するようなディスク(diskおよびdisc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク、および、ブルーレイディスクを含む。ここで、ディスク(disk)は、普通、データを磁気的に再生する一方で、ディスク(disc)はデータをレーザによって光学的に再生する。上記のものを組み合わせたものもまた、コンピュータ読取可能媒体の範囲内に含められるべきである。
開示した典型的な実施形態に関する先の説明は、当業者なら誰でも本発明を製作または使用できるように用意した。これらの典型的な実施形態に対するさまざまな修正は、当業者に容易に分かるであろうし、本明細書で定義した一般的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用してもよい。したがって、本発明は、本明細書で示した実施形態に限定しようとするものではなく、本明細書に開示した原理および新規な特徴と合致する最も広い範囲に一致すべきである。
250 バッテリーシステム
252 EVシステム
254 バッテリーサブシステム
256 通信インターフェイス
258 無線電力インターフェイス
260 無線電力アンテナ
262 無線インターフェイス
264 電力変換(LF/DC)ユニット
266 EVバッテリー
270 無線電力インターフェイス
272 バッテリー管理ユニット
276 アンテナ
278 LF/DC電力変換ユニット
280 スーパーキャパシタバッファー
282 EV電源インターフェイス
284 EV電気システム制御ユニット

Claims (30)

  1. 送信モードに構成されているときに、電力入力信号を、無線電力動作周波数で交流(AC)電力出力信号に変換し、
    受信モードに構成されているときに、前記無線電力動作周波数で受信電力AC信号を直流(DC)電力出力信号に変換する
    ように構成された双方向電力コンバーターと、
    送信モードに構成されたときに、前記AC電力出力信号から、前記無線電力動作周波数で結合モード領域内に電磁近接場を発生させ、
    受信モードに構成されたときに、前記動作周波数で前記結合モード領域内の前記電磁近接場から前記受信電力AC信号を発生させる
    ように動作可能に構成されたアンテナと
    を備える、双方向無線電力トランシーバー。
  2. 前記双方向電力コンバーターは、
    前記電力入力信号とDC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつ前記DC電力出力信号のDC電圧を前記電力入力信号に対して修正することにより、送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの電力出力信号を調整する、双方向DC-DCコンバーターと、
    前記DC電力出力信号と前記AC電力出力信号の間に動作可能に接続された双方向DC/ACコンバーターと、
    を備える、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  3. 前記双方向電力コンバーターは、
    前記DC電力入力信号と前記AC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつ送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの電力出力信号を調整するために調整可能なデューティサイクルを有するパルス幅変調回路として構成されている双方向DC/ACコンバーター
    を備える、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  4. 前記双方向電力コンバーターは、前記DC電力入力信号と前記AC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつパルス幅変調回路として構成されている双方向DC/ACコンバーターを備え、
    前記パルス幅変調回路の周波数は、送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの前記AC電力出力信号を調整するように構成されている、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  5. 前記双方向電力コンバーターは、
    前記電力入力信号と前記AC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつ送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの前記AC電力出力信号を調整するために、フルブリッジモードとハーフブリッジモードとの間で切り替わるように構成されたフルブリッジインバーター/整流器を含む、双方向DC/ACコンバーターを備える、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  6. 前記双方向電力コンバーターは、
    前記電力入力信号とDC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつ整流器/インバーターを含む双方向AC/DCコンバーターと、
    準一定抵抗を前記整流器/インバーターに対して示すように構成された能動力率補正(PFC)回路と、
    送信モード時に、前記DC電力出力信号を前記AC電力出力信号に変換するように構成された双方向DC/ACコンバーターと、
    を備える、請求項1に記載の無線電力トランシーバー。
  7. 前記双方向電力コンバーターは、
    前記電力入力信号と前記AC電力出力信号の間に動作可能に接続された双方向DC/ACコンバーターを備え、前記双方向DC/ACコンバーターが
    バルクキャパシタンス付きの主フルブリッジインバーター/整流器と、
    各々にトリマキャパシタンスがある複数のハーフブリッジインバーター/整流器とを備え、
    前記複数のハーフブリッジインバーター/整流器の少なくとも1つは、送信モードの前記アンテナの共振周波数を修正するために、前記主フルブリッジインバーター/整流器と同期して切り替わるように構成される、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  8. 前記双方向電力コンバーターは、前記アンテナに動作可能に接続され、かつ受信モード時に、前記受信AC電力入力信号をDC電力出力信号に変換する双方向DC/ACコンバーターをさらに備える、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  9. パルス幅変調信号を発生させるように構成されたコントローラと、
    前記双方向DC/ACコンバーターと前記DC電力出力信号の間に動作可能に接続され、かつ受信モード時に、前記双方向DC/ACコンバーターからの前記DC電力出力信号を、前記パルス幅変調信号に応じた異なる電圧レベルのDC電力出力信号に変換するように構成された、双方向DC-DCコンバーターと、
    をさらに備える、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  10. 前記パルス幅変調信号は、前記DC電力出力信号における負荷の変化に適応するために、前記DC-DCコンバーターのパルス幅変調回路のデューティサイクルを調整するように構成される、請求項9に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  11. 前記アンテナに動作可能に接続され、かつ受信モード時に、前記DC電力出力信号における負荷の変化に適応するために、前記アンテナの共振周波数を修正するように構成されている可変キャパシタをさらに備える、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  12. 前記双方向DC/ACコンバーターが、フルブリッジ整流器/インバーターと、ハーフブリッジ整流器/インバーターを含み、かつ受信モード時に、前記DC電力出力信号における負荷の変化に適応するために、フルブリッジ整流とハーフブリッジ整流の間で切り替えるように構成されている、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  13. 前記DC電力出力信号の電流および前記DC電力出力信号の電圧の1つまたは複数を含むDC電力出力信号状態を検出するように構成されたセンサーと、
    前記DC電力出力信号を修正して、前記DC電力出力信号における負荷の変化に適応するために、前記DC電力出力信号状態をサンプリングし、フィードバック信号を前記双方向DC/ACコンバーターに供給するように構成されたコントローラと
    をさらに備える、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  14. 前記双方向DC/ACコンバーターは、
    バルクキャパシタンス付きのフルブリッジ整流器/インバーターと、
    各々にトリマキャパシタンスがある複数のハーフブリッジ整流器/インバーターとを備え、
    前記複数のハーフブリッジ整流器/インバーターの少なくとも1つが、受信モードでの前記アンテナの前記共振周波数を修正するために、前記フルブリッジ整流器/インバーターと同期して切り替わるように構成されている、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  15. 前記双方向電力コンバーターは、前記双方向DC/ACコンバーターと前記直流(DC)電力出力信号の間に接続されたスーパーキャパシタをさらに備え、
    前記スーパーキャパシタは、受信モード時に、双方向無線電力トランシーバーの前記DC出力に示されるような供給源抵抗を減らすように構成されている、請求項8に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  16. 前記直流(DC)電力出力信号に接続されたエネルギー蓄電装置と、
    前記エネルギー蓄電装置とEV電力コンバーターの間に動作可能に接続された第2無線電力インターフェイスと、
    をさらに備える、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  17. 前記AC電力出力信号は、前記電力入力信号を、前記アンテナの共振周波数の実質的にサブハーモニック周波数である動作周波数で前記AC電力出力信号に変換することにより制御される、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  18. 前記双方向電力コンバーターは、送信モードでは周波数アップコンバーターとして、受信モードでは周波数ダウンコンバーターとして構成され、
    前記周波数コンバーターは、送信モードでは両サイドバンド変調器であり、受信モードでは両サイドバンド復調器である、請求項1に記載の双方向無線電力トランシーバー。
  19. 双方向無線電力トランシーバーの双方向電力コンバーターが送信モードに構成されているときに、電力入力信号を、無線電力動作周波数における交流(AC)電力出力信号に変換し、受信モードに構成されているときに、前記無線電力動作周波数で受信AC電力信号を直流(DC)電力出力信号に変換するステップと、
    前記双方向電力コンバーターが前記送信モードに構成されているときに、前記AC電力出力信号の前記無線電力動作周波数でアンテナから結合モード領域内に電磁近接場を発生させ、受信モードのときに、前記無線電力動作周波数で前記結合モード領域内の前記電磁近接場から前記受信AC電力信号を発生させるステップと
    を含む方法。
  20. 前記送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの電力出力信号を調整するために、調整可能なデューティサイクルでパルス変調を行うステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  21. 前記無線電力動作周波数を変えるために前記電力入力信号を変調するパルス幅に応じて前記無線電力動作周波数を変えて、送信モード時に、前記無線電力トランシーバーの電力出力信号を調整するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  22. 前記無線電力トランシーバーの電力出力信号を調整するために、送信モード時に、フルブリッジ整流とハーフブリッジ整流の間で前記電力入力信号を切り替えるステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  23. 送信モード時に、前記電力入力信号をオンとオフの間で繰り返し切り替えることにより、電力出力信号を調整するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  24. 準一定の抵抗を、前記入力電力信号の周波数と同期している前記双方向電力コンバーターの整流器に与えて、前記入力電力信号を能動的に力率補正(PFC)するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  25. 前記DC電力出力信号での負荷の変化に適応するために、前記双方向電力コンバーターが受信モードであるときに、フルブリッジ整流とハーフブリッジ整流の間で切り替えることによって、AC-DC変換を行うステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  26. 前記DC電力出力信号の電流および前記DC電力出力信号の電圧の1つまたは複数を含むDC電力出力信号状態を検出するステップと、
    前記DC電力出力信号状態をサンプリングし、パルス幅変調信号を前記DC/ACコンバーターに供給して、前記DC電力出力信号における負荷の変化に適応するステップと、
    前記DC電力出力信号の電圧が下限電圧よりも下がった場合にハーフブリッジ整流からフルブリッジ整流へ切り替え、前記DC電力出力信号の電圧が前記下限電圧よりも上がった場合に前記ハーフブリッジ整流から前記フルブリッジ整流へ切り替えることにより負荷の粗調節を行うステップと、
    をさらに含む、請求項19に記載の方法。
  27. 前記直流(DC)出力電力信号に接続されたエネルギー蓄電装置と、EV電力コンバーターとの間で電力を無線で送信するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  28. 実質的に前記アンテナの共振周波数のサブハーモニック周波数である動作周波数を使って、前記電力入力信号を前記AC電力出力信号に変換して、前記AC電力出力信号の電力レベルを制御するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
  29. 送信モードでは前記双方向電力コンバーターにおいてアップコンバートを行い、受信モードでは、前記双方向電力コンバーターにおいてダウンコンバートを行い、送信モードでは両サイドバンド変調を、受信モードでは両サイドバンド復調を使って周波数を変換する、請求項19に記載の方法。
  30. 双方向無線電力トランシーバーの双方向電力コンバーターが送信モードに構成されているときに、電力入力信号を、無線電力動作周波数で交流(AC)電力出力信号に変換し、受信モードに構成されているときに、前記無線電力動作周波数で受信AC電力出力信号を直流(DC)電力出力信号に変換する手段と、
    前記双方向電力コンバーターが前記送信モードに構成されているときに、前記AC電力出力信号から、前記無線電力動作周波数でアンテナからの結合モード領域内に電磁近接場を発生させ、前記受信モード時に、前記無線電力動作周波数で前記結合モード領域内の前記電磁近接場から前記受信AC電力信号を発生させる手段と
    を備える双方向無線電力トランシーバー。
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