JP2013539651A - 無線エネルギ伝送 - Google Patents

Abstract

この発明はエネルギの無線伝送のための装置と方法を提供する。複数個の弱く結合された共振器を含む共振器システムを用いてエネルギ伝送のための電磁界が生成され、この共振器システムは固有周波数の異なる複数個の固有モードを有する。少なくとも１つの発電機が共振器の１つに結合される。共振器は共振器システムを複数個の固有モードのうち１つで動作させ、それによってエネルギを電気機器に伝送するよう適合された空間的にコヒーレントな磁界を生じさせるように構成される。
【選択図】図１

Description

この発明はエネルギの無線伝送に関し、特に、１又は２以上の空間的に分離された消費負荷への発電機からの電力の伝送に関する。

電気エネルギの無線伝送はこの技術分野において一般に知られている。公知の無線エネルギ伝送システムは、通常はコイルの形の結合インダクタを設けることを基礎とし、発電機によって与えられる交流電流がコイルのうち１つに供給され、これが他のコイルの電圧を誘起し、次にこれを用いて負荷抵抗、すなわち消費部で所望の正味電力が生成される。無線エネルギ伝送の所望用途に応じて、発電機と消費部との空間的分離は数センチから数メートルの間で変化する。例えば、Ｊ．Ｌ．ビラら、「電気自動車バッテリ充電器のための高周波誘導結合電力伝達システム」、応用エネルギ第８６巻第３５５−３６３ページ、２００９年（J. L. Villa et al., “Design of a high frequency inductively coupled power transfer system for electric vehicle battery charger”, Applied Energy, Vol. 86, pp. 355-363, 2009）では、専門家用工具のための非接触電源、電気自動車、小型電子機器、携帯電話及び公共交通システムのための、長間隔非接触バッテリ充電等の、ＩＣＰＴシステムの様々な応用に言及している。さらに、Ａ．クルスら、「強結合磁気共鳴による無線電力伝送」、サイエンス、第３１７号、２００７年７月６日（A. Kurs et al., “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science, Vol. 317, 6^th July 2007）では、特に中距離のエネルギ伝送に焦点をあて、２メートルを超える距離で６０ワットの伝送を報告している。

発電機と消費部との間の誘導結合は距離が増すにつれて大きく減少するので、エネルギ伝達を維持するためには発電機コイルを通る電流をそれに応じて増加させなければならない。動作距離と効率とを改善するために、通常、一次発電機コイルと二次消費部コイルとはともに、キャパシタを用いて発振回路に拡張され、その共振周波数はコイルのインダクタンスＬとキャパシタのキャパシタンスＣとに依存する。このようなシステムは通常、共振周波数近くで動作する。この共振周波数は発電機側と消費部側との両方の発振回路で同一となるべきである。

しかしながら、発電機と消費部との間に共振結合があるこの種のシステムの動作では、安定性の問題が生じることがある。例えば、Ｃ．Ｓ.ワンらは「緩い結合の誘導電力伝達システムの電力伝達能力及び分岐現象」ＩＥＥＥトランザクションズ オン インダストリアル エレクトロニクス、第５１巻第１号、２００４年２月（C.-S. Wang et al. “Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, No. 1, February 2004）において、２つの共振発振回路を有するシステムの不安定な動作状態（分岐）を報告している。同様に、Ｊ．Ｔ．ボイスら「誘導結合された電力伝達システムの安定と制御」、ＩＥＥ電力応用会報、第１４７巻第１号、２０００年１月（J. T. Boys et al., “Stability and control of inductively coupled power transfer systems”, IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol. 147, No. 1, January 2000）は、普通の発電機回路に強結合された複数個の共振消費回路を有するシステムは、消費部の数がある臨界値を超えると不安定になると記載している。

これらの問題を克服するために、上記Ａ．クルスらの文献では、２個のコイルが結合された中距離システムを、通常短距離で用いられる１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの動作周波数ではなく、約５から１０ｋＨｚの寄生共振周波数で動作させることを示唆している。この文献に記載のシステムでは、発振回路のキャパシタはコイルの巻線の寄生容量で形成される。さらに、この論文では、２つの弱く結合された共振器のシステムは、ｆ_０を個々の共振器の（共通の）共振周波数とすると、周波数がｆ_０−Δｆとｆ_０＋Δｆである２つの固有モードを有することを記載している。しかし、動作周波数が高いため、コイルには相当の放射損失があり、効率を下げ、周囲を望ましくない電磁放射にさらすことになる。このため、ＷＯ２００９／１４０５０６では２個の共振器が結合された中距離エネルギ伝送システムを、電磁放射の相殺的干渉につながる特定の周波数で動作させて放射損失を最小にすることを示唆している。

しかしながら、依然として、電気エネルギの無線伝送のための改良されたシステム、特に、１又は２以上の発電機から１又は２以上の空間的に分離した消費部への無線伝送を提供する必要がある。好ましくは、この発明のシステムと方法とは、エネルギをより効率的に伝達し、及び／又は周囲を電磁放射にさらすことを減じることを可能にしなければならない。さらに、好ましくは、特に動作パラメータが変動し得ることに鑑みると、エネルギ伝送の安定性が改善されるべきである。

この発明は、エネルギの無線伝送のための装置と方法とを提供する。この発明に従った装置は、特に、複数個の共振器を含む共振器システムを含む。共振器は弱く結合されている。すなわち、近接する共振器間で共有される磁束は、共振器自体が各々発生する磁束に比べて小さい。共振器が結合されたこのようなシステムは、ある規定された数の、固有周波数が異なる固有モードを有する。装置はさらに、共振器のうちの１つに結合された少なくとも１つの発電機を有し、発電機は少なくとも１つの、好ましくは複数個の固有モードのうち１つで共振器を動作させるように構成される。

共振器システムを特定の固有周波数の固有モードで動作させることにより、空間的にコヒーレントな磁界が生じ、これを用いてエネルギを１電気機器に伝送することができる。これに応じて、この発明に従った方法は、特に、共振器システムにおいて共振器の１つに結合された少なくとも１個の発電機を駆動して、共振器システムを複数個の固有モードのうち１つで動作させるステップを含む。

共振器システムを動作させる発電機は、発電機に結合された共振器に交流電流を与えるＡＣ発電機であってもよく、この共振器がシステムの残りの共振器と結合される。これに代えて、共振器システムは、周波数選択的フィードバックを利用して、共振器システムが本質的に安定な発振機として自律的に所望の固有周波数で発振するように、すなわち外部ＡＣ発電機を必要としないように、してもよい。安定な発振器システムは所望の固有周波数で正確に発振するので、例えば、結合係数、ＬＣ部品の値、温度等の動作パラメータの変動によって誘起されうる、固有周波数の時間的変化を安全に追跡する。ある実施例では、発振器システムは、増幅器と、複数個の固有モードのうち１つが正確に励起されるように増幅器の入力に励起信号の一部を再供給するフィードバック回路とを含む。

好ましくは、発電機はそれに結合された共振器システムを、複数個の固有モードのうち１つの固有周波数で、又はその分数調波で励起する。２個又はそれ以上の発電機が用いられる場合には、これらは全て共振器システムの同じ（固有）周波数で動いてもよいし、又は異なる固有周波数で動いてもよい。より好ましくは、共振システムは最も高い固有周波数を有する固有モードで動作する。

共振器は発振回路の形、すなわち、キャパシタ、インダクタ及び負荷抵抗を含む回路の形で提供されてもよい。通常、インダクタは丸線、リッツ線又はおそらくは円管からなるコイルとして、円筒形又は平面コイルとして形成される。また、金属条片からなるコイルも一般に共振器が結合された共振システムの発振回路で有利に利用されうる。金属条片からなるコイルは規定の固有共振周波数で再現可能に製造される。このため、金属条片のコイルはこの発明に従った装置の共振器システムでも有利に利用可能である。

この発明に従った装置及び方法は、様々な種類の電気機器にエネルギを供給する必要のある多様な応用で利用可能である。応用の一分野は、有線によるエネルギ接続が可能でない区域にある電気機器にエネルギを提供することである。例えば、危険区域にあるセンサ、又は無菌環境にある医療機器へのエネルギ伝送である。別の例は、安全システムへの非接触エネルギ伝送である。別の応用分野は、爆発の危険にさらされる区域にある蓄電池、電気自動車、又はラップトップ、ＰＤＡ、プリンタ、携帯電話等のＩＴ機器の蓄電池への無線充電である。この発明に従った、結合された共振器を含む装置はまたさらに、測定すべき数量を感知し無線で伝達するために利用することもできる。

この発明はさらに、この発明に従った伝送装置からエネルギを受けるように構成された、例えば整流器又は何らかの種類のＡＣ−ＤＣ変換器等の、受信装置を提供する。ここでも、電気自動車の蓄電池を充電する場合、受信装置は電気自動車の駆動システムに結合でき、電気自動車の構造を複雑にすることがない。いずれにせよ電気自動車には備わっている駆動システムを、蓄電池にエネルギを提供するために併用するからである。

以下でこの発明を添付の図面を参照して説明する。

この発明の実施例に従った、２つの発電機に結合された共振器システムを形成する複数個の弱く結合された発振回路を示す概略図である。 ４個の共振器が結合されたシステムの固有モードを例示する概略図である。 図２に示すシステムのコイルを通る電流を周波数の関数として計算した図である。 図２のシステムを説明する伝達関数の実部及び虚部の計算された周波数応答の例を示す図である。 共振器システムで可能な共振器の種々の構成を示す図である。 この発明の実施例に従った本質的に安定な発信器の例を示す概略図である。 周波数選択的フィードバックの効果を例示する図である。 本質的に安定な発信器システムの２つの実施例を示す概略図である。 ４個の発振回路に結合された本質的に安定な発振器システムを含む、この発明の実施例に従ったシステムのシミュレーションモデルを示す図である。 ａ、ｂ、ｃは無線電力伝送受信機と電気自動車の電力系電子機器との組合せの実施例を示す概略図である。 ａ、ｂ、ｃは共振器システムの固有周波数のいずれの分数調波でも動作可能な本質的に安定な発振器システムと、対応の電圧及び電流波形を示す図である。 この発明のさらなる実施例に従った伝送共振器及び出力段を備えたＰＦＣ電源を示す図である。 この発明の実施例に従った共振器システムの共振要素における電圧と電流とを制限するための方法を例示する図である。

この発明は、一部には、互いに弱く結合され従って複数個の固有モードを有する共振器システムを形成する一群の共振器を用いた、エネルギ伝送に用いうる準静的電磁界を生成する、という着想に基づくものである。具体的には、Ｎ個の、空間的には分離されているが弱く結合された共振器がＮ個の固有モードを有する共振器システムを形成する。これら固有モードの物理的特性を、エネルギの無線伝送のための装置に有利に用いることができるであろう。

図１は、好ましくは高いＱファクタＱ_ｎを有するＬＣ発振回路の形のＮ個（図１の例ではＮ＝１４）の空間的に分離された共振器を含む、無線伝送のための装置を概略的に示す。共振器のうちＳ個（図１の例ではＳ＝２）がそれぞれＡＣ電流発生器に結合される。残りの共振器Ｍ＝Ｎ−Ｓは負荷抵抗Ｒを含む。共振器の各々の個々の共振周波数ｆ_０、すなわち非結合共振器の共振周波数は、好ましくはＮ個の共振器全てについて同一である。しかしながら、各共振器についてインダクタンスＬ_ｎ及びキャパシタンスＣ_ｎの値は異なっていてもよい。ここでＱ_ｎ及びｆ_０は以下の通りである。

共振器間の誘導結合は、何よりも、それらの空間的な距離に依存する。具体的には、共振器間の距離は、弱い結合が達成されるように選ばれる必要がある。すなわち、結合ファクタｋ_ｎ，ｍは１未満でなければならない。

この式において、Ｍ_ｎｍはｎ番目とｍ番目の共振器間の相互インダクタンスであり、Ｌ_ｎ及びＬ_ｍはそれぞれ共振器のインダクタンスである。弱い結合を確保するためには、ｋ_ｎｍは好ましくは０．５未満、より好ましくは０．１未満である。

図１に示すシステムにおけるＮ個の共振器の相互結合により、このシステムはＮ個の明確に定義された固有モードを有することとなる。システムのＮ個の固有モードは各々、安定した時間的かつ空間的発振を表し、それら固有モードではＮ個の共振器が全て特定の固有周波数で互いの位相が固定された状態で同期して発振する。Ｎ個の共振器の各々のコイル電流の位相関係が時間的に固定されているため、各共振器の各１個のコイルの三次元電界分布の重畳により、共振器システムの周囲には空間的にコヒーレントな磁界が形成される。

４個の共振器が結合された具体例を図２に示す。４個の共振器は位置ｚ_１、ｚ_２、ｚ_３及びｚ_４に配置され、各々直列に配列された同一の要素Ｌ、Ｃ、Ｒを含む。ｎ番目とｍ番目の共振器回路間の誘電結合ファクタｋ_ｎ，ｍ＝ｋは回路間の距離に依存し、小さい、すなわちｋ＜＜１である。共振器回路の各々は（同一の）共振周波数ｆ_０を有する。

図２はさらに、個々の共振器回路におけるコイル電流と、その結果として生じる磁界とを、位置の関数としての４つの可能な固有モードについて示している（一次元のみ）。基本モード（モード１）の固有周波数はｆ_１＝ｆ_０−３Δｆである。このモードでは、全てのコイル電流が同相であり、従って個々の共振器全ての磁界が正に加算されて結果として生じる磁界となる。モード２の固有周波数はｆ_２＝ｆ_０−Δｆであり、２個の近接した共振器が同相で発振し、一方２対は位相がずれて発振するので、磁界分布は根を持つことになる。従って、モード３では２つの根を有する磁界分布となる。最後に、モード４では、全ての共振器が位相がずれた状態で発振するので、結果として生じる磁界分布は３個の根を示す。すなわち、３個の位相反転である。図２に示す磁界分布から明らかなように、最高次モード４は共振器間に蓄えられる磁気エネルギ濃度が最低となるモードである。図２は１次元の磁界分布を示すのみであるが、これは３次元で表した磁界分布と結果として生じるエネルギ密度についても同様である。従って、図２に見られるように、最高次モードは、近傍の他の磁気的に感度の高い物体との相互作用の影響を最も受けにくい。

図３は、図２に示された共振器システムについて計算したコイル電流を周波数の関数として示す。図３のシミュレーションでは、個々の共振器の共振周波数はｆ_０＝１００ｋＨｚであり、結合ファクタはｋ＝０．０３５である。図３で見られるように、４つのコイル電流は全て共振器システムの固有周波数ｆ_１からｆ_４で最大となる。異なる固有周波数ｆ_ｎでモード特有の位相と振幅の分布が見られ、最高モード４は、１０３ｋＨｚに近い周波数ｆ_４を有する。上で示した通り、Ｎ個の結合された共振器を含むシステムを正確に最高次の固有モードの周波数ｆ_Ｎで動作させることが好ましい。なぜなら、このモードでは、共振器システムの体積におけるエネルギ密度が可能な限り低くなるからである。このため、望ましくない電磁相互作用を回避でき、システムは可能な限り効率的に働く。しかしながら、それぞれの固有周波数でシステムに信号を印加することにより、異なる固有モードでシステムを動作させることも等しく可能である。さらに、例えば図１に示すように２個以上の発電機を用いる場合はシステムに異なる周波数を追加的に印加することも可能である。

システムの動作周波数は、共振器の寸法に適合させて選択してもよい。電磁波によって引起される放射損失を回避するために、システムを低周波数で動作させることが好ましい。従って、共振器の典型的な寸法は、好ましくは波長λ_０＝ｃ／ｆ_０の１／２０より小さい。

誘導コイルは、この発明に従って用いられる共振器システムの個々の共振器において重要な構成要素である。特に、明確に定義された特性、特に明確に定義されたインダクタンスを有するコイルを提供できることが重要である。共振器コイルは通常は丸線、リッツ線、又は丸管で円筒形又は平面コイルの形で作られるが、この発明に従った装置の共振器では、金属条片から作られたコイルを利用することが有利である。金属条片はコイル軸と平行に、従ってコイルの磁界に平行に配列すべきである。コイルを形成する金属条片間の絶縁材料の適切な厚みと誘電特性とを選択することで、金属条片の個々の層間の距離を制御することができ、それによって個々の巻線のキャパシティと近接効果による損失とを規定することができるであろう。こうして、コイルの製造時にコイルの共振周波数を制御することができる。さらに、丸線に代えて金属条片を用いることで、巻線への表皮効果が減じられ、等しい重さを有する丸線で作られたコイルと比較して、コイルの品質、すなわちＱファクタが改善される。さらに、金属条片をコイルの導電材料として用いる場合、表面対断面の比を増加させることができ、より高い電流密度が可能となり、従って、コイルの熱特性が改善される。

図２に示される共振器等の１又は２以上の消費部に実内部抵抗Ｒ_Ｇが結合された発電機からの電力の効率的伝達を可能にするためには、消費部の各々が公知の複素整合条件を満たしていなければならない。すなわち、発電機から消費部の各々への伝達関数の虚部がゼロ（無効電力補償）であり、逆に、全ての消費部で実部は発電機に向かって見た場合の抵抗と等しくなければならない。図４は図２に概略的に示したシステムにおける消費部、すなわち共振器の伝達関数の実部と虚部とを示しており、ここで第１の共振器はＡＣ電流発生器に結合されている。すなわち、例示のシステムでは、１個の発電機回路（Ｓ＝1）と３個の消費回路（Ｎ＝３）とを含み、従って、Ｎ＝Ｍ＋Ｓ＝４個の固有モードを有する。図２の直列共振器回路の場合、システムを表す発電機から個々の消費部への伝達関数は、複素トランスアドミッタンスＹ_ｎ（ω）＝Ｉ_Ｌｎ／Ｕ_１で与えられ、ここでＹ_ｎ（ω）は発電機からｎ番目の共振器を見たときの、角周波数ωの関数としてのアドミッタンスであり、Ｉ_Ｌｎはｎ番目の共振器コイルを通る電流であり、Ｕ_１は発電機の出力での電圧である。すなわち、Ｙ_１（ω）は発電機から見た全共振システムの入力アドミッタンスである。

図４に示した４つの上記トランスミッタンスの実部と虚部との計算された周波数応答から見られるように、全てのトランスミッタンスの虚部はゼロであり、実部はシステムの４つの固有周波数でモード特有の値Ｒ_ｎを有する。すなわち、これらの周波数で、結合条件によって定まる、発電機から消費部への最適なエネルギ伝達が確保される。負荷抵抗をシステムで必要とされる抵抗Ｒ_ｎに伝達するインピーダンスコンバータ段、例えば必要な巻線比を有する変圧器又は電子インピーダンスコンバータ等を用いて、ある値の負荷抵抗器を発電機に適合させることもできる。従って、システムの固有周波数の１つでシステムを動作させれば、同時に全ての消費部の電力整合が確実になされ、このためシステムの伝達効率が最高になる。さらに、実入力アドミッタンスは、電源の高いＤＣ−ＡＣ効率の前提条件である、発電機のいわゆる「ゼロ電流スイッチング」を可能にする。この結果、この発明に従って電力伝達システムを動作させることはまた、発電機効率と伝達効率との積である、その全体の効率を最適化する。

共振器が標準的なＬＣ回路で形成されているならば、回路間の結合を達成するために共振器回路の様々な配列が可能である。例えば、線形、円形又は立方形の配列を選択することができる。ここで注目されるのは、共振器の相互結合を制御するのは回路間の距離だけではないということである。結合はまた、２つの近接した回路のコイル軸をある角度に配列することによっても選択でき、この場合、直交するコイル同士は全く結合されない。ＬＣ回路の成分、すなわちインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、及び抵抗器Ｒは直列に配列しても並列に配列してもよい。直列配列を用いる場合、電力伝送システムの安定性のためには、発電機が低インピーダンスＲ_Ｇを有する電圧源の特性を持つことが重要である。これは共振の場合に電流振幅が最大となり、共振周波数から大きくずれた場合にはゼロになることを確実にする（開回路安定性）。並列発振回路を用いる場合、好適な発電機は高いインピーダンスＲ_Ｇの電流源であり、このため、電圧は共振周波数で最大となり、低周波数及び高周波数ではゼロになろうとする（短絡安定性）。いずれの種類の発電機も、上述の通り、インピーダンスコンバータ段を用いて他方に変換することができる。

上述のように固有周波数の１つで共振器構成を動作させるために、発電機はできる限り正確に所望の固有周波数に調整しなければならない。しかしながら、実際的な動作条件の下では、負荷の変化又は例えば結合係数、ＬＣ要素の値、温度等の、システム特性の変動により、固有周波数の時間的な変動が引起されるおそれがある。この発明の実施例によれば、少なくとも１つの発電機が、固有周波数のうちいずれか１つを選択するように適合された周波数選択的フィードバック経路を含む。フィードバック経路は電力増幅器、分岐回路、分離増幅器及び電気的に調整可能なバンドパスフィルタを含む。フィードバック経路に含まれる電力増幅器はゼロ電圧及び／又はゼロ出力スイッチング用に適合されていなければならない。

発電機により与えられる周波数を正確に制御するために、図６に示すような本質的に共振する発振器システムを用いることができる。図６の発振器システムは以下の構成要素を含む。必要な駆動用電子部品を含む、高効率の電力増幅器（例えばＣ級増幅器、Ｄ級増幅器、Ｅ級増幅器、又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴ等を備えたブリッジ増幅器）、例えば図１に示す結合共振器システムの入力インピーダンス／アドミッタンスによってそれぞれ形成される、多重共振複素負荷インピーダンス又はアドミッタンス、出力信号Ａ（それぞれ電流Ｉ_Ｌ又は電圧Ｕ_Ｌ）のわずかな部分をフィードバック経路に減結合する分岐回路、周波数独立利得で高逆結合阻止量の分離増幅器、及び中心周波数を電子的に調整可能なバンドパスフィルタである。発振を起動し駆動するのに必要な正のフィードバックは、出力信号のわずかな部分を増幅器の入力に同位相で再供給することによって達成される。このわずかなフィードバック信号はまず、周波数独立で、分離増幅器によって増幅される。増幅されたフィードバック信号はその後電気的に調整可能な狭帯域フィルタに与えられる。これによって、分離増幅器はバンドパスフィルタの多重共振負荷からの減結合を引起す。これにより、望ましくない付加的な固有周波数の発生を回避できる。周波数選択的に増幅されたバンドパスフィルタの出力信号は電力増幅器の入力を形成する。この周波数選択的フィードバック機構（ＦＳＦＢ＝ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）により、制御電圧Ｕ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}により選択された共振器システムの所望の固有周波数ｆ_ｎで発振器が安定して振動するようになる。これにより、電力増幅器の振幅依存利得Ｇ（Ａ）は振動振幅が最終的に安定した値に落ち着くことを確実にする。

周波数選択的フィードバックの効果を図７に示す。発振器で可能な関連のある周波数は、開フィードバックループの利得の最大値、すなわち共振、によって定まる。ループ利得Ｇ_Ｋ（ω）は複素負荷インピーダンス又は負荷アドミッタンスに比例するので、フィードバックモード（電流フィードバック又は電圧フィードバック）を適切に選択することにより、ループ利得は多重共振負荷と同じ共振を持つ。図７ａは周波数選択的フィードバックのない状況を示す。複数の周波数での過渡的な発振の後、発振器は最も高いループ利得（モード利得）を有する固有周波数ｆ_ｎで動作するようになる。しかしながら、近接した固有周波数も同様の利得を有することがあるので、結合構成によってはモードホッピングの恐れがある。すなわち、負荷の変化と結合ファクタのばらつきのために、固有周波数が頻繁に変化するのである。この効果は、図６に示す電子的に調整可能な狭帯域フィルタを用いて固有周波数の１つの利得を実質的に増加させることで効率的に予防することができる。周波数選択的フィードバックのこのモード選択効果を図７ｂに示す。バンドパスフィルタの帯域幅は共振間の距離（典型的には１００Ｈｚから数ｋＨｚ）より小さくなければならない。周波数選択的フィードバックの別の利点は、システムを用いてエネルギが伝送される消費部側に、システムを安定化させるための専用のフィードバック経路が不要という点である。

増幅器の種類、複素負荷及びフィードバックの種類の全ての組合せが固有周波数の安定した発振につながるわけではないことが分かった。従って、周波数選択的フィードバックを利用するエネルギ伝送システムのために本質的に安定な発振器システムの構成を注意深く選択することが重要である。多重共振負荷の発振器システムが負荷の変化と周波数の変動に対して安定であることを確実にする可能な構成の１つを図８ａに示す。電圧増幅器‐すなわちその出力が電圧源の特性を有する増幅器‐が直列共振を伴う負荷アドミッタンス＿Ｙ_Ｌ（ω）＝＿Ｙ_１（ω）（ここで「＿」記号は図中文字Ｙの下に表記される）に作用し、負荷電流に比例する信号がフィードバックされる（開回路安定性）。又はこれに代えて、図８ｂの構成では、電流増幅器−すなわち、その出力が電流源の特性を示す増幅器−が並列共振を伴う負荷インピーダンス＿Ｚ_Ｌ（ω）＝＿Ｚ_１（ω）（ここで「＿」記号は図中文字Ｚの下に表記される）に作用し、負荷電圧に比例する信号がフィードバックされる（短絡安定性）。ここで注目すべきことは、電圧増幅器はＤ級増幅器で実現でき、電流増幅器はＥ級増幅器を用いて得られることである。

図９に、過渡的発振、モード選択及びパラメータ変動に対する安定性を含む、周波数選択的フィードバック（Ｓ＝１、Ｍ＝３、Ｎ＝Ｍ＋Ｓ＝４）のある４次システムをシミュレートするのに利用された、シミュレーションモデルを示す。

共振負荷のバンドパスフィルタ特性のために、発電機の出力波形が正弦曲線である必要はない。Ｄ級増幅器を所望の固有周波数と等しいスイッチング周波数で動作させて、方形出力電圧を生成することが可能である。この場合、発電機はゼロ電流スイッチング条件のもと、最小化されたスイッチング損失で動作する（図１１ｂを参照）。

発電機をシステムの固有周波数の正確な１つで動作させる代わりに、発電機を共振器システムの固有周波数の分数調波に対応する周波数で動作させることが有利かもしれない。これは、例えば図１１ａに示す構成で行うことができる：ここで、フィードバック信号ｃＩ_Ｌの周波数ｆ_ｎはファクタＦ＝２、３、４、…で分割され、これによって発振器は分数調波周波数ｆ_ｓｕｂ＝ｆ_ｎ／Ｆで動作する。発振器によって生成される振動の形状を最適化すべきなので、所望の調波は図１１ｃに見られるように良好に表された状態で出力信号に存在するようにする。共振器システムをその固有周波数の１つの分数調波で励起することにより、発振器におけるスイッチング損失を減じることができ、これによって、安価な半導体の利用が可能になり、冷却の必要性が減じられる。さらに、より高い電流又は電圧定格の半導体装置を利用することが可能になる。高出力デバイスの許容スイッチング周波数は一般に、低出力デバイスのそれよりも低いからである。さらに、所与の特定のスイッチング周波数ｆ_{ｓｗｉｔｃｈ}＝ｆ_ｓｕｂでは、共振器回路はより高い調波周波数ｆ_ｎ＝Ｆ・ｆ_ｓｕｂで動作させることができ、ここで共振器の品質ファクタが最高の値をとる。

この発明のシステムの共振周波数の１つでの動作のために、伝送される電力を制御し、共振器回路の構成要素を、並列共振回路の近似的開回路動作の、又は直列共振回路の近似的短絡回路の、過電圧から保護する必要がある。これは発電機に結合される共振器入力での電圧を制御することでなされる。さらに、トランジスタは、低スイッチング損失を達成するために、電圧又は電流のゼロ交差で（ゼロ電圧スイッチングＺＶＳ又はゼロ電流スイッチングＺＣＳ）スイッチしなければならない。

ヨーロッパ標準に従った法的規制に従い、商用電源に接続される回路は調波電流の所定の制限を超えてはならない。ある電力を超えると、力率改善（ＰＦＣ）電源の使用が義務付けられる。このようなＰＦＣ電源は典型的には出力電圧が商用電源電圧のピーク値より高い。伝送される電力を制御するためにはまた、商用電源電圧のピーク値より小さい電圧もまた調整可能でなければならない。

電力伝送を制御する最も簡単なやり方は、ゼロ電圧又は電流スイッチングの条件を放棄して発電機を共振周波数と異なる周波数で動作させるか、又はトランジスタをデューティサイクルを変えてスイッチすることであろう。しかしながら、いずれの可能性も、トランジスタのスイッチング損失を増加させることにつながる。

電力伝送を制御する別のやり方は、ＰＦＣ電源と出力段との間に挿入されるＤＣ／ＤＣコンバータを利用することであろう。その役目はＰＦＣ電源の出力電圧を伝送に必要な値まで降下させることである。しかしながら、これはＤＣ／ＤＣコンバータにかかる負荷を増加させる。

この発明の別の局面に従えば、ＰＦＣ電源と発電機の出力段との間にＤＣ／ＤＣコンバータを追加して挿入する必要なく電力伝送を制御することが可能である。これはゼロ電流又は電圧スイッチングの利点を維持するとともに、システムの共振周波数の１つでの動作を維持する。発明のこの局面に従えば、電圧の設定はまず、適切な分数調波を選択しこれを発電機に印加する広いステップで行われる。電圧の微調整はＰＦＣ電源の出力電圧に適切な目標値を設定することで行う。

図１２はこの発明のこの付加的な局面の可能な具体例を示す。コイルＬ１、トランジスタＭ１及びダイオードＤ５が、整流ダイオードＤ１-Ｄ４とともにＰＦＣ電源を形成する。キャパシタＣ１の充電電流を制限するために、任意の要素である抵抗器１（Ｒ１）とリレーコンタクトＳ１とを利用可能である。出力段はトランジスタＭ２及びＭ３から形成される。発電機に結合される共振回路はコイルＬ２及びキャパシタＣ２からなる。例示されたＭＯＳＦＥＴに代えて、例えばＩＧＢＴ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。

以下の表はキャパシタＣ１の電圧Ｖ＿ＤＣに依存する様々な分数調波での共振回路の入力における基本周波数の調整可能な振幅を示す。Ｖ＿ＤＣ＿ｍｉｎは調整可能な最低のＤＣ電圧である。理論的には、最大電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｍａｘにはより高い値を選ぶことができる。しかしながら、トランジスタの許容電圧を考慮することが有利であろう。選択された分数調波で、Ｖ＿ＤＣ＿ｍｉｎは結果としてＶ＿ｏｕｔ＿ｍｉｎをもたらし、同様にＶ＿ＤＣ＿ｍａｘはＶ＿ｏｕｔ＿ｍａｘをもたらす。表の分数調波２は、正の半周期の２分の１のみが生成されて共振器に入力されることを意味し、分数調波３は、同様に、正の半周期の３分の１のみが生成されることを意味し、以下同様である。

発電機の出力段を制御するために、フィードバック信号は共振回路における電圧と電流の位相整合、及び共振構成要素での振幅をキャプチャする必要がある。電流の位相整合のためのフィードバック信号として、測定コイルの電圧信号、又は発電機に接続されたコイルのタッピングを利用可能である。さらに、電流トランスによりコイル電流を測定し評価することが可能である。また、共振キャパシタの電圧をモニタすることも可能である。いくつかのキャパシタを直列接続している場合、これらのキャパシタのうち１つの電圧を検出すれば足りる。出力段を共振器と同期させるために、これらのリアクティブ成分の電圧のゼロ交差を制御部で９０°シフトする必要がある。この結果、共振回路での電圧と電流との位相シフトが０°になる。電流測定の間、９０°のシフトは必要でない。ゼロ交差は比較器を用いて検出することができる。

コントローラとスイッチングトランジスタとの間の信号伝達の遅延時間を補償すべきであれば、出力段トランジスタの実際のスイッチング時間を比較器でモニタし、付加的信号としてコントローラに与えればよい。

直列共振器として動作する受信機の短絡、又は並列回路として動作する受信機に負荷が存在しない場合、さらに、送信機が受信機なしで動作する場合は、数キロボルトの高電圧が共振素子で生じ得る。従って、送信機の制御部は共振素子の電圧をモニタしなければならない。もし電圧が制限値を超えれば、適切な分数調波を選択すること及び／又はＶ＿ＤＣを減じることにより、送信共振回路の入力電圧の基本周波数を下げなければならない。

送信機の共振素子の電圧及び電流の制限値は、フィードバック信号の振幅を利用するウィンドウ比較器の助けによりモニタされる。これらの制限値は制御部にディジタル信号として送られる（図１３を参照）。しきい値情報のサンプリングは、フィードバック信号のゼロ交差に対し９０°のシフトで、すなわち電圧と電流とが最高のときに行われる。もし予め定められたしきい値を超えるか下回れば、制御部はＰＦＣ電源の適切な電圧目標値に関して好適な分数調波を選択する。従って、共振素子に与えられる負荷は制限値内にとどまる。従って、電圧及び電流は必ずしも別個にアナログ信号として測定する必要はなく、比較器を介してフィードバック信号から全て必要な情報をディジタルで引出すことができる。

電気自動車の蓄電池を充電可能とするためには、また一般的に全ての種類の電気機器の蓄電池を充電可能とするためには、エネルギ伝送システムによって与えられる交流（ＡＣ）電圧を直流（ＤＣ）電圧に変換する必要がある。しかしながら、電気自動車は駆動時にバッテリのＤＣ電圧をモータのためのＡＣ電圧に変換し、モータのＡＣ電圧をバッテリ充電のために回生するときには逆を行う電力系電子部品を含む。電気自動車のこのような電力系電子部品は、この発明に従った無線伝送部でバッテリを充電する場合、バッテリの再充電に利用できる。既存の電子部品を利用することで、無線電力伝送システムの受信側をバッテリ充電の要求に合わせるための付加的回路が回避できるであろう。

この発明の実施例に従えば、無線エネルギ伝送システムの受信機は電気自動車の駆動システムに２つの方法で組み入れることができる。駆動システムのインバータは、スイッチングトランジスタＴｒとフリーホイールダイオードＤとを含むであろう。図１０ａはインバータのフリーホイールダイオードの、無線エネルギ伝送システムのＡＣ電圧整流用のダイオードとしての利用を示す。これによれば、ＡＣ電圧の振幅は、バッテリの最適な充電が達成できるように調整されなければならない。従って、バッテリを充電するために必要な電圧の詳細が、エネルギ伝送システムで利用可能とされなければならない。充電の間、スイッチＳ１は閉じられスイッチＳ２は開かれて、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で示されるモータをインバータから分離する。

図１０ｂに示す第２の実施例では、トランジスタＴｒとフリーホイールダイオードＤとからなるインバータはバッテリ充電中にブーストコンバータとして用いられる。無線エネルギ伝送システムの出力電圧は整流器を用いて整流される。整流器に加えて、フィルタキャパシタを利用してもよい。バッテリを充電する際には、スイッチＳ１は閉じられる。無線エネルギ伝送システムの負の端子はバッテリの負の端子に接続され、正の端子はスイッチＳ１を介して、ここでもまた巻線Ｌ１からＬ３で示されるモータの中性点に接続される。インバータはこれでブーストコンバータとして動作可能であり、モータの巻線のインダクタンスは蓄積チョークとして利用される。ブーストコンバータは無線エネルギ伝送システムの整流された出力電圧をバッテリ電圧のレベルに適合された値に設定する。ブーストコンバータに３個のハーフブリッジを利用可能であるので、ブーストコンバータを多相ブーストコンバータとして動作させることもできる。このようにして、インバータの全てのハーフブリッジにおける電力損失が均等に分配され、無線エネルギ伝送システムの整流器の出力側のフィルタキャパシタでの電圧リップルが減じられる。

エンジンの中性点にアクセスできない場合は、図１０ｃの構成を利用できる。図１０ｃによれば、付加的な蓄積チョークＬが挿入され、無線エネルギ伝送システムはスイッチＳ１を介してモータの供給線に接続される。インバータの下段トランジスタの１つ又は全てを同期させることにより、インバータはブーストコンバータとして働き、これが無線エネルギ伝送システムを所望の値に設定する。

駆動システムと無線エネルギ伝送システムへの結合のための回路を組合せることにより、車両での実装がより簡単になる。なぜなら、システムに必要なスペースが小さくなるからである。さらに、必要な部品数も減るので、コストが削減でき、信頼性は向上するであろう。無線エネルギ伝送システムを既存の駆動システムに後から導入するために、図１０ｃの構成が特に好適である。

この発明の付加的な応用は、クレームされた装置をセンサとして用いること及び測定された値の無線伝送である。測定すべき数量を無線で伝送する様々なシステムが公知であり、これは無線通信又はＲＦＩＤシステムを含む。

無線エネルギ伝送のための結合された共振器を含むシステムを研究していくと、これらの装置は、共振周波数、品質ファクタ、及び送信機と受信機との結合等のいくつかのパラメータのわずかな変化に非常に敏感であることが分かった。この発明の装置のこの敏感さを利用して、測定すべき数値の情報を得ることができるであろう。特に、受信機の共振周波数の変化、受信回路の品質ファクタ及び／又は受信機と送信機との結合は、共振周波数の変化、入力電力又は送信回路の電圧及び電流の位相シフトとして検出可能である。従って、測定すべき数量の情報が得られる。

例えば、湿度、温度、キャパシタの変形等のパラメータはキャパシタンスの変化につながり得る。これは受信機の共振周波数の変化につながり、送信回路の共振周波数を測定することで検出可能である。受信回路の共振周波数の変化を用いて検出可能な他のパラメータは、例えば、誘電率の変化につながる強磁性材料の相対浸透率の変化、コイルの変形等である。温度、湿度又は歪の変化の場合、品質ファクタの値が変化する。さらに、送信機と受信機との距離の変化、又はそれらの空間的配置の変化は、結合係数の変化を測定することで検出できる。強磁性材料を含まない、回転角を測定するための無線レゾルバを構築する等の、いくつかのシステムの組合せも可能である。

この発明のシステムを用いて、様々な物理的数量を測定し無線でかつ非接触で送信することができる。これらのシステムには強磁性材料が不要なので、低質量、低価格でセンサを実現することができる。周波数選択的な動作方法のために、センサは磁界又は電界の影響を受けない。

この発明により、３次元空間で多くの消費部への無線電力伝送が達成できるであろう。さらに、システムを固有周波数の１つで動作させることにより、全体の効率が向上する。最も高い固有周波数で固有モードを用いると、環境に蓄積される電磁エネルギの量は最少になる。電力増幅器の周波数選択的フィードバックにより、ユーザ選択可能な固有周波数で正確に動作する自己安定発振回路が実現される。

Claims (18)

1. 無線エネルギ伝送用装置であって、
   複数個の弱く結合された共振器を含む共振器システムを含み、前記共振器システムは固有周波数の異なる複数個の固有モードを有し、さらに
   共振器のうち１つに結合された少なくとも１つの発電機を含み、
   前記発電機は複数個の固有モードの１つで共振器システムを動作させるように構成され、これによってエネルギを電化製品に伝送するように適合された空間的にコヒーレントな磁界を生成する、装置。
2. 前記少なくとも１つの発電機は前記発電機に結合された共振器を前記複数個の固有モードの１つの固有周波数で励起するよう適合される、請求項１に記載の装置。
3. 前記発電機は、発電機に結合された共振器に交流電流又は電圧を与えるＡＣ発電機を含む、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記発電機は、増幅器と、励起信号の一部を前記増幅器に再供給するためのフィードバック回路とを含み、前記複数個の固有モードの１つの固有周波数で発振する本質的に安定な発振システムを形成する、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの発電機は、固有周波数のいずれか１つを選択するように適合された周波数選択的フィードバック経路を含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記フィードバック経路は電力増幅器、分岐回路、分離増幅器及び電気的に調整可能なバンドパスフィルタを含む、請求項５に記載の装置。
7. 前記電力増幅器はゼロ電圧及び／又はゼロ電流スイッチングのために適合されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの発電機は、前記発電機に結合された共振器を前記複数個の固有モードの１つの固有周波数の分調波である周波数で励起するよう適合された、請求項１から７のいずれか１つに記載の装置。
9. ２個又は３個以上の発電機を含み、前記発電機は異なる共振器に結合され、それぞれの共振器を異なる固有周波数で励起するように適合された、請求項１から８のいずれか１つに記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの発電機は最も高い固有周波数を有する固有モードで前記共振器システムを動作させるよう構成される、請求項１から９のいずれか１つに記載の装置。
11. 前記共振器システムの全ての共振器は同じ固有の共振周波数を有する、請求項１から１０のいずれか１つに記載の装置。
12. 前記共振器は発振回路を含む、請求項１から１１のいずれか１つに記載の装置。
13. 前記発振回路は薄板金属片から形成されたコイルを含む、請求項１２に記載の装置。
14. 前記電化製品は蓄電池、特に電気自動車の蓄電池を含み、前記装置は前記蓄電池を充電するように構成される、請求項１から１３のいずれか１つに記載の装置。
15. 前記共振器での電圧又は電流をモニタする手段と、モニタされた電圧又は電流を前記発電機に与えるフィードバック経路とをさらに含む、請求項１から１４のいずれか１つに記載の装置。
16. 好ましくは請求項１から１５のいずれか１つに従った装置である、無線エネルギ伝送用装置からエネルギを受けるように構成された受信装置であって、電気自動車の駆動システム内に配置され、前記駆動システムの電力用電子部品を用いて前記電気自動車の蓄電池に結合される、受信装置。
17. 請求項１から１６のいずれか１つに記載に装置のセンサとしての用途であって、前記共振器システムの共振周波数、入力電力又は電圧及び電流の位相シフトにおける変化を検出することによって測定値を無線で伝送するための、用途。
18. 電化製品に無線でエネルギを伝送する方法であって、
    複数個の弱く結合された共振器を含む共振器システムを提供するステップを含み、前記共振器システムは固有周波数の異なる複数個の固有モードを有し、さらに
    共振器のうち１つに結合された少なくとも１つの発電機を駆動させて前記共振器システムを前記複数個の固有モードの１つで動作させ、それによって電化製品にエネルギを伝送するために適合された、空間的にコヒーレントな磁界を生成するステップを含む、方法。
    

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