JP2016536965A - 非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法 - Google Patents

非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2016536965A
JP2016536965A JP2016539441A JP2016539441A JP2016536965A JP 2016536965 A JP2016536965 A JP 2016536965A JP 2016539441 A JP2016539441 A JP 2016539441A JP 2016539441 A JP2016539441 A JP 2016539441A JP 2016536965 A JP2016536965 A JP 2016536965A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
coil configuration
secondary coil
primary
connection points
configuration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016539441A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6212220B2 (ja
Inventor
ディークハンス、トビアス
プルーム、トーマス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of JP2016536965A publication Critical patent/JP2016536965A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6212220B2 publication Critical patent/JP6212220B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12Inductive energy transfer
    • B60L53/122Circuits or methods for driving the primary coil, e.g. supplying electric power to the coil
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12Inductive energy transfer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12Inductive energy transfer
    • B60L53/126Methods for pairing a vehicle and a charging station, e.g. establishing a one-to-one relation between a wireless power transmitter and a wireless power receiver
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60YINDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00Type of vehicle
    • B60Y2200/90Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91Electric vehicles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12Electric charging stations
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14Plug-in electric vehicles

Abstract

本発明は、追加的な駆動状態が存在する、一次コイル(12)から二次コイル(22)への非接触式エネルギー伝送を創出する。この両側での制御によって、所定の駆動ストラテジに従って、一次側及び二次側でパワーエレクトロニクス素子が駆動される。従って例えば、結合係数が悪い際に非接触式エネルギー伝送の効率を上げ、一次コイル(12)と二次コイル(22)との間の空隙における磁場を最小に抑え、非接触式エネルギー伝送を最適化することが可能である。この最適化された駆動ストラテジは、非接触式エネルギー伝送システムの二次側のスイッチ(S5、S6)を用いて二次側での周期的な短絡を可能とする新たに導入されるフライホイール状態によって可能となる。本発明は、好適に電気自動車(4)のバッテリ充電の際に使用されるが、他の適用も可能である。【選択図】図1

Description

本発明は、非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法に関する。
完全又は少なくとも部分的に電動機によって駆動される電気自動車及びプラグイン(Plugin)ハイブリッド自動車が公知である。その際に、電動機を駆動するための電気エネルギーが、電気的貯蔵器によって、例えばメインバッテリによって提供される。この電気的貯蔵器の充電については様々なアプローチが存在する。
例えば、適切な充電ケーブルによって、電気自動車を充電ステーションと直流的に(galvanisch)接続することが可能である。このために、ユーザは、電気自動車と充電ステーションとの間の電気的接続を確立する必要がある。このことは、特に降雨のような劣悪な天候状況においては、不快なものとして感じられる可能性がある。電計自動車及びプラグイン自動車の電気による航続距離(Reichweite)が非常に制限されているため、ユーザは上記ケーブル接続を非常に頻繁に確立する必要があり、多くのユーザが、従来の自動車に対する電気自動車の大きな欠点として感じている。
従って、充電ステーションと車両との間のエネルギー伝送のためにケーブルを利用しない解決策も存在する。その際に、エネルギーは、充電ステーションから交番磁界を介して車両へと伝送される。交番磁界からのエネルギーは、車両内で電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが車両のエネルギー貯蔵器に供給される。しかしながら、この解決策では、可能な限り正確に充電ステーションの上方に車両を配置することが必要である。充電ステーション内の一次コイルと車両内の二次コイルとの間隔及び方向付けに従って、ケーブルを利用しない充電システムに対する様々な影響が生じる。その際に、コイルシステムの結合係数が非常に大きく変動する可能性がある。この場合、充電システムが最適な動作点で駆動されないという危険が生じ、このことは通常では、効率がより悪くなり、及び/又は、一次コイルと二次コイルとの間の空隙における交番磁界がより大きくなることに繋がる。
独国特許出願公開第102010055696号明細書では、非接触式伝送システムが開示されており、ここでは、一次側の伝送システムの周波数が二次側の状態値に従って調整される。一次側でのシステムパラメータの純粋な調整の他にさらに、二次側での電力制御又は両側での電力制御によって、非接触式充電システムの動作点を調整するという可能性も生まれる。このようなシステムは、例えば米国特許出願公開第2011/0231029号明細書に記載されており、ここでは、二次側に追加的な変圧器が必要となる。
従ってさらに、結合係数が可変的である際にエネルギー伝送の改善された調整を可能にする非接触式エネルギー伝送に対する必要性が生じる。さらに、結合係数が可変的である際の非接触式エネルギー伝送を効率良く、低コストで実現することへの必要性が生じる。
第1の観点によれば、本発明は、交番磁界の結合時に2つの接続点間で交流電圧を提供するよう構成された二次コイル構成と、二次コイル構成により提供された交流電圧を整流するよう構成された整流器と、二次コイル構成の2つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成された切り替え構成と、を備えた非接触式エネルギー伝送のための装置を創出する。
更なる別の観点によれば、本発明は、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法であって、交番磁界が結合する二次コイル構成の2つの接続点間で交流電圧を提供する工程と、二次コイル構成の2つの接続点を電気的に接続する工程であって、二次コイル構成の2つの接続点は、提供された交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、互いに接続される、上記電気的に接続する工程と、を含む上記方法を創出する。
本発明の根底には、二次側の非接触式エネルギー伝送のためのシステムを、各動作点の最適化のために利用される追加的な制御技術的自由度が創出されるように拡張するという考えがある。これに関して二次側では、整流器の2つの下のダイオードがアクティブな(aktiv)スイッチと置換されることで、追加的なフライホイール状態(Freilaufzustand)が可能となる。この新たに導入されるフライホイール状態を合目的的に活用することによって、例えば、複数の動作点における非接触式エネルギー伝送の効率を向上させることが可能である。
さらに、結合係数が悪い際にも、一次コイルと二次コイルとの間の空隙において最大磁場強度を越えないように、非接触式エネルギー伝送を行うことが可能である。これにより、例えば金属製の異物の加熱による、非常に高い磁場強度によって生じうる危険が回避されうる。
二次側で追加的なフライホイール状態を合目的的に活用することによって、結合係数の非常に広い許容範囲内で非接触式エネルギー伝送が可能となる。これにより、特に、従来のシステムでは非接触式エネルギー伝送は可能とならないであろう又は非常に劣悪な非接触式エネルギー伝送しか可能とならないであろう結合係数においても、効率の良い非接触式エネルギー伝送を実行することが可能である。例えば部分負荷駆動等の、その他の不都合な動作点における駆動の際にも効率が決定的に改善される。
さらに、本発明に係る非接触式エネルギー伝送によって、故障の場合の合目的的で継続的な二次側の短絡によって、追加的な保護機能も可能となる。このようにして例えば、二次側の負荷制限が制御されていない際に発生しうる、一次電流の許容し得ないほど大きな増大を回避することが可能である。
一実施形態において、共振コンデンサは、一次コイル構成及び/又は二次コイル構成に対して直列に接続される。
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、少なくとも1つの半導体スイッチを含む。好適に、半導体スイッチは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field−Effect Transistor、酸化金属半導体電界効果トランジスタ)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)である。このような半導体スイッチによって、切り替え構成の確実で、迅速で、損失の少ない切り替えが長期間可能となる。
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、二次コイル構成の2つの接続点を電気的に互いに接続する。提供された交流電圧の各半波の間の特定の位相角の間、二次コイル構成の出力口を周期的に短絡させることによって、追加的な新たに導入される駆動モードが合目的的に開始される。
更なる別の実施形態において、二次コイル構成の2つの接続点が互いに電気的に接続される時間間隔は、一次コイル構成内及び/又は二次コイル構成内の電流量に基づいて決定される。このようにして、発生する電流が合目的的に制御することが可能である。
更に別の実施形態において、二次コイル構成の2つの接続点が互いに電気的に接続される時間間隔は、エネルギー伝送の間に適合的に調整される。これにより、結合係数が可変的である際にも、非接触式エネルギー伝送の間の変更に基づいて、駆動モードの最適な調整が継続的に可能である。ここで想定される最適化変数は、例えば、非接触式伝送システムの効率である。
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、一次コイル構成内の一次電流が所定値を超えた場合にのみ、二次コイル構成の2つの接続点を電気的に互いに接続する。
本発明は、交番磁界を提供するよう構成された一次コイル構成と、提供された交番磁界が結合する誘導的エネルギー伝送のための本発明に係る装置と、を備えたエネルギー伝送装置をさらに含む。
さらに、本発明は、非接触式エネルギー伝送のための本発明に係る装置を備えた電気自動車のための充電装置を含む。
本発明の実施形態の更なる別の特徴及び利点は、以下の明細書の記載から、添付の図面を参照して明らかとなろう。
一実施形態に係る非接触式エネルギー伝送のための装置の回路図を概略的に示す。 一実施形態に係る全負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。 部分負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。 更なる別の実施形態に係る部分負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。 本発明の一実施形態に係るエネルギー伝送装置を備えた電気自動車のための充電装置を概略的に示す。 本発明の更なる別の実施形態の基礎となる非接触式エネルギー伝送を行う方法を概略的に示す。
本発明は、以下に、好適に電気自動車の充電のための電気エネルギー伝送に関して記載されるが、本発明に係る非接触式エネルギー伝送は本適用に限定されない。さらに、あらゆる任意の他の適用ケースに対して、本発明に係るエネルギー伝送を拡張することが同様に可能である。さらに、記載される装置の出力口で提供される出力電圧を、バッテリ充電の他に任意の他の適用のために利用することが可能である。
図1は、本発明の一実施形態の基礎となる、非接触式エネルギー伝送のための回路構成の概略図を示している。本回路構成は、一次側1と二次側2とを含む。一次側1は、直流電圧源10によって供給される。代替的に、整流器が接続している交流電圧源による供給も可能である。一次側1はさらに必要であれば、入力電圧Uinの電圧レベルを調整するための適切な昇圧型コンバータ又は降圧型コンバータを含んでもよい。入力電圧Uinは整流回路11に供給される。この整流回路11は、例えば、4つの切り替え要素S1〜S4が存在するフルブリッジであってもよい。上記切り替え要素S1〜S4の各々には、フライホイールダイオードD1〜D4が平行して接続されうる。(矩形波の)交流電圧Uが、直列共振回路を備えた一次コイル構成12に供給される。この直列共振回路は、例えば、非接触式伝送システムの一次コイルLと、共振コンデンサCと、を備える。その際に、整流器11により提供される交流電圧Uは、好適に、直列共振回路の共振周波数ωに調整される。
二次側2は、発振回路を備えた二次側のコイル構成22を含み、発振回路は、非接触式伝送システムの二次コイルLと、直列接続された共振コンデンサCと、を備える。二次側のコイル構成22の2つの端子は、ダイオードD5〜D8で構成される整流器21の入力口と接続され、その際に、整流器21の2つの下のダイオードD7及びD8と並列に、切り替え要素S5又はS6がそれぞれ配置される。この切り替え要素S5及びS6は、好適に半導体スイッチ要素である。このような半導体スイッチ要素として、例えば、MOSFET又はIGBTを利用することが可能である。ダイオードD7及びD8は単体で実現される必要はなく、半導体スイッチ要素の固有のダイオードであってもよい。この半導体スイッチ要素によって、複数の切り替え過程を介した迅速で損失の少ない切り替えが可能となる。しかしながら、他の切り替え要素、特に他の半導体スイッチも同様に可能である。整流器の出力電圧Uoutは、任意に平滑コンデンサCを介して平滑化されてもよい。
図1から分かるように、2つの切り替え要素S5及びS6の閉鎖によって、二次側のコイル構成22の2つの出力口が互いに電気的に接続される。半導体スイッチ要素S5及びS6は、例えば、制御装置23を介して合目的的に駆動されうる。この制御装置23は、適切なセンサを介して、一次側1又は二次側2からの電流値又は電圧値を収集し、評価し、当該評価に基づいて切り替え要素S5及びS6を駆動することが可能である。その際に好適に、一次側1の既存のセンサが、無線インタフェースを介して制御装置23と結合される。これにより例えば、一次側又は二次側の電流及び/又は電圧を収集し、評価することが可能である。これにより、当該電流及び/又は電圧に基づいて、又は、場合により他のパラメータに基づいて、制御装置23は、最適化された駆動のために、以下で詳細に記載するように切り替え要素S5及びS6を駆動することが可能である。
一次側1から二次側2への非接触式エネルギー伝送のために、一次コイルLによる一次側のコイル構成21への交流電圧Uの印加によって交番磁界が生成される。この交番磁界は、二次側の発振回路のコイルLに結合し、そこで交流電圧を誘起する。二次側のコイル構成22の出力口の交流電圧は、整流器21によって整流され、場合により平滑コンデンサCによって平滑化され、その後で、出力電圧Uoutとして出力口で提供される。この出力電圧Uoutは、例えば、電気自動車内のバッテリを充電するために利用されうる。
図2は、全負荷駆動時の一次コイル構成12内及び二次コイル構成22内の電流及び電圧の推移を示している。一次コイル構成12内のUの基本波の振幅は、半導体スイッチS1〜S4の駆動の間の位相角を介して調整されうる。これに基づいて、整流器11の出力電圧が、上のグラフに示されるように獲得される。その際に、角度aは、電圧Uのパルス幅を表している。aの角度=180°は、純粋な矩形波電圧に対応する。電圧Uの基本波の振幅は、共振周波数ωの場合、以下のように算出される。
Figure 2016536965
第1の駆動モードにおいて、2つの二次側の半導体スイッチS5及びS6は継続的に開放された状態にある。これにより、二次側のパワーエレクトロニクス素子は、純粋にパッシブな(passiv)整流器のように振る舞う。本駆動モードでは、図2の電流及び電圧の基本波の振幅は、共振周波数ωの場合、以下のように算出される。
Figure 2016536965
その際に、一次電流Iは、一次コイルL及び二次コイルLから成るコイルシステムの出力電圧Uout及び相互インダクタンスMにのみ依存する。この一次電流Iには、整流器11のパルス幅aの制御によって影響を与えることが出来ない。
図3は、部分負荷駆動時に、非接触式エネルギー伝送の間半導体スイッチS5及びS6が継続的に開放される際に現れるような、一次電圧U及び一次電流Iの時間推移を上のグラフで、二次電圧U及び二次電流Iの時間推移を下のグラフで概略的に示している。この駆動モードは、純粋に一次側で制御が行われ二次側にパッシブな整流器が設けられる従来の非接触式エネルギー伝送の際にも現れるような、電流及び電圧の推移に対応している。ここでも、一次側の電流Iには、整流器11内のフルブリッジの制御によって影響を与えることが出来ない。このことによって、例えば部分負荷駆動時に、又は、一次側での結合係数が悪い際に、一次電流Iによって大きな損失が引き起こされることになる。
図4は、二次側の電子回路のスイッチS5及びS6が合目的的に周期的に閉鎖される更なる別の駆動モードにおける、部分負荷駆動時の一次電圧U及び一次電流Iの推移を上のグラフに、二次電圧U及び二次電流Iの推移を下のグラフに示している。このフライホイール状態では、共振電流Iがさらに、二次側のコイルL及び直列共振コンデンサCを通って循環する。スイッチS5及びS6が再び開放された後で、共振電流は、任意の平滑コンデンサCを介して、例えばバッテリのような二次側2の出力口に接続された負荷へと流れる。
その際に、電気角bは電圧Uのパルス幅を表している(図4参照)。これは、スイッチS5及びS6が開放されている時間に相当する。これにより、二次側の電圧Uの基本波の振幅は、以下のように算出される。
Figure 2016536965
さらに、一次側の電圧の基本波の振幅が以下のように得られる。
Figure 2016536965
従って、二次電流I及び一次電流Iの波高値が、以下のように得られる。
Figure 2016536965
従って、二次側2で新たに導入されるフライホイール状態によって、ここで、一次側の電流I及び二次側の電流Iが合目的的に調整されうる。これにより、各最適な動作点において非接触式エネルギー伝送を行い、その際、一次コイルLから二次コイルLまでの空隙又は一次コイルLから二次コイルLまでの位置関係のずれ(Versatz)が様々であっても、及び、部分負荷駆動時にも、非接触式エネルギー伝送を最適に調整することが可能である。
その際に、スイッチS5及びS6が開放される間の電気角の角度値bを決定するために様々な駆動ストラテジが可能である。第1の駆動ストラテジのために、例えば、一次側1及び二次側2で同じパルス幅を利用することが可能である。即ち、一次側1での整流器11の駆動についての角度aは、二次側2でのスイッチS5及びS6の駆動についての角度bに対応する。従って、所定の動作点において、角度a及びbは以下のように算出される。
Figure 2016536965
その際に、ωは、非接触式エネルギー伝送の間の駆動周波数であり、Psollは、伝送すべき電力を表し、Uinは、一次側の入力直列電圧を表し、Uoutは、二次側の出力直列電圧を表し、Mは、一次コイルLと二次コイルLとの間の相互インダクタンスを表す。この場合には、更なる別のパラメータを決定するために追加的な測定技術が必要ではない。唯一の前提条件は、一次側1と二次側2との間の通信のためのインタフェースである。このインタフェースは、好適にケーブル無しで実現される。さらに、例えばバッテリ充電電流のような制御量を収集して評価する必要がある。
コイルLとコイルLとが互いに不都合に配置されており、最適に配置されている際よりも相互インダクタンスMが明らかに小さい場合には、結合が弱まった状態で同じ電力Psollを伝送するために、パッシブな整流部が設けられた従来型の一次側で制御されるシステムを明らかにより大きな一次電流Iによって駆動しなければならないであろう。このことは、一次側での損失の明らかな増大に繋がるであろう。二次側の2つのスイッチS5及びS6を本発明に基づき駆動することによって、結合が弱まった際の一次電流の増大をより小さくすることが可能である。即ち、一次電流Iも、二次電流Iも増大するが、この動作点での全システム損失は、パッシブな整流器が設けられる従来の一次側での制御に比べて全体で低減されうる。同様の考察が、部分負荷駆動時又はその他の負荷インピーダンスの変更時の非接触式エネルギー伝送の駆動についても当てはまる。
更なる別の駆動ストラテジによれば、一次電流Iと二次電流Iとの比が一定の値に調整される。その際例えば、公称電圧UNennで実際のバッテリ電圧UBatである際のバッテリの二次側での充電のために以下の条件が適用されるように、位相角a及びbが選択される。
Figure 2016536965
先に既に記載した利点の他に、実際のバッテリ電圧UBatが、二次側2によってシステムから分離され、従って、一次側1及び二次側2には、システムが最適化された公称動作点と同じ電流が流れる。従って、アクティブな二次側2による負荷のインピーダンス整合が行われ、このために、追加的なDCコンバータは必要とならないであろう。
更なる別の駆動ストラテジにおいて、動作点を適合的に調整することが可能である。その際には、所与の結合係数及び所与の駆動電圧UBatにおいて必要な電力Psollが伝送可能であるように、同時に最適化変数が最大化又は最小化されるように、最適な動作点が適合的に調整される。動作点のこのような適合的な調整は、本発明に係る両側での制御より可能となる追加的な自由度によって達成される。最適化変数として、例えば、(測定された)システム効率が用いられる、他の最適化変数も考えられる。バッテリの充電過程の間、動作点は非常にゆっくりとしか変わらないため、この適合的な調整は、制御技術的な観点から、内部の制御ループに比べてゆっくりと進行する。
さらに、一次コイルLと二次コイルLとの間の空隙において磁場が可能な限り最小となるように、動作点を調整することも可能である。コイルペアL及びLの空隙における交番磁界は、一次コイルLと二次コイルLとの間の領域内に存在しうる金属製の物体が、誘起された渦電流により加熱されることに繋がる。このことは、磁場が大きい際には安全上の大きなリスクとなる。例えば、上記領域内の金属製の物体は、エネルギー伝送の間に非常に強く加熱される。一次コイルLと二次コイルLとの間の空隙における磁場を本発明に基づき最小化することによって、この安全上のリスクを低減することが可能である。代替的に、最大磁場強度を保持したままで、コイルペアL、Lの寸法をより小さくすることが可能である。これにより、非接触式エネルギーのためのこのようなシステムを構築するために必要な設置空間及びコストが削減される。
更なる別の駆動ストラテジにおいて、二次側でのアクティブな制御によって、非接触式エネルギー伝送のためのシステムの動作範囲を拡大することが可能である。その際に、二次側2の2つの追加的なスイッチS5及びS6は、通常駆動の間停止された状態にある。二次側のパワーエレクトロニクス素子21は、最初にパッシブな整流器のように振る舞う。一次電流Iが、設定された閾値を超える場合には、追加的な切り替え要素S5及びS6の駆動が作動される。これにより、例えば劣悪な結合係数等の不利な状況において、インピーダンス整合が可能である。これにより、従来のやり方では、最大一次電流Iを超えておりシステムを停止しなければならないであろう場合にも、非接触式エネルギー伝送のためのシステム自体を引き続き駆動することが可能である。
図5は、電気自動車4のための充電装置3の概略図を示している。充電装置3は、図1との関連で記載された構成要素を備える。特に、車両4内の充電装置3は、二次側のコイル構成22を出力口で電気的に短絡させこれにより本発明に係る追加的なフライホイール状態を可能とするために、追加的な切り替え要素S5及びS6を有する切り替え構成を備える。さらに、当然のことながら、原動機付き車両等でのバッテリ充電のような他の適用のための充電装置も可能である。
図6は、本発明の基礎となる、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法100の概略図を示している。工程110において、交番磁界が結合する二次コイル構成22の2つの接続点間で交流電圧が提供される。工程120において、二次コイル構成の2つの接続点が電気的に接続され、その際に、二次コイル構成22の2つの接続点は、提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間互いに接続される。
二次コイル構成22の2つの接続点が互いに電気的に接続される上記所定の時間間隔は、先に既に記載したように、様々な駆動ストラテジに基づいて決定されうる。
以上、本発明は、両側で制御が行われ追加的な駆動状態を含む、一次コイルから二次コイルへの非接触式エネルギー伝送に関する。上記両側での制御によって、パワーエレクトロニクス素子の一次側及び二次側での駆動が所定の駆動ストラテジに従って行われる。これにより、例えば結合係数が悪い際にも、非接触式エネルギー伝送の効率を上げ、一次コイルと二次コイルとの間の空隙における磁場を弱化し、非接触式エネルギー伝送を最適化することが可能である。本発明では、この最適化された駆動ストラテジは、二次側での周期的な短絡を可能とする新たに導入されたフライホイール状態によって可能となる。

Claims (10)

  1. 交番磁界の結合時に2つの接続点間で交流電圧を提供するよう構成された二次コイル構成(22)と、
    前記二次コイル構成(22)により提供された前記交流電圧を整流するよう構成された整流器(21)と、
    前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成された切り替え構成(S5、S6)と、
    を備えた非接触式エネルギー伝送のための装置。
  2. 共振コンデンサは、一次コイル構成及び/又は二次コイル構成に対して直列に接続される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記切り替え構成(S5、S6)は、少なくとも1つの半導体スイッチ、好適にMOSFET又はIGBTを含む、請求項1又は2に記載の装置。
  4. 前記切り替え構成(S5、S6)は、前記提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、一次コイル構成(12)内及び/又は前記二次コイル構成(22)内の測定された電気的変数に基づいて決定される、請求項4に記載の装置。
  6. 前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、前記エネルギー伝送の間に適合的に調整される、請求項4又は5に記載の装置。
  7. 前記切り替え構成は、一次コイル構成(12)内の一次電流が所定値を超えた場合にのみ、前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点を電気的に互いに接続する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
  8. 交番磁界を提供するよう構成された一次コイル構成(12)と、
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置であって、提供された前記交番磁界が少なくとも部分的に前記二次コイル構成(22)に結合される、前記装置と、
    を備えたエネルギー伝送装置(3)。
  9. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の非接触式エネルギー伝送のための装置を備えた電気自動車(4)のための充電装置。
  10. 非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法(100)であって、
    二次コイル構成(22)の2つの接続点間で交流電圧を提供する工程(110)と、
    前記二次コイル構成(22)の前記2つの接続点を電気的に接続する工程(120)であって、前記二次コイル構成(22)の2つの接続点は、提供される前記交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、互いに接続される、前記電気的に接続する工程(120)と、
    を含む、方法(100)。
JP2016539441A 2013-09-06 2014-07-03 非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法 Expired - Fee Related JP6212220B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013217816.6 2013-09-06
DE102013217816.6A DE102013217816A1 (de) 2013-09-06 2013-09-06 Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung
PCT/EP2014/064236 WO2015032524A1 (de) 2013-09-06 2014-07-03 Vorrichtung zur induktiven energieübertragung und verfahren zum betreiben einer vorrichtung zur induktiven energieübertragung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016536965A true JP2016536965A (ja) 2016-11-24
JP6212220B2 JP6212220B2 (ja) 2017-10-11

Family

ID=51062828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016539441A Expired - Fee Related JP6212220B2 (ja) 2013-09-06 2014-07-03 非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10065513B2 (ja)
EP (1) EP3042431B1 (ja)
JP (1) JP6212220B2 (ja)
KR (1) KR102243101B1 (ja)
CN (1) CN105493375B (ja)
DE (1) DE102013217816A1 (ja)
WO (1) WO2015032524A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6847316B1 (ja) * 2019-12-26 2021-03-24 三菱電機株式会社 受電装置及びワイヤレス給電システム

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6070650B2 (ja) * 2014-07-22 2017-02-01 トヨタ自動車株式会社 送電装置並びに受電装置及びそれを搭載した車両
US9680531B2 (en) * 2014-08-01 2017-06-13 Qualcomm Incorporated System and method for detecting inadequate wireless coupling and improving in-band signaling in wireless power transfer systems
KR101764496B1 (ko) * 2015-11-02 2017-08-02 현대자동차주식회사 무선 전력 전송 시스템용 능동 정류기와 이를 이용하는 차량 어셈블리 및 그 작동 방법
SG10201700633QA (en) 2016-02-03 2017-09-28 Gen Electric System and method for protecting a wireless power transfer system
DE102016210639A1 (de) * 2016-06-15 2017-12-21 Robert Bosch Gmbh Ladevorrichtung
KR102518430B1 (ko) 2016-07-18 2023-04-10 삼성전자주식회사 디스플레이 장치 및 그 장치의 구동방법, 그리고 전자장치
DE102016213482B4 (de) * 2016-07-22 2022-08-25 Continental Automotive Technologies GmbH Fahrzeugkomponentenanordnung mit induktiver Übertragung
SG10201707385XA (en) * 2016-09-30 2018-04-27 Gen Electric Over voltage protection for a wireless power transfer system
KR101880267B1 (ko) * 2017-02-07 2018-07-23 (주)그린파워 무선 전력 전송에서 넓은 공진주파수 허용을 위한 집전 컨버터 스위칭 방법
DE102017202025A1 (de) * 2017-02-09 2018-08-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Überprüfung einer Primär- oder Sekundäreinheit eines induktiven Ladesystems
DE102017208595A1 (de) * 2017-05-22 2018-11-22 Audi Ag Kontaktlose Kraftfahrzeugladevorrichtung, Komponente einer kontaktlosen Kraftfahrzeugladevorrichtung, Verfahren zum Regeln einer kontaktlosen Kraftfahrzeugladevorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer kontaktlosen Kraftfahrzeugladevorrichtung
KR102427343B1 (ko) * 2018-01-30 2022-07-29 현대모비스 주식회사 무선 충전 장치
US20210252986A1 (en) * 2018-06-29 2021-08-19 Brusa Elektronik Ag Vehicle charging system for charging an energy store arranged in a vehicle
US20210268920A1 (en) * 2018-06-29 2021-09-02 Brusa Elektronik Ag Inductive Charging of Vehicles with Secondary-Side Voltage Measurement and Feedback from the Secondary Side to the Primary Side
DE102018217082B4 (de) * 2018-10-05 2020-06-18 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Vorbereitung einer Energieübertragung zu einem Fahrzeug mittels eines induktiven Ladesystems
DE102020112540A1 (de) * 2020-05-08 2021-11-11 Endress + Hauser Wetzer Gmbh + Co. Kg Schnittstelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011120443A (ja) * 2009-11-09 2011-06-16 Toyota Industries Corp 共鳴型非接触電力伝送装置
JP2012019603A (ja) * 2010-07-07 2012-01-26 Murata Mach Ltd 非接触受電装置
JP2014195387A (ja) * 2013-03-29 2014-10-09 Fuji Electric Co Ltd 給電装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2449452A (en) * 2007-05-22 2008-11-26 Symbian Software Ltd A method and device for position data transfer
JP4868077B2 (ja) 2008-09-25 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 給電システムおよび電動車両
CN103108768B (zh) * 2010-07-29 2015-07-01 株式会社丰田自动织机 谐振式非接触供电系统
EP2632762B1 (en) * 2010-10-29 2017-05-31 Qualcomm Incorporated(1/3) Wireless energy transfer via coupled parasitic resonators
DE102010054472A1 (de) * 2010-12-14 2012-06-14 Conductix-Wampfler Ag Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie
DE102010055696A1 (de) 2010-12-22 2012-06-28 Airbus Operations Gmbh System zur kontaktlosen Energieübertragung, Verwendung eines Systems zur kontaktlosen Energieübertragung und Fahrzeug mit einem System zur kontaktlosen Energieübertragung zwischen einem ersten Fahrzeugteil und einem zweiten Fahrzeugteil
KR101321436B1 (ko) 2011-11-08 2013-11-04 삼성전자주식회사 최적의 전력 분배를 위한 공진기 설계 방법, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송시스템의 공진기
DE102011119259A1 (de) * 2011-11-24 2013-05-29 Bombardier Transportation Gmbh Verdopplergleichrichter für mehrphasiges kontaktloses Energieübertragungssystem
GB2499452A (en) * 2012-02-17 2013-08-21 Bombardier Transp Gmbh Receiving device for an inductively charged electric vehicle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011120443A (ja) * 2009-11-09 2011-06-16 Toyota Industries Corp 共鳴型非接触電力伝送装置
JP2012019603A (ja) * 2010-07-07 2012-01-26 Murata Mach Ltd 非接触受電装置
JP2014195387A (ja) * 2013-03-29 2014-10-09 Fuji Electric Co Ltd 給電装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6847316B1 (ja) * 2019-12-26 2021-03-24 三菱電機株式会社 受電装置及びワイヤレス給電システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP6212220B2 (ja) 2017-10-11
DE102013217816A1 (de) 2015-03-12
US10065513B2 (en) 2018-09-04
KR102243101B1 (ko) 2021-04-22
KR20160053925A (ko) 2016-05-13
US20160221451A1 (en) 2016-08-04
CN105493375A (zh) 2016-04-13
EP3042431B1 (de) 2019-04-03
CN105493375B (zh) 2019-03-01
WO2015032524A1 (de) 2015-03-12
EP3042431A1 (de) 2016-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6212220B2 (ja) 非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法
EP2814136B1 (en) Bidirectional contactless power supply system
Diekhans et al. A dual-side controlled inductive power transfer system optimized for large coupling factor variations and partial load
EP3002849B1 (en) Bidirectional contactless power supply device
JP6114310B2 (ja) 無線電力伝送システム
US10498170B2 (en) Non-contact electric power transmitting device and electric power transfer system
TWI435509B (zh) 無線電源接收裝置以及無線電源供應系統
WO2015182335A1 (ja) 非接触給電システム、受電装置及び送電装置
JP6259124B2 (ja) 電気で駆動する車両のインダクティブ充電のための伝送システム及び方法、並びに、車両構成
EP2899847A1 (en) Power receiving device and contactless power transmission device
JP5853889B2 (ja) 受電機器及び電力伝送システム
CN104917388A (zh) 电力转换装置及其起动方法
JP2010233364A (ja) 給電装置
Lovison et al. Secondary-side-only simultaneous power and efficiency control for two converters in wireless power transfer system
CN106575916A (zh) 用于控制具有直流‑直流串联谐振变换器的电池充电器的方法
JP2013158168A (ja) 共振型コンバータ
US11201503B2 (en) Wireless charging circuit and system
CN106464147A (zh) 频率转换器
CN109888931B (zh) 无线电力传输设备和电力传输系统
JP2016092959A (ja) 送電機器及び非接触電力伝送装置
TW201728045A (zh) 電力傳送裝置、高頻率電源及高頻率整流電路
JP6369792B2 (ja) 非接触給電装置及び非接触給電システム
Vinod et al. Comparative Analysis of Symmetrical and Asymmetrical Phase Shift Control Strategy for Resonant Wireless Inductive Charging System
Uchida et al. An examination of optimizing input impedance for wireless power transfer operating with high power condition
Kushwaha et al. Modeling and analysis of inductively coupled power transfer system

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170519

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170815

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170914

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6212220

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees