JP2017512049A - 電気車両誘導コイルの位置合わせのためのシステムおよび方法 - Google Patents

電気車両誘導コイルの位置合わせのためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

特定の実施形態によるシステムおよび方法は、基地システム誘導コイル電流信号の位相を判定することによって電気車両誘導コイルと基地システム誘導コイルの位置合わせを可能にする。いくつかの実施形態では、伝送信号を送信する基地システム誘導コイルと伝送信号を受信する電気車両誘導コイルにおける電流信号の位相が収束するとき電気車両誘導コイルは基地システム誘導コイルとより高度に位置合わせされていると判定することができる。一実施形態は、ワイヤレス電力を受信する方法を含み、この方法は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出することを含み、伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。この方法は、検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定することをさらに含む。

Description

本開示は、一般にワイヤレス電力伝達に関し、より詳細には、バッテリーを含む車両などのリモートシステムへのワイヤレス電力伝達のための、またワイヤレス電力伝達デバイスを位置合わせするためのデバイス、システム、および方法に関する。
バッテリーなどのエネルギー蓄積デバイスから受信された電気から導出された運動力を含む車両などのリモートシステムが導入されている。たとえば、ハイブリッド電気車両(electric vehicle)は、車両を充電するために、車両のブレーキおよび従来型モータからの電力を使用するオンボード充電器を含む。電気のみの車両は一般に、他のソースからバッテリーを充電するための電気を受信する。バッテリー式電気車両(電気車両)は、家庭用または商用交流(AC)供給源などの何らかのタイプの有線ACを通して充電されることが提案されることが多い。有線充電接続は、電源に物理的に接続されているケーブルまたは他の同様のコネクタを必要とする。ケーブルおよび同様のコネクタは、場合によっては、不便であるか、または扱いにくく、かつ他の欠点を有することがある。電気車両を充電するのに使用されるように(たとえば、ワイヤレス場を介して)自由空間内で電力を伝達することが可能なワイヤレス電力充電システムは、有線充電ソリューションの欠点の一部を克服する可能性がある。したがって、電気車両を充電するために電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス電力充電システムおよび方法が望ましい。
誘導電力伝達(IPT:inductive power transfer)システムは、エネルギーのワイヤレス伝達のための1つの手段である。IPTでは、一次(または「基地」)電力デバイスが二次(または「ピックアップ」)電力受信機デバイスに電力を送信する。送信機電力デバイスおよび受信機電力デバイスの各々はインダクタを含み、これは通常、電流伝達媒体のコイルまたは巻線である。一次インダクタにおける交流は、変動する電磁場をもたらす。二次インダクタが一次インダクタに近接して配置されたとき、変動する電磁場は二次インダクタに起電力(EMF)を誘起し、それによって二次電力受信機デバイスに電力を伝達する。
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実装形態の各々は、いくつかの態様を有し、そのどの態様も単独で、本明細書で説明する望ましい属性に関与することはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、本明細書においていくつかの顕著な特徴について説明する。
本明細書で説明する主題の1つまたは複数の実装形態の詳細について、以下の添付の図面および説明において述べる。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性があることに留意されたい。
特定の実施形態では、ワイヤレス電力を受信する方法は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出することを含む。伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。この方法は、検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定することをさらに含む。
別の特定の実施形態では、ワイヤレス電力受信機は、電気車両を充電するのに十分なレベルのワイヤレス電力伝送を受信するように構成された電気車両誘導コイルを含む。ワイヤレス電力受信機は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出するように構成された検出器をさらに含む。伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。ワイヤレス電力受信機は、検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するように構成された電気車両コントローラをさらに含む。
別の特定の実施形態では、ワイヤレス電力受信機は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出するための手段を含む。伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。ワイヤレス電力受信機は、検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するための手段をさらに含む。
別の特定の実施形態では、ワイヤレス電力受信機は、コンピュータによって実行されたときに、コンピュータにモバイルデバイス間の通信方法を実行させる命令を含むコンピュータ可読記憶媒体を含む。この方法は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出することを含む。伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。この方法は、検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定することをさらに含む。
例示的な実施形態による、電気車両を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システムの図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素の概略図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す別の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による図1の基地システム誘導コイル電流信号と電気車両誘導コイル電流信号との間の位相差を示す図である。 例示的な実施形態による図3の電気車両コントローラなどの電気車両コントローラによって実行される場合がある動作のフローチャートである。 例示的な実施形態による図5Aのプロセスを実行するのに使用できる電気車両充電システムの機能ブロック図である。 例示的な実施形態による基地システム電力変換器を有する図2の基地ワイヤレス充電システムの概念図である。 例示的な実施形態による電圧源を有する図6の基地ワイヤレス充電システムの概念図である。 例示的な実施形態による図7の基地ワイヤレス充電システムのノートン変換等価回路の概念図である。 例示的な実施形態による図7の基地システム誘導コイルと電気車両誘導コイルとの間の関係の概念図である。 例示的な実施形態による、電気車両誘導コイル電流が基地システム誘導コイル電流と同相であるときにそれを判定するために図3の電気車両コントローラなどの電気車両コントローラによって実行できるプロセスのフローチャートである。 例示的な実施形態による図10Aのプロセスを実行するのに使用できる電気車両充電システムの機能ブロック図である。 例示的な実施形態による図10Aのプロセスを実施するのに利用できる回路の回路図である。 例示的な実施形態による、基地システム誘導コイル電流が電気車両誘導コイル電流と同相である、図1のワイヤレス電力伝達システムのシミュレーションによる様々な結果を示す図である。 例示的な実施形態による、基地システム誘導コイル電流が電気車両誘導コイル電流と位相がずれている図1のワイヤレス電力伝達システムのシミュレーションによる様々な結果を示す図である。
図面に示された様々な特徴は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されている場合がある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを描写していない場合がある。最後に、本明細書および図の全体を通して、同様の特徴を示すために同様の参照番号が使用される場合がある。
添付の図面に関連させて以下に記載される詳細な説明は、例示的な実施形態の説明を目的としたものであり、実践できる唯一の実施形態を表すことを意図したものではない。本明細書全体にわたって使用される「例示的な」という用語は、「例、実例、または図例として役立つ」ことを意味しており、他の例示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。発明を実施するための形態は、例示的な実施態様の完全な理解をもたらす目的で、具体的な詳細を含んでいる。本発明の例示的な実施形態は、これらの具体的な詳細なしに実践できる。場合によっては、本明細書において提示される例示的な実施形態の新規性を曖昧にするのを避けるために、よく知られている構造およびデバイスがブロック図の形式で示されている。
誘導電力伝達(IPT)システムは、一次インダクタと二次インダクタとが位置合わせされているときに最適に電力を伝達することができる。したがって、電気車両ワイヤレス電力充電システムが、充電の開始前にインダクタの位置合わせを最適化するように車両が位置付けられることを確実にするためのシステムを含むのが望ましい。
準最適電力伝達のほか、二次インダクタが正しく位置合わせされる前に充電のために一次インダクタが作動している場合には安全性リスクがあり得る。たとえば、電気車両充電システムは、傍観者が容易にアクセスできる一次インダクタが収容されている地面取り付け電力デバイスを含むことがあり、破片などがデバイスの上または近くに存在することが可能になっていることがある。認識されたリスクであれ、現実のリスクであれ、人間または動物には、電磁場にさらされることによるリスクがあり得る。また、ワイヤレス電力伝達基地デバイス上に存在するいくつかのタイプの材料は、発火しやすいことがある。ピックアップ電力デバイスのない車両が、作動している一次デバイス上に位置付けられた場合、車両の一部の加熱が生じることがあり、これは危険であり得る。そのため、電気車両充電システムが法的に従う必要のある安全基準を課している国または地域もある。したがって、著しい費用および複雑性を伴わずにワイヤレス電力伝達システムに関するそのようなリスクを最小化することが望ましい。
基地充電デバイスは、デバイスの近くの破片または移動物体の存在を検出するためのセンサを備え、正検出が行われたときに作動するのを控えることができる。しかしながら、場合によっては、センサは、誤差を生じやすく、さらなる構成要素のコストおよび複雑性を伴う。
電気車両IPTシステムは、様々な位置合わせシステムを使用して、電気車両インダクタと充電デバイスインダクタとを位置合わせし、次いで、位置合わせが達成されたことを充電デバイスに通知し、それにより充電デバイスが安全に作動できるようにすることができる。たとえば、位置合わせシステムは、運転手または車両案内システムにフィードバックを提供する機械的ガイド、センサまたはワイヤレス通信リンク(たとえば、RF通信、ブルートゥース(登録商標)など)を含むことができる。適切な位置合わせが達成されると、信号が充電デバイスに送り戻され、次いで充電デバイスは安全に作動することができる。しかしながら、場合によっては、そのような位置合わせ機構は、位置合わせシステムにさらなる構成要素が必要になるので、ワイヤレス電力伝達システムの複雑性およびコストを増大させる。
図1は、例示的な実施形態による、電気車両112を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システム100の図である。ワイヤレス電力伝達システム100は、電気車両112が基地ワイヤレス電力充電システム102aの近くに駐車している間に、電気車両112の充電を可能にする。駐車エリアにおいて2台の電気車両を対応する基地ワイヤレス電力充電システム102aおよび102bの上に駐車させるためのスペースが示されている。いくつかの実施形態では、ローカル分配センター130を電力バックボーン132に接続することができ、ローカル分配センター130は、交流(AC)または直流(DC)供給を、電力リンク110を介して、基地ワイヤレス電力充電システム102aに提供するように構成され得る。基地ワイヤレス電力充電システム102aはまた、電力をワイヤレスに伝達または受信するための基地システム誘導コイル104aを含む。電気車両112は、バッテリーユニット118と、電気車両誘導コイル116と、電気車両充電システム114とを含むことができる。電気車両誘導コイル116は、たとえば、基地システム誘導コイル104aによって生成された電磁場の領域を介して、基地システム誘導コイル104aと対話することができる。
いくつかの例示的な実施形態では、基地システム誘導コイル104aによって生成されたエネルギー場に電気車両誘導コイル116が位置するとき、電気車両誘導コイル116は電力を受信することができる。エネルギー場は、基地システム誘導コイル104aによって出力されたエネルギーが電気車両誘導コイル116によって捕捉され得る領域に対応する。場合によっては、エネルギー場は、基地システム誘導コイル104aの「近距離場」に対応し得る。近距離場は、基地システム誘導コイル104aから電力を放射しない、基地システム誘導コイル104a内の電流および電荷からもたらされる、強い反応場が存在する領域に対応することができる。場合によっては、近距離場は、基地システム誘導コイル104aの波長の約1/2πの範囲内にある領域に対応することができる(電気車両誘導コイル116の場合も同様)。
ローカル分配130は、通信バックホール134を介して外部ソース(たとえば、電力網)と、通信リンク108を介して基地ワイヤレス電力充電システム102aと通信するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、単純に運転手が電気車両112を基地システム誘導コイル104aに対して正しく位置付けることによって、電気車両誘導コイル116は、基地システム誘導コイル104aと位置合わせすることができ、したがって、近距離場領域内に配置することができる。追加または代替として、ワイヤレス電力伝達のために電気車両112が適切に配置されたときを判断するために、運転手には、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、またはそれらの組合せを与えることができる。追加または代替として、電気車両112は、オートパイロットシステムによって位置付けることができ、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、電気車両112を(たとえば、ジグザグ運動で)前後に移動させることができる。これは、たとえば、電気車両112が、車両を調整するためのサーボハンドル、超音波センサ、およびインテリジェンスを備える場合、運転手が介入することなく、または運転手が最低限の介入を行って、電気車両112によって自動的、自律的に実行することができる。追加または代替として、電気車両誘導コイル116、基地システム誘導コイル104a、またはそれらの組合せは、誘導コイル116、104aを互いに対して変位および移動させて、それらをより正確に方向合わせし、それらの間により効率的な結合を生じさせるための機能を有することができる。
基地ワイヤレス電力充電システム102aは、様々な場所に位置し得る。例として、いくつかの適切な場所は、電気車両112の所有者の自宅の駐車エリア、従来のガソリンスタンドに倣った電気車両ワイヤレス充電用に確保された駐車エリア、ならびにショッピングセンターおよび職場など、他の場所の駐車場を含む。
ワイヤレスに電気車両を充電することで、数々の利点が提供される。たとえば、充電は、自動的に、実質的に運転手の介入および操作なしに実行することができ、それによって、ユーザの利便性を向上させる。露出した電気接点、および機械的摩耗をなくすこともでき、それによって、ワイヤレス電力伝達システム100の信頼性を高める。ケーブルおよびコネクタを用いる操作を不必要にすることができ、戸外の環境において湿気および水分にさらされることがある、ケーブル、プラグ、またはソケットをなくすことができ、それによって、安全性を向上させる。見えるまたは接近できるソケット、ケーブル、およびプラグをなくすこともでき、それによって、電力充電デバイスへの潜在的な破壊行為を減らす。さらに、電力網を安定させるために、電気車両112を分散貯蔵デバイスとして使用することができるので、ビークルツーグリッド(V2G:Vehicle-to-Grid)動作のための車両の利用可能性を高めるために、ドッキングツーグリッド(docking-to-grid)ソリューションが使用されることがある。
図1に関して説明するワイヤレス電力伝達システム100は、美的で無害の利点も提供し得る。たとえば、車両および/または歩行者の妨害となることがある、充電カラムおよびケーブルをなくすことができる。
ビークルツーグリッド機能のさらなる説明として、ワイヤレス電力送信および受信機能は、基地ワイヤレス電力充電システム102aが電力を電気車両112に伝達し、たとえばエネルギー不足のときに電気車両112が電力を基地ワイヤレス電力充電システム102aに伝達するように、相互的になるように構成され得る。この機能は、過剰な需要または再生可能エネルギー生産(たとえば、風または太陽)の不足によって引き起こされたエネルギー不足のときに電気車両が分配システム全体に電力を寄与できるようにすることによって電力分配網を安定させるのに役立ち得る。
図2は、図1のワイヤレス電力伝達システム100の例示的なコア構成要素の概略図である。図2に示すように、ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL1を有する基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206を含むことができる。ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL2を有する電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222をさらに含む。本明細書で説明する実施形態は、一次構造(送信機)と二次構造(受信機)の両方が共通の共振周波数に合わせられている場合に、磁気または電磁気近距離場を介して一次構造から二次構造にエネルギーを効率的に結合することが可能な共振構造を形成する容量装荷ワイヤループ(すなわち、多巻きコイル)を使用することができる。
共振周波数は、誘導コイル(たとえば、基地システム誘導コイル204)を含む送信回路のインダクタンスおよびキャパシタンスに基づき得る。図2に示すように、インダクタンスは概して、誘導コイルのインダクタンスであってよく、一方でキャパシタンスは、所望の共振周波数で共振構造を形成するために誘導コイルに追加され得る。一例として、キャパシタが、電磁場を生成する共振回路(たとえば、基地システム送信回路206)を形成するために誘導コイルと直列に追加され得る。したがって、より大きい直径の誘導コイルでは、共振を誘起するためのキャパシタンスの値は、コイルの直径またはインダクタンスが増加するにつれて減少してよい。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に左右され得る。さらに、誘導コイルの直径が増加するにつれて、近距離場の効率的なエネルギー伝達面積が増加してよい。他の共振回路も考えられる。別の例として、誘導コイル(たとえば、並列共振回路)の2つの端子間に並列にキャパシタを配置してよい。さらに、誘導コイルは、誘導コイルの共振を改善するための高品質(Q)係数を有するように設計され得る。
コイルは、電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204に使用され得る。エネルギーを結合するために共振構造を使用することは、「磁気結合共振」、「電磁結合共振」、および/または「共振誘導」と呼ばれ得る。ワイヤレス電力伝達システム200の動作は、基地ワイヤレス電力充電システム202から電気車両112の電気車両充電システム214への電力伝達に基づいて説明されることになるが、これに限定されない。たとえば、電気車両112は、基地ワイヤレス電力充電システム202に電力を伝達し得る。
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)は、電気車両112にエネルギーを伝達するために電力PSDCを基地ワイヤレス電力充電システム202に供給する。基地ワイヤレス電力充電システム202は、基地充電システム電力変換器236を含む。基地充電システム電力変換器236は、標準的なメインAC電力から適切な電圧レベルのDC電力に電力を変換するように構成されたAC/DC変換器、およびDC電力をワイヤレス高電力伝達に適した動作周波数の電力に変換するように構成されたDC/低周波数(LF)変換器などの回路を含み得る。基地充電システム電力変換器236は、所望の周波数で電磁場を放出するために、直列構成または並列構成または両方の組合せによる反応性同調構成要素からなり得る基地充電システム同調回路205および基地システム誘導コイル204を含む、基地システム送信回路206に電力P1を供給する。所望の周波数で共振する基地システム誘導コイル204との共振回路を形成するように、キャパシタC1が提供され得る。
基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206と電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222の両方は、実質的に同じ周波数に合わせられてよく、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216のうちの1つによって送出された電磁場の近距離場内に位置付けられ得る。この場合、電気車両充電システム同調回路221および電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222に電力が伝達され得るように、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216は、互いに結合され得る。電気車両充電システム同調回路221は、所望の周波数で共振する電気車両誘導コイル216との共振回路を形成するように提供され得る。コイル分離で生じる相互結合係数は、要素k(d)によって表される。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイル204および216ならびにいくつかの実施形態では、それぞれ基地充電システム同調回路205および電気車両充電システム同調回路221において提供され得る逆リアクタンスキャパシタに固有であり得る損失を表す。電気車両誘導コイル216および電気車両充電システム同調回路221を含む電気車両受信回路222は、電力P2を受信し、電気車両充電システム214の電気車両電力変換器238にP2を提供する。
電気車両電力変換器238は、たとえば、電気車両バッテリーユニット218の電圧レベルに整合する電圧レベルのDC電力に戻す形で動作周波数の電力を変換するように構成されたLF/DC変換器を含み得る。電気車両電力変換器238は、電気車両バッテリーユニット218を充電するために、変換された電力PLDCを提供することができる。電源208、基地充電システム電力変換器236、および基地システム誘導コイル204は、静止し、本開示で論じた様々な場所に位置してよい。バッテリーユニット218、電気車両電力変換器238、および電気車両誘導コイル216は、電気車両112の一部またはバッテリーパック(図示せず)の一部である電気車両充電システム214中に含まれ得る。電気車両充電システム214はまた、電力網に電力を戻すために、電気車両誘導コイル216を通して基地ワイヤレス電力充電システム202にワイヤレスに電力を提供するように構成され得る。電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204の各々は、動作モードに基づいて送信誘導コイルまたは受信誘導コイルとしての働きをすることができる。
図示されていないが、ワイヤレス電力伝達システム200は、電気車両バッテリーユニット218または電源208をワイヤレス電力伝達システム200から安全に切断する負荷切断ユニット(LDU)を含み得る。たとえば、緊急事態またはシステム障害の場合、LDUは、ワイヤレス電力伝達システム200から負荷を切断するようにトリガされ得る。LDUは、バッテリーへの充電を管理するためのバッテリー管理システムに加えて提供されてよく、またはバッテリー管理システムの一部であってもよい。
さらに、電気車両充電システム214は、電気車両誘導コイル216を電気車両電力変換器238との間で選択的に接続および切断するための切替回路(図示せず)を含むことができる。電気車両誘導コイル216を切断することで、充電を中止することができ、(送信機としての働きをする)基地ワイヤレス電力充電システム202によって「見られる」ように「負荷」を調整することもでき、これを利用して、(受信機としての働きをする)電気車両充電システム214を基地ワイヤレス電力充電システム202から分離することができる。送信機が負荷感知回路を含む場合、負荷変動が検出され得る。したがって、基地ワイヤレス電力充電システム202などの送信機は、電気車両充電システム214などの受信機が基地システム誘導コイル204の近距離場に存在するときを判断するための機構を有し得る。
動作中、車両またはバッテリーへのエネルギー伝達を仮定すると、基地システム誘導コイル204がエネルギー伝達を提供するための場を生成するように、電源208から入力電力が提供される。電気車両誘導コイル216は、放射場に結合し、電気車両112の電気車両充電システム214または電気車両バッテリーユニット218による蓄積または消費用の出力電力を生成する。上記のように、いくつかの実施形態では、電気車両誘導コイル216の共振周波数および基地システム誘導コイル204の共振周波数が非常に近くなるか、または実質的に同じになるように相互共振関係に従って、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216は構成される。電気車両誘導コイル216が基地システム誘導コイル204の近距離場に位置するとき、基地ワイヤレス電力充電システム202と電気車両充電システム214との間の送電損失は最小である。
効率的なエネルギー伝達は、電磁波内のエネルギーの大部分を遠距離場に伝播するのではなく、送信誘導コイルの近距離場内のエネルギーの大部分を受信誘導コイルに結合することによって生じ得る。この近距離場にあるとき、送信誘導コイルと受信誘導コイルとの間に結合モードが確立され得る。この近距離場結合が発生し得る誘導コイルの周りのエリアを、本明細書では近距離場結合モード領域と呼び得る。
図示されていないが、基地充電システム電力変換器236および電気車両電力変換器238はいずれも、発振器、電力増幅器などのドライバ回路、フィルタ、およびワイヤレス電力誘導コイルと効率的に結合するための整合回路を含み得る。発振器は、調整信号に応答して調整され得る所望の周波数を生成するように構成され得る。発振器信号は、電力増幅器によって、制御信号に応答する増幅量で増幅され得る。フィルタおよび整合回路は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、電力変換モジュールのインピーダンスをワイヤレス電力誘導コイルに整合させるために含まれ得る。電力変換器236および238はまた、1つまたは複数のバッテリーを充電するために適切な電力出力を生成するための整流器および切替回路を含み得る。
電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には、多巻きループアンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。誘導コイル204および216はまた、本明細書において「磁気」アンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためのエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことが意図される。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ぶこともできる。ループ(たとえば、多巻きループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコアなどの物理的コアを含むように構成され得る。空芯ループアンテナにより、コアエリア内に他の構成要素を配置することが可能になり得る。強磁性材料またはフェリ磁性材料を含む物理的コアアンテナにより、より強い電磁場の生成および結合の改善が可能になり得る。
送信機と受信機との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機と受信機との間に整合した共振またはほぼ整合した共振が生じている間に行われ得る。さらに、送信機と受信機との間の共振が整合しないときでも、効率性を下げてエネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信誘導コイルからのエネルギーを自由空間に伝播するのではなく、送信誘導コイルの近距離場からのエネルギーを、この近距離場が確立された領域内(たとえば、共振周波数の所定の周波数範囲内または近距離場領域の所定の距離内)に存在する受信誘導コイルに結合することによって生じる。
いくつかの実施形態によれば、互いの近距離場にある2つの誘導コイルの間の電力結合が開示されている。近距離場は、電磁場が存在する誘導コイルの周りの領域に対応し得るが、誘導コイルから伝播または放射することはない場合がある。近距離場結合モード領域は、通常は波長のごく一部の中にある、誘導コイルの物理容積に近い容積に対応し得る。いくつかの実施形態によれば、1回巻きまたは多巻きループアンテナなどの電磁誘導コイルは、送信と受信の両方に使用され、その理由は、実際の実施形態における磁気近距離場振幅は、電気タイプアンテナ(たとえば、小さいダイポール)の電気近距離場と比較して、磁気タイプコイルの場合に高い傾向があることにある。これにより、ペア間の潜在的により高い結合が可能になる。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナとの組合せが使用され得る。
図3は、図1のワイヤレス電力伝達システム100の例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す機能ブロック図である。ワイヤレス電力伝達システム300は、通信リンク376、案内リンク366、ならびに基地システムまたは送信機インダクタ304および電気車両または受信機インダクタ316のための位置合わせシステム352、354を示している。図2に関して、またエネルギーフローが電気車両に向かうときのシステムの使用に関して上述したように、図3では、基地充電システム電力インターフェース334は、ACまたはDC電源などの電源からの電力を充電システム電力変換器336に提供するように構成され得る。基地充電システム電力変換器336は、基地充電システム電力インターフェース334からACまたはDC電力を受信して、基地システム誘導コイル304をその共振周波数においてまたはその共振周波数近くで励磁することができる。電気車両インダクタ316は、近距離場結合モード領域にあるとき、近距離場結合モード領域からエネルギーを受信して、共振周波数においてまたは共振周波数近くで発振することができる。電気車両電力変換器338は、電気車両誘導コイル316からの発振信号を、電気車両電力インターフェース340を介してバッテリーを充電するのに適した電力信号に変換する。
基地ワイヤレス電力充電システム302は基地充電システムコントローラ342を含み、電気車両充電システム314は電気車両コントローラ344を含む。基地充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、および電力分配センター、またはスマート電力網などの他のシステムへの基地充電システム通信インターフェース360を含むことができる。電気車両コントローラ344は、たとえば、車両搭載コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車両内の他の電子システム、およびリモート電子システムなどの他のシステムへの電気車両通信インターフェース368を含み得る。
基地充電システムコントローラ342および電気車両コントローラ344は、別個の通信チャネルを有する特定のアプリケーションのためのサブシステムまたはモジュールを含み得る。これらの通信チャネルは、別個の物理チャネルまたは別個の論理チャネルであり得る。例として、基地充電位置合わせシステム352は、自律的に、かつ/またはオペレータの支援により、基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とをよりしっかりと位置合わせするためのフィードバック機構を提供する位置合わせリンク356を介して、電気車両位置合わせシステム354と通信することができる。同様に、基地充電案内システム362は、基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とを位置合わせする際に自律的に、かつ/またはオペレータの支援により電気車両を案内するためのフィードバック機構を提供する案内リンク366を介して、電気車両案内システム364と通信することができる。さらに、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314との間で他の情報を通信するための基地充電通信システム372および電気車両通信システム374によってサポートされる別個の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があり得る。この情報は、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314の両方の電気車両特性、バッテリー特性、充電ステータス、および電力容量に関する情報、ならびに電気車両に関する保守および診断データを含み得る。これらの通信チャネルは、たとえば、ブルートゥース(登録商標)、zigbee、セルラーなどの別個の物理通信チャネルであり得る。
電気車両コントローラ344は、マイクロ波または超音波レーダー原理に基づく駐車支援システム、半自動式駐車動作を実行するように構成されたブレーキシステム、駐車の正確性を高め、ひいては基地ワイヤレス電力充電システム302および電気車両充電システム314における機械的水平誘導コイルの位置合わせの必要性を低減し得る、概ね自動化された駐車「park by wire」を支援するように構成されたハンドルサーボシステム(steering wheel servo system)も含むことができる。さらに、電気車両コントローラ344は、電気車両112の電子機器と通信するように構成され得る。たとえば、電気車両コントローラ344は、視覚的出力デバイス(たとえば、ダッシュボードディスプレイ)、音響/オーディオ出力デバイス(たとえば、ブザー、スピーカー)、機械的入力デバイス(たとえば、キーボード、タッチスクリーン、ポインティングデバイス、たとえば、ジョイスティック、トラックボールなど)、およびオーディオ入力デバイス(たとえば、電子音声認識によるマイクロフォン)と通信するように構成され得る。
さらに、ワイヤレス電力伝達システム300は、検出およびセンサシステムを含み得る。たとえば、ワイヤレス電力伝達システム300は、運転手または車両を充電場所に適切に案内するためのシステムとともに使用するセンサ、必要な分離/結合により誘導コイルを相互に位置合わせするためのセンサ、結合を達成するために特定の高さおよび/または位置に電気車両誘導コイル316が移動するのを妨げ得るオブジェクトを検出するためのセンサ、ならびにシステムの信頼できる無害かつ安全な動作を実行するためのシステムとともに使用する安全センサを含み得る。たとえば、安全センサは、安全区域を越えてワイヤレス電力送信機/受信機デバイス304、316に近づいてくる動物または子供の存在の検出、(たとえば、誘導加熱により)加熱され得る基地システム誘導コイル304に近い金属オブジェクトの検出、基地システムインダクタ304上の白熱オブジェクトなどの危険な事象の検出、ならびに基地ワイヤレス電力充電システム302および電気車両充電システム314の構成要素の温度監視のためのセンサを含み得る。
基地ワイヤレス充電システム302と電気車両充電システム314との間で通信するために、ワイヤレス電力伝達システム300は、帯域内シグナリングおよびRFデータモデム(たとえば、許可されていない帯域での無線によるイーサネット(登録商標))を使用することができる。帯域外通信は、車両の使用車/所有者への付加価値サービスの提供に十分な帯域幅を提供し得る。ワイヤレス電力キャリアの低深度振幅または位相変調は、干渉を最小限に抑えた帯域内シグナリングシステムとしての働きをし得る。
さらに、特定の通信アンテナを使用せずにワイヤレス電力リンクを介して実行される通信もあり得る。たとえば、ワイヤレス電力インダクタ304および316はまた、ワイヤレス通信送信機としての働きをするように構成され得る。したがって、基地ワイヤレス電力充電システム302のいくつかの実施形態は、ワイヤレス電力経路におけるキーイングタイププロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含むことができる。所定のプロトコルによる所定の間隔での送信電力レベルのキーイング(振幅シフトキーイング)によって、受信機は、送信機からのシリアル通信を検出することができる。基地充電システム電力変換器336は、基地システム誘導コイル304によって生成された近距離場の近傍における作動中の電子車両受信機の有無を検出するための負荷感知回路(図示せず)を含むことができる。例として、負荷感知回路は、基地システム誘導コイル304によって生成された近距離場の近傍における作動中の受信機の有無によって影響を及ぼされる電力増幅器に流れる電流を監視する。電力増幅器上の負荷に対する変化の検出は、エネルギーを伝送するために発振器を有効にすべきかどうか、作動中の受信機と通信すべきかどうか、またはそれらの組合せを決定する際に使用するために基地充電システムコントローラ342によって監視され得る。
電気車両誘導電力伝達のための様々なシステムについて上記において説明したが、電気車両誘導電力伝達のためのシステムは、様々な実施形態による様々なさらなる方法で実施することが可能である。電気車両誘導コイルの位置合わせのために伝送信号の位相を判定するためのシステムおよび方法について以下に説明する。
電気車両誘導コイル位置検出の間、電気車両充電システムの短絡電流の測定値を使用して関連する電気車両誘導コイルの値および位相を取得することができる。さらに、特定の適用例では、限定はしないが、基地ワイヤレス電力充電システムの仕様などから、基地システム誘導コイル電流信号の値を知ることができる。しかし、基地システム誘導コイル電流信号の値とともに電気車両誘導コイル電流信号の値および位相に関する情報を有するだけでは、基地システム誘導コイルに対する電気車両誘導コイルの位置を適切に判定するうえで不十分である。たとえば、図4は、例示的な実施形態による図1の基地システム誘導コイル電流信号406と電気車両誘導コイル電流信号408との間の位相差を示す。電気車両誘導コイル電流信号408の値に対する基地システム誘導コイル電流信号406の値の比は点A402と点B404とで同じであるが、コイル同士の間の変位は点B404の方が点A402よりもずっと大きい。この問題を解消するために、特定の実施形態によるシステムおよび方法は、基地システム誘導コイル電流信号の位相を判定することによって電気車両誘導コイルと基地システム誘導コイルの位置合わせを可能にする。
いくつかの実施形態では、伝送信号を送信する基地システム誘導コイルと伝送信号を受信する電気車両誘導コイルにおける電流信号の位相が収束するとき電気車両誘導コイルは基地システム誘導コイルとより高度に位置合わせされていると判定することができる。伝送信号は、磁力波として送信され電気車両誘導コイルにおいて電流信号として誘導される、基地システム誘導コイルにおける電流信号であることが可能である。基地システム誘導コイル電流信号の位相は、伝送信号内の第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動に基づいて判定することが可能である。周期的変動のタイミングは、基地システム誘導コイルにおける電流信号の位相の指示として使用することが可能である。さらに、第1の周波数と第2の周波数は、伝送信号の動作周波数に段階的変化を適用することによって生成することが可能である。本明細書では電流信号について説明するが、電気車両誘導コイルまたは基地システム誘導コイルのいずれかの電圧信号に基づく電気車両誘導コイルと基地システム誘導コイルの位置合わせに関する同様の判定を、いくつかの実施形態に従って下すことができる。さらに、本明細書では単一の電気車両誘導コイルについて説明するが、いくつかの実施形態では単一の電気車両の複数の電気車両誘導コイルに関して同じプロセスを繰り返すことができる。
図5Aは、例示的な実施形態による図3の電気車両コントローラ344などの電気車両コントローラによって実行される場合がある動作のフローチャートである。上述のように、電気車両コントローラ344は、基地システム誘導コイルにおける電流信号の位相を判定するための追加のプロセスを実行してもよい。一実施形態では、電気車両コントローラ344はブロック502において始動してもよい。図5Aのプロセス500は特定の順序で示されているが、いくつかの実施形態では、本明細書のブロックは異なる順序で実行されるかまたは省略されてもよく、かつさらなるブロックを追加することが可能である。当業者には、基地システム誘導コイルの位相を判定するために図示の実施形態のプロセスを任意のコントローラにおいて実施してもよいことが諒解されよう。
ブロック502において、電気車両コントローラ344は、ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出し、伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む。いくつかの実施形態では、伝送信号は、電気車両誘導コイルにおいて誘導されたときに検出することが可能である。
ブロック504において、電気車両コントローラ344は、電気車両誘導コイルにおいて誘導されたときの検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル電流信号の位相を判定する。特定の実施形態では、基地システム誘導コイル電流信号の位相は、ワイヤレス電力伝送の伝送信号内の第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動に基づいて判定することが可能である。周期的変動のタイミングは、基地システム誘導コイルにおける電流信号の位相の指示として使用することが可能である。
図5Bは、例示的な実施形態による、図5Aのプロセスを実行するのに使用できる電気車両充電システムの機能ブロック図である。電気車両充電システム550は、ワイヤレス電力伝送において周期的周波数変動を有する信号を検出するための手段552を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、ワイヤレス電力伝送において周期的周波数変動を有する信号を検出するための手段552は、ブロック502(図5A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することが可能である。様々な実施形態では、ワイヤレス電力伝送において周期的周波数変動を有する信号を検出するための手段552は電気車両コントローラ344(図3)を備える。
電気車両充電システム550は、検出された信号に基づいて基地システム誘導コイルの位相を判定するための手段554をさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態では、検出された信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するための手段554は、ブロック504(図5A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することが可能である。様々な実施形態では、検出された信号に基づいて基地システム誘導コイルの位相を判定するための手段554は、電気車両コントローラ344(図3)を備える。
例示的な実施形態による基地システム電力変換器を有する図2の基地ワイヤレス充電システム600の概念図を図6に示す。基地ワイヤレス充電システム600は、電力信号を、インダクタ604とキャパシタ606とを含み、基地システム誘導コイル電流信号608としての伝送信号を生成する基地充電システム同調回路205によって処理できるようにAC信号に変換することができる基地充電システム電力変換器602を含む。伝送信号は、伝送信号を電気車両誘導コイル614電流信号610として誘導するように基地システム誘導コイル612によって送信することが可能である。
いくつかの実施形態では、基地ワイヤレス充電システム600は、伝送信号の動作周波数に段階的変化を適用することによって伝送信号の動作周波数を変調して第1の周波数と第2の周波数とを有する伝送信号を生成するように構成することが可能である。様々な実施形態では、段階的変化は、基地ワイヤレス充電システムのDC/AC変換器(限定はしないがインバータなど)に印加される電圧または電流の段階的変化として適用することが可能である。いくつかの実施形態では、導通角が大きいときに電気車両誘導コイルにおいて段階的変化を迅速に検出することができる。特定の実施形態では、導通角が小さい場合に基地ワイヤレス充電システムに段階的変化が適用されてから2分の1サイクル後に電気車両誘導コイルにおいてこの段階的変化を検出することができる。特定の実施形態では、基地ワイヤレス充電システムは、基地システム誘導コイルにおいて低電流を実現するように導通角を設定することによって実装することが可能である。選択実施形態では、動作周波数に適用される段階的変化を伝送信号の動作周波数よりも著しく低い周波数(限定はしないが100Hz〜500Hzの範囲など)で適用することができる。電気車両コントローラは、周波数の周期的変動をより容易に検出し、段階的変化が誘導された電気車両誘導コイル電流信号としての伝送信号の動作周波数よりも著しく低いときに基地システム誘導コイル電流信号に関する位相情報を伝送信号から抽出することができる。
例示的な実施形態による電圧源を有する図6の基地ワイヤレス充電システムの概念図を図7に示す。基地ワイヤレス充電システム700は、値CBを有する基地キャパシタ704および値LBを有する基地インダクタ706と直列に接続された電圧源702を含む。基地ワイヤレス充電システム700は、値C1を有する第1のキャパシタ712と並列に接続された基地システム誘導コイルも含む。基地システム誘導コイル708は、電気車両誘導コイル710において電流を誘導する磁界を生成するように構成される。
例示的な実施形態による図7の基地ワイヤレス充電システムのノートン変換等価回路の概念図を図8に示す。等価電流Iaの位相は、電圧源Viならびに値LBを有する基地インダクタ804および値CBを有する基地キャパシタ806のインピーダンスによって決定される。電流源を値LBを有する基地インダクタ804、値CBを有する基地キャパシタ806、値C1を有する第1のキャパシタ810、および値L1を有する基地システム誘導コイル812の総インピーダンスとともに使用して、Viに対するI1の位相および値を以下の数式(1)のように算出することができる。
Ia=Vi/(jωLB +1/jωCB) (1)
例示的な実施形態による図7の基地システム誘導コイルと電気車両誘導コイルとの間の関係の概念図を図9に示す。基地システム誘導コイル902における電流I1の値および位相が判明した後、以下の数式(2)および数式(3)を使用して、電気車両誘導コイル904の誘導される電圧または電流(図9に示すVocおよびIsc)を算出することができる。
Voc = jωMI1 (2)
数式(2)および(3)は、Vocが基地システム誘導コイル電流I1よりも90度進んでおり、一方、IscがI1と同相であることを示す。したがって、車両側コントローラは、I1の位相を取得した後、この位相をIscまたはVocの測定された位相と比較して電気車両誘導コイルに対する基地システム誘導コイルの位置を判定することができる。
特定の実施形態では、基地ワイヤレス電力充電システムは、負周期の開始時に基地システム誘導コイルにおける電流の動作周波数を変調することができる。周波数の変化は、段階的変化の幅に応じて基地システム誘導コイルにおける電流信号の動作周波数に段階的変化を適用することによる変調が行われてから、完全な1サイクルまたは2分の1サイクル後に電気車両誘導コイルにおいて検出することが可能である。伝送信号における周波数の変化は、正周期カウンタ(positive period counter)と負周期カウンタ(negative period counter)の両方を使用して電気車両コントローラによって電気車両誘導コイルにおいて監視することが可能である。次いで、周波数の変化が最初に負周期カウンタにおいて検出されたときには、電気車両誘導コイルにおいて誘導される電流は基地システム誘導コイルにおける電流と同相であると判定することが可能である。同様に、周波数の変化が最初に正周期カウンタにおいて検出されたときには、電気車両誘導コイルにおいて誘導される電流は基地システム誘導コイルにおける電流と位相がずれていると判定することが可能である。
例示的な実施形態による、電気車両誘導コイル電流が基地システム誘導コイル電流と同相であるときにそれを判定するために図3の電気車両コントローラ344などの電気車両コントローラによって実行できるプロセスのフローチャートを図10Aに示す。上述のように、電気車両コントローラ344は、さらなるプロセスを実行して、電気車両誘導コイルにおける電流信号が基地システム誘導コイルと同相であるかどうかを判定してもよい。一実施形態では、電気車両コントローラ344はブロック1004において始動してもよい。図10のプロセスは特定の順序で示されているが、いくつかの実施形態では、本明細書のブロックは異なる順序で実行されるかまたは省略されてもよく、かつさらなるブロックが追加することが可能である。当業者には、電気車両誘導コイル電流が基地システム誘導コイル電流と同相であるときにそれを判定するために図示の実施形態のプロセスを任意のコントローラにおいて実施してもよいことが諒解されよう。
ブロック1004において、電気車両コントローラ344は、電気車両誘導コイルにおいて誘導される電流を評価する比較器の出力において正カウンタおよび負カウンタを監視する。
ブロック1006において、電気車両コントローラ344は、カウンタ値が周波数の変化を表しているかどうかを判定する。
ブロック1008において、電気車両コントローラ344は、正周期カウンタと負周期カウンタの両方において遷移が生じたと判定する。
ブロック1010において、電気車両コントローラ344は、遷移が、電気車両誘導コイルにおける電流が基地システム誘導コイルにおける電流と同相であることを示すかどうかを判定する。いくつかの実施形態において、正周期カウンタよりも前に負周期カウンタにおいて遷移が生じる場合は、電気車両誘導コイルにおける電流が基地システム誘導コイルにおける電流と同相であることを示す。
図10Bは、例示的な実施形態による図1のシステムにおける図10Aのプロセスを実行するのに使用できる電気車両充電システムの機能ブロック図である。電気車両充電システム1050は、正周期カウンタおよび負周期カウンタにおいて比較器出力を監視するための手段1054を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、比較器出力を監視するための手段1054は、ブロック1004(図10A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成することが可能である。様々な実施形態では、比較器出力を監視するための手段1054は電気車両コントローラ344(図3)を備える。
電気車両充電システムは、カウンタ値が周波数の変化を表すかどうかを判定するための手段1056を含むことも可能である。いくつかの実施形態では、カウンタ値が周波数の変化を表すかどうかを判定するための手段1056は、ブロック1006(図10A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成することが可能である。様々な実施形態では、カウンタ値が周波数の変化を表すかどうかを判定するための手段1056は電気車両コントローラ344(図3)を備える。
電気車両充電システムは、正周期カウンタおよび負周期カウンタにおいて遷移が生じたと判定するための手段1058を含むことも可能である。いくつかの実施形態では、正周期カウンタおよび負周期カウンタにおいて遷移が生じたと判定するための手段1058は、ブロック1008(図10A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することが可能である。様々な実施形態では、正周期カウンタおよび負周期カウンタにおいて遷移が生じたと判定するための手段1058は、電気車両コントローラ344(図3)を備える。
電気車両充電システムは、遷移が、基地システム誘導コイル電流と電気車両誘導コイル電流が同相であることを示しているかどうかを判定するための手段1060を含むことも可能である。いくつかの実施形態では、基地システム誘導コイル電流と電気車両誘導コイル電流が同相であることを遷移が示しているかどうかを判定するための手段1060は、ブロック1010(図10A)に関する機能のうちの1つまたは複数を実施するように構成することが可能である。様々な実施形態では、遷移が、基地システム誘導コイル電流と電気車両誘導コイル電流が同相であることを示しているかどうかを判定するための手段1060は、電気車両コントローラ344(図3)を備える。
図11は、例示的な実施形態による図10Aのプロセスを実施するのに利用できる回路の回路図を示す。回路図1100は、正周期カウンタ1104を実現する回路と、比較器1102の出力に接続された負周期カウンタ1106を実現する回路とを有する比較器1102を含む。回路図はまた、カウンタ値が周波数の変化1108を表しているかどうかを判定するように構成された回路と、正周期カウンタ1110または負周期カウンタ1112において遷移が生じたと判定するように構成された回路とを含む。
図12は、例示的な実施形態による、基地システム誘導コイル電流が電気車両誘導コイル電流と同相である、図1のワイヤレス電力伝達システム100のシミュレーションによる様々な結果を示す。このシミュレーションは、基地システム誘導コイル電流1204に適用された段階的変化1202(限定はしないがインバータ電圧の段階的変化など)がどのように電気車両誘導コイル電流1206を誘導し得るかを示す。電気車両誘導コイル比較器出力1208は、電気車両コントローラによって正周期カウンタ1210および負周期カウンタ1216を使用して監視することが可能である。電気車両コントローラは、負周期変化検出信号1214が正周期変化検出信号1212よりも早く遷移し、周波数の変化が最初に負周期カウンタにおいて検出されたことを示すときに基地システム誘導コイルは電気車両誘導コイルと同相であると判定することができる。
図13は、例示的な実施形態による、基地システム誘導コイル電流が電気車両誘導コイル電流と位相がずれている図1のワイヤレス電力伝達システム100のシミュレーションによる様々な結果を示す。このシミュレーションは、基地システム誘導コイル電流1304に適用された段階的変化1302(限定はしないがインバータ電圧の段階的変化など)がどのように電気車両誘導コイル電流1306を誘導し得るかを示す。電気車両誘導コイル電流比較器出力1308は、電気車両コントローラによって正周期カウンタ1312および負周期カウンタ1316を使用して監視することが可能である。電気車両コントローラは、正周期変化検出信号1310が負周期変化検出信号1314よりも早く遷移し、周波数の変化が最初に正周期カウンタにおいて検出されたことを示すときに基地システム誘導コイルは電気車両誘導コイルと位相がずれていると判定することができる。
代替実施形態では、それぞれのワイヤレス電力伝達システムが動作すると予想される状況に応じて、適切な回路が使用され得ることが理解されよう。本開示は、誘導電力伝達回路とともに使用される同調反応性要素の任意の特定の構成に限定されず、並列同調共振回路、直列同調共振回路、およびLCL同調共振回路は、例として本明細書で提供されるにすぎない。さらに、本開示は、受信機インダクタに電流を生成する任意の特定の受信機側手段に限定されず、電圧トランスフォーマ、電流トランスフォーマ、および可逆整流器の技法は、例として本明細書で論じているにすぎない。
電力をワイヤレスに伝達することは、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連する任意の形態のエネルギーを送信機から受信機に伝達する(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達され得る)ことを指し得る。電力伝達を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受信、捕捉、または結合され得る。
本明細書において、リモートシステムについて説明するために電気車両が使用され、その一例は、運動能力の一部として、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプのバッテリー)から導出された電力を含む車両である。例として、いくつかの電気車両は、直接運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型内燃機関を含むハイブリッド電気車両であり得る。他の電気車両は、電力からすべての運動能力を引き出し得る。電気車両は、自動車に限定されず、オートバイ、カート、スクーターなどを含み得る。限定ではなく例として、リモートシステムは本明細書において、電気車両(EV)の形態で説明される。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に電力供給され得る他のリモートシステム(たとえば、パーソナルコンピューティングデバイスなどの電子デバイス)も企図される。
上記の方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素、回路および/またはモジュールなどの、動作を実行することが可能な任意の適切な手段によって実行することができる。一般に、図に示される任意の動作は、動作を実行することが可能な対応する機能手段によって実行することができる。
多種多様な技術および技法のうちのいずれかを使用して情報および信号を表すことができる。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、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、磁場または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組合せとして実装され得る。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、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、概してそれらの機能に関して上記で説明されている。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、特定の適用例および全体的なシステムに課される設計制約に依存する。上述の機能は、特定の各適用例のために様々な方法で実装できるが、そのような実装上の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じさせると解釈すべきではない。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(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)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書で説明する機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せで、実装または実行されてよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、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、または状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、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、あるいは任意の他のそのような構成として実装され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する方法またはアルゴリズムおよび機能のブロックまたはステップは、直接ハードウェアで具現化されても、またはプロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで具現化されても、またはその2つの組合せで具現化されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして、有形な非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶すること、または有形な非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信することができる。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、読取り専用メモリ(ROM)、電気的にプログラム可能なROM(EPROM)、電気的に消去可能およびプログラム可能なROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、着脱可能ディスク、CD ROM、または当技術分野で知られた任意の他の形態の記憶媒体内に存在することができる。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、プロセッサに結合される。代替として、記憶媒体はプロセッサと一体であり得る。ディスク(diskおよびdisc)は、本明細書で使用される場合、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み、ディスク(disk)は、通常、磁気的にデータを再生し、一方、ディスク(disc)は、レーザを用いて光学的にデータを再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体はASIC内に存在することができる。ASICはユーザ端末内に存在することができる。代替として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別構成要素として存在することができる。
本開示の概要を述べるために、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴について本明細書で説明してきた。本発明の任意の特定の実施形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてを実現できない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書に教示される1つの利点または利点の群を、本明細書に教示または示唆され得る他の利点を必ずしも実現することなく実現または最適化するように具現化または実行され得る。
上述の実施形態への様々な修正が容易に明らかになり、本明細書に定義する一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最大の範囲を与えるものである。
100 ワイヤレス電力伝達システム
102a 基地ワイヤレス電力充電システム
102b 基地ワイヤレス電力充電システム
104a 基地システム誘導コイル、誘導コイル
108 通信リンク
110 電力リンク
112 電気車両
114 電気車両充電システム
116 電気車両誘導コイル、誘導コイル
118 バッテリーユニット
130 ローカル分配センター、ローカル分配
132 電力バックボーン
134 通信バックホール
200 ワイヤレス電力伝達システム
202 基地ワイヤレス電力充電システム
204 基地システム誘導コイル、誘導コイル
205 基地充電システム同調回路
206 基地システム送信回路
208 電源
214 電気車両充電システム
216 電気車両誘導コイル、誘導コイル
218 電気車両バッテリーユニット、バッテリーユニット
221 電気車両充電システム同調回路
222 電気車両受信回路
236 基地充電システム電力変換器、電力変換器
238 電気車両電力変換器、電力変換器
300 ワイヤレス電力伝達システム
302 基地ワイヤレス電力充電システム
304 基地システムまたは送信機インダクタ、基地システム誘導コイル、基地システムインダクタ、ワイヤレス電力インダクタ
314 電気車両充電システム
316 電気車両または受信機インダクタ、電気車両インダクタ、電気車両誘導コイル、ワイヤレス電力インダクタ
334 基地充電システム電力インターフェース
336 充電システム電力変換器、基地充電システム電力変換器
338 電気車両電力変換器
340 電気車両電力インターフェース
342 基地充電システムコントローラ
344 電気車両コントローラ
352 位置合わせシステム、基地充電位置合わせシステム
354 位置合わせシステム、電気車両位置合わせシステム
356 位置合わせリンク
360 基地充電システム通信インターフェース
362 基地充電案内システム
364 電気車両案内システム
366 案内リンク
368 電気車両通信インターフェース
372 基地充電通信システム
374 電気車両通信システム
376 通信リンク
406 基地システム誘導コイル電流信号
408 電気車両誘導コイル電流信号
550 電気車両充電システム
552 ワイヤレス電力伝送において周期的周波数変動を有する信号を検出するための手段
554 検出された信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するための手段
600 基地ワイヤレス充電システム
602 基地充電システム電力変換器
604 インダクタ
606 キャパシタ
608 基地システム誘導コイル電流信号
612 基地システム誘導コイル
614 電気車両誘導コイル
700 基地ワイヤレス充電システム
702 電圧源
704 基地キャパシタ
706 基地インダクタ
708 基地システム誘導コイル
710 電気車両誘導コイル
712 第1のキャパシタ
804 基地インダクタ
806 基地キャパシタ
902 基地システム誘導コイル
904 電気車両誘導コイル
1050 電気車両充電システム
1054 比較器出力を監視するための手段
1056 カウンタ値が周波数の変化を表しているかどうかを判定するための手段
1058 正周期カウンタおよび負周期カウンタにおいて遷移が生じたと判定するための手段
1060 遷移が、基地システム誘導コイル電流と電気車両誘導コイル電流が同相であることを示しているかどうかを判定するための手段
1102 比較器
1104 正周期カウンタ
1106 負周期カウンタ
1108 周波数の変化
1110 正周期カウンタ
1112 負周期カウンタ
1202 段階的変化
1204 基地システム誘導コイル電流
1206 電気車両誘導コイル電流
1208 電気車両誘導コイル電流比較器出力
1210 正周期カウンタ
1212 正周期変化検出信号
1214 負周期変化検出信号
1216 負周期カウンタ
1302 段階的変化
1304 基地システム誘導コイル電流
1306 電気車両誘導コイル電流
1308 電気車両誘導コイル電流比較器出力
1310 正周期変化検出信号
1312 正周期回転カウンタ
1314 負周期変化検出信号
1316 負周期カウンタ

Claims (29)

  1. ワイヤレス電力を受信する方法であって、
    ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出するステップであって、前記伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む、ステップと、
    前記検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するステップと
    を含む方法。
  2. 電気車両誘導コイルを介して前記伝送信号を受信するステップと、
    前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、基地システム誘導コイル電流位相を前記電気車両誘導コイルの電流位相と比較することによって判定するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 電気車両誘導コイルを介して前記伝送信号を受信するステップと、
    前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、基地システム誘導コイル電流位相を前記電気車両誘導コイルの電圧位相と比較することによって判定するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  4. 電気車両誘導コイルを介して前記伝送信号を受信するステップと、
    前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、基地システム誘導コイル電圧位相を前記電気車両誘導コイルの電圧位相と比較することによって判定するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  5. 電気車両誘導コイルを介して前記伝送信号を受信するステップと、
    前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、基地システム誘導コイル電圧位相を前記電気車両誘導コイルの電流位相と比較することによって判定するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  6. 第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動は、前記伝送信号の動作周波数に適用された段階的変化を示す、請求項1に記載の方法。
  7. 前記伝送信号の動作周波数に適用された前記段階的変化は、基地システム誘導コイル信号の動作周波数に適用された段階的変化を示す、請求項6に記載の方法。
  8. 基地システム誘導コイル信号の位相を判定する前記ステップは、
    第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動のタイミングに関して、前記伝送信号を監視するステップと、
    前記周期的変動の前記タイミングから前記基地システム誘導コイル信号の位相を特定するステップと
    を含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記伝送信号を監視する前記ステップは、前記伝送信号を受信する電気車両誘導コイルを使用して実行され、
    前記基地システム誘導コイル信号の位相を特定する前記ステップは、前記電気車両誘導コイルに結合された電気車両コントローラを使用して実行される、
    請求項8に記載の方法。
  10. 前記第2の周波数は前記第1の周波数よりも高い、請求項1に記載の方法。
  11. 前記第2の周波数は前記第1の周波数よりも低い、請求項1に記載の方法。
  12. 前記ワイヤレス電力伝送は、電気車両を充電するのに十分なレベルである、請求項1に記載の方法。
  13. 電気車両を充電するのに十分なレベルのワイヤレス電力伝送を受信するように構成された電気車両誘導コイルと、
    前記ワイヤレス電力伝送において伝送信号を検出するように構成された検出器であって、前記伝送信号は、第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む、検出器と、
    前記検出された伝送信号に基づいて基地システム誘導コイル信号の位相を判定するように構成された電気車両コントローラと
    を備えるワイヤレス電力受信機。
  14. 前記電気車両コントローラは、前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、電気車両誘導コイル電流信号位相を前記基地システム誘導コイル電流信号の前記判定された位相と比較することによって判定するように構成される、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  15. 前記電気車両コントローラは、前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、電気車両誘導コイル電圧信号位相を前記基地システム誘導コイル電流信号の前記判定された位相と比較することによって判定するように構成される、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  16. 前記電気車両コントローラは、前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、電気車両誘導コイル電圧信号位相を前記基地システム誘導コイル電圧信号の前記判定された位相と比較することによって判定するように構成される、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  17. 前記電気車両コントローラは、前記伝送信号を送信する基地システム誘導コイルに対する前記電気車両誘導コイルの位置を、電気車両誘導コイル電流信号位相を前記基地システム誘導コイル電圧信号の前記判定された位相と比較することによって判定するように構成される、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  18. 第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動は、前記伝送信号の動作周波数に適用された段階的変化を示す、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  19. 前記伝送信号の動作周波数に適用された前記段階的変化は、基地システム誘導コイル信号の動作周波数に適用された段階的変化を示す、請求項18に記載のワイヤレス電力受信機。
  20. 前記電気車両コントローラは、第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動のタイミングから基地システム誘導コイル信号の位相を判定するように構成される、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  21. 前記第2の周波数は前記第1の周波数よりも高い、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  22. 前記第2の周波数は前記第1の周波数よりも低い、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  23. 前記ワイヤレス電力伝送は、電気車両を充電するのに十分なレベルである、請求項13に記載のワイヤレス電力受信機。
  24. ワイヤレス電力を送信する方法であって、
    基地システム誘導コイル信号を生成するステップと、
    前記基地システム誘導コイル信号を伝送信号として基地システム誘導コイルを介して送信するステップであって、前記伝送信号は、ワイヤレス電力受信機へのワイヤレス電力伝送のために構成され、前記伝送信号は、前記基地システム誘導コイルの位相を示す第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む、ステップと
    を含む方法。
  25. 第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動は、前記基地システム誘導コイル信号の動作周波数に適用された段階的変化を介して生成される、請求項24に記載の方法。
  26. 前記基地システム誘導コイルに対する電気車両誘導コイルの位置は、前記基地システム誘導コイル信号の前記位相を前記ワイヤレス電力受信機の電気車両誘導コイルの位相と比較することによって判定可能である、請求項24に記載の方法。
  27. 基地システム誘導コイル信号を生成するように構成された基地システム送信回路と、
    前記基地システム誘導コイル信号を伝送信号として送信するように構成された基地システム誘導コイルであって、前記伝送信号は、ワイヤレス電力受信機へのワイヤレス電力伝送のために構成され、前記伝送信号は、前記基地システム誘導コイルの位相を示す第1の周波数と第2の周波数との間の周期的変動を含む、基地システム誘導コイルと
    を備えるワイヤレス電力送信機。
  28. 第1の周波数と第2の周波数との間の前記周期的変動は、前記基地システム誘導コイル信号の動作周波数に適用された段階的変化を介して生成される、請求項27に記載の送信機。
  29. 前記基地システム誘導コイルに対する電気車両誘導コイルの位置は、前記基地システム誘導コイル信号の前記位相を前記ワイヤレス電力受信機の電気車両誘導コイルの位相と比較することによって判定可能である、請求項27に記載の送信機。
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