JP2017519471A - 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 - Google Patents

Abstract

本発明は、消費機器へのエネルギーの非接触式伝送のための伝送システムであって、電気エネルギーの非接触式伝送のための伝送装置と、供給電力を提供するエネルギー源と伝送装置との間に配置され、エネルギー源からの電気エネルギーを伝送装置へと伝送するよう構成されたインバータ装置と、伝送装置と消費機器との間に配置され、電気エネルギーを伝送装置から消費機器へと伝送するよう構成された整流装置と、を備え、インバータ装置は、伝送される電力の量を、エネルギー源のパルスパターン変調によって調整するよう構成され、及び／又は、整流装置は、伝送される電力の量を、伝送装置により提供される電力のパルスパターン変調によって調整するよう構成される、上記伝送システムを開示する。さらに本発明は、方法及び車両構成を開示する。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギーの非接触式伝送のための伝送システムに関する。さらに、本発明は、対応する方法、及び、車両構成に関する。

今日では、電気的なエネルギー貯蔵器が複数の適用において使用されている。特に移動型の適応においては、例えばバッテリがエネルギー貯蔵器として使用される。

例えば、バッテリは、電気自動車又はハイブリッド自動車において、当該電気自動車又はハイブリッド自動車の電気的な駆動モータのためのエネルギーを供給するために、エネルギー貯蔵器として使用される。

車両内でバッテリをエネルギー貯蔵器として利用しうるために、さらに、バッテリを充電する設備が提供される必要がある。

今日では通常、例えば、公的な電気供給ネットワークへの直流電気的接続（ｇａｌｖａｎｉｓｃｈｅｒ Ａｎｓｃｈｌｕｓｓ）を介して、車両内の高電圧バッテリを充電する。このために、例えば家のガレージ内に充電アダプタを設置することが可能であり、この充電アダプタに、各車両をケーブルを介して接続することが可能である。代替的に、充電アダプタは車両側に存在し、従来の差込み口に接続することが可能である。

欧州特許第２６２３３６３号明細書は、エネルギー貯蔵器の従来の充電装置を示している。

さらに今日では、エネルギーが充電アダプタによって車両へとケーブルを使用せずに、２つのコイル間の誘導結合を介して伝送されるインダクティブ（ｉｎｄｕｋｔｉｖ）充電の構成が知られている。

電気自動車の所謂インダクティブ充電の場合、車両バッテリの充電のために必要なエネルギーは、車両への充電ケーブルを介しては伝送されず、変圧器を介して、大きな空隙がある状態で、非接触式に伝送される。その際に典型的に、変圧器の一次コイルは地中に埋め込まれ又は地上に載置された充電プレートとして形成され、適切な電子機器によって電気供給ネットワークと接続される。変圧器の二次コイルは、典型的に車両のアンダーボディ内に固定的に取り付けられ、適切な電子機器によって車両バッテリと接続されている。エネルギー伝送のために、一次コイルは、高周波数の交番磁界を生成し、この交番磁界は、二次コイルを貫通して、そこで対応する電流を誘導する。

一方では、伝送可能な電力は、スイッチング周波数によって線形的に大きさが変更され（ｓｋａｌｉｅｒｅｎ）、他方では、スイッチング周波数が、制御電子回路、伝送経路内での損失、及び、磁場に関する法定制限値によって制限されているため、１０〜１５０ｋＨｚの典型的な周波数範囲が生成される。

図１０には、従来のインダクティブ充電の構成が示されている。一次コイルを電気供給ネットワークと接続する電子回路の中心部分は、高いスイッチング周波数で駆動されるインバータである。電流の流れは、典型的に、一次コイル及び対応する補正キャパシタ（Ｋｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｋａｐａｚｉｔａｅｔ）により形成される発振回路の励起によって発生する。追加的な共振素子を備えた様々な共振構成が、ここでは原則的に可能である。

その際に、所謂ゼロ電圧スイッチングモード（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ）及び／又はゼロ電流スイッチングモード（ＺＣＳ：Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ）でインバータを駆動するために、共振負荷が利用される。この完全に共振的な駆動の際には、回路に利用される半導体素子内で、僅かなスイッチング損失しか発生しない。インバータ及び整流器を含めた２つの共振回路の組み合わせが、設定された電圧範囲での、対応する充電電力によるバッテリの充電のために設計されうる。

共振構成として、例えば、一次コイル側及び二次コイル側の直列発振回路による、所謂直列−直列−補正（Ｓｅｒｉｅｎ−Ｓｅｒｉｅｎ−Ｋｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）が利用され、従って、一次コイルの電流が、充電電流ではなくバッテリ電圧に依存するということが起こる。コイル内及びインバータ内での電力損失は、システムの総損失に対して著しく寄与するため、この構成では、部分負荷駆動時に、即ち充電電流が低減された状態において、伝送容量に関して著しく損失が増大し、従って、エネルギー伝送の全体の効率が著しく低下することは明らかである。この問題は、システムの（上記構造ではバッテリにより予め設定される）二次電圧を下げることによって解消することが可能である。周知のアプローチは、二次側で追加的なＤＣ／ＤＣ変換器又はインピーダンス変換器（アクティブ（ａｋｔｉｖ）又はパッシブ（ｐａｓｓｉｖ））を使用することである。しかしながら、二次側、即ち車両内のこのような変換器は、重量制限及び設置空間の制限、並びに、スイッチ素子内及び／又はパッシブな（ｐａｓｓｉｖ）構成要素内での損失のために不利である。

本発明は、請求項１の特徴を備えた伝送システム、請求項６に記載の特徴を備えた方法、及び、請求項１０の特徴を備えた車両構成を開示する。

従って、消費機器へのエネルギーの非接触式伝送のための伝送システムであって、電気エネルギーの非接触式伝送のための伝送装置と、供給電力を提供するエネルギー源と伝送装置との間に配置され、エネルギー源からの電気エネルギーを伝送装置へと伝送するよう構成されたインバータ装置と、伝送装置と消費機器との間に配置され、電気エネルギーを伝送装置から消費機器へと伝送するよう構成された整流装置と、を備え、インバータ装置は、伝送される電力を、当該インバータ装置の制御信号のパルスパターン変調によって調整するよう構成され、及び／又は、整流装置は、伝送される電力を、当該整流装置の適切なパルスパターン変調によって調整するよう構成される、上記伝送システムが構想される。

さらに、消費機器へのエネルギーの非接触式伝送のための方法であって、電気エネルギーの非接触式伝送のために構成された伝送装置への、エネルギー源の供給電力を周期的に切り替える工程と、伝送装置内で電気エネルギーを非接触式で伝送する工程と、消費機器への、伝送装置により提供された電力を周期的に切り替える工程と、を含み、その際に、上記周期的に切り替える工程の少なくとも１つの工程おいて、各電力がパルスパターン変調によって制御される、上記方法が構想される。

最後に、本発明に係る伝送システムと車両とを備える車両構成であって、整流装置は車両内に配置され、インバータ装置は車両の外に配置され、伝送装置は、少なくとも部分的に車両に配置され、かつ部分的に車両の外に配置される、上記車両構成が構想される。

本発明の根底には、追加的なインピーダンス変換器の使用は追加的なコストを意味し、全体の効率を下げるという認識がある。

本発明の根底には、上記認識を考慮に入れて、インピーダンス変換器、即ち従来技術によるＤＣ／ＤＣ変換器が、インバータ装置内及び／又は整流装置内での適切な切り替えストラテジーによって置換される伝送システムを構想するという考えがある。

従って本発明では、インバータ装置及び／又は整流装置が、設計に関わる全ての動作点において、さらに所望のＺＶＳ駆動モード及び／又はＺＣＳ駆動モード（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ又はＺＣＳ：Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ、ソフトスイッチング駆動（ｗｅｉｃｈｓｃｈａｌｔｅｎｄｅｒ Ｂｅｔｒｉｅｂ））を維持して、電力を制御することが可能な伝送システムが構想される。その際に、パルスパターン変調とは、正のパルス形状の信号及負のパルス形状の信号、即ち矩形波信号によって伝送装置が作動されるように、インバータ装置及び／又は整流装置が作動されることとして理解されたい。パルスパターン変調とは、上記パルス形状の信号の周波数、数、又は順序を制御することである。このことは、インバータ装置の場合は、伝送システムが単一周波数の矩形波信号の代わりに、半波又は全波が省略された（ａｕｓｌａｓｓｅｎ）基本周波数の矩形波信号によって作動されることを意味しうる。整流装置の場合は、伝送装置によって伝送された電流信号の全ての半波又は全波が整流されて消費機器に転送されるのではなく、整流器の入力口の制御された短絡を介して幾つかの半波又は全波が省略されて、伝送装置の二次的な発振回路内で再循環されることを意味する。

特に伝送性能が比較的高く伝送周波数が比較的高い際にも使用することが可能なソフトスイッチングのトポロジでは、半導体スイッチは、非常に小さい電流で、周期的な電流信号のゼロ交差の近傍で作動され、又は、非常に低い電圧で、並列のフライホイールダイオードが電流を案内する間に作動される。

電力変調の際に正弦半波が丸ごとマスクされる（ａｕｓｍａｓｋｉｅｒｅｎ）場合には、所謂ソフトスイッチングが、他の変調形態とは異なって、部分負荷時にも引き続き可能である。半波の省略によって、時間的手段内でより小さな電圧が伝送装置に印加され、その際に、例えばＤＣ／ＤＣ変換器によって電圧を制御する必要はない。

従って、本発明は、一方では、追加的なパッシブ素子及びアクティブ素子が必要ないためハードウェアコストが最小であり、他方では、出力が大きい際、全負荷駆動時、及び部分負荷駆動時にも最適な効率を実現するシステム構想を提示する。さらに、本トポロジ及び本切り替えストラテジーは周波数が高い際にも利用できるが、このことは、ソフトスイッチング駆動によって可能となることである。

有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項及び以下の明細書の記載から、図面を参照して明らかとなろう。

一実施形態において、パルスパターン変調の基本周波数又はパルスパターン変調の基本周波数の整数倍が、伝送装置の共振周波数に対応する。

一実施形態において、インバータ装置及び整流装置は、設計に関する全ての動作点において電力を制御するよう構成され、その際に、所望のＺＶＳ（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ、ゼロ電圧スイッチング）駆動モード、及び／又は、ＺＣＳ（ＺＣＳ：Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ、ゼロ電流スイッチング）駆動モードが維持される。
インバータ装置と整流装置の双方が電力制御に寄与するよう駆動される場合には、動作点は、両側での適切な制御ストラテジーによって最適に調整されうる。

更なる別の実施形態において、伝送システムは制御装置を備え、この制御装置は、インバータ装置及び整流装置と結合され、伝送システムの複数の動作点について、インバータ装置及び／又は整流装置のためにそれぞれ、所定長又は可変長の切り替えパターンを有し、切り替えパターンの各桁は、各電圧又は各電流の半波又は全波を標示し、制御装置は、切り替えパターンの１つに従って、インバータ装置及び／又は整流装置を制御するよう構成される。

更なる別の実施形態において、制御装置は、インバータ装置の切り替えと、整流装置の切り替えと、を同期させるよう構成される。インバータ装置の切り替え過程と、整流装置の切り替え過程と、が同期される場合には、切り替えストラテジーが最適化され、効率が改善され、これによりシステム内の無効電流が低減されうる。

一実施形態において、コイルの結合係数及びバッテリ電圧のような所与の境界条件と、所望の伝送容量と、に考慮して、構成要素への負荷、漂遊磁界、放熱、及び伝送損失に鑑みて最適な全体システムの動作点が達成されるように、車両内の整流装置と充電ステーション内のインバータとが自身による電力変調の各規模を調整するという駆動ストラテジーを、制御装置は実行する。

このために、制御装置は一実施形態において、一次側と二次側で同じパルスパターンを利用することが可能である。この駆動ストラテジーのためには、従来の一方的な制御と比較して、（例えば、結合インダクタンスＭを定めるための）追加的な測定技術は必要とならないであろう。唯一の前提は、一次側と二次側との間に通信が存在することである。いずれにせよ、制御量（例えば、バッテリ充電電流）を測定する必要がある。

第２の駆動ストラテジーは、一次側及び二次側での適切なパルスパターンによって、一次側の電流と二次側の電流との間の一定の電流比を調整することを目指す。上述の駆動ストラテジーと同じ効果が得られる。さらに、実際のバッテリ電圧が、二次側によってシステムから分離され、従って、一次側でも二次側でも、システムが最適された公称動作点と同じ電流が流れる。従って、インピーダンス整合が、アクティブな二次側によって、追加的なＤＣ／ＤＣ変換器を要することなく行われる。

第３のバッテリストラテジーは、適合的な動作点調整を構想する。要求された電力が所与の結合係数及び所与のバッテリ電圧において伝送されるという境界条件の下で、適合的に、最適な動作点が調整されうる。このことは、両側での制御により提供される追加的な自由度を介して可能となる。一実施形態において、例えば、実際の効率の測定、及び、有効な動作点の適合的調整が可能である。この過程は、制御技術的な観点から非常にゆっくり進行しうる。なぜならば、充電過程では動作点はゆっくりとしか変化しないからである。他の最適化変数も可能であり、例えば、空隙における磁場（Ｂ−Ｆｅｌｄ）が最小の充電過程が可能である。

最後に、全システムの動作範囲を拡大するためのアクティブな二次側を構想する第４の駆動ストラテジーが利用されうる。例えば劣悪な結合係数により、一次電流が設定された最大値を超えた場合に初めて、最大一次電流を超過せずにシステムを引き続き駆動出来るために、二次側がインピーダンス整合のためにアクティブに利用される。

更なる別の実施形態において、インバータ装置のパルスパターン変調と整流装置のパルスパターン変調との同期化が、１つ以上の電気的な変数、例えば電流の測定によって行われる。このように、インバータ装置と整流装置との同期化のために高速通信は必要ではなく、又は、当該同期化のために通信が全く必要ではない。

一実施形態において、制御装置は、伝送装置の両側での電流振幅及び損失が近似的に一定に調整され又は共振回路のオーム抵抗に対して調整されるように、インバータ装置及び整流装置を制御するよう構成される。

更なる別の実施形態において、インバータ装置内及び整流装置内での作動又は停止の期間は、
エネルギー伝送の際の相対損失が最小となるように選択される。

一実施形態において、制御装置は、インバータ装置上と、整流装置上と、に分散される。同期化のためのデータ伝送が、２つの構成要素の間で、例えば無線接続、有線接続等を介して行われうる。代替的に、インバータ装置と整流装置はそれぞれ、電流測定及び／又は電圧測定を用いて同期化を実行する制御装置を有する。

一実施形態において、インバータ装置はブリッジ回路を有する。その際に、ブリッジ回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジを有しうる。追加的又は代替的に、整流装置は、第２のスイッチ素子を各々が有する２つの負の整流ブランチであって、当該第２のスイッチ素子に対して第２のダイオードが逆並列に接続されている、上記２つの負の整流ブランチと、第３のダイオードを各々が有する２つの正の整流ブランチと、を有する。これにより、スイッチ素子が適切に作動された際には、伝送装置の入力側の発振回路及び伝送装置の出力側の発振回路を閉鎖して、更なる別の構成要素から分離することが可能となる。これにより、各発振回路へのエネルギー入力又は各発振回路からのエネルギー抽出が阻止され又は制御されうる。

代替的に、整流装置も、特に本発明に係るインバータ装置と同等のインバータ装置として構成されてもよい。これにより、双方向のエネルギー伝送が可能となる。

上記の構成及び発展形態は、有効である限り任意に互いに組み合わされる。本発明の更なる別の可能な構成、発展形態、及び実現は、以前又は以下に実施形態に関して記載した本発明特徴の明示的に挙げられない組み合わせも含む。その際に特に、当業者は、本発明の各基本形態への改良及び補足も個々の観点として追加するであろう。

本発明が、以下では、図面に示された実施例を用いて詳細に解説される。
本発明に係る伝送システムの一実施形態のブロック図を示す。 本発明に係る方法の一実施形態のフロー図を示す。 本発明に係る車両構成の一実施形態のブロック図を示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態の電気回路図を示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態における電圧及び電流を示すグラフを示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態における電圧及び電流を示す更なる別グラフを示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態における電圧及び電流を示す更なる別のグラフを示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態における電圧及び電流を示す更なる別のグラフを示す。 本発明に係る伝送システムの一実施形態における電圧及び電流を示す更なる別のグラフを示す。 従来の充電構成のブロック図を示す。

全ての図において、同一又は機能的に同一の構成要素及び装置には、特に明記しない限り、同一の符号が付される。

図１は、本発明に係る充電システム１の一実施形態のブロック図を示す。

図１の伝送システムはエネルギー源６を有し、このエネルギー源６はインバータ装置４と結合されている。インバータ装置４は伝送装置３と結合され、伝送装置３は整流装置５と結合され、整流装置５は消費機器２と結合されている。消費機器２は、一実施形態において例えばエネルギー貯蔵器として、即ち例えばバッテリ２として構成されうる。しかしながら、消費機器は、あらゆる形態の電気消費機器として構成されてもよい。

エネルギー源は供給電力７を提供し、インバータ装置４がこの供給電力７を伝送装置３のための供給電力７に変換する。伝送装置３のための供給電力７は、例えば交流電圧又は交流電流を有しうる。

伝送装置３は、電気エネルギー又は電力を非接触式で伝送することが可能であり、このことは、図１では例示的に、対向して配置された２つのコイルとして提示されている。伝送装置３がコイル３−１、３−２によって実現される場合、各コイルは追加的なコンデンサ（図示せず）を有し、この追加的なコンデンサが各コイル３−１、３−２と共に発振回路を形成する。

インバータ装置４内での電力制御のために、当該インバータ装置４内での半波又は全波の省略（Ａｕｓｌａｓｓｕｎｇ）が利用される。これにより、一次側の発振回路の効果的により低い励起振幅が生成される。発振休止中に、インバータ装置４は、発振回路の更なる発振を可能とするフライホイール状態（Ｆｒｅｉｌａｕｆｚｕｓｔａｎｄ）が得られるように調整される。このことは、図５との関連で詳細に解説される。

整流装置５による電力制御は、本発明に基づいて、整流装置５内での切り替え可能なフライホイール状態の導入によって実現される。ここでも、１つ以上の半波又は全波が省略され又はマスクされることが構想される。これにより、本発明に係る切り替えストラテジーは、ここでも、電流信号の少なくとも１つの半波を介して二次側の発振回路を短絡させるためのフライホイール状態を活性化させることを構想する。これにより、二次側の発振回路の短絡の間は、バッテリに電流が流れない。結果的に、整流装置の前の回路が、効果的により低いバッテリ電圧を「検知」し、このことによって、エネルギー源側のコイル内での電流の流れが明らかに小さくなって損失が低減される。

インバータ装置４内での電力のパルスパターン変調と整流装置５内での電力のパルスパターン変調とを組み合わせることによって、伝送システム１のための各任意の動作点が調整されうる。

本発明によって、伝送システム１内の構成要素を節約することが可能となるだけではない。むしろ、伝送システム１は、部分負荷駆動時にも効率良く駆動されうる。

図２は、本発明に係る方法の一実施形態のフロー図を示す。

本方法は切り替えパターン、第１の工程Ｓ１において、電気エネルギーの非接触式伝送のために構成された伝送装置３への、エネルギー源６の供給電力７を周期的に切り替えることを構想する。

第２の工程においては、電気エネルギーが非接触式で伝送され、例えば、伝送装置３の送信コイル又は一次コイル３−１から、伝送装置３の、車両内に取り付けられた受信コイル又は二次コイル３−２へと伝送される。

第３の工程Ｓ３において、消費機器２への、伝送装置３により提供された電力８が、周期的に切り替えられ又は転送される。

その際に、切り替え過程は、周期的に切り替える工程Ｓ１、Ｓ３の少なくとも１つの工程においてパルスパターンが変調される。代替的に、周期的に切り替える工程Ｓ１、Ｓ３の双方においてパルスパターン変調が実施されてもよい。

追加的に、一実施形態において、周期的に切り替える工程は同期が取られる。

最後に、一実施形態において、本伝送方法の複数の動作点について、所定長又は可変長の切り替えパターン１１が、周期的な切り替え過程のために予め設定されうる。

その際に、インバータ装置４内での切り替え過程及び整流装置５内での切り替え過程のためにそれぞれ、固有の切り替えパターンを予め設定することが可能である。

切り替えパターン１１の桁はそれぞれ、それに基づき切り替えられる各電圧又は各電流の半波又は全波を標示する。

この後に、充電時の所望の動作点を調整するために、切り替えパターン１１に基づいてインバータ装置４及び整流装置５内の電力が切り替えられる。

本発明に係る方法は、様々なストラテジーを実施することが可能である。一実施形態において、コイルの結合係数及びバッテリ電圧のような所与の境界条件と、所望の伝送容量と、に考慮して、構成要素への負荷、漂遊磁界、放熱及び伝送損失に鑑みて最適な全体システムの動作点が達成されるように、整流装置と充電ステーション内のインバータとが自身による電力変調の各規模を調整するという駆動ストラテジーが利用される。

このために、一実施形態において、一次側と二次側とで同一のパルスパターンを利用することが可能である。この駆動ストラテジーのためには、従来の一方的な制御と比較して、（例えば、結合インダクタンスＭを定めるための）追加的な測定技術は必要とならないであろう。唯一の前提は、一次側と二次側との間に通信が存在することである。いずれにせよ、制御量（例えば、バッテリ充電電流）を測定する必要がある。

第２の駆動ストラテジーは、一次側及び二次側での適切なパルスパターンによって、一次側の電流と二次側の電流との間の一定の電流比を調整することを目指す。上述の駆動ストラテジーと同じ効果が得られる。さらに、実際のバッテリ電圧が、二次側によってシステムから分離され、従って、一次側でも二次側でも、システムが最適された公称動作点と同じ電流が流れる。従って、インピーダンス整合が、アクティブな二次側によって、追加的なＤＣ／ＤＣ変換器を要することなく行われる。

第３のバッテリストラテジーは、適合的な動作点調整を構想する。要求された電力が所与の結合係数及び所与のバッテリ電圧において伝送されるという境界条件の下で、適合的に、最適な動作点が調整されうる。このことは、両側での制御が提供する追加的な自由度を介して可能となる。一実施形態において、例えば、実際の効率の測定、及び、有効な動作点の適合的調整が可能である。この過程は、制御技術的な観点から非常にゆっくり進行しうる。なぜならば、充電過程では動作点はゆっくりとしか変化しないからである。他の最適化変数も可能であり、例えば、空隙における磁場（Ｂ−Ｆｅｌｄ）が最小の充電過程が可能である。

最後に、全システムの動作範囲を拡大するためのアクティブな二次側を構想する第４の駆動ストラテジーが利用されうる。例えば劣悪な結合係数により、一次電流が設定された最大値を超えた場合に初めて、最大一次電流を超過せずにシステムを引き続き駆動出来るために、二次側がインピーダンス整合のためにアクティブに利用される。

図３は、本発明に係る車両構成２０の一実施形態のブロック図を示す。

車両構成２０において、車両２５が提示されており、その際に、車両２５内には、伝送装置３の受信コイル３−２、整流装置５、及び、エネルギー貯蔵器２として構成された消費機器２、即ち例えば車両バッテリ２が配置されている。

車両２５の外には、エネルギー源６、インバータ装置４、及び、伝送装置３の一次コイル３−１が配置されている。

最後に、インバータ装置４及び整流装置５と結合された制御装置１０が、当該インバータ装置４及び整流装置５を制御するために設けられている。

制御装置１０は、図２に係る方法を実行するよう構成されうる。その際に、制御装置１０は、１つの制御装置１０として構成されてもよい。代替的に、制御装置１０は、部分的にインバータ装置４内に配置され部分的に整流装置５内に配置される分散された制御システム１０として構成されてもよい。その際に、制御装置の上記構成要素は、同期化のためのデータを例えば無線で交換することが可能である。代替的に、制御装置１０の上記構成要素は、電流測定又は電圧測定に基づいて、同期化を実行してもよい。

図４は、本発明に係る伝送システム１の例示的な実施形態の電気回路図を示す。

図４の伝送システムは、供給電圧Ｕ_０を提供するエネルギー源６を有する。インバータ装置４は、４つのブランチを有し、その際に、２つのブランチが、エネルギー源６の正極と結合され、２つのブランチが、エネルギー源６の負極と結合されている。正極と結合された１つのブランチと、負極と結合された１つのブランチと、が各々、インダクタＬ１を有する伝送装置３の送信コイル３−１の第１の極と結合されている。残りのブランチは、伝送装置３の送信コイル３−１の第２の極と結合されている。各ブランチは、第１のスイッチ素子１５−１〜１５−４と、各第１のスイッチ素子１５−１〜１５−４と逆並列に接続された第１のダイオード１６−１〜１６−４と、を有する。インバータ装置４と送信コイル３−１との間にはさらにコンデンサＣ１が配置され、このコンデンサＣ１は、コイル３−１と共に発振回路を形成する。

伝送装置３の受信コイル３−２は、整流装置５と結合されている。整流装置５は２つのブランチを有し、この２つのブランチは各々、受信コイル３−２の極の一方とエネルギー貯蔵器２の負極とを結合する。各ブランチは、第２のダイオード１８−１、１８−２が各々逆並列に配置された第２のスイッチ素子１７−１〜１７−２を有する。整流装置５はさらに、受信コイル３−２の極の一方とエネルギー貯蔵器２の正極とを各々が結合する２つのブランチを有する。各ブランチは、第３のダイオード１９−１、１９−２を有する。整流装置５と受信コイル３−２との間には、さらにコンデンサＣ２が配置され、このコンデンサＣ２は、コイル３−２と共に発振回路を形成する。

図４では、エネルギー源は電圧Ｕ_０を提供する。送信コイル３−１の発振回路には電圧Ｕ_１が印加される。送信コイル３−１の発振回路内では電流Ｉ_１が流れる。受信コイル３−２の発振回路には電圧Ｕ_２が印加される。受信コイル３−２の発振回路内では電流Ｉ_２が流れる。エネルギー貯蔵器２は、電圧Ｕ_ｂａｔを有する。

誘導的な伝送システムの基本的な動作挙動は、矩形の電圧信号の高調波が無視される基本波解析によって決定される。基本波解析の後で、図４の例示的な実施形態における、共振周波数ω＝ω_０の際に伝送される電力が、以下の数式に従って計算される。

上記電力は、３つのファクタによって影響されうることが分かる。一方では、２次側の電圧Ｕ_２が変更されうる。更に、一次側の電圧Ｕ_１が変更されうる。最後に、一次コイル３−１と二次コイル３−２との間の結合係数ｋが変更され、これにより結合インダクタンスＭが変更されうる。その際に通常では、結合係数及びバッテリ電圧は、伝送システム内の状況によって、例えば車両によって予め設定され、又は明示的には調整されない。

第１のスイッチ素子１５−１〜１５−４及び第２のスイッチ素子１７−１〜１７−２の周期的な作動によって、電圧Ｕ_１及びＵ_２に対して目的に合わせて影響を与えることが可能である。これにより、伝送システム１における各任意の動作点を調整することが可能となる。

図４では、太線で描かれた接続線によって電流経路が示されており、この接続線によって、一次コイル３−１の発振回路と二次コイル３−２の発振回路の各々を閉鎖させること又はエネルギー源６又はエネルギー貯蔵器２から分離することが可能である。

一次コイル３−１の発振回路の経路は、一次コイル３−１の第１の極から、コンデンサＣ１を介してスイッチ素子１５−１へと、正の供給線を介してスイッチ素子１５−２へと通じ、さらに、このスイッチ素子１５−２から一次コイル３−１の第２の極へと通じている。一次コイル３−１の発振回路の供給電圧からの半波又は全波が、ソフトスイッチングにより消され又はマスクされる場合には、一次コイル３−１の発振回路の効果的により低い励起振幅が生成される。

二次コイル３−２の発振回路の経路は、二次コイル３−２の第１の極から、コンデンサＣ２を介してスイッチ素子１７−１へと、負の供給線を介してスイッチ素子１７−２へと通じ、さらに、このスイッチ素子１７−２から二次コイル３−２の第２の極へと通じている。ここでも、半波又は全波の数を調整することが構想される。これにより、本発明に係る切り替えストラテジーは、ここでも、電流信号の少なくとも１つの半波を介した二次側発振回路の短絡のためにフライホイール状態を活性化させることを構想する。これにより、二次側の発振回路の短絡の間、エネルギー貯蔵器に電流は流れない。結果的に、整流器の前の回路が、効果的により低い電圧Ｕ_２を「検知」し、このことによって、一次回路内での電流の流れが小さくなる。

図４では、エネルギー源６は、直流電圧エネルギー源６として提示されている。更なる別の実施形態において、エネルギー源６も、追加的に整流器等を備えた交流電圧エネルギー源として構成されてもよい。例えば、エネルギー源６は、公的なエネルギー供給者の電気供給ネットワークであってもよい。

図５〜９のグラフでは、図４の本発明に係る伝送システム１の一実施形態における電圧及び電流が示される。各グラフには、上下に示された６つの曲線が存在する。第１の曲線は、伝送システム１の出力電力の推移を示す。第２の曲線は、図４の電圧Ｕ_１を示す。第３の曲線は、一次コイル３−１内の電流を示し、第４の曲線は、二次コイル３−２内の電流を示す。第５の曲線は、整流装置５の切り替え設定を示す。最後に、第６の曲線は、エネルギー貯蔵器２での充電電流の推移を示す。

図５では、第１の曲線と第２の曲線との間にさらに、いつインバータ装置がその関数を実行してエネルギー源６の電圧を反転させるか否かを示す切り替えパターン１１が提示されている。その際に、切り替えパターン１１は、第２の曲線の反転された電圧の半波ごとに１つの値を有する。図５の切り替えパターン１１は８桁であり、３回繰り返される。この切り替えパターン１１は、「１１００００００」である。即ち、電圧Ｕ_１の１全波又は１周期が伝送装置３へと伝送されて他の３周期は省略される。これは、１／４のデューティサイクルに相当する。

第３の曲線では、一次コイル３−１内の電流が、各伝送された全波によって過渡応答を実行し、この過渡応答が第４周期までにほぼ消えていることが分かる。その後で、電圧Ｕ_１の全波又は１周期が改めて伝送装置３に伝送されて、過渡応答が新たに始まる。その際に、電流の振幅は、本例では最大値が約１００Ａである。

一次コイル３−１側では、上記周期の省略によって電力制御が可能となる。その際に、平均して一次コイル３−１に供給される電流が制御される。

第４の曲線では、二次コイル３−２内の電流が、第２の曲線における電流の推移に従っていることが分かる。但し、その最大振幅は少し低く約５０Ａである。二次コイル内の電流の振幅は、２つのコイル３−１、３−２の間の結合係数によって決定される。

第５の曲線では、図５の構成の二次側において上記省略又はブランキングが行われなかったことが分かる。このことは第６の曲線でも明らかであり、第６の曲線では、どの電流がエネルギー貯蔵器２に供給されるのかが分かる。この電流は、第４の曲線の整流された電流に厳密に対応している。

図６では、第１の曲線及び第２の曲線の推移が、図５の第１の曲線及び第２の曲線の推移に類似しているが、第１の曲線は、６．３８ｋＷの平均出力を示し、第２の曲線の切り替えパターンは、「１１００００」である。整流装置は、その時間の約３０％がフライホイール状態に切り替えられた。図６のインバータ装置は、上述の例とほぼ同じ総電力に達するために、図５の１／４の全波の代わりに、ここの図６では１／３の全波を伝送装置２に伝送する。

第３の曲線における電流の推移は、推移については図５の電流と同じであるが、その最大振幅は約７５Ａである。第４の曲線における電流の推移も、第３の曲線の電流の推移に改めて従っている。

第５の曲線では、およそ電圧Ｕ_１の１周期の中央までの電圧Ｕ_１の周期の時間に渡って、二次側ではブランキングが行われることが分かる。即ち、二次側の発振回路は閉鎖され、エネルギーは取得されない。このことは、二次発振回路内の電流の振幅が、図５の二次発振回路の電流の振幅ほど低下していないことから分かる。二次発振回路のための対応する切り替えパターン１１は、「００１」である。

第６の曲線は、ブランキングの間、エネルギー貯蔵器２への電力の伝送が行われないことを示している。

図６の切り替えパターン１１によって、二次コイル３−１内の電流はほぼ同じ状態のまま保たれているが、一次コイル電流は２０％ほど削減された。このことは、３５％分の一次コイルの損失の低減に相当する。

図７では、電圧Ｕ１の各全波が伝送される切り替えパターン１１を示している。この切り替えパターンは、例えば「１１」で、常時繰り返すことが可能であろう。図７の第５の曲線ではさらに、二次側でブランキングが行われないことが分かる。図７は、最大結合及び最大充電電力の際の伝送システム１の挙動を示している。

一次側ではブランキングが行われないため、一次コイル３−１の電流は、正弦波形状の周期的な推移を描く。最大結合に基づいて、二次コイル３−２内の電流も同様に、正弦波形状の周期的な推移を描く。双方の電流は、約１００Ａの振幅を有する。第６の曲線は、エネルギー貯蔵器２への、第４の曲線の整流された電流の連続的伝送を示している。

図８は、伝送システム１が図７とほぼ同じ電力を伝送することが可能な切り替えストラテジーを示している。但しその際に結合係数は、図７の最大結合係数の約５０％である。

結合係数が半分の場合、完全な出力を実現するためには、反転された電圧Ｕ_１の電圧振幅を半分にして、一次コイル３−１内の電流を２倍にする必要がある。このために、インバータ内では１全波おきに省略される。対応する切り替えパターン１１は、例えば「００１１」であってもよい。

対応して、第２の曲線は、電圧Ｕ_１が１全波おきに伝送装置２に伝送されることを示している。このことによって、一次コイル３−１内の電流が二倍になって約２００Ａとなる。しかしながら、二次コイル３−２内の電流の振幅は、図７のように１００Ａのままである。従って、二次側では、図７とほぼ同じ電力が達成される。

図９は、図８の切り替えストラテジーへの代替的な切り替えストラテジーを示しており、この代替的なストラテジーによって、同じ境界条件の下で近似的に同じ電力が伝送されうる。

図８の切り替えストラテジーに従った場合と近似的に同じ充電電力を、インバータ装置がフライホイール（Ｆｒｅｉｌａｕｆ）無しで運用されることによっても実現することが可能であるが、このために、整流装置５内では、時間の５０％においてブランキングが行われる。これに対応して、最大結合の際に達成される値への一次コイル電流の削減が起こり、その一方で、二次コイル電流は２倍の値に増大する。なぜならば、この二次コイル電流は、時間の半分の間のみバッテリにとっては有効だからである。

これに応じて図９の切り替えストラテジーは、ブランキングが行われないこと、即ち切り替えパターン１１が例えば「１１」であることを示している。これに対して、二次コイル３−２のための切り替えパターン１１は、１全波おきにブランキングされるように印加される。切り替えパターン１１は、例えば「００１１」でありうる。

二次コイル３−２内の電流が１全波おきにエネルギー貯蔵器２へと伝送されることが分かる。

図５〜図９では、所定の動作点のための切り替えストラテジーが示された。更なる別の実施形態において、更なる別の切り替えストラテジーが、例えば、上記の切り替えストラテジーの組み合わせで構成されてもよい。例えば、電圧Ｕ_１の半波又は全波のブランキング、及び、二次コイル３−２内の電流の半波又は全波のブランキング又は省略が、任意に互いに組み合わされてもよい。

上述の実施形態において、一次側のための切り替えパターン１１では、「１」は、電圧Ｕ_１の半波が伝送装置へと伝送されることを意味する。二次側にとっては、切り替えパタ−ン１１における「１」は、対応する半波がエネルギー貯蔵器２に伝送されないことを意味する。更なる別の実施形態において、このロジックは、異なる形式で実行されてもよい。例えば、ハイ−アクティブ（Ｈｉｇｈ−ａｋｔｉｖ）なロジック又はロー−アクティブ（Ｌｏｗ−ａｋｔｉｖ）なロジックが選択されてもよい。更に、切り替えパターンの長さは変更されてもよい。一実施形態において、切り替えパターンは１００桁である。これによって、電力が非常に簡単にパーセント単位で制御され、その際に、各桁が１パーセントを表す。切り替えパターン１１の他の数の桁も同様に可能である。さらに、上述の実施形態では常に、全波全体（「１１」又は「００」）が切り替えられ又はマスクされる。同様に本発明に係る一実施形態では、孤立した半波、例えば「１００１００１１００」の切り替え又はマスキングを構想する。

以上、本発明を好適な実施例を用いて記載してきたが、本発明は当該好適な実施例に限定されず、多様なやり方で変更可能である。特に、本発明は、本発明の本質から逸脱することなく、多様なやり方で変更又は修正される。

従って、消費機器へのエネルギーの非接触式伝送のための伝送システムであって、電気エネルギーの非接触式伝送のための伝送装置と、供給電力を提供するエネルギー源と伝送装置との間に配置され、エネルギー源からの電気エネルギーを伝送装置へと伝送するよう構成されたインバータ装置と、伝送装置と消費機器との間に配置され、電気エネルギーを伝送装置から消費機器へと伝送するよう構成された整流装置と、を備え、インバータ装置は、伝送される電力を、当該インバータ装置の制御信号のパルスパターン変調によって調整するよう構成され、及び／又は、整流装置は、伝送される電力を、当該整流装置の制御信号の適切なパルスパターン変調によって調整するよう構成される、上記伝送システムが構想される。

第５の曲線では、図４の構成の二次側において上記省略又はブランキングが行われなかったことが分かる。このことは第６の曲線でも明らかであり、第６の曲線では、どの電流がエネルギー貯蔵器２に供給されるのかが分かる。この電流は、第４の曲線の整流された電流に厳密に対応している。

図６では、第１の曲線及び第２の曲線の推移が、図５の第１の曲線及び第２の曲線の推移に類似しているが、第１の曲線は、６．３８ｋＷの平均出力を示し、第２の曲線の切り替えパターンは、「１１００００」である。整流装置は、その時間の約３０％がフライホイール状態に切り替えられた。図６のインバータ装置は、上述の例とほぼ同じ総電力に達するために、図５の１／４の全波の代わりに、ここの図６では１／３の全波を伝送装置３に伝送する。

図６の切り替えパターン１１によって、二次コイル３−２内の電流はほぼ同じ状態のまま保たれているが、一次コイル電流は２０％ほど削減された。このことは、３５％分の一次コイルの損失の低減に相当する。

Claims (11)

1. 消費機器（２）へのエネルギーの非接触式伝送のための伝送システム（１）であって、
   電気エネルギーの非接触式伝送のための伝送装置（３）と、
   供給電力（７）を提供するエネルギー源（６）と前記伝送装置（３）との間に配置され、前記エネルギー源（６）からの電気エネルギーを前記伝送装置（３）へと伝送するよう構成されたインバータ装置（４）と、
   前記伝送装置（３）と前記消費機器（２）との間に配置され、前記電気エネルギー（８）を前記伝送装置（３）から前記消費機器（２）へと伝送するよう構成された整流装置（５）と、
   を備え、
   前記インバータ装置（４）は、伝送される電力の量を、当該インバータ装置（４）の前記制御信号のパルスパターン変調によって調整するよう構成され、及び／又は、前記整流装置（５）は、伝送される電力を、当該整流装置（５）の前記制御信号の適切なパルスパターン変調によって調整するよう構成される、伝送システム（１）。
2. 前記パルスパターン変調の基本周波数又は前記パルスパターン変調の前記基本周波数の整数倍が、伝送装置の共振周波数に対応することを特徴とする、請求項１に記載の伝送装置。
3. 前記インバータ装置（４）及び／又は前記整流装置（５）の前記パルスパターン変調は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）駆動モード又はゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ：Ｚｅｒｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）駆動モードを利用して、切り替え過程を実行するよう構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の伝送システム。
4. 前記伝送システムは、制御装置（１０）を備え、前記制御装置（１０）は、前記インバータ装置（４）及び前記整流装置（５）と結合され、前記伝送システム（１）の複数の動作点について、前記インバータ装置（４）及び／又は前記整流装置（５）のためにそれぞれ、所定長又は可変長の切り替えパターン（１１）を有し、前記切り替えパターン（１１）の各桁は、各電圧又は各電流の半波又は全波を標示し、
   前記制御装置（１０）は、前記切り替えパターン（１１）の１つに従って、前記インバータ装置（４）及び／又は前記整流装置（５）を制御するよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の伝送システム。
5. 前記制御装置（１０）は、前記インバータ装置（４）の切り替えと、前記整流装置（５）の切り替えと、を同期させるよう構成されることを特徴とする、請求項４に記載の伝送システム。
6. 前記インバータ装置（４）は、ブリッジ回路を有し、及び／又は、
   前記整流装置（５）は、第２のスイッチ素子（１７−１〜１７〜２）を各々が有する２つの負の整流ブランチ（１４−１〜１４−２）であって、前記第２のスイッチ素子に対して第２のダイオード（１８−１〜１８−２）が逆並列に接続されている、前記２つの負の整流ブランチ（１４−１〜１４−２）と、第３のダイオード（１９−１〜１９−２）を各々が有する２つの正の整流ブランチ（１４−３〜１４−４）と、を有し、又は、前記整流装置（５）は、特にインバータ装置（４）と同等のインバータ装置として構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の伝送システム。
7. 消費機器（２）へのエネルギーの非接触式伝送方法であって、
   電気エネルギーの非接触式伝送のために構成された伝送装置（３）への、エネルギー源（６）の供給電力（７）を周期的に切り替える工程（Ｓ１）と、
   前記伝送装置（３）内で前記電気エネルギーを非接触で伝送する工程（Ｓ２）と、
   前記消費機器（２）への、前記伝送装置（３）により提供された電力（８）を周期的に切り替える工程（Ｓ３）と、を含み、
   前記周期的に切り替える工程（Ｓ１、Ｓ３）の少なくとも１つの工程において、各電力がパルスパターン変調によって制御される、方法。
8. 前記周期的に切り替える工程の双方において、前記電力がパルスパターン変調によって制御される、請求項７に記載の方法。
9. 前記周期的に切り替える工程、又は、前記切り替えパターンは同期が取られる、請求項７又は８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記方法の複数の動作点について、所定長又は可変長の切り替えパターン（１１）が、前記エネルギー源（６）の供給電力（７）の前記周期的な切り替え、及び／又は、前記伝送装置（３）により提供された前記電力（８）の周期的な切り替えのために予め設定され、前記切り替えパターン（１１）の各桁は、各前記電力の各電圧又は各電流の半波又は全波を標示し、
    前記切り替えパターン（１１）の１つに従って、前記エネルギー源（６）の前記供給電力（７）が周期的に切り替えられ、及び／又は、前記伝送装置（３）により提供された前記電力（８）が周期的に切り替えられる、請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の伝送システム（１）と、
    車両（２５）と、
    を備える車両構成（２０）であって、
    前記整流装置（５）は、前記車両（２５）内に配置され、
    前記インバータ装置（４）は、前記車両（２５）の外に配置され、
    前記伝送装置（３）は、少なくとも部分的に前記車両（２５）内に配置され、かつ部分的に前記車両（２５）の外に配置される、車両構成（２０）。