JP2017529036A - 電動車両に好適な誘導電力システム - Google Patents

Abstract

２０ ３０１１９８６５８＿１．ＤＯＣ：ＷＥＪ：ｗｅｊ 要約磁束結合装置（１０９）を付勢するための回路は、誘導的に電力を受電するためのピックアップコイル（１０３）と、前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵するためのストレージキャパシタ（１２４）と、ストレージキャパシタからの電気エネルギーを磁束結合装置に供給するためのインバータ（１２５）と、を有する。回路は、磁束結合装置によって供給される負荷に対する電力伝達が、ピックアップから受電した電力を超過することを可能にする。【選択図】図３

Description

本発明は、誘導電力伝達のためのシステムに関する。本発明は、車両が上を走行する道路から電動車両に電力を供給することに特に応用される。本発明は、他の無線電力用途にも応用可能である。

純粋な電動車両（ＥＶ）すなわち電気エネルギーのみに依存する電動車両に関連する航続距離の不安を克服するため、道路に沿って移動する車両等の移動体に誘導的に電力を提供するという問題が長年議論されてきた。車両が走行している間持続的に、または少なくとも十分に頻繁に電力を提供する能力は、多くの恩恵を有する。これらには、車載用エネルギー貯蔵及び車両重量の最小化、ならびに利用可能な動力源が分散している場合に必要になり、ＥＶの電力供給が低い場合にのみ使用される長い充電時間の解消が含まれる。

道路から誘導的に電動車両を充電する、または電動車両に電力を供給することは、紙の刊行物において以前提案されている。道路給電式電動車両（ＲＰＥＶ）システムを提供するために提案されたソリューションは、充電を必要とする車両が付近にあると判定されたときに付勢され得る埋め込み誘導ループが道路の小部分に含まれるような手段について論じている。これは、幹線道路の大部分に電力を供給する必要性をなくし、システムの効率性を増大させる。全てのケースにおいて、いくつかの誘導ループが幹線道路に沿って離間されるが、それらは、電源に直接接続される。

例えば、Ｂｏｌｇｅｒに付与された米国特許第４３３１２２５号及び同第４８３６３４４号は、車両が誘導幹線道路に沿って走行する間に電気化学的電池が充電され得る手段を記載している。米国特許第４８３６３４４号では、制御可能なリレーを使用して、長さ約３ｍの幹線道路伝送モジュールの区間をスイッチオンオフし、車両が道路面に沿って移動するのにつれて車両に電力を供給する。誘導道路モジュールは、細長く、長手方向が道路の方向に配向され、道路の中央に沿って端から端まで置かれる。車両に対する電源制御は、単純に、必要に応じて道路の電力供給モジュールを一時的にスイッチオンオフすることによって行われる。同じ著者による米国特許第４３３１２２５号は、車両側ピックアップレシーバと道路側誘導トラックとの間の空隙が動作中にできるだけ小さくなるように所望の車両側レシーバを下げる一方、キャパシタ切り替え手段も用いてピックアップの同調を修正して電力供給中のいかなる磁気抵抗変動も補償する（かつ、それによって、補償される受電コイルの出力電圧を調整する）ための手段を記載している。

移動する車両によってシステムに課される負荷は、車両のサイズ、その充電状態、道路を使用している車両の量、それらの走行している速度、及び車両間の離隔距離等の要因に応じて大いに変動し得る。例えば、ある道路は、軽車両に対して平均して比較的低い電力レベルを供給するだけでよいが、時折高速で移動する大型貨物自動車に適応する必要があるであろう。貨物自動車は、大量の磁束を非常に迅速に生成するためのモジュールを必要とし得、ゆえにシステム全体は、比較的稀であるにもかかわらず、このピーク負荷に対処するように設計されなければならない。これらのピーク負荷に対処するための電源等のインフラストラクチャのコストは、システムコストを大いに増加させる。

目的
本発明の目的は、誘導電力伝達のための改善された電力供給回路、装置、もしくは方法、または道路給電式電動車両システムもしくはそのようなシステムと共に使用するための車両もしくは道路を提供することである。あるいは、目的は、従前の提案に対して有用な代替物を提供することである。

一態様では、開示される主題は、磁束結合装置を付勢するための回路であって、
誘導的に電力を受電するためのピックアップコイルと、
前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵するためのストレージキャパシタと、
ストレージキャパシタからの電気エネルギーを磁束結合装置に供給するためのインバータと、を備え、
磁束結合装置によって供給される負荷に対する電力伝達が、前記受電した電力を超過し得る、回路、を提供する。

ストレージキャパシタは、複数のキャパシタを備え得る。各インバータが１つまたは２つ以上の磁束結合装置に供給する複数のインバータが設けられてもよい。

一実施形態では、磁束結合装置に提供される電力を調整するために電源レギュレータが設けられる。電源レギュレータは、ストレージキャパシタとインバータとの間に、またはピックアップコイルとストレージキャパシタとの間に設けられ得る。

別の態様では、開示される主題は、
誘導的に電力を受電することと、
前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵手段内に貯蔵することと、
貯蔵手段からの電気エネルギーを磁束結合装置に供給し、負荷に対して電力を誘導的に提供することと、を含む、誘導電力伝達の方法、を提供する。

別の態様では、本開示は、磁束結合装置を付勢するための回路であって、
誘導的に電力を受電するための手段と、
前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵するための貯蔵手段と、
貯蔵手段からの電気エネルギーを磁束結合装置に供給するための供給手段と、を備える、回路、を提供する。

好ましくは、貯蔵手段から磁束結合装置に供給されるエネルギーは、前記受電した電力から独立して供給される。

好ましくは、供給手段は、磁束結合装置に供給される電力のレベルを、当該装置によって供給されるピックアップの所要電力または電力制限に応じて調整するための手段を含む。レベルまたは電力を調整するための手段は、貯蔵手段の上流または下流に設けられ得る。一実施形態では、電力のレベルは、降圧、昇圧、または昇降圧コンバータを使用して調整される。

一実施形態では、貯蔵手段によって複数の磁束結合装置が供給される。

別の態様では、本発明は、複数の磁束結合デバイスから移動可能なピックアップに電力を供給するためのシステムであって、
すぐ前の文による複数の回路と、
ピックアップによって必要とされる電力に応じて、磁束結合デバイスのうちの１つまたは２つ以上に選択的に電力を供給するための制御手段と、を備えている、システム、を広く提供する。

一実施形態では、前記受電した電力は、車両走行面に関連付けられた一次導電経路から受電される。

先行する文のうちの１つの回路は、道路内または道路上に設けられ、一次導電経路に誘導的に結合される複数の電力伝送モジュールのうちの１つまたは２つ以上に関連付けられ得、当該電力伝送モジュールまたは各電力伝送モジュールは、少なくとも１つの電動車両に誘導的に電力を供給することができる（当該車両がその電力伝送モジュールの領域内の車両走行面上にあるとき）。

車両走行面は、道路を含み得る。

一実施形態では、一次導電経路は、第１の周波数で付勢され、電力伝送モジュールは、第２の周波数で付勢される。第２の周波数は、第１の周波数よりも高くてもよい。

車両が電力伝送モジュールから電力を受電するために十分に電力伝送モジュールの近くにあるとき、各モジュールが当該車両に対して誘導電力を提供することを選択的に可能にするために、各電力伝送モジュールについてコントローラが設けられてもよい。一実施形態では、コントローラは、車両から利用可能な電力の量を制御する。

利用可能な電力は、電力が供給されている車両の電力需要カテゴリもしくは電力が供給されている車両の種類に基づいて、または当該車両を支持している、かつ／もしくは使用中に車両が走行し得る車両面のある区間上の車両数に応じて、決定され得る。

車両への誘導電力伝達のための磁界を提供するために、１つまたは２つ以上のコイルが各電力伝送モジュール内に設けられることが好ましい。

一実施形態では、電力伝送モジュールは、各モジュールに隣接する一次導電経路の部分のリアクタンスが実質的に補償されるように、同調される。

一次導電経路は、車両面内に埋設されていても、または車両面に隣接していてもよい。

別の態様では、本開示は、電動車両の誘導電力システムのための道路ユニットであって、上面と、使用中に上面の上方に延在する磁界を提供するように構成された上面の下方にある少なくとも１つの導電性材料のコイルと、すぐ前の文による回路から電力を受電してコイルを付勢するための接続手段と、を備える、道路ユニット、を提供する。

貯蔵手段は、再生可能な資源からのエネルギーを貯蔵し得る。

貯蔵手段は、１つまたは２つ以上のキャパシタまたはスーパーキャパシタを備え得る。

システムは、双方向性であってもよく、エネルギー貯蔵手段を使用してピックアップデバイスから受電したエネルギーを貯蔵してもよい。

別の態様では、本開示は、
複数の誘導電力伝送モジュールを有する道路を備え、各モジュールが先行する文のうちのいずれか１つによる回路を含むか、またはそれと関連付けられている、道路給電式電動車両システム、を提供する。

別の態様では、本開示は、
誘導的に電力を受電することと、
前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵手段内に貯蔵することと、
貯蔵手段からの電気エネルギーを磁束結合装置に供給することと、を含む、誘導電力伝達の方法を提供する。

好ましくは、貯蔵手段から磁束結合装置に供給されるエネルギーは、前記受電した電力から独立して供給される。

好ましくは、供給手段は、磁束結合装置に供給される電力のレベルを、当該装置によって供給されるピックアップの所要電力または電力制限に応じて調整するための手段を含む。

別の態様では、本発明は、複数の磁束結合デバイスから移動可能なピックアップへの電力供給方法であって、
誘導的に電力を受電することと、
各貯蔵要素が磁束結合デバイスに関連付けられている、複数の貯蔵要素内に前記受電した電力を貯蔵することと、
磁束結合デバイスの上方を、かつ／または磁束結合デバイスの間をピックアップが移動するにつれて、貯蔵要素からの電力を磁束結合デバイスのうちの１つまたは２つ以上に選択的に供給することと、を含む、電力供給方法、を広く提供する。

好ましくは、電力は、ピックアップによって必要とされる電力に応じて供給される。

本発明の更なる態様は、以下の説明から明らかになるであろう。

本発明の実施形態の実施例を添付図面を参照しながら以下で説明する。

本発明の一実施形態による道路給電式電動車両システムの概略図である。 本発明の一実施形態によるいくつかの誘導電力伝送モジュールを含む道路の概略図である。 本発明の一実施形態による回路トポロジーの回路図である。 本発明の別の実施形態による回路トポロジーの回路図である。 本発明の一実施形態による電力調整を実装するための回路図である。 本発明の別の実施形態による電力調整を実装するための回路図である。 本発明の別の実施形態による回路トポロジーの回路図である。

以下の説明は主として道路及び電動車両の用途に言及しているものの、本発明が関係する技術分野の当業者は、本主題がＩＰＴシステム全般にも応用され、例えばマテリアルハンドリング等の用途において使用され得ることを理解するであろう。本発明を実装するための更なる情報は、国際特許公開第２０１１／０１６７３６号に見出され得、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態（例として図１Ａ及び１Ｂに示される）では、一連の電源１０１が２つずつのグループとして道路１００の隣に設けられ、約２００メートル離間される。各電源１０１は、５０／６０Ｈｚ、線間電圧４００／４８０Ｖの三相ユーティリティ供給に接続され、道路の１００メートル区間にフィードする。本文書では主に道路という用語を使用して道に言及しているものの、それは、車両または類似の移動体（例えば、ガレージ床部、駐車場、バス停留所等を含む）を運び、または支持する面を全般的に含むことを意図する。

図１Ａ及び１Ｂに示される実施形態では、各電源１０１は、定格１００ｋＷであるが、実際は、切れ目のない細長一次導電ループ１０２において２０ｋＨｚの周波数で定格１２５Ａの電流を駆動する単相出力を生成する。この電流は、用途に応じて約１００Ａ〜２５０Ａで変動し得る。図１Ａ及び１Ｂに示されるように、各ループ１０２は、長さ約１００ｍであり、そのため道路の１つの１００ｍ区間に沿って延在する。

各電源１０１は、本明細書において電力伝送パッドまたはモジュール１１１と呼ぶ一連の磁束結合デバイスを駆動する。モジュール１１１は、道路内または道路上に設けられ、誘導的に、すなわち無線的に、ループ１０２に結合される。以下で説明する電力伝達モジュールは、誘導電力伝達の目的のために磁束の生成または鎖交が達成されることを可能にし、電動車両用途にとって特に利点を有する。説明するモジュールは、一般に（必ずしもそうではないが）、離散的ユニットの形態で提供され、必要であれば可搬型であってもよく、典型的に電動車両充電等の用途において使用され得るように第３の次元と比較すると２つの次元においてより大きな延長を有し、１つのパッドが地面の上または地面の中に設けられ、別のパッドが車両内に設けられる。モジュールは各々、１つまたは２つ以上の巻線を含み得る。パッドまたはモジュールのためのこれらのために使用され得るいくつかの巻線配置が、国際特許公開第２００８／１４０３３３号、同第２０１０／０９０５３９号、同第２０１１／０１６７３７号に記載されており、それらの内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

誘導結合は、電源１０１からの１２５Ａフィードのための２線式伝送システムを使用して達成され（図１Ａ、１Ｂの両方に示されるように）、電力モジュールが必要とされる場所にはどこでもピックアップコイル１０３が置かれる。ピックアップ装置１０３は、様々な形態をとり得る。説明する実施形態では、ピックアップ１０３の形態は、国際特許公開第２００６／１１８４７４号に記載されているもの等の形態であり、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。この形態のピックアップは、非対称的なコア磁気構造を有し、便宜上本文書においてＳ字ピックアップと呼ぶ。しかしながら、他の形態の誘導電力ピックアップが使用されてもよい。例えば、対称的な「Ｅ」形状のコアもしくは「Ｈ」コア、または他の既知の形状もしくは配置を有するピックアップが使用され得る。

一実施形態（図１Ｂに示されるもの等の）では、電力伝送モジュールは、長さ約０．５ｍであるが、２ｍに達し、幅約７５０ｍｍ、及び厚さ４０〜１５０ｍｍであってもよい。モジュールは、磁束が車両面に対して長手方向または横方向に整列したパターンを描いて進むように、使用中に配置されてもよい。各伝送モジュールは、それが道路上に位置決めされ、その電源から駆動されるとき、道路下方の配線、管、ケーブル等の内部に電圧または電流が誘導されないように、磁界が主として道路面の上方にあり、最小限の磁界がモジュール下部にあるような磁界を生成し得るように、銅線のコイル及びいくつかのフェライト片を封入している。そのため、１２５Ａのフィーダー及び電力伝送モジュールは、全く相互に干渉しない。モジュールによって提供される磁界は、道路を横切って、すなわち一方の側から他方の側へ延在し得る。別の、それほど好ましくない実施形態では、伝送モジュールによって提供される磁界は、長手方向が道路に沿って延在し得る。電力伝送モジュールは、例えばコンクリート等の好適な材料内に収容されることによって、道路ユニット内に設けられ得る。一実施形態では、道路ユニットは、２つの開口を含み、各開口は、細長一次導電ループの一方の側を受容するように適合され、レシーバコイル及びコア１０３は、レシーバコイルが一次導電ループから誘導的に電力を受電し得るように道路ユニット内に配置される。このような様式で、道路内の溝の側壁に隣接して位置付けられるように適合された側壁と、更なるユニットの対応する端部壁に隣接して位置するように適合された端部壁とを含む道路ユニットが設けられ得、ゆえにモジュールによるソリューションが提供される。

道路の代替的な実施形態では、幹線道路に沿って駆動する際により広い横方向の許容誤差を与えるために、各々定格７０〜１００ｋＷであり、優先的に２００ｍの規則的間隔で離間された２つ以上の電源が使用されてもよい。各電源は、５０／６０Ｈｚ、１相当たり４００／４８０Ｖの三相ユーティリティ供給に接続され、約１００メートルを駆動する。この場合も、各電源は、切れ目のないトラックループにおいて２０ｋＨｚの周波数で約１２５Ａの電流を駆動するように設計される。しかしながら、この第２の実施形態では、各電源の出力は、（各定義された位置における他の電源と）同期され、出力電流の位相が所定の分離を必ず有するように制御される。一実施形態では、電源／トラック及びコントローラの数を最小限に抑えるために二相システムのみが所望されるが、その場合、各伝送線内の電流の位相が９０°ずれるように制御されることを必要とするであろう。いくつかの実施形態では、三相システムが望ましいことが見出された場合、各々の出力電流が周波数及び位相の両方において同期された３つの電源及び３つの伝送線が設けられてもよく、各電流の位相は、１２０°分離されるように制御される。

別の実施形態では、ループ１０２が道路の側方に沿って設けられてもよく、ケーブル配線は、ピックアップ装置１０３からモジュール（複数可）まで道路を横切って（かつ、好ましくは道路面の下方に）延在し得る。

ピックアップ１０３からの出力は、コイルからの正確な短絡電流を確保するために、直列キャパシタ１０４を使用して部分的に直列同調される。１０３と１０４の組み合わせは、この実施形態については、２０ｋＨｚの動作周波数でキャパシタ１０５を使用して並列同調される。この同調されたＬＣの組み合わせから一次供給トラック１０２への反射インピーダンスにより、道路内の１２５Ａフィード区間（これにピックアップ１０３が結合される）のリアクタンスが短絡により実質的に補償される。通常の動作条件（以下で更に説明するような）の下では、典型的にいずれの時点でも電力伝送モジュールの２０％以下のみが電力を供給しているため、この特性が選択される。残部は、非活動状態であり、短絡している。結果として、ループ１０２のリアクタンスは、正確な長さから独立した名目値に設計または制御され得、５０〜２００ｍの長さにフィードする通常の産業用途のように、供給電圧を制限する更なる直列補償キャパシタによって分断される必要がない。ループに切れ目がないことにより、主要道路フィード内に存在する更なる終端及び問題のある終端が容量補正を追加するという問題が取り除かれる。このような終端は、損失（終端接続部からの損失及びあらゆる静電容量の追加による損失の両方）を増大させ、静電容量のエージングからの故障、地盤変動または施工不良及びエージングの両方による終端接続部の故障のリスクを増大させる。終端はまた、熱循環の下で、ケーブル配線と保護鞘との間において、存在すると故障を引き起こし得る水分が静電容量補正の領域内に運び込まれるのを防止することの困難性のゆえに問題を増やす。終端の不在は、モジュールが単純かつ容易に設置、撤去、及び交換されることも可能にする。

図１Ａを参照すると、（１０３、１０４、及び１０５の）並列ＬＣピックアップの出力は、道路１００内に埋め込まれた、または道路１００上に支持された、完全に直列補償された電力供給モジュール１１１（図１Ａにおいて１０８及び１０９を備える）を駆動する電源制御回路１０７に提供される。電力供給モジュール１１１のインダクタンスは、インダクタンス１０９によって表される。この実施形態では、コンポーネント１０８及び１０９の組み合わせの内に来るリアクタンスは、本質的にゼロである。そのため、コンポーネント、例えばスイッチに対する可能な限り最も低い電圧ストレスが存在する。

以下で更に説明するように、電源制御回路１０７は、磁束結合モジュールの過渡的負荷要件が満たされることを可能にする（それらの過渡現象をトラック１０２に押しつけることなしに）。電源制御回路１０７は、キャパシタ１０８を通る電流を調整することによってモジュール１０９の磁界が必要に応じて完全にオフもしくはオンにされ、または変更され得るようにモジュール１０９の磁界を制御する能力を含め、他の機能も有する。隣接するモジュール間の不要な電力伝達を防止するために、隣接するモジュールは、時間において逐次的に、かつ同期した位相で付勢するように制御される。コントローラ１０７の動作を以下で更に説明する。

自動車両、バス、または貨物自動車に充電するために必要とされる正確な磁界強度は、単純に、キャパシタ１０８内の電流を、道路を使用し得る異なる種類またはカテゴリの車両の所要電力または電力需要に対応する所定のレベルに制限することによって、決定され得る。一実施形態では、磁界強度は、２つまたは３つ以上のレベルに制御され得、各レベルは、道路に沿って走行する車両の電力需要カテゴリに対応する。例えば、一実施形態では、車両は、固有の電力需要に従ってカテゴリ分類される。それゆえ、非電動車両は、電力需要を有さず、自動車等の小型電動車両は、低い電力需要を有し、貨物自動車またはバスなどの大型電動車両は、高い電力需要を有する。別の実施形態では、カテゴリ分類は、車両固有の所要電力ではなく、車両ユーザの要求に基づいていてもよい。

各車両に供給される電力レベルを決定するための制御情報は、一実施形態では、各車両の車載用電力レシーバに関連付けられたＲＦＩＤタグ内に埋め込まれ、コントローラ１０７によって監視される道路内の各電力伝送モジュールの前方に、または隣に置かれる更なるセンサを使用して読み取られ得る。別の実施形態では、制御情報は、運転者が支払う用意がある充電率に関する運転者からの応答に基づいて、通信を介してコントローラ１０７に送信され得る。他の実施形態では、車両の存在は、車両が各モジュールの上方を通過する際の電力伝送モジュール内のコイルのインダクタンスの変化を感知するセンサを使用することによって等の他の方法で検出され得る。

そのため、コントローラ１０７は、電力を選択的なレベルで選択的に提供することを可能にする。例えば、車両は、非電動、軽電動、及び重電動の種類にカテゴリ分類され得る。その場合、センサは、車両カテゴリ（以下で更に説明されるような）を感知し得、次いで、コントローラ１０７は、その車両に利用可能な磁界を制御し得る。ゆえに、車両が非電動である場合、磁界は提供されない。車両が例えば電動バス（すなわち重電動車両）である場合、高い磁界強度が提供される。

図２を参照すると、細長ループ１０２から１つまたは２つ以上のモジュールへの電力供給のための回路が示されている。この実施形態では、モジュール４０１は、図１Ａ及び１Ｂのモジュール１１１のうちの１つを表す。図１Ａの制御回路１０７は、コンポーネント１２０〜１２７を備える。モジュール４０１は２つの巻線を備えることが分かるであろう。これらは、国際特許公開第２０１１／０１６７３７号に記載されているように配置され、別々のインバート１２５を使用して単一のピックアップ１０３からの各巻線を駆動する。しかしながら、当業者であれば、他の配置が可能であることを理解するであろう。例えば、別々のピックアップ１０３が、各インバータ１２５のために使用されてもよい。また、国際特許公開第２００８／１４０３３３号に開示されるように１つの巻線が使用されてもよく、または例えば１つのインバータ１２５によって駆動される国際特許公開第２０１０／０９０５３９号による２つの巻線が使用されてもよい。

図２に示される回路は、一次電源１０１からデバイスへの二重のＩＰＴ変換の一環として、周波数変化を提供する。周波数変化は、２０ｋＨｚから８５ｋＨｚへであるとして以下で論じられているものの、当業者であれば、他の周波数が使用され得ること、及び周波数は同じにとどまっても、またはそれどころか減少してもよいことを理解するであろう。一実施形態では、車両に対する電力供給のためのより高い周波数は、２０ｋＨｚ超及び最大１４０ｋＨｚであってもよいが、好ましくは８５ｋＨｚである。８５ｋＨｚへ周波数を上げることは、モジュールにおける磁界がＩＣＮＩＲＰ要件を満たす可能性がより高まり、インバータから伝送モジュールまたは伝送パッドまでの短い伝達距離にわたって高い効率性が得られ得るという利点を有する。第１の変換では、電源１０１は、三相ユーティリティから電力を取り出し、延在するループ１０２の形態で道の下方に埋設されたワイヤ内を伝播する１２５Ａの出力電流を生成する。上述のように、この単線ループは、ピックアップ１０３に結合される。

回路は、２０ｋＨｚの入力を有し、これは、ダイオードブリッジ１２０によって直流に整流され、１つまたは２つ以上のインバータ１２５によって８５ｋＨｚの交流に逆変換され、ＩＰＴシステム内の電力供給パッドまたは電力供給モジュールを８５ｋＨｚで駆動する。この周波数では、１メートル当たりの電圧降下が非常に高いため、道路に沿ってそれを使用することは非実用的であるが、ここでは道路に沿って８５ｋＨｚが使用され、８５ｋＨｚは、インピーダンス変換ネットワーク１２６、１２７、及び１０８からパッド４０１までわずか数ミリメートルの非常に短い接続である。このようにより高い周波数を最終段階において使用することは、効率性の増大という利点を有し得る。

この周波数変更回路の更なる利点は、整流器が無効ＶＡＲフローを事実上阻止するため、２０ｋＨｚで動作しているトラック１０２が、８５ｋＨｚ回路に存在するいかなるＶＡＲの変動にもさらされないことである。結果として、トラック１０２は、理想的には同調され、必要に応じて能動同調コンポーネントではなく静的同調コンポーネントを使用して補償され得る。

図２を参照すると、すぐ前の実施形態におけるように、電力供給モジュール４１１は、各伝達システム１０２に誘導的に結合される。（ここで好ましいような）二相システムの場合、電力供給モジュール４１１のコイルとフェライトの配置４０１は、各々がリッツ線製であり、同一の巻数Ｎを有し、バイポーラ様式で離間及び重ね合わせられ、０°、＋９０°、＋１８０°、及び＋２７０°電気的に離間された４つの配線のグループを事実上生じさせる、二相巻線インダクタンス（４０３）、を備える。図２に示される一般的な電源配置は、単相パッド構造に供給するために使用されてもよい。

図示される実施形態では、４つの配線のグループは、道路を横切って横方向に、すなわち一方の側から他方の側への方向に、整列される。しかしながら、別のそれほど好ましくない実施形態では、配線のグループは、長手方向が道路に沿って、すなわち道路に沿った走行方向に平行して、方向付けられてもよい。端から端に置かれたフェライト片を使用して作製されたフェライト細片４０２は、上にコイル４０３が置かれる電力供給モジュールの裏側を横切って配置される。フェライトは、道路内のいかなる他の潜在的な磁界経路も短絡させる一方、道路の上方の磁界も増強するという両方の作用をする。

モジュール部品４０１内の各相巻線４０３は、適切なピックアップを備えるそれ自身の制御回路から駆動される。モジュール４１１は、いくつかの実施形態では、単純に、部品４０１、別々に設けられる制御要素及び同調要素を備え得る。一実施形態では、多相モジュールは、名目上幅０．７５ｍ〜１．５ｍに構築され得、０．５ｍ〜２ｍの長さを有し得（ただし、いくつかの用途では長さ５ｍ以上のセクションが好適であり得る）、このようなモジュールの深さも、単相の実施形態に関して上述したように、モジュールが道路ユニット内に含められるかどうかに応じて４０〜１５０ｍｍであると予想される。このような道路モジュールまたは道路ユニットは、幹線道路の中央に沿って位置決めされることが好ましいであろうが、いくつかの用途では車線全体を横切って置かれてもよい。

図２の回路では、動力は、レシーバ１０３を使用してトラック１０２から２０ｋＨｚで結合され、キャパシタ１０４及び１０５を使用して同調される。次いで、この並列共振回路は、直流インダクタ１２１、ダイオード１２３、及びデカップリングスイッチ１２２を使用してキャパシタ１２４の両端の電圧を制御する整流器に入力される。あるいは、制御電圧をキャパシタ１２４に提供する別の手段として、国際特許公開第２０１０／０３０１９５号に記載されているような交流位相制御手法を使用して、この中間セクション内の電力フローに対する制御を提供してもよい。

次いで、キャパシタ１２４の両端の直流電圧は、８５ｋＨｚで動作する２つの標準的な共振型インバータ１２５を使用して切り替えられ、各々は、バイポーラパッド内に要素１２６、１２７、１０８、及びインダクタ４０３を備えた８５ｋＨｚで共振するＬＣＬコンバータを駆動する。各インバータ１２５は、上述のように９０°の位相変化と共に別々のパッド巻線内の電流を駆動するように同期されることが好ましいであろうが、必要に応じて振幅または位相を都合のよいように変更してもよい。いくつかの実施形態では、例えば単相パッド構造に供給するために、単一のインバータが使用されてもよい。

パッドの巻線４０３が直列接続される場合、単一のインバータを使用してこれを動作させ、動力結合に好適な単相の時間変化型磁界を生成することも可能である。図２において、インバータ１２５への入力の前に必要に応じて直流インダクタが設けられてもよい。

一実施形態では、キャパシタ１２４がエネルギー貯蔵要素として使用されるため、キャパシタ１２４は、さもなければトラック１０２によって供給され得ない過渡的負荷需要を満たし得る。システムが双方向性である場合、同様にキャパシタ１２４を使用して、車両から受け取ったエネルギーを別の車両への戻りまたは供給への戻りのために貯蔵することができる。そのため、キャパシタ１２４は、以下で更に説明するような重要な時間にわたって電力入力と電力出力との間に顕著な変化があってもよいように、十分に大きいものが選択され得る。

キャパシタ１２４を大きくすることは、整流器及びコントローラ１２２（これは、上述のように、上述の交流位相制御配置を備え得る）からの高調波の更なる伝播を防止するという利点も有する。

大容量キャパシタ１２４の形態でエネルギー貯蔵を有するシステムの使用を、ここから図３を参照して更に説明する。当該図を参照すると、近接センサ（本文書の他箇所に記載のような）は、移動するピックアップコイル１１０が１つまたは２つ以上の固定コイル１０９または４０１と十分に整合していると感知し、インバータ１２５をスイッチオンしてコイル（複数可）１０９、４０１に電力を供給する。

１１０からの結合動力は、必要に応じて二次コントローラ（図２７〜３８Ｂを参照して説明するような）によって制御され得、ＥＶに電力を供給し、かつ／または負荷５０７によって表されるその電池を充電するために使用される。

これらの事象が発生するプロセスを図３に示す。ここで、道路に沿って設けられる一次導体ループは、ページ上で垂直方向にある。縦一列のキャパシタ１２４は、全て充電済みで、使用可能な状態である。図４０Ｂの上部の回路内のインバータ１２５は、充電済みキャパシタ１２４からコイル１０９に電力を供給し、その電力は、車両に磁気的に伝達される。

車両が走行方向１２６に移動するにつれて、コイル１０９及び１１０はそれらの整合を失い、コイル１０３が現存する条件に関してキャパシタ１２４を再充電する一方、ひとたびコイルが車両への電力フローを継続するために十分に整合すると、道路上の次の結合回路（すなわち、図３内のページ下方の次の回路）がスイッチオンされる。キャパシタ１２４は、充電回路をオンオフするデカップリングスイッチ１２２を使用して充電済みの状態に維持され、スーパーキャパシタをそれらの使用電圧に維持する。キャパシタは、放電時の電圧差が非常に小さいため、使用されるのと同時に充電され得ることが分かるであろう。

車両を駆動する電力は、道路沿いの一連のストレージキャパシタ１２４に由来し、あるキャパシタが充電される前にそのキャパシタからいくつかのパッドが駆動され得る。例えば、大型貨物自動車は、各々が１つまたは２つ以上のコイル１１０を含む５つのパッドを有してもよい。これらのパッドの各々は、順番に各道路コイル１０９の上を通過し、各コイル１０９は、キャパシタ１２４に貯蔵されたエネルギーからの電力を車両に伝達するため、パッド配置が一次導体ループ１０２から再充電される必要なしに５つのパッド全てが全て各道路パッドによって電力を供給される。この実施形態では、キャパシタ１２４は、これを達成するために十分に大きくなければならない。

例として一実施形態を検討すると、各パッドがキャパシタ１２４の上を通過する際にキャパシタ１２４が１０ｍｓの間２０ｋＷを供給すると、そのキャパシタに対する全負荷は５０ｍｓの間の２０ｋＷであり、これは１０００ジュールである。３００Ｖのスーパーキャパシタの場合、貯蔵されたエネルギーの変化は、以下の通りになるであろう。
Δ（１／２ＣＶ^２）＝１０００Ｊ、よって
ＣＶΔＶ＝１０００、ゆえにΔＶ＝１０００／ＣＶ
３００Ｖ、１Ｆのキャパシタを有する実用的な応用では、このシナリオにおける電圧の変化ΔＶは、１０００／３００＝３．３ボルト、すなわち１％の放電になるであろうが、これは完全に実用的な結果である。

１０Ａの実用的な充電電流の場合、戻されるべき電荷は、Ｑ＝ＣＶ＝１×３Ｖ＝３クーロンであり、これは１０Ａの電流によって０．３秒で回復され得る。あるいは、システムは４Ａの電流で動作してもよく、それによって再充電時間は０．７５秒になるであろう。スーパーキャパシタ内に貯蔵されるエネルギーは、１／２ＣＶ^２＝４５，０００ジュールまたは０．０１２５ｋＷＨであろう。比較として、典型的な電動車両（例えば、Ｎｉｓｓａｎ Ｌｅａｆという商標で販売される車両）は、２７ｋＷＨの電池を使用し、おそらく＄１０，０００、すなわち＄３７０／ｋＷＨの交換コストでそのエネルギーを貯蔵する。そのため、０．０１２５ｋＷＨのスーパーキャパシタの予想されるコストは、１０倍の電池と比較してスーパーキャパシタの差額を仮定すると、＄４６．００のスーパーキャパシタである。そのため、当該選択肢は、経済的及び技術的に実行可能である。エネルギー貯蔵は電池を使用して達成され得るものの、これがこの用途において実行できる見込みは低い（サイクル寿命は非常に高くなければならないが、放電深度が非常に小さく、典型的に１％未満であるため）。代替案は、いくつかの電解キャパシタを並列で使用することである。

この実施例におけるトラックループ１０２の入力周波数は、２１．２５ｋＨｚである。そのため、この周波数が地面のパッドに入力されると、単純なアナログ乗算器回路は、信号を積算することによって４２．５ｋＨｚを生成し、次いでそれを再度積算することによって８５ｋＨｚを生成し得る。次いで、この信号を使用してクロックパルスをインバータに提供し、あるパッドと次のパッドとの間に「ビーティング」がないような、完全に同じ周波数にあり、同一の位相を有する波形を生成する。

車両に提供される電力の量は、車両の充電状態、車両の瞬字所要電力、及び道路上に存在する磁気結合構造またはコイルと車両との間の結合係数ｋ等の要因に応じて、車両ごとに著しく変わる必要があり得る。道路から車両に提供される磁界は、各道路コイル１０９内の電流に依存する。この電流は、インバータ１２５の動作によって、例えばインバータスイッチのデューティ比を制御することによって、制御され得る。しかしながら、この手法は、不要な高調波を導入するため、実務上理想的ではない。したがって、一実施形態では、降圧、昇圧、または昇降圧コンバータがキャパシタ１２４とインバータ１２５との間で使用される。回路図を図４に示す。

図４を参照すると、スイッチ１２８、ダイオード１２９、及びインダクタ１３０を備える降圧コンバータ１２７が示されている。スイッチは、インバータによって使用されるためのより低い（または、昇圧コンバータが使用される場合は、より高い）制御電圧を提供するように既知の方法で制御され得る。インバータの両端の電圧は、パッド巻線（複数可）内の電流フローを決定し、パッドによって供給される電力は、巻線電流の２乗に比例する。このようにして、道路パッドから提供される電力は、各車両の要件に応じて制御され得る。別の実施形態では、昇降圧コンバータを代わりに使用して、インバータによって使用されるためのより高い、またはより低い電圧を提供し得る。

当業者であれば、本明細書に示されるトポロジーを使用すれば、道路に沿って２つ以上の一次ループ１０２を敷設する（及び電力を供給する）出費なしに、単相または多相の磁束伝送パッドまたはモジュールが設けられ得ることを理解するであろう。そのため、本トポロジーは、周波数変化が全く採用されない場合でさえ、有益である。ループ１０２を低い周波数（例えば２０ｋＨｚ）で付勢し、それを長い距離にわたって動作させ得る能力は、明らかに有利であり、１つの一次が相当の長さの道路をカバーし得る一方、道路モジュールは、電動車両を充電するために使用され得る周波数の国際規格を満たすため、かつパッドのサイズ及び磁界への暴露を低減させるより高い周波数の利点を得るために、８５ｋＨｚで付勢され得る。その上、エネルギー貯蔵要素を使用して道路パッドに電力を供給することは、過渡的需要が充電済みキャパシタ１２４によって供給され得るため、ループ１０２の一次電源がより低い定格のものであってもよいことを意味する。エネルギー貯蔵を使用することは、システムが太陽光電力または風力電力等の再生可能エネルギーをより良く活用することも可能にする。そのため、一実施形態では、現場の太陽光パネル及び／または風力発電機は、例えば一次ループ１０２に直接電力を供給し得る。

別の実施形態では、複数のインバータ１２５、及び／または複数のパッドもしくは巻線１０９、４０１が、単一のキャパシタ１２４から電力が供給されてもよい。

更に別の実施形態では、キャパシタ１２４上で提供される電圧に対する制御を提供する中間電圧調節部が、スイッチ１２２を使用して、またはそのスイッチを適切な能動回路トポロジーで置き換えて、設けられてもよい。例えば、降圧、昇圧、または昇降圧コンバータを表す機能を実装し、そのようにしてキャパシタ１２４上に存在する電圧に対する制御を提供する回路が、上流に、すなわちキャパシタ１２４の前に、設けられてもよい。これは、図４を参照して説明した回路を使用する代わりに、またはそれに追加して、使用されてもよい。スイッチ１２２は、１０３及び１０５によって形成される回路の共振周波数より低い、またはそれより高い周波数で動作させてもよい。

図５を参照すると、図４の降圧コンバータが示されているが、今回は、インバータ１２５に対する入力においてキャパシタ１３１を含んでいる。コンバータ１３１は、キャパシタ１３１上の電圧を制御して必要な電圧をコンバータに提供し、そのようにして必要な電流を磁束結合装置の巻線（すなわち電力供給パッド）内に提供するために使用される。キャパシタ１３１は、パッド内の電流が十分に迅速に変更され得、必要な異なる磁束レベルが生成され得るように、キャパシタ１３１の両端の電圧の比較的高速な変化を可能にするように選択される。したがって、更なるキャパシタ１３１は、典型的にキャパシタ１２４よりも小さい。

図６では、隣接するキャパシタ１２４が道路に沿ってグループとして並列接続される代替的な実施形態が示されている。グループ分けされたキャパシタは、１つまたは複数のピックアップ１０３によって供給されてもよい。各インバータ１２５と関連付けられた１つのキャパシタ１２４が示されているものの、より多い、またはより少ないキャパシタが使用されてもよい。一実施形態では、キャパシタ１２４は、５つずつのグループとして接続されるが、他のグループ分けが使用されてもよい。５つのキャパシタ１２４が約５メートルの距離にわたって並列接続される（すなわち、キャパシタ同士が１メートル離間している）場合、我々は、各キャパシタの十分なサイズは３００Ｖにおいて約１０００マイクロファラッドであることを見出した。これは、先行する実施形態において言及したサイズよりもはるかに小さいが、単一の大容量キャパシタを使用するよりもはるかに低コストでありながら、電力供給パッドによって必要とされる過渡的負荷需要に応答するために十分なエネルギー貯蔵をグループが提供するという恩恵を有する。限定されたグループ分けのサイズは、万一故障（例えば、使用中におけるケーブルの短絡または切断）が発生した場合に、故障電流が安全なレベルに制限されるという恩恵も有する。

一実施形態では、ループ１０２及びピックアップ１０３は、道路のそばに、インダクタ１３０までのコンポーネントと共に位置付けられてもよい（図４及び５を参照されたい）。次いで、直流ケーブルは、道路の下方で道路の側方の装置から、電力供給パッド構造と共に設けられてもよいキャパシタ１３１及び発明者１２５まで延在してもよい。直流ケーブルは、個別の誘導コンポーネントが必要とされることなしにインダクタンス１３０を提供し得る。この実施形態は、大容量の静電容量１２４、及び構成部分のうちの相当の量が、道路脇に位置付けられ、そこからアクセス可能であり、したがって整備可能であるという利点を有する。

使用において、図６のトポロジーは、道路上の車両がグループのうちの第１の電力供給パッドに接近するにつれて、並列接続されたキャパシタ１２４に貯蔵されたエネルギーが、必要な電圧レベルで、グループ内の第１のパッドのインバータのキャパシタ１３１に供給され得ることを意味する。キャパシタ１３１は迅速に充電することができるため、電圧レベルは、この過渡的需要を一次トラックループ１０２に負わせることなしに過渡的負荷需要を満たすのに十分であろう。ひとたび過渡的負荷が満たされると、次いでエネルギーは、トラック１０２からキャパシタ１２４内に戻される。

上述の実施形態が、移動するピックアップデバイスが存在するいかなるＩＰＴシステムにも応用可能であること、すなわち本開示が道路またはＥＶの用途のみに限定されないことも明らかであろう。

Claims (15)

1. 磁束結合装置を付勢するための回路であって、
   誘導的に電力を受電するためのピックアップコイルと、
   前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵するためのストレージキャパシタと、
   前記ストレージキャパシタからの電気エネルギーを前記磁束結合装置に供給するためのインバータと、を備え、
   前記磁束結合装置によって供給される負荷に対する電力伝達が、前記受電した電力を超過し得る、回路。
2. 前記ストレージキャパシタが、複数のキャパシタを備えている、請求項１に記載の回路。
3. 複数のインバータを備え、各インバータが、１つまたは２つ以上の磁束結合装置に供給する、請求項１または請求項２に記載の回路。
4. 前記磁束結合装置に供給される電力を調整するための電源レギュレータを更に備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路。
5. 前記電源レギュレータが、前記ストレージキャパシタと前記インバータとの間に設けられている、請求項４に記載の回路。
6. 前記電源レギュレータが、前記ピックアップコイルと前記ストレージキャパシタとの間に設けられている、請求項４に記載の回路。
7. 前記電源レギュレータが、前記磁束結合装置に供給される電力のレベルを、前記装置によって供給されるピックアップの所要電力または電力制限に応じて調整する、請求項４〜６のいずれか一項に記載の回路。
8. 前記電源レギュレータまたは前記インバータに関連付けられた更なるキャパシタを更に備えている、請求項４〜７のいずれか一項に記載の回路。
9. 前記更なるキャパシタが、前記ストレージキャパシタの静電容量よりも小さい静電容量を有する、請求項８に記載の回路。
10. 前記貯蔵手段から前記磁束結合装置に供給されるエネルギーが、前記受電した電力から独立して供給される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の回路。
11. 誘導的に電力を受電することと、
    前記受電した電力からのエネルギーを貯蔵手段内に貯蔵することと、
    前記貯蔵手段からの電気エネルギーを磁束結合装置に供給し、負荷に対して電力を誘導的に提供することと、を含む、誘導電力伝達の方法。
12. 前記貯蔵手段内にエネルギーを貯蔵することが、エネルギーを複数のキャパシタ内に貯蔵することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記貯蔵手段から前記磁束結合装置に供給される前記電力を調整することを更に含む、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. 前記供給される電力を調整することが、インバータに提供される電圧を調整することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記インバータに関連付けられたキャパシタの電圧を調整することを更に含む、請求項１４に記載の方法。

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