JP2019535224A - 無線電力伝送装置、無線電力送信システム、及び無線電力送信システムを駆動する方法 - Google Patents

Abstract

無線電力伝送装置、対応する電力伝送システム、及びそのようなシステムを駆動する方法が提供される。電力伝送装置は、高い伝送効率を許容し、許容される動作周波数を維持する。そのため伝送装置は2つの伝送コイル、スイッチ回路、及びインピーダンス回路を有する。アクティブな伝送コイルとインピーダンス回路とは共振回路を確立し、共振回路の共振周波数はスイッチ回路により調節されることが可能である。

Description

本発明は、無線電力伝送装置、例えば無線電力送信システムにおいて使用されることが可能な伝送装置や、無線電力送信システムを駆動する2つの方法に関連する。特に、本発明は無線電力受信装置への改善された電力伝送のための無線電力伝送装置に関連する。

無線電力伝送装置及び無線電力伝送システムは、物理的な接続を必要とせずにデバイスへ電力を転送するために使用されることが可能である。例えば、モバイル通信デバイス等の携帯デバイス又は車両は、そのような伝送装置及び伝送システムを介して電力の供給を受けることが可能である。

無線電力伝送システムの本質的な問題は、一般に、電力伝送装置の電力受信装置に対する再現性のない配置である。例えば、電力受信装置を有する車両へ電力を送信するために電力伝送装置が使用される場合、横及び水平距離並びに向きの逸脱は実際上不可避的である。しかしながら、伝送装置及び受信装置間の距離の逸脱は、伝送システムのインダクタンスの変化を引き起こし、散逸的な電流及び減少した効率を招く。

US2012/OO25623A1によれば、誘導性の電力受信装置が知られている。WO2009/114671A1によれば、誘導性の電力供給システムが知られている。

米国特許出願公開第2012/OO25623号明細書 国際公開第2009/114671号

しかしながら、低減された散逸電流、追加的なスペースを必要とせずに増加した効率及び改善された信頼性を有し、並びに容易に実行可能な制御システムを有する電力伝送装置及び電力伝送システムに対するニーズが依然として存在する。更に、相互運用性をサポートするシステムに対するニーズ、即ち複数の異なる環境における様々な電力受信装置と様々な電力伝送装置との協調、及び伝送装置と受信装置との間の相対的な配置をサポートするシステムに対するニーズが存在する。

この目的のため、独立請求項1による無線電力伝送装置、無線電力伝送システム、無線電力伝送システムを駆動する方法が提供される。従属請求項は好適な実施形態を提供する。

無線電力伝送装置は、インバータと、インピーダンス回路と、第1伝送コイル及び第2伝送コイルを有するインダクタンス回路とを有する。更に、無線電力伝送装置はスイッチ回路を有する。インピーダンス回路とインダクタンス回路とは共振回路を確立する。インバータはAC電力を共振回路へ提供する。スイッチ回路は、共振回路の共振周波数を変更するため及びAC電力の周波数を所定の範囲内に維持するために、第1伝送コイルを、インピーダンス回路に直接的に及び/又は第2伝送コイルを介して結合することが可能である。

無線電力伝送装置のインバータは電源として機能する。インバータは外部回路環境から電力を受け取る。環境から受け取る電力は、例えば50Hz又は60Hzの従来の周波数で提供される電力であるとすることが可能である。充足しなければならない仕様は、81ないし90kHzの周波数範囲を有し得る所定の周波数レンジに、インバータの動作周波数を制限することであるかもしれない。インバータは、例えばDC電力である低周波の電力を、上記の周波数レンジの電力に変換するHブリッジを有することが可能である。AC電力を生成するHブリッジ回路は、その動作周波数が上記の周波数レンジ内で周波数を維持するように変更される要素である。

インダクタンス回路は更なる伝送コイルを有することが可能である。インダクタンス回路の伝送コイルは異なるタイプのものとすることが可能である。第1及び第2伝送コイル、そして場合によっては更なる伝送コイルの各々は、例えば螺旋型コイル又はダブルD型コイル(DDコイル)であるとすることが可能である。DDコイルは、隣接して配置される2つのコイル・セグメントを有する。DDコイルの2つのコイル・セグメントは、電気的に直列に接続され、非所望の位置で弱められた場の強度を有する所望の形状を、結合磁場に与えるように協働し得る。

従って、インダクタンス回路の伝送コイルはDDコイル及び螺旋コイルから選択される、とすることが可能である。

無線電力伝送装置と無線電力受信装置との間の距離の変動、又は無線電力受信装置の無線電力伝送装置に対する方向の変動は、減少した電力伝達効率を招くだけでなく、共振回路の共鳴周波数の変化をも招くことが発見された。伝送効率の減少は一般的には望まれないが、効率が過剰に低下しないならば許容可能である一方、上記の周波数レンジの外に、インバータの動作周波数をシフトさせる周波数変動は、許容可能でないかもしれない。上記の無線電力伝送装置は、伝送装置が少なくとも2つの伝送コイルを有するので、上記の周波数レンジ内に動作周波数を維持する能力と、共振回路の共振周波数を変更する能力とを有する。スイッチ回路は、第1伝送コイルをインピーダンス回路に結合し、その結果、第1共振周波数を有する共振回路をもたらすことが可能である。更に、スイッチ回路は、第2伝送コイルを第1伝送コイルとインピーダンス回路との間に直列に結合し、第2共振周波数を有する共振回路を提供することが可能である。第2共振周波数は、第1共振周波数と相違することが可能である。第1伝送コイルとともに動作するインバータの動作周波数が、許容周波数レンジ内に周波数を維持できないことが判明した場合、第1伝送コイルに加えて第2伝送コイルが、動作周波数を許容周波数範囲の方へシフトさせるために使用されることが可能である。手短に言えば、第2伝送コイルは追加的なコイルである。

従って、本無線電力伝送装置によれば、周波数の要請に適合するように共振周波数を変更することを許容する共振回路が提供される。

スイッチ回路は、第1伝送コイルのみがインピーダンス回路に電気的に接続される場合に或る動作モードを提供することが可能である。更に、スイッチ回路は、双方の伝送コイルがインピーダンス回路に電気的に接続される場合に或る動作モードを提供することが可能である。無線電力伝送装置は、更なる伝送コイルを有することが可能であり、各々の伝送コイルに関してスイッチ回路は動作モードを提供することが可能であり、その場合において、個々の伝送コイルは、最適な共振周波数の共振回路を得るように、インピーダンス回路に排他的に接続される。

しかしながら、スイッチ回路は、インピーダンス回路に2つ以上の伝送コイルを同時に接続するような仕方で提供されることが可能である。かくて動作モード数は大幅に増やされる。

インピーダンス回路は、1つ以上の容量性素子から、及び/又は1つ以上の誘導性素子から、又は容量性及び誘導性の回路素子を有するネットワークから選択され得るインピーダンス素子を有する。インピーダンス回路の回路素子は、インダクタンス回路のアクティブな伝送コイルとともに一緒にそれらのインピーダンスが、適切な共振周波数の共振回路を確立するように、選択されることが可能である。

スイッチ回路は、第1伝送コイルを、第2伝送コイルに並列に又は直列に結合することが可能である、とすることが可能である。

幾つかの伝送コイルが存在する場合の様々な動作モードの膨大な数は、伝送コイル又は伝送コイルのグループが、他の伝送コイル又は伝送コイルの他のグループに電気的に直列に接続されることが可能である、という事実によって更に増やされる。

スイッチ回路は、1つの伝送コイルをインピーダンス回路に結合することが可能であり、個々の他の伝送コイルはインピーダンス回路から分離される、とすることが可能である。例えば、第1伝送コイルがインピーダンス回路に電気的に接続される場合に、第2伝送コイル−及び存在する場合には個々の他の伝送コイル−は、インピーダンス回路から分離される。

インダクタンス回路の伝送コイルの中から選択された唯1つの伝送コイルが共振回路の一部分である動作モードは、異なるアクティブな伝送コイル同士の電磁相互作用が削減されることに起因して好ましい。

スイッチ回路は第1スイッチを有する、とすることが可能である。そのようなスイッチ回路は、第1伝送コイルの第1電極、第2伝送コイルの第1電極、及びインピーダンス回路の或るポートに電気的に接続される第1スイッチを有することが可能である。第1スイッチは、インピーダンス回路の第1ポートを、第1伝送コイルの第1電極、又は第2伝送コイルの第1電極の何れかに選択的に接続することが可能である。当然に、無線電力伝送装置が2つより多い伝送コイルを有する場合、個々のスイッチ回路は、インピーダンス回路の個々のポートを、個々の伝送コイルの第1又は第2電極に選択的に接続するマルチポートを有することが可能である。

スイッチ回路は、第1伝送コイル及び第2伝送コイルの接続を変更することが可能である。スイッチ回路が、第1伝送コイルを第2伝送コイルから分離する場合、第1伝送コイルのみがインピーダンス回路に接続される。スイッチ回路が第1伝送コイルを第2伝送コイルに直列に接続する場合、第1伝送コイル及び第2伝送コイルの直列回路がインピーダンス回路に接続される。

更に、スイッチ回路は、2つより多い伝送コイルが直列に接続される動作モードを提供するために、異なる伝送コイル間に電気的な接続を設定する更なるスイッチを有することが可能である。

インピーダンス回路は第1容量素子及び第2容量素子を有する、とすることが可能である。

特に、第1容量素子はインピーダンス回路の第1ポートとインバータとの間に電気的に接続されることが可能である、とすることが可能である。第2容量素子はインピーダンス回路の第2ポートとインバータとの間に電気的に接続されることが可能である。従って、無線電力伝送装置は、第1伝送コイル又は直列回路の何れかが2つの容量素子の間に電気的に直列に接続される動作モードを提供することが可能であり、その直列回路は、第1伝送コイルと第1伝送コイルに直列に接続される第2伝送コイルとを含む。

無線電力伝送装置が1つの主要伝送コイル(例えば、第1伝送コイル)と1つより多い追加伝送コイルとを有する場合、主要伝送コイル又は或る組み合わせが、第1容量素子と第2容量素子との間に電気的に直列に接続され、或る組み合わせは、主要伝送コイルと主要伝送コイルに直列に接続される1つ以上の追加コイルとを含む。

従って、無線電力伝送装置は、スイッチ回路とインピーダンス回路における第1及び第2キャパシタとを有する、とすることが可能である。第1伝送コイルは第1容量素子と第2容量素子との間に直列に接続される。スイッチ回路は、第1伝送コイルと第2容量素子との間で直列に第2伝送コイルを電気的に接続することが可能である。

伝送コイルは、対応する無線電力受信装置に対して整合及び配置される必要があるので、全ての伝送コイルが受信装置に関して効率的に機能するように同様な位置に配置されるべきであることに起因して、伝送コイルを組み込むスペースは限られる。従って、多数の伝送コイルは多数の異なる動作モードを許容するが、伝送コイル数は任意に選択されることはできない。発明者の詳細な分析は、伝送装置から受信装置までの距離又はアライメント角度に十分に大きな逸脱が存在する状況において、2つだけ伝送コイルを含む無線電力伝送装置は好ましい周波数レンジに対する制限を既に許容する、という結果をもたらした。

インピーダンス回路はスイッチ回路とインバータとの間に電気的に接続される、とすることが可能である。スイッチ回路は、インダクタンス回路とインピーダンス回路との間に電気的に接続される。

従って、スイッチ回路とインピーダンス回路とは、伝送コイルを含むインダクタンス回路とインバータとの間に電気的に接続される。スイッチ回路により、インピーダンス回路の素子とインダクタンス回路の素子(特に、伝送コイル)とは、共振周波数が状況に応じて容易にシフトされる共振回路を確立する。

無線電力伝送装置は、スイッチ回路に電気的に結合されるICチップを有する制御回路を有することが可能である。更に、インダクタンス回路に印加される電圧、インダクタンス回路に提供される電流、伝送される信号と反射される信号との間の位相角、そして当然に動作周波数等の周波数などの中心的な電力伝送パラメータをモニタリングする回路素子を、無線電力伝送装置は有することが可能である。無線電力伝送装置は、許容される周波数レンジに戻すように動作周波数を適応的にシフトさせる制御ループ内にモニタリング回路とIC回路とを有することが可能である。

第1及び第2伝送コイルは同心状に巻かれている、とすることが可能である。特に、2つのコイルは本質的に同一平面内で同心状に巻かれている、とすることが可能である。

上述したように、伝送コイルを配置するためのスペースは僅かであり、同心状に巻くことは、従来の電力伝送コイルの直径寸法から大幅には逸脱しない直径寸法を許容する。

特に、伝送コイルの巻き線はインターリーブされている、とすることが可能である。

第1伝送コイル(主要伝送コイル)の巻き数は第2伝送コイル(追加伝送コイル)の巻き数より多い、とすることが可能である。

従って、第1伝送コイル(主要伝送コイル)は、通常、大きなインダクタンスを有することになる。

伝送コイルがインピーダンス回路に排他的に結合され、動作モードで排他的に駆動される場合、異なるインダクタンスを有する異なる伝送コイルが好ましい。動作モードが1つより多いアクティブ伝送回路とともに使用される場合、等しい(複数の)インダクタンス(これは簡易な制御アルゴリズムをもたらす)、又は次のより大きなインダクタンスは2倍の値である(複数の)インダクタンスは、好ましいものであるとすることが可能である。

第2伝送コイルの巻き数は1、2又は3である、とすることが可能である。

第2伝送コイルをインダクタンス回路に結合することは、第1伝送コイルと第2伝送コイルとの間の磁気結合を変更することになる、とすることが可能である。

第1及び/又は第2伝送コイルのワイヤはリッツ・ワイヤである、とすることが可能である。リッツ・ワイヤにおいては、互いに個々に独立させられた複数の独立したワイヤのより線が、表皮効果(the skin effect)に起因する損失を減らすように組み合わせられる。

無線電力伝送装置はフェライト材料を有するシートを更に有する、とすることが可能である。このフェライト・シートは、インダクタンス回路の第1伝送コイルと第2伝送コイルとを含むコイル層の下方に配置されてもよい。

このフェライト・シートは、伝送装置により放出される磁場の形状を形作るために使用されてもよい。高い伝送効率を得るために、磁場は、トランシーバの下方又は上方に配置され得る受信装置に向かって方向付けられるべきである。受信装置が伝送装置の上方に配置される場合、伝送装置の下方方向で放出される磁場の量は最小に減らされることが好ましい。従ってフェライト・シートは、受信装置から過剰に離れた場所での磁場の乱れを防止することにより、伝送装置の効率を向上させることに役立ち得る。

更に、無線電力伝送装置は誘電体材料を含む誘電体シートを有する、とすることが可能である。誘電体シートは、コイル層と存在するならばフェライト・シートとの間に配置されることが可能である。

インダクタンス回路は金属を含む金属シートを有する、とすることが更に可能である。金属シートはフェライト・シートの下方に配置されてもよい。

金属シートはアルミニウムを含んでもよい。

更に、無線電力伝送装置は誘電体材料を含む追加的な誘電体シートを有する、とすることが可能である。追加的な誘電体シートはフェライト・シートと金属シートとの間に配置されてもよい。

フェライト・シートはフェライト層に配置されることが可能である。誘電体シートは誘電体層に配置されることが可能である。金属シートは金属層に配置されることが可能である。

無線電力伝送システムは上述したような無線電力伝送装置を有する。更に、伝送システムは受信コイルを有する電力受信装置を有する。インダクタンス回路の受信コイルと伝送コイルとが互いに対して好ましく配置されていなかったとしても、受信コイルは電力を受け取ることが可能である。

当然に、電力受信装置は整流器を有することも可能であり、整流器は、受信コイルにより受信される伝送された電気エネルギを整流し、バッテリを充電するために使用されてもよいDC電力を提供する。

伝送装置のインダクタンス回路の伝送コイルと電力受信装置の受信コイルとは、DDコイル及び螺旋コイルから選択される、とすることが可能である。即ち、伝送装置及び受信装置は螺旋コイル及び/又はDDコイルとともに動作することが可能であるので、相互運用性が改善される。

そのような電力伝送装置、受信装置、及び伝送システムは、移動通信システム又は車両を充電するための電力レベル又は中間における電力レベルの電力を伝達するために使用されることが可能である。従って電力レベルは1Wないし10kWの範囲に及ぶことが可能である。

改善された相互運用性に起因して、伝送装置と受信装置とが同じ製造業者から又は同じ製造日付からのものであることは、必要ではない。切り替え可能なコイルは、伝送装置の側及び受信装置の側にあるとすることが可能である。その結果の増大した柔軟性は、古い受信装置がより新しい伝送装置から電力の供給を受けること及びその逆を可能にすることができる。

受信装置もまたフェライト・シートと、金属シートと、第1及び/又は第2誘電体シートとを有することが可能である。電力伝送装置のフェライト・シートは、矩形の形状、600mmの長さ、及び500mmの幅を有する、とすることが可能である。受信装置のフェライト・シートはまた矩形の形状、300mmの長さ、及び290mmの幅を有することも可能である。

第1伝送コイルは14回の巻き数を有することが可能である。第1伝送コイルは1回の巻き数を有することが可能である。第1伝送コイルのインダクタンスは150ないし156μHの範囲内にあるとすることが可能である。第1伝送コイルと第1伝送コイルに接続される第2伝送コイルとのインダクタンスは、180μHないし190μHの範囲内にあるとすることが可能である。上述した無線電力伝送システムは、例えばSAE周波数レンジ等の許容周波数レンジの中で、90パーセントの電力効率とともに、150mm以上という伝送コイル及び受信コイル間の距離において動作させられることが可能である。

無線電力伝送システムを駆動させる方法は、
第1伝送コイルをインピーダンス回路に結合するステップと、
第1電力量を伝送するステップと、
電圧、電流、位相角、共振周波数から選択される少なくとも1つの伝送パラメータを決定するステップと、
第1伝送コイル及び第1伝送コイルに直列に結合される第2伝送コイルを、インピーダンス回路に結合するステップと、
第2電力量を伝送するステップと、
電圧、電流、位相角、共振周波数から選択される少なくとも1つの伝送パラメータを決定するステップと、
より良い伝送パラメータとともに伝送コイルの組み合わせを利用して、第1及び第2電力量より多い電力量を伝送するステップとを有する。

関連する伝送パラメータは、伝送される電力、伝送効率、及び動作周波数であるとすることが可能である。

基本的な動作原理、概略的な等価回路図、及び非限定的な実施形態が添付図面に示されている。

図1は、インバータ、インピーダンス回路、スイッチ回路、及びインダクタンス回路の可能な配置を示す。 図2は無線電力伝送システムの基本回路素子の等価回路ブロックを示す。 図3は2つの伝送コイルと1つのスイッチとを有する一実施形態の等価回路図を示す。 図4はスイッチの可能な他のスイッチング状態を示す。 図5は伝送装置のコイル及びシートを含む複数層の可能な配置を示す。 図6は、伝送装置側におけるインピーダンス回路に2つのキャパシタを有し、受信装置側におけるインピーダンス回路に3つのキャパシタを有する伝送システムの可能な等価回路図を示す。 図7は、無線電力伝送システムにおける不整合という本質的な問題を示す。 図8は、伝送装置が追加的な誘電体シートを有する場合における別の不整合なシステムを示す。 図9はDDコイルのセグメントの可能な配置を示す。 図10は、様々な伝送装置−受信装置の配置に対する、スイッチ回路の様々な構成に対する磁気結合因子を示す。 図11は、様々な伝送装置−受信装置の配置に対する、様々なスイッチ設定に対するインダクタンス回路の最大コイル電流を示す。 図12は、様々な伝送装置−受信装置の配置に対する、様々なスイッチ設定に対する可能な様々な動作周波数を示す。 図13は、アクティブなスイッチ回路により得られる様々な伝送装置−受信装置の配置に対する低減されたスペクトルを示す。 図14は、様々な伝送装置−受信装置の配置に対してスイッチング状態を変化させて最大コイル電流に及ぶ影響を示す。 図15は、様々な伝送装置−受信装置の配置に対してスイッチング状態を変化させてコイル効率に及ぶ影響を示す。

図1は、インバータINV、インピーダンス回路Z、スイッチ回路SWC、及びインダクタンス回路INCを有する無線電力伝送装置WPTの基本構成を示す。インバータINVは、外部回路環境から電力を受け取り、受信装置へ伝送されるべき電力を供給する。インバータINVは、約85kHzであってもよい動作周波数で電力を提供する。電力はインピーダンス回路Zへ伝送される。スイッチ回路SWCは、インダクタンス回路INCをインピーダンス回路Zに電気的に接続する。インダクタンス回路INCは、第1伝送コイルTC1と第2伝送コイルTC2とを有する。インダクタンス回路は、図1では示されていない更なる伝送コイルを含んでいてもよい。伝送コイルは同心状に巻かれることが可能である。インダクタンス回路INCの伝送コイルとインピーダンス回路Z内の回路素子とは、AC電力がインバータINVから供給される共振回路を確立する。インバータINVはAC電力の動作周波数を制御する。インダクタンス回路INCは少なくとも2つの伝送コイルを有するので、及びスイッチ回路SWCはインピーダンス回路Zをインダクタンス回路INCの様々なインダクタンスに接続するスイッチング能力を有するので、共振回路の共振周波数は操作されることが可能である。インバータINVは、共振回路の共振周波数の変化に応答して動作周波数を制御するが、その変化が過剰に大きい場合、インバータINVは許容周波数レンジ内で動作周波数を制御できない。そこで、スイッチ回路SWCは、伝送装置の環境からの影響を減らすために、インダクタンス回路のインピーダンスを変化させる。その結果、動作周波数は周波数の要請に対する適合性を確保する。

図2は無線電力伝送システムWPTSの基本回路素子を示す。システムは、無線電力伝送装置WPTと無線電力受信装置WPRとを有する。トランシーバWPTのインダクタンス回路INCの伝送コイルは、受信コイルを含むインダクタンス回路により感受される磁場Mを生成する。受け取られる電力は、整流器RECTによりDC電力に変換され得る。DC電力はバッテリを充電するために使用されてもよい。

図3は第1伝送コイルTC1及び第2伝送コイルTC2の可能な配置を示す。双方の伝送コイルはキャリア上に同心状に配置されることが可能である。第1伝送コイルTC1は4回のターンを有することが可能である。第2伝送コイルは1回のターンを有することが可能である。スイッチ回路SWCは、2つのスイッチング状態を有する単独のスイッチを含むことが可能である。インピーダンス回路Zの第1誘導性素子は、第1伝送コイルTC1の第1接続電極に接続されることが可能である。インピーダンス回路Zの第2容量素子は、第2伝送コイルTC2の第1接続電極に接続されることが可能である。スイッチ回路SWCのスイッチは、第1伝送コイルTC1の第2接続電極に接続されることが可能である。スイッチ回路SWCのスイッチは、第1伝送コイルTC1の第2接続電極を第2伝送コイルTC2の第1接続電極に電気的に接続することが可能である(図3)。しかしながら、他のスイッチング状態において、スイッチング回路SWCのスイッチは、第1伝送コイルの第2接続電極を第2伝送コイルTC2の第2接続電極に電気的に接続する(図3には示されていないが図4に示されている)。図3に示されるスイッチング設定では、第1伝送コイルの第2接続電極が第2容量素子CE2に電気的に接続される一方、第2伝送コイルTC2の第2接続電極はフローティングである。従って、第2伝送コイルTC2はインアクティブ状態にあり、主に第1伝送コイルTC1のみがアクティブである。

これに対して、図4においては、第1伝送コイルTC1の第2接続電極が、第2伝送コイルTC2の入力を確立する第2伝送コイルTC2の第2接続電極に接続される。双方の伝送コイルが電気的に直列に接続され、双方のコイルがアクティブである。

従って、スイッチング回路SWCの切り替えにより、第2伝送コイルTC2は、インダクタンス回路INCに組み込まれる或いは除外されることが可能である。

図5は、コイル層CL、フェライト・シートFL、及び金属シートMLを有するインダクタンス回路INCに関する平面図(図5の上方部分)、及び上下にそれらの層を示すインダクタンス回路INCの断面図(図5の下方部分、右側部分)を示す。コイル層CLは、同心状に巻かれてもよい少なくとも2つの伝送コイルを含む。フェライト・シートFLは、受信装置が想定されない場所に磁場の僅かな部分しか配置されないような仕方で磁場の密度を形成するように、コイル層CLと金属シートMLとの間に配置される。

図6は、伝送システムの可能な等価回路図を示し、インバータINVとインダクタンス回路INCとの間にあるインピーダンス回路Zが、第1容量素子CE1と第2容量素子CE2とを有する。更に、受信装置の側において、受信装置側のインダクタンス回路と整流器RECTとの間にインピーダンス回路ZRが配置されている。受信装置側のインピーダンス回路ZRは、整流器RECTの方にポートを確立する2つの容量素子を有する。更に、受信装置側のインピーダンス回路ZRは、2つの信号分岐の間のシャント経路に追加的な容量素子を有する。整流器RECTは、バッテリに電気的に接続され、DC電流をバッテリBATに提供する。

図7は、無線電力伝送の基本的な固有の問題、即ち受信装置(上方部分)の伝送装置(下方部分)に対する方向における生じうる不整合を示す。そのような不完全な整合性は、動作周波数の大きな周波数シフトをもたらす。しかしながら、様々な動作モードの実現及びスイッチング能力により、完全な整合からの極めて著しい逸脱でさえ、許容周波数レンジ内で高い電力伝送効率が実現されることが可能である。

図8は、別の不整合なシステムを示し、その場合において電力伝送装置のアンテナ・モジュールはコイル層CLとフェライト・シートFLとの間に配置される別の誘電体シートDLを有する。追加的な誘電体シート(図7には示されていない)がフェライト・シートFLと金属シートMLとの間に配置されることが可能である。

図9は、DDコイルの素子の可能な配置を示す。DDコイルは伝送コイルTCに対する可能なコイル・タイプである。DDコイル・タイプの伝送コイルTCは、第1コイル・セグメントTCAと第2コイル・セグメントTCBとを有する。2つのコイル・セグメントTCA、TCBは電気的に好ましくは直列に接続される。これに対して、図3及び図4に示される2つの伝送コイルTC1、TC2は螺旋型のコイルである。

図10は、送信側と受信コイル(GCはグランド・クリアランスである(GC=ground clearance))との間の様々な距離に対する、水平方向における様々なオフセット(x,y)に対する図3及び図4に示されるようなシステムの磁気結合因子を示す。磁気結合因子の変動は比較的大きく、これは実際のアプリケーションでは問題となる。

図11は、様々な垂直(GC)及び水平(x,y)距離に対するインダクタンス回路INCにおける伝送コイル・システムの対応する最大コイル電流を示す。

図12は、上記の幾何学的配置に対する対応する動作周波数を示す。特に、5つの構成は、90kHzという上限周波数レンジを越える高い動作周波数を招いている。

図13は、上記の5つの著しい値が適切なスイッチング構成を選択することにより許容周波数レンジ内にシフトされている対応する動作周波数を示す。即ち、5つの著しい値に対応する動作周波数は、インダクタンス回路のインダクタンスを増やすことにより、例えば第1伝送コイルに直列に第2伝送コイルを接続することにより低減させられる。

図14は、最大コイル電流に関するスイッチングの直接的な影響を示し、上記の5つの(及び追加的な)構成に対して劇的に減少している。

それに応じて図15は上記の5つの幾何学的構成が改善されたスイッチング状態を得る場合のコイル効率の増加を示す。

無線電力伝送装置、無線伝送システム、及びそのようなシステムを駆動する方法は、上述した及び図示されたデバイス及び回路に限定されない。更なる回路素子、例えばインダクタンス回路における更なる誘導性又は容量性の素子、更なる伝送コイル、更なるスイッチ、又は追加的なコンポーネント等を有する伝送装置及びシステムが、動作周波数を適応的に制御するために包含されてもよい。それに応じて、そのようなシステムを駆動するための方法が、更なるステップ、例えば更なる伝送コイル構成を検査するステップを有するように構成されてよい。

CE1: 第1容量素子
CE2: 第2容量素子
CL: コイル層
DL: 誘電体シート
FL: フェライト・シート
GC: グランド・クリアランス/及び受信装置間の距離
INC: インダクタンス回路
INV: インバータ
M: 磁場
ML: 金属シート
RECT: 整流器
SWC: スイッチ回路
TC: 伝送コイル
TC1: 第1伝送コイル
TC2: 第2伝送コイル
TCA: DDコイルの第1セグメント
TCB: DDコイルの第2セグメント
WPR: 無線電力受信装置
WPT: 無線電力伝送装置
WPTS: 無線電力伝送システム
Z: インピーダンス回路
ZR: 受信装置側のインピーダンス回路

Claims (19)

1. 無線電力伝送装置であって、
   インバータと、
   インピーダンス回路と、
   第１伝送コイル及び第２伝送コイルを有するインダクタンス回路と、
   スイッチ回路と
   を有し、前記インピーダンス回路と前記インダクタンス回路とは共振回路を確立し、
   前記インバータはＡＣ電力を前記共振回路へ提供し、及び
   前記スイッチ回路は、前記共振回路の共振周波数を変更するため及び前記ＡＣ電力の周波数を所定の範囲内に維持するために、前記第１伝送コイルを、前記インピーダンス回路に直接的に及び／又は前記第２伝送コイルを介して結合することが可能である、無線電力伝送装置。
2. 前記インダクタンス回路の前記伝送コイルは、ＤＤコイル及び螺旋コイルから選択されている、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記スイッチ回路は、前記第１伝送コイルを、前記第２伝送コイルに並列に又は直列に結合することが可能である、請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記スイッチ回路は、前記第１及び第２伝送コイルから選択された１つの伝送コイルを前記インピーダンス回路に結合することが可能であり、他の伝送コイルは前記インピーダンス回路から分離される、請求項１−３のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
5. 前記スイッチ回路は第１スイッチを有する、請求項１−４のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
6. 前記インピーダンス回路は、第１容量素子と第２容量素子とを有する、請求項１−５のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
7. 第１スイッチが前記スイッチ回路にあり、第１及び第２キャパシタが前記インピーダンス回路にあり、
   前記第１伝送コイルは、前記第１容量素子と前記第２容量素子との間に直列に接続され、及び
   前記スイッチ回路は、前記第１伝送コイルと前記第２容量素子との間で直列に前記第２伝送コイルを電気的に接続することが可能である、請求項１−６のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
8. 前記インピーダンス回路は、前記スイッチ回路と前記インバータとの間に電気的に接続され、及び
   前記スイッチ回路は、前記インダクタンス回路と前記インピーダンス回路との間に電気的に接続される、請求項１−７のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
9. 前記第１及び第２伝送コイルは、本質的に同一平面内で同心状に巻かれている、請求項１−８のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
10. 前記第１伝送コイルの巻き数は、前記第２伝送コイルの巻き数より多い、請求項１−９のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
11. 前記第２伝送コイルの巻き数は、１、２又は３である、請求項１−１０のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
12. 前記第２伝送コイルを前記インダクタンス回路に結合することは、前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルとの間の磁気結合を変更することになる、請求項１−１１のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
13. 前記第１及び／又は第２伝送コイルのワイヤは、リッツ・ワイヤである、請求項１−１２のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
14. フェライト材料を含むフェライト・シートが、前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルとを有するコイル層の下方に配置されている、請求項１−１３のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置。
15. 誘電体材料を含む誘電体シートが、前記コイル層と前記フェライト・シートとの間に配置されている、請求項１４に記載の無線電力伝送装置。
16. 金属を含む金属シートが、前記フェライト・シートの下方に配置されている、請求項１５に記載の無線電力伝送装置。
17. 誘電体材料を含む追加的な誘電体シートが、前記フェライト・シートと前記金属シートとの間に配置されている、請求項１６に記載の無線電力伝送装置。
18. 請求項１−１７のうち何れか一項に記載の無線電力伝送装置と、受信コイルを有する電力受信装置とを有し、前記受信コイルと前記インダクタンス回路とが互いに申し分なく配置されていなかったとしても、前記電力受信装置は電力を受けることが可能である、無線電力伝送システム。
19. 無線電力伝送システムを駆動する方法であって、
    第１伝送コイルをインピーダンス回路に結合するステップと、
    第１電力量を伝送するステップと、
    電圧、電流、位相角、共振周波数から選択される少なくとも１つの伝送パラメータを決定するステップと、
    前記第１伝送コイル及び前記第１伝送コイルに直列に結合される第２伝送コイルを、前記インピーダンス回路に結合するステップと、
    第２電力量を伝送するステップと、
    電圧、電流、位相角、共振周波数から選択される少なくとも１つの伝送パラメータを決定するステップと、
    所定の範囲内の周波数で前記伝送コイルの組み合わせを利用して、前記第１及び第２電力量より多い電力量を伝送するステップと、
    を有する方法。
    

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