JP2023179602A - ワイヤレス電力伝送のためのフェールセーフ安全回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】故障の場合に電力をシャントするメカニズムを有しワイヤレス電力伝送中の感電に対する安全性を高める磁気誘導共振式充電回路を提供する。【解決手段】磁気誘導共振を用いた直流バッテリー充電回路は、誘導二次コイル１０４、誘導二次コイルが、誘導一次コイルから受け取った磁場を交流（ＡＣ）信号に変換する共振ネットワーク１０１及びＡＣ信号を整流して負荷に印加するための直流（ＤＣ）信号を生成する同期整流段１０２を含む。同期整流段は、故障の場合にＡＣ電流源である共振ネットワークのＡＣ波形をシャントする。整流器コントローラ１１５は、過電圧、過電流故障状態又は過熱故障状態が検出されたときに、整流器の一対の常開スイッチ１０７、１０８をオフに保持し、整流器の一対の常閉スイッチ１０９、１１０をオンに保持してＡＣ電流源をシャントする。共振ネットワークが不平衡の場合、電動車両で生成される容量性電磁干渉を接地する。【選択図】図１

Description

本特許出願は、２０２０年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６３／０１０，７７１号および２０２０年１１月１９日に出願された米国特許出願第１６／９５２，９３３号の利益を主張する。これらは、「ワイヤレス電力伝送のための安全回路」と題し、ウォルゲマス、ジョンにより出願されたものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は共振誘導による電気エネルギーの伝送に関する。より具体的には、本開示は、高出力ワイヤレス電力伝送システムの安全性を最大化するシステム設計、回路アーキテクチャ、および安全回路の実装の詳細に関する。
誘導電力伝送には多くの産業や市場にまたがる多くの重要な用途がある。バッテリーなどの蓄電器に充電することへの誘導電力伝送の利用は、携帯可能な低電力民生機器において一般的になりつつある。
磁気共振を用いたコイル間での電力の伝送はよく知られている。ファラデーの誘導法則およびレンツの法則で説明されるように、一次（別称、送信機）コイルの交流電流は磁場を形成し、当該磁場がエアギャップを介して伝播して、対応する逆の電流を二次（別称 受信機）コイルに発生させる。バッテリーを充電するために、その誘導された交流（ＡＣ）は直流（ＤＣ）に変換される。整流器が、周期的に方向を反転させる交流（ＡＣ）を一方向にのみ流れる直流（ＤＣ）に変換する。
ＡＣ周波数、所望のＤＣ電圧、または所望の効率に応じて、受動整流器（ｐａｓｓｉｖｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）（ダイオードベース）または能動整流器（ａｃｔｉｖｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）（ＭＯＳＦＥＴまたはスイッチベース）が使用され得る。整流器は通常、バッテリーの充電に必要な均一な定常電圧および／または電圧レベル（ＤＣ／ＤＣ）変換をもたらすための追加の回路を必要とする。
より速い充電への要望が高まるにつれ、より高い電力での充電の必要性から、より高い電圧、より高い電流の使用がもたらされる。高電流源および高電圧源により安全上の危険性が高まるため、感電の可能性を減らす安全回路が望まれている。
本発明の主題に係る実施形態に関する様々な詳細が添付の図面および以下の詳細な説明本文で提供される。
本明細書に記載のシステムおよび方法は、故障の場合に電力をシャントするメカニズムを提供することにより、ワイヤレス電力伝送中の感電に対する安全性を高める。例示の実施形態において、磁気誘導共振式充電回路が提供される。この磁気誘導共振式充電回路は、誘導二次コイルを有する共振ネットワークであって、前記誘導二次コイルは誘導一次コイルから受け取った磁場を交流（ＡＣ）信号に変換するものである、前記共振ネットワークと、前記ＡＣ信号を整流して、充電される負荷に印加するための直流（ＤＣ）信号を生成する同期整流器とを含む。前記同期整流器は、さらに、故障の場合に前記ＡＣ波形をシャントする手段を含む。例示的な構成において、前記二次コイルは電動車両に取り付けられ、前記負荷は前記電動車両のバッテリーである。
例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは前記二次コイルの各端部に直列に接続された第１および第２の平衡コンデンサを含み、それにより、前記ＡＣ信号が前記第１および第２のコンデンサと直列共振するものである。前記同期整流器は一対の常開スイッチと一対の常閉スイッチとを有するものであり、前記一対の常開スイッチの一方および前記一対の常閉スイッチの一方は前記第１の平衡コンデンサに接続されており、前記一対の常開スイッチの他方および前記一対の常閉スイッチの他方は前記第２の平衡コンデンサに接続されているものである。前記シャントする手段は前記故障の場合に前記２次コイルをシャントする前記常閉スイッチを有するものである。前記常開スイッチは前記故障の場合に前記負荷の短絡を阻止するように構成されている。前記ＤＣ信号を調整して前記負荷に印加するための調整済みＤＣ信号を出力する信号調整回路が提供されてもよい。
例示的な実施形態において、前記共振回路から前記同期整流器への前記ＡＣ信号入力を監視する第１の電流および電圧センサーが提供されてもよく、また、前記負荷に印加される前記調整済みＤＣ波形を監視する第２の電流および電圧センサーが提供されてもよい。整流器コントローラが、前記第１の電流および電圧センサーならびに前記第２の電流および電圧センサーによって測定された値に応答して前記共振ネットワークにより出力された前記ＡＣ信号を位相ロックし、前記測定された値に応じて前記一対の常開スイッチおよび前記一対の常閉スイッチのスイッチングを制御する制御信号を提供してもよい。前記同期整流器の過熱故障状態を検出し、検出信号を前記整流器コントローラに提供する温度センサーが提供されてもよい。
他の例示的な実施形態において、前記充電回路は、さらに、入力ＡＣ信号振幅、入力ＡＣ信号周波数、調整済みＤＣ波形電圧、調整済みＤＣ波形電流、および／または前記同期整流器の温度を前記整流器コントローラから受け取り、例えば検出された故障状態からの保護を提供するよう前記整流器コントローラの動作を命令する充電プロセッサを含む。前記充電プロセッサは、前記ＡＣ信号周波数が許容範囲内で、前記ＡＣ信号の二乗平均平方根が閾値を上回り、且つ故障が検出されていない場合に、前記共振ネットワークからの前記ＡＣ信号のほぼゼロ交差で前記一対の常開スイッチおよび前記一対の常閉スイッチをオンオフするように前記整流器コントローラに指示するものである。一方、故障状態が検出されると、前記充電プロセッサは前記整流器コントローラを無効にして前記一対の常開スイッチをオフに保持し前記一対の常閉スイッチをオンに保持するものである。例えば、前記第２の電流および電圧センサーによって過電圧、過電流故障状態が検出された場合、または前記温度センサーによって過熱故障状態が検出された場合、前記整流器コントローラは前記一対の常開スイッチをオフに保持し前記一対の常閉スイッチをオンに保持してもよい。
更なる例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは交流（ＡＣ）電流源を有してもよく、また、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対のダイオードと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対のダイオードとを有してもよい。前記シャントする手段は、前記第２の対のダイオードの第１のダイオードと並列に接続された第１の常閉スイッチと、前記第２の対のダイオードの第２のダイオードと並列に接続された第２の常閉スイッチとを有してもよい。前記第１および第２の常閉スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである。
更なる例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは交流（ＡＣ）電流源を有してもよく、また、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対のダイオードと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対のダイオードとを有してもよい。前記シャントする手段は、前記第１の対のダイオードと前記第２の対のダイオードとの間に接続された常閉安全スイッチを有してもよい。前記常閉安全スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである。
更なる例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは交流（ＡＣ）電流源を有してもよく、また、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対の常開スイッチと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対の常開スイッチとを有してもい。前記シャントする手段は前記第１の対の常開スイッチと前記第２の対の常開スイッチとの間に接続された常閉安全スイッチを有してもよい。前記常閉安全スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである。
例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは平衡または不平衡とすることができる。様々な構成を用いることができる。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第２の共振コンデンサとを有する平衡並列―並列共振ネットワーク（ＰＰＲＮ）であってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと直列の第２の共振コンデンサとを有する不平衡直列―直列共振ネットワーク（ＳＳＲＮ）であってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと直列の第２の共振コンデンサとを有する不平衡並列―直列共振ネットワーク（ＰＳＲＮ）であってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第２の共振コンデンサとを有する不平衡直列ー並列共振ネットワーク（ＳＰＲＮ）であってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記誘導コイルの第１の端部で前記二次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルの第２の端部で当該二次コイルと直列の第３の共振コンデンサとを有する平衡ＰＳＲＮであってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルの第１の端部で当該一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記一次コイルの第２の端部で当該一次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第３の共振コンデンサとを有する平衡ＳＰＲＮであってもよい。
前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルの第１の端部で当該一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記一次コイルの第２の端部で当該一次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルの第１の端部で当該二次コイルと直列の第３の共振コンデンサと、前記二次コイルの第２の端部で当該二次コイルと直列の第４の共振コンデンサとを有する平衡ＳＳＲＮであってもよい。
例示的な実施形態において、前記共振ネットワークは、さらに、方形コイル巻線を有する誘導一次コイルを有してもよく、前記方形コイル巻線は絶縁基板の少なくとも１つの側に配置されている。前記共振コンデンサは前記方形コイル巻線の第１の端部に直列に接続されていてもよく、前記方形コイル巻線の第２の端部はグランドに接続されていてもよい。結果として、前記方形コイル巻線はグランドに対して前記共振コンデンサの電圧の半分のコモンモード電圧を有し、これにより、前記方形コイル巻線が容量性電磁干渉ラジエータとなり得る。
他の例示的な実施形態では、第１の共振コンデンサが前記方形コイル巻線の第１の端部に直列に接続されていてもよく、第２の共振コンデンサが前記方形コイル巻線の第２の端部に直列に接続されていてもよい。そのような構成では、前記方形コイル巻線の前記第１の端部と前記第２の端部間の中点が実質的にグランドとなり、それにより、前記方形コイル巻線が容量性の電磁干渉を放射しないものである。
更なる例示的な実施形態において、前記共振ネットワークが不平衡である場合に放射される容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を軽減するための技術が提供される。第１の技術によれば、前記電動車両には充電中に前記ＥＭＩを接地する導電性ビアを有するタイヤが装備される。第２の技術によれば、前記電動車両は、充電中に前記ＥＭＩを接地する接地ケーブルを有するものである。第３の技術によれば、前記電動車両は、前記電動車両のバッテリーによって電力を供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を有する。
他の態様によれば、電動車両のバッテリーを充電するために、磁気誘導共振式充電回路であって、電動車両において誘導二次コイルを有する共振ネットワークであって、前記誘導二次コイルは誘導一次コイルから受け取った磁場を交流（ＡＣ）信号に変換するものであり、この共振ネットワークは不平衡であり、それにより容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を放射するものである、前記共振ネットワークと、前記ＡＣ信号を整流して、前記電動車両の前記バッテリーに印加するための直流（ＤＣ）信号を生成する同期整流器と、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段とを含む充電回路が提供される。例示的な実施形態において、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は前記電動車両のタイヤを有してもよく、この場合、前記タイヤは、充電中に前記ＥＭＩを接地する導電性ビアを備えている。代替的に、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は充電中に前記ＥＭＩを接地するように前記電動車両に接続された接地ケーブルを有してもよい。他の実施形態では、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は、前記電動車両のバッテリーによって電力が供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を有してもよい。
この要約部分は、本発明の主題の態様を簡略化された形式で紹介するために提供され、詳細な説明の本文に続き本発明の主題の更なる説明である。この要約部分は、請求される主題の本質的または必要な特徴を特定することを意図するものではなく、この要約部分に列挙された要素の特定の組み合わせおよび順序は請求される主題の要素を限定することを意図するものではない。むしろ、下記部分は、以下の詳細な説明に記載の実施形態のいくつかの要約された例示を提供することが理解されよう。
本発明の前述のおよび他の有益な特徴ならびに利点は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、安全性が強化された磁気共振誘導システムの高レベル回路の実施形態を概略的に示す。 図２は、無効負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図３は、無効負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図４Ａは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｂは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｃは、直流電圧負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｄは、直流電圧負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図５Ａは、インピーダンス負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｂは、インピーダンス負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｃは、インピーダンス負荷を有する交流電流源の受動整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図６は、インピーダンス負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図７Ａは、並列‐並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｂは、不平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｃは、ハイブリッド並列―不平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｄは、ハイブリッド不平衡直列―並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｅは、ハイブリッド並列―平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｆは、ハイブリッド平衡直列ー並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｇは、平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図８は、磁気共振誘導電力システムで使用するコイルを幾何学的に示す。 図９は、共振誘導電力システムで使用するための平面コイルに相当する不平衡回路を概略的に示す。 図１０は、共振誘導電力システムで使用する平面コイルに相当する平衡回路を概略的に示す。 図１１は、不平衡共振ネットワークを備えた電動車両の共振誘導電力システムについてその寄生電界を示す。
本発明の例示的な実施形態が図に関して説明される。本明細書に記載の電流源安全回路およびそれに関連する方法は、本開示の一部を形成する添付の図面および例に関連して提供される以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができる。この説明は、本明細書に記載および／または示される特定の製品、方法、条件、またはパラメータに限定されるものではなく、本明細書で使用される用語は、単なる例示として特定の実施形態を説明することを目的としており、請求される主題を限定することは意図されないことが理解されよう。同様に、考えられるメカニズム若しくは作用機序または改良の理由に関する説明は例示のみを目的としており、本明細書に記載の主題は、そのような提案されたメカニズム若しくは作用機序または改良の理由の正誤によって限定されるべきではない。この文全体を通して、この説明はそのような方法を実施するための方法およびシステム／ソフトウェアの両方に言及していることが理解される。
次に、例示的な実施形態の詳細な説明を図１～図１１を参照して説明する。この説明は、可能な実施形態の詳細な例を提供するが、これらの詳細は例示を意図したものであり、本発明の主題の範囲を決して限定するものではないことに留意されたい。
オープンエアトランスを使用するワイヤレス電力伝送システムでは、磁気／ワイヤレス充電に使用される共振ネットワーク（つまり、一次／送信機と二次／受信機）が、車両において整流のために交流電流源を形成する。電流源があると、電源の家庭用シナリオおよび産業用シナリオの電圧源特有の規定がほとんど逆になる。これらのシナリオとの主な違いは、電圧源では短絡が悪いことである。その結果、電力変換トポロジーは短絡を回避するためにノーマリーオフのデバイスで構築される。しかしながら、電流源の場合はその逆になる。つまり、開回路は不良である。これは、典型的な整流技術が望ましくないことを意味する。ストレート受動（ダイオードベース等の）整流器は保護を提供しない。従来の同期整流器は保護を提供できるが、それはデバイスに電力を供給してデバイスをオンにする確実な手段がある場合に限られる。
図１は、磁気誘導共振を用いた直流バッテリー充電回路の高レベルの概略図を概略的に示す。共振ネットワーク１０１（別称、受信機または二次）は、誘導二次コイル１０４と、平衡容量１０５および１０６とを有する。二次コイル１０４は、充電用送信機（図示せず）からの磁場を、電圧領域の平衡容量１０５および１０６と直列に共振する交流（ＡＣ）信号に変換する。図７Ａ～図７Ｇに関して以下で説明するように、共振ネットワークの一次側は平衡または不平衡とすることができる。次に、共振ネットワーク１０１からの前記ＡＣ信号は整流段１０２で直流（ＤＣ）信号へと整流される。整流段１０２は、対をなす常開（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｐｅｎ：ＮＯ）スイッチ１０７および１０８と、対をなす常閉（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ：ＮＣ）スイッチ１０９および１１０を用いた同期整流回路を有する。以下で説明するように、対をなすＮＣスイッチ１０９および１１０は、故障の場合に二次コイル１０４をシャントするように機能する。前記ＤＣ信号は調整回路１１１に渡される。調整回路１１１は、バッテリー１１２を充電するのに使用される調整済みＤＣ信号を出力する。
整流器コントローラ１１５は、整流器スイッチ１０７～１１０のタイミングを制御するための基準として（例えば、検出されたゼロ交差について）、第１の電流および電圧センサー１１３で共振ネットワーク電流を位相ロックする。整流器コントローラ１１５（公称、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）または従来のマイクロコンピュータ）は、ＡＣ波形が十分な振幅を有しスイッチング周波数がその取得範囲内にあるかぎり、第１の電流および電圧センサー１１３を介して二次コイル１０４からの入力ＡＣ波形についてその振幅、周波数および瞬時位相の推定値を生成する。整流器コントローラ１１５はまた、第２の電流および電圧センサー１１４を介してバッテリー１１２に印加される出力ＤＣ電流波形の振幅を監視する。
車両充電プロセッサ１１６（一般にマイクロプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装される）は、インターフェース（例えば、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）バス）を介して、（ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）システム）内部サブシステムと外部車両システムの通信を処理し、整流器コントローラ１１５の動作を命令することができる。例えば、車両充電プロセッサ１１６によって照会されると、整流器コントローラ１１５は、入力ＡＣ信号の振幅、入力ＡＣ信号の周波数、ＤＣ出力の電圧および電流、ならびにスイッチングデバイスの温度を報告してもよい。報告された入力スイッチング周波数が許容される閉範囲内（例えば、７９ｋＨｚ～９０ｋＨｚ）であり、ＡＣ二乗平均平方根（ＲＭＳ）が閾値（例えば、５アンペア）を超えており、且つ故障が検出されていない場合、車両充電プロセッサ１１６は、整流器コントローラ１１５に、入力ＡＣ波形の適切なゼロ交差で上対のＮＯスイッチ１０７および１０８ならびに下対のＮＣスイッチ１０９および１１０をオンオフして整流の効率を最大化するように指示することができる。公称状態は「起動」または「安全」であり、この場合、上対のＮＯスイッチ１０７および１０８は開いており、下対のＮＣスイッチ１０９および１１０は閉じている。二次コイル１０４が正の信号を生成しているとき、スイッチ１０７および１０９の第１のセットが開かれ、スイッチ１０８および１１０の第２のセットが閉じられる。二次コイル１０４からの信号が反転すると、スイッチ１０７および１０９の第１のセットが閉じられ、スイッチ１０８および１１０の第２のセットが開かれる。このシーケンスが繰り返されて、数学的には入力ＡＣ信号の絶対値である出力信号が生成される。
車両充電プロセッサ１１６によって無効にされた場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持する。また、電流および電圧センサー１１４で過電圧、過電流故障状態が検出された場合、または温度センサー１１７で過熱故障状態が検出された場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに保持し、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持して、二次コイル１０４からの電流をシャントする。
整流器コントローラ１１５は電流および電圧センサー１１４によって整流段１０２からの出力ＤＣ電圧を監視する。整流器コントローラ１１５はまた、電流および電圧センサー１１４によって出力ＤＣ電流を測定し、当該出力ＤＣ電流を車両充電プロセッサ１１６に報告し、それにより、システムがバッテリー１１２に供給される総電力を計算できるようになっている。さらに、整流器コントローラ１１５は、整流器のスイッチングデバイス１０７～１１０の取付プレートの温度を測定する前記温度センサーまたは複数のセンサー（例えば、サーミスタまたはサーミスタのネットワーク）１１７を監視してもよい。この取付プレートの温度はスイッチングデバイス１０７～１１０のケース温度を表すが、これは、スイッチングデバイス１０７～１１０による電力損失に関連している。
直列―直列共振送信機（図示せず）と組み合わせる場合、共振ネットワーク１０１はＡＣ電流源である。共振ネットワーク１０１を開回路にする状態は危険な状態をもたらす。しかしながら、同期整流段１０２のＮＯスイッチ１０７および１０８ならびにＮＣスイッチ１０９および１１０の前記選択により、本質的に安全なシステムとなる。通常の状態では、偶発的または特定的に制御されて、二次コイル１０４をシャントするようＮＣスイッチ１０９および１１０を閉じることができ、したがって、共振ネットワーク１０１の前記ＡＣ電流源をシャントする手段が提供できる。ＮＯスイッチ１０７および１０８は、出力ネットワーク１０３、特にバッテリー１１２の短絡を阻止する。
故障の場合、バッテリー１１２は信号調整回路１１１から切断され、調整回路１１１に流れる電流は変化しないが調整回路１１１から流れ出る電流はゼロに減少する。これにより、調整回路１１１および整流段１０２を通じた電圧が、前記整流された電流および調整回路１１１のインピーダンスに比例した速度で増加することとなる。
整流器コントローラ１１５は、電流および電圧センサー１１４を用いて電圧および／または電流を監視して、バッテリー１１２の切断を検出する。故障の場合、整流器コントローラ１１５は、ＮＯスイッチ１０７および１０８を開き、ＮＣスイッチ１０９および１１０を閉じることによって応答することができる。これは、共振ネットワーク１０１を調整回路１１１およびバッテリー１１２から切断するように作用する。整流段１０２から調整回路１０１およびバッテリー１１２への整流された電流の流れがＮＯスイッチ１０７および１０８によって遮断され、共振ネットワーク１０１からの電流の流れがＮＣスイッチ１０９および１１０へシャントされると、電力伝送は直ちに停止することとなる。
コントローラを操作したり同期的に整流したりする制御力がない受動状態では、ＮＯスイッチ１０７および１０８は出力ネットワーク１０３を開き、ＮＣスイッチ１０９および１１０は共振ネットワーク１０１をシャントする。これは、スプリアスエネルギーが偶発的なものまたは故意によるもののいずれであっても、共振ネットワーク１０１によって拾われるスプリアスエネルギーから充電器、負荷およびサービス要員を保護する。
図２は、無効負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。図２では、電圧源２０１と負荷２０２が共通のグランド２０３を共有する、一般的な電圧源供給の保護ソリューションを示す。電圧源２０１は供給元の電流に対して不変の固定電圧を提供する。供給元の電流は、負荷２０２の負荷インピーダンスによって設定される。電流センサー２０５は供給元の電流を監視する。供給元の電流が許容限界を超える場合、電流センサー２０５は、常開スイッチ２０４を開状態にトリガーすることによって保護機能を提供する。常開スイッチ２０４はリセットされるまで開いたままである。常開スイッチ２０４の切断がトリガーされると、負荷２０２の両端の電圧および電流がゼロにされる。本明細書に示す常開（ＮＯ）スイッチ２０４および電流センサー２０５は、広く使用されている様々なリレー、回路遮断器、およびヒューズを備えた単なる１つの実装オプションである。図２に示すように、事実上すべての電源および配電ネットワークは、電圧源で動作し、何らかの形式のブレーカーまたはヒューズを用いてある種の電流制限スキームを実施する。電圧源電力システムでは、開回路が良好であり、短絡はよくないことが理解されよう。
図３に示す電流源供給の実施形態はあまり一般的でない。定電流電源では、より一般的な電圧源電源における安全保護の最善の措置が忠実に現れる必要がある。電流源電力システムでは、電圧源電力システムとは異なり、開回路は良くなく、シャント（意図的な短絡）が良好な実施形であることが理解されよう。したがって、本明細書で説明する安全回路の異なる実施形態は、電源が電流源電源システムであるか電圧源電源システムであるかに基づいて検討されるべきである。
図３は、無効負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。電流源３０１はその両端の電圧とは無関係に無効負荷３０２に電流を供給する。この例では、全ての回路パスが共通のグランド３０３を共有している。電流源３０１は電圧電流に対して不変の固定電流を提供する。
電流のシャント、および供給元から負荷の分離（およびその逆）を提供するために、電位感受式断路器が無効負荷３０２と並列に配置される。図３に示す常閉（ＮＣ）スイッチシャント３０４および電圧センサー３０５は、様々なスイッチ、リレー、回路ブレーカー、およびヒューズを伴う広く用いられているシャント手段の単なる１つの実装オプションである。ＮＣスイッチシャント３０４が電圧センサー３０５によってトリガーされると、ＮＣスイッチシャント３０４が開かれて、無効負荷３０２を流れる電圧および電流の流れがゼロへと動される。
図４Ａ～図４Ｄは全て、ワイヤレス電力伝送に必要な安全整流回路と追加のサブシステムの代替的な実施形態を示す。
図４Ａは、複雑な負荷インピーダンスを備えた交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ａは、従来の交流（ＡＣ）電圧源と、直流（ＤＣ）電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電圧源４０１は、常開（ＮＯ）スイッチ４０２、４０３、４０４、および４０５のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流されたＤＣ電圧をフィルタリングにより負荷４０７用のＤＣ電圧源にする。故障の場合、ＮＯスイッチは故障時として開き、負荷４０７をＡＣ電圧源４０１から切断して保護する。
図４Ｂは、例示的な実施形態における、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｂは、ＡＣ電流源と、ＤＣ電流源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０３および４０４ならびに常閉（ＮＣ）スイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングにより負荷４０７のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するため、ＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを開く必要がある。故障状態では、閉じたスイッチ４０８および４０９が負荷４０７をＡＣ電流源４１０から分離して電力の逆送りを防ぐ。
図４Ｃは、直流電圧負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｃは、ＡＣ電圧源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電圧源４０１は、ＮＯスイッチ４０２、４０３、４０４、および４０５のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電圧をフィルタリングにより電力変換段４１１のためのＤＣ電圧源にする。電力変換段４１１は、ＤＣ電圧源を、バッテリー４１２を充電するのに必要な電圧に適合させる。
図４Ｄは、例示的な実施形態における直流電圧負荷を有する交流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｄは、ＡＣ電流源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０２および４０３ならびにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングによりバッテリー４１２のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するためにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを必要とする。しかしながら、このシステムは電流源から電力を供給されるため、バッテリーの充電に図４Ｃの電力変換段４１１は必要とされない。
図５Ａは、インピーダンス負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ａは、ＡＣ電圧源５０１のための従来の受動型全波整流回路を概略的に示す。ダイオード５０２、５０３、５０４、および５０５は一方向ゲートとして機能し、ＡＣ信号の全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
全てのダイオード回路と同様に、順方向バイアス状態での逆回復時間および電圧降下は整流回路の効率に影響を与える。受動整流回路はコントローラ段を必要としない。しかしながら、故障の場合に、ＡＣ電圧源５０１は、電力調整段５０６を介して負荷５０７に接続されたままであり、負荷５０７を電圧源故障に（およびその逆に）さらす。
図５Ｂは、例示的な実施形態におけるインピーダンス負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ｂは、ＡＣ電流源５０８の整流のための安全性が強化された回路のハイブリッド型の実施形態を示す。フルブリッジ受動整流ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、常閉（ＮＣ）スイッチ５０９および５１１により補われる。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。ＮＣスイッチ５０９および５１１は、故障の場合にシャントする手段として機能し、ＡＣ電流源５０８およびダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２間の過電圧損傷を防止する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
全てのダイオードベースの整流回路と同様に、順方向バイアス状態での逆回復時間および電圧降下は整流回路の効率に影響を与える。この受動整流回路はコントローラ段を必要としないが、ＮＣスイッチ５０９および５１１に命令するためのコントローラ（例えば、整流器コントローラ１１５）が必要である。
図５Ｃは、例示的な実施形態におけるインピーダンス負荷を有する交流電流源の代替的な受動整流を概略的に示す。図５Ｃは、ＡＣ電流源５０８のための安全性が強化された全波整流回路の代替的な準受動（ｓｅｍｉ－ｐａｓｓｉｖｅ）の実施形態を示す。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。この実施形態では、常閉（ＮＣ）シャントスイッチ５１３が回路内に配置されている。故障または命令オプションが発生した場合、シャントスイッチ５１３は、整流回路内の電流をシャントし、電力調整段５０６および負荷５０７への損傷を防止する。
この実施形態は、より単純な制御を備えたより安価な実装である。しかしながら、効率は低くなる。さらに、それは、シャントスイッチ５１３の分離された制御境界を越えて高いｄＶ／ｄｔを生じる。全てのダイオードベースの整流回路と同様に、順方向バイアス状態での逆回復時間および電圧降下は整流回路の効率に影響を与える。
図６は、例示的な実施形態におけるインピーダンス負荷を有する交流電流源の代替的なスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図６は、ＡＣ電流源６０１の能動整流のための代替的な安全回路を示す。電力調整段６０６は、充電される負荷６０７に印加する整流器電圧出力を平滑化するのに役立つ。全波整流は、ＡＣ電流源６０１の正弦波出力のゼロ交差で交互に切り替えることによって達成される。常閉（ＮＣ）安全スイッチ６０８は、上部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０２および６０４と下部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０３および６０５との間に設置され、故障または命令オプションが発生した場合に、整流回路内の電流をシャントする手段を提供して、電力調整段６０６および負荷６０７への損傷を防止する。
故障状態または整流制御不能の場合では、ＮＯ整流スイッチ６０２、６０３、６０４、および６０５は開状態になれず（または命令され）、一方、ＮＣ安全スイッチ６０８は閉状態となれない。したがって、負荷がＮＣ安全スイッチ６０８によって分離されている間、電流はＡＣ電流源６０１にシャントバックされる。この実施形態は、追加のスイッチ６０８を使うことで常閉（ＮＣ）スイッチの需要を減らす。
共振誘導ワイヤレス充電では、４つの可能な２極ネットワークがある。並列―並列共振ネットワーク（ＰＰＲＮ）と直列―直列共振ネットワーク（ＳＳＲＮ）がある。ガルバニック絶縁により、並列―直列共振ネットワーク（ＰＳＲＮ）と直列―並列共振ネットワーク（ＳＰＲＮ）を形成することもできる。ＰＰＲＮ、ＰＳＲＮ、およびＳＰＲＮは全て、負荷インピーダンスがネットワークインピーダンスと比較して大きい場合はＡＣ電圧制御電圧源（ＡＣ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅｓ：ＶＣＶＳ）として動作し、負荷インピーダンスがネットワークインピーダンスと比較して小さい場合はＡＣ電圧制御電流源（ＡＣ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ：ＶＣＣＳ）として動作する。一方、ＳＳＲＮは全ての負荷インピーダンスに対してＶＣＣＳとして動作する。定電圧負荷、例えばバッテリーは、電力レベルが変化すると可変負荷インピーダンスとして振る舞う。バッテリーは、低電力では高インピーダンス負荷として振る舞い、高電力では低インピーダンスとして振る舞う。高電力では、４つの共振ネットワーク全てがＶＣＣＳとして動作することとなる。
ＶＣＣＳとして動作する場合、ＰＰＲＮの相互コンダクタンス（Ｇ）は、アンペア／Ｖｏｌｔの単位でｋ／（ｗ＊Ｌ）である。ここで、ｋは、０～１の範囲の１次および２次インダクタの磁気結合係数であり、単位はない。ｗはネットワークの共振周波数でラジアン／秒の単位、Ｌはヘンリーの１次および２次インダクタの幾何平均である。ＶＣＣＳとして動作する場合、ＰＳＲＮ、ＳＰＲＮ、およびＳＳＲＮのＧは１／（ｗ＊Ｌ＊ｋ）である。これは、固定Ｇでは、ＰＰＲＮのインダクタがｋ２だけ小さく、ＰＰＲＮのコンデンサがｋ－２だけ大きいことを意味する。コンデンサは遥かに高価な部品であるため、これは望ましくない。
共振ネットワークは、Ｐ／ｋに比例する電力量Ｓを共振させる。ここで、Ｐはネットワークを通過する電力である。ｋの典型的な値（例えば、０．０５～０．２）では、ＳはＰの５～２０倍高くなる。並列共振分岐において、共振電力は容量性要素および誘導要素を流れる電流と見なされる。直列共振分岐において、共振電力は容量性要素および誘導要素の両端の更なる電圧と見なされる。例えば、ｋが０．１の５００Ｖ、１２５Ａシステムでは、並列共振では前記インダクタおよびコンデンサにおいて１２５Ａ／０．１または１，２５０Ａが共振し、直列共振では前記インダクタおよびコンデンサにおいて５００Ｖ／０．１または５，０００Ｖが共振する。直列共振の場合は、より高い電圧で更なる絶縁を必要とする一方、より高い電流で更なる導体を必要とするので好ましく、より高い電圧によってより軽量でよりコンパクトな製品が可能となる。
これらの考慮事項を念頭に置いて、ＰＳＲＮ、ＳＰＲＮ、およびＳＳＲＮは各々、平衡トポロジーと不平衡トポロジーの両方を有し得る。ＰＰＲＮは平衡トポロジーのみを有する。これらのトポロジーのそれぞれを図７Ａ～図７Ｇに示す。
図７Ａは、例示的な実施形態における平衡ＰＰＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、グランド並列共振コンデンサ７０３と、車両誘導コイル７０２と、車両並列共振コンデンサ７０４とを有する。
図７Ｂは、例示的な実施形態における不平衡ＳＳＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、グランド直列共振コンデンサ７０５と、車両誘導コイル７０２と、車両直列共振コンデンサ７０６とを有する。
図７Ｃは、例示的な実施形態における不平衡ＰＳＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、グランド並列共振コンデンサ７０７と、車両誘導コイル７０２と、車両直列共振コンデンサ７０８とを有する。
図７Ｄは、例示的な実施形態における不平衡ＳＰＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、グランド直列共振コンデンサ７０９と、車両誘導コイル７０２と、車両並列共振コンデンサ７１０とを有する。
図７Ｅは、例示的な実施形態における平衡ＰＳＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、グランド並列共振コンデンサ７１１と、車両誘導コイル７０２と、一対の車両直列共振コンデンサ７１２および７１３とを有する。
図７Ｆは、例示的な実施形態における平衡ＳＰＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、一対のグランド直列共振コンデンサ７１４および７１５と、車両誘導コイル７０２と、車両並列共振コンデンサ７１６とを有する。
図７Ｇは、例示的な実施形態における平衡ＳＳＲＮ回路を概略的に示す。この共振ネットワークは、グランド誘導コイル７０１と、一対のグランド直列共振コンデンサ７１７および７１８と、車両誘導コイル７０２と、一対の車両直列共振コンデンサ７１９および７２０とを有する。
図８は、例示的な実施形態における磁気共振誘導電力システムにおいて一次コイルとして使用するための平面コイル８０１を幾何学的に示す。方形のコイルとして示しているが、他の形状（例えば、古典的な丸いコイルまたは矩形）も可能である。コイル巻線８０３は、絶縁基板８０５上に配置され、個別の導電性リボン（例えば、プリント回路基板）、絶縁されたワイヤストランド（例えば、リッツワイヤ）などを含んでもよい。ビア８０２および８０４は絶縁基板８０５の反対側にある他のコイルとの接続を可能にする。
図９は、例示的な実施形態における直列共振ネットワーク９０１で使用する平面コイル８０１と同等の不平衡回路を概略的に示す。直列共振ネットワーク９０１は送信機である。ネットワークの端子９０６および９０７はインバータに接続されている。共振コンデンサ９０５は、直列共振ネットワーク９０１が共振するときに、その両端に高電圧高周波電圧を有する。これと同じ電圧がインダクタ９０３の両端に見られる。インダクタ９０３の第１の端子９０４は効率的にグランド電位に保持される。インダクタの第２の端子９０２は、グランドに対して共振コンデンサ９０５の全電圧にさらされる。すなわち、インダクタ９０３の電圧は、グランドに対して、共振コンデンサ９０５の両端の電圧の半分のコモンモード電圧を有し、これにより、インダクタ９０３は容量性電磁干渉（ＥＭＩ）ラジエータとなる。この構成では、図１１に関して以下に示すように、ＥＭＩ放射を軽減する技術が望ましい。
図１０は、例示的な実施形態における直列共振ネットワーク１００１で使用する平面コイル８０１と同等の平衡回路を概略的に示す。直列共振ネットワーク１００１も送信機である。前記ネットワークの端子１００７および１００８は、インバータに接続されている。コンデンサ１００５および１００６は、直列共振ネットワーク１００１が共振するときに、それらの両端に高電圧高周波電圧を有する。それらの電圧の合計はインダクタ１００３の両端に見られる。しかしながら、直列共振ネットワーク１００１は平衡状態にあるので、端子１００２と端子１００４間のインダクタ１００３の中点は実質的に接地されている。したがって、インダクタ１００３の両端には差動電圧があるが、グランドへの高周波コモンモード電圧はない。インダクタ１００３は、容量性のＥＭＩを放射せず、ＥＭＩを処理するメカニズムを必要としない。
図１１は、例示的な実施形態におけるＥＭＩ放射につながる不平衡共振ネットワークを備えた電動車両１１０１の共振誘導電力システムについてその寄生電界を示す。電動車両１１０１は、シャーシ１１０６とグランド１１０８間にタイヤ１１０２を介してわずかなコンダクタンスを有する。シャーシ１１０６とグランド１１０８間の高周波でのアドミタンスは、シャーシ１１０６とグランド１１０８間の静電容量によって左右する。送信機１１０４または受信機１１０３によって生成されるコモンモード容量性ＥＭＩは、シャーシ１１０６とグランド１１０８間のギャップ１１０７に発生する電界１１０５が前記容量を励起しシャーシ１１０６に電圧をもたらすこととなるので、最小化しなければならない。少なくとも、この容量結合はＥＭＩの問題を大きくする可能性があり、最悪の場合、ショックの危険をもたらす可能性がある。
導電パスをグランドに追加することによりシャーシ電圧を下げることができ、これは充電中にＥＭＩを接地する手段として機能する。タイヤの材料に低抵抗の導電性ビアを付加することで、タイヤの既導電材料（カーボンブラック）を強化してもよい。接地ケーブルまたはワイヤの「テール」の配置により充電中のシャーシ電圧を軽減することもできる。また、シャーシ電圧は、ワイヤレス充電システムまたは車両バッテリーシステムによって電力が供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を追加することによっても軽減することができる。
本明細書に記載の実施形態は、充電中の感電の可能性を最小限に抑えるために、故障の場合に直流波形をシャントする様々な手段を提供するものであることが当業者には理解されよう。この技術は、平衡または不平衡の共振ネットワークトポロジーに用いることができる。前記整流回路は、故障の場合に電力をシャントするように設計された構成のダイオードおよび／またはスイッチを含んでよく、これは、充電プロセス中の、特に電動車両の充電などの高電力伝送用途における安全性の向上につながる。
本明細書で説明するように、本明細書に記載の方法の態様を実施するロジック、コマンド、または命令は、デスクトップまたはノートブック・パーソナル・コンピュータ、モバイルデバイス、例えばタブレット、ネットブック、およびスマートフォンなど、並びにクライアント端末およびサーバでホストされるマシンインスタンスなどのコンピューティングシステムの任意の数のフォームファクタを含むコンピューティングシステムで提供することができる。本明細書で説明する他の実施形態は、本明細書で説明する技術を、他の形態のプログラムされた論理、ハードウェア構成、またはそのような技術の機能を実行するそれぞれの手段を備えた装置を含む特有のコンポーネント若しくはモジュールを含む他の形態へ組み込むことを含む。そのような技術の機能を実行するのに使用される各アルゴリズムは、本明細書に記載の電気的動作のいくつかまたは全てのシーケンス、または添付の図面および以下の詳細な説明に示す他の態様を含み得る。また、本明細書に記載の方法を実施する命令を含むそのようなシステムおよびコンピュータ可読媒体も、例示的な実施形態を構成する。
一実施形態において、本明細書に記載の監視機能および制御機能はソフトウェアで実施することができる。ソフトウェアは、１若しくはそれ以上の非一時的メモリまたは、ローカルの若しくはネットワーク化された他の種類のハードウェアベースの記憶装置などの、コンピュータ可読媒体若しくはコンピュータ可読記憶装置に記憶されたコンピュータ実行可能命令からなり得る。さらに、そのような機能は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせとなり得るモジュールに対応する。必要に応じて、１若しくはそれ以上のモジュールで複数の機能を実行してもよく、記載されている実施形態は単なる例に過ぎない。ソフトウェアは、デジタル・シグナル・プロセッサ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサ、またはパーソナルコンピュータ、サーバ、若しくは他のコンピュータシステムなどのコンピュータシステム上で動作する他の種類のプロセッサ上で実行され得、そのようなコンピュータシステムを具体的にプログラムされた機械に変え得る。
本明細書に記載されるような実施例は、プロセッサ、ロジック、またはいくつかのコンポーネント、モジュール、またはメカニズム（本明細書では「モジュール」）を含み得るか、またはそれらで動作し得る。モジュールは、特定の動作を実行可能な有形のエンティティ（例えば、ハードウェア）であり、特定の様式で構成または配置することができる。一例では、モジュールとして指定された様式で（例えば、内部に、または他の回路などの外部エンティティに対して）回路を配置することができる。一例では、１若しくはそれ以上のコンピュータシステムの全体または一部（例えば、スタンドアロン、クライアント若しくはサーバコンピュータシステム）あるいは１若しくはそれ以上のハードウェアプロセッサを、指定された動作を実行するように動作するモジュールとして、ファームウェアまたはソフトウェア（例えば、命令、アプリケーションの一部、またはアプリケーション）により構成してもよい。一例では、ソフトウェアは機械可読媒体にあってもよい。ソフトウェアは、モジュールの基盤となるハードウェアによって実行されると、ハードウェアに指定された動作を実行させる。
したがって、「モジュール」という用語は、有形のハードウェアおよび／またはソフトウェアエンティティであって、特定された方法で動作するか本明細書に記載の動作の一部または全てを実行する、物理的に構築され、特定的に構成された（例えば、配線で接続された（ｈａｒｄｗｉｒｅｄ））、または限られた期間だけ（例えば、一時的に）構成された（例えば、プログラムされた）ものを含むと理解される。モジュールが一時的に構成されている例を考えると、各モジュールは任意の一時点でインスタンス化する必要はない。例えば、モジュールがソフトウェアを用いて構成された汎用ハードウェアプロセッサを有する場合、その汎用ハードウェアプロセッサは異なる時間に異なるそれぞれのモジュールとして構成され得る。したがって、ソフトウェアは、例えば、ある時点では特定のモジュールを構成し、その他の時点ではその他のモジュールを構成するように、ハードウェアプロセッサを構成することができる。
当業者であれば、本明細書に記載のトポロジーおよび回路実装方法論は単一の特定用途向け集積回路としての効果的な実現を可能にすることを理解されよう。さらに、本明細書に含まれる開示は、車両への電力の供給に関するものであるが、これは多くの可能な用途のうちの１つに過ぎず、車両用途以外のものを含む他の実施形態が可能であることを理解されたい。例えば、当業者であれば、車両以外の誘導充電用途、例えば、歯ブラシ、携帯電話、およびその他のデバイスを充電するのに使用されるもの（例えば、パワーマット（登録商標））といった携帯型の家庭用電子機器の充電器など、電流源安全回路を提供する多くの用途があることを理解されよう。したがって、これらおよび他のそのような用途は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
本特許出願は、２０２０年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６３／０１０，７７１号およびその優先権を主張する２０２０年１１月１９日に出願された米国特許出願第１６／９５２，９３３号の優先権の利益を主張する。これらは、「ワイヤレス電力伝送のための安全回路」と題し、ウォルゲマス、ジョンにより出願されたものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明の前述のおよび他の有益な特徴ならびに利点は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、安全性が強化された磁気共振誘導システムの高レベル回路の実施形態を概略的に示す。 図２は、負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図３は、負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図４Ａは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｂは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｃは、負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｄは、負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図５Ａは、負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｂは、負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｃは、負荷を有する交流電流源の受動整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図６は、負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図７Ａは、並列‐並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｂは、不平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｃは、ハイブリッド並列―不平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｄは、ハイブリッド不平衡直列―並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｅは、ハイブリッド並列―平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｆは、ハイブリッド平衡直列ー並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｇは、平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図８は、磁気共振誘導電力システムで使用するコイルを幾何学的に示す。 図９は、共振誘導電力システムで使用するための平面コイルに相当する不平衡回路を概略的に示す。 図１０は、共振誘導電力システムで使用する平面コイルに相当する平衡回路を概略的に示す。 図１１は、不平衡共振ネットワークを備えた電動車両の共振誘導電力システムについてその寄生電界を示す。
図１は、磁気誘導共振を用いた直流バッテリー充電回路の高レベルの概略図を概略的に示す。共振ネットワーク１０１（別称、受信機または二次）は、誘導二次コイル１０４と、平衡容量１０５および１０６とを有する。二次コイル１０４は、充電用送信機（図示せず）からの磁場を、電圧領域の平衡容量１０５および１０６と直列に共振する交流（ＡＣ）信号に変換する。図７Ａ～図７Ｇに関して以下で説明するように、共振ネットワークの一次側は平衡または不平衡とすることができる。次に、共振ネットワーク１０１からの前記ＡＣ信号は整流段１０２で直流（ＤＣ）信号へと整流される。整流段１０２は、対をなす常開（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｐｅｎ：ＮＯ）スイッチ１０７および１０８と、対をなす常閉（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ：ＮＣ）スイッチ１０９および１１０を用いた同期整流回路を有する。以下で説明するように、対をなすＮＣスイッチ１０９および１１０は、故障の場合に共振ネットワーク１０１をシャントするように機能する。前記ＤＣ信号は調整回路１１１に渡される。調整回路１１１は、バッテリー１１２を充電するのに使用される調整済みＤＣ信号を出力する。
車両充電プロセッサ１１６（一般にマイクロプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装される）は、インターフェース（例えば、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）バス）を介して、（ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）システム）内部サブシステムと外部車両システムの通信を処理し、整流器コントローラ１１５の動作を命令することができる。例えば、車両充電プロセッサ１１６によって照会されると、整流器コントローラ１１５は、入力ＡＣ信号の振幅、入力ＡＣ信号の周波数、ＤＣ出力の電圧および電流、ならびにスイッチングデバイスの温度を報告してもよい。報告された入力スイッチング周波数が許容される閉範囲内（例えば、７９ｋＨｚ～９０ｋＨｚ）であり、ＡＣ二乗平均平方根（ＲＭＳ）が閾値（例えば、５アンペア）を超えており、且つ故障が検出されていない場合、車両充電プロセッサ１１６は、整流器コントローラ１１５に、入力ＡＣ波形の適切なゼロ交差で上対のＮＯスイッチ１０７および１０８ならびに下対のＮＣスイッチ１０９および１１０をオンオフして整流の効率を最大化するように指示することができる。公称状態は「起動」または「安全」であり、この場合、上対のＮＯスイッチ１０７および１０８は開いており、下対のＮＣスイッチ１０９および１１０は閉じている。二次コイル１０４が正の信号を生成しているとき、スイッチ１０７および１０８の第１のセットが開かれ、スイッチ１０９および１１０の第２のセットが閉じられる。二次コイル１０４からの信号が反転すると、スイッチ１０７および１０８の第１のセットが閉じられ、スイッチ１０９および１１０の第２のセットが開かれる。このシーケンスが繰り返されて、数学的には入力ＡＣ信号の絶対値である出力信号が生成される。
車両充電プロセッサ１１６によって無効にされた場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持する。また、電流および電圧センサー１１４で過電圧、過電流故障状態が検出された場合、または温度センサー１１７で過熱故障状態が検出された場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに保持し、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持して、共振ネットワーク１０１からの電流をシャントする。
コントローラを操作したり同期的に整流したりする制御電力がない受動状態では、ＮＯスイッチ１０７および１０８は出力ネットワーク１０３を開き、ＮＣスイッチ１０９および１１０は共振ネットワーク１０１をシャントする。これは、スプリアスエネルギーが偶発的なものまたは故意によるもののいずれであっても、共振ネットワーク１０１によって拾われるスプリアスエネルギーから充電器、負荷およびサービス要員を保護する。
図２は、負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。図２では、電圧源２０１と負荷２０２が共通のグランド２０３を共有する、一般的な電圧源供給の保護ソリューションを示す。電圧源２０１は供給元の電流に対して不変の固定電圧を提供する。供給元の電流は、負荷２０２の負荷インピーダンスによって設定される。電流センサー２０５は供給元の電流を監視する。供給元の電流が許容限界を超える場合、電流センサー２０５は、常開スイッチ２０４を開状態にトリガーすることによって保護機能を提供する。常開スイッチ２０４はリセットされるまで開いたままである。常開スイッチ２０４の切断がトリガーされると、負荷２０２の両端の電圧および電流がゼロにされる。本明細書に示す常開（ＮＯ）スイッチ２０４および電流センサー２０５は、広く使用されている様々なリレー、回路遮断器、およびヒューズを備えた単なる１つの実装オプションである。図２に示すように、事実上すべての電源および配電ネットワークは、電圧源で動作し、何らかの形式のブレーカーまたはヒューズを用いてある種の電流制限スキームを実施する。電圧源電力システムでは、開回路が良好であり、短絡はよくないことが理解されよう。
図３は、負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。電流源３０１はその両端の電圧とは無関係に負荷３０２に電流を供給する。この例では、全ての回路パスが共通のグランド３０３を共有している。電流源３０１は電圧電流に対して不変の固定電流を提供する。
電流のシャント、および供給元から負荷の分離（およびその逆）を提供するために、電位感受式断路器が負荷３０２と並列に配置される。図３に示す常閉（ＮＣ）スイッチシャント３０４および電圧センサー３０５は、様々なスイッチ、リレー、回路ブレーカー、およびヒューズを伴う広く用いられているシャント手段の単なる１つの実装オプションである。ＮＣスイッチシャント３０４が電圧センサー３０５によってトリガーされると、ＮＣスイッチシャント３０４が閉じられて、負荷３０２を流れる電圧および電流の流れがゼロへと動される。
図４Ｂは、例示的な実施形態における、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｂは、ＡＣ電流源と、ＤＣ電流源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０２および４０３ならびに常閉（ＮＣ）スイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングにより負荷４０７のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するため、ＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを閉じる必要がある。故障状態では、開いたスイッチ４０２および４０３が負荷４０７をＡＣ電流源４１０から分離して電力の逆送りを防ぐ。
図４Ｃは、負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｃは、ＡＣ電圧源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電圧源４０１は、ＮＯスイッチ４０２、４０３、４０４、および４０５のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電圧をフィルタリングにより電力変換段４１１のためのＤＣ電圧源にする。電力変換段４１１は、ＤＣ電圧源を、バッテリー４１２を充電するのに必要な電圧に適合させる。
図４Ｄは、例示的な実施形態における負荷を有する交流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｄは、ＡＣ電流源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０２および４０３ならびにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングによりバッテリー４１２のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するためにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを必要とする。しかしながら、このシステムは電流源から電力を供給されるため、バッテリーの充電に図４Ｃの電力変換段４１１は必要とされない。
図５Ａは、負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ａは、ＡＣ電圧源５０１のための従来の受動型全波整流回路を概略的に示す。ダイオード５０２、５０３、５０４、および５０５は一方向ゲートとして機能し、ＡＣ信号の全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
図５Ｂは、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ｂは、ＡＣ電流源５０８の整流のための安全性が強化された回路のハイブリッド型の実施形態を示す。フルブリッジ受動整流ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、常閉（ＮＣ）スイッチ５０９および５１１により補われる。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。ＮＣスイッチ５０９および５１１は、故障の場合にシャントする手段として機能し、ＡＣ電流源５０８およびダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２間の過電圧損傷を防止する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
図５Ｃは、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の代替的な受動整流を概略的に示す。図５Ｃは、ＡＣ電流源５０８のための安全性が強化された全波整流回路の代替的な準受動（ｓｅｍｉ－ｐａｓｓｉｖｅ）の実施形態を示す。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。この実施形態では、常閉（ＮＣ）シャントスイッチ５１３が回路内に配置されている。故障または命令オプションが発生した場合、シャントスイッチ５１３は、整流回路内の電流をシャントし、電力調整段５０６および負荷５０７への損傷を防止する。
図６は、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の代替的なスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図６は、ＡＣ電流源６０１の能動整流のための代替的な安全回路を示す。電力調整段６０６は、充電される負荷６０７に印加する整流器電圧出力を平滑化するのに役立つ。全波整流は、ＡＣ電流源６０１の正弦波出力のゼロ交差で交互に切り替えることによって達成される。常閉（ＮＣ）安全スイッチ６０８は、上部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０２および６０４と下部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０３および６０５との間に設置され、故障または命令オプションが発生した場合に、整流回路内の電流をシャントする手段を提供して、電力調整段６０６および負荷６０７への損傷を防止する。
故障状態または整流制御喪失の場合では、ＮＯ整流スイッチ６０２、６０３、６０４、および６０５は開状態になれず（または命令され）、一方、ＮＣ安全スイッチ６０８は閉状態となれない。したがって、負荷がスイッチ６０２～６０５によって分離される一方、電流はＮＣ安全スイッチ６０８によってＡＣ電流源６０１にシャントバックされる。この実施形態は、追加のスイッチ６０８を使うことで常閉（ＮＣ）スイッチの需要を減らす。
導電パスをグランドに追加することによりシャーシ電圧を下げることができ、これは充電中にＥＭＩを接地する手段として機能する。タイヤの材料に低抵抗の導電性ビア１１０９を付加することで、タイヤの既導電材料（カーボンブラック）を強化してもよい。接地ケーブルまたはワイヤ「テール」１１１０の配置により充電中のシャーシ電圧を軽減することもできる。また、シャーシ電圧は、ワイヤレス充電システムまたは車両バッテリーシステムによって電力が供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を追加することによっても軽減することができる。
本特許出願は、２０２０年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６３／０１０，７７１号およびその優先権を主張する２０２０年１１月１９日に出願された米国特許出願第１６／９５２，９３３号の優先権の利益を主張する。これらは、「ワイヤレス電力伝送のための安全回路」と題し、ウォルゲマス、ジョンにより出願されたものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明の前述のおよび他の有益な特徴ならびに利点は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、安全性が強化された磁気共振誘導システムの高レベル回路の実施形態を概略的に示す。 図２は、負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図３は、負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。 図４Ａは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｂは、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｃは、負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図４Ｄは、負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。 図５Ａは、負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｂは、負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。 図５Ｃは、負荷を有する交流電流源の受動整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図６は、負荷を有する交流電流源のスイッチベースの同期整流の代替的な実施形態を概略的に示す。 図７Ａは、並列‐並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｂは、不平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｃは、ハイブリッド並列―不平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｄは、ハイブリッド不平衡直列―並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｅは、ハイブリッド並列―平衡直列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｆは、ハイブリッド平衡直列ー並列共振誘導回路を概略的に示す。 図７Ｇは、平衡直列－直列共振誘導回路を概略的に示す。 図８は、磁気共振誘導電力システムで使用するコイルを幾何学的に示す。 図９は、共振誘導電力システムで使用するための平面コイルに相当する不平衡回路を概略的に示す。 図１０は、共振誘導電力システムで使用する平面コイルに相当する平衡回路を概略的に示す。 図１１は、不平衡共振ネットワークを備えた電動車両の共振誘導電力システムについてその寄生電界を示す。
図１は、磁気誘導共振を用いた直流バッテリー充電回路の高レベルの概略図を概略的に示す。共振ネットワーク１０１（別称、受信機または二次）は、誘導二次コイル１０４と、平衡容量１０５および１０６とを有する。二次コイル１０４は、充電用送信機（図示せず）からの磁場を、電圧領域の平衡容量１０５および１０６と直列に共振する交流（ＡＣ）信号に変換する。図７Ａ～図７Ｇに関して以下で説明するように、共振ネットワークの一次側は平衡または不平衡とすることができる。次に、共振ネットワーク１０１からの前記ＡＣ信号は整流段１０２で直流（ＤＣ）信号へと整流される。整流段１０２は、対をなす常開（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｐｅｎ：ＮＯ）スイッチ１０７および１０８と、対をなす常閉（ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ：ＮＣ）スイッチ１０９および１１０を用いた同期整流回路を有する。以下で説明するように、対をなすＮＣスイッチ１０９および１１０は、故障の場合に共振ネットワーク１０１をシャントするように機能する。前記ＤＣ信号は調整回路１１１に渡される。調整回路１１１は、バッテリー１１２を充電するのに使用される調整済みＤＣ信号を出力する。
車両充電プロセッサ１１６（一般にマイクロプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装される）は、インターフェース（例えば、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）バス）を介して、（ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）システム）内部サブシステムと外部車両システムの通信を処理し、整流器コントローラ１１５の動作を命令することができる。例えば、車両充電プロセッサ１１６によって照会されると、整流器コントローラ１１５は、入力ＡＣ信号の振幅、入力ＡＣ信号の周波数、ＤＣ出力の電圧および電流、ならびにスイッチングデバイスの温度を報告してもよい。報告された入力スイッチング周波数が許容される閉範囲内（例えば、７９ｋＨｚ～９０ｋＨｚ）であり、ＡＣ二乗平均平方根（ＲＭＳ）が閾値（例えば、５アンペア）を超えており、且つ故障が検出されていない場合、車両充電プロセッサ１１６は、整流器コントローラ１１５に、入力ＡＣ波形の適切なゼロ交差で上対のＮＯスイッチ１０７および１０８ならびに下対のＮＣスイッチ１０９および１１０をオンオフして整流の効率を最大化するように指示することができる。公称状態は「起動」または「安全」であり、この場合、上対のＮＯスイッチ１０７および１０８は開いており、下対のＮＣスイッチ１０９および１１０は閉じている。二次コイル１０４が正の信号を生成しているとき、スイッチ１０７および１０８の第１のセットが開かれ、スイッチ１０９および１１０の第２のセットが閉じられる。二次コイル１０４からの信号が反転すると、スイッチ１０７および１０８の第１のセットが閉じられ、スイッチ１０９および１１０の第２のセットが開かれる。このシーケンスが繰り返されて、数学的には入力ＡＣ信号の絶対値である出力信号が生成される。
車両充電プロセッサ１１６によって無効にされた場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持する。また、電流および電圧センサー１１４で過電圧、過電流故障状態が検出された場合、または温度センサー１１７で過熱故障状態が検出された場合、整流器コントローラ１１５は、上部ＮＯスイッチ１０７および１０８の対をオフに保持し、下部ＮＣスイッチ１０９および１１０の対をオンに保持して、共振ネットワーク１０１からの電流をシャントする。
コントローラを操作したり同期的に整流したりする制御電力がない受動状態では、ＮＯスイッチ１０７および１０８は出力ネットワーク１０３を開き、ＮＣスイッチ１０９および１１０は共振ネットワーク１０１をシャントする。これは、スプリアスエネルギーが偶発的なものまたは故意によるもののいずれであっても、共振ネットワーク１０１によって拾われるスプリアスエネルギーから充電器、負荷およびサービス要員を保護する。
図２は、負荷を有する電圧源の一般的な安全回路を概略的に示す。図２では、電圧源２０１と負荷２０２が共通のグランド２０３を共有する、一般的な電圧源供給の保護ソリューションを示す。電圧源２０１は供給元の電流に対して不変の固定電圧を提供する。供給元の電流は、負荷２０２の負荷インピーダンスによって設定される。電流センサー２０５は供給元の電流を監視する。供給元の電流が許容限界を超える場合、電流センサー２０５は、常開スイッチ２０４を開状態にトリガーすることによって保護機能を提供する。常開スイッチ２０４はリセットされるまで開いたままである。常開スイッチ２０４の切断がトリガーされると、負荷２０２の両端の電圧および電流がゼロにされる。本明細書に示す常開（ＮＯ）スイッチ２０４および電流センサー２０５は、広く使用されている様々なリレー、回路遮断器、およびヒューズを備えた単なる１つの実装オプションである。図２に示すように、事実上すべての電源および配電ネットワークは、電圧源で動作し、何らかの形式のブレーカーまたはヒューズを用いてある種の電流制限スキームを実施する。電圧源電力システムでは、開回路が良好であり、短絡はよくないことが理解されよう。
図３は、負荷を有する電流源の一般的な安全回路を概略的に示す。電流源３０１はその両端の電圧とは無関係に負荷３０２に電流を供給する。この例では、全ての回路パスが共通のグランド３０３を共有している。電流源３０１は電圧電流に対して不変の固定電流を提供する。
電流のシャント、および供給元から負荷の分離（およびその逆）を提供するために、電位感受式断路器が負荷３０２と並列に配置される。図３に示す常閉（ＮＣ）スイッチシャント３０４および電圧センサー３０５は、様々なスイッチ、リレー、回路ブレーカー、およびヒューズを伴う広く用いられているシャント手段の単なる１つの実装オプションである。ＮＣスイッチシャント３０４が電圧センサー３０５によってトリガーされると、ＮＣスイッチシャント３０４が閉じられて、負荷３０２を流れる電圧および電流の流れがゼロへと動される。
図４Ｂは、例示的な実施形態における、複雑な負荷インピーダンスを有する交流電流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｂは、ＡＣ電流源と、ＤＣ電流源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０２および４０３ならびに常閉（ＮＣ）スイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングにより負荷４０７のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するため、ＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを閉じる必要がある。故障状態では、開いたスイッチ４０２および４０３が負荷４０７をＡＣ電流源４１０から分離して電力の逆送りを防ぐ。
図４Ｃは、負荷を有する交流電圧源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｃは、ＡＣ電圧源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電圧源４０１は、ＮＯスイッチ４０２、４０３、４０４、および４０５のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電圧をフィルタリングにより電力変換段４１１のためのＤＣ電圧源にする。電力変換段４１１は、ＤＣ電圧源を、バッテリー４１２を充電するのに必要な電圧に適合させる。
図４Ｄは、例示的な実施形態における負荷を有する交流源のスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図４Ｄは、ＡＣ電流源と、バッテリー充電用のＤＣ電圧源を形成するための安全性が強化された同期整流回路を示す。ＡＣ電流源４１０は、ＮＯスイッチ４０２および４０３ならびにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットによって同期的に整流される。電力調整ネットワーク４０６は整流された電流をフィルタリングによりバッテリー４１２のためのＤＣ電流源にする。ＡＣ電流源４１０は、故障の場合に電流をシャントする手段を提供するためにＮＣスイッチ４０８および４０９のセットを必要とする。しかしながら、このシステムは電流源から電力を供給されるため、バッテリーの充電に図４Ｃの電力変換段４１１は必要とされない。
図５Ａは、負荷を有する交流電圧源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ａは、ＡＣ電圧源５０１のための従来の受動型全波整流回路を概略的に示す。ダイオード５０２、５０３、５０４、および５０５は一方向ゲートとして機能し、ＡＣ信号の全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
図５Ｂは、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の受動整流を概略的に示す。具体的には、図５Ｂは、ＡＣ電流源５０８の整流のための安全性が強化された回路のハイブリッド型の実施形態を示す。フルブリッジ受動整流ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、常閉（ＮＣ）スイッチ５０９および５１１により補われる。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。ＮＣスイッチ５０９および５１１は、故障の場合にシャントする手段として機能し、ＡＣ電流源５０８およびダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２間の過電圧損傷を防止する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。
図５Ｃは、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の代替的な受動整流を概略的に示す。図５Ｃは、ＡＣ電流源５０８のための安全性が強化された全波整流回路の代替的な準受動（ｓｅｍｉ－ｐａｓｓｉｖｅ）の実施形態を示す。ダイオード５０２、５０３、５１０、および５１２は、一方向ゲートとして機能し、全波整流を生成する。電力調整段５０６は、負荷５０７に印加される整流器電圧出力を平滑化するのに役立ち、負荷５０７の充電を可能にする。この実施形態では、常閉（ＮＣ）シャントスイッチ５１３が回路内に配置されている。故障または命令オプションが発生した場合、シャントスイッチ５１３は、整流回路内の電流をシャントし、電力調整段５０６および負荷５０７への損傷を防止する。
図６は、例示的な実施形態における負荷を有する交流電流源の代替的なスイッチベースの同期整流を概略的に示す。具体的には、図６は、ＡＣ電流源６０１の能動整流のための代替的な安全回路を示す。電力調整段６０６は、充電される負荷６０７に印加する整流器電圧出力を平滑化するのに役立つ。全波整流は、ＡＣ電流源６０１の正弦波出力のゼロ交差で交互に切り替えることによって達成される。常閉（ＮＣ）安全スイッチ６０８は、上部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０２および６０４と下部常開（ＮＯ）整流スイッチ６０３および６０５との間に設置され、故障または命令オプションが発生した場合に、整流回路内の電流をシャントする手段を提供して、電力調整段６０６および負荷６０７への損傷を防止する。
故障状態または整流制御喪失の場合では、ＮＯ整流スイッチ６０２、６０３、６０４、および６０５は開状態になれず（または命令され）、一方、ＮＣ安全スイッチ６０８は閉状態となれない。したがって、負荷がスイッチ６０２～６０５によって分離される一方、電流はＮＣ安全スイッチ６０８によってＡＣ電流源６０１にシャントバックされる。この実施形態は、追加のスイッチ６０８を使うことで常閉（ＮＣ）スイッチの需要を減らす。
導電パスをグランドに追加することによりシャーシ電圧を下げることができ、これは充電中にＥＭＩを接地する手段として機能する。タイヤの材料に低抵抗の導電性ビア１１０９を付加することで、タイヤの既導電材料（カーボンブラック）を強化してもよい。接地ケーブルまたはワイヤ「テール」１１１０の配置により充電中のシャーシ電圧を軽減することもできる。また、シャーシ電圧は、ワイヤレス充電システムまたは車両バッテリーシステムによって電力が供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を追加することによっても軽減することができる。

Claims (34)

  1. 磁気誘導共振式充電回路であって、
    誘導二次コイルを有する共振ネットワークであって、前記誘導二次コイルは誘導一次コイルから受け取った磁場を交流（ＡＣ）信号に変換するものである、前記共振ネットワークと、
    前記ＡＣ信号を整流して、充電される負荷に印加するための直流（ＤＣ）信号を生成する同期整流器であって、この同期整流器は故障の場合に前記ＡＣ信号をシャントする手段を含むものである、前記同期整流器と
    を有する充電回路。
  2. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークはＡＣ電流源である、充電回路。
  3. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、さらに、前記二次コイルの各端に直列に接続された第１および第２の平衡コンデンサを有し、それにより、前記ＡＣ信号が前記第１および第２のコンデンサと直列共振するものである、充電回路。
  4. 請求項３に記載の充電回路において、前記同期整流器は一対の常開スイッチと一対の常閉スイッチとを有するものであり、前記一対の常開スイッチの一方および前記一対の常閉スイッチの一方は前記第１の平衡コンデンサに接続されており、前記一対の常開スイッチの他方および前記一対の常閉スイッチの他方は前記第２の平衡コンデンサに接続されているものであり、前記シャントする手段は前記故障の場合に前記２次コイルをシャントする前記常閉スイッチを有するものである、充電回路。
  5. 請求項４に記載の充電回路において、前記常開スイッチは前記故障の場合に前記負荷の短絡を阻止するように構成されている、充電回路。
  6. 請求項４に記載の充電回路において、さらに、前記ＤＣ信号を調整して前記負荷に印加するための調整済みＤＣ信号を出力する信号調整回路を有する、充電回路。
  7. 請求項６に記載の充電回路において、さらに、前記共振回路から前記同期整流器への前記ＡＣ信号入力を監視する第１の電流および電圧センサーと、前記負荷に印加される前記調整済みＤＣ信号を監視する第２の電流および電圧センサーとを有する、充電回路。
  8. 請求項７に記載の充電回路において、さらに、前記第１の電流および電圧センサーならびに前記第２の電流および電圧センサーによって測定された値に応答して前記共振ネットワークにより出力されたＡＣ信号を位相ロックし、前記測定された値に応じて前記一対の常開スイッチおよび前記一対の常閉スイッチのスイッチングを制御する制御信号を提供する整流器コントローラを有する、充電回路。
  9. 請求項８に記載の充電回路において、さらに、前記同期整流器の過熱故障状態を検出し、検出信号を前記整流器コントローラに提供する温度センサーを有する、充電回路。
  10. 請求項９に記載の充電回路において、さらに、入力ＡＣ信号振幅、入力ＡＣ信号周波数、調整済みＤＣ波形電圧、調整済みＤＣ波形電流、および前記同期整流器の温度のうちの少なくとも１つを前記整流器コントローラから受け取り、前記整流器コントローラの動作を命令する充電プロセッサを有する、充電回路。
  11. 請求項１０に記載の充電回路において、前記充電プロセッサは、前記ＡＣ信号周波数が許容範囲内で、前記ＡＣ信号の二乗平均平方根が閾値を上回り、且つ故障が検出されていない場合に、前記共振ネットワークからの前記ＡＣ信号のほぼゼロ交差で前記一対の常開スイッチおよび前記一対の常閉スイッチをオンオフするように前記整流器コントローラに指示するものである、充電回路。
  12. 請求項１０に記載の充電回路において、故障状態が検出されると、前記充電プロセッサは前記整流器コントローラを無効にして前記一対の常開スイッチをオフに保持し前記一対の常閉スイッチをオンに保持するものである、充電回路。
  13. 請求項１０に記載の充電回路において、前記第２の電流および電圧センサーによって過電圧、過電流故障状態が検出された場合、または前記温度センサーによって過熱故障状態が検出された場合、前記整流器コントローラは前記一対の常開スイッチをオフに保持し前記一対の常閉スイッチをオンに保持するものである、充電回路。
  14. 請求項２に記載の充電回路において、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対のダイオードと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対のダイオードとを有するものであり、前記シャントする手段は、前記第２の対のダイオードの第１のダイオードと並列に接続された第１の常閉スイッチと、前記第２の対のダイオードの第２のダイオードと並列に接続された第２の常閉スイッチとを有するものであり、前記第１および第２の常閉スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである、充電回路。
  15. 請求項２に記載の充電回路において、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対のダイオードと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対のダイオードとを有するものであり、前記シャントする手段は、前記第１の対のダイオードと前記第２の対のダイオードとの間に接続された常閉安全スイッチを有するものであり、前記常閉安全スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである、充電回路。
  16. 請求項２に記載の充電回路において、前記同期整流器は、前記ＡＣ電流源の第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第１の対の常開スイッチと、前記ＡＣ電流源の前記第１および第２のリード線にそれぞれ接続された第２の対の常開スイッチとを有するものであり、前記シャントする手段は前記第１の対の常開スイッチと前記第２の対の常開スイッチとの間に接続された常閉安全スイッチを有するものであり、前記常閉安全スイッチは前記故障の場合に前記ＡＣ電流源をシャントするものである、充電回路。
  17. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第２の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  18. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと直列の第２の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  19. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと直列の第２の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  20. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第２の共振コンデンサとを有する、充電回路。
  21. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルと並列の第１の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルの第１の端部で当該二次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルの第２の端部で当該二次コイルと直列の第３の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  22. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルの第１の端部で当該一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記一次コイルの第２の端部で当該一次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルと並列の第３の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  23. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、誘導一次コイルと、前記一次コイルの第１の端部で当該一次コイルと直列の第１の共振コンデンサと、前記一次コイルの第２の端部で当該一次コイルと直列の第２の共振コンデンサと、前記二次コイルと、前記二次コイルの第１の端部で当該二次コイルと直列の第３の共振コンデンサと、前記二次コイルの第２の端部で当該二次コイルと直列の第４の共振コンデンサとを有するものである、充電回路。
  24. 請求項１に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは、さらに、方形コイル巻線を有する誘導一次コイルを有し、前記方形コイル巻線は絶縁基板の少なくとも１つの側に配置されている、充電回路。
  25. 請求項２４に記載の充電回路において、さらに、前記方形コイル巻線の第１の端部に直列に接続された共振コンデンサを有し、当該方形コイル巻線の第２の端部はグランドに接続されているものであり、前記方形コイル巻線はグランドに対して前記共振コンデンサの電圧の半分のコモンモード電圧を有し、これにより、前記方形コイル巻線が容量性電磁干渉ラジエータとなっているものである、充電回路。
  26. 請求項２４に記載の充電回路において、さらに、前記方形コイル巻線の第１の端部に直列に接続された第１の共振コンデンサと、前記方形コイル巻線の第２の端部に直列に接続された第２の共振コンデンサとを有するものであり、前記方形コイル巻線の前記第１の端部と前記第２の端部間の中点は実質的にグランドであり、それにより、前記方形コイル巻線が容量性電磁干渉を放射しないものである、充電回路。
  27. 請求項１に記載の充電回路において、前記二次コイルは電動車両に取り付けられ、前記負荷は前記電動車両のバッテリーである、充電回路。
  28. 請求項２７に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは不平衡であり、それにより容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を放射するものであり、前記電動車両は、充電中に前記ＥＭＩを接地する導電性ビアを備えたタイヤを有するものである、充電回路。
  29. 請求項２７に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは不平衡であり、それにより容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を放射するものであり、前記電動車両は、前記充電中に前記ＥＭＩを接地する接地ケーブルを有するものである、充電回路。
  30. 請求項２７に記載の充電回路において、前記共振ネットワークは不平衡であり、それにより容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を放射するものであり、前記電動車両は、当該電動車両のバッテリーによって電力を供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を有するものである、充電回路。
  31. 電動車両のバッテリーを充電するための磁気誘導共振式充電回路であって、
    電動車両において誘導二次コイルを有する共振ネットワークであって、前記誘導二次コイルは誘導一次コイルから受け取った磁場を交流（ＡＣ）信号に変換するものであり、この共振ネットワークは不平衡であり、それにより容量性電磁干渉（ＥＭＩ）を放射するものである、前記共振ネットワークと、
    前記ＡＣ信号を整流して前記電動車両の前記バッテリーに印加するための直流（ＤＣ）信号を生成する同期整流器と、
    充電中に前記ＥＭＩを接地する手段と
    を有する充電回路。
  32. 請求項３１に記載の充電回路において、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は前記電動車両のタイヤを有するものであり、前記タイヤは充電中に前記ＥＭＩを接地する導電性ビアを備えている、充電回路。
  33. 請求項３１に記載の充電回路において、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は充電中に前記ＥＭＩを接地するように前記電動車両に接続された接地ケーブルを有するものである、充電回路。
  34. 請求項３１に記載の充電回路において、充電中に前記ＥＭＩを接地する手段は、前記電動車両のバッテリーによって電力が供給される回路であって充電中に位相のずれた電圧をキャンセルする回路を有するものである、充電回路。
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