JP4456789B2 - 誘導電力ピックアップ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明は、誘導電力伝送回路用の共振２次またはピックアップ回路内の電流を制御し、交流を伝える１つまたは複数の導体を有する１次配電経路から電気を収集できる装置および方法に関する。
【０００２】
背景
現在の誘導電力伝送（ＩＰＴ）装置において、少なくとも１つの導体（１次側）を有する電力を与える経路が有り、その各々は使用中交流磁界によって囲まれる。各々が少なくとも１つのピックアップ巻線を含む、１つまたは複数のピックアップ素子が装置の一部を形成する。各々は、１次側の交流磁界の一部と交差して有効電流を巻線に誘起するように配置される。通常、１次側の交流電流の周波数がピックアップ内の共振周波数にほぼ整合させられる。実際の供給周波数が本線周波数（５０Ｈｚ）から広く使用される周波数範囲５〜５０ｋＨｚにまでおよび、高電力をより高い周波数で処理できる部品が利用できるようになるので、使用可能周波数がより高くなることがある。一般的に、供給周波数は安定であることが必要である。
【０００３】
共振ピックアップは、電力の伝送を改善するために並列同調または直列同調のいずれかである。ＩＰＴ装置からピックアップされた電力の制御は問題であった。
【０００４】
電力伝送制御の問題は、制御されない場合は装置を大容量でセットアップし、そして１次経路と２次ピックアップの間の結合をある方法で減結合するか、或いは過剰電力をピックアップ回路内で「浪費する」ことによって解決されるかもしれない。
【０００５】
磁気回路自体を妨害することによる減結合が、ギャップの寸法の１つまたは複数を変更することによって、透磁性材料を付加するかまたは減らすことによって、渦電流を内部に発生させる導電性ブロックを導入することによって、または（受動過剰供給限界として）可飽和フェリ磁性または強磁性素子を磁気回路に組み込むことによって行われ得る。
【０００６】
減結合に関連した形態は、（通常）ピックアップの共振周波数を変更することを含む。供給および負荷電力が安定である場合は、この形態は安定な周波数に落ち着かせることができるので、それをＴ＝無限大構成であるとみなす。
【０００７】
従来技術
１９世紀後半にＩＰＴ装置に対して多くの計画があった。例えば、テスラが容量性結合で高電圧装置を使用して列車に電力を供給する特許を保有し、多数の発明者が走行する鉄道客車から静止線路へ広いギャップを越える誘導性手段によって少なくとも電信文を伝送する特許を出願している。
【０００８】
２０世紀において、ＩＰＴ装置を商業的に利用する多くの試みが行われ、多分、より大きい電力応用（たとえば、移動車両に対して）に対するこれらのうちで最も成功したのはボーイズ（本発明者）のそれである。
【０００９】
オットー ＧＢ１４１８１２８（１９７４年１２月）が、バスに電力を供給するのに適した容量を有する直列同調ピックアップを述べている。ピックアップされた電力の制御は含まれてはいない。また、ボーイズ等は米国特許第５２９３３０８号（対応日本語特許文献：特表平６−５０６０９９号公報）において並列同調ピックアップ制御を開示している。
【００１０】
解決すべき問題は、誘導電力のいずれのピックアップ素子への伝送も制御して、消費される電力に適合するレベルにすることである。伝送電力が小さ過ぎる場合は、負荷は不足である。伝送電力が大き過ぎる場合は、過剰電流がピックアップ内を還流するか、または負荷に過剰に供給し、損傷を起すことがある。さらに、過剰還流電流は、それ自体の界を発生させることによって、１次電力の同じ１次導体を共有する他の２次回路へ前進する通過を阻止できる。
【００１１】
並列同調ピックアップ制御
連続（定常）制御。切換え可能な制御素子の欠如は、全く制御しないことであることは明らかである。ＮＺ３２９１９５（対応日本語特許文献：特表２００１−５２３９３８号公報）に記載のボーイズ等の可飽和インダクタ（正常の使用よりもむしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される）も、連続制御の一形態である。
【００１２】
サイクルごとの制御では、切換え動作の時間が共振ピックアップ内の還流電流の位相と規定された関係で起きるように調節され、通常サイクルごとに起きる。
【００１３】
ＵＳ４９１４５３９（１９９０年４月３日）でターナー（ボーイングへ譲渡された）がレギュレータ回路を述べ、そこでは３８ｋＨｚ電流が、電圧が負の傾斜でゼロを通過する瞬間に続く位相関連期間の間に、サイクルごとに可変な期間、短絡される。これは特定の応用（航空機乗客座席娯楽用電子機器）のための、誘導的に結合された電力用のレギュレータである。実施例では、半導体スイッチング（分流を起すために）が各サイクルの間に制御可能な期間中に起きる。いかなる過剰電力も接地に簡単に分流される。この応用は負荷要求における比較的小さい変化を示す。効率のために、このアプローチは、特に、負荷要求が変化し、ゼロに下がることがある状況において、上向きに拡大縮小するのに適していない。半導体は高い周波数で良好に動作する（小さい逆回復時間が望ましい特徴である）ことが要求される。
【００１４】
ブルックス（ＵＳ５０４５７７０またはＰＣＴ／ＡＵ８９／０００３５（対応日本語特許文献：特表平３−５０２３８０号公報））もこのタイプであることがある。ブルックスは、単一ＶＬＳＩチップに集積化された、緩く結合された交番外部磁界から受取られた電力を調整する分流回路を述べている。レギュレータは入力電力を分流し、そして過剰エネルギーを負荷に分流し、ピックアップ回路のＱ係数を小さくし、かつ電力を小さくして負荷に整合させる、いくつかの動作モードを含む。実際の回路は同期整流器を含む。かかる発明は上向きに測定（scalable）できない。
【００１５】
直列同調ピックアップ制御
連続（定常）制御は、エテサディ（Ｅｈｇｔｅｓａｄｈｉ）等によって、直列同調コンデンサとして作用する可変コンデンサに関連して多数の出版物中（40th IEEE Vehicular Technology Conference, May 1990, Orlando, Fla., pp. 100-104, Monochehr Eghtesadi, "Inductive Power Transfer To An Electrical Vehicle -- Analytical Mode-" p. 100.）で述べられ、そこではコンデンサは６４のステップを通してゼロから共振状態をわずかに越えて切換えられることがあり、それゆえほとんどの同調ピックアップからの出力を制御する。
【００１６】
ＮＺ３２９１９５に記載のボーイズ等の可飽和インダクタ（正常の使用よりもむしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される）も、連続制御の一形態であり、直列接続共振回路内で使用され得る。
【００１７】
サイクルごとの制御では、切換え動作の時間が共振ピックアップ内の還流電流の位相と規定された関係で起きるように調節される。
【００１８】
ピンジャク（Ｐｉｖｎｊａｋ）およびワイス（Ｗｅｉｓｓ）が、Ｅｌｅｋｔｒｉｅ ３４号（１９８０）、３３９〜３４１頁で、サイリスタスイッチングおよび（図５参照）位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電流を変化させ、それによって出力を変化させることが可能である５ｋＨｚ直列共振ピックアップを述べている。
【００１９】
ルーカクス Ｊ ナギー Ｉ等（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｂｕｄａｐｅｓｔ， １９８１）も、８３〜９２頁で、サイリスタスイッチングおよび位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電流を変化させ、それによって出力を変化させることが可能である直列共振ピックアップを述べている。
【００２０】
目的
本発明の目的は、誘導電力伝送用の改良型ピックアップ電力制御装置を提供する、または少なくとも一般の人々に有用な選択肢を提供することである。
【００２１】
発明の陳述
第１の広い態様において、本発明は、誘導電力伝送装置のために、ピックアップが全装置に及ぶ周波数で共振が可能であるように選択されたピックアップコイルと共振コンデンサとを含む直列共振回路を電力ピックアップ素子に備える。電力ピックアップ素子はピックアップされた電気を負荷による消費に適した調整された形態に変換することが可能である電力調整手段をさらに含み、そこでは、電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の量を制御することが可能である装置が、スイッチング手段を繰り返して開または閉のいずれかの状態にさせることが可能であるスイッチ制御手段とともに、ピックアップコイルと直列であり、かつ共振コンデンサと直列であるスイッチング手段を備える。そのため、スイッチング手段が開または閉である時間のそれぞれの割合を変えることによって、電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の時間平均量が制御され得る。
【００２２】
スイッチング手段の繰り返される周期的動作が比較的ゆっくりであるので、誘導共振電流が正常の「オフ」期間中に実質的に消滅することが好ましい。
【００２３】
また、装置のサイズが大きくなるにつれて、スイッチング速度が低下し、１ワット未満からことによると１メガワット以上の電力を処理することが可能である誘導電力伝送装置が知られている。よって典型的な繰返し速さが１ｋＨｚ超から１００Ｈｚ未満まで変化する。したがって、スイッチ制御手段は、ピックアップ素子によって収集される電力の量に逆比例するスイッチング手段の繰り返される周期的動作を与えることが可能であることが好ましい。
【００２４】
好ましいスイッチング手段が固体スイッチを備える。
【００２５】
スイッチング手段が交流電流を制御することが可能である双方向スイッチング手段であることが好ましい。
【００２６】
スイッチング手段が少なくともピックアップ内を還流する通常の大きさの共振電流を伝えることが可能であることが好ましい。
【００２７】
１つの好ましい固体スイッチング手段が絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして知られるタイプの素子を使用する。
【００２８】
より好ましい固体スイッチング手段が１組の逆並列高速回復サイリスタを備え、スイッチ素子の一例が非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）である。
【００２９】
スイッチ制御手段が調整された電力の大きさを調整する傾向がある方法で調整された電力の大きさに応答することが可能であることが好ましい。
【００３０】
スイッチ制御手段が調整された電力の電圧に応答することが可能であることがより好ましい。
【００３１】
スイッチ制御手段がまた、スイッチング手段の各側にある瞬時電圧レベルに応答し、それによってスイッチング手段の各側にある電圧レベルが実質的に同じである場合にスイッチング手段を瞬時に閉じることが可能であることが好ましい。
【００３２】
スイッチ制御手段がスイッチング手段を通過する電流を検出することがさらに可能であり、スイッチング手段を開く瞬間を決定するために、その電流がゼロ交差点に在る時を決定することが可能であることが好ましい。
【００３３】
好ましい実施形態
本明細書で記述され例示される好ましい実施形態が単に実施例によって与えられ、本発明の精神または範囲に対して制限する意図は決して無い。
【００３４】
実施例１
本発明は制御用に主要回路部品の組み合わせを有する２次ピックアップに関する。図１を参照すると、回路素子が整流器Ｒの左側に在り、ピックアップ巻線Ｗが１次誘導性導体Ｐを囲む磁界を遮ることが可能であり、（インダクタＷおよび直列共振コンデンサＢの）共振回路が整流器Ｒの入力側に在る。また、ＣおよびＳＢが先行技術による短絡可能な並列同調ピックアップ（品目ＢおよびＳＡを欠く）の素子を含む。それらは原型の直列同調制御可能ピックアップ内に存在しない。
【００３５】
第２の回路が通常、負荷Ｌ（可変であることがある）および平滑コンデンサＤを含んで、整流器Ｒの出力側に配置される。ＳＣが並列同調回路用の短絡スイッチのための代替位置である。多くの負荷がＤＣの供給、または時々（誘導電動機による使用のような）１次経路の周波数以外の周波数であるＡＣの供給を必要とする。
【００３６】
一般的要求は、空間を越えて伝送される電力が負荷内で消費される電力（プラス回路消費）に等しい必要があることである。
【００３７】
図２には、スイッチ２０３が図１のＳＡの等価物である制御直列共振ピックアップの簡単な型が示されている。スイッチを閉じることによって回路を完成させて、出力を大きくする。スイッチを開くことによって直列回路を切断し、電力供給を中止し、共振を停止する。このスイッチは電圧比較回路２１２の出力２１４によって制御され、ここで演算増幅器があるヒステリシスを実施するために２１０の値の２１１の値に対する比による正帰還を有する。抵抗性損失が最小化されるようにこの制御手段のための好ましい制御方法がハードオン／ハードオフであり、出力電圧がほぼ所望の大きさに保持されるように開閉比が選択される。回数が数十または数百サイクルに大体等しい。スイッチを動作させるために基準電圧源２１３が供給電圧（２０８）の一部の比較のための基盤を与える。この場合に、負荷Ｌによって吸い込まれた電流ＩＯに関連するコンデンサＤの大きさが、スイッチに対するオンまたはオフコマンドの繰返し速さを決定する。繰返し速さは１０〜３０ミリ秒のオーダーであることが好ましく、調整の効果を構成するマーク対スペース比が、１次経路Ｐから得られた電流に関連して負荷Ｌに供給される電流によっていつでも決定される。明らかに、負荷Ｌによって吸い込まれた電流ＩＯがゼロになる場合に、スイッチ２０３が開である時間の割合が１００％になるであろう。
【００３８】
制御手段２０３は、共振電流を伝えること、起こりそうなピーク開回路電圧およびいかなる過渡事象にも耐えることが要求され、双方向性であることが必要である。制御手段は双方向性スイッチであり、技術上公知である様々な固体素子を使用して構成されることがある。
【００３９】
一方向性スイッチが整流器２０４と線２０８の間に配置され得るが、さもないと高電圧過渡事象が整流器の部品の破壊を起すことがある可能性のために、双方向性スイッチ２０３は回路のＡＣ側の整流器の前に配置されることが好ましい。実際、スイッチが電流に関してゼロ交差期間外で開かれる場合に、ピックアップコイルの周りのどんな残りの磁束も巻線中で減衰し、そして結果として生ずるエネルギーがスイッチ内か、または保護（スナッバー）素子内のいずれかで消費されるであろうと考えられる。
【００４０】
スイッチ２０３を開くと、（１）共振状態の破壊、および（２）電圧源と負荷の間の接続の中断を生じ、そのため出力が、整流モジュールＲによる整流、およびコンデンサＤによる平滑化の後に負荷Ｌに現れるように、低下する。
【００４１】
出力は実質的に定電圧であり、そのエクスカーション（excursions）の限界が正常な動作中にコントローラ２０７内のヒステリシスによって、そして制御手段２０３が再び閉じられた後に充電を再開するのに要する時間によって決定される。代替として、電流感知変換構成が実質的定電流出力を提供するように使用されることがある。この場合に、感知抵抗またはワイヤ中の電流を感知することが可能である磁気素子（ＬＥＭ、ホール効果素子など）が振幅感知入力を与える。
【００４２】
図３が直列接続スイッチを使用する際の不利益のいくつかをうまく処理する方法を示す。ゼロ電流が隣接する配線で検出される瞬間が起きるまで開を遅延させるように、かつ開かれたスイッチ接点の各々が同じ電圧を有する瞬間が起きるまで閉を遅延させるようにスイッチに行わせる目的で、より実用的な回路３００がブロック２０７を含み、また論理および感知手段も含む。
【００４３】
電圧比較手段３０２がスイッチ２０３に接続され、その出力は、入力が等しくなった場合に、遷移を行い、論理回路に与えられる。論理回路３０１は、当業者に公知である、３０２の出力が遷移を示す時までブロック２０７から線２１４を通してスイッチへ発する「ＣＬＯＳＥ」コマンドの転送（制御線３０４を通して）を遅延させることが可能である回路配置を含む。論理回路３０１はまた、電流センサ３０５の出力がゼロ電流が隣接する配線で検出される時までスイッチ２０３に対して「ＯＰＥＮ」コマンドの放出を遅延させることが可能である。ブロック３０１は従来の論理素子、あるいはＰＡＬまたはＰＬＤ論理回路、およびスイッチ２０３用の適当なできれば分離されたドライバーを含むことがある。実際に、スイッチング手段の例は高速電気機械リレー、しかしより好ましくは、適当な耐過渡事象保護手段に加えて、「ＴＲＩＡＣ」、またはサイリスタ（シリコン制御整流器としても知られる）のような一方向性スイッチング素子の背中合わせのペア、電力ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのような固体素子であることがある。勿論、この応用に適する新規の素子が将来生産されるかもしれない。
【００４４】
追加の同期装置（センサおよび論理）が、スイッチング素子の動作寿命を延ばし、かつ大きな損傷させる恐れのある過渡事象（過渡事象はまた１次線中に、そして障害として環境中に伝わることがある。）が２次回路内で生成されるのを防止するために望ましい。
【００４５】
実施例２
図４が例えば電池の充電に適する最適化されたピックアップ構成を示し、そこでは第１の高電圧巻線４０１が直列共振コンデンサ２０２と本節で前述された回路を開閉することが可能であるスイッチ２０３とを備える。第２の低電圧回路がその結果として電池モジュールまたはモノブロック４０６に給電する整流器２０４に直接配線された簡単なコイル４０２（その巻線が実際に単一巻きを含むことがある）を備える。回路の制御（ブロック２０７および任意に３０１（詳細は示されていない）のようなブロックも通して）が、供給された、または引き込まれた電流によってか、電池の両端電圧の測定によって（または両方によって）行われることがある。コイル４０１および４０２は共通コアを共有し、４０１は共振に不安定である場合に４０２の出力が実質的に減少する。この構成は、直列スイッチが大電流を中断することを要求されないという利点を有する。大電流素子が高電圧素子よりも高価であり、大電流素子はより大きな損失を発生するであろう。並列同調の短絡スイッチオプションと比較して、直列スイッチング素子が使用される場合は損失が著しく小さい。この種の回路は２０〜５０Ｈｚのオーダーの遅いスイッチングサイクルに特に適合するのに対して、供給周波数が１５ｋＨｚのオーダーであるかもしれない。遅いスイッチングがピックアップ内の共振振動が実質的に停止する時間を可能にする。
【００４６】
図５が、本発明のために、ゼロ交差瞬間に動作するであろうスイッチング手段２０３を与える従来の方法として非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）のダイオード保護ペアの使用を示す。ＡＳＣＲの種類は、その劣っている逆電圧定格（わずか５Ｖ程度で損傷を起す）の結果として、もはや広く使用されない。しかし、それは印加電圧が反転された際に、速く通常１マイクロ秒以内に電流の方向を転換するか、またはオフする。これは１０ｋＨｚの半サイクルの５０マイクロ秒内で十分である。したがって、図５に簡単に示されたような構成が最も近い前の半サイクル内のどこかでゲートドライブを禁止する必要があり、素子自体はゼロ交差点でオフに切換わるであろう。個別電流感知手段、論理を使用し、そして一般的な電力ＦＥＴ型のスイッチング素子（それは自己転換特徴を欠く）を制御することはあまり容易ではない。図５は、適切に供給されるゲート制御入力５０５、５０６（制御（スイッチ）高周波供給源によってエアギャップを越えて給電されるＤＣ電流源を適切に含むことがある分離された入力のような）とともに、２つのＡＳＣＲ（５０１、５０２）、および各々の両端に接続された１つの保護ダイオード（５０３、５０４）を含む。ＡＳＣＲ以外の、選択された高速回復サイリスタも使用されることがある。
【００４７】
変型
誘導電力制御のこの原理の変型が、本明細書を提出する時点で知られていなかった素子を含むスイッチング素子の代替形態の選択を含むことがある。
【００４８】
出力制御用の改良型回路が余分の電流または電圧を感知することがあり、そしてまた、人間のドライバーによるか、または自動的に生成されるコマンドによるような外部制御を受け入れることがある。
【００４９】
実際のマーク対スペース比は、収集時にピックアップによって収集された電力の量に関連して、電力に対する需要によって通常設定される間に、マーク対スペース比の繰返し周波数は、効率、素子の寿命、他のユニットとの相互作用、および障害を最適化するために広い範囲にわたって変化することがある。本発明の繰返し速さは、特別の種類の負荷によって許容され得る出力電圧の変移にある程度依存して、供給周波数の各サイクルまたは２サイクル位の速さであるか、あるいは数百サイクル位の遅さであることがある。
【００５０】
本明細書に記述された構成はより高速の制御に適応されることがあるが、スイッチング損失が甚大になり、多数の単一サイクルが切換えられなければ、それは制御の大きな増加をもたらし、スイッチが位相に関係なく動作するように強制される場合に大幅な過渡事象が発生することがある。
【００５１】
商業的利益または利点
直列共振ピックアップが並列共振ピックアップよりも適当な形態を提供する多数の状況がある。本発明、すなわち、ピックアップインダクタ内を還流する電流の量を最小化することが可能である直列共振ピックアップループ用の制御手段は、１次誘導性経路の同じ給電部を共有する２つ以上のピックアップ素子の同時の、かつ相反しない使用を設ける。従来、高レベルの還流する２次電流が１次電流を妨害する影響の故に、２つ以上のピックアップ素子を使用することは困難であろう。
【００５２】
上述の本発明のいくつかの好ましい実施例が例証のために開示されたが、様々な修正、追加、および置換が前述の本発明の範囲を逸脱することなしに可能であることを当業者が正当に評価するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ピックアップ回路を短絡するなどのピックアップ制御手段の先行技術による回路の簡易図である。
【図２】 本発明による調整手段を含む、ピックアップ制御手段の簡易回路図である。
【図３】 調整手段およびスイッチ動作のタイミングの正確な制御を決定する手段を含む、本発明によるピックアップ制御手段の回路図である。
【図４】 直列共振コイルが制御用に使用され、かつ非共振コイルが電源として使用される第２の相互結合コイルを含む、本発明によるピックアップ制御手段の回路図である。
【図５】 スイッチング手段の例としての非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）のダイオード保護ペアの使用を示す図である。
【符号の説明】
Ｗ、４０１，４０２・・・ピックアップコイル
Ｐ・・・１次誘導性導体
Ｃ，２０２・・・共振コンデンサ
２０３・・・スイッチ手段（電力調整手段）
２０７・・・スイッチ制御手段（電力調整手段）
Ｌ・・・負荷
３０５・・・電流センサ
発明の分野
本発明は、誘導電力伝送回路用の共振２次またはピックアップ回路内の電流を制御し、交流を伝える１つまたは複数の導体を有する１次配電経路から電気を収集できる装置および方法に関する。
【０００２】
背景
現在の誘導電力伝送（ＩＰＴ）装置において、少なくとも１つの導体（１次側）を有する電力を与える経路が有り、その各々は使用中交流磁界によって囲まれる。各々が少なくとも１つのピックアップ巻線を含む、１つまたは複数のピックアップ素子が装置の一部を形成する。各々は、１次側の交流磁界の一部と交差して有効電流を巻線に誘起するように配置される。通常、１次側の交流電流の周波数がピックアップ内の共振周波数にほぼ整合させられる。実際の供給周波数が本線周波数（５０Ｈｚ）から広く使用される周波数範囲５〜５０ｋＨｚにまでおよび、高電力をより高い周波数で処理できる部品が利用できるようになるので、使用可能周波数がより高くなることがある。一般的に、供給周波数は安定であることが必要である。
【０００３】
共振ピックアップは、電力の伝送を改善するために並列同調または直列同調のいずれかである。ＩＰＴ装置からピックアップされた電力の制御は問題であった。
【０００４】
電力伝送制御の問題は、制御されない場合は装置を大容量でセットアップし、そして１次経路と２次ピックアップの間の結合をある方法で減結合するか、或いは過剰電力をピックアップ回路内で「浪費する」ことによって解決されるかもしれない。
【０００５】
磁気回路自体を妨害することによる減結合が、ギャップの寸法の１つまたは複数を変更することによって、透磁性材料を付加するかまたは減らすことによって、渦電流を内部に発生させる導電性ブロックを導入することによって、または（受動過剰供給限界として）可飽和フェリ磁性または強磁性素子を磁気回路に組み込むことによって行われ得る。
【０００６】
減結合に関連した形態は、（通常）ピックアップの共振周波数を変更することを含む。供給および負荷電力が安定である場合は、この形態は安定な周波数に落ち着かせることができるので、それをＴ＝無限大構成であるとみなす。
【０００７】
従来技術
１９世紀後半にＩＰＴ装置に対して多くの計画があった。例えば、テスラが容量性結合で高電圧装置を使用して列車に電力を供給する特許を保有し、多数の発明者が走行する鉄道客車から静止線路へ広いギャップを越える誘導性手段によって少なくとも電信文を伝送する特許を出願している。
【０００８】
２０世紀において、ＩＰＴ装置を商業的に利用する多くの試みが行われ、多分、より大きい電力応用（たとえば、移動車両に対して）に対するこれらのうちで最も成功したのはボーイズ（本発明者）のそれである。
【０００９】
オットー ＧＢ１４１８１２８（１９７４年１２月）が、バスに電力を供給するのに適した容量を有する直列同調ピックアップを述べている。ピックアップされた電力の制御は含まれてはいない。また、ボーイズ等は米国特許第５２９３３０８号（対応日本語特許文献：特表平６−５０６０９９号公報）において並列同調ピックアップ制御を開示している。
【００１０】
解決すべき問題は、誘導電力のいずれのピックアップ素子への伝送も制御して、消費される電力に適合するレベルにすることである。伝送電力が小さ過ぎる場合は、負荷は不足である。伝送電力が大き過ぎる場合は、過剰電流がピックアップ内を還流するか、または負荷に過剰に供給し、損傷を起すことがある。さらに、過剰還流電流は、それ自体の界を発生させることによって、１次電力の同じ１次導体を共有する他の２次回路へ前進する通過を阻止できる。
【００１１】
並列同調ピックアップ制御
連続（定常）制御。切換え可能な制御素子の欠如は、全く制御しないことであることは明らかである。ＮＺ３２９１９５（対応日本語特許文献：特表２００１−５２３９３８号公報）に記載のボーイズ等の可飽和インダクタ（正常の使用よりもむしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される）も、連続制御の一形態である。
【００１２】
サイクルごとの制御では、切換え動作の時間が共振ピックアップ内の還流電流の位相と規定された関係で起きるように調節され、通常サイクルごとに起きる。
【００１３】
ＵＳ４９１４５３９（１９９０年４月３日）でターナー（ボーイングへ譲渡された）がレギュレータ回路を述べ、そこでは３８ｋＨｚ電流が、電圧が負の傾斜でゼロを通過する瞬間に続く位相関連期間の間に、サイクルごとに可変な期間、短絡される。これは特定の応用（航空機乗客座席娯楽用電子機器）のための、誘導的に結合された電力用のレギュレータである。実施例では、半導体スイッチング（分流を起すために）が各サイクルの間に制御可能な期間中に起きる。いかなる過剰電力も接地に簡単に分流される。この応用は負荷要求における比較的小さい変化を示す。効率のために、このアプローチは、特に、負荷要求が変化し、ゼロに下がることがある状況において、上向きに拡大縮小するのに適していない。半導体は高い周波数で良好に動作する（小さい逆回復時間が望ましい特徴である）ことが要求される。
【００１４】
ブルックス（ＵＳ５０４５７７０またはＰＣＴ／ＡＵ８９／０００３５（対応日本語特許文献：特表平３−５０２３８０号公報））もこのタイプであることがある。ブルックスは、単一ＶＬＳＩチップに集積化された、緩く結合された交番外部磁界から受取られた電力を調整する分流回路を述べている。レギュレータは入力電力を分流し、そして過剰エネルギーを負荷に分流し、ピックアップ回路のＱ係数を小さくし、かつ電力を小さくして負荷に整合させる、いくつかの動作モードを含む。実際の回路は同期整流器を含む。かかる発明は上向きに測定（scalable）できない。
【００１５】
直列同調ピックアップ制御
連続（定常）制御は、エテサディ（Ｅｈｇｔｅｓａｄｈｉ）等によって、直列同調コンデンサとして作用する可変コンデンサに関連して多数の出版物中（40th IEEE Vehicular Technology Conference, May 1990, Orlando, Fla., pp. 100-104, Monochehr Eghtesadi, "Inductive Power Transfer To An Electrical Vehicle -- Analytical Mode-" p. 100.）で述べられ、そこではコンデンサは６４のステップを通してゼロから共振状態をわずかに越えて切換えられることがあり、それゆえほとんどの同調ピックアップからの出力を制御する。
【００１６】
ＮＺ３２９１９５に記載のボーイズ等の可飽和インダクタ（正常の使用よりもむしろ過負荷または故障状態を制御するように意図される）も、連続制御の一形態であり、直列接続共振回路内で使用され得る。
【００１７】
サイクルごとの制御では、切換え動作の時間が共振ピックアップ内の還流電流の位相と規定された関係で起きるように調節される。
【００１８】
ピンジャク（Ｐｉｖｎｊａｋ）およびワイス（Ｗｅｉｓｓ）が、Ｅｌｅｋｔｒｉｅ ３４号（１９８０）、３３９〜３４１頁で、サイリスタスイッチングおよび（図５参照）位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電流を変化させ、それによって出力を変化させることが可能である５ｋＨｚ直列共振ピックアップを述べている。
【００１９】
ルーカクス Ｊ ナギー Ｉ等（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｂｕｄａｐｅｓｔ， １９８１）も、８３〜９２頁で、サイリスタスイッチングおよび位相関連制御手段を有し、直列同調ピックアップ内で還流する電流を変化させ、それによって出力を変化させることが可能である直列共振ピックアップを述べている。
【００２０】
目的
本発明の目的は、誘導電力伝送用の改良型ピックアップ電力制御装置を提供する、または少なくとも一般の人々に有用な選択肢を提供することである。
【００２１】
発明の陳述
第１の広い態様において、本発明は、誘導電力伝送装置のために、ピックアップが全装置に及ぶ周波数で共振が可能であるように選択されたピックアップコイルと共振コンデンサとを含む直列共振回路を電力ピックアップ素子に備える。電力ピックアップ素子はピックアップされた電気を負荷による消費に適した調整された形態に変換することが可能である電力調整手段をさらに含み、そこでは、電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の量を制御することが可能である装置が、スイッチング手段を繰り返して開または閉のいずれかの状態にさせることが可能であるスイッチ制御手段とともに、ピックアップコイルと直列であり、かつ共振コンデンサと直列であるスイッチング手段を備える。そのため、スイッチング手段が開または閉である時間のそれぞれの割合を変えることによって、電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の時間平均量が制御され得る。
【００２２】
スイッチング手段の繰り返される周期的動作が比較的ゆっくりであるので、誘導共振電流が正常の「オフ」期間中に実質的に消滅することが好ましい。
【００２３】
また、装置のサイズが大きくなるにつれて、スイッチング速度が低下し、１ワット未満からことによると１メガワット以上の電力を処理することが可能である誘導電力伝送装置が知られている。よって典型的な繰返し速さが１ｋＨｚ超から１００Ｈｚ未満まで変化する。したがって、スイッチ制御手段は、ピックアップ素子によって収集される電力の量に逆比例するスイッチング手段の繰り返される周期的動作を与えることが可能であることが好ましい。
【００２４】
好ましいスイッチング手段が固体スイッチを備える。
【００２５】
スイッチング手段が交流電流を制御することが可能である双方向スイッチング手段であることが好ましい。
【００２６】
スイッチング手段が少なくともピックアップ内を還流する通常の大きさの共振電流を伝えることが可能であることが好ましい。
【００２７】
１つの好ましい固体スイッチング手段が絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして知られるタイプの素子を使用する。
【００２８】
より好ましい固体スイッチング手段が１組の逆並列高速回復サイリスタを備え、スイッチ素子の一例が非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）である。
【００２９】
スイッチ制御手段が調整された電力の大きさを調整する傾向がある方法で調整された電力の大きさに応答することが可能であることが好ましい。
【００３０】
スイッチ制御手段が調整された電力の電圧に応答することが可能であることがより好ましい。
【００３１】
スイッチ制御手段がまた、スイッチング手段の各側にある瞬時電圧レベルに応答し、それによってスイッチング手段の各側にある電圧レベルが実質的に同じである場合にスイッチング手段を瞬時に閉じることが可能であることが好ましい。
【００３２】
スイッチ制御手段がスイッチング手段を通過する電流を検出することがさらに可能であり、スイッチング手段を開く瞬間を決定するために、その電流がゼロ交差点に在る時を決定することが可能であることが好ましい。
【００３３】
好ましい実施形態
本明細書で記述され例示される好ましい実施形態が単に実施例によって与えられ、本発明の精神または範囲に対して制限する意図は決して無い。
【００３４】
実施例１
本発明は制御用に主要回路部品の組み合わせを有する２次ピックアップに関する。図１を参照すると、回路素子が整流器Ｒの左側に在り、ピックアップ巻線Ｗが１次誘導性導体Ｐを囲む磁界を遮ることが可能であり、（インダクタＷおよび直列共振コンデンサＢの）共振回路が整流器Ｒの入力側に在る。また、ＣおよびＳＢが先行技術による短絡可能な並列同調ピックアップ（品目ＢおよびＳＡを欠く）の素子を含む。それらは原型の直列同調制御可能ピックアップ内に存在しない。
【００３５】
第２の回路が通常、負荷Ｌ（可変であることがある）および平滑コンデンサＤを含んで、整流器Ｒの出力側に配置される。ＳＣが並列同調回路用の短絡スイッチのための代替位置である。多くの負荷がＤＣの供給、または時々（誘導電動機による使用のような）１次経路の周波数以外の周波数であるＡＣの供給を必要とする。
【００３６】
一般的要求は、空間を越えて伝送される電力が負荷内で消費される電力（プラス回路消費）に等しい必要があることである。
【００３７】
図２には、スイッチ２０３が図１のＳＡの等価物である制御直列共振ピックアップの簡単な型が示されている。スイッチを閉じることによって回路を完成させて、出力を大きくする。スイッチを開くことによって直列回路を切断し、電力供給を中止し、共振を停止する。このスイッチは電圧比較回路２１２の出力２１４によって制御され、ここで演算増幅器があるヒステリシスを実施するために２１０の値の２１１の値に対する比による正帰還を有する。抵抗性損失が最小化されるようにこの制御手段のための好ましい制御方法がハードオン／ハードオフであり、出力電圧がほぼ所望の大きさに保持されるように開閉比が選択される。回数が数十または数百サイクルに大体等しい。スイッチを動作させるために基準電圧源２１３が供給電圧（２０８）の一部の比較のための基盤を与える。この場合に、負荷Ｌによって吸い込まれた電流ＩＯに関連するコンデンサＤの大きさが、スイッチに対するオンまたはオフコマンドの繰返し速さを決定する。繰返し速さは１０〜３０ミリ秒のオーダーであることが好ましく、調整の効果を構成するマーク対スペース比が、１次経路Ｐから得られた電流に関連して負荷Ｌに供給される電流によっていつでも決定される。明らかに、負荷Ｌによって吸い込まれた電流ＩＯがゼロになる場合に、スイッチ２０３が開である時間の割合が１００％になるであろう。
【００３８】
制御手段２０３は、共振電流を伝えること、起こりそうなピーク開回路電圧およびいかなる過渡事象にも耐えることが要求され、双方向性であることが必要である。制御手段は双方向性スイッチであり、技術上公知である様々な固体素子を使用して構成されることがある。
【００３９】
一方向性スイッチが整流器２０４と線２０８の間に配置され得るが、さもないと高電圧過渡事象が整流器の部品の破壊を起すことがある可能性のために、双方向性スイッチ２０３は回路のＡＣ側の整流器の前に配置されることが好ましい。実際、スイッチが電流に関してゼロ交差期間外で開かれる場合に、ピックアップコイルの周りのどんな残りの磁束も巻線中で減衰し、そして結果として生ずるエネルギーがスイッチ内か、または保護（スナッバー）素子内のいずれかで消費されるであろうと考えられる。
【００４０】
スイッチ２０３を開くと、（１）共振状態の破壊、および（２）電圧源と負荷の間の接続の中断を生じ、そのため出力が、整流モジュールＲによる整流、およびコンデンサＤによる平滑化の後に負荷Ｌに現れるように、低下する。
【００４１】
出力は実質的に定電圧であり、そのエクスカーション（excursions）の限界が正常な動作中にコントローラ２０７内のヒステリシスによって、そして制御手段２０３が再び閉じられた後に充電を再開するのに要する時間によって決定される。代替として、電流感知変換構成が実質的定電流出力を提供するように使用されることがある。この場合に、感知抵抗またはワイヤ中の電流を感知することが可能である磁気素子（ＬＥＭ、ホール効果素子など）が振幅感知入力を与える。
【００４２】
図３が直列接続スイッチを使用する際の不利益のいくつかをうまく処理する方法を示す。ゼロ電流が隣接する配線で検出される瞬間が起きるまで開を遅延させるように、かつ開かれたスイッチ接点の各々が同じ電圧を有する瞬間が起きるまで閉を遅延させるようにスイッチに行わせる目的で、より実用的な回路３００がブロック２０７を含み、また論理および感知手段も含む。
【００４３】
電圧比較手段３０２がスイッチ２０３に接続され、その出力は、入力が等しくなった場合に、遷移を行い、論理回路に与えられる。論理回路３０１は、当業者に公知である、３０２の出力が遷移を示す時までブロック２０７から線２１４を通してスイッチへ発する「ＣＬＯＳＥ」コマンドの転送（制御線３０４を通して）を遅延させることが可能である回路配置を含む。論理回路３０１はまた、電流センサ３０５の出力がゼロ電流が隣接する配線で検出される時までスイッチ２０３に対して「ＯＰＥＮ」コマンドの放出を遅延させることが可能である。ブロック３０１は従来の論理素子、あるいはＰＡＬまたはＰＬＤ論理回路、およびスイッチ２０３用の適当なできれば分離されたドライバーを含むことがある。実際に、スイッチング手段の例は高速電気機械リレー、しかしより好ましくは、適当な耐過渡事象保護手段に加えて、「ＴＲＩＡＣ」、またはサイリスタ（シリコン制御整流器としても知られる）のような一方向性スイッチング素子の背中合わせのペア、電力ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのような固体素子であることがある。勿論、この応用に適する新規の素子が将来生産されるかもしれない。
【００４４】
追加の同期装置（センサおよび論理）が、スイッチング素子の動作寿命を延ばし、かつ大きな損傷させる恐れのある過渡事象（過渡事象はまた１次線中に、そして障害として環境中に伝わることがある。）が２次回路内で生成されるのを防止するために望ましい。
【００４５】
実施例２
図４が例えば電池の充電に適する最適化されたピックアップ構成を示し、そこでは第１の高電圧巻線４０１が直列共振コンデンサ２０２と本節で前述された回路を開閉することが可能であるスイッチ２０３とを備える。第２の低電圧回路がその結果として電池モジュールまたはモノブロック４０６に給電する整流器２０４に直接配線された簡単なコイル４０２（その巻線が実際に単一巻きを含むことがある）を備える。回路の制御（ブロック２０７および任意に３０１（詳細は示されていない）のようなブロックも通して）が、供給された、または引き込まれた電流によってか、電池の両端電圧の測定によって（または両方によって）行われることがある。コイル４０１および４０２は共通コアを共有し、４０１は共振に不安定である場合に４０２の出力が実質的に減少する。この構成は、直列スイッチが大電流を中断することを要求されないという利点を有する。大電流素子が高電圧素子よりも高価であり、大電流素子はより大きな損失を発生するであろう。並列同調の短絡スイッチオプションと比較して、直列スイッチング素子が使用される場合は損失が著しく小さい。この種の回路は２０〜５０Ｈｚのオーダーの遅いスイッチングサイクルに特に適合するのに対して、供給周波数が１５ｋＨｚのオーダーであるかもしれない。遅いスイッチングがピックアップ内の共振振動が実質的に停止する時間を可能にする。
【００４６】
図５が、本発明のために、ゼロ交差瞬間に動作するであろうスイッチング手段２０３を与える従来の方法として非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）のダイオード保護ペアの使用を示す。ＡＳＣＲの種類は、その劣っている逆電圧定格（わずか５Ｖ程度で損傷を起す）の結果として、もはや広く使用されない。しかし、それは印加電圧が反転された際に、速く通常１マイクロ秒以内に電流の方向を転換するか、またはオフする。これは１０ｋＨｚの半サイクルの５０マイクロ秒内で十分である。したがって、図５に簡単に示されたような構成が最も近い前の半サイクル内のどこかでゲートドライブを禁止する必要があり、素子自体はゼロ交差点でオフに切換わるであろう。個別電流感知手段、論理を使用し、そして一般的な電力ＦＥＴ型のスイッチング素子（それは自己転換特徴を欠く）を制御することはあまり容易ではない。図５は、適切に供給されるゲート制御入力５０５、５０６（制御（スイッチ）高周波供給源によってエアギャップを越えて給電されるＤＣ電流源を適切に含むことがある分離された入力のような）とともに、２つのＡＳＣＲ（５０１、５０２）、および各々の両端に接続された１つの保護ダイオード（５０３、５０４）を含む。ＡＳＣＲ以外の、選択された高速回復サイリスタも使用されることがある。
【００４７】
変型
誘導電力制御のこの原理の変型が、本明細書を提出する時点で知られていなかった素子を含むスイッチング素子の代替形態の選択を含むことがある。
【００４８】
出力制御用の改良型回路が余分の電流または電圧を感知することがあり、そしてまた、人間のドライバーによるか、または自動的に生成されるコマンドによるような外部制御を受け入れることがある。
【００４９】
実際のマーク対スペース比は、収集時にピックアップによって収集された電力の量に関連して、電力に対する需要によって通常設定される間に、マーク対スペース比の繰返し周波数は、効率、素子の寿命、他のユニットとの相互作用、および障害を最適化するために広い範囲にわたって変化することがある。本発明の繰返し速さは、特別の種類の負荷によって許容され得る出力電圧の変移にある程度依存して、供給周波数の各サイクルまたは２サイクル位の速さであるか、あるいは数百サイクル位の遅さであることがある。
【００５０】
本明細書に記述された構成はより高速の制御に適応されることがあるが、スイッチング損失が甚大になり、多数の単一サイクルが切換えられなければ、それは制御の大きな増加をもたらし、スイッチが位相に関係なく動作するように強制される場合に大幅な過渡事象が発生することがある。
【００５１】
商業的利益または利点
直列共振ピックアップが並列共振ピックアップよりも適当な形態を提供する多数の状況がある。本発明、すなわち、ピックアップインダクタ内を還流する電流の量を最小化することが可能である直列共振ピックアップループ用の制御手段は、１次誘導性経路の同じ給電部を共有する２つ以上のピックアップ素子の同時の、かつ相反しない使用を設ける。従来、高レベルの還流する２次電流が１次電流を妨害する影響の故に、２つ以上のピックアップ素子を使用することは困難であろう。
【００５２】
上述の本発明のいくつかの好ましい実施例が例証のために開示されたが、様々な修正、追加、および置換が前述の本発明の範囲を逸脱することなしに可能であることを当業者が正当に評価するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ピックアップ回路を短絡するなどのピックアップ制御手段の先行技術による回路の簡易図である。
【図２】 本発明による調整手段を含む、ピックアップ制御手段の簡易回路図である。
【図３】 調整手段およびスイッチ動作のタイミングの正確な制御を決定する手段を含む、本発明によるピックアップ制御手段の回路図である。
【図４】 直列共振コイルが制御用に使用され、かつ非共振コイルが電源として使用される第２の相互結合コイルを含む、本発明によるピックアップ制御手段の回路図である。
【図５】 スイッチング手段の例としての非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）のダイオード保護ペアの使用を示す図である。
【符号の説明】
Ｗ、４０１，４０２・・・ピックアップコイル
Ｐ・・・１次誘導性導体
Ｃ，２０２・・・共振コンデンサ
２０３・・・スイッチ手段（電力調整手段）
２０７・・・スイッチ制御手段（電力調整手段）
Ｌ・・・負荷
３０５・・・電流センサ
Claims (10)
- １次誘導性導体を囲む磁界を遮るように前記１次誘導性導体に隣接して配置されたピックアップコイルと、共振コンデンサとを含む直列共振回路であって、前記ピックアップコイル及び前記共振コンデンサが、前記ピックアップコイルが全装置に及ぶ周波数で共振が可能であるように選択された、直列共振回路と、
ピックアップされた電気を負荷による消費に適した調整済み形態に変換する電力調整手段と
を含む誘導電力ピックアップ素子であって、
前記電力ピックアップ素子によってピックアップされた電力の量を制御するように構成された装置が、
前記ピックアップコイルと直列であり、かつ前記共振コンデンサと直列である前記スイッチング手段とともに、当該スイッチング手段を開または閉のいずれかの状態に繰り返しさせることが可能であるスイッチ制御手段を備え、前記スイッチング手段が開または閉である時間のそれぞれの割合を変えることによって、前記負荷に供給された電流がゼロになるときに前記スイッチが開である前記時間の前記割合が１００％になるように、前記ピックアップ素子によってピックアップされた電力の時間平均量が制御され得ることを特徴とする、誘導電力ピックアップ素子。 - 前記スイッチ制御手段が、前記スイッチング手段の繰り返される周期的動作を与えるように構成され、誘導共振電流が正常な「オフ」期間中に実質的に消滅することがあることを特徴とする、請求項１に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチ制御手段が、前記スイッチの開閉比が前記ピックアップ素子によって収集される電力の前記量に逆比例する前記スイッチング手段の繰り返される周期的動作を与えるように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチング手段が、交流電流を制御することが可能である双方向固体スイッチング手段を備えることを特徴とする、請求項２に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記固体スイッチング手段が、１組の逆並列高速回復サイリスタを備えることを特徴とする、請求項４に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチング手段が、非対称シリコン制御整流器（ＡＳＣＲ）であることを特徴とする、請求項４に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチ制御手段が、前記調整済み電力の大きさを規制するように、前記調整済み電力の大きさに応答するように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチ制御手段が、前記スイッチの開閉比を変えることによって前記調整済み電力の電圧に応答するように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチ制御手段がまた、前記スイッチング手段の各側にある瞬時電圧レベルに応答し、それによって前記スイッチング手段の各側にある前記電圧レベルが実質的に同じである場合に前記スイッチング手段を瞬時に閉じることを特徴とする、請求項８に記載の誘導電力ピックアップ素子。
- 前記スイッチ制御手段の電流センサが、前記スイッチング手段を通過する電流を検出し、かつ、その時に前記スイッチング手段を開くために、当該電流がゼロ交差点に在る時を決定することが可能であることを特徴とする、請求項８に記載の誘導電力ピックアップ素子。
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