JP5894247B2 - 無線電力伝送のための装置および方法、および電気車両において無線で電力を受け取るための装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に無線電力伝送に関し、より詳細には、電池を含む車両などの遠隔システムへの無線電力伝送に関連するデバイス、システムおよび方法に関する。

米国特許法§119下における優先権の主張
本出願は、米国特許法§119(e)の下に、
参照によりその開示のすべてが本明細書に組み込まれている、2010年5月19日に出願した、「ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM」という名称の米国仮特許出願第61/346378号、および
参照によりその開示のすべてが本明細書に組み込まれている、2010年7月26日に出願した、「ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM」という名称の米国仮特許出願第61/367802号
の優先権を主張するものである。

伝送器と、充電すべき電子デバイスに結合されたレシーバとの間の空中を介した電力伝送、つまり無線電力伝送を使用した手法が開発されている。このような手法は、一般に2つのカテゴリに分類される。1つは、伝送アンテナと、充電すべきデバイス上のレシーブアンテナとの間の平面波放射(遠距離電磁界放射とも呼ばれている)の結合に基づいている。レシーブアンテナは、電池を充電するために放射された電力を収集し、かつ、整流する。この手法は、アンテナ間の距離に応じて電力結合が急激に衰退し、そのために合理的な距離(例えば1メートルないし2メートル未満)を介した充電が困難になる問題を抱えている。さらに、伝送システムは平面波を放射するため、フィルタリングによって適切に制御されない場合、意図しない放射によって他のシステムが妨害されることがある。

無線エネルギー伝送技法のための他の手法は、例えば「充電」マットの中または表面に埋設された伝送アンテナと、充電すべき電子デバイスの中に埋設されたレシーブアンテナ(+整流回路)との間の誘導結合に基づいている。この手法には、伝送アンテナとレシーブアンテナの間の間隔を極めて短くしなければならない欠点がある(例えば数ミリメートル以内)。この手法は、確かに、同じ領域内の複数のデバイスを同時に充電する能力を有しているが、この領域は、通常、極めて狭く、使用者は、デバイスを特定の領域に正確に配置しなければならない。

最近では、電気からの移動動力およびその電気を提供するための電池を含む車両などの遠隔システムが導入されている。ハイブリッド電気車両には、車両制動からの電力および従来の電動機を使用した、車両を充電するためのオンボード充電器が含まれている。電気のみの車両は、電池を充電するための電気を他の電源から受け取らなければならない。これらの電気車両は、従来、家庭用または商用AC電源などの何らかのタイプの有線交流(AC)を介して充電されるように提案されている。

電力の無線伝送中に生じる損失のため、効率は、無線電力伝送システムでは重要である。無線電力伝送は、しばしば有線伝送より効率が劣るため、効率は、無線電力伝送環境ではさらに重要な問題である。したがって電気車両に無線電力を提供する方法および装置が必要である。

電気車両のための無線充電システムでは、場合によっては伝送アンテナおよびレシーブアンテナを一定の範囲内で整列させなければならない。伝送アンテナおよびレシーブアンテナの距離およびアライメントの差は、有効な伝送に影響を及ぼす。したがって電力伝送、効率および調整コンプライアンスを改善するためには、無線電力伝送システムにおけるリンクパラメータの適合が必要である。

例示的実施形態は、充電ベース(CB)と電池式電気車両(BEV)などの遠隔システムとの間の結合モード領域における磁気共振を使用した無線電力伝送を対象としている。無線電力伝送は、CBから遠隔システムに向かって、また、遠隔システムからCBに向かって生じさせることができる。負荷適合および電力制御方法を使用して、無線電力リンクを介して伝送される電力の量を調整し、その一方で伝送効率を維持することができる。1つまたは複数の例示的実施形態では、適合可能電力変換器は、電源システムからの電力および電源システムへの電力を伝送モードの動作周波数で、また、それとは逆にレシーブモードの動作周波数で変換するために、少なくとも第1のモードと第2のモードの間で構成することができる。充電ベースアンテナは、動作周波数の近辺で共振するように構成され、また、適合可能電力変換器に動作可能に結合され、かつ、無線エネルギーを遠隔アンテナに結合するように構成される。これらのモードは、充電ベースアンテナと遠隔アンテナの間の結合係数の変化に対して適合可能電力変換器の効率が実質的に維持されるように選択することができる。また、1つまたは複数の例示的実施形態には、これらの1つまたは複数の例示的実施形態を実施するための方法が含まれている。

無線レシーバを備えたBEVなどの遠隔システムのための無線充電システムであって、BEVが無線伝送器の近傍に駐車している間の無線充電システムを示す図である。 BEVのための無線電力充電システムの簡易ブロック図である。 通信リンク、誘導リンク、ならびに伝送アンテナおよびレシーブアンテナのためのアライメントシステムを示す、BEVのための無線電力充電システムのより詳細なブロック図である。 BEVの無線充電に利用することができる様々な周波数を示す周波数スペクトルを示す図である。 BEVの無線充電に使用することができるいくつかの可能周波数および伝送距離を示すグラフである。 BEVの中に配置された交換可能非接触電池の簡易線図である。 電池に対する無線電力アンテナおよびフェライト材料の配置の詳細線図である。 電力を無線で受け取り、あるいは電力を無線で伝送するために装備されるBEV内の電池システムの部分の簡易ブロック図である。 本発明の一実施形態による、複数の駐車空間および個々の駐車空間に配置された充電ベースを備えた駐車区画を示す図である。 車両が遭遇する可能性のある、場合によっては車台のすきまを必要とする様々な障害物を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、車両の車台の下側の空胴に配置された無線電力アンテナを示す図である。 本発明の例示的実施形態による充電ベースを埋め込むいくつかの変形態様を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による無線電力アンテナを含む充電ベースの上に配置された無線電力アンテナを含む車両を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による無線電力アンテナを含む充電ベースの上に配置された無線電力アンテナを含む車両を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による無線電力アンテナを含む充電ベースの上に配置された無線電力アンテナを含む車両を示す図である。 機械デバイスが本発明の一例示的実施形態による無線電力アンテナの位置を調整することができるX方向およびY方向の可能位置を示す図である。 機械デバイスが本発明の一例示的実施形態による無線電力アンテナの位置を調整することができるX方向およびY方向の可能位置を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による駆動機構に動作可能に結合された歯車軸によって無線電力アンテナの位置を変えることができる他の機械的解決法を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、エネルギー伝送のための距離制約を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、無線電力伝送システムのための回路図である。 アンテナの半径に対する磁界強度を示す伝送ループアンテナおよびレシーブループアンテナを示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、全ブリッジ電力変換および半ブリッジとして再構成することができる適合可能電力変換を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、半ブリッジ電力変換構成を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、全ブリッジ電力変換構成を示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、無線電力伝送システムのための無線電力伝送コンポーネントを示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、測値を収集するための様々なセンサを示す図である。 本発明の一例示的実施形態による、適応電力変換のための方法の流れ図である。

添付の図面に関連して以下に示されている詳細な説明には、本発明の例示的実施形態についての説明であることが意図されており、本発明を実践することができる実施形態のみを示すことは意図されていない。この説明全体を通して使用されている「例示的」という用語は、「一例、実例または例証としての目的にかなう」ことを意味しており、必ずしも好ましいもの、あるいは他の例示的実施形態に優る有利なものとして解釈してはならない。詳細な説明には、本発明の例示的実施形態についての完全な理解を提供するために特定の詳細が含まれている。本発明の例示的実施形態は、これらの特定の詳細がなくても実践することができることは当業者には明らかであろう。いくつかの例では、よく知られている構造およびデバイスは、本明細書において示されている例示的実施形態の革新性を明確にするためにブロック図の形で示されている。

「無線電力」という用語は、本明細書においては、電界、磁界、電磁界に関連する任意の形態のエネルギー、あるいは物理的な電磁導体を使用することなく伝送器からレシーバへ伝送される任意の形態のエネルギーを意味するために使用されている。

さらに、「無線充電」という用語は、本明細書においては、1つまたは複数の電気化学電池または電気化学電池を含むシステムに、これらの電気化学電池を充電するための無線電力を提供することを意味するために使用されている。

「電池式電気車両」(BEV)という用語は、本明細書においては遠隔システムを意味するために使用されており、この遠隔システムの例は、その移動能力の一部として、1つまたは複数の充電式電気化学電池から引き出される電力を含む車両である。非制限の例として、いくつかのBEVは、車両の減速からの電力および従来の電動機を使用した、車両を充電するためのオンボード充電器を含むハイブリッド電気車両であってもよく、また、他のBEVは、電力からすべての移動能力を引き出すことができる。企図されている他の「遠隔システム」には、電子デバイス、等々がある。本明細書においては、それらに限定されないが、以下のような様々な用語および頭辞語が使用されている。
AC 交流
BEV 電池式電気車両
CB 充電ベース
DC 直流
EV 電気車両
FDX 全二重
FET 電界効果トランジスタ
G2V 格子-車両
HDX 半二重
IGBT 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
ISM 産業、科学および医療
LF 低周波
PWM パルス幅変調
r.m.s. 平方自乗平均
VLF 超低周波
V2G 車両-格子
ZSC ゼロ電流スイッチング

非制限の一例として、本明細書において、電池式電気車両(BEV)の形態の遠隔システムについて説明する。無線電力を受け取り、かつ、伝送することができる様々な電子デバイス、等々を始めとする、遠隔システムの他の例も企図されている。

図1は、BEV102などの無線充電式遠隔システムのための無線充電システムを示したもので、BEVは、無線充電ベース(CB)104の近傍に駐車している。駐車領域106には2台の車両102が示されており、対応するCB104の上に駐車している。局所配電センタ108は電力バックボーンに接続されており、また、CB104の一部として電力変換システム112に交流(AC)電源または直流(DC)電源を提供するように構成されている。また、CB104には、磁気近距離場を生成し、あるいは磁気近距離場からのエネルギーを遠隔アンテナによってピックアップするための無線電力アンテナ114が含まれている。個々の車両には、電池、BEV電力変換および充電システム116、および近距離場を介してCBアンテナ114と相互作用する無線電力アンテナ118が含まれている。

いくつかの例示的実施形態では、BEVアンテナ118は、CBアンテナ114と整列させることができ、したがって単純に運転者が車両をCBアンテナ114に対して適切に位置決めすることによって近距離場領域に配置される。他の例示的実施形態では、車両が無線電力伝送のために適切に配置されたことを決定するために、運転者に視覚フィードバック、聴覚フィードバックまたはそれらの組合せを与えることができる。さらに他の例示的実施形態では、アライメント誤差が許容可能な値に到達するまで車両を前後に移動させることができる(例えばジグザグ運動で)自動操縦システムによって車両を位置決めすることができる。これは、車両がサーボステアリングホイールを備え、いたるところに超音波センサを備え、かつ、人工知能を備えている場合、運転者の介在を必要とすることなく、あるいは最小限の介在のみで、車両によって自動的に、かつ、自律的に実施することができる。さらに他の例示的実施形態では、BEVアンテナ118、CBアンテナ114またはそれらの組合せは、それらをより正確に配向するために、また、より望ましい近距離場結合をこれらのアンテナの間に展開させるために、これらのアンテナを互いに対して変位させ、かつ、移動させるための手段を含むことができる。

CB104は、様々な位置に配置することができる。非制限の例として、いくつかの適切な位置は、車両の持ち主の自宅の駐車領域、従来の石油ベースの給油所の後にモデル化された、BEV無線充電のために確保されている駐車領域、およびショッピングセンタおよび職場などの他の位置における駐車区画である。

これらのBEV充電ステーションは、例えば、
・便益性: 事実上、運転者の介在および操作を必要とすることなく自動的に充電を実施することができる
・信頼性: 電気的な接触にさらされることがなく、また、機械的に摩耗する可能性がない
・安全性: ケーブルおよびコネクタを使用した操作を不要にすることができ、また、屋外環境における湿気および水分にさらされる可能性のあるケーブル、プラグまたはソケットを不要にすることができる
・野蛮な行為に対する耐性: 目に見える、あるいはアクセス可能なソケット、ケーブルおよびプラグを不要にすることができる
・有効性: BEVが分散蓄積デバイスとして使用されると、格子を安定化させることができる。車両-格子(V2G)機能を可能にする便利なドッキング-格子解決法を使用して有効性を向上させることができる
・美観および非障害: 車両および/または歩行者に対する障害になり得る柱状負荷およびケーブルを不要にすることができる
などの多くの利点を提供することができる。

V2G機能についてのさらなる説明として、無線電力伝送機能およびレシーブ機能は、CB104がBEV102に電力を伝送し、また、BEVがCB104に電力を伝送するよう、相互構成として構成することができる。この機能は、場合によっては、例えば太陽電池電力システムを電力格子に接続し、かつ、過剰の電力を電力格子に供給することができる方法と同様の方法で、BEVに総合配電システムへの電力に寄与させることによって配電を安定化させる場合に有用である。

図2は、BEVのための無線電力充電システム130の簡易ブロック図である。本明細書において説明されている例示的実施形態には、一次構造(伝送器)および二次構造(レシーバ)の両方が共通の共振周波数に対して同調されている場合、一次構造からのエネルギーを磁気近距離場を介して二次構造に有効に結合することができる共振構造を形成する容量性負荷ワイヤループ(つまり多重巻コイル)が使用されている。方法は、「磁気結合共振」および「共振誘導」としても知られている。

無線大電力伝送を可能にするために、いくつかの例示的実施形態は、20kHzから60kHzまでの範囲の周波数を使用することができる。この低周波結合は、最新技術の固体デバイスを使用して達成することができる極めて有効な電力変換を可能にすることができる。さらに、他の帯域と比較すると、存在する、無線システムとの共存の問題を少なくすることも可能である。

図2では、エネルギーを車両に向かって伝送していると仮定すると、ACであっても、あるいはDCであってもよい従来の電源132がCB電力変換モジュール134に電力を供給している。CB電力変換モジュール134は、CBアンテナ136を駆動して所望の周波数信号を放出する。CBアンテナ136およびBEVアンテナ138が実質的に同じ周波数に同調し、伝送アンテナからの近距離場放射内に十分に接近すると、電力をBEVアンテナ138に伝送し、かつ、BEV電力変換モジュール140の中に抽出することができるよう、CBアンテナ136およびBEVアンテナ138が結合する。BEV電力変換モジュール140は、次に、BEV電池142を充電することができる。一例によれば、BEV電池は、デバイスのための遠隔エネルギー蓄積システムとして働くことができる。電源132、CB電力変換モジュール134およびCBアンテナ136は、上で説明したように様々な位置に固定して配置することができる、総合無線電力システム130の下部構造部分144を構築している。BEV電池142、BEV電力変換モジュール140およびBEVアンテナ138は、車両の一部または電池パックの一部である無線電力サブシステム146を構築している。

動作中、エネルギーを車両すなわち電池に向かって伝送していると仮定すると、入力電力は、エネルギー伝送を提供するための放射磁界をCBアンテナ136が生成するよう、電源132から提供される。BEVアンテナ138は放射磁界に結合して、車両が蓄積し、あるいは車両が消費するための出力電力を生成する。例示的実施形態では、CBアンテナ136およびBEVアンテナ138は相互共振関係に従って構成され、BEVアンテナ138の共振周波数およびCBアンテナ136の共振周波数が極めて近い場合、CB無線電力サブシステムとBEV無線電力サブシステムの間の伝送損失は、BEVアンテナ138がCBアンテナ136の近距離場内に位置している場合に最小になる。

言及したように、有効なエネルギー伝送は、電磁波中のエネルギーの大部分を遠距離場に伝搬させる代わりに、伝送アンテナの近距離場中のエネルギーの大部分をレシーブアンテナに結合することによって生じる。この近距離場内にある場合、伝送アンテナとレシーブアンテナの間で結合モードを展開させることができる。この近距離場結合が生じ得るアンテナの周囲の領域は、本明細書においては近距離場結合モード領域と呼ばれている。

CB電力変換モジュールおよびBEV電力変換モジュールは、いずれも、発振器、電力増幅器、フィルタ、および無線電力アンテナとの有効な結合のための整合回路を含むことができる。発振器は、調整信号に応答して調整することができる所望の周波数を生成するように構成される。発振器信号は、電力増幅器によって、制御信号に応じた増幅量で増幅することができる。フィルタおよび整合回路は、高調波または他の望ましくない周波数をフィルタ除去し、かつ、電力変換モジュールのインピーダンスを無線電力アンテナに整合させるために含むことができる。また、CB電力変換モジュールおよびBEV電力変換モジュールは、電池を充電するための適切な電力出力を生成するための整流器およびスイッチング回路を含むことも可能である。

例示的実施形態に使用されているBEVアンテナおよびCBアンテナは、「ループ」アンテナとして構成することができ、より詳細には、本明細書においては「磁気」アンテナとも呼ぶことができる多重巻ループアンテナとして構成することができる。ループ(例えば多重巻ループ)アンテナは、空心またはフェライトコアなどの物理コアを含むように構成することができる。空心ループアンテナの場合、他のコンポーネントをコア領域に配置することができる。強磁性または強磁性体を含む物理コアアンテナの場合、より強い電磁界および改善された結合を開発することができる。

言及したように、伝送器とレシーバの間のエネルギーの有効な伝送は、伝送器とレシーバの間の共振が整合しているか、ほぼ整合している間に生じる。しかしながら、伝送器とレシーバの間の共振が整合していない場合であっても、より低い効率でエネルギーを伝送することができる。エネルギーの伝送は、伝送アンテナからのエネルギーを自由空間に伝搬させる代わりに、伝送アンテナの近距離場からのエネルギーを、この近距離場が確立される近隣に存在しているレシーブアンテナに結合することによって生じる。

ループアンテナの共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づいている。ループアンテナのインダクタンスは、一般的には単純にループによって生成されるインダクタンスであり、一方、キャパシタンスは、通常、所望の共振周波数での共振構造を生成するためにループアンテナのインダクタンスに追加される。非制限の例として、磁界を生成する共振回路を生成するために、コンデンサをアンテナと直列に加えることができる。したがって直径がより大きいループアンテナの場合、ループの直径つまりインダクタンスが大きくなると、共振を誘導するために必要なキャパシタンスのサイズが小さくなる。さらに、インダクタンスは、ループアンテナの巻き数によって決定することも可能であることに留意されたい。さらに、ループアンテナの直径が大きくなると、近距離場の有効エネルギー伝送領域が広くなる。当然、他の共振回路も可能である。他の非制限の例として、ループアンテナの2つの端子の間に並列にコンデンサを置くことも可能である(つまり並列共振回路)。

本発明の例示的実施形態には、互いの近距離場に存在している2つのアンテナの間の結合電力が含まれている。言及したように、近距離場はアンテナの周囲の領域であり、そこには電磁界が存在しているが、アンテナから伝搬すなわち発射することはできない。近距離場結合モード領域は、通常、アンテナの物理的体積に近い体積、例えば波長の6分の1の半径以内に閉じ込められている。本発明の例示的実施形態では、磁気タイプのアンテナの場合、電気タイプのアンテナ(例えば微小ダイポール)の電気近距離場と比較すると、実際的な実施形態の磁気近距離場振幅にはより大きくなる傾向があるため、単一巻および多重巻ループアンテナなどの磁気タイプのアンテナが、伝送アンテナおよびレシーブアンテナの両方のために使用されている。そのため、対間の結合を潜在的により強力にすることができる。実質的に磁界を利用しているもう1つの理由は、環境および安全上の問題の点で、磁界は、非導電性誘電材料との相互作用が小さいことによるものである。無線大電力伝送のための電気アンテナは、場合によっては極端に高い電圧が必要である。さらに、「電気」アンテナ(例えばダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せも企図されている。

図3は、通信リンク152、誘導リンク154、ならびにCBアンテナ158およびBEVアンテナ160のためのアライメントシステム156を示す、BEVのための包括的無線電力充電システム150のより詳細なブロック図である。図2の例示的実施形態の場合と同様、BEVに向かってエネルギーが流れていると仮定すると、図3では、CB電力変換ユニット162は、CB電力インタフェース164からACまたはDC電力を受け取り、かつ、その共振周波数またはその近辺でCBアンテナ158を励起している。BEVアンテナ160は、近距離場結合モード領域に位置すると、近距離場結合モード領域からエネルギーを受け取り、共振周波数またはその近辺で発振する。BEV電力変換ユニット166は、レシーブアンテナ160からの発振信号を電池の充電に適した電力信号に変換する。

また、この包括的システムは、それぞれCB制御ユニット168およびBEV制御ユニット170を含むことも可能である。CB通信ユニット168は、例えばコンピュータおよび配電センタなどの他のシステム(図示せず)に対する通信インタフェースを含むことができる。BEV制御ユニット170は、例えば車両上のオンボードコンピュータ、他の電池充電コントローラ、車両内の他の電子システムおよび遠隔電子システムなどの他のシステム(図示せず)に対する通信インタフェースを含むことができる。

CB通信ユニット180およびBEV通信ユニット182は、そのための個別の通信チャネルを備えた特定のアプリケーションのためのサブシステムまたは機能を含むことができる。これらの通信チャネルは、個別の物理的チャネルであっても、あるいは単なる個別の論理チャネルであってもよい。非制限の例として、CBアライメントユニット172は、例えばCB通信ユニット180およびBEV通信ユニット182を介してBEVアライメントユニット174と通信し、それにより、自律的に、あるいはオペレータの補助を使用してCBアンテナ158およびBEVアンテナ160をより緊密に整列させるためのフィードバック機構を提供することができる。同様に、CB誘導ユニット176は、例えばCB通信ユニット180およびBEV通信ユニット182を介してBEV誘導ユニット178と通信し、それによりオペレータを誘導してCBアンテナ158およびBEVアンテナ160を整列させるためのフィードバック機構を提供することができる。さらに、CB通信ユニット180およびBEV通信ユニット182によってサポートされた、CBとBEVの間で他の情報を通信するための個別の汎用通信チャネル152を存在させることも可能である。この情報には、EV特性、電池特性、充電状態およびCBとBEVの両方の電力能力、ならびに保守および診断データに関する情報を含むことができる。これらの通信チャネルは、例えばブルートゥース、ジグビー、セルラー、等々などの個別の物理的通信チャネルであってもよい。

さらに、いくつかの通信は、無線電力リンクを介して、特定の通信アンテナを使用することなく実施することができる。言い換えると、通信アンテナと無線電力アンテナは同じである。したがってCBのいくつかの例示的実施形態は、無線電力経路上でのキーイングタイプのプロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含むことができる。定義済みプロトコルを使用して、定義済みインターバルで伝送電力レベルをキーイングすることにより(振幅シフトキーイング)、レシーバは伝送器からのシリアル通信を検出することができる。CB電力変換モジュール162は、CBアンテナ158によって生成される近距離場の近傍における能動BEVレシーバの有無を検出するための負荷知覚回路(図示せず)を含むことができる。一例として、負荷知覚回路は、電力増幅器へ流れる、CBアンテナ158によって生成される近距離場の近傍における能動レシーバ有無によって影響される電流を監視する。電力増幅器にかかる負荷に対する変化の検出は、エネルギーを伝送するための発振器をイネーブルするかどうか、能動レシーバと通信するかどうか、あるいはそれらの組合せを実施するかどうかを決定するために使用されるコントローラによって監視することができる。

BEV回路は、BEV電力変換ユニット166へのBEVアンテナ160の接続および開放のためのスイッチング回路(図示せず)を含むことができる。BEVアンテナを開放することにより、充電が停止するだけでなく、CB伝送器から「見た」「負荷」が変化し、この変化を使用してBEVレシーバを伝送器から「覆い隠す」ことができる。CB伝送器に負荷知覚回路が含まれている場合、この負荷変化を検出することができる。したがってCBは、BEVレシーバがCBアンテナの近距離場に存在していることを決定するための機構を有している。

図4は、BEVの無線充電に利用することができ、また、BEVの無線充電に適した様々な周波数を示す周波数スペクトルを示したものである。BEVへの無線大電力伝送のためのいくつかの可能周波数範囲には、3kHzないし30kHz帯域におけるVLF、いくつかの例外を除く、30kHzないし150kHz帯域におけるより低いLF(ISM様アプリケーションの場合)、HF6.78MHz(ITU-R ISM-Band 6.765〜6.795MHz)、HF13.56MHz(ITU-R ISM-Band 13.553〜13.567)およびHF27.12MHz(ITU-R ISM-Band 26.957〜27.283)が含まれている。

図5は、BEVの無線充電に使用することができるいくつかの可能周波数および伝送距離を示したものである。BEVの無線充電に利用することができるいくつかの伝送距離の例は、約30mm、約75mmおよび約150mmである。いくつかの例示的周波数は、VLF帯域における約27kHzおよびLF帯域における約135kHzであってもよい。

共振特性をわずかに外れ、また、レシーブアンテナおよび伝送アンテナの結合モード領域をわずかに外れた適切な周波数を決定する際には、多くの考察事項を考慮しなければならない。無線電力周波数は、他のアプリケーションのために使用される周波数と干渉することがある。非制限の例として、電力線路周波数、可聴周波数および通信周波数とのVLF/LFの共存の問題が存在する可能性がある。VLFおよびLFの共存が問題になり得るいくつかの非制限の例は、無線制御クロックのための周波数、LW AM同報通信および他の無線サービスのための周波数、ISDN/ADSLおよびISDN/xDSL通信チャネルへのクロスカップリング、電子車両固定化システム、RFID(無線周波数識別)システム、EAS(電子物品監視)システム、オンサイトページング、低電圧PLCシステム、医療インプラント(心臓ペースメーカ、等々)、音響システム、ならびに人間および動物による知覚が可能な音響放出である。

HF周波数の共存が問題になり得るいくつかの非制限の例は、遠隔制御アプリケーションおよび連続エネルギー伝送を使用したFDXまたはHDXモードにおけるRFIDのための6.78MHz、連続エネルギー伝送ならびに携帯用デバイス無線電力を使用したFDXまたはHDXモードにおけるRFIDのための13.56MHz、および鉄道アプリケーション(ユーロバリス27.095MHz)、市民バンド無線および遠隔制御(例えばモデル、玩具、車庫扉、コンピュータマウス、等々)のための27.12MHzなどの産業、科学および医療(ISM)無線帯域である。

図6は、電池式電気車両(BEV)220の中に配置された充電式および/または交換可能電池の簡易線図を示したものである。この例示的実施形態では、無線電力インタフェース226を統合した、また、地面に埋設された充電器から電力を受け取ることができる電池ユニット222のために低い電池位置を使用することができる。図6では、EV充電式電池ユニット222は、電池コンパートメント224の中に収納されている。また、電池ユニット222は、地面に埋設された充電ベース(CB)と電気車両(EV)電池との間の有効で、かつ、安全な無線エネルギー伝送に必要な共振磁気アンテナ、電力変換機能および他の制御機能ならびに通信機能を備えた全BEV側無線電力サブシステムを統合することができる無線電力インタフェース226を提供している。

BEVアンテナの場合、突出部分が存在しないよう、また、規定された地面-車両間車体すきまを維持することができるよう、電池ユニット222の底面(車両車体)と同じ平面に統合されることが場合によっては有用である。この構成には、電池ユニット内に無線電力サブシステム専用の若干の空間が場合によっては必要である。

いくつかの例示的実施形態では、CBアンテナおよびBEVアンテナは、所定の位置に固定されており、また、これらのアンテナは、CBに対するBEVの総合的な配置によって近距離場結合領域にもたらされる。しかしながら、速やかに、有効に、かつ、安全にエネルギー伝送を実施するためには、場合によっては充電ベースアンテナとBEVアンテナの間の距離を短くして磁気結合を改善しなければならない。したがっていくつかの例示的実施形態では、CBアンテナおよびBEVアンテナを移動可能に配置することができ、それによりそれらをより良好なアライメントにもたらすことができる。また、図6には、同じく、非接触電力インタフェースおよび通信インタフェース226/228を提供している電池ユニット222が示されている。

図7は、電池に対するループアンテナおよびフェライト材料配置のより詳細な線図である。様々な例示的実施形態では、電池ユニットには、無線電力インタフェースの一部として、配置可能および非配置可能のいずれかのBEVアンテナモジュール240が含まれている。電池ユニット230中への磁界の侵入および車両の内部への磁界の侵入を防止するために、電池ユニットとBEVアンテナモジュール240の間に導電性遮蔽232(例えば銅シート)を存在させることができる。さらに、非導電性(例えばプラスチック)層233を使用して導電性遮蔽232を保護することも可能である。プラスチック層233は、図7には線で示されているが、このプラスチック層233の幅は、導電性銅層232の幅未満であっても、ほぼ同じ幅であっても、あるいは導電性銅層232の幅より広くてもよい。プラスチックハウジング235は、コイル236およびフェライト材料238を環境の影響(例えば機械的損傷、酸化、等々)から保護するために使用されている。プラスチック充填234を使用してコイル236およびフェライト238をハウジング235内に配置することができる。

図7には、完全フェライト埋設アンテナコイル236が示されている。コイル236自体は、例えばより合わせたリッツ線のみでできていてもよい。また、図7には、導電性遮蔽232内の結合を強化し、かつ、うず電流(熱散逸)を小さくするように寸法化されたフェライト板238(つまりフェライト裏当て)が示されている。コイル236は、非導電非磁気(例えばプラスチック)材料234の中に完全に埋め込むことができる。一般に、磁気結合とフェライトヒステリシス損失の間のトレードオフの結果として、コイル236とフェライト板238の間に分離を存在させることができる。

さらに、コイル236は、横X方向および/またはY方向に移動させることができる。図7には、とりわけ、アンテナ(コイル)モジュール240が下に向かってZ方向に配置されている一例示的実施形態が示されている。アンテナモジュール240を電池ユニット230から物理的に分離することにより、アンテナの性能に対する正の効果を有することができる。

図8は、無線電力を受け取るために装備されるBEV内の電池システム250の部分の簡易ブロック図である。この例示的実施形態には、EVシステム252、電池サブシステム254および無線充電インタフェースとCB(図示せず)の間で使用することができる無線電力インタフェースが示されている。電池サブシステム254は、エネルギー伝送および通信の両方に、EVと電池サブシステム254の間の無線インタフェースを提供しており、この無線インタフェースは、完全な非接触、閉鎖、密閉電池サブシステムを可能にしている。このインタフェースは、双方向(2方向)無線エネルギー伝送、電力変換、制御、電池管理および通信のための機能を含むことができる。電池とBEVの間の非接触接続が示されているが、接触接続も同じく企図されている。

上では、充電器-電池間の通信インタフェース256および充電器-電池間の無線電力インタフェース258が説明されているが、図8は一般概念を示したものであることにもう一度留意されたい。特定の実施形態では、無線電力アンテナ260および通信アンテナを組み合わせて単一のアンテナにすることができる。これは、電池-EV間無線インタフェース262にも適用することができる。電力変換(LF/DC)ユニット264は、EV電池266を充電するために、CBから受け取った無線電力をDC信号に変換している。電力変換(DC/LF)268は、EV電池266から、電池サブシステム254とEVシステム252の間の無線電力インタフェース270に電力を供給している。電池管理ユニット272は、EV電池の充電、電力変換ユニット(LF/DCおよびDC/LF)ならびに無線通信インタフェースの制御を管理するために含むことができる。

EVシステム252内では、無線電力アンテナ274はアンテナ276から電力を受け取っており、また、LF/DC電力変換ユニット278は、スーパーコンデンサバッファ280にDC信号を供給することができる。いくつかの例示的実施形態では、LF/DC電力変換ユニット278は、EV電源インタフェース282に直接DC信号を供給することができる。他の例示的実施形態では、非接触インタフェースは、例えば加速中、列車を駆動する車両が必要とする大きい電池ピーク電流を提供することができなくてもよい。電源抵抗、延いてはEV電源端子から「見た」EVエネルギー蓄積システムのピーク電力能力を小さくするために、追加スーパーコンデンサバッファを使用することができる。EV電気システム制御ユニット284は、電力変換ユニット(LF/DC)278、スーパーコンデンサバッファ280の充電、ならびにEVおよび電池サブシステム254への無線通信インタフェース262の制御を管理するために含むことができる。さらに、上で説明したV2G機能は、図8を参照して説明し、かつ、図8に示されている概念に適用することも可能であることに留意されたい。

以下で説明する本発明の例示的実施形態は、BEVのための無線充電システム(本明細書においては「BEV無線充電システム」とも呼ばれている)の一部としての無線電力アンテナのアライメントを対象としている。当業者には理解されるように、適切なアンテナアライメントにより、例えば駐車空間に配置された充電ベースとBEVサブシステムとの間で、速やかに、効果的に、かつ、安全な方法で、2方向(双方向)でエネルギーを伝送することができる。1つまたは複数の例示的実施形態によれば、車両誘導システムは、BEVを駐車空間に適切に配置するための粗アライメントを提供することができ、それによりCBアンテナおよびBEVアンテナを特定の誤差半径内で整列させることができる。さらに、1つまたは複数の他の例示的実施形態によれば、アンテナアライメントシステムは、BEV無線充電システム内のアンテナの微動アライメントを可能にするために、CBアンテナ、BEVアンテナまたはそれらの両方の位置を1つまたは複数の方向に機械的に調整するように構成することができる。

図9は、複数の駐車空間907を備えた駐車区画901を示したものである。「駐車空間」は、本明細書においては「駐車領域」と呼ぶことも可能であることに留意されたい。車両無線充電システムの効率を改善するために、BEV905は、BEV905内の無線電力車両ベース904を関連する駐車空間907内の無線電力充電ベース906と適切に整列させることができるよう、X方向(図9の矢印902によって示されている)およびY方向(図9の矢印903によって示されている)に沿って整列させることができる。図9の駐車空間907は、単一の充電ベース906を有しているものとして示されているが、本発明の実施形態はそれには限定されない。それどころか、1つまたは複数の充電ベースを有することができる駐車空間が企図されている。

さらに、本発明の実施形態は、1つまたは複数の駐車空間を有する駐車区画に適用することができ、駐車区画内の少なくとも1つの駐車空間は充電ベースを備えることができる。さらに、誘導システム(図示せず)を使用して、車両オペレータによる駐車空間907内へのBEVの位置決めを補助することも可能であり、それによりBEV内の車両ベース(例えば車両ベース904)と充電ベース906を整列させることができる。例示的誘導システムは、BEVオペレータによるBEVの位置決めを補助し、それによりBEV内のアンテナと充電ベース(例えば充電ベース906)内の充電アンテナを適切に整列させることができるよう、電子に基づく手法(例えば無線位置決め、方向探知原理、および/または光学、準光学および/または超音波知覚方法)または機械に基づく手法(例えば車両ホイールの誘導、追跡または停止)、あるいはそれらの任意の組合せを含むことができる。

図10Aは、BEV1010が、最小の車台すきまを必要とする様々な障害物1005に遭遇する可能性があることを示したものである。これらの障害物1005は、様々な位置でBEV1010の車台の下面1015と接触する可能性がある。無線電力アンテナ(図示せず)がBEV1010の車台の下面1015内に位置するか、あるいはその近傍に位置すると、無線電力アンテナが損傷し、不整列になり、あるいは障害物1005が無線電力アンテナと接触することに関連する他の問題を抱えることになる。

図10Bは、本発明の一例示的実施形態によるBEVアンテナ1020を示したものである。BEVアンテナ1020を障害物との望ましくない接触から保護するためには、BEVアンテナ1020をBEV1010の車台の下面の空胴1012に配置することが望ましい。

充電ベースは、CBアンテナに動作可能に結合された電力変換ユニットを含むことができる。充電ベースは、さらに、本明細書において説明するように、CBアンテナの位置調整のために使用することができる他の機械コンポーネントまたは電子コンポーネント(例えばプロセッサ)を含むことができる。充電ベースのコンポーネントは、駐車区画、自動車道路または車庫の中などの地中に少なくとも部分的に埋設される充電ベース内に収納することができる。

図11は、本発明の一例示的実施形態に従って少なくとも部分的に地面1105の下に埋め込まれた充電ベース1110を示したものである。充電ベース1110は、BEVと結合した対応するBEVアンテナ(図示せず)に無線電力信号を伝送し、あるいはBEVアンテナから無線電力信号を受け取るための1つまたは複数のCBアンテナ1115を含むことができる。充電ベース1110は地面から突出1101させることができ、それによりCBアンテナ1115とBEVアンテナの間の距離を短くすることができるため、結合を改善することができる。突出1101充電ベース1110は、保守および修理のためのアクセスをより容易にすることができる。しかしながら、突出1101充電ベース1110は、歩行者などにとって、あるいは除雪中などの場合には邪魔になることがある。

別法としては、充電ベース1110は、地面1105と同じ平面1102にすることも可能である。同一平面1102充電ベース1110は、保守および修理のためのアクセスをより容易にすることができ、また、邪魔になることはないが、突出1101充電ベース1110と比較すると、CBアンテナ1115とBEVアンテナの間の結合が小さくなることがある。また、同一平面1102充電ベース1110は、地面(例えばアスファルト)の縁に関わる潜在的な問題を残す可能性があり、潜在的に、水、氷および機械的応力によってより浸食され易い。

別法としては、充電ベース1110は、地中1103に完全に埋没させることも可能である(例えばアスファルト層1107の下)。このような地中1103充電ベース1110は、場合によっては侵入者に対してより安全であり(例えば野蛮な行為に対して)、また、邪魔にならないが、場合によっては結合が小さくなり、また、保守および修理のためのアクセス性が低下する。

図12A〜12Cは、同じく無線電力アンテナ1225を含む充電ベース1220の上に配置された無線電力アンテナ1215を含むBEV1210を示したものである。図12A〜12Cに示されているように、BEVアンテナ1215およびCBアンテナ1225は、X方向およびY方向に整列しており、また、距離1230だけZ方向に分離されている。図12Bに示されているように、BEVアンテナ1215およびCBアンテナ1225は、オフセット距離1235だけX方向に不整列であり、また、距離1230だけZ方向に分離されている。

BEVアンテナ1215とCBアンテナ1225の間の結合強度を改善するためには、場合によっては距離1230およびオフセット距離1235を短くすることが望ましい。距離1230およびオフセット距離1235は、微動アライメント調整システムによって短くすることができる。

CBアンテナ1225とBEVアンテナ1215の間の結合強度を大きくするために、微動アライメント調整システムを使用して、CBアンテナ1225、BEVアンテナ1215またはそれらの組合せの物理的な位置を調整することができる。BEVアンテナ1215およびCBアンテナ1225のうちの一方または両方の位置の調整は、それらの間の不整列の検出に応答して実施することができる。不整列の決定は、上で説明した、磁界検出に関連する方法のためなどの車両誘導システムからの情報を利用することによって実施することができる。さらに、無線電力リンクからの情報(例えば無線電力リンクの性能を表す様々なパラメータ)を使用して、関連するアンテナの不整列を決定することも可能である。例えば、不整列を検出している間、無線電力リンクは、低減された電力レベルで動作させることができ、関連するアンテナが正確に整列すると、電力レベルを高くすることができる。

微動アライメント調整システムは、粗アライメント誘導システムとは別にすることも、あるいは粗アライメント誘導システムに加えることも可能である。例えば粗アライメント誘導システムは、微動アライメント調整システムがBEVアンテナ1215とCBアンテナ1225の間の微細な誤差を修正することができるよう、BEVを所与の許容差(つまり誤差半径)内で所定の位置に誘導することができる。

図12CのBEV1210の上面図に示されているように、BEVアンテナ1215およびCBアンテナ1225はX方向にのみ不整列である。BEVアンテナ1215およびCBアンテナ1225はY方向に整列している。例えばY方向のアライメントは、自身の牽引システムを使用してBEV1210によって達成された可能性があり、このY方向のアライメントは、本明細書において説明されている誘導システムによって補助することができ(例えば自動操縦される)、また、この誘導システムの補助により、BEVの電動機は、円滑に、かつ、正確に目標Y位置へ移動させることができる。このようなシナリオの場合、X方向のアライメント誤差は依然として存在する場合があるが、Y方向のアライメント誤差は存在しない。Y方向のアライメント調整(例えば粗アライメント誘導システムを使用した)の必要性が除去されると、BEVアンテナ1215は、X方向にのみ移動するように構成することができるため、BEVアンテナ1215に対する空間要求事項を同じく軽減することができ、これは空胴内で適応することができ、無線電力伝送のためには配置されない。したがってY方向の微動アライメントの必要性を除去することによりBEV無線電力サブシステムを単純にすることができる。

図13Aは、機械デバイスが本発明の一例示的実施形態によるBEVアンテナ1415の位置を調整することができるX方向およびY方向の可能位置を示したものである。例えば、機械デバイス内の角度対(α、β)を選択することにより、X方向およびY方向の任意の位置を半径r_max内で達成することができる。

図13Bは、本発明の一例示的実施形態によるBEV1510の下面の空胴1512に配置されるBEVアンテナ1515のための機械的解決法を示したものである。図13Bに示されているように、機械デバイス1550は、適切な角度対(α、β)を選択することによってBEVアンテナ1515のX方向およびY方向の位置を調整することができる。さらに、機械デバイス1550は、BEV1510の空胴1512からBEVアンテナ1515を低くすることによってBEVアンテナ1515のZ方向の位置を調整することができる。機械デバイス1550は、電気駆動力学および/または水力学を始めとする多くの機械的解決法のうちの1つを含むことができる。本明細書においては示されていないが、機械デバイスを同じ様に使用して、CBアンテナのX方向、Y方向またはZ方向の位置、あるいはそれらの任意の組合せを調整することも可能である。言い換えると、場合に応じてCBアンテナ、BEVアンテナ1515またはそれらの両方の位置を調整するための機械的解決法を使用して微動アライメント調整を達成することができる。

図14は、BEVアンテナ1615(および/またはCBアンテナ)を本発明の一例示的実施形態による駆動機構1652に動作可能に結合された歯車軸1650によって再配置することができる他の機械的解決法を示したものである。動作中、駆動機構1652が起動されると、歯車軸1650は、BEVアンテナ1615をZ方向に低くするために、回転して支持部材1654を展開させることができる。

微動アライメント調整は、無線電力伝送器によって生成される電界の磁束線を変える電気的解決法(例えば電子的に切り換えられるコイルアレイ)の助けを借りて達成することも可能である。アンテナの機械的アライメントと電気的アライメントの組合せを使用することができる。

BEVアンテナは、BEVの車台の下面に沿って配置することができる。上で説明したように充電ベースを少なくとも部分的に地中に埋め込む代わりに、地面より上に配置された充電プラットフォームとして充電ベースを構成することも可能である。このような構成は、充電ベースのための孔を地面に掘ることが望ましくない場合に、場合によっては車庫またはカーポートのためのレトロフィット解決法として望ましい。また、充電プラットフォームは移動が可能であり、車庫以外の場所に保管し、あるいは他の場所へ移すことができるため、充電プラットフォームを構成することによって柔軟性を提供することも可能である。

充電ベース(例えば充電プラットフォーム)は、自動的に移動する(例えば自動ロボットとして)ように構成することができ、遠隔で制御される(例えば遠隔制御ユニットを介して)ように構成することができ、あるいは移動充電プラットフォームを制御するための他の方法を介して構成することができる。例えば、BEV(例えばその無線電力サブシステムを介して)は充電を要求することができ、充電ベースは、その要求を受け取ると、BEVの真下に自動的に移動して、自身、CB無線電力アンテナとBEVアンテナが整列する位置に位置することができる。さらに、上で説明したようにBEVアンテナおよびCBアンテナの位置を1つまたは複数の方向に調整することによって微動アライメント(必要に応じて)を達成することができる。

十分に整列すると、充電ベースは、充電ベースとBEVの無線電力サブシステムの間で、より有効に無線電力を伝送することができる。充電が完了するか、あるいは何らかの他の事象の後、充電ベースは待機位置へ戻ることができる(スタンバイモード)。したがって無線電力システムは、充電ベースおよびBEVと結合した他のデバイス(例えば無線電力サブシステム)との通信リンクを含むことができる。充電ベースは、さらに、充電プロセスの前後に接続ケーブルをほどき、また、螺旋状に巻くためのケーブル管理を含むことができる。

BEVのための無線電力充電システムは、さらに、安全保護の観点から構成することも可能である。例えば、BEVは、無線電力BEVアンテナまたはCBアンテナが配置され、このようなアンテナを後退させることができない場合(例えば損傷または障害物のために)、固定されるように構成することができる。このような固定により、無線電力充電システムをそれ以上の損傷から保護することができる。無線電力充電システムは、さらに、無線電力BEVアンテナまたはCBアンテナの機械的な抵抗を検出するセンサを含むことができる。機械的な抵抗を検出することにより、アンテナの運動を制限することになる位置に障害物(石、瓦礫、雪、動物、等々)が存在している場合に、無線電力BEVアンテナまたはCBアンテナおよび付随するコンポーネントを損傷から保護することができる。

無線電力充電システムは、さらに、BEVアンテナとCBアンテナの間の無線電力リンクの連続監視(例えば電圧、電流、電力潮流、等々の監視)を含むことができ、また、無線電力リンク内に異常が検出されると、伝送される電力を小さくし、あるいは電力を停止することができる。無線電力充電システムは、さらに、アンテナのすぐ近傍における人または動物の存在を検出するように構成されたセンサを含むことができる。無線電力アンテナの近傍に人が存在している場合に、プロセッサが無線電力の伝送を低減し、あるいは終了するためには、このようなセンサが場合によっては望ましい。このようなアクションは、例えば人がBEVの真下で保守または他の修理作業を実施している間の、とりわけ人が心臓ペースメーカまたは同様の敏感で、かつ、安全上、重大な医療デバイスを使用している場合などの、電磁放射への長時間にわたる露出に対する安全上の予防手段になり得る。

無線エネルギー伝送原理について、本明細書においてさらに説明する。上で説明したように、無線エネルギー伝送には、強力な結合を提供することができる共振構造を形成する容量性負荷ワイヤループ(つまり多重巻コイル)が使用され、したがって一次構造(例えば伝送器)および二次構造(例えばレシーバ)の両方が共通共振周波数に対して同調されている場合、一次構造から二次構造へ磁気近距離場を介して十分なエネルギーを伝送することができる。同じく言及したように、方法は、場合によっては「磁気結合共振」または「共振誘導」としても知られている。

最新技術の固体デバイスを使用して極めて有効な電力変換を達成することができ、また、他の帯域と比較すると、存在する、無線システムとの共存の問題を少なくすることができるため、無線大電力伝送を可能にするためには20kHzから60kHzまでの範囲の周波数が望ましいとされている。電力伝送の計算のために、円板形(上で説明したように)であってもよい、また、アライメント目的のために水平方向(一般的にはx、y方向)ならびに垂直方向(z方向)に移動させることができるBEV取付けアンテナコイルが仮定されている。本明細書において説明されているように、BEVアンテナモジュールは、通常、突出しないよう、車両の下面にしまい込むことができる。BEVが充電のために駐車すると、同じく円板形(上で説明したように)であってもよく、また、地中に埋め込まれていてもよいCBアンテナコイルまでの距離を最短にするためにアンテナコイルがz方向に持ち下げられる。

図15は、本発明の例示的実施形態による、エネルギー伝送のための距離制約を示したものである。最短距離dは、規定制約の下で、最大効率で、かつ、最大電力でのエネルギー伝送を可能にする。できることならゼロ距離(アンテナが接触している)が最適である。しかしながら、頑丈で、柔軟性があり、かつ、信頼性が高いことが要求される実際的な解決法では、一定の分離が期待される。この、これ以上短くすることができない距離は、図15に示されているように、(1)瓦礫厚さ1680として示されている環境上(主として屋外駐車における、ごみ、瓦礫、雪の存在)による厚さ、(2)アスファルト厚さ1682として示されている、地中(アスファルトの下、同一平面、突出)へのCBアンテナコイルの埋設厚さ、(3)コイル厚さ1684、CBのためのカバー厚さ1686およびBEVのためのコイル厚さ1688およびカバー厚さ1690として示されている、CBアンテナモジュールおよびBEVアンテナモジュールのハウジングの厚さ、(4)車両サスペンションシステムの突然の垂直方向の変位(衝撃)(例えばBEVアンテナが配置されている間に体重の重い人が車の中に座った場合)を吸収するために必要な安全マージン厚さ1692、等々などのいくつかの厚さの要因で決まる。

理想的には、システムは、距離を最短化し、延いては無線電力伝送の性能を最大化するという目的を持って実際の状態に適合する。このような例示的適応システムでは、CBアンテナコイルおよびBEVアンテナコイルの分離は可変であってもよいが、最大電力、最大効率および規定コンプライアンスを取り扱わなければならない場合、それに応じて特定のリンクパラメータを適合させなければならない。この適合については、本明細書において以下でさらに説明する。

図16は、一例示的実施形態による、直列共振誘導リンクに基づく、無線電力システムの構成要素を含む回路図を示したものである。電源および電力シンク(負荷)は、いずれも、それぞれ電圧がV_SDCおよびV_LDCである定電圧であることが仮定されており、それぞれ電力格子およびBEV電池の特性を反映している。定電圧は、事実上、それぞれゼロ電源抵抗およびゼロシンク抵抗の意味で理解されたい。

図16の回路図ならびに以下の説明には、CB側電源1702からBEV側シンク1704へのエネルギー伝送が仮定されている。しかしながら、これは、電力変換が逆電力潮流をサポートすることを条件として(双方向四象限制御)、例えば車両-格子(V2G)エネルギー伝送のための逆方向のエネルギー伝送を排他するものではない。

図17は、距離dだけ分離され、また、それぞれそれらのインダクタンスL₁およびL₂、ならびに距離の関数であるそれらの相互結合係数k(d)によって図16に示されているCBアンテナコイル1706およびBEVアンテナコイル1708を示したものである。コンデンサC₁およびC₂は、アンテナインダクタンスを補償するために使用されており、したがって所望の周波数での共振を達成するために使用されている。等価抵抗R_eq,1およびR_eq,2は、アンテナコイルおよび反リアクタンスコンデンサに固有の損失を表している。

図17は、距離dだけ分離され、また、それぞれそれらのインダクタンスL₁およびL₂、ならびに距離の関数であるそれらの相互結合係数k(d)によって図16に示されているCBアンテナコイルおよびBEVアンテナコイルを示したものである。コンデンサC₁およびC₂は、アンテナインダクタンスを補償するために使用されており、したがって所望の周波数での共振を達成するために使用されている。等価抵抗R_eq,1およびR_eq,2は、アンテナコイルおよび反リアクタンスコンデンサに固有の損失を表している。また、図17には、これらのコイルの対によって生成される、無線電力システムの近傍の位置rにおける磁界ベクトルH(r)が示されている。

図16に示されている例示的実施形態では、CB側電力変換は、DC電力を所望の周波数(動作周波数)のAC電力に変換しており、好ましくはVLFまたはLFの範囲、例えば問題になる大電力アプリケーションの場合、20kHzから60kHzまでの範囲の周波数のAC電力に変換している。以下では、この範囲の周波数は、すべて一括してLFと呼ばれている。

しかしながら、他の実施形態では、CB側電力変換は、標準の主周波数のAC電力を無線電力に適した動作周波数のAC電力に変換することも可能である。さらに他の例示的実施形態では、CB側電力変換は、フィルタリングされていないDC(例えばACパルスDC電力)を動作周波数のAC電力に変換することができる。これらの2つの後者の実施形態では、生成される動作周波数の電力は、非定包絡線であってもよい。

また、変圧比1:n₁は、CB電力変換によるものと見なすことも可能であり、
式1 1:n₁=V_SDC:V₁
として定義することができ、上式でV_SDCおよびV₁は、それぞれDC入力電圧およびLF出力における基本周波数のr.m.s.電圧を表している。

BEV側電力変換は、BEVアンテナが受け取ったLF電力をもう一度DC電力に再変換する逆操作を実施している。同様に変圧比n₂:1は、CB電力変換によるものと見なされ、
式2 n₂:1=V₂:V_LDC
として定義することができ、上式でV₂およびV_LDCは、それぞれLF入力における基本周波数のr.m.s.電圧およびDC出力電圧を表している。

理論的には、誘導結合共振リンクの効率および電力は、CBアンテナおよびBEVアンテナの両方の共振が動作周波数に調整されると最大になる。これは、任意の結合係数0<k(d)<1に対して有効である。実際には、電力変換は、ゼロ電流スイッチングが目標である場合、場合によっては共振からわずかに外れてシステムを動作させなければならない。これは、アンテナ電流に含まれている高調波成分の位相オフセットによって説明することができる。例えばシステムは、第1の共振周波数範囲内で動作させることができる。この第1の範囲は、例えば共振周波数の約+/-10kHz、約+/-5kHzまたは約+/-1kHz以内の範囲であってもよい。

また、理論的には、所与のパラメータL₁、L₂、n₁およびn₂に対して、電力変換における損失および共振誘導リンクにおける損失を最小化し、延いては末端間効率を最大化する最適負荷抵抗R_LDC,optが存在している。末端間効率は、
式3

上式でP_LDC=V_LDC・I_LDCおよびP_SDC=V_SDC・I_SDCは、DC負荷(出力)電力およびDC電源(入力)電力を表している。一方、所与の負荷抵抗および変圧比n₁およびn₂に対しては、効率η_e2eを最大化するインダクタンスL_1,optおよびL_2,optの最適対が存在しており、あるいは別法として、所与のL₁およびL₂に対して、効率η_e2eを最大化する比n_1,optおよびn_2,optの最適対が存在している。

以下では、一般的な損失がない数学式の効率のために、無線電力システムは完全に対称的であり、
式4 V_DC=V_SDC=V_LDC
式5 n=n₁=n₂
式6 L=L₁=L₂
式7 R_eq=R_eq,1=R_eq,2
を意味することが仮定されている。この特定の事例から引き出される結論は、非対称システムの一般的な事例にも適用することができることが分かる。

さらに、CB電力変換およびBEV電力変換は、いずれも損失がないこと、また、電力変換損失の代わりに、それぞれ等価損失抵抗R_eq,1およびR_eq,2が考慮されていることが仮定されている。明らかに、出力電力-入力電力の比
式8

として定義することができる共振誘導リンクの効率は、上で定義した末端間効率η_e2eに等しい。

デューティサイクルが50%のスイッチ-モード電力変換を仮定すると、電圧V₁およびV₂はいずれも方形波である。共振の効果によってフィルタリングされているが、アンテナ電流I₁およびI₂は、通常、非正弦波であり、高調波の内容は結合係数で決まる。したがって電力の一部は高調波を介して伝送される。しかしながら、ほとんどの場合、高調波を介したエネルギー伝送は無視することができる。説明のために、電流は、CBアンテナ入力電力およびBEVアンテナ出力電力を、
式9

式10

として定義することができるよう、実質的に正弦波であることが仮定されており、電圧および電流は、LFにおける基本成分のr.m.s.を表している。システムを寸法化する場合、基本的に2つの式が存在することが分かる。

第1の式によって、η、所与の結合係数k(d)および角動作周波数ω_Oを最大化する最適アンテナコイルインダクタンス
式11

および、基本周波数におけるBEV電力変換によって示されるように、負荷抵抗
式12

が得られる。

以下、式11から数学的に誘導される内容についてさらに説明する。式11は、L_optが、事実上、実際の損失抵抗R_eqに無関係である、強力に結合したレジームにおいて有効である。しかしながら、L_optは負荷抵抗および結合係数に依存しており、通常、負荷抵抗および/またはCBアンテナとBEVアンテナの分離が変化すると、その変化に適合させなければならない。

第2の式は、エネルギー伝送率P₂および結合係数k(d)を生成される磁界
式13

に関連付けている。上式でcは、CBアンテナおよびBEVアンテナの幾何構造g₁およびg₂、ならびに磁界強度が属している、図17に示されているように位置ベクトルrによって画定される位置を考慮する要素を表していなければならず、以下、数学的に誘導される内容についてさらに説明する。式13には、位置rがアンテナコイルから十分に距離を隔てており、したがってそれらの分離が対象となる範囲内で変化しても、それらの相互結合の効果を除き、基準位置における磁界に対して、事実上、影響を及ぼさないことが仮定されている。

規定制約、例えば定義済み限界H_limを超えてはならない定義済み距離内の位置r_mで測定した磁界強度H(r_m)を導入することにより、エネルギー伝送率
式14

に対する制限が提供される。式14は、最大エネルギー伝送率が結合係数に比例して小さくなることを明確に示している。例えば結合係数0.4における最大電力が4kWであると仮定すると、結合係数が0.2になるまでアンテナの分離が大きくなると、電力は2kWに制限される。

ここで、基本成分に適用することができるものとして、電圧および電流変圧比の定義
式15 n₀:1=V_2.0:V_LDC=I_DCL:I_2.0
対応する負荷抵抗
式16

を、DC負荷電圧V_LDCおよびDC負荷電力P_LDCの形で使用し、かつ、無損失電力変換P₂=P_LDCを仮定すると、式11は、
式17

で表すことができる。式14によってP₂を置き換えると、L_opt、k(d)およびn₀の間の関係
式18

が提供される。

最大効率および規定コンプライアンスを保証する式18を満足するためには、距離が変化すると、アンテナインダクタンスL=L₁=L₂か、または変圧比n=n₁=n₂のいずれか、あるいはその両方を適合させなければならない。可変アンテナインダクタンスは、一般に複雑なスイッチング回路または機械歯車が必要であり、余計な損失およびアンテナ体積の非最適使用のために品質要因が失われることになるため、可能である場合、可変アンテナインダクタンスは回避すべきである。また、共振を維持するためには可変キャパシタンスが必要であり、したがって複雑性が増すことになる。変圧器として作用する追加アンテナ整合ネットワークの使用も、同様の欠点をもたらすことがある。

電力変換を使用することにより、必要な可変変圧比を提供するための、複雑性が少なく、また、より経済的な解決法を達成することができる。変化するCB側変圧比n₁は、リンク全体のエネルギー伝送率に大いに影響を及ぼすため、電力制御と等価である。したがって変化するBEV側変圧比n₂は、無線電力リンクが効率的に動作していることを保証することができ、それは負荷適合と呼ぶことができる。

変圧比のある程度の連続変化を許容する、電力制御および負荷適合のためのいくつかの方法が提案されているが、ゼロ電流スイッチング(ZCS)が犠牲になっており、したがってスイッチングデバイスのスイッチング損失および応力の若干の増加をもたらしている。他の方法はZCS条件を維持することはできるが、変圧比を変化させることができるのは粗いステップでの変化にすぎない。

変圧比を変化させるための、極端に損失が小さい方法の1つは、ブリッジの動作モードを変更することである(例えば全ブリッジモードから半ブリッジモードへ、あるいはその逆の半ブリッジモードから全ブリッジモードへ)。以下、この方法についてさらに説明する。

図18は、全ブリッジに基づく直列共振無線エネルギー伝送システムの基本回路図を示したものである。CB側スイッチS_ijは、FETまたはIGBT固体デバイスを表すことができ、一方、BEV側LF-DC電力変換のスイッチは受動ダイオードであってもよいが、同期整流の場合、能動デバイスであってもよい。

全ブリッジモードまたは半ブリッジモードでは、S_j1およびS_j2'が同時に閉じる方法で電力変換のすべてのスイッチがトグルする。S_j1が閉じるとS_j2およびS_j1'が開き、また、その逆にS_j2およびS_j1'が閉じるとS_j1が開く。これは、CB側電力変換およびBEV側電力変換(j∈｛1,2｝)についても適用される。

半ブリッジモードでは、例えばS₁₁およびS_11'のみがトグルし、また、S_12'およびS₁₂は静止状態である。S₁₁が閉じるとS_11'が開き、また、その逆にS_11'が閉じるとS₁₁が開く。静止半ブリッジでは、例えばS_12'を閉じることができる。スイッチS_12'に電流を流さなければならず、そのために若干の余計な損失の原因になっているが、この損失は、非適応半ブリッジに基づくシステムには恐らく存在しない。しかしながら、この追加CB側スイッチオン状態抵抗およびBEV側スイッチオン状態抵抗は、2つの異なる伝送距離に対して有効に適合することができるシステムにとっては低価格であると考えられている。

受動ダイオード全ブリッジ整流器をBEV側電力変換に使用している一方向エネルギー伝送システムの場合、1つの半ブリッジをダイオードに並列の能動スイッチ(FETまたはIGBT)で補足しなければならない。しかしながらこれらのトランジスタは、単に静止スイッチでなければならない。

全ブリッジは、DC電圧レベルをほぼ1である
式19

によって基本周波数のLF電圧レベルに変換することが分かる。同様に半ブリッジは、ほぼ1/2である
式20

によって変換する。

ここで、BEVアンテナをそれぞれより短い距離d'およびより長い距離d"に対応する2つの離散z位置へ調整することができるシステムについて考察する。条件が許容する場合、システムは、例えば結合係数k(d')に対応するより短い距離を使用し、あるいはシステムは、k(d")に対応するd"に調整する。距離は、
式21 k(d')=2・k(d")
になるように選択される。式18、式19、式20および式21から、システムが距離d'では全ブリッジモードで動作し、また、距離d"では半ブリッジモードで動作する場合、両方の距離で最適であるインダクタンスL_optを見出すことができることは明らかである。これは、
式22

を定義し、かつ、最適アンテナインダクタンス(式18)を
式23

として表すことによって証明される。

以下のtable(表1)は、規定制約内で電力変換のモードを変更し、かつ、最大効率および最大電力の維持を試行することによって2つの異なる距離に最適適合させることができるシステムの一例を示したものである。

当然、ブリッジ再構成のこの方法は、リンクを定義済みの範囲内で任意の距離に適合させるために、および/または負荷電力(電池充電電流)を抑えるために、電力制御/負荷適合の他の方法と組み合わせることができる。代替方法の例には、(1)周波数を変更することによって共振外れでリンクを動作させる、(2)アンテナを故意に離調させる、(3)PWM駆動波形を50%未満のデューティサイクルで使用する、(4)CB電力変換およびBEV電力変換におけるDC-DC変換器、(5)2相または3相電源の場合の位相スイッチング、等々がある。これらの方法は、すべて、直接または間接変更変圧比n₁およびn₂と見なすことができる。

実際のシステムでは、変圧比およびアンテナz軸位置は、CBサブシステムおよびBEVサブシステムの中に実体を備えた制御システム(上で説明した)によって制御することができる。これらの実体は、バンド内信号またはバンド外信号を使用して通信することができる。

式11の誘導に関して、磁気結合共振システムの最適負荷抵抗は、
式24

によって引き出すことができ、上式でR₂は、共振レシーブアンテナの損失抵抗、Q₁およびQ₂は、それぞれ共振伝送アンテナおよび共振レシーブアンテナのQ、また、kは結合係数を表している。磁気リンクにR_L,optをロードすることによって伝送効率が最大化される。

強力に結合したレジーム
式25 k²Q₁Q₂>>1
では、あるいはリンク効率が100%に近い、いわゆる「マジック」レジームでは、式24は、
式26

に単純化することができる。大電力無線エネルギー伝送システムでは、強力に結合したレジーム、さらには「マジック」レジームの仮定はほぼ有効である。

ここで、
式27 L=L₁=L₂
式28 R=R₁=R₂
である完全に対称のリンクを仮定し、かつ、
式29

によって式26のQであるQ₁およびQ₂を置き換えると、
式30 R_L,opt≒kω_oL
が得られる。一方、負荷抵抗R_Lが与えられると、効率を最大化する最適アンテナインダクタンス
式31

が存在する。

式13の誘導に関して、基本的に多重巻ワイヤループであるBEVアンテナによって位置rに生成される磁界強度は、
式32 H₂(r)=N₂・I_2,0・γ(g₂,r)
として表すことができ、上式でN₂はアンテナコイルの巻き数、I_2,0は基本周波数におけるアンテナ電流を表しており、また、γは、基本的にはその幾何構造g₂および磁界強度が属している位置ベクトルの関数である。式32には、巻き数が変化してもアンテナコイルの幾何構造が変化することはなく、したがってg₂≠f(N₂)であることが仮定されている。

多重巻ループのインダクタンスは、
式33

として表すことができ、上式でβは、基本的にはコイル幾何構造g₂の関数である。

負荷抵抗は、次のように電力P₂および電流I_2,0の関数として表すことができる。
式34

ここで、式11を使用し、かつ、上の式を代入すると、
式35

が得られ、また、同じく式32を使用して若干の操作を加えると、位置rにおける磁界強度の平方が得られる。
式36

式37

を定義すると、
式38

が得られる。ここまでは、式32に従う磁界
式39 H₁(r)=N₁・I_1,0・γ(g₁,r)
に対するCBアンテナの寄与は無視されてきた。

対称の場合、巻き数N₁はN₂に等しく、また、CBアンテナの電流I_1,0はI_2,0に比例して変化する。したがって、V_SDC=V_LDCしたがってV_1,0=V_2,0である場合、
式40

であるため、位置rにおけるCBアンテナおよびBEVアンテナからの寄与H₁(r)およびH₂(r)も、それに比例して変化する。

比例は、N₂が最適化のプロセスで変化した場合、非対称(N₁≠N₂)の場合にも維持されることになることが容易に分かる。両方のアンテナの幾何構造、ならびに共振の場合、相互結合に無関係に必ず90度である、I_2,0に対するI_1,0の位相オフセットを考慮するc(g₁、g₂、r)を定義すると、総合磁界は、
式41

として表すことができ、これは式13である。

図19Aおよび19Bは、一例示的実施形態による、適合可能直列共振エネルギー伝送システムの2つの回路構成を示したものである。図19Aでは、構成Aには、(1)伝送アンテナとレシーブアンテナの間のより長い距離、つまり概してより緩い結合、(2)半ブリッジモードでの伝送側電力変換およびレシーブ側電力変換の両方の動作、が仮定されている。図19Bでは、構成Bには、伝送アンテナとレシーブアンテナの間のより短い距離、つまり概してより緊密な結合、(2)全ブリッジモードでの伝送側電力変換およびレシーブ側電力変換の両方の動作、が仮定されている。

これらの構成には、いずれも定電圧源および定電圧シンクが仮定されている。この仮定は有用であるだけでなく、電力格子から車両電池にエネルギーを伝送し(G2V)、あるいはその逆に車両電池から電力格子にエネルギーを伝送する(V2G)システムを考慮すると極めて道理にかなっている。無線電力リンクのこの分析によれば、
1)構成Bの場合、
・供給電圧およびシンク電圧
・共振アンテナのリアクタンス(インダクタンスおよびキャパシタンス)
を適合させる必要なくエネルギー伝送率(電力P)が2倍になり、いずれも電力/電圧変換および/または可変リアクタンスのための追加回路および/または力学を必要とすることなく実施される
2)いずれの構成も、最大エネルギー伝送効率を達成するために最適整合される
3)いずれの構成も、磁界強度がアンテナの近傍で測定され、したがって規定/EMC制約を全面的に活用する可能性の点で等価である
ことが分かる。

定電圧シンク(電池)は、定負荷抵抗と対立するものとして仮定されている。要約すると、電圧源から電圧シンクへエネルギーをより小さい電力でより長い距離を伝送するか(より緩い結合)、あるいはより大きい電力でより短い距離を伝送する(より緊密な結合)ための適応システムおよび方法が開示されており、システムは、それぞれ半ブリッジモードまたは全ブリッジモードのいずれかに単に伝送側電力変換およびレシーブ側電力変換の動作モードを変更するだけで最大効率で動作し、また、規定制限を最適活用するべく適合可能である。

図20は、本発明の一例示的実施形態による、無線電力伝送システムのための無線電力伝送コンポーネントを示したものである。知覚、通信および制御に関して、実際の状態に適合し、その一方で無線電力リンクの最大性能および最大効率を目的とした無線電力システムは、知覚、通信および制御のための補助機能を利用している。これらの補助機能は、図20にその包括的アーキテクチャが示されているBEV無線充電システム2000の一部であってもよい。

システム2000は、充電ベースサブシステム(CB-SS)2002および電池式電気車両サブシステム(BEV-SS)2004の2つの主要なサブシステムに細分することができる。CBサブシステム2002は、以下の構成要素からなっている。
(1) DC電力または電源周波数のAC電力を動作周波数(例えばLF)の伝送電力に変換し、あるいはその逆に、逆の動作モード(V2G)で動作周波数(例えばLF)の伝送電力をDC電力または電源周波数のAC電力に変換するCB電力変換(CB-PCONV)2006。このCB電力変換(CB-PCONV)2006には、図21の簡易回路図に示されているように電圧および電流を測定するためのいくつかのセンサが統合されている。
(2) CBアンテナコイルを含む、BEVアンテナ2010に「無線」電力を伝送し、あるいはBEVアンテナ2010から「無線」電力を受け取ることができるCBアンテナモジュール(CB-ANT)2008。CBアンテナコイルは、固定され、かつ、地面に埋設されることが仮定されている。
(3) システム制御データを交換するだけでなく、BEVを識別し、あるいは認証するためのデータを交換し、あるいはBEVの充電に直接関係する、あるいは間接的に関係する他のアプリケーションによって生成されるデータを交換するためにBEVと通信するCB通信トランシーバ(CB-COM)2012。CB-COM2012は、専用アンテナを使用することも、あるいはCB-ANT2008を再利用することも可能である。
(4) BEVから受け取ったデータ、また、CBサブシステム2002の様々なセンサから受け取ったデータを処理し、かつ、CBサブシステム2002の異なる実態を制御するCB制御ユニット(CB-CTRL)2014。

BEVサブシステム2004は、以下の構成要素からなっている。
(1) 動作周波数(例えばLF)で受け取った「無線」電力をDC電力または電源周波数のAC電力に変換し、あるいはその逆に、逆の動作モード(V2G)でDC電力または電源周波数のAC電力を動作周波数の「無線」電力に変換するBEV電力変換(BEV-PCONV)2016。BEV-PCONVには、図21に示されているように電圧および電流を測定するためのいくつかのセンサが統合されている。
(2) BEVアンテナコイルを含む、BEVアンテナ2010から「無線」電力を受け取り、あるいはBEVアンテナ2010に「無線」電力を伝送することができるBEVアンテナモジュール(BEV-ANT)2010。BEVアンテナコイルは、X方向、Y方向、Z方向に移動させることができることが仮定されている。また、BEV-ANT2010にも、石、瓦礫、雪、氷、等々のような、BEVアンテナの自由度を制限し、例えば十分に低いz位置への移動を制限することになる望ましくない物体を検出するための少なくとも1つのセンサ(S)が統合されている。センサは、金属物体を検出するための、アンテナ力学に統合された機械的抵抗センサ、アンテナモジュール表面の触覚センサ、超音波センサ、光センサおよび電磁センサのうちの少なくとも1つを含むことができる。
(3) BEVアンテナコイルをCBアンテナコイルに適切に整列させ、かつ、所望の結合のための距離を調整するためのあらゆる機能を包含するBEV-ALIGN2018。この実体には、BEVアンテナ力学を駆動しているサーボモータ(M)であってもよいアクチュエータが含まれている。また、BEV-ALIGN2018は、機械的抵抗を検出するためのセンサを統合することも可能である。
(4) システム制御データを交換するだけでなく、BEVを識別し、あるいは認証するためのデータを交換し、あるいはBEVの充電に直接関係する、あるいは間接的に関係する他のアプリケーションによって生成されるデータを交換するためにCBと通信するBEV通信トランシーバ(BEV-COM)2020。BEV-COM2020は、専用アンテナを使用することも、あるいはBEV-ANT2010を再利用することも可能である。
(5) CBから受け取ったデータ、また、BEVサブシステム2004の様々なセンサから受け取ったデータを処理し、かつ、BEVサブシステム2004の異なる実態を制御するBEV制御ユニット(BEV-CTRL)2022。

以下では、このシステムを局所の状態に適合させ、それによりエネルギー伝送率および効率を最大化するための手順について説明する。

システムが新しい距離/結合係数を調整している間、場合によっては伝送電力を小さくしなければならない。リンクを調整する目的で電力を抑えるために適用することができる、伝送電力を制御するためのいくつかの方法がある。電力は著しく小さくすることができるため、この動作モードにおける効率は、それほど問題にはならない。

条件が許容し、また、より大きい電力(例えば4kW)が望ましい場合、システムは、距離d'で定義済み結合k'に調整する。一方、例えば地面の物体が複数のセンサ(S)のうちの少なくとも1つによって検出されたために条件が許容しない場合、あるいはより小さい電力(例えば2kW)が望ましい場合、システムは、より弱い調整を実施し、つまりより長い距離d"で定義済み結合k"=k/2に調整する。

結合係数と距離の間の関係は、局部の状態によってある程度異なる可能性があるため、距離に依存するのではなく、結合係数k(d)を測定することが場合によっては望ましい。

BEV-CTRLは、CB-CTRLからBEV-CTRLへ通信リンクを介して伝送される、BEV電力変換およびCB電力変換の電圧センサおよび電流センサからの測定データを使用して結合係数k(d)を決定することができる。リンクパラメータ(L₁、C₁、R₁、L₂、C₂、R₂)および動作周波数、ならびに電力変換のパラメータを知ることにより、例えば共振誘導リンク
式42

の式の体系から十分正確に結合係数k(d)を計算することができる。

BEVアンテナが2つの目標結合係数(k'またはk")のうちの1つに適切に調整されると、CB-PCONVおよびBEV-PCONVは、全ブリッジモード(k'の場合)または半ブリッジモード(k"の場合)に構成され、この目標結合係数における許容可能な最大電力(例えばそれぞれ4kWまたは2kW)まで電力がランプアップする。

システムを任意の結合係数に適合させるためのより一般的な手法は、結合係数のための閾値を画定することができる。測定された結合係数がこの閾値より大きい場合、電力変換は全ブリッジモードに構成される。一方、結合係数がこの閾値以下である場合、電力変換は半ブリッジモードに構成される。この閾値は、2つの目標結合係数の間の中間のどこかに画定することができ、例えば全ブリッジモードおよび半ブリッジモードの両方を等しく良好に実施することができる(例えば同じ効率)値に画定することができる。しかしながら、これらの2つの目標結合係数から著しく逸脱した結合係数でシステムを動作させるためには、上で説明したように電力レベル、効率レベルおよび放出レベルを制御するための追加手段が場合によっては必要である。

基本動作モードとして、それぞれ全ブリッジモードまたは半ブリッジモードのいずれかで、定義済み結合係数k'およびh"で動作させることにより、複雑性が最も少ない電力変換を使用して、最大効率での最適エネルギー伝送が提供される。結合をわずかに弱くするか、または強くすることによって、あるいは効率を著しく損なわない他の方法によって、電力を公称電力に正確に調整するための微動制御を達成することができる。

図22は、本発明の一例示的実施形態による、適応電力変換のための方法の流れ図である。方法1800には、少なくとも第1のモードと第2のモードの間で動作するように再構成することができる適合可能電力変換器に従って無線エネルギーを伝送するために、電源システムからの電力を動作周波数の電力に変換するためのステップ1802が含まれている。方法1800には、さらに、近距離場結合モード領域に配置されたレシーブアンテナに無線エネルギーを伝送するために、動作周波数の近傍の伝送アンテナの共振によって電界および磁界のうちの少なくとも一方を生成するためのステップ1804が含まれており、近距離場結合モード領域は、レシーブアンテナによってアクセスされるように構成される。

例示的実施形態は、充電ベース(CB)と電池式電気車両(BEV)などの遠隔システムとの間の結合モード領域における磁気共振を使用した無線電力伝送を対象としている。無線電力伝送は、CBから遠隔システムに向かって、また、遠隔システムからCBに向かって生じさせることができる。負荷適合および電力制御方法を使用して、無線電力リンクを介して伝送される電力の量を調整し、その一方で伝送効率を維持することができる。

情報および信号は、任意の様々な異なる技術および技法を使用して表すことができることは当業者には理解されよう。例えば、上記説明全体を通して参照することができるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または粒子、光学視野または粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。

本明細書において開示されている例示的実施形態に関連して説明されている様々な実例論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたはそれらの両方の組合せとして実施することができることは当業者にはさらに理解されよう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換可能性を明確に例証するために、上記の説明では、様々な実例コンポーネント、ブロック、モジュール、回路およびステップは、概ねそれらの機能の形で説明されている。このような機能がハードウェアとして実施されるか、あるいはソフトウェアとして実施されるかどうかは、特定のアプリケーションおよび総合システムに課される設計制約によって決まる。当業者は、説明されている機能を特定のアプリケーション毎に様々な方法で実施することができるが、このような実施態様決定を、本発明の例示的実施形態の範囲から逸脱することになるものとして解釈してはならない。

本明細書において開示されている例示的実施形態に関連して説明されている様々な実例論理ブロック、モジュールおよび回路は、本明細書において説明されている機能を実行するように設計された汎用プロセッサ、ディジタル信号プロセッサ(DSP)、専用集積回路(ASIC)、書替え可能ゲートアレイ(FPGA)または他のプログラム可能論理デバイス、離散ゲートすなわちトランジスタ論理、離散ハードウェアコンポーネントまたはそれらの任意の組合せを使用して実施または実行することができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであってもよいが、代替ではプロセッサは、従来の任意のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態マシンであってもよい。また、プロセッサは、計算デバイスの組合せとして実施することも可能であり、例えばDSPとマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと結合した1つまたは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のこのような構成の組合せとして実施することができる。

本明細書において開示されている例示的実施形態に関連して説明されている方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアの中、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールの中、あるいはそれらの両方の組合せの中で直接具体化することができる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリメモリ(ROM)、電気的プログラム可能ROM(EPROM)、電気的消去可能プログラム可能ROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、取外し可能ディスク、CD-ROM、または当分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体の中に存在させることができる。一例示的記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み出し、かつ、記憶媒体に情報を書き込むことができるようにプロセッサに結合されている。代替では、記憶媒体はプロセッサに統合することができる。プロセッサおよび記憶媒体はASICの中に存在させることができる。ASICはユーザ端末の中に存在させることができる。代替では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内の離散コンポーネントとして存在させることができる。

1つまたは複数の例示的実施形態では、上で説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せの中で実施することができる。ソフトウェアの中で実施される場合、これらの機能は、1つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶することができ、あるいはコンピュータ可読媒体に伝送することができる。コンピュータ可読媒体には、コンピュータ記憶媒体と、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体の両方が含まれている。記憶媒体は、コンピュータがアクセスすることができる任意の利用可能媒体であってもよい。非制限の一例として、このようなコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMまたは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶デバイス、あるいは命令またはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを運び、あるいは記憶するために使用することができ、かつ、コンピュータがアクセスすることができる任意の他の媒体を備えることができる。また、任意の接続によってコンピュータ可読媒体が適切に終端される。例えば、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ディジタル加入者回線(DSL)、あるいは赤外線、無線およびマイクロ波などの無線技術を使用してソフトウェアがウェブサイト、サーバまたは他の遠隔源から伝送される場合、これらの同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、DSL、あるいは赤外線、無線およびマイクロ波などの無線技術は、媒体の定義の中に含まれる。本明細書において使用されているディスク(diskおよびdisc)には、コンパクトディスク(compact disc)(CD)、レーザディスク(laser disc)、光ディスク(optical disc)、ディジタル汎用ディスク(digital versatile disc)(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク(floppy disk)およびブルーレイディスク(blu-ray disc)が含まれており、ディスク(disk)は、通常、データを磁気的に再生し、一方、ディスク(disc)は、レーザを使用してデータを光学的に再生する。これらの組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものとする。

開示されている例示的実施形態についての以上の説明は、すべての当業者による本発明の構築または使用を可能にするために提供されたものである。当業者にはこれらの例示的実施形態に対する様々な修正が容易に明らかであり、本明細書において定義されている包括的原理は、本発明の精神または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって本発明には、本明細書において示されている例示的実施形態に限定されることは意図されておらず、本明細書において開示されている原理および新規な特徴と無矛盾の最も広義の範囲と一致するものとする。

102、220、905、1010、1210、1510 BEV(車両)
104 無線充電ベース(CB)
106 駐車領域
108 局所配電センタ
112 電力変換システム
114、136、158、260、274、1115、1225 無線電力アンテナ(CBアンテナ)
116 BEV電力変換および充電システム
118、138、160、1020、1215、1415、1515、1615、2010 無線電力アンテナ(BEVアンテナ、レシーブアンテナ、BEVアンテナモジュール(BEV-ANT))
130、150 無線電力充電システム(総合無線電力システム)
132 従来の電源
134 CB電力変換モジュール
140 BEV電力変換モジュール
142 BEV電池
144 総合無線電力システムの下部構造部分
146 無線電力サブシステム
152 通信リンク
154 誘導リンク
156 アライメントシステム
162 CB電力変換ユニット
164 CB電力インタフェース
166 BEV電力変換ユニット
168 CB制御ユニット
170 BEV制御ユニット
172 CBアライメントユニット
174 BEVアライメントユニット
176 CB誘導ユニット
178 BEV誘導ユニット
180 CB通信ユニット
182 BEV通信ユニット
222、230 電池ユニット(EV充電式電池ユニット)
224 電池コンパートメント
226 無線電力インタフェース(非接触電力インタフェース)
228 通信インタフェース
232 導電性遮蔽
233 非導電性(例えばプラスチック)層
234 プラスチック充填(非導電非磁気材料)
235 プラスチックハウジング
236 コイル(完全フェライト埋設アンテナコイル)
238 フェライト材料(フェライト板)
240 BEVアンテナモジュール
250 電池システム
252 EVシステム
254 電池サブシステム
256 充電器-電池間通信インタフェース
258 充電器-電池間無線電力インタフェース
262 電池-EV間無線インタフェース
264、278 電力変換(LF/DC)ユニット(LF/DC電力変換ユニット)
266 EV電池
268 電力変換(DC/LF)
270 電池サブシステム254とEVシステム252の間の無線電力インタフェース
272 電池管理ユニット
276 アンテナ
280 スーパーコンデンサバッファ
282 EV電源インタフェース
284 EV電気システム制御ユニット
901 駐車区画
902 X方向を示す矢印
903 Y方向を示す矢印
904 無線電力車両ベース
906 無線電力充電ベース
907 駐車空間
1005 障害物
1012、1512 空胴
1015 BEVの車台の下面
1101 地面から突出
1102 地面と同じ平面
1103 地中
1105 地面
1107 アスファルト層
1110、1220 充電ベース
1230 BEVアンテナとCBアンテナの分離距離
1235 BEVアンテナとCBアンテナのオフセット距離
1550 機械デバイス
1650 歯車軸
1652 駆動機構
1654 支持部材
1680 瓦礫厚さ
1682 アスファルト厚さ
1684 コイル厚さ
1686 CBのためのカバー厚さ
1688 BEVのためのコイル厚さ
1690 BEVのためのカバー厚さ
1692 安全マージン厚さ
1800 方法
1802、1804 方法のステップ
2000 BEV無線充電システム
2002 充電ベースサブシステム(CB-SS)
2004 電池式電気車両サブシステム(BEV-SS)
2006 CB電力変換(CB-PCONV)
2008 CBアンテナモジュール(CB-ANT)
2012 CB通信トランシーバ(CB-COM)
2014 CB制御ユニット(CB-CTRL)
2016 BEV電力変換(BEV-PCONV)
2018 BEV-ALIGN
2020 BEV通信トランシーバ(BEV-COM)
2022 BEV制御ユニット(BEV-CTRL)

Claims (19)

1. 無線電力伝送のための装置であって、前記装置は、
   電源から受信する電力を変換するとともに、第１のモードおよび第２のモードの少なくとも１つにおいて動作するように構成される電力変換回路であって、該電力変換回路は複数のスイッチを備える、電力変換回路と、
   前記電力変換回路に電気的に結合される第１の電力伝送コンポーネントであって、前記第１の電力伝送コンポーネントは、前記変換された電力に少なくとも一部基づいて、レシーバにおける第２の電力伝送コンポーネントに充電電力を無線で伝送するように構成される、第１の電力伝送コンポーネントと、
   前記電力変換回路に電気的に結合され、かつ、前記第１の電力伝送コンポーネントと前記第２の電力伝送コンポーネントの間の結合強度を示す値に少なくとも一部基づいて、少なくとも前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えるように前記電力変換回路を構成するように構成されるコントローラであって、前記第１のモードおよび前記第２のモードは、前記複数のスイッチの異なる動作状態によって決定される、コントローラと
   を具備することを特徴とする装置。
2. 前記第１のモードは、全ブリッジモードに対応し、前記第２のモードは、半ブリッジモードに対応することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラは、前記結合強度を示す値がしきい値より大きいことを検出することに応答して、前記第１のモードで動作するように前記電力変換回路を構成するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記コントローラは、前記結合強度を示す値がしきい値より小さいことを検出することに応答して、前記第２のモードで動作するように前記電力変換回路を構成するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記電源から受信した前記電力が２以上の位相を有するとき、前記電力変換回路の位相スイッチング制御が実行されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 50％未満のデューティサイクルの電力回路パルス幅変調制御が、前記電源から受信した前記電力で実行されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の電力伝送コンポーネントは、1つまたは複数の方向に動いて、前記第２の電力伝送コンポーネントと整列するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の電力伝送コンポーネントの近傍の物体の存在を検出するように構成されるセンサをさらに具備し、前記コントローラは、前記検出に基づいて、前記第２の電力伝送コンポーネントに前記充電電力を無線で伝送することを低減または終了するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の電力伝送コンポーネントは、前記第１の電力伝送コンポーネントと前記第２の電力伝送コンポーネントの間のより短い距離およびより長い距離に対応する２つの離散ｚ位置の間に移動するようにさらに構成され、前記電力変換回路は、前記第２の電力伝送コンポーネントが前記より短い距離に位置するとき前記第１のモードで動作し、前記第２の電力伝送コンポーネントが前記長い距離に位置するとき前記第２のモードで動作するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記コントローラは、前記第１の電力伝送コンポーネントと前記第２の電力伝送コンポーネントの間の距離に少なくとも一部基づいて、少なくとも前記第１のモードと前記第２のモードの間を切り替える前記電力変換回路を構成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記電力変換回路は、前記受信した電力を交流電流に変換し、かつ、前記第２の電力伝送コンポーネントに前記充電電力を無線で伝送することに適した動作周波数に前記交流電流を調整するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記第１の電力伝送コンポーネントを有する共振回路をさらに具備し、前記共振回路は、前記第２の電力伝送コンポーネントに前記充電電力を無線で伝送することに適した所定の動作周波数で共振するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記コントローラは、前記結合強度を示す値に少なくとも一部基づいて、前記共振回路の前記周波数を変更することによって共振外れを生じるか、または、性能を低下させた状態で動作するように前記共振回路を動作させるように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 無線電力伝送のための方法であって、
    電力変換回路によって電源から受信した電力を変換するステップであって、前記電力変換回路は複数のスイッチを備える、ステップと、
    第１のモードおよび第２のモードの少なくとも１つにおいて前記電力変換回路を動作するステップと、
    前記変換された電力に少なくとも一部基づいて、第１の電力伝送コンポーネントからレシーバの第２の電力伝送コンポーネントに充電電力を無線で伝送するステップであって、前記第1の電力伝送コンポーネントが、前記電力変換回路に電気的に結合される、ステップと、
    前記電力変換回路に電気的に結合されたコントローラによって、前記第１の電力伝送コンポーネントと前記第２の電力伝送コンポーネントの間の結合強度を示す値に少なくとも一部基づいて、前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えるように前記電力変換回路を構成するステップであって、前記第１のモードおよび前記第２のモードは、前記複数のスイッチの異なる動作状態によって決定される、ステップと
    を有することを特徴とする方法。
15. 前記第１のモードは、全ブリッジモードに対応し、前記第２のモードは、半ブリッジモードに対応することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えるように前記電力変換回路を構成するステップは、前記結合強度を示す値がしきい値より大きいとき、前記第１のモードで動作するように前記電力変換回路を構成するステップを有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えるように前記電力変換回路を構成するステップは、前記結合強度を示す値がしきい値より小さいとき、前記第２のモードで動作するように前記電力変換回路を構成するステップを有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記第１の電力伝送コンポーネントの近傍の少なくとも１つの物体を検出するステップと、
    前記検出に基づいて、前記第２の電力伝送コンポーネントに前記充電電力を無線で伝送することを低減または終了するステップと
    をさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 無線電力伝送のための装置であって、前記装置は、
    電源から受信した電力を変換する手段であって、該変換する手段は開閉を切り替えるための複数の手段を備える、手段と、
    第１のモードおよび第２のモードの少なくとも１つにおいて前記変換する手段を動作する手段と、
    前記変換された電力に少なくとも一部基づいて、充電電力を電力伝送コンポーネントに無線で伝送する手段と、
    前記伝送する手段と前記電力伝送コンポーネントの間の結合強度を示す値に少なくとも一部基づいて、前記第１のモードと前記第２のモードとを切り替えるように前記変換する手段を構成する手段あって、前記第１のモードおよび前記第２のモードは、前記切り替えるための複数の手段の異なる動作状態によって決定される、手段と
    を具備することを特徴とする装置。

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