JP6275721B2 - ワイヤレス電力伝達システムにおける電源制御 - Google Patents

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Description

本発明は、概してワイヤレス電力伝達に関し、より詳細には、バッテリーを含む車両などのリモートシステムへのワイヤレス電力伝達に関係するデバイス、システム、および方法に関する。より詳細には、本発明は、ワイヤレス電力伝達システムで使用されるワイヤレス電力伝達送信機デバイス内のDC電源の出力電圧を制御することに関する。
バッテリーなどのエネルギー蓄積デバイスから受信された電気から導出された運動力を含む車両などのリモートシステムが導入されている。たとえば、ハイブリッド電気車両は、車両を充電するために、車両のブレーキおよび従来型モータからの電力を使用するオンボード充電器を含む。電気のみの車両は一般に、他のソースからバッテリーを充電するための電気を受信する。バッテリー式電気車両(電気車両)は、家庭用または商用交流(AC)供給源などの何らかのタイプの有線ACを通して充電されることが提案されることが多い。有線充電接続は、電源に物理的に接続されているケーブルまたは他の同様の接続部を必要とする。ケーブルおよび同様の接続部は、場合によっては、不便であるか、または扱いにくく、かつ他の欠点を有することがある。電気車両を充電するのに使用されるように(たとえば、ワイヤレス場を介して)自由空間内で電力を伝達することが可能なワイヤレス充電システムは、有線充電ソリューションの欠点の一部を克服する可能性がある。したがって、電気車両を充電するために電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス充電システムおよび方法が望ましい。
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実装形態の各々は、いくつかの態様を有し、そのどの態様も単独で、本明細書で説明する望ましい属性に関与することはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、本明細書においていくつかの顕著な特徴について説明する。
本明細書で説明する主題の1つまたは複数の実装形態の詳細について、以下の添付の図面および説明において述べる。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性があることに留意されたい。
本開示の一態様は、ワイヤレス電力伝達のための装置である。装置は、調整可能な出力電圧を有する直流(DC)電源を含む。装置は、調整可能な出力電圧を交流に変換するように構成されたインバータをさらに含む。装置は、インバータから交流を受信して磁場を生成するように構成された第1の誘導素子をさらに含む。装置は、第1の誘導素子内の交流を実質的に一定に維持しながら、交流中の少なくとも1つの歪み信号を低減するように構成された少なくとも1つのコントローラをさらに含む。
本開示の別の態様は、ワイヤレス電力伝達を制御する方法である。方法は、調整可能な出力電圧を有する直流をインバータに供給するステップを含む。方法は、調整可能な出力電圧を交流に変換するステップをさらに含む。方法は、第1の誘導素子に交流を供給するステップをさらに含む。方法は、第1の誘導素子内の交流を実質的に一定に維持しながら、交流中の少なくとも1つの歪み信号を低減するために、直流の調整可能な出力電圧を制御するステップをさらに含む。方法は、誘導素子にワイヤレス電力を伝達するための磁場を生成するステップをさらに含む。
本開示の別の態様は、ワイヤレス電力伝達のための装置であり、装置は、調整可能な出力電圧を有する直流を供給する手段を含む。装置は、調整可能な出力電圧を交流に変換する手段をさらに含む。装置は、交流を受信する手段をさらに含む。装置は、磁場を生成する手段をさらに含む。装置は、交流を実質的に一定に維持しながら、交流中の少なくとも1つの歪み信号を低減する手段をさらに含む。装置は、誘導素子にワイヤレス電力を伝達するための磁場を生成する手段をさらに含む。
本発明の例示的な実施形態による、電気車両を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システムの図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素の概略図である。 図1のワイヤレス電力伝達システムの例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す機能ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による、ワイヤレス電力伝達システムの一部の例示的な構成要素の概略図である。 本発明の例示的な実施形態による、インバータ内の負荷電流の需要における変化の影響を示す一連の電流/電圧グラフである。 本発明の例示的な実施形態による、負荷電流の需要がインバータ内で一定にとどまる場合の、結合(coupling)における変化の影響を示す一連の電流/電圧グラフである。 本発明の例示的な実施形態による、インバータ内の導通角に対する高調波の振幅を示すグラフである。 本発明のさらなる例示的な実施形態による、ワイヤレス電力伝達システムの一部の例示的な構成要素の機能ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による、ワイヤレス電力伝達システムを動作させる方法を示すフローチャートである。
図面に示された様々な特徴は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されている場合がある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを描写していない場合がある。最後に、本明細書および図の全体を通して、同様の特徴を示すために同様の参照番号が使用される場合がある。
添付の図面に関する下記の発明を実施するための形態は、本発明の例示的な実施形態を説明することを意図しており、本発明を実践することができる唯一の実施形態を表すことは意図していない。本説明全体にわたって使用される「例示的」という用語は、「例、実例、または例示としての役割を果たす」ことを意味しており、必ずしも、他の例示的な実施態様よりも好ましいか、または有利なものと解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の完全な理解が得られるように、具体的な細部を含む。本発明の例示的な実施形態はこれらの具体的な詳細なしに実行され得ることが、当業者には明らかであろう。場合によっては、本明細書に提示する例示的な実施形態の新規性を曖昧にするのを回避するために、よく知られている構造およびデバイスがブロック図の形式で示されている。
電力をワイヤレスに伝達することは、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連する任意の形態のエネルギーを送信機から受信機に伝達することを指し得る(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達され得る)。電力伝達を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受け取られ、捕捉され、または結合され得る。
本明細書において、リモートシステムについて説明するために電気車両が使用され、その一例は、運動能力の一部として、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプのバッテリー)から導出された電力を含む車両である。非限定的な例として、いくつかの電気車両は、電気モータ以外に、直接運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型内燃機関を含むハイブリッド電気車両であり得る。他の電気車両は、電力からすべての運動能力を引き出し得る。電気車両は、自動車に限定されず、オートバイ、カート、スクーターなどを含み得る。限定ではなく例として、リモートシステムは本明細書において、電気車両(EV)の形態で説明される。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に電力供給され得る他のリモートシステム(たとえば、パーソナルコンピューティングデバイスなどの電子デバイス)も企図される。
誘導電力伝達(IPT)システムは、エネルギーのワイヤレス伝達ための一手段である。IPTでは、一次(または「基地」)電力デバイスが、二次(または「ピックアップ」)電力受信機デバイスに電力を送信する。送信機電力デバイスおよび受信機電力デバイスの各々は誘導素子、典型的には電流搬送媒体のコイルまたは巻線(winding)、を含む。一次誘導コイル内の交流は、変化する電磁場を生じる。ピックアップの誘導コイルが変動する電磁場内にあるとき、起電力(EMF)が誘導され、それによりピックアップに電力が伝達される。
いくつかのIPTシステムは、一定の周波数で共振するように同調された誘導コイル間で電力が送信される、共振誘導結合を使用する。共振結合は、誘導コイルと直列もしくは並列に、またはそれらの組合せで誘導素子および/または容量性要素を追加することによって実現され得る。
共振IPTシステムでは、ピックアップに伝達される電力量は、一次誘導コイルと二次誘導コイルとの間の結合の度合いに依存する。結合が大きいほど、より多くの電力が二次誘導コイルに伝達される。結合係数は、二次インダクタを切る一次誘導コイルの磁束の割合(fraction)として定義され、システムの形状の関数である。結合係数は、それゆえ、一次インダクタと二次インダクタとの間の距離と、それらの位置合わせに依存する。
IPTを使用して電気車両を充電するためのワイヤレス電力伝達システムでは、車両が充電されるたびに結合のレベルに大きい変化が存在する可能性がある。一次コイルと二次コイルとの間の距離および位置合わせは、両コイルの配置(location)および基地に対するピックアップが搭載されている車両の位置決め(positioning)に基づいて変化する可能性がある。この結合の変化は、電気車両のバッテリーに最適電力を送達するためのシステムを構成する場合に困難を生じることがある。
電気車両を充電するためにいくつか存在するIPTシステムでは、結合の変化を補償するために基地内の電源において、スイッチングが実行され、所与の電圧に対して一定の出力電流を実現するために一次コイル内の電流を変化させる。疎に結合されたシステムでは、一次誘導コイル内の電流は、二次誘導コイルから同じ電流出力を実現するために、密に結合されたシステムにおける一次誘導コイル内の電流よりもかなり高い可能性がある。一次コイル内の電流のそのような変動は、システム内の電力電子構成要素に著しいストレスをかけ、より高価な構成要素の必要性をもたらし、信頼性を低下させ、動作範囲を制限する。
一次誘導コイル電流を調整する能力に対する限界の1つは、直流を一次コイルに対する交流に変換するインバータのデューティサイクルである。一次電流を低減するために、デューティサイクルもまた減少される。これは、そのような構成要素がインバータ内で使用されるとき、半導体スイッチおよび逆並列ダイオード内で伝導損失とスイッチング損失の両方を増加させるという望ましくない影響を有する。
より詳細には、システムの車両側に制御変数が存在しない通常のシステムでは、インバータブリッジの導通角は、これらの需要を満足するために、基地と車両とのパッド間の結合が変化するにつれて、または車両コントローラに対する電流需要が変化するにつれて変化することがある。状況によっては、これは、十分な電力を送達するときでさえ、ブリッジの導通角を非常に小さくならしめることがある。これは、電力が伝導される時間が短縮され、高いピーク電流が構成要素によって負担される結果をもたらすことを意味する。さらに、そのような角度で生成される高調波または他の望ましくない周波数はより顕著であり、関連する歪み信号は、一般に望ましくない。
歪み信号は、一般に、形状、振幅および周波数成分を含む所望の信号特性を変える望ましくない信号成分を指す。トランジスタまたは演算増幅器などのアクティブなシステム構成要素は、一般的に、非線形歪みをもたらす非線形伝達関数を有する。
複数のシステム構成要素による歪みは、高調波歪み、振幅歪み、位相歪み、または他のタイプの歪みとして特徴づけられ得る。高調波歪み信号は、一般に、所望の信号周波数の整数倍である望ましくない信号である。高調波歪みは、個別の高調波(すなわち、3次高調波)の個別の強度に関して、または全体(すなわち、全高調波歪み)として特徴づけられ得る。
図1は、本発明の例示的な実施形態による、電気車両112を充電するための例示的なワイヤレス電力伝達システム100の図である。ワイヤレス電力伝達システム100は、電気車両112が基地ワイヤレス充電システム102aの近くに駐車している間に、電気車両112の充電を可能にする。駐車エリアにおいて2台の電気自動車を対応する基地ワイヤレス充電システム102aおよび102bの上に駐車させるためのスペースが示されている。いくつかの実施形態では、ローカル分配センター130を電力バックボーン132に接続することができ、ローカル分配センター130は、交流(AC)または直流(DC)供給を、電力リンク110を介して、基地ワイヤレス充電システム102aに提供するように構成され得る。基地ワイヤレス充電システム102aはまた、電力をワイヤレスに伝達または受信するための基地システム誘導コイル104aを含む。電気車両112は、バッテリーユニット118、電気車両誘導コイル116、および電気車両ワイヤレス充電システム114を含み得る。電気車両誘導コイル116は、たとえば、基地システム誘導コイル104aによって生成された電磁場の領域を介して、基地システム誘導コイル104aと相互作用することができる。
いくつかの例示的な実装形態では、電気車両誘導コイル116は、基地システム誘導コイル104aによって作成されたエネルギー場の中に配置されるときに電力を受信し得る。場は、基地システム誘導コイル104aによって出力されたエネルギーが電気車両誘導コイル116によって捕捉され得る領域に対応する。場合によっては、場は、基地システム誘導コイル104aの「近距離場」に対応し得る。近距離場は、基地システム誘導コイル104aから電力を放射しない、基地システム誘導コイル104a内の電流および電荷からもたらされる、強い反応場が存在する領域に対応し得る。場合によっては、近距離場は、以下でさらに説明するように、基地システム誘導コイル104aの波長の約1/2πの中にある領域(反対に電気車両誘導コイル116の場合も同様)に対応し得る。
ローカル分配センター130は、通信バックホール134を介して外部ソース(たとえば、電力網)と、通信リンク108を介して基地ワイヤレス充電システム102aと通信するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、単純に運転手が電気車両112を基地システム誘導コイル104aに対して正確に位置決めすることによって、電気車両誘導コイル116は、基地システム誘導コイル104aと位置合わせすることができ、したがって、近距離場領域内に配置することができる。他の実施形態では、ワイヤレス電力伝達のために電気車両112が適切に配置されたときを判断するために、運転手には、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、またはそれらの組合せを与えることができる。また他の実施形態では、電気車両112は、オートパイロットシステムによって位置付けることができ、オートパイロットシステムは、位置合わせ誤差が許容値に達するまで、電気車両112を(たとえば、ジグザグ運動で)前後に移動させることができる。これは、電気車両112が、車両を調整するためのサーボハンドル、超音波センサ、および人工知能を備える場合、運転手が介入することなく、または運転手が最低限の介入しか行わずに、電気車両112によって自動的、自律的に実行することができる。さらに他の実施形態では、電気車両誘導コイル116、基地システム誘導コイル104a、またはそれらの組合せは、誘導コイル116、104aを互いに対して変位および移動させて、それらをより正確に方向合わせし、それらの間により効率的な結合を生じさせるための機能を有することができる。
基地ワイヤレス充電システム102aは、様々な場所に配置することができる。非限定的な例として、いくつかの適切な場所は、電気車両112の所有者の自宅の駐車エリア、従来のガソリンスタンドに倣った電気車両ワイヤレス充電用に確保された駐車エリア、ならびにショッピングセンターおよび職場など、他の場所の駐車場を含む。
ワイヤレスに電気車両を充電することで、数々の利点が提供され得る。たとえば、充電は、自動的に、実質的に運転手の介入および操作なしに実行することができ、それによって、ユーザの利便性を向上させる。露出した電気接点、および機械的摩耗をなくすこともでき、それによって、ワイヤレス電力伝達システム100の信頼性を高める。ケーブルおよびコネクタを用いる操作を不必要にすることができ、戸外の環境において湿気および水分にさらされることがある、ケーブル、プラグ、またはソケットをなくすことができ、それによって、安全性を向上させる。見えるまたは使用し得るソケット、ケーブル、およびプラグをなくすこともでき、それによって、電力充電デバイスへの潜在的な破壊行為を減らす。さらに、電力網を安定させるために、電気車両112を分散貯蔵デバイスとして使用することができるので、ビークルツーグリッド(V2G:Vehicle-to-Grid)動作のための車両の利用可能性を高めるために、ドッキングツーグリッド(docking-to-grid)ソリューションが使用されることがある。
図1に関して説明するワイヤレス電力伝達システム100は、美的で無害の利点も提供し得る。たとえば、自動車および/または歩行者の妨害となることがある、充電カラムおよびケーブルをなくすことができる。
ビークルツーグリッド機能のさらなる説明として、ワイヤレス電力送信および受信機能は、基地ワイヤレス充電システム102aが電力を電気車両112に伝達し、たとえばエネルギー不足のときに電気車両112が電力を基地ワイヤレス充電システム102aに伝達するように、相互的になるように構成され得る。この機能は、過剰な需要または再生可能エネルギー生産(たとえば、風または太陽)の不足によって引き起こされたエネルギー不足のときに電気車両が分配システム全体に電力を寄与できるようにすることによって電力分配網を安定させるのに役立ち得る。
図2は、図1のワイヤレス電力伝達システム100の例示的なコア構成要素の概略図である。図2に示すように、ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL1を有する基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206を含み得る。ワイヤレス電力伝達システム200は、インダクタンスL2を有する電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222をさらに含む。本明細書で説明する実施形態は、一次構造(送信機)と二次構造(受信機)の両方が共通の共振周波数に同調されている場合に、磁気または電磁気近距離場を介して一次構造から二次構造にエネルギーを効率的に結合することが可能な共振構造を形成する、容量装荷ワイヤループ(すなわち、多巻きコイル)を使用することができる。
共振周波数は、上述した誘導コイル(たとえば、基地システム誘導コイル204)を含む送信回路のインダクタンスおよびキャパシタンスに基づき得る。図2に示すように、インダクタンスは概して、誘導コイルのインダクタンスであってよく、一方でキャパシタンスは、所望の共振周波数で共振構造を形成するために誘導コイルに追加され得る。非限定的な例として、キャパシタが、電磁場を生成する共振回路(たとえば、基地システム送信回路206)を形成するために誘導コイルと直列に追加され得る。したがって、より大きい直径の誘導コイルでは、共振を誘起するためのキャパシタンスの値は、コイルの直径またはインダクタンスが増加するにつれて減少してよい。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に左右され得る。さらに、誘導コイルの直径が増加するにつれて、近距離場の効率的なエネルギー伝達面積が増加し得る。他の共振回路も考えられる。別の非限定的な例として、誘導コイル(たとえば、並列共振回路)の2つの端子間に並列にキャパシタを配置してよい。さらに、誘導コイルは、誘導コイルの共振を改善するための高品質(Q)係数を有するように設計され得る。
コイルは、電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204のために使用され得る。エネルギーを結合するために共振構造を使用することは、「磁気結合共振」、「電磁結合共振」、および/または「共振誘導」と呼ばれ得る。ワイヤレス電力伝達システム200の動作は、基地ワイヤレス電力充電システム202から電気車両112への電力伝達に基づいて説明されることになるが、これに限定されない。たとえば、上記で説明したように、電気車両112は、基地ワイヤレス電力充電システム102aに電力を伝達し得る。
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)は、電気車両112にエネルギーを伝達するために電力PSDCを基地ワイヤレス電力充電システム202に供給する。基地ワイヤレス電力充電システム202は、基地充電システム電力変換器236を含む。基地充電システム電力変換器236は、標準的なメインAC電力から適切な電圧レベルのDC電力に電力を変換するように構成されたAC/DC変換器、およびDC電力をワイヤレス高電力伝達に適した動作周波数の電力に変換するように構成されたDC/低周波数(LF)変換器などの回路を含み得る。基地充電システム電力変換器236は、所望の周波数で電磁場を放出するために、直列構成または並列構成または両方の組合せによるリアクタンス同調構成要素からなることができる基地充電システム同調回路205を、基地システム誘導コイル204とともに含む、基地システム送信回路206に電力P1を供給する。基地システム誘導コイル204は電力P1を受信し、電気車両112の充電または電気車両112への電力供給に十分なレベルの電力をワイヤレスに送信する。たとえば、基地システム誘導コイル204によってワイヤレスに提供される電力レベルは、およそ数キロワット(kW)(たとえば、1kWから110kWまでの間、またはこれよりも高いkWまたは低いkW)であり得る。
基地システム誘導コイル204を含む基地システム送信回路206および電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222は、実質的に同じ周波数に合わせられてよく、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216のうちの1つによって送出された電磁場の近距離場内に位置付けられ得る。この場合、電気車両充電システム同調回路221および電気車両誘導コイル216を含む電気車両受信回路222に電力が伝達され得るように、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216は、互いに結合され得る。電気車両充電システム同調回路221は、所望の周波数で共振する電気車両誘導コイル216との共振回路を形成するように提供され得る。コイル分離で生じる相互結合係数は、要素k(d)によって表される。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイル204および216、ならびにいくつかの実施形態では、それぞれ基地充電システム同調回路205および電気車両充電システム同調回路221において提供され得る逆リアクタンスキャパシタに固有であり得る損失を表す。電気車両誘導コイル216および電気車両充電システム同調回路221を含む電気車両受信回路222は、電力P2を受信し、電気車両充電システム214の電気車両電力変換器238に電力P2を供給する。
電気車両電力変換器238は、とりわけ、電気車両バッテリーユニット218の電圧レベルに整合する電圧レベルのDC電力に戻す形で動作周波数の電力を変換するように構成されたLF/DC変換器を含み得る。電気車両電力変換器238は、電気車両バッテリーユニット218を充電するために、変換された電力PLDCを提供することができる。電源208、基地充電システム電力変換器236、および基地システム誘導コイル204は、静止し、上述した様々な場所に位置してよい。バッテリーユニット218、電気車両電力変換器238、および電気車両誘導コイル216は、電気車両112の一部またはバッテリーパック(図示せず)の一部である電気車両充電システム214中に含まれ得る。電気車両充電システム214はまた、電力網に電力を戻すために、電気車両誘導コイル216を通して基地ワイヤレス電力充電システム202にワイヤレスに電力を提供するように構成され得る。電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204の各々は、動作モードに基づいて送信誘導コイルまたは受信誘導コイルとしての働きをすることができる。
図示されていないが、ワイヤレス電力伝達システム200は、電気車両バッテリーユニット218または電源208をワイヤレス電力伝達システム200から安全に切断する負荷切断ユニット(LDU)を含み得る。たとえば、緊急事態またはシステム障害の場合、LDUは、ワイヤレス電力伝達システム200から負荷を切断するようにトリガされ得る。LDUは、バッテリーへの充電を管理するためのバッテリー管理システムに加えて提供されてよく、またはバッテリー管理システムの一部であってもよい。
さらに、電気車両充電システム214は、電気車両誘導コイル216を電気車両電力変換器238との間で選択的に接続および切断するための切替回路(図示せず)を含むことができる。電気車両誘導コイル216を切断することで、充電を中止することができ、(送信機としての働きをする)基地ワイヤレス充電システム102aによって「認識される」ように「負荷」を調整することもでき、これを利用して、(受信機としての働きをする)電気車両充電システム114を基地ワイヤレス充電システム102aから分離することができる。送信機が負荷感知回路を含む場合、負荷変動が検出され得る。したがって、基地ワイヤレス充電システム202などの送信機は、電気車両充電システム114などの受信機が基地システム誘導コイル204の近距離場に存在するときを判断するための機構を有し得る。
上記で説明したように、動作中、車両またはバッテリーへのエネルギー伝達を仮定すると、基地システム誘導コイル204がエネルギー伝達を提供するための場を生成するように、電源208から入力電力が提供される。電気車両誘導コイル216は放射場に結合し、電気車両112による貯蔵または消費のために出力電力を生成する。上記のように、いくつかの実施形態では、電気車両誘導コイル216の共振周波数および基地システム誘導コイル204の共振周波数が非常に近くなるか、または実質的に同じになるように相互共振関係に従って、基地システム誘導コイル204および電気車両誘導コイル216は構成される。電気車両誘導コイル216が基地システム誘導コイル204の近距離場に位置するとき、基地ワイヤレス電力充電システム202と電気車両充電システム214との間の送電損失は最小である。
上述のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波内のエネルギーの大部分を近距離場を越えて伝播するのではなく、送信誘導コイルの近距離場内のエネルギーの大部分を受信誘導コイルに結合することによって生じる。この近距離場にあるとき、送信誘導コイルと受信誘導コイルとの間に結合モードが確立され得る。この近距離場結合が発生し得る誘導コイルの周りのエリアを、本明細書では近距離場結合モード領域と呼ぶ。
図示されていないが、基地充電システム電力変換器236および電気車両電力変換器238はいずれも、発振器、電力増幅器などのドライバ回路、フィルタ、およびワイヤレス電力誘導コイルと効率的に結合するための整合回路を含み得る。発振器は、調整信号に応答して調整され得る所望の周波数を生成するように構成され得る。発振器信号は、電力増幅器によって、制御信号に応答する増幅量で増幅され得る。フィルタおよび整合回路は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、電力変換モジュールのインピーダンスをワイヤレス電力誘導コイルに整合させるために含まれ得る。電力変換器236および238はまた、バッテリーを充電するために適切な電力出力を生成するための整流器および切替回路を含み得る。
開示する実施形態を通じて説明する電気車両誘導コイル216および基地システム誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には、多巻きループアンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。誘導コイル204および216はまた、本明細書において「磁気」アンテナと呼ばれるか、またはそのようなものとして構成され得る。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためのエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことが意図される。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ぶこともできる。本明細書で使用する場合、コイル204および216は、電力をワイヤレスに出力、ワイヤレスに受信、および/またはワイヤレスに中継するように構成されるタイプの「電力伝達構成要素」の例である。ループ(たとえば、多巻きループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコアなどの物理的コアを含むように構成され得る。空芯ループアンテナにより、コアエリア内に他の構成要素を配置することが可能になり得る。フェロ磁性(ferromagnetic)材料またはフェリ磁性(ferrimanetic)材料を含む物理的コアアンテナにより、より強い電磁場の生成および結合の改善が可能になり得る。
上述のように、送信機と受信機との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機と受信機との間に整合した共振またはほぼ整合した共振が生じている間に行われる。しかしながら、送信機と受信機との間の共振が整合しないときでも、効率性を下げてエネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信誘導コイルからのエネルギーを自由空間に伝播するのではなく、送信誘導コイル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た領域内(たとえば、共振周波数の所定の周波数範囲内または近距離場領域の所定の距離内)に存在する受信誘導コイルに結合することによって生じる。
上述のように、いくつかの実施形態によれば、互いの近距離場にある2つの誘導コイルの間の電力結合が開示されている。上述のように、近距離場は、電磁場が存在する誘導コイルの周りの領域に対応し得るが、誘導コイルから伝播または放射することはない場合がある。近距離場結合モード領域は、通常は波長のごく一部の中にある、誘導コイルの物理容積に近い容積に対応し得る。いくつかの実施形態によれば、1回巻きまたは多巻きループアンテナなどの電磁誘導コイルは、送信と受信の両方に使用され、その理由は、実際の実施形態における磁気近距離場振幅は、電気タイプアンテナ(たとえば、小さいダイポール)の電気近距離場と比較して、磁気タイプコイルの場合に高い傾向があることにある。これにより、ペア間の潜在的により高い結合が可能になる。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、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との組合せが使用され得る。
図3は、図1のワイヤレス電力伝達システム300の例示的なコア構成要素および補助構成要素を示す別の機能ブロック図である。ワイヤレス電力伝達システム300は、通信リンク376、案内リンク366、ならびに基地システム誘導コイル304および電気車両誘導コイル316のための位置合わせシステム352、354を示している。図2に関して上述したように、電気車両112へのエネルギーフローを仮定すると、図3では、基地充電システム電力インターフェース354は、ACまたはDC電源などの電源からの電力を充電システム電力変換器336に供給するように構成され得る。基地充電システム電力変換器336は、基地充電システム電力インターフェース354からACまたはDC電力を受信して、基地システム誘導コイル304をその共振周波数においてまたはその共振周波数近くで励起することができる。電気車両誘導コイル316は、近距離場結合モード領域にあるとき、近距離場結合モード領域からエネルギーを受信して、共振周波数においてまたは共振周波数近くで発振することができる。電気車両電力変換器338は、電気車両誘導コイル316からの発振信号を、電気車両電力インターフェースを介してバッテリーに充電するのに適した電力信号に変換する。
基地ワイヤレス充電システム302は基地充電システムコントローラ342を含み、電気車両充電システム314は電気車両コントローラ344を含む。基地充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、および電力分配センター、またはスマート電力網などの他のシステム(図示せず)への基地充電システム通信インターフェースを含むことができる。電気車両コントローラ344は、たとえば、車両搭載コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車両内の他の電子システム、およびリモート電子システムなどの他のシステム(図示せず)への電気車両通信インターフェースを含み得る。
基地充電システムコントローラ342および電気車両コントローラ344は、別個の通信チャネルを有する特定のアプリケーションのためのサブシステムまたはモジュールを含み得る。これらの通信チャネルは、別個の物理チャネルまたは別個の論理チャネルであり得る。非限定的な例として、基地充電位置合わせシステム352は、自律的に、またはオペレータの支援により、基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とをよりしっかりと位置合わせするためのフィードバック機構を提供する通信リンク376を介して、電気車両位置合わせシステム354と通信することができる。同様に、基地充電案内システム362は基地システム誘導コイル304と電気車両誘導コイル316とを位置合わせする際にオペレータを案内するためのフィードバック機構を提供する案内リンクを介して、電気車両案内システム364と通信することができる。さらに、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314との間で他の情報を通信するための基地充電通信システム372および電気車両通信システム374によってサポートされる別個の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があり得る。この情報は、基地ワイヤレス電力充電システム302と電気車両充電システム314の両方の電気車両特性、バッテリー特性、充電ステータス、および電力容量に関する情報、ならびに電気車両112に関する保守および診断データを含み得る。これらの通信チャネルは、たとえば、ブルートゥース、zigbee、セルラーなどの別個の物理通信チャネルであり得る。
基地ワイヤレス充電システム302と電気車両充電システム314との間で通信するために、ワイヤレス電力伝達システム300は、帯域内シグナリングとRFデータモデム(たとえば、認可されていない帯域での無線によるイーサネット(登録商標))の両方を使用し得る。帯域外通信は、車両の使用者/所有者への付加価値サービスの割当てに十分な帯域幅を提供し得る。ワイヤレス電力キャリアの低深度振幅または位相変調は、干渉を最小限に抑えた帯域内シグナリングシステムとしての働きをし得る。
加えて、いくつかの通信は、特定の通信アンテナを使用せずにワイヤレス電力リンクを介して実行され得る。たとえば、ワイヤレス電力誘導コイル304および316はまた、ワイヤレス通信送信機としての働きをするように構成され得る。したがって、基地ワイヤレス電力充電システム302のいくつかの実施形態は、ワイヤレス電力経路におけるキーイング型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。所定のプロトコルによる所定の間隔で送信電力レベルをキーイング(振幅シフトキーイング)することによって、受信機は、送信機からのシリアル通信を検出し得る。基地充電システム電力変換器336は、基地システム誘導コイル304によって生成された近距離場の近傍における作動中の電子車両受信機の有無を検出するための負荷感知回路(図示せず)を含むことができる。例として、負荷感知回路は、基地システム誘導コイル104aによって生成された近距離場の近傍における作動中の受信機の有無によって影響を及ぼされる電力増幅器に流れる電流を監視する。電力増幅器上の負荷に対する変化の検出は、エネルギーを伝送するために発振器を有効にすべきかどうか、作動中の受信機と通信すべきかどうか、またはそれらの組合せを決定する際に使用するために基地充電システムコントローラ342によって監視され得る。
ワイヤレス高電力伝達を可能にするために、いくつかの実施形態は、10〜60kHzの範囲内の周波数で電力を伝達するように構成され得る。この低周波数結合は、固体デバイスを使用して達成され得る高効率な電力変換を可能にし得る。加えて、無線システムによる共存問題が他の帯域と比べて少なくなり得る。
図4は、本発明の例示的な実施形態による、たとえば図2に示すワイヤレス電力伝達システムの一部の例示的な構成要素の概略図である。基地システム400は、4つのスイッチング素子402a、402b、402cおよび402dと4つの関連するダイオード403a、403b、403cおよび403dとを備える電力インバータ401を備える。スイッチング素子は、それぞれのスイッチング素子が閉じられる場合に各ダイオードが短絡され得るように、ダイオードの一端から他端に接続される。直流が、DC電源404によってインバータ401に供給される。インバータ401の出力は、本明細書では、ブリッジ電流と呼ばれ得る。
第1のインダクタ406、DCブロッキングキャパシタ407、変圧器408、同調キャパシタ409、および一次誘導素子410を含む同調回路405は、図2の基地充電同調回路205および基地システム誘導コイル204を参照して説明したように機能する。使用中に、基地または一次誘導素子410は、図2の電気車両受信回路222を参照して説明したように機能し得る電気車両受信回路の車両または二次誘導素子における電圧を誘起する電磁場を放出する。素子411は、基地400に対する電気車両受信回路によってもたらされる負荷インピーダンスZLを表す。
一次誘導素子410内の電流は、本明細書では、一次誘導素子電流(IT)と呼ばれ得る。同調されたLCL回路網を仮定すると、一次誘導素子電流は、2変数、すなわち、次式
Figure 0006275721
によるインバータ401出力電圧(Vi)と第1の誘導素子のリアクタンス(XL)とに依存する。
この実施形態は、特にLCL回路網を参照して説明されているが、LC同調回路網を使用するシステムにおいて、より広い原理が同様に実装され得ることを諒解されたい。インバータ401の出力電圧は、次式
Figure 0006275721
によるインバータブリッジのDC電源404調整可能出力電圧(たとえば、DC電圧VDC)と導通角(0°〜180°の任意の値を取り得るθ)とに依存する。
導通角θは、概してデューティサイクルに対応する。より高い導通角は、電力が送達されている、より多くの時間に対応する。より低い導通角は、同じ電力に対するより低い電圧およびより高い電流と言い換えられる。より低い導通角は、より高い電流を必要とする。いくつかの実装形態では、インバータ401は、90°を超える導通角で動作する。より低い導通角およびそれらに関連するより高い電流を回避することで、構成要素寿命が長くなる。
全高調波歪み(THD)は、高調波歪み信号を特徴づける測度である。THDは、式
Figure 0006275721
を使用して計算される。
図7に示すように、THDは、約130°において最小となる。インバータ401が実質的に130°で作動している場合、出力電圧の全高調波歪み(THD)が低減され得る。インバータ401が、導通角を120°から約130°まで増大させるとき、5次高調波が減少するにつれて3次高調波が増大する。THDは120°と130°との間であまり変化せず、140°に接近するにつれてゆっくりと増大する。いくつかの実装形態は、120°〜140°の範囲内で動作する。
導通角を実質的に120°から実質的に140°の範囲内に維持するようにインバータ401を制御することによって、インバータ電流の変動の最適化のための制御変数を依然としてもたらしながら、THDが低減され得ることが想定される。これは、限定することを意図するものではなく、120°〜140°の範囲外の他の導通角が使用されてもよいことを諒解されたい。
この式によれば、インバータ401出力電圧(基本周波数において)は、DC電源404電圧の0〜1.273倍で変更され得る。高調波の生成を低減するために、導通角は120°(1.1VDC)と140°(1.2VDC)との間であってよい(以下でさらに説明する)ことが想定される。
これらの式は、次の
Figure 0006275721
のように組み合わされ得る。
インバータの負荷は、システムのいくつかの物理的属性、すなわち、LCL回路網設計と、一次誘導素子インダクタンス差分(delta)(一次誘導素子に対する受信回路の影響によって決定される)と、受信回路によって必要とされる実負荷411とによって決定され得る。
LCL回路網が同調されていること、すなわち基本周波数においてインバータ401に正味の無効負荷(reactive load)がかからないことを仮定すると、インバータ401の実負荷は、一次同調回路405および変圧器408の中の寄生損失、ならびに受信回路によって必要とされる負荷411によって決定され得る。
一例として、この負荷が3500Wであると仮定する。電力負荷(PL)に対して、インバータ401からの電流引込みまたはブリッジ電流(Ii)は、次式
Figure 0006275721
によって与えられ得る。
所与の電力に対して、インバータ電流は、インバータ401電圧が低下するにつれて増加し得る。別の観点から、一次誘導素子電流が低下するにつれて、インバータ出力電流は、所与の電力伝達を維持するために上昇する。同じ論理が、電力の無効部分(reactive part)に対して当てはまり得る。インバータ401にかかる無効負荷が物理的パラメータによって決定され得ることを仮定すれば、インバータ401は、無効電力(reactive power)の流れに影響を与えることはなく、インバータ401が源となる無効電流(reactive current)もまた、低下するインバータ出力電圧とともに増加し得る。
高いインバータ電流は、インバータ401内の導通損失およびスイッチング損失、ならびに同調回路405の変圧器408およびDCブロッキングキャパシタ407の中の導通損失を増加させることがある。
同様に考慮されるべき、より低いインバータ導通角の副次的影響が存在する。導通角が減少するにつれて、インバータ401内の逆並列ボディダイオード403a〜403dによってより高い電流が生じる。これらの電流はまた、ダイオードにさらなるストレスをかける高い波高因子を有することがある。
この影響は、図5および図6に示され、そこでは、インバータ401出力電圧が、トレース501a、501bおよび501c、ならびに601a、601bおよび601cで示され、インバータ401出力電流が、トレース502a、502bおよび502c、ならびに602a、602bおよび602cで示される。トレース501a、502a、601aおよび602aは、導通角が50°に等しい場合のシナリオを示し、トレース501b、502b、601bおよび602bは、導通角が100°に等しい場合のシナリオを示し、トレース501c、502c、601cおよび602cは、導通角が150°に等しい場合のシナリオを示す。
図5は、負荷電流の需要における変化の結果を示し、一方、図6は、負荷電流の需要が一定のままである間の結合の変化の結果を示す。
ダイオード403a〜403dを通って伝導される電流は、出力電圧がゼロの間に伝導されている電流である。これの一例が、それぞれの波形の各々の中に面積503a、503bおよび503cで記されている。低い導通角は、より大きい電流が、ダイオードを通って伝導されるために必要とされる結果をもたらし得ることに留意されたい。
一実施形態によれば、導通角を制御することで、システム内の高調波の影響の低減が支援され得る。奇数次高調波(odd harmonic)だけが、インバータ出力電圧において存在する(n=1、3、5、7、9...)。n次高調波の振幅は、式
Figure 0006275721
を使用して得ることができる。
図7は、導通角に対する高調波の振幅を示す。図7の垂直軸および水平軸は、それぞれ、正規化された振幅とラジアンにおける導通角とを示す。図7は、6つの異なる曲線を示す。第1の曲線は、n=1に対応する所望の1次高調波であり、図7の凡例において1で標示され、0からπラジアンまで単調にかつ概ね直線的に増加する。図7の第2、第3、第4、および第5の曲線は、それぞれn=3、5、7および9に対応する、3次、5次、7次および9次高調波を示す。これらの高調波は、図7の凡例において3、5、7および9で標示される。高調波3および9は、水平軸120°において交差する。THDで標示される図7の第6の曲線は、全高調波歪みをグラフで表している。THDは、約130°において最小に到達する。THDが最小となる最適THDの範囲は、120°と140°との間にある。
図7に示すように、n=1(所望の信号)の場合の曲線に対して、導通角と電圧との間の関係は、導通角の目盛りの大部分にわたって線形である。120°において、10%の導通角の増加で約10%の電圧の増加がもたらされる。より高い導通角において、導通角と電圧との間の関係は水平になる。このプラトー効果は、140°において最初に明らかになり、160°を超えるとより顕著になる。160°においては、10%の導通角の増加で2%の電圧の増加が生じるにすぎない。160°を超える導通角では、所望の信号の振幅の利得がほとんどない状態で、増大する高調波(n=3、5、7、9、11、...)がもたらされる。
図7は、高調波3、5、7および9を示す。高調波に関連する電力は、nが増加するにつれて減少するので、より高いレベルの高調波は示されていない。いくつかの導通角において、高調波は除去され得る。図7は、インバータ401が実質的に120°で作動している場合、「トリプレン(triplen)」(3の奇数倍、すなわち3、9、15、など)高調波は電圧を除去され得、それゆえ、第1の望ましくない高調波の存在は5次であることを示す。図7は、異なる高調波が異なる導通角において除去されることを示す。高調波5に対するゼロ交差は144°におけることに留意されたい。
図8は、ワイヤレス電力伝達システム800の一部の例示的な構成要素の概略図であり、DC電源801の電圧およびインバータ802の導通角が、上記で概ね説明した効果を実現するように制御され得る。
システム800は、基地システム誘導コイル804を含む基地システム送信回路803を含む。システム800は、電気車両誘導コイル806を含む電気車両受信回路805をさらに含む。電力は、図1、図2および図3を参照して説明したものと実質的に同じ方法で、基地システム送信回路803から電気車両誘導コイル806に伝達され得る。
システム800は、基地システム誘導コイル804内の一次誘導素子電流に基づいて、DC電源801からの電圧出力とインバータ802の導通角の両方を制御するように構成された電力コントローラ807をさらに含み得る。
電力コントローラ807は、図9を参照して以下でさらに説明するように、一次誘導素子電流の表示を得るために、基地システム送信回路803および/または電気車両受信回路805と通信することができる。
次に、本発明の例示的な実施形態による、ワイヤレス電力伝達システムを動作させる方法900を示すフローチャートである図9を参照して、図8に示すワイヤレス電力伝達システムの動作を説明する。
ブロック901で、基地システム送信回路803から電気車両受信回路805に電力が伝達されるべきことが決定されると、システム800が初期化される。電力コントローラ807は、出力電圧が最小となり、インバータ802のスイッチの導通角が実質的に0°になるように、DC電源801の電力補正係数を設定し得る。
ブロック902で、電力コントローラ807は、基地システム誘導コイル804内の電流(「一次誘導素子電流」)の表示を受信する。基地システム誘導コイル804内の電流の表示への言及は、基地システム誘導コイル804内の電流が決定され得る任意の測定値を意味するものと理解されるべきである。たとえば、電流の表示は、基地システム誘導コイル804から直接取り出された電流の測定値であり得る。しかしながら、代替実施形態では、電流の表示は、図4で示すようなLCLで同調されたシステムが基地システム誘導コイル804内の電流に比例する、電気車両誘導コイル806内の電流の測定値であってよい。
ブロック903で、電力コントローラ807は、要求される一次誘導素子電流を実現するために、DC電源801およびインバータ802に対する制御設定を決定する。
ブロック904で、電力コントローラ807は、DC電源801およびインバータ802に制御設定を送信し、一巡してブロック902に戻る。
制御は、最初に、インバータ802のスイッチの導通角を実質的に130°に増やす(ramp)ことによって実現され得ることが想定される。電力需要がより大きい一次誘導素子電流を要求する場合、DC電源801の出力電圧は、より上の電圧閾値まで増大され得る。さらなる電力要件は、実質的に120°〜140°の範囲外のインバータ802の導通角の調整によって実現され得る。
電力需要が縮小する場合、DC電源801の出力電圧の調整よりも前に、実質的に120°〜140°に対する導通角の調整が優先され得る。DC電源801電圧が最小である場合、導通角は0°に向けて低減され得る。
一実施形態では、特定の一次誘導素子電流に対する所望の設定が、参照用テーブルに記憶され得る。
上記の方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素、回路および/またはモジュールなどの、動作を実行することができる任意の適切な手段によって実行することができる。一般に、図に示される任意の動作は、動作を実行することが可能な対応する機能手段によって実行することができる。
多種多様な技術および技法のうちのいずれかを使用して情報および信号を表すことができる。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的な論理ブロック、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、またはその両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップについて、上記に概してそれらの機能に関して説明した。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、特定の適用例および全体的なシステムに課される設計制約に依存する。説明した機能は、特定の適用例ごとに様々な方法で実装することができるが、そのような実装の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈すべきではない。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する様々な例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書で説明する機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せで、実装または実行されてよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそのような構成として実装され得る。
本明細書で開示する実施形態に関して説明する方法またはアルゴリズムおよび機能のステップは、直接ハードウェアで具現化されても、または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で具現化されても、またはその2つの組合せで具現化されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして、有形な非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶すること、または有形な非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信することができる。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、読取り専用メモリ(ROM)、電気的にプログラム可能なROM(EPROM)、電気的に消去可能およびプログラム可能なROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、着脱可能ディスク、CD ROM、または当技術分野で知られた任意の他の形態の記憶媒体内に存在することができる。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、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る。代替として、記憶媒体はプロセッサと一体であり得る。本明細書で使用する場合、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク(登録商標)、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク、およびブルーレイディスクを含み、ディスク(disk)は、通常、磁気的にデータを再生し、ディスク(disc)は、レーザーで光学的にデータを再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体は、ASIC内に存在することができる。ASICはユーザ端末内に存在することができる。代替として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末中に個別構成要素として存在し得る。
本開示の概要を述べるために、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴について本明細書で説明してきた。本発明の任意の特定の実施形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてを実現できない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書に教示される1つの利点または利点の群を、本明細書に教示または示唆され得る他の利点を必ずしも実現することなく実現または最適化するような方法で具体化または実行され得る。
上述の実施形態への様々な修正が容易に明らかになり、本明細書に定義する一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最大の範囲を与えるものである。
100 ワイヤレス電力伝達システム
102a、102b 基地ワイヤレス充電システム
104a、104b 基地システム誘導コイル
108 通信リンク
110 電力リンク
112 電気車両
114 電気車両ワイヤレス充電システム
116 電気車両誘導コイル
118 バッテリーユニット
130 ローカル分配センター
132 電力バックボーン
134 通信バックホール
200 ワイヤレス電力伝達システム
202 基地ワイヤレス電力充電システム
204 基地システム誘導コイル
205 基地充電システム同調回路
206 基地システム送信回路
208 電源
214 電気車両充電システム
216 電気車両誘導コイル
218 電気車両バッテリーユニット
221 電気車両充電システム同調回路
222 電気車両受信回路
236 基地充電システム電力変換器
238 電気車両電力変換器
300 ワイヤレス電力伝達システム
302 基地ワイヤレス充電システム
304 基地システム誘導コイル
314 電気車両充電システム
316 電気車両誘導コイル
336 基地充電システム電力変換器
338 電気車両電力変換器
342 基地充電システムコントローラ
344 電気車両コントローラ
352 基地充電位置合わせシステム
354 電気車両位置合わせシステム
354 基地充電システム電力インターフェース
362 基地充電案内システム
364 電気車両案内システム
366 案内リンク
372 基地充電通信システム
374 電気車両通信システム
376 通信リンク
400 基地システム
401 インバータ
402a、402b、402c、402d スイッチング素子
403a、403b、403c、403d ダイオード
404 直流(DC)電源
405 同調回路
406 第1のインダクタ
407 DCブロッキングキャパシタ
408 変圧器
409 同調キャパシタ
410 一次誘導素子
411 素子(負荷インピーダンスZL)
800 ワイヤレス電力伝達システム
801 DC電源
802 インバータ
803 基地システム送信回路
804 基地システム誘導コイル
805 電気車両受信回路
806 電気車両誘導コイル
807 電力コントローラ

Claims (14)

  1. ワイヤレス充電システムにおけるワイヤレス電力伝達のための装置であって、
    調整可能な出力電圧を有する直流を供給する手段と、
    前記調整可能な出力電圧を交流に変換する手段と、
    前記変換する手段からの交流に基づくLCL回路網内の磁場を生成する手段であって、前記生成する手段は前記LCL回路網の第1の誘導素子を含む、手段と、
    前記交流中の歪み信号を低減し1次高調波成分を維持し、第1の誘導素子内の前記交流を維持する手段であって、前記変換する手段はスイッチング素子を備え、歪み信号を低減する手段は、前記第1の誘導素子内の電流レベルの表示に応答して前記交流中の歪み信号を低減するように前記スイッチング素子の導通角を制御する手段を備える、手段と、
    を含み、
    前記供給する手段が、調整可能な出力電圧を有する直流DC電源を備え、
    前記低減する手段は、前記DC電源の出力電圧を増大させ、前記導通角を90度から160度の範囲内で調整するように構成されたコントローラを備える、
    装置。
  2. 前記変換する手段が、前記調整可能な出力電圧を交流に変換するように構成されたインバータを備え、
    前記コントローラはさらに、前記交流中の歪み信号を低減するとともに1次高調波を維持し、前記第1の誘導素子内の交流を維持するようにさらに構成される、
    請求項1に記載の装置。
  3. 前記歪み信号が、前記交流の3次高調波成分またはより高い奇数次高調波成分を含む、請求項2に記載の装置。
  4. 前記コントローラが、前記第1の誘導素子内の交流のレベルの表示を受信するように構成される、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記交流のレベルが、前記第1の誘導素子内の電流の直接測定値に基づく、請求項4に記載の装置。
  6. 前記交流のレベルの表示が、前記第1の誘導素子によって生成された磁場によって第2の誘導素子内に誘起された電流の直接測定値に基づく、請求項4または5に記載の装置。
  7. 前記コントローラがさらに、前記DC電源の調整可能な出力電圧を制御するように構成される、請求項3に記載の装置。
  8. 前記コントローラが、
    前記交流の全高調波歪みの低減、
    前記インバータ内の伝導損失またはスイッチング損失の減少、
    前記LCL回路網内の伝導損失の減少、
    前記インバータのスイッチング素子によって生じる電流の調整、
    のうちの少なくとも1つを引き起こすように、前記スイッチング素子の導通角を制御するように構成される、請求項2に記載の装置。
  9. 前記1次高調波を維持することが、前記交流の全高調波歪みを低減するように、前記スイッチング素子の導通角を120度から140度の範囲内で維持することを含む、請求項7または8に記載の装置。
  10. 前記コントローラが、電力需要に基づいて前記DC電源の調整可能な出力電圧を制御し、前記スイッチング素子の導通角を制御するように構成される、請求項7から9のいずれか一項に記載の装置。
  11. 前記コントローラが、前記DC電源の出力電圧を制御する前に、前記スイッチング素子の導通角を制御するように構成される、請求項7から10のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記LCL回路網が共振回路を含む、請求項2に記載の装置。
  13. 前記第1の誘導素子がワイヤレス電力受信機の共通の共振周波数に同調される、請求項2に記載の装置。
  14. ワイヤレス充電システムにおけるワイヤレス電力伝達を制御する方法であって、
    調整可能な出力電圧を有する直流をインバータに供給するステップと、
    前記調整可能な出力電圧を交流に変換するステップと、
    LCL回路網の第1の誘導素子に前記交流を供給するステップと、
    前記交流中の歪み信号を低減するとともに1次高調波成分を維持し、前記第1の誘導素子内の交流を維持するように、前記直流の調整可能な出力電圧を制御するステップであって、前記制御するステップは、前記第1の誘導素子内の電流レベルの表示に応答して前記交流中の歪み信号を低減するようにスイッチング素子の導通角を制御するステップを含み、前記低減するステップは、DC電源の出力電圧を増大させ、前記導通角を90度から160度の範囲内で調整するステップを含む、ステップと、
    誘導素子にワイヤレス電力を伝達するための磁場を生成するステップとを含む、方法。
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