JP6427578B2 - ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のためのシステムおよび方法 - Google Patents

ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

説明される技術は、一般にワイヤレス電力に関する。より具体的には、本開示は、バッテリーを含む車両などのリモートシステムを有するワイヤレス電力伝達システムの位置調整および適合性検出に関するデバイス、システム、および方法を対象とする。
各ワイヤレス電力伝達システムは、回路トポロジー、磁性体レイアウト、および電力伝送機能または要件を含む多くの点で異なることがある。さらに、特定の電力伝達システムから車両に伝達され得る電力の量は、システムと電気車両との間の物理的位置調整に依存することがある。したがって、特定のワイヤレス電力伝達システムと電気車両との間の適合性のレベルを評価する必要がある。
送信コイルを有する充電送信機からワイヤレスに充電電力を受け取るための装置が提供される。この装置は、受信コイルおよび負荷に結合された受信機通信回路を備える。受信機通信回路は、充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信するように構成される。この装置は、受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧の値を測定するように構成されたセンサー回路をさらに備える。この装置は、短絡回路電流または開路電圧の値を、負荷を充電するのに十分な充電電力を供給するレベルに設定されたしきい値充電パラメータと比較するように構成されたコントローラをさらに備える。コントローラは、受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧がしきい値充電パラメータ以上であるときに充電送信機から充電電力を受け取るのを開始するようにさらに構成される。
充電電力をワイヤレスに受け取る方法が提供される。この方法は、充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信することを含む。この方法は、受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧の値を測定することをさらに含む。この方法は、短絡回路電流または開路電圧の値をしきい値充電パラメータと比較することであって、しきい値は負荷を充電するのに十分な充電電力を供給するレベルに設定されることをさらに含む。この方法は、受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧がしきい値充電パラメータ以上であるときに充電送信機から充電電力を受け取るのを開始することをさらに含む。
充電電力をワイヤレスに受け取るための装置が提供される。この装置は、充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信するための手段を備える。この情報を受信するための手段は、負荷に動作可能に接続される。この装置は、受信手段に関連する短絡回路電流または開路電圧の値を測定するための手段をさらに備える。この装置は、短絡回路電流または開路電圧の値をしきい値充電パラメータと比較するための手段をさらに備える。このしきい値は、負荷を充電するのに十分な充電電力を供給するレベルに設定される。この装置は、受信手段に関連する短絡回路電流または開路電圧がしきい値充電パラメータ以上であるときに充電送信機から充電電力を受け取るのを開始するための手段をさらに含む。
受信機の受信コイルにワイヤレスに充電電力を送るための装置が提供される。この装置は、送信コイルに結合された送信機回路を備える。この装置は、送信回路に結合されたセンサー回路をさらに備える。センサー回路は、送信回路の少なくとも1つの特性の値を測定するように構成される。この装置は、送信回路の少なくとも1つの特性の値の表示を受信機に送信するように構成された通信回路をさらに備える。この表示は、受信機に表示に基づいてしきい値充電パラメータを判定させる。この表示は、受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧がしきい値充電パラメータ以上であるときに充電電力を受け取るのを開始させる。
例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 別の例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 例示的な実装形態による、送信アンテナまたは受信アンテナを含む、図2の送信回路または受信回路の一部の概略図である。 例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す図である。 例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す図である。 例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す図である。 例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す図である。 例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す図である。 例示的な実装形態による、送信機コイルを介して位置を調整された車両の図である。 例示的な実装形態による、位置調整および適合性検出機能を有するワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 例示的な実装形態による、図6の受信回路の一部の概略図である。 例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のための方法のフローチャートである。 例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のための別の方法のフローチャートである。 例示的な実装形態による信号の流れとともに、電力送信機システムと電力受信機システムとを備えるワイヤレス電力伝達システムを示す図である。 例示的な実装形態による、図10の電力受信機システムの二次電流コントローラの状態図である。 例示的な実装形態による、図10の電力受信機システムの二次構成コントローラの状態図である。 例示的な実装形態による、図10の電力送信機システムのベース電流コントローラの状態図である。 例示的な実装形態による、図10の電力送信機システムのDCバスコントローラの状態図である。 例示的な実装形態による、図10の電力送信機システムの電流リミッタの状態図である。 例示的な実装形態による、ワイヤレス電力を受け取って負荷を充電するための方法のフローチャートである。 例示的な実装形態による、ワイヤレス電力を送って負荷を充電するための方法の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。
添付の図面に関連して以下に記載される発明を実施するための形態は、本発明の例示的な実装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装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用いられる「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、他の例示的な実装形態よりも好ましいか、または有利なものと解釈されるべきではない。この詳細な説明は、開示される実装形態を完全に理解することを目的とした特定の詳細を含む。場合によっては、いくつかのデバイスがブロック図の形式で示される。
ワイヤレス電力伝達は、物理的な導電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(たとえば、電力は、自由空間を通って伝達され得る)ことを指す場合がある。電力伝達を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場または電磁場)内に出力された電力は、「受信アンテナ」によって受け取られ、捕捉され、または結合され得る。
図1は、例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システム100の機能ブロック図である。ワイヤレス場(たとえば、磁場または電磁場)105を生成してエネルギー伝達を行うために、電源(図示せず)から送信機104に入力電力102を供給することができる。受信機108は、ワイヤレス場105に結合し、出力電力110に結合されたデバイス(図示せず)が蓄積または消費するための出力電力110を生成することができる。送信機104と受信機108はともに、距離112だけ離間される。
1つの例示的な実装形態では、送信機104および受信機108は、相互共振関係に従って構成される。受信機108の共振周波数と送信機104の共振周波数が、実質的に同じか、または極めて近いとき、送信機104と受信機108との間の伝送損失は最小となる。したがって、互いに極めて近い(たとえば、場合によっては数mmの範囲内)大型アンテナコイルが必要になる可能性がある純粋に誘導性の解決策とは対照的に、より長い距離にわたる、ワイヤレス電力伝達を可能にすることができる。したがって、共振誘導結合技法は、効率の改善と、様々な距離にわたる様々な誘導コイル構成を用いた電力伝達とを可能にし得る。
受信機108は、送信機104によって生成されたワイヤレス場105内に位置する際に電力を受信し得る。ワイヤレス場105は、送信機104によって出力されたエネルギーが受信機108によって取り込まれる領域に対応する。ワイヤレス場105は、以下でさらに説明するように、送信機104の「近接場」に相当し得る。送信機104は、エネルギーを受信機108に送るための送信アンテナまたはコイル114を含んでもよい。受信機108は、送信機104から送られたエネルギーを受け取るかまたは取り込むための受信アンテナまたはコイル118をさらに含んでもよい。近接場は、送信コイル114から電力を最小限に放射する送信コイル114内の電流および電荷に起因する強い反応場が存在する領域に相当してもよい。近接場は、送信コイル114の約1波長(または波長の数分の一)内にある領域に相当してもよい。
上述のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波のエネルギーの大部分を非近接場に伝播するのではなく、ワイヤレス場105のエネルギーの大部分を受信コイル118に結合することによって行うことができる。ワイヤレス場105内に位置するとき、送信コイル114と受信コイル118との間に、「結合モード」を発生させることができる。この結合が生じる場合がある、送信アンテナ114および受信アンテナ118の周りの領域は、本明細書では結合モード領域と呼ばれる。
図2は、別の例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システム200の機能ブロック図である。システム200は、送信機204と受信機208とを含む。送信機204は、発振器222とドライバ回路224とフィルタおよび整合回路226とを含み得る送信回路206を含むことができる。発振器222は、周波数制御信号223に応答して調整され得る所望の周波数で信号を生成するように構成され得る。発振器222は、発振器信号をドライバ回路224に供給してもよい。ドライバ回路224は、入力電圧信号(VD)225に基づいて、送信アンテナ214をたとえば送信アンテナ214の共振周波数で駆動するように構成されてもよい。ドライバ回路224は、発振器222から方形波を受信し、正弦波を出力するように構成されたスイッチング増幅器であり得る。たとえば、ドライバ回路224は、E級増幅器であり得る。
フィルタおよび整合回路226は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、送信機204のインピーダンスを送信アンテナ214に整合させてもよい。送信アンテナ214を駆動した結果として、送信アンテナ214は、ワイヤレス場205を生成し、たとえば、電気車両のバッテリー236を充電するのに十分なレベルで電力をワイヤレスに出力してもよい。
受信機208は、整合回路232と整流器回路234とを含み得る受信回路210を含むことができる。整合回路232は、受信回路210のインピーダンスを受信アンテナ218に整合させてもよい。整流器回路234は、図2に示すように、交流(AC)電力入力から直流(DC)電力出力を生成してバッテリー236を充電してもよい。受信機208および送信機204はさらに、別々の通信チャネル219(たとえば、Bluetooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、セルラーなど)上で通信してもよい。別法として、受信機208および送信機204は、ワイヤレス場205の特性を使用したバンド内シグナリングを介して通信することができる。
受信機208は、送信機204によって送られ、受信機208によって受け取られる電力量がバッテリー236を充電するのに適しているかどうかを判断するように構成されてもよい。
図3は、例示的な実装形態による、送信アンテナまたは受信アンテナを含む、図2の送信回路206または受信回路210の一部の概略図である。図3に示すように、送信回路または受信回路350は、アンテナ352を含むことができる。アンテナ352は、「ループ」アンテナ352と呼ばれるか、または「ループ」アンテナ352として構成される場合もある。また、アンテナ352は、本明細書では、「磁気」アンテナもしくは誘導コイルと呼ばれるか、または「磁気」アンテナもしくは誘導コイルとして構成される場合もある。「アンテナ」という用語は、一般に、別の「アンテナ」に結合するためのエネルギーをワイヤレスで出力するか、または受け取ることができる構成要素を指す。アンテナは、電力をワイヤレスで出力するか、または受け取るように構成されるタイプのコイルと呼ばれる場合もある。本明細書で使用するアンテナ352は、電力をワイヤレスで出力しならびに/あるいは受け取るように構成されるタイプの「電力伝達構成要素」の一例である。
アンテナ352は、空芯、またはフェライトコア(図示せず)などの物理的コアを含んでもよい。空芯ループアンテナは、コアの近くに配置された外部の物理デバイスに対してより耐性があり得る。さらに、空芯ループアンテナ352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る。加えて、空芯ループにより、送信アンテナ214(図2)の結合モード領域がより強力である可能性がある、送信アンテナ214(図2)の平面内に受信アンテナ218(図2)をより容易に配置することが可能になる場合がある。
上述のように、送信機104/204と受信機108/208との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機104/204と受信機108/208との間で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得る。しかしながら、送信機104/204と受信機108/208との間の共振が整合しないときであっても、効率に影響が及ぶ場合があるものの、エネルギーを伝達することができる。たとえば、共振が整合しないと効率が低くなることがある。エネルギーの伝達は、送信コイル114/214から自由空間にエネルギーを伝搬させる代わりに、送信コイル114/214のワイヤレス場105/205から、ワイヤレス場105/205の近傍に存在する受信コイル118/218にエネルギーを結合することによって行われる。
ループアンテナまたは磁気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く。インダクタンスは単にアンテナ352によって生成されたインダクタンスとすることができるのに対して、キャパシタンスは、所望の共振周波数で共振構造を作り出すために、アンテナのインダクタンスに加えられる場合がある。非限定的な例として、共振周波数で信号358を選択する共振回路を作り出すために、送信回路または受信回路350にキャパシタ354およびキャパシタ356が付加されてもよい。したがって、より大きい直径のアンテナでは、共振を持続させるのに必要なキャパシタンスのサイズは、ループの直径またはインダクタンスが大きくなるにつれて小さくなる場合がある。
さらに、アンテナの直径が大きくなるにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達面積が増加する場合がある。他の構成要素を用いて形成される他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、回路350の2つの端子間にキャパシタが並列に配置されてもよい。送信アンテナの場合、アンテナ352の共振周波数に実質的に対応する周波数を有する信号358がアンテナ352への入力であってもよい。
図1および図2を参照するとわかるように、送信機104/204は、送信コイル114/214の共振周波数に対応する周波数を有する、時間変動する磁場(または電磁場)を出力するように構成され得る。受信機108/208がワイヤレス場105/205内にあるとき、時間変動する磁場(または電磁場)は、受信コイル118/218内に電流を誘導することができる。上述のように、受信コイル118/218が送信コイル114/214の周波数で共振するように構成される場合、エネルギーを効率的に伝達することができる。受信コイル118/218内に誘導されたAC信号は、負荷を充電するかまたは負荷に電力を供給するために供給され得るDC信号を生成するために上述のように整流されてもよい。
図4A、図4B、図4C、図4D、および図4Eは、本発明の例示的な実装形態による電気車両とワイヤレス電力伝達システムの位置調整動作を示す。図4Aは、受信アンテナまたはコイル418および通信アンテナ427に電気的に接続されたワイヤレス電力伝達および通信受信機408を含む電気車両401を示す。図4Aは、送信アンテナまたはコイル414および通信アンテナ437に電気的に接続されたワイヤレス電力伝達および通信送信機404も示す。通信アンテナ427は、受信コイル418と異なってもよい。通信アンテナ437は、送信コイル414と異なってもよい。通信アンテナ427および437は、車両401が接近するにつれてそれぞれ受信機408と送信機404との間の通信を容易にするように構成されてもよい。図4Bは、車両401に搭載された受信機408が送信機404との通信を確立する状態を示す。図4Cでは、位置調整手順は、車両401が送信コイル414の方へ移動するときに開始することができる。通信リンクは、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、またはその組合せを車両401の運転者に与える。運転者はこのフィードバックを使用して、車両401をワイヤレス電力伝達ができるように適切に位置させることをいつ行えばよいかを判定してもよい。図4Dでは、位置調整手順が続行し、車両401に取り付けられた受信コイル418が送信コイル414と実質的に揃うように車両401を位置させることによって車両401の位置調整が終了する。最後に、図4Dは、受信コイル418が送信機104の送信コイル414と実質的に揃うように位置させた車両401を示す。
図5は、本発明の例示的な実装形態による、送信機コイルを介して位置を調整された車両の図である。ワイヤレス電力伝達システム500は、電気自動車401が送信機404の近くに駐車しているときに、電気自動車401の充電を可能にする。車両401が送信コイル414の上方に駐車するための空間が示されている。送信コイル414は、ベースパッド415内に配置されてもよい。いくつかの実装形態では、送信機404は電力バックボーン502に接続され得る。送信機404は、ベースパッド415内に配置された送信コイル414に、電気的接続503を介して交流(AC)を供給するように構成されてもよい。上記に図4に関連して説明するように、車両401は、各々が受信機408に接続されたバッテリー536と受信コイル418とアンテナ427とを含んでもよい。
いくつかの実装形態では、受信コイル418は、送信コイル414によって生成されるワイヤレス場(たとえば、磁場または電磁場)内に配置されたときに電力を受け取ることができる。ワイヤレス場は、送信コイル414によって出力されたエネルギーが受信コイル418によって取り込まれ得る領域に対応する。場合によっては、ワイヤレス場は、送信コイル414の「近接場」に対応し得る。
受信コイル418がバッテリー536を充電するかまたは車両401に電力を供給するために少なくとも最低定格電流または電力を受信機408に供給することが望ましい。最低定格電流または電力は、バッテリー536を充電することに加えて追加的な電気的負荷要件、たとえば、車両401内の1つまたは複数の電子デバイスおよび車両401によって電力を供給される1つまたは複数の電子デバイスの任意の電気的要件を含んでもよい。すべての車両がすべての充電システムに適合するように設計されるとは限らない。そのような非適合性はワイヤレス充電システムの性能に影響を及ぼす。1つの解決手段は、いくつかの電気車両を含むいくつかのワイヤレス充電システムを事前に検査して適合性リストを作成することを含んでもよい。別の解決手段は、電気車両側充電用の標準的な1組の磁性体に対する事前検査を行うことをさらに含んでもよい。ワイヤレス充電システムと電気車両の組合せ(または1組の標準的な磁性体)ごとに複数の位置調整位置が検査されない限り、そのような解決手段は包括的で正確な適合性評価を実現しないことがある。
ロバストで信頼できる動作を実現するために、車両401に搭載された受信機408は、送信コイル414と受信コイル418との間の適合性を判定してもよい。送信コイル414と受信コイル418が所与の位置調整に関する車両401の少なくとも最低定格電力出力を生成するように協働することができる場合、送信コイル414と受信コイル418は適合すると判定されてもよい。そのような適合性判定は、送信コイル414と受信コイル418との間の位置調整にもかかわらずに行われてもよい。そのような適合性判定はさらに、送信コイル414と受信コイル418が同じワイヤレス電力伝達システムに属するかどうかにかかわらずに行われてもよい。適合性検出については以下に図6および図7に関連してさらに説明する。
図6は、本発明の別の例示的な実装形態による、位置調整および適合性検出機能を有するワイヤレス電力伝達システム600の機能ブロック図である。システム600は、送信機604と受信機608とを含む。送信機604は、送信回路606に電気的に結合された通信回路629を含み得る。送信回路606は、発振器622とドライバ回路624とフィルタおよび整合回路626とを含み得る。発振器622は、周波数制御信号623に応答して調整され得る所望の周波数で信号を生成するように構成され得る。発振器622は、発振器信号をドライバ回路624に供給してもよい。ドライバ回路624は、入力電圧信号(VD)625に基づいて、送信コイル614をたとえば送信コイル614の共振周波数で駆動するように構成されてもよい。非制限的な一例では、ドライバ回路624は、発振器622から方形波を受信し、正弦波を出力するように構成されたスイッチング増幅器であり得る。
フィルタおよび整合回路626は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去し、送信機604のインピーダンスを送信コイル614に整合させてもよい。送信コイル614を駆動した結果として、送信コイル614は、ワイヤレス場605を生成し、たとえば、電気車両のバッテリー636を充電するのに十分なレベルで電力をワイヤレスに出力してもよい。別段に記載されていない限り、送信回路606内の各構成要素は、上記に図2に関連して説明したように送信回路206内のそれぞれの構成要素と実質的に同じ機能を有してもよい。
送信機604は、通信回路629に電気的に接続されたコントローラ回路628をさらに含み得る。通信回路629は、通信リンク619を介して送信機604内の通信回路639と通信するように構成されてもよい。送信機604は、送信回路606とコントローラ回路628とに結合されたセンサー回路625をさらに含んでもよい。センサー回路625は、送信回路606によって送信コイル614に出力された電流を測定するように構成されてもよく、その情報をコントローラ回路628に伝送してもよい。
受信機608は、受信コイル618と受信回路610とを含んでよい。受信回路610は、スイッチング回路630と整合回路632と整流器回路634とを含むことができる。受信コイル618はスイッチング回路630に電気的に接続されてもよい。スイッチング回路は、受信コイル618を整合回路632または受信コイル618の短絡回路端子に選択的に接続してもよい。整合回路632は整流器回路634に電気的に接続されてもよい。整流器回路634は、DC電流をバッテリー636に供給してもよい。別段に記載されていない限り、受信回路610内の各構成要素は、上記に図2に関連して説明したように受信回路210内のそれぞれの構成要素と実質的に同じ機能を有してもよい。
受信機608は、受信コイル618の短絡回路電流または開路電圧ならびに/あるいは整流器回路634から出力されるDC電流を検知するように構成されたセンサー回路635をさらに含んでもよい。コントローラ回路638がセンサー回路635に電気的に接続され、センサー回路635からデータを受信してもよい。ユーザインターフェース650は、コントローラ回路638に電気的に接続され、受信コイル618と送信コイル614との間の結合、位置調整、または適合性のレベルに関するフィードバックを車両の運転者に供給するように構成されてもよい。通信回路639はコントローラ回路638に接続されてもよい。通信回路639は、通信リンク619を介して送信機604内の通信回路629と通信するように構成されてもよい。
電力を送信機604から受信機608に供給するには、エネルギーがワイヤレス場(たとえば、磁場または電磁場)605を通じて送信コイル614から受信コイル618に送られればよい。送信コイル614と送信回路606は、特定の共振周波数を有する共振回路を形成する。受信コイル618と受信回路610は、特定の共振周波数を有する別の共振回路を形成する。同じ共振周波数を有する2つの結合された共振システム間では電磁損失が最低限に抑えられるので、受信コイル618に関連する共振周波数は送信コイル614に関連する共振周波数と実質的に同じであることが望ましい。したがって、送信コイル614と受信コイル618の一方または両方に関する同調トポロジーがインダクタンスまたは負荷の変化の影響をそれほど受けないことがさらに望ましい。
一実装形態では、送信回路606は、たとえば、場合によっては一次電流と呼ばれるAC電流I1を以下の数式に従って送信コイル614に供給する。
I1=I1max/β
上式で、I1maxは、送信回路606が送信コイル614に供給することのできる最大AC電流である。
電流I1は最大電流I1maxにおける率または割合、たとえば、I1maxの10%、15%、20%、25%などであることが望ましい。したがって、比βは、その割合または部分の逆数に相当する。送信回路606がI1を実質的に一定の電流として供給できることがさらに望ましい。送信コイル614は、電流I1に基づいてワイヤレス場605を生成する。受信コイル618は、送信コイル614に対して実質的に位置調整されると、実質的にワイヤレス場605内に配置され得る。したがって、受信コイル618は、送信コイル614に磁気的または電磁的に結合されてもよい。ワイヤレス場605は、受信コイル618において、たとえば、場合によっては二次電流と呼ばれるAC電流I2を誘起させる。
充電モードでは、整流器回路643はAC電流I2を直接電流(DC)充電電流Idcに変換する。DC充電電流Idcは、以下の数式に従って電流I1に比例する。
Idc=1.1k12√(L1/L2)I1=1.1K12I1
上式で、Idcはアンペア単位で測定され、1.1はπ(2√2)に等しい近似整流スケーリングファクタであり、k12は送信コイル614と受信コイル618との間の結合係数であり、L1およびL2はそれぞれ、送信コイル614および受信コイル618のインダクタンスであり、I1は、アンペア単位のAC電流の2乗平均(RMS)として表され、K12は「カッパ」または送信コイル614インダクタンスと受信コイル618インダクタンスの比に正規化された結合係数k12である。
したがって、受信コイル618が生成することのできる最大DC充電電流Idcmaxは、送信コイル614に供給される最大電流I1maxに比例する。これは、以下の数式に従った送信コイル614と受信コイル618との間の任意の所与の位置調整に当てはまる。
Idcmax=1.1K12I1max
さらに、K12は、送信コイル614と受信コイル618との間の位置調整に応じて変化し得る。K12は送信コイル614と受信コイル618との間の正規化された結合係数を表すので、K12は、以下の数式による、受信コイル618内を流れる短絡回路電流I2scと送信コイル614内を流れる電流I1の比として表されてもよい。
K12=I2sc/I1
K12は、以下の数式による受信コイル618にわたる開路電圧Vocと送信コイル614にわたる電圧V1の比として表されてもよい。
K12=Voc/V1
スイッチング回路630は、電流I2scを測定するために、以下に図7においてさらに詳しく説明するようにセンサー回路635を通じて受信コイル618の端子を短絡させる。別の実装形態では、受信回路610がバッテリー636に電力を供給している間に充電電流Idcを使用して短絡電流I2scを推定するかまたは求めることができる。たとえば、充電電流Idcと短絡電流I2scに相当するものとの間の関係が以下の数式に従って推定されるかまたは求められてもよい。
I2sc=Idc/1.1
さらに別の実装形態では、受信コイル618の端子にわたる開路電圧Vocを測定することによって短絡電流I2scの値が推定されるかまたは求められてもよい。たとえば、開路電圧Vocと短絡電流I2scとの間の関係が以下の数式に従って推定されるかまたは求められてもよい。
I2sc=Voc/ωL2
上式で、ωは毎秒ラジアン単位のAC周波数であり、L2は受信コイル618のインダクタンスである。スイッチング回路630は、電圧Vocを測定するために、以下に図7においてさらに詳しく説明するようにセンサー回路635にわたる受信コイル618の端子を開路させる。
図6を参照するとわかるように、送信回路606は電流I1を最大電流I1maxの比βに設定してもよい。送信回路606は、電流I1を送信コイル614に供給してもよい。電流I1の動的な測定が望ましい場合、センサー回路625は、受信機608が電流I1の値の表示を受信できるように送信コイル614に印加される電流I1を測定してもよい。センサー回路625は、測定値をコントローラ回路628に伝送してもよい。受信コイル618にわたる開路電圧Vocを測定できる実装形態では、センサー回路625は、送信コイル614の端子にわたる電圧V1を測定してもよい。センサー回路625は、測定値をコントローラ回路628に伝送してもよい。I1とI1maxとの間の関係と同様に、電流I1maxによって誘起される送信コイル614にわたる最大電圧V1maxと電流I1によって誘起される電圧V1との比もβである。
一実装形態では、受信機608は送信機604に比βを要求してもよい。通信回路629は、比βを受信機608内の通信回路639に伝送してもよい。通信回路629は、電流I1の値と電圧V1の値のうちの少なくとも一方をさらに通信回路639に伝送してもよい。通信回路639は、受信された比βおよび電流I1の値と電圧V1の値のうちの少なくとも一方をコントローラ回路638に伝送してもよい。このようにして、受信機608は、送信機604によって供給される情報に基づいて受信された比βの値および電流I1と電圧V1のちの少なくとも一方の値をメモリユニット(図示せず)に記憶してもよい。βが標準化される代替実装形態では、コントローラ回路638はβをすでにメモリユニットに保存していてもよい。そのような場合、通信回路629は、電流I1の値と電圧V1の値のうちの少なくとも一方を通信回路639に伝送するだけでよく、βの標準化された値を通信回路639に伝送しなくてもよい。
電流I1が送信コイル614に印加された後、送信コイル614はワイヤレス場605を形成する。ワイヤレス場605は、受信コイル618の端子が短絡されるので受信コイル618において短絡回路電流I2scを誘起させることができる。センサー回路635は、電流I2scの値を測定してもよい。センサー回路635は次いで、電流I2scの値をコントローラ回路638に伝送してもよい。
開路電圧Vocが測定される実装形態では、スイッチング回路630が受信コイル618の端子を開路させてもよく、センサー回路635が電圧Vocの値を測定してもよい。センサー回路635は次いで、電圧Vocの値をコントローラ回路638に伝送してもよい。
コントローラ回路638は次いで、前述の数式K12=I2sc/I1に従って、測定された電流I2scおよび電流I1の受信された値を使用して正規化された結合係数K12を求める。開路電圧Vocが測定される実装形態では、コントローラ回路638は、前述の数式K12=Voc/V1に従って、測定された電圧Vocおよび受信された電圧V1を使用して正規化された結合係数K12を求める。コントローラ回路638は、I1max=βI1と並べ替えてもよい前述の数式I1=I1max/βに従って、比βおよび電流I1の受信された値を利用して、I1maxを求めてもよい。コントローラ回路638は次いで、前述の数式Idcmax=1.1K12I1maxに従って、K12およびI1maxの求められた値を使用して受信機608の最大DC充電電流を求める。
送信機604が特定の位置調整において少なくとも必要しきい値充電電流Ithreshをバッテリーに供給できるかどうかを判定することが望ましい場合がある。電流Ithreshは、特定のバッテリーシステムまたは車両システムに関する所定の電流または既知の電流であってもよい。そのような判定を下すために、コントローラ回路638は、以下の不等式に従って、短絡回路電流I2scと、必要しきい値充電電流Ithreshを比βの1.1倍で除した値を比較してもよい。
I2sc>Ithresh/1.1β
I2scが電流Ithresh/1.1βよりも大きい場合、コントローラ回路638は、送信機604は現在の位置調整を使用して少なくとも必要しきい値充電電流をバッテリー636に供給することが可能であり得ると判定する。コントローラ回路638は、通信回路639に、充電を開始するための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信するように指示してもよい。コントローラ回路638はさらに、現在の位置調整において適切な(たとえば、適合性を有する)充電が可能であることを示す表示を、たとえばユーザインターフェース650を介して車両401の運転者にならびに/あるいは1つまたは複数の他のシステムに与えてもよい。コントローラ回路638は次いで、スイッチング回路630に受信コイル618から短絡回路接続を削除するよう指示してもよい。スイッチング回路630は、受信コイル618を整合回路632に接続してもよい。これによって受信コイル618はバッテリー636に電力を供給することができ、充電を開始することができる。
I2scが電流Ithresh/1.1βよりも小さい場合、コントローラ回路638は、送信機604が既存の位置調整によって少なくとも必要しきい値充電電流をバッテリー636に供給することは可能であり得ないと判定する。コントローラ回路638は、通信回路639に、充電を開始させないための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信するように指示してもよい。コントローラ回路638はさらに、現在の位置調整では適切な(たとえば、適合性を有する)充電が可能ではないことを示す表示を、たとえばユーザインターフェース650を介して車両401の運転者にならびに/あるいは1つまたは複数の他のシステムに与えてもよい。このような例では、受信コイル618はバッテリー636に電力を供給せず、充電は開始しない。このようにして、送信機604は、システム600が定格機能を実現するための許容位置調整または動作ゾーン(図示せず)外にあることを示す表示を受信してもよい。コントローラ回路638は、動作ゾーンを送信コイル614の上方の幾何学的領域、送信コイル614を囲む幾何学的領域、または送信コイル614の近くの幾何学的領域として判定してもよい。動作ゾーン内では、送信コイル614が一次電流I1によって駆動されるとき、受信コイル618の短絡回路電流I2scは、不等式I2sc>Ithresh/1.1βが満たされるような電流になる。より詳細には、コントローラ回路638は、不等式I2sc>Ithresh/1.1βを維持するように送信コイル614に対する受信コイル618の動作ゾーン内の位置を定めてもよい。これに対して、不等式が満たされない受信コイル618の位置は動作ゾーン外になる。したがって、いくつかの実装形態は、車両または充電システムの特性についての予備知識なしで受信コイル618の動作ゾーンを確立するのを可能にし得る。
別の実装形態では、送信機604が特定の位置調整において少なくとも必要しきい値充電電流Ithreshをバッテリーに供給できるかどうかを判定することが望ましい場合がある。電圧Vthreshは、特定のバッテリーシステムまたは車両システムに関する所定の電圧または既知の電圧であってもよい。コントローラ回路638は、そのような判定を下すために、以下の不等式に従って、開路電圧Vocと、電圧Vthreshを比βの1.1倍で除した値を比較してもよい。
Voc>Vthresh/1.1β
Vocが電圧Vthresh/1.1βよりも大きい場合、コントローラ回路638は、送信機604が現在の位置調整を使用して少なくとも必要しきい値充電電圧をバッテリー636に供給することが可能であり得ると判定する。コントローラ回路638は、通信回路639に、充電を開始するための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信するように指示してもよい。コントローラ回路638はさらに、現在の位置調整において適切な充電が可能であることを示す表示を、車両401の運転者ならびに/あるいは1つまたは複数の他のシステムに与えてもよい。コントローラ回路638は次いで、スイッチング回路630に受信コイル618から開路接続を削除するよう指示してもよい。スイッチング回路630は、受信コイル618を整合回路632に接続してもよい。これによって受信コイル618はバッテリー636に電力を供給することができ、充電を開始することができる。
Vocが電圧Vthresh/1.1βよりも小さい場合、コントローラ回路638は、送信機604が既存の位置調整によって少なくとも必要しきい値充電電圧をバッテリー636に供給することは可能であり得ないと判定する。コントローラ回路638は、通信回路639に、充電を開始させないための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信するように指示してもよい。コントローラ回路638はさらに、現在の位置調整では適切な充電が可能ではないことを示す表示を、車両401の運転者ならびに/あるいは1つまたは複数の他のシステムに与えてもよい。このような例では、受信コイル618はバッテリー636に電力を供給せず、充電は開始しない。このようにして、送信機604は、システム600が上記の短絡回路電流I2scに関して上記に開示した定格機能と同様の定格機能を実現するための許容位置調整または動作ゾーン外であることを示す表示を受信してもよい。
上記の説明によれば、コントローラ回路638は、受信コイル618が送信コイル614に対して任意の位置にある場合の最大可能出力電流または電圧を求めてもよい。コントローラ回路638は、バッテリー636に電流を供給する前にこの最大可能出力電流または電圧を求めてもよい。別の実装形態においてコントローラ回路638は、バッテリー636を充電する間にこの最大可能出力電流または電圧を求めてもよい。さらに別の実装形態では、コントローラ回路638は、車両401の運転者が車両401を充電用の空間に移動させている間にこの最大可能出力電流または電圧を求めてもよい。そのような実装形態は、充電電流および/または電圧が充電サイクル中に安全限界内に維持されるように安全機構を実現してもよい。
たとえば、いくつかの条件下では、送信コイル614と受信コイル618との間の過結合によって、送信機604と受信機608の一方または両方において望ましくない応力が生じることがある。受信機608内のコントローラ回路638または送信機604内のコントローラ回路628のいずれもそのような過結合を検出することができる。受信機608内のコントローラ回路638または送信機604内のコントローラ回路628のいずれも、そのような過結合を検出したことに応答して是正措置をとることができる。そのような是正措置は、結合K12を弱めること、駆動電流I1を低減させること、位置調整のための指示をユーザインターフェース650を介して示すこと、受信機608側のバッテリー636への電力を停止すること、および/または送信機604側の送信コイル614への電力を停止することを含んでもよい。
前述のように、コントローラ回路638は、それぞれ上記の数式K12=I2sc/I1およびK12=Voc/V1に従って、短絡回路電流I2scまたは開路電圧Vocの測定値を利用して受信コイル618ごとに結合係数K12を求めてもよい。他の実装形態では、コントローラ回路638は、上述のDC電流-短絡回路電流変換式I2sc=Idc/1.1に従って充電中に結合係数K12を求めてもよい。コントローラ回路638は、充電の前の較正中と充電中のどちらでもK12を求めることができるので、結合係数K12を連続的に監視してもよい。コントローラ回路638は次いで、以下の不等式に従って、求められた結合係数K12を最大結合係数K12maxと比較してもよい。
K12>K12max
コントローラ回路638は、最大結合係数K12maxを求めてもよい。代替として、コントローラ回路638は、コントローラ回路638からアクセスできるメモリ(図示せず)に記憶されたK12maxの値にアクセスしてもよい。上記の不等式が満たされる場合、コントローラ回路638は過結合状態であると判定してもよい。コントローラ回路638は次いで、上述の是正措置のうちの1つを実行させてもよい。
図7は、本発明の例示的な実装形態による、図6の受信回路の一部の概略図である。図7は、スイッチング回路630に電気的に接続された受信コイル618を示す。スイッチング回路630は、スイッチ731とスイッチ732とを含み得る。スイッチ731の第1の端子は、受信コイル618の第1の端子に電気的に接続されるとともに整合回路632に電気的に接続される。スイッチ731の第2の端子はセンサー回路に電気的に接続される。スイッチ732の第1の端子は、受信コイル618の第2の端子に電気的に接続されるとともにセンサー回路に電気的に接続される。スイッチ732の第2の端子は整合回路に電気的に接続される。受信コイル618はスイッチング回路630に接続されるように示されているが、1つまたは複数の共振回路構成要素は、破線のワイヤラインによって表されているように受信コイル618とスイッチング回路630との間に接続されてもよい。スイッチ731を閉じると、センサー回路635を通じて受信コイル618の端子が短絡される。スイッチ732を開くと、受信コイル618が整合回路632から事実上切り離される。スイッチ732を開くと、整合回路632から下流側に位置するバッテリー636(図示せず)も事実上切り離される。短絡回路電流I2scを測定しても電源電位が示されない場合、センサー回路635は、受信コイル618の端子にわたる開路電圧を測定してもよい。そのような実装形態では、スイッチング回路630が受信コイル618の第1の端子および第2の端子にわたる開路電圧を測定できるようにスイッチ731とスイッチ732が両方とも開かれる。スイッチング回路630は受信コイル618と整合回路632との間に位置するように示されているが、本出願はそのように限定されない。たとえば、いくつかの同調トポロジーでは、短絡回路電流I2scまたは開路電圧Vocの有効測定値が得られるかまたは推定できる限り、スイッチング回路630は整合回路632の後段に配置されてもよい。
図8は、例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のための方法のフローチャートを示す。フローチャート800の方法について、本明細書では、図6に関して上記に説明したワイヤレス電力伝達システム600を参照して説明する。一実装形態では、フローチャート800中のステップのうちの1つまたは複数は、たとえば図6のコントローラ回路638などのコントローラによって実行されてもよい。フローチャート800の方法について、本明細書では特定の順序を参照して説明するが、様々な実施形態では、本明細書のステップが異なる順序で実施されるか、または省略される場合があり、さらなるステップが追加される場合がある。
ステップ802において、この方法が開始する。この方法では引き続き、ステップ804において、ワイヤレス電力受信機の受信コイルとワイヤレス充電送信機の送信コイルの位置調整を行う。たとえば、図5に関して上記に説明したように、受信機408の受信コイル418が送信機404の送信コイル414の実質的に上方に位置するように車両401が位置調整されてもよい。
この方法は、ステップ806において、第1の通信リンクを介して充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信することを含む。たとえば、通信回路639は、通信リンク619を介して送信機604の通信回路629から電流I1および電圧V1の少なくとも一方の値を受信してもよい。別の実装形態では、電流I1および電圧V1の少なくとも一方の値を表す情報は通信リンク619を介して受信されてもよい。電流I1の値および電圧V1の値の少なくとも一方は、メモリ内のルックアップテーブルを使用するかまたはデータサービス(図示せず)に問い合わせることなどによって、情報信号に基づいて求められてもよい。
この方法は、ステップ808において、第1の通信リンクを介してβの値を得ることを含む。たとえば、通信回路639は、通信リンク619を介して送信機604内の通信回路629から比βを受信してもよい。通信リンク619は、限定はしないがBluetooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、またはセルラーを含む任意の種類の通信リンクであってもよい。別の実装形態では、比βは標準化された値として既知であってもよい。そのような実装形態では、通信回路639は通信リンク619を介して比βを受信しなくてもよく、その代わりβは、メモリまたは公知のデータサービス(図示せず)に対する問合せから求められてもよい。
この方法は、受信コイル618に関連する動作パラメータの値を測定することを含むステップ810に進んでもよい。たとえば、センサー回路635は、図6および図7に関して上記に説明したように、受信コイル618内の短絡回路電流I2scを測定してもよい。別の実装形態では、センサー回路635は、図6および図7に関して上記に説明したように、受信コイル618にわたる短絡回路電圧Vocを測定してもよい。
この方法は引き続き、ステップ812において、パラメータの値と負荷を充電するのに十分なしきい値充電パラメータを比較する。コントローラ回路638は、電流I2scと必要しきい値充電電流Ithreshをβの1.1倍で除した値との比較を実行してもよい。I2scがしきい値充電電流Ithresh/1.1βよりも大きい場合、送信機604は、現在の位置調整によって少なくとも最小必要充電電流をバッテリー636に供給することが可能であり得る。この方法は、そのような場合に、第1の通信リンクを介して充電を開始するための指示を送信することを含むステップ814に進んでもよい。たとえば、通信回路639は、充電を開始するための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信してもよい。この時点で、この方法は、終了ステップ818によって終了してもよい。
決定ブロック812に戻り、I2scが必要しきい値充電電流Ithresh/1.1β以下である場合、受信機608は、現在の位置調整では送信機604に適合しないと見なされてもよい。送信機604は、現在の位置調整ではバッテリー636に少なくとも最小必要充電電流を供給することが可能でないことがあり得る。この方法は、そのような場合に、第1の通信リンクを介して充電を開始しないための指示を送信することを含むステップ816に進んでもよい。たとえば、通信回路639は、充電を開始しないための指示を通信リンク619を介して通信回路629に送信してもよい。別の実装形態では、通信回路639はいかなる指示も送信せず、充電は開始しない。さらに別の実装形態では、通信回路639は、受信コイル618が許容位置調整または動作ゾーン外でありならびに/あるいは定格電力を供給できないことを示す表示を送信してもよい。この時点で、この方法は、終了ステップ818によって終了してもよい。
別の実装形態では、短絡回路電流I2scではなく開路電圧Vocが測定される場合、ステップ812は、コントローラ回路638が電圧Vocとβの1.1倍で除した必要しきい値充電電圧Vthreshとの比較を実行することを含んでもよい。Vocが電圧Vthresh/1.1βよりも大きい場合、送信機604は、現在の位置調整によって少なくとも最小必要充電電圧をバッテリー636に供給することが可能であり得る。Vocが必要しきい値充電電圧Vthresh/1.1β以下である場合、受信機608は、現在の位置調整では送信機604に適合しないと見なされてもよい。送信機604は、現在の位置調整ではバッテリー636に少なくとも最小必要充電電圧を供給することが可能でないことがあり得る。
図9は、例示的な実装形態による、ワイヤレス電力伝達システムに関する位置調整および適合性検出のための別の方法のフローチャートを示す。フローチャート900の方法について、本明細書では、図6に関して上記に説明したワイヤレス電力伝達システム600を参照して説明する。一実装形態では、フローチャート900中のステップのうちの1つまたは複数は、たとえば図6のコントローラ回路628などのコントローラによって実行されてもよい。フローチャート900の方法について、本明細書では特定の順序を参照して説明するが、様々な実施形態では、本明細書のステップが異なる順序で実施されるか、または省略される場合があり、さらなるステップが追加される場合がある。
ステップ902において、この方法が開始する。この方法は引き続き、ステップ904において、送信コイルの電流を最大送信コイル電流に対して比βに設定する。たとえば、送信回路606および/またはコントローラ回路628は、電流I1を最大電流I1maxに対して所定の比βを有するように設定してもよい。一実装形態では、センサー回路(図示せず)が、送信コイル614に印加されるI1を測定してもよい。センサー回路は、測定値をコントローラ回路628に伝送してもよい。別の実装形態では、送信コイルにわたる電圧が最大送信コイル電圧に対して比βに設定されてもよい。たとえば、送信回路606および/またはコントローラ回路628は、電圧V1を最大電圧V1maxに対して所定の比βになるように設定してもよい。センサー回路(図示せず)は、送信コイル614に印加される電圧V1を測定してもよい。センサー回路は、測定値をコントローラ回路628に伝送してもよい。
この方法では引き続き、ステップ906において、第1の通信リンクを介して送信コイル電流の値を送信する。たとえば、コントローラ回路628は、通信回路629に、電流I1の値を通信回路629に伝送するよう指示してもよい。別の実装形態では、送信電圧の値が第1の通信リンクを介して送信されてもよい。たとえば、コントローラ回路628は、通信回路629に、電圧V1の値を通信回路に伝送するよう指示してもよい。
この方法では引き続き、ステップ908において、第1の通信リンクを介して比βを供給する。たとえば、コントローラ回路628は、通信回路629に、比βを通信リンク619を介して通信回路639に送信するように指示してもよい。
フローチャート900のこの時点において、この方法は、上述のフローチャート800の決定ブロック812に関する決定ブロック910を含んでもよい。I2scがIthresh/1.1βよりも大きいと判定された場合、この方法は、第1の通信リンクを介して充電を開始するための指示を受信することを含むステップ912に進んでもよい。たとえば、通信回路629は、充電を開始するためのそのような指示を通信リンク619を介して通信回路639から受信してもよい。この方法は、そのような場合に、充電を開始することを含み得るステップ914に進んでもよい。たとえば、コントローラ回路628は、送信回路606に、電流I1を最小必要充電電流に高めて充電を開始するよう指示してもよい。この時点で、この方法は、終了ステップ920によって終了してもよい。
決定ブロック910に戻り、I2scがIthresh/1.1β以下であると判定された場合、この方法は、通信リンクを介して充電を開始しないための指示を受信することを含むステップ916に進んでもよい。たとえば、通信回路629は、充電を開始しないための指示を通信リンク619を介して通信回路639から受信してもよい。この方法は、そのような場合に、充電を開始しないことを含み得るステップ920に進んでもよい。たとえば、コントローラ回路628は、送信回路606に、最小必要充電電流よりも小さくてもよい最大電流I1maxにおける上記の率の電流I1を引き続き生成するよう指示してもよい。別の実装形態では、コントローラ回路628は、送信回路606に電流I1の生成を完全に停止するよう指示してもよい。さらに別の実装形態では、通信回路639は、受信コイル618が許容位置調整ゾーン外でありならびに/あるいは最小必要充電電流を供給できないことを示す表示を送信してもよい。この時点で、この方法は、終了ステップ920によって終了してもよい。
I2scではなくVocが測定される別の実装形態では、決定ブロック910が、VocがVthresh/1.1βよりも大きいかどうかを判定してもよい。VocがVthresh/1.1βよりも大きい場合、この方法は、第1の通信リンクを介して充電を開始するための指示を受信することを含むステップ912に進んでもよい。この方法は次いで、上述のように進行する。VocがVthresh/1.1β未満である場合、この方法は、上述のようにステップ916に進んでもよい。
図10は、例示的な実装形態による電力送信機システム1002と電力受信機システム1004とを備えるワイヤレス電力伝達システム1000を示す図である。本明細書において説明する様々な実施形態の一態様では、ワイヤレス電力伝達システム1000は、様々な受信機と送信機との間のインターオペラビリティを実現することができる。たとえば、特定の一実施形態は、小量の1組の情報(たとえば、単にベース電流要求)を包括的に(たとえば、正規化/相対レベル)利用する受信機と送信機との間のインターフェースを実現する。別段に記載されていない限り、ワイヤレス電力伝達システム1000内の各構成要素は、上記に図2、図6、図7に関連して説明したそれぞれの構成要素と実質的に同じ機能を有してもよい。
図示の電力送信機システム1002は、電源、インターフェース、またはインフラストラクチャ1006と、ベース制御ユニット(BCU)力率補正(PFC)ブロック1008と、BCUインバータ1010と、ベースパッド1012と、任意の通信アンテナ(Bluetooth（登録商標）アンテナ1014など)と、決定ブロック1015と、ベース電流コントローラ1016と、DCバスコントローラ1018と、電流リミッタ1020とを含む。BCU PFCブロック1008およびBCUインバータ1010は、図6のドライバ624およびフィルタ/整合ネットワーク626に対応してもよい。ベースパッド1012は、図6の送信コイル614に対応してもよいが、ベースパッド1012がパッドまたはコイル構成を有する必要がないことが諒解されよう。すなわち、充電すべきデバイスを充電するかまたは充電すべきデバイスに電力を供給するのに十分なレベルのワイヤレス場を生成する任意の適切な電力アンテナが選択され使用されてもよい。決定ブロック1015、ベース電流コントローラ1016、DCバスコントローラ1018、および電流リミッタ1020は、図6のコントローラ回路628に対応してもよい。任意の通信アンテナ(Bluetooth（登録商標）アンテナ1014など)は図6の通信回路629に対応してもよい。
電力受信機システム1004は、二次パッド1022と、同調/整流器1024と、出力フィルタ1026と、ホストデバイス1028と、充電曲線制御ブロック1030と、二次電流コントローラ1032と、二次構成コントローラ1034と、任意の通信アンテナ(Bluetooth（登録商標）アンテナ1036など)とを含んでもよい。二次パッド1022は、図6の受信コイル618に対応してもよいが、二次パッド1022がパッドまたはコイル構成を有する必要がないことが諒解されよう。すなわち、充電すべきデバイスを充電するかまたは充電すべきデバイスに電力を供給するのに十分なレベルのワイヤレス場を受け取ることができる任意の適切な電力アンテナが選択され使用されてもよい。追加または代替として、二次パッド1022は、選択的にアクティブ化することができる(たとえば、負荷に接続することができる)1つまたは複数のアンテナ(図示せず)を含んでもよい。同調/整流器1024および出力フィルタ1026は、図6のスイッチング回路630、整合回路632、整流器回路634、およびセンサー回路635に対応してもよい。追加または代替として、同調/整流器1024および出力フィルタ1026は、二次パッド電流Isecondaryおよび構成制御信号Dsに基づいて可変レベル出力電流を供給してもよい。充電曲線制御ブロック1030、二次電流コントローラ1032、および二次構成コントローラ1034は、図6のコントローラ回路638に対応してもよい。任意の通信アンテナ(Bluetooth（登録商標）アンテナ1036など)は図6の通信回路639に対応してもよい。
インフラストラクチャ1006は、電力電流Iacを供給するように構成されてもよい。インフラストラクチャ1006は、メイン電源、1つまたは複数のバッテリー、ソーラーパネル、または電力電流Iacを供給するように構成された同様の電源のうちの1つまたは複数に対応してもよい。図示の電力送信機システム1002では、インフラストラクチャ1006は、BCU PFCブロック1008に動作可能に結合され、BCU PFCブロック1008に電力電流Iacを供給する。
BCU PFCブロック1008は、電力電流Iacおよび命令されたバイアス信号VDC,CMDを受信するように構成されてもよく、バイアス信号VDCおよび電力電流Iacの測定値yacを供給するように構成されてもよい。図示の電力送信機システム1002では、BCU PFCブロック1008は、インフラストラクチャから電力電流Iacを受け取り、DCバスコントローラ1018から命令されたバイアス信号VDC,CMDを受信し、バイアスVDCをBCUインバータに供給し、測定信号yacを電流リミッタ1020に供給する。
BCUインバータは、バイアスVDCおよび位相制御信号θ(または「導通角」)を受信し、送信アンテナ電流Ibase(または「ベースパッド電流」)を生成するように構成されてもよい。たとえば、BCUインバータは、少なくともバイアスVDCおよび/または位相制御信号θに基づいて送信アンテナ電流Ibaseを生成してもよい。図示の実施形態では、BCUインバータはBCU PFCブロック1008からバイアスVDCを受け取り、ベース電流コントローラ1016から位相制御信号θを受信し、ベースパッド1012に送信アンテナ電流Ibaseを供給する。
一態様では、BCU PFCブロック1008を使用して位相ずれ電圧および電流に起因する電力系統からの過度の電流を回避し、回路の他の部分(たとえば、整流器のスイッチング作用)に起因する高調波歪を回避し、50/60Hzにおいて外部電力をフィルタリングすることができる。BCU PFCブロック1008からのDC電圧は、BCUインバータに供給されてもよく、BCUインバータの出力をブリッジ電流またはベース電流と呼ぶことがある。BCUインバータの出力の基本波の大きさは、以下の数式に従って、BCU PFCブロック1008から受け取られるDCバイアスVDCおよびインバータブリッジの位相制御信号θ(0°〜180°の任意の値をとってもよい)に依存する。
Figure 0006427578
数式6において、位相制御信号θはデューティサイクルに対応してもよい。位相制御信号θが高くなることは、電力が伝達される時間が長くなることに対応する。位相制御信号θが低くなることは、同じ電力に対して電圧が低くなり電流が大きくなることと言い換えられる。位相制御信号θを低くするのは電流を大きくする必要がある。いくつかの実装形態では、BCUインバータは90°を超える位相制御信号θで動作する。位相制御信号θが低くなり、それに伴って電流が大きくなることを回避すると、構成要素の応力を低減させることができる。BCUインバータが実質的に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。BCUインバータが、位相制御信号θ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、115°〜140°の範囲内で動作する。
ベースパッド1012は、送信アンテナ電流Ibaseを受け取り、電力を伝達するためのワイヤレス場を生成するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、ベースパッド1012は、送信アンテナ電流Ibaseのレベルを示す測定値ybaseを供給するように構成されてもよい。測定値信号ybaseは、送信アンテナ電流Ibaseに関係する、必ずしも電流ではない任意の適切な特性に対応してもよい。たとえば、サンプル特性には、検知電圧、補助電流、インピーダンス、電磁場、および同様の特性を含めてもよい。図示の実施形態では、ベースパッド1012は、BCUインバータから送信アンテナ電流Ibaseを受け取り、測定値ybaseをベース電流コントローラ1016および/またはBluetooth（登録商標）アンテナ1014に供給する。ベースパッド1012には、コイルアンテナ、平面アンテナ、およびデバイスに電力を供給しならびに/あるいはデバイスを充電するのに十分なワイヤレス場を生成するための同様のデバイスを含む1つまたは複数のアンテナを含めてもよい。
電力送信機システム1002のBluetooth（登録商標）アンテナ1014などの任意の通信アンテナは、1つまたは複数の種類の通信を受信するように構成されてもよい。たとえば、通信アンテナは、電流-要求信号IbaseInなどの信号を受信するように構成されてもよく、測定値信号ybaseなどの信号を送信するように構成されてもよい。通信用にベースパッド1012とは別個のアンテナが必要とされることはないことが諒解されよう。その代わり、電力送信機システム1002と電力受信機システム1004は、たとえば、ベースパッド1012と二次パッド1022との間のバンド内シグナリングによって、単向性チャネルまたは双方向チャネルを使用して通信してもよい。さらに、ワイヤレス通信の追加または代替として、物理的リンク(相互接続された有線データ通信パスなど)によって通信が行われてもよい。
電流-要求信号IbaseInを使用して、ベースパッド1012内を流れる電流の量、およびワイヤレス場の強度を制御してもよい。たとえば、電力受信機システム1004は、電流-要求信号IbaseInをBluetooth（登録商標）通信を介して電力送信機システム1002に送信することによって送信アンテナの電流を制御するように構成されてもよい。電流-要求信号IbaseInは、送信アンテナに関する電流の基準レベルを示してもよい。「基準レベル」は、「目標レベル」、「命令されたレベル」、「所望のレベル」、または電力受信機が、ベースパッドが導通することを要求しているベース電流のレベルを示す同様の記述を意味してもよい。たとえば、電流-要求信号IbaseInは、所定の値に比例するかまたは所定の値によって正規化された電流の量を示してもよい。正規化された電流-要求信号は、ベースパッド電流Ibaseを電流-要求信号IbaseInに従って可能な範囲内で調整すべきであることを示してもよい。所定の値は、電力送信プロトコルの電流レベル(たとえば、安全、標準、および/または同様の要件/目的に起因するベースパッド電流の上限)に対応してもよい。電力送信プロトコルは任意の適切な標準に対応してもよい。
動作時には、電力受信機システム1004は、要求を係数または比βとして受信してもよい。要求は、指定されたアンペア量など、ある指定された電流レベルを求める要求とは異なり、ベースパッド1012の動作限界におけるある割合、たとえば、「最大」ベース電流の-10%、30%、40%、57%、90%、100%、または110%など、所定の電流レベルと相対的な要求であってもよい。
いくつかの実施形態では、電力受信機システム1004は、それぞれの電力送信機システム1002に関する所定の電流レベルにアクセスすることはできない。説明するように、電力受信機システム1004のコントローラは、未知の所定の電流レベルを補償するうえで有効であり得る。さらに、電力受信機システム1004のコントローラは、電力送信システムの機能を検知し、電力送信機システム1002を損傷しないように電流-要求信号IbaseInを調整するうえで有効であり得る。さらに、電力送信機システム1002のコントローラ(たとえば、電流リミッタ1020)は、電力送信機が、電力送信機システム1002を損傷する恐れがある動作点に入るのを防止するうえで有効であり得る。したがって、本明細書において説明するように絶対量ではなく相対量の電流を要求することは、様々な種類の電力送信機システム1002と様々な種類の電力受信機システム1004との間のインターオペラビリティを向上させ、一方、ワイヤレス電力伝達プロセスを簡略化するうえで助けになり得る。
決定ブロック1015は、電流-要求信号IbaseInおよび上界信号IbaseBoundを入力として受信し、制限された電流-要求信号IbaseIn*を出力として生成するように構成されてもよい。たとえば、図示の実施形態では、決定ブロック1015は、電流-要求信号IbaseInを受信するように任意のBluetooth（登録商標）アンテナ1014に動作可能に結合される。図示の決定ブロック1015は、上界信号IbaseBoundを受信するように電流リミッタ1020に動作可能に結合される。図示の決定ブロック1015は、制限された電流を供給するようにベース電流コントローラ1016に動作可能に結合される。
動作時には、決定ブロック1015は、電流-要求信号IbaseInおよび上界信号IbaseBoundInに基づいて制限された電流-要求信号IbaseIn*を生成するように構成されてもよい。一実施形態では、決定ブロック1015は、電流-要求信号IbaseInが上界信号IbaseBound未満である場合、制限された電流-要求信号IbaseIn*を電流-要求信号IbaseInに実質的に等しい信号として出力し、電流-要求信号IbaseInが上界信号IbaseBound以上である場合、制限された電流-要求信号IbaseIn*を上界信号IbaseBoundに実質的に等しい信号として出力するように構成されてもよい。
ベース電流コントローラ1016は、送信アンテナ電流Ibaseの測定値ybaseおよび電流-要求信号IbaseIn(代替的に、制限された電流-要求信号IbaseIn*)を受信するように構成され、ベースパッド1012によって生成されるワイヤレス場の電力レベルを調整するために位相制御信号θを生成するようにさらに構成されてもよい。図示の実施形態では、ベース電流コントローラ1016は、ベースパッド1012、任意のBluetooth（登録商標）アンテナ1014、決定ブロック1015、BCUインバータ、およびDCバスコントローラ1018に動作可能に結合される。ベース電流コントローラ1016は、測定値信号ybaseおよび制限された電流-要求信号IbaseIn*に基づいて位相制御信号θを生成する。いくつかの実施形態では、制限された電流-要求信号IbaseIn*はおおよそ、たとえば電流リミッタ1020によって生成される上界信号IbaseBoundよりも小さい電流-要求信号IbaseInのバージョンに対応する。ベース電流コントローラ1016について図13に関連してさらに詳しく説明する。
DCバスコントローラ1018は、位相制御信号θおよび基準位相θRを入力として受信するように構成され、命令されたバイアス信号VDC,CMDを出力として生成するようにさらに構成される。図示の実施形態では、DCバスコントローラ1018は、命令されたバイアス信号VDC,CMDをBCU PFCブロック1008に供給してもよく、ベース電流コントローラ1016から位相制御信号θを受信してもよい。DCバスコントローラ1018は、位相制御信号θと基準位相との比較に基づいて命令されたバイアス信号VDC,CMDを生成してもよい。DCバスコントローラ1018について図14に関連してさらに詳しく説明する。
電流リミッタ1020は、AC基準信号AC RefおよびBCU PFCブロック1008に供給される電力電流Iacの測定値yacを受信するように構成されてもよい。電流リミッタ1020は、AC基準信号と測定値信号yacとの比較に基づいて上界信号IbaseBoundを生成するようにさらに構成されてもよい。AC基準信号AC Refは、バイアスを加えるべき(たとえば、優先すべき)電力電流を表す外因性信号であってもよい。電流リミッタ1020について図15を参照して以下により詳細に説明する。
次に、図10の電力受信機システム1004を参照すると、車両パッドは、ベースパッド1012によって生成されるワイヤレス場に結合するように構成され、ワイヤレス場に基づいて電流Isecondaryを生成するように構成されてもよい。二次パッド1022は、たとえば、図1の電気車両誘導コイル116に対応してもよい。電流Isecondaryは、出力電流IOUTを生成するように同調/整流器1024ブロックおよび出力フィルタ1026ブロックに供給されてもよい。同調/整流器1024ブロックは、ベースパッド1012と二次パッド1022との間の結合を変化させるために二次パッド1022におけるインピーダンスを変化させるように構成された回路を含んでもよい。同調/整流器1024ブロックは、電流Isecondaryを変換しならびに/あるいは調整するように構成された回路を含んでもよい。出力フィルタ1026は、整流された電流Isecondaryをフィルタリングしてホストデバイス1028を充電しならびに/あるいはホストデバイス1028に電力を供給するのに適した信号を得るための回路を含んでもよい。
ホストデバイス1028は、ホストデバイス1028を充電するかまたはホストデバイス1028に電力を供給するための出力電流を受け取るように構成されてもよい。ホストデバイス1028の変形例には、電気車両および/または消費者電子デバイスが含まれる。ホストデバイス1028は、電力受信機システム1004の他の構成要素に、最大電流、最高電圧、最大電力、および同様の特性などの様々な充電パラメータを供給してもよい。図示の実施形態では、ホストデバイス1028はそれらのパラメータを充電曲線制御ブロック1030に供給する。
充電曲線制御ブロック1030は、基準出力電流IoutInを生成するように構成されてもよい。基準出力電流IoutInは、出力フィルタ1026のバイアスレベルVSC,DCならびに最大許容電流、電圧、電力などのホストデバイス1028の様々なパラメータに基づいて効果的なワイヤレス電力伝達を実現する所望の出力電流に対応してもよい。基準出力電流IoutInは、効率要件に基づいて選択されてもよい。たとえば、出力フィルタ1026のバイアスレベルVSC,DCが与えられた場合、電力伝送の効率ならびに電圧レベルおよび/または電力レベルなどの二次要件を改善する出力電流Ioutが選択されてもよい。たとえば出力電圧、出力電力などの出力の動作パラメータを電流の効果的な使用に適合する所定の範囲内に維持すると、電力伝達効果および/または効率を向上させることができる。たとえば、電力受信機の出力を使用してバッテリーを充電するときは、バッテリーの効果的な充電に対応する「バッテリー充電曲線」に整合する動作パラメータが選択されてもよい。
二次電流コントローラ1032は、基準出力電流IoutInおよび出力電流Ioutの測定値youtを受け取るように構成されてもよく、電流-要求信号IbaseInを生成するように構成されてもよい。たとえば、電流-要求信号IbaseInは、電力受信機システム1004が電力伝達システムにベースパッド1012を導通させるよう命令している電流の正規化レベルまたは相対レベルに対応してもよい。上述のように、正規化された相対レベルは最大送信アンテナ電流Ibaseなどの所定の値に対するレベルであってもよい。一実施形態では、二次電流コントローラ1032は、出力電流を基準出力電流IoutInの方へドライブするように電流-要求信号IbaseInを調整するように構成されてもよい。二次電流コントローラ1032は、電流-要求信号IbaseInを電力送信機システム1002に送信するために電流-要求信号IbaseInを通信アンテナ(たとえば、Bluetooth（登録商標）アンテナ1036)に供給するように構成されてもよい。二次電流コントローラ1032について図11に関連してさらに詳しく説明する。
二次構成コントローラ1034は、基準出力電流IoutIn、二次パッド1022電流Isecondaryの推定値
Figure 0006427578
(たとえば、数式による二次コイルの短絡回路電流の推定値)、および送信アンテナ電流Ibaseの測定値ybaseを受け取るように構成されてもよい。一実施形態では、推定値
Figure 0006427578
は、図6および図7に関して上記に説明した短絡回路電流I2scに対応してもよい。二次構成コントローラ1034は、二次コイルの開電圧
Figure 0006427578
の推定値を、推定値
Figure 0006427578
に加えてまたはその代わりに受け取ることができることが諒解されよう。
二次構成コントローラ1034は、構成制御信号Dsを少なくとも受信された入力信号に基づく出力として生成するようにさらに構成されてもよい。構成制御信号Dsを使用して同調/整流器ブロック、出力フィルタ1026、および/または二次パッド1022の様々なパラメータを調整してもよい。非限定的な例の場合、二次構成コントローラ1034は、コイル比、アクティブコイルの数、および/または電力受信機システム1004の二次パッド1022から引き込まれる電流を調整してもよい。二次構成コントローラ1034について図12に関連してさらに詳しく説明する。
図11は、例示的な実装形態による、図10の電力受信機システム1004の二次電流コントローラ1032の状態図である。図示の二次電流コントローラ1032は、任意のランプ速度コントローラ1102と、第1および第2の加算接合器1104、1106と、比例ゲイン1110と、積分ゲイン1112とを備える。任意のランプ速度コントローラ1102は、基準出力電流IoutInの変化率を制限または固定するように構成されてもよい。変化率を制限すると、積分ワインドアップおよび基準出力電流IoutInの急速な変化に起因する積分ゲイン項の急速な増大によって生じる発振を防止または抑制するうえで助けになり得る。変化率を制限すると、場合によっては不安定を生じさせることがある電流-要求信号IbaseInの高周波数成分を低減させるうえでも助けになり得る。たとえば、システムの時間遅延は、二次電流コントローラが時間遅延に対して高周波数で(たとえば、約1/τHzを超える周波数。ここでτは秒単位の時間遅延を表す)ベース電流Ibaseを駆動する場合、発振または場合によっては不安定を生じさせることがある。基準出力電流IoutInを制限する率は、二次電流コントローラ1032の全体的な帯域幅を制限することができる。したがって、任意のランプ速度コントローラ1102はロバストネスおよび安定性を向上させることができる
基準出力電流IoutInまたは場合によってはランプ速度コントローラ1102の出力が第1の加算接合器1104によって測定値信号youtと比較され、エラー信号eが生成されてもよい。電流-要求信号IbaseInは、エラー信号eに比例する項とエラー信号eの積分に比例する項を組み合わせることによって生成される。エラー信号eに比例する項は、応答の速度を向上させることができる二次電流コントローラ1032の帯域幅を改善することができる。エラー信号eの積分に比例する項の「積分作用」は、定常状態エラーを低減させ、電力送信機システム1002における未知の電流レベルを補償するうえで助けになり得る。
一実施形態では、二次電流コントローラ1032は帯域幅が約250Hzである。応答速度、通信遅延に対するロバストネス、他の非最小位相動力学特性、およびモデルの不確かさなど、特定の適用要件に基づいて他の帯域幅が選択されてもよい。たとえば、一実施形態では、二次電流コントローラ1032は帯域幅(ヘルツ単位)が約1/τ未満であり、ここで、τは、電流-要求信号Ibaseinの伝送および電力送信機システム1002が電流-要求信号IbaseInに応答して措置をとることに関連する時間遅延(秒単位)を表す。別の実施形態では、二次電流コントローラ1032は帯域幅が約1/(2τ)未満である。別の実施形態では、二次電流コントローラ1032は帯域幅が約1/(16τ)未満である。約1/(16τ)未満の帯域幅を選択すると、約45°を超える位相マージンを得ることができる。
図12は、例示的な実装形態による、図10の電力受信機システム1004の二次構成コントローラ1034の状態図を示す。図12のいくつかの要素は、本明細書において使用する「理想的な」または「好ましい」という用語を使用して示されているが、「理想的な」または「好ましい」という用語は、「理想的な」または「好ましい」要素がIPTシステムの満足いく動作を実現する多数の要素のうちの1つであるが、「理想的な」または「好ましい」要素における動作がある点で他のいくつかの要素よりも優れていることを意味する。図12における「理想的な」および「好ましい」という用語を使用しても、IPTシステムまたは電力受信機の動作が選択された要素によって必然的に最適化または最大化されることを意味せず、いくつかの実施形態では、要素は、IPTシステムまたは電力受信機システムの(たとえば、バッテリーを充電する)ハイレベルな動作、最適化された動作、または最大化された動作を実現するように選択されてもよい。
二次構成コントローラ1034は、決定ブロック1202と状態推定器1206と安定性推定器1208とを含む。二次構成コントローラ1034は、決定ブロック1202を使用して、推定された二次電流
Figure 0006427578
を送信アンテナ電流Ibaseの測定値ybaseで除して推定結合係数κを生成するように構成されてもよい。状態推定器1206は、推定結合係数κ、基準出力電流IoutIn、および好ましいベースパッド電流Ibaseを示す信号Ibase*を入力として受信し、好ましい構成信号Ds*を出力として生成するように構成されてもよい。一実施形態では、信号Ibase*は、たとえば、初期設定時および/または電力伝達時に電力送信機システム1002によって生成されてもよい。しかし、信号Ibase*が、メモリデバイス(図示せず)などの電力受信機システム1004の構成要素を含む適用可能な生成源によって生成されてもよいことが諒解されよう。一態様では、電力受信機システム1004は、実現可能であれば、電流-要求信号IbaseInの生成および構成制御信号Dsの生成をおおよそ好ましいベースパッド電流Ibase*であるベースパッド電流Ibaseが実現される方にバイアスする。しかし、電力送信機システム1002における制約に起因して、電流Ibase*が常に実現されるとは限らない。たとえば、電力送信機システム1002の電流リミッタブロック1020は、ベースパッド電流Ibaseが特定の限界を超えるのを抑制することがある。
上述のように、状態推定器1206は、好ましい構成信号Ds*を生成するように構成される。信号Ds*を使用して二次パッド1022の1つまたは複数のパラメータおよび/またはベースパッド1012と二次パッド1022との間の結合の特性のうちの好ましい選択肢を示してもよい。たとえば、信号Ds*は、アクティブ化/非アクティブ化すべき二次パッド1022のコイルの好ましい数、充電パッド1022から引き抜くべき電流の量、およびワイヤレス電力伝達の性能に関する同様の特性に対応してもよい。これらの特性は、電力送信機システム1002におけるローディングに影響を与えることがあり、したがって、電力送信機1002の効率に影響を及ぼすことがある。好ましい構成信号Ds*パラメータは、少なくとも基準出力電流IoutIn、推定結合係数κ、および好ましいベース電流Ibase*に基づいて選択されてもよい。
安定性推定器1208は、好ましい構成信号Ds*および測定値信号ybaseを入力として受信し、構成信号Dsを出力として生成してワイヤレス電力受信機1004の動作を調整するように構成される。したがって、構成信号Dsは、少なくとも部分的に測定値信号ybaseに基づいて受信アンテナと送信アンテナとの間の結合の特性(たとえば、結合効率、送信機1002において見られる負荷など)を調整してもよい。構成信号Dsは、以下に詳しく説明するように、少なくとも部分的に電流-要求信号IbaseInとベースパッド測定値信号ybaseとの比較に基づいて電力送信機1002の効率を調整してもよい。
状態推定器1206および安定性推定器1208は、電力受信機システム1004の動作点を調節して(たとえば、好ましいベース電流Ibase*にほぼ等しいベース電流Ibaseを要求することによって)効率的な動作を実現し、一方、ワイヤレス電力送信機および受信機システム1002、1004の動作を保護するように構成されてもよい。たとえば、測定値ybaseが電流要求IbaseInに一致しない場合またはベースパッド電流IbaseがIbaseInを実現することができないと推定される場合、安定性推定器1208は、二次構成コントローラ1034が場合によっては電力送信機システム1002を過負荷状態にするかまたは損傷するように電力受信機システム1004の動作点を変更するのを妨げてもよい。
二次電流コントローラ1032および/または二次構成コントローラ1034は、少なくとも部分的に電流-要求信号IbaseInとベースパッド測定値信号ybaseとの比較に基づいて電力送信機1002の効率を調整するように構成されてもよい。一実施形態では、(たとえば、ybaseによって示される)推定または要求される電流Ibaseが最大値に近い場合、安定性推定器1208は、アクティブ化されるコイルの数を増やしならびに/あるいはコイルによって生成される電流Isecondaryの割合を大きくすることによって受信機1004が生成することのできる出力電流Ioutの量を増大させることを試みる。安定性推定器1208は、ベース電流Ibaseがあるレベルよりも小さい場合、たとえば、コイルをオフにするかまたはコイルから引き抜かれる電流の量を低減させることによってベースパッド1012と二次パッド1022との間の結合を低減させるように構成される。測定値ybaseが、ベースパッド電流Ibaseがおおよそ好ましい電流Ibase*であることを示し、状態推定器1206がより好ましい構成を判定しない場合、安定性推定器1208は構成信号Dsを調整しない。
電力送信機システム1002が電力を低減させる場合、電力受信機システム1004は安定性を維持すべきである。その理由は、その場合、送信機1002はベースパッド電流Ibaseを増大させるべきではなく、かつ電流Ibaseが、要求された電流よりも小さく、かつ理想的なベース電流Ibase*よりも小さい電流であるべきであるので、電力受信機システム1004は結合を増強させるべきではないからである。
一実施形態では、構成制御信号Dsは、現在の好ましいベース電流Ibase*およびいくつかの異なる構成状態Dsに関する現在の推定結合係数κによって生じる出力電流Ioutの数を推定することによって生成されてもよい。したがって、構成は、基準電流IoutInに最も近い推定出力電流Ioutを生成する構成を選択することによって選択されてもよい。一実施形態では、ルックアップテーブルを使用して、少なくとも好ましいベース電流Ibase*および推定結合係数κに基づいて構成信号Dsを選択してもよい。
図13は、例示的な実装形態による、図10の電力送信機システム1002のベース電流コントローラ1016の状態図である。図示のベース電流コントローラ1016は、第1および第2の加算接合器1302、1304と、比例ゲイン1306と、積分ゲイン1308とを備える。電流-要求信号IbaseInは、第1の加算接合器1302を使用することによって測定値信号ybaseと比較される。第1の加算接合器1302はエラー信号ebase(t)を生成する。位相制御信号θは、エラー信号に比例する項とエラー信号の積分に比例する項を組み合わせることによって生成される。たとえば、比例ゲイン1306は、エラー信号ebase(t)を入力として受け取り、エラーに比例する項を出力として生成する。積分ゲイン1308は、エラー信号ebase(t)を入力として受け取り、エラー信号の積分に比例する項を生成する。2つの項は、第2の加算接合器1304によって組み合わされてもよい。エラー信号に比例する項は、ベース電流コントローラ1016の帯域幅を向上させて応答の速度を改善することができる。エラー信号の積分に比例する項は、定常状態エラーを低減させるうえで助けになり得る。
一実施形態では、ベース電流コントローラ1016は帯域幅が約250Hzである。応答速度、通信遅延に対するロバストネス、他の非最小位相動力学特性、モデルの不確かさ、電力受信機システム1004との時間スケール分離など、特定の適用要件に基づいて他の帯域幅が選択されてもよい。たとえば、一実施形態では、ベース電流コントローラ1016は、帯域幅がおおよそ二次電流コントローラ1032の帯域幅よりも大きい。別の実施形態では、ベース電流コントローラ1016は、帯域幅が二次電流コントローラ1032の帯域幅の約2倍である。別の実施形態では、ベース電流コントローラ1016は、帯域幅が二次電流コントローラ1032の帯域幅の約10倍である。
図14は、例示的な実装形態による、図10の電力送信機システム1002のDCバスコントローラ1018の状態図を示す。図示のDCバスコントローラ1018は、加算接合器1402と積分ゲイン1404とを備える。DCバスコントローラ1018は、加算接合器1402を使用して位相制御信号θと基準位相信号θRを比較するように構成される。基準位相制御信号θRは、BCUインバータ1010の他の位相角に勝る利益(効率など)を実現するBCUインバータ1010の位相に対応してもよい。一実施形態では、基準位相信号θRは約130°である。積分ゲイン1404は、バイアスVDCをエラー信号ephaseの積分の比例ゲインに基づいて生成するように構成される。DCバス制御信号VDCは、BCUインバータ1010を直接バイアスするかまたはBCUインバータ1010のバイアスを制御するためにBCUインバータ1010に供給される。エラー信号の積分に比例する項は、位相制御信号θと基準位相信号θRとの間の定常状態エラーを低減させ、デューティサイクルが損傷条件に達するのを防止するうえで助けになり得る。一実施形態では、DCバスコントローラ1018は帯域幅が約20Hzである。ベース電流コントローラ1016との時間スケール分離などの特定の適用要件ならびに安定性およびロバストネス要件に基づいて他の帯域幅が選択されてもよい。たとえば、DCバスコントローラ1018は、帯域幅がおおよそベース電流コントローラ1016の帯域幅を10で除した値よりも小さくてもよい。追加または代替として、DCバスコントローラ1018は、帯域幅がおおよそ二次電流コントローラ1032の帯域幅よりも大きくてもよい。
図15は、例示的な実装形態による、図10の電力送信機システム1002の電流リミッタ1020の状態図を示す。図示の電流リミッタ1020は、第1および第2の加算接合器1502、1504と、比例ゲイン1506と、積分ゲイン1508とを備える。電流リミッタ1020は、第1の加算接合器1302を使用して測定値yacとAC基準信号AC Refを比較するように構成される。AC基準AC Ref信号は、図10のインフラストラクチャ1006から引き抜かれるべきである最大許容AC電流に関係付けられてもよい。したがって、第1の加算接合器1502はエラー信号eacを生成するように構成されてもよい。比例ゲイン1506は、エラー信号eacに比例する項を生成するように構成される。積分ゲイン1508は、エラー信号eacの積分に比例する項を生成するように構成される。第2の加算接合器1504は、比例ゲインおよび積分ゲインに基づいて、この2つの項を組み合わせて上界信号IbaseBoundを生成するように構成される。上界信号IbaseBoundは、電流-要求信号IbaseInに応答して生成する電流によるアンテナに対する過応力によって生じる損傷から図10のベースパッド1012を保護するうえで助けになり得る。
図16は、例示的な実装形態による、ワイヤレス電力を受け取って負荷を充電するための方法1600のフローチャートを示す。方法1600はブロック1602において開始し、電力送信機の送信アンテナによって生成されたワイヤレス場に受信アンテナを結合してもよい。たとえば、受信アンテナは、図10の電力受信機システム1004の二次パッド1022の受信アンテナに対応してもよい。さらに、ワイヤレス場は、たとえば図10のベースパッド1012によって生成されてもよい。受信アンテナをワイヤレス場に結合した後、方法1600はブロック1604に進み、ワイヤレス場との結合に基づいて出力電流を生成してもよい。たとえば、図10に示すように、出力電流は、二次パッド1022ならびに同調/整流器1024および出力フィルタ1026によって生成され、出力電流Ioutが生成されてもよい。
受信アンテナをワイヤレス場に結合する前、結合する間、または結合した後に、方法1600はブロック1606に進み、送信アンテナに関する目標電流を示す第1の信号を電力送信機に送信してもよい。たとえば、第1の信号は、電力送信機が正規化された電流をベースパッドを導通させるための要求に対応してもよい。図10の実施形態では、電力受信機システム1004は、電流-要求信号IbaseInをBluetooth（登録商標）アンテナ1036を介して送信するように構成されてもよい。この方法は、ブロック1608に進み、出力電流を負荷に供給する。様々な実施形態の一態様では、第1の信号を使用して、ベースパッド内を流れる電流の量を調節し、次に電力受信機システムにおいて生成される出力電流の量を調節してもよい。
図17は、例示的な実装形態による、ワイヤレス電力を送って負荷を充電するための方法1700のフローチャートを示す。方法1700は、ブロック1702から開始し、可変電流を送信アンテナを導通させることによってワイヤレス場を生成してもよい。たとえば、ワイヤレス場は、たとえば図10のベースパッド1012によって生成されてもよい。可変電流は、BCUインバータ1010への位相制御信号θおよび/またはバイアスVDCを選択することによって変化させてもよい。ワイヤレス場を生成した後、方法1700は、ブロック1704に進み、ワイヤレス場に結合されワイヤレス場との結合に基づいて出力電流を生成する受信アンテナを有する装置をワイヤレスに充電してもよい。たとえば、受信アンテナは、図10の二次パッド1022の受信アンテナに対応してもよい。受信アンテナをワイヤレス場に結合する前、結合する間、または結合した後に、方法1700はブロック1706に進み、装置から第1の信号を受信してもよい。たとえば、第1の信号は、電力送信機が正規化された電流をベースパッドを導通させるための要求に対応してもよい。図10の実施形態では、電力送信機システム1002は、電流-要求信号IbaseInをBluetooth（登録商標）アンテナ1014を介して受信するように構成されてもよい。第1の信号を受信した後、この方法は、ブロック1708に進み、第1の信号に基づいて可変電流を調整してもよく、その場合、第1の信号は送信アンテナに関する正規化された電流を示す。
上記で説明した方法の様々な動作は、様々なハードウェア構成要素および/もしくはソフトウェア構成要素、回路、ならびに/またはモジュールなどの、その動作を実行することが可能な任意の適切な手段によって実行され得る。一般に、図に示す任意の動作は、その動作を実行することが可能な対応する機能的手段によって実行され得る。たとえば、負荷に電流を供給し、かつ電力送信機にワイヤレスに動作可能に結合されるように構成された電力受信機は、ワイヤレス場に結合され、ワイヤレス場との結合に基づいて出力電流を生成するための手段(たとえば、二次パッド1022および場合によっては図10の同調/整流器1024または出力フィルタ1026のうちの1つまたは複数)を備えてもよい。電力受信機は、送信アンテナの目標電流を示す第1の信号を生成して電力受信機に送信するための手段(たとえば、二次電流コントローラおよび場合によっては充電曲線制御ブロック1030またはBluetooth（登録商標）アンテナ1036などの通信アンテナのうちの1つまたは複数)をさらに備えてもよい。別の例では、ワイヤレス場を生成しワイヤレス場に結合された装置を充電するように構成された電力送信機は、可変電流を送信アンテナを導通させることによってワイヤレス場を生成するための手段(たとえば、ベースパッド1012および場合によっては図10のインフラストラクチャ1006またはBCUインバータ1010のうちの1つまたは複数)を備えてもよい。電力送信機は、第1の信号を受信し、第1の信号に基づいて可変電流を調整するための手段をさらに備えてもよく、その場合、第1の信号は正規化された電流を示す(たとえば、ベース電流コントローラ1016および場合によってはBluetooth（登録商標）アンテナ1036などの通信アンテナ、決定ブロック1015、ベース電流コントローラ1016、DCバスコントローラ1018、または電流リミッタ1020のうちの1つまたは複数)。
上記で説明した方法の様々な動作は、様々なハードウェア構成要素および/もしくはソフトウェア構成要素、回路、ならびに/またはモジュールなどの、その動作を実行することが可能な任意の適切な手段によって実行され得る。一般に、図に示す任意の動作は、その動作を実行することが可能な対応する機能的手段によって実行され得る。
様々な異なる技術および技法のうちのいずれかを使用して、情報および信号が表され得る。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、磁場もしくは磁性粒子、光学場もしくは光学粒子、またはそれらの任意の組合せによって表され得る。
本明細書において開示される実装形態に関して説明された種々の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、または両方の組合せとして実装することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、これまで概してそれらの機能に関して説明されてきた。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、特定の応用形態および全体的なシステムに課される設計上の制約による。説明された機能は特定の応用形態ごとに様々な方法で実装される場合があるが、そのような実装形態の決定は、本発明の実装形態の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
本明細書において開示される実装形態に関して説明された種々の例示的なブロック、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ロジック、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書において説明され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を用いて、実装または実行することができる。汎用プロセッサを、マイクロプロセッサとする場合があるが、代替案では、プロセッサを、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、またはステートマシンとする場合がある。プロセッサは、たとえばDSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連結した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など、コンピューティングデバイスの組合せとしても実装され得る。
本明細書において開示される実装形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムのステップおよび機能は、そのままハードウェアにおいて、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において、またはその2つの組合せにおいて具現化することができる。ソフトウェアにおいて実装される場合、それらの機能は、1つもしくは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、あるいは非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信される場合がある。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)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD ROM、または、当技術分野で既知である任意の他の形態の記憶媒体中に存在し得る。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、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る。代替案では、記憶媒体は、プロセッサに一体とされてもよい。ディスク(diskおよびdisc)は、本明細書において使用されるときに、コンパクトディスク(disc)(「CD」)、レーザディスク(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(「DVD」)、フロッピー（登録商標）ディスク(disk)およびブルーレイディスク(disc)を含み、diskは通常、データを磁気的に再生し、一方、discは、レーザを用いてデータを光学的に再生する。上記のものの組合せもまた、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内に存在し得る。ASICは、ユーザ端末内に存在してもよい。代替で、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内の個別の構成要素として存在してもよい。
本開示の概要を示すために、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴が本明細書に説明されている。そのような利点の必ずしもすべてが、本発明の任意の特定の実装形態に従って達成されるとは限ら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、本明細書において教示または示唆される場合があるような、他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示される1つの利点または一群の利点を達成または最適化するようにして具現化または実行される場合がある。
上記の実装形態の種々の変更形態が容易に明らかになり、本明細書において規定される一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実装形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書において示される実装形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書において開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
100 ワイヤレス電力伝達システム
102 入力電力
104 送信機
105 ワイヤレス場
108 受信機
114 送信アンテナ、送信コイル
116 電気車両誘導コイル
118 受信アンテナ、受信コイル
200 ワイヤレス電力伝達システム
204 送信機
205 ワイヤレス場
206 送信回路
208 受信機
210 受信回路
214 送信アンテナ、送信コイル
218 受信アンテナ、受信コイル
219 通信チャネル
222 発振器
223 周波数制御信号
224 ドライバ回路
226 整合回路
232 整合回路
234 整流器回路
236 バッテリー
350 送信回路または受信回路
352 アンテナ、空芯コアループアンテナ
354 キャパシタ
356 キャパシタ
358 信号
401 電気車両
404 通信送信機
408 通信送信機
401 車両
414 送信コイル
415 ベースパッド
418 受信コイル
427 通信アンテナ
437 通信アンテナ
500 ワイヤレス電力伝達システム
502 電力バックボーン
503 電気的接続
536 バッテリー
600 ワイヤレス電力伝達システム
604 受信機
605 ワイヤレス場
606 送信回路
608 受信機
610 受信回路
614 送信コイル
618 受信コイル
619 通信リンク
622 発振器
623 周波数制御信号
624 ドライバ回路
625 センサー回路
626 整合回路、フィルタ/整合ネットワーク
628 コントローラ回路
629 通信回路
630 スイッチング回路
632 整合回路
634 整流器回路
635 センサー回路
636 バッテリー
638 コントローラ回路
639 通信回路
643 整流器回路
650 ユーザインターフェース
731 スイッチ
732 スイッチ
812 決定ブロック
1000 ワイヤレス電力伝達システム
1002 電力送信機システム
1004 電力受信機システム
1006 インフラストラクチャ
1010 BCUインバータ
1012 ベースパッド
1014 Bluetooth（登録商標）アンテナ
1015 決定ブロック
1016 ベース電流コントローラ
1018 DCバスコントローラ
1020 電流リミッタ
1022 二次パッド、充電パッド
1024 同調/整流器
1026 出力フィルタ
1028 ホストデバイス
1030 充電曲線制御ブロック
1032 二次電流コントローラ
1034 二次構成コントローラ
1036 Bluetooth（登録商標）アンテナ
1102 ランプ速度コントローラ
1104 第1の加算接合器
1106 第2の加算接合器
1110 比例ゲイン
1112 積分ゲイン
1202 決定ブロック
1206 状態推定器
1208 安定性推定器
1302 第1の加算接合器
1304 第2の加算接合器
1306 比例ゲイン
1308 積分ゲイン
1402 加算接合器
1404 積分ゲイン
1502 第1の加算接合器
1504 第2の加算接合器
1506 比例ゲイン
1508 積分ゲイン

Claims (15)

  1. 送信コイルを有する充電送信機からワイヤレスに充電電力を受け取るための装置であって、
    受信コイルおよび負荷に結合され、前記充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信するように構成された受信機通信回路と、
    前記受信コイルに関連する短絡回路電流(I2SC)または開路電圧(VOC)の値を測定するように構成されたセンサー回路と、
    コントローラであって、
    前記短絡回路電流または前記開路電圧の前記値をしきい値充電パラメータと比較し、前記しきい値は前記負荷を充電するのに十分な充電電力を供給するレベルに設定され、
    前記受信コイルに関連する前記短絡回路電流または前記開路電圧が前記しきい値充電パラメータ以上であるときに前記充電送信機から前記充電電力を受け取るのを開始するように構成されたコントローラとを備える装置。
  2. 前記しきい値充電パラメータは、充電電流および充電電圧の少なくとも一方を含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記しきい値充電パラメータは、充電電流の値に最大送信コイル電流の値を乗じ、送信コイル電流の値で除した値を含む、請求項1に記載の装置。
  4. 前記センサー回路は、前記送信コイルを通過する送信コイル電流によって誘起される前記短絡回路電流または前記開路電圧の前記値を測定するように構成され、前記送信コイル電流は、最大送信コイル電流の値よりも小さい値を有する、請求項1に記載の装置。
  5. 前記情報は、前記充電送信機の送信コイル電流の値を含む、請求項1に記載の装置。
  6. 前記情報は、最大送信コイル電流の値と前記送信コイル電流の前記値の比をさらに含む、請求項5に記載の装置。
  7. 前記コントローラは、前記送信コイル電流の前記値および前記受信コイルの前記短絡回路電流または前記開路電圧の前記値に基づいて前記送信コイルと前記受信コイルとの間の結合係数を求めるようにさらに構成される、請求項5に記載の装置。
  8. 前記受信機通信回路は、前記コントローラが、前記受信コイルに関連する前記短絡回路電流または前記開路電圧が前記しきい値充電パラメータよりも小さいと判定したときに充電を開始しないための指示を送信するようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  9. 前記受信コイルを短絡させるかまたは前記受信コイルを開路させるように構成されたスイッチング回路をさらに備える、請求項1に記載の装置。
  10. 前記コントローラは、前記受信コイルに関連する前記短絡回路電流または前記開路電圧が前記しきい値充電パラメータ以上である幾何学的領域としての動作ゾーンを判定するようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  11. 前記コントローラは、前記受信コイルに関連する前記短絡回路電流または前記開路電圧が前記しきい値充電パラメータ以上であるときに前記受信コイルと前記充電送信機との間の適合性の表示をユーザインターフェースに供給するようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  12. 充電電力をワイヤレスに受信する方法であって、
    充電送信機の少なくとも1つの特性に関連する情報を受信するステップと、
    受信コイルに関連する短絡回路電流または開路電圧の値を測定するステップと、
    前記短絡回路電流または前記開路電圧の前記値をしきい値充電パラメータと比較するステップであって、前記しきい値は負荷を充電するのに十分な充電電力を供給するレベルに設定されるステップと、
    前記受信コイルに関連する前記短絡回路電流または前記開路電圧が前記しきい値充電パラメータ以上であるときに前記充電送信機から前記充電電力を受け取るのを開始するステップとを含む方法。
  13. 前記しきい値充電パラメータは、充電電流および充電電圧の少なくとも一方を含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記しきい値充電パラメータは、充電電流の値に最大送信コイル電流の値を乗じ、送信コイル電流の値で除した値を含む、請求項12に記載の方法。
  15. 前記短絡回路電流または前記開路電圧は、送信コイルを通過する送信コイル電流によって誘起され、前記送信コイル電流は、最大送信コイル電流の値よりも小さい値を有する、請求項12に記載の方法。
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