JP6764649B2 - 個々の位相の制御が行われる多相誘導電力伝達システム - Google Patents

Description

本発明は、単方向誘導電力伝達（ＩＰＴ）と双方向誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムとの両方に関し、特に、一次系および二次系側の一方または両方に多相巻線を有するＩＰＴシステムに関する。

現在、消費者のニーズは、コストのみならず、安全性、信頼性、利便性、効率性、および最先端の技術にさらに目が向けられている。その結果、種々の用途のそのような特性を満たすために、多くの新たな技術が実装されている。その理想的な例としてグリーン製品およびエレクトロニクスを挙げることができ、それらは、二酸化炭素排出、化石燃料の過度の使用、および関連する環境汚染などの弊害を削減するように意図される。

非常に短い期間内に、多くのグリーンエネルギー規制が導入されており、効率的、費用効果的、および信頼できるグリーン技術を求めて、グリーンエネルギー関連の研究開発に、世界的に数十億ドルが投資されてきた。それらのグリーンエネルギー技術の中で、再生可能エネルギー源を使用した分散型エネルギー発生（ＤＧ）が、エネルギー要件を満たすとともに、二酸化炭素排出を最小化するための最良の解決策の一つと考えられる。しかしながら、特に、風力および太陽光発電に基づく単位でのＤＧシステムの最適かつ効率的な使用は、それらのエネルギー生産の確率的性質によって大きく影響される。結果として、そのような変動を軽減し、最も効率的な方法で要求を満たすために大規模かつ高価な蓄電システムが必要とされる。自動車が、「生活および移動」の両方において現在、不可欠な要素となっているにつれて、費用効率的な代替的蓄電システムとして、電気自動車を使用して、エネルギーを蓄積し、送電網に供給するビークルツーグリッド（Ｖ２Ｇ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ ｇｒｉｄ）コンセプトのニーズが一層高まっている。

従来、ＥＶは、電力系統と自動車との間の有線接続によって充電されている。しかしながら、無接点誘導電力伝達（ＩＰＴ）技術の近年の進歩によって、ＥＶの無接点充電が経済的に可能な選択肢となった。ＥＶの無接点充電は、有線の充電と比較して依然として高価であるが、信頼性、安全性および利便性に関して優れた効果を発揮する。したがって、電気自動車の無接点充電は、ＥＶを充電する効果的かつ効率的な手段として一般的となっている。

特許文献１（国際公開第２０１０／０６２１９８号）に開示されたシステムなどの既存の単相双方向および単方向ＩＰＴシステムは、１つのＩＰＴ一次系電源を使用して、複数のＥＶを充放電するのに用いるができる。しかしながら、そのような従来技術のシステムは、直列に接続され、１つの一次系供給装置によって給電され、複数のＥＶのピックアップパッド（巻線／コイル）に磁気的に結合された、個々の一次系（充電）パッド／巻線／コイル／カプラを励起して、必要に応じてＥＶを選択的に充放電することができない。各ＥＶに対し、一次系給電装置と、ピックアップパッドに磁気的に結合された一次系充電パッドとを備える、専用ＩＰＴシステムを使用することによって、ＥＶの選択的な充電を達成することができるが、これは、複数のシステムが複数のＥＶを充電することを要求されるにつれて高価となる。一方で、対応するＥＶが充放電されることになるときのみ、各一次系パッドが励起されるので、１つのＩＰＴ一次系給電装置を使用した、複数のＥＶの選択的な充電／放電の能力は、費用効果的であり、効率性、信頼性および安全性を改善する。この能力から利益を得る用途は、ＥＶに対する公共エリアに位置する充電ベイおよび走行中のＥＶの動的な充電／放電を含む。

あるいは、ＥＶの無線での充電における効率性、およびそれの負荷は、多相ＩＰＴシステムを採用することによって改善されることがある。しかしながら、既存の三相ＩＰＴシステムは一般的に、三相一次系システムであるも、１つのパッドを有する単相ピックアップシステムのみを利用し、ならびに／または、限られた（存在する場合）あるいは次善の制御、柔軟性、多用途性、および全体的な効率性の１以上の欠点がある。

国際公開第２０１０／０６２１９８号

本発明の目的は、従来技術の１以上の欠点を少なくとも改善する、または有用な代替案を公衆に少なくとも提供することにある。

第１の態様においては、本発明は概して、多相誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムにあるということができ、当該ＩＰＴシステムは、
複数の一次系コンダクタを備え、該一次系コンダクタがそれぞれ独立して、誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信するように選択的に動作可能である、一次系給電装置と、
１以上のピックアップコンダクタを備え、該１以上のピックアップコンダクタのそれぞれは独立して、一次系給電装置と、それぞれのピックアップと結合されるかまたは結合可能である負荷との間の電力伝達を制御するように、一次系コンダクタと磁気的に結合するように選択的に動作可能である、少なくとも１つのピックアップと
を備える。

好ましくは、複数の一次系コンダクタの任意の１以上は、必要に応じて磁場を提供するように選択的に動作可能である。

好ましくは、それぞれの一次系コンダクタと磁気的に結合されたピックアップによって負荷が給電されるときのみ、複数の一次系コンダクタの各々が動作する。

好ましくは、一次系コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎは一次系コンダクタの数である。

あるいは、一次系コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎは作動中の一次系コンダクタの数である。

好ましくは、一次系コンダクタのそれぞれは独立して、一次系コンダクタのそれぞれにおける交流電流を制御するように、電源に選択的に結合される。

好ましくは、一次系給電装置はさらに、各々が、少なくとも１つの一次系コンダクタに電源を選択的に結合する複数のスイッチペアを備え、それによって、各一次系コンダクタは、スイッチペアのペアによって電源に結合され、一次系コンダクタの各々における交流電流を制御するように、スイッチペアが独立して制御される。

好ましくは、一次系コンダクタの各々における交流電流が、スイッチペアのうちの該一次系コンダクタに結合されたペア間の位相角を制御することによって制御される。しかしながら、交流電流を制御する任意の他の手段が、本発明の範囲から逸脱することなく代替的に使用されてもよい。

好ましくは、システムは双方向であり、電力は、一次系給電装置から、少なくとも１つのピックアップに、またはその逆の方向に選択的に伝達されてもよい。

好ましくは、一次系コンダクタのそれぞれにおける交流電流に対して、ピックアップコンダクタにおける交流電流の位相角を制御することによって、一次系給電装置とそれぞれのピックアップとの間の電力伝達が制御される。

あるいは、一次系およびピックアップコンダクタにおけるそれぞれの交流電流の間の位相角は、±９０度で調整されてもよく、一次系および／またはピックアップコンダクタにおける交流電流の大きさを制御することによって、電源と負荷との間の電力伝達が制御される。

好ましくは、ＩＰＴシステムは、各々が、一次系給電装置から多相電力を受信するように、複数の一次系コンダクタの１つと磁気的に結合されるかまたは結合可能である、複数のピックアップコンダクタを備えるピックアップを備える。システムは代替的に、複数のそのような多相ピックアップを備えてもよい。

好ましくは、ピックアップはさらに、各々が、少なくとも１つのピックアップコンダクタに負荷を選択的に結合する、複数のスイッチペアを備え、それによって、各ピックアップコンダクタは、スイッチペアのペアによって負荷に結合され、ピックアップコンダクタの各々と負荷との間の電力伝達を制御するように、スイッチペアが独立して制御される。

好ましくは、。ピックアップコンダクタの各々と負荷との間の電力伝達が、それに結合されたスイッチペアのそれぞれのペアの間の位相角を制御することにより制御される。

好ましくは、ピックアップは、複数の一次系コンダクタの数に等しい複数のピックアップコンダクタを備える。

あるいは、ＩＰＴシステムは、各々が、複数の一次系コンダクタの任意の１つに磁気的に結合されるかまたは結合可能である、１つのピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップを備えてもよい。

好ましくは、一次系給電装置は、
複数のピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップ、および／または、
各々が、１つのピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップ
の両方に誘導的に給電するように自動的に適合する。

第２の態様では、本発明は概して、複数のコンダクタを備える多相誘導電力伝達（ＩＰＴ）コンバータにあるということができ、当該複数のコンダクタは個々に、誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信するように選択的に動作可能である。

好ましくは、コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎはコンダクタの数である。

あるいは、コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎは作動中のコンダクタの数である。

好ましくは、ＩＰＴコンバータはさらに、各々が個々に、少なくとも１つのコンダクタを電源／シンクに選択的に結合する、複数のスイッチペアを備え、各コンダクタは、スイッチペアのペアによって電源／シンクに結合され、コンダクタの各々における交流電流を制御するように、スイッチペアが独立して制御可能である。

好ましくは、コンダクタの各々における交流電流が、それに結合されたスイッチペアのそれぞれのペアの間の位相角を制御することによって制御される。

好ましくは、複数のスイッチペアは、複数のコンダクタの各々に共通のスイッチペアを備え、複数のスイッチペアの各々はさらに、複数のコンダクタの１つに結合され、共通のスイッチペアに対して、対応するコンダクタにおける電流を制御するように独立して制御される。

好ましくは、複数のスイッチペアは各々、２つのコンダクタを電源に結合し、スイッチペアは、それらの間で位相遅れでのインターリーブ方式で動作する。

好ましくは、複数のコンダクタの各々は、使用中のＩＰＴデバイスと誘導的に結合されるときのみ動作する。ＩＰＴデバイスは、ＩＰＴ給電装置またはＩＰＴピックアップを備えてもよい。

好ましくは、ＩＰＴコンバータは、３つのコンダクタおよび３つのスイッチペアを備え、コンダクタは各々、デルタまたはスター構成でともに結合される。

好ましくは、コンダクタの各々の励起を、他と独立して制御することができる。

好ましくは、コンダクタの各々における電流および／または電圧を、独立して制御することができる。

好ましくは、１以上の他のコンダクタが励起されないままでいる間に、コンダクタの１以上を励起することができる。

好ましくは、コンダクタは各々、ＬＣＬ補償回路の一部を備える。

好ましくは、複数のコンダクタの１以上は、同時に励起されてもよい。

好ましくは、同時に励起されるコンダクタの数およびその組み合わせが、使用中のＩＰＴデバイスと誘導的に結合されたピックアップコンダクタの数に基づいて選択される。

好ましくは、コンバータは、ＩＰＴ給電装置またはＩＰＴピックアップの１つを備える。

第３の態様では、本発明は概して、多相ＩＰＴ一次系電力コンバータを提供し、多相ＩＰＴ一次系電力コンバータは、
第１および第２の一次系コンダクタ手段であって、各一次系コンダクタ手段は、給電装置から励起されると、磁場を提供することが可能である、第１および第２の一次系コンダクタ手段と、
第１および第２の一次系コンダクタ手段の両方に動作可能に接続された第１のスイッチ手段と、
第１の一次系コンダクタ手段に動作可能に接続された第２のスイッチ手段と、
第２の一次系コンダクタ手段に動作可能に接続された第３のスイッチ手段と
を有し、
それによって、第１および第２の一次系コンダクタ手段は、相互に独立して励起されてもよい。

好ましくは、第１および第２のスイッチ手段の制御によって、第１の一次系コンダクタ手段が励起される。

好ましくは、第１および第３のスイッチ手段の制御によって、第２の一次系コンダクタ手段を選択的に励起することができる。

好ましくは、第１および第２の一次系コンダクタ手段を、同時に励起することができる。

好ましくは、第１および第２の一次系コンダクタ手段の１つの励起のレベルを、他と独立して制御することができる。

好ましくは、各スイッチ手段は、２つの制御スイッチ要素を備える。

好ましくは、一次系コンダクタ手段は、一次系コンダクタ巻線またはトラックを備える。

好ましくは、一次系コンダクタ手段はさらに、補償回路を含む。

好ましくは、第２のコンダクタ手段を励起しないままでいる間に、第１の一次系コンダクタ手段を励起することができる。好ましくは、第１の一次系コンダクタ手段が励起されないままでいる間に、第２の一次系コンダクタ手段が励起されてもよい。

好ましくは、第１および／または第２の一次系コンダクタ手段の各々における電流および／または電圧を、個々に制御することができる。

第４の態様では、本発明は概して、ＩＰＴシステム一次系コンバータを提供し、ＩＰＴシステム一次系コンバータは、
各々が個々に、給電装置から励起されると、磁場を提供することが可能な複数の一次系コンダクタ手段と、
選択された一次系コンダクタに動作可能に接続された複数のスイッチ手段と、
スイッチ手段を制御する制御手段と
を有し、
それによって、各スイッチ手段が、最後に励起された一次系コンダクタ手段に対して、所定の位相遅れによって動作するように、スイッチ手段が各一次系コンダクタを励起する。

好ましくは、構成は、相互に位相調整された一次系コンダクタ手段に電流を発生させる。

好ましくは、複数の一次系コンダクタ手段の間の負荷電流の均等な共有が存在する。

第５の態様では、本発明は概して、上記説明した態様のいずれか１つにおける一次系ＩＰＴコンバータと使用するための複数のピックアップ巻線を含む、ＩＰＴ二次系コンバータを提供する。

好ましくは、コンバータは、ピックアップが各ピックアップ巻線から電流を受信することを可能にするように動作するスイッチ手段を含み、それによって、各スイッチ手段は、一次系コンバータから二次系コンバータへの電力フローを制御するように、最後に励起された一次系コンダクタ手段に対して、所定の位相遅れによって動作する。

第６の態様では、本発明は概して、多相一次系および多相ピックアップを備える多相ＩＰＴシステムを構成し、一次系および／または各ピックアップは、
多相コンバータと、
多相コンバータに電気的に結合された多相導電路、コイル、またはパッド（以下、本明細書では、一次系またはピックアップ巻線と称される）と、
多相補償回路と
を有する。

好ましくは、一次系および各ピックアップは、それら自身の専用コントローラを通じて制御される。

好ましくは、ピックアップ巻線と結合された一次系巻線における電流の位相および／または大きさに対して、ピックアップコンバータによって生成された電圧の相対位相角および／または大きさを制御することによって、各々の個々のピックアップにおける電力フローを制御することができる。

好ましくは、一次系多相巻線は、多相ピックアップ巻線と磁気的に結合される。

好ましくは、制御メカニズムが、双方向または単方向電力フローを制御するように使用される。

好ましくは、位相検出手段が、一次系の多相コンバータと各ピックアップのコンバータとの間の位相関係を検出するように設けられる。

第７の態様では、本発明は概して、複数の一次系コンダクタを備える誘導電力伝達（ＩＰＴ）給電装置にあるということができ、当該一次系コンダクタは個々に、誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信するように選択的に動作可能であり、給電装置は、複数のピックアップコンダクタと、それぞれ１つのピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップとを備える１つのピックアップに、誘導的に電力を供給するように自動的に適合する。すなわち、１つのピックアップコンダクタまたは複数のピックアップコンダクタのいずれかを有するピックアップが、同一の給電装置とともに使用されてもよい。

第８の態様では、本発明は概して、複数の一次系コンダクタを備える誘導電力伝達（ＩＰＴ）給電装置にあるということができ、当該一次系コンダクタは個々に、誘導電力伝達に対する磁場を、それぞれ少なくとも１つのピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップに提供するように選択的に動作可能であり、一次系コンダクタは、位相がずれて動作し、位相の数は、使用中の一次系コンダクタと誘導的に結合された、ピックアップコンダクタの数に基づいて選択される。

好ましくは、一次系コンダクタと誘導的に結合されたピックアップコンダクタの数は、負荷を充電するのに使用されているピックアップコンダクタの数、特に電気自動車に相当する。

さらに、本発明の態様は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の１以上の実施形態が、図面を参照して説明される。

Ｖ_ｉｎをユーティリティ供給装置またはバッテリから導出することができ、Ｖ_０は、受動もしくは能動負荷またはＥＶのバッテリを表す、従来技術の単相双方向ＩＰＴシステムの図である。 図１に示したような単相双方向ＩＰＴシステムの、入力および出力電流リップルそれぞれのプロットを示す図である。 本発明の一実施形態に係る、複数の単相ピックアップＩＰＴコンバータに電力を供給するように、同期モードで動作する多相一次系ＩＰＴコンバータを示す図である。 本発明の別の実施形態に係る、複数の単相ピックアップＩＰＴコンバータに電力を供給するように、インターリーブモードで動作する多相一次系ＩＰＴコンバータを示す図である。 本発明の別の実施形態に係る、多相ピックアップＩＰＴコンバータに電力を供給する多相一次系ＩＰＴコンバータを示す図である。 本発明のさらなる別の実施形態に係る、２つの多相ピックアップＩＰＴコンバータに電力を供給する多相一次系ＩＰＴコンバータを示す図である。 本発明の別の実施形態に係る、三相双方向ＩＰＴシステムのトポロジを示す図である。 例として三相双方向ＩＰＴシステムの別のトポロジを示す図である。 図６ａの三相双方向ＩＰＴシステムのトポロジの変形例を示す図である。 図４ａの回路トポロジの分析を目的とする、単相等価回路を示す図である。 本発明での使用に適したパルス幅変調（ＰＷＭ）制御スキームを示す、個々の位相の時間に対する電圧、および位相間のライン間電圧を示す図である。 ノッチおよびパルスを導入することによって、ライン間電圧の減少を示す図である。 一次系スイッチの制御構造に対する概要の一例を示す図である。 ピックアップにおける使用のための制御構造の一例を示す図である。 ５ｋＷを出力に伝送するときの、図４ａのトポロジに対する一次系およびピックアップ線電圧、ならびに一次系トラック電流のプロットを示す図である。 ５ｋＷを出力に伝送するときの、図４ａのトポロジに対する一次系およびピックアップ線電圧、ならびに一次系トラック電流のプロットを示す図である。 一次系および二次系コイル電流の間の位相差が減少するときの、図４ａの三相トポロジに対する一次系およびピックアップ線電圧、ならびにトラック電流のプロットを示す図である。 一次系および二次系コイル電流の間の位相差が減少するときの、図４ａの三相トポロジに対する一次系およびピックアップ線電圧、ならびにトラック電流のプロットを示す図である。 一次系および二次系コイル電流の間の９０度遅れた位相差を有する、本発明の例に対する電力およびリップル電流を示す図である。 一次系および二次系コイル電流の間の９０度遅れた位相差を有する、本発明の例に対する電力およびリップル電流を示す図である。 ５ｋＷを負荷に伝送するときの、従来技術の単相システムの一次系およびピックアップ電圧を示す図である。 ５ｋＷを負荷に伝送するときの、従来技術の単相システムの一次系およびピックアップ電圧を示す図である。

本明細書は、効率的であり、かつ中〜高電力無接点電力伝達の応用における既存のシステムに対しての多くの利点を有する、新たな多相ＩＰＴコンバータを提案する。単方向または双方向電力のいずれかを伝送することができる、提案されるシステムは、個々のＥＶの選択的な充電／放電に理想的であるが、それに限定されない。

従来技術の典型的な単相双方向ＩＰＴシステムが、図１に概略的に示される。典型的な単方向ＩＰＴシステムの例として、一次系供給装置１は、二次系またはピックアップ巻線Ｌ_ｓｔに磁気的に結合された、一次系導電路またはトラックＬ_ｐｔにおいて、電源Ｖ_ｉｎからトラック電流を生成する。ピックアップ回路２の出力を、電気自動車または他の能動／受動負荷に接続することができ、能動／受動負荷は、簡潔のために、図１においてＤＣ供給装置Ｖ_ｏｕｔで表す。一次系およびピックアップ回路は、フルブリッジコンバータおよび同調されたインダクタキャパシタインダクタ（ＬＣＬ）回路を含む、同一の電子機器で仮想的に実装されて、一次系供給装置と自動車（またはピックアップ）との間の双方向電力フローを促進する。各ＬＣＬ回路は、一次系供給装置によって生成されたトラック周波数に同調され、各フルブリッジコンバータは、電力フローの方向に応じて、逆モードまたは整流モードのいずれかで同一のトラック周波数において動作する。一次系およびピックアップフルブリッジコンバータの間の電圧および位相角は、その開示が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１において説明されるように、電力フローの量および方向を判定する。

シミュレーションおよび経験的な結果とともに単相双方向ＩＰＴシステムに関する包括的な分析が、特許文献１に提示されている。５ｋＷを出力に供給するときの、５ｋＷの単相双方向ＩＰＴシステムの入力および出力電流が、図２に示される。明らかなように、このシステムの入力および出力リップル電流の両方は重要であり、双方向ＩＰＴシステムの電力スループット能力に影響を与える。高リップル電流は、システムにおける損失を著しく高め、ＥＶのバッテリ寿命の低下の一因となることがある。さらに、そのようなシステムが、別個の一次系巻線を通じて複数のＥＶに供給するのに使用されるとき、すべての一次系巻線が、一部が未使用であったとしても、同時に励起される。未使用巻線の励起は、スタンバイ損失を増大させる。加えて、そのようなシステムの一次系巻線電流は、著しく大きく、高価でかつ大きなトラックインダクタを必要とし、さらにシステムの効率性を減少させる。

代替的な解決策として、少なくとも１つの実施形態における本発明は、著しく低い入力および出力リップル電流を発生させ、複数のピックアップ（ＥＶまたは負荷）を有する中〜高電力単方向または双方向ＩＰＴの応用に非常によく適した、多相ＩＰＴシステムを提供する。提案されるシステムは、複数の一次系パッド／巻線に電気的に接続された双方向／単方向ＩＰＴ一次系コンバータの個々の一次系パッド／巻線の電流／電圧を制御する、効率的なメカニズムを含む。例としては、公衆充電ベイにおけるＥＶの充電／放電、および走行中のＥＶの動的な充電が挙げられ、それらを、１つは各一次系巻線またはＥＶに専用となる、複数のフルブリッジ一次系コンバータを使用することによって現在、唯一実現することができる。これは、多数の高電圧スイッチを必要とし、そのようなシステムのコストを著しく増加させる。さらに、提案された新たな多相ＩＰＴシステムは、一次系およびピックアップ巻線の間の改善された電磁結合と、改善された空間または横向き誤差とを有するレイアウトを可能にする。比較的高い電磁結合で、新たなシステムは、電力スループットを下げることなく、低トラック電流において動作することができ、それはさらに、全体的な効率性を改善する。

＜第１の例：複数のＩＰＴ一次系巻線を制御するシステム＞
第１の例として、図３ａおよび３ｂは、本発明の２つの類似した実施形態に係るＩＰＴシステムを示す。図３ａに示すＩＰＴシステムは、ハーフブリッジレッグ（１０，１１，１２，…，ｎと参照される）の形のｎ＋１のスイッチペアからなる一次系給電装置と、ＬＣＬ補償回路（インダクタＬ_ｐｉ，１〜Ｌ_ｐｉ，ｎ、キャパシタＣ_ｐｔ，１〜Ｃ_ｐｔ，ｎ、および一次系巻線Ｌ_ｐｔ，１〜Ｌ_ｐｔ，ｎを備える）を使用して各々が補償される、ｎ個の一次系巻線（Ｌ_ｐｔ，１〜Ｌ_ｐｔ，ｎ）とから構成される。これらの一次系巻線の各々を、１つのピックアップ巻線（Ｌ_ｓｔ，１〜Ｌ_ｓｔ，ｎ）を各々が有する１つのピックアップ２と磁気的に結合することができる。ピックアップ巻線の各々は、この例では、双方向または単方向コントローラのいずれかとすることができる、それ自体のコントローラ（１５〜１７）によって制御され、自身の負荷に電力を供給する。便宜のため、詳細な負荷は示さない。あるいは、負荷は、ＤＣ供給装置（Ｖ_{ｏｕｔ，１}〜Ｖ_{ｏｕｔ，ｎ}）で表す。この実施形態における一次系コンバータの第１のレッグ１０は、すべての一次系巻線（Ｌ_ｐｔ，１〜Ｌ_ｐｔ，ｎ）に共通であり、したがって、最大定格電流を扱うことが可能である。一次系コンバータ（１１，１２…ｎ）の残りのレッグは、第１のレッグ１０に対して独立して制御されて、電源Ｖ_ｄｃを有するそれぞれの巻線を選択的に結合することによって、対応する一次系巻線における電流を制御する。例えば、スイッチＴ_ａ，１およびＴ_ｂ，１によって形成される第１のレッグ１０に対して、Ｔ_ａ，３，Ｔ_ｂ，３によって形成されるハーフブリッジレッグ１２を制御することによって、Ｌ_ｐｔ２一次系巻線における電流を制御することができる。一次系巻線Ｌ_ｐｉ２において望ましい電流を維持するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用してスイッチＴ_ａ，１，Ｔ_ｂ，１，Ｔ_ａ，３，Ｔ_ｂ，３を制御して、電圧Ｖ_ｐｉ，２を制御することができる。しかしながら、位相制御は、切替損失および／またはシステムのピーク電流を最小限にするのに好ましく、スイッチＴ_ａ，１，Ｔ_ｂ，１によって生成される矩形波電圧に対して、スイッチＴ_ａ，３，Ｔ_ｂ，３によって正しい時間に生成された矩形波電圧を遅らすことによって実装される。０度の位相角は、Ｖ_ｐｉをまたがる短絡に対応し、１８０度の位相角は、印加する最大Ｖ_ｐｉに対応する。同様に、Ｔ_ａ，１，Ｔ_ｂ，１，Ｔａ，_ｎ＋１，Ｔ_{ｂ，ｎ＋１}によって形成されるハーフブリッジレッグ１０とｎとの間の位相を制御して、ｎ番目の一次系巻線Ｌ_ｐｔ，ｎにおける電流を調節することができる。したがって、図３ａに示すトポロジは、各一次系巻線に対する専用フルブリッジインバータを必要とすることなしに、複数の巻線を採用するＩＰＴシステムの各一次系巻線における最大の個々のかつ独立した制御を促進する。これは、未使用一次系巻線が、励起されないままとすることを可能にする。それはまた、各一次系巻線に利用可能な電力の個々の制御を可能にする。

システムにおけるピーク電流を最小化するために、一次系巻線の各々は好ましくは、相互に位相がずれて駆動される。特に、各連続した一次系巻線は好ましくは、位相が３６０度／ｎずれて駆動される。

本発明の一次系給電装置はさらに、一次系巻線の各々と実質的に位置合わせされたピックアップの存在を自動的に検出し、および／または、ピックアップにより供給される負荷が充電（または、放電）を必要としているかを自動的に検出するように適合されてもよく、それによって、それぞれの一次系巻線と磁気的に結合されたピックアップによって負荷が給電されるときのみ、複数の一次系巻線の各々が励起される。このことは、例えば、それぞれの一次系巻線における反射負荷を感知する方法によって、または無線通信によって行われてもよい。

一次系巻線の１以上が非アクティブであるとき（すなわち、励起されないままでいる）、一次系給電装置は、一次系巻線の各々における電流の間の位相角を再構成してもよい。例えば、３つの一次系巻線がアクティブである一次系給電装置において、位相角は通常、１２０度（３６０度／ｎ）である。しかしながら、１つの一次系巻線が非アクティブである場合、残りの２つの一次系巻線は、相互に位相が１８０度ずれて動作してもよく（すなわち、３６０度／ｎであり、ｎは、アクティブであるかまたは励起されている巻線の数である）。

したがって、一次系巻線の任意の１以上は、励起された巻線が好ましくは、位相が３６０度／ｎ（ｎは、励起された巻線の数）ずれて駆動されるとともに、任意の組み合わせの給電装置によって選択的に励起されて、ピーク電流を最小化してもよい。例えば、２つの一次系巻線が励起される場合、選択された巻線は好ましくは、相互に位相が１８０度ずれて駆動され、３つの一次系巻線が励起される場合、選択された巻線は好ましくは、位相が１２０度ずれて駆動される。

本発明の代替的な実装は、図３ｂに示される。このコンバータは、ｎ個のレッグ（２０〜ｎ）からできた一次系給電装置と、ＬＣＬ回路（インダクタＬ_ｐｉ，１〜Ｌ_ｐｉ，ｎ、キャパシタＣ_ｐｔ，１〜Ｃ_ｐｔ，ｎ、および一次系巻線Ｌ_ｐｔ，１〜Ｌ_ｐｔ，ｎ）を使用して補償されるｎ個の一次系巻線（Ｌ_ｐｔ，１〜Ｌ_ｐｔ，ｎ）とから構成される。これらの一次系巻線の各々を、それぞれ１つのピックアップ巻線（Ｌ_ｓｔ，１〜Ｌ_ｓｔ，ｎ）を備えるピックアップ２と磁気的または誘導的に結合することができる。本例のピックアップ巻線の各々は、双方向または単方向コントローラのいずれかとすることができる、それ自体のコントローラ（例えば、１５、１６、１７）によって制御され、自身の負荷（Ｖ_{ｏｕｔ，１}〜Ｖ_{ｏｕｔ，ｎ＋１}で表す）に電力を供給する。この一次系供給装置におけるハーフブリッジ２０〜ｎの形のスイッチペアは、インターリーブ方式で動作することができ、そこでは、各レッグ（２０，２１，２２…ｎ）は、それの１つ（および、同一の一次系巻線に結合された）に対して、位相が３６０度／ｎ遅れて動作する。例えば、３つのレッグ２０−２２のみが存在する場合、レッグ２１は、レッグ２０の後に位相が１２０度遅れて動作することができる。したがって、結果として生じる一次系巻線電流は、相互に位相シフトされる。この動作のモードは、一次系コンバータが著しく小さな入力リップル電流で動作すること、およびレッグの間の負荷電流を均等に共有することを可能にする。しかしながら、ハーフブリッジレッグは、２つの一次系巻線の間で共有されるので、各一次系巻線における電流は、その隣接するハーフブリッジレッグにより生成される電圧によって影響される。このように、この方法は、別個の一次系巻線における電流の個々の制御を可能にするが、それらの電流の可制御性は、図３ａに示すトポロジと比較して、ある程度制限される。例えば、一次系巻線をペアとして励起することができるが、個別ではない。

＜第２の例：多相一次系および二次系＞
第２の例として、図４ａに示すように、複数の巻線一次系は代替的に、複数のピックアップ巻線を有するピックアップに結合されてもよい。図４ａは、図３ｂを参照して上で説明したような、複数の一次系巻線を有するシステムを示す。それらは、１つの多相コンバータ２５によって制御される複数のピックアップ巻線（Ｌ_ｓｔ，１〜Ｌ_{ｓｔ，ｎ+１}）を有する１つのピックアップと誘導的に結合される。このようなシステムは、例えば、複数の二次系またはピックアップコイルを有するバスなどの、１つの自動車を充電するのに使用されてもよい。

このような応用における本発明は、ＩＰＴシステムの電力処理能力を改善するとともに、損失を最小化する。ｎ個の一次系巻線は、図３ｂを参照して上で説明したような、インターリーブ方式で動作する一次系コンバータにおけるハーフブリッジレッグを使用して、給電される。ピックアップコンバータ２５は、一次系コンバータと同一とすることができる。あるいは、一次系および／またはピックアップコンバータは、図３ａに関して上記説明した一次系コンバータの形式をとってもよく、そこでは、未使用一次系／ピックアップ巻線は、励起されないままでいることができる。

ピックアップコンバータにおけるｎ個の数のハーフブリッジレッグは好ましくは、一次系側における対応するレッグに対して、位相角が進んでまたは遅れて駆動されて、一次系およびピックアップの間の電力フローを制御する。３つの一次系および３つのピックアップ巻線を有するそのようなシステムの動作は、以下の例で詳細に論じられる。

図４ａは、１つの多相ピックアップと結合された１つの多相一次系を示すが、本発明に従ったＩＰＴシステムは代替的に、図４ｂにおける例によって示すように、複数の多相ピックアップと誘導的に結合されるかまたは結合可能な多相一次系を備えてもよい。図において示さないが、多相一次系はまた、単相および多相ピックアップの組み合わせで誘導的に結合するように適合されてもよい。

＜第３の例：三相双方向ＩＰＴシステム＞
第３の例として、三相コンバータによって生成された電圧の相対位相および大きさのいずれかを通じて、電力フローの大きさおよび方向の両方を単に制御することができることを示すために、１つの三相ピックアップを有する三相ＩＰＴシステムのシミュレーション結果とともに数理解析が提示される。提案される三相ＩＰＴシステムの性能は、従来の単相ＩＰＴシステムと比較され、結果が、本発明が性能において優れており、ならびに無接点双方向および高速充電／放電の応用に特に魅力的であることを示すことになる。以下の詳細な説明において参照される例は、三相ＩＰＴシステムに関連するが、当業者は、本発明が一般的に多相ＩＰＴシステム、すなわち四相以上を有するシステムに適用可能であることを理解するであろう。また、システムは、単方向または双方向システムのいずれかとして構成および／または使用されてもよい。

本発明の一実施形態に係る三相ＩＰＴシステムが、図５に概略的に示される。三相トラックおよび単相ピックアップのみから構成される、従来技術の三相ＩＰＴシステムとは対照的に、このトポロジは、三相トラックとともに三相ピックアップシステムを採用し、一次系およびピックアップの間での高効率な単方向または双方向電力伝達を可能にする。

図５から明らかなように、一次系およびピックアップの両方の平衡三相デルタ接続ＬＣＬ回路は、ハーフブリッジレッグの形の３つのスイッチペアを備える三相コンバータによって駆動される。一次系ＬＣＬ回路におけるインダクタＬ_ｐｔ１，Ｌ_ｐｔ２，Ｌ_ｐｔ３は、三相ピックアップ巻線Ｌ_ｓｔ１，Ｌ_ｓｔ２，Ｌ_ｓｔ３に磁気的に結合された三相一次系巻線である。上記のセクションで示した分析を単純化するために、それぞれＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３で示す、Ｌ_ｐｔ１−Ｌ_ｓｔ１，Ｌ_ｐｔ２−Ｌ_ｓｔ２，Ｌ_ｐｔ３−Ｌ_ｓｔ３の間の電磁結合が等しいと想定される。一次系側ＡＣインダクタＬ_ｐｉ１，Ｌ_ｐｉ２，Ｌ_ｐｉ３、ならびにピックアップ側ＡＣインダクタＬ_ｓｉ１，Ｌ_ｓｉ２，Ｌ_ｓｉ３は、Ｌ_ｐｔ１，Ｌ_ｐｔ２，Ｌ_ｐｔ３と、Ｌ_ｓｔ１，Ｌ_ｓｔ２，Ｌ_ｓｔ３とをそれぞれ一致させるのに選択される。トラックおよびピックアップインダクタンスは、トラック周波数ｆ_ｔにおいて、キャパシタＣ_ｐｔ１，Ｃ_ｐｔ２，Ｃ_ｐｔ３およびＣ_ｓｔ１，Ｃ_ｓｔ２，Ｃ_ｓｔ３をそれぞれ使用して、並列に補償される。図６ｂに示すように、一次系およびピックアップのＬＣＬ回路を、代替的に、スター構成で接続することができる。しかしながら、図６ａに示すように、ＬＣＬ回路を接続することが有利であり、この図では、ＡＣインダクタＬ_ｐｉ１〜Ｌ_ｐｉ３およびＬ_ｓｉ１〜Ｌ_ｓｉ３が、隣接する位相の間で共有される。この構成では、２つのＡＣインダクタは、各位相をまたがって接続され、ゆえに、位相ごとのＡＣインダクタンスは、対応するトラック／ピックアップインダクタンスの二分の一の値のみである必要がある。

通常、一次系導電路またはトラックと称される三相一次系巻線は、長尺状コンダクタ構成またはランプシステム（ｌｕｍｐｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）のいずれかであってもよい。長尺状構成の形では、コンダクタ（典型的にはＬ_ｐｔを備える）は例えば、レールもしくはそれと同様の経路上、またはそれらに平行して設けられてもよく、あるいは床面の上下で設けられてもよい。このような構成では、ピックアップは、一次系から電力を受信している間、レールまたは床面に沿って移動してもよい。ランプシステムが使用される場合、一次系経路を、例えば、１以上の充電パッドの形式で提供することができる。典型的には、ピックアップが電力を受信することができる１つの位置、または連続した位置において、充電パッドが設けられる。本明細書で論じられる、三相システムが採用される例では、三相トラックまたは充電パッド（３つの一次系コイルを備える）が設けられ、その構成は、走行中の自動車の充電に対応することができる。

発明の詳細な説明および特許請求の範囲の全体にわたって使用される、「コンダクタ」および「コンダクタ手段」の用語は、電磁または誘導結合に対する磁場を提供または受信する、一次系および／またはピックアップコンダクタのすべての潜在的な物理的形状を包含し、それらが、「長尺状コンダクタ」または「トラック」、あるいは「ランプシステム」、「コイル」、「インダクタ」、「パッド」、またはそのようなコンダクタもしくはカプラを説明するのに本分野で共通に使用される他の種々の用語のいずれかであるかを問わない。

この特定の三相ＩＰＴシステムの一次系およびピックアップ三相コンバータは、２つの独立制御サブシステムによって制御される。一実施形態では、三相コンバータの各レッグは、トラック周波数（ｆ_ｔ）において５０％のデューティサイクルで動作するが、Ｖ_ｐｉ２がＶ_ｐｉ１よりも１２０度よりも遅れ、Ｖ_ｐｉ３がＶ_ｐｉ１よりも１２０度前進した位相シフトで動作する。

提案される三相システムを、多くの方法で制御することができる。一次系およびピックアップ三相コンバータの間の電圧の大きさまたは相対位相角のいずれかを制御することによって、このシステムの出力電力／電圧／電流を調整することができる。この例では、特許文献１において説明されるように、Ｖ_ｓｉ１，Ｖ_ｓｉ２，Ｖ_ｓｉ３の位相は、Ｖ_ｐｉ１，Ｖ_ｐｉ２，Ｖ_ｐｉ３のそれぞれに対して制御されるとともに、大きさを一定に維持して、ピックアップユニットの出力電力／電圧／電流を調整する。Ｖ_ｐｉ１（または、Ｖ_ｐｉ２もしくはＶ_ｐｉ３）と、Ｖ_ｓｉ１（または、Ｖ_ｓｉ２もしくはＶ_ｓｉ３）との間の位相角差に必然的にリンクされる、Ｉ_ｐｔ１（または、Ｉ_ｐｔ２もしくはＩ_ｐｔ３）、Ｉ_ｓｔ１（または、Ｉ_ｓｔ２もしくはＩ_ｓｔ３），Ｉ_ｐｔ１（またはＩ_ｐｔ２もしくはＩ_ｐｔ３）、およびＶ_ｓｉ１（または、Ｖ_ｓｉ２もしくはＶ_ｓｉ３）などの間の相対位相角を制御することによって、同一の制御を達成することもできる。代替的な制御方法は、Ｖ_ｐｉ１とＶ_ｓｉ１との間の位相を±９０度に固定すること（力率１を与える）、ならびにＶ_ｐｉ１−Ｖ_ｐｉ３または／およびＶ_ｓｉ１−Ｖ_ｓｉ３のいずれか／両方の大きさを制御して、電力／電圧／電流を調節することである。さらなる別の代替的手段は、Ｖ_ｐｉ１−Ｖ_ｐｉ３およびＶ_ｓｉ１−Ｖ_ｓｉ３の相対位相および大きさの両方を制御することである。

電圧調節に使用することができる多くの公知の技術が存在する。ここで提示される例は、１つのＰＷＭスキームを使用して、Ｖ_ｐｉ１〜Ｖ_ｐｉ３およびＶ_ｓｉ１〜Ｖ_ｓｉ３の大きさを変動させて、電流Ｉ_ｐｔ１〜Ｉ_ｐｔ３およびＩ_ｓｔ１〜Ｉ_ｓｔ３、したがって、出力電力／電圧／電流を調節する。図７ｂに示されるように、三相コンバータのすべての三相が、５０％のデューティサイクルで、かつ位相の間で１２０度の位相シフトで動作しているときに、最大ライン間電圧が達成される。図７ｃに示されるように、これらの信号にノッチおよびパルスを導入することによって、ライン間電圧を減少させることができる。

Ｖ_ｐｉ１（または、Ｖ_ｐｉ２もしくはＶ_ｐｉ３）に対してＶ_ｓｉ１（または、Ｖ_ｓｉ２もしくはＶ_ｓｉ３）の位相を制御するために、ピックアップにおいて感知手段および同期メカニズムが必要とされる。これは、その一部を以下に概略を説明し、種々の方法を通じて達成することができる。

１．１以上の感知巻線を使用して、一次系巻線によって生成された磁場を感知すること。実際には、ピックアップ自体によって生成された磁束の一部は、この測定に影響を及ぼすことがある。したがって、能動または受動減結合メカニズムが、一次系流速ベクトルを取得するのに使用される。一次系巻線を有するピックアップにおいて三相の調節を識別する必要がある。これは、ピックアップ電圧を監視することによって、初期化プロセスの間に達成することができる。
２．反射または誘導電圧を通じて一次系コンバータ位相角を推定すること。
３．短絡電流を通じて一次系コンバータ位相角を推定すること。または、
４．有効および無効電力要件の組に従って、ピックアップの動作周波数を制御する、周波数ドループ（ｄｒｏｏｐ）技術を採用すること。

あるいは、一次系の位相角が、任意の既知の有線または無線通信手段によってピックアップに伝達されてもよい。

一次系を制御するのに使用することができる、可能な制御構造が図７ｄに示され、ピックアップにおいて使用することができるコントローラが図７ｅに示される。図７ｃに示されるように、コンバータレッグによって生成される電圧のパルス幅を変調して、一次系巻線に印加される電圧を変動させることができ、それにより一次系巻線の各々のトラック電流を調節する。要求される（すなわち、図７ｄの一次系コントローラへの「基準」入力）トラック電流と、実際の（すなわち、「ｃｏｎｔｒｌ．ｓｉｇ」入力）トラック電流との間のエラーは、コントローラ、例えば、示されるような比例積分（ＰＩ）コントローラを通じて送り込まれ、コントローラの出力は、一次系コンバータの各レッグに印加される必要がある変調を判定するのに使用される。同様に、図７ｅのピックアップコントローラは、ＰＩコントローラを通じて、基準電力レベルと測定された電力レベルとの間のエラーを渡すことによって、出力電力を調節し、そして、ピックアップコンバータのレッグに印加されることになるパルス変調幅および位相遅れ（対応する一次系コンバータレッグに対する）を判定する。

エレクトロニクスおよび組み込みシステムエンジニアリングの分野、特に、制御システムの当業者にとって明らかなように、一次系およびピックアップコントローラは、エレクトロニクスハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実装されてもよい。例えば、本明細書で説明され、かつ図７ｄ，７ｅに示された制御アルゴリズムが、マイクロプロセッサ、または説明したような方法のステップを実行するようにプログラミングされた、同様のコンピューティングデバイスによって、全体的に又は部分的に実装されてもよい。本発明の方法を実装するプログラムソフトウェアからの命令に従って、特定の機能を実行するようにプログラミングされると、そのようなデジタルコンピュータシステムは実質的に、本発明の方法に特有の特殊用途コンピュータとなる。これに必要とされるプログラミング技術は、コンピュータおよび／または組み込みシステムの分野における当業者にとって公知である。

図７ａに示す単相等価回路を有するこのシステムを表すことによって、平衡ＬＣＬ回路の提案される三相ＩＰＴシステムを単純化することができる。さらに、以下に提示される分析は、式１および２の適切な大きさを有する、理想的な正弦曲線電圧源（Ｖ_ｐｌおよびＶ_ｓｌ）によって、両方の一次系およびピックアップ回路の両方が駆動されることを想定する。

式１

式２

この特定の実施形態（他の実施形態は、異なる成分値を有してもよい）に対する等価回路の成分値は、式３乃至７によって与えられる。

式３

式４

式５

式６

式７

一次系およびピックアップにおけるＬＣＬ回路の両方は、トラック周波数（ｆ_ｔ）に同調され、したがって、（完全に補償されるとき）式８になる。

式８

トラックインダクタＬ_ｐｔにおける電流のフローは、式９によって与えられる。

式９

トラックおよびピックアップの間に存在する電磁結合に起因して、式１０として表すことができる、Ｉ_ｐｔによるピックアップインダクタにおいて、電圧が誘導される。

式１０

ピックアップの出力電流は式１１によって与えられる。

式１１

ピックアップの出力電力を、式１、２および１１から算出することができる。

式１２

θはＶ_ｐｌに対するＶ_ｓｌの位相である。

式１２から、位相角θが±９０度のときに、最大電力伝達が発生することが明らかである。進み位相角は、ピックアップからトラックへの電力伝達を構成するとともに、遅れ位相角は、トラックからピックアップへの電力伝達を有効にする。したがって、所与の入力および出力電圧に対し、三相コンバータにより生成された電圧の大きさまたは位相角のいずれかを制御することによって、トラックおよびピックアップの間の電力フローの量および方向の両方を調節することができる。

＜シミュレーション結果−定常状態動作＞
図５に示す、電気自動車を充電するために適した５ｋＷの三相ＩＰＴシステムが、ＭＡＴＬＡＢ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）においてシミュレートされ、結果が以下に示される。システムの一次系側は、３３０Ｖのソースによって給電され、ピックアップは、ＥＶを示す２５０Ｖのバッテリに接続される。システムの設計パラメータは、以下の表１によって与えられる。

提案されたＩＰＴシステムの一次系およびピックアップの両方のシミュレートされた電圧および電流が、図８に示される。一次系コンバータにおける３つのハーフブリッジは、５０％のデューティサイクルで、かつそれらの間に１２０度の位相シフトで動作して、一次系トラックインダクタＬ_ｐｔ１〜Ｌ_ｐｔ３において、２０ｋＨ、５０Ａの平衡三相電流を生成する。「位相Ａ」とみなされる、３つの一次系ライン間電圧（Ｖ_ｐｌ１＝Ｖ_ｐｉ１−Ｖ_ｐｉ２）の１つのみが図８に示される。図から明らかなように、結果として生じる最大ライン間電圧Ｖ_ｐｌ１は、三相コンバータの３つのハーフブリッジにより生成される電圧の間での３０度のオーバラップに起因して、
の因数によって低減される。ライン電圧Ｖ_ｐｌ２，Ｖ_ｐｌ３は、Ｖ_ｐｌ１と一致しているが、Ｖ_ｐｌ１に対して、１２０度および２４０度の位相で対応してシフトされる。ピックアップ三相コンバータはまた、同様の方式で駆動されるが、一次系の対応する位相に対して、９０度の位相シフトで駆動される。したがって、ピックアップインダクタＬ_ｓｔ１−Ｌ_ｓｔ３において結果として生じる電流は、対応する一次系トラック電流よりも９０度遅れる。これらの条件下で、かつ式１２に従って、ＩＰＴシステムは、５ｋＷを出力負荷に伝送する。式９によって与えられる一次系トラック電流およびピックアップトラック電流の両方は、負荷と独立しており、ならびに回路パラメータによって固定される。しかしながら実際には、損失および成分誤差に起因して負荷が増大するにつれて、トラック電流は減少する。したがって、一定トラック電流を維持するために、ライン間電圧が調節される必要がある。５ｋＷを出力に伝送するときの、このシステムの入力および出力電流が図９に示される。図から明らかなように、提案される三相ＩＰＴシステムによって生成される入力および出力リップル電流の両方は比較的小さく、トラックが各々、位相がずれて駆動されるにつれて、ピーク電流が最小化される。さらに、リップル電流の周波数が、トラック周波数の３倍であることを観察することができる。このことは、提案される三相システムの主な利点の一つであり、それがシステムの効率性を改善するとともに、リップルフィルタリングの必要性をなくすからである。

式１２に従って、一次系およびピックアップ側三相コンバータの間の相対位相角を変更することによって、またはライン間電圧を変動させることによって、コンバータの電力スループットを調節することができる。一次系およびピックアップ三相コンバータの間の位相角を制御することによって、本例のＩＰＴシステムの出力電力が調節される。２つの三相コンバータの間の位相差θを減少させることによって、ピックアップの電力スループットが減少することがある。θが３０度に減少するときの、システムの電圧および電流が図１０および１１に示される。図１１から明らかなように、式１２に従って、システムの出力電力が、約２．５ｋＷまで減少している。減少した平均入力および出力電流はまた、システムの電力スループットの減少を反映する。しかしながら、図１０から明らかなように、一次系およびピックアップトラック電流は必然的に、一定のままでいるが、対応する一次系およびピックアップ電流の間の位相遅れは、９０度から３０度に減少する。

ピックアップ側三相コンバータを遅れた位相角で駆動させることによって、一次系およびピックアップの間の電力フローの方向を反転することができる。三相ＩＰＴシステムのピックアップは、一次系側三相コンバータに対して９０度位相が遅れて駆動されており、シミュレーション結果が図１２および１３に示される。図１３から明らかなように、ピックアップは現在、約５ｋＷを、ＩＰＴシステムの一次系に伝送している。結果として、図８と比較して、電流フローの方向が反転されている。

従来技術の単相システムが５ｋＷを負荷に伝送しているときの、その一次系およびピックアップ電圧が図１４および１５に示される。図１４から明らかなように、三相システムと比較して、単相システムの一次系およびピックアップトラック電流は著しく高い。三相および単相システムの両方の一次系およびピックアップの間の結合は平衡である。しかしながら、三相システムは、３つのピックアップインダクタコイルに結合された３つの一次系トラックを採用し、したがって、単相システムと比較して、５ｋＷを伝達するのに必要なトラック電流は極めて小さい。さらに、図１５に示されるように、単相システムの入力および出力リップル電流は、三相システムによって生成されるリップル電流の約２倍と著しく高い。

両方のユニットが５ｋＷを出力に供給するとき、三相および単相システムの間の比較が、以下の表２に提供される。この比較から明らかなように、三相システムの入力／出力リップル電流およびトラック電流の両方は著しく小さく、それによって、本発明の三相間の実施形態の利点を確認することができる。また、両システムの磁力エネルギー（Ｌｉ^２）が同様であるので、両システムは最大で同等の量のフェライトを使用することを理解することができる。加えて、単相および三相システムの両方によって使用される総補償容量は、ほぼ同一である。

上述したことから、本発明は、従来技術に対していくつかの利点を提供する、いくつかの多相双方向ＩＰＴシステムおよびコンバータを提供することが理解されるであろう。少なくとも一部の実施形態では、本発明は、各巻線を独立して制御する多相ＩＰＴ給電装置を提供し、多相ＩＰＴ給電装置は、各一次系コンダクタに対する専用フルブリッジインバータを必要とすることなく、負荷が充電を必要とするときのみ各一次系コンダクタを個々に励起することによって、改善された効率性で、複数の単コイルピックアップに（またはこの逆方向に）電力を供給することが可能である。他の実施形態では、本発明は、多相ＩＰＴシステム、ならびに多相一次系および二次系コンバータを提供し、それらは、無線電力伝達を必要とするとともに、フルブリッジインバータなしで各巻線を独立して制御する、高電力の応用に特に適している。多相ＩＰＴシステムは、一次系およびピックアップの両方に対する多相回路トポロジを採用し、両方向での疎電磁結合を通じて、電力を伝達することが可能であるとともに、ピーク電流を最小化する。結果は、提案される多相ＩＰＴシステムが、既存のＩＰＴシステムよりも性能において優れており、高速充電を必要とするＥＶなどの高電力の応用に対して理想的であるということを示唆している。

「電源」および「負荷」の用語は、便宜のため、一次系からピックアップの出力への単方向電力フローに関して、発明の詳細な説明および特許請求の範囲の全体にわたって使用される。しかしながら、電力がいずれかの方向で流れることを可能にする双方向電力フローに対してシステムを容易に適合することができるので、その場合、「負荷」は、電源を備えてもよく、「電源」は、ピックアップの１以上から電力をシンク（ｓｉｎｋ）させてもよい。したがって、「電源」および「負荷」の両方は一般的に、双方向ＩＰＴシステムのコンテキストにおいて、電源／シンクとして説明される。しかしながら、用語「電源／シンク」は、双方向ＩＰＴシステムを限定するものとして解釈されるべきでない。すなわち、「電源／シンク」は、電源または電力シンクのいずれかまたは両方であってもよい（必ずしもその両方ではない）。

特許請求の範囲で使用される用語「ＩＰＴコンバータ」は、一次系ＩＰＴ給電装置／コンバータまたは二次系／ピックアップコンバータのいずれかを意味する。したがって、ＩＰＴコンバータは、一般的に他の給電装置またはピックアップコンバータである、別のＩＰＴデバイスと誘導的に結合されてもよい。

文脈により他の意味であることが明白な場合を除き、発明の詳細な説明の全体にわたって、「備える」および「有する」などの用語は、排他的または完全な意味ではなく、包括的な意味で解釈される、すなわち、「含むがそれに限定されない」の意味を有する。

例示として、可能な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、それらに変更または改良がなされてもよいことが理解されるべきである。本発明はまた概して、本出願の明細書において参照され、あるいは示された部品、要素、もしくは機能のそれぞれ、またはそれらの集合、２以上のその部品、要素、もしくは機能の任意のまたは全ての組み合わせに存在するといえる。さらに、既知の均等物を有する本発明の特定の要素または整数を参照する場合、そのような均等物は、それぞれ説明されたものとして本明細書に組み込まれる。

本明細書の全体にわたる従来技術の任意の説明は、そのような従来技術が広く知られていること、または本分野における共通の一般知識の一部を形成することを自認するものとみなされるべきではない。

Claims (29)

1. 多相誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムであって、
   複数の一次系コンダクタを備え、前記一次系コンダクタのそれぞれは相巻線を含み、前記一次系コンダクタのそれぞれにおいて交流電流を制御して誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信して一次系給電装置と少なくとも１つのピックアップとの間の電力伝達を制御するように、それぞれ独立して選択的に動作可能である、一次系給電装置と、
   複数のピックアップコンダクタを備え、前記複数のピックアップコンダクタのそれぞれは独立して、誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信することによって前記一次系コンダクタと磁気的に結合して、前記一次系給電装置と、前記ピックアップのそれぞれと結合される負荷との間の電力伝達を制御するように、選択的に動作可能である、前記少なくとも１つのピックアップと
   を備える、多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
2. 前記複数の一次系コンダクタの任意の１以上は、必要に応じて磁場を提供するように選択的に動作可能である、請求項１に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
3. 前記それぞれの一次系コンダクタと磁気的に結合されたピックアップによって、負荷が給電されるときのみ、前記複数の一次系コンダクタの各々が動作する、請求項１または２に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
4. 前記一次系コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎはコンダクタの数である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
5. 前記一次系コンダクタは各々、位相が３６０度／ｎずれて動作し、ｎは作動中の一次系コンダクタの数である、請求項３に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
6. 前記一次系コンダクタのそれぞれは、独立して電源に選択的に結合されることによって独立して選択的に動作可能であり、前記一次系コンダクタのそれぞれにおける前記交流電流を制御する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
7. 前記一次系コンダクタは、各々が、電源を少なくとも１つの一次系コンダクタに選択的に結合する複数のスイッチペアを用いて前記電源に接続され、それによって、各一次系コンダクタは、スイッチペアのペアによって前記電源に結合され、前記スイッチペアは、前記一次系コンダクタの各々における前記交流電流を制御するように、独立して制御される、請求項６に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
8. 前記一次系コンダクタの各々における前記交流電流が、スイッチペアのうちの該一次系コンダクタに結合されたペア間の位相角を制御することによって制御される、請求項７に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
9. 前記多相誘導電力伝達ＩＰＴシステムは、双方向であり、前記一次系給電装置から前記少なくとも１つのピックアップに、もしくはその逆方向に選択的に電力を伝達することができる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
10. 前記一次系コンダクタのそれぞれにおける交流電流に対して、前記ピックアップコンダクタにおける前記交流電流の位相角を制御することによって、前記一次系給電装置とそれぞれのピックアップとの間の電力伝達が制御される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
11. 前記一次系コンダクタおよび前記複数のピックアップコンダクタにおけるそれぞれの交流電流の間の前記位相角は、±９０度で調節され、前記一次系コンダクタおよび／またはピックアップコンダクタにおける前記交流電流の大きさを制御することによって、電源と前記負荷との間の電力伝達が制御される、請求項１０に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
12. 各々が、前記一次系給電装置から多相電力を受信するように、前記複数の一次系コンダクタの１つと磁気的に結合されるかまたは結合可能である、複数のピックアップコンダクタを備えるピックアップを備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
13. 前記ピックアップはさらに、各々が、負荷を少なくとも１つのピックアップコンダクタに選択的に結合する複数のスイッチペアを備え、それによって、各ピックアップコンダクタは、スイッチペアのペアによって前記負荷に結合され、前記スイッチペアは、前記ピックアップコンダクタの各々と、前記負荷との間の電力伝達を制御するように、独立して制御される、請求項１２に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
14. 前記ピックアップコンダクタの各々と、前記負荷との間の前記電力伝達がそれに結合されたスイッチペアの前記それぞれのペアの間の位相角を制御することにより制御される、請求項１３に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
15. 前記ピックアップは、前記複数の一次系コンダクタの数と等しい複数のピックアップコンダクタを備える、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
16. 前記一次系給電装置は、
    複数のピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップ、および
    それぞれ１つのピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップに誘導的に給電するように適合する、請求項１に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
17. 各々が個々に、少なくとも１つの一次系コンダクタを電源／シンクに選択的に結合する複数のスイッチペアをさらに備え、各一次系コンダクタは、スイッチペアのペアによって前記電源／シンクに結合され、前記スイッチペアは、前記一次系コンダクタの各々における前記交流電流を制御するように独立して制御可能である、請求項１に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
18. 前記コンダクタの各々における前記交流電流が、それに結合されたスイッチペアの前記それぞれのペアの間の位相角を制御することによって制御される、請求項１７に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
19. 前記複数のスイッチペアは、前記複数のコンダクタの各々に共通のスイッチペアを備え、複数のスイッチペアの各々はさらに、前記複数のコンダクタの１つに結合され、対応するコンダクタにおける電流を制御するように、前記共通のスイッチペアに対して独立して制御される、請求項１７または１８に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
20. 前記複数のスイッチペアは各々、２つのコンダクタを電源に結合し、前記スイッチペアは、インターリーブ方式で、それらの間の位相が遅れて動作する、請求項１７または１８に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
21. ３つのコンダクタおよび３つのスイッチペアを備える、請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
22. 前記コンダクタの各々の励起のレベルを、他と独立して制御することができる、請求項１７乃至２１のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
23. 前記コンダクタの各々における電流および／または電圧を個々に制御することができる、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
24. １以上の他のコンダクタが励起されないままでいる間に、前記コンダクタの１以上を励起することができる、請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
25. 前記コンダクタは各々、補償回路の一部を備える、請求項１７乃至２４のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
26. 前記複数のコンダクタの任意の１以上を同時に励起することができる、請求項１７乃至２５のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
27. 使用中のＩＰＴデバイスと誘導的に結合されたピックアップコンダクタの数に基づいて、所定の数量及び組合せのコンダクタが同時に励起されうる、請求項１７乃至２６のいずれか一項に記載の多相誘導電力伝達ＩＰＴシステム。
28. 複数の一次系コンダクタを備える多相誘導電力伝達（ＩＰＴ）給電装置であって、前記一次系コンダクタは個々に、誘導電力伝達に対する磁場を提供または受信するように選択的に動作可能であり、前記ＩＰＴ給電装置は、それぞれ独立して一次系コンダクタと磁気的に結合して選択的に動作可能な複数のピックアップコンダクタと、それぞれ１つのピックアップコンダクタを備える複数のピックアップと、を備える１つのピックアップに誘導的に電力を供給するように適合する、多相ＩＰＴ給電装置。
29. 複数の一次系コンダクタを備える多相誘導電力伝達（ＩＰＴ）給電装置であって、前記一次系コンダクタは個々に、誘導電力伝達に対する磁場を、それぞれ複数のピックアップコンダクタを備える１以上のピックアップに提供するように選択的に動作可能であり、前記一次系コンダクタは、位相がずれて動作し、位相の数及び位相角は、使用中の前記一次系コンダクタと誘導的に結合されたピックアップコンダクタの数に基づいて選択される、多相ＩＰＴ給電装置。