JP6817221B2 - Dc電圧源間のワイヤレス電力伝送のための装置および方法 - Google Patents
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Description
基本的な形式では、この文書で考慮されているIPT装置は、一般に2つの疎結合されたコイル、2つの補償コンデンサ(各コイルに1つ)、励振(送電端)およびピックアップのためのIPT装置の両側にある電力コンバータ、によって組成されている。送電端の電源は、例えば50/60HzのAC本線の整流から生じるDC電源であると想定され。負荷はまた、比較的固定された電圧のDC負荷であると仮定され、典型的なケースは充電可能な電池である。
●1つの1次コイルと1つの2次コイルであって、それぞれ共通の共振周波数ω0を達成するように構成されたコンデンサの手段と接続された、コイルと、
●前記1つの1次コイルと1つの2次コイルは相互に可動であることと、
●1次側におけるDC電圧を、1次側の制御可能な大きさおよび周波数のAC電圧に変換するDC/ACコンバータと、
●2次コイルの端子におけるAC電圧を、2次側の負荷におけるDC電圧に変換する2次側の1つの整流器と、
●1次コイルと2次コイルとの間の電力の流れを調整し、1次コイルの端子におけるAC電圧の大きさおよび周波数を協調的に変化させることによって、2つのコイルの機械的位置の変化に自動的に適応する制御システムと、を備える、装置を開示する。
DC/DC+Hブリッジのカスケード接続は依然として電圧および周波数を独立して制御できるDC/ACコンバータである。
ピックアップコイル端子のAC電圧は、周波数およびピックアップ電流とは独立して制御することができる。これは、ピックアップコイル端子のインピーダンスを制御することと等価である。
a.1つの1次コイルを1つの2次コイルと疎結合する工程と、
b.1次側のコイルが2次側のコイルと同じ周波数で共振するように、直列に接続された共振コンデンサをそれぞれ備え付ける工程と、
c.相互運動が可能なように前記共振コイルを1次側および2次側に配置する工程と、
d.1次側のDC電圧を制御可能な大きさおよび周波数のAC電圧に変換するDC/ACコンバータを設ける工程と、
e.2次側の共振ピックアップコイルの端子におけるAC電圧をDC電圧に変換する整流器を設ける工程と、
f.1次共振コイルの端子におけるAC電圧の大きさおよび周波数を協調的に変化させることによって、1次コイルと2次コイルとの間の電力の流れを調整する制御システムを設ける工程と、
g.ピックアップ側に定電圧特性を有する負荷を設ける工程と、を含む。
共振ピックアップコイルの端子におけるAC電圧を独立して制御するための前記整流器装置を構成する工程と、
2次側の共振ピックアップコイルの端子に生じる電圧の大きさを計算する追加の制御回路を設ける工程と、をさらに含むことができる。
所与のDC側電圧から開始して、AC電圧の任意の所望値を発生するように制御される4つのスイッチングデバイスのH接続に基づくDC/ACコンバータを設ける工程をさらに含むことができる。
DC側電圧によって定められた振幅の方形波電圧を発生するように制御される4つのスイッチングデバイスのH接続に基づくDC/ACコンバータを設ける工程と、
入力DC電圧源とインバータ入力におけるDC電圧との間にDC/DCコンバータを設ける工程と、を含んでもよい。
本発明はワイヤレス電力伝送に関し、特に結合係数が変化する、すなわち1次および2次コイルが疎結合されている、ワイヤレス電力伝送に関する。そのような仕組みは、幅広い応用分野を見出し得る。
が存在する。したがって、設計のためにもう1つの基準が必要である。次のオプションを提案できる:
a)最大結合時の定格電力流れは、図6の電力−周波数特性のピークで正確に達成される:
b)同じピーク共振電圧は、定格電力の流れとの最小および最大結合で得られる:
c)入力位相変位は所定の閾値を超えない:
●図8に示した、送電端AC電流(Hブリッジ電流)。この割付は、IPTのピックアップ側からの高帯域幅のフィードバックを必要としないという利点があるが、送電端の電圧と電流との間の位相変位が共振周波数付近の勾配の符号を変化させる可能性のある周知の分岐現象によって、コントローラは特定の動作条件下で不安定になることがある。一般に、分岐が回避されても、図6の特性に示されるように、送電端のV−I位相変位は周波数変動に極めて鈍感である。
●図9に示した、共振コンデンサ(C2)の両端のピックアップ端電圧。このソリューションは、分岐現象が生じることはなく、動作周波数に対するVsendとVC2との間の位相変位の感度は常に安定し、安定した制御が可能であるので、制御安定性の点ではるかに頑強である。共振時には、VsendとVC2は同相(ゼロ変位)であることに留意されたい。
●ピックアップ端AC電流。
●ピックアップ端AC電圧。
VC2、VpickおよびIpickは固定した関係によって直接的に関係するので、最後の2つのオプションは基本的に前項と同じである:
●送電端AC電流(Isend)、
●共振コンデンサの両端のピックアップ端電圧(VC2)、
●整流器AC端子のピックアップ端電圧(Vpick)、
●ピックアップ端AC電流(Ipick)。
本発明は、広範囲の分野で応用を見出すことができ、限定するものではないが、例えば:
●駐車した電気自動車(EV)の誘導充電。この場合、エアギャップは、充電中は変化しないが、設計段階で考慮しなければならない未知のミスアライメントが存在する可能性がある。
●バッテリー電気推進システムを備えた船または他の船舶の誘導充電。
●ワイヤが動きの妨げおよび/または信頼性の低下となるかもしれない可動機器(ロボットアームなど)への連続的な電力供給。
●アクセスできない(または密閉された)環境に置かれた可動機器への電力供給。
●特に都市部の、露出した高電圧または中電圧ワイヤが望ましくない列車、市街電車およびバスの電力供給。
本発明の第2の実施形態では、15〜50cmの可変な距離で1MWの連続的電力転送を定格とする誘導電力転送装置が提供されている。装置の構成は図1に示されており、以下を含む:
Claims (13)
- DC電圧源からDC電圧負荷へのワイヤレス電力伝送装置であって、
a)1次コイルと2次コイルであって、共通の共振周波数ω0を達成するように構成された容量性デバイスにそれぞれが接続された、コイルと、
b)動作中に前記1次コイルと前記2次コイルは相互に可動であることと、
c)1次側におけるDC電圧を、前記1次側の制御可能な大きさおよび周波数のAC電圧に変換するDC/ACコンバータと、
d)前記2次コイルの端子におけるAC電圧を、2次側の前記負荷におけるDC電圧に変換する前記2次側の1つの整流器と、
e)動作中に前記1次コイルと前記2次コイルとの間の電力の流れを調整し、そして前記1次コイルの端子における前記AC電圧の前記大きさおよび周波数を協調的に変化させることによって、当該2つのコイルの機械的位置の変化に自動的に適応する制御システムと、を備え、
前記2次側の前記2次コイルの前記端子における前記AC電圧の振幅および周波数を制御するために構成されている、装置。 - 前記1次コイルと2次コイルは、結合が増加してオフ共振動作が許容される間、共通の共振周波数ω0を達成するように構成された容量性デバイスに接続されている、請求項1に記載の装置。
- 前記2次側の前記負荷は、定電圧特性を有する、請求項1又は2に記載の装置。
- 定電圧特性を有する前記負荷は充電可能な電池である、請求項3に記載の装置。
- 前記DC電圧源はAC本線の整流によって得られる、請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- 前記DC/ACコンバータは、所与のDC側電圧から開始して、AC電圧の任意の値を発生するように制御される4つのスイッチングデバイスのH接続に基づく、請求項1〜5のいずれかに記載の装置。
- 前記DC/ACコンバータは、前記DC側電圧によって定められた振幅の方形波電圧を発生するように制御される前記4つのスイッチングデバイスのH接続に基づいており、
前記DC電圧源と前記DC/ACコンバータの入力における前記DC電圧との間にDC/DCコンバータ、を備える、請求項6に記載の装置。 - DC電圧源からDC電圧負荷へのワイヤレス電力伝送方法であって、
a.1次コイルを2次コイルと疎結合する工程と、
b.1次側の前記1次コイルが2次側の前記2次コイルと同じ周波数ω0で共振するように、直列に接続された共振コンデンサを前記1次コイルと前記2次コイルに備え付ける工程と、
c.動作中に相互運動が可能なように前記1次コイルを前記1次側に配置し、前記2次コイルを前記2次側に配置する工程と、
d.前記1次側のDC電圧を制御可能な大きさおよび周波数のAC電圧に変換するDC/ACコンバータを設ける工程と、
e.前記2次コイルの端子における前記AC電圧をDC電圧に変換する整流器を設ける工程と、
f.前記1次コイルと前記2次コイルとの間の電力の流れを調整し、前記1次コイルの前記端子における前記AC電圧の前記大きさおよび周波数を協調的に変化させることによって、前記1次コイルと前記2次コイルの機械的位置の変化に自動的に適応する制御システムを設ける工程と、
g.定電圧特性を有する前記2次側の負荷を設ける工程と、
h.共振ピックアップコイルの端子における前記AC電圧を独立して制御するように構成する工程と、
を含む、方法。 - 工程gは、充電可能電池としての定電圧特性を有する前記負荷を設ける工程をさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 工程fの前記制御システムは、励振周波数を常に前記共振周波数ω0と等しいかまたはそれより高く調整する、請求項8乃至9のいずれかに記載の方法。
- 前記制御システムは、励振周波数を常に前記共振周波数ω0と等しいかまたはそれより低く調整する、請求項8乃至9のいずれかに記載の方法。
- 所与のDC側電圧から開始して、AC電圧の任意の所望値を発生するように制御される4つのスイッチングデバイスのH接続に基づく前記DC/ACコンバータを設ける工程をさらに含む、請求項8乃至11のいずれかに記載の方法。
- 前記DC側電圧によって定められた振幅の方形波電圧を発生するように制御される4つのスイッチングデバイスのH接続に基づく前記DC/ACコンバータと、前記DC電圧源と前記DC/ACコンバータの入力における前記DC電圧との間にDC/DCコンバータを設ける工程と、をさらに含む、請求項12に記載の方法。
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