JP2016039775A

JP2016039775A - 電力の非接触交換のためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2016039775A
Application number: JP2015155583A
Authority: JP
Inventors: アルン・クマール・ラグーナサン; Kumar Raghunathan Arun; ソマクマール・ラマチャンドラパニッカー; Ramachandra-Panicker Somakumar; スマ・メマナ・ナラヤナ・バート; Memana Narayana Bhat Suma; サティシュバブ・ボーギネニ; Bhogineni Satishbabu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: US20160043568A1; US9780575B2; EP2985848A1; CN105375647A; JP6693715B2; CN105375647B

Abstract

【課題】電力の非接触交換のためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送システムが提供される。非接触電力伝送システムは、電力を交換するように構成された第１の電力交換コイルと、スイッチング部に動作可能に結合された電力嵌合コイルと、スイッチング部に動作可能に結合されたコントローラと、を含む。コントローラは、電力嵌合コイルの電流を能動的に制御して、第１の電力交換コイルのインピーダンスを整合し、電力の交換を可能にするために、スイッチング部のスイッチング動作を制御するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一般的には、電力伝送システムに関し、より具体的には、電力の非接触交換のためのシステムに関する。

電力伝送システムは、ある対象物から別の対象物に電力を伝送するために使用される。電力を送信する方法に基づいて、電力伝送システムは、電力を送信するために送信器と受信器との間の物理的接続を用いる電力伝送システムと、送信器と受信器との間の物理的接続がない電力の非接触交換のためのシステムと、に分類することができる。

電力の非接触交換のためのシステムは、無線で電力を送信するための種々の方法を用いることができる。１つのこのような手法は、送信コイルおよび受信コイルをさらに含むことができる誘導結合システムを含むことができる。この手法では、送信コイルおよび受信コイルの両方は、それぞれの変圧器巻線に誘導結合することができ、誘導結合に基づいて電力を送信することができる。

代替的手法では、電力の非接触交換のための共振器ベースのシステムを使用することができる。１つのそのような共振器ベースのシステムは、３コイルシステムを含んでもよい。３コイルシステムは、送信コイル、受信コイル、および送信コイルと受信コイルとの間の共振結合を強化するための共振器を含んでもよい。別の手法では、複数の共振器を、電力の非接触交換のために使用してもよい。

全ての前述した手法は、非接触媒体を用いて電力を交換するが、これらの方法のいずれも、仕様が異なる送信コイルおよび／または受信コイルを使用できるという融通性を提供しない。ＥＶ充電などの特定の用途では、送信コイルまたは充電ステーションは、車両の受信コイルと互換性がない可能性がある１組の仕様を有する場合がある。送信コイルと受信コイルとの間の非互換性の問題は、消費者にとって望ましくない制約となるおそれがあり、改良されたシステムを使用して対処する必要がある。

簡単に説明すると、一実施形態によれば、非接触電力伝送システムが提供される。非接触電力伝送システムは、電力の非接触交換のために構成された第１の電力交換コイルと、スイッチング部に動作可能に結合された電力嵌合コイルと、スイッチング部に動作可能に結合されたコントローラと、を含む。コントローラは、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御して、第１の電力交換コイルのインピーダンスを整合し、電力の非接触交換を可能にするために、スイッチング部のスイッチング動作を制御するように構成される。

別の実施形態では、電力の非接触交換のためのシステムが提供される。システムは、電力の非接触交換のために構成された第１の電力交換コイルと、スイッチング部に動作可能に結合された電力嵌合コイルと、スイッチング部に動作可能に結合されたコントローラと、を含む非接触電力伝送システムを含む。コントローラは、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御して、第１の電力交換コイルのインピーダンスを整合し、電力の非接触交換を可能にするために、スイッチング部のスイッチング動作を制御するように構成される。システムはまた、非接触電力伝送システムに動作可能に結合され、磁場を介して第１の電力交換コイルと電力を交換するように構成された第２の電力交換コイルを含む。

さらに別の実施形態では、電力の非接触交換のための方法が提供される。本方法は、第１のインピーダンスを有する第１の電力交換コイル、および第２のインピーダンスを有する第２の電力交換コイルを動作可能に結合するステップを含む。本方法はまた、第１の電力交換コイルを電力嵌合コイルに動作可能に結合するステップを含む。本方法は、第２の電力交換コイルの第２のインピーダンスと整合するように第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスを修正して、第１の電力交換コイルと第２の電力交換コイルとの間で電力の非接触交換を可能にするために、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御するステップをさらに含む。

本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

本発明の一実施形態による非接触電力伝送システムの概略図である。本発明の一実施形態による、図１の非接触電力伝送システムを含む電力の非接触交換のためのシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、第１の電力交換コイルに動作可能に結合された磁場集束素子を含む非接触電力伝送システムを有する電力の非接触交換のためのシステムの概略図である。本発明の実施形態による磁場集束素子を形成する共振器の様々な構造の概略図である。本発明の一実施形態による磁場集束素子を形成するように構成された共振器の例示的なアレイの概略図である。本発明の一実施形態による、図３の電力の非接触交換のためのシステムの別の実施形態の概略図である。本発明の一実施形態による、図３の電力の非接触交換のためのシステムのさらに別の実施形態の概略図である。本発明の一実施形態による、複数の第１の電力交換コイルと複数の電力嵌合コイルを含む電力の非接触交換のためのシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、電力の非接触交換のためのシステムを含む例示的な電気自動車充電システムの概略図である。本発明の一実施形態による、図９の電気自動車充電システムの代替的な実施形態の概略図である。本発明の一実施形態による、電力の非接触交換のための方法に含まれるステップを示すフローチャートである。

本発明の実施形態は、電力の非接触交換のためのシステムおよび方法を含む。システムは、電力の非接触交換のために構成された第１の電力交換コイルと、スイッチング部に動作可能に結合された電力嵌合コイルと、スイッチング部に動作可能に結合されたコントローラと、をさらに含む非接触電力伝送システムを含む。コントローラは、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御して、第１の電力交換コイルのインピーダンスを整合し、電力の非接触交換を可能にするために、スイッチング部のスイッチング動作を制御するように構成される。またシステムは、非接触電力伝送システムに動作可能に結合され、磁場を介した第１の電力交換コイルとの電力の非接触交換のために構成された第２の電力交換コイルを含む。

特に定義されない限り、本明細書で用いられる技術的および科学的用語は、本開示が属する技術的分野の当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で用いられる「第１の」、「第２の」などの用語は、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、むしろ１つの要素と別の要素とを区別するために用いられる。また、単数形での記述は、量の限定を意味するものではなく、むしろ参照される項目が少なくとも１つ存在することを意味する。「または」という用語は、包括的であることを意味し、列挙された事項の１つ、いくつか、または全てを意味する。本明細書における「含む」、「備える」、または「有する」、ならびにこれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびその均等物ならびに追加の項目を含むことを意味する。具体的には、特に明記しない限り、「結合される」という用語は、２つ以上の共振器が特定の周波数で励起された場合に電力を交換することができるような、２つ以上の共振器間の結合として定義される共振結合を含む。「交換」および「伝送」という用語は、本明細書では相互に交換可能に用いることができ、同じ意味を伝えることができる。特に明記しない限り、「交換」という用語は、本明細書のための電力の非接触交換として定義することができる。

図１は、本発明の一実施形態による非接触電力伝送システム１００の概略図である。非接触電力伝送システム１００は、電力を交換するように構成された第１の電力交換コイル１１０を含む。第１の電力交換コイル１１０は、第１の電力交換コイル１１０から電力を受け取る負荷１２０に動作可能に結合される。第１の電力交換コイル１１０は、電力嵌合コイル１３０に磁気的に結合される。電力嵌合コイル１３０は、スイッチング部１４０に動作可能に結合される。一実施形態では、スイッチング部１４０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または機械的スイッチを含んでもよい。スイッチング部１４０は、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを整合させるために、電力嵌合コイル１３０の電流の振幅および位相を変化させるために用いられる。この目的のために、スイッチング部１４０は、スイッチング部１４０のスイッチング動作を制御するコントローラ１５０に動作可能に結合される。コントローラ１５０は、電力嵌合コイル１３０の電流の振幅および位相を能動的に制御して、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを整合し、電力の交換をさらに可能にする。コントローラ１５０による電流の振幅および位相の能動的制御については、本明細書において後でさらに詳細に説明する。以下では、「能動的制御」という用語は、外部ゲートパルスを使用して、導通状態と非導通状態との間でスイッチング部１４０を遷移させる制御方式として定義することができる。このような外部ゲートパルスは、電力嵌合コイル１３０の電流の振幅と位相を変化させて、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを整合させるために、コントローラ１５０によってスイッチング部１４０に供給することができる。

図２を参照すると、非接触電力伝送システム（１００）は、図２に示すように、電力の非接触交換のためのシステム２００を形成するために、第２の電力交換コイル１６０に動作可能に結合することができる。第２の電力交換コイル１６０は、コイルキャパシタ１７０に動作可能に接続され、抵抗１８０により示す内部抵抗を含んでもよい。非接触電力伝送システム１００の第１の電力交換コイル１１０は、磁場１９０を介して第２の電力交換コイル１６０と電力を交換する。例示的な実施形態では、第２の電力交換コイル１６０は、送信コイルとして動作するように構成することができ、第１の電力交換コイル１１０は受信コイルとして動作するように構成することができる。しかし、第１の電力交換コイル１１０または第２の電力交換コイル１６０のいずれか一方は、システム要件に基づく種々の実施形態において、送信コイルまたは受信コイルとして動作するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、電力交換コイル１１０および１６０は、電力の同時双方向交換を可能にする送信器および受信器の両方として同時に機能することができる。例えば、非接触電力伝送システム１００は、システム２００の送信側２１０に設けてもよい。このような構成では、第１の電力交換コイル１１０は、第２の電力交換コイル１６０に電力を送信することができる。同様に、非接触電力伝送システム１００は、システム２００の受信側２２０に設けてもよく、第１の電力交換コイル１１０は、第２の電力交換コイル１６０から電力を受信するように構成されてもよい。一実施形態では、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の結合を強化するために、磁場集束素子（図３）を電力の非接触交換のためのシステム２００に追加することができる。別の実施形態では、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の所定の距離（図３）を増加させるために、１つまたは複数の中継共振器（図示せず）を電力の非接触交換のためのシステム２００に追加することができる。いくつかの実施形態では、電力の非接触交換のためのシステム２００は、磁場集束素子、１つもしくは複数の中継共振器、またはこれらの組合せを含んでもよい。別の実施形態では、磁場集束素子、１つもしくは複数の中継共振器、または両方は、送信側２１０、受信側２２０、またはこれらの組合せに配置してもよい。よりよく理解するために、電力を交換するためのシステム２００の受信側２２０に非接触電力伝送システム１００を設ける実施形態について説明する。

特定の実施形態では、引き続き図２を参照すると、第２の電力交換コイル１６０は、電源２３０に電気的に結合することができ、第１の電力交換コイル１１０は、負荷１２０に電気的に結合することができる。例示的な実施形態では、負荷１２０は、エネルギー蓄積装置を含んでもよい。第２の電力交換コイル１６０は、電源２３０から電力を受け取り、電力を磁場１９０に変換する。電力は、磁場１９０を介して非接触電力伝送システム１００に送信される。上で開示したように、非接触電力伝送システム１００は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の電力の交換を可能にするために、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを整合させる電力嵌合コイル１３０を含む。一実施形態では、第１の電力交換コイル１１０は、第１の動作周波数で動作することができ、電力嵌合コイル１３０は、第２の動作周波数で動作することができ、第１の動作周波数は第２の動作周波数と異なっている。

最初に、動作中には、非接触電力伝送システム１００および第２の電力交換コイル１６０は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の距離が所定の距離２４０を超えないように、所定の距離２４０内に配置される。第１の電力交換コイル１１０および第２の電力交換コイル１６０は、互いに互換性がない可能性があり、電力を交換することができない場合があることに留意されたい。第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の非互換性は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との異なる仕様により、認識することができる。一実施形態では、仕様は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との動作周波数、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０とのコイル設計の違い、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０とのインピーダンス、または、２つの電力交換コイル間の磁気結合に影響を及ぼし得る他の任意のパラメータを含んでもよい。したがって、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の非互換性を解決するために、電力嵌合コイル１３０の電流の振幅および位相をコントローラ１５０によって能動的に制御して、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスと整合させる。

この目的のために、コントローラ１５０は、周波数掃引を実行して、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間の電力の交換を可能にすることができるスイッチング部１４０のデューティサイクルを識別する。一実施形態では、周波数掃引は、所定のデューティサイクルでヒットトライアル方法に基づいて実行することができる。別の実施形態では、スイッチング部１４０の所定のデューティサイクルは、コントローラのメモリ（図示せず）に格納することができる。所定のデューティサイクルは、スイッチング部１４０の種々の動作周波数を表すことができ、これらは電力嵌合コイル１３０の動作周波数を次々に表している。電力嵌合コイル１３０の種々の動作周波数は、現在利用可能な種々の第２の電力交換コイル構成のインピーダンスと整合することができる第１の電力交換コイル１１０の種々のインピーダンスをもたらす。一実施形態では、第２の電力交換コイル構成は、所定の時間間隔でコントローラ１５０において更新することができ、最大数の種々の第２の電力交換コイル構成の互換性および相互運用性を提供することができる。

周波数掃引を実行している間、コントローラ１５０は、各デューティサイクルを実行し、デューティサイクルに基づいてスイッチング部１４０にゲートパルスを提供する。ゲートパルスは、導通状態と非導通状態との間でスイッチング部１４０の遷移を可能にする。このような遷移は、電力嵌合コイル１３０の電流の振幅および位相を能動的に制御する。したがって、電力嵌合コイル１３０は、第１の電力交換コイル１１０に磁気的に結合されるので、電流の振幅および位相の変化によって、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスが変化する。第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスのこの変化は、第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスを整合するために用いられる。

さらに、上述したように第２の電力交換コイル１６０を所定の距離２４０内に配置することにより、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスが第２の電力交換コイル１６０と整合した場合に、第２の電力交換コイル１６０が第１の電力交換コイル１１０に磁気的に結合して、電力の交換が開始することができる。コントローラ１５０は、この原理を用いて、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスと整合させるデューティサイクルを識別する。一実施形態では、コントローラ１５０は、第１の電力交換コイル１１０および第２の電力交換コイル１６０から電力交換データ（図示せず）を取得して、コントローラ１５０が実行するデューティサイクルが、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスと整合させるかどうかを判定することができる。同様に、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスが第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスと整合するデューティサイクルを、コントローラ１５０が識別するまで、コントローラ１５０は各デューティサイクルを実行する。一実施形態では、コントローラ１５０は、各デューティサイクルを順番にまたはランダムに実行することができる。さらに、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスが第２の電力交換コイル１６０に整合するデューティサイクルを識別すると、コントローラ１５０は、電力の交換が完了するまで、同じデューティサイクルを継続する。別の実施形態では、最適な効率および電力伝送能力を維持するために、交換される電力の変化、または電力交換中の電力の非接触交換のためのシステム２００の１つもしくは複数のコイルの温度に基づいて、コントローラ１５０は、識別されたデューティサイクルを修正することができる。

図３は、本発明の一実施形態による、第１の電力交換コイル１１０に動作可能に結合された磁場集束素子２７０を含む非接触電力伝送システム２６０を有する電力の非接触交換のためのシステム２５０の概略図である。磁場集束素子２７０は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との磁気結合を強化する。一実施形態では、磁場集束素子２７０は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間に配置することができる。別の実施形態では、磁場集束素子２７０は、第２の電力交換コイル１６０によって第１の電力交換コイル１１０に送信された、または第１の電力交換コイル１１０から第２の電力交換コイル１６０に送信された磁場１９０を集束させることができる。特定の実施形態では、磁場集束素子２７０は、少なくとも１つの共振器を含むことができて、少なくとも１つの共振器は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間で、電力およびデータ信号の双方向伝送を可能にするように構成することができる。

図４は、図３の非接触電力伝送システム２６０の磁場集束素子２７０を形成することができる少なくとも１つの共振器の様々な構造を示す。一実施形態では、磁場集束素子２７０は、単一ループコイル２８０を含んでもよい。別の実施形態では、磁場集束素子２７０は、スプリットリング構造２９０、らせん構造３００、スイスロール構造３１０、またはヘリカルコイル３２０などの複数の巻きを含んでもよい。特定用途のための構造の選択は、磁場集束素子２７０のサイズおよび自己共振周波数によって決定される。

図３に戻ると、一実施形態では、磁場集束素子２７０の端部２７２、２７４（図４）は、図３に示すように容量装荷型コイルを形成する磁場集束キャパシタ３３０に結合することができる。容量装荷型コイルは、励磁されると、第２の電力交換コイル１６０から受信した磁場１９０を増幅し、増幅した磁場（図示せず）を第１の電力交換コイル１１０に送信する。

別の実施形態では、磁場集束素子２７０の端部２７２、２７４は開放したままにしてもよく、磁場集束キャパシタ３３０を磁場集束素子２７０の端部２７２、２７４に接続しなくてもよい。このような実施形態では、磁場集束素子２７０は、自己共振コイルとして振る舞い、第２の電力交換コイルが磁場集束素子２７０の共振周波数で励磁された場合に、磁場集束素子２７０の端部２７２、２７４間の磁場集束素子２７０内には定在波電流分布が発生することができる。定在波電流分布は、磁場集束素子２７０の周囲の不均一な磁場分布をもたらす可能性がある。このような不均一な電流分布は、磁場１９０を任意の所望の方向に、この例では第１の電力交換コイル１１０の方向に、集束させるように構成することができる。共振周波数で動作している場合には、磁場集束素子２７０の小さな励磁であっても、磁場集束素子２７０の長さに沿った電流分布の大きな振幅を生成する。不均一な分布の大きな電流の振幅は、第１の電力交換コイル１１０の方向に増幅され集束された磁場をもたらすことができ、それは電力伝送の高い効率をもたらす。磁場集束素子２７０の動作についてのより多くの詳細は、２０１４年３月１８日に発行された同一出願人による米国特許第８６７４５５０号に記載されており、これは参照により全体として本明細書に組み込まれる。

さらに、図５は、アレイ３５０に配列された複数の共振器３４０を含むことができる磁場集束素子２７０の例示的な実施形態の概略図を示し、複数の共振器３４０は、複数の共振器３４０の合成磁場を、第１の電力交換コイル１１０または第２の電力交換コイル１６０の方向に向かって集束させる。より具体的には、アレイ３５０に配列された複数の共振器３４０は、単一のユニットとして動作するように構成され、所望の方向に強め合う（加算する）ように干渉して磁場の集束を達成し、残りの空間では弱め合う（打ち消し合う）ように干渉することにより、アレイ３５０の複数の共振器３４０のそれぞれの磁場による合成磁場（図示せず）が確立される。アレイ３５０の１つの形式を示しているが、複数の共振器３４０を用いて実現することができる様々な他の形式のアレイであってもよい。特定の実施形態では、他の形式のアレイは、２次元アレイまたは３次元アレイを含んでもよい。合成磁場は、システム２５０の構成に基づいて、第１の電力交換コイル１１０または第２の電力交換コイル１６０に送信することができる。さらに、特定の実施形態では、複数の共振器３４０は、第１の電力交換コイル１１０と第２の電力交換コイル１６０との間で、電力およびデータ信号の同時双方向伝送を可能にするために、同時に２つ以上の異なる共振周波数で動作するように構成することができる。

引き続き図３を参照すると、第１の電力交換コイル１１０のインピーダンスを第２の電力交換コイル１６０のインピーダンスと整合させることに加えて、電力嵌合コイル１３０は、第２の電力交換コイル１６０に対する非接触電力伝送システム２６０の任意のずれに起因する位相の変化、第１の電力交換コイル１１０の負荷１２０の変化、ならびに、経年変化および泥、氷水の付着などの環境の影響による第１の電力交換コイル１１０、第２の電力交換コイル１６０、電力嵌合コイル１３０および磁場集束素子２７０のインダクタンスおよびキャパシタンスなどの特性の変動を補償することもできる。本明細書で用いる「位置ずれ」という用語は、第２の電力交換コイル（例えば、第２の電力交換コイル１６０）と非接触電力伝送システム（例えば、非接触電力伝送システム２６０）との間の任意の角度ずれを意味する。特に、磁場集束素子２７０、第１の電力交換コイル１１０、および電力嵌合コイル１３０は、相対的に固定された位置で互いに結合され、非接触電力伝送システム２６０を形成する。システム２５０における位置ずれは、全て非接触電力伝送システム２６０と第２の電力交換コイル１６０との間であり、非接触電力伝送システム２６０の各構成要素間の位置ずれとして解釈すべきではない。例示的な実施形態では、第１の電力交換コイル１１０は、磁場集束素子２７０と電力嵌合コイル１３０との間に動作可能に結合することができる。一実施形態では、電力嵌合コイル１３０および磁場集束素子２７０は、それぞれ互いに異なる共振周波数で動作する。別の実施形態では、電力嵌合コイル１３０の共振周波数は、磁場集束素子２７０の共振周波数よりも高い。これによって、非接触電力伝送システム２６０に容量性リアクタンスを提供し、システム２５０の遅れ力率を補償する。一例では、電力嵌合コイル１３０は、第１の電力交換コイル１１０の２倍の周波数で動作する。別の実施形態では、電力嵌合コイル１３０の共振周波数は、磁場集束素子２７０の共振周波数よりも低い。これによって、非接触電力伝送システム２６０に誘導性リアクタンスを提供し、システム２５０の進み力率を補償する。例示的な実施形態では、磁場集束素子２７０の共振周波数は、第２の電力交換コイル１６０の共振周波数に等しく、したがって、その延長で、電力嵌合コイル１３０の共振周波数は、第２の電力交換コイル１６０の共振周波数と異なる。

動作中には、電力嵌合コイル１３０は、磁場集束素子２７０と比較して相対的に高い共振周波数を有するので、キャパシタとして振る舞い、システム２５０に容量性リアクタンスを提供して、システム２５０の効率および電力伝送能力を増加させる。システム２５０の効率は、システム２５０の入力力率に依存しており、システム２５０の効率は、システム２５０の入力力率を増加させることによって向上する。電力嵌合コイル１３０によって提供された容量性リアクタンスは、インピーダンス整合をもたらし、負荷１２０に電力を伝送するためにシステム２５０によって引き出される電流を減少させ、したがってシステム２５０の入力力率が改善して効率が向上する。

さらに、電力嵌合コイル１３０によって提供された容量性リアクタンスは、システム２５０の電力出力を増加させることにより、システム２５０の電力伝送能力を増大させる。負荷１２０の電力出力は、システム２５０の全反射インピーダンスに依存する。電力嵌合コイル１３０によって提供された容量性リアクタンスは、全反射インピーダンスを減少させ、次にシステム２５０の電力伝送能力を増大させることができる。システム２５０の向上した効率および電力伝送能力により、第２の電力交換コイル１６０と非接触電力伝送システム２６０との間の結合が強化されると言われている。

図６は、本発明の一実施形態による、図３の電力の非接触交換のためのシステムの別の実施形態４００の概略図である。この実施形態では、システム４００は、非接触電力伝送システム４１０および第２の電力交換コイル４２０を含む。非接触電力伝送システム４１０は、第１の集積コイル４３０および第１の電力交換コイル４４０を含む。第１の集積コイル４３０は、磁場集束素子および互いに電気的に結合された電力嵌合コイルを含む。磁場集束素子および電力嵌合コイルは、図３で用いられるキャパシタよりも高いキャパシタンスを一般的に有する共通キャパシタ４５０を共有する。図３のシステムと比較すると、共通キャパシタの方法は、コストと損失を低減するのに役立つ。さらに、第１の集積コイル４３０は、共通キャパシタ４５０に動作可能に結合されたスイッチング部４６０も含む。スイッチング部４６０は、コントローラ４７０に動作可能に結合される。第２の電力交換コイル４２０は、電源４９０から受け取った電力から磁場４８０を生成し、磁場４８０を非接触電力伝送システム４１０に送信する。システムの動作のさらに詳細については、図３のシステムの上記の説明を参照することができる。

図７は、本発明の一実施形態による、図３の電力の非接触交換のためのシステムのさらに別の実施形態５００の概略図である。本実施形態５００は、非接触電力伝送システム５１０および第２の電力交換コイル５２０を含む。非接触電力伝送システム５１０は、第２の集積コイル５３０を含む。第２の集積コイル５３０は、第２の集積コイル５３０を形成するように互いに電気的に結合された磁場集束素子、電力嵌合コイル、および第１の電力交換コイルを含み、電力嵌合コイルは、磁場集束素子と第１の電力交換コイルとの間の磁場集束素子に電気的に結合される。さらに、第２の集積コイル５３０はまた、共通キャパシタ５５０に動作可能に結合されたスイッチング部５４０を含む。スイッチング部５４０は、コントローラ５６０にさらに接続され、コントローラ５６０は、スイッチング部のスイッチング動作を制御して、第２の集積コイル５３０の電流の振幅および位相を能動的に制御する。一般に、第１の電力交換コイルの出力（図示せず）における電力は、第１の電力交換コイルにより受信した電力と第１の電力交換コイルの全内部損失との差を決定することにより算出される。全内部損失の１つのそのような成分は、自己インダクタンス損失を含むことができる。本実施形態では、自己インダクタンス損失は、電力嵌合コイルにより提供される容量性リアクタンスによって相殺され、第２の集積コイル５３０に結合された負荷５７０には、従来のシステム（図示せず）と比較して、より高い電力が生じる。さらに、本実施形態によれば、第２の集積コイル５３０が１つのキャパシタを共有し、第１の電力交換コイルと磁場集束素子との間の共振を確立し、第１の電力交換コイルのインピーダンスを第２の電力交換コイルのインピーダンスと整合させ、第１の電力交換コイルの自己誘導損失を低減することができる。システムの動作のさらに詳細については、図３のシステムの上記の説明を参照することができる。

図８は、本発明の一実施形態による、複数の第１の電力交換コイル６１０と複数の電力嵌合コイル６２０を含む電力の非接触交換のためのシステム６００の概略図である。複数の第１の電力交換コイル６１０の各々は、対応する電力嵌合コイル６２０に動作可能に結合される。さらに、複数のスイッチング部６３０は、複数の電力嵌合コイル６２０に動作可能に結合することができる。複数の電力嵌合コイルは、コントローラ６４０に動作可能に結合することができ、コントローラ６４０は、複数のスイッチング部６３０を個別に制御して、１つまたは複数の第１の電力交換コイル６１０と１つまたは複数の第２の電力交換コイル６５０との間の電力交換を選択的に可能にすることができる。例えば、システム６００は、符号６１２〜６１８で示す４つの第１の電力交換コイルを含んでもよい。４つの第１の電力交換コイル６１２〜６１８の各々は、４つの対応する電力嵌合コイル６２２〜６２８に個別に結合することができる。４つの電力嵌合コイル６２２〜６２８の各々は、コントローラ６４０に動作可能に結合することができる対応するスイッチング部６３２〜６３８を含んでもよい。説明のために、１つの第２の電力交換コイル６５０だけを示しているが、複数の第２の電力交換コイル６５０を、１つまたは複数の第１の電力交換コイル６１０と同時に電力を交換するために用いることもできる。

動作中に、第２の電力交換コイル６５０を複数の第１の電力交換コイル６１０から所定の距離６６０内に配置すると、コントローラ６４０は、第２の電力交換コイル６５０の存在を検出し、第２の電力交換コイル６５０と電力を交換できるようにする必要がある１つまたは複数の対応する第１の電力交換コイル６１４、６１６を選択する。一実施形態では、コントローラ６４０は、負荷検出アルゴリズムに基づいて、第２の電力交換コイル６５０の存在を検出することができ、負荷検出アルゴリズムは、電力の非接触交換のためのシステム６００に第２の電力交換コイル６５０が存在する時または存在しない時の複数の第１の電力交換コイルのインピーダンスの変化を決定する。続いてコントローラ６４０は、対応する電力嵌合コイル６２４、６２６のスイッチング部６３４、６３６を制御して、対応する電力嵌合コイル６２４、６２６の電流の振幅および位相を能動的に制御する。対応する電力嵌合コイル６２４、６２６の電流の振幅および位相の能動的な制御は、コントローラ６４０によって選択された１つまたは複数の選択された第１の電力交換コイル６１４、６１６だけのインピーダンスを第２の電力交換コイル６５０と整合させる。これは、１つまたは複数の選択された第１の電力交換コイル６１４、６１６と第２の電力交換コイル６５０との間の電力の交換を可能にする。

図９は、本発明の一実施形態による、電気自動車７２０を充電するために電気自動車７２０に電気的に結合された非接触電力伝送システム７１０と、第２の電力交換コイル７４０に電気的に結合された充電ステーション７３０とを含む、例示的な電気自動車充電システム７００の概略図である。非接触電力伝送システム７１０は、第１の電力交換コイル（図１）、電力嵌合コイル（図１）、およびコントローラ（図１）をさらに含み、第１の電力交換コイルは、第１のインピーダンスを有してもよい。さらに、充電ステーション７３０は、電源７５０および第２の電力交換コイル７４０に電気的に結合され、第２の電力交換コイル７４０は、第２のインピーダンスを有してもよい。充電ステーション７３０は、指定された駐車エリア７６０をさらに含み、指定された駐車エリア７６０内には第２の電力交換コイル７４０が配置される。

電気自動車７２０を充電するための例示的な努力において、電気自動車７２０は、非接触電力伝送システム７１０と第２の電力交換コイル７４０との間の距離が所定の距離内になるように、指定された駐車エリア７６０に駐車することができる。しかし、非接触電力伝送システム７１０の第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスは、第２の電力交換コイル７４０の第２のインピーダンスと異なっている場合があり、これは非互換性の問題をもたらすおそれがある。したがって、非接触電力伝送システム７１０の電力嵌合コイルは、第２の電力交換コイル７４０の第２のインピーダンスと整合するように、第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスを修正することができる。この目的のために、非接触電力伝送システム７１０のコントローラは、電力嵌合コイルに動作可能に結合されたスイッチング部のデューティサイクルを決定し、決定されたデューティサイクルに基づいてスイッチング部のスイッチング動作を制御する。さらに、スイッチング部のスイッチング動作を制御することで、コントローラは、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御して、第２の電力交換コイル７４０の第２のインピーダンスと整合するように第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスを修正する。

第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスを第２の電力交換コイル７４０の第２のインピーダンスと整合させると、第２の電力交換コイル７４０は、磁場７７０を第１の電力交換コイルに送信することにより、電力の交換を開始する。磁場７７０は、第２の電力交換コイル７４０が電源７５０から受け取った電力から生成される。第１の電力交換コイルは、磁場７７０を受信して、磁場７７０を電力に変換し、電力は非接触電力伝送システム７１０に電気的に結合されたエネルギー蓄積装置７８０にさらに送られる。一実施形態では、エネルギー蓄積装置７８０は、電気自動車７２０を動作させるために使用することができるバッテリを含んでもよい。別の実施形態では、第１の電力交換コイルは、第２の電力交換コイル７４０とデータを同時に交換することができる。一実施形態では、データは、充電データを含んでもよい。

一実施形態では、磁場集束素子（図３）は、第１の電力交換コイルと第２の電力交換コイル７４０との間に配置してもよい。一実施形態では、磁場集束素子は、電気自動車７２０、または非接触電力伝送システム７１０の場所から独立した充電ステーション７３０に配置してもよい。磁場集束素子は、第２の電力交換コイル７４０から磁場７７０を受信し、受信した磁場を第１の電力交換コイルの方向に集束させ、またはその逆を行って、非接触電力伝送システム７１０と第２の電力交換コイル７４０との間の電力の交換の効率をさらに高めることができる。例示的な実施形態では、磁場集束素子は、電力、データ、または両方の同時双方向交換を可能にする。

図１０は、本発明の一実施形態による、図９の電気自動車充電システムの代替的な実施形態８００の概略図である。この実施形態では、非接触電力伝送システム７１０は、指定された駐車エリア７６０に配置することができ、非接触電力伝送システム７１０の第１の電力交換コイルは、充電ステーション７３０の電源７５０に電気的に結合することができる。さらに、第２の電力交換コイル７４０は、電気自動車７２０に配置され、エネルギー蓄積装置７８０に電気的に結合することができる。しかし、電気自動車充電システムの動作は、図９で説明した動作と同じであってもよい。さらに、第２の電力交換コイル７４０は、磁場７７０を介して、エネルギー蓄積装置７８０に関するデータを充電ステーション７３０と同時に交換することもできる。一実施形態では、データは、充電データを含んでもよい。

図１１は、本発明の一実施形態による、電力の非接触交換のための方法９００に含まれるステップを示すフローチャートである。方法９００は、ステップ９１０において、第１のインピーダンスを有する第１の電力交換コイルと、第２のインピーダンスを有する第２の電力交換コイルと、を動作可能に結合するステップを含む。さらに、第１の電力交換コイルは、ステップ９２０において、電力嵌合コイルに動作可能に結合することができる。方法９００は、ステップ９３０において、第２の電力交換コイルの第２のインピーダンスと整合するように第１の電力交換コイルの第１のインピーダンスを修正して、第１の電力交換コイルと第２の電力交換コイルとの間で電力の交換を可能にするために、電力嵌合コイルの電流の振幅および位相を能動的に制御するステップをさらに含んでもよい。一実施形態では、周波数掃引を、第１の電力交換コイルと、第２の電力交換コイルと、電力嵌合コイルとの間で行うことができる。周波数掃引は、第２の電力交換コイルの第２のインピーダンスと整合するように第１のインピーダンスを修正し、第１の電力交換コイルと第２の電力交換コイルとの間の電力の交換を可能にするために、スイッチング部のデューティサイクルを決定する。別の実施形態では、複数の第１の電力交換コイルおよび複数の電力嵌合コイルを設けてもよい。第１の電力交換コイルの各々は、対応する電力嵌合コイルに動作可能に結合され、電力嵌合コイルの各々の電流は、１つまたは複数の第１の電力交換コイルと第２の電力交換コイルとの間で電力の交換を可能にするために、１つまたは複数の第１の電力交換コイルのインピーダンスを第２の電力交換コイルの第２のインピーダンスと整合させるように個別に制御することができる。

当業者が種々の実施形態から様々な特徴の互換性を認識すること、ならびに、記載した様々な特徴、および各特徴についての他の公知の均等物は、本開示の原理に従って追加のシステムおよび技術を構築するために、当業者によって混合され適合されてもよいことを理解されたい。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の要旨に含まれるこのような全ての改変および変形を包含することを意図していると理解すべきである。

本発明の特定の特徴だけを本明細書に図示し記載しているが、多くの改変および変形が当業者に想到されるであろう。したがって、添付した特許請求の範囲は、本発明の真の要旨に含まれるこのような全ての改変および変形を包含することを意図していると理解すべきである。

１００非接触電力伝送システム
１１０第１の電力交換コイル
１２０負荷
１３０電力嵌合コイル
１４０スイッチング部
１５０コントローラ
１６０第２の電力交換コイル
１７０コイルキャパシタ
１８０抵抗
１９０磁場
２００電力の非接触交換のためのシステム、システム
２１０送信側
２２０受信側
２３０電源
２４０所定の距離
２５０電力の非接触交換のためのシステム、システム
２６０非接触電力伝送システム
２７０磁場集束素子
２７２端部
２７４端部
２８０単一ループコイル
２９０スプリットリング構造
３００らせん構造
３１０スイスロール構造
３２０ヘリカルコイル
３３０磁場集束キャパシタ
３４０複数の共振器
３５０アレイ
４００電力の非接触交換のためのシステムの別の実施形態、システム
４１０非接触電力伝送システム
４２０第２の電力交換コイル
４３０第１の集積コイル
４４０第１の電力交換コイル
４５０共通キャパシタ
４６０スイッチング部
４７０コントローラ
４８０磁場
４９０電源
５００電力の非接触交換のためのシステムのさらに別の実施形態
５１０非接触電力伝送システム
５２０第２の電力交換コイル
５３０第２の集積コイル
５４０スイッチング部
５５０共通キャパシタ
５６０コントローラ
５７０負荷
６００電力の非接触交換のためのシステム、システム
６１０複数の第１の電力交換コイル
６１２〜６１８第１の電力交換コイル
６２０複数の電力嵌合コイル
６２２〜６２８電力嵌合コイル
６３０複数のスイッチング部
６３２〜６３８スイッチング部
６４０コントローラ
６５０第２の電力交換コイル
６６０所定の距離
７００電気自動車充電システム
７１０非接触電力伝送システム
７２０電気自動車
７３０充電ステーション
７４０第２の電力交換コイル
７５０電源
７６０指定された駐車エリア
７７０磁場
７８０エネルギー蓄積装置
８００電気自動車充電システムの代替的な実施形態
９００電力の非接触交換のための方法
９１０ステップ
９２０ステップ
９３０ステップ

Claims

非接触電力伝送システム（１００）であって、
電力の非接触交換のために構成された第１の電力交換コイル（１１０）と、
スイッチング部（１４０）に動作可能に結合された電力嵌合コイル（１３０）と、
前記スイッチング部（１４０）に動作可能に結合されたコントローラ（１５０）と、
を含み、
前記コントローラ（１５０）は、前記電力嵌合コイル（１３０）の電流の振幅および位相を能動的に制御して、前記第１の電力交換コイル（１１０）のインピーダンスを整合し、電力の非接触交換を可能にするために、前記スイッチング部（１４０）のスイッチング動作を制御するように構成される、非接触電力伝送システム（１００）。
前記第１の電力交換コイル（１１０）は第１の周波数で動作し、前記電力嵌合コイル（１３０）は第２の周波数で動作し、前記第１の周波数は前記第２の周波数と異なる、請求項１に記載の非接触電力伝送システム（１００）。
前記第１の電力交換コイル（１１０）との電力の非接触交換のために構成された第２の電力交換コイル（１６０）をさらに含む、請求項１に記載の非接触電力伝送システム（１００）。
前記第１の電力交換コイル（１１０）は、前記第２の電力交換コイル（１６０）から電力を受信するように、または前記第２の電力交換コイル（１６０）に電力を送信するように構成される、請求項３に記載の非接触電力伝送システム（１００）。
磁場を集束させるために、前記第１の電力交換コイル（１１０）、前記第２の電力交換コイル（１６０）、または前記電力嵌合コイル（１３０）に動作可能に結合された磁場集束素子（２７０）をさらに含む、請求項１に記載の非接触電力伝送システム（２６０）。
前記磁場集束素子（２７０）は、少なくとも１つの共振器を含み、前記少なくとも１つの共振器は、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で、電力およびデータ信号の双方向伝送を可能にするように構成される、請求項５に記載の非接触電力伝送システム（２６０）。
前記少なくとも１つの共振器は、アレイ状に配列された複数の共振器（３４０）を含み、前記複数の共振器（３４０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）または第２の電力交換コイル（１６０）の方向に向かって、前記複数の共振器（３４０）の合成磁場を集束させる、請求項６に記載の非接触電力伝送システム（２６０）。
前記複数の共振器（３４０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で、電力およびデータ信号の同時双方向伝送を可能にするために、同時に２つ以上の異なる共振周波数で動作するように構成される、請求項７に記載の非接触電力伝送システム（２６０）。
複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）および複数の電力嵌合コイル（６２２〜６２８）をさらに含み、前記第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）の各々は、対応する電力嵌合コイル（６２２〜６２８）に動作可能に結合され、前記電力嵌合コイル（６２２〜６２８）の各々の前記スイッチング部（６３２〜６３８）は、１つまたは複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）からの電力伝送を選択的に可能にするように個別に制御される、請求項１に記載の非接触電力伝送システム（６００）。
前記スイッチング部（１４０）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または機械的スイッチを含む、請求項１に記載の非接触電力伝送システム（１００）。
電力の非接触交換のためのシステム（２００）において、
非接触電力伝送システム（１００）であって、
電力の非接触交換のために構成された第１の電力交換コイル（１１０）と、
スイッチング部（１４０）に動作可能に結合された電力嵌合コイル（１３０）と、
前記スイッチング部（１４０）に動作可能に結合されたコントローラ（１５０）であって、前記電力嵌合コイル（１３０）の電流の振幅および位相を能動的に制御して、前記第１の電力交換コイル（１１０）のインピーダンスを整合し、電力の非接触交換を可能にするために、前記スイッチング部（１４０）のスイッチング動作を制御するように構成されるコントローラ（１５０）と、
を含む、非接触電力伝送システム（１００）と、
第２の電力交換コイル（１６０）であって、前記非接触電力伝送システム（１００）に動作可能に結合され、磁場を介した前記第１の電力交換コイル（１１０）との電力の非接触交換のために構成される、第２の電力交換コイル（１６０）と
を含む、システム（２００）。
前記第１の電力交換コイル（１１０）および前記第２の電力交換コイル（１６０）は、第１の周波数で動作するように構成され、前記電力嵌合コイル（１３０）は、第２の周波数で動作するように構成され、前記第１の周波数は前記第２の周波数と異なる、請求項１１に記載のシステム（２００）。
前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間に配置された磁場集束素子（２７０）をさらに含み、前記磁場集束素子（２７０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）または前記第２の電力交換コイル（１６０）の方向に磁場を集束させるように構成される、請求項１１に記載のシステム（２５０）。
前記磁場集束素子（２７０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で、電力およびデータの双方向伝送を可能にするように構成された少なくとも１つの共振器を含む、請求項１３に記載のシステム（２５０）。
前記少なくとも１つの共振器は、アレイ状に配列された複数の共振器（３４０）を含み、前記複数の共振器（３４０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）または第２の電力交換コイル（１６０）の方向に、前記複数の共振器（３４０）の合成磁場を集束させる、請求項１４に記載のシステム（２５０）。
前記複数の共振器（３４０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で、電力およびデータ信号の同時双方向伝送を可能にするために、同時に２つ以上の異なる共振周波数で動作するように構成される、請求項１５に記載のシステム（２５０）。
複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）および複数の電力嵌合コイル（６２２〜６２８）をさらに含み、前記第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）の各々は、対応する電力嵌合コイル（６２２〜６２８）に動作可能に結合され、前記電力嵌合コイル（６２２〜６２８）の各々の前記スイッチング部（６３２〜６３８）は、１つまたは複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）からの電力伝送を選択的に可能にするように、個別に制御される、請求項１１に記載のシステム（６００）。
電力の非接触交換のための方法（９００）であって、
第１のインピーダンスを有する第１の電力交換コイル（１１０）、および第２のインピーダンスを有する第２の電力交換コイル（１６０）を動作可能に結合するステップ（９１０）と、
電力嵌合コイル（１３０）を前記第１の電力交換コイル（１１０）に動作可能に結合するステップ（９２０）と、
前記第２の電力交換コイル（１６０）の前記第２のインピーダンスと整合するように前記第１の電力交換コイル（１１０）の前記第１のインピーダンスを修正して、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で電力の非接触交換を可能にするために、前記電力嵌合コイル（１３０）の電流の振幅および位相を能動的に制御するステップ（９３０）と、
を含む方法（９００）。
前記電力嵌合コイル（１３０）の電流の前記振幅および前記位相を能動的に制御するステップ（９３０）は、前記第１の電力交換コイル（１１０）と、前記第２の電力交換コイル（１６０）と、前記電力嵌合コイル（１３０）との間で周波数掃引を実行するステップを含み、前記周波数掃引を実行するステップは、前記第２の電力交換コイル（１６０）の前記第２のインピーダンスと整合するように前記第１のインピーダンスを修正して、前記第１の電力交換コイル（１１０）と前記第２の電力交換コイル（１６０）との間で電力の非接触交換を可能にするために、前記電力嵌合コイル（１３０）に動作可能に結合されたスイッチング部（１４０）のデューティサイクルを決定する、請求項１８に記載の方法（９００）。
複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）および複数の電力嵌合コイル（６２２〜６２８）を設けるステップをさらに含み、前記第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）の各々は、対応する電力嵌合コイル（６２２〜６２８）に動作可能に結合され、前記電力嵌合コイル（６２２〜６２８）の各々の前記電流は、１つまたは複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）と前記第２の電力交換コイル（６５０）との間で電力の非接触交換を可能にするために、前記１つまたは複数の第１の電力交換コイル（６１２〜６１８）の前記第１のインピーダンスを前記第２の電力交換コイル（６５０）の前記第２のインピーダンスと整合させるように個別に制御される、請求項１８に記載の方法（９００）。