(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気自動車に給電または充電する無線電力受電装置であって、
第1のコイルを備え、前記電気自動車に給電または充電するための電力を無線で受電するように構成された受電回路と、
第2のコイルを備え、第3のコイルを備える送電回路から電力を無線で受電するように構成され、前記送電回路から受電した電力を前記受電回路へ無線で転送するようにさらに構成された受動回路と、
前記送電回路の前記第3のコイルと前記第1のコイルとの間の横方向のずれを検出し、
前記検出に応答して前記第1のコイルから前記第2のコイルを移動させるように構成された制御装置と
を備える無線電力受電装置。
【請求項２】
前記第1のコイルと前記第2のコイルが、共平面をなす、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項３】
前記受動回路が、容量およびインダクタンスを有し、前記受動回路が、前記容量および前記インダクタンスに基づく周波数で共振するように構成される、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項４】
前記受動回路が自己共振コイルを備える、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項５】
前記受電回路および前記受動回路が、共通の周波数で共振するように構成される、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項６】
前記受動回路が第1の受動回路であり、前記送電回路が、第4のコイルを備える第2の受動回路をさらに備え、前記第2の受動回路が、前記送電回路から受電した電力を前記第1の受動回路へ無線で転送するように構成される、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項７】
前記第2のコイルが、前記電気自動車の下面部分内の空胴内に収容される、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項８】
前記受動回路が、機械的結合のみを介して電気自動車へ結合される、請求項1に記載の無線電力受電装置。
【請求項９】
送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する方法であって、
第1のコイルを備える受電回路で電力を無線で受電するステップと、
第2のコイルを備える受動回路で前記送電回路から電力を無線で受電するステップと、
前記送電回路から受電した電力を、前記受動回路を介して前記受電回路へ無線で転送するステップと、
前記無線で転送された電力を前記受電回路から前記電気自動車のエネルギー蓄積デバイスへ提供するステップと、
前記送電回路の第3のコイルと前記第1のコイルとの間の横方向のずれを検出するステップと、
前記検出に応答して前記第1のコイルから前記第2のコイルを移動させるステップと
を含む方法。
【請求項１０】
前記第1のコイルと前記第2のコイルが、共平面をなす、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記受動回路が自己共振コイルを備える、請求項9に記載の方法。
【請求項１２】
前記受動回路が第1の受動回路であり、電力を無線で受電するステップが、前記送電回路の第2の受動回路から電力を無線で受電するステップを含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１３】
前記第2のコイルが、前記電気自動車の下面部分内の空胴内に収容される、請求項9に記載の方法。
【請求項１４】
前記受動回路が、機械的結合のみを介して電気自動車へ結合される、請求項9に記載の方法。
【請求項１５】
電気自動車に給電または充電する無線電力受電装置であって、
前記電気自動車に給電または充電するための電力を無線で受電するように構成された電力無線受電手段と、
電力無線送電手段から電力を無線で受電するように構成され、前記電力無線送電手段から受電した電力を前記電力無線受電手段へ無線で転送するようにさらに構成された電力受動無線中継手段と、
前記電力無線送電手段と前記電力無線受電手段との間の横方向のずれの検出に応答して、前記電力無線受電手段から前記電力受動無線中継手段を移動させるように構成された制御手段とを備える無線電力受電装置。
【請求項１６】
前記電力無線受電手段と前記電力受動無線中継手段が、共平面をなす、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項１７】
前記電力受動無線中継手段が自己共振コイルを備える、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項１８】
前記電力受動無線中継手段が第1の電力受動無線中継手段であり、前記電力無線送電手段が、第2の電力受動無線中継手段をさらに備え、前記第2の電力受動無線中継手段が、前記電力無線送電手段から受電した電力を前記第1の電力受動無線中継手段へ無線で転送するように構成される、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項１９】
前記電力受動無線中継手段が、前記電気自動車の下面部分内の空胴内に収容される、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項２０】
前記電力受動無線中継手段が、機械的結合のみを介して電気自動車へ結合される、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項２１】
前記電力無線受電手段が、第1のコイルを備える受電回路を備え、前記電力受動無線中継手段が、第2のコイルを備える受動回路を備え、前記電力無線送電手段が送電回路を備える、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項２２】
前記制御手段が制御装置を備える、請求項15に記載の無線電力受電装置。
【請求項２３】
電気自動車に給電または充電する無線電力送電装置であって、
第1のコイルを備え、電力を無線で送電するように構成された送電回路と、
第2のコイルを備え、前記送電回路から電力を無線で受電するように構成され、前記送電回路から受電した電力を受電回路へ無線で転送するようにさらに構成された受動回路であり、前記受電回路が第3のコイルを備え、前記電気自動車に給電または充電するための電力を提供するように構成される、受動回路と、
前記第1のコイルと前記第3のコイルとの間の横方向のずれの検出に応答して、前記第1のコイルから前記第2のコイルを移動させるように構成された制御装置と
を備える無線電力送電装置。
【請求項２４】
前記第1のコイルと前記第2のコイルが、共平面をなす、請求項23に記載の無線電力送電装置。
【請求項２５】
前記受動回路が自己共振コイルを備える、請求項23に記載の無線電力送電装置。
【請求項２６】
前記送電回路および前記受動回路が、共通の周波数で共振するように構成される、請求項23に記載の無線電力送電装置。
【請求項２７】
前記受動回路が第1の受動回路であり、前記受電回路が、第4のコイルを備える第2の受動回路をさらに備え、前記第2の受動回路が、前記第1の受動回路から電力を無線で受電するように構成される、請求項23に記載の無線電力送電装置。
【請求項２８】
送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する方法であって、
第1のコイルを備える送電回路から電力を無線で送電するステップと、
第2のコイルを備える受動回路で前記送電回路から電力を無線で受電するステップと、
前記無線で受電した電力を、前記受動回路を介して第3のコイルを備える受電回路へ無線で転送し、前記電気自動車に給電または充電するための電力を提供するステップと、
前記第1のコイルと前記受電回路の第3のコイルとの間の横方向のずれを検出するステップと、
前記検出に応答して前記第1のコイルから前記第2のコイルを移動させるステップと
を含む方法。
【請求項２９】
前記第1のコイルと前記第2のコイルが、共平面をなす、請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
前記受動回路が自己共振コイルを備える、請求項28に記載の方法。
【請求項３１】
前記受動回路が第1の受動回路であり、電力を無線で送電するステップが、前記第1の受動回路を介して前記受電回路の第2の受動回路へ電力を無線で送電するステップを含む、請求項28に記載の方法。
【請求項３２】
電気自動車に給電または充電する無線電力送電装置であって、
電力無線送電手段と、
前記電力無線送電手段から電力を無線で受電するように構成され、前記電力無線送電手段から受電した電力を電力無線受電手段へ無線で転送するようにさらに構成された電力受動無線中継手段であり、前記電力無線受電手段が、前記電気自動車に給電または充電するための電力を提供するように構成される、電力受動無線中継手段と、
前記電力無線送電手段と前記電力無線受電手段との間の横方向のずれの検出に応答して、前記電力無線送電手段から前記電力受動無線中継手段を移動させるように構成された制御手段とを備える無線電力送電装置。
【請求項３３】
前記電力無線送電手段と前記電力受動無線中継手段が、共平面をなす、請求項32に記載の無線電力送電装置。
【請求項３４】
前記電力受動無線中継手段が自己共振コイルを備える、請求項32に記載の無線電力送電装置。
【請求項３５】
前記電力受動無線中継手段が第1の電力受動無線中継手段であり、前記電力無線受電手段が、第2の電力受動無線中継手段をさらに備え、前記第2の電力受動無線中継手段が、前記第1の電力受動無線中継手段から電力を無線で受電するように構成される、請求項32に記載の無線電力送電装置。
【請求項３６】
前記電力無線送電手段が、第1のコイルを備える送電回路を備え、前記電力受動無線中継手段が、第2のコイルを備える受動回路を備え、前記電力無線受電手段が受電回路を備える、請求項32に記載の無線電力送電装置。
【請求項３７】
前記制御手段が制御装置を備える、請求項32に記載の無線電力送電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2010年10月29日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された、「WIRELESS ENERGY TRANSFER VIA COUPLED PARASITIC RESONATORS」という名称の米国特許出願第61/408,508号の優先権を主張するものである。同出願の開示は、本開示の一部と見なされ、参照により本開示に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、一般に無線電力伝達に関し、より具体的には、寄生共振器を使用する電池を含む自動車などの遠隔システムへの無線電力伝達に関係するデバイス、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電池などのエネルギー蓄積デバイスから受け取った電気から導出される推進力を含む自動車などの遠隔システムが導入されてきた。たとえば、ハイブリッド電気自動車は、自動車の制動からの電力を使用する内蔵充電器と、自動車に充電する従来のモータとを含む。完全に電気式の自動車は通常、電池に充電するための電気を他の供給源から受け取る。電池式の電気自動車(電気自動車)には、家庭用または産業用のAC電源など、何らかのタイプの有線の交流電流(AC)を通じて充電することが提案されることが多い。有線の充電接続は、電源に物理的に接続されたケーブルまたは他の類似のコネクタを必要とする。ケーブルおよび類似のコネクタは、不都合であることまたは煩雑であることがあり、他の欠点を有することもある。電気自動車に充電するために使用される電力を自由空間内で(たとえば、無線場を介して)伝達することが可能な無線充電システムは、有線で充電する解決策の欠陥のいくつかを克服することができる。したがって、電気自動車に充電するための電力を効率的かつ安全に伝達する無線充電システムおよび方法が望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実装形態はそれぞれ、いくつかの態様を有する。これらの態様はいずれも、本明細書に記載する所望の属性を必ずしも単独で担うわけではない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの顕著な特徴について本明細書に記載する。
【０００５】
本明細書に記載する主題の1つまたは複数の実装形態の詳細について、添付の図面および以下の説明で述べる。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、必ずしも原寸に比例するわけではないことに留意されたい。
【０００６】
本開示の一態様は、電気自動車に給電または充電する無線電力受電装置を提供する。無線電力受電装置は、第1のコイルを含む受電回路を含む。受電回路は、電気自動車に給電または充電するための電力を無線で受電するように構成される。無線電力受電装置は、第2のコイルを含む受動回路をさらに含む。受動回路は、第3のコイルを含む送電回路から電力を無線で受電するように構成される。受動回路は、送電回路から受電した電力を受電回路へ無線で転送するようにさらに構成される。無線電力受電装置は、第1のコイルから第2のコイルを移動させるように構成された制御装置をさらに含む。
【０００７】
本開示の別の態様は、送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する方法の実装形態を提供する。この方法は、第1のコイルを含む受電回路で電力を無線で受電するステップを含む。この方法は、第2のコイルを含む受動回路で送電回路から電力を無線で受電するステップをさらに含む。この方法は、送電回路から受電した電力を、受動回路を介して受電回路へ無線で転送するステップをさらに含む。この方法は、無線で転送された電力を受電回路から電気自動車のエネルギー蓄積デバイスへ提供するステップをさらに含む。この方法は、第1のコイルから第2のコイルを移動させるステップをさらに含む。
【０００８】
本開示のさらなる別の態様は、電気自動車に給電または充電する無線電力受電装置を提供する。無線電力受電装置は、電気自動車に給電または充電するための電力を無線で受電するように構成された電力無線受電手段を含む。無線電力受電装置は、電力無線送電手段から電力を無線で受電するように構成された電力受動無線中継手段をさらに含む。電力受動無線中継手段は、電力無線送電手段から受電した電力を電力無線受電手段へ無線で転送するようにさらに構成される。無線電力受電装置は、電力無線受電手段から電力受動無線中継手段を移動させるように構成された制御手段をさらに含む。
【０００９】
本開示の別の態様は、電気自動車に給電または充電する無線電力送電装置を提供する。無線電力送電装置は、第1のコイルを含む送電回路を含む。送電回路は、電力を無線で送電するように構成される。無線電力送電装置は、第2のコイルを含む受動回路をさらに含む。受動回路は、送電回路から電力を無線で受電するように構成される。受動回路は、送電回路から受電した電力を受電回路へ無線で転送するようにさらに構成される。受電回路は、第3のコイルを含み、電気自動車に給電または充電するための電力を提供するように構成される。無線電力送電装置は、第1のコイルから第2のコイルを移動させるように構成された制御装置をさらに含む。
【００１０】
本開示の別の態様は、送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する方法の実装形態を提供する。この方法は、第1のコイルを含む送電回路から電力を無線で送電するステップを含む。この方法は、第2のコイルを含む受動回路で送電回路から電力を無線で受電するステップをさらに含む。この方法は、無線で受電した電力を、受動回路を介して第3のコイルを含む受電回路へ無線で転送し、電気自動車に給電または充電するための電力を提供するステップをさらに含む。この方法は、第1のコイルから第2のコイルを移動させるステップをさらに含む。
【００１１】
本開示の別の態様は、電気自動車に給電または充電する無線電力送電装置を提供する。無線電力送電装置は、電力無線送電手段を含む。無線電力送電装置は、電力無線送電手段から電力を無線で受電するように構成された電力受動無線中継手段をさらに含む。電力受動無線中継手段は、電力無線送電手段から受電した電力を電力無線受電手段へ無線で転送するようにさらに構成される。電力無線受電手段は、電気自動車に給電または充電するための電力を提供するように構成される。無線電力送電装置は、電力無線送電手段から電力受動無線中継手段を移動させるように構成された制御手段をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、電気自動車に充電する例示的な無線電力伝達システムの図である。
【図２】図1の無線電力伝達システムの例示的な中核構成要素の機能ブロック図である。
【図３】図2の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の概略図である。
【図４】コイルからの距離に対する磁場の強度を示すベースシステム側誘導コイルおよび電気自動車側誘導コイルの図である。
【図５】フルブリッジ電力変換およびハーフブリッジの例示的な無線電力伝達システムの概略図である。
【図６Ａ】例示的なハーフブリッジ電力変換構成の概略図である。
【図６Ｂ】例示的なフルブリッジ電力変換構成の概略図である。
【図７】図1の無線電力伝達システムの例示的な中核および補助構成要素を示す別の機能ブロック図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による、電気自動車内に配置された交換可能な非接触電池を示す機能ブロック図である。
【図９Ａ】本発明の例示的な実施形態による、電池に対して無線電力コイルおよびフェライト材料を配置する例示的な構成の図である。
【図９Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、電池に対して無線電力コイルおよびフェライト材料を配置する例示的な構成の図である。
【図９Ｃ】本発明の例示的な実施形態による、電池に対して無線電力コイルおよびフェライト材料を配置する例示的な構成の図である。
【図９Ｄ】本発明の例示的な実施形態による、電池に対して無線電力コイルおよびフェライト材料を配置する例示的な構成の図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態による、電気自動車に無線で充電するために利用可能な例示的な周波数を示す周波数スペクトルの図である。
【図１１】本発明の例示的な実施形態による、無線充電式の電気自動車で有用な例示的な周波数および送電距離を示す図である。
【図１２】複数の駐車区域を含む駐車場および各駐車区域内に位置決めされた例示的な充電ベースの図である。
【図１３Ａ】シャーシの隙間を必要とすることがある、自動車が遭遇しうる様々な障害物の例を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の一実施形態による、自動車のシャーシの下面の空胴内に位置する例示的な無線電力コイルの透視図である。
【図１４Ａ】1つの実施形態による充電ベースを埋め込む例示的な変形形態の図である。
【図１４Ｂ】他の実施形態による充電ベースを埋め込む例示的な変形形態の図である。
【図１４Ｃ】他の実施形態による充電ベースを埋め込む例示的な変形形態の図である。
【図１５】受動回路側誘導コイルを含む受動回路を含む無線電力伝達システムの例示的な構成要素の機能ブロック図である。
【図１６Ａ】受動回路側誘導コイルを含む受動回路を含む図15の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の概略図である。
【図１６Ｂ】受動回路側誘導コイルを含む2つの受動回路を含む図15の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の概略図である。
【図１７Ａ】1次および2次誘導コイルと共平面構成をなす受動回路の2つの受動回路側誘導コイルを示す図である。
【図１７Ｂ】図17Aと異なる距離のところに位置する、1次および2次誘導コイルと共平面構成をなす受動回路の2つの受動回路側誘導コイルを示す図である。
【図１８】受動回路側誘導コイルを含む受動回路を含む無線電力伝達システムの例示的な中核および補助構成要素を示す機能ブロック図である。
【図１９Ａ】無線電力伝達システム内に受動回路の受動回路側誘導コイルを配置する例示的な構成の図である。
【図１９Ｂ】無線電力伝達システム内に受動回路の受動回路側誘導コイルを配置する例示的な構成の図である。
【図２０Ａ】本発明の例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイルとともに使用するためのベース側無線充電システム上に位置決めされた電気自動車を示す図である。
【図２０Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイルとともに使用するためのベース側無線充電システム上に位置決めされた電気自動車を示す図である。
【図２１】本発明の例示的な実施形態による、電気自動車側充電システムとベース側無線充電システムを位置合わせする案内システムの使用を示す図である。
【図２２】例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイルの位置を調整するXおよびY方向の可能な位置を示す図である。
【図２３Ａ】無線電力伝達システム内で受動回路側誘導コイルの位置を変えるために利用できる機械デバイスを示す図である。
【図２３Ｂ】無線電力伝達システム内で受動回路側誘導コイルの位置を変えるために利用できる機械デバイスを示す図である。
【図２３Ｃ】無線電力伝達システム内で受動回路側誘導コイルの位置を変えるために利用できる機械デバイスを示す図である。
【図２４】本発明の例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイルとともに使用するための無線電力伝達システムに対する例示的な構成要素の機能ブロック図である。
【図２５】本発明の例示的な実施形態による、送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する例示的な方法の流れ図である。
【図２６】本発明の例示的な実施形態による無線電力受電器の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面に示す様々な特徴は、必ずしも原寸に比例するわけではない。したがって、様々な特徴の寸法は、見やすいように任意で拡大または縮小されていることがある。さらに、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示さないことがある。最後に、本明細書および図全体にわたって、同じ参照番号を使用して同じ特徴を指すことができる。
【００１４】
添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の説明であり、本発明を実施できる唯一の実施形態を表そうとするものではない。本説明全体にわたって使用する「例示的」という用語は、「例(example)、場合(instance)、または例示(illustration)として働く」ことを意味し、必ずしも他の例示的な実施形態より好ましい、または有利であると解釈されるべきであるというわけではない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の徹底的な理解を提供する目的で、具体的な詳細を含む。これらの具体的な詳細がなくても本発明の例示的な実施形態を実施できることが、当業者には明らかであろう。場合によっては、本明細書に提示する例示的な実施形態の新規性を曖昧にしないために、よく知られている構造およびデバイスについてはブロック図の形式で示す。
【００１５】
電力を無線で伝達することは、物理的な導電体を使用することなく、電場、磁場、電磁場その他に関連する任意の形のエネルギーを送電器から受電器へ伝達することを指すことができる(たとえば、無線場を介して自由空間を通じて電力を伝達することができる)。無線場(たとえば、磁場)として出力される電力を、「受電コイル」によって受電または捕獲して、電力伝達を実現することができる。伝達される電力の量は、デバイスに給電または充電するのに十分なものとすることができる。無線で受電した電力は、電気化学セルに再充電する目的で、1つもしくは複数の電気化学セルまたは電気化学セルを含むシステムへ提供することができる。
【００１６】
本明細書では、遠隔システムについて説明するために電気自動車を使用し、その一例は、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプの電池)から導出された電力を推進能力の一部として含む自動車である。非限定的な例として、一部の電気自動車は、電気モータに加えて、直接的な推進または自動車の電池の充電のために燃焼機関(レンジエクステンダ)を含むハイブリッド電気自動車とすることができる。他の電気自動車は、すべての推進能力を電力から引き出すことができる。電気自動車は、自動車に限定されるものではなく、自動二輪車、荷車、スクータなどを含むことができる。限定ではなく例として、遠隔システムについて、本明細書では電気自動車(EV)の形で説明する。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に給電できる他の遠隔システム(たとえば、個人演算デバイスなどの電子装置)も企図される。
【００１７】
図1は、本発明の例示的な実施形態による、電気自動車112に充電する例示的な無線電力伝達システム100の図である。無線電力伝達システム100は、電気自動車112がベース側無線充電システム102a付近に駐車されている間に、電気自動車112の充電を可能にする。1つの駐車区域内で、対応するベース側無線充電システム102a、102b上に駐車されることになる、2台の電気自動車用の空間を示す。いくつかの実施形態では、地域分配センター130を電力幹線132に接続することができ、電力リンク(または電源)110を通じてベース側無線充電システム102aへ交流電流(AC)または直流電流(DC)供給を提供するように構成することができる。ベース側無線充電システム102aはまた、電力を無線で伝達または受電するベースシステム側誘導コイル104aを含む。電気自動車112は、電池ユニット118、電気自動車側誘導コイル116、および電気自動車側無線充電システム114を含むことができる。電気自動車側誘導コイル116は、たとえばベースシステム側誘導コイル104aによって生成される電磁場の領域を介して、ベースシステム側誘導コイル104aと相互作用することができる。
【００１８】
また、ベースシステム側誘導コイル104aと電気自動車側誘導コイル116のいずれも「ループ」アンテナと呼ぶことができ、または「ループ」アンテナとして構成することができる。また本明細書では、ベースシステム側誘導コイル104aまたは電気自動車側誘導コイル116を「磁気」アンテナもしくは誘導コイルと呼ぶことができ、または「磁気」アンテナもしくは誘導コイルとして構成することができる。「コイル」という用語は、一態様において、別の「コイル」に結合するためのエネルギーを無線で出力または受電できる構成要素を指すものとする。また、コイルは、電力を無線で出力または受電するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ぶこともできる。
【００１９】
いくつかの例示的な実施形態では、電気自動車側誘導コイル116は、電気自動車側誘導コイル116がベースシステム側誘導コイル104aによって生じるエネルギー場内に位置しているときに、電力を受電することができる。この場は、ベースシステム側誘導コイル104aによって出力されるエネルギーを電気自動車側誘導コイル116によって捕獲できる領域に対応する。場合によっては、この場は、ベースシステム側誘導コイル104aの「近接場」に対応することができる。近接場は、ベースシステム側誘導コイル104a内の電流および電荷によって生じる強い反応場がベースシステム側誘導コイル104aから電力を放射しない領域に対応することができる。場合によっては、近接場は、さらに後述するように、ベースシステム側誘導コイル104aのほぼ1つの1/2π波長内の領域に対応することができる(電気自動車側誘導コイル116に対して逆も同様である)。
【００２０】
地域分配センター130は、通信バックホール134を介して外部源(たとえば、送電網)と通信し、通信リンク108を介してベース側無線充電システム102aと通信するように構成することができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、電気自動車側誘導コイル116は、ベースシステム側誘導コイル104aと位置合わせすることができ、したがって、単に運転者が電気自動車112をベースシステム側誘導コイル104aに対して正確に位置決めすることによって、近接場領域内に配置することができる。他の実施形態では、運転者は、電気自動車112が無線電力伝達のためにいつ適切に配置されたかを判定するために、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、またはこれらの組合せを得ることができる。さらに他の実施形態では、電気自動車112は、自動操縦システムによって位置決めすることができ、自動操縦システムは、位置合わせ誤差が許容値に到達するまで、電気自動車112を前後(たとえば、ジグザグ運動)に移動させることができる。これは、電気自動車112が自動車を調整するためのサーボステアリングホイール、超音波センサ、および知能を装備する場合、わずかな運転者の介入の有無にかかわらず、電気自動車112によって自動的かつ自律的に実行することができる。さらに他の実施形態では、電気自動車側誘導コイル116、ベースシステム側誘導コイル104a、またはこれらの組合せは、コイル116および104aを移動させて互いに対して動かし、より正確に向きを合わせてこれらのコイル間でより効率的な結合をもたらす機能性を有することができる。
【００２２】
ベース側無線充電システム102aは、様々な場所に位置することができる。非限定的な例として、いくつかの適した場所には、電気自動車112の所有者の自宅の駐車区域、従来の石油ベースの充電所になぞらえて作られた電気自動車の無線充電用の駐車区域、ならびにショッピングセンターおよび勤務先などの他の場所の駐車場が含まれる。
【００２３】
電気自動車に無線で充電することは、多数の利益を提供する。たとえば、充電は、事実上運転者の介入および操作なしで自動的に実行することができ、それによって使用者にとっての利便性を改善することができる。また、電気的な接触および機械的な摩耗に露出されずにすみ、それによって無線電力伝達システム100の信頼性を改善することができる。ケーブルおよびコネクタによる操作を不要にすることができ、屋外環境で湿気および水に露出されうるケーブル、プラグ、またはソケットをなくすことができ、それによって安全性を改善することができる。また、目に見えるまたは手に届くソケット、ケーブル、およびプラグをなくすことができ、それによって電力充電デバイスの潜在的な破壊行為を低減させることができる。さらに、電気自動車を分散型の蓄積デバイスとして使用することで送電網を安定させることができるため、送電網へのドッキングに対する好都合な解決策により、ビークルツーグリッド(vehicle-to-grid、V2G)動作に対する自動車の利用可能性を増大できることが望ましい。
【００２４】
図1を参照して説明する無線電力伝達システム100はまた、審美的であり、かつ邪魔にならないという利点を提供することができる。たとえば、自動車および/または歩行者にとって邪魔になりうる充電塔やケーブルをなくすことができる。
【００２５】
ビークルツーグリッド能力のさらなる説明として、無線電力送電および受電能力は、ベース側無線充電システム102aが電気自動車112へ電力を伝達し、電気自動車112がベース側無線充電システム102aへ電力を伝達する(たとえば、エネルギーの不足時)ように、互恵的に構成することができる。この能力は、再生可能エネルギー生産(たとえば、風力または太陽光)の需要過剰または不足によってエネルギー不足が引き起こされたときに電気自動車が全体的な分配システムに電力を寄与できるようにすることによって、電力分配網を安定させるのに有用である。
【００２６】
図2は、図1の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の機能ブロック図である。本明細書に記載する実施形態では、容量負荷のかかったワイアループ(すなわち、多重巻コイル)を使用し、1次構造と2次構造の両方を共通の共振周波数に同調させた場合に近接磁場または近接電磁場を介して1次構造(送電器)からのエネルギーを2次構造(受電器)へ効率的に結合することが可能な共振構造を形成することができる。これらのコイルは、電気自動車側誘導コイル216およびベースシステム側誘導コイル204として使用することができる。共振構造を使用してエネルギーを結合することを、「磁気結合共振」、「電磁結合共振」、および/または「共振誘導」と呼ぶことができる。無線電力伝達システム200の動作について、ベース側無線充電システム202から電気自動車112への電力伝達に基づいて説明するが、それだけに限定されるものではない。たとえば、上記で論じたように、電気自動車112は、ベース側無線充電システム102aへ電力を伝達することができる。
【００２７】
図2を参照すると、電源210(たとえば、ACまたはDC)がベース側無線電力充電システム202へ電力を供給し、電気自動車112へエネルギーを伝達する。ベース側無線電力充電システム202は、ベース充電システム側電力変換器236を含む。ベース充電システム側電力変換器236は、標準的な電源ACからの電力を適した電圧レベルのDC電力に変換するように構成されたAC/DC変換器などの回路と、DC電力を、無線の高電力伝達に適した動作周波数の電力に変換するように構成されたDC/低周波(LF)変換器とを含むことができる。ベース充電システム側電力変換器236は、ベースシステム側誘導コイル204を駆動して、所望の周波数の電磁場を放出させる。
【００２８】
ベースシステム側誘導コイル204および電気自動車側誘導コイル216は、実質上同じ周波数に同調させることができ、ベースシステム側誘導コイル204および電気自動車側誘導コイル216の1つによって送られる電磁場の近接場内に位置決めすることができる。この場合、ベースシステム側誘導コイル204と電気自動車側誘導コイル216は互いに結合することができ、したがって電気自動車側誘導コイル216へ電力を伝達し、電気自動車側無線充電システム214の電気自動車側電力変換器238内で抽出することができる。
【００２９】
電気自動車側電力変換器238は、とりわけ、動作周波数の電力を、電気自動車側電池ユニット218の電圧レベルに整合する電圧レベルのDC電力に再び変換するように構成されたLF/DC変換器を含むことができる。電気自動車側電力変換器238は、変換された電力を提供して、電気自動車側電池ユニット218に充電することができる。電源210、ベース充電システム側電力変換器236、およびベースシステム側誘導コイル204は、上記で論じた様々な場所に静止して位置することができる。電気自動車側電池ユニット218、電気自動車側電力変換器238、および電気自動車側誘導コイル216は、電気自動車112の一部または電池パック(図示せず)の一部である電気自動車側無線充電システム214内に含むこともできる。電気自動車側無線充電システム214はまた、電気自動車側誘導コイル216を通じてベース側無線電力充電システム202へ電力を無線で提供して、再び送電網へ電力を送出するように構成することもできる。電気自動車側誘導コイル216とベースシステム側誘導コイル204はそれぞれ、動作モードに基づいて送電コイルまたは受電コイルとして作用することができる。
【００３０】
図示しないが、無線電力伝達システム200は、無線電力伝達システム200から電気自動車側電池ユニット218または電源210を安全に切断するために、負荷切断ユニット(LDU)を含むことができる。たとえば、緊急またはシステム障害の場合、LDUを作動させて、無線電力伝達システム200から負荷を切断することができる。LDUは、電池への充電を管理する電池管理システムに加えて提供することができ、または電池管理システム(図示せず)の一部とすることができる。
【００３１】
さらに、電気自動車側無線充電システム214は、電気自動車側誘導コイル216と電気自動車側電力変換器238を選択的に接続および切断するスイッチング回路を含むことができる。電気自動車側誘導コイル216を切断することで、充電を中止させることができ、また、ベース側無線充電システム102a(送電器として作用)によって「観察」される「負荷」を調整することができ、これを使用して、電気自動車側無線充電システム114(受電器として作用)をベース側無線電力充電システム102aから「隠す」ことができる。送電器が負荷感知回路を含む場合、負荷の変化を検出することができる。したがって、ベース側無線充電システム202などの送電器は、電気自動車側無線充電システム114などの受電器がベースシステム側誘導コイル204の近接場内にいつ存在するかを判定する機構を有することができる。
【００３２】
動作の際には、自動車または電池の方へエネルギーを伝達すると仮定すると、電源210から入力電力が提供され、したがってベースシステム側誘導コイル204は、エネルギー伝達を提供する場を生成する。電気自動車側誘導コイル216は、放射された場に結合され、電気自動車112によって蓄積または消費するための出力電力を生成する。いくつかの実施形態では、ベースシステム側誘導コイル204および電気自動車側誘導コイル116は、電気自動車側誘導コイル116の共振周波数とベースシステム側誘導コイル204の共振周波数が非常に近接する、または実質上同じになるように、相互共振関係に従って構成される。電気自動車側誘導コイル216がベースシステム側誘導コイル204の近接場内に位置するとき、ベース側無線電力充電システム202と電気自動車側無線充電システム214との間の送電損失は最小になる。
【００３３】
前述のように、電磁波内のエネルギーの大部分を非近接場へ伝搬するのではなく、ベースシステム側誘導コイル204の近接場内のエネルギーの大部分を電気自動車側誘導コイル216へ結合させることによって、効率的なエネルギー伝達が行われる。近接場では、ベースシステム側誘導コイル204と電気自動車側誘導コイル216との間で結合モードを確立することができる。本明細書では、コイルの周りでこの近接場結合が起こりうる領域を、結合モード領域と呼ぶことができる。
【００３４】
図示しないが、ベース充電システム側電力変換器236と電気自動車側電力変換器238はどちらも、発振器と、電力増幅器と、フィルタと、無線電力コイルに効率的に結合するための整合回路とを含むことができる。発振器は、所望の周波数を生成するように構成することができ、この周波数は、調整信号に応答して調整することができる。発振器信号は、電力増幅器によって、制御信号に応答した増幅量で増幅させることができる。フィルタおよび整合回路は、高調波または他の望ましくない周波数をフィルタリングして電力変換モジュールのインピーダンスを無線電力コイルに整合させるために含まれている。電力変換器236および238はまた、電池に充電するのに適した電力出力を生成するために、整流器およびスイッチング回路を含むことができる。
【００３５】
上記のように、開示の実施形態全体にわたって記載する電気自動車側誘導コイル216およびベースシステム側誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には多重巻ループアンテナとして構成することができる。これを本明細書では、「磁気」アンテナと呼ぶこともできる。ループ(たとえば、多重巻ループ)アンテナは、空心、またはフェライトコアなどの物理的なコアを含むように構成することができる。空心ループアンテナでは、コア領域内に他の構成要素を配置することが可能である。強磁性体またはフェリ磁性体材料を含む物理的コアアンテナは、より強い電磁場の形成および結合の改善を可能にすることができる。
【００３６】
上記で論じたように、送電器と受電器との間のエネルギーの効率的な伝達は、送電器と受電器との間の整合またはほぼ整合された共振中に行われる。しかし、送電器と受電器との間の共振が整合していないときでも、より低い効率でエネルギーを伝達することはできる。エネルギーの伝達は、送電コイルからのエネルギーを自由空間内へ伝搬するのではなく、送電コイルの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立された領域内(たとえば、共振周波数の所定の周波数範囲内または近接場領域の所定の距離内)に位置する受電コイルへ結合することによって行われる。
【００３７】
これらのコイルの共振周波数は、誘導コイル(たとえば、ベースシステム側誘導コイル204)を含む送電または受電回路のインダクタンスおよび容量に基づく。誘導コイル内のインダクタンスは通常、ループによって生じるインダクタンスであり、容量は通常、誘導コイルのインダクタンスに加えられ、所望の共振周波数の共振構造をもたらす。非限定的な例として、誘導コイルの自己容量を単独で使用することができ、または共振構造を得るために追加として使用することができる。さらに別の非限定的な例では、誘導コイルに対して直列にキャパシタを追加して、電磁場を生成する共振回路を得ることができる。したがって、より直径の大きい誘導コイルの場合、共振を引き起こすのに必要な容量の値は、ループの直径またはインダクタンスが増大するにつれて減少することができる。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に依存することができる。さらに、誘導コイルの直径が増大するにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達面積も増大することができる。他の共振回路も可能である。別の非限定的な例では、誘導コイルの2つの端子間で並列にキャパシタを配置することができる(たとえば、並列共振回路)。さらに、ループアンテナは、誘導コイルの共振を改善するために高いクオリティ(Q)値を有するように設計することができる。
【００３８】
上記のように、いくつかの実施形態によって、互いの近接場内に位置する2つの誘導コイル間における電力の結合について開示した。上記のように、近接場は、誘導コイルの周りで、電磁場が存在するが誘導コイルから伝搬または放射できない領域に対応することができる。近接場結合モード領域は、たとえば波長のほんの一部分内で、誘導コイルの物理的体積付近に位置する体積に対応することができる。いくつかの実施形態によれば、実際の実施形態における近接磁場の振幅は、磁気タイプの誘導コイルの場合、電気タイプのアンテナ(たとえば、小さいダイポール)の近接電場の場合より高くなる傾向があるため、送電と受電の両方に、単巻および多重巻ループ誘導コイルなどの電磁誘導コイルが使用される。これにより、コイル対間の潜在的により高い結合を可能にする。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せを使用することもできる。
【００３９】
図3は、図2の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の概略図である。図2に示すように、無線電力伝達システム300は、インダクタンスL1を有するベースシステム側誘導コイル304を含むベースシステム側送電回路306を含む。無線電力伝達システム300は、インダクタンスL2を有する電気自動車側誘導コイル316を含む電気自動車側受電回路322をさらに含む。要素k(d)は、コイルの離間距離で得られる相互結合係数を表す。C1およびC2は、ベースシステム側送電回路306および電気自動車側受電回路322の容量であり、この容量は、所望の周波数で共振する共振回路を形成するために使用されるキャパシタを含むことができる。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイルおよび逆リアクタンスキャパシタに固有の損失を表す。電源310は、ベース充電システム側電力変換器回路336へ電力PSDCを供給し、ベース充電システム側電力変換器回路336は、ベースシステム側誘導コイル304と直列のキャパシタC1へ電力P1を供給する。電気自動車側誘導コイル316およびキャパシタC2を直列で含む電気自動車側受電回路322は、電力P2を受電し、電力P2を電気自動車側電力変換器回路338へ提供する。電気自動車側電力変換器回路338は、電気自動車電池318へ電力PLDCを供給することができる。
【００４０】
本明細書に記載するいくつかの計算の目的で、電源310と電気自動車側電池ユニット318はどちらも、それぞれ電圧VSDCおよびVLDCで一定の電圧であると仮定することができる。これは、それぞれ送電網および電気自動車電池の特性を反映することができる。一態様では、一定の電圧は、事実上ゼロのソース抵抗およびゼロのシンク抵抗として理解することができる。
【００４１】
エネルギーは、ベースシステム側送電回路306から電気自動車側受電回路322へ伝達することができる。しかし、エネルギー伝達はさらに、たとえばビークルツーグリッドエネルギー伝達の目的で、逆の方向に行うこともできる。電力変換は、逆の電力潮流(双方向の2象限制御)に対応することができる。
【００４２】
図4は、誘導コイル404および416からの距離に対する磁場の強度を示す、ベースシステム側誘導コイル404および電気自動車側誘導コイル416の図である。ベースシステム側誘導コイル404と電気自動車側誘導コイル416は、それぞれ距離dだけ分離される。図4は、この1対のコイルによって無線電力伝達システム近傍の位置rに生成される磁場ベクトルH(r)を示す。
【００４３】
図3の例示的な実施形態では、ベース充電システム側電力変換器回路336は、DC電力を、低周波(VLF)またはLF範囲内の所望の周波数(動作周波数)のAC電力に変換することができる。たとえば、高電力の適用分野では、この範囲を20kHz〜60kHzとすることができる。本明細書では、この範囲内の任意の周波数を「LF」と呼ぶことができる。
【００４４】
別の実施形態では、ベース充電システム側電力変換器回路336はまた、標準的な「電源」周波数のAC電力を、無線電力に適した動作周波数のAC電力に変換することができる。さらに別の例示的な実施形態では、ベース充電システム側電力変換器回路336は、フィルタリングされていないDC(たとえば、ACパルスDC電力)を、動作周波数のAC電力に変換することができる。これらの2つの実施形態では、動作周波数で生成される電力は、一定でない包絡線になることがある。
【００４５】
また、図3のベース充電システム側電力変換器回路336に起因して変成比1:n1を得ることができ、次のように定義することができる。
式1 1:n1=VSDC:V1
【００４６】
上式で、VSDCおよびV1は、それぞれDC入力電圧およびLF出力における基本周波数の実効値(r.m.s.)電圧を示す。
【００４７】
電気自動車側電力変換器回路338は、逆の動作を実行して、電気自動車側誘導コイル316によって受電したLF電力をDC電力に再変換することができる。それに対応して、電気自動車側電力変換器回路338に起因して変成比n2:1を得ることができ、次のように定義することができる。
式2 n2:1=V2:VLDC
【００４８】
上式で、V2およびVLDCは、それぞれLF入力における基本周波数のr.m.s.電圧およびDC出力電圧を示す。
【００４９】
誘導結合共振リンクの効率および電力は、ベースシステム側誘導コイル304と電気自動車側誘導コイル316の両方の共振が動作周波数に調整された場合、最大に到達することができる。これは、任意の結合係数0<k(d)<1に対して有効である。電力変換では、ゼロの電流スイッチングを標的とする場合、共振点からわずかにずれてシステムを動作させることが必要になることがある。これは、誘導コイル電流内に含有される高調波成分の位相オフセットによって説明することができる。
【００５０】
所与のパラメータL1、L2、n1、およびn2に対して、最適の負荷抵抗RLDC,optが存在し、電力変換および共振誘導リンク内の損失を最小に、すなわち終端間効率を最大にすることができる、終端間効率は、次のように定義することができる。
【００５１】
式3
【数１】
0005632089.tif 000002
【００５２】
上式で、PLDC=VLDC・ILDCおよびPSDC=VSDC・ISDCは、電気自動車側電力変換器回路338の出力電力およびベース充電システム側電力変換器回路336の入力電力を示す。逆に、負荷抵抗ならびに変成比n1およびn2が与えられる場合、最適の1対のインダクタンスL1,optおよびL2,optが存在し、また、L1およびL2が与えられる場合、効率ηe2eを最大にする最適の1対の比n1,optおよびn2,optが存在する。
【００５３】
1つの例示的な実施形態では、無線電力伝達システム300は完全に対称形をしていると仮定することができる。つまり次の通りである。
式4 VDC=VSDC=VLDC
式5 n=n1=n2
式6 L=L1=L2
式7 Req=Req,1=Req,2
【００５４】
上記の条件が当てはまった場合に適用される以下の説明は、非対称形のシステムの一般的な場合にもさらに適用することができる。
【００５５】
さらに、説明の目的で、ベース充電システム側電力変換器回路336と電気自動車側電力変換器回路338はどちらも無損失であり、あらゆる電力変換損失はそれぞれ等価損失抵抗Req,1およびReq,2で相殺されると仮定することができる。共振誘導リンクの効率は、次のように出力電力と入力電力の比として定義することができる。
【００５６】
式8
【数２】
0005632089.tif 000003
【００５７】
これは、上記で定義した終端間効率ηe2eに等しくすることができる。
【００５８】
スイッチモードの電力変換でデューティーサイクルが50%であると仮定すると、電圧V1およびV2はどちらも方形波とすることができる。誘導コイル電流I1およびI2は、共振の作用によってフィルタリングされているが、通常は、結合係数に応じた高調波成分によって非正弦波になることがある。したがって、一部の電力は、高調波を介して送電される。しかしたいていの場合、高調波を介するエネルギー伝達は無視できるほどである。例示の目的で、電流は実質上正弦波であると仮定することができ、したがってベースシステム側誘導コイル304の入力電力および電気自動車側誘導コイル316の出力電力を、次のように定義することができる。
【００５９】
式9
【数３】
0005632089.tif 000004
【００６０】
式10
【数４】
0005632089.tif 000005
【００６１】
これらの電力はそれぞれ、LFの成分のr.m.s.を基準とする電圧および電流を有する。
【００６２】
次の2つの式は、システムの寸法について説明する。
【００６３】
第1の式は、結合係数k(d)および角動作周波数ω0が与えられた場合の、ηを最大にするための最適の誘導コイルインダクタンスについて説明する。
【００６４】
式11
【数５】
0005632089.tif 000006
【００６５】
負荷抵抗は、基本周波数の電気自動車側電力変換器回路338によって提示されるように、次のように定義することができる。
【００６６】
式12
【数６】
0005632089.tif 000007
【００６７】
式11は、Loptが実際の損失抵抗Reqとは実際的に無関係である「強結合範囲」において有効である。式11は、負荷抵抗および結合係数にさらに依存することがあり、これらの負荷抵抗および結合係数は、ベースシステム側誘導コイル304および電気自動車側誘導コイル316の負荷抵抗および/または離間距離が変化した場合、適応させることが必要になることがある。
【００６８】
別の式は、エネルギー伝達率P2および結合係数k(d)を、生成された磁場に関係付けることができる。
【００６９】
式13
【数７】
0005632089.tif 000008
【００７０】
上式で、cは、ベースシステム側誘導コイル304および電気自動車側誘導コイル316のそれぞれの幾何形状g1およびg2、ならびに図4に示す位置ベクトルrによって定義した磁場の強度の基準となる位置を考慮する定数を示す。式13の場合、当該範囲内の離間距離の変化が、相互結合の作用を除いて基準位置の磁場にほとんど影響を与えないように、位置rは誘導コイルから十分離れていると仮定することができる。
【００７１】
規制上の制約で、定義された距離の位置rmで測定される磁場の強度H(rm)を、定義された限界Hlimを超過しないように制限することができる。これにより、エネルギー伝達率に対する限界が提供される。
【００７２】
式14
【数８】
0005632089.tif 000009
【００７３】
式14で示すように、最大エネルギー伝達率は、結合係数に比例して減少することができる。たとえば、結合係数0.4で最大電力が4kWであると仮定すると、結合係数が0.2になるように誘導コイルの離間距離を増大させる場合、電力を2kWに制限することができる。
【００７４】
電圧および電流の変成比は、基本成分に対して適宜定義することができる。
式15 n0:1=V2,0:VLDC=IDCL:I2,0
【００７５】
したがって、対応する負荷抵抗は、負荷電圧VLDCおよび負荷電力PLDCに関して、無損失電力変換P2=PLDCと仮定すると、次のように定義することができる。
【００７６】
式16
【数９】
0005632089.tif 000010
【００７７】
したがって式11は、次のように書くことができる。
【００７８】
式17
【数１０】
0005632089.tif 000011
【００７９】
式14によるP2を式17に代入することで、Lopt、k(d)、およびn0の関係が得られる。
【００８０】
式18
【数１１】
0005632089.tif 000012
【００８１】
最大の効率および規制の順守を確保するように式18を満たすには、距離が変化したときに、誘導コイルインダクタンスL=L1=L2と変成比n=n1=n2のいずれか、または両方を適応させなければならないことがある。誘導コイルインダクタンスを変動させることは、複雑なスイッチング回路または機械的な伝動装置、追加の損失、および誘導コイル体積の最適でない使用、したがって品質係数の損失を伴うことがある。また、共振を維持するために可変容量を必要とすることもある。
【００８２】
それほど複雑でなく、より経済的な解決策は、電力変換を使用して必要な可変変成比を提供することによって提供することができる。ベース充電システム側電力変換器回路336の変成比n1を変化させることは、リンク全体のエネルギー伝達率に大きな影響を与えることができるため、電力制御と等価である。したがって、電気自動車側電力変換器回路338の変成比n2を変化させることは、無線電力リンクが効率的に動作するのを助けることができる。これを、負荷適応と呼ぶことができる。
【００８３】
電力制御および負荷適応のためのいくつかの方法は、変成比の連続変化を可能にすることを含むことができるが、ゼロの電流スイッチング(ZCS)を犠牲にする。これは、スイッチングデバイスのスイッチング損失および応力のある程度の増大を招くことがある。別の手法は、ZCS状態を維持することができるが、変成比の変化は粗い段階でしか可能でない。
【００８４】
低損失を提供できる、変成比を変化させる1つの方法は、ブリッジの動作モードを変化させることである(たとえば、フルブリッジモードからハーフブリッジモードへ、または逆も同様である)。
【００８５】
図5は、フルブリッジ電力変換およびハーフブリッジの例示的な無線電力伝達システムの概略図である。ベース充電システム側電力変換器回路536のスイッチS1jは、FETまたはIGBT固体デバイスを表すことができる。LF-DC電力変換を実行するように構成されたときの電気自動車側電力変換器回路538のスイッチは、受動ダイオードにすることができるが、同期整流の場合は能動デバイスにすることもできる。
【００８６】
フルまたはHブリッジモードにおいて、電力変換のすべてのスイッチはSj1とSj2'が同時に閉じるようなトグル式である。。Sj1が閉じると、Sj2およびSj1'が開き、逆も同様である。これは、ベース充電システム側電力変換器回路536および電気自動車側電力変換器回路538の電力変換に適用することができる(j∈{1,2})。
【００８７】
ハーフブリッジモードでは、S11およびS11'のみがトグル式であり、S12'およびS12は静止している。S11が閉じると、S11'が開き、逆も同様である。静的ハーフブリッジでは、S12'を閉じることができる。電流がスイッチS12'を通る必要があることで、非適応型のハーフブリッジベースのシステム内には存在しえない何らかの余分の損失を引き起こすことがある。追加のスイッチのオン状態の抵抗は、2つの異なる伝達距離に対する効率的な適応が可能なシステムに対して、低価格で経済的な解決策を提供することができる。
【００８８】
電気自動車側電力変換器回路538の電力変換において受動ダイオードフルブリッジ整流器を使用する単方向エネルギー伝達システムの場合、1つのハーフブリッジには、ダイオードと平行に能動スイッチ(FETまたはIGBT)を補うことができる。これらのトランジスタは、静的スイッチとすることもできる。
【００８９】
フルブリッジは、次の式によって、DC電圧レベルを基本波のLF電圧レベルに変換することができる。
【００９０】
式19
【数１２】
0005632089.tif 000013
【００９１】
この式は、約1になる。
【００９２】
それに対応して、ハーフブリッジは、次の式によって変換することができる。
【００９３】
式20
【数１３】
0005632089.tif 000014
【００９４】
上式は、約1/2になる。
【００９５】
短い方の距離d'および長い方の距離d"にそれぞれ対応する2つの個別のz位置に対して電気自動車側誘導コイル516を調整することが可能なシステムを提供することもできる。条件が許す場合、システムは、短い方の距離、たとえば結合係数k(d')に対応する距離を使用することができ、そうでなければk(d")に対応するd"に調整される。距離は、次のように選択される。
式21 k(d')=2・k(d")
【００９６】
式18、式19、式20、および式21から、システムが距離d'ではフルブリッジモードで動作し、距離d"ではハーフブリッジモードで動作する場合、両方の距離で最適のインダクタンスLoptを見出すことができる。これは、
【００９７】
式22
【数１４】
0005632089.tif 000015
【００９８】
を定義することによって示され、また次のように最適の誘導コイルインダクタンス(式18)を表すことによって示される。
【００９９】
式23
【数１５】
0005632089.tif 000016
【０１００】
規制上の制約の範囲内で最大効率および最大電力の維持に努めながら、電力変換モードを変化させることによって、2つの異なる距離に最適に適応することが可能なシステムの一例を、下表に示す。
【０１０１】
【表１】
0005632089.tif 000017
【０１０２】
Table 1(表1):2つの異なる距離に最適に適応するシステムの例
【０１０３】
このブリッジ再構成方法と他の電力制御/負荷適応方法を組み合わせて、事前定義された範囲内の任意の距離および/またはスロットル負荷電力(電池充電電流)にリンクを適応させることができる。代替方法の例には、周波数を変化させることによって共振点からずれた状態でリンクを動作させること、ベースシステム側誘導コイル504または電気自動車側誘導コイル516を作為的に離調させること、50%未満のデューティーサイクルでPWM駆動波形を使用すること、ベース充電システム側電力変換器回路536および電気自動車側電力変換器回路538の電力変換でDC-DC変換器を使用すること、2相または3相供給の場合に位相スイッチングを行うことなどが含まれる。これらの方法はすべて、変成比n1およびn2を直接または間接的に変化させると見なすことができる。
【０１０４】
変成比および誘導コイルのz軸位置は、ベース側無線電力充電システム502および電気自動車側無線充電システム514内の実体で、制御システム(上記)によって制御することができる。これらの実体は、帯域内または帯域外周波信号方式を使用して通信することができる。
【０１０５】
式11の導出に関して、磁気結合共振システムの最適負荷抵抗は、次のように示すことができる。
【０１０６】
式24
【数１６】
0005632089.tif 000018
【０１０７】
上式で、R2は、共振受電誘導コイルの損失抵抗を示し、
【０１０８】
【数１７】
0005632089.tif 000019
【０１０９】
および
【０１１０】
【数１８】
0005632089.tif 000020
【０１１１】
は、それぞれ共振送電および受電誘導コイルのQ値であり、kは結合係数である。磁気リンクにRL,optで負荷をかけることで、伝達効率を最大にすることができる。
【０１１２】
より強い結合方式の場合は、次の通りである。
【０１１３】
式25
【数１９】
0005632089.tif 000021
【０１１４】
または、リンク効率が100%に近いいわゆる「マジック」範囲では、式24は、次の式に簡略化することができる。
【０１１５】
式26
【数２０】
0005632089.tif 000022
【０１１６】
完全に対称形のリンクが、
式27 L=L1=L2
式28 R=R1=R2
【０１１７】
で仮定される場合、式26のQ 値
【０１１８】
【数２１】
0005632089.tif 000023
【０１１９】
および
【０１２０】
【数２２】
0005632089.tif 000024
【０１２１】
に
【０１２２】
式29
【数２３】
0005632089.tif 000025
【０１２３】
を代入すると、次の式となる。
式30 RL,opt≒kω0L
【０１２４】
逆に、負荷抵抗RLが与えられる場合、効率を最大にする最適の誘導コイルインダクタンス
【０１２５】
式31
【数２４】
0005632089.tif 000026
【０１２６】
が存在し得る。
【０１２７】
式13の導出に関して、本質的に多重巻ワイアループである電気自動車側誘導コイル516によって位置rで生じる磁場の強度は、次のように表すことができる。
式32 H2(r)=N2・I2,0・γ(g2,r)
【０１２８】
上式で、N2は、誘導コイルの巻数を示し、I2,0は、基本波の誘導コイル電流を示し、γは基本的に、幾何形状g2および磁場の強度の基準となる位置ベクトルrの関数である。式32は、巻数を変更しても誘導コイルの幾何形状は変わらず、したがってg2≠f(N2)であると仮定する。
【０１２９】
多重巻ループのインダクタンスは、次のように表すことができる。
【０１３０】
式33
【数２５】
0005632089.tif 000027
【０１３１】
上式で、βは基本的に、コイル幾何形状g2の関数である。
【０１３２】
負荷抵抗は、次のように、電力P2および電流I2,0の関数として表すことができる。
【０１３３】
式34
【数２６】
0005632089.tif 000028
【０１３４】
式11を使用し、上記の式を代入することで、次の式となる。
【０１３５】
式35
【数２７】
0005632089.tif 000029
【０１３６】
式35の場合、位置rにおける磁場の強度の2乗は、次のように定義することができる。
【０１３７】
式36
【数２８】
0005632089.tif 000030
【０１３８】
式37
【数２９】
0005632089.tif 000031
【０１３９】
を定義することで、
【０１４０】
式38
【数３０】
0005632089.tif 000032
【０１４１】
となる。
【０１４２】
式32に従って得られる磁場に対するベースシステム側誘導コイル504の寄与
式39 H1(r)=N1・I1,0・γ(g1,r)
【０１４３】
は、無視することができる。
【０１４４】
対称形の場合、巻数N1はN2に等しく、ベースシステム側誘導コイル504の電流I1,0はI2,0に比例して変化する。したがって、位置rにおけるベースシステム側誘導コイルおよび電気自動車側誘導コイルからの寄与H1(r)およびH2(r)もまた、比例して変化することができる。というのは、VSDC=VLDC、したがってV1,0=V2,0である場合、
【０１４５】
式40
【数３１】
0005632089.tif 000033
【０１４６】
になるからである。
【０１４７】
非対称形の場合(N1≠N2)、N2が最適化処理で変化した場合、比率も変化しないはずであることを示すことができる。両方の誘導コイルの幾何形状、ならびに共振の場合は相互結合とは無関係に90度とすることができるI2,0に対するI1,0の位相オフセットを考慮するc(g1,g2,r)を定義することで、合計の場を次のように表すことができる。
【０１４８】
式41
【数３２】
0005632089.tif 000034
【０１４９】
上式は、式13に示したものである。
【０１５０】
図6Aおよび図6Bは、図5の無線電力伝達システムの2つの例示的な回路構成を示す。図6Aでは、この構成は、(1)送電側誘導コイルと受電側誘導コイルとの間の距離がより長く、または一般に結合がより緩いこと、および(2)送電側と受電側の両方の電力変換がハーフブリッジモードで動作することを仮定することができる。図6Bでは、構成Bは、(1)送電側誘導コイルと受電側誘導コイルとの間の距離がより短く、または一般に結合がより強いこと、および(2)送電側と受電側の両方の電力変換がフルブリッジモードで動作することを仮定する。
【０１５１】
さらに、例示の目的で、どちらの構成も、一定の電圧ソースおよび一定の電圧シンクを仮定することができる。送電網から自動車の電池へ(G2V)または逆に(V2G)エネルギーを伝達するシステムを考慮すると、この仮定は妥当であろう。図6Bの構成では、エネルギー伝達率を2倍にすることができ、供給電圧およびシンク電圧ならびに共振誘導コイルのリアクタンス(インダクタンスおよび容量)を適応させる必要はなく、これらのコイルはどちらも、電力/電圧変換および/または可変リアクタンスのための追加の回路および/または機構なしで実施される。どちらの構成も、最大エネルギー伝達効率を実現するように最適に整合させることができる。どちらの構成も、誘導コイル近傍で測定される磁場の強度の点では同等とすることができ、したがって規制/EMC上の制約を完全に利用する潜在性を有する。
【０１５２】
一定の負荷抵抗とは対照的に、一定の電圧シンク(電池)を使用することができる。より低い電力でより長い距離(より緩い結合)にわたって、またはより高い電力でより短い距離(より強い結合)にわたって、電圧ソースから電圧シンクへエネルギーを伝達する適応システムおよび方法を使用することができ、システムは、送電側および受電側の電力変換の動作モードをそれぞれハーフブリッジモードまたはフルブリッジモードに変化させることだけによって、最大効率で動作するとともに、規制上の制限を最適に利用するように適応することができる。
【０１５３】
図7は、図1の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の別の機能ブロック図である。無線電力伝達システム700は、ベースシステム側誘導コイル704および電気自動車側誘導コイル716のための通信リンク776、案内リンク766、および位置合わせシステム752、754を示す。図1を参照して上述したように、エネルギーが電気自動車112の方へ流れると仮定すると、図7では、ベース充電システム側電力インターフェース734は、ACまたはDC電源110などの電源からベース充電システム側電力変換器736へ電力を提供するように構成することができる。ベース充電システム側電力変換器736は、ベース充電システム側電力インターフェース734からACまたはDC電力を受電して、共振周波数またはその付近でベースシステム側誘導コイル704を励起することができる。電気自動車側誘導コイル716は、近接場結合モード領域内に位置するとき、近接場結合モード領域からエネルギーを受け取って、共振周波数またはその付近で発振することができる。電気自動車側電力変換器738は、電気自動車側誘導コイル716からの発振信号を、電気自動車側電力インターフェース740を介して電池に充電するのに適した電力信号に変換する。
【０１５４】
ベース側無線充電システム702はベース充電システム側制御装置742を含み、電気自動車側無線充電システム714は電気自動車側制御装置744を含む。ベース充電システム側制御装置742は、たとえばコンピュータおよび配電センターまたはスマートパワーグリッド(smart power grid)などの他のシステム(図示せず)へのベース充電システム側通信インターフェース746を含むことができる。電気自動車側制御装置744は、たとえば自動車の内蔵コンピュータ、他の電池充電制御装置、自動車内の他の電子システム、および遠隔電子システムなどの他のシステム(図示せず)への電気自動車側通信インターフェース748を含むことができる。
【０１５５】
ベース充電システム側制御装置742および電気自動車側制御装置744は、別個の通信チャネルを有する特有の適用分野向けのサブシステムまたはモジュールを含むことができる。これらの通信チャネルは、別個の物理チャネルまたは別個の論理チャネルとすることができる。非限定的な例として、ベース充電側位置合わせシステム752が、通信リンク776を通じて電気自動車側位置合わせシステム754と通信し、自律的に、または操作者の支援により、ベースシステム側誘導コイル704と電気自動車側誘導コイル716をより厳密に位置合わせするフィードバック機構を提供することができる。同様に、ベース充電側案内システム762が、案内リンク766を通じて電気自動車側案内システム764と通信し、ベースシステム側誘導コイル704と電気自動車側誘導コイル716を位置合わせする際に操作者を案内するフィードバック機構を提供することができる。さらに、ベース充電側通信システム772および電気自動車側通信システム774によって、ベース側無線充電システム702と電気自動車側無線充電システム714との間で他の情報を通信する別個の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)に対応することもできる。この情報は、ベース側無線充電システム702と電気自動車側無線充電システム714の両方の電気自動車特性、電池特性、充電状態、および電力能力に関する情報、ならびに電気自動車112に対する保守および診断データを含むことができる。これらの通信チャネルは、たとえば、Bluetooth（登録商標）、ジグビー（登録商標）、セルラー（登録商標）などの別個の物理通信チャネルとすることができる。
【０１５６】
電気自動車側制御装置744はまた、電気自動車の主電池の充電および放電を管理する電池管理システム(BMS)(図示せず)と、マイクロ波または超音波のレーダ原理に基づく駐車支援システムと、半自動駐車動作を実行するように構成されたブレーキシステムと、より高い駐車精度を提供できる大いに自動化された駐車「パークバイワイア(park by wire)」を支援するように構成されたステアリングホイールサーボシステムとを含むことができ、したがってベース側無線充電システム102aおよび電気自動車側無線充電システム114のいずれにおいても機械的な水平誘導コイルの位置合わせの必要を低減させることができる。さらに、電気自動車側制御装置744は、電気自動車112の電子機器と通信するように構成することができる。たとえば、電気自動車側制御装置744は、視覚的出力デバイス(たとえば、ダッシュボードディスプレイ)、音響/音声出力デバイス(たとえば、ブザー、スピーカ)、機械入力デバイス(たとえば、キーボード、タッチスクリーン、およびジョイスティック、トラックボールなどのポインティングデバイスなど)、ならびに音声入力デバイス(たとえば、電子音声認識を伴うマイクロフォン)と通信するように構成することができる。
【０１５７】
さらに、無線電力伝達システム700は、検出およびセンサシステムを含むことができる。たとえば、無線電力伝達システム700は、運転者または自動車を充電地点へ適切に案内するシステムとともに使用するためのセンサと、必要な離間距離/結合で誘導コイルを相互に位置合わせするセンサと、電気自動車側誘導コイル716が特定の高さおよび/または位置へ動いて結合を実現するのを妨げかねない物体を検出するセンサと、信頼性が高く損傷のない安全なシステム動作を実行するためにシステムとともに使用するための安全センサとを含むことができる。たとえば、安全センサは、安全半径を越えて無線電力誘導コイル104a、116に接近する動物または子供の存在の検出、加熱(誘導加熱)されかねないベースシステム側誘導コイル704付近に位置する金属の物体の検出、ベースシステム側誘導コイル704上の白熱体などの危険な事象の検出、ならびにベース側無線充電システム702および電気自動車側無線充電システム714の構成要素の温度監視のためのセンサを含むことができる。
【０１５８】
無線電力伝達システム700はまた、有線接続を介したプラグイン充電に対応することができる。有線充電ポートにより、電気自動車112との間で電力を伝達する前に、2つの異なる充電器の出力を統合することができる。スイッチング回路により、無線充電と有線充電ポートを介する充電との両方に対応するのに必要な機能性を提供することができる。
【０１５９】
ベース側無線充電システム702と電気自動車側無線充電システム714との間で通信するために、無線電力伝達システム700は、帯域内周波信号方式とRFデータモデム(たとえば、無認可の帯域における無線のイーサネット（登録商標）)の両方を使用することができる。帯域外通信は、付加価値を付けたサービスを自動車の使用者/所有者に割り当てるのに十分な帯域幅を提供することができる。無線電力キャリアの小さい深さ振幅または位相変調は、最小の干渉を伴う帯域内周波信号システムとして働くことができる。
【０１６０】
さらに、一部の通信は、特有の通信アンテナを使用することなく、無線電力リンクを介して実行することができる。たとえば、ベースシステム側誘導コイル704および電気自動車側誘導コイル716はまた、無線通信アンテナとして作用するように構成することができる。したがって、ベース側無線充電システム702のいくつかの実施形態は、無線電力経路上でキーイングタイプのプロトコルを可能にする制御装置(図示せず)を含むことができる。事前定義されたプロトコルによる事前定義された間隔における送電電力レベルのキーイング(振幅シフトキーイング)によって、受電器は、送電器からのシリアル通信を検出することができる。ベース充電システム側電力変換器736は、ベースシステム側誘導コイル704によって生成される近接場の近傍で有効な電気自動車側受電器の有無を検出する負荷感知回路(図示せず)を含むことができる。非限定的な例として、負荷感知回路は、電力増幅器へ流れる電流を監視する。この電流は、ベースシステム側誘導コイル104aによって生成される近接場の近傍に位置する有効な受電器の有無による影響を受ける。電力増幅器にかかる負荷の変化の検出は、発振器にエネルギーを送電させるか、有効な受電器と通信させるか、それともその組合せを行わせるかを判定する際に使用するためのベース充電システム側制御装置742によって監視することができる。
【０１６１】
無線高電力伝達を可能にするために、いくつかの実施形態は、10〜60kHzの範囲内の周波数で電力を伝達するように構成することができる。この低周波結合により、固体デバイスを使用して実現できる非常に効率的な電力変換を可能にすることができる。さらに、共存上の問題は、他の帯域に比べて無線システムではそれほど生じないであろう。
【０１６２】
無線電力伝達システム300は、再充電可能または交換可能な電池を含む様々な電気自動車で使用することができる。図8は、本発明の例示的な実施形態による、電気自動車812内に配置された交換可能な非接触の電気自動車側電池ユニット818を示す機能ブロック図である。この実施形態では、無線電力インターフェース(たとえば、充電器-電池コードレスインターフェース826)を組み込み、地中に埋め込まれたベース側無線充電システム(図示せず)から電力を受電できる電気自動車側電池ユニット818の場合、低い電池位置が有用である。図8では、電気自動車側電池ユニット818は、再充電可能な電池ユニットとすることができ、電気自動車側電池室824内に収容することができる。電気自動車側電池ユニット818はまた、充電器-電池コードレスインターフェース826へ無線電力を提供することができ、充電器-電池コードレスインターフェース826は、地上の無線充電ユニットと電気自動車側電池ユニットとの間の効率的かつ安全な無線エネルギー伝達に必要な共振誘導コイル、電力変換回路、ならびに他の制御および通信機能を含む電気自動車側無線充電システム全体を組み込むことができる。
【０１６３】
電気自動車側誘導コイル(図示せず)は、突出部分がないように、また指定の地面-自動車本体の隙間を維持できるように、電気自動車側電池ユニットまたは自動車本体の底面と同一平面になるように組み込むことが有用である。この構成は、電気自動車側電池ユニット818内に、電気自動車側無線充電システム専用の空間を必要とすることがある。電気自動車側電池ユニット818はまた、電池-自動車コードレスインターフェース828と、電気自動車812と図1に示すベース側無線充電システム102aとの間に非接触電力および通信を提供する充電器-電池コードレスインターフェース826とを含むことができる。
【０１６４】
いくつかの実施形態では、図1を参照すると、ベースシステム側誘導コイル104aおよび電気自動車側誘導コイル116は、固定の位置に位置することができ、誘導コイルは、ベース側無線充電システム102aに対する電気自動車側誘導コイル116の全体的な配置によって、近接場結合領域内に入れられる。しかし、エネルギー伝達を急速、効率的、かつ安全に実行するために、ベースシステム側誘導コイル104aと電気自動車側誘導コイル116との間の距離を低減させて、結合を改善することが必要になることがある。したがって、いくつかの実施形態では、ベースシステム側誘導コイル104aおよび/または電気自動車側誘導コイル116は、より良好に位置合わせするために配備可能および/または移動可能とすることができる。
【０１６５】
図9A、図9B、図9C、および図9Dは、本発明の例示的な実施形態による、電池に対して無線電力誘導コイルおよびフェライト材料を配置する例示的な構成の図である。図9Aは、完全にフェライトが埋め込まれた誘導コイルを示す。無線電力誘導コイルは、フェライト材料939aと、フェライト材料939aの周りに巻き付けた多重巻コイル(またはコイル)937aとを含むことができる。コイル937a自体は、撚ったリッツ線から作ることができる。電池空間931aと自動車との間に導電層(または導電シールド)933aを提供して、自動車の乗員を過度のEMF露出から保護することができる。導電シールド933aは、プラスチックまたは複合物から作られた自動車内で特に有用である。コイル937a、フェライト材料939a、および電池空間931aは、プラスチックの保護層935aによって片側を覆うことができる。
【０１６６】
図9Bは、結合を強化するように、また電池空間931bと自動車との間で導電層933b内の渦電流(熱放散)を低減させるように最適に寸法設定されたフェライト板(すなわち、フェライトバッキング)を示す。多重巻コイル937bは、非導電性で非磁性(たとえば、プラスチック)の保護層935b内に完全に埋め込むことができる。たとえば、図9Bに示すように、コイル937bは、保護層935b内に埋め込むことができる。磁気結合とフェライトヒステリシス損失との間のトレードオフの結果、コイル937bとフェライト材料939bとの間に離間距離を設けることができる。
【０１６７】
図9Cは、多重巻コイル937c(たとえば、銅のリッツ線多重巻コイル)が横(「x」)方向に移動可能である別の実施形態を示す。図9Dは、電気自動車側誘導コイルモジュール943dが下向きに配備された別の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、電気自動車側電池ユニットは、無線電力インターフェースの一部として配備可能および配備不能な電気自動車側誘導コイルモジュール943dの1つを含む。磁場が電池空間931dおよび自動車内部へ入り込むのを防止するために、電池空間931dと自動車との間に導電層933d(たとえば、銅シート)を設けることができる。さらに、非導電性(たとえば、プラスチック)の保護層935dを使用して、導電層(または導電シールド)933d、コイル937d、およびフェライト材料939dを環境の影響(たとえば、機械的損傷、酸化など)から保護することができる。さらに、多重巻コイル937dは、横方向Xおよび/またはY方向に移動可能とすることができる。図9Dは、電気自動車側誘導コイルモジュール943dが電気自動車側電池ユニット本体に対して下方のZ方向に配備される一実施形態を示す。
【０１６８】
この配備可能な電気自動車側誘導コイルモジュール943dの設計は、電気自動車側誘導コイルモジュール943dに導電層933dがないことを除いて、図9Bの設計に類似している。導電シールド933dは、電気自動車側電池ユニット本体とともに留まる。保護層935d(たとえば、プラスチック層)は、電気自動車側誘導コイルモジュール943dが配備状態にないとき、導電層933dと電気自動車側誘導コイルモジュール943dとの間に提供される。電気自動車側電池ユニット本体から電気自動車側誘導コイルモジュール943dを物理的に分離することで、誘導コイルの性能によい影響を与えることができる。追加として、コイル937dおよびフェライト材料939dは、プラスチックの別個の保護筐体941dによって一部を覆うことができる。
【０１６９】
上記で論じたように、配備された電気自動車側誘導コイルモジュール943dは、多重巻コイル937d(たとえば、リッツ線)およびフェライト材料939dのみを含むことができる。結合を強化するために、また自動車のアンダボディまたは導電層933d内の過度の渦電流損失を防止するために、フェライトバッキングを提供することができる。さらに、電気自動車側誘導コイルモジュール943dは、電力変換電子機器およびセンサ電子機器への可撓性のワイア接続を含むことができる。このワイア束は、電気自動車側誘導コイルモジュール943dを配備する機械的な伝動装置内へ組み込むことができる。
【０１７０】
図10は、本発明の例示的な実施形態による、電気自動車に無線で充電するために使用できる例示的な周波数を示す周波数スペクトルの図である。図10に示すように、電気自動車への無線高電力伝達に対する可能な周波数範囲は、3kHz〜30kHzの帯域内のVLF、一部を除く30kHz〜150kHzの帯域内のより低いLF(ISMなどの適用分野)、6.78MHzの高周波(HF)(ITU-R ISM-Band 6.765〜6.795MHz)、13.56MHzのHF(ITU-R ISM-Band 13.553〜13.567)、および27.12MHzのHF(ITU-R ISM-Band 26.957〜27.283)を含むことができる。
【０１７１】
図11は、本発明の例示的な実施形態による、無線充電式電気自動車で有用な例示的な周波数および送電距離を示す図である。電気自動車の無線充電に有用ないくつかの例示的な送電距離は、約30mm、約75mm、および約150mmである。いくつかの例示的な周波数は、VLF帯域内の約27kHzおよびLF帯域内の約135kHzとすることができる。
【０１７２】
無線電力伝達システム100に適した周波数を判定するとき、たくさんの事柄を考慮に入れることができる。たとえば、ベースシステム側誘導コイルおよび電気自動車側誘導コイルの共振特性および結合モード領域は、適した周波数を選ぶときの要因となりうる。さらに、無線電力周波数は、他の適用分野で使用される周波数と干渉することがある。非限定的な例として、電力線周波数、可聴周波数、および通信周波数では、VLF/LFの共存の問題が生じることがある。共存がVLFおよびLFに対して問題になりうる非限定的な例は、無線制御クロック用の周波数、長波AM放送および他の無線サービス用の周波数、ISDN/ADSLおよびISDN/xDSL通信チャネルへの交差結合、電子自動車固定化システム、RFID(無線周波数識別)システム、EAS(電子商品監視)システム、オンサイトページング、低電圧PLCシステム、医療移植(心臓ペースメーカなど)、音声システム、ならびに人間および動物が感知できるアコースティックエミッション(acoustic emission)がある。長波AM放送は、149kHz〜284kHzの周波数範囲を使用することができ、高電力送電器から五百キロメートルの範囲内の移動式および固定式の受電器へ放送することができる。
【０１７３】
さらに、共存がHFに対して問題になりうる非限定的な例は、遠隔制御の適用分野および連続エネルギー伝達を伴う全2重(FDX)または半2重(HDX)モードのRFID向けの6.78MHz、連続エネルギー伝達を伴うFDXまたはHDXモードのRFIDならびに携帯デバイス無線電力向けの13.56MHz、ならびに鉄道の適用分野(たとえば、Eurobaliseの27.095MHz)、シチズンバンド無線、および遠隔制御(たとえば、模型、玩具、車庫扉、コンピュータマウスなど)向けの27.12MHzなど、産業、科学、および医療用(ISM)の無線帯域である。
【０１７４】
別の非限定的な例では、図7のベース充電システム側電力変換器736およびその制御装置742は、ベース充電システム側電力変換器736を選択的に調整して無線電力送電のための近接磁場を生成するようにデューティーサイクルを調節することを含めて、電力変換の様々な態様を制御するように構成することができる。ベース充電システム側制御装置742はまた、無線電力送電の休止期間中に、近接磁場の生成を低減もしくは中止させることができ、または動作周波数を調整することができる。送電休止期間の結果、たとえば無線制御クロックなどの無線通信デバイスが所望の無線局信号を受信するのを妨げかねないあらゆる妨害信号の生成を中止することができる。さらに、ビークルツーグリッド構成中、電気自動車側制御装置744は同様に、電気自動車側電力変換器を選択的に調整して無線電力送電のための近接磁場を生成するようにデューティーサイクルを調節することができ、無線電力送電の休止期間中に、近接磁場の生成を低減もしくは中止させることができ、または動作周波数を調整することができる。
【０１７５】
上記の無線電力伝達システムは、電気自動車に充電し、または電力を再び送電網へ伝達するために、様々な場所で使用することができる。たとえば、電力の伝達は、駐車場環境内で行うことができる。図12は、複数の駐車区域1205a、1205b、および1205cと、各駐車区域1205a、1205b、および1205c内に位置決めされた例示的な充電ベースとを含む駐車場1201の図である。本明細書では、「駐車区域」を「駐車空間」と呼ぶこともできることに留意されたい。無線電力伝達システムの効率を高めるために、電気自動車1212をX方向(図12に矢印1207で示す)およびY方向(図12に矢印1209で示す)に沿って位置合わせして、電気自動車1212内の電気自動車側誘導コイル1216と関連する駐車区域1205内のベースシステム側誘導コイル1204とを十分に位置合わせすることができる。図12の駐車区域1205は、単一のベースシステム側誘導コイル1204およびベース側無線電力充電システム(図示せず)を有するものとして示すが、駐車区域1205はまた、複数のベースシステム側誘導コイル1204およびベース側無線電力充電システムを含むこともできる。
【０１７６】
さらに、開示する実施形態は、1つまたは複数の駐車空間または駐車区域1205a、1205b、および1205cを有する駐車場1201に適用することもでき、駐車場内の少なくとも1つの駐車空間1205aが、ベース側無線電力充電システムを含むことができる。電気自動車1212内の電気自動車側誘導コイル1216とベースシステム側誘導コイル1204とを位置合わせするように駐車区域1205内に電気自動車1212を位置決めする際に、案内システム(図示せず)を使用して、自動車の操作者を支援することができる。案内システムは、電気自動車側誘導コイル1216とベース側無線充電システム内のベースシステム側誘導コイル1204とを十分に位置合わせできるように電気自動車1212を位置決めする際に電気自動車の操作者を支援するために、電子ベースの手法(たとえば、無線による位置決め、方向探知原理、ならびに/または光学、擬似光学、および/もしくは超音波感知方法)、あるいは機械ベースの手法(たとえば、自動車ホイールガイド、トラック、またはストップ)、あるいはこれらの組合せを含むことができる。
【０１７７】
上記で論じたように、電気自動車側無線充電システム(図示せず)は、ベース側無線充電システムからの電力を送電および受電するように、電気自動車1212の下面に配置することができる。たとえば、電気自動車側誘導コイル1216は、電磁露出に対して安全な距離を提供し、電気自動車1212の前進および後進駐車を可能にすることにより、中心位置付近で自動車のアンダボディ内へ組み込むことができる。
【０１７８】
規制上および人間の露出上の制約(電磁場強度の限界)下で最大電力を実現し、また有線充電による解決策と同等の伝達効率を実現するために、ベースシステム側誘導コイル1204と電気自動車側誘導コイル1216との間の空隙は、可能な限り小さく設定することができる。しかし、非限定的な例では、自動車がある最小のシャーシ-地面の隙間を提供しなければならないため、「低位置」の電気自動車側誘導コイル1216だけではこの空隙を低減させることはできない。最低地上高は、自動車の種類(都市部向けの車、オフロード自動車など)に依存することがあり、製造業者固有とすることができ、または既存の規格もしくは推奨によって定義されていることもある。
【０１７９】
電気自動車側誘導コイル1216を含む電気自動車側無線充電システムを電気自動車1212の下面に配置する際、電気自動車1212の動作または運動中に様々な障害物に遭遇することがある。図13Aは、電気自動車1312が遭遇しうる様々な障害物1313の例を示す図であり、これらの障害物1313は、シャーシ隙間を必要とすることがある。障害物1313は、電気自動車1312のシャーシのシャーシ下面1315に異なる位置で接触することがある。電気自動車側誘導コイル(図示せず)が電気自動車1312のシャーシ下面1315内またはその付近に位置するとき、電気自動車側誘導コイルは、障害物1313が誘導コイルに接触したことに関連する損傷、ずれ、または他の問題を受けることがある。
【０１８０】
図13Bは、本発明の一実施形態による自動車のシャーシの下面1315の空胴1317内に位置する例示的な無線電力誘導コイル1316の透視図である。障害物からの望ましくない接触から電気自動車側誘導コイル1316を保護するために、電気自動車側誘導コイル1316は、電気自動車1312のシャーシ下面1315の空胴1317内に配置することができる。図9Dを参照して上記で論じたように、電気自動車側誘導コイル1316は、ベースシステム側誘導コイル(図示せず)からの無線電力を送電または受電するように配備可能とすることができる。
【０１８１】
機械的に配備可能な誘導コイルは、高い終端間効率(たとえば、90%を十分上回る)を提供し、3kWをかなり上回る充電電力レベルに対応し、電気自動車1312に対して指定されていることがあるあらゆる地上高要件(たとえば、20cm超)に対処することができる。機械的に配備可能な誘導コイルはまた、地面埋込み式と表面取付け式の両方のベースシステム側誘導コイルの設置に対応し、低い放出および露出レベルで動作することができる。配備可能な誘導コイルはまた、誘導コイルのずれを補償することができ、それによって公差を増大させ、したがって運転者に対する駐車の利便性を増大させることができる。
【０１８２】
誘導コイルの分離、したがって結合の低減はまた、スイッチモードの電力変換によって生成される誘導コイル電流の高調波を抑制するのに役立つことができる。緩く結合されたシステムは、高調波周波数における望ましくない放出レベルを減衰させるように固有の選択性を提供することができる。誘導コイルの電流リンクおよび磁場の強度は、結合を低減させることによって増大させることができるが、通常、高調波放出レベルを低減させると実益を得ることができ、これは、あらゆる補助的な高調波のフィルタリングに取って代わって、回路の複雑さおよび損失を低減させることができる。
【０１８３】
図1を参照すると、別の例示的な実施形態では、ベース側無線充電システム102aは、本明細書に記載するように、ベースシステム側誘導コイル104aの位置調整に使用できる機械的または電子的構成要素(たとえば、プロセッサ)を含むことができる。ベース側無線充電システム102aの構成要素は、駐車場、車道、または車庫の地面など、地面の下に少なくとも部分的に埋め込まれたベース側無線充電システム102a内に収容することができる。
【０１８４】
図14A、図14B、および図14Cは、いくつかの実施形態による充電ベース1402を埋め込む例示的な変形形態の図である。ベース側無線充電システム1402は、電気自動車に関連する対応する電気自動車側誘導コイル(図示せず)との間で無線電力信号を送信または受信する1つまたは複数のベースシステム側誘導コイル1404を含むことができる。図14Aに示すように、ベース側無線充電システムは、地面1411の表面から突出することができ、ベースシステム側誘導コイル1404と電気自動車側誘導コイルとの間の距離を低減できるため、結合を改善することができる。さらに、突出するベース側無線充電システム1402は、保守および修理のためによりアクセスしやすい。
【０１８５】
また、図14Bに示すように、ベース側無線充電システム1402は、地面1411の表面と同一平面とすることができる。同一平面のベース側無線充電システムは、保守および修理のためによりアクセスしやすく、かつ邪魔にならない。しかし、ベースシステム側誘導コイル1404と電気自動車側誘導コイルとの間の結合は、図14Aの突出するベース側無線充電システムに比べて低減されることがある。
【０１８６】
別法として、図14Cに示すように、ベース側無線充電システム1402は、地面1411の表面より完全に下(たとえば、アスファルト層1419より下)に位置することができる。そのような地下のベース側無線充電システム1402は、侵入者(たとえば、破壊行為)の恐れがそれほどなく、かつ邪魔にならない。家庭用の車庫および立体駐車場などの守られた環境では、表面実装式で低プロファイルのベースシステム側誘導コイル1404を使用することができる。これは、地面の材料が鉄で補強されたコンクリートであり、地面への埋込みが困難かつ高価である場合、特に当てはまるであろう。
【０１８７】
上記のように、効率的かつ安全な高電力伝達は、ベースシステム側誘導コイル204と電気自動車側誘導コイル216(図2)との間の距離による影響を受けることがある。たとえばベースシステム側誘導コイル204が地中に埋め込まれており、電気自動車側誘導コイル216が電気自動車のシャーシ内に埋め込まれている可能性がある場合、この距離を低減させることは困難であろう。また上述したように、電力伝達の効率を増大させるには、ベースシステム側誘導コイル204と電気自動車側誘導コイル216との間の注意深い位置合わせが望ましいことが多い。これには、ベースシステム側誘導コイル204と電気自動車側誘導コイル216のいずれかまたは両方の位置合わせのために、機械的(運動学的)構成要素を必要とすることがある。自動車の環境に合わせて物理的に動く部分を必要とする運動学的位置合わせシステムの設計は困難であろう。さらに、配備可能/可動式のベースシステム側誘導コイル204または電気自動車側誘導コイルからの高電圧の電力ケーブルを電力変換回路へ接続するのは困難であろう。したがって、様々な実施形態の一態様は、これらの難題を克服する方法およびシステムを提供することを対象とする。
【０１８８】
図15は、受動回路側誘導コイル203を含む受動回路を含む図2に示す無線電力伝達システム1500の例示的な構成要素の機能ブロック図である。無線電力伝達システム1500は、図2に示す構成要素、ならびにベースシステム側誘導コイル1504と電気自動車側誘導コイル1516との間に選択的に位置決めできる受動回路側誘導コイル(または寄生コイルを含む寄生回路)1503を含む。受動回路側誘導コイル1503を使用して、ベースシステム側誘導コイル1504によって作られる電場からのエネルギーを結合し、そのエネルギーを電気自動車側誘導コイル1516による結合のために無線で中継することができ、ベース側無線電力充電システム1502または電気自動車側無線充電システム1514の間にいかなる追加の電気的接続も必要としない。
【０１８９】
ベースシステム側誘導コイル1504および電気自動車側誘導コイル1516と同様に、受動回路側誘導コイル1503は、「ループ」アンテナ、より具体的には多重巻ループアンテナまたはコイルとして構成することができる。ループ(たとえば、多重巻ループ)アンテナは、空心、またはフェライトコアなどの物理的なコアを含むように構成することができる。空心ループアンテナでは、コア領域内に他の構成要素を配置することが可能である。強磁性体またはフェリ磁性体材料を含む物理的コアアンテナは、より強い電磁場の形成および結合の改善を可能にすることができる。
【０１９０】
効率的なエネルギー伝達は、電磁波内のエネルギーの大部分を非近接場へ伝搬するのではなく、ベースシステム側誘導コイル1504の近接場内のエネルギーの大部分を、受動回路側誘導コイル1503(本明細書では、寄生アンテナまたは寄生コイルとも呼ぶ)を介して電気自動車側誘導コイル1516へ結合することによって行うことができる。この近接場では、ベースシステム側誘導コイル1504、受動回路側誘導コイル1503、および電気自動車側誘導コイル1516の間で結合モードを形成することができる。
【０１９１】
図15では、自動車の方へのエネルギー伝達を仮定すると、ACまたはDC電源とすることができる電源1510が、ベース充電システム側電力変換器1536へ電力を供給する。ベース充電システム側電力変換器1536は、ベースシステム側誘導コイル1504を駆動して、所望の周波数信号を放出させる。ベースシステム側誘導コイル1504、受動回路側誘導コイル1503、および電気自動車側誘導コイル1516が実質上共通の(すなわち、同じ)周波数に同調され、ベースシステム側誘導コイル1504からの近接場放射内に位置するのに十分なほど近接している場合、ベースシステム側誘導コイル1504と電気自動車側誘導コイル1516は結合することができ、したがって電気自動車側誘導コイル1516へ電力を伝達し、受動回路側誘導コイルを介して電気自動車側電力変換器1538内で抽出することができる。次いで電気自動車側電力変換器1538は、電池ユニット1518を充電することができる。電源1510、ベース充電システム側電力変換器1536、およびベースシステム側誘導コイル1504は、上記で論じた様々な場所に静止して位置することができるベース側無線電力充電システム1502の基盤を含む。電池ユニット1518、電気自動車側電力変換器1538、および電気自動車側誘導コイル1516は、電気自動車の一部または電池パックの一部である電気自動車側無線充電システム1514を構成することができる。
【０１９２】
1つの例示的な実施形態では、ベースシステム側誘導コイル1504がエネルギー伝達を提供する近接場を生成するように、電源1510から入力電力が提供される。受動回路側誘導コイル1503を含む受動回路は、近接場へ結合することができ、電気自動車側誘導コイル1516により近い領域で拡張された近接場を生成することができる。電気自動車側誘導コイル1516は、受動回路側誘導コイル1503によって「拡張」された近接場へ結合することができ、電気自動車1512によって蓄積または消費される出力電力を生成する。他の例示的な実施形態では、ベースシステム側誘導コイル1504、受動回路側誘導コイル1503、および電気自動車側誘導コイル1516は、相互共振関係に従って構成される。コイル1504、1503、および1516の共振周波数が近い場合、電気自動車側誘導コイル1516が受動回路側誘導コイル1503の近接場内に位置し、受動回路側誘導コイル1503がベースシステム側誘導コイル1504の近接場内に位置するときに、送電損失を低減させることができる。
【０１９３】
したがって、受動回路側誘導コイル1503を含む受動回路は、ベースシステム側誘導コイル1504からのエネルギーを電気自動車側誘導コイル1516へ効率的に結合することが可能な共振構造を形成することができる。結合は、「磁気結合共振」および「共振誘導」としても知られている。ベースシステム側誘導コイル1504、受動回路側誘導コイル1503、および電気自動車側誘導コイル1516の間の共振が整合していないときでも、より低い効率でエネルギーを伝達できることを理解されたい。受動回路側誘導コイル1503の共振周波数は、そのインダクタンスおよび容量に基づくことができる。インダクタンスとは単に、受動回路側誘導コイル1503を構成するループによって生じるインダクタンスとすることができる。容量は、受動回路側誘導コイル1503に加えられ、所望の共振周波数の共振構造(すなわち、受動回路)を得ることができる。ある場合には、誘導コイルの自己容量は単独で使用され、または共振構造を得るために追加として使用される。さらに別の例では、受動回路側誘導コイル1503に対して直列にキャパシタを追加して、磁場を生成する共振回路を得ることができる。場合によっては、受動回路側誘導コイル1503は、さらに後述する「自己共振」とすることができ、ループ自体の容量を超えてさらなる容量を追加する必要はない。
【０１９４】
図16Aは、受動回路側誘導コイルを含む受動回路1623aを含む図15の無線電力伝達システム1500の例示的な構成要素の概略図である。図3に示す構成要素に加えて、この無線電力伝達システムは、受動回路側誘導コイル1603aを含む共振受動回路1623aを含む。本明細書に記載する受動回路側誘導コイル1603aは、容量負荷誘導コイル1603aと呼ぶことができ、または容量負荷誘導コイル1603aとして構成することができる。共振受動回路1623aは、選択された周波数で共振するように選択できるインダクタンスL3および容量C3を有する。等価抵抗Req,3は、受動回路側誘導コイルおよび逆リアクタンスキャパシタに固有の損失を表す。相互結合係数k13、k32、およびk12は、それぞれベースシステム側誘導コイル1604aと受動回路側誘導コイル1603aとの間、受動回路側誘導コイル1603aと電気自動車側誘導コイル1616aとの間、ベースシステム側誘導コイル1604aと電気自動車側誘導コイル1616aとの間のコイルの離間距離で得られる相互結合係数を表す。
【０１９５】
受動回路1623aは、受動回路側誘導コイル1603aおよび共振キャパシタを含む純粋に受動的な構成要素から形成し、図16Aに示すような電気的接続なしで共振タンク回路1623aを形成することができる。受動回路側誘導コイル1603a(寄生構造または寄生共振器と呼ぶことができる)は、近接磁場を介して、ベースシステム側誘導コイル1604aと電気自動車側誘導コイル1616aの両方へ結合することができ、いかなる電気的接続も必要としない。受動回路側誘導コイル1623aは封止することができ、これは苛酷な環境内に位置する場合に有利であろう。
【０１９６】
さらに、受動回路側誘導コイル1623aは、ベースシステム側誘導コイル1604aまたは電気自動車側誘導コイル1616aから機械的に移動可能とすることができる。ワイアは摩耗、破断、および絶縁損傷を受けることがあるが、受動回路側誘導コイル1623aからの電気的接続を必要としないため、受動回路側誘導コイル1623aを配備および位置合わせする機構を簡略化することができる。いくつかの実施形態では、受動回路側誘導コイル1603aは、電気自動車(図示せず)の一部とすることができ、使用しないときは電気自動車のアンダボディの下に収容することができる。
【０１９７】
受動回路側誘導コイル1603は、ベースシステム側誘導コイル1604および電気自動車側誘導コイル1616へ結合するように構成することができるため、磁気経路は、受動回路側誘導コイル1603、ベースシステム側誘導コイル1604、および電気自動車側誘導コイル1616に非常に近接している金属部分によって妨げられない。金属部分は、結合を低減させ、渦電流による損失を増大させることがある。
【０１９８】
一実施形態では、受動回路側誘導コイル1603aは、大部分が金属であるキャパシタを追加するのではなく、自己容量のために共振する自己共振コイルとすることができる。Q値を維持できる場合、受動回路側誘導コイル1603のLC比は、伝達効率に影響しない。自己共振受動回路側誘導コイル1603aは、様々な形状因子および体積をとることができる。
【０１９９】
コイルの自己容量およびインダクタンスは、コイルの巻数とともに増大することができる。細いワイアコイルで巻数が多い場合、比較的低い周波数で自己共振を呈することができる。共振周波数は、高誘電率の誘電体材料内へ巻線を埋め込むことによってさらに減少させることができる。所望の誘電体は、極めて低い損失(高いQまたは低い正接δ)を有するもの、および高い電場強度(高い電圧破壊)に耐えうるものとすることができる。
【０２００】
自己共振式で高誘電率の埋込みコイルの利点は、通常は絶縁体として働く巻線間の空間を再利用して、容量である電場エネルギーを蓄積できることである。追加として、通常は磁場エネルギー(すなわち、インダクタンス)を蓄積する働きをするコイルの銅の巻線は、キャパシタの「金属板」として働くことができる。
【０２０１】
ワイア厚さが表皮の深さ程度またはそれ以下であると仮定すると、コイルのAC抵抗がそのDC抵抗に近づくため、表皮効果および近接効果の損失は無視できるほどになる。
【０２０２】
自己共振コイルは、単位長さ当たり高いインダクタンスおよび高い容量、したがって遅波伝搬を伴う巻線状の送電線と見なすことができる。コイルは両方の端部で開端されるため、ワイアに沿ったコイル電流は不均一であり、ワイア端部で事実上ゼロになる。正弦波の電流分布を仮定すると、約(1-2/π)=36%の体積が無駄になることがある。しかし場合によっては、自己共振コイルは、外部容量を使用する従来の共振器設計に性能面で勝ることがある。電圧破壊またはアークの発生を回避するために、自己共振受動回路側誘導コイル1603aは、LC比をより低くしてより太いワイアを必要とするように設計することができる。より太いワイアは、表皮効果のために損失を導入することがあり、または、リッツ線が使用される場合、その断面積の一部分しか利用することができない。さらに、外部キャパシタの金属部分では、ある程度の渦電流損失が生じることがある。
【０２０３】
自己共振ディスクコイルの共振周波数の同調は、わずかに低い周波数に合わせてコイルを設計し、次いで共振が指定の公差内に入るまで一部の外側の巻線を切断すること(たとえば、使用者によるレーザ技法)によって、製造時に実行することができる。自己容量ならびに外部容量を使用する複合の解決策を使用することもできる。複合の解決策の場合、指定の周波数で共振が得られるまで、外部容量を追加または除去することができる。
【０２０４】
図16Bは、受動回路側誘導コイル1603b〜1603nを含む複数の受動回路1623b〜1623nを含む図15の無線電力伝達システムの例示的な構成要素の概略図である。図16Aに比べて、任意の数の受動回路1632b〜1623nを提供することができる。受動回路1632b〜1632nは、それぞれインダクタンスL3〜Lnを有する受動回路側誘導コイル1603b〜1603nを含む。個々の容量C3〜Cnは、所望の周波数で共振する共振回路を形成するために使用される共振受動誘導回路1632b〜1632nの容量を表す。個々の等価抵抗Req,3〜Req,nは、受動回路側誘導コイルおよび逆リアクタンスキャパシタに固有の損失を表す。相互結合係数k13、k3N、kN2、k1N、k32、およびk12は、それぞれベースシステム側誘導コイル1604と第1の受動回路側誘導コイル1603bとの間、第1の受動回路側誘導コイル1603bと第nの受動回路側誘導コイル1603nとの間、第nの受動回路側誘導コイル1603nと電気自動車側誘導コイル1616との間、ベースシステム側誘導コイル1604と第nの受動回路側誘導コイル1603nとの間、第1の受動回路側誘導コイル1603aと電気自動車側誘導コイル1616との間、ベースシステム側誘導コイル1604と電気自動車側誘導コイル1616との間のコイルの離間距離で得られる相互結合係数を表す。
【０２０５】
図17Aおよび図17Bは、それぞれ異なる距離のところに位置する1次誘導コイル1704aおよび2次誘導コイル1716aと共平面構成をなす受動回路の2つの受動回路側誘導コイル1703aおよび1703bを示す図である。図示のように、受動回路側誘導コイル1703aは、2次コイル(たとえば、電気自動車側誘導コイル1716a)と共平面をなすことができ、さらに別の受動回路側誘導コイル1703bは、1次誘導コイル1704aと共平面をなすことができる。共平面構成により、より効率的なエネルギー伝送および受動回路側誘導コイル1703aと他の共平面コイルとの間のより良好な結合を可能にすることができる。図17Aに示すように1次コイル1704aと2次コイル1704bがともに近接している場合、近接場領域が重複するため、受動回路側誘導コイル1703aおよび1703bを介する受動的な結合はそれほど効果的でないことがある。しかし、図17Bに示すように空隙がより大きい場合、受動回路側誘導コイル1703aおよび1703bを使用する結合はより効果的になる。各受動回路側誘導コイル1703cおよび1703dとそれぞれの共平面コイル1704bおよび1716bとの間の結合係数k11'、k1'2'、およびk22'を、1次1704bと2次1716bとの間の結合係数とともに示す。
【０２０６】
図18は、受動回路側誘導コイル1803を含む受動回路を含む無線電力伝達システム1800の例示的な中核および補助構成要素を示す機能ブロック図である。図18は、受動回路側誘導コイル1803を含む受動回路を加えて、図7に示す構成要素を含む。さらに、電気自動車側位置合わせシステム1854は、受動回路側誘導コイル1803の位置を調整するようにさらに構成することができる。
【０２０７】
図7の例示的な実施形態と同様に、エネルギーがBEVの方へ流れると仮定すると、図18では、ベース充電システム側電力変換器1836は、ベース充電システム側電力インターフェース1834からACまたはDC電力を受電して、共振周波数またはその付近でベースシステム側誘導コイル1804を励起することができる。受動回路側誘導コイル1803を含む受動回路は、近接場結合モード領域内に位置するとき、近接場結合モード領域からエネルギーを受け取って、共振周波数またはその付近で発振する。電気自動車側誘導コイル1816は、近接場結合モード領域内に位置するとき、受動回路側誘導コイル1803を含む受動回路の近接場結合モード領域からエネルギーを受け取って、共振周波数またはその付近で発振する。電気自動車側電力変換器1838は、電気自動車側誘導コイル1816からの発振信号を、電気自動車側電力インターフェース1840を介して電池(図示せず)に充電するのに適した電力信号に変換する。
【０２０８】
ベース充電側位置合わせシステム1852は、電気自動車側位置合わせシステム1854と通信し、自律的に、または操作者の支援により、ベースシステム側誘導コイル1804、受動回路側誘導コイル1803、および電気自動車側誘導コイル1816をより厳密に位置合わせするフィードバック機構を提供することができる。同様に、ベース充電側案内システム1862は、電気自動車側案内システム1864と通信し、ベースシステム側誘導コイル1804、受動回路側誘導コイル1803、および電気自動車側誘導コイル1816を位置合わせする際に操作者を案内するフィードバック機構を提供する。
【０２０９】
電気自動車側誘導コイル1816および受動回路側誘導コイル1803は、突出部分がないように、また指定の地面-自動車本体の隙間を維持できるように、自動車本体(図示せず)の電池ユニットの底面と同一平面になるように組み込むことができる。この構成は、電池ユニット内に、電気自動車側無線充電システム1814専用の空間を必要とすることがある。
【０２１０】
いくつかの例示的な実施形態では、ベースシステム側誘導コイル1804、受動回路側誘導コイル1803、および電気自動車側誘導コイル1816は定位置に固定することができ、これらの誘導コイルは、ベース側無線充電システム1802に対する電気自動車(図示せず)の全体的な配置によって、近接場結合領域内に入れられる。上記のように、ベースシステム側誘導コイル1804と電気自動車側誘導コイル1816との間の距離を低減させて、磁気結合を改善することができる。これを実現するために、1つの例示的な実施形態では、ベースシステム側誘導コイル1804、受動回路側誘導コイル1803、および電気自動車側誘導コイル1816のそれぞれをより良好に位置合わせするように、ベースシステム側誘導コイル1804、受動回路側誘導コイル1803、および電気自動車側誘導コイル1816を移動可能(すなわち、配備可能または可動)とすることができる。
【０２１１】
さらに、ベース側無線充電システム1802(図18)は、自動的に(たとえば、自動化されたロボットとして)動くように構成することができ、遠隔で(たとえば、遠隔制御ユニットを介して)、またはそのようなプラットホームの他の制御方法によって、制御することができる。たとえば、電気自動車112(図1)は、(たとえば、電気自動車側通信システム1874を介して)充電を要求することができ、そのときベース側充電システムは、電気自動車の下で自動的に動くことができ、ベースシステム側誘導コイル1804と電気自動車側誘導コイル1816を位置合わせするようにベース側充電システム自体を位置決めすることができる。さらに、電気自動車側誘導コイル1816、受動回路側誘導コイル1803、およびベースシステム側誘導コイル1804の位置を1つまたは複数の方向に調整することによって、細かい位置合わせ(必要な場合)を実現することができる。十分に位置合わせされた後、ベース側充電システム1802は、ベース側充電システム1802と電気自動車側無線電力システム1814との間で無線電力をより効率的に伝達することができる。充電の完了後または何らかの他の事象後、ベース側無線充電システム1802は、待ち位置または待機モードへ戻ることができる。ベース側無線充電システム1802は、充電処理前後に接続ケーブルを巻いたりほどいたりするためのケーブル管理をさらに含むことができる。
【０２１２】
電気自動車側無線電力充電システム1814は、安全性および保全性の問題に備えてさらに構成することができる。たとえば、電気自動車112は、電気自動車側誘導コイル1816、受動回路側誘導コイル1803、もしくはベースシステム側誘導コイル1804が配備されたとき、または誘導コイルを取り消すさせることができないとき(たとえば、損傷もしくは障害物のため)、固定化されるように構成することができる。固定化により、無線電力伝達システム1800をさらなる損傷から保護することができる。別の実施形態では、無線電力伝達システム1800は、電気自動車側誘導コイル1816、受動回路側誘導コイル1803、またはベースシステム側誘導コイルl804の機械抵抗を検出するセンサを含むことができる。この検出により、誘導コイルの動きを制限しかねない位置に障害物(たとえば、石、破片、雪、動物など)が存在する場合に、電気自動車側誘導コイル1816、受動回路側誘導コイル1803、またはベースシステム側誘導コイル1804、および付随する構成要素を損傷から保護することができる。
【０２１３】
例示的な実施形態の無線電力伝達システム1800は、電気自動車側誘導コイル1816とベースシステム側誘導コイル1804との間に無線電力リンクの連続監視(たとえば、電圧、電流、電力の流れなどの監視)を含むことができ、無線電力リンク内に異常が生じた場合に送られる電力を低減させ、または電力を遮断することができる。他の実施形態では、無線電力伝達システム1800は、誘導コイルに非常に近接して人物または動物が存在することを検出するように構成されたセンサをさらに含むことができる。そのようなセンサは、人物が無線電力誘導コイルに近接している場合、プロセッサに無線電力送電を低減または終了させることができる。そのような動作は、たとえば人物が電気自動車の下で保守または他の修理作業を実行するときなど、電磁放射への長時間の露出に対する安全上の予防策とすることができる。そのような予防策は、心臓ペースメーカまたは類似の損傷を受けやすく安全上重要な医療デバイスを使用する人物を保護するには特に重要であろう。
【０２１４】
一実施形態では、受動回路側誘導コイル1803は通常、突出しないように電気自動車のアンダボディ内に収容することができる。電気自動車112が充電のために駐車されたとき、電気自動車側誘導コイル1816とベースシステム側誘導コイル1803との間の位置へ受動回路側誘導コイル1803をz方向に下ろすことができる。
【０２１５】
コイル間の距離を最小にすることで、規制上の制約下で最大効率および最大電力でのエネルギー伝達を可能にすることができ、したがって距離がゼロである(コイルが接触する)ことが最適であろう。しかし、頑丈に、可撓性に、かつ確実に行う必要のある実際的な解決策では、特定の離間距離を予期することができる。コイル間の距離は、環境要因(主に屋外駐車場における泥、破片、雪の存在)、地中(アスファルト下、同一平面、突出)へのベースシステム側誘導コイル1804の埋込み、ベースシステム側送電回路および電気自動車側受電回路の収容、自動車懸架システムの突然の垂直方向の移動(たとえば、電気自動車側誘導コイルが配備されているときに体重のある人物が車内に座った場合)を吸収するために必要な安全余裕など、いくつかの要因に依存することがある。
【０２１６】
図19Aおよび図19Bは、無線電力伝達システム内に受動回路の受動回路側誘導コイルを配置する例示的な構成の図である。図19Aに示すように、例示的な実施形態では、「寄生コイル」もしくは「寄生アンテナ」または「寄生共振器」としても知られている受動回路側誘導コイル1903を磁気リンク内に挿入して、送電側誘導コイル(たとえば、ベースシステム側誘導コイル1904)と受電側誘導コイル(たとえば、電気自動車側誘導コイル1916)との間の磁気結合を著しく増大させることができ、したがって伝達効率を改善し、磁場を低減させることができる。そのような一実施形態の受動回路側誘導コイル1903はまた、ベースシステム側誘導コイル1904aからのエネルギーを受け取って電気自動車側誘導コイル1916aへ中継するエネルギー中継器と見なすことができる。
【０２１７】
図19Bに示すように、ベースシステム側誘導コイル1904bと電気自動車側誘導コイル1916bとの間で、複数の受動回路側誘導コイル1903bおよび1903cを位置決めすることができる。この構成を、多重結合寄生共振と呼ぶことができる。このシステムでは、各共振器1904b、1903c、1903b、および1916b間に相互結合が存在することができる。このシステムは、すべての個々の共振器1904b、1903c、1903b、および1916bとすべての他の個々の共振器1904b、1903c、1903b、および1916bとの間の結合係数(図示せず)によって説明することができる。
【０２１８】
1つまたは複数の受動回路側誘導コイルを導入することで、より高次の結合共振を有するシステムを提供することができる。場合によっては、多重受動回路側誘導コイルシステムは、送電波形および受電(整流器)波形内に含まれる高調波の放出の取扱いに有利であろう。
【０２１９】
同じく図19Aおよび図19Bに示すように、磁気シールド(たとえば、電気自動車側フェライト材料1939aおよび1939bならびにベースシステム側フェライト材料1941aおよび1941b)により、導電層(たとえば、電気自動車側導電層1933aおよび1933bならびにベースシステム側導電層1943aおよび1943b)内の渦電流損失を低減させることができ、これを使用して、磁場がベース側無線充電システム1902aおよび1902bの他の構成要素内ならびに電気自動車1912aおよび1912b内へ入り込むのを防止することができる。さらに、磁気シールドにより、受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cへの結合を増大させることができる。電気自動車側誘導コイル1916aおよび1916bは、自動車のアンダボディ内に完全に埋め込んで固定することができる。ベース側無線充電システム1902は、地面1911内に位置することができる。
【０２２０】
別の実施形態では、受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cは、ベースシステム側誘導コイル1904aおよび1904bならびに電気自動車側誘導コイル1916aおよび1916bより直径を大きくすることができる。この設計では、受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cを、電気自動車1912aおよび1912bならびにベース側無線充電システム1902aおよび1902bの金属表面からより離れた好ましい位置に配置することができるため、より高いQ値を呈することができる。受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cは、磁気結合共振システムの主要な共振器とすることができる。
【０２２１】
寄生共振は、ベースシステム側誘導コイル1904aおよび1904bに対する電気自動車側誘導コイル1916aおよび1916bの横方向(x,y)の位置合わせ誤差に対してある程度の公差を提供することができる。1つまたは複数の受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cは、電気自動車側誘導コイル1916aおよび1916bとベースシステム側誘導コイル1904aおよび1904bとの間で最大の結合を実現するために、最適のx,y位置へ動かす(たとえば、機械的に移動させる)ことができる。
【０２２２】
したがって、ベースシステム側誘導コイル1904aおよび1904b(または任意の他の共振送電側誘導コイル)と電気自動車側誘導コイル1916aおよび1916b(または任意の共振受電側誘導コイル)との間に位置決めされた1つまたは複数の受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903c(すなわち、寄生共振器)の位置は、選択的に調整することができる。受動回路側誘導コイル1903a、1903b、および1903cの位置を変えることによって、効率を著しく損なうことなく、ある程度の有用な範囲にわたってエネルギー伝達率を制御することができる。
【０２２３】
図20Aおよび図20Bは、本発明の例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイル2003aおよび2003bとともに使用するためにベース側無線充電システムの上に位置決めされた電気自動車を示す。図20Aでは、電気自動車側誘導コイル2016aを含む電気自動車2012aが、同じくベースシステム側誘導コイル2004aを含むベース側無線充電システム2002aの上に位置決めされる。電気自動車側誘導コイル2016a、受動回路側誘導コイル2003a、およびベースシステム側誘導コイル2004aは、XおよびY方向に位置合わせされ、Z方向に距離2027aだけ分離される。
【０２２４】
図20Bでは、電気自動車側誘導コイル2016bとベースシステム側誘導コイル2004bは、X方向にオフセット距離2029bだけずらされ、Z方向に距離2027bだけ分離される。距離2023およびオフセット距離2029bは、電気自動車側誘導コイル2016bとベースシステム側誘導コイル2004との間の結合強度を改善するために、受動回路側誘導コイル2003bを介して低減させることができる。距離2023bおよびオフセット距離2029bは、受動回路側誘導コイル2003bの位置を調整するために使用される位置合わせ調整システムによって変更することができる。受動回路側誘導コイル2003bは、電気自動車側誘導コイル2016bもしくはベースシステム側誘導コイル2004bのいずれかと同心円状に位置合わせされるように位置決めすることができ、または電気自動車側誘導コイル2016bもしくはベースシステム側誘導コイル2004bのいずれかからX、Y、またはZ方向にずらすことができる。
【０２２５】
別の例示的な実施形態では、位置合わせ調整システムは、ベースシステム側誘導コイル2004bと電気自動車側誘導コイル2016bとの間の結合強度を増大させるために、ベースシステム側誘導コイル2004b、受動回路側誘導コイル2003b、電気自動車側誘導コイル2016b、またはこれらの組合せの物理的な位置を調整することができる。この調整は、ベースシステム側誘導コイル2004b、受動回路側誘導コイル2003b、または電気自動車側誘導コイル2016bの互いに対する検出されたずれに応答して実行することができる。
【０２２６】
さらに別の実施形態では、自動車側案内システム1854(図18)からの情報を利用して、ずれを判定することができる。さらに、他の実施形態では、無線電力リンクの性能を示す様々なパラメータを使用することなど、無線電力リンク(図示せず)からの情報を使用して、関連する誘導コイルのずれを判定することもできる。ずれの検出中、無線電力リンクは、低減させた電力レベルで動作させることができるが、関連する誘導コイルが正確に位置合わせされた後は、電力レベルを増大させることができる。
【０２２７】
一実施形態では、位置合わせ調整システムは、より粗い位置合わせ案内システム(図示せず)から分離することができ、またはそれに加えて設けることができる。たとえば、粗い位置合わせ案内システムは、電気自動車2012bを所与の公差(すなわち、誤差半径)内の位置へ案内することができ、したがって位置合わせ調整システムは、電気自動車側誘導コイル2016b、受動回路側誘導コイル2003b、およびベースシステム側誘導コイル2004bの間の細かい誤差を補正することができる。
【０２２８】
図21は、本発明の例示的な実施形態による、電気自動車側充電システムとベース側無線充電システムを位置合わせする案内システムの使用を示す図である。図21に示すように、電気自動車側誘導コイル2116とベースシステム側誘導コイル2104が、「X」方向にずれている。電気自動車側誘導コイル2116とベースシステム側誘導コイル2104は、「Y」方向では位置合わせされている。たとえば、Y方向の位置合わせは、電気自動車2112によって、独自の牽引システムを使用して実現することができ、この牽引システムは、本明細書に記載の案内システムによって支援(たとえば、自動操縦)され、Y位置に平滑かつ正確に標的を合わせることができる。そのようなシナリオでは、X方向の位置合わせ誤差がやはり存在することがある。Y方向の位置合わせ調整を不要にすることで、受動回路側誘導コイルはX方向にしか動かないように構成することができるため、受動回路側誘導コイル(図示せず)に対する空間要件をさらに低減させることができ、受動回路側誘導コイルは、無線電力伝達に対してまだ配備されていない状態で空胴内に収容することができる。
【０２２９】
図22は、例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイル2203の位置を調整するXおよびY方向の可能な位置を示す。機械デバイス(図示せず)で角度対(α、β)を選択し、したがって受動回路側誘導コイル2203を半径rmax内でXおよびY方向の任意の位置へ動かすことができる。
【０２３０】
図23A、図23B、および図23Cは、無線電力伝達システム100内で受動回路側誘導コイル2303の位置を変えるために利用できる機械デバイスを示す。図23Aでは、受動回路側誘導コイル2303は、電気自動車2312の下面の空胴2317内に位置することができる。機械デバイス2350は、適当な角度対(α、β)を選択することによって、XおよびY方向に受動回路側誘導コイル2303の位置を調整することができる。追加として、機械デバイス2350は、電気自動車2312の空胴2317から受動回路側誘導コイル2303を下げることによって、受動回路側誘導コイル2303の位置をZ方向に調整することができる。機械デバイス2350は、電動機構および/または油圧装置を含む多くの機械デバイスの1つを含むことができる。図示しないが、機械デバイスを同様に使用して、電気自動車側誘導コイル2316またはベースシステム側誘導コイル2304の位置を、X、Y、もしくはZ方向、またはこれらの組合せで調整することもできる。
【０２３１】
図23Bおよび図23Cでは、受動回路側誘導コイル2303は、本発明の例示的な実施形態による駆動機構2353に動作可能に結合された伝動装置シャフト2351によって位置を変えることができる。動作の際には、駆動機構2353が作動された場合、伝動装置シャフト2351を回転させて支持部材2355を延ばし、受動回路側誘導コイル2203をZ方向に下げることができる。
【０２３２】
別の実施形態では、無線電力送電器によって生成される電場の束線を変える電気的な解決策(たとえば、電子的に切り換えられるコイルアレイ)の支援によって、細かい位置合わせ調整を実現することもできる。誘導コイルの機械的な位置合わせと電気的な位置合わせの組合せを使用することもできる。
【０２３３】
受動回路側誘導コイル2303は、電気自動車2312のシャーシの下面に沿って位置することができる。一実施形態では、地面より上に位置するプラットホームとして、ベース側無線充電ステーションを構成することができる。そのような構成は、地中に充電ベースのための穴を形成することが望ましくない場合、車庫またはカーポート向けの後付けの解決策として望ましいであろう。さらに別の実施形態では、ベース側無線充電システムはまた、1つの位置に保管し、異なる位置へ移動させ、別の位置で使用できる移動充電プラットホームとしての柔軟性を提供することができる。
【０２３４】
図24は、本発明の例示的な実施形態による、受動回路側誘導コイル2403とともに使用するための無線電力伝達システム2400に対する例示的な構成要素の機能ブロック図である。無線電力伝達システム2400は、距離を(実際的または効果的に)最小にして無線電力伝達の効率を最大にすることを目的として、実際の条件に適応させることができる。ベースシステム側誘導コイル2404と受動回路側誘導コイル2416の離間距離は可変とすることができ、最大電力、最大効率、および規制順守に対処するようにあるリンクパラメータに適応することから利益を得ることができる。
【０２３５】
無線電力伝達システム2400は、ベース側無線充電システム2402および電気自動車側無線充電システム2414を含む。ベース側無線充電システム2402はベース充電システム側電力変換器2436を含み、ベース充電システム側電力変換器2436は、供給周波数のDC電力またはAC電力を動作周波数(たとえば、LF)の送電電力へ変換することができ、またはベース側充電電力インターフェース2434を介して逆の動作モード(ビークルツーグリッド)でその逆に変換することができる。ベース充電システム側電力変換器2436は、電圧および電流を測定するためにいくつかのセンサ(図示せず)を組み込むことができる。ベース側無線充電システム2402は、電気自動車側誘導コイル2416との間で電力を無線で送電または受電できるベースシステム側誘導コイル2404をさらに含む。図24に示すように、ベースシステム側誘導コイル2404は、固定して地面に埋め込むことができる。
【０２３６】
ベース側無線充電システム2402はまた、ベースシステム側通信システム2427を含むことができ、ベースシステム側通信システム2427は、システム制御データを交換するために、また電気自動車1612または他のアプリケーションによって直接または間接的に生成される電気自動車の充電に関係するデータを識別または認証するために、電気自動車側通信インターフェース2448を介して電気自動車1612と通信する。上記のように、ベースシステム側通信システム2427は、専用のアンテナを使用することができ、またはベースシステム側誘導コイル2404を使用することができる。ベース側無線充電システム2402はまた、ベース充電システム側制御装置2442を含み、ベース充電システム側制御装置2442は、電気自動車側通信インターフェース2448およびベース側無線充電システム2402の様々なセンサから受け取ったデータを処理することができ、ベース側無線充電システム2402の異なる実体を制御することができる。
【０２３７】
電気自動車側無線充電システム2414は電気自動車側電力変換器2438を含み、電気自動車側電力変換器2438は、無線で受電した動作周波数(たとえば、低周波)の電力を、供給周波数のDC電力もしくはAC電力へ変換することができ、または逆の動作モード(V2G)でその逆に変換することができる。電気自動車側電力変換器2438は、電圧および電流を測定するためにいくつかのセンサ(図示せず)を含むことができる。電気自動車側無線充電システム2414は、ベースシステム側誘導コイル2404との間で電力を無線で受電または送電できる電気自動車側誘導コイル2403を含む。
【０２３８】
一実施形態では、電気自動車側誘導コイル2416は、X、Y、Z方向に移動可能とすることができる。別の実施形態では、電気自動車側誘導コイル2416を固定することができる。電気自動車側誘導コイルはまた、ベースシステム側誘導コイル2404の自由度を制約しかねない石、破片、雪、氷などの望ましくない物体を検出するために、たとえば十分に低いz位置へ動くように、少なくとも1つのセンサ(S)を備えることができる。センサは、誘導コイル機構内に組み込まれる機械抵抗センサ、誘導コイルモジュール表面に位置する触覚センサ、超音波センサ、光学センサ、および金属の物体を検出するための電磁センサの少なくとも1つを含むことができる。電気自動車側誘導コイル2416が移動可能である場合、電気自動車側位置合わせシステム2454を使用して、電気自動車側誘導コイル2416とベースシステム側誘導コイル2404を位置合わせし、所望の結合に合わせて距離を調整することができる。電気自動車側位置合わせシステム2454は、アクチュエータを含むことができ、アクチュエータは、電気自動車側誘導コイル機構を駆動するサーボ-モータ(M)とすることができる。
【０２３９】
電気自動車側無線充電システム2414は、受動回路の受動回路側誘導コイル2403をさらに含むことができる。上記のように、受動回路側誘導コイル2403を使用して、ベースシステム側誘導コイル2404と電気自動車側誘導コイル2416との間の近接結合領域を「拡大」することができる。電気自動車側位置合わせシステム2454を使用して、受動回路側誘導コイル2403を電気自動車側誘導コイル2416またはベースシステム側誘導コイル2404のいずれかに位置合わせすることができる。電気自動車側位置合わせシステム2454は、アクチュエータを含むことができ、アクチュエータは、受動回路側誘導コイル機構を駆動するサーボ-モータ(M)とすることができる。受動回路側誘導コイル2403はまた、機械抵抗を検出するために、電気自動車側誘導コイル2416を参照して上述したセンサを備えることができる。したがって、電気自動車側誘導コイル2416は、固定の位置に配置することができ、受動回路側誘導コイル2403を介して任意の位置合わせおよび距離制御を実現することができる。受動回路側誘導コイル2403を含む受動回路は、いかなる追加の電気的接続も必要としないため、特に電気ケーブルまたはワイアが機械的に移動可能な構成要素を備えない場合、位置合わせ機構を簡略化することができる。
【０２４０】
図24は、電気自動車1612を備える受動回路側誘導コイル2403を示すが、ベース側無線充電システム2402は受動回路側誘導コイル(図示せず)を含むこともできることを理解されたい。したがって、ベース側無線充電システム2402は、必要な任意のセンサおよびモータを組み込む電気自動車を参照して上述した場合と同様に、組み込まれた受動回路側誘導コイルを機械的に移動させる(たとえば、位置合わせする)ベースシステム側位置合わせシステム(図示せず)を含むことができる。したがって、電気自動車側無線充電システム2414またはベース側無線充電システム2402の一方または両方は、受動回路側誘導コイル2403を含むことができる。
【０２４１】
電気自動車側無線充電システム2414は、電気自動車側通信インターフェース2448をさらに含み、電気自動車側通信インターフェース2448は、制御データを交換するために、また電気自動車1612または他のアプリケーションによって直接または間接的に生成される電気自動車の充電に関係するデータを識別または認証するために、ベースシステム側通信システム2427と通信することができる。電気自動車側通信インターフェース2448は、専用のアンテナを使用することができ、または電気自動車側誘導コイル2416を使用することができる。さらに、電気自動車側無線充電システム2414は電気自動車側制御装置2444を含み、電気自動車側制御装置2444は、ベース側無線充電システム2402および電気自動車側無線充電システム2414の様々なセンサから受け取ったデータを処理することができ、電気自動車側無線充電システム2414の異なる実体を制御することができる。
【０２４２】
位置合わせ処理を実行するとき、無線電力伝達システム2400が新しい距離/結合係数に調整される間に、送電電力を低減させなければならないことがある。したがって、無線電力伝達システム2400は、リンク調整の目的で様々な方法によって電力を絞ることができる。電力を著しく低減させることができるため、この動作モードでは、効率はそれほど問題にならない。
【０２４３】
条件が許し、より高い電力(たとえば、4kW)が望ましい場合、無線電力伝達システム2400は、距離d'で所定の結合k'に調整することができる。より高い電力伝達で条件が適当でないことを示すものが検出された場合(たとえば、センサ(S)の少なくとも1つによって地面上の物体が検出されたため、またはより低い電力(たとえば、2kW)が望ましい場合)、無線電力伝達システム2400は、より大きい距離d"でより弱いが所定の結合k"=k/2に調整することができる。結合係数と距離との間の関係は、局所的な条件に応じてある程度異なることがあるため、距離に依拠するのではなく、結合係数を測定することが望ましいであろう。
【０２４４】
電気自動車側制御装置2444は、通信リンクを介してベース充電システム側制御装置2442から電気自動車側制御装置2444へ送信できる電気自動車側電力変換器2438およびベース充電システム側電力変換器2436の電圧および電流センサからの測定データを使用することによって、結合係数を判定することができる。リンクパラメータ(たとえば、L1、C1、R1、L2、C2、およびR2)、動作周波数、ならびに様々な電力変換パラメータが分かれば、たとえば以下の式42に示す共振誘導リンクの連立方程式から、結合係数k(d)を導出することができる。
【０２４５】
式42
【数３３】
0005632089.tif 000035
【０２４６】
これらの導出された値に基づいて、電気自動車側位置合わせシステム2454は、それに応じて誘導コイル2403および2416を位置合わせすることができる。所望の結合(すなわち、2つの標的結合係数(k'またはk")の一方)を実現するように調整された後、ベース充電システム側電力変換器2436および電気自動車側電力変換器2438は、フルブリッジモード(k'の場合)またはハーフブリッジモード(k"の場合)に合わせて構成することができ、この標的結合係数で許容しうる最大電力(たとえば、それぞれ4kWまたは2kW)まで電力を増やすことができる。
【０２４７】
別の実施形態では、測定された結合係数が閾値を上回る場合、電力変換をフルブリッジモードに合わせて構成することができる。逆に、導出された結合係数がその閾値以下である場合、電力変換をハーフブリッジモードに合わせて構成することができる。この閾値は、2つの標的結合係数間の中間あたりに(たとえば、フルブリッジモードとハーフブリッジモードがどちらも等しく実行される値で)定義することができる。しかし、2つの標的結合係数からかなり逸脱する結合係数でシステムを動作させるには、上記のように電力、効率、および放出レベルを制御する追加の手段を必要とすることがある。
【０２４８】
所定の結合係数k'およびk"をそれぞれフルブリッジまたはハーフブリッジモードで動作させることで、最大の効率で改善されたエネルギー伝達を提供し、電力変換の複雑さを最も低くすることができる。公称電力に合わせて電力を精密に調整するための細かい制御は、結合をわずかに低下もしくは増大させることによって、または効率をほとんど劣化させない別の方法によって実現することができる。標的結合係数に基づく細かい制御および調整は、上記の受動回路側誘導コイル2403の移動/位置合わせによって実現することができる。
【０２４９】
図25は、本発明の例示的な実施形態による、送電回路と電気自動車との間で電力を無線で伝達する例示的な方法2500の流れ図である。ブロック2502で、電気自動車2412は、第1のコイルを備える受電回路で電力を無線で受電することができる。ブロック2504で、電気自動車2412は、第2のコイル2403を含む受動回路で送電回路から電力を無線で受電することができる。ブロック2506で、受動回路は、送電回路から受電した電力を、受動回路を介して受電回路へ無線で転送することができる。ブロック2508で、受電回路は、無線で転送された電力を電気自動車2412のエネルギー蓄積デバイスへ提供することができる。ブロック2510で、電気自動車2412は、第1のコイル2608から第2のコイル2403を選択的に移動させることができる。上記のように、電気自動車2412は、第2のコイル2403を移動させて、送電回路の第1のコイル2416と第3のコイル2404との間の結合を改善することができる。
【０２５０】
図26は、本発明の例示的な実施形態による無線電力受電器の機能ブロック図である。デバイス2600は、図1〜25に関して論じた様々な動作に対する手段2602、2604、2606、および2608を含む。
【０２５１】
上記の方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/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、これらの動作を実行することが可能な任意の適した手段によって実行することができる。通常、図1〜25に示すあらゆる動作は、これらの動作を実行することが可能な対応する機能手段によって実行することができる。
【０２５２】
様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して情報および信号を表すことができることが、当業者には理解されるであろう。たとえば、上記の説明全体にわたって参照できるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは粒子、光場もしくは粒子、またはこれらの任意の組合せによって表すことができる。
【０２５３】
本明細書に開示する例示的な実施形態に関連して説明した様々な図示の論理ブロック、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施できることが、当業者にはさらに理解されるであろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性をはっきりと示すために、様々な図示の構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップについて、その機能性に関して概略的に上記で説明した。そのような機能性がハードウェアとして実施されるか、それともソフトウェアとして実施されるかは、全体的なシステムに課される特定の適用および設計上の制約に依存する。上記の機能性は、それぞれの特定の適用分野に対する様々な方法で当業者には実施することができるが、そのような実施に関する決定は、本発明の例示的な実施形態の範囲からの逸脱を引き起こすと解釈されるべきではない。
【０２５４】
本明細書に開示する例示的な実施形態に関連して説明した様々な図示の論理ブロック、モジュール、および回路は、本明細書に記載する機能を実行するように設計された汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(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ム可能論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理回路、個別のハードウェア構成要素、またはこれらの任意の組合せによって実施または実行することができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサとすることができるが、代替形態では、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、制御装置、マイクロコントローラ、または状態機械とすることができる。プロセッサはまた、演算デバイスの組合せとして、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コアに付随する1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実施することができる。
【０２５５】
本明細書に開示する例示的な実施形態に関連して説明した方法またはアルゴリズムのステップは、直接ハードウェア内で、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内で、または2つの組合せ内で実施することができる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的プログラム可能ROM(EPROM)、電気的消去プログラム可能ROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、取外し可能ディスク、CD ROM、または当技術分野では周知の任意の他の形式の記憶媒体内に常駐することができる。例示的な記憶媒体はプロセッサに結合され、したがってプロセッサは、記憶媒体からの情報を読み取り、情報を記憶媒体へ書き込むことができる。代替形態では、記憶媒体はプロセッサに一体化することができる。プロセッサおよび記憶媒体は、ASIC内に常駐することができる。ASICは、ユーザ端末内に常駐することができる。代替形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別の構成要素として常駐することができる。
【０２５６】
1つまたは複数の例示的な実施形態では、上記の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組合せにおいて実施することができる。ソフトウェア内で実施される場合、これらの機能は、コンピュータ可読媒体上に記憶することができ、またはコンピュータ可読媒体上の1つまたは複数の命令もしくはコードとして送信することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体と、1つの場所から別の場所へのコンピュータプログラムの伝達を容易にするあらゆる媒体を含む通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスできる任意の利用可能な媒体とすることができる。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、命令またはデータ構造の形式で所望のプログラムコードを実施または記憶するために使用でき、コンピュータによってアクセスできるRAM、ROM、EEPROM、CD ROM、もしくは他の光ディスク記憶域、磁気ディスク記憶域もしくは他の磁気記憶デバイス、または任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続を適宜コンピュータ可読媒体と呼ぶ。たとえば、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、デジタル加入者線(DSL)、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術を使用してウェブサイト、サーバ、または他の遠隔源からソフトウェアが送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、DSL、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術は、媒体の定義内に含まれる。本明細書では、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスク、およびブルーレイディスクを含み、一般に、ディスク(disk)はデータを磁気的に再現するのに対して、ディスク(disc)はデータをレーザで光学的に再現する。上記の組合せもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
【０２５７】
本明細書では、「判定」という用語は、多種多様な動作を包含する。たとえば、「判定」は、計算、演算、処理、導出、調査、参照(たとえば、表、データベース、または別のデータ構造の参照)、確認などを含むことができる。また、「判定」は、受信(たとえば、情報の受信)、アクセス(たとえば、メモリ内のデータへのアクセス)などを含むことができる。また、「判定」は、分解、選択(selecting)、選択(choosing)、確立などを含むことができる。
【０２５８】
本明細書に開示する方法は、記載の方法を実現するための1つまたは複数のステップまたは動作を含む。これらの方法ステップおよび/または動作は、特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく互いと交換することができる。言い換えれば、ステップまたは動作の具体的な順序が指定されていない限り、特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、具体的なステップおよび/または動作の順序および/または使用を修正することができる。
【０２５９】
開示する例示的な実施形態に関する前述の説明は、当業者が本発明を実施または使用できるように提供される。これらの例示的な実施形態に対する様々な修正形態は、当業者には容易に明らかになり、本明細書に定義した包括的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示す例示的な実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示する原理および新規な特徴に一致する最も広い範囲が与えられるものとする。
【符号の説明】
【０２６０】
100  無線電力伝達システム、102a  ベース側無線充電システム、102b  ベース側無線充電システム、104a  ベースシステム側誘導コイル、108  通信リンク、110  電力リンク、電源、112  電気自動車、114  電気自動車側無線充電システム、116  電気自動車側誘導コイル、118  電池ユニット、130  地域分配センター、132  電力幹線、134  通信バックホール、200  無線電力伝達システム、202  ベース側無線充電システム、204  ベースシステム側誘導コイル、210  電源、214  電気自動車側無線充電システム、216  電気自動車側誘導コイル、218  電気自動車側電池ユニット、236  ベース充電システム側電力変換器、238  電気自動車側電力変換器、300  無線電力伝達システム、304  ベースシステム側誘導コイル、306  ベースシステム側送電回路、310  電源、316  電気自動車側誘導コイル、318  電気自動車側電池ユニット、322  電気自動車側受電回路、336  ベース充電システム側電力変換器回路、338  電気自動車側電力変換器回路、404  ベースシステム側誘導コイル、416  電気自動車側誘導コイル、502  ベース側無線電力充電システム、514  電気自動車側無線充電システム、536  ベース充電システム側電力変換器回路、538  電気自動車側電力変換器回路、700  無線電力伝達システム、702  ベース側無線充電システム、704  ベースシステム側誘導コイル、714  電気自動車側無線充電システム、716  電気自動車側誘導コイル、734  ベース充電システム側電力インターフェース、736  ベース充電システム側電力変換器、740  電気自動車側電力インターフェース、742  ベース充電システム側制御装置、744  電気自動車側制御装置、746  ベース充電システム側通信インターフェース、748  電気自動車側通信インターフェース、752  ベース充電側位置合わせシステム、754  電気自動車側位置合わせシステム、762  ベース充電側案内システム、766  案内リンク、772  ベース充電側通信システム、774  電気自動車側通信システム、776  通信リンク、812  電気自動車、818  交換可能な非接触の電気自動車側電池ユニット、824  電気自動車側電池室、826  充電器-電池コードレスインターフェース、828  電池-自動車コードレスインターフェース、931a  電池空間、931b  電池空間、931d  電池空間、933a  導電層、導電シールド、933b  導電層、933d  導電層、導電シールド、935a  保護層、935b  保護層、935d  保護層、937a  多重巻コイル、937b  多重巻コイル、937c  多重巻コイル、937d  多重巻コイル、939a  フェライト材料、939b  フェライト材料、939d  フェライト材料、941d  保護筐体、943d  電気自動車側誘導コイルモジュール、1201  駐車場、1204  ベースシステム側誘導コイル、1212  電気自動車、1216  電気自動車側誘導コイル、1205a  駐車区域、1205b  駐車区域、1205c  駐車区域、1312  電気自動車、1313  障害物、1315  シャーシ下面、1316  無線電力誘導コイル、電気自動車側誘導コイル、1317  空胴、1402  充電ベース、ベース側無線充電システム、1404  ベースシステム側誘導コイル、1411  地面、1419  アスファルト層、1500  無線電力伝達システム、1502  ベース側無線電力充電システム、1503  受動回路側誘導コイル、1504  ベースシステム側誘導コイル、1510  電源、1514  電気自動車側無線充電システム、1516  電気自動車側誘導コイル、1518  電池ユニット、1536  ベース充電システム側電力変換器、1538  電気自動車側電力変換器、1603a  受動回路側誘導コイル、1603b  受動回路側誘導コイル、1603n  受動回路側誘導コイル、1604a  ベースシステム側誘導コイル、1616a  電気自動車側誘導コイル、1623a  受動回路、1623b  受動回路、1623n  受動回路、1703a  受動回路側誘導コイル、1703b  受動回路側誘導コイル、1703c  受動回路側誘導コイル、1704a  1次誘導コイル、1704b  1次コイル、共平面コイル、1716a  2次誘導コイル、電気自動車側誘導コイル、1716b  2次誘導コイル、共平面コイル、1800  無線電力伝達システム、1802  ベース側無線充電システム、1803  受動回路側誘導コイル、1804  ベースシステム側誘導コイル、1814  電気自動車側無線充電システム、1816  電気自動車側誘導コイル、1834  ベース充電システム側電力インターフェース、1836  ベース充電システム側電力変換器、1838  電気自動車側電力変換器、1840  電気自動車側電力インターフェース、1852  ベース充電側位置合わせシステム、1854  電気自動車側位置合わせシステム、1862  ベース充電側案内システム、1864  電気自動車側案内システム、1874  電気自動車側通信システム、1902a  ベース側無線充電システム、1902b  ベース側無線充電システム、1903a  受動回路側誘導コイル、1903b  受動回路側誘導コイル、共振器、1903c  受動回路側誘導コイル、共振器、1904a  ベースシステム側誘導コイル、1904b  ベースシステム側誘導コイル、共振器、1911  地面、1912a  電気自動車、1912b  電気自動車、1916a  電気自動車側誘導コイル、1916b  電気自動車側誘導コイル、共振器、1933a  電気自動車側導電層、1933b  電気自動車側導電層、1939a  電気自動車側フェライト材料、1939b  電気自動車側フェライト材料、1941a  ベースシステム側フェライト材料、1941b  ベースシステム側フェライト材料、1943a  ベースシステム側導電層、1943b  ベースシステム側導電層、2002a  ベース側無線充電システム、2003a  受動回路側誘導コイル、2003b  受動回路側誘導コイル、2004a  ベースシステム側誘導コイル、2004b  ベースシステム側誘導コイル、2012a  電気自動車、2012b  電気自動車、2016a  電気自動車側誘導コイル、2016b  電気自動車側誘導コイル、2027a  距離、2027b  距離、2029b  オフセット距離、2104  ベースシステム側誘導コイル、2112  電気自動車、2116  電気自動車側誘導コイル、2203  受動回路側誘導コイル、2303  受動回路側誘導コイル、2312  電気自動車、2316  電気自動車側誘導コイル、2317  空胴、2350  機械デバイス、2351  伝動装置シャフト、2353  駆動機構、2355  支持部材、2400  無線電力伝達システム、2402  ベース側無線充電システム、2403  受動回路側誘導コイル、2404  ベースシステム側誘導コイル、2412  電気自動車、2414  電気自動車側無線充電システム、2416  受動回路側誘導コイル、2427  ベースシステム側通信システム、2436  ベース充電システム側電力変換器、2438  電気自動車側電力変換器、2442  ベース充電システム側制御装置、2444  電気自動車側制御装置、2448  電気自動車側通信インターフェース、2454  電気自動車側位置合わせシステム、C1  容量、C2  容量、C3  容量、Cn  容量、d  距離、H(r)  磁場ベクトル、I1  誘導コイル電流、I2  誘導コイル電流、k(d)  相互結合係数、k12  相互結合係数、k13  相互結合係数、k11'  結合係数、k1'2'  結合係数、k1N  相互結合係数、k22'  結合係数、k32  相互結合係数、k3N  相互結合係数、kN2  相互結合係数、L1  インダクタンス、L2  インダクタンス、P1  電力、P2  電力、PLDC  電力、PSDC  電力、r  位置、R2  損失抵抗、Req,1  抵抗、Req,2  抵抗、Req,3  抵抗、Req,n  抵抗、RL  負荷抵抗、rmax  半径、S11  スイッチ、S11'  スイッチ、S12  スイッチ、S12'  スイッチ、V1  実効値(r.m.s.)電圧、V2  r.m.s.電圧、VLDC  電圧、VSDC  電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
0005632089.tif 000045
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
0005632089.tif 000063
【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
0005632089.tif 000066
【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
0005632089.tif 000069
【図２３Ｂ】
0005632089.tif 000070
【図２３Ｃ】
0005632089.tif 000071
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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