(57)【要約】  【解決手段】  内在的なライン力率補正を有する共振誘導無線電力伝送装置は、特定の力率補正回路を用いずに、ライン接続点にほぼ力率１の高調波歪みの小さな負荷を伴う無線伝送方法を提供する。前記装置は、従来の直流電圧の代わりに整流正弦波供給電圧によって動作する伝送周波数インバータを提供する。共振誘導転送コイル対は、２つの直列接続された特定の値の共振コンデンサを追加することによりインピーダンスインバータに変換される。前記インピーダンスインバータは、軽負荷の条件下で前記２次側電圧を上昇させ、このようにすることにより、ライン周波数の電源電流と２次側負荷電流とを比例させることにより、ライン負荷の力率をほぼ１に維持し、高調波電流の歪みを小さく抑える。  【選択図】      図３
2017532943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内在的力率補正装置であって、
ＡＣ電源電圧と、
前記ＡＣ電源電圧に接続され、正弦半波整流供給電圧（ｈａｌｆ−ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ  ｓｕｐｐｌｙ  ｖｏｌｔａｇｅ）を提供するライン周波数整流器と、
前記正弦半波整流供給電圧に応答してインピーダンス反転した（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｉｎｖｅｒｔｅｄ）２次側電圧を出力に提供するインピーダンスインバータと、
前記２次側電圧を整流する２次側整流器と、
前記２次側整流器から供給される整流後出力を濾波してインバータ周波数のリップルを除去し、ライン周波数の正弦半波電流を出力に供給する２次側リップルフィルタと、
前記ライン周波数の正弦半波電流を受け取る負荷と、
を有し、
前記インピーダンスインバータは、軽負荷条件下において前記２次側電圧を上昇させることにより、前記ＡＣ電源電圧から供給されるライン周波数の電源電流および前記負荷における前記ライン周波数の正弦半波電流を比例させてほぼ力率１のライン負荷力率を維持し、高調波電流の歪みを小さく抑えるものである
装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記インピーダンスインバータは、ターマンＴ型構成（Ｔｅｒｍａｎ  Ｔｅｅ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）のインピーダンス整合ネットワークと、前記インピーダンスインバータが前記負荷に印加される負荷電流の大きさを前記ＡＣ電源電圧に比例させ前記ＡＣ電源電圧と同相とする９０度の伝送位相ずれを有するように選択された値を有する２つの直列接続された共振コンデンサとを含むものである装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記ＡＣ電源電圧は３相ＡＣ電源電圧を有し、ライン周波数整流器は前記３相ＡＣ電源電圧の各相に接続されて正弦半波整流供給電圧を提供し、加算変圧器は前記ＡＣ電源電圧とのガルバニック絶縁を提供し、前記加算変圧器の出力は前記インピーダンスインバータに提供されるものである装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、前記加算変圧器は、物理的に独立した３つの変圧器を有するものである装置。
【請求項５】
請求項３記載の装置において、前記加算変圧器は、共通コア上に３相の部分的な磁束相殺を伴う６つの巻線を有する単一の変圧器を有するものである装置。
【請求項６】
請求項３記載の装置において、さらに、
前記３相のＡＣライン上に伝送周波数インバータのスイッチング周波数成分を排除するフィルタを有するものである装置。
【請求項７】
請求項３記載の装置において、前記負荷に供給される前記ライン周波数の正弦半波電流は、各ＡＣラインから供給される相互に１２０度位相がずれた３相の整流正弦波の総和である装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、前記ＡＣ電源電圧は３相ＡＣ電源電圧を有し、ライン周波数整流器は前記３相ＡＣ電源電圧の各相に接続されて正弦半波整流供給電圧を提供し、１次側誘導コイルは、前記２次側整流器に接続されている２次側誘導コイルと共通の磁気コアを共有して共同設置されている３つの独立した誘導コイルとして実施されるものである装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置において、前記ＡＣ電源電圧は、プラグイン充電器である装置。
【請求項１０】
請求項１記載の装置において、前記負荷は、電池充電の負荷である装置。
【請求項１１】
請求項１記載の装置において、前記負荷は、単相電源電圧または多相電源電圧の総和からの正弦半波電流波形によって動作可能な電気化学的なまたは電気めっきされた負荷である装置。
【請求項１２】
内在的力率補正装置であって、
ＤＣ電源と、
前記ＤＣ電源の出力のライン周波数のリップルを濾波するシャント・リップル・フィルタ・コンデンサと、
前記シャント・リップル・フィルタ・コンデンサの出力から供給されるライン周波数のリップルを濾波したＤＣ電圧を出力方形波電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、
前記出力方形波電圧を、ライン周波数の正弦波によって包絡線変調された、ＤＣ／ＡＣコンバータの周波数の正弦波に変換して双極正弦波包絡線を形成するインピーダンスインバータと、
前記双極正弦波包絡線を単極正弦半波包絡線に整流する２次側整流器と、
前記単極正弦半波における１つおきの周期の極性を反転させて正弦波形を発生させる整流戻し（ｄｅ−ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ネットワークと、
前記正弦波形を受け取るＡＣ負荷と
を有し、
前記インピーダンスインバータは、軽負荷条件下において２次側電圧を上昇させることにより、前記ＤＣ電源から供給されるライン周波数の電源電流および前記ＡＣ負荷における電流を比例させてほぼ力率１のライン負荷力率を維持し、高調波電流の歪みを小さく抑えるものである
装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の装置において、前記インピーダンスインバータは、ターマンインピーダンス反転ネットワークを有し、当該インピーダンス反転ネットワークは、その２次側における瞬時負荷電圧によって変化する変圧を提供するものである装置。
【請求項１４】
請求項１２記載の装置において、さらに、
前記単極正弦半波包絡線が前記整流戻しネットワークに印加される前に前記単極正弦半波包絡線から高周波リップルを除去するリップル・フィルタ・ネットワークを有するものである装置。
【請求項１５】
請求項１２記載の装置において、前記整流戻しネットワークは、半波ブリッジ構成または全波ブリッジ構成の電力半導体スイッチを含むものである装置。
【請求項１６】
請求項１２記載の装置において、さらに、
前記ＤＣ電源と前記ＡＣ負荷との間にガルバニック絶縁を提供する絶縁変圧器を有するものである装置。
【請求項１７】
前記ＡＣ負荷に印加される３相定電圧の各相に請求項１６記載の内在的力率補正装置を有する装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の装置において、前記ＤＣ電源は、３つの独立した等電圧のＤＣ電源を有するものである装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１４年１０月２０日付けで出願された米国特許仮出願第６２／０６５，８８９号に対して優先権を主張するものである。当該出願の内容は、この参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、共振誘導による電気エネルギーの伝送に関する。より具体的には、本発明は、特定の力率補正回路を用いずにライン接続点においてほぼ力率１の高調波歪みの小さな負荷を提供する無線伝送の方法に関する。その代わりに、本明細書内で説明する装置は、特定の力率補正段を必要とせずに高調波歪みの小さなほぼ力率１を提供することにより、構成要素のコスト、装置のサイズ、および電力変換損失を低減する。
【背景技術】
【０００３】
誘導電力伝送は、多くの産業および市場にわたって多くの重要な用途を有する。本明細書内に含まれる開示は、本発明の、比較的大電力（１００ワット超）を必要とする用途への使用を企図するものの、電力用途の潜在的なリストは限定されず、本発明は、広い範囲にわたる所要電力に適用することができる。
【０００４】
図１は、従来技術による共振誘導電力伝送システム１０の概念図を示している。図示のように、ＡＣライン１２に交流ライン周波数の電気エネルギーの供給源が提供されており、ライン周波数整流器１４およびシャント・コンデンサ・リップル・フィルタ１６によって直流に変換される。ＤＣ／ＡＣインバータ１８が直流エネルギーを高周波交流に変換し、これが共振ネットワーク２０によって１次側誘導コイル２２に印加される。一般的な動作周波数は、１５〜５０ｋＨｚの範囲である。
【０００５】
１次側誘導コイル２２と２次側誘導コイル２４との間の電磁結合によって１次側エネルギーが２次側に転送され、高周波整流器２６によって整流され、リップルフィルタ２８によってリップル濾波され、遠隔配置された電池３０を充電するために使用される。共振ネットワーク３２が２次側誘導コイル２４を共振させることにより、最大電流の流れおよび最大エネルギーの転送を可能とする。
【０００６】
図１の回路内のＡＣライン接続に与えられる負荷の性質は、ライン整流器およびシャント・リップル・フィルタ・コンデンサの組み合わせによって決定される。動作時には、整流後の瞬時ライン電圧がシャントコンデンサ電圧を超えない限り、ライン整流器電流はゼロである。このことは、整流器電流が正弦波ではなく、その代わりにライン電圧正弦波が最大値に達する直前に発生する幅の狭いパルスであることを意味する。整流器電流は、正弦波の代わりに幅の狭いパルスであるので、かなりの高調波成分を含んでいる。関連付けられるライン周波数の高調波電流は、配電用の構成要素および配電システムに接続されているその他の負荷にとって有害であり、このため、電力会社または政府の規制によって低振幅に制限されている。
【０００７】
別の難題として、ライン周波数整流器の電流のピークがライン周波数の最大電圧よりも前に発生するということがある。このことは、ライン周波数整流器の電流パルスの基本波成分がライン周波数の正弦波電圧に先行し、同じく規制当局による制限の対象である好ましくない進み電流の要因を生むことを意味する。ライン周波数のリップルフィルタであるシャントコンデンサ１６の静電容量を増加させると、直流ライン周波数のリップルの大きさが低減されるが、しかしまた不必要に整流器電流パルスの大きさを増加させかつ幅を減少させるので、好ましくないライン周波数の高調波歪みおよび許容できないライン力率を増加させることとなる。
【０００８】
このとき問題となるのは、ライン電圧源から同相の正弦波電流を引き出しながら、如何にしてライン周波数の交流を直流に変換するかということである。図２は、この問題に対する従来の解決策、即ち、力率補正段３４の追加を示している。力率補正をこのように使用することは、整流器によって生成されるライン周波数の高調波歪みの排除ならびにライン周波数の正弦波電圧および正弦波電流の位相合わせの両方を意味することに留意されたい。
【０００９】
図２に示す力率補正段３４は、ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータで構成されているものの、降圧コンバータおよび昇降圧コンバータのトポロジーを用いることもできる。シャント電界効果トランジスタ３６として図２に図示されているシャント開閉器は、パルス幅によってインダクタ電流を制御し、したがって、ＡＣライン電流を制御する。シャントトランジスタ３６がオンであるとき、インダクタ電流が、整流後の瞬時ライン電圧に比例した割合で増加する。シャントトランジスタ３６がオフとなると、インダクタ３８に蓄積されているエネルギーが、直列ダイオード４０を通ってシャント・フィルタ・コンデンサ１６に投入される。制御回路４２が、整流後のライン電流を監視し、整流後のライン電流がライン電圧に比例した状態が維持されるように、トランジスタの導通間隔を持続的に調節する。このようにすれば、ライン周波数整流器の電流がライン電圧振幅に比例する正弦半波となり、高調波歪みが強制的にゼロとなり、力率が強制的にほぼ１となり、ＤＣ／ＡＣインバータの供給電圧が本質的に一定に保持される。
【００１０】
しかし、図２に図示した従来の力率補正の方法には少なくとも２つの明確な不利点がある。即ち、追加の電力変換段が装置のコストおよび体積を増加させ、また不要なエネルギー変換損失をも招くことである。このような特定の力率補正回路を用いずに、共振誘導電力伝送システム内のライン接続点に、ほぼ力率１の高調波歪みの小さな負荷を提供することが望ましい。本発明は、当該技術分野におけるこの必要性に対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記共振誘導無線電力装置の動作パラメータを変更して、追加的なエネルギー変換力率補正を必要とせずに、高調波歪みの小さなほぼ力率１のライン負荷を内在的に提供することにより、従来技術の上述の制約に対処する。従来の回路の整流器の後段のライン周波数のリップルフィルタおよびシャントコンデンサが削除され、前記ＤＣ／ＡＣインバータは、平滑化された一定値のＤＣ電圧によってではなく、前記ライン正弦波の全波整流に由来する正弦半波によって電力供給される。
【００１２】
例示的な実施形態において、前記ＤＣ／ＡＣインバータによって生成された高周波矩形波の包絡線はもはや一定ではなく、正弦半波の形状で連続的に変化する。前記従来の伝送コイル対が、前記共振伝送コイル対が前記システム負荷電流の大きさを、したがって前記ＡＣライン電流を、前記ＡＣライン電圧に比例させこれと同相とする９０度の伝送位相ずれを有する共振インピーダンスインバータとなるように具体的に選択された値の共振コンデンサと結合しているので、ほぼ力率１のＡＣ負荷および小さなＡＣライン高調波電流成分が保証される。
【００１３】
前記無線電力伝送コイル対の２次側で、整流器が前記伝送周波数の正弦波を整流する。整流器の後段のフィルタが前記インバータ周波数のリップルを除去し、ライン周波数の正弦半波電流を前記一定ＤＣ電圧の負荷に供給する。３相ＡＣ電源電圧（ｔｈｒｅｅ  ｐｈａｓｅ  ＡＣ  ｌｉｎｅ  ｓｏｕｒｃｅ）の実施形態において、前記負荷に供給される電流は、相互に１２０度ずれた３相の整流正弦波の総和であり、したがって、低減されたライン周波数のリップルを有する。
【００１４】
前記例示的な実施形態において、本発明は、ほぼ１のＡＣライン力率を維持し、ＡＣライン高調波電流成分を小さく抑える装置を提供する。前記システムは、前記伝送側に、ライン周波数のリップルフィルタをその後段に有さないライン周波数整流器と、前記整流後ＡＣライン周波数を正弦半波の形状で連続的に変化する振幅を有する包絡線変調された高周波矩形波形に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、共振伝送コイル対が９０度の伝送位相ずれを有する共振インピーダンスインバータとなるように具体的に選択された値を有する共振コンデンサと結合された前記伝送コイル対と、１次側誘導コイルとを含んでいる。前記受け取り側では、前記システムは、前記受け取り側の負荷に正弦半波の非交番ＤＣ電流を提供する伝送周波数整流器とこれに関連付けられる伝送周波数のリップルフィルタとを含んでいる。
【００１５】
別の実施形態において、本発明は、前記電力がＤＣ電源からＡＣ負荷に流れる用途に使用される。このような実施形態において、前記内在的力率補正装置は、ＤＣ電源と、前記ＤＣ電源の出力のライン周波数のリップルを濾波するシャント・リップル・フィルタ・コンデンサと、前記シャント・リップル・フィルタ・コンデンサの出力から供給されるライン周波数のリップルを濾波したＤＣ電圧を出力方形波電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、前記出力方形波電圧を、ライン周波数の正弦波によって包絡線変調された前記ＤＣ／ＡＣインバータの周波数の正弦波に変換して双極正弦波包絡線を形成するインピーダンスインバータと、前記双極正弦波包絡線を単極正弦半波包絡線に変換する２次側整流器と、前記単極正弦半波包絡線における１つおきの周期の極性を反転させて正弦波形を発生させる整流戻し（ｄｅ−ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ネットワークと、前記正弦波形を受け取るＡＣ負荷とを含んでいる。前記ＡＣ電源およびＤＣ負荷の場合のように、前記インピーダンスインバータは、軽負荷条件下において２次側電圧を上昇させることにより、前記ＤＣ電源電圧から供給されるライン周波数の電源電流および前記ＡＣ負荷における電流を比例させてほぼ１力率のライン負荷力率を維持し、高調波電流の歪みを小さく抑える。例示的な実施形態において、これは、ターマンインピーダンス反転ネットワークを前記インピーダンスネットワークとして使用して前記ターマンインピーダンス反転ネットワークの２次側における瞬時負荷電圧と共に変化する変圧を提供することにより達成される。また、前記単極正弦半波包絡線が前記整流戻しネットワークに印加される前に前記単極正弦半波包絡線から高周波リップルを除去するために、リップル・フィルタ・ネットワークを提供してもよい。前記整流戻しネットワーク自体が、半波ブリッジ構成または全波ブリッジ構成の電力半導体スイッチを含むこともできる。
【００１６】
さらに別の実施形態において、独立した３つのＤＣ／ＡＣインバータストリングを使用して３相ＡＣ系統負荷が提供されており、各ストリングが、全体としてＡＣ３相定電圧負荷を構成する前記３つのＡＣ定電圧負荷のうちの１個を駆動する。各ストリングに絶縁変圧器を使用して前記ＤＣ電源と前記ＡＣ負荷との間にガルバニック絶縁を提供してもよい。また、前記ＤＣ電源は、３つの独立した等電圧のＤＣ電源を含むこともでき、または３つのＤＣ源ノードを束ねて、これに単一ＤＣ電源によって電力供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
添付の図に関連する以下の詳細な説明により、本発明の前述のおよびその他の有益な特徴および利点が明白となるであろう。
【図１】図１は、力率補正を有しない、従来技術による共振誘導無線電力転送システムの概念図である。
【図２】図２は、力率補正回路を追加した、従来技術による共振誘導無線電力転送システムの概念図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態の概念図である。
【図４】図４は、Ｔ型構成のターマンインピーダンス整合ネットワークの図である。
【図５】図５は、結合インダクタ型無線電力コイル対のＴ型等価回路の共振インピーダンスインバータへの変換を示している。
【図６】図６は、図３の実施形態のコンピュータ回路解析に使用される回路の概略図である。
【図７】図７は、共振点および非共振点における負荷電流対インバータ電源電圧の、コンピュータモデリングによって生成されたスパイス（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｇｒａｍ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｅｍｐｈａｓｉｓ：ＳＰＩＣＥ）シミュレーションの線形結果を示すグラフである。
【図８】図８は、３つの分離されたインバータおよびインバータ出力電圧の総和を使用する３相ライン周波数電源に本発明を適用した概念図である。
【図９】図９は、図８の加算変圧器を、共通磁気コアを共用するように共同設置された独立した３つの誘導コイルとして実施された１次側誘導コイルで置換した代替の実施形態を図示している。
【図１０】図１０は、この代わりに、ほぼ力率１のＡＣ源を提供する装置によってＤＣ源からＡＣ負荷へと反対方向に電力が流れる用途に有用なＤＣ／ＡＣインバータに関する概念ブロック図およびこれに関連付けられる電圧波形を図示している。
【図１１】図１１は、図９に示す独立した３つのＤＣ／ＡＣインバータストリングを使用して３相ＡＣ系統負荷を提供し、各ストリングが、全体としてＡＣ３相定電圧負荷を構成する３つのＡＣ定電圧負荷のうちの１個を駆動する実施形態を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、本開示の一部をなす添付の図および例に関連してなされる以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。本発明は本明細書内で説明されおよび／または図示される特定の製品、方法、条件またはパラメータに限定されず、かつ本明細書内で使用される専門用語は具体的な実施形態を例として説明することのみを目的とし、請求されるいずれの発明をも限定することは意図されていないことを理解すべきである。同様に、考え得る作用機序もしくは作用様式または改良の理由に関する一切の説明は例示的であることのみが意図され、本明細書内の発明は、このような提案される作用機序もしくは作用様式または改良の理由の正確さもしくは不正確さのいずれによっても制約されるものではない。
【００１９】
ここで、図３〜１１を参照しながら本発明の例示的な実施形態の詳細な説明を行う。この説明は本発明の考え得る実施態様の詳細な例を提供するものの、これらの詳細は例示的であることが意図されており、決して本発明の範囲を定めるものではないことに留意すべきである。
【００２０】
これから説明するように、本明細書内で説明し図３に示すシステムは、共振誘導による電池の無線充電器に関連して説明されるものの、当業者には、本発明はその他数多の用途を有することが明白となるであろう。当業者であれば、図３の実施形態が、共振誘導による電池の無線充電の従来の実施とは多くの点において異なることを理解するであろう。例えば、電池の充電電流は一定ではなく、正弦半波、即ち、整流正弦波の形状で変化する。このようにすれば、電池の充電電流が単相ＡＣ正弦波電源電圧と比例しかつ同相となる。前記２次側整流器の負荷インピーダンスは非線形であり、小さなテブナン抵抗を有する定電圧負荷としてふるまうと理解される。印加される前記交流電圧が前記電池の端子電圧を超えない限り、前記２次側整流器には電流は流れない。前記１次側および２次側の誘導コイル対２２、２４およびこれに関連付けられる共振コンデンサ２０、４４は、軽負荷の条件下で昇圧ネットワークとして機能するように構成することができる。このような共振ＬＣネットワークは、軽負荷の条件下では本来的に高Ｑ値であり、共振周波数において高い昇圧比が可能である。
【００２１】
整流器電流が流れていない期間、前記２次側共振回路における抵抗損失はゼロであり、瞬時負荷のかかったＱ値は非常に高く、著しい変圧が発生する。このような瞬時無負荷条件下において、前記２次側整流器２６に印加される共振回路出力電圧は、これが前記電池の端子電圧を超え、電池電流が流れ始めるまで増加する。設計が適切な場合、前記ライン周波数の半周期の期間を通じて前記２次側の電池充電電流を前記ＡＣライン電圧の絶対値に比例して流すことにより、特定の力率補正段を使用せずに前記ＡＣライン周波数電源に対して歪みの小さな力率１の負荷を与えることができる。
【００２２】
本明細書内で説明する発明は、各ライン半周期にわたって前記ライン電流と前記ライン電圧との間の比例関係を維持するために必要な電池端子における瞬時インピーダンスの関数として連続的に変化する変圧を提供するインピーダンスインバータを使用する。当業者にとって公知であるように、インピーダンスインバータは、一方のポートに低インピーダンスを与えると他方のポートに高インピーダンスが生じる、２つのポートを有する双方向ネットワークである。
【００２３】
λ／４伝送線路変成器は、インピーダンスインバータの実施態様の例である。インピーダンスインバータの実現は、伝送線路による実施態様に限定されない。例えば、梯子回路網を含む複数の集中定数回路構成がある。本発明は、Ｔｅｒｍａｎ（Ｒａｄｉｏ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓハンドブック初版、ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ社、１９４３年）によって説明され、図４に示す、３素子Ｔ型インピーダンス整合ネットワークを使用する。ターマンインピーダンス整合ネットワークのリアクタンスは以下のように求められる。
【００２４】
【数１】
2017532943.tif 000003
【００２５】
但し、Ｒ１は前記２つのポートの電源インピーダンス、Ｒ２は前記２つのポートの負荷インピーダンス、およびβは前記ネットワークを通過したときに生じる位相ずれで、ラジアンで表される。前記Ｔ型インピーダンス整合ネットワークは、９０度の
【００２６】
【数２】
2017532943.tif 000004
の伝送位相ずれを有するように設計されているとき、インピーダンス反転ネットワークとして機能する。
【００２７】
【数３】
2017532943.tif 000005
に関して、前記リアクタンスの設計方程式は、以下のように簡略化される。
【００２８】
【数４】
2017532943.tif 000006
【００２９】
例示的な実施形態において、Ｒ１およびＲ２の値は一定ではなく、整流後の各半周期の期間に連続的に変化する。前記幾何学的積
【００３０】
【数５】
2017532943.tif 000007
は一定であり、前記３つのネットワークのリアクタンスは等しい大きさを有する。この所見は、この後の前記共振誘導コイル整合ネットワークの設計に使用される。
【００３１】
図５は、共振誘導無線電力コイル対をどのようにして共振ターマン・インピーダンス・インバータに変換できるかを示している。図５Ａは、１９ｋＨｚで０．３８５の結合係数を有する無線電力伝送コイル対の無線電力コイル対等価回路を示している。前記１次側および２次側の１３０μＨの巻線インダクタンスならびに５０μＨの相互インダクタンスは、１９ｋＨｚでそれぞれ＋ｊ１７．９および＋ｊ５．９７のリアクタンスを有する。
【００３２】
図５Ｂにおいて、図５Ａの等価回路のネットワークの直列辺に共振コンデンサ４６、４８が追加されている。前記リアクタンスは、１９ｋＨｚにおける前記直列インダクタＺ１、Ｚ２のリアクタンスを完全に相殺し、同様に１９ｋＨｚにおいてシャントの相互インダクタンス要素Ｚ３のリアクタンスと同じ大きさの追加的な直列容量性リアクタンスを追加するように選択されている。その結果得られる図５Ｃのネットワークは、無線電力転送用の結合インダクタ対を組み込んだインピーダンス反転２ポート等価回路である。
【００３３】
図５Ｃのインピーダンス反転ネットワークは、以下のように、誘導無線電力転送ライン電流の高調波歪みを低減し、または排除する。前記ライン電圧ゼロ交差の直後には、前記整流後ライン電圧の大きさおよび前記インバータ電圧出力の大きさは小さい。前記自動車用電池３０に提供される整流電流は、ゼロであるかまたは非常に小さい。前記ターマン・インピーダンス・インバータの２次側のインピーダンスは非常に高く、したがって、前記インピーダンスインバータの１次側のインピーダンスは非常に低い。前記インピーダンスインバータは低インピーダンス負荷を見て、大きな１次側電流を供給する。前記２次側電圧は、前記電池電圧を超えるまで上昇する。電池充電電流が流れ始め、前記インバータの見るインピーダンスが上昇し、前記システムが適度のライン電流、適度のインバータ電流、および適度の電池充電電流で安定する。
【００３４】
前記ライン電圧周期のピーク付近では、前記整流後ライン電圧の大きさおよび前記インピーダンスインバータ電圧出力の大きさは大きい。前記自動車用電池に提供される整流電流もまた、大きい。前記ターマン・インピーダンス・インバータの２次側のインピーダンスは低く、したがって、前記インピーダンスインバータの１次側のインピーダンスは比較的高い。前記インピーダンスインバータの補償作用が、前記ライン電流および前記電池充電電流を前記ライン電圧の大きさに比例させ、これはまさに力率１およびゼロ高調波歪みに必要な条件である。従来のライン・フィルタ・ネットワークを、インバータのスイッチング周波数の過渡状態を抑制するために使用することができる。
【００３５】
図６は、図３に図示した種類の共振誘導無線電力機器を表す電子回路の概略図を示しており、コンピュータによる回路の時間領域解析を受けた、図５に概略を示した方法に従って前記転送コイル対２２、２４を共振インピーダンスインバータに変換したものである。１３０μＨの１次側および２次側巻線インダクタンスならびに５０μＨの相互インダクタンスを有するＴ型等価回路によって表された、相互に連結した無線電力誘導コイルは、図５に関して説明した方法に従って共振インピーダンス反転ネットワーク５０に変換されている。前記ＡＣ電圧源５２は、前記１次側インバータ１８の出力電圧を表している。前記２次側高周波整流器２６およびこれに関連付けられる高周波リップル電流フィルタ２８が図示されている。前記２次側電池充電負荷３０は、電池の内部抵抗を表す小さなテブナン抵抗を有する直流電圧源によって表されている。
【００３６】
前記インバータの出力電圧の振幅は、整流されてはいるが濾波されていない前記ライン周波数の電圧に比例して変化する。前記インバータ電圧の関数としての前記負荷電流を決定するために、コンピュータによるシミュレーションを行った。ゼロボルトから前記整流後のライン電圧のピーク値までの範囲にわたるインバータの出力電圧の複数の値について、時間領域回路シミュレーションを行った。これに対応する負荷電流が、前記インバータの整流後の正弦波供給電圧の関数として図７にグラフ化されている。
【００３７】
図７に示すように、前記ＡＣ電圧源の周波数が前記ネットワークの共振周波数である１９ｋＨｚに設定されているとき、電池充電電流は線形であり、前記インバータ電源電圧に比例している。電池充電電流の線形性は、負荷が軽いときの共振回路の電圧変換特性に従って、前記電池の開路端子電圧よりもはるかに低いライン電源電圧についてさえ維持できることに留意することが重要である。図７の線形曲線は、２次側負荷電流の望ましい状態を示しており、したがって、インバータ供給電流およびライン電流はライン電圧に比例しており、これは低レベルのライン周波数の高調波歪みおよびライン周波数の力率１を保証する条件である。図７に示したように、前記インピーダンスインバータの共振周波数よりも高いまたは低い１７、１８、２０ｋＨｚで動作すると、前記ライン電圧／ライン電流の関係は低いライン電圧ではもはや比例せず、ライン電流に高調波歪みが生じ、ライン力率が劣化する。前記インピーダンスインバータの共振周波数で動作すると、電流は正弦半波、即ち、整流後の正弦波の形状で変化する。
【００３８】
従来、電池の充電は、電池の充電電流および最大電池電圧、ならびに温度（時には前記電池全体の温度の場合もあるが個別のセルの温度の場合もある）のようなその他の関連パラメータを監視および制御する電池管理システムによって調整される。現行の実施において、電池／セル管理システムはＤＣ充電電流の使用を必要とし、正弦半波の充電電流が存在すると誤動作する可能性が高い。この難点は、前記電池管理システムを、従来より用いられている平均またはピーク測定法の代わりに充電電流の二乗平均平方根に応答するように修正することにより排除される。
【００３９】
電池の効果的な充電には、電池充電アルゴリズムが制御する電池の充電状態に従って充電電流の大きさを変更することが必要である。本発明の例示的な実施形態において、電池の最大充電電流の大きさは、前記インピーダンス反転ネットワークの設計および前記インバータ１８に供給される整流後の正弦半波のライン電圧の大きさによって設定される。前記インバータ１８のパルス幅変調、インバータのパルスの位相調整、インバータのパルス間引き、および前記２次側整流器２６の能動的制御によって、電池の充電電流のさらなる制御（低減）が達成される。これらの個別にまたは組み合わせで用いられる制御方法により、高調波歪みを小さく抑えかつほぼ力率１を維持しながら、充電電流の大きさの効果的な制御が可能となる。
【００４０】
低中度の電力の無線電力システムが単相電力接続によって動作する一方、大電力システムは一般的に３相接続を必要とする。整流後の単相正弦波電源は大きなリップル成分を有するが、各正弦波が１２０度ずれた３つの整流正弦波電源の総和ははるかに小さい。電池管理システム回路との適合性および高速充電中の電池抵抗損失を制限するためのピーク充電電流対平均充電電流の比の低減のために、充電リップル電流を低減することが、時として望ましい。
【００４１】
図８は、３相ライン電圧源５４を用いて実施される本発明の実施形態を示している。各相は、別個の整流器１４とインバータ１８とを有している。前記３つのインバータは同期して切り替わり、前記インバータの出力は、３つの物理的に独立した変圧器またはコア材料の効率的な使用を可能とするための共通コア上に３相の部分的な磁束相殺を伴う６つの巻線を有する単一の変圧器であってもよい加算変圧器５６によって結合する。前記加算変圧器５６はまた、前記ＡＣラインとのガルバニック絶縁をも提供する。前記３相ライン上のフィルタ（図８には図示せず）がインバータのスイッチング周波数成分を排除し、力率１の高調波歪みの小さな新しい３相負荷が生じる。従来技術の図１に示すように、共振ネットワーク２０が前記インバータ１８を前記１次側誘導コイル２２に接続している。１次側誘導コイル２２と２次側誘導コイル２４との間の電磁結合によって１次側エネルギーが２次側に転送され、高周波整流器２６によって整流され、リップルフィルタ２８によってリップル濾波され、遠隔配置された電池３０を充電するために使用される。共振ネットワーク４４が前記２次側誘導コイル２４を共振させることにより、最大電流の流れおよび最大エネルギーの転送を可能とする。
【００４２】
図９は、図８の代替的な実施形態を示しており、前記加算変圧器５６が、前記２次側整流器に接続された２次側誘導コイルと共通の磁気コアを共有して共同設置された３つの独立した誘導コイル２３として実施された前記１次側誘導コイル２２で置き換えられている。別個のＤＣ／ＡＣインバータ１８およびこれに関連付けられるライン周波数整流器１４が、共振ネットワーク２０を介して前記３つの１次側コイルの各々を駆動する。このとき、専用の結合変圧器５６が不要となるように、１次側コイルの磁界の加算として、電力の加算が行われる。当業者であれば、図９の実施形態では、２つの１次側コイルおよび２組の共振コンデンサと引き換えに、前記結合変圧器のサイズ、重量、およびコストが削除されることを理解するであろう。
【００４３】
本明細書内で説明したターマン・インピーダンス・インバータ・ネットワークの力率補正作用は、共振誘導無線電力転送システム以外の装置にも都合よく用いることができる。このような用途として、次のものが挙げられる。
無線とは対照的な配線式電池充電、
めっき、
電気分解などの電気化学的処理、
誘導加熱、
交流溶接法
蛍光灯およびアーク照明などのガス放電処理、および
交流源由来の直流を全波整流正弦波直流を許容できる負荷に提供するその他任意の用途。
【００４４】
無線誘導電力転送の力率制御において、前記ターマンインピーダンス反転ネットワークは、相互に連結された空心コイル対の前記無線転送のＴ型等価回路の一部であり、前記Ｔ型等価回路の１要素は、前記相互インダクタンスである。当業者であれば、無線電力転送以外の用途において、前記インピーダンス反転ネットワークは、設計の自由度を著しく向上させる、相互に連結していない３つの個別の構成要素で実施することができることを理解するであろう。
【００４５】
上述の用途において、電力は、前記ＡＣ源にほぼ力率１の負荷を提供する装置によりＡＣ源からＤＣ負荷へと流れる。本発明の教示は、この代わりに、ほぼ力率１のＡＣ源を提供する装置によりＤＣ源からＡＣ負荷へと反対方向に電力が流れる用途にも等しく当てはまる。電力の流れが反転している装置には、光起電力パネルおよび風力発電機のような代替エネルギー源からのＤＣ電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力系統に供給するインバータとしての用途がある。
【００４６】
図１０は、この代わりに、ほぼ力率１のＡＣ源を提供する装置によってＤＣ源からＡＣ負荷へと反対方向に電力が流れる用途に有用なＤＣ／ＡＣインバータシステムに関する概念ブロック図およびこれに関連付けられる電圧波形を図示している。図示のように、図１０の回路は、ＤＣ電源６０に続いてライン周波数のリップルを濾波するシャント・リップル・フィルタ・コンデンサ６２を含んでいる。前記ライン周波数のリップルを濾波したＤＣ電圧が、高周波ＤＣ／ＡＣインバータ６４に印加されている。この文脈における高周波とは、前記ライン周波数に対して高いことを意味する。前記インピーダンス反転ネットワークの遠位側における前記瞬時負荷電圧によって変化する変圧を提供するターマンインピーダンス反転ネットワーク６８の入力に、前記方形波出力電圧６６が印加されている。
【００４７】
前記インピーダンス反転ネットワーク６８の出力における波形７０は、ライン周波数の正弦波によって包絡線変調された、ＤＣ／ＡＣインバータ周波数の正弦波である。高周波整流器７２が、前記双極正弦波包絡線を単極の正弦半波包絡線７４に変換する。高周波リップル・フィルタ・ネットワーク７６が、前記高周波リップルを除去し、リップルのないライン周波数の正弦半波の波形７８を与える。半波ブリッジまたは全波ブリッジに構成された電力半導体スイッチを含む整流戻しネットワーク８０が、波形７８の１つおきの周期の極性を反転させて波形８２を発生させることにより、無限格子を表す前記ＡＣ定電圧負荷８４に電力が流れることを可能とする。
【００４８】
各ストリングが絶縁変圧器９０を追加した単相インバータストリングと同様である３つの独立したＤＣ／ＡＣインバータストリングを用いて、図１１に示す３相ＡＣ系統負荷が提供される。各ストリングが、全体としてＡＣ３相定電圧負荷９２を構成する３つの前記ＡＣ定電圧負荷のうちの１個を駆動する。絶縁変圧器９０が、前記ＡＣ負荷９２とのガルバニック絶縁を提供する。ＤＣ源９４は、３つの独立した等電圧の図１０に示すようなＤＣ源であってもよく、または前記３つのＤＣ源ノードを束ねて単一ＤＣ源によって供給してもよい。フィルタコンデンサ９６が、さもなくば前記ＤＣ源ノードに存在することとなるであろう前記１２０Ｈｚの正弦半波の電流変動を濾波する。前記要素および動作は、それ以外の点においては図１０の回路構成と同様である。
【００４９】
当業者であれば、本発明が無線電力装置の用途に限定されないことを理解するであろう。本発明はまた、無線誘導充電用途に加え、ＡＣ誘導モーター、モーターコントローラ、共振型電源、産業用誘導加熱、融解、はんだ付け、表面硬化装置、溶接装置、電源変圧器、電子商品監視装置、誘導調理機器およびレンジ、その他の産業用機器、ならびにプラグイン充電器によるプラグイン充電を組み込んだその他の用途などの輸送産業以外への使用、ならびに電気化学、電気めっきおよび単相電源電圧からの正弦半波電流波形または多相電源電圧の総和の結果得られるリップル低減波形で動作することのできるその他すべての負荷などの電池充電以外のその他の用途に適用することもできる。これらおよびその他の実施形態は、以下の請求項によって定義される本発明の範囲内に含まれるとみなされる。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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