(57)【要約】無線電力伝送装置（１１０）は、電力変換器（１１２）に電気的に結合された共振回路（１１３）を有する。共振回路は、第２の装置（１２０）との磁気結合のための磁気カプラＬｐｔを含む。電力変換器（１１２）に関連付けられたコントローラ（１１１）は、第２の装置に対する電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成され、この位相は、共振回路の共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するように変化される。【選択図】図１
2017524327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置であって、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
前記電力変換器と電気的に結合され、かつ前記第２の装置との磁気結合のための磁気カプラを備える共振回路と、
前記電力変換器と関連付けられ、かつ前記第２の装置に対する前記電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、前記位相は、前記共振回路の共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するように変化される、無線電力伝送装置。
【請求項２】
前記相対位相は、前記共振回路のリアクタンス性インピーダンスを制御するよう変化される、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
【請求項３】
前記相対位相は、リアクタンス性インピーダンスの変動によって引き起こされる前記共振回路の共振周波数の変動を補償するように変化される、請求項１または２に記載の無線電力伝送装置。
【請求項４】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、インダクタンスの変動を含む、請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項５】
前記インダクタンスの変動は、前記磁気カプラの前記第２の装置の第２の磁気カプラとの整合不良によって引き起こされる、請求項４に記載の無線電力伝送装置。
【請求項６】
前記インダクタンスの変動は、前記磁気カプラの近傍の異物によって引き起こされる、請求項４に記載の無線電力伝送装置。
【請求項７】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、部品公差の変動によって引き起こされる、請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項８】
前記コントローラは、無線電力伝送の大きさを制御するため前記電力変換器のデューティサイクルを変化させるようさらに構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の無線電力伝送装置。
【請求項９】
前記コントローラは、スイッチが導通する位相角を変化させることによって前記変換器の前記デューティサイクルを変化させる、請求項８に記載の無線電力伝送装置。
【請求項１０】
前記電力伝送は、前記無線電力伝送装置から前記第２の無線電力伝送装置へ、またはその逆である、請求項８または９に記載の無線電力伝送装置。
【請求項１１】
第２の無線電力伝送装置と磁気的に結合または結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御するための方法であって、
共振回路の共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するためリアクタンス性インピーダンスを制御するように、前記第２の無線電力伝送装置に対する前記第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む、方法。
【請求項１２】
リアクタンス性インピーダンスの変動を検出することと、前記リアクタンス性インピーダンスを制御するために前記動作の相対位相を変化させることとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、前記第１の無線電力伝送装置の磁気カプラのインダクタンスの変動によって引き起こされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
無線電力伝送の大きさを制御するため前記第１の無線電力伝送装置の電力変換器のデューティサイクルを変化させることをさらに含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の無線電力伝送装置へまたはそれからの無線電力伝送の大きさを制御するため、前記第２の無線電力伝送装置の電力変換器のデューティサイクルに対する前記第１の無線電力伝送装置の前記電力変換器の前記デューティサイクルを変化させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置であって、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
前記電力変換器と電気的に結合され、かつ前記第２の装置と磁気的に結合するための磁気カプラを備える共振回路と、
前記電力変換器に関連付けられ、かつ前記第２の装置に対する前記電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、前記位相は、少なくとも部分的にリアクタンス性インピーダンスの変動を補償するように変化される、無線電力伝送装置。
【請求項１７】
第２の無線電力伝送装置と磁気的に結合または結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御するための方法であって、
前記第１の無線電力伝送装置のリアクタンス性インピーダンスの変動を少なくとも部分的に補償するためリアクタンス性インピーダンスを制御するように、前記第２の無線電力伝送装置に対する前記第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力伝送に関する。より具体的には、これに限定されないが、本発明は、誘導電力伝送システムにおける一次磁気カプラと二次磁気カプラとの間の整合不良によるもののような、リアクタンス性インピーダンスの変動を補償するシステム、装置、及び／または方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線または非接触の電力伝送、より具体的には、誘導電力伝送（ＩＰＴ）技術は、現在、さまざまな用途で広く用いられている。ＩＰＴシステムは、一般的に、一次磁気カプラ（例えば、コイル、導体、またはパッドとも呼ばれる）に電力を供給するために交流を供給する一次電力変換器を備える。一次電力変換器及び一次磁気カプラは、共にＩＰＴシステムの一次側を形成する。システムの二次側は、負荷に電力を供給することができる二次変換器に電気的に結合された二次磁気カプラ（例えば、ピックアップ、コイル、導体、またはパッドとも呼ばれる）を備える。電力伝送効率を向上させるために、ＩＰＴシステムの一次及び二次側は、それぞれ、さらに、一般的に、交流電流の周波数に同調された共振回路（またはその逆）を備える。動作周波数は通常用途に依存し、メガヘルツ領域まで拡張可能である。
【０００３】
一次磁気カプラの交流電流は、ＩＰＴシステムの動作中に二次磁気カプラを少なくとも部分的に通過する変動磁場を生成し、二次変換器及びしたがって負荷、に供給される電圧を負荷に誘導する。従来の有線または密結合電源と比較すると、ＩＰＴシステムの主な利点は、線または固定された機械的結合の制約がなく、システムの二次側が一次側に対して自由に可動であることである。したがって、このようなシステムは、例えば、静的及び動的な電気自動車（ＥＶ）の充電及びウェアラブルコンピュータへの電力供給を含む広範囲の用途に適している。
【０００４】
しかしながら、一次及び二次コイルの相対的な動きに起因して、コイルの位置がずれる問題がある。そのような動きまたは整合不良があれば、コイルのインダクタンスに変動が生じ、共振回路を離調させる。その結果、変換器回路に高電圧電流（ＶＡ）負荷がかかり、損失増大、不安定性、及び電力処理量低下を招く。したがって、ＩＰＴシステムを同調された条件下で動作させることができるよう磁気カプラのインダクタンスの変動を補償するためのステップを取ることができる。
【０００５】
過去に、整合不良によるＩＰＴシステムの性能低下を補償することができる種々の回路トポロジー及び制御方法が提案されてきた。これらの技術の大部分は、インダクタンスの変動を補償するために、可変周波数スイッチング方式またはスイッチング可能なリアクタンス性素子のいずれかを用いている。前者の方法は、主に電磁適合性（ＥＭＣ）規格としてはあまり魅力的ではなく、ＩＰＴシステムを厳密な周波数帯で動作させる必要があり、そして動作周波数の変動によりＥＭＩ（電磁波干渉）関連の問題が生じる可能性がある。他方では、通常、補償回路の内または外にスイッチングすることができるスイッチを有する直列のコンデンサの形態のスイッチング可能なリアクタンス性素子の使用は、コストがかかり、かさばりそして複雑なコントローラを必要とし、システム全体の信頼性を損なう。
【発明の目的】
【０００６】
本発明の目的は、先行技術の１つ以上の欠点（これに限定されるものではないが上述したものを含む）を克服するか、または少なくとも改善する動作のための誘導電力伝送（ＩＰＴ）システム及び方法を提供することであり、または少なくとも公共または産業に有用な代替手段を提供することである。
【発明の概要】
【０００７】
第１の態様において、本発明は、広義には、第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置であると言うことができ、本無線電力伝送装置は、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
電力変換器と電気的に結合されかつ第２の装置との磁気結合のための磁気カプラを備える共振回路と、
電力変換器に関連付けられかつ第２の装置に対する電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、この位相は、共振回路の共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するように変化される。
【０００８】
一実施形態において、相対位相は、共振回路のリアクタンス性インピーダンスを制御するように変化される。
【０００９】
より具体的には、これに限定されないが、位相は、磁気カプラのインダクタンスの変動を少なくとも部分的に補償するように変化される。別に、または付加的に、位相は、共振回路のキャパシタンスの変動、より具体的には、同調コンデンサの劣化を少なくとも部分的に補償するように変化されてもよい。
【００１０】
磁気カプラのインダクタンスの変動は、使用中の無線電力伝送装置と第２の装置との間の変位またはアライメントにおける動的または静的な変動によって引き起こされる可能性がある。この装置は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムの一次側または二次側のいずれかを備えることができる。
【００１１】
好ましくは、相対位相は、力率１を維持するために磁気カプラのインダクタンスの変動を実質的に補償するように変化される。
【００１２】
好ましくは、コントローラは、無線電力伝送の大きさを制御し、そしてより好ましくは調整するため電力変換器のデューティサイクルを変化させるようにさらに構成される。電力伝送は、無線電力伝送装置から第２の無線電力伝送装置への、またはその逆であってもよい。
【００１３】
好ましくは、電力変換器は、可変デューティサイクルを有する３レベルの修正矩形波を生成するようにコントローラによって制御される。より具体的には、コントローラは、好ましくは、位相変調を用いて電力変換器を制御する。
【００１４】
好ましくは、電力変換器は、双方向電力伝送を可能にする可逆インバータ／整流器を備える。
【００１５】
より具体的には、電力変換器は、好ましくは、フルブリッジ構成の４つのスイッチを備え、コントローラは、４つのスイッチを、各対が逆位相の対で動作させる。好ましくは、各スイッチ対のデューティサイクルは、電力変換器のデューティサイクルを変えるため０〜５０％の範囲で変化させてもよい。好ましくは、コントローラは、各スイッチ対が導通する位相角を変化させることによって変換器のデューティサイクルを変化させる。
【００１６】
あるいは、電力変換器は、ハーフブリッジ変換器またはプッシュプル変換器を備えてもよい。
【００１７】
好ましくは、共振回路は、インダクタ−コンデンサ−インダクタ（ＬＣＬ）ネットワークを備える。
【００１８】
あるいは、共振回路は、直列同調インダクタ−コンデンサ（ＬＣ）共振ネットワークまたはプッシュプル並列共振変換器（ＰＰＲＣ）を備えてもよい。
【００１９】
第２の態様において、本発明は、広義には、第２の無線電力伝送装置に磁気的に結合されるかまたは結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御する方法にあると言うことができ、本方法は、
共振回路の共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するようリアクタンス性インピーダンスを制御して第２の無線電力伝送装置に対する第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む。
【００２０】
一実施形態において、本方法は、第１の無線電力伝送装置のインダクタンスまたはインダクタンスの変動を検出することを含む。
【００２１】
好ましくは、本方法は、磁気カプラのインダクタンスの変動を少なくとも部分的に補償すること、より好ましくは、力率１を維持するため磁気カプラのインダクタンスの変動を実質的に補償することを含む。
【００２２】
好ましくは、本方法は、第２の無線電力伝送装置による電力伝送の大きさを制御するため第１の無線電力伝送装置のデューティサイクルを変化させることをさら含む。電力伝送は、第２の無線電力伝送へのまたはそれからのものであってもよい。
【００２３】
第３の態様において、本発明は、広義には、無線電力伝送システムにあると言うことができ、本無線電力伝送システムは、
本発明の第１の態様による第１の無線電力伝送装置と、
第１の無線電力伝送装置に磁気的に結合されるかまたは結合可能な第２の無線電力伝送装置と、を備える。
【００２４】
無線電力伝送システムは、単一方向または双方向であってもよい。より具体的には、本システムは、
第１の無線電力伝送装置から前記第２の無線電力伝送装置へのみ、または
第２の無線電力伝送装置から前記第２の無線電力伝送装置へのみ、または
第１の無線電力伝送装置及び第２の無線電力伝送装置との間のいずれかの方向に電力を伝送するように構成されてもよい。
【００２５】
好ましくは、第２の無線電力伝送装置はまた、コントローラが、第１の無線電力伝送装置に対する電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成された、本発明の第１の態様による無線電力伝送装置を備える。しかしながら、さらに、第２の無線電力伝送装置は、必ずしも電力変換器に関連付けられるコントローラを備える必要はなく、そして第１の装置に対する電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成される必要はない。
【００２６】
好ましくは、第１及び第２の無線電力伝送装置は、双方向電力伝送を可能にするため、双方向電力変換器、そして特に可逆整流器／インバータをそれぞれ備える。
【００２７】
あるいは、第２の無線電力伝送装置は、受動ダイオードブリッジ整流器を備えてもよい。
【００２８】
第４の態様において、本発明は、広義には、無線電力伝送システムにあると言うことができ、本無線電力伝送システムは、
一次無線電力伝送装置であって、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な一次電力変換器と、
一次電力変換器と電気的に結合されかつ一次磁気カプラを備える一次共振回路と、
一次電力変換器に関連付けられその動作を制御する一次コントローラと、を備える一次無線電力伝送装置と、
二次無線電力伝送装置であって、
一次磁気カプラと磁気的に結合するための二次磁気カプラを備える二次共振回路と、
二次電力変換器と電気的に結合されかつ電源または負荷に結合または結合可能な二次変換器と、に関連付けられその動作を制御する二次コントローラと、を備える、二次無線電力伝送装置と、を備え、
一次及び二次コントローラの少なくとも１つは、一次及び二次共振回路の少なくとも１つの共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するよう一次及び二次無線電力伝送装置間の相対位相角を変化させるように動作可能である。
【００２９】
第５の態様において、本発明は、広義には、一次及び二次無線電力伝送装置を備える無線電力伝送システムを制御する方法にあると言うことができ、本方法は、
第１及び第２の無線電力伝送装置のうちの少なくとも１つの磁気カプラのインダクタンスまたはインダクタンスの変動を検出することと、
一次及び二次無線電力伝送装置の少なくとも１つの少なくとも１つのカプラ共振周波数の変動を少なくとも部分的に補償するようリアクタンス性インピーダンスを制御するため一次及び二次無線電力伝送装置の相対位相を変化させることと、を含む。
【００３０】
好ましくは、本方法は、一次及び二次磁気カプラの少なくとも１つのインダクタンスの変動を少なくとも部分的に補償すること、より好ましくは力率１を維持するよう及び／または効率を改善するよう一次及び二次磁気カプラの少なくとも一方のインダクタンスの変動を実質的に補償することを含む。
【００３１】
好ましくは、本方法は、それらの間の電力伝送の大きさを制御するよう一次及び二次無線電力伝送装置の少なくとも１つのデューティサイクルを変化させることをさらに含む。
【００３２】
別の態様において、本発明は、第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置を提供し、無線電力伝送装置は、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
電力変換器と電気的に結合されかつ第２の装置と磁気的に結合するための磁気カプラを備える共振回路と、
電力変換器に関連付けられかつ第２の装置に対する電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、位相は、少なくとも部分的にリアクタンス性インピーダンスの変動を補償するように変化される。
【００３３】
別の態様において、本発明は、第２の無線電力伝送装置に磁気的に結合されるか結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御するための方法を提供し、方法は、
第１の無線電力伝送装置の変換器によって見られるリアクタンス性インピーダンスの変動を少なくとも部分的に補償するためリアクタンス性インピーダンスを制御するよう第２の無線電力伝送装置に対する第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む。
【００３４】
すべての新規な態様において考慮されるべき本発明のさらなる態様は、以下の記述から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して例として以下に説明する、
【００３６】
【図１】本発明による誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムの第１の実施形態の概略ダイアグラムである。
【図２】図１の実施形態による例示一次及び二次電圧波形を示す。
【図３】図１のシステムの等価回路モデルである。
【図４】図１のシステムでの使用に適した、本発明による可能なコントローラのブロックダイアグラムである。
【図５】補償された及び補償されていない（ａ）入力インピーダンス及び（ｂ）角度対周波数の両方のグラフを示す。
【図６】図１の実施形態の（ａ）補償されていない及び（ｂ）補償された電圧及び電流波形を示す。
【図７】本発明によって提供される補償の有無による、図１の実施形態のシステム効率のグラフである。
【図８】本発明によるＩＰＴシステムの別の実施形態の（ａ）補償されていない及び（ｂ）補償された電圧及び電流波形を示す。
【図９】本発明のさらに別の実施形態の（ａ）補償されていない及び（ｂ）補償された電圧及び電流波形を示す。図面の詳細な説明
【００３７】
本発明は、無線電力伝送装置及びシステム、ならびにその制御方法を備える。記述を通し、同じ参照数字は、異なる実施形態の同じ特徴を指すために用いられる。
【００３８】
図１は、国際特許公開第ＷＯ２０１０／０６２１９８号によって実質的に開示されている双方向誘導電力伝送（ＩＰＴ）システム１００を概略的に示しており、その内容はその全体が本明細書に組み込まれる。例示的なＩＰＴシステムは、一次側１１０及び二次側１２０を備え、この例において、それぞれ電気的に実質的に同一である。一次側は、フルブリッジ回路構成の４つのスイッチを備える一次変換器１１２の動作を制御する一次コントローラ１１１を備える。一次変換器は、一次電源／シンク、Ｖｉｎ、及び共振回路１１３に結合される。この例の共振回路１１３は、直列インダクタＬｐｉからなる同調インダクタ−キャパシタ−インダクタ（ＬＣＬ）回路、同調コンデンサＣｐｔ、及び一次磁気カプラＬｐｔを備える。
【００３９】
ＩＰＴシステム１１１の二次側１２０は、同様に、二次コントローラ１２１、二次変換器１２２、及び二次磁気カプラＬｓｔを備えるＬＣＬ共振回路１２３を備える。一次及び二次の磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔ間の磁気的または誘導的結合は、相互インダクタンスＭ及び電圧源Ｖｐｔ及びＶｓｔによって表される。
【００４０】
国際特許公開第ＷＯ２０１０／０６２１９８号に開示されているように、一次コントローラ１１１は、好ましくは、例えば図２に示すような電圧波形Ｖｐｉを生成するよう固定周波数ｆＴ（好ましくは、共振回路１１３の設計共振周波数に等しい）で一次変換器１１２のスイッチを対で駆動する。この例において、電圧波形は、３レベルの修正矩形波を備える。一次変換器１１２（この場合、インバータとして機能する）の各スイッチ対がスイッチオンされたままである位相角φｐは、（０°と１８０°との間で）変化させることができ、これにより、一次磁気カプラＬｐｔに供給される交流電流Ｉｐｉの大きさを制御するよう変換器のデューティサイクル（φｐ／（π−φｐ））を決定する。同様に、二次変換器１２２の各スイッチ対（この場合は整流器として機能する）がスイッチオンしたままである位相角φｓは、（０°と１８０°との間で）変化させることができ、これによって変換器のデューティサイクル（φｓ／（π−φｓ））を決定する。
【００４１】
図１及び図２をなお参照すると、二次変換器１２２は、一次変換器１１２と同様に、制御可能なデューティサイクルを有する二次電圧波形Ｖｓｉを生成するようピックアップ／二次コントローラ１２１によって制御される。無線電力伝送は、相互インダクタンスＭを介して互いに疎結合された一次磁気カプラ及びピックアップ磁気カプラＬｐｔ、Ｌｐｔとの間のエアギャップを横切って行われる。
【００４２】
システムの一次側から二次側に電力が伝送されると、二次変換器１２２は、整流器として機能する。しかしながら、この例のように、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、一次及び二次側との間で電力をいずれかの方向に伝送することができる。そのような双方向の実施形態において、一次変換器１１２及び二次変換器１２２は、それぞれ、能動可逆整流器／インバータを備えることが好ましい。したがって、明細書全体を通して使用される「変換器」という用語は、整流器（受動または能動）、インバータ、または可逆インバータ／整流器を包含することを意図しており、その適切な選択は用途に依存する。
【００４３】
相対位相角θ及び／または変換器位相角φｐ、φｓを、ＩＰＴシステムの一次及び二次側との間の電力流の大きさ及び方向を制御するように変化させることができる（例えば、二次側と結合された負荷の電力要件に依存して）。しばしば、相対位相角θは、力率１動作のために±９０°に固定または調整され、電力伝送の大きさは変換器位相角φｐ、φｓを変化させることによって制御される。あるいは、３つの位相角θ、φｐ、φｓのすべてを変動させて、電力流の大きさ及び方向を制御することができる。
【００４４】
しかしながら、本発明によれば、相対位相角θは、リアクタンスのあらゆる変動を補償しそしてしたがって一次及び二次の磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔの両方の同調を維持するために補償リアクタンス性インピーダンスを制御するように変化される。したがって、調整された状態を維持するために適用される補償の量とは無関係に、第２の出力電力Ｖｏｕｔが調整される。
【００４５】
本発明の理論及び動作をさらに説明するために、図１のＩＰＴシステムの数学的分析が以下に示される。
【００４６】
図１に示される例示的なＩＰＴシステムは、一次及び二次側の同一の電子回路を使用し、式（１）によって与えられるＶｐｉの基本周波数ｆＴに同調されたフルブリッジ変換器及びＬＣＬ共振回路ネットワークをそれぞれ備える。
【数１】
2017524327.tif 000003
（１）
【００４７】
解析を簡略化するため、一次変換器１１２によって生成される電圧Ｖｐｉは、式（２）によって与えられるような周波数ｆＴ及び位相領域の大きさを有する等価正弦電圧源によって表すことができる。
【数２】
2017524327.tif 000004
（２）
【００４８】
同様に、二次変換器によって生成された電圧は、式（３）によって位相領域で与えられる。
【数３】
2017524327.tif 000005
（３）
【００４９】
定常状態では、電流Ｉｐｔによる二次磁気カプラＬｓｔに誘導される電圧Ｖｓｒは、式（４）で与えられる。
【数４】
2017524327.tif 000006
（４）
【００５０】
同様に、Ｌｓｔの電流ＩｓｔによってＬｐｔに反射されるまたは誘導される電圧Ｖｐｒを、式（５）で表すことができる。
【数５】
2017524327.tif 000007
（５）
【００５１】
したがって、式（１）において調整された条件の下では、電流Ｉｐｉ、Iｐｔ、Iｓｉ及びＩｓｔは、式（６）〜（９）によって与えられるように導かれ得る。
【数６】
2017524327.tif 000008
（６）
2017524327.tif 000009
（７）
2017524327.tif 000010
（８）
2017524327.tif 000011
（９）
【００５２】
図１のＩＰＴシステムは、したがって、図３に示される等価回路モデルで表すことができ、ここで、誘導電圧源Ｖｐｒ、Ｖｓｒはそれぞれ複素インピーダンスＺｐｒ、Ｚｓｒで表される。式（２）〜（９）を用いて、複素インピーダンスＺｐｒ及びＺｓｒは、式（１０）及び（１１）によって導かれ得る。
【数７】
2017524327.tif 000012
（１０）
2017524327.tif 000013
（１１）
【００５３】
式（１０）及び（１１）から明らかなように、Ｚｐｒ及びＺｓｒの両方は、それぞれ抵抗成分（Ｒｐｒ、Ｒｓｒ）及び反応成分（Ｘｐｒ、Ｘｓｒ）をそれぞれ備える。ＺｐｒとＺｓｒの抵抗成分は、システムの一次側と二次側の間で伝送される実際の電力を表す。Ｒｐｒ及びＲｓｒの大きさを、前述のように電力流の量と方向を調整するようφｐ、φｓ、θによって制御することができる。リアクタンス性成分、Ｘｐｒ及びＸｓｒは、実際の電力流に寄与しない。先行技術のＩＰＴシステムにおいて、固定された相対位相差θが±９０°のＩＰＴシステムを動作させることによってリアクタンス性成分が除去される。
【００５４】
本発明によれば、実質的に、リアクタンス性成分Ｘｐｒ、Ｘｓｒは、一次及び／または二次共振回路の共振周波数の変動を補償するために用いられる。例えば、一次及び二次の磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔのインダクタンスの変動は、それらの間の変位またはアライメントの静的または動的変動によって引き起こされ得る。
【００５５】
ＩＰＴシステムの一次及び二次側のそれぞれの変換器位相φｐ、φｓまたはデューティサイクルは、インピーダンスＺｐｒ、Ｚｓｒの抵抗成分Ｒｐｒ、Ｒｓｒの大きさ、そしてしたがって電力伝送の大きさを調整するように制御され、相対位相差θは、リアクタンス性インピーダンスの変動を打ち消すためリアクタンス性成分Ｘｐｒ、Ｘｓｒの大きさを調整するよう制御される。このようなリアクタンス性インピーダンスの変動は、共振補償ネットワークの共振周波数に影響を及ぼしそしてしたがって効率的な電力伝送を妨げる可能性がある。リアクタンス性インピーダンスの変動は、これに限定されないが、磁気カプラの整合不良による可能性がある一次及び／または二次の磁気カプラのインダクタンスの変動Ｌｐｔ、Ｌｓｔ、１つまたは複数の磁気カプラの近くの異物（磁気透過性）の存在、部品公差の変動、例えば時間の経過によるコンデンサの劣化を含む種々の異なる因子による可能性がある。
【００５６】
その結果、電力伝送の大きさ及び方向ならびに補償量を、位相角φｐ、φｓ及びθにより個別に制御することができる。例えば、一次及び二次磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔのインダクタンスがそれらの同調値（すなわち、共振回路を動作周波数ｆＴに同調させるために選択された値）を超えて減少する場合、θは、磁気カプラのインダクタンスの減少を打ち消すよう一次及び二次の磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔに直列の超誘導性リアクタンスを生じさせるよう制御される。一方、変換器の位相角φｐ、φｓを、電力伝送の大きさ及び方向を所望のレベルに制御するように変化させることができる。あるいは、必要な電力処理能力を満足すると共に任意のパッドの整合不良を補償するために、必要に応じてφｐ、φｓ及びθの組み合わせを変化させることもできる。
【００５７】
提案された補償を、同調の変動を検出し、これらの変動を緩和するため同調の変動を検出しそして１つ以上のφｐ、φｓ及びθを制御するＩＰＴシステムの一次または二次／ピックアップ側の一方または両方のコントローラによって実現することができる。
【００５８】
本発明の一実施形態による適切な二次コントローラを例として図４に示す。この例では、二次磁気カプラＬｓｔのインダクタンスの変動は、二次電圧Ｖｓｉ及び電流Ｉｓｉの測定値を用いて評価される。この評価は、例えば、示されるように電圧Ｖｓｉと電流Ｉｓｉとを掛け合わせることによって電力Ｐを計算することを備えることができる。次いで、評価は、誤差信号を生成するよう０．５と比較される。０．５の値は、表示されているコントローラの例で、θを最小ＶＡに設定すると予想される値である。しかしながら、例えば、目的が電力伝送を最大化することであれば、代替値を用いることができる。誤差信号は、制御アルゴリズム、この場合比例積分コントローラＰＩへの入力を形成する。コントローラＰＩの出力は、システムの変動を補償するため必要な位相角θを得るよう電圧制御発振器ＶＣＯを駆動する。この位相シフトは、変換器１２２の動作を制御する駆動信号を生成するため基準電力レベルＰｒｅｆと共に用いられる。二次電圧と電流との乗算において、一次ＩＰＴ装置の位相が考慮され、二次電流は、一次位相に関連する。
【００５９】
コントローラ１１１、１２１は、純粋にハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施することができる。したがって、コントローラは、電圧及び電流センサと通信可能に結合されまた例として本記述で説明される本発明の方法を実行するようプログラムされたマイクロコントローラを備えることができる。このために要求される電子回路設計及びプログラミング技術は、デジタル電子機器及び／または組込みシステムの分野の当該業者に知られている。
【００６０】
図１〜図４の例示的な実施形態によるシミュレートされたＩＰＴシステムからの波形を図５〜７に示す。シミュレートされたシステムは、４０ｋＨｚに同調されたＬＣＬ共振回路を含んでいた。図５は、一次及び二次の磁気カプラＬｐｔ、Ｌｓｔの両方のインダクタンスの２０％の変動が生じたシナリオについて、一次変換器によって見られる補償された５０及び補償されていない５１（ａ）入力インピーダンス及び（ｂ）位相角θ対周波数ｆのグラフを示す。実際には、磁気カプラのインダクタンスのそのような変動は、それらの間の変位またはアライメントの変動に起因する可能性がある。
【００６１】
理想的には、一次変換器によるインピーダンスは、システムを力率１で動作させるために、動作周波数において純粋に抵抗性の負荷であるべきである。実線で示した結果は補償なしのシステムの挙動を示し、点線の結果は磁気カプラインダクタンスＬｐｔ、Ｌｓｔの変動が相対位相角θを変化させることによって補償されるときのシステム挙動を示す。
【００６２】
補償なしでは、磁気カプラのインダクタンスＬｐｔ、Ｌｓｔの変動は、インピーダンス曲線を左にシフトさせ、共振周波数を約３８ｋＨｚに固定させる。一次及び二次変換器は４０ｋＨｚの設計周波数で動作し続けるので、システムは離調し、一方ＬＣＬネットワークの共振周波数は、磁気カプラインダクタンスＬｐｔ、Ｌｓｔの変動の結果として３８ｋＨｚにシフトする。
【００６３】
図５の破線のインピーダンス曲線で示されるように、本発明の方法、装置、及びシステムに従って相対位相角θを９０°から８０°まで変化させることは、一次及び二次のＬＣＬ共振回路１１３、１２３の共振周波数を４０ｋＨｚの元の値にまたは付近に戻し、またシステムを、それ以外の場合に比べて力率１または少なくとも力率１付近で動作することを可能にする。
【００６４】
本発明による補償あり及びなしでシミュレートされたＩＰＴシステムから得られた電圧及び電流波形Ｖｐｉ、Ｉｐｉ波形を図６（ａ）及び図６（ｂ）にそれぞれ示す。図６（ａ）から明らかなように、電流Ｉｐｉは電圧Ｖｐｉよりも遅れており、本発明の補償なしにシステムが離調状態で動作していることを示している。さらに、一次変換器１１２によって供給される瞬時電力は、力率１以下の動作を示す負の部分を有することが分かる。しかしながら、図６（ｂ）の補償された波形を参照すると、電圧Ｖｐｉ及び電流Ｉｐｉは同位相であり、システムは力率１で動作することが分かる。
【００６５】
本発明の提案された補償あり及びなしによる、シミュレートされたシステム対磁気カプラのインダクタンスの効率を図７に示す。補償技術が、一次及び二次磁気カプラインダクタンスＬｐｔ、Ｌｓｔの広範囲にわたってＩＰＴシステムの効率を大幅に改善することが分かる。
【００６６】
本発明の上記の例示的な実施形態は、一次及び二次側の両方にフルブリッジ能動可逆整流器／インバータ及びＬＣＬ共振回路を有する双方向ＩＰＴシステムを備えるが、しかしながら、本発明はそのような構成に限定されない。他の実施形態では、ＩＰＴシステムは、単一方向（すなわち、一次側から二次側への一方向の電力を伝送するように構成された）システム、ハーフブリッジまたはプッシュプル変換器などの代替の能動または受動変換器または受動（ダイオードブリッジ）整流器、及び／または代替の共振回路トポロジーを備えることができる。
【００６７】
本発明によるＩＰＴシステムのいくつかの実施形態、特に、単一方向性の実施形態では、二次変換器は、受動ダイオードブリッジ整流器を備え、また二次コントローラをコストまたは複雑さの理由で省略することができる。受動整流器は、補償リアクタンス性インピーダンスの大きさの制御可能性を制限するが、補償インピーダンスは、二次側の出力における負荷調整を犠牲にして、一次コントローラ及び一次変換器によってある程度制御することができる。
【００６８】
さらに他の実施形態では、共振回路は、例えば、直列同調ＬＣ共振ネットワークまたはプッシュプル並列共振変換器（ＰＰＲＣ）を備えることができる。これらの実施形態の各々についてのシミュレートされた波形が、図８及び図９にそれぞれ示される。図８（ａ）及び８（ｂ）は、直列同調ＬＣ共振ネットワークの実施形態の補償されていない及び補償された電圧Ｖｐｉ、電流Ｉｐｉ及び瞬時電力波形をそれぞれ示す。図９（ａ）及び９（ｂ）は、ＰＰＲＣベースの実施形態のそれぞれの補償されていない及び補償された電圧Ｖｐｉ及び電流Ｉｐｉの波形を同様に示す。両方の場合において、本発明の補償は、電圧Ｖｐｉ及び電流Ｉｐｉ波形が実質的に同位相であるよう復元し、力率を改善し、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を容易にすることが分かる。
【００６９】
他の実施形態では、出力電圧または電流の調整が必要とされず、またしたがって、コントローラは、必ずしも電力変換器のデューティサイクルを変化させるように構成される必要はない。
【００７０】
さらに他の実施形態では、一次及び二次側との間の相対位相角は、実際の電力伝送の大きさを少なくとも部分的に制御するように変化させてもよい。これは、電力伝送の大きさを制御すること及び一次及び／または二次共振回路の共振周波数の変動を補償することとの間の妥協を含んでもよい。適切なバランスは用途による。
【００７１】
上記補正例は、単に非限定的な例として記述される。本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、さらなる変更または変形を行うことができる。
【００７２】
本発明を、例として及びその可能な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく変更または改良が可能であることを理解するべきである。本発明は、広義に、部分、要素、または特徴の任意のまたはすべての２つ以上の組み合わせにおいて、個々にまたは集合的に、本明細書に参照または指示された部分、要素、及び特徴にあると言える。さらに、既知の等価物を有する本発明の特定の部品または整数が参照されている場合、そのような等価物は、個々に記載されているかのようにここに組み込まれる。
【００７３】
上記から、一次及び二次磁気カプラの変位またはアライメントの変動に起因するインダクタンスの変動を効果的に補償する無線電力伝送装置、システム、及び方法が提供されることが分かる。この補償により、力率と無線電力伝送の効率が向上する。この利点は、スイッチング周波数を変化させること、またはスイッチング可能なリアクタンス素子を追加することなく、また少なくともいくつかの実施形態では、負荷／出力調整を損なうことなく達成することができる。
【００７４】
文脈が明らかに他に必要としない限り、説明を通して、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの単語は、言わば「含むが、限定されない」と言う意味で、包括的な意味で解釈されるべきであり、排他的または網羅的な意味とは対照的である。
【００７５】
本明細書を通しての先行技術の考察は、そのような先行技術が広く知られているか、または当該分野における一般的な知識の一部を形成することを決して認めるものではない。
【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（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年4月4日(2017.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置であって、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
前記電力変換器と電気的に結合され、かつ前記第２の装置との磁気結合のための磁気カプラを備える共振回路と、
前記電力変換器と関連付けられ、かつ前記第２の装置に対する前記電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、
前記位相は、前記共振回路のリアクタンス性インピーダンスを制御することを少なくとも部分的に補償するように変化される、無線電力伝送装置。
【請求項２】
前記相対位相は、リアクタンス性インピーダンスの変動によって引き起こされる前記共振回路の共振周波数の変動を補償するように変化される、請求項１に記載の無線電力伝送装置。
【請求項３】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、インダクタンスの変動を含む、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
【請求項４】
前記インダクタンスの変動は、前記磁気カプラの前記第２の装置の第２の磁気カプラとの整合不良によって引き起こされる、請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項５】
前記インダクタンスの変動は、前記磁気カプラの近傍の異物によって引き起こされる、請求項３に記載の無線電力伝送装置。
【請求項６】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、部品公差の変動によって引き起こされる、請求項２に記載の無線電力伝送装置。
【請求項７】
前記コントローラは、無線電力伝送の大きさを制御するため前記電力変換器のデューティサイクルを変化させるようさらに構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の無線電力伝送装置。
【請求項８】
前記コントローラは、スイッチが導通する位相角を変化させることによって前記変換器の前記デューティサイクルを変化させる、請求項７に記載の無線電力伝送装置。
【請求項９】
前記電力伝送は、前記無線電力伝送装置から前記第２の無線電力伝送装置へ、またはその逆である、請求項７または８に記載の無線電力伝送装置。
【請求項１０】
第２の無線電力伝送装置と磁気的に結合または結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御するための方法であって、
共振回路のリアクタンス性インピーダンスを制御するように、前記第２の無線電力伝送装置に対する前記第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む、方法。
【請求項１１】
リアクタンス性インピーダンスの変動を検出することと、前記リアクタンス性インピーダンスを制御するために前記動作の相対位相を変化させることとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記リアクタンス性インピーダンスの変動は、前記第１の無線電力伝送装置の磁気カプラのインダクタンスの変動によって引き起こされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
無線電力伝送の大きさを制御するため前記第１の無線電力伝送装置の電力変換器のデューティサイクルを変化させることをさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の無線電力伝送装置へまたはそれからの無線電力伝送の大きさを制御するため、前記第２の無線電力伝送装置の電力変換器のデューティサイクルに対する前記第１の無線電力伝送装置の前記電力変換器の前記デューティサイクルを変化させることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第２の装置との磁気結合に適した無線電力伝送装置であって、
電源または負荷に電気的に結合または結合可能な電力変換器と、
前記電力変換器と電気的に結合され、かつ前記第２の装置と磁気的に結合するための磁気カプラを備える共振回路と、
前記電力変換器に関連付けられ、かつ前記第２の装置に対する前記電力変換器の動作の相対位相を変化させるように構成されたコントローラと、を備え、
前記位相は、少なくとも部分的にリアクタンス性インピーダンスの変動を補償するように変化される、無線電力伝送装置。
【請求項１６】
第２の無線電力伝送装置と磁気的に結合または結合可能な第１の無線電力伝送装置を制御するための方法であって、
前記第１の無線電力伝送装置のリアクタンス性インピーダンスの変動を少なくとも部分的に補償するためリアクタンス性インピーダンスを制御するように、前記第２の無線電力伝送装置に対する前記第１の無線電力伝送装置の動作の相対位相を変化させることを含む、方法。
【国際調査報告】
2017524327.tif 000024
2017524327.tif 000025
2017524327.tif 000026