(57)【要約】本発明は、追加的な駆動状態が存在する、一次コイル（１２）から二次コイル（２２）への非接触式エネルギー伝送を創出する。この両側での制御によって、所定の駆動ストラテジに従って、一次側及び二次側でパワーエレクトロニクス素子が駆動される。従って例えば、結合係数が悪い際に非接触式エネルギー伝送の効率を上げ、一次コイル（１２）と二次コイル（２２）との間の空隙における磁場を最小に抑え、非接触式エネルギー伝送を最適化することが可能である。この最適化された駆動ストラテジは、非接触式エネルギー伝送システムの二次側のスイッチ（Ｓ５、Ｓ６）を用いて二次側での周期的な短絡を可能とする新たに導入されるフライホイール状態によって可能となる。本発明は、好適に電気自動車（４）のバッテリ充電の際に使用されるが、他の適用も可能である。【選択図】図１
2016536965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交番磁界の結合時に２つの接続点間で交流電圧を提供するよう構成された二次コイル構成（２２）と、
前記二次コイル構成（２２）により提供された前記交流電圧を整流するよう構成された整流器（２１）と、
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成された切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）と、
を備えた非接触式エネルギー伝送のための装置。
【請求項２】
共振コンデンサは、一次コイル構成及び／又は二次コイル構成に対して直列に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）は、少なくとも１つの半導体スイッチ、好適にＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）は、前記提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、一次コイル構成（１２）内及び／又は前記二次コイル構成（２２）内の測定された電気的変数に基づいて決定される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、前記エネルギー伝送の間に適合的に調整される、請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
前記切り替え構成は、一次コイル構成（１２）内の一次電流が所定値を超えた場合にのみ、前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
交番磁界を提供するよう構成された一次コイル構成（１２）と、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置であって、提供された前記交番磁界が少なくとも部分的に前記二次コイル構成（２２）に結合される、前記装置と、
を備えたエネルギー伝送装置（３）。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の非接触式エネルギー伝送のための装置を備えた電気自動車（４）のための充電装置。
【請求項１０】
非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法（１００）であって、
二次コイル構成（２２）の２つの接続点間で交流電圧を提供する工程（１１０）と、
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に接続する工程（１２０）であって、前記二次コイル構成（２２）の２つの接続点は、提供される前記交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、互いに接続される、前記電気的に接続する工程（１２０）と、
を含む、方法（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触式エネルギー伝送のための装置、及び、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
完全又は少なくとも部分的に電動機によって駆動される電気自動車及びプラグイン（Ｐｌｕｇｉｎ）ハイブリッド自動車が公知である。その際に、電動機を駆動するための電気エネルギーが、電気的貯蔵器によって、例えばメインバッテリによって提供される。この電気的貯蔵器の充電については様々なアプローチが存在する。
【０００３】
例えば、適切な充電ケーブルによって、電気自動車を充電ステーションと直流的に（ｇａｌｖａｎｉｓｃｈ）接続することが可能である。このために、ユーザは、電気自動車と充電ステーションとの間の電気的接続を確立する必要がある。このことは、特に降雨のような劣悪な天候状況においては、不快なものとして感じられる可能性がある。電計自動車及びプラグイン自動車の電気による航続距離（Ｒｅｉｃｈｗｅｉｔｅ）が非常に制限されているため、ユーザは上記ケーブル接続を非常に頻繁に確立する必要があり、多くのユーザが、従来の自動車に対する電気自動車の大きな欠点として感じている。
【０００４】
従って、充電ステーションと車両との間のエネルギー伝送のためにケーブルを利用しない解決策も存在する。その際に、エネルギーは、充電ステーションから交番磁界を介して車両へと伝送される。交番磁界からのエネルギーは、車両内で電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが車両のエネルギー貯蔵器に供給される。しかしながら、この解決策では、可能な限り正確に充電ステーションの上方に車両を配置することが必要である。充電ステーション内の一次コイルと車両内の二次コイルとの間隔及び方向付けに従って、ケーブルを利用しない充電システムに対する様々な影響が生じる。その際に、コイルシステムの結合係数が非常に大きく変動する可能性がある。この場合、充電システムが最適な動作点で駆動されないという危険が生じ、このことは通常では、効率がより悪くなり、及び／又は、一次コイルと二次コイルとの間の空隙における交番磁界がより大きくなることに繋がる。
【０００５】
独国特許出願公開第１０２０１００５５６９６号明細書では、非接触式伝送システムが開示されており、ここでは、一次側の伝送システムの周波数が二次側の状態値に従って調整される。一次側でのシステムパラメータの純粋な調整の他にさらに、二次側での電力制御又は両側での電力制御によって、非接触式充電システムの動作点を調整するという可能性も生まれる。このようなシステムは、例えば米国特許出願公開第２０１１／０２３１０２９号明細書に記載されており、ここでは、二次側に追加的な変圧器が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従ってさらに、結合係数が可変的である際にエネルギー伝送の改善された調整を可能にする非接触式エネルギー伝送に対する必要性が生じる。さらに、結合係数が可変的である際の非接触式エネルギー伝送を効率良く、低コストで実現することへの必要性が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点によれば、本発明は、交番磁界の結合時に２つの接続点間で交流電圧を提供するよう構成された二次コイル構成と、二次コイル構成により提供された交流電圧を整流するよう構成された整流器と、二次コイル構成の２つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成された切り替え構成と、を備えた非接触式エネルギー伝送のための装置を創出する。
【０００８】
更なる別の観点によれば、本発明は、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法であって、交番磁界が結合する二次コイル構成の２つの接続点間で交流電圧を提供する工程と、二次コイル構成の２つの接続点を電気的に接続する工程であって、二次コイル構成の２つの接続点は、提供された交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、互いに接続される、上記電気的に接続する工程と、を含む上記方法を創出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の根底には、二次側の非接触式エネルギー伝送のためのシステムを、各動作点の最適化のために利用される追加的な制御技術的自由度が創出されるように拡張するという考えがある。これに関して二次側では、整流器の２つの下のダイオードがアクティブな（ａｋｔｉｖ）スイッチと置換されることで、追加的なフライホイール状態（Ｆｒｅｉｌａｕｆｚｕｓｔａｎｄ）が可能となる。この新たに導入されるフライホイール状態を合目的的に活用することによって、例えば、複数の動作点における非接触式エネルギー伝送の効率を向上させることが可能である。
【００１０】
さらに、結合係数が悪い際にも、一次コイルと二次コイルとの間の空隙において最大磁場強度を越えないように、非接触式エネルギー伝送を行うことが可能である。これにより、例えば金属製の異物の加熱による、非常に高い磁場強度によって生じうる危険が回避されうる。
【００１１】
二次側で追加的なフライホイール状態を合目的的に活用することによって、結合係数の非常に広い許容範囲内で非接触式エネルギー伝送が可能となる。これにより、特に、従来のシステムでは非接触式エネルギー伝送は可能とならないであろう又は非常に劣悪な非接触式エネルギー伝送しか可能とならないであろう結合係数においても、効率の良い非接触式エネルギー伝送を実行することが可能である。例えば部分負荷駆動等の、その他の不都合な動作点における駆動の際にも効率が決定的に改善される。
【００１２】
さらに、本発明に係る非接触式エネルギー伝送によって、故障の場合の合目的的で継続的な二次側の短絡によって、追加的な保護機能も可能となる。このようにして例えば、二次側の負荷制限が制御されていない際に発生しうる、一次電流の許容し得ないほど大きな増大を回避することが可能である。
【００１３】
一実施形態において、共振コンデンサは、一次コイル構成及び／又は二次コイル構成に対して直列に接続される。
【００１４】
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、少なくとも１つの半導体スイッチを含む。好適に、半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、酸化金属半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。このような半導体スイッチによって、切り替え構成の確実で、迅速で、損失の少ない切り替えが長期間可能となる。
【００１５】
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、二次コイル構成の２つの接続点を電気的に互いに接続する。提供された交流電圧の各半波の間の特定の位相角の間、二次コイル構成の出力口を周期的に短絡させることによって、追加的な新たに導入される駆動モードが合目的的に開始される。
【００１６】
更なる別の実施形態において、二次コイル構成の２つの接続点が互いに電気的に接続される時間間隔は、一次コイル構成内及び／又は二次コイル構成内の電流量に基づいて決定される。このようにして、発生する電流が合目的的に制御することが可能である。
【００１７】
更に別の実施形態において、二次コイル構成の２つの接続点が互いに電気的に接続される時間間隔は、エネルギー伝送の間に適合的に調整される。これにより、結合係数が可変的である際にも、非接触式エネルギー伝送の間の変更に基づいて、駆動モードの最適な調整が継続的に可能である。ここで想定される最適化変数は、例えば、非接触式伝送システムの効率である。
【００１８】
更なる別の実施形態によれば、切り替え構成は、一次コイル構成内の一次電流が所定値を超えた場合にのみ、二次コイル構成の２つの接続点を電気的に互いに接続する。
【００１９】
本発明は、交番磁界を提供するよう構成された一次コイル構成と、提供された交番磁界が結合する誘導的エネルギー伝送のための本発明に係る装置と、を備えたエネルギー伝送装置をさらに含む。
【００２０】
さらに、本発明は、非接触式エネルギー伝送のための本発明に係る装置を備えた電気自動車のための充電装置を含む。
【００２１】
本発明の実施形態の更なる別の特徴及び利点は、以下の明細書の記載から、添付の図面を参照して明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施形態に係る非接触式エネルギー伝送のための装置の回路図を概略的に示す。
【図２】一実施形態に係る全負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。
【図３】部分負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。
【図４】更なる別の実施形態に係る部分負荷の際の一次コイル構成内及び二次コイル構成内の電流及び電圧の推移を概略的に示す。
【図５】本発明の一実施形態に係るエネルギー伝送装置を備えた電気自動車のための充電装置を概略的に示す。
【図６】本発明の更なる別の実施形態の基礎となる非接触式エネルギー伝送を行う方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、以下に、好適に電気自動車の充電のための電気エネルギー伝送に関して記載されるが、本発明に係る非接触式エネルギー伝送は本適用に限定されない。さらに、あらゆる任意の他の適用ケースに対して、本発明に係るエネルギー伝送を拡張することが同様に可能である。さらに、記載される装置の出力口で提供される出力電圧を、バッテリ充電の他に任意の他の適用のために利用することが可能である。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態の基礎となる、非接触式エネルギー伝送のための回路構成の概略図を示している。本回路構成は、一次側１と二次側２とを含む。一次側１は、直流電圧源１０によって供給される。代替的に、整流器が接続している交流電圧源による供給も可能である。一次側１はさらに必要であれば、入力電圧Ｕｉｎの電圧レベルを調整するための適切な昇圧型コンバータ又は降圧型コンバータを含んでもよい。入力電圧Ｕｉｎは整流回路１１に供給される。この整流回路１１は、例えば、４つの切り替え要素Ｓ１〜Ｓ４が存在するフルブリッジであってもよい。上記切り替え要素Ｓ１〜Ｓ４の各々には、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ４が平行して接続されうる。（矩形波の）交流電圧Ｕ１が、直列共振回路を備えた一次コイル構成１２に供給される。この直列共振回路は、例えば、非接触式伝送システムの一次コイルＬ１と、共振コンデンサＣ１と、を備える。その際に、整流器１１により提供される交流電圧Ｕ１は、好適に、直列共振回路の共振周波数ω０に調整される。
【００２５】
二次側２は、発振回路を備えた二次側のコイル構成２２を含み、発振回路は、非接触式伝送システムの二次コイルＬ２と、直列接続された共振コンデンサＣ２と、を備える。二次側のコイル構成２２の２つの端子は、ダイオードＤ５〜Ｄ８で構成される整流器２１の入力口と接続され、その際に、整流器２１の２つの下のダイオードＤ７及びＤ８と並列に、切り替え要素Ｓ５又はＳ６がそれぞれ配置される。この切り替え要素Ｓ５及びＳ６は、好適に半導体スイッチ要素である。このような半導体スイッチ要素として、例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを利用することが可能である。ダイオードＤ７及びＤ８は単体で実現される必要はなく、半導体スイッチ要素の固有のダイオードであってもよい。この半導体スイッチ要素によって、複数の切り替え過程を介した迅速で損失の少ない切り替えが可能となる。しかしながら、他の切り替え要素、特に他の半導体スイッチも同様に可能である。整流器の出力電圧Ｕｏｕｔは、任意に平滑コンデンサＣ３を介して平滑化されてもよい。
【００２６】
図１から分かるように、２つの切り替え要素Ｓ５及びＳ６の閉鎖によって、二次側のコイル構成２２の２つの出力口が互いに電気的に接続される。半導体スイッチ要素Ｓ５及びＳ６は、例えば、制御装置２３を介して合目的的に駆動されうる。この制御装置２３は、適切なセンサを介して、一次側１又は二次側２からの電流値又は電圧値を収集し、評価し、当該評価に基づいて切り替え要素Ｓ５及びＳ６を駆動することが可能である。その際に好適に、一次側１の既存のセンサが、無線インタフェースを介して制御装置２３と結合される。これにより例えば、一次側又は二次側の電流及び／又は電圧を収集し、評価することが可能である。これにより、当該電流及び／又は電圧に基づいて、又は、場合により他のパラメータに基づいて、制御装置２３は、最適化された駆動のために、以下で詳細に記載するように切り替え要素Ｓ５及びＳ６を駆動することが可能である。
【００２７】
一次側１から二次側２への非接触式エネルギー伝送のために、一次コイルＬ１による一次側のコイル構成２１への交流電圧Ｕ１の印加によって交番磁界が生成される。この交番磁界は、二次側の発振回路のコイルＬ２に結合し、そこで交流電圧を誘起する。二次側のコイル構成２２の出力口の交流電圧は、整流器２１によって整流され、場合により平滑コンデンサＣ２によって平滑化され、その後で、出力電圧Ｕｏｕｔとして出力口で提供される。この出力電圧Ｕｏｕｔは、例えば、電気自動車内のバッテリを充電するために利用されうる。
【００２８】
図２は、全負荷駆動時の一次コイル構成１２内及び二次コイル構成２２内の電流及び電圧の推移を示している。一次コイル構成１２内のＵ１の基本波の振幅は、半導体スイッチＳ１〜Ｓ４の駆動の間の位相角を介して調整されうる。これに基づいて、整流器１１の出力電圧が、上のグラフに示されるように獲得される。その際に、角度ａは、電圧Ｕ１のパルス幅を表している。ａの角度＝１８０°は、純粋な矩形波電圧に対応する。電圧Ｕ１の基本波の振幅は、共振周波数ωの場合、以下のように算出される。
【００２９】
【数１】
2016536965.tif 000003
【００３０】
第１の駆動モードにおいて、２つの二次側の半導体スイッチＳ５及びＳ６は継続的に開放された状態にある。これにより、二次側のパワーエレクトロニクス素子は、純粋にパッシブな（ｐａｓｓｉｖ）整流器のように振る舞う。本駆動モードでは、図２の電流及び電圧の基本波の振幅は、共振周波数ωの場合、以下のように算出される。
【００３１】
【数２】
2016536965.tif 000004
【００３２】
その際に、一次電流Ｉ１は、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２から成るコイルシステムの出力電圧Ｕｏｕｔ及び相互インダクタンスＭにのみ依存する。この一次電流Ｉ１には、整流器１１のパルス幅ａの制御によって影響を与えることが出来ない。
【００３３】
図３は、部分負荷駆動時に、非接触式エネルギー伝送の間半導体スイッチＳ５及びＳ６が継続的に開放される際に現れるような、一次電圧Ｕ１及び一次電流Ｉ１の時間推移を上のグラフで、二次電圧Ｕ２及び二次電流Ｉ２の時間推移を下のグラフで概略的に示している。この駆動モードは、純粋に一次側で制御が行われ二次側にパッシブな整流器が設けられる従来の非接触式エネルギー伝送の際にも現れるような、電流及び電圧の推移に対応している。ここでも、一次側の電流Ｉ１には、整流器１１内のフルブリッジの制御によって影響を与えることが出来ない。このことによって、例えば部分負荷駆動時に、又は、一次側での結合係数が悪い際に、一次電流Ｉ１によって大きな損失が引き起こされることになる。
【００３４】
図４は、二次側の電子回路のスイッチＳ５及びＳ６が合目的的に周期的に閉鎖される更なる別の駆動モードにおける、部分負荷駆動時の一次電圧Ｕ１及び一次電流Ｉ１の推移を上のグラフに、二次電圧Ｕ２及び二次電流Ｉ２の推移を下のグラフに示している。このフライホイール状態では、共振電流Ｉ２がさらに、二次側のコイルＬ２及び直列共振コンデンサＣ２を通って循環する。スイッチＳ５及びＳ６が再び開放された後で、共振電流は、任意の平滑コンデンサＣ３を介して、例えばバッテリのような二次側２の出力口に接続された負荷へと流れる。
【００３５】
その際に、電気角ｂは電圧Ｕ２のパルス幅を表している（図４参照）。これは、スイッチＳ５及びＳ６が開放されている時間に相当する。これにより、二次側の電圧Ｕ２の基本波の振幅は、以下のように算出される。
【００３６】
【数３】
2016536965.tif 000005
【００３７】
さらに、一次側の電圧の基本波の振幅が以下のように得られる。
【００３８】
【数４】
2016536965.tif 000006
【００３９】
従って、二次電流Ｉ２及び一次電流Ｉ１の波高値が、以下のように得られる。
【００４０】
【数５】
2016536965.tif 000007
【００４１】
従って、二次側２で新たに導入されるフライホイール状態によって、ここで、一次側の電流Ｉ１及び二次側の電流Ｉ２が合目的的に調整されうる。これにより、各最適な動作点において非接触式エネルギー伝送を行い、その際、一次コイルＬ１から二次コイルＬ２までの空隙又は一次コイルＬ１から二次コイルＬ２までの位置関係のずれ（Ｖｅｒｓａｔｚ）が様々であっても、及び、部分負荷駆動時にも、非接触式エネルギー伝送を最適に調整することが可能である。
【００４２】
その際に、スイッチＳ５及びＳ６が開放される間の電気角の角度値ｂを決定するために様々な駆動ストラテジが可能である。第１の駆動ストラテジのために、例えば、一次側１及び二次側２で同じパルス幅を利用することが可能である。即ち、一次側１での整流器１１の駆動についての角度ａは、二次側２でのスイッチＳ５及びＳ６の駆動についての角度ｂに対応する。従って、所定の動作点において、角度ａ及びｂは以下のように算出される。
【００４３】
【数６】
2016536965.tif 000008
【００４４】
その際に、ωは、非接触式エネルギー伝送の間の駆動周波数であり、Ｐｓｏｌｌは、伝送すべき電力を表し、Ｕｉｎは、一次側の入力直列電圧を表し、Ｕｏｕｔは、二次側の出力直列電圧を表し、Ｍは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間の相互インダクタンスを表す。この場合には、更なる別のパラメータを決定するために追加的な測定技術が必要ではない。唯一の前提条件は、一次側１と二次側２との間の通信のためのインタフェースである。このインタフェースは、好適にケーブル無しで実現される。さらに、例えばバッテリ充電電流のような制御量を収集して評価する必要がある。
【００４５】
コイルＬ１とコイルＬ２とが互いに不都合に配置されており、最適に配置されている際よりも相互インダクタンスＭが明らかに小さい場合には、結合が弱まった状態で同じ電力Ｐｓｏｌｌを伝送するために、パッシブな整流部が設けられた従来型の一次側で制御されるシステムを明らかにより大きな一次電流Ｉ１によって駆動しなければならないであろう。このことは、一次側での損失の明らかな増大に繋がるであろう。二次側の２つのスイッチＳ５及びＳ６を本発明に基づき駆動することによって、結合が弱まった際の一次電流の増大をより小さくすることが可能である。即ち、一次電流Ｉ１も、二次電流Ｉ２も増大するが、この動作点での全システム損失は、パッシブな整流器が設けられる従来の一次側での制御に比べて全体で低減されうる。同様の考察が、部分負荷駆動時又はその他の負荷インピーダンスの変更時の非接触式エネルギー伝送の駆動についても当てはまる。
【００４６】
更なる別の駆動ストラテジによれば、一次電流Ｉ１と二次電流Ｉ２との比が一定の値に調整される。その際例えば、公称電圧ＵＮｅｎｎで実際のバッテリ電圧ＵＢａｔである際のバッテリの二次側での充電のために以下の条件が適用されるように、位相角ａ及びｂが選択される。
【００４７】
【数７】
2016536965.tif 000009
【００４８】
先に既に記載した利点の他に、実際のバッテリ電圧ＵＢａｔが、二次側２によってシステムから分離され、従って、一次側１及び二次側２には、システムが最適化された公称動作点と同じ電流が流れる。従って、アクティブな二次側２による負荷のインピーダンス整合が行われ、このために、追加的なＤＣコンバータは必要とならないであろう。
【００４９】
更なる別の駆動ストラテジにおいて、動作点を適合的に調整することが可能である。その際には、所与の結合係数及び所与の駆動電圧ＵＢａｔにおいて必要な電力Ｐｓｏｌｌが伝送可能であるように、同時に最適化変数が最大化又は最小化されるように、最適な動作点が適合的に調整される。動作点のこのような適合的な調整は、本発明に係る両側での制御より可能となる追加的な自由度によって達成される。最適化変数として、例えば、（測定された）システム効率が用いられる、他の最適化変数も考えられる。バッテリの充電過程の間、動作点は非常にゆっくりとしか変わらないため、この適合的な調整は、制御技術的な観点から、内部の制御ループに比べてゆっくりと進行する。
【００５０】
さらに、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間の空隙において磁場が可能な限り最小となるように、動作点を調整することも可能である。コイルペアＬ１及びＬ２の空隙における交番磁界は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間の領域内に存在しうる金属製の物体が、誘起された渦電流により加熱されることに繋がる。このことは、磁場が大きい際には安全上の大きなリスクとなる。例えば、上記領域内の金属製の物体は、エネルギー伝送の間に非常に強く加熱される。一次コイルＬ１と二次コイルＬ２との間の空隙における磁場を本発明に基づき最小化することによって、この安全上のリスクを低減することが可能である。代替的に、最大磁場強度を保持したままで、コイルペアＬ１、Ｌ２の寸法をより小さくすることが可能である。これにより、非接触式エネルギーのためのこのようなシステムを構築するために必要な設置空間及びコストが削減される。
【００５１】
更なる別の駆動ストラテジにおいて、二次側でのアクティブな制御によって、非接触式エネルギー伝送のためのシステムの動作範囲を拡大することが可能である。その際に、二次側２の２つの追加的なスイッチＳ５及びＳ６は、通常駆動の間停止された状態にある。二次側のパワーエレクトロニクス素子２１は、最初にパッシブな整流器のように振る舞う。一次電流Ｉ１が、設定された閾値を超える場合には、追加的な切り替え要素Ｓ５及びＳ６の駆動が作動される。これにより、例えば劣悪な結合係数等の不利な状況において、インピーダンス整合が可能である。これにより、従来のやり方では、最大一次電流Ｉ１を超えておりシステムを停止しなければならないであろう場合にも、非接触式エネルギー伝送のためのシステム自体を引き続き駆動することが可能である。
【００５２】
図５は、電気自動車４のための充電装置３の概略図を示している。充電装置３は、図１との関連で記載された構成要素を備える。特に、車両４内の充電装置３は、二次側のコイル構成２２を出力口で電気的に短絡させこれにより本発明に係る追加的なフライホイール状態を可能とするために、追加的な切り替え要素Ｓ５及びＳ６を有する切り替え構成を備える。さらに、当然のことながら、原動機付き車両等でのバッテリ充電のような他の適用のための充電装置も可能である。
【００５３】
図６は、本発明の基礎となる、非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法１００の概略図を示している。工程１１０において、交番磁界が結合する二次コイル構成２２の２つの接続点間で交流電圧が提供される。工程１２０において、二次コイル構成の２つの接続点が電気的に接続され、その際に、二次コイル構成２２の２つの接続点は、提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間互いに接続される。
【００５４】
二次コイル構成２２の２つの接続点が互いに電気的に接続される上記所定の時間間隔は、先に既に記載したように、様々な駆動ストラテジに基づいて決定されうる。
【００５５】
以上、本発明は、両側で制御が行われ追加的な駆動状態を含む、一次コイルから二次コイルへの非接触式エネルギー伝送に関する。上記両側での制御によって、パワーエレクトロニクス素子の一次側及び二次側での駆動が所定の駆動ストラテジに従って行われる。これにより、例えば結合係数が悪い際にも、非接触式エネルギー伝送の効率を上げ、一次コイルと二次コイルとの間の空隙における磁場を弱化し、非接触式エネルギー伝送を最適化することが可能である。本発明では、この最適化された駆動ストラテジは、二次側での周期的な短絡を可能とする新たに導入されたフライホイール状態によって可能となる。
【図１】
2016536965.tif 000010
【図２】
2016536965.tif 000011
【図３】
2016536965.tif 000012
【図４】
2016536965.tif 000013
【図５】
2016536965.tif 000014
【図６】
2016536965.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月31日(2016.3.31)
【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】
交番磁界の結合時に２つの接続点間で交流電圧を提供するよう構成された二次コイル構成（２２）と、
前記二次コイル構成（２２）により提供された前記交流電圧を整流するよう構成された整流器（２１）と、
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成された切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）と、
を備えた非接触式エネルギー伝送のための装置。
【請求項２】
共振コンデンサは、一次コイル構成及び／又は二次コイル構成に対して直列に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）は、少なくとも１つの半導体スイッチを含む、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記切り替え構成（Ｓ５、Ｓ６）は、前記提供される交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、一次コイル構成（１２）内及び／又は前記二次コイル構成（２２）内の測定された電気的変数に基づいて決定される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点が互いに電気的に接続される前記時間間隔は、前記エネルギー伝送の間に適合的に調整される、請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
前記切り替え構成は、一次コイル構成（１２）内の一次電流が所定値を超えた場合にのみ、前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に互いに接続する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
交番磁界を提供するよう構成された一次コイル構成（１２）と、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置であって、提供された前記交番磁界が少なくとも部分的に二次コイル構成（２２）に結合される、前記装置と、
を備えたエネルギー伝送装置（３）。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の非接触式エネルギー伝送のための装置を備えた電気自動車（４）のための充電装置。
【請求項１１】
非接触式エネルギー伝送のための装置を駆動する方法（１００）であって、
二次コイル構成（２２）の２つの接続点間で交流電圧を提供する工程（１１０）と、
前記二次コイル構成（２２）の前記２つの接続点を電気的に接続する工程（１２０）であって、前記二次コイル構成（２２）の２つの接続点は、提供される前記交流電圧の各半波の間の所定の時間間隔の間、互いに接続される、前記電気的に接続する工程（１２０）と、
を含む、方法（１００）。
【国際調査報告】
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