特開 2024-147496 電気消費体の方向に電力を無線伝送するための装置の操作方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024147496

(43)【公開日】2024-10-16

(54)【発明の名称】電気消費体の方向に電力を無線伝送するための装置の操作方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/90 20160101AFI20241008BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20241008BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H02J50/90

H02J50/10

H02J50/80

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024026634

(22)【出願日】2024-02-26

(31)【優先権主張番号】23166371

(32)【優先日】2023-04-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】597022218

【氏名又は名称】エーゲーオー エレクトロ・ゲレーテバウ ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100103816

【弁理士】

【氏名又は名称】風早 信昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120927

【弁理士】

【氏名又は名称】浅野 典子

(72)【発明者】

【氏名】エゲンター， クリスチャン

(72)【発明者】

【氏名】パブロビッチ， ラルフ

(72)【発明者】

【氏名】ヴェシュテル， ウルリヒ

(72)【発明者】

【氏名】ドラーク， ヤン

(72)【発明者】

【氏名】ルロフス， クラース

(57)【要約】      （修正有）

【課題】誘導結合によって電気消費体の方向に電力又は電気エネルギーを無線伝送するための装置を操作するための方法及びできるだけ信頼性がありかつフレキシブルな操作を可能にする対応システムを提供する。
【解決手段】方法は、電気消費体（２００）がトランスミッターコイル（１０１）に誘導結合されていない間に、トランスミッターコイル（１０１）を含む発振回路（１０３）の第一特性周波数ｆ_０__１を決定し；電気消費体（２００）がトランスミッターコイル（１０１）に誘導結合され、かつ電気消費体（２００）の電気負荷（２０４）が不活性化されている間に、トランスミッターコイル（１０１）を含む発振回路（１０３）の第二特性周波数ｆ_０__２を決定し、周波数Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２に依存して装置（１００）を操作することを含む。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導結合によって電気消費体（２００）の方向に電力を無線伝送するための装置（１００）を操作する方法であって、前記装置（１００）が、
－ 交番主電圧（Ｕ_Ｎ）に基づいてＤＣ電圧（Ｕ_Ｓ）を発生するための整流器（１０８）、
－ ＤＣ電圧（Ｕ_Ｓ）によって供給され、かつパルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）を発生するように適応されたインバータ（１０２）、及び
－ パルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）を供給され、かつ電気消費体（２００）の方向に電力を無線伝送するために使用される交番磁界を発生するように適応されたトランスミッターコイル（１０１）
を含み、
前記方法が、
－ 電気消費体（２００）がトランスミッターコイル（１０１）に誘導結合されていない間に、トランスミッターコイル（１０１）を含む発振回路（１０３）の第一特性周波数ｆ_０__１を決定し、
－ 電気消費体（２００）がトランスミッターコイル（１０１）に誘導結合され、かつ電気消費体（２００）の電気負荷（２０４）が不活性化されている間に、トランスミッターコイル（１０１）を含む発振回路（１０３）の第二特性周波数ｆ_０__２を決定し、
－ 周波数差Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２に依存して装置（１００）を操作する
ことを含む、方法。

【請求項2】

電気消費体（２００）がトランスミッターコイル（１０１）に誘導結合され、かつ電気消費体（２００）の電気負荷（２０４）が活性化されている間に、トランスミッターコイル（１０１）を含む発振回路（１０３）の第三特性周波数ｆ_０__３を決定し、
－ 周波数ｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃに依存して装置（１００）を操作する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

周波数ｆ_ｃａｌｃに依存してかつ電気消費体（２００）の設計パラメータに依存して伝達関数Ｐ（ｆ）の特性を推定し、伝達関数Ｐ（ｆ）が、操作周波数に依存して装置（１００）によって伝送可能な電力を特定し、電気消費体（２００）の設計パラメータが、電気消費体（２００）の電気特性及び／又は機械特性を特定することを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項4】

伝達関数Ｐ（ｆ）の特性が、伝達関数Ｐ（ｆ）が一つのピーク又は二つのピークを持つかどうかを特定することを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項5】

伝達関数Ｐ（ｆ）の特性に依存して電力の伝送のためのパルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）のデューティサイクル及び／又は周波数（ｆ）を設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の方法。

【請求項6】

第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスを決定し、パルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）のデューティサイクル及び／又は周波数（ｆ）が、第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスに依存して電力の伝送のために設定されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

【請求項7】

パルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）の周波数（ｆ）が、第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスに依存して第三特性周波数ｆ_０__３の周波数範囲で又は伝達関数Ｐ（ｆ）の第二ピークの周波数より高い周波数範囲で設定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。

【請求項8】

第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３において、発振回路（１０３）に流れる電流（ｉ_ｓ）がパルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）と同調していることを特徴とする請求項２～７のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３において、発振回路（１０３）に流れる電流（ｉ_ｓ）がその最大値を有することを特徴とする請求項２～８のいずれかに記載の方法。

【請求項10】

発振回路（１０３）に予め決められた周波数スペクトルを有する刺激信号を付与し、第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３において、刺激信号によって起こされた発振回路（１０３）に流れる電流（ｉ_ｓ）の周波数スペクトルがその最大値を有することを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の方法。

【請求項11】

第一特性周波数ｆ_０__１を決定し、第二特性周波数ｆ_０__２を決定し、第三特性周波数ｆ_０__３を決定することが、ＤＣ電圧（Ｕ_Ｓ）のレベルが１２０Ｖ未満、特に３０Ｖ未満である間に実施されることを特徴とする請求項２～１０のいずれかに記載の方法。

【請求項12】

誘導結合によって電気消費体（２００）の方向に電力を無線伝送するための装置（１００）と、電気消費体（２００）とを含むシステム（１０００）であって、
前記装置（１００）が、
－ 交番主電圧（Ｕ_Ｎ）に基づいてＤＣ電圧（Ｕ_Ｓ）を発生するための整流器（１０８）、
－ ＤＣ電圧（Ｕ_Ｓ）によって供給され、かつパルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）を発生するように適応されたインバータ（１０２）、及び
－ パルス幅変調制御信号（Ａ_Ｓ）を供給され、かつ電気消費体（２００）の方向に電力を無線伝送するために使用される交番磁界を発生するように適応されたトランスミッターコイル（１０１）
を含み、
前記装置（１００）と電気消費体（２００）が、請求項１～１１のいずれかに記載の方法を実施するように適応されている、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘導結合によって電気消費体の方向に電力又は電気エネルギーを無線伝送するための装置を操作するための方法、及びできるだけ信頼性がありかつフレキシブルな操作を可能にする対応システムを提供する目的に基づく。

【発明の概要】

【0002】

この方法は、誘導結合によって電気消費体の方向に電力又は電気エネルギーを無線伝送するための装置を操作するために役立ち、無線電力伝送（ＷＰＴ）とも称される。この方法はまた、上記装置及び電気消費体を含むシステムを操作するために役立つ。ＷＰＴに関する原理については、関連する技術文献を参照されたい。好ましくは、上記装置は、ＷＰＣ（無線伝送コンソーシアム）Ｋｉ（コードレスキッチン）法に従って操作される。

【0003】

誘導結合によって電気消費体の方向にエネルギーを無線伝送するための装置は、トランスミッターとしても言及されることができ、電気消費体は、レシーバー又は無線機器として言及されることができる。

【0004】

この装置は、特に正弦波形の電力供給システム電圧又は交流主電圧からＤＣ電圧を発生するための一般的な単相又は多相整流器を含む。

【0005】

この装置は、ＤＣ電圧から供給されるインバータを含む。インバータは、ハーフブリッジインバータ又はフルブリッジインバータであることができる。インバータは、特にパルス幅変調制御信号の形で、パルス幅変調制御又は駆動信号を発生するように構成される。

【0006】

この装置は、パルス幅変調制御信号を供給される一般的なトランスミッターコイルを含む。トランスミッターコイルは、パルス幅変調制御信号に基づいて交番磁界を発生するように適応され、交番磁界は、電気消費体の方向に電力を無線伝送するために使用される。

【0007】

この方法は、
－ 電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合されていない間に、トランスミッターコイルを含む発振回路の第一特性周波数ｆ_０__１を決定し、
－ 電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合され、かつ電気消費体の電気負荷が不活性化又は脱結合されている間に、トランスミッターコイルを含む発振回路の第二特性周波数ｆ_０__２を決定し、
－ 周波数差Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２に依存して装置を操作する
ことを含む。
電気消費体の電気負荷は、一般的に電気スイッチング手段によって、例えば半導体スイッチ、リレーなどの形で活性化／不活性化される。電気負荷は、例えば電気加熱素子、電気モータなどとして具体化されることができる。電気負荷は、特にレシーバーの一般に低い電力供給又は小さい電気負荷を、例えばレシーバーのユーザーインターフェース又はさらなる補助機能のために含まない。なぜならこれらの負荷は、一般的にオーム負荷であり、それは、伝達関数に関連して影響しないからである。

【0008】

一実施形態によれば、この方法は、電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合され、かつ電気消費体の電気負荷が活性化されている間に、トランスミッターコイルを含む発振回路の第三特性周波数ｆ_０__３を決定し、周波数ｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃに依存して装置を操作することを含む。

【0009】

一実施形態によれば、この方法は、周波数ｆ_ｃａｌｃに依存してかつ電気消費体の設計パラメータに依存して伝達関数Ｐ（ｆ）の特性を推定する。伝達関数Ｐ（ｆ）は、装置の操作周波数に依存して装置によって伝送可能な電力を特定するか又は示す。電気消費体の設計パラメータは、電気消費体の電気特性及び／又は機械特性を特定する。

【0010】

電気消費体の設計パラメータは、例えばレシーバー負荷品質係数であるか、又はそれを含むことができる：

式中、ｆ_Ｓは、電気消費体のレシーバー発振回路の共振周波数であり、Ｌ_Ｓは、レシーバー発振回路のインダクタンス、Ｒ_Ｌはレシーバー発振回路の抵抗である。

【0011】

一実施形態によれば、伝達関数Ｐ（ｆ）の特性は、伝達関数Ｐ（ｆ）が一つのピーク又は二つのピークを持つかどうかを特定するか又は示す。

【0012】

一実施形態によれば、この方法は、伝達関数Ｐ（ｆ）の特性に依存して電力の伝送のためのパルス幅変調制御信号のデューティサイクル及び／又は周波数を設定することを含む。

【0013】

一実施形態によれば、この方法は、第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスを決定することを含み、パルス幅変調制御信号のデューティサイクル及び／又は周波数は、第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスに依存して電力の伝送のために設定される。

【0014】

一実施形態によれば、パルス幅変調制御信号の周波数は、第三特性周波数ｆ_０__３のインピーダンスに依存して第三特性周波数ｆ_０__３の周波数範囲で又は伝達関数Ｐ（ｆ）の第二ピークの周波数より高い周波数範囲で設定される。

【0015】

一実施形態によれば、第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３は、発振回路に流れる電流がパルス幅変調制御信号と同調する周波数として決定される。

【0016】

一実施形態によれば、第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３は、他の周波数と比較して最大電流が発振回路に流れる周波数として決定される。第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３は、例えばそれぞれの結合条件下で発振回路の各共振周波数であることができる。

【0017】

一実施形態によれば、第一特性周波数ｆ_０__１を決定する工程、第二特性周波数ｆ_０__２を決定する工程、第三特性周波数ｆ_０__３を決定する工程は、ＤＣ電圧のレベルが１２０Ｖ未満、特に３０Ｖ未満である間に実施される。

【0018】

一実施形態によれば、この方法は、発振回路に予め決められた周波数スペクトルを有する制御信号を付与することを含む。刺激信号は、例えば所定の周波数範囲にわたって幅広いほぼ一定の周波数スペクトルを有する短い電圧パルスとして形成されることができる。第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、第三特性周波数ｆ_０__３において、発振回路に流れる生じた電流の周波数スペクトルは、その最大値を有する。周波数スペクトルは、例えば発振回路又はコイルに流れる電流のＦＦＴ分析によって決定されることができる。

【0019】

システムは、誘導結合によって電気消費体の方向に電力を無線伝送するための装置を含み、
前記装置は、
－ 交番主電圧に基づいてＤＣ電圧を発生するための整流器、
－ ＤＣ電圧によって供給され、かつパルス幅変調制御信号を発生するように適応されたインバータ、及び
－ パルス幅変調制御信号を供給されるトランスミッターコイル
を含む。
トランスミッターコイルは、電気消費体の方向に電力を無線伝送するために使用される交番磁界を発生するように適応される。このシステムは、電気消費体をさらに含む。前記装置と電気消費体は、請求項のいずれかに記載の方法を実施するようにそれぞれ適応されている。

【0020】

本発明は、台所器具のためのＫｉ無線電力のために好適である。例えば、電力伝送を開始するとき、又は電力設定点を変える場合、インバータを駆動するために好適な操作パラメータを同定する電力制御のための方法が提供される。電気消費体又はレシーバーからの電気及び／又は機械設計パラメータは、前記装置に通信されることができる。

【0021】

本発明によれば、周波数差Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２は、電気消費体の方への電力の伝達関数Ｐ（ｆ）及びトランスミッター共振周波数に影響を与えるトランスミッターコイルの近くに置かれた電気消費体の磁気結合効果によって起こされる周波数シフトを考慮する。周波数差Δｆ_ｃは、伝送される電力の要求される変化の後に電力を調整したり、及び／又は電力伝送を開始するための（操作）周波数ｆ_ｏｐ及び（操作）デューティサイクル（パルスデューティファクター）の適切な操作パラメータを決定するために使用される。

【0022】

本発明によれば、特性周波数は、様々な条件下で測定され、それらの条件は、少なくとも（１）トランスミッターコイルの上に電気消費体又は他の物体が存在しないこと、（２）電気負荷と接続されていないトランスミッターコイルの上に電気消費体が置かれていること、及び（３）電気負荷と接続されたトランスミッターコイルの上に電気消費体が置かれていることである。

【0023】

レシーバーのない測定（１）は、装置が操作状態に置かれた後又は製造時に校正としてなされることができる。測定（１）は、例えばある表面検出方法がトランスミッター表面上に電気物体又は磁気物体が置かれていないことを決定するときに実施されることができる。

【0024】

条件（１）～（３）のための特性周波数を決定又は測定するために、インバータ又はコンバータは、トランスミッターコイルを通る電流とインバータによって発生されるパルス幅変調制御信号の間で０℃に近い位相角で駆動されることができる。ＰＬＬは、トランスミッターコイルを通る電流をインバータによって発生されるパルス幅変調制御信号と強制的に同調させるために使用されることができる。代替的に又は追加的に、条件（１）～（３）のための特性周波数を決定又は測定するために、周波数掃引が、トランスミッターコイルを通るピーク電流を起こす特性周波数を見出すために実施されることができる。条件（１）～（３）のための特性周波数の測定は、交番主電圧のゼロ交差のまわりの低ＤＣ電圧で実施されることができる。

【0025】

次いで、周波数差Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２は、補正係数として計算される。

【0026】

例えば特定の位置に電気消費体を置いた後に電気消費体から装置に通信される、電気消費体の設計パラメータとともに、特定の周波数ｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃは、伝達関数が一つ又は二つのピークを有するなら結合係数の形で、そして第二ピーク（もしあれば）の周波数ｆ_１の形で伝達関数の特性を推定するために使用される。

【0027】

周波数ｆ_０__３の電流及び／又はインピーダンスが測定されることができる。伝達関数の推定された特性とともに、周波数ｆ_０__３の電流及び／又はインピーダンス、及び伝送される希望の電力レベル（即ち、電力レベル設定点）に基づいて、第一共振周波数又は第二ピーク周波数（もしあれば）で／その近くで操作周波数を設定することが決定されることができる。さらに、伝達関数の推定された特性とともに、周波数ｆ_０__３の電流及び／又はインピーダンス、及び伝送される希望の電力レベルに基づいて、伝送される希望の電力レベルのための開始（操作）周波数ｆ_ｏｐ及び開始デューティサイクルＤＣ_ｏｐを計算することができる。

【0028】

本発明は、変動可能な条件下で特性（共振）周波数を少なくとも３回測定し、例えば実際の伝達関数の関連点の良好な近似を達成するために電気消費体のスタートアップメッセージにおいて、受けとった電気消費体の設計についての情報を測定結果と組み合わせ、電力伝送を開始するための適切な操作点を決定することを提案する。

【0029】

第一及び第二の特性周波数ｆ_０__１及びｆ_０__２の測定は、レシーバーフェライト（磁束コンセントレータ）からトランスミッターコイルへの影響を補償することを可能にする。第三特性周波数ｆ_０__３の測定は、特性共振周波数を示す。周波数ｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃは、伝達関数の関連特性を決定するために使用される。

【0030】

周波数ｆ_ｃａｌｃは、ｆ_ｃａｌｃが実際の結合についての情報を含むとき、伝達関数が二つのピーク（ｆ_０及びｆ_１）又は一つのピーク（ｆ_０）を有するかどうかを示す。さらに、周波数ｆ_ｃａｌｃは、より高い周波数での第二共振ｆ_１に対する近似を与える。

【0031】

は、電気消費体によって受け取られたデータから計算されることができ、測定されたｆ_０__３の調整を可能にする。さらに、Ｑ_ＰＲｘは、ｆ_１での達成可能な電力を示す。

【0032】

電流（及び電圧）は、インピーダンスＺ（ｆ_{０_３}）が計算されることができるように特性周波数の測定中に測定されることができる。インピーダンスＺ（ｆ_{０_３}）は、５０％のデューティサイクルに基づいて伝送可能な電力Ｐ（ｆ_{０_３}）を決定する。第一のＰ（ｆ_{０_３}）は、伝送される希望の電力レベルのための操作周波数ｆ_ｏｐがｆ_{０_３}の周波数範囲又はｆ_１の周波数範囲であるかどうかの決定を行なうためにＰ（ｆ_１）とともに使用されることができる。さらに、インピーダンスＺ（ｆ_０__３）は、伝送される希望の電力レベル及びＰ（ｆ_{０_３}）及びＰ（ｆ_１）を考慮して適切な割り当てとして開始デューティサイクルを推定することを可能にする。

【0033】

本発明によれば、トランスミッターとレシーバーの間でそれらのフェライトの接近によって起こされる交差効果が決定される。トランスミッター誘電率は、レシーバーフェライトがトランスミッター磁界の操作容積中にあるならレシーバーフェライトによって増大される。同じ効果は、トランスミッターフェライトの接近によって起こされたレシーバー誘電率の増加とともに反対方向に起こる。この交差効果は、効果的な伝達関数をより低い周波数にシフトさせる。交差効果は、フェライトの距離、ミスアライメント、サイズ、及び位置によって影響され、伝達関数は、有意に影響を受けうる。第一に、ピーク周波数がシフトされ、レシーバーの方への高い電力伝送が可能である。さらに、伝達関数の結合及び特性は、一つのピークから二つのピークの特性に変えることができる。本発明は、トランスミッター誘電率に対するレシーバーフェライトによって起こされる交差効果を決定することを可能にする。決定された交差効果は、レシーバーの電気的設計についての既知のパラメータとともに、トランスミッターとレシーバーのコイルの間の効果的な結合、伝達関数の第二共振ピークの存在、及びその周波数ｆ_１についての良好な推定を完結することを可能にする。本発明は、希望の電力レベルに対する高速の効果的な設定を保証するための操作のために好ましい開始周波数を決定するための決定基準を与える。

【図面の簡単な説明】

【0034】

本発明は、図面を参照にして以下において詳細に記載される。

【0035】

【図1】図１は、誘導結合によって電気消費体の方向に電力を無線伝送するための装置、及び電気消費体を含むシステムのブロック図を示す。

【0036】

【図2A】図２Ａは、電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合されていない間に周波数に依存して装置のトランスミッターコイルに流れる電流を描く第一曲線を示し、そして電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合され、かつ電気消費体の電気負荷が不活性化されている間に周波数に依存して装置のトランスミッターコイルに流れる電流を描く第二曲線を示す。

【0037】

【図2B】図２Ｂは、電気消費体がトランスミッターコイルに誘導結合され、かつ電気消費体の電気負荷が活性化されている間に周波数に依存して電気消費体の方へ装置によって伝送可能な電力を特定する伝達関数Ｐ（ｆ）を示す。

【0038】

【図3】図３は、装置と電気消費体の間の異なる結合係数のための特定の周波数ｆ_ｃａｌｃに依存してレシーバー負荷品質係数Ｑ_ＰＲｘを特定する一組の曲線を示す。

【発明を実施するための形態】

【0039】

図１は、誘導結合によって電気消費体２００の方向に電力を無線伝送するための装置１００、及び電気消費体２００を含むシステム１０００のブロック図を示す。

【0040】

装置１００は、ＡＣ電圧グリッド３００の通常のグリッド電圧Ｕ_ＮからＤＣ電圧Ｕ_Ｓを発生するための整流器１０８を含む。

【0041】

装置１００は、スイッチング手段１０９及び１１０を含むＤＣ電圧Ｕ_Ｓから供給されるインバータ１０２をさらに含み、それは、調整可能な周波数ｆ及び調整可能なデューティサイクルを有するパルス幅変調制御信号Ａ_Ｓを発生するように設計されている。

【0042】

装置１００は、整流器１０８又はＤＣ電圧Ｕ_Ｓの出力末端間でそれぞれ直列に接続されるコンデンサー１０４，１０５をさらに含む。

【0043】

装置１００は、パルス幅変調制御信号Ａ_Ｓを供給されるトランスミッターコイル１０１をさらに含み、コンデンサー１０４，１０５及びトランスミッターコイル１０１は、それらが共振回路１０３を形成するように相互接続されている。この目的のため、トランスミッターコイル１０１の一つの末端は、インバータ１０２の半導体スイッチング手段１０９，１１０の接続ノードに電気的に接続され、トランスミッターコイル１０１の別の末端は、コンデンサー１０４，１０５の接続ノードに接続される。

【0044】

示されたインバータ及び共振回路の形態は例示にすぎないことは明らかである。例えば、フルブリッジを有するインバータが本発明の範囲内で使用されることができ、異なるやり方で相互接続された直列又は並列の共振回路などが使用されることができる。

【0045】

エネルギーを伝送するための交番磁界は、トランスミッターコイル１０１によって発生される。

【0046】

装置１００は、通信ユニット１１１をさらに含み、それは、装置１００の通信コイル１１２に結合される。通信ユニット１１１は、通信コイル１１２と結合して、電気消費体２００の双方向データ交換のために使用される。特に、電気消費体２００の設計パラメータは、双方向データ交換によって装置１００に通信される。

【0047】

装置１００は、制御ユニット１１６をさらに含み、それは、インバータ１０２によって伝送された電力を予め決定可能な設定値に制御するように設計され、制御信号Ａ_Ｓのデューティサイクル及び／又は周波数ｆは、操作変数として使用される。

【0048】

電気消費体２００は、フェライトを有するレシーバーコイル２０１、及び下流に接続された受動型ＬＣ共振回路２０２を含む。

【0049】

電気消費体２００は、電気負荷２０４を活性化又は不活性化する（即ち、受動型ＬＣ共振回路２０２へ電気負荷２０４を接続又は接続解除する）ためのスイッチングユニット２０３をさらに含む。電気消費体２００の電気負荷２０４は、例えば活性化又は不活性化（即ち、スイッチオン又はオフ）されることができる電気負荷として示される。電気負荷２０４はまた、モータ負荷などを駆動するために電圧平均化のための手段及び整流器を含むことができる。

【0050】

電気消費体２００は、通信ユニット２０６をさらに含み、それは、通信コイル２０７に接続されている。通信ユニット２０６は、通信コイル２０７と結合して、装置１００との双方向データ交換のために使用される。

【0051】

電気消費体２００は、制御ユニット２０８をさらに含み、それは、電気消費体２００の操作を制御する。制御ユニット２０８は、スイッチングユニット２０３及び通信ユニット２０６へのデータ接続を有する。制御ユニット２０８は、特にスイッチユニット２０３の好適な作動、及び装置１００との通信によって電気負荷２０４の活性化又は不活性化を制御する。

【0052】

図２Ａは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合されていない間に周波数ｆに依存してトランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_Ｓを描く第一曲線＃１を示す。図２Ａは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合され、かつ電気消費体２００の電気負荷２０４が不活性化されている間に周波数ｆに依存してトランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_Ｓを描く第二曲線＃２をさらに示す。図２Ａは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合されていない間にパルス幅変調制御信号Ａ_Ｓとトランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_Ｓの間の位相角を描く第三曲線＃３をさらに示す。図２Ａは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合され、電気消費体２００の電気負荷２０４が不活性化されている間にパルス幅変調制御信号Ａ_Ｓとトランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_Ｓの間の位相角を描く第四曲線＃４をさらに示す。位相角は、位相ゼロ交差が０°～３６０°のビッグステップとして容易に示されることができるように、０°～３６０°で調整される。

【0053】

描かれているように、第一特性周波数ｆ_０__１では、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合されていない間にトランスミッターコイル１０１又は発振回路１０３に最大電流ｉ_Ｓが流れる。第二特性周波数ｆ_０__２では、電気消費体２００がトランスミッターコイルに誘導結合され、かつ電気消費体２００の電気負荷２０４が不活性化されている間にトランスミッターコイル１０１又は発振回路１０３に最大電流ｉ_Ｓが流れる。描かれるように、第一特性周波数ｆ_０__１及び第二特性周波数ｆ_０__２では、電流ｉ_Ｓは、パルス幅変調制御信号Ａ_Ｓと同調している。

【0054】

全ての曲線＃１～＃４に対して、レシーバーインピーダンスは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合されていない間は無限であり、又は電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合され、かつ電気消費体２００の電気負荷２０４が不活性化されている間は少なくとも高度に抵抗性であり、従ってレシーバーコイル１０１を通って電流は全く流れないか（又は流れても少なくとも極めて低い）。それでもなお、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合されている間、レシーバーフェライトは、トランスミッター誘電率に影響を与え、従って特性周波数ｆ_０__２は、特性周波数ｆ_０__１より低い。

【0055】

図２Ｂは、電気消費体２００がトランスミッターコイル１０１に誘導結合され、かつ電気消費体２００の電気負荷２０４が活性化されている間に周波数ｆに依存して電気消費体２００の方へ装置１００によって伝送可能な電力を特定する伝達関数Ｐ（ｆ）＃５及び＃６を示す。さらに、曲線＃７及び＃８は、トランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_Ｓとパルス幅変調制御信号Ａ_Ｓの間の対応する位相角を描く。同一のレシーバー又は電気消費体２００は、曲線＃５及び＃６の両方のために使用されるが、曲線＃５は、装置１００と電気消費体２００の間の交差効果を考慮して実際の又は測定された伝達関数Ｐ（ｆ）を示し、曲線＃６は、交差効果なしで計算され、それは、装置１００と電気消費体２００の誘導率値が装置１００と電気消費体２００の間の結合効果を考慮せずに計算で使用されることを意味する。

【0056】

コイル１０１及び２０１の誘電率値は知られている。それでもなお、コイル１０１と２０１の間の交差効果が近接時にのみ起こるような効果的な誘電率値は知られておらず、異なる操作条件に対して距離、アライメント、さらには幾何学的又は設計パラメータで有意に変化しうる。

【0057】

曲線＃５と＃６の間の共振周波数におけるシフトは、曲線＃１と＃２の間の共振周波数におけるシフトに対応する。なぜなら低い周波数ｆ_０についての優位な効果は、トランスミッター誘導率によって起こされ、高い共振周波数ｆ_１は、同様の関連する態様でレシーバー誘電率に対してトランスミッターフェライトからの反対の交差効果によってより多く影響されるからである。

【0058】

描かれているように、伝達関数＃５は、第三特性周波数ｆ_０__３及びさらなる特定の周波数ｆ_１__３を有する。第三特性周波数ｆ_０__３及び周波数ｆ_１__３では、電流ｉ_ｓは、パルス幅変調制御信号Ａ_Ｓと同調している。

【0059】

本発明によれば、特性周波数ｆ_０__１，ｆ_０__２及びｆ_０__３が測定される。周波数ｆ_０__１，ｆ_０__２及びｆ_０__３を測定するために、位相同期回路（ＰＬＬ）を使用して発振回路１０３又はトランスミッターコイル１０１に流れる電流ｉ_ｓを強制的にパルス幅変調制御信号Ａ_Ｓと同調させることができる。タイミング遅延によれば、実際には、電圧ステップＡ_Ｓは、決定された電流ｉ_ｓのゼロ交差後に短い遅延を持つことができる。生じた同期周波数は、次いでそれぞれ周波数ｆ_０__１，ｆ_０__２又はｆ_０__３であるように決定される。周波数ｆ_０__１，ｆ_０__２及びｆ_０__３はまた、周波数掃引によって測定されることができ、第一特性周波数ｆ_０__１、第二特性周波数ｆ_０__２、及び第三特性周波数ｆ_０__３において、最大電流ｉ_ｓが発振回路１０３中に流れる。第一特性周波数ｆ_０__１を決定する工程、第二特性周波数ｆ_０__２を決定する工程、及び第三特性周波数ｆ_０__３を決定する工程は、ＤＣ電圧Ｕ_Ｓのレベル中、例えば３０Ｖ未満で実施されることができる。

【0060】

次いで、特定周波数ｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃが計算され、但し、Δｆ_ｃ＝ｆ_０__１－ｆ_０__２

【0061】

レシーバー負荷品質係数Ｑ_ＰＲｘのような設計パラメータ、又はレシーバー負荷品質係数Ｑ_ＰＲｘを計算するために必要な値は、電気消費体２００から装置１００に通信されることができる。

【0062】

図３を参照されたい。図３は、装置１００と電気消費体２００の間の異なる結合係数ｋに対するＸ軸上の特定周波数ｆ_ｃａｌｃに依存してＹ軸上のレシーバー負荷品質係数Ｑ_ＰＲｘを特定する一組の曲線を示す。

【0063】

Ｑ_ＰＲｘは、例えば操作前に、装置１００に電気消費体２００によって通信される電気パラメータに基づいて計算される。周波数ｆ_ｃａｌｃは、上記のように決定される。実際の結合は、図３を使用して決定されることができ、それは、例えば装置１００の開発段階中に計算又は測定される。もしｆ_ｃａｌｃ＝ｆ_０__３＋Δｆ_ｃの代わりにｆ_０__３が関連操作パラメータを計算するために使用されるなら、図３に描かれた曲線は、様々な結合状況において変化する交差効果のために大きな許容度を有するだろう。

【0064】

図３は、二つのピーク特性を有する伝達関数Ｐ（ｆ）が位置される上方領域と、単一のピーク特性を有する伝達関数Ｐ（ｆ）が位置される下方領域との間の境界線をさらに描く。二つのピーク間の周波数距離は、これらの伝達関数が伝送された電力についてほとんど変化なしでより幅広い周波数範囲を有するように、境界線に近くの伝達関数に対して減少する。

【0065】

実際には、結合分析は、逆で行なわれ、それは、Ｑ_ＰＲｘが操作前にトランスミッター１００にレシーバー２００によって通信される電気パラメータに基づいて計算されることを意味する。周波数ｆ_ｃａｌｃは、記載された方法に従って決定され、次いで実際の結合は、図３を使用して調べることができ、それは、トランスミッター１００の開発段階時に作られ、実施されることができる。

【0066】

図３の結果を説明するため、１．６のＱ_ＰＲｘを有する電気消費体２００が、様々な決定されたｆ_ｃａｌｃに対して評価される。もしｆ_ｃａｌｃが２４．８ｋＨｚに等しいなら、そのとき装置１００と電気消費体２００の間の結合係数ｋは、約０．４であり、得られた伝達関数は、単一のピークを有する。もし代わりにｆ_ｃａｌｃが例えば１．６の同じＱ_ＰＲｘに対して２２．３ｋＨｚに等しいなら、結合係数ｋは、約０．７５であり、伝達関数は、二つのピークを有する。もしｆ_ｃａｌｃが２３．６ｋＨｚ付近で決定されるなら、そのとき伝達関数は、ほぼ一定の電力で幾らか大きい周波数範囲を有する。

【0067】

さらに、第三特性周波数ｆ_０__３におけるインピーダンスが測定される。ｆ_０__３の測定は、インピーダンスが測定された電流ｉ_ｓを使用して計算されることができるように、電圧Ａ_Ｓの既知の電圧レベルを使用して実施される。これは、Ｕ_Ｓについて主電圧レベルでインバータ１０２を駆動するときに５０％のデューティサイクルで周波数ｆ_０__３の出力レベルの推定を可能にする。次の工程では、制御ユニット１１６は、ある要求される電力レベルに対して適切なデューティサイクルを計算することができる。

【0068】

高い電流は、第三特性周波数ｆ_０__３における低いインピーダンスを示す。予め決められた電流しきい値の上では、電力伝送は、第三特性周波数ｆ_０__３では開始されない。代わりに、高い共振周波数ｆ_１に等しいか又はそれより高い開始周波数が、極めて高いスイッチング電流を有する低いデューティサイクル操作によるスイッチング要素１０９，１１０についての高い損失を避けるために使用される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】