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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-01
(45)【発行日】2022-07-11
(54)【発明の名称】マルチセル誘導無線電力伝達システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/40 20160101AFI20220704BHJP
H02J 50/10 20160101ALI20220704BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20220704BHJP
H02M 3/335 20060101ALI20220704BHJP
【ＦＩ】
H02J50/40
H02J50/10
H02J7/00 301D
H02M3/335 E
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2020549803
(86)(22)【出願日】2019-03-22
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-07-08
(86)【国際出願番号】 US2019023519
(87)【国際公開番号】W WO2019183441
(87)【国際公開日】2019-09-26
【審査請求日】2020-10-26
(31)【優先権主張番号】15/933,893
(32)【優先日】2018-03-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503455363
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】ジェイコブソン，ボリス エス．
(72)【発明者】
【氏名】マコヴィエツ，サラ エル．
(72)【発明者】
【氏名】ランゲリア，マーク エス．
(72)【発明者】
【氏名】ジャニック，マイケル エフ．
(72)【発明者】
【氏名】アンダーソン，ジョージ イー．
【審査官】辻丸 詔
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００６／００１５５７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０３－２３２２０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－００１６９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１５－５２７０４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１７５８０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５０６２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１９５５１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０９０５２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１７６８９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】Wu Hongfei，Secondary-Side Phase-Shift-Controlled Dual-Transformer-Based Asymmetrical Dual-Bridge Converter With Wide Voltage Gain，IEEE TRANSACTION ON POWER ELECTRONICS,INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGENEERS, USA，米国，2015年，VOL. 30, NO.10
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ５０／００－５０／９０
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｈ０２Ｍ ３／３３５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力変換器システムであって：複数の送信素子及び複数の受信素子を含むマルチセル誘導無線電力伝達システムであり、各送信素子が少なくとも１つの送信巻線と少なくとも１つの送信磁心とを含み、各受信素子が少なくとも１つの受信巻線と少なくとも１つの受信磁心とを含む、マルチセル誘導無線電力伝達システム；
入力電力信号を送信電力信号に変換して、前記複数の送信素子を駆動するように構成された送信電力変換回路；
前記複数の受信素子において受信された伝達された電力信号を出力電力信号に変換して、電気負荷を駆動するように構成された受信電力変換回路；及び
前記送信電力変換回路及び前記受信電力変換回路と信号を通信し、前記複数の送信素子のうち個々の送信素子の送信位相角度及び前記複数の受信素子のうち対応する個々の受信素子の受信位相角度の一方又は両方を能動的に調整して前記送信位相角度を前記受信位相角度に一致させるように構成されたコントローラ；
を含む電力変換器システム。
【請求項2】
前記複数の送信素子は、空隙によって前記受信素子から分離される、請求項１に記載の電力変換器システム。
【請求項3】
前記送信電力変換回路は、前記入力電力信号を受信するための一次電源に接続された入力と、前記複数の送信素子に接続された出力とを有する直流－交流変換器である、請求項２に記載の電力変換器システム。
【請求項4】
前記直流－交流変換器は、ブリッジ構成で接続された第１の複数のスイッチを含み、双方向デュアルアクティブブリッジ回路を構成する第１ブリッジを形成する、請求項３に記載の電力変換器システム。
【請求項5】
前記受信電力変換回路は、前記複数の受信素子に接続されて前記伝達された電力信号を受信するための入力と、前記出力電力信号を送達するように構成された出力とを有するAC-DC変換器である、請求項４に記載の電力変換器システム。
【請求項6】
前記AC-DC変換器は、ブリッジ構成で接続された第２の複数のスイッチを含み、前記双方向デュアルアクティブブリッジ回路のうちの第２のブリッジを形成する、請求項５に記載の電力変換器システム。
【請求項7】
前記双方向デュアルアクティブブリッジ回路の前記第１ブリッジは、前記第１の複数のスイッチのうちの一対のスイッチと、前記複数の送信素子のうちの１つの送信素子との間に接続されたフィルタ回路を含む、請求項６に記載の電力変換器システム。
【請求項8】
前記双方向デュアルアクティブブリッジ回路の前記第２のブリッジは、前記第２の複数のスイッチのうちの一対のスイッチと、前記複数の受信素子のうちの１つの受信素子との間に接続されたキャパシタを含む、請求項７に記載の電力変換器システム。
【請求項9】
前記複数の送信素子は、互いに直列に接続され、前記複数の受信素子は、互いに並列に接続される、請求項６に記載の電力変換器システム。
【請求項10】
第１セルの第１送信巻線が第１絶縁層上に形成され、第２送信巻線が前記第１絶縁層とは異なる第２絶縁層上に形成される、請求項１に記載の電力変換器システム。
【請求項11】
前記第１送信巻線と前記第２送信巻線とが互いに離れている、請求項１０に記載の電力変換器システム。
【請求項12】
前記送信電力変換回路が第１の複数のスイッチを含み、前記受信電力変換回路が第２の複数のスイッチを含み、前記コントローラが、前記第１の複数のスイッチの第１スイッチング周波数及び前記第２の複数のスイッチの第２スイッチング周波数の一方又は両方を能動的に制御して、前記第１スイッチング周波数を前記第２スイッチング周波数に一致させ、それにより前記送信位相角度を前記受信位相角度に一致させるように構成された、請求項１に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電力伝達システムに関するものであり、特に無線電力伝達システムに関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
誘導結合された電力伝達は、軍事的及び商業的用途において受け入れられつつある。進化する海底システムは、例えば、データ通信ネットワーク、物体検知及び検出システム、並びに車両ハブシステムを含む種々の軍事的及び商業的用途に役立つ。これらの広範囲な応用を実現するために、従来の誘導結合電力伝達デバイスは、実用的なエネルギー伝達を容易にするために複雑でない粗野な電力インタフェースを採用することを目指している。
【課題を解決するための手段】
【0003】
非限定的な実施形態によれば、マルチセル誘導無線電力伝達システムが、複数の送信素子を含む。各送信素子が少なくとも１つの送信巻線と少なくとも１つの送信磁心とを含む。マルチセル誘導無線電力伝達システムは、さらに、複数の送信素子を含む。前記複数の送信素子は、空隙によって前記受信素子から分離される。各受信素子は少なくとも１つの受信巻線と少なくとも１つの受信磁心とを含む。
【0004】
別の非限定的な実施形態によれば、電力変換器システムが、複数の送信素子、複数の受信素子、送信電力変換回路及び受信電力変換回路を含むマルチセル誘導無線電力伝達システムを含む。各送信素子は少なくとも１つの送信巻線と少なくとも１つの送信磁心とを含む。各受信素子は少なくとも１つの受信巻線と少なくとも１つの受信磁心とを含む。送信電力変換回路は、入力電力信号を送信電力信号に変換して、前記複数の送信素子を駆動するように構成される。受信電力変換回路は、前記複数の受信素子において受信された伝達された電力信号を出力電力信号に変換して、電気負荷を駆動するように構成される。
【0005】
さらに別の非限定的な実施形態によれば、充電システムが、車両を充電可能な充電ステーションを含む。車両は、充電テーションから独立して移動する。充電テーションは、複数の送信素子を含む。各送信素子が少なくとも１つの送信巻線及び少なくとも１つの送信磁心を含む。車両は、複数の受信素子を含む。各受信素子は、少なくとも１つの受信巻線及び少なくとも１つの受信磁心を含む。
【0006】
さらに別の非限定的な実施形態によれば、電力充電システムを制御する方法が提供される。本方法は、充電ステーション内に設けられた複数の送信素子のうちの少なくとも１つの送信素子を介して磁場を生成するステップを含む。磁場は、前記少なくとも１つの送信素子に含まれる少なくとも１つの送信磁心に隣接して配置された少なくとも１つの送信巻線に通電することに応答して生成される。本方法はさらに、複数の受信素子のうちの少なくとも１つの受信素子を含む車両を、前記磁場に近接して位置決めするステップを含む。磁場が、前記少なくとも１つの受信素子に含まれる少なくとも１つの受信磁心に隣接して配置された少なくとも１つの受信巻線を付勢する。本方法はさらに、前記少なくとも１つの受信素子を不勢することに応答して出力電力信号を生成するステップ、及び前記出力電力信号に基づいて前記車両のバッテリを充電するステップを含む。
【0007】
追加の特徴及び利点が、本発明の技術によって実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書に詳細に記載されており、請求項に係る発明の一部とみなされる。利点及び特徴を有する本発明のより良い理解については、以下の説明及び図面を参照されたい。
【0008】
本開示をより完全に理解するために、添付の図面及び詳細な説明に関連して、以下の簡単な説明に言及する。ここで、同様の参照番号は同様の部材を表す。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】単一セル単一コイルの誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図1B】単一セル単一コイルの誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図2】単一セル単一コイルの誘導無線電力伝達システムにおいて生じる磁気結合及び漏洩磁場を示す。
【図3A】非限定的実施形態に従ったマルチセル単一コイルの誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図3B】非限定的実施形態に従ったマルチセル単一コイルの誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図4】非限定的実施形態に従った、マルチセル単一コイルの誘導無線電力伝達システムから生じる磁気結合の増加及び漏洩磁場の減少を示す図である。
【図5A】非限定的実施形態に従ったマルチセル、デュアルコイル誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図5B】非限定的実施形態に従ったマルチセル、デュアルコイル誘導無線電力伝達システムを示す図である。
【図6】非限定的実施形態に従ったマルチセル誘導無線電力伝達システムを駆動するように構成された電力変換器を示す。
【図7A】非限定的実施形態に従った、マルチセル、デュアルコイル誘導無線受信システムを含む自律無人車両（ＵＶ）と、マルチセル、デュアルコイル誘導無線送信システムを含むＵＶ充電システムとを示す図である。
【図8】非限定的実施形態に従った、マルチセル、トリプルコイル誘導無線受信システムを含む自律無人車両（ＵＶ）と、マルチセル、トリプルコイル誘導無線送信システムを含むＵＶ充電システムとを示す図である。
【図9A】ＵＶ充電システムの送信コイルに対して不整合な位相を伴う受信コイルを有するマルチセルを含む自律無人車両（ＵＶ）を示す図である。
【図9B】ＵＶ充電システムの送信コイルに対して同期されるように能動的に再構成される位相を伴う受信コイルを有するマルチセルを含む自律無人車両（ＵＶ）を示す。
【図10A】マルチセル誘導無線電力伝達システムに含まれる位相信号の損失に続く出力電力を示す信号図である。
【図10B】マルチセル誘導無線電力伝達システムにおける位相信号のバランスを回復した後の出力電力を示す信号図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
単一セル電力伝達システム１００（図１Ａ～１Ｂ参照）は、単一の送信コイルと単一の受信コイルとの間の誘導結合エネルギー伝達を容易にするように開発されてきた。これらの単一セル電力伝達システム１００は、単一送信（ＸＭＴ）素子１０２と単一受信（ＲＣＶ）素子１０４とを含み、これらは共に単相電力信号１０を出力する。送信素子１０２は、送信コイル１０６及び送信磁心（magnetic core）１０８を含む。受信素子１０４は、受信コイル１１０及び受信磁心１１２を含む。送信素子１０２と受信素子１０４は、距離ｄだけ互いに離間されているが、互いにエネルギーを誘導的に伝達することができる。単相信号によって駆動される単一セルの使用は、過剰な漏洩磁場１１６に伴い、強く変動する入出力を生成し、非効率的なエネルギー伝達に寄与してしまう（図２参照）。
【0011】
本明細書に記載される様々な非限定的な実施形態は、漏洩磁場の量を減少させながら、送信素子と受信素子との間の電力伝達の効率を改善することが可能なマルチセル誘導無線電力伝達システムを提供する。このようにして、単一セル電力伝達システムと比較して、エネルギー伝達構成要素の体積が小さい誘導無線電力伝達システムが提供される。
【0012】
次に、図３Ａ及び３Ｂを参照すると、非限定的な実施形態に従って、マルチセル、単一コイル誘導無線電力伝達システム３００が示されている。マルチセル単一コイル誘導無線電力伝達システム３００は、第１送信素子３０２a、第２送信素子３０２b、第１受信素子３０４a及び第２受信素子３０４bを含む。第１送信素子及び第２送信素子３０２a、３０２bは、分離距離（d）を定める空隙（air gap）によって、第１受信素子及び第２受信素子３０４a、３０４bから分離されている。例えば、直径が約６０～８０mmの送信素子３０２a、３０２bと、直径が約４０～６０mmの受信素子３０４a、３０４bとの間の距離（d）は、例えば、約１０ミリ（mm）～約２０mmの範囲である。複数の送信素子３０２a、３０２b及び複数の受信素子３０４a、３０４bを提供することによって、マルチセル誘導無線電力伝達システム３００は、単相出力電力信号（図２参照）ではなく、多相（例えば、２相）の電力信号３０５を出力することができる。
【0013】
第１送信素子３０２aは、第１送信巻線３０６a及び第１送信磁心３０８aを含む。第２送信素子３０２bは、第２送信巻線３０６b及び第２送信磁心３０８bを含む。少なくとも一実施例では、第１送信巻線３０６aは、第１送信磁心３０８aに対して垂直に配置（例えば積層）され、第１送信巻線３０６aは、第１絶縁層３２０a上に又は接して形成される（図３Ｂ参照）。空隙が、第１送信巻線３０６aを第１送信磁心３０８aから距離（d）だけ離すことができる。同様に、第２送信巻線３０６bは、第２送信磁心３０８bに対して垂直に配置される（例えば、積層される）。第２の送信巻線３０６bは、第２絶縁層３２０b上に又は接して形成され（図３Ｂ参照）、空隙が、第２送信巻線３０６bを第２送信磁心３０８bから距離（d）だけ離すことができる。
【0014】
第１受信素子３０４aは、第１受信巻線３１０a及び第１受信磁心３１２aを含む。第２受信素子３０４bは、第２受信巻線３１０b及び第２受信磁心３１２bを含む。少なくとも一実施形態において、第１受信巻線３１０aは、第１受信磁心３１２aに対して垂直に配置される（例えば、積層される）。第１受信巻線３１０aは、絶縁層３２２a上に又は接して形成され（図３Ｂ参照）、空隙が、第１受信巻線３１０aを第１受信磁心３１２aから分離することができる。同様に、第２受信巻線３１０bは、第２受信磁心３１２bに対して垂直に配置される（例えば、積層される）。第２受信巻線３１０bは、第２絶縁層３２２b上に又は接して形成され（図３Ｂを参照）、空隙が第２受信巻線３１０bを第２受信磁心３１２bから分離することができる。
【0015】
送信磁心３０８a及び３０８b、ならびに受信磁心３１２a及び３１２bは、例えば、ニッケル－亜鉛フェライト材料、マンガン－亜鉛フェライト材料その他の所定の用途に適した代替材料などの種々の磁性材料から形成することができる。巻線３０６a、３０６b、３１０a及び３１０bは、それぞれ導電性材料で構成することができる。少なくとも一実施形態では、送信巻線３０６a、３０６b、及び受信巻線３１０a、３１０bは、螺旋形状を有し、それぞれの絶縁層３２０a、３２０b、３２２a及び３２２bの上の直接導電性トレースとして形成される。
【0016】
複数のセル（Ｎ）、すなわち、複数の送信素子３０２a、３０２b及び複数の受信素子３０４a、３０４bの実装により、磁場４００の重複（overlapping）が可能となり、それにより送信素子３０２a、３０２bと受信素子３０４a、３０４bとの間の電力変動が低減される（図４参照）。さらに、漏洩磁場４０２の量が減少し、それによりマルチセル誘導無線電力伝達システム３００のエネルギー伝達効率が改善される。
【0017】
上述のマルチセル誘導無線電力伝達システム３００は、各個々の素子３０２a、３０２b、３０４a、３０４bにそれぞれ単一の巻線３０６a、３０６b、３１００a、３１００bを有するように示されているが、本発明はこれに限定されない。
【0018】
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、例えば、非限定的な実施形態に従った、マルチセル、デュアルコイル誘導無線電力伝達システム５００が示されている。第１送信素子３０２aは、複数の送信巻線３０６a及び３０７aと、１つ以上の送信磁心３０８aとを含む。第２送信素子３０２bは、複数の送信巻線３０６b及び３０７bと、１つ以上の送信磁心３０８bとを含む。二次素子３０４a及び３０４bは、同様の方法で構成される。例えば、第１受信素子３０４aは、複数の受信巻線３１０a及び３１１aと、１つ以上の受信磁心３１２aとを含む。第２受信素子３０４bは、複数の受信巻線３１０b及び３１１bと、１つ以上の受信磁心３１２bとを含む。送信素子３０２a、３０２b、及び受信素子３０４a、３０４bは、２つの巻線を含むように示されているが、素子３０２a、３０２b、３０４a及び３０４bは、追加の巻線（３、５、７など）を含んでもよい。送信素子３０２a、３０２b、及び受信素子３０４a、３０４bの各々は、複数の磁心３０８a、３０８b、３１２a、及び３１２bを含むこともできる。
【0019】
図示されていないが、所定の送信巻線３０６a～３０６b及び３０７a～３０７bは、個々の送信磁心に対して垂直に配置することができる。したがって、所定の送信素子３０２a、３０２bに含まれる送信磁心の数は、所定の送信素子３０２a、３０２bに含まれる送信巻線の数と一致する。同様に、所定の受信巻線３１０a～３１０b及び３１１a～３１１bを、個々の受信磁心に対して垂直に配置することができる。したがって、所定の受信素子３０４a及び３０４bに含まれる受信磁心の数は、所定の受信素子３０４a及び３０４bに含まれる受信巻線の数と一致する。
【0020】
次に、図６を参照すると、マルチセル誘導無線電力伝達システム３００で動作するように構成された電力変換システム６００が、非限定的な実施形態に従って図示されている。マルチセル誘導無線電力伝達システム３００は、複数の送信素子３０２a、３０２bと、複数の受信素子３０４a、３０４bとを含む。各送信素子３０２a、３０２bは、少なくとも１つの送信巻線３０６a、３０６bと、少なくとも１つの送信磁心３０８a、３０８bとを含む。同様に、各受信素子３０４a及び３０４bは、少なくとも１つの受信巻線３１０a及び３１０bと、少なくとも１つの受信磁心３１２a及び３１２bとを含む。１つ以上の実施形態において、送信素子３０２a及び３０２bは互いに直列に接続され、受信素子３０４a及び３０４bは互いに並列に接続される。しかしながら、送信素子３０２a、３０２b及び受信素子３０４a、３０４bは、本発明の範囲から逸脱することなく、他の構成で接続することができることが理解されるべきである。
【0021】
電力変換システム６００は、送信電力変換回路６０２及び受信電力変換回路６０４をさらに含む。送信電力変換回路６０２は、入力ＤＣ電力信号（VIN）を、複数の送信素子３０２a、３０２bを駆動して磁場４００を生成する送信ＡＣ電力信号に変換するように構成される。磁場４００のエネルギーは、空隙を横切って受信素子３０４a及び３０４bに伝達され、そこで電力信号を生成するために利用される。
【0022】
なお、図６を参照すると、送信電力変換回路６０２は、入力電力信号VINを受信するためにＤＣ一次電源に接続された入力と、送信素子３０２a及び３０２bに接続された出力とを有する直流／交流（ＤＣ－ＡＣ）変換器として構成される。少なくとも１つの実施例では、送信電力変換回路６０２は、ブリッジ構成で接続された複数のスイッチQ１、Q２、Q３及びQ４を含み、双方向デュアルアクティブブリッジ（bi-directional dual active bridge, DAB）回路の第１ブリッジ６０６を形成する。図６におけるスイッチＱ１乃至Ｑ８で構成される回路を双方向デュアルアクティブブリッジと呼ぶ。スイッチQ１、Q２、Q３及びQ４は、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBTs）、ダイオード、リレー、及びP型又はN型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFETs）を含むが、これらに限定されない、種々のスイッチングデバイスを使用して実装することができる。１つ以上の実施形態では、双方向DAB回路６０６は、インダクタ（LR）と直列に接続されたキャパシタ（Cr1）を含む共振回路６０８も含む。共振回路６０８は、複数のスイッチ（Q１～Q４）間の一対のスイッチ（例えば、Q１及びQ２）と複数の送信素子（例えば、３０６a及び３０６b）間の送信素子（例えば、３０６a）との間に接続することができる。
【0023】
受信電力変換回路６０４は、複数の受信素子３０４a,３０４bによって生成された伝達された電力信号を出力ＤＣ電力信号（VOUT）に変換して、電気負荷を駆動するように構成される。受信電力変換回路６０４は、受信素子３０４a、３０４bに接続され、転送された電力信号を受信する入力と、ＤＣ出力電力信号（VOUT）を負荷に送達するように構成された出力とを有するＡＣ－ＤＣ変換器として構成される。少なくとも１つの実施形態において、受信電力変換回路６０４は、ブリッジ構成で接続された第２の複数のスイッチQ５、Q６、Q７及びQ８を含み、双方向DAB回路の第２のブリッジ６１０を形成する。第２の複数のスイッチQ５、Q６、Q７及びQ８は、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（IGBTs）、ダイオード、リレー、及びP型又はN型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFETs）を含むが、これらに限定されない、種々のスイッチングデバイスを使用して実装することができる。少なくとも１つの実施形態において、第２のDAB回路６１０は、受信素子３０４a及び３０４bと第２の複数のスイッチ（Q５～Q８）の中の一対のスイッチ（例えばQ５とQ６）との間に接続されたキャパシタ（Cr2）を含む。
【0024】
１つ又は複数の実施形態において、電力変換システム６００は、送信電力変換回路６０２及び受信電力変換回路６０４を制御するように構成された１つ又は複数の電子ハードウェアコントローラ６１２をさらに含む。少なくとも１つの実施形態において、コントローラ６１２は、位相シフト信号によって個々の素子３０２a～３０２b及び３０４a～３０４bを駆動することができる。信号の位相シフト角は、ψ=２πNとして定義することができ、ここで、「N」は、コントローラ６１２によって制御される送信素子３０２n及び／又は受信素子３０４nの数である。また、コントローラ６１２は、送信素子３０２a、３０２b及び／又は受信素子３０４a、３０４bの位相を能動的に調整することができ、それにより送信電力変換回路６０２及び受信電力変換回路６０４が、スイッチQ１～Q４及びQ５～Q８を駆動するために使用されるクロックスイッチング周波数に対して同じ位相で動作する。
【0025】
コントローラ６１２はまた、フィードバック送信データリンク６１４を介して、送信電力変換回路６０２に関するフィードバック情報を得ることができる。フィードバック情報は、スイッチQ１～Q４のスイッチング周波数、入力電力（VIN）、送信電力変換回路６０２によって生成された出力電流、及び送信素子３０２a及び３０２bに送達された変換電力信号を含むことができるが、これらに限定されない。フィードバックデータ６１４に基づいて、コントローラ６１２は、スイッチQ１～Q４のうちの１つ以上を駆動するための１つ以上の制御信号６１６を生成することができる。少なくとも１つの実施形態において、制御信号６１６は、スイッチQ１～Q４のスイッチング時間を能動的に調整する位相シフト変調信号であり得る。
【0026】
同様に、コントローラ６１２は、フィードバック受信データリンク６１８を介して、受信電力変換回路６０４に関するフィードバック情報を得ることができる。このフィードバック情報は、スイッチQ５-Q８のスイッチング周波数、出力電力（VOUT）、受信電力変換回路６０４によって生成された出力電流、及び受信素子３０４a及び３０４bによって生成された伝達電力信号を含むことができるが、これらに限定されない。フィードバックデータ６１８に基づいて、コントローラ６１２は、１つ以上のスイッチQ５-Q８を駆動するための１つ以上の制御信号６２０を生成することができる。少なくとも１つの実施形態において、制御信号６２０は、スイッチQ５-Q８のスイッチング時間を能動的に調整する位相シフト変調信号であり得る。
【0027】
次に、図７Ａ及び７Ｂを参照すると、マルチセル誘導無線電力伝達システムを実施する電力充電システム７００が、非限定的な実施形態に従って示されている。電力充電システム７００は、車両７０４にエネルギーを伝達するように構成された充電ステーション７０２を含む。このようにして、充電ステーション７０２から独立してかつ分離して移動する車両７０４は、動作電力を維持するために充電することができる。車両７０４は、有人車両又は無人車両（ＵＶ）を含むことができる。ＵＶは、非限定的に、無人航空機、無人水中機（ＵＵＶ）、又はその他のタイプのＵＶ又はドローンを含むことができる。任意の構成において、車両は、電力充電システム７００によって生成された出力電力を受け取ることに応答して充電される（すなわち、通電される）再充電可能バッテリ（例えば、電気負荷）を含む。
【0028】
充電ステーション７０２は、複数の送信素子３０２と、電子ハードウェア送信コントローラ７０６とを含む。各送信素子３０２は、１つ以上の送信巻線３０６a、３０６b、及び１つ以上の送信磁心３０８を含む。図示されていないが、充電ステーション７０２は、本明細書（図６参照）に記載されているように、電力変換システム又は電力変換システムの一部、例えば送信電力変換回路を含むことができる。従って、送信コントローラ７０６は、充電ステーション７０２に設置された送信電力変換回路のスイッチQ１～Q４を駆動するために使用されるクロックスイッチング周波数の位相を設定することができる。したがって、充電ステーション７０２は、送信素子に含まれる（例えば、送信電力変換回路に含まれる）少なくとも１つの送信磁心に隣接して配置された１つ以上の送信巻線に通電することに応答して、磁場を生成することができる。
【0029】
充電ステーション７０２はさらに、車両７０４を受け入れるように構成されたドック（dock）７０８を含む。少なくとも１つの実施例では、ドック７０８は、車両７０４を受け入れる大きさのキャビティ７０８として構成される。このようにして、車両７０８はキャビティ内へと移動するように操縦され、それによって充電ステーション７０２（図７Ｂ参照）にドッキングされる（例えば機械的に結合される）。ドッキングされると、車両７０４は、充電ステーション７０２から無線で伝達される受電に応答して再充電され得る。ドック７０８は、充電ステーション７０２内に形成されたキャビティとして説明されるが、本発明の範囲から逸脱することなく無線電力伝達を容易にするために、充電ステーション７０２に近接して車両７０４を機械的に結合することができる他の設計も理解されるべきである。
【0030】
車両７０４は、複数の受信素子３０４及び受信コントローラ７１０を含む。各受信素子３０４は、１つ以上の受信巻線３１０a,３１０b及び１つ以上の磁心３１２を含む。図示されていないが、車両７０４は、本明細書（図６参照）に記載されているように、電力変換システム又はその一部、例えば、受信電力変換回路を含むことができる。受信電力変換器回路は、車両７０４に搭載された再充電可能バッテリに電気的に接続することができる。したがって、受信コントローラ７１０は、車両７０４に設置された受信電力変換回路のスイッチQ５～Q８を駆動するために使用されるクロックスイッチング周波数の位相を設定することができる。次いで、受信電力変換器回路によって生成された出力電力は、バッテリに送達されることにより、バッテリが再充電される。
【0031】
送信素子３０２及び受信素子３０４は、それぞれ、２つの巻線３０６a～３０６b及び３１０a～３１０bを含むように示されているが、各素子３０２及び３０４には、より多くの巻線を含めることができることが理解されるべきである。図８を参照すると、例えば、送信素子３０２及び受信素子３０４は、それぞれ、３つの巻線３０６a～３０６c及び３１０a～３１０cを含むことができる。これらの追加の巻線は、システム７００全体の冗長性を提供し、耐故障性を改善することができる。
【0032】
好ましいシナリオでは、車両７０４は、受信素子３０４が送信素子３０２と整列し、受信素子３０４（すなわち、受信コイル３１０）の位相が送信素子３０２（すなわち、送信コイル３０６）の位相と整合するように、充電ステーション７０２にドッキングする。しかしながら、機械的整列が電気信号と一致しないシナリオにおいては、所定の受信フェーズ（RCVN）が割り当てられた１つ以上の受信素子３０４が、所定の送信フェーズ（XMTN-L）が割り当てられたそれぞれの送信素子３０２と整合され得る。図９Ａに示されるように、第１送信素子３０２aは第１位相（例えば、位相１）に設定され、一方、近接する第１受信素子３０４aは、最初は異なる位相（例えば、位相５）に設定される。同様に、第２送信素子３０２bは、第２位相（例えば、位相５）に設定され、一方、近接する第２受信素子３０４bは、最初異なる位相（例えば、位相１）に設定される。
【0033】
図９Ｂを参照すると、送信コントローラ７０６及び受信コントローラ７１０は、各受信素子３０４の位相を決定するために互いに通信し、所与の受信素子３０４nの位相（RCVN）が所与の送信素子３０２nの位相（XMTN）と整合するかどうかを決定することができる。１つ以上の受信素子（例えば、３０４a及び３０４b）の位相が、それぞれの送信素子（例えば、３０２a及び３０２b）の位相と一致しない場合、送信コントローラ７０６及び／又は受信コントローラ７１０は、セルの位相を調整することができる。このようにして、素子３０２及び／又は３０４の位相は、図９Ｂに示すように、互いに位相一致（すなわち、整合位相）に達するように、能動的に調整することができる。例えば、受信素子３０４aは、送信素子３０２aの位相と一致するように、位相５から位相１に再構成することができる。同様に、受信素子３０４bは、送信素子３０２bの位相と一致するように、位相１から位相５に再構成することができる。したがって、出力電力品質及び充電効率は、送信素子及び受信素子の位相が不整合であるシステムと比較して、最適化又は改善することができる。
【0034】
送信コントローラ７０６及び受信コントローラ７１０はまた、充電システム７００が位相を失うか（例えば、コイルが故障か）どうかを判定するためにも、互いに通信することができる。図１０Ａは、例えば、５相システムに含まれる１つの位相の損失（例えば、故障したコイル）後の、マルチセル誘導無線電力伝達システムによって生成される出力電力を示す。位相結果の損失は、全出力電力信号の不平衡位相を生じ、これは、より低い周波数リップル（ripple）を生じ、構成要素内の応力を増加させ、電力伝達効率を低下させる。また、リップルの増加は、システムが電力品質要件及び定格を満たすことを妨げる可能性がある。
【0035】
位相が失われている（例えば、コイルが故障している）と判定された場合、送信コントローラ７０６及び受信コントローラ７１０は、失われた位相（すなわち、故障したコイル）を識別し、残りの位相を新しい同期周波数に再割り当てして、全出力電力信号の位相バランスを回復することができる。このようにして、位相バランスは、より低い位相で復元され、これは、図１０Ｂに示されるような従前のリップルを低減する。送信コントローラ７０６及び受信コントローラ７１０はまた、識別された故障セル又はコイルを置き換える冗長セル又はコイルを起動することができる。
【0036】
本明細書に記載されるように、種々の非限定的な実施形態は、漏洩磁場の量を減少させながら、送信素子と受信素子との間の電力変動を低減することが可能なマルチセル誘導無線電力伝達システムを提供する。マルチセル誘導無線電力伝達システムは、送受信素子を駆動するために使用されるスイッチの位相及びスイッチング周波数を能動的に調整することができる電力変換システムで実現することができる。このようにして、単一セル電力伝達システムと比較して、改善されたエネルギー伝達効率を有する誘導無線電力伝達システムが提供される。
【0037】
特許請求の範囲にある対応する構造、材料、行為及び全ての機能手段又は機能ステップは、特許請求の範囲に規定された他の構成要件と組み合わせて、任意の構造、材料又は機能達成行為を含むものである。本明細書の説明は、例示及び説明の目的で提示されてきたが、開示された形態の本発明を網羅したり又は限定することを意図したものではない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者には多くの修正及び変形が明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の用途を最もよく説明し、当業者が、意図される特定の用途に適した種々の修正を施した種々の実施形態について本発明を理解することを可能にするために選択され、説明された。
【0038】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、当業者は、現在及び将来とも、以下の特許請求の範囲の範囲内にある種々の改善及び強化を行うことができることが理解されるであろう。これらのクレームは、最初に記載された発明に対する適切な保護を維持すると解釈されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】