CN102593959A - 非接触式电力传输设备及用于其的电力传输方法 - Google Patents

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胜永浩史
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Abstract

本发明涉及非接触式电力传输设备及用于其的电力传输方法。初级线圈、初级谐振线圈、次级谐振线圈、次级线圈和负载形成谐振***。频率匹配部分构造为当负载波动时使谐振***的谐振频率与高频电源的输出频率相互匹配。阻抗匹配部分构造为使处于谐振频率下的从初级线圈的输入端子至负载的阻抗与从高频电源至初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。

Description

非接触式电力传输设备及用于其的电力传输方法
技术领域
本公开涉及一种非接触式电力传输设备。
背景技术
在日本专利特开2010-141976号公报中公开的非接触式电力传输设备检测谐振***的状态，并基于检测结果调整可变阻抗电路的阻抗。谐振***包括初级线圈、初级谐振线圈、次级谐振线圈、次级线圈和负载。高频电源向初级线圈供给电力。阻抗调整为使得处于谐振***的谐振频率下的谐振***的输入阻抗与相对于初级线圈更靠近高频电源的部分的阻抗相互匹配。
如果负载变化，则阻抗匹配的状态改变，并且谐振***的谐振频率也改变。因此，例如，即使在固定高频电源的输出频率的同时执行阻抗匹配，也未获得电力传输的最大效率。
因此，本公开的目的是提供一种非接触式电力传输设备，即使负载波动，该非接触式电力传输设备仍有效地将来自高频电源的电力供给至负载。
发明内容
根据本公开，一种非接触式电力传输设备，包括：高频电源；初级线圈，所述初级线圈具有用于从所述高频电源接收电力的输入端子；初级谐振线圈，所述初级谐振线圈用于通过电磁感应而从所述初级线圈接收电力；次级谐振线圈，所述次级谐振线圈用于通过磁场谐振而从所述初级谐振线圈接收电力；次级线圈，所述次级线圈用于通过电磁感应而提取由所述次级谐振线圈接收的电力；以及负载，由所述次级线圈接收的电力被供给至所述负载。所述初级线圈、所述初级谐振线圈、所述次级谐振线圈、所述次级线圈和所述负载形成谐振***。所述非接触式电力传输设备还包括频率匹配部分以及阻抗匹配部分。所述频率匹配部分形成为当所述负载波动时使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配。所述阻抗匹配部分形成为：在所述频率匹配部分使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配的状态下，使处于所述谐振频率下的从所述初级线圈的输入端子至所述负载的阻抗与从所述高频电源至所述初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。
根据上述结构，当负载波动时，频率匹配部分使谐振***的谐振频率与高频电源的输出频率相互匹配。在谐振***的谐振频率与高频电源的输出频率相互匹配的状态下，阻抗匹配部分使处于谐振***的谐振频率下的从初级线圈的输入端子至负载的阻抗与从高频电源至初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。
因此，即使当负载波动时，非接触式电力传输设备仍有效地从高频电源向负载供给电力。
词语“从初级线圈的输入端子至负载的阻抗”指在初级线圈的两端处测量的整个谐振***的阻抗。句子“从初级线圈的输入端子至负载的阻抗与从高频电源至初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配”不仅指两个阻抗完全匹配的情况，而且还包括例如非接触式电力传输设备的电力传输效率为80％或更大的情况，并且也包括向AC电源的反射电力为5％或更小的情况。此外，还包括这样的情况，即：存在处于实现期望性能的范围内的差异。句子“从初级线圈的输入端子至负载的阻抗与从高频电源至初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配”指例如阻抗之间的差异在±10％内，更优选地在±5％内。词语“谐振***的谐振频率”指电力传输效率最大的频率。
根据一个方面，所述频率匹配部分可以构造为使所述高频电源的输出频率与所述谐振***的谐振频率匹配。
根据一个方面，所述频率匹配部分可以构造为使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率匹配。
所述非接触式电力传输设备可以进一步包括阻抗测量装备，所述阻抗测量装备形成为检测所述负载的波动。
在此情况下，非接触式电力传输设备通过阻抗测量设备检测负载的波动。
根据本公开的另一方面，提供了一种在谐振***中的非接触式电力传输方法。所述谐振***包括：初级线圈，所述初级线圈具有用于从高频电源接收电力的输入端子；初级谐振线圈，所述初级谐振线圈用于通过电磁感应从所述初级线圈接收电力；次级谐振线圈，所述次级谐振线圈用于通过磁场谐振从所述初级谐振线圈接收电力；次级线圈，所述次级线圈用于通过电磁感应提取由所述次级谐振线圈接收的电力；以及负载，由所述次级线圈接收的电力被供给至所述负载。所述非接触式电力传输方法包括：当所述负载波动时使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配；以及在所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配的状态下，使处于所述谐振频率下的从所述初级线圈的输入端子至所述负载的阻抗与从所述高频电源至所述初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。
根据以下结合附图给出的描述，本发明的其它方面和优点将变得显而易见，所述附图以示例方式示出本发明的原理。
附图说明
被认为是新颖的本发明的特征在所附权利要求中具体阐述。参照当前优选实施方式的以下描述以及附图可以最佳地理解本发明及其目的和优点，在所述附图中：
图1是图示了根据第一实施方式的非接触式电力传输设备的结构的示意图；
图2是用于说明图1所示非接触式电力传输设备的操作的时序图；
图3是示出了根据比较示例的非接触式电力传输设备的负载电阻与电力传输效率之间的关系的说明性示图；
图4是示出了根据图1所示的非接触式电力传输设备的负载电阻与电力传输效率之间的关系的说明性示图；
图5是图示了根据第二实施方式的非接触式电力传输设备的结构的示意图；以及
图6是用于说明图5所示非接触式电力传输设备的操作的时序图。
具体实施方式
现在将参照图1至图4描述本公开的第一实施方式。
如图1中示出的，非接触式电力传输设备10包括高频电源11、连接至高频电源11的初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14、次级线圈15、连接至次级线圈15的负载16和可变阻抗电路17。可变阻抗电路17位于高频电源11与初级线圈12之间。电容器18并联连接至初级谐振线圈13。电容器19并联连接至次级谐振线圈14。
初级线圈12、初级谐振线圈13和电容器18形成初级谐振器。次级谐振线圈14、次级线圈15和电容器19形成次级谐振器。初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14、次级线圈15、负载16和电容器18、19形成谐振***20。
高频电源11是输出高频电压的电源，在第一实施方式中该高频电压为交流(AC)电压。从高频电源11输出的交流电的频率是可变的。
初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14和次级线圈15各自由电线形成。形成线圈的电线是例如乙烯基绝缘线。每个线圈的卷绕直径和卷绕数目根据视需要将被传输的电力的级别设定。在第一实施方式中，初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14和次级线圈15具有相同的卷绕直径。初级谐振线圈13和次级谐振线圈14彼此相同。电容器18、19彼此相同。初级线圈12包括用于经由可变阻抗电路17接收来自高频电源11的电力的输入端子12a和12b。
在第一实施方式中是可变阻抗电路17的可变匹配电路包括两个可变电容器21、22、和电感器23。可变电容器21并联连接至高频电源11。可变电容器22并联连接至初级线圈12。电感器23连接在可变电容器21、22之间。当分别改变可变电容器21、22的电容时，改变可变阻抗电路17的阻抗。可变阻抗电路17改变相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗。词语“相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗”指“从高频电源11至初级线圈12的输入端子12a和12b的阻抗”。即，可变阻抗电路17改变从高频电源11至初级线圈12的输入端子12a和12b的阻抗。
阻抗测量装备25连接至高频电源11的输出线。控制器24连接至阻抗测量装备25。阻抗测量装备25用作用于检测谐振***20的谐振频率的谐振频率检测部分，并且还用作匹配状态检测部分。
非接触式电力传输设备10可以应用于利用感应充电来对安装在车辆上的次级电池进行充电的***。次级谐振线圈14、次级线圈15、电容器19和负载16安装在车辆上。在第一实施方式中，负载16用作次级电池。高频电源11、初级线圈12、电容器18、初级谐振线圈13、可变阻抗电路17、阻抗测量装备25和控制器24安装在以非接触方式为次级电池充电的充电器上。充电器设置在地面设施处，该地面设施在第一实施方式中是充电站。
在第一实施方式中，控制器24形成频率匹配部分。可变阻抗电路17和控制器24形成阻抗匹配部分。
现在将描述非接触式电力传输设备10的操作。
在车辆停在电力供给位置(充电器)附近的预定位置处的状态下，将电力供给至负载16。
控制器24向可变电容器21、22输出驱动信号以在电力供给期间将可变电容器21、22的电容改变为适当电容。结果，可变电容器21、22的电容改变为适合于负载16的大小的值。
然后，高频电源11以谐振***20的谐振频率向初级线圈12输出高频电力。当初级线圈12接收电力时，通过电磁感应产生磁场。磁场通过初级谐振线圈13和次级谐振线圈14的磁场谐振而增强。次级线圈15使用电磁感应从增强的次级谐振线圈14的附近的磁场提取电力。所提取的电力供给至负载16即次级电池。
以此方式，初级线圈12从高频电源11接收电力。通过电磁感应将来自初级线圈12的电力供给至初级谐振线圈13。次级谐振线圈14通过磁场谐振接收来自初级谐振线圈13的电力。次级线圈15通过电磁感应提取由次级谐振线圈14接收的电力。由次级线圈15接收的电力供给至负载16。
假设负载16的值在图2所示的时间t1从α波动至β。那么在时间t2谐振***20的谐振频率从A[赫兹(Hz)]改变为B[赫兹]。在第一实施方式中，α大于β(α＞β)，而A大于B(A＞B)。
阻抗测量装备25检测谐振***20的谐振频率，并且向控制器24发送检测到的谐振频率。即，控制器24检测到谐振***20的谐振频率已经从A[赫兹]改变为B[赫兹]。
然后，控制器24调整高频电源11的输出频率以与谐振***20的谐振频率匹配。即，在时间t3高频电源11的输出频率从A[赫兹]改变为B[赫兹]。
随后，在图2所示的时间t3至t4期间控制器24通过调整可变阻抗电路17的电容器电容来执行阻抗匹配。更具体地，控制器24在通过从阻抗测量装备25获得检测到的值来检查匹配状态的同时执行阻抗匹配。为了执行阻抗匹配，控制器24调整可变阻抗电路17的电容器电容，使得谐振***20的谐振频率下的谐振***20的输入阻抗与相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗相互匹配。词语“谐振***20的输入阻抗”指“从初级线圈12的输入端子12a和12b至负载16的阻抗”。词语“相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗”指“从高频电源11至初级线圈12的输入端子12a和12b的阻抗”。即，控制器24调整可变阻抗电路17的电容器电容，使得从初级线圈12的输入端子12a和12b至负载16的阻抗与从高频电源11至初级线圈12的输入端子12a和12b的阻抗相互匹配。
结果，减少了向高频电源11的反射电力。来自高频电源11的电力有效地供给至负载16即次级电池。
现在将描述负载波动与电力传输效率之间的关系。
当负载16改变时，“匹配状态”改变，并且“谐振***的谐振频率”也改变。
因此，作为比较示例，如果在高频电源的输出频率固定于任意频率的情况下执行阻抗匹配，则如图3中示出的，无法获得电力传输的最大效率。在图3中，当负载电阻为例如800Ω时，电力传输效率为约60％。因此，未获得最大效率。
相反，第一实施方式在负载16波动时寻找谐振***20的谐振频率。在本实施方式中，改变高频电源的输出频率以与谐振***20的谐振频率匹配。然后，实现阻抗匹配。结果，当负载电阻改变为330Ω或者800Ω时，如图4中示出的，电力传输效率保持于几乎90％。
当将图3的示出了在实现阻抗匹配之前的效率的图线与图4的示出了在实现阻抗匹配之前的效率的图线相比较时，由于在图4的情况下改变了高频电源的输出频率，故而在图4的图线中电力传输效率比图3的图线中的更好。在第一实施方式中，由于在改变高频电源的输出频率之后进一步执行阻抗匹配，故而进一步增加了电力传输效率。
第一实施方式具有如下优点。
(1)当负载16波动时，控制器24使谐振***20的谐振频率与高频电源11的输出频率相互匹配。在谐振***20的谐振频率与高频电源11的输出频率相互匹配的状态下，控制器24和可变阻抗电路17执行阻抗匹配，使得谐振频率下的谐振***20的输入阻抗与相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗相互匹配。因此，在第一实施方式中，无论负载波动如何，电力以最大效率传输。
(2)在第一实施方式中为控制器24的频率匹配部分使高频电源11的输出频率与谐振***20的谐振频率匹配。
(3)阻抗测量装备25检测负载16的波动。
图5和图6示出了本公开的第二实施方式。下面将主要讨论与第一实施方式的差异。
如图5中示出的，可变电容器30并联连接至初级谐振线圈13。可变电容器31并联连接至次级谐振线圈14。控制器24形成为能够调整可变电容器30的电容和可变电容器31的电容。在第二实施方式中，控制器24和可变电容器30、31形成频率匹配部分。
假如在图6中示出的时间t10负载16的值从α波动至β。结果，在图6所示的时间t11谐振***20的谐振频率从A[赫兹]改变为B[赫兹]。
阻抗测量装备25检测谐振***20的谐振频率，并且向控制器24发送检测到的谐振频率。即，控制器24检测到谐振***20的谐振频率已经从A[赫兹]改变为B[赫兹]。
在图6中示出的时间t11至t12期间，控制器24调整可变电容器30、31的电容以与高频电源11的输出频率匹配。以此方式，第二实施方式的控制器24调整谐振***20的谐振频率。即，控制器24调整初级谐振器的固有频率和次级谐振器的固有频率，以调整谐振***20的谐振频率。初级谐振器包括初级线圈12和初级谐振线圈13，而次级谐振器包括次级谐振线圈14和次级线圈15。
控制器24在图6中示出的时间t12至t13期间通过调整可变阻抗电路17的电容器电容执行阻抗匹配。更具体地，在通过从阻抗测量装备25获得检测到的值来检查匹配状态的同时，控制器24执行阻抗匹配。为了执行阻抗匹配，控制器24调整可变阻抗电路17的电容器电容，使得谐振频率下的谐振***20的输入阻抗与相对于初级线圈12更靠近高频电源11的部分的阻抗相互匹配。
结果，减少了向高频电源11的反射电力。来自高频电源11的电力有效地供给至负载16即次级电池。
第二实施方式具有如下优点。
(4)控制器24和可变电容器30、31能够使谐振***20的谐振频率与高频电源11的输出频率匹配。
本发明不局限于图示的实施方式，而是可以进行如下修改。
在第一实施方式中，设置在初级部分中的阻抗测量装备25检测负载16的波动，并且向控制器24提供反馈。替代地，负载波动检测部分26(在图1中由虚线示出)可以设置在次级部分中。例如，通过获得在第一实施方式中为次级电池的负载16的充电状态(SOC)，负载波动检测部分26监测次级电池的充电状态，由此检测负载16的波动。
类似地，在第二实施方式中也可以在次级部分中设置负载波动检测部分32(在图5中由虚线示出)。负载波动检测部分32通过例如获得负载的SOC来监测负载的充电状态，由此检测负载波动。即，在第二实施方式中，同样地，设置在初级部分中的阻抗测量装备25并不必然地检测负载16的波动以及向控制器24提供反馈。
在第一和第二实施方式中，设置在初级部分中的阻抗测量装备25用作用于检测谐振***20的谐振频率的谐振频率检测部分，并且还用作匹配状态检测部分。替代地，谐振***20的谐振频率检测部分和匹配状态检测部分可以由单独的装置构造。例如，谐振***20的谐振频率检测部分可以由阻抗测量装备构造。匹配状态检测部分可以由电压驻波比(VSWR)测量装备构造。
可变阻抗电路17并不必然地包括两个可变电容器21、22和单个电感器23。例如，可以省略可变电容器21、22中的任一个。即，可变阻抗电路17可以由单个可变电容器和单个电感器23构造。此外，可变阻抗电路17可以由固定电容器和可变电感器构造。
初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14和次级线圈15的外部形状不局限于圆形形状。例如，外部形状可以是诸如四边形、六边形和三角形的多边形。替代性地，外部形状可以是椭圆形。
初级谐振线圈13和次级谐振线圈14不局限于电线卷绕为圆筒形形状的形状。例如，电线可以卷绕为平面状。
在第一实施方式中，替代使用电容器18、19的电容，可以使用初级谐振线圈13和次级谐振线圈14的寄生电容。在使用寄生电容的情况下，谐振***20由初级线圈12、初级谐振线圈13、次级谐振线圈14、次级线圈15和负载16构造。
在第一实施方式中，如果初级谐振器的固有频率等于次级谐振器的固有频率，则初级谐振线圈和次级谐振线圈的卷绕直径和卷绕数目无需相同。此外，电容器18、19无需彼此相同。
整流器、匹配电路和DC/DC逆变器中的至少一个可以设置在负载16与次级线圈15之间。如果设置了上述装置中的任一个，则谐振***20包括整理器、匹配电路和DC/DC逆变器。

Claims (5)

1.一种非接触式电力传输设备，包括：
高频电源；
初级线圈，所述初级线圈具有用于从所述高频电源接收电力的输入端子；
初级谐振线圈，所述初级谐振线圈用于通过电磁感应而从所述初级线圈接收电力；
次级谐振线圈，所述次级谐振线圈用于通过磁场谐振而从所述初级谐振线圈接收电力；
次级线圈，所述次级线圈用于通过电磁感应而提取由所述次级谐振线圈接收的电力；以及
负载，由所述次级线圈接收的电力被供给至所述负载，
其中，所述初级线圈、所述初级谐振线圈、所述次级谐振线圈、所述次级线圈和所述负载形成谐振***，
所述非接触式电力传输设备还包括：
频率匹配部分，所述频率匹配部分形成为：当所述负载波动时使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配；以及
阻抗匹配部分，所述阻抗匹配部分形成为：在所述频率匹配部分使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配的状态下，使处于所述谐振频率下的从所述初级线圈的输入端子至所述负载的阻抗与从所述高频电源至所述初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。
2.如权利要求1所述的非接触式电力传输设备，其中，所述频率匹配部分使所述高频电源的输出频率与所述谐振***的谐振频率匹配。
3.如权利要求1所述的非接触式电力传输设备，其中，所述频率匹配部分使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率匹配。
4.如权利要求1所述的非接触式电力传输设备，还包括阻抗测量装备，所述阻抗测量装备形成为检测负载的波动。
5.一种在谐振***中的非接触式电力传输方法，其中，所述谐振***包括：初级线圈，所述初级线圈具有用于从高频电源接收电力的输入端子；初级谐振线圈，所述初级谐振线圈用于通过电磁感应从所述初级线圈接收电力；次级谐振线圈，所述次级谐振线圈用于通过磁场谐振从所述初级谐振线圈接收电力；次级线圈，所述次级线圈用于通过电磁感应提取由所述次级谐振线圈接收的电力；以及负载，由所述次级线圈接收的电力被供给至所述负载，
所述非接触式电力传输方法包括：
当所述负载波动时使所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配；以及
在所述谐振***的谐振频率与所述高频电源的输出频率相互匹配的状态下，使处于所述谐振频率下的从所述初级线圈的输入端子至所述负载的阻抗与从所述高频电源至所述初级线圈的输入端子的阻抗相互匹配。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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