CN102725940A - 非接触供电***以及非接触供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供不需要进行与天线间距离对应的供电侧的交流电力的频率控制，就能够维持较高的供电效率的非接触供电***以及非接触供电装置。非接触供电***具备受电侧天线、供电侧天线、交流电力驱动器、匹配电路和控制电路。受电侧天线被安装于设备，通过电磁耦合接受电力。供电侧天线通过电磁耦合对受电侧天线供电。交流电力驱动器将从电源接受的电力转换为能够从供电侧天线向受电侧天线供电的交流电力。匹配电路被设置在交流电力驱动器和供电侧天线之间，能够调整传输线路的阻抗。控制交流电力驱动器以及匹配电路的控制电路在将交流电力驱动器控制为使得交流电力的频率成为供电侧天线的谐振频率的状态下，控制匹配电路进行阻抗匹配。

Description

非接触供电***以及非接触供电装置

技术领域

本申请涉及以非接触的方式向设备供电的技术。

背景技术

近些年，作为汽车车辆的新的行驶驱动技术，将电能作为动力源，利用电动机产生驱动力的电动汽车、利用内燃机和电动机的补充产生驱动力的所谓的混合动力汽车被不断开发，且正被实用化。

利用安装于车辆的蓄电装置将电能蓄积在车辆内。一般情况下，蓄电装置使用镍氢电池、锂电池等可再充电的二次电池，利用来自于车辆外部的电源的供电进行对二次电池的充电。作为供电的方法，除了利用电缆连接车辆外部的电源和包含二次电池的蓄电装置间的情况之外，以非接触状态供电的方法也受到关注。

公开有一种为了从车辆外部的电源以非接触状态对电动车辆供给充电电力，而具备高频电力驱动器、一次线圈和一次自谐振线圈的车辆用供电装置。利用高频电力驱动器将来自电源的电力转换为高频电力，通过一次线圈供给至一次自谐振线圈。一次自谐振线圈与车辆中的二次自谐振线圈之间磁耦合，以非接触状态向车辆供给电力（专利文献1）。

另外，作为相关技术，公开有专利文献2、非专利文献1。

专利文献1：日本特开2009－106136号公报

专利文献2：日本特表2009－501510号公报

非专利文献1：Aristeidis Karalis，其他2人，“Efficient wirelessnon-radiative mid-range energy transfer”，[online]，2007年4月27日，Annals of Physics 323（2008）p.34-48，[2009年11月20日检索]，网络＜URL:www.sciencedirect.com＞

然而，背景技术仅例示了用于利用天线以非接触状态进行供电的电路构成。在使天线以非接触状态对置来进行供电的情况下，通过使供电侧的交流电力的频率与谐振频率一致，能够最高效地进行供电，但谐振频率伴随着互感随天线间距离变化而变化。因此，若天线间距离根据供电装置和车辆的位置关系而变动，则因谐振频率的变化，导致供电侧的交流电力的频率从谐振频率偏离，存在不能够进行有效供电的问题。

另外，以往针对该问题也提出了根据随天线间距离变化的谐振频率来控制供电侧的交流电力的频率。然而，存在谐振频率处于供电侧电路的能够动作的频率范围外的情况下不能够调整，在处于电路动作范围内的情况下也需要复杂的控制的问题，所以不优选。

发明内容

本申请的目的在于提供不需要与天线间距离对应的供电侧的交流电力的频率控制，而能够维持较高的供电效率的非接触供电***以及非接触供电装置。

本申请公开的非接触供电***是以非接触状态对将电能作为动力源利用的设备进行供电的***，具备受电侧天线、供电侧天线、交流电力驱动器、匹配电路和控制电路。受电侧天线被安装于设备，通过电磁耦合接受电力。供电侧天线通过电磁耦合对受电侧天线供电。交流电力驱动器将从电源接受的电力转换为能够从供电侧天线向受电侧天线供电的交流电力。匹配电路被设置在交流电力驱动器和供电侧天线之间，能够调整传输线路的阻抗。控制交流电力驱动器以及匹配电路的控制电路在将交流电力驱动器控制为使得交流电力的频率成为供电侧天线的谐振频率或受电侧天线的谐振频率的状态下，控制匹配电路进行阻抗匹配。

另外，本申请公开的非接触供电装置是以非接触状态对将电能作为动力源进行利用的设备进行供电的供电装置，具备供电侧天线、交流电力驱动器、匹配电路和控制电路。供电侧天线通过电磁耦合对安装于设备的受电侧天线供电。交流电力驱动器将从电源接受的电力转换为能够从供电侧天线向受电侧天线供电的交流电力。匹配电路被设置在交流电力驱动器和供电侧天线之间，能够调整传输线路的阻抗。控制交流电力驱动器以及匹配电路的控制电路在将交流电力驱动器控制为使得交流电力的频率成为供电侧天线的谐振频率或受电侧天线的谐振频率的状态下，控制匹配电路进行阻抗匹配。

根据本申请公开的非接触供电***、非接触供电装置，使交流电力驱动器的交流电力的频率与供电侧天线的谐振频率或受电侧天线的谐振频率一致。而且，利用匹配电路进行阻抗匹配。通过供电侧天线的谐振频率或受电侧天线的谐振频率下的阻抗匹配的实施，不需要进行与天线间距离对应的供电侧的交流电力的频率控制，就能够维持较高的供电效率。

附图说明

图1是表示非接触供电***的图。

图2是表示供电动作中的谐振频率的图。

图3是供电装置的电路框图。

图4是受电装置的电路框图。

图5是表示匹配电路的具体例的电路框图。

图6是阻抗匹配处理的流程图。

图7是表示匹配电路的变形例的电路框图。

具体实施方式

图1是将非接触供电***应用于对电动汽车或混合动力汽车进行供电的情况下的***构成图。车辆2是电动汽车或混合动力汽车。表示车辆2入库于供电区域1的状态。在供电区域1埋设有供电装置10，与安装于车辆2的受电装置20之间进行非接触供电。

在非接触供电中，供电装置10的供电侧天线11和受电装置20的受电侧天线21谐振，通过电磁耦合进行电力的供给。沿供电区域1的地表面配置供电侧天线11的进行电磁耦合的耦合面11A。沿车辆2的下表面配置受电侧天线21的进行电磁耦合的耦合面21A。供电侧天线11被包含供给交流电力的交流电力驱动器的供电部12驱动。供电部12被控制电路13控制。另外，通过受电侧天线21接受的交流电力被受电部22整流而蓄积至蓄电池等。受电部22被控制电路23控制。

接下来，对非接触供电中的天线间距离和谐振频率的一般关系进行说明。图2表示包含供电侧天线11以及受电侧天线21的***的谐振频率的特性。横轴是供电侧天线11和受电侧天线21的间隔距离（D），纵轴是谐振频率（f）。间隔距离（D）为D＝D0以上的区域是忽视与受电侧天线21的电磁耦合的影响的区域。***不包含受电侧天线21，以供电侧天线11所具有的固有的谐振频率（f＝f0）谐振。在间隔距离（D）为D＝D0以下的区域，***成为供电侧天线11和受电侧天线21电磁耦合的状态。是受到伴随电磁耦合的互感的影响的区域。在该区域，谐振频率随间隔距离（D）而变化。隔着供电侧天线11的固有的谐振频率（f＝f0）存在2个谐振点，随着间隔距离（D）变短，2个谐振点远离。另外，以该区域的谐振频率能够得到较高的供电效率。

图3是供电装置10的电路框图。供电装置10具备控制电路13、振荡器14、驱动电路12A、匹配电路12B、SWR（Standing Wave Ratio：驻波比，以下简记为SWR）计12C以及供电侧天线11。并且，在供电区域1具备区域内检测传感器15。

将从振荡器14输出的时钟信号输入至控制电路13，用于控制电路13内的动作时钟以及驱动电路12A的交流电力的供给等的周期控制。

控制电路13以从振荡器14、SWR计12C以及区域内检测传感器15接收的信号为基础，控制驱动电路12A、匹配电路12B。

驱动电路12A包含由变频器等构成的交流电力驱动器，通过匹配电路12B以及SWR计12C向供电侧天线11供给交流电力。控制电路13对该交流电力进行周期控制。

匹配电路12B为了将从驱动电路12A供给的交流电力高效地供给至供电侧天线11，根据来自控制电路13的控制，取得供电侧天线11和驱动电路12A的阻抗匹配。

SWR计12C对从驱动电路12A向供电侧天线11发送出的交流电力的驻波比进行计测，向控制电路13发送计测结果。检测交流电力的传播有无引起反射波。

供电侧天线11是具有电感成分和电容成分的LC谐振线圈，与后述的受电装置20的受电侧天线21之间进行磁耦合，向受电侧天线21供给电力。此外，能够利用线圈和电容器的组合构成LC谐振线圈。另外，若考虑线圈的导线间的杂散电容，进行使线圈本身具有杂散电容的设计，则也能够仅以线圈构成LC谐振线圈。

区域内检测传感器15检测车辆2是否进入供电区域1，将其结果发送至控制电路13。

图4是受电装置20的电路框图。受电装置20具备控制电路23、振荡器24、受电侧天线21、受电检测电路22A、切换电路22B、匹配电路22C、整流平滑电路22D以及充电电路22E。

将从振荡器24输出的时钟信号输入至控制电路23，用作为控制电路23内的动作时钟。

控制电路23以从振荡器24以及受电检测电路22A接收的信号为基础，控制切换电路22B以及充电电路22E。

受电检测电路22A例如具备电流传感器，对流过受电侧天线21的电流进行检测。对来自供电装置10的交流电力的供给是否正在进行进行检测。

切换电路22B根据从控制电路23接收的信号，对是使受电侧天线21为闭环状态、还是使受电侧天线21与充电电路22E连接、还是使受电侧天线21为开环状态进行切换。

匹配电路22C取得从受电侧天线21至整流平滑电路22D的***的阻抗匹配，使得受电侧天线21所接受的交流电力不反射而通过整流平滑电路22D向充电电路22E供给。

整流平滑电路22D将从受电侧天线21供给的交流电力转换并平滑化为直流电力，供给至充电电路22E。

充电电路22E是将从整流平滑电路22D供给的电力充电至蓄电池等蓄电装置（未图示）的电路。这里，蓄电装置例如由锂电池或镍氢电池等二次电池、大容量的电容器构成。充电电路22E被控制电路23控制，进行充电控制。

受电侧天线21是具有电感成分和电容成分的LC谐振线圈，与供电侧天线11之间进行磁耦合，通过供电侧天线11接受交流电力。

图5是表示供电装置10的匹配电路12B的具体例的电路框图，也一起表示驱动电路12A的具体的构成例。驱动电路12A例如包含AC－DC转换器12A1、变频器12A2。AC－DC转换器12A1具备桥式二极管、电容器，对从交流电源16接受的电力进行整流。变频器12A2是包含晶体管的全桥电路。根据控制电路13（参照图3）输出的控制信号，各晶体管进行开关动作。由此，变频器12A2将被AC－DC转换器12A1整流的电力转换为具有所希望的频率的交流电力。

匹配电路12B具备电容器C1～C4、线圈L1～L4、开关SW1～SW8。相互并联连接的各电容器C1～C4被串联***至传输线路。相互并联连接的各线圈L1～L4被***至传输线路之间。开关SW1～SW8与电容器C1～C4以及线圈L1～L4的每一个对应设置，对各电容器以及线圈是否与传输线路连接进行切换。由此，控制电路13（参照图3）能够对各开关的接通与断开进行切换，来调整匹配电路12B的电感以及电容的值。

在供电侧天线11和受电侧天线21相互电磁耦合的状态下，2个天线的间隔距离（D）根据供电装置10和车辆2的位置关系而变动。如利用图2进行说明的那样，若间隔距离（D）变动，则互感变化从而谐振频率变化。其结果，从电源部看负载侧的阻抗变化。即，从包含供给交流电力的交流电力驱动器的驱动电路12A看向与作为负载的蓄电装置连接的受电侧天线21供电的供电侧天线11的阻抗变化。若对此不实施任何补偿，则在间隔距离（D）从最佳距离偏离的情况下，供电效率急剧下降。因此，本实施方式的非接触供电***进行以下的阻抗匹配处理，补偿阻抗的变化。

图6是被供电装置10的控制电路13控制的、阻抗匹配处理的流程图。控制电路13判断是否开始从供电侧天线11对受电侧天线21的供电（S1）。控制电路13例如基于从区域内检测传感器15发送的检测结果，判断供电的开始。控制电路13待机至开始供电（S1：否），伴随供电的开始，进行以下的阻抗匹配处理（S1：是）。

伴随供电的开始，控制电路13开始变频器12A2的控制（S2）。控制电路13控制变频器12A2，使得交流电力的频率成为供电侧天线11或受电侧天线21所具有的固有的谐振频率（f＝f0＝1／2π（LC）^1/2）。

而且，控制电路13一边切换匹配电路12B的开关SW1～SW8的接通与断开，一边利用SWR计12C测量驻波比（S3）。控制电路13在各开关的接通与断开的组合，即匹配电路12B的各电容器以及线圈的组合中，搜索来自供电侧天线11的反射为最小的组合。

而且，控制电路13采用匹配电路12B的各电容器以及线圈的组合中，反射为最小的组合（S4）。控制电路13以反射为最小的组合对匹配电路12B的各开关进行接通断开控制，结束阻抗匹配处理。

如以上详细说明的那样，根据本实施方式，控制电路13控制变频器12A2，使交流电力的频率与供电侧天线11或受电侧天线21的谐振频率一致。而且，控制电路13在来自供电侧天线11的反射为最小这样的条件下，控制匹配电路12B。由此，能够根据互感的变化调整传输线路的阻抗，从而补偿阻抗的变化。这样，通过实施供电侧天线11的谐振频率或受电侧天线21的谐振频率中的阻抗匹配，不需要进行与天线的间隔距离（D）对应的供电侧的交流电力的频率控制，就能够维持较高的供电效率。因此，能够防止因供电侧和受电侧的相对位置而不能够充电的状况，能够使非接触供电***的使用的便利性提高。即便与以往那样，根据随天线间距离变化的谐振频率来追随控制供电侧的交流电力的频率的方式、和频率追随控制配合地进行阻抗匹配的方式比较，也能够得到较高的传送效率，特别是在近距离传送下能够得到较好的效果。

而且，当然本发明并不局限于上述实施方式，能够进行不脱离本发明的主旨范围内的各种改进、变更。

例如，驱动电路12A是包含交流电力驱动器而构成的电路的一个例子，但并不局限于图5所示的构成。也可以除了AC－DC转换器12A1、变频器12A2之外，具备放大器等构成驱动电路12A。

另外，对于供电侧天线11的谐振频率，可以在设计时作为初始值来决定，也可以在供电装置10中进行计测。

另外，图5例示了匹配电路12B具备电容器C1～C4、线圈L1～L4、开关SW1～SW8的情况，但各元件的个数并不局限于此。另外，若为能够调整电感以及电容值的构成，则也可以是其他的电路构成。图7示出匹配电路12B－2作为匹配电路12B的变形例。匹配电路12B－2具备可变电容器C5、可变线圈L5。可变电容器C5能够基于来自控制电路13（参照图3）的控制信号变更电容值，被串联***至传输线路。可变线圈L5能够基于来自控制电路13的控制信号变更电感值，被***至传输线路间。由此，控制电路13能够切换可变线圈L5的电感值以及可变电容器C5的电容值，来调整匹配电路12B－2的电感以及电容值。该情况下，控制电路13在阻抗匹配处理的S3中，一边利用步进控制分阶段切换可变线圈L5的电感值、可变电容器C5的电容值，一边利用SWR计12C计测驻波比即可。

另外，在上述实施方式中，说明了对车辆2进行非接触供电的情况。但本发明并不局限于车辆，能够应用于以电能为动力源进行利用的设备，例如，移动电话、数码相机、笔记本这类的便携式设备，以及电视、音频***这类的放置型的设备，机械手等工业设备，医疗设备等。并且，也能够不使用蓄电装置，而仅以非接触供电来运转。

符号说明

1…供电区域；2…车辆；10…供电装置；11…供电侧天线；11A，21A…耦合面；12…供电部；12A…驱动电路；12B…匹配电路；12C…SWR计；13，23…控制电路；14，24…振荡器；15…区域内检测传感器；20…受电装置；21…受电侧天线；22…受电部；22A…受电检测电路；22B…切换电路；22C…匹配电路；22D…整流平滑电路；22E…充电电路；C1～C4…电容器；C5…可变电容器；L1～L4…线圈；L5…可变线圈；SW1～SW8…开关。

Claims (5)

1.一种非接触供电***，以非接触状态对将电能作为动力源进行利用的设备进行供电，其特征在于，具备：

受电侧天线，其被安装于所述设备，通过电磁耦合接受电力；

供电侧天线，其通过所述电磁耦合对所述受电侧天线进行供电；

交流电力驱动器，其将从电源接受的电力转换为能够从所述供电侧天线向所述受电侧天线供电的交流电力；

匹配电路，其被设置在所述交流电力驱动器和所述供电侧天线之间，能够调整传输线路的阻抗；和

控制电路，其控制所述交流电力驱动器以及所述匹配电路，

所述控制电路在将所述交流电力驱动器控制为使得所述交流电力的频率成为所述供电侧天线的谐振频率或所述受电侧天线的谐振频率的状态下，控制所述匹配电路来进行阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的非接触供电***，其特征在于，

所述匹配电路具备线圈、电容器、以及能够对是否将所述线圈和所述电容器各自与所述传输线路连接进行切换的开关，

所述控制电路通过切换所述开关的接通与断开来调整所述匹配电路的电感以及电容的值，从而进行阻抗匹配。

3.根据权利要求2所述的非接触供电***，其特征在于，

该非接触供电***还具备计测所述传输线路的驻波比的SWR计，

所述控制电路基于所述SWR计的计测结果，在所述开关的接通与断开的组合中搜索来自所述供电侧天线的反射为最小的组合，并以所述反射为最小的组合控制所述匹配电路，由此进行阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的非接触供电***，其特征在于，

所述匹配电路具备：

能够变更电感值的可变线圈；和

能够变更电容值的可变电容器，

所述控制电路通过切换所述可变线圈的电感值以及所述可变电容器的电容值，来调整所述匹配电路的电感以及电容的值，从而进行阻抗匹配。

5.一种非接触供电装置，以非接触状态对将电能作为动力源进行利用的设备进行供电，其特征在于，具备：

供电侧天线，其通过电磁耦合对被安装于所述设备的受电侧天线进行供电；

交流电力驱动器，其将从电源接受的电力转换为能够从所述供电侧天线向所述受电侧天线供电的交流电力；

匹配电路，其被设置在所述交流电力驱动器和所述供电侧天线之间，能够调整传输线路的阻抗；和

控制电路，其控制所述交流电力驱动器以及所述匹配电路，

所述控制电路在将所述交流电力驱动器控制为使得所述交流电力的频率成为所述供电侧天线的谐振频率或所述受电侧天线的谐振频率的状态下，控制所述匹配电路来进行阻抗匹配。

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