TWI470895B - 非接觸式供電系統 - Google Patents

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Description

非接觸式供電系統
本發明係關於以非接觸方式對受電裝置供電之非接觸式供電系統。
自以往即存在有自供電裝置對受電裝置以非接觸方式進行供電之非接觸式供電系統(參照例如專利文獻1)。以往非接觸式供電系統中，實行供電時，係將受電裝置設置於供電裝置內固定之位置。僅在此狀態下，可自供電裝置對受電裝置供電。
近年來，為更實現提升使用者之便利性，有人檢討所謂自由佈局型非接觸式供電系統，僅於供電裝置上表面(供電面)中任意位置設置受電裝置，即可對該受電裝置供電(參照例如專利文獻2)。
如圖5(a)所示，於自由佈局型非接觸式供電系統中供電裝置10之內部，沿其供電面6配置有複數1次線圈L1。且於受電裝置30設有2次線圈L2。圖5(a)中，處於2次線圈L2對正1次線圈L1之狀態。此1次線圈L1因操作頻率f1而被激磁。2次線圈L2中因來自經激磁之1次線圈L1磁束之變化而感應產生電流。此感應產生電流係受電裝置30之輸出電力。如此，利用電磁感應自供電裝置10對受電裝置30供給電力。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-204637號公報
[專利文獻2]日本特開2008-5573號公報
以往非接觸式供電系統(非自由佈局型系統)中，如圖7所示，設定1次線圈L1之操作頻率f1，俾與2次線圈L2對正1次線圈L1時共振系中之共振頻率fr一致。此共振頻率fr係2次線圈L2之共振頻率。以往非接觸式供電系統中，受電裝置設置於相對於供電裝置固定之位置，故供電時2次線圈L2可對正1次線圈L1。因此，可使操作頻率f1為共振頻率fr，藉此於受電裝置30獲得最大之輸出電力W1。
另一方面，上述自由佈局型非接觸式供電系統中，只要在供電面6上，無需特別設置受電裝置30於固定位置。因此，如圖5(b)所示，有時2次線圈L2亦會被擺在2個1次線圈L1間之間隙位置。2次線圈L2對正1次線圈L1之位置時漏電感Le最小。又，隨著2次線圈L2自對正位置沿供電面6偏離漏電感Le會增加。
已知漏電感Le愈大，共振頻率fr愈小。因此，如圖7箭頭所示，隨著相對於1次線圈L12次線圈L2之位置偏離共振系中之共振頻率fr會減小。因此，1次線圈L1處於間隙位置時輸出電力相較於處於對正位置時之輸出電力W1為大幅降低之輸出電力W2。如此自由佈局型非接觸式供電系統中對應受電裝置30之設置位置受電裝置30內輸出電力之差異大，難以確保穩定之輸出電力。
鑑於如此情事，本發明之目的在於提供一種非接觸式供電系統，無關於2次線圈之位置，可獲得穩定之輸出電力。
本發明一態樣之非接觸式供電系統包含：供電裝置，具有沿供電面配置，以操作頻率激磁之複數1次 線圈；及受電裝置，具有在設置於該供電面之狀態下，因來自該1次線圈之交變磁束而感應產生電流之2次線圈。
該非接觸式供電系統之特徵在於：使該1次線圈激磁之該操作頻率設定於該2次線圈存在於相互鄰接之2個該1次線圈之間之間隙位置時所形成之共振系的共振頻率或其附近。
且上述構成中，該非接觸式供電系統亦可具有連接該2次線圈之電容器。
此構成中，宜藉由調整該電容器的電容，設定該操作頻率於對應該間隙位置之該共振系的共振頻率或其附近。
且上述構成中，所謂該共振頻率附近宜係以對應該間隙位置之該共振系所獲得之該受電裝置輸出電力在以該2次線圈存在於該1次線圈對正位置時形成之共振系所獲得之該受電裝置輸出電力以上之頻率區域。
且上述構成中，宜設定該操作頻率，俾於該間隙位置之該共振系中該共振頻率附近，不與同共振頻率一致。
以下，參照圖1~圖6並同時說明非接觸式供電系統之一實施形態。
如圖1所示，非接觸式供電系統包含供電裝置10與受電裝置30。本例中，受電裝置30內建於行動式終端機40。以下說明關於供電裝置10及受電裝置30之具體構成。
(供電裝置)
如圖2所示，供電裝置10包含平板狀框體5。於框體5上表面形成設置行動式終端機40之供電面6。於框體5內部，橫跨供電面6所有區域配置有複數1次線圈L1。本例中，24個1次線圈L1於供電面6配置成4行×6列之矩陣狀。
如圖1所示，供電裝置10包含單一共通單元11與連接此共通單元11之複數(本例中為與1次線圈L1數量相同之24個)供電單元15。
共通單元11包含電源電路13與共通控制電路12。電源電路13將來自外部電源之交流電力轉換為適當之直流電壓，以此直流電壓為動作電力對各供電單元15及共通單元11供給之。
共通控制電路12由微電腦構成，且藉由對各供電單元15供給各種指令信號整合控制供電裝置10。
供電單元15包含單元控制電路19、激磁驅動電路16與1次線圈L1。
單元控制電路19接受來自共通控制電路12要求供電意旨之指令信號後，即實行激磁驅動電路16之控制。
1次線圈L1之兩端連接激磁驅動電路16。又，於1次線圈L1一端及激磁驅動電路16之間連接電容器C1。激磁驅動電路16藉由以單元控制電路19控制，產生操作頻率f1之交流電流，對1次線圈L1及電容器C1供給之。藉此，使1次線圈L1激磁。此時，自1次線圈L1產生之磁束變化。
(受電裝置)
如圖1所示，受電裝置30包含整流電路31與DC/DC轉換器 35。
2次線圈L2兩端連接整流電路31。又，於2次線圈L2一端及整流電路31之間連接電容器C2。2次線圈L2因來自1次線圈L1磁束之變化而感應產生電流。整流電路31將由2次線圈L2感應產生之交流電流加以整流。DC/DC轉換器35將來自整流電路31之直流電壓轉換為適合行動式終端機40動作之值。利用此直流電壓於例如係行動式終端機40動作電源之2次電池(圖示略)之充電。
其次，說明關於非接觸式供電系統中之共振特性。
圖3係顯示表示對應1次線圈L1操作頻率受電裝置30之輸出電力之共振系之曲線圖。如同圖3所示，本實施形態共振系中存在有1次側共振頻率fa1及2次側共振頻率fb1之2個共振頻率。1次側共振頻率fa1低於2次側共振頻率fb1。此等共振頻率fa1、fb1係2次線圈L2處於對正1次線圈L1之位置時之共振頻率。
在此，設定將1次線圈L1加以激磁之操作頻率f1為1次側共振頻率fa1時，因兩線圈L1、L2在磁耦合之狀態下阻抗過度降低，電路效率降低。因此，本例中為利用2次側共振頻率fb1，設定將1次線圈L1加以激磁之操作頻率f1於2次側共振頻率fb1附近。藉由於2次側共振頻率fb1附近設定操作頻率f1，抑制阻抗過度降低。共振頻率自以下數式導出。
依數式(1)可知，漏電感Le或電容器的電容C愈大共振頻率愈小。例如，2次線圈L2自對正1次線圈L1之圖5(a)所示之位置 沿供電面6面方向偏離時，隨著偏離漏電感Le增大。此時，圖3以實線所示之共振系(共振曲線)朝共振頻率減小之方向(圖3中左方向)移動。又，如圖5(b)所示，2次線圈L2存在於係相互鄰接之2個1次線圈L1間之中央位置之間隙位置時，設定共振系(共振曲線)為圖3以虛線所示之頻率。如此，在間隙位置之1次側共振頻率fa2及2次側共振頻率fb2分別小於在對正位置之2次側共振頻率fa1及2次側共振頻率fa1。
且如上述數式(1)所示，藉由調整電容器C2之電容C，可設定相對於操作頻率f1之共振頻率(共振系之頻率區域)。此時，可固定操作頻率f1。
圖4係顯示圖3範圍A之放大圖。如圖4所示，與上述先前技術相同，設定操作頻率f1為於對正位置之共振頻率fb1時，在間隙位置受電裝置30之輸出電力與在對正位置受電裝置30之輸出電力之差△W1為最大。此時，如圖6(a)之曲線圖所示，於對正位置受電裝置30之輸出電力為最大(約50W)。又，2次線圈L2存在於對正位置與間隙位置之中間位置時，受電裝置30之輸出電力未滿20W。且2次線圈L2存在於間隙位置時，受電裝置30之輸出電力約為10W。因此，設定操作頻率f1為於對正位置之共振頻率fb1時，2次線圈L2處於間隙位置時之輸出電力降低至於對正位置之輸出電力之約20%。
相對於此，本實施形態中，藉由調整電容器C2之電容C設定相對於操作頻率f1共振系之位置，俾在間隙位置受電裝置30之輸出電力與在對正位置受電裝置30之輸出電力之差小。本例中，設定操作頻率f1於在間隙位置之共振頻率fb2附近。如圖4所示，所謂共振頻率fb2附近係對應間隙位置之共振系(以虛線表示之共振曲線)，與對應對正位置之共振系(以實線表示之共振曲線)之2個交叉點fx、fy之間之頻率區域。亦即，設定本實施形態之共振 系，俾操作頻率f1位於2個交叉點fx、fy間。於2個交叉點fx、fy間設定操作頻率f1時，在間隙位置之輸出電力為在對正位置之輸出電力以上。
設定操作頻率f1於共振頻率fb2附近時，在間隙位置之受電裝置30之輸出電力與在對正位置之受電裝置30之輸出電力之差△W2小於上述差△W1。此時，如圖6(b)之曲線圖所示，於間隙位置受電裝置30之輸出電力最大(約40W)。又，2次線圈L2存在於對正位置與間隙位置之中間位置時，受電裝置30之輸出電力約為30W。且2次線圈L2存在於對正位置時，受電裝置30之輸出電力約為20W。因此，本構成中，相對於間隙位置對正位置輸出電力之降低比例僅止於約50%。因此，無關於2次線圈L2之位置，可更穩定地獲得受電裝置30之輸出電力。
本實施形態之非接觸式供電系統具有以下優點。
(1)設定操作頻率f1於在間隙位置之共振頻率fb2附近。藉此，相較於例如設定操作頻率f1為在對正位置之共振頻率fb1時，可減小在間隙位置與對正位置之間受電裝置30之輸出電力差。因此，無關於2次線圈L2之位置，可獲得更穩定的受電裝置30之輸出電力。
(2)藉由調整電容器C2之電容C設定相對於操作頻率f1共振系之位置。藉此，即使在例如操作頻率f1預先依規格等決定之情形下，亦可將操作頻率f1固定於依規格之值，並同時獲得更穩定的受電裝置30之輸出電力。
(3)且設定操作頻率f1，俾不與在間隙位置之共振頻率fb2一致。在此，操作頻率f1與在間隙位置之共振頻率fb2一致時，雖不到上述操作頻率f1與在對正位置之共振頻率fb1一致時之程度，但受電裝置30之輸出電力差增大。因此，藉由使操作頻率f1 不與在間隙位置之共振頻率fb2一致可更減小受電裝置30之輸出電力差。
又，上述實施形態可以將其適當變更之以下形態實施。
‧上述實施形態中，藉由調整電容器C2之電容C設定相對於操作頻率f1共振系之位置。然而，亦可藉由使操作頻率f1變化，設定操作頻率f1於在間隙位置之共振頻率fb2附近。
‧上述實施形態中，所謂共振頻率fb2附近係對應間隙位置之共振曲線與對應對正位置之共振曲線之2個交叉點fx、fy間之頻率區域。又，已於交叉點fx、fy間設定操作頻率f1。然而，只要相較於設定操作頻率f1於共振頻率fb1時在間隙位置與對正位置之間受電裝置30之輸出電力差小，設定操作頻率f1之頻率區域不限於此。例如，可於小於交叉點fx之頻率區域設定操作頻率f1，亦可於大於交叉點fy之頻率區域設定操作頻率f1。亦即，意指共振頻率fb2附近之頻率區域其範圍亦可更廣。
‧且亦可於操作頻率f1與在間隙位置之共振頻率fb2一致之位置設定共振系。此時，相較於設定操作頻率f1於在對正位置之共振頻率fb1附近(特別是高於共振頻率fb1之頻率區域)之情形，亦可獲得穩定之輸出電力。
‧亦可省略上述實施形態中之單元控制電路19。此時，共通控制電路12亦進行上述實施形態中單元控制電路19實行之控制。且共通控制電路12亦可進行單元控制電路19進行之控制之一部分，單元控制電路19亦可進行共通控制電路12進行之控制之一部分。
‧上述實施形態中，線圈L1與電容器C1雖直接連接但亦可並聯連接。且線圈L2與電容器C2雖串聯連接但亦可並聯連接。
A‧‧‧範圍
C1、C2‧‧‧電容器
C‧‧‧電容
f1‧‧‧操作頻率
fa1‧‧‧1次側共振頻率
fa2‧‧‧1次側共振頻率
fb1‧‧‧2次側共振頻率
fb2‧‧‧2次側共振頻率
fr‧‧‧共振頻率
fx、fy‧‧‧交叉點
L1‧‧‧1次線圈
L2‧‧‧2次線圈
Le‧‧‧漏電感
W1、W2‧‧‧輸出電力
△W1、△W2‧‧‧差
5‧‧‧框體
6‧‧‧供電面
10‧‧‧供電裝置
11‧‧‧共通單元
12‧‧‧共通控制電路
13‧‧‧電源電路
15‧‧‧供電單元
16‧‧‧激磁驅動電路
19‧‧‧單元控制電路
30‧‧‧受電裝置
31‧‧‧整流電路
35‧‧‧DC/DC轉換器
40‧‧‧行動式終端機
圖1係顯示非接觸式供電系統構成之方塊圖。
圖2係供電裝置之立體圖。
圖3係顯示包含1次側及2次側頻率之共振系之曲線圖。
圖4係圖3範圍A共振曲線之放大圖。
圖5中(a)係2次線圈L2處於對正位置時供電裝置及受電裝置之部分剖面圖，(b)係2次線圈L2處於間隙位置時供電裝置及受電裝置之部分剖面圖。
圖6中(a)係顯示習知共振系設定中對應2次線圈L2位置受電裝置輸出電力之曲線圖，(b)係顯示本發明共振系設定中對應2次線圈L2位置受電裝置輸出電力之曲線圖。
圖7係顯示先前技術之非接觸式供電系統中，2次線圈處於對正位置時之共振系與2次線圈處於間隙位置時之共振系之曲線圖。
f1‧‧‧操作頻率
fb1‧‧‧2次側共振頻率
fb2‧‧‧2次側共振頻率
fx、fy‧‧‧交叉點
△W1、△W2‧‧‧差

Claims (4)

  1. 一種非接觸式供電系統，包含：供電裝置，具有沿供電面配置，以操作頻率激磁之複數1次線圈；及受電裝置，具有在設置於該供電面之狀態下，因來自該1次線圈之交變磁束而感應產生電流之2次線圈；且於該2次線圈利用共振現象；該非接觸式供電系統之特徵在於：使該1次線圈激磁之該操作頻率設定於該2次線圈存在於相互鄰接之2個該1次線圈之間之間隙位置時所形成之共振系的共振頻率或其附近。
  2. 如申請專利範圍第1項之非接觸式供電系統，其中，具有連接該2次線圈之電容器，藉由調整該電容器的電容，將該操作頻率設定於對應該間隙位置之該共振系的共振頻率或其附近。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之非接觸式供電系統，其中，所謂該共振頻率附近，係以對應於該間隙位置之該共振系所獲得之該受電裝置的輸出電力在以該2次線圈存在於該1次線圈對正位置時形成之共振系所獲得之該受電裝置輸出電力以上之頻率區域。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之非接觸式供電系統，其中，將該操作頻率設定為：在該間隙位置之該共振系中該共振頻率附近，而不與該共振頻率一致。
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